热敏陶瓷05讲解课件.ppt

1、第八章第八章 敏敏 感感 陶陶 瓷瓷（sensing ceramics）材料学院本科生专业课程技术陶瓷学导论 主讲：杨 静敏感陶瓷敏感陶瓷n8.1 概述概述n8.2 热敏陶瓷热敏陶瓷n8.3 气敏陶瓷气敏陶瓷n8.4 压敏陶瓷压敏陶瓷8.1 敏感陶瓷概述敏感陶瓷概述n定义定义n分类、用途与组成分类、用途与组成n陶瓷的半导化过程陶瓷的半导化过程敏感陶瓷的定义敏感陶瓷的定义n敏感陶瓷的敏感性，是指陶瓷的电阻率、电动敏感陶瓷的敏感性，是指陶瓷的电阻率、电动势等物理量对热、湿、光、气体、电压等变化势等物理量对热、湿、光、气体、电压等变化敏感。敏感。分类、用途与组成分类、用途与组成nheat sensi

2、tive ceramics：过热保护传感器、温度：过热保护传感器、温度计，掺杂计，掺杂BTnhumidity sensitive ceramics(humiceram)：湿：湿度计，度计，ZnO-Li2O-V2O5系系nphotosensitive ceramics：光检测元件、光位计，：光检测元件、光位计，CdSengas sensitive ceramics：气体警报器：气体警报器，SnO2、ZnOnvoltage-sensitive ceramics：过压保护元件：过压保护元件ZnO传感器陶瓷（传感器陶瓷（p226，表，表3-3-1）n温度传感器温度传感器 载流子浓度随温度变化载流子浓度

3、随温度变化 半导体半导体-金属相变金属相变 电阻变化电阻变化 铁氧体磁性铁氧体磁性-顺磁性顺磁性 磁化强度变化磁化强度变化 氧浓差电池氧浓差电池 电动势电动势n位置速度传感器位置速度传感器 压电效应压电效应 反射波的波形变化反射波的波形变化n光传感器光传感器 热释电效应热释电效应 电动势电动势 反斯托克斯定律反斯托克斯定律 倍频效应倍频效应 荧光、热荧光荧光、热荧光 可见光可见光n气体传感器气体传感器 可燃性气体接触燃烧反应热可燃性气体接触燃烧反应热 氧化物半导体吸附、脱附气体引起的电荷转移氧化物半导体吸附、脱附气体引起的电荷转移 气体热传导放热引起的热敏电阻的温度变化气体热传导放热引起的热敏

4、电阻的温度变化 氧化物半导体的化学计量变化氧化物半导体的化学计量变化 电阻变化电阻变化 高温固体电介质氧浓差电池高温固体电介质氧浓差电池 电动势电动势 库仑滴定（电量滴定）库仑滴定（电量滴定）电量电量传感器陶瓷传感器陶瓷传感器陶瓷传感器陶瓷n湿度传感器湿度传感器 吸湿离子导电吸湿离子导电 氧化物半导体氧化物半导体 电阻电阻 吸湿引起介电常数变化吸湿引起介电常数变化 介电常数介电常数n离子传感器离子传感器 固体电介质固体电介质 电动势电动势 栅极吸附效应栅极吸附效应 金属氧化物半导体场效应金属氧化物半导体场效应 晶体管晶体管 电阻电阻陶瓷的半导化过程陶瓷的半导化过程n？通常，？通常，Eg 3eV

5、，常温下是绝缘体。，常温下是绝缘体。n(1)偏离化学计量比偏离化学计量比 MOMO1+x (?型半导体型半导体)O22Oi+2h O22VM+2h+2OO h，空穴，空穴 MOMO1-x (?型半导体型半导体)OoVO +2e+1/2O2 OoMi +2e+1/2O2 e ，电子，电子n工艺途径：烧结气氛工艺途径：烧结气氛/烧成制度烧成制度陶瓷的半导化过程陶瓷的半导化过程 (2)掺杂（异价金属离子）掺杂（异价金属离子）P,As,Sb Si;La,Y Ba;Nb,Ta Ti (n)B,Al,Ga Si(p)BaTiO3(La2O3）La2O3 2 LaBa +2 Oo+Oi La2O3 2LaB

