鉭電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)，火花四濺的原因

作者：時(shí)間：2024-08-01 來源：硬十

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本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/202408/461603.htm

鉭（tan），英文名是Tantalum ，主要存在于鉭鐵礦中，同鈮共生。

鉭有非常出色的化學(xué)性質(zhì)，具有極高的抗腐蝕性。

鉭是一種過渡金屬元素，化學(xué)符號(hào)為 Ta，原子序數(shù)為 73。它具有一些獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，使其在許多高科技和工業(yè)應(yīng)用中非常重要。以下是鉭元素的一些關(guān)鍵特性和全球儲(chǔ)存情況的介紹：

鉭的特性

高熔點(diǎn)：鉭的熔點(diǎn)高達(dá) 3017°C，使其在高溫應(yīng)用中非常有價(jià)值。
抗腐蝕性：鉭對(duì)許多化學(xué)物質(zhì)具有很強(qiáng)的抵抗力，包括酸和堿，這使其在化工和醫(yī)療領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
高密度：鉭的密度為 16.65 g/cm3，接近黃金的密度。
良好的導(dǎo)電性：鉭具有良好的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。
生物相容性：鉭在生物環(huán)境中表現(xiàn)出良好的相容性，因此常用于制造醫(yī)療植入物。

鉭的應(yīng)用

電子行業(yè)：用于制造鉭電容器和高功率電阻器。
航空航天：用于制造高溫合金和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)部件。
醫(yī)療領(lǐng)域：用于制造外科植入物和醫(yī)療設(shè)備。
化工行業(yè)：用于制造耐腐蝕設(shè)備和容器。

全球鉭儲(chǔ)量及分布

根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）的數(shù)據(jù)，全球鉭的已探明儲(chǔ)量主要分布在以下幾個(gè)國(guó)家：

澳大利亞：澳大利亞擁有世界上最大的鉭儲(chǔ)量，占全球儲(chǔ)量的很大一部分。
巴西：巴西也是鉭的重要生產(chǎn)國(guó)，擁有豐富的鉭礦資源。
盧旺達(dá)和剛果（金）：這兩個(gè)非洲國(guó)家是鉭礦的主要來源，特別是在盧旺達(dá)，鉭礦是其重要的出口商品。
加拿大：加拿大也有一定量的鉭儲(chǔ)量，但開采量相對(duì)較小。

鉭的供應(yīng)和潛在枯竭問題

雖然鉭是一種相對(duì)稀有的元素，但由于其重要的工業(yè)用途，全球?qū)︺g的需求持續(xù)增長(zhǎng)。以下是鉭供應(yīng)面臨的一些挑戰(zhàn)：

供應(yīng)集中：鉭的主要供應(yīng)來源集中在少數(shù)幾個(gè)國(guó)家，這使得供應(yīng)鏈容易受到地緣政治和經(jīng)濟(jì)波動(dòng)的影響。
環(huán)境和社會(huì)問題：特別是在非洲國(guó)家，鉭礦開采可能涉及非法采礦和沖突礦產(chǎn)問題，這對(duì)供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性和可持續(xù)性構(gòu)成挑戰(zhàn)。
資源有限：雖然目前已探明的鉭儲(chǔ)量可以滿足短期需求，但長(zhǎng)期來看，隨著高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，鉭的需求可能會(huì)進(jìn)一步增加，導(dǎo)致資源逐漸枯竭的風(fēng)險(xiǎn)。

可持續(xù)性和替代方案

為了應(yīng)對(duì)鉭資源可能枯竭的問題，以下幾種策略和研究方向被提出：

資源回收：提高鉭的回收率，從廢舊電子設(shè)備中回收鉭是一個(gè)重要的方向。
替代材料：研究和開發(fā)鉭的替代材料，例如高性能陶瓷材料或其他金屬合金，以減少對(duì)鉭的依賴。
提高采礦效率：采用先進(jìn)的采礦和提煉技術(shù)，提高鉭礦的開采和提煉效率。

綜上所述，鉭作為一種關(guān)鍵的工業(yè)金屬，其全球儲(chǔ)量相對(duì)有限，供應(yīng)面臨一定的挑戰(zhàn)。但通過技術(shù)創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展措施，可以緩解鉭資源枯竭的風(fēng)險(xiǎn)。

