CN104538187B - 一种高能钽混合电容器铌外壳的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种高能混合钽电容器铌外壳及其制造方法，所述高能钽混合电容器外壳包括一个铌壳和一个铌绝缘子；铌壳为直筒帽形结构，铌绝缘子由铌盖、玻璃体、钽丝、钢环、金属管组成，其中铌盖与钽丝之间通过高温烧结熔化玻璃后封接在一起，而钢环与金属管则是分别通过与铌盖或钽丝的机械配合压接而成；同时还公布了加工此种外壳的方法，冲压、切割、玻璃坯冲压成型、压接钢环、装配烧结、上金属管。利用该工艺技术加工生产的高能钽混合电容器外壳具有密封性能好，便于电极与外部电路的焊接，满足高能钽混合电容器封装后无漏液要求。
Description
技术领域
本发明涉及电容器领域，尤其涉及一种用铌做外壳的钽混合电容器，以及其制造工艺。
背景技术
目前，现有的全钽电解电容器为以纯钽粉为阳极、铌壳作为阴极材料加工而成的电解电容器，钽电容器的优点是电性能稳定，且是所有电容器中体积小而又能达到较大电容量的产品。随着通讯、医疗、交通等领域的电子电气设备向小体积、大功率、高频率、高工作电压方向发展，电子设备对电容器的额定工作电压、高频特性以及体积比容量的要求越来越高，尤其在航空航天设备中大幅提高电容器能量密度而提高有效载荷能力。由于钽电容器产品的需求量不断增大，造成钽资源的缺乏，而目前的研究中均未能有效解决可完全替代的材料，因此在这一方面成为众多学者研究的课题之一。
铌、钽作为同族稀有元素, 具有相似的电子结构和相近的物理化学性质, 并且铌资源比钽丰富, 价格低廉、稳定，因此成为研究的首选目标。铌作为阳级时受热和电应力影响对介电氧化膜的破坏，造成漏电流增大而影响了电容器的使用。但铌作为阴极时则不会影响到钽电容器的性能，因此在电容器的阴极（即外壳）材料可用铌完全替代钽。
若采用铌作为外壳，该材料具有熔点高、加工性能好、耐腐蚀、蒸汽压低、膨胀系数小等优良性能；然而铌板在拉深与冲压过程中硬化现象较严重，在深冲引伸铌壳时容易产生开裂、拉痕、变形，影响产品尺寸、外观、产品一致性等，其以上特征缺陷较同族的钽更为严重；因此在高能电容器领域，现有技术中没有采用铌作为阴极外壳，一般只考虑钽。
众所周知，铌的密度是钽密度的51.8%，相对于钽，具有重量轻、储量大、价格低等优点，尤其是航天、航空、导弹等领域，对重量的要求极高，采用铌外壳钽电容器，可降低同型号全钽电容器的重点。例如：Ф35.5×8的高能钽电容器钽外壳其重量为23.5g，若换成铌外壳则重量为12.2g，可减轻48.1%的重量，因此其意义则极其重大，尤其在航天、航空领域。
通过专利检索，存在以下已知的现有技术方案：
专利1：
申请号 201120251913.2，申请日 2011-07-18，授权公告日 2012-05-23，一种方形固态电容器，其特征在于所述方形固态电容器包括一多孔状的钽烧结块，该钽烧结块包覆在一塑化的导电高分子材料层内，该导电高分子材料层外设置一碳胶和银胶层，一阴极连接碳胶和银胶层。该方形固态电容器设计合理，具有绝佳的低漏电处理能力及强化击穿电压，其具有更强的击穿电压(BDV)及改进的漏电流(LC)特性，老化后不会产生瞬间击穿现象。其制备方法简单，容易实现工业化规模生产。
专利2：
申请号：200610134467.0，申请日：2006-11-29，公开日2007-05-16，本发明属于大功率电子器件技术领域，涉及一种混合型超级电容器。其特征是用钽做电容器的阳极，用二氧化钌电极做电容器的阴极，充以电解液。钽阳极和电解液形成电解电容器，二氧化钌电极在电解液中形成电化学电容器，二者通过电解液等效串联，形成具有电解电容器和电化学电容器共同优点的超级电容器。这种电容器的钽阳极由钽粉压制而成，二氧化钌涂敷于基板集流体上形成阴极，电解液是硫酸溶液。本发明的效果和益处是提高超级电容器的工作电压，并保持高储能密度的特点。消除了常规超级电容器工作电压低、多级串联会降低储能密度和功率密度的不足，解决了一般超级电容器不能用于脉冲功率系统的问题。本电容器结构简单，工业实现方便。
