1、液体硅胶在 PTC 陶瓷加热器上的应用成都拓利化工实业有限公司 陶云峰 张先银 徐燕芬摘要作为一种安全可靠的加热方式，PTC 陶瓷加热器已经在暖风机、空调、干衣机等家用电器上得到了广泛的应用。尤其是在空调辅助加热领域的大量应用，给 PTC 陶瓷加热器的发展带来了前所未有的商机，PTC 元件制造业、加热器组装业及各材料配套业获得了巨大的发展。在这种背景下，有必要对 PTC 陶瓷加热器的材料、制作工艺、老化及失效模式作详细的研究。加热器性能取决于完善的结构设计、优质的材料及精良的制作工艺。其中，材料的选取是至关重要的。在所有材料中，PTC 元件和硅胶的品质决定了加热器的耐压（击穿）及老化（功率衰减
2、）性能。在加热器的抗老化（功率衰减）作用方面，硅胶及 PTC 元件担负了非常大的 “责任” 。但是很多加热器组装企业只从成本的角度选择相关的材料，这样势必会造成产品性能的低劣，拖累 PTC 产业的健康发展，因此，在材料的选择上，除了 PTC 元件的材料选择外，兼具有良好的耐高温性和良好的导热性的硅橡胶也是 PTC 加热器具有高性能和高可靠性的保证条件之一。在本实验中，我们对日本东芝的 XE14-A0425 和 XE13-A8341 硅胶及成都拓利化工实业有限公司的NS-083 和 NH-100G-2 硅胶做了详细的对比试验。结果显示，成都拓利化工实业有限公司生产的液体硅胶具有更优异的抗老化性能
3、。加热器的老化涉及多方面的因素，在本文中，我们仅仅讨论液体硅胶对 PTC 加热器的老化性能的影响。关键词：硅胶，PTC，老化，功率衰减，热胀冷缩，电蚀第一章：实验过程一、实验方法 1. 老化试验设备：空调机组 40 台、控制器（ON/OFF） 、大功率调压器、高低温环境试验箱2. 试验方法：略3. 测试设备：PF140A 功率计、DM3051 万用表（风机转速测试） 、风机转速频率仪器、HPA-1120(2KVA)变频稳压电源（风机电源） 、GEW-210(10KVA) 变频稳压电源（加热器电源） ，数显温度表、ZRQF-D30JP 风速仪，UT58A 万用表（加热器电阻测试）4、测试样品：采
4、用日本东芝的 XE14-A0425 和 XE13-A8341 硅胶组装的 PTC 加热器采用成都拓利化工实业有限公司的 NS-083 和 NH-100G-2 组装的 PTC 加热器第二章：试验测试数据一、HALT 高低温循环试验(-50170 /Cycle time18min)我们将加热器放置于高低温试验箱，从-50至 170，再从 170冷却至-50 ，一次循环时间是18min，经过 1867 次循环，加热器电阻随时间的变化率如下 :表一：使用不同硅胶的加热器电阻随时间的变化率硅胶型号 0 267 533 800 1067 1333 1600 1867 电阻变化率IN: XE14-A0425
5、OUT: XE13-A8341 155.3 169.4 161.3 162.8 167.5 170.3 177.1 176.2 13.5%IN: NH-100G-2OUT: NH-100G-2 107.2 113.2 108.4 110.7 114.5 113.4 117.0 116.8 9.0%采用 XE14-A0425 和 XE13-A8341 硅胶的加热器的电阻老化率是 13.5%，而采用 NH-100G-2 硅胶的加热器的电阻老化率是 9%， NH-100G-2 的抗高低温老化性能明显优于东芝胶。二、ON/OFF 老化试验将加热器装在空调机组内，设定老化电压为工作电压的 1.15 倍，
6、风速设定为 1m/s，进行 ON/OFF 通电通风老化试验（通电时间 90S，断电时间 70S），每隔一定时间取下加热器，在 25的环境温度下，在标准功率测试机上测试功率，经过 10 万次的通断老化后，结果如下：表二、使用不同硅胶的加热器功率随通电开关频次的老化率变化表0.820.840.860.880.90.920.940.960.9811.020 14400 19008 25920 30528 35136 39744 44352 48960 53568 58176 62784 70848 81792 89856 1E+05 1E+05老 化 次 数老化率 A1-A2A3-A4注：A1、A2
