燒結鋁粉電解電容器是一種新型高技術含量節能型產品[1]，具備良好的發展潛力，也受到相關企業的廣泛關注和研制。陽極鋁粉表面氧化膜、即化成膜的制作涉及電容器的耐電壓和比電容水平，屬于相關設計和制作過程的核心技術之一。一般認為，能獲得最佳比電容的氧化鋁是γ-Al2O3[2]，并在陽極鋁箔或鋁粉表面的化成過程中形成時產生一定的體膨脹。通常會直接采用體膨脹計算平直鋁表面沿表面法向的線膨脹量和所形成氧化膜的厚度。但對于由顆粒狀鋁粉構成的燒結陽極，再使用這種方式計算氧化膜厚度就容易造成明顯偏差，妨礙電容器比電容的準確設計，需要引起特別注意。

1.   鋁氧化成γ-Al2O3后的體膨脹理論值

Al和γ-Al2O3都具有面心立方晶體結構[3]，計算鋁氧化成γ-Al2O3后的膨脹量需要知道這兩種物質的密度。純鋁的密度比較確定，但文獻對γ-Al2O3密度的報道卻在3.42~3.98 g/cm3之間有不同的數值[2,4]，為準確計算膨脹量帶來困擾。若能計算出γ-Al2O3的理論密度則可克服這一困擾。表1給出了計算Al氧化成γ-Al2O3所造成體積膨脹λv時所需涉及的參數[2-4]。一個純鋁單胞體積內有4個穩定的鋁原子。而鋁原子在γ-Al2O3晶體單胞內所應占據的位置上會保有一定比例的空位；統計分析顯示3個γ-Al2O3單胞內會有64個鋁和96個氧[3]，剛好符合鋁與氧原子2:3的比例關系，因此需要采用3個γ-Al2O3的單胞體積計算其理論密度(參見表1)。由此計算出純鋁的理論密度為2.6995 g/cm3，與實測值2.7 g/cm3大體一致；γ-Al2O3的理論密度為3.6629 g/cm3，處于實測值3.42~3.98 g/cm3取值范圍的中間，比較可靠。如果把氧原子占據的空間均勻地分攤到每個鋁原子上，根據這兩個理論密度即可以求出每一個鋁原子在這兩個物質中分別覆蓋的體積范圍，如表1所示。

由此根據每一個鋁原子在這兩個物質中覆蓋體積的比值就可以求出Al氧化成γ-Al2O3所造成體積膨脹的理論值λv為：

如圖1(a)所示，一個厚度為t的平整鋁箔表面的鋁氧化成γ-Al2O3，且自表面損耗了Δt厚的鋁層，并氧化成厚度為d的γ-Al2O3膜；氧化膨脹導致Δt<d。氧化過程中γ-Al2O3只能沿表面法向作線膨脹λl，即有λl ≈ λv。因此可以用體膨脹λv和化成膜厚度d來估算平面鋁箔化成后的膨脹量。然而，等軸鋁粉顆粒表面氧化時氧化膜的線膨脹是自顆粒中心向所有方向呈放射狀(參見圖1(b))，在保持同樣體膨脹λv的前提下其線膨脹λl會明顯區別于λv，且并不是常數值，需要作針對性的分析與計算。

2.   鋁粉顆粒表面氧化成γ-Al2O3時的線膨脹

如圖1(b)所示，自顆粒表面損耗了Δr厚的鋁層，并氧化成厚度為d的γ-Al2O3膜；氧化膨脹導致Δr<d。所損耗Δr厚鋁層轉變成γ-Al2O3后其體積應作體膨脹λv，且膨脹后與厚度為d的γ-Al2O3膜等體積。因此有：

由此可以根據鋁粉顆粒半徑r及鋁粉表面損耗厚度Δr求得化成膜厚度d，進而求得線膨脹λl為：

對半徑r為1~5 μm的鋁粉顆粒，圖2(a)和圖2(b)分別給出了參照式2和式3計算出的r和Δr與化成膜厚度d或線膨脹λl的關系曲線。可見，鋁粉顆粒的線膨脹λl并不是常數，多數情況下明顯低于體膨脹λv；r與Δr的取值不僅會影響化成膜厚度d，也會影響線膨脹λl。在化成導致鋁粉顆粒半徑損耗Δr相同的情況下，鋁粉顆粒半徑r越小、則化成膜厚度d和線膨脹λl都越低。

