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电容器用金属化薄膜及电容器

浏览数量:3     作者:本站编辑     发布时间: 2019-11-29      来源:本站

电容器用金属化薄膜及电容器


一、安徽赛福电子有限公司简介

安徽赛福电子有限公司成立于2007年2月,专业生产电容器用金属化薄膜及金属化薄膜电容器。公司位于中华人民共和国安徽省铜陵市。

安徽赛福电子有限公司现拥有高真空镀膜机3台,高速薄膜分切机14台,电容器生产线拥有多台全自动卷绕机、喷金机、测试机及焊接、灌注设备。公司可以为全球客户提供成品、半成品金属化薄膜,交流电动机电容器、光伏风能电容器、焊机电容器、脉冲电容器、直流支撑电容器等。

安徽赛福电子有限公司拥有ISO9000质量体系认证、ISO14000环境体系认证、ISO18000职业健康体系认证,产品符合欧盟RoHS指令和REACH法规要求,电容器产品获得了中国CQC、德国TUV莱茵、美国保险商实验室UL认证。

二、安徽赛福电子有限公司有机介质薄膜的特点

安徽赛福电子有限公司能够供货的电容器用金属化膜属于高分子聚合物材料,目前可以供货的有:聚丙烯薄膜和聚酯薄膜,前者多用于制造交流电容器和大型直流电容器,后者多用于制造小型直流电容器。

安徽赛福电子有限公司所生产的电容器用金属化膜,电介质为有机介质薄膜,其特点如下:

1)薄膜纯度的提高

有机介质薄膜是高分子聚合物,其分子的聚合程度和分子构型受催化剂、稳定剂和聚合工艺的影响很大,现代制造技术已经能保证分子聚合度适当,分子量的分散性较小,并且在聚合时单体是首尾相接,形成全同或间同立构,分子端基符合单体端基,其异构分子很少。此外,所含杂质分子很少。这样,从分子级别保证了电工薄膜的纯度和均匀一致性。

2)薄膜结构的改善

有机介质薄膜在很大程度上是由全同分子聚集而成的。由于分子间存在较大的次价键力,所以分子趋向密堆积,导致有机薄膜的结晶度都比较高。为了满足薄膜的电学性能,要对薄膜中的晶向区和非晶向区进行一定方向的取向。

安徽赛福电子有限公司使用的光膜采用双向拉伸的方法,它的表面形貌,有点类似于橙皮的网状结构,在网的结合部为变形的球粒状,是由取向的晶区构成,而各晶区则是相当程度取向的非晶区相连。

薄膜取向后,其均匀性变好、结晶度提高、熔点上升,并且限制了分子链段的热运动(特别是处在非晶区中的部分)。因此,对薄膜进行取向,可以提高耐压强度,降低损耗,提高电阻率。

3)薄膜厚度的减小

电容器用薄膜的一个重要发展方向就是:在保证薄膜结构(分子聚集和取向)均匀一致性的前提下,其最小厚度有了大幅度的减小。安徽赛福电子有限公司可批量提供的聚丙烯膜最小厚度已达到2.0μm,聚酯膜厚度达到1.9μm,并且还有减薄的趋势。

与此同时,随着薄膜性能的提高,电容器所使用的介质膜厚度也随之减小,使电容器体积减小。

4)薄膜表面处理

   根据薄膜用途对电容器表面进行处理。安徽赛福电子有限公司就可以提供两种聚丙烯电工膜—光膜和粗化膜。电容器用金属化聚丙烯膜的基膜为光膜。而耐压为几KV到几十KV的电力电容器,使用的是粗化膜和铝箔配合的方法,粗化膜能提高电容器芯子的浸渍能力,提高电容量,增加稳定性。

三、安徽赛福电子有限公司金属化膜电容器工作场强的确定

制造性能优良、成本可控的金属化膜电容器主要由选用的金属化薄膜基膜的厚度、耐温性以及金属电极的材料、厚度、型式所决定。

安徽赛福电子有限公司在电容器设计时从下列原则来确定电介质的厚度:

1、 在过电压的短时(1秒~1分)作用下,电容器不应发生电击穿;

2、 在工作电压下,在其可靠工作期限内,电容器不能发生击穿;

