化學(xué)鍍鋅對(duì)鋁箔腐蝕形貌與比電容的影響畢業(yè)論文

1、化學(xué)鍍鋅對(duì)鋁箔腐蝕形貌與比電容的影響目 錄摘 要iabstractii1.前言11.1.概述11.2.預(yù)處理11.3.電化學(xué)腐蝕21.4.微電池的影響32.實(shí)驗(yàn)部分42.1. 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器42.2. 實(shí)驗(yàn)步驟42.3. 樣品表征與分析53.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論63.1. 樣品掃描電鏡（sem)觀察63.2. 樣品比電容（lcr）測(cè)試7結(jié) 論8參考文獻(xiàn)9致 謝10摘 要 研究了鋁箔表面堿洗和化學(xué)鍍鋅兩種前處理工藝對(duì)鋁箔電化學(xué)擴(kuò)面腐蝕后表面形貌與比電容的影響，利用sem和lcr對(duì)樣品進(jìn)行表征分析得到前處理及前處理時(shí)間對(duì)鋁箔腐蝕形貌及比電容的影響規(guī)律，結(jié)果表明鋁箔電蝕前進(jìn)行適當(dāng)時(shí)間和濃度的堿洗能夠提高陽(yáng)

2、極箔的比電容，當(dāng)鋅均勻而不連續(xù)分布在鋁箔表面上時(shí)，電蝕形成的蝕坑的分布也就均勻，比電容也就相應(yīng)提高。關(guān)鍵詞：預(yù)處理；電化學(xué)腐蝕；微電池；鋁箔；鋁電解電容器 abstractthe effect of surface cleaning aluminum foil surface with soda wash and chemical plating zn on al foil surface before electro-etching on the al foils surface micrographs and special capacitance was studied with sem

3、 and lcr. the results show the soda-wash with proper time and naoh concentration can improve the special capacitance of anode foil. when zn was uniformly distributed on al foil surface, the evenly tunnels distribution after electro-etching can also achieved and the special capacitance of anode foil

4、is also improved.key words: pretreatment；electrochemical etching；microcells；aluminum foil；aluminum electrolytic capacitors化學(xué)鍍鋅對(duì)鋁箔腐蝕形貌與比電容的影響1.前言1.1. 概述為適應(yīng)電子整機(jī)不斷向小型化，高密度組裝化方向的迅速發(fā)展，要求鋁電解電容器進(jìn)一步縮小體積，提高比容, 減輕重量和降低成本。衡量電容器性能的重要指標(biāo)之一是單位體積的靜電容量的大小。根據(jù)平板電容器靜電容量公式可知, 對(duì)于在額定工作電壓范圍內(nèi)的電容器來(lái)說(shuō)，靜電容量主要由陽(yáng)極箔的表面積s 的大小決定1。因此

5、, 提高鋁電解電容器靜電比容的關(guān)鍵在于擴(kuò)大陽(yáng)極鋁箔的有效表面積。一般擴(kuò)大電極用鋁箔的表面積的方法是對(duì)原鋁箔(簡(jiǎn)稱光箔) 進(jìn)行化學(xué)或電化學(xué)腐蝕，使其表面形成高密度均勻分布的且有一定深度的腐蝕蝕坑以增大鋁箔的表面積。電化學(xué)腐蝕方式有直流、交流和交直流組合, 腐蝕液以鹽酸為主, 添加陽(yáng)離子(al3+ , na+ , mg2+ , in3+ )、無(wú)機(jī)酸(hno3, h3po4,h2cro4, h2so4, h2moo4 等) , 或有機(jī)酸(草酸, 醋酸, 苯甲酸, 檸檬酸等)。通過(guò)控制腐蝕條件，可極大地?cái)U(kuò)大腐蝕鋁箔的表面積，進(jìn)而提高化成箔比容。1.2. 預(yù)處理預(yù)處理是指在對(duì)光箔進(jìn)行電蝕前所作的各種物理

