聚合物电容作用原理与基础

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　　聚合物电容介绍

　　聚合物电容是采用高电导率的聚合物材料作为阴极的片式叠层铝电解电容器，具有超越现有液体片式铝电解电容器和固体片式钽电解电容器的卓越电性能。聚合物电容在额定电压范围内，无需降压使用。

　　具有极低的等效串联电阻(ESR)，降低纹波电压能力强，允许通过更大纹波电流。聚合物片式叠层铝电解电容器在高频下，阻抗曲线呈现近似理想电容器特性。在频率变化情况下，电容量非常稳定。此类电容器主要应用于主板(笔记本电脑、平板显示器、数字交换机 )旁路去耦/储能滤波电容、开关电源、DC/DC变换器、高频噪声抑制电路及便携式电子设备等。

　　分类

　　可从不同角度对聚合物进行分类。

　　按主链元素组成分类：可分为碳链、杂链和元素有机聚合物三大类：

　　①碳链聚合物的主链完全由碳原子构成，如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚丁二烯等。它们在聚合物中占很大比例,是主要的通用聚合物,系塑料工业和橡胶工业的基础。

　　②杂链聚合物的主链除碳原子外，尚有氧、硫、氮等杂原子，如聚醚、聚酯、聚酰胺、聚氨酯和聚砜等，它们主要用作工程塑料和合成纤维。

　　③元素有机聚合物的主链主要由硅、硼、铝和氧、氮、硫、磷等原子组成，侧链一般为有机基团如甲基、乙烯基和苯基等。如有机硅树脂等(即聚硅氧烷)。它们主要用作耐油、耐高温和耐燃等特种材料。主链和侧链均由碳以外的元素构成的聚合物，专称无机聚合物。

　　按性质和用途分类：可分为橡胶、化学纤维、塑料、胶粘剂和涂料，前三者通常称为合成材料。

　　①橡胶是弹性体，分子间次价力小(约8.4kJ/mol),在很低应力下可发生很大的可逆形变(可达500%～1000%),起始模量很低(<1MPa)，但模量随形变的发展而增大。无负荷时为无定形结构，拉伸时晶区的熔融温度(Tm)要低于使用温度,玻璃化温度很低(Tg=-40～-110℃)。制品需经交联(硫化)以防止拉伸时大分子滑移，增大可逆形变。聚异戊二烯、顺式-1,4-聚丁二烯和丁苯-30共聚物等都是符合上述要求的高弹性橡胶。橡胶也可进一步分为热塑性橡胶(如SBS等)和硫化(加热硫化)橡胶(如聚丁二烯橡胶等)。

　　②纤维却是次价力大(>21kJ/mol)、形变能力小(<10%～15%)、模量高(>3.5GPa)的材料,一般是结晶聚合物。成纤聚合物均为线型结构并具有适宜的分子量,可以采用溶液或熔体纺丝,适宜的拉伸可使其力学性能进一步提高。适合于纺丝的典型聚合物有聚酯、聚酰胺和聚丙烯腈等。

　　③塑料是以合成树脂(在不少场合，纯聚合物常称树脂)或化学改性的天然高分子物质为主要成分,加入填料、增塑剂或其他添加剂,在一定温度和压力下能加工成型的聚合物材料，其次价力(8.7～21kJ/mol)、模量(150～3500MPa)和形变量(<0.5%～800%)等介于橡胶和纤维之间,Tm和Tg可在很大范围内变化。塑料还可依合成树脂的受热行为进一步细分为热塑性塑料(如聚氯乙烯、聚苯乙烯)和热固性塑料(如酚醛树脂、脲醛树脂等);也可按材料硬度或柔性分成软塑料(如聚乙烯)和硬塑料(如酚醛树脂、聚苯乙烯等)。除胶粘剂、涂料一般无需加工成型而可直接使用外，橡胶、化学纤维和塑料等通常须用相应的成型方法加工成制品。

　　此外，还可按聚合物的来源分为天然聚合物(如纤维素、淀粉等)、合成聚合物(如氯化膦腈橡胶、各种烯类聚合物等)和半合成聚合物(如醋酸纤维素等)。按合成反应的名称分为加成聚合物(即加聚物)、缩合聚合物(即缩聚物)和开环聚合物等。还有按聚合物的应用功能分为通用高分子、特殊高分子、功能高分子、仿生高分子和医用高分子等。