专利3：
申请号：200420035723.7，申请日：2004-04-28，公开日2005-06-01，一种以电化学电容器和钽电解电容器相结合的高能钽混合电容器，它包括一个或多个由高比容钽粉压制而成的阳极钽芯，一个或多个涂有无定形氧化物、和注入的电解质之间形成电化学电容器的阴极，多个隔离层；一个钽外壳，所述阴极、隔离层和阳极钽芯按照从上到下的顺序依次逐个叠放在该钽外壳内，一个由铌盖和玻璃体7构成的钽-玻璃绝缘子，所述正极引线穿过玻璃体引出；所述负极引线焊接在所述铌盖上；在铌盖上有一个在注入电解质后再密封的工艺小孔；一个缓冲垫；一个置于阳极钽芯周围的环形衬垫。其体积较小，能量密度高。
专利4：
申请号：201010147967.4，申请日：2010-04-16，授权公告日 2012.05.02，一种全钽外壳钽电解电容器引出线的引出方式及电容器，为铌绝缘子电容器，电容器的引出方式是：正负极引出均为镍片或镀镍铜片引出，分别为正极镍片或镀镍铜片引出片和负极镍片或镀镍铜片引出片，且为正极镍片或镀镍铜片引出片和负极镍片或镀镍铜片引出片的端头开有接线孔，正极镍片或镀镍铜片引出片和负极镍片或镀镍铜片引出片做成的引出片用导线与其它电子元件装置连接，且为正极镍片或镀镍铜片引出片和负极镍片或镀镍铜片引出片通过激光焊接分别作为电容器引出片焊接在电容器上，作为电容器容量的引出装置。
通过以上的检索发现，以上技术方案不能影响本发明的新颖性；并且以上专利文件的相互组合不能破坏本发明的创造性。
发明内容
本发明的目的是提供一种高能混合钽电容器铌外壳及其制造方法，保证了高能钽电容器的密封性，并且有效替代，有效降低了电容器的重量；使高能钽混合电容器外壳具有密封性能好，便于电极与外部电路的焊接，满足高能钽混合电容器封装后无漏液要求；同时提供了一种新型的钽电容器铌外壳及其制造方法，。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案。
根据本发明的一个方案，一种高能混合钽电容器铌外壳，其包括了一个铌壳（1）和一个铌绝缘子，铌壳（1）为直筒帽形结构；铌绝缘子由铌盖（6）、玻璃体（3）、钽丝（4）、钢环（2）、金属管（5）组成，其中铌盖（6）与钽丝（4）通过高温烧结熔化玻璃后形成的玻璃体（3）封接在一起，金属管（5）通过机械压接套在冒出玻璃体（3）上方的钽丝（4）上；所述铌盖（6）四周设置有卷边，且铌盖（6）通过卷边与铌壳（1）焊接在一起；所述铌盖（6）上设置有注液孔（601）。
根据本发明的另一个方案，一种高能混合钽电容器铌外壳的制造方法，包括如下步骤：
（1）冲压：将铌板冲压成铌壳和铌盖，再进行打磨、抛光、冲孔、清洗等，得到铌壳与铌盖；
（2）切割：将钽丝、金属管按图纸要求切割成所需尺寸，然后再进行去油、去毛刺处理，得到钽引线、钢环、金属管；
（3）玻璃坯冲压成型：将玻璃粉在压力机上干压成型，再排胶、预烧成型，获得玻璃坯。
（4）压接钢环：将钢环与铌盖在特制的模具下进行机械装配，形成紧配合；
（5）装配烧结：将已上钢环的铌盖、钽引线、玻璃坯按要求与顺序装配在石墨模具中，将其推入到烧结炉中进行烧结；
（6）上金属管：将金属管套入到引线上，然后压接，将金属管与钽丝牢固结合。
进一步的：步骤（1）中所述的打磨是将通过模具冲压后的铌壳与铌盖安放在高速旋转专用模具上进行抛光打磨，打磨所用砂纸为水砂纸，依次用200#、600#、800#、1200#水砂纸对需打磨的表面进行打磨，去除表面压痕（划痕）、凹坑等缺陷，使表面达到镜面光泽。
