溫度系數熱敏電阻器pc的應用及發展趨勢

自p.w.hayaman等人發現ptc效果已有半個世紀。PTC熱敏電阻因其獨特的機-電-熱物理性能,在國民經濟的許多部門,得到了廣泛的應用。本文將從其基本特性,原材料,生產工藝等方面進行介紹并進一步分析其發展趨勢。PTC是正溫度系數熱敏電阻器,即它的電阻值隨溫度的升高而增大。PTC元件在未達到一個特定的溫度之前,電阻值隨溫度的變化非常緩慢。當超過這個特定溫度時,PTC元件的阻值就急劇增大,發生阻值劇變的這個溫度稱為居里溫度,它是PTC元件的一個重要技術指標。1ptc有三個特點PTC具有三個主要特性,就是電阻溫度特性,電壓電流特性以及電流時間特性。1.1居里溫度對電阻理論的影響這是PTC的最大特點,即當溫度達到居里溫度TC時,其阻值隨著溫度的升高而急劇增大,如圖1所示。當溫度在TC以下其電阻率一般在102Ω·cm以下,而且變化不大。當溫度超過居里溫度TC后,其電阻就急劇增大約103~105倍,且呈現強烈的正溫度特性,PTC由此而得名。總之,PTC的工作點是隨環境溫度的變化而變化的。1.2ptc內溫度對電流的影響該特性是指在PTC元件上加電壓后,當它達到熱平衡狀態時的電壓與電流的關系,也叫靜特性,如圖2示。當電流從零增加到最大值前的這段時間與一般半導體相似,呈現NTC(負溫度特性)特性;當電流達到最大值后,就開始下降,進入PTC區域。PTC元件的工作溫度在達到居里溫度Tc前,由于其電阻變化不大,因此電流隨電壓的增大而增大;當溫度達到Tc時,電流達到最大值,若電壓繼續增加,由于PTC溫度超過TC后電阻急劇增大,則電流反而減小。以上就是PTC的靜特性,即:在PTC元件加上電壓后,具有電流最大值和定功率特性。1.3電流急劇下降當PTC通電后,在溫度達到居里溫度TC前,因PTC阻值很小會出現很大的沖擊電流,有時可高達安培以上,因此PTC元件很快發熱并進入PTC特性區域,這時其電阻急劇上升,電流急劇下降,一般可降到幾十mA以下,并趨于穩定狀態。電流從產生到穩定所表達出來的電流與時間之間的關系,就叫電流時間特性,也叫動特性。動特性因所加的電壓種類不同,而分為交流和直流兩種類型,如圖3所示。PTC的動特性是由PTC元件的熱容量,放熱系數及所加電壓決定。當元件的熱容及放熱系數越小,輸入電壓越大,則達到穩定的時間就越短。這種動特性是PTC所特有的,即PTC元件對于外加的電壓,具有較大的初始電流和迅速衰減部分。2ptc材料的進展2.1長絲酒基導電材料的制備工藝現取得的產業化成果有:2.1.1添加MgO有利于降低含鉛瓷粉的燒結溫度,從而抑制鉛的揮發及改善工藝穩定性。2.1.2雙施主摻雜不同的施主加入物,各有其優缺點,因而利用各自優點的雙施主摻雜,正日益受到人們的青睞。如Y2O3—Nb2O5、Sb2O3—Nb2O5、Bi2O3—Nb2O5等。2.1.3粗細晶粒配合法將BaTiO3晶粒大小不同的兩種瓷粉,按一定比例混合,以獲得所需的ρ25(25℃時的電阻率)和Vb。如施主加入物均用Y2O3,在此基礎上加入LiCO3,可獲得粗晶粒(20—30μm)BaTiO3;加入Bi2O3,可獲得細晶粒(1—5μm)BaTiO3。然后,按所需的ρ25及Vb,將上述兩種瓷粉按比例混勻即可。2.1.4液相包裹法此法是將燒結助劑、施主加入物、受主添加物以溶液或溶膠形式加入,并使其沉淀在每個粉粒的表面,即包裹在粉粒的表面,故又叫溶膠凝膠包裹法(sol-gelcoating)。其優點為:能降低燒結溫度,避免Pb的揮發;燒結助劑常會降低鐵電性。采用本工藝則可減少其用量而達到同樣的效果,同時對現行工藝變動較少。因加入物以溶液形式加入,故易于分布在晶界區。顯然,這是PTC瓷粉制備的一個發展方向。