产品技术可行性分析报告

1、高分子PTC过流保护元器件项目可行性研究报告一、项目实施的背景和意义项目背景传统的电路保护中装置主要是采用采用金属熔断器或电子保护电 路来实现电路的安全保护，这些方法对电路的保护作用的缺点是可恢 复性差、电路设计复杂，以及成本较高，因此目前很多电子产品制造 商为了追求利润，往往就舍去电路保护装置、或采用熔断器式的保护 装置来实现电路保护功能，这样给产品的维护使用带来了相应的麻烦， 特别是对于一些民用产品，设计生产厂家为了保证其安全性，不得不 采用比较复杂的电子电路来保护其产品的安全，这样不仅使其成本提 高，而且给电子产品生产厂商的服务带来诸多不便。聚合物基正温度系数材料是利用导电粒子与结晶或半

2、结晶的聚合 物复合制得的一种新型功能材料，其最主要的功能为电流及温度的过 载保护，应用范围相当广泛，包括电脑与周边设备、电池、汽车、通 讯、玩具及家电等领域均会使用到 PPTC起对于电流及温度之高度敏 感，充分运用在各类电子产品上，不论是半导体、IC元件、印刷电路板、电源器材、连接器及线路系统之保护极为有用，特别在高密度电 路整合系统中，PPTd电路保护功能，是传统保险丝无法取代的。PPTC 属智能型材料科技产品具可重复性，体积轻薄，而成为主要保护元件 之重要发展趋势。随着人们生活水平不断提高，家用电子产品广泛地应用我们的日 常生活当中。不仅如此，工业、军事各个领域电子产品比比皆是。如 手机、

3、计算机、汽车电器、传真机、 DVD VCD Modem无绳电话、电 视机、电冰箱等等家用电器已经普遍应用与每一个家庭。而所有这些家用电器都与电源及电路有关，因而电源及电路保护是其安全使用的 保证。便携消费电子发展的趋势越来越小型化，设计工程人员十分渴 求其所用的元器件尺寸小、 阻值低，因此PPTCT品的低阻小型化是重 要发展方向。然而目前这类尖端产品的技术，主要掌握在美国和日本 的少数国际大公司手中，如日本藤昌电线公司和世界最大的电气、电 子元件制造商和服务商美国泰科电子 (TYCO)o 预期实现的经济和社会效益适合PPTC产品应用的电路保护市场非常广阔，产品的应用领域也非常多，其中电池的保护

4、是最大也是最前沿的市场，新型高性能锂离 子电池和聚合物电池对保护元器件提出更高了要求，这两类高能电池 在受热高温以及短路情况下容易发生爆炸事故，对其提供短路过流的 保护十分必要，是本项目产品针对的主要市场。据报道，随着全球电 信的发展，2008年全球手机用户数达到 40亿，其中中国用户超 6亿 的使用量猛增至世界的第一位，据工信部统计2008年上半年仅手机产 量就达到了部，再加上使用锂离子和聚合物电池做电源的MP3 MP4数码相机、导航仪、手提电脑等便携设备的用量，移动便携设备电池 及其充电器的用量是相当可观的， 据统计2006年我国锂电和银氢电池 产量已经突破25亿只左右，那么不包括电池电路

5、和电池充电器上 PPTC 的用量，那么仅封装在电池组内部用的电池保护片的用量就在20亿左右。深圳是全国甚至是全球手机、MP3等移动便携产品的生产基地及贸易集散地；这里有完善的电子产业链，有为移动设备生产提供能源 的众多电池生产企业，其中就有全国最大锂离子电池生产商比亚迪、 比克电池、德赛电池和聚合物锂电池厂家TCL因此高性能PPTC电池保护片具有广阔的市场前景，项目很好的融合到了深圳的电子企业产业链中，具有显着的企业协同效益和社会效益。然而由于高导电、高 PTC强度，高耐压性能的高分子PTC复合材料新技术为美国和日本的少数几家大企业垄断，生产成本为元左右的产品售价达到了元，比一 般产品高出3-

6、5倍，国内企业的采购成本十分高昂。项目研发成功按 元/pcs价格销售，能很好的打破国外公司的技术垄断，降低国内电子 企业采购PPTC产品成本，增强我国电子企业的国际上竞争力，此外产品售价高利润高，产品量产后，按初期年产 2000万只，预计销售收入 1000-1500万，利润800-1200万，经济效益十分显着。二、技术发展趋势及国内外发展现状技术发展趋势PTC材料是指某种具有很大的正电阻温度系数 (Positivetemperaturecoefficient,PTC)的材料。由于这种材料能在很窄的温度范围内使其电阻发生几个数量级的变化，故具有热敏开关 的特性，可广泛用于制作自控温加热电缆、过电

