高压电子铝箔组织结构和性能的对比研究

摘要

电子铝箔是高端铝箔，主要用于电子工业的重要元器件电解电容器。近年来，随着电子工业的迅猛发展，机电产品的性能和集成度越来越高，这对电子元器件提出了更高的要求--在保证和提高性能的同时有尽量小的体积。因此电解电容器小型化(即实现高比电容)往往是高性能电器产品发展的关键之一。目前，国内高压电子铝箔(即高压箔)的需求量在1.5万吨/年左右，并呈20％的速度逐年递增，而国内能够生产高压箔的厂家却很少，需要大量进口。因此，研究国内外高压箔的组织结构以提高其性能，对我国铝加工产业向更高层次发展，解决高压箔国产化具有重要意义。
　　 本文采用SIMS、化学成分分析、SEM、EDS、EBSD、直流电化学腐蚀及力学性能测试等手段，对日本昭和、三菱与国产众和三种成品高压箔中主要杂质元素含量及Fe元素的分布、表面质量、位错坑、晶粒大小、力学性能、立方织构含量及耐电解质腐蚀性进行了对比研究。结果表明：影响高压箔腐蚀化成后比电容的主要因素为杂质元素Fe的含量及其分布、立方织构含量及表面质量。找出了国产与日本成品高压箔存在的差距，并提出了改进措施和建议。
　　 对高压箔主要杂质元素含量的对比研究表明：昭和的平均Fe含量最低，为0.0018％；众和的最高，为0.0027％。一般地，Fe含量增加，立方织构会变弱。高压箔中的Fe含量要严格控制在0.0020％以内。而众和的明显偏高，因此需要降低国产众和中的平均Fe含量。日本高压箔中Fe元素沿厚度方向近似呈直线分布，而国产众和却呈曲线分布，且心部有杂质Fe元素的富集。众和中Fe原子在基体中的不均匀分布，导致其高压箔的晶粒粗大、腐蚀不均匀，进而会降低了腐蚀箔的比电容。昭和的平均Si含量最高，为0.0022％；众和的最低，为0.0019％，两者差距较小，Si对立方织构形成过程的负面影响远没有Fe显著。但Si对高压箔性能的影响不是孤立的，还要受到Fe/Si的影响，Fe/Si分别为：昭和最小0.8182；三菱居中0.9047；众和最大为1.4211。两者共存于高纯铝中时，会影响彼此存在的形式，Fe/Si越小则越有利于提高化成箔的比电容。因此Si含量也要严格控制。
　　 国产众和高压箔表面起伏及缺陷较多，还存在轧制滚压痕。昭和的平均晶粒为209.1μm，大小适中且晶粒尺寸变化幅度较小；三菱的最小为207.6μm；众和的平均晶粒为223.2μm，尺寸最大且分布紊乱，大小差异较大。昭和在腐蚀后，立方蚀坑最多为17.51％，这与高压箔基体中(001)<100>立方取向有直接的关系。因此，国产高压箔的组织结构控制方面与日本还存在一定的差距，需要改进。
　　 三种高压箔的横向抗拉强度和延伸率均高于轧向；其中三菱高压箔的抗拉强度最高，横向28.85MPa，轧向28.30MPa，众和与昭和的抗拉强度相当。高压箔的拉伸试样断口比较平齐，有河流状花样和撕裂岭。不同的位置，硬度存在较小差异，平均硬度日本三菱的最高为17.93HV，众和的最低为16.77HV。原因三菱的晶粒最为细小，根据细晶强化理论，晶粒越小，其抗拉强度和硬度值就越高。因此国产高压箔的在强度方面有待加强。
　　 织构对比研究表明：国产众和高压箔在立方织构占有率方面和日本高压箔水平基本相当，两者均可达到国际先进水平(≥95％)。但国产众和的织构含量为96.23％较之日本昭和的97.89％与三菱的97.75％还是稍微低些，且国产众和高压箔中还具有其他的织构取向，如少量的{124}<211>R织构。因此国产箔中应控制非立方织构的含量。
　　 通过实验优化出高压箔直流电化学腐蚀工艺参数如下：腐蚀液：HCl+H2SO4混合溶液，HCl取2.0mol/L、H2SO4取0.5mol/L；腐蚀电流密度：0.2A/c㎡；腐蚀时间：120S；腐蚀温度：60℃。三种腐蚀箔对比研究表明：日本昭和高压箔520V下化成的比电容最大为0.78μF/c㎡，腐蚀孔分布均匀、密度较大且蚀孔较深，总体性能优良；三菱化成箔比电容为0.76μF/c㎡；国产众和化成箔比电容最小为0.69μF/c㎡，且腐蚀发孔均匀性不好，扩面腐蚀时会出现局部过腐蚀，使得铝箔减薄或穿孔。

目录

文摘

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附表清单

第1章 绪 论

1.1 选题的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 电解电容器用铝箔概述

1.2.2 高压箔比电容的影响因素

1.2.3 高压箔电化学腐蚀工艺简介

1.3 本文主要研究目的和内容

1.4 研究技术路线

第2章 试验方法及分析手段

2.1 高压箔的宏观组织及成分测定

2.1.1 实验材料的成分及宏观组织

2.1.2 成分测定的仪器和方法

2.2 组织观察和分析

2.2.1 金相试样的制备

2.2.2 分析设备简介

2.3 力学性能与耐电解质腐蚀性能测试

2.3.1 拉伸试验

2.3.2 显微硬度测试

2.3.3 耐电解质腐蚀性能测试

2.4 高压箔的织构检测(EBSD)

2.4.1 背散射电子衍射技术及实验设备

2.4.2 EBSD样品的制备

2.5 直流电化学腐蚀

2.5.1 腐蚀实验材料的制备和前预处理

2.5.2 腐蚀箔失重及化成箔比电容的测定

第3章 高压箔主要杂质元素及组织对比研究

3.1 高压箔主要杂质元素对比研究

3.2 国内外高压箔组织对比研究

3.2.1 OM金相显微组织

3.2.2 SEM及EDS分析

3.2.3 晶粒大小对高压箔性能的影响

3.2.4 高压箔位错坑对比研究

3.3 力学性能对比研究

3.3.1 拉伸试验

3.3.2 显微硬度

3.3.3 耐电解质腐蚀性能

3.4 本章小结

第4章 高压箔织构对比研究

4.1 取向成像图

4.2 晶粒取向差分布

4.3 极图与反极图

4.4 晶粒大小分布

4.5 ODF(取向分布函数图)

4.6 本章小结

第5章 直流电化学腐蚀实验

5.1 电化学腐蚀前预处理

5.2 腐蚀实验工艺参数优化

5.2.1 腐蚀液的优化选择

5.2.2 适合腐蚀电流密度的选择

5.2.3 适合腐蚀时间的选择

5.2.4 适合腐蚀温度的选择

5.3 腐蚀箔的SEM对比研究

5.4 腐蚀箔失重及化成箔比电容对比研究

5.5 本章小结

第6章 主要结论

参考文献

致谢

个人简历在学期间发表的学术论文及研究成果