鋁電解電容器的失效機(jī)理的詳細(xì)分析
金屬化紙介電容失效機(jī)理
一、電參數(shù)惡化失效
“自愈”是金屬化電容器的一個(gè)獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，但自愈過(guò)程頗為復(fù)雜，自愈雖能避免電容器立即因介質(zhì)短路而擊穿，但自愈部位肯定會(huì)出現(xiàn)金屬微粒遷移與介質(zhì)材料受熱裂解的現(xiàn)象。電容器紙由纖維組成，纖維素是碳水化合物類(lèi)的高分子物質(zhì)。在高溫下電容器纖維素解成游離狀態(tài)的碳原子或碳離子，使自愈部位表面導(dǎo)電能力增加，導(dǎo)致電容器 電阻下降、損耗增大與電容減小。嚴(yán)重時(shí)可使電容器因電參數(shù)惡化程度超過(guò)技術(shù)條件許可范圍而失效。金屬化紙介電容器在低于額定工作電壓的條件下工作時(shí)，自愈能量不足，電容器紙中存在的導(dǎo)電雜質(zhì)在電場(chǎng)作用于下形成低阻通路，也可導(dǎo)致電容器絕緣電阻降低和損耗增大。
電容器紙是多孔性的極性有機(jī)介質(zhì)材料，極易吸收潮氣。電容器芯子雖浸漬處理，但如果工藝不當(dāng)或浸漬不純，或在電場(chǎng)作用下工作相當(dāng)時(shí)間后產(chǎn)生浸漬老化現(xiàn)象，則電容器的絕緣電阻將因此降低，損耗也將因此增大。 電容量超差失效產(chǎn)金屬化紙介電容器的一種失效形式。在高溫條件下儲(chǔ)存時(shí)金屬化紙介電容器可能因電容量增加過(guò)多而失效，在高溫條件下加電壓工作時(shí)又可能因電容量減少過(guò)多而失效。高溫儲(chǔ)存時(shí)半密封型金屬化紙介電容器免不了吸潮，水是強(qiáng)極性物質(zhì)，其介電常數(shù)接近浸漬電容器介電常數(shù)的20倍。
因此，少量潮氣侵入電容器芯子，也會(huì)引起電容量顯著增大。烘烤去濕后電容呈會(huì)有所下降。如果電容器在高溫環(huán)境中工作，則水分和電場(chǎng)的共同作用會(huì)使金屬膜電極產(chǎn)生電解性腐蝕，使極板有效面積減小與極板電阻增大，導(dǎo)致電容量大幅度下降。如果引線與金屬膜層接觸部位產(chǎn)生腐蝕，則接觸電阻增大，電容器的有效電容量將更進(jìn)一步減小。個(gè)別電容器的電容量可降到接近于開(kāi)路的程度。
二、引線斷裂失效
金屬化紙介電容器在高濕環(huán)境中工作時(shí)，電容器正端引線根部會(huì) 遭到嚴(yán)重腐蝕，這種電解性腐蝕導(dǎo)致引線機(jī)械強(qiáng)度降低，嚴(yán)重時(shí)可造成引線斷裂失效。
鋁電解電容器的失效機(jī)理：鋁電解電容器正極是高純鋁，電介質(zhì)是在金屬表面形成的三氧化二鋁膜，負(fù)極是黏稠狀的電解液，工作時(shí)相當(dāng)一個(gè)電解槽。鋁電解電容器常見(jiàn)失效模式有：漏液、爆炸、開(kāi)路、擊穿、電參數(shù)惡化等，有關(guān)失效機(jī)理分析如下。
A、漏液
鋁電解電容器的工作電解液泄漏是一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。工作電解液略呈現(xiàn)酸性，漏出的工作電解液嚴(yán)重污染和腐蝕電容器周?chē)钠渌骷陀∷㈦娐钒。同時(shí)電解電容器內(nèi)部，由于漏液而使工作電解液逐漸干涸，喪失修補(bǔ)陽(yáng)極氧化膜介質(zhì)的能力，導(dǎo)致電容器擊穿或電參數(shù)惡化而失效。產(chǎn)生漏液的原因很多，主要是鋁電解電容器密封不佳。采用鋁負(fù)極箔夾在外殼邊與封口板之間的封口結(jié)構(gòu)時(shí)很容易在殼邊滲漏電解液。采用橡膠塞密封的電容器，也可能因橡膠老化、龜裂而引起漏液。此外，機(jī)械密封工藝有問(wèn)題的產(chǎn)品也容易漏液。總之，漏液與密封結(jié)構(gòu)、密封材料與密封工藝有密切的關(guān)系。
B、爆炸
鋁電解電容器在工作電壓中交流成分過(guò)大，或氧化膜介質(zhì)有較多缺陷，或存在氯根、硫酸根之類(lèi)有害的陰離子，以致漏電流較大時(shí)電解作用產(chǎn)生氣體的速率較快，大部分氣體用于修補(bǔ)陽(yáng)極氧化膜，少部分氧氣儲(chǔ)存在電容器殼內(nèi)。工作時(shí)間愈長(zhǎng)，漏電流愈大，殼內(nèi)氣體愈 多，溫度愈高。電容器金屬殼內(nèi)外的氣壓差值將隨工作電壓和工作時(shí)間的增加而增大。如果產(chǎn)品密封不佳，則將造成漏液；如果密封良好，又沒(méi)有任何防爆措施，則氣壓增大到一定程度就會(huì)引起電容器爆炸。高壓大容量電容器的漏電流較大，爆炸可能性更大。目前，已普遍采用防爆外殼結(jié)構(gòu)，在金屬外殼上部增加一道褶縫，氣壓高時(shí)將褶縫頂開(kāi)，增大殼內(nèi)容積，從而降低氣壓，減少爆炸危險(xiǎn)。