7、流保护元件及热敏传 感器等。目前，国内外使用的PTC材料大体上可分为两大类：一类是以 陶瓷类PTC材料，另一类是由有机高分子聚合物与导电材料组成的新 型有机复合PTC材料。由于陶瓷热敏材料性脆，生产工艺较复杂，室 温电阻很难做得很低，加工和成型都较困难，制造成本高，故价格较 贵。而聚合物基PTC复合热敏材料，由于具有质软、可挠曲、易加工 成型、制造成本较低、可以在较低的温度下使用等优点正日益受到重 视。它是利用导电粒子与结晶或半结晶的聚合物复合制得的一种新型 功能材料。PPTCM料不仅原料易得、价格便宜、加工成型工艺简单， 还具有高分子材料的许多优异性能。随着移动科技的发展和人们生活水平不断提

8、高，移动便携产品普及到人们的生活中。小型、多功能，高集成是便携消费电子发展的主 要趋势，因此工程人员在设计产品时十分注重元器件的尺寸，而对于 PPTC电路保护产品来说，低阻小型化是顺应市场需求的重要技术发展 方向。然而绝大多数的聚合物 PTC材料的室温电阻都比较高，PPTCM 料存在低室温体积电阻率和高 PTC强度之间的矛盾，以及降低产品电 阻同保持耐压性能之间的矛盾。因此开发低室温体积电阻、PTC强度的PPTCM合材料体系是PTC材料研发的重要发展，具有尺寸小、内阻 低等特点过流保护元件，是高分子PTC元器件发展的趋势。目前这类尖端产品的技术，主要掌握在美国和日本的少数国际大公司手中，如 日

9、本藤昌电线公司和世界最大的电气、电子元件制造商和服务商美国 泰科电子（TYCO）。国内外发展现状PPTC材料以美国的研究开发水平居国际领先地位，上世纪 80年 代美国首先开发成实用型 PPTCM料，以美国泰科电子为代表的一些企 业，制得的聚合物基 PTC过电流保护元件在医疗、计算机、程控电话 交换机、手机电池、汽车配件、家电产品、工业仪表、运载火箭、火 灾报警等领域得到了广泛的应用。由于高分子基PTC材料技术含量高,应用广泛,利润丰厚,故各国都投入大量的资金进行研究开发。国内外近十年来，聚合物 PTC复合材料研究和开发的进度明显加 快，体现在相关的期刊文献报道迅速增多，相关专利数目急剧膨胀。国

10、外出现了如Bourns > Littlefuse 等聚合物PTC过流保护元件的新公 司。国内在这方面起步较晚,对PTC材料的研究起始于八十年代后期， 中国科技大学在八十年代末开始了自限温加热带的研发，而聚合物PTC材料做为电路过流保护元件使用时要求PTC材料具有低的室温体积电阻率、高的PTC强度以及一定的循环稳定性，由于技术难度较高，直到九十年代初才有较多的研究报道。近几年国内陆续出现生产聚合物基PTC过电流保护元件的企业主要集中在上海、深圳，但多是一些小 企业。国内真正有实力能自主开发并生产聚合物基PTC过电流保护元件的企业不多，主要有深圳金瑞电子材料有限公司、上海维安电热材 料有限公

11、司、上海科特电子材料有限公司。无论是在企业规模，市场 占有率，研发实力，同国际电路保护巨头泰科、TDK等都有较大的差距。但这个差距正的缩小，虽然国际企业在新产品的开发和推出上仍 处于领先地位，但国内企业已经能以较短的时间紧跟趋势推出产品； 随着用户对PPTC产品使用的增多，特性的熟悉，它们越来越倾向于选 择性价比高的国内企业的产品，国内生产企业市场占有率也在稳步提 升。三、项目主要研究内容项目开发的PPTCM合材料不仅体积电阻率低，而且PTC强度也高， 以其为芯材生产的产品外形尺寸是普通产品的1/4 ,内阻是普通产品的1/5 ,具有尺寸小、内阻低、采用绿油封装的特点。特别适用于高 性能锂离子和

