高比容鉭粉的微觀結(jié)構(gòu)及電性能特性的研究

李 慧，雒國(guó)清，程越偉，馬躍忠，楊國(guó)啟，柏 林，馬海燕

（1.寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏石嘴山 753000；2.國(guó)家鉭鈮特種金屬材料工程技術(shù)研究中心，寧夏石嘴山 753000）

·材 料·

高比容鉭粉的微觀結(jié)構(gòu)及電性能特性的研究

李 慧1，2，雒國(guó)清1，2，程越偉1，2，馬躍忠1，2，楊國(guó)啟1，2，柏 林1，馬海燕1

（1.寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏石嘴山 753000；2.國(guó)家鉭鈮特種金屬材料工程技術(shù)研究中心，寧夏石嘴山 753000）

隨著鉭電容器高比容化和小型化的發(fā)展，150～200 kμFV／g比容的鉭粉已被電容器廠(chǎng)家投入生產(chǎn)并使用。研究通過(guò)SEM、BET、孔隙度分布及粒度分布的測(cè)試對(duì)150 kμFV／g、200 kμFV／g比容的鉭粉進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的研究，展示了這兩種粉末的粒徑分布，分析了在粉末狀態(tài)和燒結(jié)陽(yáng)極體的孔隙度變化，研究了不同倍數(shù)下的顆粒微觀形貌，進(jìn)行了燒結(jié)溫度特性、電壓特性和頻率特性的電性能特性研究。

SEM；粒度分布；孔隙度；電性能

隨著鉭電容器高比容化和小型化的發(fā)展，150～200 kμFV／g比容的鉭粉已被電容器廠(chǎng)家投入生產(chǎn)并使用［1～4］。本研究通過(guò)SEM、BET、孔隙度分布及粒度分布的測(cè)試對(duì)150 kμFV／g、200 kμFV／g比容（重量比容）的鉭粉進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的研究，展示了這兩種粉末的粒徑分布，分析了在粉末狀態(tài)和燒結(jié)陽(yáng)極體的孔隙度變化，研究了不同倍數(shù)下的顆粒微觀形貌，進(jìn)行了燒結(jié)溫度特性、電壓特性和頻率特性的電性能特性研究［5～8］。

1 研究對(duì)象的確定

本次研究所選定的樣本分別為寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的150 kμFV／g和200 kμFV／g比容的鉭粉，為方便描述將150 kμFV／g比容的鉭粉編號(hào)為S－150K、200 kμFV／g比容的鉭粉編號(hào)為S－200K，其主要化學(xué)雜質(zhì)和物理性能見(jiàn)表1和表2。

表2 主要物理性能

2 微觀結(jié)構(gòu)的研究

2.1 SEM分析

S－150K和S－200K粉末不同倍數(shù)電鏡下的顆粒形貌圖如圖1所示。

由圖1可知：

1.不同倍數(shù)電鏡下的分析顯示，S－150K與S－200K具有相似的微觀形貌，S－200K的顆粒更細(xì)。

2.在大于1 000倍的電鏡下可以看到存在熔融點(diǎn)A、超細(xì)顆粒B（如圖1）這些顆粒形貌。

3.S－200K的粉末有更多的超細(xì)顆粒。

2.2 顆粒的粒度分布分析

本研究進(jìn)行粒度分布測(cè)試所選用的測(cè)試設(shè)備為：馬爾文儀器有限公司的激光粒度分布儀，分別取S－150K和S－200K的產(chǎn)品進(jìn)行相同條件下的粒度分布測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

對(duì)其粒徑分布分析結(jié)果見(jiàn)表3。

圖1 S－150K和S－200K粉末不同倍數(shù)電鏡下的顆粒形貌

圖2 S－150K和S－200K相同條件下的粒度分布

表3 粒徑分布分析結(jié)果μm

粒度分布分析顯示：S－150K和S－200K具有相似的分布圖形，且顆粒分布集中，從其d（0.1）、d（0.5）、d（0.9）的分布可明顯看到S－200K的顆粒更細(xì)。這樣的顆粒分布會(huì)對(duì)顆粒和電容器燒結(jié)體的孔隙分布造成不同的影響。

2.3 孔隙度分布分析

將S－150K和S－200K壓制成相同密度的坯塊，在1 200℃條件下真空燒結(jié)后，進(jìn)行孔隙度檢測(cè)，以分析二者的孔隙度對(duì)電性能的影響，孔隙度分布如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可以看出：

1.粉末孔隙呈雙峰分布形態(tài)，燒結(jié)陽(yáng)極的孔隙分布成單峰分布形態(tài)。

圖3 S－150K和S－200K粉末孔隙分布圖

圖4 S－150K和S－200K燒結(jié)坯塊孔隙分布

2.粉末松裝狀態(tài)時(shí)顆粒間有大孔，因此有一個(gè)大孔的峰態(tài)存在，壓制燒結(jié)后顆粒間結(jié)合、顆粒間孔隙收縮，形成單峰。