3、 电容器没有发生热击穿的可能性,并且要保证电容器的内部温度低于介质所允许的最高温度。

因为极板间介质所承受的电场强度及介质的面积远大于其他绝缘层,所以合理的确定或选取介质的工作场强是电容器设计的核心问题。

工作场强通常是根据介质材料的性能和质量、电容器的生产工艺水平、试制品的快速老化(即加速寿命)试验数据以及实践经验等因素,加以综合分析后确定。

从可靠性的观点出发,选择的工作场强裕度是越大越好。但考虑到经济指标,选择的工作场强只要能满足电容器的设计要求就可以了。


四、安徽赛福电子有限公司金属化层的材质和结构

4.1 金属化电极材质

金属化薄膜电容器制造工艺上的一个重大进步是电极金属化。金属化电极使电容器有了自愈能力提高了可靠性,缩小了电容器体积并减轻了重量,防止了电容器低电压下失效,有利于电容器串联使用,并降低了电容器制造难度。

金属化膜电容器具有自愈功能,在电容器发生局部击穿时,通过金属化层的自愈能快速恢复电容器的性能,提高了电容器的可靠性。自愈从机理上可分为放电自愈和电化学自愈两类。

在金属化薄膜上通常都存在疵点(金属化疵点、半导体疵点、劣质绝缘性疵点或气孔)。在对电容器施加的电压达到一定程度时,离疵点很近的区域中产生的焦耳热能将该区域的金属化层熔化,引起电极间在此处飞弧。电弧很快蒸发和抛散掉该区域的熔融金属,形成无金属的绝缘隔离区,电弧熄灭,实现放电自愈。应保证放电自愈的时间很短、自愈能量较小、对疵点隔离优良、没有损伤到介质。如果做不到这些,会发生过度自愈,轻者使电容量大大下降,严重的能使电容器失效。

金属化膜的蒸镀金属如果容易形成氧化物绝缘层(如铝金属化膜),用其制造的电容器在较低的电压下会发生电化学自愈,在疵点周围形成的是该金属的氧化物。电化学自愈持续时间较长,会使电容器在较低的电压下就提前电容量超标失效。

安徽赛福电子有限公司可批量提供的铝金属化膜和锌铝复合金属化膜。

铝在氧化后能形成较致密均匀的氧化膜并阻止铝的进一步氧化,所以铝金属化膜的保存期长也不需要特别的包装。这使铝膜在生产电容器时得到了大批量的使用。但是使用铝金属化膜制造的电容器在使用过程中,铝层的边缘和内部会转化成不导电的氧化铝,,使电容量下降,加上电化学自愈的影响,使电容器可能在较低的电压下就造成电容量损失超标。

锌铝复合膜拥有锌膜和铝膜的优点,又在很大程度上解决了两者的缺点。锌铝复合膜有层状复合和合金化两种形式。考虑到锌和铝电位差,合金化形式较好。锌铝膜中以锌为主,金属化膜的表层铝的含量较大(但还是比锌少),能形成一层密实的氧化铝膜,对金属化层起保护作用,能防止进一步氧化,金属层中部铝的含量很少,与基膜接触层铝的含量又多起来,可以防止低沸点的锌从膜上再蒸发,增强金属化层的附着。

锌铝复合膜自愈性能优良,锌铝复合膜的方阻约为7.5Ω/□,铝膜的方阻约为3.0Ω/□,锌铝复合膜金属化层的厚度比铝膜大约小一半,所以锌铝膜自愈时间较短,所需要的能量也比铝膜小的多,自愈的恢复也快,形成过度自愈的可能性较小。因不发生电化学自愈,锌铝复合膜使用过程中,电容量损失少,寿命较长。现在使用的锌铝复合膜一般采用边缘加厚型式,能降低芯子端面与喷金层的接触电阻,提高电容器承受脉冲电流的能力,电容器损耗较小。锌铝膜的工作场强通常比铝膜高。

下面是锌铝膜的成分分析结果,第一张是膜的电子图像:

图1  锌铝膜电子图像









第二张是频谱图:

图2  锌铝膜频谱图







对薄膜所含元素分析数据如下表,因为聚丙烯基膜含量比金属层多,所以元素含量中较多的是碳和氧,在金属化层材料中可以看出锌的含量比铝多。

表1  锌铝膜成分表

元素

重量百分比

原子百分比

C

102.47

96.91

O

2.77

1.97

Al

0.67

0.28

Zn

4.82

0.84

总量

110.73

100

4.2 金属化电极结构

4.2.1 金属化层厚度

金属化聚丙烯膜是在聚丙烯基膜上蒸镀上一层很薄的金属化电极而形成的,金属化电极厚度为几十nm,在实际使用是用方阻(方块电阻,单位为Ω/□)来表示电极厚度。方阻越大,说明金属化层厚度越小。

经过多年发展,锌铝复合膜的电极结构已进行了多次改进和尝试。锌铝复合膜金属化电极的厚度不是相等的,中间活动区方阻常见值6~10Ω/□,而边缘区金属化层金属层厚度加大,方阻变小,大约在为2~3/□左右。边缘加厚能有效增加喷金层和金属化膜的接触强度,降低损耗不良的比率。