12、聚合物电池的保护，有很好的市场前景，是高分子PTC元器件发展的趋势。项目拟解决的关键技术问题该项目目前面临的挑战是：绝大多数的聚合物PTC材料的室温电阻都比较高，PPTCM料存在低室温体积电阻率和高PTC强度之间的矛盾，以及降低产品电阻同保持耐压性能之间的矛盾。本项目拟解决的 关键技术问题是：(1) PTC复合材料的组分选择是该项目研发的重点和难点目前PTC产品应用比较成熟的是 HDPE/CB勺配方体系，该体系经过20多年的开发应用，使用十分广泛。但现在随便携消费电子发展的趋 势越来越小型化，要求元件的尺寸和电阻的要求越来越小，当前的 HDPE/CB的配方体系无论是阻值还是电性能已经不能满足新

13、需求，限 制了产品更加广泛的应用。因此，本项目将在前期研究的基础上开拓 新的思路，需开发新的高分子 PTC材料配方体系，降低电阻提高电性 能，并通过设计和实验相结合的方法开发出尺寸小至3X4mm电阻在4-12mQ 产品。(2)探索出一套适合新配方体系的工业化生产复合工艺，是保证 产品性能一致性的关键。对于高分子材料的复合，我们已经在实验阶段研究过多种方法可以 解决导电粒子和微量添加剂在基体材料中的均匀分布问题，但在大批 生产中的效果确不够理想。此外不同的聚合物和导电粒子自己的相容 性差异较大，同样的加工工艺复合得到效果不一样。我们必须探索出 有效率的工艺结合适合的设备，改善材料性能的一致性。(

14、3)电极膜的处理，改善产品长期稳定性能，优化性能。高分子PTCB敏电阻器具结构是由高分子聚合物基体和分散在其 中的导电填料、阻燃填料等构成的芯材与金属电极，通过高温热压复 合的方法粘合在一起的。金属电极是由经粗化的铜箔构成，由于金属 和非金属界面膨胀系数差异较大，如果金属电极与芯材粘接不牢、剥 离强度差、界面空隙大，接触电阻就高，PTCB敏电阻器电性能就变差， 易打火、烧片，表面易起泡变形。铜箔与芯材的直接接触，在电场和 高温下由铜引起的高分子聚合物催化分解，影响产品的长期稳定性。因此，需要对铜箔进行相应处理，拟采取的方法是：铜箔一面镀一层23uMtNiCM合镀层，另一面镀一层普通银，通过合适

15、的工艺控制来提高复合镀层中固体微粒碳黑与银离子的共沉积，提高镀层的含碳量，提高电极膜同芯材的粘接强度。课题的技术原理、技术方法、技术路线以及工艺流程(1)首先以HDPE为高分子基体，选用不同形状尺寸的高导电金 属、非金属粒子，通过调节配方组成、优化混炼复合工艺进行芯材料 的制备，(2)对铜膜进行镀碳处理，与芯材热压复合，以获得电极芯材结 合牢固，转变温度在125C,室温电在7mQ左右，芯片尺寸3X4m« 耐压6V,具有良好电阻温度系数的样品。(3)研究PPTC£件在不同服役状态下的性能稳定性等综合性能， 如耐压、耐电流冲击、抗老化等；调整和优化配方工艺，获得综合性 能良好的

16、PTC高分子电流保护元件。(4)在课题开展的过程中，对不同研究阶段进行小结和总结，完 成产品TUV UL等安全认证，利用研究结果申请国家发明专利和撰写 学术论文。(5)研究成果的中试，和批量生产销售实现效益。本项目所述的PPT玩件制造工艺流程如下：A、将复合材料各组分(高分子聚合物、导电填料和其它填料及加 工助剂)在190 c温度下于密炼机中混炼均匀， 然后用模压或挤出的方 法制成芯材。B、将芯材夹在两层经过镀炭处理过的铜箔之间，放于压模中，在 25t 平板硫化机压片，压制成型条件 ：预热5min,热压3min,热压压力 15MPa热压温度160C,片材厚度2mmC、将压好的片材，冲成需要的半

17、成品尺寸形状、同过回流焊在覆 有铜膜的两面分别焊上引出银电极，而后在烘箱中热处理，将焊好的 样品用丫射线(cd0)辐照交联。D最后在PPTCt件表面涂上绝缘绿油，弁进行紫外线或热固化。冲片 焊镇电其制造工艺流程见图3-1 o称量绿油固项目特色和创新点(1)开发低体积电阻率高 PTC强度的高分子复合材料，是当前高 分子热敏元件发展的必然趋势和要求。一般而言导电填料的填充量越多，复合材料的导电性能越好，但 耐压性能却越差。另外高填充量影响了复合材料的力学性能和加工性 能，增加生产成本，限制了材料的应用范围。绝大多数的聚合物PTC材料的室温电阻都比较高，一般要达到12V耐压要求的产品电阻值都在30毫

