pc陶瓷材料的發(fā)展與應(yīng)用

1c陶瓷的應(yīng)用ptc陶瓷是一種新型的鐵電材料。近年來，它是一種快速發(fā)展的電子材料之一。由于PTC陶瓷具有溫敏、直控、節(jié)能、無明火和安全等優(yōu)點,以及其特有的熱敏、限流、延時等自動“開關(guān)”功能,已廣泛應(yīng)用于電子通訊、航空航天、汽車工業(yè)、家用電器等各個領(lǐng)域。本文介紹了PTC陶瓷材料的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀,展望了PTC材料的發(fā)展前景。2ptc陶瓷材料的發(fā)展20世紀(jì)50年代,人們首次發(fā)現(xiàn)了PTC效應(yīng)。60年代初,由日本村田制作所最先開始投入生產(chǎn)的PTC陶瓷材料,被用作為溫補元件、水位檢測、馬達過熱保護、彩電消磁元件、恒溫發(fā)熱體元件等。70年代,PTC陶瓷材料的制造工藝和應(yīng)用得到了較大發(fā)展,研制成了蜂窩狀、口琴式發(fā)熱體,單位面積的發(fā)熱功率大幅度提高。如,一塊40mm2的PTC片的功率由最初幾瓦提高到了幾百瓦。進入80年代,又發(fā)展了多孔PTC陶瓷材料,研制成居里點超過400℃的高溫PTC陶瓷材料,開辟了在石油液化加熱器、石油預(yù)熱器等方面的新用途。半個世紀(jì)以來,對PTC陶瓷材料的研究取得了重大突破,PTC陶瓷材料的理論日趨成熟,應(yīng)用范圍不斷擴大。其中,以摻雜BaTiO3為主晶相的PTC陶瓷是最常用的PTC陶瓷材料。目前,國外該材料的應(yīng)用范圍從家電產(chǎn)品進一步擴大到整容、醫(yī)療類電子產(chǎn)品、汽車及辦公室自動化設(shè)備中。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)圓片元件發(fā)展到適于表面組裝的片式元件、多層結(jié)構(gòu)的PTC陶瓷材料等。我國對PTC陶瓷材料的研究開始于20世紀(jì)60年代初,最早的PTC陶瓷材料被應(yīng)用于電子線路中用作為溫補元件。80年代以來,隨著彩電工業(yè)和家電工業(yè)的迅速發(fā)展,我國高等院校、科研機構(gòu)形成了對PTC陶瓷材料的研究熱潮,并且PTC陶瓷材料的生產(chǎn)得到較大的發(fā)展。現(xiàn)在PTC陶瓷材料已廣泛應(yīng)用于電子通訊、汽車工業(yè)、家用電器等各個領(lǐng)域[2～4]。最近幾年,PTC陶瓷材料又取得長足的進展,其表現(xiàn)為一方面繼續(xù)深入對PTC效應(yīng)機理的研究,提出了解釋PTC效應(yīng)的新機理;另一方面通過對微粉工程和微觀結(jié)構(gòu)的研究,促進新材料、新器件和新結(jié)構(gòu)的開發(fā)和應(yīng)用。其中,在材料方面已開發(fā)出PbTiO3＿TiO2系高溫PTC陶瓷材料、具有PTC＿NTC特性的V型PTC陶瓷材料、室溫電阻率低于5Ψ·cm的低阻PTC陶瓷材料以及金屬PTC陶瓷復(fù)合材料等[5～7];新產(chǎn)品方面已研制成片式PTCR復(fù)合元件、多層結(jié)構(gòu)(獨石)PTCR、高可靠性PTCR等;在新結(jié)構(gòu)方面已開發(fā)出翅片發(fā)熱體結(jié)構(gòu),使發(fā)熱效率得到明顯改善,在家電產(chǎn)品上得到廣泛應(yīng)用。3熱敏電阻材料由于PTC陶瓷材料具有較大的正電阻溫度系數(shù)和開關(guān)電阻溫度特性,檢測電路可簡化,加之,居里溫度在很寬的范圍內(nèi)(室溫～400℃)可任意調(diào)節(jié),因此,能夠開拓NTC陶瓷材料和其它熱敏電阻材料所沒有的許多新用途。PTC陶瓷材料按其電阻—溫度特性、電壓—電流特性和電流—時間特性可用作不同的用途。3.1正電阻溫度系數(shù)小一般的半導(dǎo)體材料,隨溫度升高其電阻降低,呈負電阻溫度系數(shù)特性(NTC特性)。而PTC陶瓷材料在溫度達到一定值(居里點)后,在一定的溫度范圍內(nèi),隨溫度升高其電阻值急劇增加,呈現(xiàn)強烈的正電阻溫度系數(shù)特征,溫度系數(shù)可達(15～60)%/℃以上。利用正電阻溫度系數(shù),可以補償晶體管電路中的負溫度系數(shù)特性熱敏電阻器,使阻值可選擇很高,因而可減少輸入阻抗的變化,避免功率晶體管輸入電路的損耗,在寬溫度范圍內(nèi)可發(fā)揮溫度補償作用。