6、、化學(xué)處理，其目的是調(diào)整鋁箔組織結(jié)構(gòu), 改善其表面狀態(tài)，提高鋁箔電蝕性能，盡量減小光箔因純度及軋制工藝的差異對(duì)電蝕過(guò)程造成的不利影響。因光箔的組織結(jié)構(gòu)，尤其是表面結(jié)構(gòu)(雜質(zhì)、缺陷密度及其分布、氧化膜厚度等) 對(duì)起始蝕坑的分布、密度以及蝕坑生長(zhǎng)有很大影響2。表面結(jié)構(gòu)的不均勻性導(dǎo)致表面蝕坑分布不均勻，蝕坑大小相差懸殊，不能充分提高比表面積。已有的研究和實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果都表明，合理的預(yù)處理,能有效地改善光箔表面狀態(tài)，幅度擴(kuò)大腐蝕箔的表面積，是提高腐蝕箔靜電比容不可缺少的有效措施之一。主要的預(yù)處理包括：表面清洗、 熱處理、表面氧化、 陰極極化和金屬元素的表面沉積等。預(yù)處理的作用是通過(guò)改善鋁箔的結(jié)構(gòu)，尤其是

7、表面結(jié)構(gòu)，提高其電蝕性能，達(dá)到充分?jǐn)U大表面積的目的。大量的研究結(jié)果表明，預(yù)處理是提高腐蝕箔靜電容量的有效措施之一。本實(shí)驗(yàn)研究的預(yù)處理包括表面清洗（堿洗）和金屬元素表面沉積（化學(xué)鍍鋅）。表面清洗的目的鋁箔在制造過(guò)程中，高溫均質(zhì)和以提高(100) 晶面占有率為目的的高溫退火過(guò)程，不可避免地在鋁表面形成氧化膜，因輥軋使鋁箔表面形成氧化膜的畸變層，軋面粘鋁和油脂等污染層，從而使鋁箔表面不均勻。如果將這種鋁箔直接進(jìn)行電化學(xué)腐蝕，則不能獲得足夠大的表面積擴(kuò)大率。因此, 除掉鋁箔表面的這種不均勻?qū)邮请娢g前不可缺少的步驟。鋁箔表面形成的氧化膜具有兩性，即在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿性溶液中都能被溶解，因此，可用堿性或酸性洗液

8、除掉鋁箔表面的不均勻?qū)?，以形成清潔均一的表面。在鋁箔表面沉積一薄層化學(xué)活性比鋁差的金屬膜，能顯著改善鋁箔的表面狀態(tài)，充分提高其電蝕性能，可使腐蝕箔的靜電容量提高10% 50%，這一預(yù)處理方法已受到極大的關(guān)注3。由于被沉積金屬( 如fe , ti ,ta, au, ag , pd, pt等) 的電極電位比鋁高，與鋁構(gòu)成無(wú)數(shù)的微電池。在腐蝕時(shí)，這些沉淀的金屬作陰極、鋁作陽(yáng)極，氫離子和水在這些重金屬上被還原時(shí)的過(guò)電位高，交換電流密度大，有利于h2 的形成和釋放， 從而加速了陰極周圍鋁的溶解。同時(shí)，因金屬的沉積、 可能影響鋁箔表面電荷和氧化膜對(duì)氯離子的吸附絡(luò)合特性。當(dāng)被沉淀金屬均勻而不連續(xù)分布在鋁箔表

9、面時(shí)，電蝕形成的蝕坑的分布也就均勻，并且蝕坑大小接近，所以，可明顯擴(kuò)大腐蝕箔的比表面積，使靜電比容充分提高。預(yù)處理，通過(guò)改變鋁箔的表面狀態(tài)，控制著腐蝕箔的表面形貌(與蝕坑尺寸、 密度及分布的均勻性有關(guān))，在一定程度上決定了腐蝕箔的靜電比容的高低。鋁箔具有良好表面狀態(tài)的重要標(biāo)志是：表面覆蓋著具有一定厚度和保護(hù)能力的氧化膜，膜中雜質(zhì)、缺陷及膜的厚薄分布均一4。本實(shí)驗(yàn)的變量為堿洗和化學(xué)鍍鋅的時(shí)間，目的在于研究前處理工藝對(duì)鋁箔腐蝕形貌與比電容的影響。1.3. 電化學(xué)腐蝕不純的金屬跟電解質(zhì)溶液接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生原電池反應(yīng)，比較活潑的金屬失去電子而被氧化，這種腐蝕叫做電化學(xué)腐蝕。腐蝕電池包括宏觀腐蝕電池和微觀