18、欧左右，而信息技术和微电子工业的发展迫切要求有低室温电 阻高PTC强度的聚合物PTC材料，因此低阻值产品的开发势在必行。项目开发的产品外形尺寸是普通产品的1/4 ,内阻是普通产品的1/5 ,具有尺寸小、内阻低的特点。(2)选择适合工业化生产的复合工艺， 对保证产品性能一致性有 重要意义。研究表明，要降低材料体系电阻可能选择多种形状的填料(纤维、片状，纳米尺寸)这些导电填料在高分子基体中的分散有一定难度，如果其中还添加了不同的金属导电粒子制得材料均匀性更加难控制。影 响材料的电导率和元件的性能一致性。因此该项目的第二个创新点就是研究适合不同材料配方体系工业化生产的混炼复合工艺O(3)电极膜的处理

19、，改善产品长期性能和动作后电阻变化率。高分子PTCB敏电阻器具结构是由高分子 PTCK材与金属电极，通 过高温热压复合的方法粘合在一起的。金属电极是由经粗化的铜箔构 成，由于金属和非金属界面膨胀系数差异较大，金属电极与芯材粘接 不牢接触电阻高，产品表面易起泡变形，易打火、烧片。铜箔与芯材 的直接接触，在电场和高温下由铜引起的高分子聚合物催化分解，影 响产品的长期稳定性。因此，需要对铜箔进行相应处理，在铜箔一面 镀一层23umNi-C复合镀层，提高电极膜同芯材的粘接强度。因而电极膜的处理是产品的第二个特色。(4)使用绝缘绿油封装小尺寸产品随便携消费电子发展的趋势越来越小型化，要求元件的尺寸越来

20、越小，但用生产现有产品的工艺生产小尺寸产品效率不高。目前电池 保护片产品的外部封装都是采取贴绝缘标贴的方法，当产品尺寸小到 一定程度后，对产品贴标效率极低不适合规模生产。采用外涂绿油， 而后再紫外线固化封装，不仅生产效率高，而且产品更加美观，外部 绝缘效果更好，可以更好的防止产品打火的情况的出现，此工艺特别 时候小尺寸产品的生产，是该项目的第四个创新点。四、项目预期目标项目产品的主要技术指标：研制出出具有正温度系数效应、室温电阻率在10-2Q.cm、PTC强度大于7个数量级的高分子 PTC复合材料配方体系，并通过完成配方 体系的设计，制备出用于手机等便携电子产品电路保护用的超小尺寸， 超低电阻

21、的PPTC产品。在PPTC材料产品的小尺寸和低阻化应用方面跨出实质性一步，打破国外元件厂商的技术垄断，降低国内电子企业 的采购成本。主要技术指标：试样芯片尺寸x 4.0mni焊镇电极测试电极膜同芯材粘接良好室温(25C)电阻甩<14 m2升阻比丫 =Log (Ra/Rmin) >7;耐电压)6V耐老化1分钟通电+1分钟断电循环疲劳1000次，不烧不裂预期成果和经济指标：该系列产品芯片尺寸小至X 4.0mm电阻4-14mQ,而打E 6V,使用 电流从-3.5A 连续可变。系列包含 JK-D120M JK-D170M JK-D190M JK-D250M JK-D350M几大产品。项目将

22、完成产业化生产试验，实现销 售创造效益。产品量产后，打破国外公司的技术垄断，降低国内电子 企业采购PPTC产品成本，在国际上增强我国电子企业的竞争力；按年产2500万只，预计销售收入1500万，创造利润900万，具有很好的 企业经济效应和产业协同效应。五、项目研究实施方案项目实施方案该项目实施，由广东省深圳市金瑞电子材料有限公司组织项目小 组，由技术部经理田宗谦高级工程师带领技术部项目组成员做产品开 发，并联合公司生产、质检部门进行研发成果的中试和产业化。(1)前期技术部研发小组，进行配方设计和实验，通过调节配方组成、优化混炼复合工艺进行芯材料的制备，对铜膜进行镀碳处理,与芯材热压复合，以获得

