[发明专利]钽金属表面钝化方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及钽金属生产领域，特别是涉及一种用于生产电解电容器用钽粉或多孔钽金属表面的钝化方法及装置。

背景技术

钽金属的最大用途是制造钽电解电容器。钽电解电容器的制造过程通常是用钽粉压制形成坯块，将坯块在真空炉里烧结成粒子间相互连接的多孔体，接着将上述多孔烧结体在合适的电解质里进行阳极氧化，使多孔体粒子表面形成均匀的互相连通的介电氧化膜，即形成阳极，再在氧化膜表面被覆阴极材料形成阴极，然后包封并形成电容器阳极和阴极。评价钽电解电容器的参数主要有电容量、DC（直流漏电流）和等效串联电阻（ESR）。电容器的发展趋势是要求有高电容量，低的漏电流和低的等效串联电阻（阳极的低的tgδ）。作为钽电解电容器的主要原料的电容器级钽粉的杂质含量，特别是氧含量对漏电流的影响很大，低漏电流要求钽粉低氧含量。

由于钽金属是一种与氧亲和力很大的金属，钽与氧化合形成五氧化二钽。何等人在对钠还原钽粉微观结构的研究中发现在钽金属表面将形成一层约3～8nm厚的氧化膜（参见Observations on the morphology of Sodium-reduced Tantalum Powders and modification to their physical properties. 41st TIC Symposium, San Francisco. oct. 22nd～25th 2000：255～271.）。若钽粉的表面有一层致密氧化膜，可以防止钽的继续氧化。由于金属钽和氧化钽的热膨胀系数不同，这种被致密氧化膜覆盖的钽粒子一当被加热到约100℃以上的温度，致密氧化钽膜开裂而被破坏；当钽粉被加热到700℃以上，氧化膜的部分氧溶入钽基体，部分氧逸散、富集。所以，在真空炉里加热后的钽粉在被冷却后与含氧介质接触时又要从表面开始氧化，吸收新的氧，如果不进行钝化，即使钽粉的温度被冷却到0℃以下后从真空炉里取出来，发现开始慢慢变热，接着迅速升温，变得越来越热，突然从一处燃烧起来，很快蔓延着火，达到炙热，这时即使将钽粉浸入水中也难以扑灭，高温下钽粉继续与水激烈反应，生成氧化钽和氢氧化钽。因此人们开发了钽粉可控氧化的钝化技术。所述的钽粉钝化是当钽粉的氧化膜被破坏后又与含氧介质接触时，人为地控制氧的供给速度，从而在受控情况下控制钽粉的氧化速度和温度，使钽粉表面形成钝化氧化膜，避免激烈氧化。所以比表面积较高的钽粉(比表面积大于0.1 m2/g)在热处理后要进行钝化处理。钽金属表面钝化过程实际上是受控的氧化反应。

本说明书所述的钽金属表面钝化包括钽粉表面钝化和由钽粉压制、烧结形成的多孔体的表面钝化。

作为电解电容器用的钽粉，通常都要在真空下约900℃～1500℃进行热处理，一方面对钽粉进行提纯，另一方面是使微细钽粒子凝聚成多孔的颗粒，改善钽粉的物理特性，如钽粉的流动性，从而改进用其制造的电解电容器的性能，如电容器的容量、漏电流和等效串联电阻（ESR）。

含氧高的钽粉要进行脱氧处理，钽粉脱氧热处理通常是在钽粉中混入适量还原剂碱土金属或稀土金属或其氢化物，在真空或惰性气氛里在700℃～1100℃进行热处理，使钽粉得到凝聚并脱除部分氧。

随着电子元器件的小型化的发展，要求使用具有更大比表面积的更加微细的钽粉，对于高比表面积的钽粉，由于在单位体积范围里的钽粉在钝化时产生的热量更多，钝化时钽粉温度上升得更高，在钽粉的热处理后钝化过程中，经常发现温度突然上升很多，这归因于钽粉开始激烈氧化，从而必须马上停止充气钝化，停止一段时间，当温度降低后才能继续缓慢充入空气钝化，钝化完后出炉发现，钽粉表面有白色氧化钽斑块，没有白色氧化钽的钽粉的氧含量也很高。钝化时控制不好，还会出现钽粉着火，造成巨大损失。所以，钽粉的钝化成为开发高比表面积钽粉的难点和关键技术。

高比表面积的钽粉形成的多孔坯块，如制造电解电容器阳极的钽坯块在烧结后虽然表面积有所降低，但是由于烧结体的密度比钽粉的松装密度要大许多，在钝化时单位体积放出的热量就很大，产生高温，使多孔钽烧结体含有过高的氧，钽丝发脆，甚至引起多孔钽烧结体的激烈氧化，用这样的多孔钽烧结体制造的钽阳极，漏电流高。所以高比表面积钽粉形成的多孔烧结体在烧结后应当进行钝化处理。