桂愉平

（寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000）

目前鉭粉生產廠家出廠電性能普遍使用濕式電性能檢測得到，先將鉭金屬粉末添加粘結劑壓制成型，然后在高真空中燒結成帶引線的多孔燒結體，接著將燒結體陽極賦能使鉭金屬表面形成介電層氧化膜Ta2O5，再進行濕式電性能檢測。在檢測陽極塊的容量和損耗過程中一般使用HP－4284A型LC精密測試儀進行測試，同時還需要測試時使用的陰極裝置。目前測試鉭陽極塊容量時使用的陰極主要有：（1）在鉑片上電鍍Pt黑的Pt黑陰極；（2）由多個鉭粉壓制燒結塊捆綁在銀片上制得的Ag－Ta陰極；（3）由更高比容的陽極賦能塊做陰極。

根據電容的決定式C＝εS／4πkd可知，電容C與電介質常數ε、正對面積S成正比（即ε、S越大，C越大）；與距離d成反比（d越大，C越?。?。若陽極表面積為S1，陰極表面積為S2，那正對面積S＝S1∩S2，即正對面積S為S1和S2之間的有效面積。所以為了滿足高比容鉭粉測試，陰極的表面積S2要遠大于陽極的表面積S1，否則，將影響高比容陽極容量C的測試結果。如許寧輝在《陰極比表面積對超高比容鉭陽極容量測試結果的影響》中所述，陰極比表面積是影響鉭陽極塊容量測試的一個關鍵因素，隨著鉭陽極容量的增大，測試所需的陰極比表面積也相應增大。當陰極比表面積足夠大時，鉭陽極容量測試值趨于穩(wěn)定并接近真實值［1］。隨著研發(fā)鉭粉比容的提高就要求測試用陰極的比表面積足夠大，但是目前測試使用的主要方法有：（1）在鉑片上電鍍Pt黑的Pt黑陰極使用壽命短、表面積?。唬?）由多個鉭粉壓制燒結塊捆綁在銀片上制得的Ag－Ta陰極結構復雜、損耗大，且捆綁的方式使鉭塊與銀片接觸不良。對不同結構及不同材質的陰極對陽極塊的容量和損耗的影響進行分析，最終采用環(huán)狀的陰極結構，并優(yōu)選FTW500鉭粉作為環(huán)狀陰極材質。

1 試驗

1.1 試驗材料

1.1.1 Ag－Ta陰極

選擇FTW120K鉭粉，稱取1.0 g 20份，在Φ6.0 mm的模具中壓制成密度為（5.6＋0.1）g／cm3的成型塊，在1 300～1 400℃條件下真空燒結。將燒結塊均勻的捆綁在銀片上，銀片作為引出片。

1.1.2 Ta－Ta環(huán)狀陰極

選用FTW230、FTW50K、FTW150K鉭粉，分別稱取20.0 g各一份、15.8 g各三份。20.0 g鉭粉在Φ40.0 mm模具中壓制成密度為4.0 g／cm3的帶鉭絲引出線的成型塊，15.8 g鉭粉在Φ40.0 mm／Φ16.0 mm特制中空模具中壓制成密度為4.0／cm3的帶鉭絲引出線的環(huán)狀成型塊。?以吊掛的方式置于燒結爐內，在壓力小于4.0×10－3Pa的真空條件下，以恒定的速率升溫至1 300～1 400℃，并燒結30～40min，溫度降至50℃以下后充氧鈍化冷卻至室溫［2］，并在12～20 h以后出爐，以防燒結塊返熱著火或變形。

將三塊Φ40.0 mm／Φ16.0 mm的環(huán)形燒結塊在上方，Φ40.0 mm燒結塊在下方的形式使用鉭片固定，并將鉭絲引出線點焊在鉭片上，鉭片作為陰極引出片，并固定在大小合適的塑料瓶中，作為測試陰極整體，如圖1所示。各陰極重量及表面積見表1。

圖1 環(huán)狀陰極結構

表1 陰極重量及表面積

1.2 試驗過程

選取FTW500、FTW800、FTW150K 3個牌號鉭粉，按照表2的條件進行成型、燒結、賦能、測試。使用設備有CA30－A液壓成型機、ZR－25－18TS真空高溫燒結爐、PAN350－3.5A 賦能電源、HP－4284A型LC精密測試儀。

