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PTC恒温陶瓷发热元件的制造及应用

(2006-11-17 09:16:55)
分类: PTC技术

PTC恒温陶瓷发热元件的制造及应用

 

朱小荣2006-11-17

东莞市天成热敏电阻有限公司


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。

 
 PTC恒温陶瓷发热元件的制造及应用
 
 

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。

 
 PTC恒温陶瓷发热元件的制造及应用

 

四 、PTC的性能                           

1. R-T特性。
R-T特性即是PTC的电阻与温度的关系。PTC陶瓷体的电阻与其自身的温度有关。在温度低于Tmin时,电阻随温度的上升与下降,呈现负的温度系数。如R-T曲线中的A段。若温度在Tmin与Tmax之间陶瓷体的电阻随温度上升而急剧增大,呈现正的温度系数,如曲线中的B段,具有应用价值的也就是这一段。当温度高于Tmax后,陶瓷体的电阻又随温度上升而下降。

max与Rmin之比值为PTC效应,通常希望PTC效应越大越好。与Rmin的两倍对应的温度被定义为材料的居里温度(或居里点),居里温度高于 120℃时,称为高温PTC材料;反之称为低温PTC材料。R25指的是PTC25℃的常温下的电阻值。另一个代表PTC特性的数值是αT值,即材料的电阻温度系数,其计算公式为

           αT(%/℃)=2.303*(lgR2-lgR1)/(T2-T1)

R25值可根据用途选定为1Ω-100KΩ.PTC效应一般要大于3个数量级(103)。αT值一般要大于10%/

PTC恒温陶瓷发热元件的制造及应用

2.I-V特性。 

  PTC的I-V特性即是PTC陶瓷体的电流与加在其上的电压的关系。                                                        

 在电压较低时,陶瓷体的电流随电压的升高而增大如A段;电压继续升高,电流反而随电压升高而下降,如B段,通常应用的也就是此段;当电压上升到VB后,电流复而随电压上升而增大,这时,PTC易于被击穿烧毁。

  需要指出的是,I-V曲线要受测试时的环境温度和散热条件的影响。当环境温度下降及散热加快时,曲线会上移、右移,如图4虚线所示。

PTC恒温陶瓷发热元件的制造及应用
3.It特性。

 当给 PTC陶瓷加上一个额定电压后,流经陶瓷体的电流将随时间延长而变化。在加上电压后的短时间(0-0.5秒)内,电流达到最大电流Imax,随后,电流逐渐下降,最后降至I∞而稳定下来。

 I—t曲线亦会随环境温度和散热条件的不同而变化。当环境温度下降,以及散热加快时,曲线上移,如图5中虚线所示。    

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。

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