7、 是采用 XE14-A0425 和 XE13-A8341 硅胶的加热器老化曲线，A3、A4 是采用 NS-083 和 NH-100G-2 硅胶的加热器老化曲线。从表中看出，NH-100G 的加热器老化要小约 2 个百分点。第三章：试验结果分析与讨论在讨论加热器的老化前，有必要说明一下 PTC 加热器的导电机理。在加热器结构中，PTC 和电极片由硅胶粘结，然后用聚酰亚胺薄膜包裹并被铝管压紧。一般认为，由于硅胶是绝缘材料，所以 PTC 和电极片之间不能实现导电。但是因为电极片表面在微观下是凹凸不平的，PTC 表面的铝电极也是呈现颗粒状的，所以 PTC 和电极片间的接触，并不整个面的接触，而是散布在
8、接触面上一些点的接触。其凹坑处由硅胶填充，起到粘结作用，凸点接触起导电作用。电阻则和凸点接触的数量有关，还和凸点之间的压力有关。在加热器老化过程中，由于冷热循环的作用，材料都会发生膨胀和收缩。 材料在热胀冷缩时，伸缩量 S 与长度 L、热胀系数 a 和温差 (T1-T0)间存在如下关系:S=La(T-T0)铝的热胀系数是 2.3610-5，不锈钢电极的热胀系数是 1.210-5，陶瓷 PTC 的热胀系数约是 0.710-5在-50170冷热循环下，各材料的伸缩量为：铝的伸缩量 S=La(T-T0) =6002.3610-5（170+50）=3.12mm不锈钢的伸缩量 S=La(T-T0) =6
9、001.210-5（170+50）=1.58mmPTC 陶瓷的伸缩量 S=La(T-T0) =6000.710-5（170+50）=0.92mm可以看出，由于各金属和陶瓷的膨胀系数的不匹配，在热作用下，电极片和 PTC 之间会发生摩擦错位，长期摩擦会引起 PTC 和电极片间粘结强度的降低，严重的情况下还会造成局部脱胶，从而使本来接触的凸点变成不再接触了，而且凸点之间的压力也变小了，从而引起加热器电阻的增大。这就是加热器在热循环作用下电阻变化的一个主要原因，其中加热器的性能稳定与否与所使用的硅胶的性能有重大关系。为了解释东芝胶和成都拓利化工实业有限公司的硅胶产品具有那些不同的电阻老化率，我们对不
10、同的液体硅胶的剪切强度也做了相应的高温老化对比。以下是各硅胶胶样的剪切强度老化对比结果： 表三、不同硅胶的剪切强度老化对比情况老化条件 25036h 25048h 25072h拓利 NH-100G-2 3.15 MPa 3.08 MPa 2.89 MPa东芝 XE13-A8341 1.74 MPa 1.92 MPa 1.63 MPa东芝 XE14-A0425 2.32 MPa 2.20 MPa 2.20 MPa从表中可以发现，在任何老化时间下，NH-100G-2 硅胶比东芝硅胶的剪切强度大，明显高于东芝胶。因此在高低温试验中，NH-100G-2 胶的加热器电阻老化比较小，显示了优异的抗老化性能
11、。可见，硅胶的剪切强度对加热器的电阻老化具有非常大的影响。为了研究硅胶对加热器功率老化的影响，我们解剖了加热器。我们发现经过数万次老化试验的加热器的 PTC 电极受到了严重的电蚀。如下图：通过 tear down 试验，PTC 电极被电蚀而引起的功率老化占整个老化比例的 1122%。该电蚀本质上是由电极片和 PTC 表面的铝电极产生的电火花放电引起的。当电极片和 PTC 铝电极紧密接触时，两者之间不会产生放电，当经过无数次的蠕动后，凸点之间产生了空气间隙，从而引起火花放电，电火花烧毁了硅胶和电极，产生所谓的电蚀，从而引起 PTC 加热器的功率老化。显然，硅胶的粘结强度越大，凸点之间产生的空隙可能性越小。由于 NH-100G-2 硅胶比东芝胶的剪切强度大，所以加热器的功率老化小，这和实验结果吻合。第四章：试验结论NH-100G-2 硅胶比 XE14-A0425 和 XE13-A8341 具有更好的剪切强度，使加热器功率老化更小，并且具有更好的抗高低温冲击性能，显示出优异的抗老化性能，成功应用于 PTC 加热器，在格力、美的空调辅助加热器上获得广泛应用。参考文献：1、刘慕园 刘慕园 PTC 热敏电阻的特点及应用 期刊论文 -河南职业技术师范学院学报 2002(03) 2、中国产业发展研究网 中国 PTC 陶瓷加热器用高温硅胶市场调查研究报告 2010 版；
