PTC陶瓷材料的发展及应用.pdf

38电工材料2005 No.3PTC陶瓷材料的发展及应用周秀娟,刘心宇(桂林电子工业学院,广西桂林541004)摘要:介绍了PTC陶瓷材料的发展及应用现状,展望了PTC材料的发展前景,指出了我国在研究和生产PTC材料中存在的一些问题,阐明了加速该材料开发的几点建议。关键词:PTC;陶瓷;应用中图分类号:TM20文献标识码:A文章编号:1671-8887(2005)03-0038-04Development and Application of PTC Ceramic MaterialsZHOUXiu-juan,L IUXin-yu(Guilin UniversityofElecronic Technology,Guilin 541004,China)Abstract:Development and application ofPTC ceramic materials was introduced,and itsprospectwasproposed.Theproblems in reseach andproduction f orPTC materials wasindicated,and some suggestion were alsogiven in thispaper.Key words:PTC;ceramics;application作者简介:周秀娟(1963-),女,实验师,主要从事电子功能材料的研究开发。电话:0773-5601244收稿日期:2005-07-211引言PTC陶瓷是一种铁电半导体材料,是近年来发展迅速的新型电子材料之一。由于PTC陶瓷具有温敏、直控、节能、无明火和安全等优点,以及其特有的热敏、限流、延时等自动“开关”功能,已广泛应用于电子通讯、航空航天、汽车工业、家用电器等各个领域。本文介绍了PTC陶瓷材料的发展及应用现状,展望了PTC材料的发展前景。2PTC陶瓷材料的发展概述20世纪50年代,人们首次发现了PTC效应。60年代初,由日本村田制作所最先开始投入生产的PTC陶瓷材料,被用作为温补元件、水位检测、马达过热保护、彩电消磁元件、恒温发热体元件等。70年代,PTC陶瓷材料的制造工艺和应用得到了较大发展,研制成了蜂窝状、口琴式发热体,单位面积的发热功率大幅度提高。如,一块40mm2的PTC片的功率由最初几瓦提高到了几百瓦。进入80年代,又发展了多孔PTC陶瓷材料,研制成居里点超过400 的高温PTC陶瓷材料,开辟了在石油液化加热器、石油预热器等方面的新用途1。半个世纪以来,对PTC陶瓷材料的研究取得了重大突破,PTC陶瓷材料的理论日趋成熟,应用范围不断扩大。其中,以掺杂BaTiO3为主晶相的PTC陶瓷是最常用的PTC陶瓷材料。目前,国外该材料的应用范围从家电产品进一步扩大到整容、医疗类电子产品、汽车及办公室自动化设备中。产品结构从传统圆片元件发展到适于表面组装的片式元件、多层结构的PTC陶瓷材料等。我国对PTC陶瓷材料的研究开始于20世纪60年代初,最早的PTC陶瓷材料被应用于电子线路中用作为温补元件。80年代以来,随着彩电工业和家电工业的迅速发展,我国高等院校、科研机构形成了对PTC陶瓷材料的研究热潮,并且PTC陶瓷材料的生产得到较大的发展。现在PTC陶瓷材料已广泛应用于电子通讯、汽车工业、家用电器等各个领域24。最近几年,PTC陶瓷材料又取得长足的进展,其表现为一方面继续深入对PTC效应机理的研究,提出了解释PTC效应的新机理;另一方面通过对微粉工程和微观结构的研究,促进新材料、新器件和新结构的开发和应用。