钽粉细粉对钽阳极块性能的影响分析

2023-01-11张洪刚李仲香

湖南有色金属 2022年6期

张洪刚，李仲香，2

（1.宁夏东方钽业股份有限公司，宁夏石嘴山 753000；2.稀有金属特种材料国家重点实验室，宁夏石嘴山 753000）

钽电容器相对于铝质、陶瓷、薄膜等电容器而言具有可靠性强、稳定性高、电容量高、等效串联电阻低、易于片式化、微型化、耐温、耐湿、抗震、抗热冲击、耐电击等一系列优良的特殊性能［1-2］，在通信设备、计算机和国防工业中都有广泛的应用［3］。

钽电容器，无论是固体钽电容器、非固体钽电容器或是片式钽电容器，阳极都是它们的核心部件，要得到一个性能优良的电容器，首先必须要有一个合格的钽阳极块来保证。所谓合格就是钽块要有完整的外形，不能在成型后出现缺角、掉角、开裂、分层等［4-5］。这就要求钽阳极块的关键原材料钽粉要有好成型性。因此，有必要对影响钽阳极成型性的因素进行研究，以指导阳极设计生产。

试验选取宁夏东方钽业股份有限公司生产的牌号为FTD40、FTP100、FTW400三个系列钽粉为研究样品。通过对样品不同-0.038μm细粉比例进行调整研究其对坯块强度、松装密度（g／cm3）、流动性（50 g／s）及电性能的影响，找出影响规律，以达到有效指导生产的目的。

1 试验部分

1.1 测试分析设备及方法

采用DZS-200试验筛，依据GB／T 1480干筛分法测定-0.038μm细粉比例；依据GB／T 1479.1漏斗法测定松装密度；依据GB／T 1482霍尔流速计测定流动性；采用0202电子万能试验机测定坯块强度；依据GB／T 3137钽粉电性能检测方法检测电性能。

1.2 试验过程

对选取的FTD40品级钽粉编号样品A、FTP100品级钽粉编号样品B、FTW400品级钽粉编号样品C，通过筛分的方式分别使三个样品的-0.038μm细粉比例控制在0、10%、20%、30%、40%、50%，对其测试坯块强度、松装密度、流动性及电性能。

2 结果与讨论

2.1 钽粉不同细粉比例对成型块坯块强度粉末流动性的影响

图1分别为样品A、样品B、样品C不同细粉比例对应的成型块坯块强度的变化趋势。

图1 不同细粉比例与成型块坯块强度的关系

图2分别为样品A、样品B、样品C不同细粉比例对应的粉末流动性的变化趋势。

图2 不同细粉比例与粉末流动性的关系

由图1、图2可知，钽粉细粉比例由0增加到50%，坯块强度整体有下降趋势，样品B和C细粉比例在10%～30%之间坯块强度下降幅度较小，而样品A细粉比例在10%～40%之间坯块强度下降增幅较小。且在相同的细粉比例下样品A具有较大的坯块强度，样品B和样品C二者坯块强度相当。其主要原因为，随着钽粉细粉比例的增加，影响到了粉末的流动性（见图2）。粉末越细，流动性越差，填充模腔边角处越困难，越容易形成拱桥效应导致致密性差，坯块强度降低。样品A较样品B和C具有更为简单的颗粒形状，粉末颗粒间摩擦力较小，流动性更好，因而表现出更高的坯块强度。在实际生产中，最常用的方法为采用筛分法去除部分的-0.038μm细粉，从而达到减少细粉的目的。去除的细粉不能作为正常的电容器用钽粉使用，一般会降级为冶金级钽粉从而造成生产成本增加。为了保证粉末具有良好的坯块强度，同时不造成生产成本的过度增加，样品A的细粉比例控制在40%以内为宜，而样品B和样品C的细粉比例控制在30%以内为宜。

2.2 钽粉不同细粉比例对松装密度的影响

图3分别为样品A、样品B、样品C不同细粉比例对应的钽粉末松装密度的变化趋势。

图3 不同细粉比例与粉末松装密度的关系

由图3可以看出，钽粉细粉比例由0增加到50%，样品A、B、C的松装密度均呈明显的增加趋势，样品A的松装密度远远大于样品B和样品C，同时随着细粉比例的增加，样品A的松装密度的增加幅度更大。这是因为粉末的松装密度受粒度组成、颗粒性状、颗粒内及颗粒间孔隙的影响。由于细粉比例的增加，填充了部分大颗粒间的孔隙，颗粒间的孔隙减小，从而导致松装密度增加。而样品A的颗粒形貌较样品B和样品C更为简单，同时颗粒内部孔隙较小，钽颗粒较为致密，具有更大的松装密度。在电容器生产中，钽粉松装密度是成型块压模设计重要依据，同时还影响压制密度和成型性。在压制压力相同的条件下，松装密度高的粉末，钽阳极压块密度高于松装密度低的。所以，当需要压制高密度的钽阳极压块时，应选用松装密度高的金属粉末。松装密度根据各个钽电容器生产厂商的工艺而有不同要求。在钽粉实际生产中，通过调整钽粉末细粉比例作为调控钽粉末松装一种有效的手段。

2.3 钽粉不同细粉比例对电性能的影响

样品A的细粉比例与电性能的关系如图4所示，烧结条件统一为1 950℃／30 min。

图4 样品A的细粉比例与电性能的关系

样品B的细粉比例与电性能的关系如图5所示，烧结条件统一为1 700℃／30 min。

图5 样品B的细粉比例与电性能的关系

样品C的细粉比例与电性能的关系如图6所示，烧结条件统一为1 400℃／20 min。

图6 样品C的细粉比例与电性能的关系

从图4～图6可以看出，样品A、B、C细粉比例在0～30%之间时，漏电流没有明显的变化。当细粉比例在30%以上时，随着细粉量继续增加，漏电流呈现出逐渐增大的趋势。随着细粉比例不断增加，容量呈现出逐渐增大的趋势，在细粉含量为40%时，容量达到峰值，随着细粉含量继续增加，容量呈现下降趋势。损耗随着细粉增加不断增大。细粉越多体积收缩率越大。分析表明，钽粉的粒度影响到阳极块的孔隙度。随着细分比例的增加压制后坯块的孔隙度减小，且孔径相差较大，导致赋能过程电流分布不均匀，氧化膜生长厚度也不均匀，产生部分电场集中，导致电流密度增大，漏电流和损耗增加。对容量而言，由于细粉具有较大的比表面积，对提高容量有利，但当细粉比例达到一定量后，颗粒间孔隙减小，对后期电容器制作过程中容量引出不利。因而出现容量值随着细分比例的增加先增加而后又降低的趋势。在实际生产过程中，为了确保电容器具有良好的电气性能，钽粉细粉比例控制在30%左右为佳。