雖然鉭的抗腐蝕性很強(qiáng)，但是其抗腐蝕性是由于表面生成穩(wěn)定的五氧化二鉭（Ta2O5）保護(hù)膜。

簡(jiǎn)單的說，固體鉭電容是將鉭粉壓制成型,在高溫爐中燒結(jié)成陽極體,其電介質(zhì)是將陽極體放入酸中賦能,形成多孔性非晶型Ta2O5介質(zhì)膜,其工作電解質(zhì)為硝酸錳溶液經(jīng)高溫分解形成MnO2 ,通過石墨層作為引出連接用。

鉭電容和鋁電解電容一樣，如果需要形成足夠大的電容值，是需要兩個(gè)足夠大的平面面積，和足夠小且可控的平面間距。

鉭電容是一種廣泛應(yīng)用于電子電路中的電容器，以其高容量、低漏電流和高穩(wěn)定性而聞名。制造鉭電容的過程涉及以下幾個(gè)主要步驟：

一、原材料制備

從鉭礦中提取鉭，通過化學(xué)處理和還原過程得到鉭粉。鉭粉的純度和顆粒大小對(duì)最終電容的性能有很大影響。

二、陽極制備：

1、壓制成形

壓制成型：將鉭粉壓制成所需形狀的坯料，通常是圓柱形或矩形。

該工序目的是將鉭粉與鉭絲模壓在一起并具有一定的形狀。

在成型過程中要給鉭粉中加入一定比例的粘接劑。

鉭粉作為金屬與鉭絲充分接觸導(dǎo)電，形成了陽極。

因?yàn)槭穷w粒狀的所以其面積也是可以足夠的大。

2、燒結(jié)

燒結(jié)：在高溫下將坯料燒結(jié)，形成堅(jiān)固的多孔結(jié)構(gòu)。這一步驟使得鉭粉顆粒之間形成良好的電接觸。

在高溫、高真空條件下將剛剛壓制成形的鉭坯燒成具有一定機(jī)械強(qiáng)度的鉭塊。

三、陽極氧化：

形成鉭氧化層：將燒結(jié)后的鉭陽極在電解液中進(jìn)行電化學(xué)氧化，形成一層氧化鉭（Ta2O5）。這層氧化物層是鉭電容的介質(zhì)層，決定了電容器的電性能。

1、賦能

賦能工序是很關(guān)鍵的一道工序，它利用電化學(xué)的方法，在陽極表面生成一層致密的絕緣Ta2O5（五氧化二鉭）氧化膜，以作為鉭電解電容器的介質(zhì)層。

過程為成架的產(chǎn)品浸入形成液中（通常為稀硝酸液）一定深度，硝酸溶液會(huì)滲透到鉭塊內(nèi)部的孔道內(nèi)，再將鉭塊作為陽極通以電流，硝酸分解出氧，就會(huì)在與硝酸接觸的鉭粒子表面生成Ta2O5（五氧化二鉭）氧化膜。

氧化膜厚度：電壓越高，氧化膜的厚度越厚，所以提高賦能電壓，氧化膜的厚度增加，容量就下降。

耐壓和容量自然是矛盾的，間距越大，按照電容公式其實(shí)現(xiàn)的電容值就越小，但是能夠?qū)崿F(xiàn)的耐壓值就會(huì)越大，因?yàn)閾舸┧枰碾妷鹤兇罅恕?br/>

四、陰極制備：

1、二氧化錳沉積：將氧化后的鉭陽極浸泡在二氧化錳溶液中，通過化學(xué)反應(yīng)在陽極表面形成一層二氧化錳（MnO2），作為電容器的陰極。

被膜

被膜：通過多次浸漬硝酸錳，分解制得二氧化錳的過程。

被膜是將已經(jīng)賦能好的鉭電容進(jìn)行清洗干燥后，浸在硝酸錳溶液中，硝酸錳溶液一直深入到鉭塊內(nèi)部孔洞，硝酸錳加熱分解變成二氧化錳形成電容的陰極。此工序須重復(fù)多次直到內(nèi)部間隙都充滿二氧化錳，這樣保證二氧化錳的覆蓋率使電容的容量足夠的大。