（图片来源：凯利讯半导体）

　　结构

　　大分子链是以结构单元借共价键结合而成，许多大分子链通过分子间相互作用聚集成聚合物材料，因此，聚合物结构可分为链结构和聚集态结构。

　　链结构

　　包括重复单元的化学结构及其连接方式、结构单元中取代基的立体化学结构、链的形状和构象等。

　　①链节本身的结构是由单体决定的，链节之间的连接方式(常称序列结构)对于缩聚物比较确定;若为加聚物,则单元链节的连接方式有头-尾、头-头或尾-尾相接之分,但大多数情况下以头-尾键接为主。对于由两种(或几种)结构单元构成的共聚物，按照各种结构单元在共聚物链中的排列顺序而有不同的链结构。以A和B两种单体的共聚物为例：

　　无规共聚物、嵌段共聚物和接枝共聚物中的 A可以丁二烯、B以苯乙烯为代表,交替共聚物中的A可为丁二烯，B可为丙烯腈或丙烯。大分子链的化学组成、排列方式和序列分布不同，聚合物的性能也有明显差异。

　　②结构单元的立体化学结构可有光学异构和顺反异构两种立体异构现象。光学异构是由分子链中存有手型中心原子引起，若各手型中心的构型相同，称全同立构聚合物或等规聚合物;若相邻构型相反并相间排列，则称间同立构聚合物或间规聚合物;若各手型中心无规排列,即称无规聚合物。聚丙烯有三种光学异构体(图1)。

　　顺反异构由分子链中双键(或环)上的取代基有不同的空间排布引起，若两个取代基(按原子序数优先)在碳-碳双键的同侧，称顺式;若在异侧，则称反式。以聚丁二烯为例，可表示如下：

　　聚合物的立体结构不同，性质有很大差异。例如全同聚丙烯可以结晶，且有较高熔点(175℃);而无规聚丙烯则为粘性固体或油状物。顺1,4-聚异戊二烯在常温下为高弹性橡胶;而反1,4-聚异戊二烯在常温下却是弹性很差的塑料。

　　③链的形状有线型、支链型和交联型(体型或网状)之分(图2)。线型和支链型大分子彼此以次价力相互作用，可溶于适当溶剂，加热也可熔化;交联型可视作许多线型或支链型大分子由共价键结合的网状或体型结构，交联度小的聚合物，加热可软化但不熔融，在溶剂中可溶胀但不溶解;交联度大的则不溶解也不熔融。

　　④构象是大分子的链段绕单键内旋转而造成的空间形态。多数大分子卷曲成无规线团(图3a)，也有的呈规则的折叠链(图3b)或螺旋链(图3c)结构。

　　聚集态结构

　　指大分子链间的排列和堆砌方式，可粗略地分为晶态和无定形结构。结构规整或链间次价力较强的聚合物容易结晶，例如高密度聚乙烯、全同聚丙烯和聚酰胺等。结晶聚合物中往往存在一定的无定形区，即使是结晶度很高的聚合物也存在结晶缺陷，熔融温度是结晶聚合物使用的上限温度。结构不规整或链间次价力较弱的聚合物如聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等难以结晶，一般为无定形态。无定形聚合物在一定负荷和受力速度下，于不同温度可呈现玻璃态、高弹态和粘流态三种力学状态(图4)。玻璃态到高弹态的转变温度称玻璃化温度(Tg)，是无定形塑料使用的上限温度，橡胶使用的下限温度。从高弹态到粘流态的转变温度称粘流温度(Tf)，是聚合物加工成的重要参数。

　　当聚合物处于玻璃态时，整个大分子链和链段的运动均被冻结，宏观性质为硬、脆，形变量很小，只呈现一般硬性固体的普弹形变。聚合物处于高弹态时，链段运动高度活跃，表现出高形变能力的高弹性。当线型聚合物在粘流温度以上时，聚合物变为熔融、粘滞的液体，受力可以流动，并兼有弹性和粘流行为，称粘弹性。聚合物熔体和浓溶液搅拌时的爬竿现象、挤出物出口模时的膨胀现象以及减阻效应等，都是粘弹行为的具体表现。其他如聚合物的蠕变、应力松弛和交变应力作用下的发热、内耗等均属粘弹行为。

