温度系数热敏电阻器pc的应用及发展趋势

温度系数热敏电阻器pc的应用及发展趋势

自p.w.hayaman等人发现ptc效果已有半个世纪。PTC热敏电阻因其独特的机-电-热物理性能,在国民经济的许多部门,得到了广泛的应用。本文将从其基本特性,原材料,生产工艺等方面进行介绍并进一步分析其发展趋势。PTC是正温度系数热敏电阻器,即它的电阻值随温度的升高而增大。PTC元件在未达到一个特定的温度之前,电阻值随温度的变化非常缓慢。当超过这个特定温度时,PTC元件的阻值就急剧增大,发生阻值剧变的这个温度称为居里温度,它是PTC元件的一个重要技术指标。1ptc有三个特点PTC具有三个主要特性,就是电阻温度特性,电压电流特性以及电流时间特性。1.1居里温度对电阻理论的影响这是PTC的最大特点,即当温度达到居里温度TC时,其阻值随着温度的升高而急剧增大,如图1所示。当温度在TC以下其电阻率一般在102Ω·cm以下,而且变化不大。当温度超过居里温度TC后,其电阻就急剧增大约103~105倍,且呈现强烈的正温度特性,PTC由此而得名。总之,PTC的工作点是随环境温度的变化而变化的。1.2ptc内温度对电流的影响该特性是指在PTC元件上加电压后,当它达到热平衡状态时的电压与电流的关系,也叫静特性,如图2示。当电流从零增加到最大值前的这段时间与一般半导体相似,呈现NTC(负温度特性)特性;当电流达到最大值后,就开始下降,进入PTC区域。PTC元件的工作温度在达到居里温度Tc前,由于其电阻变化不大,因此电流随电压的增大而增大;当温度达到Tc时,电流达到最大值,若电压继续增加,由于PTC温度超过TC后电阻急剧增大,则电流反而减小。以上就是PTC的静特性,即:在PTC元件加上电压后,具有电流最大值和定功率特性。1.3电流急剧下降当PTC通电后,在温度达到居里温度TC前,因PTC阻值很小会出现很大的冲击电流,有时可高达安培以上,因此PTC元件很快发热并进入PTC特性区域,这时其电阻急剧上升,电流急剧下降,一般可降到几十mA以下,并趋于稳定状态。电流从产生到稳定所表达出来的电流与时间之间的关系,就叫电流时间特性,也叫动特性。动特性因所加的电压种类不同,而分为交流和直流两种类型,如图3所示。PTC的动特性是由PTC元件的热容量,放热系数及所加电压决定。当元件的热容及放热系数越小,输入电压越大,则达到稳定的时间就越短。这种动特性是PTC所特有的,即PTC元件对于外加的电压,具有较大的初始电流和迅速衰减部分。2ptc材料的进展2.1长丝酒基导电材料的制备工艺现取得的产业化成果有:2.1.1添加MgO有利于降低含铅瓷粉的烧结温度,从而抑制铅的挥发及改善工艺稳定性。2.1.2双施主掺杂不同的施主加入物,各有其优缺点,因而利用各自优点的双施主掺杂,正日益受到人们的青睐。如Y2O3—Nb2O5、Sb2O3—Nb2O5、Bi2O3—Nb2O5等。2.1.3粗细晶粒配合法将BaTiO3晶粒大小不同的两种瓷粉,按一定比例混合,以获得所需的ρ25(25℃时的电阻率)和Vb。如施主加入物均用Y2O3,在此基础上加入LiCO3,可获得粗晶粒(20—30μm)BaTiO3;加入Bi2O3,可获得细晶粒(1—5μm)BaTiO3。然后,按所需的ρ25及Vb,将上述两种瓷粉按比例混匀即可。2.1.4液相包裹法此法是将烧结助剂、施主加入物、受主添加物以溶液或溶胶形式加入,并使其沉淀在每个粉粒的表面,即包裹在粉粒的表面,故又叫溶胶凝胶包裹法(sol-gelcoating)。其优点为:能降低烧结温度,避免Pb的挥发;烧结助剂常会降低铁电性。采用本工艺则可减少其用量而达到同样的效果,同时对现行工艺变动较少。因加入物以溶液形式加入,故易于分布在晶界区。显然,这是PTC瓷粉制备的一个发展方向。