铝/碳复合材料界面结合状态及结构研究

Aluminium electrolytic capacitor is a kind of important electronic components. Solid polymer aluminium electrolyte capacitor is the future trend of aluminum electrolytic capacitor. Aluminum/carbon composite foil is one of key materials of solid polymer electrolyte capacitor. Up to now, only one Japanese enterprise can produce this aluminum/carbon composite foil. The material has become bottleneck of Solid polymer aluminium electrolyte capacitor industry in our country. Many corporations and laboratories are involved in intense research of the aluminum/carbon composite foil now. Aluminum/carbon composite foil made by procedures of coating aluminum foil with carbon layer and establishing metallurgical bonding in the interface of aluminum foil and carbon layer can effectively reduce the interfacial resistance of ther electrode collector and electrolyte material in solid polymer electrolytic capacitor by increacing the appetency and surface area of electrode collector , thus greatly reduce internal resistance of aluminium electrolytic capacitor.This project intends to use means such as electronic probe, high resolution scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) to investagate the mechanism and structurethe of metallurgical bonding formed in the interface aluminum/carbon composite foil. This project can greatly support the research and manufacture of aluminum/carbon composite foil both theoretically and technically。

电解电容器是一种重要的电子元器件，固体高分子电解电容器是铝电解电容器的发展趋势，铝/碳复合箔是固体高分子电解电容器的核心关键材料。目前铝/碳复合箔只有日本一家企业能够生产，该材料已成为制约我国的电解电容器产业发展的瓶颈。我国许多单位正在加紧研究。通过在铝箔表面涂覆碳涂层并使之形成冶金结合而制备的铝/碳复合箔可以有效降低电解电容器电极与电解质材料界面电阻，提高亲合力和表面积，从而大幅度降低器件的内阻。本项目拟采用电子探针、高分辨扫描电镜、透射电镜等手段，深入研究铝/碳界面形成冶金结合的机理与结构，为铝/碳复合箔的研究和生产提供理论基础及技术支持。

C/Al复合箔是固体铝电解电容器的核心原材料之一。C/Al复合箔生产技术由日本东洋铝株式会社、日本蓄电器工业株式会社率先开发，并分别垄断烃类气体化学气相沉积和物理气相沉积两大工艺路线的技术产权，对我国C/Al复合箔产业的发展不利。本项目创新性的通过“涂布含碳浆料+热处理”的工艺路线制备出形成冶金结合的C/Al复合箔，打破了目前日本同类产品必须使用易燃易爆的烃类气氛的技术桎梏，并深入研究制备的C/Al复合箔中碳层结构特征、铝/碳界面结构和界面反应机理，及其结构特性对固态铝电解电容器性能的影响规律，得出的关键性结论包括：1）在铝箔表面涂布含导电碳和有机碳前驱体的涂层，再在560-580℃下热处理可制出生成Al4C3相的冶金结合C/Al复合箔， Al4C3相的含量随着温度的上升和时间延长而增加，生成位置主要在界面和铝箔基体内，足够的有机物原位裂解产生的高活性含碳气氛是其产生所必须的条件；2）制成的C/Al复合箔中，碳层中的CNT和原位生成的热解碳PyC相互影响，碳层的碳结构类型不同于任一单组分，CNT和PyC界面结合良好，可观测到CNT/PyC的共格结合界面；铝箔基体表面的氧化膜向碳层方向存在显著扩散，且参与和碳层的反应生成Al4O4C相； C/Al复合箔的电阻随着热处理的温度上升呈指数级下降，主要影响因素包括碳层的碳化程度、氧化膜减薄以及铝箔/碳层间的界面反应；其机械性能在热处理温度400-580°C范围内受温度影响不大；3）制备C/Al复合箔过程中在高温热处理前进行300°C-3min固化处理会使碳层的表面形貌从多孔结构变成致密蜡状结构，但物相组成、电性能和机械性能基本不变；4）电容器容量Cap.的主要影响因素为C/Al复合箔的界面上铝氧化膜的破坏状态，C/Al复合箔的热处理条件480°C-10h以下铝箔表面氧化膜破坏程度不完全，电容器容量Cap.较低， 530°C-10h以上氧化膜被完全破坏，容量Cap.不再随温度变化；电容器ESR随热处理温度的上升而降低，530°C以上下降幅度逐渐变小，580°C-10h为实验得出的最佳条件；5）电容器Cap.不受C/Al复合箔的碳层表面粗糙程度影响。