Способ получения катодного покрытия в электролитических оксидных конденсаторах

 

Использование: электронная техника, может применяться в производстве высокоемких оксидных конденсаторов с объемно-пористым анодом. Сущность изобретения: изобретение решает задачу по увеличению катодной емкости оксидного конденсатора и увеличению удельного заряда конденсаторной системы путем формирования на поверхности катода покрытия из карбидов вентильных металлов. Для нанесения покрытия используется суспензия следующего состава, мас. органическое связующее, например поливинилацетат 0,5 4; этиловый спирт или ацетон 30 40; мелкодисперсный углерод, например графит 2,5 15; порошок вентильного металла остальное. Покрытие наносят путем заливки суспензии в корпус при вращении корпуса со скоростью 1500 3000 об/мин с последующим спеканием при температуре 1300 1500°С. Изобретение позволяет реализовать удельный заряд конденсаторов до 21000 мкKл/см³.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в производстве высокоемких оксидных конденсаторов с объемно-пористым анодом.

Главные требования, предъявляемые к электронным компонентам, снижение массогабаритных показателей и повышение их надежности. Для конденсаторов с оксидным диэлектриком это повышение удельных зарядов и увеличение срока их службы.

Один из самых сложных аспектов изготовления электролитических конденсаторов обеспечение достаточной катодной емкости, позволяющей наиболее полно реализовать анодную емкость. Последовательное соединение анодной и катодной емкостей в электролитическом конденсаторе требует, чтобы емкость катода намного (на порядок и более) превышала емкость анода. Именно в этом случае обеспечивается приблизительно 95% реализации емкости анода. Учитывая, что в качестве рабочего электролита в конденсаторах этого класса используется чрезвычайно агрессивный реактив 38%-ный водный раствор серной кислоты, который обеспечивает совокупность эксплуатационных требований к изделиям, выбор материалов для катодной системы ограничен требованием высокой коррозионной стойкости в кислых средах.

С другой стороны, жесткие требования по механическим воздействиям к изделиям этого класса заставляют искать технологические приемы, обеспечивающие создание механически прочной системы катода. Большая часть выпускаемых в настоящее время электролитических конденсаторов имеет в качестве катода корпус из серебра, заполненный рабочим электролитом (38%-ным водным раствором серной кислоты). Для увеличения катодной емкости на серебро электрохимически наносят платиновое или палладиевое покрытие (черни). Использование драгметаллов, слабая механическая прочность покрытия и относительно низкая надежность основные недостатки конденсаторов с серебряными корпусами.

Вторым вариантом катодной системы (значительно более корозионностойкой) является танталовый корпус с нанесенным на него покрытием из танталового порошка.

Известен электролитический конденсатор, катод которого выполнен в виде гильзы из танталового порошка, приваренной к внутренней поверхности танталового корпуса. Для обеспечения стабильности эксплуатационных характеристик конденсаторов необходима операция оксидирования катода Холладей Л.М. Электрический конденсатор с танталовым корпусом. "Электроника", т. 51, N 4, 1978, с. 31-37). Недостатком известного решения является большая сложность изготовления конденсатора.

Известно техническое решение [1] предлагающее замену корпуса из тантала на корпус из танталового сплава, который является кислотостойким и имеет пористое пленкообразующее покрытие на своей внутренней поверхности, которое наносится методом набрызгивания, намазывания с последующим спеканием.

К недостаткам этого решения следует отнести необходимость введения в электролит сульфатных добавок соответствующих металлов, что увеличивает электросопротивление рабочего электролита, приводящее к ухудшению эксплуатационных характеристик конденсаторов.

В качестве прототипа выбран способ получения катодного покрытия электролитических оксидных конденсаторов [2] Способ-прототип заключается в следующем. В танталовый корпус заливается суспензия, корпус вращается вокруг своей оси со скоростью 1500-3000 об/мин в течение 2 мин с одновременным нагревом до температуры 100^оС. После этого покрытие спекается в вакууме 1-3 ˙ 10^-5 мм рт.ст. в течение 30 мин при температуре 1300-1400^оС. Cуспензия содержит порошок вентильного металла, связующее и растворитель при следующем соотношении компонентов, мас. Поливилинацетат 1,0-4,0 Этиловый спирт или ацетон 30-40 Порошок вентиль- ного металла Остальное.

Полученное покрытие в последующем оксидируется для улучшения эксплуатационной стабильности электрических характеристик конденсатора. Оксидирование осуществляется в водном электролите при напряжении 3В.

Решение, предложенное в прототипе, позволило получить удельную катодную емкость, равную 140000 мкКл/см³ (2,5 ˙ 10³ мкФ/см²), что дало возможность разработать конденсатор с удельным зарядом до 8400 мкКл/см³.

К недостаткам данного метода можно отнести ограничение по величине катодной емкости, которое определяется необходимостью дополнительного оксидирования танталового катодного покрытия для сохранения эксплуатационных характеристик конденсатора. Кроме того, операция оксидирования достаточно трудоемка и заключается в том, что в корпус заливается определенная доза водного раствора ортофосфорной кислоты, вставляется электрод из тантала или другого инертного материала и при напряжении 3В осуществляется формирование окисного слоя.

