居里温度高于120℃的PTC材料，称为高温PTC材料。一般来说，高温度PTC作为恒温发热和高功率发热元件的较为常见，由于高温PTC材料与低温材料相比，其组成和工艺均有较大的差别，而且前者要长期地在高温（居里温度附近）工作，因此存在着寿命和可靠性不如后者的问题。本文将对这些问题进行探讨，以便能为使用者提供一些有用的参考。

1．    高温PTC材料的特点。

PTC材料是以BaTiO₃为基的半导体陶瓷材料。这种材料的电阻率在某一区域内随温度上升而急剧上升，电阻率突变上升的温度称为居里温度。BaTiO₃居里温度为120℃。当用一部分Pb²⁺来置换Ba²⁺后，成为Ba_（1-X）Pb_X TiO₃材料，其居里温度随着Pb²⁺含量的增加而上升。目前已经实用化的PTC发热材料的最高温度为300℃。

从海旺模型得知，BaTiO₃半导体陶瓷的PTC效应来源于材料介电常数的异常变化。Pb²⁺来置换Ba²⁺后，介电常数的异常变化减少，故PTC效应不如不含Pb的材料大。所谓PTC效应即材料电阻--温度曲线中最大电阻与最小电阻之比。含Pb高温PTC材料的PTC效应随居里温度TC的变化如图1所示。此外，随着含Pb量的提高，控制烧成时PbO气体的挥发是不容易的。烧成时PbO气体的挥发，使PTC材料的结构成分偏离，无法烧成结构均匀一致的陶瓷体。这些原因都会使高温PTC材料不如低温PTC材料寿命长、可靠性高。

2．PTC材料的老化。

PTC材料的老化指的是材料的常温电阻率随时间增加而增加的现象。可用ρ=ρ_O+Alogt来表示，式中ρ表示材料的常温电阻率，ρ_O为初始电阻率，t为时间，A称为老化系数。材料处于不同的环境温度时，老化系数也不同，见图2。当环境温度与居里温度接近时，老化系数最大，也就是说，PTC材料老化得最快。

PTC材料在居里温度以上时，晶体结构为立方顺电相，没有铁电性，材料为高电阻。当温度低于居里温度时，晶体结构变为四方铁电相，具有铁电性。材料的铁电性抵消了部分晶界受主态，故材料在居里温度以下为低电阻。但是，如果材料的铁电性下降，不能有效地抵消晶界主态，则电阻率会上升。PTC材料在经过一段时间后，由于材料内部应力的释放，空间电荷的重新分配等原因，铁电性会下降，电阻则上升。在居里温度附近，上述过程进行得比较快，故老化系数增加。如果材料在居里温度以上及以下反复变动，晶体结构也会在立方相和四方相之间反复变化，上述作用会加剧，材料的老化作用加剧。

要减少PTC材料的老化，均匀一致的材料内部结构，小的内应力是必需的。这需要从各个工序入手，特别是烧成工序。原材料应具有较高的活性，合成反应要充分。另外，烧成时既要防止PbO的挥发，又要使材料具有较多好的PTC效应。烧结后期的降温过程太快对材料的老化性能的提高不利，是因为降温太快会使材料内部存在较多的内应力，应力的释放则影响材料的常温电阻。此外，内应力的存在也会使材料的可靠性下降。

下接《高温PTC的寿命和可靠性2》。

由于文章容量太大，只好删节文章内的图片。

本文发表与1990年全国PTC技术讨论会。

3.    击穿电压。

在PTC元件的两端加上电压，当电压值较低时，随着电压值的增加，电流值也增加，如图3中A段。随后,再增加电压值电流反而下降,如B段,这一阶段就是PTC元件的定功率阶段。电压上升到V_B后,电流复而随电压上升,这时,元件很容易被烧毁,电压V_B称为击穿电压。为了使PTC元件具有较高的可靠性，击穿电压V_B必须是使用电压的两倍以上。V_B值与环境散热条件有关，散热越快，V_B值越高。