6、a +3 Oo+VBa La2O3 2 LaBa +3Oo+2e (?型半导体型半导体)作业：作业：试写出在试写出在BaTiO3中掺入中掺入Nb2O5后可能的缺陷方程式。后可能的缺陷方程式。3BaTiO 3BaTiO 3BaTiO第八章8.2 热敏陶瓷热敏陶瓷(heat sensitive ceramics)热敏陶瓷热敏陶瓷n概述概述n研发历程研发历程n定义定义n性能参数性能参数n分类分类n掺杂掺杂BaTiO3 PTC热敏陶瓷热敏陶瓷研究历程研究历程n1955 年荷兰菲利浦公司的海曼（年荷兰菲利浦公司的海曼（Haayman）等人发现在）等人发现在BaTiO3 陶瓷中加入微量的稀土元素后，其室温

7、电阻率大幅度下降，在某陶瓷中加入微量的稀土元素后，其室温电阻率大幅度下降，在某一很窄的温度范围内其电阻率可以升高三个数量级以上，首先发一很窄的温度范围内其电阻率可以升高三个数量级以上，首先发现了现了PTC 材料的特性；材料的特性；n以掺杂以掺杂BaTiO3 为主晶相的为主晶相的PTC 陶瓷是最常用的陶瓷是最常用的PTC 材料，近年材料，近年来还出现了许多新型来还出现了许多新型PTC 材料，如复合、有机材料，如复合、有机PTC 等；等；n我国对我国对PTC 材料的研究开始于材料的研究开始于60 年代初；年代初；n PTC 材料已广泛应用于电子通讯、汽车工业、家用电器等；材料已广泛应用于电子通讯、

8、汽车工业、家用电器等；n2000 年，世界的产销量达年，世界的产销量达8 亿支，我国突破了亿支，我国突破了1.5 亿支。（朱盈亿支。（朱盈权，权，2002）何谓热敏陶瓷？何谓热敏陶瓷？n电阻率随温度发生明显变化的功能陶瓷。电阻率随温度发生明显变化的功能陶瓷。热敏陶瓷的主要性能参数热敏陶瓷的主要性能参数n阻温特性：阻温特性：RTN=ANeBN/T（NTC）;RTP=APeBpT（PTC）n电阻的温度系数电阻的温度系数T：温度变化：温度变化1时电阻的变化率。时电阻的变化率。TN=-BN/T2；TP=BPn耗散系数耗散系数H：热敏电阻器温度升高热敏电阻器温度升高1 所消耗的功率。与热敏电所消耗的功率

9、。与热敏电阻的材料种类、结构、媒质的种类及状态等有关。阻的材料种类、结构、媒质的种类及状态等有关。n热容量热容量c：热敏电阻器温度升高热敏电阻器温度升高1 所消耗的热能。所消耗的热能。n时间常数时间常数：热敏电阻温度改变到周围媒质温差的热敏电阻温度改变到周围媒质温差的63.2%所需要所需要的时间。的时间。=c/Hn额定功率额定功率Pm:使用温度范围内所容许的最大功率使用温度范围内所容许的最大功率。n工作温度工作温度T：热敏陶瓷的阻温特性热敏陶瓷的阻温特性RTN=ANeBN/T（NTC）;RTP=APeBpT（PTC）RTN;RTP：指环境温度为：指环境温度为t时，采用引起阻质变化不超过时，采用

10、引起阻质变化不超过0.1%的测量功率所测得的电阻值的测量功率所测得的电阻值。AN;AP：与材料的物理特性及热敏电阻的结构尺寸有关。：与材料的物理特性及热敏电阻的结构尺寸有关。BN;Bp：材料常数，与材料的物理特性有关。：材料常数，与材料的物理特性有关。热敏陶瓷的分类热敏陶瓷的分类n(1)阻温特性分类阻温特性分类:PTC热敏陶瓷（热敏陶瓷（RTP=APeBpT）：掺杂的）：掺杂的BaTiO3 NTC热敏陶瓷（热敏陶瓷（RTN=ANeBN/T）:含锰的二元系和三元系氧化物（表含锰的二元系和三元系氧化物（表3-3-3，p240）临界温度热敏陶瓷临界温度热敏陶瓷C.T.R.：线性阻温特性热敏陶瓷线性阻

