PTC介绍

PTC介绍龚卫强2011年6月09日1.PTC概述2.陶瓷PTC元件的制备工艺3.陶瓷PTC的主要性能参数4.陶瓷PTC材料应用5.PTC陶瓷发热体相关的标准要求6.其他§1PTC概述1．1PTC发展历史正温度系数(Positivetemperaturecoefficient简称PTC)现象是1950年荷兰菲利普公司的海曼（Haayman）首先发现的。在钛酸钡（BaTiO3）中掺入少量的稀土原料，使原来为介电性的材料变成为半导体陶瓷，这种半导体的电阻随温度的变化呈正温度系数的关系。此后，高分子PTC材料在20世纪80年代问世以来，由于其室温电阻低，易于加工及价格便宜，得到了广泛的应用。2000年，PTC全球的产销量8亿只左右，中国1.5亿只左右。迄今为止BaTiO3系列PTC热敏电阻在PTC热敏电阻中，仍居于支配地位。1．2陶瓷PTC效应的理论基础陶瓷PTC效应是在晶界处形成，单晶BaTiO3是没有PTC效应的；电阻在Tc前后有突变，材料就必须为铁电相变材料；同时材料应可以形成半导体。因此，PTC陶瓷需要满足三种现象：①可形成半导体；②有铁电相变；③能形成界面受主态。BaTiO3是典型的钙钛矿结构，BaTiO3陶瓷具有三个相变点，四种晶型，第一相变点（即居里点，Tc）在120℃，高于120℃为立方晶系，低于120℃依次为正交晶系、四方晶系和三角晶系。为了使BaTiO3系列陶瓷的居里温度移动，通常加入移峰剂，如Pb和Sr的氧化物，改变的范围在-250℃→490℃之间，变化效率±3.7℃/%mol；陶瓷PTC的半导化是施主半导化，通常需要掺杂一些施主杂质如：Bi，La，Y，Nb，Sb的氧化物，双施主掺杂可以获得性能良好的PTC效应；为了易于在固相烧结时形成液相易于烧结，通常添加烧结助剂有：Al2O3、SiO2、、TiO2，俗称AST相。添加Mn和Cu的氧化物作为受主态，主要存在BaTiO3陶瓷的晶界处，可以明显提高PTC性能。1.3不同规格的PTC元件§2陶瓷PTC元件的制备工艺称量球磨干燥二次球磨称量预烧合成成型干燥造粒烧结上电极检测2.1陶瓷PTC元件的工艺流程2．2陶瓷PTC的制备工艺球磨是陶瓷制备的常用工艺，球磨内衬可用刚玉瓷、低硫高密度橡胶、尼龙或聚氨酯，球磨用球通常用玛瑙球或氧化锆球，料：球：水=1：2：1，球磨时间通常为24小时，如果加入分散剂，可以减少球磨时间。BaTiO3系列陶瓷通常采用固相烧结，BaTiO3需要合成，待合成料（通常为碳酸钡、氧化铅、氧化铌的混合物）装在坩埚里，升温速度通常在250℃/小时，合成温度在1050℃左右，并根据不同的材料组成需要进行调节。升温速度过快会形成黑心和硬块，温度过低，合成不完全，游离的氧化铅和氧化钛在烧结时将影响PTC的性能。陶瓷粉料必须经过造粒后使粉末成为具有良好流动性的粒子才可以进行压制成型。造粒通常采用压块过筛造粒和喷雾造粒两种方法。压块过筛造粒是将烘干的物料加入8%PVA（聚乙烯醇）溶液，搅拌均匀，进行压块，使PVA在压力的作用下扩散到粉体各处，然后过筛。喷雾造粒是用高压空气将料浆喷入干燥塔内形成雾滴，热空气从塔上方向下吹，雾滴干燥后形成球形粒子。喷雾造粒时为制备适用于造粒的料浆，通常在料浆中加入PVA、甘油、鲱鱼油、聚乙二醇、甘二醇、正辛醇等分散剂、增塑剂和消泡剂。造粒后的粉料通常用于干压成型，因此，粉料应该具有高体积密度，流动性好，粒子为球状，在压力下易变形，不应含过粗、细粉料。陶瓷PTC的工业生产常采用干压成型制备生坯，在压制的过程中希望生坯的内部致密，分布均匀，否则会造成局部晶粒异常生长。干压成型包括三个步骤：填充模具、压实、脱模。压力大小500~1000kg/cm2，由于在压制的过程中，内部的压力传递，形成不同的密度梯度和脱模时的反弹，会导致生坯的开裂和分层，因此在压制过程中，需要有保压的过程，有时还需要添加润滑剂。2．