要想使PTC元件具有较高的击穿电压，除了要提高PTC效应外，还要使陶瓷体内部具有微晶结构。居里温度越高的PTC材料，PTC效应越小，故击穿电压也越低。但是，当PTC效应相同时，居里温度越高，则击穿电压越高。此外，如果材料内部存在着杂质点，由于电场在杂质点周围局部集中，会使元件在较低的电压下击穿。有时，由于工艺控制不当，元件边缘的PTC效应小于中部或电阻值小于中部，边缘部分的V_B较低，会使边缘部分预先击穿。

4.    电流的影响。

给PTC元件加上电压后，元件内部有电流通过，由于种种原因，元件内部的各部分发热量不均匀，而致使各部分热膨胀不一致，元件在这种膨胀应力发热量不均匀，而致使各部分热膨胀不一致，元件在这种膨胀应力的作用下而开裂。材料内部晶粒电阻与晶界电阻不相等，再加结构的不均匀，或者内部分层及裂纹等都可能导致开裂。另外，由PbO在烧成过程中的挥发，或其他因素而引起材料内部电阻不均匀，也可能导致开裂。

元件表面所镀覆的电极，电阻要足够小，否则，也会因为电流的热效应而烧毁电极甚至使整个元件烧毁。此外，电极的边缘往往容易引起热损毁，需要在制造过程中加以注意。

5.    PTC效应的下降。

PTC元件在真空、还原性气氛使用时，PTC效应会明显下降，击穿电压V_B下降，致使可靠性降低。下降后的样品，可在大气中高温加热，可使其PTC效应得到恢复。PTC效应下降的原因是PTC材料内部晶界中的氧被解吸释放出来，晶界缺氧时，PTC效应下降。当在大气中重新加热时，晶界重新吸附氧，PTC效应得以恢复。

要使PTC元件长期可靠性工作，必须避免在缺氧的环境及还原气氛中使用，如氮气、二氧化碳气体、氨气、水蒸气、有机物气体等。

对于结构松、晶粒粗的PTC材料，气体的扩散过程容易进行，PTC效应在异常气氛中下降得快。因此，要求材料结构致密，晶粒较细。元件的边缘部分是接触异常气氛的前沿，是元件击穿的弱点。

6.    功率的下降。

      当PTC在高功率的场合（如液体加热，空气加热等）使用时，如控制不当，则会引起功率下降。

      PTC电阻的增加是功率下降的原因之一。首先应选用电阻变化比较小的PTC发热元件是防止功率下降的首要条件。选用电阻比较小的PTC，在使用中引起的电阻少量增加，则功率下降不明显。相反，选用比较大的电阻时，PTC电阻的少量增加也会导致功率明显下降。

      防止导热结构在使用中变松，是防止PTC发热件功率下降的又一重要条件。结构变送，会使功率下降。结构材料应选择耐高温的，结构应不容易在高温下或冷热冲击下变松。

上接《高温PTC的寿命和可靠性1》。

下接《高温PTC的寿命和可靠性3》。

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本文发表与1990年全国PTC技术讨论会。

7.    使用者应注意的问题。

高温PTC作发热元件时，绝大部分采用接触方式引出电极。接触方式是否可靠会影响到元件的可靠性。如果引出电极与元件表面电极接触较松，接触电阻大，则接触面容易出现跳火现象。跳火后又使接触面的金属氧化，增加接触电阻。最后PTC元件因电极接触电阻太大而不发热，或因跳火而使元件烧毁。PTC元件表面电极必须用不易氧化、电阻率极小的材料，不然也会出现上述跳火现象。

采用上螺丝拧紧或其他压紧方法的压接方式引出电极，这可减少上述的跳火现象，也使元件的散热加快，对元件的可靠性有利，但是，如果压紧力太大，则元件会在使用中因膨胀力作用而开裂。若PTC不断地通、断电，因热的作用使接触的电极板以及外部结构不断地受膨胀力的冲击，可能会导致结构变松而打火。

在制作高功率组件时，往往使用有机硅导热胶强化散热效果或粘接。这样，PTC元件表面电极与引出电极之间容易形成绝缘接触层的跳火的可能性。要避免以上现象，一是要尽可能减薄有机硅绝缘层，二是将元件表面制成凹凸状的表面。