C、開(kāi)路
鋁電解電容器在高溫或潮熱環(huán)境中長(zhǎng)期工作時(shí)可能出現(xiàn)開(kāi)路失效，其原因在于陽(yáng)極引出箔片遭受電化學(xué)腐蝕而斷裂。對(duì)于高壓大容量電容器，這種失效模式較多。此外，陽(yáng)極引出箔片和陽(yáng)極箔鉚接后，未經(jīng)充分平，則接觸不良會(huì)使電容器出現(xiàn)間歇開(kāi)路。鋁電解電容器內(nèi)采用以DMF（二甲基酰胺）為溶劑的工作電解液時(shí)，DMF溶液是氧化劑，在高溫下氧化能力更強(qiáng)。工作一段時(shí)間后可能因陽(yáng)極引出箔片與焊片的鉚接部位生成氧化膜而引起電容器開(kāi)路。如果采用超聲波焊接機(jī)把引出箔片與焊點(diǎn)在一起，可則減少這類(lèi)失效現(xiàn)象。
D、擊穿
鋁電解電容器擊穿是由于陽(yáng)極氧化鋁介質(zhì)膜破裂，導(dǎo)致電解液直接與陽(yáng)極接觸而造成的。氧化鋁膜可能因各種材料，工藝或環(huán)境條件方面的原因而受到局部損傷。在外加電場(chǎng)的作用下工作電解液提供的氧離子可在損傷部位重新形成氧化膜，使陽(yáng)極氧化膜得以填平修復(fù)。但是如果在損傷部位存在雜質(zhì)離子或其他缺陷，使填平修復(fù)工作無(wú)法完善，則在陽(yáng)極氧化膜上會(huì)留下微孔，甚至可能成為穿透孔，使鋁電 解電容器擊穿。 此外，隨著使用和儲(chǔ)存時(shí)間的增長(zhǎng)，電解液中溶劑逐漸消耗和揮發(fā)，使溶液酸值上升，在儲(chǔ)存過(guò)程中對(duì)氧化膜層發(fā)生腐蝕作用。同時(shí)，由于電解液老化與干涸，在電場(chǎng)作用下已無(wú)法提供氧離子修補(bǔ)氧化膜，從而喪失了自愈作用，氧化膜一經(jīng)損壞就會(huì)導(dǎo)致電容器擊穿。工藝缺陷也是鋁電解電容器擊穿的一個(gè)主要原因。
如果賦能過(guò)程中形成的陽(yáng)極氧化膜不夠致密與牢固，在后續(xù)的裁片、鉚接工藝中又使氧化膜受到嚴(yán)重?fù)p傷。這種陽(yáng)極氧化膜難以在最后的老煉工序中修補(bǔ)完善，以致電容器使用過(guò)程中，漏電流很大，局部自愈已挽救不了最終擊穿的命運(yùn)。又如鉚接工藝不佳時(shí)，引出箔條上的毛剌嚴(yán)重剌傷氧化膜，刺傷部位漏電流很大，局部過(guò)熱使電容器產(chǎn)生熱擊穿。
E、電參數(shù)惡化
a、電容量下降與損耗增大
鋁電解電容器的電容量在工作早期緩慢下降，這是由于負(fù)荷過(guò)程中工作電解液不斷修補(bǔ)并增厚陽(yáng)極氧化膜所致。鋁電解電容器在使用后期，由于電解液耗損較多、溶液變稠，電阻率因黏度增大而上升，使工作電解質(zhì)的等效串聯(lián)電阻增大，導(dǎo)致電容器損耗明顯增大。同時(shí)，黏度增大的電解液難于充分接觸經(jīng)腐蝕處理的凹凸不平鋁箔表面上的氧化膜層，這樣就使鋁電解電容器的極板有效面積減小，引起電容量急劇下降。這也是電容器使用壽命臨近結(jié)束的表現(xiàn)。
此外，如果工作電解液在低溫下黏度增大過(guò)多，也會(huì)造成損耗增大與 電容量急劇下降的后果。硼酸一乙二醇系統(tǒng)工作電解液的低溫性能不佳，黏度過(guò)大導(dǎo)致等效串聯(lián)電阻激增，使損耗變大和有效電容量驟減，從而引起鋁電解電容器在嚴(yán)寒環(huán)境中使用時(shí)失效。
b、漏電流增加
漏電流增加往往導(dǎo)致鋁電解電容器失效。賦能工藝水平低，所形成的氧化膜不夠致密與牢固，開(kāi)片工藝落后，氧化膜損傷與沾污嚴(yán)重，工作電解液配方不佳，原材料純度不高，電解液的化學(xué)性質(zhì)與電化學(xué)性質(zhì)難以長(zhǎng)期穩(wěn)定，鋁箔純度不高，雜質(zhì)含量多??這些因素均可能造成漏電流超差失效。鋁電解電容器中氯離子沾污嚴(yán)重，漏電流導(dǎo)致沾污部位氧化膜分解，造成穿孔，促使電流進(jìn)一步增大。
此外，鋁箔的雜質(zhì)含量較高，一般鐵雜質(zhì)顆粒的尺寸大于陽(yáng)極氧化膜的厚度，使電流易于傳導(dǎo)。銅與硅雜質(zhì)的存在影響鋁氧化物向晶態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。銅和鋁還可在電解質(zhì)內(nèi)組成微電池，使鋁箔遭到腐蝕破壞？傊X箔中金屬雜質(zhì)的存在，會(huì)使鋁電解電容器漏電流增大，從而縮短電容器的壽命。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-01-05