由于PTC陶瓷材料具有強烈的正電阻溫度特性,在電動機線圈過熱保護、電流控制、溫度報警和恒溫發(fā)熱等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。3.2電壓繼續(xù)升溫當(dāng)PTC陶瓷元件接通電源后,電流將隨電壓的升高而迅速增加。達到居里溫度時,電流達到最大值,這時PTC陶瓷元件進入PTC區(qū)域。電壓再繼續(xù)升高,由于PTC陶瓷材料元件的電阻急劇增大,電流反而減小。在此區(qū)域的電壓、電流乘積保持一定,顯示出恒定功率特性。因為恒定功率特性的電壓范圍寬,即使電壓變化,在元件上仍保持一定的溫度。PTC陶瓷材料的電壓—電流特性可用于過電流保護和定溫發(fā)熱等場合,元件的功率可根據(jù)室溫電阻值、開關(guān)溫度、元件形狀和尺寸、散熱片間的熱阻及散熱片的結(jié)構(gòu)進行任意調(diào)整,適用于各種家電產(chǎn)品。3.3新技術(shù)在家電產(chǎn)品中的應(yīng)用在PTC陶瓷元件兩端施加某一電壓的瞬間,由于其初始阻值小,電流迅速增大。然后,隨著時間的推移,元件自身發(fā)熱,進入正溫度系數(shù)特性區(qū)域,電阻阻值急劇增加,電流大幅度下降,最后達到穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)這一特性,PTC陶瓷材料可應(yīng)用于電動機的啟動、繼電器接點保護、延遲開關(guān)及彩色電視機的自動消磁等。除此以外,PTC陶瓷材料的應(yīng)用還在不斷地擴大,近年來報導(dǎo)的新應(yīng)用包括:PTC隨動開關(guān)、直升飛機冰凍探測PTC傳感器、火箭、人造衛(wèi)星的PTC溫補元件以及汽車產(chǎn)品的各種應(yīng)用等。其中,如西門子公司推出的PTC隨動開關(guān),利用PTC陶瓷元件控制雙金屬片工作,用于浴室中控制排風(fēng)扇的運轉(zhuǎn),一旦人離開浴室,幾分鐘后可自動關(guān)機。又如英國普萊賽公司開發(fā)的PTC冰凍傳感器,安置在飛機入口處,檢測結(jié)成冰塊的狀況,迅速報警。它是采用多片環(huán)狀PTC圓片疊合制成,通過圓環(huán)表面銀漿電極和PTC片間銅環(huán)電極,連接在控制電路中。國內(nèi)PTC陶瓷材料的應(yīng)用,除用作電路的溫補元件和彩電的消磁元件外,近年來,作為自控溫發(fā)熱體,在家電產(chǎn)品上得到大量推廣。據(jù)不完全統(tǒng)計,在家電產(chǎn)品中已開發(fā)的產(chǎn)品有暖風(fēng)機、驅(qū)蚊器、暖手器、干手器、電熱盤、電熱咖啡器、電烙鐵、電熨斗、電飯鍋、電熱杯、卷發(fā)器、門鈴、熔膠噴槍、烘衣機、冰箱啟動器、空調(diào)器、電扇微風(fēng)微動器、熱風(fēng)屏機等。另外,我國研制的汽車用PTC過電流保護器,能有效地防止PTC材料在高溫下因電阻率突然下降而引起的熱擊穿和失效,提高了材料的耐電壓強度,如同給汽車電路加了一個“保險”,將大大改善國產(chǎn)汽車的整體性能。4ptc陶瓷材料應(yīng)用前景4.1ptc陶瓷材料在其他領(lǐng)域的市場推廣PTC陶瓷材料今后的市場規(guī)模,一方面隨著消費類產(chǎn)品的發(fā)展與產(chǎn)量的增長,將繼續(xù)得到同步的增長;另一方面,隨著PTC陶瓷材料在投資類和其它各個領(lǐng)域(包括軍用、宇航用電子產(chǎn)品)內(nèi)的推廣應(yīng)用,也將促進其市場規(guī)模進一步增長。據(jù)專家分析,今后幾年內(nèi),國內(nèi)PTC陶瓷產(chǎn)品需求量將以每年27%的速度增長,其中,應(yīng)用于汽車、通訊、大家電等領(lǐng)域的高檔產(chǎn)品市場潛力尤為巨大,特別是在汽車工業(yè)上的應(yīng)用,將會成為今后較大的潛在市場。4.2技術(shù)進展PTC陶瓷材料的實用性主要取決于PTC材料的研究和生產(chǎn)工藝技術(shù)兩方面。從目前看,主要發(fā)展方向:(1)高居里溫度ptc陶瓷材料高溫PTC陶瓷是PTC陶瓷材料的一個重要部分,目前國內(nèi)外已實用化的高溫PTC陶瓷材料的居里溫度約為300°C,而實際應(yīng)用中許多方面則需要更高居里溫度的PTC陶瓷材料。據(jù)文獻報道,目前國內(nèi)外對高居里溫度PTC陶瓷材料的研究主要有3個系列:(1)(Ba,Pb)TiO3系,采用Pb固溶于BaTiO3中以提高材料的居里溫度,其居里溫度達416°C,電阻突跳約4個數(shù)量級;(2)PbTiO3＿TiO2系,其居里溫度約490°C,電阻突跳為3個數(shù)量級;(3)BaPbO3系,盡管其居里溫度相當(dāng)高,但電阻變化率很低。