高分子PTC材料在微电机自保中的应用_梁瑞林

高分子PT C材料在微电机自保中的应用X

梁瑞林　刘金根+　胡　英

(西安电子科技大学技术物理系,西安,710071)

(+华东交通大学电子与信息工程系,南昌,330013)

摘　要　本文研究了高分子P T C材料的性能,并利用高分子P T C材料将传统的微电机改造成了具有自保结构的新型微电机。实测数据与理论设计吻合较好。

关键词　高分子P T C材料　微电机　自保

1　引　言

随着科学技术的发展,微电机已广泛应用于自动控制、遥感遥测、计算机、家用电器以及军事装备之中。微电机的环境工作温度有时相当高,通风系统一旦受阻,其内部温度就会升高,导致线圈绝缘性能下降,匝间(或相间)短路。另外,微电机由于堵转、过载、断相、短路等原因,也会电流增大,温度升高。这样极易烧毁微电机,造成供电短路,设备损坏,甚至火灾,带来重大经济损失。为探讨微电机的保护措施,世界各国都投入了不少人力物力。

微电机的传统保护措施,电路复杂,灵敏度低,不耐振动,经不起大的电压电流波动,对电磁干扰敏感。为改变这一状况,本工作利用自己研制的高分子PT C材料,对于未加保护的传统微电机进行改造,使之变成了具有自保结构的新型微电机。改造后的外形结构和尺寸与传统微电机相同,机械电学指标不低于传统微电机,但增加了自保功能。实测数据与理论设计吻合较好。其过热过电流保护措施具有通用性,可直接移植到不同种类的微电机上。

2　高分子PTC材料的特性

2.1　高分子PT C材料简介

自从1950年Philips公司Hayman等人在Ba-T iO3材料中掺入稀土元素发现了正温度系数热敏电阻(P ositive T emper ature Coefficient,缩写为PT C)陶瓷以来,陶瓷PT C材料迅猛发展,各种不同用途的材料相继问世,并广泛地用于电子设备、家用电器之中。然而,陶瓷PT C材料虽有阻值跳变快、居里点可调整、额定工作电压高等优点,但也有性脆易碎、工艺复杂、室温电阻率较高等缺点,难于满足微电机几十到几百毫安量级的过热过电流保护的需要。

目前我们自己研制了一种室温电阻率小、质地柔软、成本低、易于加工的高分子P T C材料。将它串联在微电机内部,可以对微电机起到有效的过热过电流保护作用。这种高分子P T C材料的主要原料是以聚乙烯为主要成分的高分子材料、以碳黑为主要成分的导电粉体材料、以交联剂为主要成分的添加剂材料。这些材料经过150～170℃约10min的混炼,制成毫米量级的薄片,再在其两侧压焊箔状金属电极而制成。

复合型高分子材料中的碳黑粒子,一部分在几十埃的距离内以链结构的形式相互接触形成接触电阻;另一部分则被夹介在非常薄的不导电高分子材料中,在电场作用下,靠隧道效应导电;还有一部分碳黑粒子,因高分子材料夹层过厚,无法形成导电隧道,呈不导电状态。由量子力学可知,电子跨越势垒的特征距离,即隧道效应的导电临界厚度约为0.1nm。当导电颗粒在复合物中的含量接近某特定值时,室温下可构成大量导电通道,呈低阻状态。由于高分子材料的热膨胀系数大于导电粉体热膨胀系数,因此随着温度的升高,原有的导电通道将逐渐被膨胀了的高分子材料所隔断,电阻率逐渐增加;当升温至高分子材料的软化点附近时,高分子材料体积剧增,导电通道急剧下降,电阻率快速增加,变化范围达104以上。当由高温状态回降至室温时,高分子材料收缩,导电通道恢复,电阻率逐步恢复到低阻状态。

2.2　影响高分子PT C材料性能的相关因素

原材料的性状及其复合工艺会影响高分子P T C 材料的性能。

(1)　高分子材料熔融指数的影响。高分子成分的熔融指数直接影响PT C效应的大小;另外降低熔融指数有利于增强高分子P T C材料的机械强度,提高熔融指数有利于增强高分子P T C材料的柔顺性和改善电极与复合材料间的接触电阻。适用于微电机自保结构的高分子PT C材料中的高分子成分,其熔融指数,经反复试验后,我们选为0.20～0.40

