鉭電容內部結構，火花四濺的原因
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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(guò)渡金屬元素，化學(xué)符號為 Ta，原子序數為 73。它具有一些獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，使其在許多高科技和工業(yè)應用中非常重要。以下是鉭元素的一些關(guān)鍵特性和全球儲存情況的介紹：
鉭的特性
高熔點(diǎn)：鉭的熔點(diǎn)高達 3017°C，使其在高溫應用中非常有價(jià)值。
抗腐蝕性：鉭對許多化學(xué)物質(zhì)具有很強的抵抗力，包括酸和堿，這使其在化工和醫療領(lǐng)域廣泛應用。
高密度：鉭的密度為 16.65 g/cm3，接近黃金的密度。
良好的導電性：鉭具有良好的電導率和熱導率。
生物相容性：鉭在生物環(huán)境中表現出良好的相容性，因此常用于制造醫療植入物。
鉭的應用
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)機部件。
醫療領(lǐng)域：用于制造外科植入物和醫療設備。
化工行業(yè)：用于制造耐腐蝕設備和容器。
全球鉭儲量及分布
根據美國地質(zhì)調查局（USGS）的數據，全球鉭的已探明儲量主要分布在以下幾個(gè)國家：
澳大利亞：澳大利亞擁有世界上最大的鉭儲量，占全球儲量的很大一部分。
巴西：巴西也是鉭的重要生產(chǎn)國，擁有豐富的鉭礦資源。
盧旺達和剛果（金）：這兩個(gè)非洲國家是鉭礦的主要來(lái)源，特別是在盧旺達，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量，但開(kāi)采量相對較小。
鉭的供應和潛在枯竭問(wèn)題
雖然鉭是一種相對稀有的元素，但由于其重要的工業(yè)用途，全球對鉭的需求持續增長(cháng)。以下是鉭供應面臨的一些挑戰：
供應集中：鉭的主要供應來(lái)源集中在少數幾個(gè)國家，這使得供應鏈容易受到地緣政治和經(jīng)濟波動(dòng)的影響。
環(huán)境和社會(huì )問(wèn)題：特別是在非洲國家，鉭礦開(kāi)采可能涉及非法采礦和沖突礦產(chǎn)問(wèn)題，這對供應鏈的穩定性和可持續性構成挑戰。
資源有限：雖然目前已探明的鉭儲量可以滿(mǎn)足短期需求，但長(cháng)期來(lái)看，隨著(zhù)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，導致資源逐漸枯竭的風(fēng)險。
可持續性和替代方案
為了應對鉭資源可能枯竭的問(wèn)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，從廢舊電子設備中回收鉭是一個(gè)重要的方向。
替代材料：研究和開(kāi)發(fā)鉭的替代材料，例如高性能陶瓷材料或其他金屬合金，以減少對鉭的依賴(lài)。
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(kāi)采和提煉效率。
綜上所述，鉭作為一種關(guān)鍵的工業(yè)金屬，其全球儲量相對有限，供應面臨一定的挑戰。但通過(guò)技術(shù)創(chuàng )新和可持續發(fā)展措施，可以緩解鉭資源枯竭的風(fēng)險。
雖然鉭的抗腐蝕性很強，但是其抗腐蝕性是由于表面生成穩定的五氧化二鉭（Ta2O5）保護膜。
簡(jiǎn)單的說(shuō)，固體鉭電容是將鉭粉壓制成型,在高溫爐中燒結成陽(yáng)極體,其電介質(zhì)是將陽(yáng)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(guò)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用于電子電路中的電容器，以其高容量、低漏電流和高穩定性而聞名。制造鉭電容的過(guò)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(guò)化學(xué)處理和還原過(guò)程得到鉭粉。鉭粉的純度和顆粒大小對最終電容的性能有很大影響。
二、陽(yáng)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(guò)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電，形成了陽(yáng)極。
因為是顆粒狀的所以其面積也是可以足夠的大。
2、燒結
燒結：在高溫下將坯料燒結，形成堅固的多孔結構。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械強度的鉭塊。
三、陽(yáng)極氧化：
形成鉭氧化層：將燒結后的鉭陽(yáng)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(yáng)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(guò)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 )滲透到鉭塊內部的孔道內，再將鉭塊作為陽(yáng)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)現的電容值就越小，但是能夠實(shí)現的耐壓值就會(huì )越大，因為擊穿所需要的電壓變大了。
四、陰極制備：
