新型材料蓋板在鋁電解電容器中的應(yīng)用

尹超 尹志華

【摘? 要】本論文研究的課題是探討新型材料蓋板在鋁電解電容器中的應(yīng)用，即基于高溫強(qiáng)化HPT塑料的板材式蓋板和含氯成分較低的酚醛型紙板材的蓋板性能的比對(duì)研究，以及針對(duì)所研制成的鋁電解電容器相關(guān)產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)分析后發(fā)現(xiàn)，國(guó)產(chǎn)型高溫強(qiáng)化HPT塑料型板材的蓋板基本上能夠取代進(jìn)口的板材型蓋板，從而研制出耐高壓、耐高溫、質(zhì)量?jī)?yōu)的鋁電解電容器。

【關(guān)鍵詞】HPT高溫增強(qiáng)塑料;新型材料;蓋板;鋁電解電容器

1 引言

就蓋板功能而言，其和橡膠塞相同，均通過電容器發(fā)揮密封的功能，規(guī)避電容器內(nèi)液體電解質(zhì)出現(xiàn)蒸發(fā)的現(xiàn)象，確保電容器電容量與其他的電性能不發(fā)生惡化的后果。其屬于大規(guī)模電容器的關(guān)鍵性封閉式組件，通過單層的耐高溫橡膠與酚醛樹脂的紙板進(jìn)行復(fù)合之后而制成。以往的看法是，電容器常規(guī)式的3個(gè)參量——漏電量、電容量以及損耗角的正切，都和電容器的蓋板并不存在著直接的關(guān)聯(lián)性。就外部而言，常溫環(huán)境下，電容器的上述3個(gè)參量確實(shí)是通過電容器3個(gè)核心原素材（電解紙、鋁箔和電解液體）所確定。因而，國(guó)內(nèi)公司都比較關(guān)注上述重要原素材的研發(fā)工作。從實(shí)際情況來看，該領(lǐng)域的文獻(xiàn)也并不少。國(guó)內(nèi)的電容器領(lǐng)域在關(guān)注核心原材料之際，忽略了電容器的輔助性素材的探討，諸如電容器的蓋板及其橡膠塞、封閉式膠帶、鋁質(zhì)外殼、黏結(jié)劑、電容器引線（電容器的導(dǎo)針）以及PVC規(guī)格套管等。在蓋板的板材種類中，鋁電解質(zhì)是最為常用的類型。但是，國(guó)內(nèi)不少鋁電解電容器的組件主要還是進(jìn)口為主，因?yàn)閲?guó)產(chǎn)的板材在核心因子氯離子（Cl^-）的含量指標(biāo)上存在著瓶頸現(xiàn)象，因?yàn)槁入x子的存在將導(dǎo)致鋁電解電容器的導(dǎo)箔條（或引線條）產(chǎn)生腐蝕，致使電容器使用壽命縮短甚至失效。從而對(duì)板材國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程產(chǎn)生了制約性的后果。筆者通過所在生產(chǎn)中數(shù)年的實(shí)踐研究后，研制出的是HPT規(guī)格高溫型強(qiáng)化塑料型蓋板素材，應(yīng)用此板材所研制的蓋板，無論其性能還是性價(jià)比都明顯地優(yōu)于進(jìn)口板材的蓋板類型，屬于國(guó)產(chǎn)化比較理想化的選擇對(duì)象。

2 蓋板應(yīng)用板材的性能研究

蓋板會(huì)對(duì)電容器的性能產(chǎn)生明顯的影響。電容器商家對(duì)此都有一段認(rèn)識(shí)的發(fā)展歷程。上個(gè)世紀(jì)80年代的中期到晚期為止，各大商家都在廣泛地運(yùn)用環(huán)氧板式蓋板，從而導(dǎo)致20世紀(jì)90年代早期，各大整機(jī)廠都普遍地暴露出應(yīng)用高壓式鋁電解電容器時(shí)無效的后果。

在彼時(shí)，電子工業(yè)部門特意聯(lián)合了各個(gè)大規(guī)模的商場(chǎng)對(duì)此課題進(jìn)行攻關(guān)，同時(shí)研究表明，環(huán)氧板蓋板內(nèi)Cl^-成分的比例（質(zhì)量百分比w）至少超出2 000× 10^{- 6}，是造成高壓電容器無效的一個(gè)最為主要的緣故。因而，各家大規(guī)模的廠商減少了環(huán)氧板式蓋板，將其改建成運(yùn)用酚醛式低氯含量的紙板型蓋板。在當(dāng)下，國(guó)內(nèi)一系列的蓋板商廠所采納的板材均源自于德國(guó)的NYH公司、日本利昌公司和國(guó)內(nèi)某家板材的制造商。國(guó)產(chǎn)的板材和進(jìn)口的板材最大的差距是w（Cl^-），進(jìn)口的板材w（Cl^-）低于5× 10^{- 6}。國(guó)產(chǎn)的板材w（Cl^-）通常超出10× 10^{- 6}。基于實(shí)驗(yàn)后可知，w（Cl^-）會(huì)明顯地影響產(chǎn)品的性能。本論文借助于各類蓋板（即w（Cl^-）各異）研制產(chǎn)品，展開高溫的儲(chǔ)存與耐久性的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)1：

