[发明专利]低阻陶瓷热敏电阻材料、制备工艺及其应用

说明书

本发明属于正温度系数陶瓷热敏电阻材料，特别适用于制作在电路中起保护作用的限流热敏电阻。

PTC热敏电阻具有开关性能。当电路在正常状态工作时，PTC热敏电阻器处于低阻“导通”状态中;但当电路出现故障（如过载、欠压、短路）使工作电流增大时，PTC热敏电阻器会在规定的时间内处于高阻状态，即“关断”状态中，在电路中起保护作用。由于PTC热敏电阻器的开关是非破坏性的无触点保护器，且成本低廉，在许多电器的保护上已经取代了保险丝、双金属片和电子保护器这些落后的保护方式，得到了越来越广泛的应用。目前、国外技术发达国家尤其是日本在这方面均开展了大量的研究及应用工作，我国近几年来也开始了研究和应用工作。我国的市电电压为220V，因此用于电路保护的热敏电阻PTC应当具有超过220V的耐压性能，但是，现有的以BaTiO₃为基制成的PTC热敏电阻材料，其电阻器的阻值和耐压难以做到≤10欧姆、＞270V，生产合格率不足20%，效率太低，且至今也没有查到220V电网中的大功率电器上采用PTC热敏电阻器保护的报道。以洗衣机排水用电磁铁为例（其额定电压220V、吸合功率360VA、消耗功率＞16VA），目前我国在这方面的生产量非常大，但过电流保护一直沿用陈旧的方法，比如采用保险丝保护方式，这种方法属破坏性保护方式，动作时间长、可靠性差，严重影响电器的寿命和使用者的安全。

本发明的基本目的在于提供一种低阻值高耐压的大功率正温度系数热敏电阻材料，它具有合格率高、寿命长、安全可靠的特点。

本发明的第2个目的是提供一种制备上述材料的工艺，其生产周期短，制备费用大幅度下降。

本发明的第3个目的是提供上述PTC材料的新的应用。

本发明的技术方案如下：以纯度99.5%-99.99%、粒度0.1-2微米的BaTiO₃为基，加入适量的Y₂O₃（或Nb₂O₅）、SiO₂、Mn（NO₃）₂、TiO₂，经常规的二次烧成制备工艺或本发明提供的一次烧成新工艺制成。其材料的配比范围如下：

BaTiO₃100 mol%

Y₂O₃0.3-0.4 mol%

SiO₂2-3 mol%

Mn（NO₃）₂0.08-0.15 mol%

TiO₂1-5 mol%

BaTiO₃是最主要的原料，提高其纯度对低阻高耐压材料的生产合格率影响极大，当纯度为99.5%时，合格率就会大于20%，纯度增大合格率也随之增大;BaTiO₃的粒度也对材料的耐压性能有影响，从而影响材料的生产合格率，从2微米开始粒度越细耐压性能越高。

此外，经实验发现当BaTiO₃粉料是用草酸共沉淀法制得时，提高BaTiO₃粉料纯度和粒度对PTC材料生产合格率的提高更为明显和稳定，且当BaTiO₃的纯度＞99.9%，粒度0.1-2微米时，合格率可高达70%以上。

上述各原料的选用原则：

BaTiO₃作为主料，是提供PTC效应的基础，随着其纯度和粒度的提高材料的阻值下降，电压梯度上升;

Y₂O₃作为施主掺杂物，能显著提高材料的半导化程度，随着掺入量的增大，其电阻会上升。除了Y₂O₃外Nb₂O₅也有相同效果;

SiO₂作为界晶玻璃相，具有提高瓷片耐压、吸附界面有害杂质的作用，随着掺入量的增大，材料的电阻呈下凹性变化曲线，电压梯度随之增大;

Mn（NO₃）₂作为受主掺杂物，能大幅度提高材料的PTC效应，随着掺入量增大，材料的电阻和电压梯度均增大;

TiO₂对改善材料的半导化程度、降低气吸率都有一定作用，随着掺入量的增大，材料的电阻值比值的数量级成下降趋势。

几个配方实例：