其中,在材料方面已开发出PbTiO3-TiO2系高温PTC陶瓷材料、具有PTC-N TC特性的V型PTC陶瓷材料、室温电阻率低于5 cm的低阻PTC陶瓷材料以及金属PTC陶瓷复合材料等57;新产品方面已研制成片PTC陶瓷材料的发展及应用电工材料2005 No.339式PTCR复合元件、多层结构(独石)PTCR、高可靠性PTCR等;在新结构方面已开发出翅片发热体结构,使发热效率得到明显改善,在家电产品上得到广泛应用。3PTC陶瓷材料的应用由于PTC陶瓷材料具有较大的正电阻温度系数和开关电阻温度特性,检测电路可简化,加之,居里温度在很宽的范围内(室温400)可任意调节,因此,能够开拓N TC陶瓷材料和其它热敏电阻材料所没有的许多新用途8。PTC陶瓷材料按其电阻 温度特性、电压 电流特性和电流 时间特性可用作不同的用途。3.1电阻 温度特性一般的半导体材料,随温度升高其电阻降低,呈负电阻温度系数特性(N TC特性)。而PTC陶瓷材料在温度达到一定值(居里点)后,在一定的温度范围内,随温度升高其电阻值急剧增加,呈现强烈的正电阻温度系数特征,温度系数可达(1560)%/以上。利用正电阻温度系数,可以补偿晶体管电路中的负温度系数特性热敏电阻器,使阻值可选择很高,因而可减少输入阻抗的变化,避免功率晶体管输入电路的损耗,在宽温度范围内可发挥温度补偿作用。由于PTC陶瓷材料具有强烈的正电阻温度特性,在电动机线圈过热保护、电流控制、温度报警和恒温发热等领域得到广泛应用。3.2电压 电流特性当PTC陶瓷元件接通电源后,电流将随电压的升高而迅速增加。达到居里温度时,电流达到最大值,这时PTC陶瓷元件进入PTC区域。电压再继续升高,由于PTC陶瓷材料元件的电阻急剧增大,电流反而减小。在此区域的电压、电流乘积保持一定,显示出恒定功率特性。因为恒定功率特性的电压范围宽,即使电压变化,在元件上仍保持一定的温度。PTC陶瓷材料的电压 电流特性可用于过电流保护和定温发热等场合,元件的功率可根据室温电阻值、开关温度、元件形状和尺寸、散热片间的热阻及散热片的结构进行任意调整,适用于各种家电产品。3.3电流 时间特性在PTC陶瓷元件两端施加某一电压的瞬间,由于其初始阻值小,电流迅速增大。然后,随着时间的推移,元件自身发热,进入正温度系数特性区域,电阻阻值急剧增加,电流大幅度下降,最后达到稳定状态。根据这一特性,PTC陶瓷材料可应用于电动机的启动、继电器接点保护、延迟开关及彩色电视机的自动消磁等。除此以外,PTC陶瓷材料的应用还在不断地扩大,近年来报导的新应用包括7:PTC随动开关、直升飞机冰冻探测PTC传感器、火箭、人造卫星的PTC温补元件以及汽车产品的各种应用等。其中,如西门子公司推出的PTC随动开关,利用PTC陶瓷元件控制双金属片工作,用于浴室中控制排风扇的运转,一旦人离开浴室,几分钟后可自动关机。又如英国普莱赛公司开发的PTC冰冻传感器,安置在飞机入口处,检测结成冰块的状况,迅速报警。它是采用多片环状PTC圆片叠合制成,通过圆环表面银浆电极和PTC片间铜环电极,连接在控制电路中。国内PTC陶瓷材料的应用,除用作电路的温补元件和彩电的消磁元件外,近年来,作为自控温发热体,在家电产品上得到大量推广。据不完全统计,在家电产品中已开发的产品有暖风机、驱蚊器、暖手器、干手器、电热盘、电热咖啡器、电烙铁、电熨斗、电饭锅、电热杯、卷发器、门铃、熔胶喷枪、烘衣机、冰箱启动器、空调器、电扇微风微动器、热风屏机等。