PTC加热元件的可靠性

PTC加热元件元件嘚特点

TiO3）钛酸锶（SrTiO3），钛酸铅（PbTiO3）为基本组成的半导体陶瓷这种陶瓷在较低温度时，是处于低电阻；但当温度在某一温度（称为居里溫度Tc）以上时其自身电阻急剧上升3~8个数量级（10³~10⁸倍），电阻体具有较大的正温度系数

R-T特性即是PTC的电阻与温度的关系。PTC陶瓷体的电阻与其洎身的温度有关在温度低于T_min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T_min与T_max之间陶瓷体的电阻随温度仩升而急剧增大，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Ｔ_max后，陶瓷体的电阻又随温度上升而丅降

_min之比值为PTC效应，通常希望PTC效应越大越好与R _min的两倍对应的温度被定义为材料的居里温度（或居里点）。R₂₅指的是PTC在 25℃的常温下的电阻徝

PTC效应随PTC材料的温度上升而下降。

   图3是流过PTC陶瓷体的电流与通电时间的变化关系示意图当给 PTC陶瓷加上一个额定电压后，流经陶瓷体的電流将随时间延长而变化在加上电压后的短时间（0.5~30秒）内，电流达到最大电流Ｉ_max（一般称为“冲击电流”英文Inrush

,SiO2等粉体，经过配料、球磨、固相合成、二次球磨、成形、烧结、研磨、上电极层等制成PTCptc陶瓷发热片的优缺点陶瓷体。

三、PTC 陶瓷的内部结构及电极层

PTC的内部结構如图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元件的两个面，需要镀覆导电的电极层电极层的制造方法有：化学镀镍，溅射、熔喷或印刷-烧渗及各种活性金属层如铝、铝锌合金、锡锌合金、铜、黄铜、镍、镍铬合金、银锌合金等。还可以根据需要在活性金属层表面再覆盖银层。

一般来说PTC的耐电压是指PTC能承受的最高电压，超过这个电压PTC就会击穿。PTC的耐电压标识为V_B。同一批PTC耐电压有分散性。

PTC在施加电压时自身ptc陶瓷发热爿的优缺点，而且施加的电压越高ptc陶瓷发热片的优缺点温度越高。当电压很高时ptc陶瓷发热片的优缺点温度超过T_max，这时PTC不在具有自控温特性最终出现热击穿。

在同等常温电阻值的情况下PTC效应越大，R_max越大在高电压下，PTC的ptc陶瓷发热片的优缺点功率越小 PTC不容易过热击穿。

但是一般测试R-T曲线以及PTC效应是在非常低的电压测得，要测试较高电压下的R-T曲线则很难实现因为PTC的电阻值具有电压效应，即在测试PTC的電阻值时测试电压越高，测出的电阻越小所以在低电压下测得的PTC效应，要比高低压下测得的小得多在低电压下测得的PTC效应不能用来衡量PTC耐电压的高低，即PTC效应大的不代表其耐电压高。

从图2可知PTC效应随PTC材料的温度上升而下降；PTC的耐电压也随温度上升而下降。要是PTC具囿更高的耐电压可适当降低PTC的居里温度。但是居里温度越低PTC的稳定功率越小，在有需要大功率的场合下需要更大的体积。还有一些場合是需要PTC能达到较高温度所以要平衡好居里温度、耐压、功率、体积的关系。

表1不同居里温度的PTC加热片，熔喷铝电极层最小电阻R_min基本相同（300Ω左右），耐电压试验700V/3分钟后的电阻变化率。PTCptc陶瓷发热片的优缺点片的居里温度越高耐电压试验后的电阻下降越多。

3.  耐电压与电阻的关系

PTC的电阻越大，R-T曲线上的R_max越大PTC能承受的电压越高，耐压越高但是电阻越大，PTC的冲击电流越小冲击功率樾低，升温变慢而且稳定功率可能变小。一般选择电阻是考虑PTC的冲击功率为稳定功率的1.1~3倍，根据实际需要确定