10、腐蝕電池，本實(shí)驗(yàn)包括這兩種電池。在本實(shí)驗(yàn)中鋁作陽(yáng)極，鋁失電子化學(xué)價(jià)升高，碳棒作陰極。隨著電蝕的進(jìn)行鋁不斷的溶解開(kāi)始發(fā)孔，腐蝕液為1摩爾鹽酸+2摩爾硫酸+5%鋁。鋁箔和直流電源的正極相連碳棒和電源的負(fù)極相連。發(fā)孔完成之后開(kāi)始擴(kuò)孔，擴(kuò)孔用的腐蝕液為3%的硝酸。本實(shí)驗(yàn)為直流恒流電解，電源正極與鋁箔相連負(fù)極與碳棒相連5。流程：選鋁箔預(yù)處理電化學(xué)腐蝕陽(yáng)極氧化測(cè)比電容原理：利用點(diǎn)蝕，點(diǎn)蝕的發(fā)生是由于氯離子和氧競(jìng)爭(zhēng)吸附所造成，當(dāng)金屬表面上氧的吸附點(diǎn)被氯離子所代替時(shí)，點(diǎn)蝕就發(fā)生了。其原因是氯離子選擇性吸附在氧化膜表面陰離子晶格周圍，置換了水分子，氯離子就有一定幾率和氧化膜中的陽(yáng)離子形成絡(luò)合物（可溶性氯化物），

11、促使金屬離子溶入溶液中，在新露出的金屬特定點(diǎn)上生成小蝕坑，成為點(diǎn)蝕核6。點(diǎn)蝕的發(fā)展是蝕孔內(nèi)發(fā)生的自催化過(guò)程。化學(xué)鍍鋅的原因分析由于被沉積金屬鋅的電極電位比鋁高、與鋁構(gòu)成無(wú)數(shù)的微電池(腐蝕原電池）。在腐蝕時(shí)，這些沉淀的金屬作陰極，鋁作陽(yáng)極，加速了陰極周圍鋁的溶解。同時(shí),因金屬的沉積，可能影響鋁箔表面電荷和氧化膜對(duì)氯離子的吸附絡(luò)合特性7。1.4. 微電池的影響整個(gè)金屬表面上存在著許多微小的陰極和陽(yáng)極，也就形成很多微小的原電池，這些微小的原電池即稱為微電池。電池不斷發(fā)生反應(yīng)生成腐蝕產(chǎn)物，即電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)微電池的存在能夠形成微觀腐蝕電池增加表面積從而增加鋁箔的比電容理。本實(shí)驗(yàn)化學(xué)鍍鋅的目的就

12、是使鋅在鋁表面和鋁形成微電池，鋁作陽(yáng)極、鋅作陰極。鋁箔表面化學(xué)沉積鋁箔表面物理沉積一薄層過(guò)渡金屬或重金屬元素, 可極大地改變鋁箔的電蝕特性, 顯著提高腐蝕箔的靜電容量, 這一方法值得進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)8，使鋁箔表面腐蝕，陽(yáng)極氧化后增大電介質(zhì)層的表面積，提高電容量。2.實(shí)驗(yàn)部分2.1. 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器 a. 試劑95%-98%濃硫酸 萊陽(yáng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)精細(xì)化工廠65%-68%硝酸 萊陽(yáng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)精細(xì)化工廠99.0%氧化鋅 分析純 天津市大茂化學(xué)試劑廠36%-38%鹽酸 萊陽(yáng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)精細(xì)化工廠 氫氧化鈉 化學(xué)純 天津市大茂化學(xué)試劑廠b. 儀器： wwlldxll精密線性直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源 揚(yáng)