3.   電解電容器鋁粉燒結陽極化成箔理想比電容的計算

設計粉末燒結電解電容器陽極鋁箔時首先要設定電容器所需的耐壓值U，再確定出在該耐壓和所能獲取的γ-Al2O3純度條件下化成膜的最低厚度d。如γ-Al2O3的純度為99.5%時，所需的厚度d(參照式(2)) [1,5]：

將半徑尺寸為r的鋁粉與粘合劑混合、壓實，以一定厚度D均勻涂覆于鋁箔基帶兩側，并經高溫燒結而制成燒結箔；隨后作化成處理，使鋁粉顆粒及基帶表面均形成厚度為d的氧化膜，即制成化成箔，且可以承受所需的耐壓U[1]。此時化成箔的比電容的水平與箔內鋁粉顆粒的排列密度相關。參照文獻[1]的計算公式，如果采用化成后經過線膨脹的顆粒尺寸計算，則以最緊密的方式在1 cm2單位面積鋁箔基帶兩側各堆積D厚的鋁粉后，單位面積基帶的比電容c的理想計算值轉變為：

式中，εAl2O3${\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">A</span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">l</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">2</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">O</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">3</span>}}}$=9為γ-Al2O3相對介電常數[4]； ε0=8.854×10−8 μF/cm為真空介電常數；α0為綜合修正系數；α1<1為氧化鋁膜對鋁粉表面的覆蓋率；α2<1為氧化鋁膜對基帶表面的覆蓋率[1]。

設鋁粉燒結陽極化成箔理想狀態有D=0.005 cm, α0=α1=α2=1，鋁粉顆粒半徑r和耐壓值U確定后可根據式(4)算得顆粒表面鋁層損耗厚度Δr，由此可借助式(5)算得鋁粉顆粒半徑r及所需耐壓U與比電容c的理想定量關系，對鋁粉顆粒半徑r為1~5 μm的計算如圖3所示。

鋁電解電容器新產品的開發往往追求特定耐壓條件下的小體積化和高容量化，因此獲得盡可能高的比電容是關鍵性技術指標。圖3顯示，當耐壓U<700 V時較小的鋁粉顆粒尺寸原則上有利于獲得較高的比電容；但當U>700 V時小尺寸顆粒反而不利于高的比電容，因為過高的化成厚度會大幅度降低鋁粉的有效表面積。另一方面，過小的鋁粉尺寸也可能會在生產加工的各個環節上出現某些技術障礙，導致無法實現理論上的高比電容。因此，在技術開發實踐中還需要把技術原理與可實現的技術條件結合，逐步探索和不斷改進。

4.   結束語

粉末燒結鋁電解電容器是一種全新的電容器制作技術，至今雖然尚未獲得大規模的產業化發展，但在技術層面已表現出良好的發展前景，得到眾多生產企業的關注和實際開發。需要注意的是，作為一種全新的產品，一些適用于傳統鋁電解電容器的技術和經驗已經不再完全適用。例如化成膜增厚的計算不再適合用體膨脹常數λv作簡單計算，而需注意隨鋁粉顆粒尺寸和氧化膜厚度改變所發生的明顯變化，且此時的線膨脹λl往往明顯低于體膨脹λv。研究開發電解電容器鋁粉燒結陽極箔的設計流程依次為：設定所需耐壓U、據此及鋁粉和氧化鋁的純度計算氧化膜的最低厚度d以及鋁粉表面所需損耗的厚度Δr、根據耐壓U與比電容c和鋁粉顆粒尺寸r的關系選擇適當的鋁粉尺寸r等。在工藝開發過程中除了必要工藝技術流程外，需注意確定綜合修正系數α0、氧化鋁膜對鋁粉表面的覆蓋率α1、氧化鋁膜對基帶表面的覆蓋率α2等非理想狀態參數的具體值及其變化規律；同時還要注重研究鋁粉顆粒的分布與填充密度的控制技術，既要確保各鋁粉顆粒充分燒結聯通，又需防止堆砌密度過高以避免化成膜間空隙的過度減少，確保獲得足夠高的有效燒結粉表面積和比電容。

文章來源——金屬世界