金属化膜具有自愈特性,适当提高金属化膜的自愈性能,当电容器局部击穿时,可以通过自愈来阻止性能劣化,电容器寿命会得以增加。

4.2.2 隔离安全膜

为了追求更高的安全性,部分电容器带有防爆装置,可在电容器发生过度自愈导致可能的爆裂着火前,切断电容器的电源(或隔离过度自愈区),从而保证电容器的使用安全。安徽赛福电子有限公司制造电容器拥有安全装置有:带机械式防爆装置的CBB65电容器、带温度保险丝的灯具电容器和使用隔离安全膜的CBB60、CBB61电容器

因机械防爆结构应用在小容量电容器上,会出现电容器体积较大,成本较高的缺点。于是出现了使用隔离安全膜制造的电容器。它是用均匀分布在薄膜金属化电极面积内的许多微型保险丝来代替了单个的机械防爆装置。在制造金属化薄膜时使用油屏蔽技术,将金属化层分成许多小块的通过微型保险丝相连接的区域。当某小块区域要发生过度自愈时,该区域的微型保险丝自动断开,切断与电容其他部分的联系,保证了电容器本身的安全,起到了防爆的作用。安全膜常见的类型有网格状结构、T型结构、六边形结构、强化保险丝结构等,它们结构有所不同,但原理一致,效果也差不多。下图为最常见到网格状结构安全膜的示意图。

图3  网格状结构安全膜示意图


隔离安全膜电容器应用小容量电容器的场合时,具有相当大的优点。比起采用机械防爆装置的电容器有体积小,成本低的特点,可以采用制造CBB60、CBB61型电容器的工艺(环氧灌封)来制造电容器,制造难度小,生产门槛也随之降低。可以使原来不带有防爆功能的CBB60、CBB61型电容器具备防爆能力,提升它们的安全性能。

但是,隔离安全膜电容器的缺点也是极为明显的。从原理来看,安全膜电容器是用隔离自愈区域来保障安全的,长期使用后电容器的容量衰减比一般的金属化膜电容器要大

4.2.3 蒸镀时金属屏蔽方法

    聚丙烯基膜上的金属化不是布满基膜表面的所有区域,膜上的留边区和隔离安全膜的花纹都是没有金属的。

    防止这些区域蒸镀上金属的屏蔽方法有两种:一种是钢带屏蔽,使用钢带将不该蒸镀的区域遮盖起来;另一种是油屏蔽,在蒸镀前膜涂上花纹,这样有油区域金属就无法付着了。     钢带屏蔽因屏蔽边缘可能存在毛刺,自愈点较多,对电容器性能有影响,安徽赛福电子有限公司生产的金属化薄膜为油屏蔽

五、安徽赛福电子有限公司电容器的耐温性能

5.1 对电容器耐温性的特别要求

电容器在超过其最高运行温度下工作,电容器使用时间会减少。电动机电容器最高运行温度一般为70℃即可。这是因为我国大部分地区夏天最高气温一般为40左右,电容器虽然是无源元器件,但还是有一些损耗的,本身产生一些热量,经测量电容器工作时外壳温度比工作环境温度一般高出几度到十几℃,而电容器芯子内部比外壳又要高出几度到十几℃。这样电容器最高运行温度定为70是比较合适的。

但根据安徽赛福电子有限公司多年的市场经验,在中东东南亚、非洲等地,交流电动机电容器失效率明显高于中国、欧洲和北美。经分析,这些地区位于沙漠戈壁或热带地区,安装在室外的电容器工作环境最高可能会超过50。如果继续使用最高运行温度为70的电容器,寿命性能就不能得到可靠保证。在这些地区应该采用耐温性更高的电容器,如耐温性为85的电容器。

在灯具中使用时,因电容器安装在灯具边,工作环境温度更高,根据具体使用环境不同,需要采用耐温性为85或105的电容器。

金属化膜使用在安规电容器或线路板上时,因为电容器组装到线路板上需要波峰焊或回流焊,耐受温度高,需要耐温105℃或以上的电容器。

聚丙烯本身的耐温性并不是很好。根据安徽赛福电子有限公司多年制造金属化薄膜及电容器的经验,常规的电工聚丙烯薄膜的长期最高运行温度也就是70左右。要获得耐温性更好的电容器用聚丙烯薄膜,必须对聚丙烯性能进行改性。为了探讨如何改进电容器耐温性,我们从聚丙烯结构、双向拉伸聚丙烯薄膜的原料、薄膜制造工艺来进行分析。