11、温特性热敏陶瓷:n(2)依据电阻的温度系数分类：依据电阻的温度系数分类：缓变型（缓变型（T 10%/）n（3）依据使用温度分类）依据使用温度分类n低温：低温：n中温：中温：n高温：高温：掺杂掺杂BaTiO3 PTC热敏陶瓷热敏陶瓷nBaTiO3的晶体结构特征的晶体结构特征nBaTiO3热敏陶瓷的阻温特性热敏陶瓷的阻温特性nBaTiO3陶瓷产生陶瓷产生PTC效应的条件效应的条件n影响影响BaTiO3热敏陶瓷性能的因素热敏陶瓷性能的因素nBaTiO3热敏陶瓷的制备工艺热敏陶瓷的制备工艺nBaTiO3热敏陶瓷产生热敏陶瓷产生PTC效应的物理机制效应的物理机制nBaTiO3热敏陶瓷的应用热敏陶瓷的应用

12、晶体结构特征晶体结构特征 T（)120 1205 5-80 Tc，立方晶相：，立方晶相：Ba立方晶格中心立方晶格中心 Ti立方晶格顶点立方晶格顶点 O 立方晶棱中点立方晶棱中点 Tc-5-50 0C C，四方晶相：，四方晶相：c/a=1.01，PTC材料的基本特性材料的基本特性n电阻温度特性电阻温度特性n伏安特性伏安特性n电流时间特性电流时间特性n耐压特性耐压特性PTC材料的性能与应用材料的性能与应用n由于应用领域的差异由于应用领域的差异，对对PTC 材料各项性能指标的要材料各项性能指标的要求有所不同求有所不同。n如用于恒温加热如用于恒温加热，PTC 材料应具有较高的居里温度和高的耐材料应具有

13、较高的居里温度和高的耐压值压值；n用于电视机消磁的用于电视机消磁的PTC 热敏电阻器则侧重于要求高耐压热敏电阻器则侧重于要求高耐压(110V 或或220V)，为了获得大的起始电流为了获得大的起始电流，还要求低的常温还要求低的常温电阻率电阻率，此外为了在高阻状态下得到小的残余电流此外为了在高阻状态下得到小的残余电流，还必须还必须具有大的电阻温度系数具有大的电阻温度系数t；n电子信息产业需要的高响应大电流通量的电子信息产业需要的高响应大电流通量的PTC 限流元件要求限流元件要求尽可能低的室温电阻率以减少能量损耗。尽可能低的室温电阻率以减少能量损耗。电阻温度特性电阻温度特性n电阻温度特性又称阻温特性

14、电阻温度特性又称阻温特性，是指在规定电压下是指在规定电压下PTC 热敏电阻的热敏电阻的零功率电阻值与电阻体温度之间的关系。零功率电阻值与电阻体温度之间的关系。n零功率是指在某一规定温度下测量零功率是指在某一规定温度下测量PTC 热敏电阻值时热敏电阻值时，保证功耗低保证功耗低到因功率引起的阻值的变化可以忽略的程度。到因功率引起的阻值的变化可以忽略的程度。n表征电阻温度特性的参数表征电阻温度特性的参数nR25 为额定零功率电阻为额定零功率电阻 nRmin最小零功率电阻最小零功率电阻，相应温度为相应温度为TminnRb 为开关电阻为开关电阻，相应温度相应温度Tb 为开关温度为开关温度，开关温度是电阻

15、产生阶跃开关温度是电阻产生阶跃增大时的温度增大时的温度，与居里温度相对应与居里温度相对应；nRmax为最大零功率电阻为最大零功率电阻，相应温度为相应温度为Tmax n最大电阻与最小电阻之比最大电阻与最小电阻之比Rmax/Rmin为升阻比为升阻比，是表征是表征PTC 效应的效应的重要参数重要参数n电阻温度系数电阻温度系数t(%/)，t=d R/Rd TnBaTiO3 基基PTC 热敏电阻器的阻温特性示意曲线如图所示热敏电阻器的阻温特性示意曲线如图所示。R25 为额定零功率电阻为额定零功率电阻 Rmin最小零功率电阻最小零功率电阻，相应温度为相应温度为TminRb 为开关电阻为开关电阻，相应温度相

16、应温度Tb 为开关温度为开关温度，即，即居里温度居里温度Rmax为最大零功率电阻为最大零功率电阻，相应温度为相应温度为Tmax 最大电阻与最小电阻之比最大电阻与最小电阻之比Rmax/Rmin为升阻比为升阻比BaTiO3系系PTC 陶瓷的电阻温度特性陶瓷的电阻温度特性n o室温电阻率室温电阻率nPTC=lg(max/min)nTcdTdT1nT Tc,NTC behaviornTc:拐点温度，拐点温度，急剧变化急剧变化n 可达可达104107 cm 钛酸钡BaTiO3陶瓷陶瓷 产生产生PTC效应的条件效应的条件条件：条件：晶粒充分半导化晶粒充分半导化晶界具有适当绝缘性晶界具有适当绝缘性半导化途径