3陶瓷PTC的烧结机理烧结工艺使生坯成瓷，并获得优良的PTC性能，因此需要确定最佳的烧结温度，升温、降温的速度，不同居里点的烧结温度都不同，而且陶瓷PTC对烧结的温度特别敏感，因此需要经常进行调节，通常的烧结温度在1250~1350℃，升温和降温速度100~350℃/小时。2．4陶瓷PTC的电极用陶瓷制作电子元件必须有电极，电极用于消除接触电阻，对于陶瓷PTC，要使陶瓷和金属电极之间形成欧姆接触，通常使用的电极有In-Ga电极、镀Ni电极、银浆电极和铝电极。非欧姆接触电极的PTC陶瓷有整流特性。PTC陶瓷元件的耐电压性能和耐久性（老化）在很大程度上取决于电极。§3陶瓷PTC的主要性能参数•电阻温度特性是PTC的基本特性，R-T曲线是在零功率的条件下测试的，由于电阻R数值较大，有时采用lgR-T曲线。下面是具体参数的说明：•R25：室温25℃时PTC的电阻；RC：居里点温度PTC的电阻•Rmin：不同温度下PTC的最小电阻；Rmax：不同温度下PTC的最大电阻。•RP：平衡点电阻。PTC通常工作在RP~RC•Φ=lg△R=lg（Rmax/Rmin），升阻比。通常要求≥3•α=（lgRP-lgRC）/△T*100%，电阻温度系数，ρ-T曲线中PTC区间的斜率。单位：%/℃。通常要求≥16%。•TC：居里点，电阻为2Rmin时的温度，又称转换温度。3．1电阻-温度特性α:电阻温度系数（斜率）β：=lg(ρmax/ρmin)升阻比均方根电流（rms有效电流）与峰值电流(pk)3.2电流时间特性I-tImax：动作电流或冲击电流，根据这一特性，可以将PTC用于各种不同的电流过流保护元件。3.3伏安特性曲线U-I启动电流破坏电压稳定工作区（双曲线）电压-电流特性简称伏安特性。(PTC的伏安特性不符合欧姆定律?)Imax：启动电流，根据这一特性，可以将不同室温电阻的PTC用于各种不同的工作电压条件下。Vmax：最大工作电压，VR：击穿电压。伏安特性曲线上有三个区间：线性上升区-双曲线区-NTC区，不同的室温电阻和居里点的PTC具有不同的伏安特性曲线，因此可以从动作电流对应的不同电压选择各种电压下需要的室温电阻值。在伏安特性曲线上的双曲线区，电压*电流≈定值，即功率随电压的的增大变化很小。伏安特性曲线随环境温度的上升而下移。3．4陶瓷PTC的其他特性①电压效应：是指晶界势垒在外加电压下产生的倾斜所致，宏观上表现为电阻率随电压的增大而下降。电压效应在居里点以上比居里点以下明显得多，并在一定的温度范围随温度的升高而增大。②耗散系数：PTC中功率耗散的变化量与相应的PTC温度变化量的比值。单位：W/℃。耗散系数是表征PTC与周围环境进行热交换的能力参数，PTC的功率变化量ΔP与PTC的温度变化量ΔT成正比，比值就是耗散系数δ=ΔPΔ/T=P/（TP-25）。耗散系数与PTC的结构、环境均相关。为提高功率，可以提高PTC的耗散系数和居里点。③热时间常数：零功率条件下，当环境温度变化时，PTC的温度变化了环境温差的63.2%所需要的时间，用τ表示。τ=C/δ。④热容量C：使PTC的温度每增高1℃所需要的热量。单位：J/℃。⑤PTC陶瓷在各种气氛下的性能变化：在真空或还原气氛下加温PTC陶瓷，将使PTC的性能退化，重氧化处理，又可以使PTC性能恢复。在各种气氛中，CO气体引起的PTC性能退化最强烈，乙醇次之。§4陶瓷PTC材料应用项目特性电阻-温度特性电压-电流特性电流-时间特性基本性质R-T曲线U-I曲线I-t曲线特征电阻-温度的变化温度、电阻变化电阻、温度的变化用途温度补偿、温度传感定温发热、限流、过流保护、定电压、定电流，热耗测试马达启动、自动消磁、延迟元件、接点保护过热保护传感器★液面指示器★流速测试仪★暖风机、干衣机★电辅助加热器★定温发热器件★电视消磁★压缩机马达启动★电机启动★过电流保护★延迟元件★4.1陶瓷PTC发热体应用原理在PTC两端施加电压，，PTC升温进入电阻突变区，然后，PTC温度保持在一定值，这一温度取决于居里温度和电压，而基本与环境温度无关。