表2 鉭陽極工藝條件

1.3 容量和損耗測試結果

容量和損耗測試結果分別見表3、表4，HP－4284A型LC精密測試儀設置測試頻率為120 Hz。

表3 容量檢測結果 μF

表4 損耗檢測結果

2 結果與討論

2.1 Pt－Pt黑陰極不適合用于鉭陽極容量測試

Pt－Pt黑陰極為鉑表面作電鍍處理，生成一種黑色“鉑絨”，以增加活性和表面積?，F有技術可使所制得的Pt黑粒徑分布在0.1～3μm，平均粒徑為2μm，類球形，比表面大于27 m2／g。但鉑黑電極表面絕對不能擦拭，只能在去離子水中晃動清洗［3］。由于鉭陽極在濕式檢測過程中經常會與陰極接觸摩擦，導致Pt－Pt黑陰極使用壽命極短。Pt－Pt黑陰極成本較高，并不適用于鉭陽極的濕式檢測。

2.2 Ag－Ta陰極與環(huán)狀陰極的對比

前文描述，根據電容的決定式C＝εS／4πkd可知，正對面積S越大，容量也越大，正對面積S＝S陽極∩S陰極，即正對面積S為S陽極和S陰極之間的有效面積。容量與距離d成反比。Ag－Ta陰極由20個Φ6.0 mm的FTW120K鉭燒結塊捆綁在銀片上，均勻地布置在有限的玻璃測試杯內，但塊與塊之間有較多間隙，即使均勻布置，仍然占用測試杯較大空間。由表1可知20 g的FTW120K陰極表面積達到21.4 m2。

而環(huán)狀陰極充分利用了測試杯內部有限的所有空間，使陰極重量達到了67.4 g，但是FTW230環(huán)狀陰極表面積仍然沒有FTW120K陰極大。在容量檢測結果中（圖2），表面積較小的FTW230環(huán)狀陰極較表面積大的FTW120K陰極測試結果卻要大。而且在損耗測結果中（圖3），FTW230環(huán)狀陰極較FTW120K陰極要小很多。

圖2 FTW120K陰極與FTW230環(huán)狀陰極容量測試結果對比

圖3 FTW120K陰極與FTW230環(huán)狀陰極損耗測試結果對比

FTW120K陰極的正對面積S并未達到最大，表面積有21.4 m2的FTW120K陰極未將其有效面積全部利用起來，不能將高比容鉭粉容量全部引出，這與Ag－Ta通過捆綁的形式有較大關系，隨著Ag片的變黑氧化，Ag與Ta之間的電阻會越來越大，導致正對面積S變小。同時，在測試過程中，由于不同測試人員在測試時，鉭陽極放置區(qū)域不一致，導致鉭陽極與陰極的距離d偏差較大，造成損耗測試結果偏差也大。

環(huán)狀陰極空間利用率很高，Ta－Ta通過點焊連接，電阻較小，正對面積S較高。同時環(huán)狀的結構形式保證在測試過程中鉭陽極與陰極的平均距離d始終保持穩(wěn)定，即當鉭陽極塊離一端陰極距離遠的同時，距另一端的陰極距離又近了，使容量、損耗測試結果穩(wěn)定。

2.3 環(huán)狀陰極材料的選擇

從表1可知，FTW230、FTW500、FTW150K環(huán)狀陰極的重量均為67.4 g，表面積分別為20.22 m2、37.07 m2、81.55 m2，FTW150K環(huán)狀陰極幾乎可將現有高比容鉭陽極容量全部引出。由前文可知，當陰極比表面積足夠大時，鉭陽極容量測試值趨于穩(wěn)定并接近真實值。但隨著陰極表面積增大，損耗卻也開始增大，測試對比結果如圖4、圖5所示。

圖4 FTW230、FTW500、FTW150K環(huán)狀陰極容量測試對比

圖5 FTW230、FTW500、FTW150K環(huán)狀陰極損耗測試對比

從圖4、圖5可以看出，FTW230、FTW500、FTW150K環(huán)狀陰極容量測試結果并不明顯，對應了當陰極比表面積足夠大時，鉭陽極容量測試值趨于穩(wěn)定并接近真實值，相對面積S≈S陽極。但隨著陰極表面的逐漸增大，測試得到的損耗也呈直線上升趨勢，FTW150K環(huán)狀陰極尤為明顯。損耗是在電場作用下，消耗的無功功率與消耗的有功功率的比值［4］。陰極表面積過大，會導致回路中的電阻增加，消耗回路中的功率，造成無功功率增加，損耗增大。所以，陰極的表面積不一定要越大越好。FTW230、FTW500環(huán)狀陰極在測試FTW500至FTW150K時，容量與損耗幾乎無區(qū)別，但FTW500環(huán)狀陰極表面積幾乎是FTW230的一倍，更適合測試更高比容的鉭陽極。

3 結 論

1.在濕式檢測鉭陽極時，環(huán)狀陰極結構能使陽極面積與陰極面積的平均距離d始終穩(wěn)定，使容量、損耗測試結果更穩(wěn)定。

2.FTW500鉭粉作為環(huán)狀陰極材質，容量測試值高、損耗測試值小，測試值更接近于鉭陽極的真實值，適合超高比容鉭陽極的濕式檢測。