17、：半导化途径：掺杂掺杂 M2O3:La,Pr,Nd,Gd,Y M2O5:Nb,Sb,Ta 控制烧结气氛，偏离化学计量比控制烧结气氛，偏离化学计量比BaTiO3陶瓷的半导化陶瓷的半导化nBaTiO3的禁带宽度为的禁带宽度为 3eVnBaTiO3陶瓷在室温下的体积电阻率约为陶瓷在室温下的体积电阻率约为 1012 -cmBaTiO3 陶瓷半导化的途径和机制陶瓷半导化的途径和机制n强制还原法强制还原法在真空、惰性气氛或还原气氛中在真空、惰性气氛或还原气氛中加热处理加热处理BaTiO3，可得电阻率为，可得电阻率为100 103 -cm的的 n 型型BaTiO3半导体半导体n机制：形成氧空位，产生机制：形

18、成氧空位，产生Ti4+.e Ba2+Ti4+O32-Ba2+Ti4+1-2x(Ti4+.e)2xO3+Vo+1/2x O2n特点：采用工业原料可实现半导化，但强制还原特点：采用工业原料可实现半导化，但强制还原的的BaTiO3陶瓷不呈现陶瓷不呈现PTC效应效应n施主掺杂法（价控半导化）高价元素取代施主掺杂法（价控半导化）高价元素取代n如：三价离子如：三价离子(La3+,Nd3+.Sm3+,Y3+,Bi3+,Sb3+等）取代等）取代Ba2+Ba2+Ti4+O32-+xLa3+Ba2+1-xLa3+x Ti4+1-x(Ti4+.e)xO3+xBa2+n或或 五价离子（如五价离子（如Ta5+,Nb5+

19、,Sb5+等）取代等）取代Ti4Ba2+Ti4+O32-+xNb5+Ba2+Ti4+1-2x(Ti4+.e)xNb5+xO3+xTi4+n掺杂过量时，重新绝缘化掺杂过量时，重新绝缘化n原因：原因：n稀土受主作用稀土受主作用：部分稀土离子占据：部分稀土离子占据Ti位，实现电价补偿，重新绝缘位，实现电价补偿，重新绝缘 Ba2+Ti4+O32-+xLa3+Ba2+1-x/2La3+x/2(Ti4+1-x/2La3+x/2)O3+x/2Ba2+x/2Ti4+nBa空位空位：(Ba2+1-3x/2x/2La3+x)Ti4+O3,Ba空位补偿施主离子的多余电空位补偿施主离子的多余电价，避免价，避免(Ti4

20、+.e)形成形成n价控半导化的特点：价控半导化的特点：采用高纯原料，施主掺杂的浓度采用高纯原料，施主掺杂的浓度限制在一个狭窄的范围内，在空气中烧成即可实现半限制在一个狭窄的范围内，在空气中烧成即可实现半导化。导化。nAST掺杂：掺杂：SiO2,SiO2+Al2O3,SiO2+Al2O3+TiO2n原料中存在的受主杂质原料中存在的受主杂质,如如Fe、Mg等抑制半导化等抑制半导化nBaTiO3+xLa3+xFe3+Ba2+xLa3+x(Ti4+1-xFe3+x)O2-3nAST与原料中的受主杂质形成玻璃相，促进半导化与原料中的受主杂质形成玻璃相，促进半导化n特点：特点：采用一般工业原料，在空气中烧

21、结即可实现半导化。采用一般工业原料，在空气中烧结即可实现半导化。钛酸钡影响影响BaTiO3 陶瓷陶瓷PTC效应的因素效应的因素n组成的影响组成的影响 Ba/Ti PbTiO3(Tc=510)SrTiO3(Tc=-250)n受主杂质妨碍受主杂质妨碍BaTiO3陶瓷的半导化陶瓷的半导化n烧成条件影响：烧成温度、保温时间、冷却速率、烧成气氛烧成条件影响：烧成温度、保温时间、冷却速率、烧成气氛n显微结构的影响显微结构的影响 晶粒晶粒 晶界晶界 Ba/Ti比对比对BaTiO3热敏陶瓷性能的影响热敏陶瓷性能的影响nBa/Ti 1（在化学计量比附近）（在化学计量比附近），陶瓷，陶瓷可以呈现最低的体积电阻率；