进一步的：步骤（1）中所述的抛光是将打磨后的铌盖（铌壳）在振动抛光机或磁力抛光机中对表面进行光饰处理，采用的Ф5mm~Ф7mm不锈钢球形磨料，抛光时需加入表面处理剂，表面处理剂为5g ~20g、水的量约为1L~5L左右，放入抛光件的数量为5~15件，时间为5~15分钟。
进一步的：其特征在于：步骤（1）中所述的冲孔是将抛光后铌盖通过压力机与专用冲孔模具进行冲孔，冲孔包括了冲玻璃封接孔与注液孔，每冲一个孔均要在冲头上涂抹润滑剂。
进一步的：步骤（2）中所述的切割是将钽丝、金属管按图纸要求切割成所需尺寸，钽丝采用切丝打头机进行切割，金属管是采用高速切管机进行切割。
进一步的：步骤（3）中所述的玻璃坯冲压成形是在玻坯冲床上利用模具压制出中小带孔的圆柱体生坯，然后在箱式炉中排胶，预烧成型，排胶和预烧结温度分别为430℃和680℃，保温时间分别为1小时和20分钟，总时间为5小时。
进一步的：步骤（4）中所述的压接钢环是在手臂压力机上利用模具将钢环与铌盖压接在一起，使钢环与铌盖要形成紧配合，这种配合在振动或超声下不能分离。
进一步的：步骤（5）中所述的装配烧结是在石墨模具中进行，先按一定的步骤与要求将各零件和配件装配好，利用氩气为保护气氛，放入管式炉内进行烧结，烧结步骤为：先以小于40℃/分的速成度升温，当温度达到1050℃时保持20~30分钟，然后以50℃~100℃/分的速度降温到540℃~560℃，保持10分钟，现以小于50℃/分钟的速度降温到室温。
进一步的：步骤（6）中所述的上金属管是将金属管套入到钽引线上，在手臂压力机上利用模具将金属管与钽丝压接在一起，使钢环与铌盖要形成紧配合，这种配合在振动或超声下不能分离。
本发明的有益效果：使高能钽混合电容器外壳具有密封性能好，便于电极与外部电路的焊接，满足高能钽混合电容器封装后无漏液要求。
附图说明
图1为本发明高能钽混合电容器外壳的结构示意图。
图2为烧结的工艺曲线。
图3为本发明高能钽混合电容器圆形外壳的结立体构示意图。
图4为本发明高能钽混合电容器方形外壳的立体结构示意图。
图中所述数字标注表示为：1、铌壳；2、钢环；3、玻璃体；4、钽丝；5、金属管；6、铌盖；601、注液孔。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
如图1为本发明高能钽混合电容器外壳的结构示意图。其结构关系为：高能钽混合电容器外壳包括了一个铌壳1和一个铌绝缘子，铌壳1为直筒帽形结构；铌绝缘子由铌盖6、玻璃体3、钽丝4、钢环2、金属管5组成，其中铌盖1与钽丝4通过高温烧结熔化玻璃后形成的玻璃体3封接在一起，金属管5通过机械压接套在冒出玻璃体3上方的钽丝4上；所述铌盖6四周设置有卷边，且铌盖6通过卷边与铌壳1焊接在一起；所述铌盖6上设置有注液孔601。
图3、图4分别为本发明高能钽混合电容器外壳圆形外壳、方形外壳的结构示意图。其体现了两种不同的具体结构方案。理论上还存在其他可能的结构方案，在此不一一列出，但均应当属于本发明的保护范围。
为能简洁说明问题起见，以下对本发明所述一种高能钽混合电容器铌外壳的制造方法以下简称为本制造方法。
在本制造方法中，步骤（1）中所述的打磨是将通过模具冲压后的铌壳与铌盖安放在高速旋转专用模具上进行抛光打磨，打磨所用砂纸为水砂纸，依次用200#、600#、800#、1200#水砂纸对需打磨的表面进行打磨，去除表面压痕（划痕）、凹坑等缺陷，使表面达到镜面光泽。
作为本制造方法的优化，步骤（1）中所述的抛光是将打磨后的铌盖（铌壳）在振动抛光机或磁力抛光机中对表面进行光饰处理，采用的Ф5mm~Ф7mm不锈钢球形磨料，抛光时需加入表面处理剂，表面处理剂为5g ~20g、水的量约为1L~5L左右，放入抛光件的数量为5~15件，时间为5~15分钟。