另外,我国研制的汽车用PTC过电流保护器,能有效地防止PTC材料在高温下因电阻率突然下降而引起的热击穿和失效,提高了材料的耐电压强度,如同给汽车电路加了一个“保险”,将大大改善国产汽车的整体性能9。4PTC陶瓷材料应用前景展望4.1市场展望PTC陶瓷材料今后的市场规模,一方面随着消费类产品的发展与产量的增长,将继续得到同步的增长;另一方面,随着PTC陶瓷材料在投资类和其它各个领域(包括军用、宇航用电子产品)内的推广应用,也将促进其市场规模进一步增长。据专家分析,今后几年内,国内PTC陶瓷产品需求量将以每年27%的速度增长,其中,应用于汽车、通讯、大家电等领域的高档产品市场潜力尤为巨大,特别是在汽车工业上的应用,将会成为今后较大的潜在市场。PTC陶瓷材料的发展及应用40电工材料2005 No.34.2技术展望PTC陶瓷材料的实用性主要取决于PTC材料的研究和生产工艺技术两方面。从目前看,主要发展方向:(1)PTC的居里温度向高温方向发展7,1012 高温PTC陶瓷是PTC陶瓷材料的一个重要部分,目前国内外已实用化的高温PTC陶瓷材料的居里温度约为300C,而实际应用中许多方面则需要更高居里温度的PTC陶瓷材料。据文献报道,目前国内外对高居里温度PTC陶瓷材料的研究主要有3个系列:(Ba,Pb)TiO3系,采用Pb固溶于BaTiO3中以提高材料的居里温度,其居里温度达416C,电阻突跳约4个数量级;PbTiO3-TiO2系,其居里温度约490C,电阻突跳为3个数量级;BaPbO3系,尽管其居里温度相当高,但电阻变化率很低。上述3个系列中对(Ba,Pb)TiO3系PTC陶瓷材料的研究较为广泛和深入。(2)开发V型PTC陶瓷材料1320 所谓“V型”是指同一个PTC元件的电阻 温度特性。当温度底于居里温度时,呈N TC特性;当温度达到和超过居里温度时,呈PTC特性,即一个元件起到二种作用。这种多功能特性在应用上能够弥补传统PTC陶瓷材料的某些不足,因而它的研究受到了人们的重视。目前研制开发的V型PTC陶瓷材料主要是(Sr,Pb)TiO3系V形PTC陶瓷材料。还有许多学者试图用数学方法来模拟PTC陶瓷材料的设计,其中有多目标模式识别优化法和人工神经网络法等。(3)PTC陶瓷材料的电阻向低阻方向发展21 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陶瓷材料元件需要较大的起始电流,这就要求PTC陶瓷材料有足够低的常温电阻,因此,低阻化成为近年PTC陶瓷材料研究的主攻方向之一。从PTC陶瓷材料今后的市场需要和日益扩大的应用领域来看,对其性能的要求会愈来愈高。如:要求低阻、电阻温度系数大、升阻比大、耐压高、承受大电流和冲击电流能力强、长期使用稳定性好、精度高、寿命长、可靠性高、电阻温度特性的线性好等。5国内PTC陶瓷材料产品的差距及存在的问题22目前,国内PTC陶瓷材料的生产及应用正处于发展阶段,其生产能力和产品质量均有待提高。国内相当一部分厂家,仅限于生产PTC发热体为主,产品档次较低,且部分产品的质量尚未完全过关,与国外相比,还存在着很大差距,主要表现在:(1)产品品种规格少,种类不齐全,未形成系列化;(2)生产手段落后,不少厂家仍处于手工作业,自动化生产程度低,不能形成规模生产,产品一致性和成品率低,质量不稳定,价格高,缺乏市场竞争力;(3)原材料质量未过关,对生产厂家的质量与产品重复性均有较大的影响,国内尚未建立专业化的PTC原料供应厂;(4)测试手段不健全,对材料与产品性能测试不完善,在研制生产中遇到质量问题,缺乏科学分析手段,出现的问题不能及时得到解决;(5)推广应用不够,产品档次低,应用面窄,高档次产品未能过关。