22、可以呈现最低的体积电阻率；nBa/Ti 1（在化学计量比附近）（在化学计量比附近），陶瓷陶瓷的体积电阻率高，易于实现陶瓷的细晶的体积电阻率高，易于实现陶瓷的细晶化。化。BaTiO3系系PTC陶瓷的添加剂及作用陶瓷的添加剂及作用Addition typeAdditionfunctionTypicalsubstitution levelfor Ba or TiAddition elementsusedImpact on PTCpropertiesIsovalentSolid-solutionsubstitutionfor Ba or Ti inthe titanate0-0.20Sr,Pb,Ca,

23、SnAdjust TcAltervalentSemiconduction control0-0.008Y,La,Sb,Ce,Nb,TaResistivityadjustmentBoundaryBaririer layercontrol0-0.002Mn,Fe,V,CuHigh PTCmagnitudeSinteringLiquid-phasesintering0.005-0.020Si,Ti,Al,GeImprove PTCqualityPoisonsImpurities thatdegrade PTCquality0.0002-0.0050Na,K,Al,P,Mg,transition me

24、taqlsDegrade PTCqualityn等价取代等价取代调整居里温度调整居里温度n施主掺杂施主掺杂价控半导化价控半导化n受主掺杂（受主掺杂（Barrier Layer Modifiers)）如过渡金属离子如如过渡金属离子如Mn3、Cr3，改变晶界势垒状态，提高，改变晶界势垒状态，提高PTC效应效应n对对PTC效应有害的杂质效应有害的杂质碱金属离子：碱金属离子：Na,K,Li,过渡金属：过渡金属：Fe,Ni,Co,Cu等，等，受主掺杂元素：受主掺杂元素：Al,B，阴离子：阴离子：Cl,S,SO4等等n助烧剂助烧剂AST等价取代等价取代BaTiO3PTC热敏陶瓷的阻温曲线热敏陶瓷的阻温曲线

25、Barrier Layer Modifiers对对PTC效应的影响效应的影响1999烧成条件对烧成条件对PTC陶瓷性能的影响陶瓷性能的影响n烧结气氛：空气或氧气；烧结气氛：空气或氧气；n保温时间延长，电阻率升高；保温时间延长，电阻率升高；n烧结温度高，利于晶粒长大，对烧结温度高，利于晶粒长大，对PTC陶陶瓷的性能不利；瓷的性能不利；n降温速率慢，材料的电阻率高，通常降温速率慢，材料的电阻率高，通常150300 C/h。晶粒大小对晶粒大小对BaTiO3 PTC热敏陶瓷性能的影响热敏陶瓷性能的影响n晶粒均匀细小，利于改善陶瓷的晶粒均匀细小，利于改善陶瓷的PTC开开关特性，陶瓷具有高的正温度系数；关

26、特性，陶瓷具有高的正温度系数；n晶粒大小通常为晶粒大小通常为45 m以下，要求原料以下，要求原料细、纯、匀，也可以添加一些晶粒生长细、纯、匀，也可以添加一些晶粒生长抑制剂控制晶粒长大。抑制剂控制晶粒长大。PTC 材料性能的改进材料性能的改进n控制居里温度。控制居里温度。在在50 340 范围内可以对居里点进行有效的控范围内可以对居里点进行有效的控制。无掺杂的制。无掺杂的BaTiO3 的居里点在的居里点在120，对其进行等价离子置换对其进行等价离子置换，可可有有效地改变其居里点。例如效地改变其居里点。例如，在在BaTiO3 中掺杂中掺杂Pb 可以使其居里可以使其居里点向高温方向移动点向高温方向移

27、动，掺杂掺杂Sr 则可以使居里点向低温方向移动则可以使居里点向低温方向移动，掺杂掺杂量不同居里点移动的幅度也不同。量不同居里点移动的幅度也不同。n降低室温电阻率。降低室温电阻率。用施主元素用施主元素，即即3 价或价或5 价的稀土元素如价的稀土元素如La3+、Ta5+、Nb5+等等，取代取代Ba2+或或Ti4+的位置，导致电阻率下降。的位置，导致电阻率下降。n提高升阻比与电阻温度系数。提高升阻比与电阻温度系数。可掺杂微量受主元素可掺杂微量受主元素，如如Mn。受主掺。受主掺杂是低价离子置换高价离子后杂是低价离子置换高价离子后，为了保持电价平衡为了保持电价平衡，低价离子周围低价离子周围会产生空穴会产

