pc陶瓷材料的发展与应用

pc陶瓷材料的发展与应用

1c陶瓷的应用ptc陶瓷是一种新型的铁电材料。近年来，它是一种快速发展的电子材料之一。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。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[2～4]。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＿NTC特性的V型PTC陶瓷材料、室温电阻率低于5Ψ·cm的低阻PTC陶瓷材料以及金属PTC陶瓷复合材料等[5～7];新产品方面已研制成片式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。3热敏电阻材料由于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NTC陶瓷材料和其它热敏电阻材料所没有的许多新用途。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正电阻温度系数小一般的半导体材料,随温度升高其电阻降低,呈负电阻温度系数特性(NTC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(15～60)%/℃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电压继续升温当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新技术在家电产品中的应用在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: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。4ptc陶瓷材料应用前景4.1ptc陶瓷材料在其他领域的市场推广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。4.2技术进展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)高居里温度ptc陶瓷材料高温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300°C,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:(1)(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416°C,电阻突跳约4个数量级;(2)PbTiO3＿TiO2系,其居里温度约490°C,电阻突跳为3个数量级;(3)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)多功能特性ptc陶瓷材料所谓“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NTC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陶瓷材料的性能要求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国内外生产企业质量、产品质量以及国外在研发生产过程中出现的一些目前,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关于中国ptc陶瓷材料开发的意见(1)意义重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)高新技术产品,表现为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