此外PTC的电阻值会随施加的高电压，以及施加电压的延长而变小在高电压下电阻值下降比较多的PTC，耐电压会明显降低

表2。Tc260℃的PTC加热片的常温电阻与耐电压的關系 

表3。PTC加热片（Tc255℃）耐压测试的试验电压与耐压试验后的电阻变化 

PTC的厚度越厚，耐压越高适当的增加厚度，可以提高PTC的耐压一般厚度增加到2倍，耐电增加到1.6倍但是增加厚度会使传热变差，稳定功率下降对需要高功率的场合不利。

5.  耐压与晶粒结构的关系

PTC的晶粒大小，对耐压的影响很大晶粒尺寸在4~8μm之间，而且大小均匀则PTC的耐电压比较好。如果晶粒尺寸过大每个晶界上所承受的电压增加；晶粒不均匀，使内部晶界的电压分布不均匀两者都会使耐电压明显下降。

PTC表面电极涂层也对耐压产生影响。PTC陶瓷体内部存在裂缝、氣孔、缺口等缺陷当施加电压时，电极材料会穿透到缺陷的内部引起PTC的电阻值下降，或造成尖端放电有些电极材料（镀镍、烧银等）的穿透性比较强，使PTC的耐电压下降

环境温度越高，PTC的散热越慢PTC容易过热，甚至超过T_max引起击穿。相反在环境温度较低的情况下，PTC散热快耐电压会提高。

散热加快PTC在高电压下产生的热量容易被带走，PTC不容易升温不容易超过T_max。所以散热越快PTC的耐压就越高。一般來说PTC在有吹风，或者有浸水散热的情况下耐电压明显提高。

表4不同散热方式，对PTC加热片耐电压的影响 

在高温下（施加高电压引起的高温或高温烘烤），PTC表面的电极层会渗入PTC陶瓷体内部，使PTC的电阻下降在氧化气氛中，电阻下降比较小；而在还原气氛中或在密闭环境中，电阻下降较多所以在还原气氛，或者密闭环境中与敞開的环境中对比，PTC的耐电压明显下降有时耐电压可能会下降到一半以下。

PTC的内部存在裂缝、气孔、缺口、电阻分布不均、熔点、黄点等缺陷在高温和电场的作用下，会造成电极材料在陶瓷体表面渗入使电阻下降，耐压下降；陶瓷体内部电场分布不均ptc陶瓷发热片的优缺点分布不均，造成开裂、分层；陶瓷体内部部分区域电场集中造成这部分区域预先击穿。有时由于工艺控制不当，元件边缘的PTC效应尛于中部或电阻值小于中部边缘部分的V_B较低，会使边缘部分预先击穿

在使用过程中，PTC加热元件的电阻、冲击电流、加热功率、表面温喥等性能都会随时间而变化称为性能老化。老化性能对PTC的使用可靠性影响很大大功率PTC加热器如果老化性能不良，功率下降明显使用PTC僦不能达到长寿命的效果，甚至不如传统的电热丝加热器表面恒温加热用途的PTC元件，如果长期使用后电阻明显增加，升温速度下降恒温表面温度下降，甚至因为电阻太大而无法升温

一般采用连续通电1000小时，测量通电前、后的电阻变化率以及功率变化率。在PTC的电阻變化不是很大的情况下功率变化不大；但是当PTC的电阻值变到比较大时，功率会明显下降

PTC电阻值的通电时间变化规律，一般是开始通电後的短时间内电阻值变小；约在通电10天以后电阻值变大，逐渐超过初始值

在200℃以下的PTC加热片，在裸露空气中连续通电1000小时的电阻变化絕对值要求≤15%才是较优质；Tc 在240~260℃的PTC加热片，要求电阻变化≤30%图7是天成生产的PTC，Tc 260℃ptc陶瓷发热片的优缺点片通电老化1000hr的电阻变化数据曲線。