28、生空穴，在禁带中形成一个附加的受主能级在禁带中形成一个附加的受主能级，电子很容易激发电子很容易激发到此能级到此能级，降低电子载流子的数量降低电子载流子的数量，使电阻率上升。受主加入量应使电阻率上升。受主加入量应严格控制严格控制，过量的受主杂质会使材料失去过量的受主杂质会使材料失去n 型半导性。型半导性。钛酸钡BT热敏陶瓷的制备工艺热敏陶瓷的制备工艺(p235-238)n原料的选择原料的选择 主料主料 掺杂剂：掺杂剂：La2O3，Y2O3，Nb2O5 抗杂剂：抗杂剂：AST 晶粒生长抑制剂：晶粒生长抑制剂：BaSO4 n粉体制备粉体制备/湿法球磨混料湿法球磨混料n成型成型n烧结烧结n制备电极：制

29、备电极：Ag，Ni，Zn，Aln性能测试性能测试粉体制备举例粉体制备举例n固相法，固相法，sol-gel，化学共沉淀法，醇盐水解法，化学共沉淀法，醇盐水解法n固相法：固相法：BaCO3+TiO2 BaTiO3+CO2n化学共沉淀法：化学共沉淀法：Ba2+Ti4+H2C2O4 BaTiO(C2O4)2.4H2O粉体市场粉体市场n国外国外BaTiO3粉体粉体，以日本的产量最大，占世界总产量，以日本的产量最大，占世界总产量的的90%，达，达4 000 t/a。著名的厂家是富士钛工业。著名的厂家是富士钛工业（株），日本的（株），日本的Sakai 化学工业（株），则用水热法化学工业（株），则用水热法生产

30、生产BaTiO3，月产量达，月产量达50 t。n美国美国TAM 公司生产的公司生产的BaTiO3 有有12 个品种，其中有个品种，其中有11 个系用固相法生产的，仅个系用固相法生产的，仅HPB 是用草酸盐法生产是用草酸盐法生产的。的。技术陶瓷粉体原料的要求技术陶瓷粉体原料的要求n化学特性：化学特性：n纯度或含量、杂质的种类纯度或含量、杂质的种类n物理特性：物理特性：n颗粒形状、粒度分布、密度、比表面积、物相、晶格常数、颗粒形状、粒度分布、密度、比表面积、物相、晶格常数、热特性（热特性（TGA 与与DTA）成成 型型成成 型型n干压成型（干压成型（80100MPa），聚乙烯醇溶液为粘结剂），聚乙

31、烯醇溶液为粘结剂n高温烧结（高温烧结（13001400)（快速）（快速）1200低温氧化低温氧化 VBa烧成工艺烧成工艺电极制备电极制备nPTC 热敏电阻在应用时，均需在其表面制备金属电极。热敏电阻在应用时，均需在其表面制备金属电极。电极的种类，则随用途不同而异。电极对产品的性能电极的种类，则随用途不同而异。电极对产品的性能及稳定性影响很大。电极材料应满足下述要求：及稳定性影响很大。电极材料应满足下述要求：n（A）能与电阻体实现良好的欧姆接触；）能与电阻体实现良好的欧姆接触；n（B）导电性好；）导电性好；n（C）与电阻体尽可能有一致的线膨胀系数；）与电阻体尽可能有一致的线膨胀系数；n（D）化学

32、稳定性好。）化学稳定性好。常用的电极常用的电极nIn-Ga电极电极nAg-Zn nAl电极电极n真空蒸镀与真空溅射真空蒸镀与真空溅射Ni-Ag电极电极n为提高限流用为提高限流用PTC 元件的耐流与耐压特性，可采用真空蒸镀元件的耐流与耐压特性，可采用真空蒸镀先蒸一层约先蒸一层约0.20.3 mm的的镍镍，再印刷一层，再印刷一层Ag。n也有采用真空溅射金属也有采用真空溅射金属Ti 或或Cr；n或先溅射或先溅射Cr（约（约0.3 mm厚），再溅射厚），再溅射Ni（约（约0.2 mm厚），然厚），然后，再印刷一层后，再印刷一层Ag。与真空蒸镀相比，真空溅射更易形成欧。与真空蒸镀相比，真空溅射更易形成欧