400 V /100μF，溫度：85℃;時(shí)間：1000 h

（1）w（Cl^-）的比例低于5× 10^{- 6}的蓋板，且產(chǎn)品各個(gè)指標(biāo)均與要求相一致。

（2）w（Cl^-）的比例低于10× 10^-6的且超出5× 10^{- 6}者，產(chǎn)品須和要求相匹配，然而，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)箔條變色現(xiàn)象，從而致使性能出現(xiàn)明顯的改變。

（3）w（Cl-）的比例超出10× 10^-6的蓋板，經(jīng)由產(chǎn)品所引出的條和蓋板的鉚接地方出現(xiàn)了異物的堆積現(xiàn)象，說明發(fā)生了腐蝕現(xiàn)象，從而導(dǎo)致產(chǎn)品無效的后果。

實(shí)驗(yàn)2：

450 V /100μF，溫度：105℃;時(shí)間：2 000 h

（1）w（Cl^-）的比例低于2× 10^{- 6}的蓋板，相應(yīng)產(chǎn)品的各個(gè)指標(biāo)都和要求相匹配。

（2）w（Cl^-）的比例低于5× 10^{- 6}且超出2× 10^{- 6}的蓋板，可以判定產(chǎn)品是合格，然而導(dǎo)致的結(jié)果是引出條出現(xiàn)了變色癥狀，性能也發(fā)生了一定的改變。

（3）w（Cl^-）低于10× 10^{- 6}，超出5× 10^{- 6}規(guī)格的蓋板，導(dǎo)致產(chǎn)品所引出的條和蓋板的鉚接地方出現(xiàn)異物的堆積現(xiàn)象，從而導(dǎo)致產(chǎn)品無效。

（4）w（Cl^-）大于10× 10^{- 6}的蓋板，導(dǎo)致引出條受到腐蝕后斷裂，產(chǎn)品無效。

基于上述實(shí)驗(yàn)可知：

（1）就制造產(chǎn)品屬于寬溫且長(zhǎng)壽命型而言，應(yīng)挑選出w（Cl^-）低于2× 10- 6的蓋板。

（2）研制大眾化的產(chǎn)品，應(yīng)挑選w（Cl^-）低于5× 10- 6的蓋板。

（3）w（Cl^-）低于10× 10^{- 6}的蓋板僅僅適合運(yùn)用在研制治理較低的高壓類產(chǎn)品。

（4）w（Cl^-）超過10× 10^{- 6}的蓋板基本不適用于制造高壓產(chǎn)品。

3 HPT素材的性能研究

酚醛中氯的含量較低的紙板核心原材料為紙與酚醛樹脂。出于掌控w（Cl-）的目的，即應(yīng)采納含有Cl-比例較少的紙?jiān)希彝ǔＴ陔娊怆娙萜髦羞x擇使用的是電解紙。然而，花費(fèi)的開支并不低。國(guó)外該領(lǐng)域所使用的是比較特別的減少Cl-含量的方案，且將w（Cl^-）通常控制于5× 10^{- 6}范圍。然而，我國(guó)該領(lǐng)域尚未尋求出有效性減少Cl-含量的途徑。

基于以上緣由的考量，本論文所采用的是新型材料。主要符合如下的幾點(diǎn)要求：①Cl-的含量不高，w（Cl^-）的范圍在2×10^{- 6}之內(nèi);②其它的性能應(yīng)不可以比低氯酚醛紙板性能弱;③成本應(yīng)明顯地比進(jìn)口的板材要低。基于數(shù)年的探索之后發(fā)現(xiàn)，可以研制出溫度較高、強(qiáng)化型的塑料式蓋板素材HPT。此板材突出的優(yōu)點(diǎn)在于：Cl^-與SO^2-的含量并不高。較高的機(jī)械化強(qiáng)度以及良好的抵抗高溫的功能。

4 電路圖簡(jiǎn)化結(jié)果及其探討

鋁電解電容器的結(jié)構(gòu)能夠精簡(jiǎn)成如下的圖1情況（并聯(lián)式等效電路圖）：

圖1 鋁電解電容器等效電路圖示

其中，上圖1中R1所表示的是電容器并聯(lián)的絕緣電阻，能夠?qū)⑵淅斫獬呻娙萜鞯念~定電壓和漏電流二者之比。就450V、220mF規(guī)格的電容器而言，漏電流數(shù)值在45 mA之際，R1值為10 MW。且C所表示的是現(xiàn)實(shí)電容器等效的并聯(lián)式電容量。R2所表示的是電容器的蓋板相應(yīng)的絕緣電阻，其和環(huán)境對(duì)應(yīng)的溫度、濕度等指標(biāo)存在著內(nèi)在的關(guān)聯(lián)性，也可以說，電容器內(nèi)過多的電解液導(dǎo)致導(dǎo)電之后處于通路狀態(tài)下的電阻值。