3.S－150K和S－200K的粉末和燒結(jié)坯塊有相似的孔隙度分布。

4.S－200K燒結(jié)陽(yáng)極的孔隙較S－150K燒結(jié)陽(yáng)極的孔隙更細(xì)，孔隙分布更窄。

3 電性能特性研究

3.1 溫度特性研究

本次分析的陽(yáng)極設(shè)計(jì)方案為：壓制密度5.0g／cm3；燒結(jié)溫度范圍1 150～1 300℃；形成電壓20 V；測(cè)試頻率120 Hz。

將具有不同微觀特性的S－150K和S－200K進(jìn)行不同燒結(jié)溫度的電性能測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。

圖5 S－150K和S－200K在不同燒結(jié)溫度的電性能測(cè)試曲線(xiàn)對(duì)比

對(duì)S－150K和S－200K進(jìn)行不同燒結(jié)溫度條件下的電性能變化趨勢(shì)的研究認(rèn)為：

1.在1 150～1 300℃的燒結(jié)溫度范圍內(nèi)，S－150K和S－200K的CV隨陽(yáng)極燒結(jié)溫度增加而變小；DCL隨燒結(jié)溫度增加而變?。惑w積收縮隨燒結(jié)溫度增加而增加；損耗隨燒結(jié)溫度增加而變小。

2.當(dāng)燒結(jié)溫度增加至1 300℃時(shí)，S－200K不再有CV優(yōu)勢(shì)，綜合DCL的變化曲線(xiàn)分析，當(dāng)燒結(jié)溫度高于1 300℃時(shí)，S－200K表現(xiàn)出更不適宜的CV特性和DCL特性。

3.S－150K和S－200K在1 150℃時(shí)體積收縮接近0值，綜合DCL的變化曲線(xiàn)和tgδ%曲線(xiàn)分析，當(dāng)溫度低于1 150℃時(shí)，S－150K和S－200K表現(xiàn)出不適宜的體積收縮特性和DCL特性。

分析：S－150K、S－200K鉭粉不宜選擇低于1150℃燒結(jié)溫度，而S－200K也不適宜選擇高于1 300℃的燒結(jié)溫度。

3.2 電壓特性的研究

本次分析的陽(yáng)極設(shè)計(jì)方案為：壓制密度5.0 g／cm3；燒結(jié)溫度1 200℃；形成電壓范圍8～30 V；測(cè)試頻率120 Hz。

將具有不同微觀特性的S－150K和S－200K進(jìn)行不同形成電壓下的電性能測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。

圖6 S－150K和S－200K在不同形成電壓下的電性能測(cè)試曲線(xiàn)對(duì)比

從形成電壓與CV和DCL變化的趨勢(shì)進(jìn)行可以認(rèn)為（在本次設(shè)計(jì)的陽(yáng)極體和燒結(jié)條件下）：

1.在8～30 V的范圍內(nèi)，S－150K及S－200K的CV隨形成電壓的增加而降低，DCL隨形成電壓的增加而增加。

2.在8 V的形成電壓下，S－150K和S－200K的CV達(dá)到最高峰值。結(jié)合DCL變化綜合分析，S－150K在8 V和12 V的濕式檢測(cè)條件下，表現(xiàn)出基本相當(dāng)?shù)腃V和DCL，但是12 V下的陽(yáng)極氧化膜必然比8 V的氧化膜厚，因此有理由相信，12 V下S－150K的陽(yáng)極氧化膜的耐壓性能一定較8 V條件下有優(yōu)勢(shì)。

3.在30 V條件下S－150K和S－200K的CV已經(jīng)接近，S－200K相對(duì)于S－150K已經(jīng)沒(méi)有CV優(yōu)勢(shì)，而此時(shí)S－150K的DCL明顯優(yōu)于S－200K。

分析：S－150K選擇12 V的形成電壓綜合性能優(yōu)于更低形成電壓下的性能；S－200K不宜選則大于30 V的形成電壓。

3.3 頻率特性的研究

對(duì)鉭電容器而言，頻率特性對(duì)其在電路中的應(yīng)用有很重要的影響。

本次分析的陽(yáng)極設(shè)計(jì)方案為：壓制密度5.0 g／cm3；燒結(jié)溫度1 200℃；形成電壓10 V；測(cè)試頻率范圍20 Hz～10 kHz。

將具有不同微觀特性的S－150K和S－200K進(jìn)行不同測(cè)試頻率下的電性能測(cè)試，結(jié)果如圖7所示。

圖7 S－150K和S－200K在不同測(cè)試頻率下的電性能測(cè)試曲線(xiàn)對(duì)比

從測(cè)試頻率與CV和tgδ變化的趨勢(shì)進(jìn)行可以認(rèn)為（在本次設(shè)計(jì)的陽(yáng)極體、燒結(jié)條件和形成條件下）：

1.S－150與S－200K鉭粉的CV隨頻率的增加而下降，且S－200K的下降速度大于S－150K；tgδ隨頻率的增加而增加，且S－200K的tgδ增加速度大于S－150K。