33、姆接触。此类电极具有良好的抗老化特性与耐压特性，但成姆接触。此类电极具有良好的抗老化特性与耐压特性，但成本高。本高。n化学镀化学镀Ni或或Cu电极电极钛酸钡BaTiO3 半导瓷半导瓷 PTC 效应的物理机制效应的物理机制n与与PTC效应相关的实验现象效应相关的实验现象nBaTiO3单晶半导体不呈现单晶半导体不呈现PTC效应与晶界有关效应与晶界有关n施主掺杂的半导化施主掺杂的半导化BT陶瓷有陶瓷有PTC效应，而受主掺杂效应，而受主掺杂BT无无PTC效效应应n还原气氛下的半导化还原气氛下的半导化BT不具有不具有PTC效应效应nPTC效应与烧成气氛有关效应与烧成气氛有关nPTC效应与冷却方式关系甚大

34、效应与冷却方式关系甚大PTC效应的效应的 Heywang模型模型n在多晶在多晶BaTiO3半导体材料的晶半导体材料的晶界存在一个由受主表面态引起的界存在一个由受主表面态引起的势垒层势垒层 =v exp(/kT)nHeywang 模型无法解释以下现象：模型无法解释以下现象：nPTC效应只出现在施主掺杂效应只出现在施主掺杂 n型半导化型半导化BT，而还原法，而还原法n型型BT无无PTC效应效应nPTC效应与冷却方式有关。效应与冷却方式有关。PTC 效应的效应的Daniels 模型模型n1976年年Daniels提出提出Ba缺位模型：缺位模型：nBaTi3O7+2BaBa+2 OO 3BaTiO3+

35、2 VBa+2 VO 扩散系数：扩散系数：VO VBa 晶界上产生晶界上产生VBa n在高氧分压下，施主掺杂的在高氧分压下，施主掺杂的BaTiO3中的施主电子被双电离的钡缺位中的施主电子被双电离的钡缺位补偿，形成势垒补偿，形成势垒nDaniels 模型可很好的解释以下现象：模型可很好的解释以下现象：n还原法制备的还原法制备的n型型BaTiO3瓷无瓷无PTC效应：效应：因还原半导因还原半导化，无钡缺位形成化，无钡缺位形成n冷却条件对冷却条件对PTC效应的影响效应的影响 钡缺位是在冷却过程中形成的钡缺位是在冷却过程中形成的PTC 效应的效应的Jonker 模型模型nJonker 认为认为BaTiO

36、3半导体陶瓷的晶界半导体陶瓷的晶界存在着非平衡氧化还原反应。在存在着非平衡氧化还原反应。在Tc以下以下的低阻态主要是由的低阻态主要是由BaTiO3的铁电性质决的铁电性质决定的。定的。钛酸钡PTC热敏陶瓷应用热敏陶瓷应用n对温度敏感特性的应用对温度敏感特性的应用 如电机的过热保护如电机的过热保护n延迟特性的应用延迟特性的应用 如如 电视机的自动消磁，电冰箱的低温启动电视机的自动消磁，电冰箱的低温启动n自控加热方面的应用自控加热方面的应用消磁用消磁用PTC 热敏电阻器热敏电阻器n消磁用消磁用PTCPTC热敏电阻器热敏电阻器用于消除彩管阴罩、防爆环剩磁及地磁等用于消除彩管阴罩、防爆环剩磁及地磁等杂散

37、磁场对彩色画面的影响，因而在彩电、彩显（监）中广为应杂散磁场对彩色画面的影响，因而在彩电、彩显（监）中广为应用。用。n我国此类产品的质量，早在我国此类产品的质量，早在20 世纪世纪90 年代中期，就已达到国外年代中期，就已达到国外同类产品的先进水平；产量也已自给有余，并已大量出口。同类产品的先进水平；产量也已自给有余，并已大量出口。n为提高消磁效果，为提高消磁效果，PTCPTC产品的发展趋势是：产品的发展趋势是：n提高提高TC，从现在的，从现在的50提高到提高到60或更高，以改善电流或更高，以改善电流时间衰减时间衰减特性；特性；n降低降低R25，从，从18 、27 、36 ，降至，降至9 、7

38、 ，甚至，甚至5 、3 ，以提高突入电流。以提高突入电流。n双消磁并联消磁回路的应用，以解决双消磁并联消磁回路的应用，以解决74 74 cm、86 cm 纯平彩电开机纯平彩电开机后出现的视频不良现象。后出现的视频不良现象。n根据欧姆定律，根据欧姆定律，I=V/（RPTCR+RL）。欲使）。欲使I 大，应使用低大，应使用低R25 的的PTC 热敏电阻，或将两片，如热敏电阻，或将两片，如9 的的PTC 热敏电阻并联。热敏电阻并联。马达启动用马达启动用PTC 热敏电阻器热敏电阻器nPTC 热敏电阻，可用于冰箱、空调的压缩机启动。普通空调、电热敏电阻，可用于冰箱、空调的压缩机启动。普通空调、电冰箱的压