步骤（1）中所述的冲孔是将抛光后铌盖通过压力机与专用冲孔模具进行冲孔，冲孔包括了冲玻璃封接孔与注液孔，每冲一个孔均要在冲头上涂抹润滑剂。
步骤（2）中所述的切割是将钽丝、金属管按图纸要求切割成所需尺寸，钽丝采用切丝打头机进行切割，金属管是采用高速切管机进行切割。
高速切管机的转速为2800~3800rmp，切割后的管材端头平整，切割后的毛剌采用加入有轮角磨料的滚光机进行滚光，充分去除切割后的毛刺。
步骤（3）中所述的玻璃坯冲压成形是在玻坯冲床上利用模具压制出中小带孔的圆柱体生坯，然后在箱式炉中排胶，预烧成型，排胶和预烧结温度分别为430℃和680℃，保温时间分别为1小时和20分钟，总时间为5小时。
本制作方法所述的玻璃坯采用硼硅酸盐玻璃材料，其玻璃中主要成份为Si02、B2O3、Na2O、Al2O3等，首先玻璃膨胀系数与钽的膨胀系数接近，与钽形成匹配封接；其次玻璃具有较强的耐酸性，保证玻璃能经受强酸的腐蚀；最后在高温下钽吸收玻璃中的微量氧形成氧化物而熔于玻璃，这样在玻璃与钽材之间形成良好的共熔层，保证了铌绝缘子封接的密封性能。
步骤（4）中所述的压接钢环是在手臂压力机上利用模具将钢环与铌盖压接在一起，钢环与铌盖要形成紧配合，这种配合在振动或超声下不能分离。
步骤（5）中所述的装配烧结是在石墨模具中进行，先按一定的步骤与要求将各零件和配件装配好，利用氩气为保护气氛，放入管式炉内进行烧结，烧结步骤为：先以小于40℃~80℃/分的速成度升温，当温度达到1050℃时保持20~30分钟，然后以50℃~100℃/分的速度降温到540℃~560℃，保持10分钟，现以20℃~50℃/分钟的速度降温到室温。
所述烧结的工艺曲线见附图2，其中：
升温段的升温速度40℃~80℃/分钟，在该阶段使玻璃达到熔点；
T1 为1000~1050℃，时间20~30分钟，使玻璃与钽材充分反应，保证钽引线和铌盖与玻璃能够完全烧结在一起；
第一段降温速度为40~80℃／分钟，可以尽快降温；
T2段温度为540℃~560℃，保温10分钟，T2段的主要作用是消除烧结后的玻璃的内部应力，提高烧结产品的抗冷热交变等环境适应性能；
T2段完成后，再以20℃~50℃／分钟的速度降到室温。
钽在常温下的大气中极其稳定，但加热后可与各种非金属元素直接化合，如氢、氧、氮等，此时其机械性能也发生改变，因此绝缘绝缘子的烧结工艺技术是本制作方法的主要关键技术。在选择烧结气氛时首先就不能选择含有上述几种气体的气氛，只能选择惰性保护气氛，而从成本上考虑，选择氩气为产品的烧结气氛；
步骤（6）中所述的上金属管是将金属管套入到钽引线上，在手臂压力机上利用模具将金属管与钽丝压接在一起，钢环与铌盖要形成紧配合，这种配合在振动或超声下不能分离。
综上所述，利用本制作方法加工出的一种高能钽混合电容器外壳具有密封性好，钽金属表面无氧化或变色，满足电容器的无漏酸漏液的要求。且具有耐腐蚀、耐温度冲击、耐压力、环境适应性好、可靠性高等特点。
依据本制作方法加工出的一次性埋电池担电极玻璃一体化盖帽能够满足以下指标：
1 、可焊性：蒸气老化8h，245±5℃,时间5±0.5s，沾锡面≥95%；
2 、冲击（规定脉冲）：5000m2/s；
3 、密封泄漏率≤1×10-3Pa·cm3/s；
4 、温度循环：-65℃ ~＋150℃，300 次；
5 、绝缘电阻≥10000MΩ。