有机硅导热胶应采用无溶剂的或溶剂少的，否则，有机溶剂对PTC元件有不良影响，往往使PTC效应下降，击穿电压下降。

使用PTC元件加热蒸发各种有机及无机物质。需要注意的是，所要蒸发的物质切勿与PTC元件直接接触，要有可靠的措施防止各种物质扩散进入元件内部。用于加热或煮沸水时，也要防止元件与水接触。

如上所述，使用居里温度较低的PTC元件比居里温度较高的元件可靠性要高。因此，在开发PTC应用产品时，应尽可能采用较低居里温度的元件，特别是选用280℃以上居里温度的元件时，更应慎重些。当产品需要较高的表面温度和较大的功率时，应增加传热效果，以减少PTC表面与产品表面的温度差。这样亦可达到提高产品表面温度及功率的效果。在需要低电阻、高耐压的场合下，也往往选用居里温度较低的PTC元件。

作为恒温加热应用时，PTC元件的老化使产品的表面温度有微微的降低，大多数应用产品可不考虑这一变化。有时，散热结构对产品的影响甚至超过PTC元件的影响。而当PTC元件需要输出较大的功率时，元件老化的影响将变得重要。在长时间工作后，PTC元件的输出功率将下降，下降的幅度从2%-20%。下降率由元件的制造工艺及居里温度的不同而不同。选择电阻值比较小的PTC元件，即使PTC的常温电阻增大一点，也不会导致功率的下降。跟恒温加热应用一样，产品结构的变化也是功率下降的主原因。

PTC元件存在着时间老化（表现为电阻值升高、表面温度下降及功率下降）问题，以及电热击穿效应、电流效应和PTC效应下降等引起的可靠性问题。使用者除了选择质量较优的PTC元件外，也要根据元件的特点，正确地使用。

上接《高温PTC的寿命和可靠性2》。

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本文发表与1990年全国PTC技术讨论会。

文章作者：朱小荣 

五、PTC的应用                                        

１．利用PTC的电阻与温度关系。

  在图３中，Ｂ段曲线所示，PTC的电阻随温度上升而增大。利用这种特性，我们可做成恒温发热体、过热保护器及温度传感器等。

  恒温发热。在常温下，PTC是低电阻。在加上电压后，电流较大，温度上升。但当PTC陶瓷体充分发热后，电阻增大，电流减小，发热功率P= U²/R比散热功率小，故温度下降；温度下降后，又导致电阻减小，电流增大，加大发热功率，温度复而上升；这样的负反馈将使发热体的温度维持恒定。                              

  过热保护器。PTC热敏电阻与负载一起串联在电路中，而且两者距离非常近。因负载电阻的阻抗远比常温时的PTC的阻抗大，PTC上的电压降非常小，PTC基本上不发热。但当意外原因使负载发热，PTC感受到负载的热量而使其自身和温度升高，PTC的电阻将会急剧增大。这样流经PTC的电流将会减小，也就是电路的电流减小，保护了负载不会因电流过大而烧坏。负载可以是电机，变压器以及电路元件等等。    

２．利用PTC的电流与电压特性

  在图４中的Ｂ段，PTC所施加的电压越高，电流越小。利用这一特性可做成过电流保护元件。如果PTC的居里温度和电阻选择适当，即是一种过电流保护电路。PTC串联在电路中，当电路正常工作时，PTC不发热；但当电路的电流异常增大时，PTC发热后温度升高，自身电阻增加而电压降增加，电流则减小，可保护电路不会被大电流烧坏。当电路恢复正常后，PTC的温度下降，电路又可流过正常的电流。这样的过电流保护元件相当于一只永久性保险丝。目前，这种元件已用于电话交换机等设备的保护。                   

  3. 利用PTC的电流与时间特性                                                  

  PTC热敏电阻与消磁线圈串接在电源电路中，可组成彩色电电视机消磁电路。当电路接通的一瞬间，电路的电流达到 30A以上，继而逐渐减小，最后电流稳定在4-6mA。     

这样达到消除彩电显像管上的地磁或其余剩磁的目的。

  PTC元件以及配合继电器、双金属开关、晶体管等可做成各种各样的电流保护、温度保护、延时开关、温度传感等多种电路。

  目前，PTC可以应用的领域有：①录像机、计算机以及其他精密设备的干燥防潮，仓库、家庭、衣物、药材的干燥防潮。②热风室内加热、热风干燥。③电热驱蚊器、开水壶、按摩器、电烙铁、电熨斗、加湿机、卷发器、直发器等器具的加热。④彩电彩显消磁器、冰箱等各种单相马达的启动器、电路延时器、荧火灯延时启动器。⑤电话等通信设施、马达、变压器、计算机等设备仪器的过流、超温保护。⑥各种仪器、设备、家用电器的温度传感和温度补偿。