上述3個系列中對(Ba,Pb)TiO3系PTC陶瓷材料的研究較為廣泛和深入。(2)多功能特性ptc陶瓷材料所謂“V型”是指同一個PTC元件的電阻—溫度特性。當(dāng)溫度底于居里溫度時,呈NTC特性;當(dāng)溫度達到和超過居里溫度時,呈PTC特性,即一個元件起到二種作用。這種多功能特性在應(yīng)用上能夠彌補傳統(tǒng)PTC陶瓷材料的某些不足,因而它的研究受到了人們的重視。目前研制開發(fā)的V型PTC陶瓷材料主要是(Sr,Pb)TiO3系V形PTC陶瓷材料。還有許多學(xué)者試圖用數(shù)學(xué)方法來模擬PTC陶瓷材料的設(shè)計,其中有多目標(biāo)模式識別優(yōu)化法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。(3)ptc陶瓷材料的性能要求隨著電子工業(yè)的發(fā)展,對熱敏電阻的需求不斷增加,性能要求也越來越高。如在彩電及監(jiān)視器的消磁電路和馬達啟動中用的PTC陶瓷材料元件需要較大的起始電流,這就要求PTC陶瓷材料有足夠低的常溫電阻,因此,低阻化成為近年P(guān)TC陶瓷材料研究的主攻方向之一。從PTC陶瓷材料今后的市場需要和日益擴大的應(yīng)用領(lǐng)域來看,對其性能的要求會愈來愈高。如:要求低阻、電阻溫度系數(shù)大、升阻比大、耐壓高、承受大電流和沖擊電流能力強、長期使用穩(wěn)定性好、精度高、壽命長、可靠性高、電阻溫度特性的線性好等。5國內(nèi)外生產(chǎn)企業(yè)質(zhì)量、產(chǎn)品質(zhì)量以及國外在研發(fā)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的一些目前,國內(nèi)PTC陶瓷材料的生產(chǎn)及應(yīng)用正處于發(fā)展階段,其生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量均有待提高。國內(nèi)相當(dāng)一部分廠家,僅限于生產(chǎn)PTC發(fā)熱體為主,產(chǎn)品檔次較低,且部分產(chǎn)品的質(zhì)量尚未完全過關(guān),與國外相比,還存在著很大差距,主要表現(xiàn)在:(1)產(chǎn)品品種規(guī)格少,種類不齊全,未形成系列化;(2)生產(chǎn)手段落后,不少廠家仍處于手工作業(yè),自動化生產(chǎn)程度低,不能形成規(guī)模生產(chǎn),產(chǎn)品一致性和成品率低,質(zhì)量不穩(wěn)定,價格高,缺乏市場競爭力;(3)原材料質(zhì)量未過關(guān),對生產(chǎn)廠家的質(zhì)量與產(chǎn)品重復(fù)性均有較大的影響,國內(nèi)尚未建立專業(yè)化的PTC原料供應(yīng)廠;(4)測試手段不健全,對材料與產(chǎn)品性能測試不完善,在研制生產(chǎn)中遇到質(zhì)量問題,缺乏科學(xué)分析手段,出現(xiàn)的問題不能及時得到解決;(5)推廣應(yīng)用不夠,產(chǎn)品檔次低,應(yīng)用面窄,高檔次產(chǎn)品未能過關(guān)。6關(guān)于中國ptc陶瓷材料開發(fā)的意見(1)意義重每一位科技開發(fā)及管理工作者,都應(yīng)從科技進步的長遠戰(zhàn)略高度充分認識PTC陶瓷材料及其應(yīng)用開發(fā)的重要意義。重視其發(fā)展規(guī)劃和具體實施,轉(zhuǎn)換經(jīng)營機制,制定適合高新技術(shù)發(fā)展的政策、策略,建立從基礎(chǔ)研究到最終產(chǎn)品加工生產(chǎn)的一體化開發(fā)機制,并將該項高新技術(shù)開發(fā)項目建成一個集科研、開發(fā)及市場營銷于一體的科工貿(mào)實體,使PTC陶瓷材料得到快速發(fā)展,并盡早成為拳頭產(chǎn)品,走向市場,創(chuàng)造效益。(2)高新技術(shù)產(chǎn)品,表現(xiàn)為PTC陶瓷材料是一項研究開發(fā)及推廣應(yīng)用價值極高的高新技術(shù)產(chǎn)品。以PTC材料研究開發(fā)為龍頭,研究不同規(guī)格型號元件,降低成本,提高產(chǎn)品性能,開拓新的市場,使新技