鉭電容內部結構，火花四濺的原因

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性質，具有極高的抗腐蝕性。

鉭是一種過渡金屬元素，化學符號為 Ta，原子序數為 73。它具有一些獨特的物理和化學性質，使其在許多高科技和工業應用中非常重要。以下是鉭元素的一些關鍵特性和全球儲存情況的介紹：

鉭的特性

1. 高熔點：鉭的熔點高達 3017°C，使其在高溫應用中非常有價值。

2. 抗腐蝕性：鉭對許多化學物質具有很強的抵抗力，包括酸和堿，這使其在化工和醫療領域廣泛應用。

3. 高密度：鉭的密度為 16.65 g/cm3，接近黃金的密度。

4. 良好的導電性：鉭具有良好的電導率和熱導率。

5. 生物相容性：鉭在生物環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：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動機部件。

• 醫療領域：用于制造外科植入物和醫療設備。

• 化工行業：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國家：

1. 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。

2. 巴西：巴西也是鉭的重要生產國，擁有豐富的鉭礦資源。

3. 盧旺達和剛果（金）：這兩個非洲國家是鉭礦的主要來源，特別是在盧旺達，鉭礦是其重要的出口商品。

4. 加拿大：加拿大也有一定量的鉭儲量，但開采量相對較小。

鉭的供應和潛在枯竭問題

雖然鉭是一種相對稀有的元素，但由于其重要的工業用途，全球對鉭的需求持續增長。以下是鉭供應面臨的一些挑戰：

1. 供應集中：鉭的主要供應來源集中在少數幾個國家，這使得供應鏈容易受到地緣政治和經濟波動的影響。

2. 環境和社會問題：特別是在非洲國家，鉭礦開采可能涉及非法采礦和沖突礦產問題，這對供應鏈的穩定性和可持續性構成挑戰。

3. 資源有限：雖然目前已探明的鉭儲量可以滿足短期需求，但長期來看，隨著高科技產業的發展，鉭的需求可能會進一步增加，導致資源逐漸枯竭的風險。

可持續性和替代方案

為了應對鉭資源可能枯竭的問題，以下幾種策略和研究方向被提出：

1. 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重要的方向。

2. 替代材料：研究和開發鉭的替代材料，例如高性能陶瓷材料或其他金屬合金，以減少對鉭的依賴。

3. 提高采礦效率：采用先進的采礦和提煉技術，提高鉭礦的開采和提煉效率。

綜上所述，鉭作為一種關鍵的工業金屬，其全球儲量相對有限，供應面臨一定的挑戰。但通過技術創新和可持續發展措施，可以緩解鉭資源枯竭的風險。

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。

簡單的說，固體鉭電容是將鉭粉壓制成型,在高溫爐中燒結成陽極體,其電介質是將陽極體放入酸中賦能,形成多孔性非晶型Ta2O5介質膜,其工作電解質為硝酸錳溶液經高溫分解形成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。制造鉭電容的過程涉及以下幾個主要步驟：

一、原材料制備

從鉭礦中提取鉭，通過化學處理和還原過程得到鉭粉。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電，形成了陽極。

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、陽極氧化：

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

1、賦能

賦能工序是很關鍵的一道工序，它利用電化學的方法，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層。

過程為成架的產品浸入形成液中（通常為稀硝酸液）一定深度，硝酸溶液會滲透到鉭塊內部的孔道內，再將鉭塊作為陽極通以電流，硝酸分解出氧，就會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，按照電容公式其實現的電容值就越小，但是能夠實現的耐壓值就會越大，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：將氧化后的鉭陽極浸泡在二氧化錳溶液中，通過化學反應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。

被膜是將已經賦能好的鉭電容進行清洗干燥后，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，緊貼介質層，這樣可以有足夠的面積S。

同時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畫，我們可以看到陽極是鉭金屬、介質層是五氧化二鉭、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、五氧化二鉭是通過化學反應實現的，所以是包裹在鉭粉表面，同時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。這就是我們在此前電解電容器的結構特點中闡述的其陰極為非金屬材料----“電解質”。

除了電解質為MnO2的鉭電容，還有Polymer（高分子聚合物）為電解質的鉭電容。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的另一個優勢是氧含量低，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，也正是這個結構特點形成了“鉭電容”失效模式是火花四濺：

為什么盡量不選“鉭電容”？

什么場景下一定要選"鉭電容"?

二氧化錳鉭電容（通常簡稱為鉭電容）在特定條件下可能會發生爆炸，這是因為鉭電容在電氣和環境條件惡劣時容易發生故障。以下是一些可能導致鉭電容爆炸的原因：

過電壓

鉭電容對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被擊穿。這會導致電流激增，產生大量的熱量，從而引發電容爆炸。

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，鉭電容會在反向電壓下工作，這會導致絕緣層劣化和熱量積累，從而引發爆炸。

過流

當通過鉭電容的電流超過其設計值時，內部電阻會發熱。這種熱量可能會導致鉭電容內部的氧化鉭層和二氧化錳層之間的化學反應加劇，最終導致電容失效和爆炸。

溫度過高

鉭電容對環境溫度有一定的耐受范圍。在高溫環境下，鉭電容的內部結構可能會發生變化，特別是二氧化錳層會發生分解，從而導致電容失效和爆炸。

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成為熱點，導致局部過熱，從而引發爆炸。

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，鉭電容可能無法迅速適應，導致電流過大，產生過熱現象，從而引發爆炸。

爆炸的過程

當鉭電容內部過熱時，二氧化錳（MnO2）會發生分解，釋放出氧氣。這些氧氣會進一步與鉭（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，會導致電容器外殼破裂，并可能引發火焰或爆炸。

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。

• 避免過載和過壓：設計電路時，確保施加在鉭電容上的電壓和電流在其額定范圍內。

• 環境控制：避免在極端溫度環境下使用鉭電容。

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，通常是環氧樹脂或塑料。

封裝過程：將處理好的陽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，再將陽極焊接在框架上，陰極通過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品模塑包封。

噴砂

打印

打印產品的標稱電容容量、電容額定電壓和陽極標識以及廠家信息。

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、等效串聯電阻（ESR）等進行測試，確保其符合設計規格。

質量檢驗：進行外觀和物理性能檢查，確保電容器的質量和可靠性。

老化篩選

測試

老煉浪涌測試完的產品會進行電性能四參數的測試，容量、損耗、漏電流及ESR，不合格品會自動剔除到收集盒。

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為標稱容量,U為測試電壓）.