5.2 聚丙烯的立体结构

根据高分子链立体结构不同, 聚丙烯有三个品种:等规聚丙烯(IPP,全同), 间规聚丙烯(SPP,间同)和无规聚丙烯(APP)。

无规聚丙烯(APP)具有熔点低, 结晶度低, 溶解性好, 抗湿性及抗化学腐蚀性好等特点。它的主要用途是:用作热熔胶粘剂及一些涂料的有效组分;作聚合物加工助剂、增容剂等;以及用作制造建筑用的复合材料,例如改性水泥、改性沥青、防水卷材等。

间规聚丙烯(SPP)是一种低结晶性材料, 结晶度约为IPP的一半, 其刚性和硬度虽然只有IPP的一半, 但冲击强度是IPP的两倍。SPP的耐热性不如IPP, 但SPP质地柔软, 密度低, 低温热封性、透明性、透气性、光泽感要好。它的主要用途是:注塑片材、薄膜、中空吹塑成型等。

等规聚丙烯(IPP)与SPP相比,刚性好,硬度高,强度高,耐热性好, 能在1100C左右长期使用, 与聚乙烯比较,坚韧、耐磨、耐热,并有卓越的介电性能和化学惰性。 低温下会变脆。它的主要应用是:管材、板材;单丝、扁丝、捆扎绳;薄膜、包装袋;纤维等。

等规聚丙烯的结晶性能如下:

α晶型: 属于单斜晶系, 在138左右产生, 是最稳定的结构, 熔点为180

β晶型: 属于六方晶系, 在128以下产生, 熔点是145~150, 熔点以上处理时转化成α晶型;

γ晶型: 属于三斜晶系, 熔点170, 只有在分子量低时才能见到;

晶型: 在含有无定形成分较多的试样中可见到这种晶型;

拟六方晶型也叫次晶结构, 等规聚丙烯熔融后急冷至70以下,或在70以下进行冷拉伸, 就会生成拟六方晶型。这种晶型是不稳定的, 70以上热处理转变为α晶型。

三种聚丙烯的立体结构如下图:




图4 聚丙烯立体结构图















5.3 电容器用双向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜的原料及其要求

  BOPP薄膜的优点为:可实现微薄化,这样可实现电容器的小型化、轻量化;可实现粗面化,制成高容量的浸油型电力电容器,这是现今电容器发展的一个方向;介电损耗小,这是能长效稳定工作的主要因素;介电常数不随频率变化而变化,这是其在交频电容器中占主要地位的主要因素;防潮性能优良,不吸水;价格较便宜。

5.3.1 等规度

等规度即聚丙烯中等规立构聚丙烯部分所占的百分含量。等规立构部分对分子结晶有较大影响,而无规立构部分则起内润滑作用,有利于定向。若等规度过高,薄膜的机械性能有所提高,手感较挺,但其厚度均匀性不易控制,横向拉伸过程中破膜的次数会增加;若等规度过低则薄膜的透明性有所提高,但会使薄膜变软而不挺,另外收卷后成品膜在存放过程中易发生粘膜现象。安徽赛福电子有限公司生产经验表明,原料粒子的等规度在95~97%之间效果最佳。

5.3.2 灰份

灰份对电工薄膜的性能影响至关重要。灰份含量应小于50ppm。

5.3.3 挥发分

若聚丙烯原料的挥发分过高,则其在加工过程中会受热释放出来,严重污染环境和设备, 进而间接污染薄膜,造成薄膜卷绕后发生粘膜现象。

5.3.4 熔融指数(MFI)

要求原料的MFI波动范围最好控制在0.2g/10min内, 这样有利于工艺控制,还可提高成膜稳定性。

5.3.5 分子量分布

分子量分布愈宽,聚合物的结晶性降低,树脂的延展性提高,有利于高速加工。电工薄膜原料的分子量分布要求在4~5。

5.4双向拉伸聚丙烯膜的生产

5.4.1 生产工艺

生产聚丙烯电工薄膜有两种方法:平膜法和管膜法。平膜法生产速度高,可生产宽幅膜,膜的平整性好,厚度可控范围大,但设备费用高,边料损耗大,纵横向性能差异大。管膜法正好相反。目前在电容器用聚丙烯膜生产中占主导地位的是平膜法双向拉伸工艺,下面是工艺流程:

PP树脂→塑化挤出→计量挤出→过滤→片材挤出成型→片材冷却定型→纵向拉伸→横向拉伸→热定型→冷却定型→β线测厚→电晕处理→收卷→静置→分切→检验→成品

5.4.1.1 挤出

片材厚度均匀性由计量泵的转数,冷却辊的转数及机头口膜的间隙大小进行控制。片材内部结晶性由温度、压力控制,生产粗化膜要增加片材内部β晶型含量。

5.4.1.2 纵向拉伸

拉伸比太小,会引起纵向厚度不均匀;拉伸比太大,会使边角撕裂强度低,横向拉伸时破膜,不能正常生产。拉伸比通常控制在4.5~5.0之间。片材预热要均匀。

5.4.1.3 横向拉伸

常常把横向拉伸、热定型、冷却定型等工艺统称为横向拉伸。在保证薄膜拉伸稳定进行的情况下,拉伸温度应尽可能低,使薄膜的厚度公差减小。横拉箱加热风的速度在同一横截面控制均匀一致,一般不能大于%的误差,上下风压应相同,横拉幅越宽,风压误差应越小。热定型工艺段要形成一个最高的结晶速率,以最快的速度完善结晶,以减少产品在以后的生产和存放过程中分子链段继续结晶而产生内应力,聚丙烯的最大结晶速率温度为120~150

5.4.2 聚丙烯膜的生产条件

聚丙烯电工膜的生产条件要求在恒温恒湿下进行,且厂区的净化条件要求比较高,一般区域要求10万级净化,普通BOPP车间不能生产电工薄膜。若环境温湿度过高,薄膜表面电阻降低,有利于静电的泄露与消除,但其卷绕后因薄膜温度及层与层之间温湿度较高,导致产品长期存放后易发生粘膜现象。环境温度在25~29,湿度在50~60%之间较好。

5.4.3 聚丙烯拉伸过程中的取向

为了制得理想的强化薄膜,拉伸取向过程中,温度、拉伸比、拉伸速度等工艺参数的控制非常重要。BOPP双向拉伸通常在玻璃化转变温度Tg至熔融温度Tm之间进行,在给定的拉伸比和拉伸速度下,适当降低拉伸温度,分子伸展形变会增大,粘性变形就会减小,有助于提高取向度;但过低的温度会降低分子链段的活动能力,不利于取向;在热拉伸取向的同时,也存在着解取向的趋势,因此拉伸之后应迅速降低温度,以保持高分子链的定向程度。一般来说,在正常的生产温度下,取向程度随拉伸比的增大而增加,而随拉伸速度的增加,拉伸应力作用的时间缩短,从而影响取向的效果。

5.4.4 聚丙烯拉伸过程中的结晶

聚丙烯结晶贯穿着从熔体挤出到时效处理等BOPP生产的整个过程。为了提高成膜性,聚丙烯挤出时采用骤冷铸片,以控制结晶的生成,降低结晶度;在双向拉伸时要求结晶速度较慢,以利于拉伸取向,较早、较快的结晶和较大的结晶颗粒都有可能导致破膜;在横拉后热处理定型阶段,为了提高刚性和强度,要求产生并加速结晶。

5.4.5聚丙烯拉伸过程中取向与结晶的关系

双向拉伸过程中的结晶有着高聚物聚集态结构特殊性的一面,存在取向与结晶互生现象,即取向导致结晶,结晶中有取向。拉伸取向引起晶片倾斜、滑移延展,原有的晶片被拉伸细化,重排为取向态,形成取向的折叠链晶片、伸直链晶或球晶转变为微纤晶状结构等。因此薄膜的综合性能进一步得到强化。如研究表明,拉伸取向导致分子链规则排列,产生均相晶核,诱导拉伸结晶,形成串晶互锁结构,可以大大提高取向方向聚丙烯的力学性能;双向拉伸也可以使聚丙烯中可能产生的较大颗粒晶体破碎,从而减小晶体尺寸,提高透光率,降低雾度。如聚丙烯经双向拉伸后,雾度下降50%。

5.4.6 取向和结晶对BOPP性能的影响

薄膜中聚丙烯的结晶度和晶体尺寸对BOPP薄膜的机械力学性能和光学性能有重要影响。结晶度高则强度高,韧性差;晶体尺寸小而均匀,有利于提高薄膜的力学强度,耐磨性、耐热性,提高薄膜的透明度和表面光泽度。

从结晶的角度来看,要生产高质量的BOPP薄膜,应尽量减小聚丙烯晶体的尺寸,一般可以从两个方面考虑,其一,工艺调整,如各段的冷却速度、温度、拉伸比、拉伸速度等;其二是配方,如主料聚丙烯的选择、成核剂的使用等。

聚丙烯高性能工程化和透明改性方面,如何使聚丙烯结晶微细化、均质化也是重要改性途径之一。


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