2.2pvo3系ptc材料V2O3系PTC陶瓷是80年代以来发展起来的新型功能材料。与传统的BaTiO3系PTC陶瓷相比,V2O3系PTC陶瓷的突出特点是:其PTC特性来源于其内部温度诱发的金属-绝缘体相变(M-T相变),电阻温度特性不受电压和频率效应的影响,而且常温电阻率很低,耐压性能高,通流能力强。这些性能是常规BaTiO3系PTC材料所难以达到的,因此V2O3系PTC材料非常适合作大电流过流保护元件。由于V2O3系PTC具有以上的特点,国内外不少学者对其进行过研究。其中,周静等人对(V0.9950Cr0.0025Al0.0025)2O3体系分别处于25℃及200℃时的电荷分布、态密度、能级结构等进行了研究,发现温度对电子能级结构的影响导致材料的电导率发生显著变化,这对V2O3系PTC材料的进一步研制奠定了理论基础。2.3聚合物基复合材料的ptc性质高分子PTC材料,自20世纪80年代问世以来,因其ρ25低,PTC效应好,NTC现象可消除,易于制备、加工及价格便宜等优点,而倍受世人的关注,至今仍是PTC材料领域的研究热点之一。高分子PTC,是由绝缘的聚合物与导电的无机填料复合而成。聚合物型PTC材料是一类具有正温度系数的热敏电阻材料,主要由聚合物基体混合炭黑、金属等导电粒子构成,这类材料在一定的转变温度下,电阻率能迅速增加至一极限值,发生(半)导体-绝缘体的相互转变,因此可用于制备自限温加热器、过流保护元件以及其它感温器件等。迄今为止,对于聚合物基体PTC产生PTC现象的微观机制尚不是很清楚,关于聚合物/碳黑复合材料PTC特性的机理提出的理论模型主要有:导电链与热膨胀模型、隧道导电模型、炭粒聚集态结构变化及迁移模型、欧姆导电机理及相变模型等。但各种理论都肯定了导电粒子及聚合物基体对于这类材料的PTC特性具有决定性的影响作用。如王宜等人采用碳黑填充聚烯烃体系制得聚合物基PTC复合材料,发现采用结构性最高的乙炔碳黑填充时,PTC强度最高,而且随着碳黑含量的增大,复合材料的PTC强度不断增大;基体的结晶度越高,所制得的符合材料PTC强度也越高。在无机填料中,金属粉末如镍粉等,对基体老化有催化作用,且自身还会热氧化;而石墨、碳纤维对基体力学性能破坏较大,制得的复合材料均匀性差;氧化物类如TiO2,是形成BaTiO3的主要原料,对烧成机制中的固相反应起着主导作用,卢红霞等通过对平均粒径为0.5~1μm的锐钛矿和平均粒径为1μm的金红石两种TiO2粉体的研究发现,利用金红石制备PTCR有利于其温度系数的提高,郝素娥等采用溶胶-凝胶法制备了掺杂不同量Gd2O3的BaTiO3进行了研究,发现掺杂BaTiO3的电阻率比纯BaTiO3的电阻率明显下降,当添加量为0.002mol时,电阻率最小,可见掺杂的Gd2O3对BaTiO3的介电性能和频率特性影响较大。碳黑因其价格适中,稳定性好,电学性能好等优点而倍受欢迎。目前,对无机填料的改性(对无机填料自身存在一些缺陷的改变),新型填料的开发,仍是大家关心的研究课题。3ptc应用前景PTC的实用性主要取决于PTC材料的研究和生产工艺技术这二个主要方面。从目前看,主要发展方向如下:3.1ptc的相位温度向高温转化居里点温度最早是在120℃左右,后来提高到300℃左右,目前有报道达到490℃左右。3.2ntc和ptc所谓“V型”就是指同一个PTC元件的阻温特性中,当温度小于居里温度Tc时,呈NTC特性;当温度达到和超过Tc时,就呈PTC特性。一个元件起到二种作用。目前,有许多学者试图用数学方法来模拟PTC材料的设计,其中有多目标模式识别优化法和人工神经网络法等。3.3低阻化ptc材料随着电子工业的发展,对热敏电阻的需求不断增加,性能要求也越来越高。如在彩电及监视器的消磁电路和马达启动中,用的PTC元件需要较大的起始电流,这就要