上接《PTC的制造及应用2》

由于容量限制，文章内的图表已删节。

本文作者:朱小荣

一．PTC元件的特点。

  PTC是正温度系数电阻（Positive Temperature Coefficient）的缩写。最常用的PTC是一类以钛酸钡（Ba TiO3）为基本组成的半导电阻体。这种电阻体在较低温度时，是处于低阻态；但当温度在某一温度（称为居里温度）以上时，其自身电阻急剧上升3~8个数量级（10³~10⁸倍），电阻体具有较大的温度系数。下面，我们就介绍以BaTiO3为基的PTC材料。

二、PTC材料的生产工艺

１．配料

  目前，国内外绝大部分厂家均采用固相合成法工艺。所用的原料有BaCO3, SrCO3, Pb3O4, TiO2, Nb2O5, MnCO3 ,SiO2等粉体，纯度一般应在９９.5％以上。原料的纯度、所含杂质的种类及含量、原料的化学活性等等都对ＰＴＣ最终产品的性能产生非常大的影响。配料的精度也对产品性能产生极大的影响。

２．球磨粉碎、去水

  将称好的几种原料粉、磨球、纯水装入球磨机中球磨粉碎，以及混合均匀。球磨好的原料可以直接放入烘箱内烘干，也可采用过滤、离心分离、真空抽滤等方法去水后再烘干。

３．固相合成

  固相合成也叫预烧，是将混合好的原料放入高温炉中进行反应，形成均匀的固溶体，固溶体的通式可写成(Ba x,Sr y, Pb z)TiO3，其中x+y+z＝１，固相合成的温度根据材料和配比选择为1000~ 1250℃之间，保温时间2~4小时。

４．二次球磨

  固相合成后，物料结成块，并且有一定的晶粒长大，需要进行球磨粉碎，以利烧成。二次球磨的方法与合成前的球磨类似。

５．成形

  PTC材料可制成各种形状，如：圆片、方片、蜂房状等。片状元件用干压法成形，在物料中加入粘合用的PVA溶液，然片用过筛法或喷雾干燥法将物料造粒，再在冲压机上加压成形。蜂房状元件用挤出方法成形。

６．烧成

  将成形后的坯片放入高温炉中，按一定的烧成条件，烧成具有所需PTC特性的半导体陶瓷。烧成曲线和烧成气氛对产品的性能影响很大，在生产中要严格控制好，以便提高产品性能和成品率。                                    

三、PTC材料的内部结构及电极形成。

1. PTC的结构如图１所示，PTC材料是一种多晶体陶瓷，由晶粒、气孔及晶界组成。晶粒的尺寸大概在2~10μm之间,每个晶粒内部都具有电极取向,而且晶粒都是具有较小电阻的施主型半导体。晶界层是一层复杂的结构层，其电阻是晶粒的几倍到几十倍。

2．电极形成                                                        

  图2表示了在PTC陶瓷体上附上电极层的示意图。在工作时，PTC元件的两个电极分别接外电路的两个电极。电极层的制造方法有：化学镀镍、烧渗及各种活性金属层。

  化学镀的方法为：将PTC陶瓷体表面经敏化、活化处理，然后在镀液中浸渍，镀上一层镍层，再经250 ~500℃的高温处理即可。

  烧渗电极的方法为：在PTC陶瓷表面涂覆一层电极浆料，然后在400~800℃温度下烧渗，使金属电极层牢固地附在PTC陶瓷上。电极浆料的组成为金属粉、玻璃粉、有机粘结剂以及有机溶剂。常用的金属粉有铝粉、银粉、镍粉、锌粉等。

下接《PTC的制造及应用2》

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