Цель изобретения увеличение катодной емкости электролитического оксидного конденсатора и увеличение удельного заряда конденсаторной системы.

Цель достигается тем, что в известном способе получения катодного покрытия в электролитических оксидных конденсаторах путем заливки в корпус суспензии, содержащей порошок вентильного металла, органическое связующее, например поливинилацетат и этиловый спирт или ацетон в качестве растворителя, вращения корпуса вокруг своей оси со скоростью 1500 3000 об/мин при одновременном нагреве, спекание при температуре 1300-1500^оС, на поверхности катода формируют покрытие из карбидов вентильных металлов, для чего используют суспензию, дополнительно содержащую мелкодисперсный углерод, при следующем соотношении компонентов, мас.

Органическое связующее, например, поливинил- ацетат 0,5-4,0 Этиловый спирт или ацетон 30-40,0 Мелкодисперсный углерод, например графит 2,5-15,0 Порошок вентильного металла Остальное Сопоставительный анализ заявляемого решения и прототипа показывает, что отличия заявляемого способа состоят в следующем.

На поверхности катода получается слой карбида вентильного металла, не нуждающийся в дополнительном оксидировании, в то время как в прототипе эта операция оксидирования танталового покрытия является обязательной; в отличие от прототипа наносится суспензия, содержащая мелкодисперсный углерод.

Указанные признаки в совокупности обеспечивают изобретательский уровень решения.

Сущность получения карбидов вентильных металлов на поверхности катода заключается в том, что в процессе спекания происходит взаимодействие мелкодисперсного углерода с порошком вентильного металла с образованием летучей окиси углерода и поверхностной пленки карбидов вентильных металлов на развитой поверхности катодного покрытия. Образование летучей окиси углерода в процессе реакции позволяет дополнительно получить разрыхление катодного покрытия, что увеличивает поверхность, а следовательно, и катодную емкость покрытия. Вследствие того, что карбиды вентильных металлов в водных электролитах при приложении напряжения обратной полярности не окисляются, применение данного покрытия позволяет обеспечить стабильность электропараметров конденсаторов.

В качестве доказательства промышленной применимости изобретения приводим пример конкретного исполнения изготовление катода электролитического конденсатора с использованием суспензии, содержащей смесь вентильных металлов (тантала и ниобия), что является оптимальным вариантом для получения максимальной катодной емкости.

Готовится суспензия следующего состава, мас. Поливинилацетат 0,5 Этиловый спирт 40,0 Графит марки С-1 15,0 Порошок тантала ТУ 95.1474-86 35,6 Порошок ниобия ТУ 95.2077-90 8,9 Путем вращения корпуса со скоростью 2000 об/мин происходит разделение суспензии на твердую фазу, осаждающуюся на поверхности корпуса, и жидкую фазу, содержащую растворитель. При нагревании до 85^оС происходит удаление растворителя с одновременным подсушиванием покрытия. Затем корпус с нанесенным покрытием спекают при температуре 1400^оС в течение 30 мин в вакууме 1-5 ˙ 10^-4 мм рт.ст. В процессе спекания происходит взаимодействие танталового и ниобиевого порошка с мелкодисперсным углеродом и после спекания получается готовая катодная система с развитой поверхностью, состоящая из карбидов тантала и ниобия составов Та_1-хС и Nb_1-хС.

Карбиды ниобия и тантала обеспечивают значительное увеличение катодной емкости, что позволяет реализовать удельный заряд конденсаторов до 21000 мкКл/см³.

Сравнительные характеристики катодной системы, описанные в прототипе, и предлагаемой системы представлены ниже,
Удельная катодная емкость, мкФ/см²: Карбиды тантала 7-8 ˙ 10³ Карбиды ниобия 8-10 ˙ 10³ Прототип 2-2,5 ˙ 10³
Катодная система прототипа позволила изготовить отечественные конденсаторы в танталовом корпусе с удельным зарядом 8400 мкКл/см³; предлагаемая до 21000 мкКл/см³.

Преимуществом данного метода получения катода является также то, что существенно снижается трудоемкость изготовления катодного покрытия исключается операция оксидирования катода. Благодаря добавке мелкодисперсного углерода по сравнению с прототипом значительно (приблизительно в 2 раза) снижается расход танталового порошка, наносимого на корпус. Конденсаторы с этим покрытием выдержали испытания на механическую прочность.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАТОДНОГО ПОКРЫТИЯ В ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ОКСИДНЫХ КОНДЕНСАТОРАХ, включающий заливку в корпус суспензии, содержащей порошок вентильного металла, поливинилацетат в качестве огранического связующего и этиловый спирт или ацетон в качестве растворителя, вращение корпуса вокруг своей оси со скоростью 1500 3000 об/мин при одновременном нагреве, спекание при 1300 1500^oС, отличающийся тем, что в состав суспензии дополнительно вводят мелкодисперсный углерод и формируют из нее покрытие на поверхности катода из карбидов вентильных металлов, при этом компоненты суспензии используют в следующих количественных соотношениях, мас.

Поливинилацетат 0,5 4,0
Этиловый спирт или ацетон 30,0 40,0
Мелкодисперсный углерод 2,5 15,0
Порошок вентильного металла Остальное