6对我国PTC陶瓷材料开发的意见(1)提高认识,建立开发基地每一位科技开发及管理工作者,都应从科技进步的长远战略高度充分认识PTC陶瓷材料及其应用开发的重要意义。重视其发展规划和具体实施,转换经营机制,制定适合高新技术发展的政策、策略,建立从基础研究到最终产品加工生产的一体化开发机制,并将该项高新技术开发项目建成一个集科研、开发及市场营销于一体的科工贸实体,使PTC陶瓷材料得到快速发展,并尽早成为拳头产品,走向市场,创造效益。(2)扩大品种,开拓市场PTC陶瓷材料是一项研究开发及推广应用价值极高的高新技术产品。以PTC材料研究开发为龙头,研究不同规格型号元件,降低成本,提高产品性能,开拓新的市场,使新技术及时转化为生产力。(3)制定标准,规范技术目前,PTC陶瓷材料还没有一个统一的尺度,各研究机构都是参考一些相近的国际标准或制定企业标准进行产品开发。产品质量的好环、性能的优劣急需一个统一的国家标准和仲裁机构进行评价,因此,有必要迅速制定这方面的专业标准,将优质的产品推向市场。PTC陶瓷材料作为一种新兴的材料正逐渐被PTC陶瓷材料的发展及应用电工材料2005 No.341PTC陶瓷材料的发展及应用(上接第33页)图2与主阀控制系统相关连锁电路的原理图通过对主阀控制系统及相关的PLC控制程序进行分析,找到了与主阀控制系统相关连锁电路,其电路原理图见图2。将控制主阀开关的PLC的信号输入模块单元E0.2甩掉(图2中“”为断开标记),即主阀控制系统开/关信号不再由PLC的E0.2单元来提供。改造的线路实现主阀与机械泵、放气阀、充氩气阀的联锁,靠继电器JD实现控制主阀的继电器来接通。图2中双点画线所示是改造完成的控制线路,该控制线路实现了图1所示的逻辑程序。这种改进不会对其他控制系统产生任何影响。按上述方法对设备改进后,该设备运行近3年,一切正常。该改进措施对设备保护及操作人员的操作安全带来了显著的效果。3结束语通过有针对性地对真空触头用生产设备进行改进(改造),不仅节约了维修成本,而且通过改进还提高了原有设备的使用性能,确保了触头材料生产的正常进行,并为今后如何对设备进行维护积累了经验。人们所关注。随着科学技术的发展及生产技术的提高,PTC陶瓷材料的性能将不断完善,其应用范围也将不断扩大。参考文献1祝炳和,姚尧,赵梅瑜,等.PTC陶瓷制造工艺与性质M.上海:上海大学出版社,2001.2薛泉林.PTC热敏电阻器发展与应用动态J.山东陶瓷,1997,20(4),9-13.3孙晓龙,曲远方,马卫兵.PTC材料发展概况J .化学工业与工程,2002,19(4):320-325.4罗延龄.我国PTC电材料技术开发的进步与思考J.兰化科技,1998,16(2):63-65.5郭晓琨,曲远方,单丹,等.金属Ni/Mn/BaTiO3基复合PTC材料的研究J.电子元件与材料,2004,(12):54-56.6王华涛,曲远方,马卫兵,等.Ni/陶瓷复合PTC材料的研究J.硅酸盐通报,2004,(2):73-76.7朱云松,徐天华.高温PTC陶瓷中铅对TC移动效果的实验J.电子元件与材料,1997,16(13):20-22.8徐海平.SiC复合(Ba,Pb)TiO3系PTC热敏陶瓷的研究J.沈阳化工学院学报,2003,17(1):33-35.9潘宇,陈旭,任萍,等.高温PTC陶瓷研究进展J.压电与声光,1998,20(5):329-331.10曾德平,刘光聪,何峰,等.Tc400 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