PTC作为发热体的作用原理可以按如下的公式说明：P=UI=U2/R=δ（T-T0），T0为环境温度，δ为耗散系数。当U、T0、δ一定时，如果PTC的温度T升高，则电阻R增大，使功率P下降，导致温度T下降。反之，如果温度T降低，电阻R下降，使功率升高，导致温度上升。因此，PTC的温度一旦达到平衡，就可以稳定在一个定值，达到定温发热的效果。不仅可以自动恒温，还可以节约能源。在存在空气流动的情况下，耗散系数：δ=δ0（1+hv1/2）v为风速，δ0为风速为零时的耗散系数，H为形状参数，通常散热面积越大，H值越大。4．2陶瓷PTC发热体特点⑴可靠性、安全性高。当风速为零时，发热体的温度将上升，由于PTC具有的自限温的作用，所以温升在20-30℃，而在使用镍铬丝作为发热体温升可达到700-800℃，容易引起火灾；⑵发热量容易调节，PTC的发热功率可以通过调整耗散系数来调节。对于耗散系数的调节，可以改变产品的外观结构、风速、风量等来调节。⑶对电源的稳定性要求不高，用镍铬丝作为发热体时，发热功率与电压的平方成正比(P=U2/R)，当电源电压变化时对发热功率影响很大。而PTC具有的伏安特性曲线上的双曲线的特点，可以使电源电压波动时功率基本稳定。⑷发热量可以随环境温度的变化自动调节。当环境温度升高时，PTC的发热功率将降低，反之则升高，这样不仅可以节约能源，而且可以使出风温度保持稳定。⑸响应时间快。空调用PTC电辅助发热体PTCPTCPTC4．4波纹式陶瓷PTC发热体的特性和应用波纹式陶瓷PTC发热体（器件）主要由PTC发热元件、胶粘剂和散热条组成，由于发热功率是PTC发热体的主要要求指标。下面介绍这三种物料的特性以及与功率之间的关系。通常采用的PTC陶瓷元件是24*15*2.5mm3的方片有时也采用厚度为2.1mm和3.0mm的PTC元件，陶瓷表面加有铝电极，表面的粗糙电极利于粘接。PTC陶瓷元件的居里点是影响功率的主要因素，居里点越高，功率越高，PTC元件厚度越薄，功率越高，PTC元件室温电阻越小，功率越大。实际上PTC元件的居里点、厚度和室温电阻都会影响PTC元件的表面温度，表面温度的高低影响了发热体的功率高低。同理，由于不同的电阻温度系数将会影响表面温度，因此也将影响PTC器件的功率。由于耐温的要求，胶粘剂通常采用绝缘硅胶，目前耐温较高的硅胶国内尚无法生产，国外也没有耐温大于280度以上的硅胶，硅胶的热导率将会影响PTC器件的功率。MD-50波纹密度-风速-功率4006008001000120014001600180020001m/s1.5m/s2m/s2.5m/s3m/s3.5m/s4m/s2.0mm2.5mm3.0mm3.5mm热泵型冷暖空调在制热时需一个电磁四通换向阀，完成制冷、制热循环的切换，在外界温度较低情况下使用时（2~3℃），冷凝器容易结霜，不能从外界空气中吸收足够热量来使制冷剂气化，使热泵制热效果下降。热泵型冷暖空调使用PTC电辅助加热器的原因加热器使用注意事项：1.空调用PTC加热器的功率测试，是在空调整机额定风速下（参考值为4.5m/s）无外界气流和其它热源辐射影响及远离阻挡物1m以上、环境温度为25℃±1℃的条件下进行；2.PTC加热器在工作时有热膨胀现象，故在结构设计时应考虑其与周围留有一定间隙（2mm以上）；3.若选用表面带电型加热器，在设计时还应考虑防触电措施及蒸发器结霜时的安全间距，确保没有人体、金属物和霜层触及的可能。选用表面绝缘型加热器则较为安全；4.选用加热器时，使用时还应必须在回路中串接热保护器、熔断器进行保护；5.加热器应避免在有粉尘、溶剂、油污、盐份的气体和蒸汽流等环境下使用，以免造成早期失效。PTC功率通常随环境温度的升高而降低，降低的比例经验值在0.5%P/℃，但是，在某些特定的情况下，功率与环境温度的关系不是如此。特别是在PTC器件如果在常温下工作时没有冲击电流时，如果降低环境温度，PTC器件的功率将不会上升，基本保持恒定，有时会出现功