39、缩机，系由单相感应电动机驱动。启动时，既要克服电冰箱的压缩机，系由单相感应电动机驱动。启动时，既要克服电动机本身的惯性，又要克服负载动机本身的惯性，又要克服负载高压制冷剂的反作用力，故高压制冷剂的反作用力，故需要较大的启动电流。通常要采用带有需要较大的启动电流。通常要采用带有PTC 热敏电阻器的启动电热敏电阻器的启动电路。路。n主回路中串接主回路中串接PTC 热敏电阻器，可避免通电之初，整流滤波电路热敏电阻器，可避免通电之初，整流滤波电路直接承受大电流的冲击，造成储能元件损坏。即直接承受大电流的冲击，造成储能元件损坏。即PTC 热敏电阻器，热敏电阻器，在通电初期起了缓冲保护作用。又当继电器失效

40、，在通电初期起了缓冲保护作用。又当继电器失效，PTC 热敏电阻热敏电阻因通电后呈高阻态，也可对电路进行保护。因通电后呈高阻态，也可对电路进行保护。n国内此类产品与日本村田及德国国内此类产品与日本村田及德国Siemens 的产品相比，差距主的产品相比，差距主要是消耗功率与恢复时间两大指标上。要是消耗功率与恢复时间两大指标上。PTC 热敏电阻器启动马达的优势热敏电阻器启动马达的优势n国外大约国外大约80%冰箱压缩机采用冰箱压缩机采用PTCR 启动启动，国产冰箱压缩机厂国产冰箱压缩机厂家也积极改用家也积极改用PTCR，目前国产压缩机年产量超过目前国产压缩机年产量超过1000 万台万台。n采用采用PT

41、CR启动的优点：启动的优点：n取代了有触点的电磁继电器取代了有触点的电磁继电器n省去了电容省去了电容n具有无火花、启动无噪音、寿命长、低电压下正常启动具有无火花、启动无噪音、寿命长、低电压下正常启动，节省电机节省电机铜线等优点。铜线等优点。限流用限流用PTC 热敏电阻器热敏电阻器nPTC 热敏电阻器，主要用于配线架、程控交换机、电子仪器、仪热敏电阻器，主要用于配线架、程控交换机、电子仪器、仪表等电路中，作过流、过热保护用。由于异常原因，电路中流过表等电路中，作过流、过热保护用。由于异常原因，电路中流过大电流或过热时，大电流或过热时，PTC 热敏电阻器之阻值增大，可在很短时间内热敏电阻器之阻值增

42、大，可在很短时间内使大电流急速衰减，从而起到限流过热保护作用。使大电流急速衰减，从而起到限流过热保护作用。加热用加热用PTC热敏电阻器热敏电阻器n驱蚊器、医疗保健类加热器及牛奶、饭驱蚊器、医疗保健类加热器及牛奶、饭菜保温类加热器、暖风机与冷暖空调用菜保温类加热器、暖风机与冷暖空调用的辅助加热器等大功率发热器件等。的辅助加热器等大功率发热器件等。n这类加热器的发展趋势系改进造型，提这类加热器的发展趋势系改进造型，提高安全性与降低成本。高安全性与降低成本。其他其他PTC热敏陶瓷热敏陶瓷（李龙土等，1997，清华大学材料系）n其他常见的钙钛矿型正温度系数热敏电阻其他常见的钙钛矿型正温度系数热敏电阻(

43、PTCR)材材料有料有n(Ba,Pb)T iO 3n(Sr,Ba)T iO 3 n(Sr,Pb)T iO 3 n(Sr,Pb)T iO 3 陶瓷是陶瓷是1988 年由日本科学家滨田宗光等年由日本科学家滨田宗光等发现的一种新型热敏电阻材料，这种材料通常显示发现的一种新型热敏电阻材料，这种材料通常显示N TC 和和PTC 复合的复合的V 型型PTC 特性，即材料除了在居里特性，即材料除了在居里温度以上具有温度以上具有PTC 效应外，在居里温度以下还具有较效应外，在居里温度以下还具有较强的强的N TC 效应。加入适当的添加剂后，可以减弱其效应。加入适当的添加剂后，可以减弱其NTC效应。效应。李龙土等，1997清华大学材料系(Sr,Pb)T iO 3 PTC陶瓷陶瓷