13、州雙鴻電子有限公司；電子萬(wàn)用爐 北京市永光明醫(yī)療儀器廠；恒溫水浴鍋 上海楓立儀器表有限公司；79-1磁力加熱攪拌器 江蘇省金壇市正基儀器有限公司；lcr電子測(cè)量?jī)x 天津市安福泰電子技術(shù)有限公司；電子天平 奧豪斯儀器（上海）有限公司2.2. 實(shí)驗(yàn)步驟1. 前處理工藝：取5片59的鋁箔編號(hào)1 2 3 4 5，配置預(yù)處理液800毫升，成分為5%氫氧化鈉+0.005%氧化鋅。把預(yù)處理液放入水浴鍋加熱至40并保持恒溫，把鋁箔放入預(yù)處理液中時(shí)間依次為0/30/60/90/120秒。2. 電化學(xué)腐蝕工藝：發(fā)孔：配置腐蝕液一830毫升，成分為1摩爾鹽酸+2摩爾硫酸+5%鋁。把腐蝕液一用萬(wàn)用爐加熱到80，連接w

14、wlldxll精密線性直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源和電解槽。電源負(fù)極連接碳棒，正極待連預(yù)處理鋁箔。打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)調(diào)解為直流電源，調(diào)解電流使電流顯示為13.5a，電流密度為150ma/c，通電時(shí)間為150秒9。關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)，然后連接鋁箔，此電解過(guò)程為恒流過(guò)程，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)電解150秒結(jié)束。然后依次電解上述5片鋁箔。擴(kuò)孔：配置腐蝕液二830毫升，成分為3%的硝酸。把腐蝕液二用萬(wàn)用爐加熱到70，連接wwlldxll精密線性直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源和電解槽。電源負(fù)極連接碳棒，正極待連預(yù)處理鋁箔。打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)調(diào)解為直流電源，調(diào)解電流使電流顯示為4.5a，電流密度為50ma/c，通電時(shí)間為600秒。關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)，然后連接鋁箔，

15、此電解過(guò)程為恒流過(guò)程，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)電解150秒結(jié)束10。然后依次電解上述5片鋁箔。2.3. 樣品表征與分析利用天津市安福泰電子技術(shù)有限公司的yy2810a-lcr電子測(cè)量?jī)x（串聯(lián)直流）精度為0.25%測(cè)量樣品的比電容。利用日本電子的jsm-6380lv掃描電子顯微鏡(電壓30 kv)對(duì)樣品的顯微形貌進(jìn)行表征。比電容越大則擴(kuò)面效果越強(qiáng)，反之越小。在本實(shí)驗(yàn)中比電容越大，證明鋁箔的電蝕效果越好。 掃描電鏡形貌分析，不僅可以分析塊體材料的形貌，還可分析納米粉體材料。其提供的信息主要有材料的幾何形貌，粉體的分散狀態(tài)，納米顆粒的大小、分布，特定形貌區(qū)域的元素組成和物相結(jié)構(gòu)11。掃描電鏡分析可以提供從幾個(gè)納

16、米到毫米范圍內(nèi)的形貌圖像。3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論3.1. 樣品掃描電鏡（sem)觀察 (a)(b)(c)(d)(e)圖1 化學(xué)鍍鋅時(shí)間不同時(shí)得到腐蝕后鋁箔的sem照片(a) 0s ;(b) 30s;(c) 60s;(d) 90s;(e)120s本實(shí)驗(yàn)的變量為預(yù)處理的時(shí)間，時(shí)間不同即堿洗的時(shí)間不同因此對(duì)鋁箔表面不均勻氧化層處理結(jié)果不同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明堿洗30 s 就可溶解掉原有的氧化膜，并且經(jīng)30 s 堿洗后的鋁箔電蝕后，蝕坑在其表面分布均勻，腐蝕箔的靜電容最大。當(dāng)堿處理時(shí)間不足30 s 或超過(guò)30 s 時(shí)，都會(huì)使靜電容量降低。其原因可能與鋁箔表面阻擋層氧化膜厚度和結(jié)構(gòu)有關(guān)。金屬元素的表面沉積：實(shí)驗(yàn)結(jié)