23、电极芯材结合牢固，转变温度在125 C,室温电在7rnQ左右，芯片尺寸3X4mm耐压6V,具有良好电阻温度系 数的样品(2)在前期工作基础上，联合生产、质检部门进行产品生产中试， 各部门及时反馈相关信息，对生产相关工艺和技术进行总结，调整， 改进，实现中试的最终成功。在此基础上确定确定生产工艺流程、技 术标准、检验标准，实现新材料的产业化。(3)后期产品形成销售后，不断吸收市场反馈的新情况，根据市 场需求扩宽、改进产品的型号，完善产品线和性能，更好的满足客户 要求。公司现有高分子 PTC各种项目试验及测试分析设备，可以满足项 目研发需要。公司拥有多年的PPTCT品生产经验，本研发项目试产成 功

24、、实现产业化提供了坚实的基础。 同时企业在PPTC1路保护市场多 年耕耘，建立了的强大销售网络，拥有一批具有丰富市场销售经验的 营销人员；小尺寸低电阻新产品的开发后，通过已有的销售通道，打 开销售。并在销售的过程中不断接受市场反馈的信息，完善和推出各 种新型号的产品。六、现有研究开发基础和条件公司总体情况深圳市金瑞电子材料有限公司是国家认定的高新技术企业，专业 从事高新技术产品高分子 PTC新型功能材料研发、生产、销售。10年 高新技术产品销售营业收入 2200万，比上年度增长29%,产品毛利 率58%,利润874万，上缴利税527万。金瑞公司开发的高分子 PTC 过流保护元件是依托中国科学院

25、沈阳金属研究所，集中了强大的科研 力量和各种丰富的 PTC生产经验以及设备力量的优势。公司共有研发 人员14人，其中高级工程师1名，硕士研究生4名，本科学历8名，大 专学历2名，占总人数的11%公司预算2011年投入研发资金300万 元，占公司年度收入的6%。公司办公生产面积4460平方米，现有高分子PTC生产和测试的成 套设备如双螺杆物料混炼机，真空液压成型设备，先进的高低温循环 处理工艺设备，低阻测试仪、耐压测试仪、循环测试仪、PTC曲线测试仪等。各种项目试验及测试分析设备，可以满足项目研发需要。公 司拥有多年的PPTC产品生产经验，本研发项目试产成功即可用现有生 产设备实现产业化。同时企

26、业在PPTC电路保护市场多年耕耘， 建立了 的强大销售网络，拥有一批具有丰富市场销售经验的营销人员，长期 供货于国内几家大型锂离子电池、玩具生产企业（如深圳比亚迪、欣 旺达、德赛电池、东莞豪鹏、广州梁氏、天津力神、福州飞毛腿电池、 深圳孩之宝玩具）；小尺寸低电阻新产品的开发必能迅速打开销售通 道，给企业带来利润，为社会增加效益。公司自成立以来根据市场需求，紧跟行业技术发展趋势，不断开 发出新产品。2002年研发完成多股线型的插件 PTC过流保护元件，在 此基础上自主研发了贴片式的插件PTC在短短的几年中相继研制开发成功与瑞侃相匹配的各种系列，包括低压 JK6, JK16, JK30, JK60

27、, JK72,JK90O高压JK250, JK500等各种型号共120多种，这些系列用 于电信设备保护元件的通过了信息产业部邮电研究所的鉴定，用于其 它领域各的系列通过了 UL,TUV,SG涛国际权威的产品安全认证。金瑞的产品不断进步和创新，在插件的PTC成功的工业化生产后又成功的开发了带状环状电池片过流保护元件，在短短一年内成功的完成了电池片过流保护元件的配方，工艺的研制。开发各系列的29种型号的电池片过流保护元件产品.公司的技术都是自己创造发明的，也紧跟国外的领先者瑞侃，及 时推出了用于线性变压器初级保护高压240V系列产品。电池片低温保护系列也是紧跟瑞侃推出新产品的新开发项目，现在也在顺利进行中。这两项新产品的开发将因新领域的使用而带来新的效益增长点。公司在工艺上将不断的学习采用高分子材料加工领域的新设备和 工艺，使高分子PTC的大规模生产中提高生产效率，提高产品质量， 降低生产成本，如双螺杆物料混炼工艺，真空液压成型设备，采用先 进的高低温循环处理工艺设备，使产品的性能更稳定。由于公司有着一个功底深，经验丰富，善于学习和创新的技术研 发队伍，完全有