本发明高能钽混合电容器外壳具有密封性能好，便于电极与外部电路的焊接，满足高能钽混合电容器封装后无漏液要求。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括哪些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种高能钽混合电容器铌外壳的制造方法，其特征在于，外壳包括了一个铌壳（1）和一个铌绝缘子，铌壳（1）为直筒帽形结构；铌绝缘子由铌盖（6）、玻璃体（3）、钽丝（4）、钢环（2）、金属管（5）组成，其中铌盖（6）与钽丝（4）通过高温烧结熔化玻璃后形成的玻璃体（3）封接在一起，金属管（5）通过机械压接套在冒出玻璃体（3）上方的钽丝（4）上；所述铌盖（6）四周设置有卷边，且铌盖（6）通过卷边与铌壳（1）焊接在一起；所述铌盖（6）上设置有注液孔（601）；
包括如下步骤：
（1）冲压：将铌板冲压成铌壳和铌盖，再进行打磨，抛光，冲孔，清洗，得到铌壳与铌盖；
（2）切割：将钽丝、金属管按图纸要求切割成所需尺寸，然后再进行去油、去毛刺处理，得到钽引线、钢环、金属管；
（3）玻璃坯冲压成型：将玻璃粉在压力机上干压成型，再排胶、预烧成型，获得玻璃坯;
（4）压接钢环：将钢环与铌盖在特制的模具下进行机械装配，形成紧配合；
（5）装配烧结：将已上钢环的铌盖、钽引线、玻璃坯按要求与顺序装配在石墨模具中，将其推入到烧结炉中进行烧结；
（6）上金属管：将金属管套入到引线上，然后压接，将金属管与钽丝牢固结合。
2.根据权利要求1所述的一种高能钽混合电容器铌外壳的制造方法，其特征在于：步骤（1）中所述的打磨是将通过模具冲压后的铌壳与铌盖安放在高速旋转专用模具上进行抛光打磨，打磨所用砂纸为水砂纸，依次用200#、600#、800#、1200#水砂纸对需打磨的表面进行打磨，去除表面压痕、划痕、凹坑缺陷，使表面达到镜面光泽。
3.根据权利要求1所述的一种高能钽混合电容器铌外壳的制造方法，其特征在于：步骤（1）中所述的抛光是将打磨后的铌盖、铌壳在振动抛光机或磁力抛光机中对表面进行光饰处理，采用的Ф5mm~Ф7mm不锈钢球形磨料，抛光时需加入表面处理剂，表面处理剂为5g ~20g、水的量为1L~5L，放入抛光件的数量为5~15件，时间为5~15分钟。
4.根据权利要求1所述的一种高能钽混合电容器铌外壳的制造方法，其特征在于：其特征在于：步骤（1）中所述的冲孔是将抛光后铌盖通过压力机与专用冲孔模具进行冲孔，冲孔包括了冲玻璃封接孔与注液孔，每冲一个孔均要在冲头上涂抹润滑剂。
5.根据权利要求1所述的一种高能钽混合电容器铌外壳的制造方法，其特征在于：步骤（2）中所述的切割是将钽丝、金属管按图纸要求切割成所需尺寸，钽丝采用切丝打头机进行切割，金属管是采用高速切管机进行切割。
6.根据权利要求1所述的一种高能钽混合电容器铌外壳的制造方法，其特征在于：步骤（3）中所述的玻璃坯冲压成型是在玻坯冲床上利用模具压制出中小带孔的圆柱体生坯，然后在箱式炉中排胶，预烧成型，排胶和预烧结温度分别为430℃和680℃，保温时间分别为1小时和20分钟，总时间为5小时。
7.根据权利要求1所述的一种高能钽混合电容器铌外壳的制造方法，其特征在于：步骤（4）中所述的压接钢环是在手臂压力机上利用模具将钢环与铌盖压接在一起，使钢环与铌盖要形成紧配合，这种配合在振动或超声下不能分离。
8.根据权利要求1所述的一种高能钽混合电容器铌外壳的制造方法，其特征在于：步骤（5）中所述的装配烧结是在石墨模具中进行，先按一定的步骤与要求将各零件和配件装配好，利用氩气为保护气氛，放入管式炉内进行烧结，烧结步骤为：先以小于40℃/分的速度升温，当温度达到1050℃时保持20~30分钟，然后以50℃~100℃/分的速度降温到540℃~560℃，保持10分钟，再以小于50℃/分钟的速度降温到室温。
9.根据权利要求1所述的一种高能钽混合电容器铌外壳的制造方法，其特征在于：步骤（6）中所述的上金属管是将金属管套入到钽引线上，在手臂压力机上利用模具将金属管与钽丝压接在一起，使金属管与钽丝形成紧配合，这种配合在振动或超声下不能分离。
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