　　作用原理

　　(1)絮凝作用原理：PAM用于絮凝时，与被絮凝物种类表面性质，特别是动电位，粘度、浊度及悬浮液的PH值有关，颗粒表面的动电位，是颗粒阻聚的原因加入表面电荷相反的PAM，能使动电位降低而凝聚。

　　(2)吸附架桥：PAM分子链固定在不同的颗粒表面上，各颗粒之间形成聚合物的桥，使颗粒形成聚集体而沉降。

　　(3)表面吸附：PAM分子上的极性基团颗粒的各种吸附。

　　(4)增强作用：PAM分子链与分散相通过种种机械、物理、化学等作用，将分散相牵连在一起，形成网状产品使用特性

　　1、絮凝性：PAM能使悬浮物质通过电中和，架桥吸附作用，起絮凝作用。

　　2、粘合性：能通过机械的、物理的、化学的作用，起粘合作用。

　　3、降阻性：PAM能有效地降低流体的摩擦阻力，水中加入微量PAM就能降阻50—80%。

　　4、增稠性：PAM在中性和酸条件下均有增稠作用，当PH值在10以上PAM易水解。呈半网状结构时，增稠将更明显。生产步骤

　　性能

　　高弹形变和粘弹性是聚合物特有的力学性能。这些特性均与大分子的多层次结构和大分子链的特殊运动方式以及聚合物的加工有密切关系。从应用的角度，聚合物的强度、硬度、耐磨性、耐热性、耐腐蚀性、耐溶剂性以及电绝缘性、透光性、气密性等都是使用性能的重要指标。

　　①强度和硬度

　　除大量填料外，主要决定于聚合物分子主链的刚性，分子间次价力的大小，以及聚合物的结晶性和结晶度的高低。

　　②耐热性

　　聚合物使用温度范围的重要指标。玻璃化温度和熔点分别是衡量无定形和结晶聚合物物理变形的耐热性指标。工业上常用维卡、马丁热变形仪来测定聚合物的软化温度(TS)。无定形聚合物的TS与Tg相近,结晶聚合物的TS与Tm(熔点)相近。当无定形聚合物作塑料使用时,使用温度的上限一般比TS低15～30℃,下限约比脆化温度高15～30℃;作为橡胶，其使用温度一般在高于Tf和低于Tg10～30℃之间。聚合物的热稳定性可用热分解和热降解温度的高低来衡量。

　　③耐溶剂性

　　可用聚合物和溶剂的溶度参数 (δ)来衡量，若两者的溶度参数相近，则聚合物可溶于该溶剂。极性聚合物如聚乙烯醇可溶于水,但不溶于汽油、苯,即有良好的耐油性;而非极性聚合物如天然橡胶、丁苯橡胶可溶于汽油和苯，但不溶于甲醇和水，也耐酸、碱腐蚀。分子中含有弱极性键的聚合物，如聚酰胺，难溶于一般有机溶剂，但其抗酸、碱侵蚀性较差。

　　④电绝缘性

　　其衡量指标有介电常数、介电损耗和击穿电压等。聚乙烯、聚苯乙烯和聚四氟乙烯等非极性聚合物是优良的高频绝缘材料，多数聚合物皆具有较好的电绝缘性。

　　此外,聚合物的密度小,比同体积的钢材轻得多;有的聚合物透明;有的气密性好;有的具有导电性、半导体性质、磁性、耐低温和耐辐射等。这些优良性质在各有关工业技术领域里已获得广泛应用。

　　聚合物电容器的基础——何为聚合物电容器(二)?

　　在前编中我们已经阐述了电容器的种类和鄙公司聚合物电容器ECAS系列的概要。本回将对各电容器特性的数据进行相互比较。

　　图1是各电容器的特性比较表。传统的有些使用了电解液的铝电解电容器(罐状)或者使用了二氧化锰的钽电解电容器是相对而言比较便宜，但是在频率特性、温度特性、使用寿命和可靠性方面来说要劣于聚合物电容器。

　　鄙公司的多层型聚合物铝电解电容器ECAS系列和其他的高分子型相比，虽然产品阵容相对较少，但是有卓越的频率特性。

　　图1 电容器的特性比较

　　我们将图1所示的6种型号的电容器的特性做一个比较。本回将红框框出部分的特性做一个比较。评价系统统一使用的是6.3V/100uF。(刊登的数据只作为例子之一，请作为参考值使用。)