17、果表明在鋁箔表面沉積一薄層化學(xué)活性比鋁差的金屬膜（鋅），能顯著改善鋁箔的表面狀態(tài)，充分提高其電蝕性能。原因分析由于被沉積金屬鋅的電極電位比鋁高，與鋁構(gòu)成無(wú)數(shù)的微電池(腐蝕原電池）。在腐蝕時(shí), 這些沉淀的金屬作陰極，鋁作陽(yáng)極，加速了陰極周圍鋁的溶解。同時(shí)，因金屬的沉積，可能影響鋁箔表面電荷和氧化膜對(duì)氯離子的吸附絡(luò)合特性12。 實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)被沉淀金屬均勻而不連續(xù)分布在鋁箔表面時(shí)，電蝕形成的蝕坑的分布也就均勻，并且蝕坑大小接近，所以，可明顯擴(kuò)大腐蝕箔的比表面積，使靜電比容充分提高。 根據(jù)sem分析可得到在預(yù)處理時(shí)間為60秒時(shí)金屬鋅分布最為均勻，從而蝕坑分布均勻，比電容較大，所以60秒為最佳沉積時(shí)間13

18、。3.2. 樣品比電容（lcr）測(cè)試 時(shí)間（s）0306090120電容（uf/cm2）132158162130128 根據(jù)堿洗時(shí)間可知30秒時(shí)比電容應(yīng)最大，但是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知60秒時(shí)比電容最大，分析原因?yàn)榻饘僭爻练e時(shí)間為60秒時(shí)最佳，此時(shí)為兩種預(yù)處理的綜合作用結(jié)果。在實(shí)際操作時(shí)為提高比電容可把兩種預(yù)處理分開(kāi)進(jìn)行，先表面清洗再金屬元素表面沉積。處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使鋁箔腐蝕嚴(yán)重造成蝕透。結(jié) 論本論文以平板電容器靜電公式為依據(jù)，力求擴(kuò)大陽(yáng)極箔的表面積。利用表面清洗（堿洗）和金屬元素表面沉積（化學(xué)鍍鋅）兩種前處理工藝對(duì)鋁箔進(jìn)行處理。利用電化學(xué)腐蝕工藝對(duì)鋁箔進(jìn)行腐蝕包括發(fā)孔和擴(kuò)孔兩個(gè)過(guò)程。所得結(jié)論如下

19、：1）預(yù)處理能夠通過(guò)改善鋁箔的結(jié)構(gòu)，尤其是表面結(jié)構(gòu)，提高其電蝕性能，達(dá)到充分?jǐn)U大表面積的目的。2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明堿洗30 s 就可溶解掉原有的氧化膜，并且經(jīng)30 s 堿洗后的鋁箔電蝕后，蝕坑在其表面分布均勻，腐蝕箔的靜電容最大。3）實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)被沉淀金屬均勻而不連續(xù)分布在鋁箔表面時(shí)，電蝕形成的蝕坑的分布也就均勻，并且蝕坑大小接近，所以可明顯擴(kuò)大腐蝕箔的比表面積，使靜電比容充分提高。4）此實(shí)驗(yàn)結(jié)果為兩種預(yù)處理共同作用所得，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得堿洗時(shí)間30秒最 佳，化學(xué)鍍鋅60秒最佳，因?yàn)榇藭r(shí)蝕坑分布最為均勻。 參考文獻(xiàn)1馮哲圣,楊邦朝,李建軍.日本鋁電極箔制造技術(shù)研究的新進(jìn)展 j.電子元件與材料,2000

20、, 20(2):23-27.2ryu j h,seo j h,kim s k,et al.the effect of aluminum ion on the dc ndetching of the aluminum foil for electrolyte capacitorsa.202 fall meeting, electrochemical societyc. salt lake city, utah: electrochemical society,2002.5sacanna s, koenderink g h, philipse a p. microemulsion synthesis of fluorinated latex spheresj. langmuir, 2004, 20: 8398-84003馮哲圣,陳金菊,徐蓓娜,楊邦朝.鋁電解電容器技術(shù)現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)j.電子元件與材料, 2001,(05) :33-47.4effect of trace sn on pittin