2.S－200K在大于120 Hz的測(cè)試頻率下CV下降速度加快，下降速度高于S－150K。

3.S－200K在大于500 Hz的測(cè)試頻率下tgδ增加的速度加快，增加的速度高于S－150K。

分析：S－200K的頻率特性變化比S－150K更明顯，很顯然是由于二者有不同的陽(yáng)極氧化膜結(jié)構(gòu)。

4 結(jié) 論

1.150 kμFV／g、200 kμFV／g比容的鉭粉進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的研究顯示，二者都具有多孔絮狀結(jié)構(gòu)，具有相似的微觀形貌、粒度分布和孔隙分布。

2.SEM、粒度分布、孔隙度測(cè)試顯示200 kμFV／g比容的鉭粉與150 kμFV／g比容的鉭粉相比，顆粒更細(xì)、d（0.1）、d（0.5）、d（0.9）更小、粉末孔隙和燒結(jié)陽(yáng)極體的孔隙更小、分布更窄且分布更集中。

3.對(duì)孔隙分布研究顯示粉末在松裝狀態(tài)時(shí)顆粒間有大孔，因此有一個(gè)大孔的峰態(tài)存在，壓制燒結(jié)后顆粒間結(jié)合、顆粒間孔隙收縮，形成單峰。

4.微觀結(jié)構(gòu)的研究顯示150 kμFV／g、200 kμFV／g比容的鉭粉中存在熔融點(diǎn)、超細(xì)顆粒這些顆粒形貌，且200 kμFV／g比容的鉭粉比150 kμFV／g比容的鉭粉有更多的超細(xì)顆粒。

5.在1 150～1 300℃的燒結(jié)溫度范圍內(nèi)，150 kμFV／g、200 kμFV／g比容的鉭粉的CV隨陽(yáng)極燒結(jié)溫度增加而變??；DCL隨燒結(jié)溫度增加而變??；體積收縮隨燒結(jié)溫度增加而增加；損耗隨燒結(jié)溫度增加而變小。二者不宜選擇低于1 150℃燒結(jié)溫度，而200 kμFV／g比容的鉭粉也不適宜選擇高于1 300℃的燒結(jié)溫度。

6.在8～30 V的形成電壓范圍內(nèi)，150 kμFV／g、200 kμFV／g比容鉭粉的CV隨形成電壓的增加而降低，DCL隨形成電壓的增加而增加。而150 kμFV／g的粉末選擇12 V的形成電壓綜合性能優(yōu)于更低形成電壓下的性能；200 kμFV／g比容的鉭粉不宜選擇大于30 V的形成電壓。

7.150 kμFV／g、200 kμFV／g比容鉭粉的CV隨頻率的增加而下降，且200 kμFV／g比容鉭粉在頻率大于120 Hz時(shí)的下降速度大于150 kμFV／g；tgδ隨頻率的增加而增加，且200 kμFV／g比容鉭粉的tgδ在大于500 Hz時(shí)增加速度大于S－150K。

［1］ 何季麟.鉭鈮工業(yè)的進(jìn)步與展望［J］.稀有金屬，2003，27（1）：23.

［2］ 楊國(guó)啟，何季麟，鄭愛(ài)國(guó)，等.電容器級(jí)高比容鉭粉制備工藝研究進(jìn)展［J］.湖南有色金屬，2014，30（1）：48－51.

［3］ He Jilin，Yang Guoqi，Pan Luntao.Flake tantalum powder for manufacturing electrolytic capacitors［J］.Rare Metals，2008，27（1）：22－26.

［4］ 陳國(guó)光.電解電容器［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1993.

［5］ 郭青蔚，王肈信.現(xiàn)代鈮鉭冶金［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

［6］ 劉洪東.電容器級(jí)鉭粉和陽(yáng)極塊顯微結(jié)構(gòu)及微觀結(jié)構(gòu)研究［D］.長(zhǎng)沙：中南工業(yè)大學(xué)，2000.

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The Microstructure and Electrical Characteristics of High CV Tantalum Powder

LIHui1，2，LUO Guo-qing1，2，CHENG Yue-wei1，2，MA Yue-zhong1，2，YANG Guo-qi1，2，BO Lin1，MA Hai-yan1
（1.Ningxia Orient Tantalum Industry Co.，Ltd.，Shizuishan 753000，China；2.National Engineering Research Center of Tantalum and Niobium，Shizuishan 753000，China）

With the tantalum capacitors being demand to have a small size and a large capacitance，tantalum powder with specific charges of150，000 to 20，000μFV／gwere produced and used by themanufacturers of tantalum powder and capacitors.This paper discussed themicrostructure of tantalum powder with specific charges of150，000 to 20，000μFV／g through measuring SEM，BET，porosity and particle size distribution.This study showed the SEMand particle size distribution of these powders，analyzed the porosity of these powder and sintered anode.And the characteristics of sintering temperature，voltage and frequency of the sintered anode formed from these tantalum powderswere researched.

SEM；particle size distribution；porosity；electrical characteristics

TG146.4

A

1003－5540（2017）01－0048－05

2016－12－12

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（715－005－0140）；國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAE06B03）

李 慧（1973－），女，高級(jí)工程師，主要從事鉭鈮等功能材料的研究。