2.2pvo3系ptc材料V2O3系PTC陶瓷是80年代以來發展起來的新型功能材料。與傳統的BaTiO3系PTC陶瓷相比,V2O3系PTC陶瓷的突出特點是:其PTC特性來源于其內部溫度誘發的金屬-絕緣體相變(M-T相變),電阻溫度特性不受電壓和頻率效應的影響,而且常溫電阻率很低,耐壓性能高,通流能力強。這些性能是常規BaTiO3系PTC材料所難以達到的,因此V2O3系PTC材料非常適合作大電流過流保護元件。由于V2O3系PTC具有以上的特點,國內外不少學者對其進行過研究。其中,周靜等人對(V0.9950Cr0.0025Al0.0025)2O3體系分別處于25℃及200℃時的電荷分布、態密度、能級結構等進行了研究,發現溫度對電子能級結構的影響導致材料的電導率發生顯著變化,這對V2O3系PTC材料的進一步研制奠定了理論基礎。2.3聚合物基復合材料的ptc性質高分子PTC材料,自20世紀80年代問世以來,因其ρ25低,PTC效應好,NTC現象可消除,易于制備、加工及價格便宜等優點,而倍受世人的關注,至今仍是PTC材料領域的研究熱點之一。高分子PTC,是由絕緣的聚合物與導電的無機填料復合而成。聚合物型PTC材料是一類具有正溫度系數的熱敏電阻材料,主要由聚合物基體混合炭黑、金屬等導電粒子構成,這類材料在一定的轉變溫度下,電阻率能迅速增加至一極限值,發生(半)導體-絕緣體的相互轉變,因此可用于制備自限溫加熱器、過流保護元件以及其它感溫器件等。迄今為止,對于聚合物基體PTC產生PTC現象的微觀機制尚不是很清楚,關于聚合物/碳黑復合材料PTC特性的機理提出的理論模型主要有:導電鏈與熱膨脹模型、隧道導電模型、炭粒聚集態結構變化及遷移模型、歐姆導電機理及相變模型等。但各種理論都肯定了導電粒子及聚合物基體對于這類材料的PTC特性具有決定性的影響作用。如王宜等人采用碳黑填充聚烯烴體系制得聚合物基PTC復合材料,發現采用結構性最高的乙炔碳黑填充時,PTC強度最高,而且隨著碳黑含量的增大,復合材料的PTC強度不斷增大;基體的結晶度越高,所制得的符合材料PTC強度也越高。在無機填料中,金屬粉末如鎳粉等,對基體老化有催化作用,且自身還會熱氧化;而石墨、碳纖維對基體力學性能破壞較大,制得的復合材料均勻性差;氧化物類如TiO2,是形成BaTiO3的主要原料,對燒成機制中的固相反應起著主導作用,盧紅霞等通過對平均粒徑為0.5~1μm的銳鈦礦和平均粒徑為1μm的金紅石兩種TiO2粉體的研究發現,利用金紅石制備PTCR有利于其溫度系數的提高,郝素娥等采用溶膠-凝膠法制備了摻雜不同量Gd2O3的BaTiO3進行了研究,發現摻雜BaTiO3的電阻率比純BaTiO3的電阻率明顯下降,當添加量為0.002mol時,電阻率最小,可見摻雜的Gd2O3對BaTiO3的介電性能和頻率特性影響較大。碳黑因其價格適中,穩定性好,電學性能好等優點而倍受歡迎。目前,對無機填料的改性(對無機填料自身存在一些缺陷的改變),新型填料的開發,仍是大家關心的研究課題。3ptc應用前景PTC的實用性主要取決于PTC材料的研究和生產工藝技術這二個主要方面。從目前看,主要發展方向如下:3.1ptc的相位溫度向高溫轉化居里點溫度最早是在120℃左右,后來提高到300℃左右,目前有報道達到490℃左右。3.2ntc和ptc所謂“V型”就是指同一個PTC元件的阻溫特性中,當溫度小于居里溫度Tc時,呈NTC特性;當溫度達到和超過Tc時,就呈PTC特性。一個元件起到二種作用。目前,有許多學者試圖用數學方法來模擬PTC材料的設計,其中有多目標模式識別優化法和人工神經網絡法等。3.3低阻化ptc材料隨著電子工業的發展,對熱敏電阻的需求不斷增加,性能要求也越來越高。如在彩電及監視器的消磁電路和馬達啟動中,用的PTC元件需要較大的起始電流,這就要