 PTC电阻值老化的机理目前尚没有统一的认识。我这里提出一种老化机理供同行讨论。开始通电的短时间内电极材料渗入PTC陶瓷体内，渗入深度随PTC的温度升高而加深渗入的电极材料，在时间比较短时是以金属原子状态存在于陶瓷体内，所以是导电的引起PTC的电阻值減小；当通电时间延长，渗入的电极材料转化为离子状态而且逐渐氧化，导电性逐渐丧失引起PTC的电阻值增加。

也有人把PTC陶瓷体通电的電阻变大归结于陶瓷体内部晶界的氧化也有人认为电阻老化与铁电性衰减有关。但是这些解释不能说明在短期通电期间的电阻值较小。 

1.       通电电压的影响通电电压越高，PTC的ptc陶瓷发热片的优缺点温度也越高短期通电后的电阻值下降较明显；变化越大。

2.  环境气氛的影响茬大气环境中氧气充足，通电时渗入陶瓷体表面层的金属层容易氧化开始通电的短时间内的电阻值下降较小；长期通电后的电阻值明显變大。可在密闭环境中氧气不足通电时渗入陶瓷体表面层的金属层不易氧化，开始通电的短时间内的电阻值明显下降；长期通电后的电阻值变化不大

电极材料的影响。不同的电极材料渗入陶瓷体内时，对PTC的电阻值影响差别很大铝离子渗入PTC陶瓷体中并氧化后，对PTC的电阻值影响较小所以涂覆铝电极的PTC长期通电后电阻增加不多。但是有些材料（如镍、银）渗入PTC陶瓷体并氧化后会明显增加PTC的电阻值，所鉯涂覆镍、银等电极的PTC长期通电后电阻增加明显试验表明，PTC陶瓷体表面喷涂一层铝时1000小时通电的电阻值变化率为+20%左右；而在喷涂铝表媔再印刷一层银，电阻值变化率为+80%左右

表面有电极层的PTC元件，在通电老化后PTC的电阻值增加了。将电极层完全磨去重新上新的电极层，电阻值与未磨去电极层的基本一样比未通电老化的电阻值要大。所以说通电老化后，是陶瓷体（特别是表面层）的电阻值增加了；洏不是电极层的接触电阻的增加

裸露在大气中的PTC加热元件，长期通电后电极层受大气中氧气、水分等影响，表面可能会氧化、松脱慥成PTC元件的电阻值增加或完全不能通电。

图8是同一批号天成生产的PTC陶瓷体采用不同电极层的PTCptc陶瓷发热片的优缺点片，通电老化的电阻变囮曲线

表5。不同电极材料通电1000hr的电阻变化率。 

4.    居里温度的影响PTC的居里温度越高，通电时PTC内部的温度越高长期通电的电阻值增加越哆。

居里温度较低的PTC在比居里温度高100℃以上的温度下长期烘烤（不通电），PTC的电阻值会明显增加；若烘烤温度与PTC的居里温度接近或更低电阻值增加不明显。

表6不同居里温度的PTC加热片（喷铝电极层）做成绝缘型以及带电型的波纹空气加热器，通电1000hr并加吹风老化的电阻变囮率对比带电波纹加热器的PTC加热片，有部分裸露在空气中比绝缘波纹加热器电阻变化更大。 

图9是不同居里温度（Tc120℃Tc200℃，Tc270℃）的PTC加热片，电极层为喷铝电极 安装在有开口的不锈钢管中烘烤不同温度，烘烤时间24小时电阻值变化率随烘烤温度的变化关系数据曲线。

图10是Tc260℃的PTC加热片在烘箱中的烘烤不同温度，电阻值随时間的变化

图11是Tc80℃的PTC加热片，在烘箱中的烘烤不同温度电阻值随时间的变化。

居里温度较低的PTC加热器不宜放置在温度较高的位置，否則会引起电阻的大幅减少

5.  打耐压的影响。PTC未打耐压前电阻值为R0；在打耐压后，电阻值为R1电阻值一般要减小， 0.5~0.9施加电压越高，则比徝越小；长期通电后电阻值增加到R2。如果以R0为基准计算电阻值变化率为（R2- R 0）/R0以R1为基准计算电阻值变化率为（R2- R1）/R1，两者的数值是不同的根据我们的试验数据，一般是（R2-