X初稿收到日期:1997-03-17　终稿收到日期:1997-06-23

(2)　炭黑对高分子P T C 材料的影响。炭黑的含量、结构、粒径会影响高分子P T C 材料的电阻率。图1是不同炭黑含量的高分子PT C 材料的电阻-温度特性。炭黑含量越高,室温电阻率越低,P T C 效应越小。降低炭黑含量,P T C 效应逐渐增大,室温电阻率也随之增加。当炭黑含量低于某个临界值时,因室温电阻率太高,P T C 效应反而下降。适当的炭黑含量是产生显著的P T C 效应的必要条件。用于微电机自保结构中的高分子PT C 材料的炭黑含量,我们选择为33%

。

图1　不同炭黑含量的高分子P T C 材料的电阻-温度

特性曲线

Fig 1　Effect of temper atur e o n r esist ance of the

polymer P T C mat er ials w ith differ ent w eig hs o f carbo n black

2.3　高分子PT C 材料的稳态特性

高分子P T C 材料的稳态特性,即伏安特性、电压-电流(U -I )特性,是高分子P T C 材料与周围环境热平衡时的端电压与电流之间的关系。它与高分子PT C 材料的环境温度、环境介质种类、放置状态等有关,可表达为

U T =I ×R T =I ×R T 0ex p [B Y (T -T 0)]式中,T 0是环境温度,T 是变化后的高分子PT C 材料温度,U T 和I 分别是其端电压与所流过的电流,R T 0和R T 分别是T 0和T 时的电阻值,B Y 是该高分子PT C 材料的特征参数。

图2是高分子P T C 材料稳态特性实测曲线。

(1)　曲线开始的OA 段为线性区,电流很小,电功率引起的温升可以忽略,电阻值基本不变。这时电压-电流特性遵从欧姆定律U =I ×R T0。

(2)　在A B 段随电流I 的增加,温度逐渐增加,电阻值变大,U T -I 关系呈非线性。

(3)　在B 点,电流升到最大值Im,电压也达最大值U m

。

图2　高分子P T C 材料的电压-电流特性Fig 2　Char acter istics o n vo lta ge and curr ent o f the

po ly mer PT C mat erials (4)　电压继续增加,曲线进入BC 段,温升引起的电阻值的增加速度超过电压增加的速度,电流反而减小,高分子复合材料失去PT C 特性。

高分子P T C 材料与负载串联时,正常工作状态下处于伏安特性曲线O A 段的线性区。当电流过大时,因自热升温而进入曲线BC 段的非线性区,电流幅度减小近乎截止,从而达到保护负载的目的。2.4　高分子PT C 材料的动态特性

动态特性是高分子P T C 材料的电流-时间(I -t )关系特性,即高分子PT C 材料加上电压后,电流I 与所经历的时间的关系。它真实地反映出高分子P T C 材料在实用过程中的性能特征。

图3是对一个室温电阻值为168的高分子P T C 材料,加上一个超常电流或超常电压时的电流-时间曲线。t =0时,电流最大,称为起始电流I 0;随着时间的增加,焦耳热使其本身温度升高,电阻值增大,电流减小,单位时间产生的焦耳热也随之减小。焦耳热与发散向周围环境的热量平衡时,电流稳定下来,称为稳态电流I e ,其值大小除了取决于高分子P T C 材料本身外,还与传热因素有关。同样的高分子材料、同样的传热因素,电压越高,达到稳定状态需要的时间越短。

显然,高分子PT C 材料的低电阻值,不影响用电器的正常工作;仅当过热或过电流时,高分子PT C 材料才升高其电阻值,接近软化点T s 温度时,电阻值急剧增加,从而保护与之串联的用电器,呈现出良好的开关特性。其动态P T C 效应小于静态P T C 效应,这是因为高分子材料因焦尔热而膨胀时,各部位的体电阻率增加得不均匀,散热条件不好的中心部位的导电链断裂的数目偏多,电阻值大于边缘部位。