　　图2是阻抗特性和ESR的频率特性的比较数据。

　　一般来说电容器的ESR和阻抗越低，实际电路中的平滑特性和瞬态响应特性就越好。MLCC的ESR和阻抗都是最低的，其次是多层型聚合物铝电解电容器(ECAS系列)、其他的聚合物电容器，钽电解电容器(二氧化锰型)，铝电解(液状)。

　　MLCC的电解质的钛酸钡和电极是多层的，在等价电路上一层一层的并联连接，因此能够使ESR很低。ECAS也不像MLCC，因为有多层的铝元素，所以能使ESR变低。其他的电容器基本上只有一个电容器元素，因此ESR值都相对较高。

　　图2 阻抗和ESR的频率特性

　　接下来，图3将通过纹波电流来表示电容器的发热特性。温度上升越困难说明电容器的特性越优良。发热的程度相对的也是ESR和电容器的体积引起的，过热的话会对可靠性和使用寿命产生影响。比如说，温度上升10℃的话，比较能有多少电流流出的话，ESR最低的MLCC流出的纹波电流肯定是最多的。接下来是多层型聚合物铝电解电容器(ECAS系列)，其他的聚合物电容器，铝电解(液状)，钽电解电容器(二氧化锰型)。

　　因为一般来说MLCC的发热量很小，因此不太会被作为规范来保证，包括聚合物电容器在内的电解电容器是无法避免这种影响的，因此一般会对每个种类都有规定。

　　图3 根据纹波电流看电容器的发热特性

　　关于MLCC的纹波电流的思索请参考以下链接。

　　接下来，图4所示是静电容量的温度特性。全固体的聚合物电容器，二氧化锰型钽电解电容器即使是温度变化时静电容量也并不会发生太大变化，常规铝电解电容器使用的是电解液，因此在低温下很难出现静电容量。MLCC也会因为使用的电介质的种类不同而导致温度特性有差异，有静电容量的温度依存性。ECAS的温度特性很稳定，因此无须太过担心使用环境，请放心使用。(实际使用时含有自发热的电容器的表面温度请控制在最高使用温度105℃以下。)

　　图4 静电容量的温度特性

　　MLCC的温度特性请参考以下链接。

　　最后，图5所示的是DC偏置特性的比较。包含了聚合物电容器在内的电解电容器会由于施加电压也不会对介电常数产生变化，因此施加电压时容量也不会发生变化。即使施加额定电压静电容量也不会发生变化，这是电解电容器的优势。

　　MLCC使用的电介质也会有所区别，特别是使用高介电常数的电解质时，会因为施加直流电压而容易导致产生构造变形，因此静电容量的DC偏置依赖趋向于变高。但是最近我们开发了一种静电容量不易发生变化的MLCC。

　　图5 各电容器的DC偏置特性

　　MLCC的静电容量会由于施加DC偏置而改变的规律之详细说明请点击以下链接。

　　结语

　　这里介绍的特性比较只是其中一部分，各电容器中都有我们擅长和薄弱的领域，实际设计电路时除了这些特性以外，还必须考虑成本、尺寸等各种各样的因素，选择最适合的电容器。单纯的只是因为空余空间大，只需要静电容量的情况下我们推荐您一般的铝电解电容器。静电容量和ESR都十分重要的情况下推荐您使用聚合物电容器。而对尺寸有限制的情况下，大能量的MLCC是最理想的，即使是您需要的是在电压异常的情况下也很强大的电容器，高耐压、能承受逆电压的MLCC是当仁不让的。

　　ECAS系列的ESR较低，静电容量相对较大并且稳定，特别适合广泛使用在CPU和FPGA等负载变动激烈的电源线的平滑用途和改善瞬态响应特性之中。此外，产品高度与罐状铝电解电容器的高度相比更低，因此适用于对薄型化有要求的电子设备中，并且其静电容量的温度特性很稳定，也适合使用在户外工作的电子设备中。

　　图6是从侧面看的概况图。CPU和DC-DC转换器等能动原件的周围都配置了这样的被动原件。为了电子设备的正常运作，必须要满足基本的目标阻抗。因此，必须要配置各种种类的电容器，将它们组合起来。

　　图6 各电容器的使用例

　　村田制作所除了丰富的MLCC的产品阵容，还追加了覆盖到更低频率范围的聚合物铝电解电容的产品阵容。我们的优势在于可向客户一条龙提供电源线中必须的输入输出用途的电容器，欢迎您在设计电子设备时使用村田的电容器产品。

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