1、二氧化錳沉積：將氧化后的鉭陽(yáng)極浸泡在二氧化錳溶液中，通過(guò)化學(xué)反應在陽(yáng)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(guò)多次浸漬硝酸錳，分解制得二氧化錳的過(guò)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。此工序須重復多次直到內部間隙都充滿(mǎn)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(guò)上面的描述和動(dòng)畫(huà)，我們可以看到陽(yáng)極是鉭金屬、介質(zhì)層是五氧化二鉭、陰極是二氧化錳。因為鉭粉是顆粒狀壓制的，所以表面積足夠大、五氧化二鉭是通過(guò)化學(xué)反應實(shí)現的，所以是包裹在鉭粉表面，同時(shí)通過(guò)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。這就是我們在此前電解電容器的結構特點(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(zhù)提高電容器高頻特性，拓展了電解電容器適用的頻率范圍。導電Polymer材料導電率是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(guò)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)勢是氧含量低，鉭塊與氧結合導致燃燒的機率大大減少。
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(chēng)叫做二氧化錳鉭電容，也正是這個(gè)結構特點(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(chēng)為鉭電容）在特定條件下可能會(huì )發(fā)生爆炸，這是因為鉭電容在電氣和環(huán)境條件惡劣時(shí)容易發(fā)生故障。以下是一些可能導致鉭電容爆炸的原因：
過(guò)電壓
鉭電容對電壓的耐受能力有限，如果施加的電壓超過(guò)了其額定電壓，鉭電容的絕緣層可能會(huì )被擊穿。這會(huì )導致電流激增，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，需要正確連接正負極。如果連接反了，鉭電容會(huì )在反向電壓下工作，這會(huì )導致絕緣層劣化和熱量積累，從而引發(fā)爆炸。
過(guò)流
當通過(guò)鉭電容的電流超過(guò)其設計值時(shí)，內部電阻會(huì )發(fā)熱。這種熱量可能會(huì )導致鉭電容內部的氧化鉭層和二氧化錳層之間的化學(xué)反應加劇，最終導致電容失效和爆炸。
溫度過(guò)高
鉭電容對環(huán)境溫度有一定的耐受范圍。在高溫環(huán)境下，鉭電容的內部結構可能會(huì )發(fā)生變化，特別是二氧化錳層會(huì )發(fā)生分解，從而導致電容失效和爆炸。
電容缺陷
制造過(guò)程中，如果鉭電容的氧化層不均勻或有缺陷，在工作過(guò)程中這些缺陷可能會(huì )成為熱點(diǎn)，導致局部過(guò)熱，從而引發(fā)爆炸。
脈沖負載
鉭電容對快速變化的脈沖負載比較敏感。如果電路中有大幅度的電流脈沖，鉭電容可能無(wú)法迅速適應，導致電流過(guò)大，產(chǎn)生過(guò)熱現象，從而引發(fā)爆炸。
爆炸的過(guò)程
當鉭電容內部過(guò)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，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 )導致電容器外殼破裂，并可能引發(fā)火焰或爆炸。
預防措施
為了避免鉭電容爆炸，可以采取以下措施：
正確選擇和使用鉭電容：確保鉭電容的額定電壓、額定電流和工作溫度范圍適合具體應用。
正確連接極性：嚴格按照標識連接正負極，避免反向連接。
避免過(guò)載和過(guò)壓：設計電路時(shí)，確保施加在鉭電容上的電壓和電流在其額定范圍內。
環(huán)境控制：避免在極端溫度環(huán)境下使用鉭電容。
2、石墨層和銀層涂覆：在二氧化錳層上涂覆石墨層和銀層，以提高導電性并提供良好的電接觸。
被石墨銀漿
石墨層作為緩沖層，主要目的是減小了ESR，同時(shí)可以防止銀漿與二氧化錳接觸導致銀氧化。
銀漿層的目的是與石墨層接觸，提供一種等電位表面。
五、封裝：
封裝材料選擇：選擇合適的封裝材料，通常是環(huán)氧樹(shù)脂或塑料。
封裝過(guò)程：將處理好的陽(yáng)極和陰極封裝在封裝材料中，形成最終的電容器形狀。
切斷、裝配
將被銀后的產(chǎn)品定距切斷，在切斷前先對鉭絲表面的氧化膜刮除，防止虛焊，再將陽(yáng)極焊接在框架上，陰極通過(guò)銀膏固化與框架托片結合在一起。
模塑
將裝配后的框架條產(chǎn)品模塑包封。
噴砂
打印
打印產(chǎn)品的標稱(chēng)電容容量、電容額定電壓和陽(yáng)極標識以及廠(chǎng)家信息。
切邊
六、測試和分級：
電氣性能測試：對電容器的電容量、漏電流、等效串聯(lián)電阻（ESR）等進(jìn)行測試，確保其符合設計規格。
質(zhì)量檢驗：進(jìn)行外觀(guān)和物理性能檢查，確保電容器的質(zhì)量和可靠性。
老化篩選
測試
老煉浪涌測試完的產(chǎn)品會(huì )進(jìn)行電性能四參數的測試，容量、損耗、漏電流及ESR，不合格品會(huì )自動(dòng)剔除到收集盒。
容量：測試頻率是100Hz
損耗：測試頻率是100Hz
漏電流：IL判定標準為不大于0.02CU（C為標稱(chēng)容量,U為測試電壓）.
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