這里二氧化錳是電容的陰極，緊貼介質(zhì)層，這樣可以有足夠的面積S。

同時(shí)我們期望電極的電阻率比較小，這樣可以有足夠小的ESR。

通過上面的描述和動(dòng)畫，我們可以看到陽極是鉭金屬、介質(zhì)層是五氧化二鉭、陰極是二氧化錳。因?yàn)殂g粉是顆粒狀壓制的，所以表面積足夠大、五氧化二鉭是通過化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，所以是包裹在鉭粉表面，同時(shí)通過多次處理讓二氧化錳也是包裹在五氧化二鉭的表面。

在Ta2O5膜上被一層MnO2,作為電容器的陰極。這就是我們?cè)诖饲半娊怆娙萜鞯慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)中闡述的其陰極為非金屬材料----“電解質(zhì)”。

除了電解質(zhì)為MnO2的鉭電容，還有Polymer（高分子聚合物）為電解質(zhì)的鉭電容。Polymer鉭電容僅將陰極材料從MnO2換成了Polymer，其余工藝基本是一樣的，但改變了很多特性：

1）顯著提高電容器高頻特性，拓展了電解電容器適用的頻率范圍。導(dǎo)電Polymer材料導(dǎo)電率是MnO2的 10~1000倍，有效降低電容器的ESR。

2）Polymer材料柔軟有彈性，被膜過程最高溫度+120℃，Polymer鉭電容的失效率比MnO2鉭電容的失效率更低。

3）Polymer的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是氧含量低，鉭塊與氧結(jié)合導(dǎo)致燃燒的機(jī)率大大減少。

Polymer翻譯成中文就是高分子聚合物。至于高分子聚合物是什么？

點(diǎn)擊：高分子固體電容，高分子都是什么？

鉭電容的全稱叫做二氧化錳鉭電容，也正是這個(gè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)形成了“鉭電容”失效模式是火花四濺：

為什么盡量不選“鉭電容”？

什么場(chǎng)景下一定要選"鉭電容"?

二氧化錳鉭電容（通常簡(jiǎn)稱為鉭電容）在特定條件下可能會(huì)發(fā)生爆炸，這是因?yàn)殂g電容在電氣和環(huán)境條件惡劣時(shí)容易發(fā)生故障。以下是一些可能導(dǎo)致鉭電容爆炸的原因：

過電壓

鉭電容對(duì)電壓的耐受能力有限，如果施加的電壓超過了其額定電壓，鉭電容的絕緣層可能會(huì)被擊穿。這會(huì)導(dǎo)致電流激增，產(chǎn)生大量的熱量，從而引發(fā)電容爆炸。

反向電壓

鉭電容通常是極性電容，需要正確連接正負(fù)極。如果連接反了，鉭電容會(huì)在反向電壓下工作，這會(huì)導(dǎo)致絕緣層劣化和熱量積累，從而引發(fā)爆炸。

過流

當(dāng)通過鉭電容的電流超過其設(shè)計(jì)值時(shí)，內(nèi)部電阻會(huì)發(fā)熱。這種熱量可能會(huì)導(dǎo)致鉭電容內(nèi)部的氧化鉭層和二氧化錳層之間的化學(xué)反應(yīng)加劇，最終導(dǎo)致電容失效和爆炸。

溫度過高

鉭電容對(duì)環(huán)境溫度有一定的耐受范圍。在高溫環(huán)境下，鉭電容的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生變化，特別是二氧化錳層會(huì)發(fā)生分解，從而導(dǎo)致電容失效和爆炸。

電容缺陷

制造過程中，如果鉭電容的氧化層不均勻或有缺陷，在工作過程中這些缺陷可能會(huì)成為熱點(diǎn)，導(dǎo)致局部過熱，從而引發(fā)爆炸。

脈沖負(fù)載

鉭電容對(duì)快速變化的脈沖負(fù)載比較敏感。如果電路中有大幅度的電流脈沖，鉭電容可能無法迅速適應(yīng)，導(dǎo)致電流過大，產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，從而引發(fā)爆炸。

爆炸的過程

當(dāng)鉭電容內(nèi)部過熱時(shí)，二氧化錳（MnO2）會(huì)發(fā)生分解，釋放出氧氣。這些氧氣會(huì)進(jìn)一步與鉭（Ta）反應(yīng)，生成更多的熱量和氧化鉭（Ta2O5）。這種熱量累積到一定程度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電容器外殼破裂，并可能引發(fā)火焰或爆炸。