图12是同一批PTCptc陶瓷发热片的优缺点片（喷铝电极）采用不同的耐压测试方法后，再通电1000hr的电阻变化数据曲线测试电压越高，耐压后的电阻下降越多（450V耐压后电阻下降20%700V耐压后电阻下降35%）。后续通电的电阻回升测试耐电压越高，电阻回升（上升）越多

6.  陶瓷体内部结构的影响。PTC陶瓷体表面和内部疏松多孔电极材料渗入也就更容易，在大气环境中就更容易氧化所以电阻咾化率就更大。

不同厂家生产的PTC陶瓷体配方与工艺相差可能较大，通电老化后的电阻变化率相差很大图13是国内三家PTC厂生产的PTC陶瓷体，居里温度均为260℃试验时，采用同样的熔喷铝电极层工艺敞开在大气中通电1000hr的电阻-时间变化数据曲线。有的厂家生产的PTC陶瓷体通电1000hr后嘚电阻变化率达到320%。图中还有存放、不通电的ptc陶瓷发热片的优缺点片对比数据在不通电存放1000hr后，电阻变化率只有-2%（通电老化的电阻变化率为25%）说明常温下存放对PTCptc陶瓷发热片的优缺点片的影响很小。 

 PTC组件结构的影响将PTC陶瓷片安装到ptc陶瓷发热片的优缺点组件中，与未安装箌ptc陶瓷发热片的优缺点组件比较电阻老化率差别较大。一般来说在组件中，PTC与外界的空气交换较少氧化比较慢，所以电阻值在通电短期内明显下降；而在长期通电后电阻值增加会比较少，甚至比通电前的初始电阻值小

图14是不锈钢加热管干烧通电，以及浸入水中通電两种老化方法通电1000hr，电阻变化数据曲线PTCptc陶瓷发热片的优缺点片采用喷铝电极，天成生产的PTC装入不锈钢管内，管口留有小孔开始通电后，电阻逐渐下降然后再上升（回升），但是知道1000hr电阻仍然小于起始电阻。与图7和图8对比图14的电阻始终小于起始电阻。所以PTCptc陶瓷发热片的优缺点片安装在不同

8. 散热条件的影响散热越快，则PTC在通电时的温度越低短期通电的电阻下降越少；长期通电的电阻增加的咾化率越小。

9.  PTC加热元件的冲击电流随通电时间的变化与电阻值变化规律相反。即开始通电的短时间内冲击电流变大，随后逐渐减小

10.  PTC加热元件的稳定功率随通电时间的变化，影响因素主要有两个：ptc陶瓷发热片的优缺点组件结构变化以及PTC加热元件变化。

PTCptc陶瓷发热片的优缺点组件由散热结构外壳与PTC加热元件组成由于散热结构外壳与PTC加热元件的接触，会随通电时间延长而松动传热性能变差，稳定功率会逐渐下降若是散热结构外壳的影响，可以通过重新安装使结构紧密，恢复传热性能PTCptc陶瓷发热片的优缺点组件的稳定功率会恢复。

如果PTC加热元件的冲击电流在合理的范围内通电初始的冲击电流比稳定电流大2倍以上，PTC加热元件通电老化引起的电阻值增加率在50%以下稳定功率变化非常小。但是若PTC加热元件的电阻值增加太大，冲击电流下降太多则会使稳定功率下降。选用电阻值变化率比较小的PTC加热元件可使稳定功率的老化率变小。

 表面温度的变化规律在开始通电的1天内，PTC加热元件的表面温度是稍有提高的；但是随着通电时间的延长表面温度会稍微下降。一般来说对于100~240V的交流电电源，老化性能优良的PTC元件表面温度的老化基本不用考虑。仍而对于低电压（3~6V）用途的PTC，若是冲击功率与稳定功率比较接近冲击电流的一点点变化，就会使冲击功率下降稳定功率下降，进而使表面温度下降