因而，在現(xiàn)實(shí)電容器內(nèi)，應(yīng)盡可能地排除過多的電解液非常地重要，不然會(huì)造成R2數(shù)值減少，從而導(dǎo)致外電流由R2所流過。就電阻R1和R2來說，不管是交流信息抑或是直流數(shù)據(jù)而言均會(huì)通過，若要使得線路內(nèi)的電流不經(jīng)由上述的2個(gè)電阻，則應(yīng)確保上圖1中純電容器C阻抗1/w C明顯地超出R1和R2二者并聯(lián)的電阻。因而，當(dāng)外電場(chǎng)的頻率處于恒定的狀態(tài)時(shí)，必須通過加大這2個(gè)電阻值，才可以確保電流能夠順利地流經(jīng)電容器。相反，倘若上述圖1中的2個(gè)電阻的阻值并不大，那么電流則會(huì)直接通過它們，而并不流經(jīng)上圖1中的并聯(lián)電容器，導(dǎo)致的結(jié)果是現(xiàn)實(shí)的電容器相當(dāng)于電阻器，基本上喪失了電容器充電、放電以及濾波等功能，那么應(yīng)用于開關(guān)方面的電源無法發(fā)揮的濾波功能，后果不堪設(shè)想，且極易發(fā)生如下的2類可能性結(jié)果：（1）倘若電容器漏電流太大，那么，上圖1中的電阻R1值會(huì)變得極小，且該類狀況大多數(shù)出現(xiàn)于電容器在較長(zhǎng)的一段時(shí)間貯存之后，或是整機(jī)在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)沒有使用而忽然開機(jī)的情況下。（2）電容器內(nèi)電解液偏多，導(dǎo)致電容器的蓋板板材成為電解液貯存站，通過電解液出現(xiàn)導(dǎo)電之后的通路，或是電容器的蓋板直觀性地成為了導(dǎo)電狀態(tài)的通路。當(dāng)R2 偏小時(shí)即歸為此類狀況。倘若一直維持著此類狀況，則會(huì)導(dǎo)致正、負(fù)引線條內(nèi)部出現(xiàn)電化學(xué)的腐蝕后果，此即為電容器的引線條陽極受到腐蝕的現(xiàn)象。事實(shí)上，只要電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生之后，電容器在現(xiàn)實(shí)中難以起到應(yīng)有的功能，僅僅被視作阻值并不大的電阻器而已，只要外電壓存在，該反應(yīng)會(huì)維持下去，直至導(dǎo)致陽極的引線條受到腐蝕的侵襲之后斷裂，變?yōu)殡娙萜魃w板板材所形成的純電阻。因此，電容器的蓋板和電容器在工作時(shí)電解液含量?jī)?nèi)部的聯(lián)系非常地重要。至于以往出現(xiàn)的高壓式電容器陽極受到腐蝕情況正是此類現(xiàn)象的體現(xiàn)。無論腐蝕所誘發(fā)的是氯離子功能（3類板材中Cl-化驗(yàn)的結(jié)果并不存在著明顯的區(qū)別，都低于3×10–6），抑或是SO₄^2-所發(fā)揮的功效，還有可能為重金屬離子所起到的原電池功能，只要一出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，由于受到外電場(chǎng)的影響，那么電化學(xué)所誘發(fā)的腐蝕現(xiàn)象始終維持下去。可見，從前有關(guān)陽極的腐蝕情況是不正確的。事實(shí)上，高壓電容器陽極受腐的緣由正在于電容器內(nèi)偏多的電解液在導(dǎo)電之后出現(xiàn)的通路現(xiàn)象。因?yàn)殡s質(zhì)的離子而誘發(fā)純電的化學(xué)受腐，太多的電解液則為造成陽極受腐的重要因素。

5結(jié)論

從以上的分析可知，基于分析板材的理化和絕緣等性能，同時(shí)對(duì)所研制鋁電解電容器的性能研究，HPT板材就性能指標(biāo)而言，能夠被當(dāng)作高品質(zhì)的蓋板，其成本和進(jìn)口的含氯成分較低的酚醛紙板相比，要少15%-20%。同時(shí)，在研制蓋板時(shí)，又因?yàn)榈挚箾_擊力性能比較地突出，不容易出現(xiàn)斷裂的后果，材料的使用效率要高于進(jìn)口的含氯較低的酚醛板。因此，高溫強(qiáng)化型塑料HPT的板材被視作電解電容器高品質(zhì)的蓋板材料較為理想化的應(yīng)用對(duì)象。

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作者簡(jiǎn)介：

尹超（1988 - 今），男，江蘇南通人，本科，機(jī)電一體化工程專業(yè)。研究方向：新材料在鋁電解電容器中的應(yīng)用技術(shù)，高溫高壓及特種鋁電容器制造技術(shù)。

（作者單位：深圳江浩電子有限公司）