提高ptc陶瓷元件耐電壓性能的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及PTC陶瓷元件的制造技術(shù)，具體是一種提高PTC陶瓷元件耐電壓性能的方法。該方法依次包括以下步驟：a.配料：將原料一次加入，形成全價(jià)混料；b.混磨：實(shí)現(xiàn)物料的一次均勻化；c.煅燒：實(shí)現(xiàn)相組織和主相晶格的一次均勻化；d.再磨：通過二次破碎和研磨作用，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)物料的均勻化，以及晶粒和晶界相組織的細(xì)化和均勻化；e.造粒；f.壓制；g.燒成；h.磨削；i.噴鋁；j.分檢。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于該方法依靠常規(guī)的原料和設(shè)備，通過提高器件、物料、相組織和晶格層面的均勻性，能夠生產(chǎn)出耐電壓能力明顯好于常規(guī)產(chǎn)品的耐高電壓PTC陶瓷元件，并且由此可以解決一系列電熱器具、電氣控制裝置和電器保護(hù)裝置的關(guān)鍵元件問題。
【專利說明】提高PTC陶瓷元件耐電壓性能的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及PTC陶瓷元件的制造技術(shù)，具體是一種用來使PTC正溫度系數(shù)陶瓷元件獲得高耐電壓能力(耐電壓擊穿能力和抗老化能力)的提高PTC陶瓷元件耐電壓性能的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]PTC正溫度系數(shù)陶瓷元件是制造PTC電加熱器具的關(guān)鍵元件，具有良好的快速啟動(dòng)、溫度自控、穩(wěn)定發(fā)熱和本征安全特性，因而在家用空調(diào)輔助加熱器、汽車空調(diào)輔助加熱器、熱風(fēng)取暖加熱器、洗碗機(jī)烘干加熱器、洗衣機(jī)烘干加熱器、物料干燥用加熱器、食品加工用加熱器、金屬釬焊加熱器、電熱水器等方面得都到廣泛應(yīng)用。此外，PTC陶瓷元件也是制造限流器、過流保護(hù)器、過載保護(hù)器、消磁控制器、啟動(dòng)控制器等電力控制與保護(hù)裝置的關(guān)鍵元件。
[0003]在一定電壓條件下能夠穩(wěn)定工作，顯然是對(duì)PTC陶瓷元件的基本要求。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，要求PTC陶瓷元件能夠耐受更高的額定電壓，甚至能夠耐受源自電源、荷載和開關(guān)元件的沖擊電壓。近年，這方面的技術(shù)要求呈現(xiàn)越來越高、越來越廣的發(fā)展趨勢(shì)。例如，電動(dòng)汽車為追求更高的電效率和比功率，而傾向于采用更高的工作電壓(目前已達(dá)40(T600V)，車載電池放電過程的電壓波動(dòng)、汽車啟停時(shí)的沖擊作用、電力電子元件的開關(guān)動(dòng)作，都會(huì)形成明顯的電壓沖擊作用，這就要求與之配套的車載電加熱器最好采用耐高電壓PTC陶瓷元件進(jìn)行制造，否則就必須采用復(fù)雜、昂貴、轉(zhuǎn)換效率較低、可靠性較差和笨重的逆變降壓供電系統(tǒng)。對(duì)應(yīng)用于電力控制的PTC陶瓷元件，因其承載的電壓和功率通常都比較大、工藝地位更為關(guān)鍵，對(duì)其耐高電壓能力的要求就更為迫切。
[0004]研究表明，PTC陶瓷元件在實(shí)際發(fā)生破壞時(shí)，通常遠(yuǎn)未達(dá)到材料學(xué)意義上的破壞條件，而且呈現(xiàn)很強(qiáng)的不確定性。其原因在于，實(shí)際的PTC陶瓷元件，在器件、物料、相組織和晶格層面都存在明顯的不均勻性，包括晶界物系組成、晶界厚度、晶粒大小、施主濃度、受主濃度、表面形貌等，甚至存在偏析、夾雜、疏松、氣孔、裂紋等缺陷。正是這些不均勻性甚或缺陷，以及它們?cè)诳臻g分布、迭加關(guān)系等方面的不確定性，使得實(shí)際的PTC陶瓷材料中必然存在耐電壓能力薄弱點(diǎn)，正是這些耐電壓能力薄弱點(diǎn)決定了 PTC陶瓷元件的耐電壓能力，使其遠(yuǎn)低于理論值，并且在不同批次、不同元件以及同一元件的不同部位上呈現(xiàn)顯著的隨機(jī)性。由此可見，即使采用正確的配方和關(guān)鍵工藝參數(shù)(例如煅燒溫度、成型壓力、焙燒溫度等)，如果沒有適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)制造方法，使PTC陶瓷元件在器件、物料、相組織和晶格層面均具有較好的均勻性，就不能保證不同批次、不同元件以及同一元件不同部位的耐電壓能力具有較好的一致性，從而不能最大限度地發(fā)揮PTC陶瓷材料的耐電壓能力，也就不能批量化生產(chǎn)耐電壓性能足夠好的PTC陶瓷元件產(chǎn)品 。
[0005]為了獲得耐電壓能力較好的PTC陶瓷元件，中國(guó)專利“抗電壓沖擊PTC熱敏電阻及其制造方法(200710172259.4)”，提出一種將電極涂層限于PTC陶瓷元件邊沿部位的解決方案，使PTC陶瓷元件中心部位沒有直接的電流通入，以此糾正PTC陶瓷元件中心部位溫度偏高、耐電壓能力偏弱、易于被擊穿的傾向，應(yīng)該能夠收到一定的相對(duì)效果。但是，如果不能有效控制PTC陶瓷元件的電氣性能參數(shù)離散度，仍然不能對(duì)PTC陶瓷元件的耐電壓能力給出確定的保證，而且由于PTC陶瓷元件中間部位沒有電流直接通入，就必然會(huì)降低PTC陶瓷元件的功效，顯見這種方法具有局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種使用常規(guī)PTC陶瓷元件的生產(chǎn)原料，獲得具有高耐電壓能力的提高PTC陶瓷元件耐電壓性能的方法。
[0007]本發(fā)明的提高PTC陶瓷元件耐電壓性能的方法依次包括以下步驟:
a.配料:將制造PTC陶瓷元件的常規(guī)原料施主形成劑、受主形成劑、燒結(jié)助劑、居里點(diǎn)調(diào)整劑、晶粒度調(diào)整劑一次加入碳酸鋇和二氧化鈦主料之中，使之形成全價(jià)混料；
b.混磨:在球磨機(jī)中對(duì)配料形成的混合料進(jìn)行濕法混磨，借助液相中的攪拌、混合、破碎和擴(kuò)散作用，實(shí)現(xiàn)物料的一次均勻化；磨筒內(nèi)溫度控制在35~50°C，并相對(duì)常規(guī)方法延長(zhǎng)磨制時(shí)間20%~50% ；
c.煅燒:對(duì)混磨后的漿料進(jìn)行脫水、干燥，再置于電熱隧道窯內(nèi)進(jìn)行煅燒合成；在形成鈦酸鋇主相的同時(shí)，利用高溫?cái)U(kuò)散作用，使施主形成劑、受主形成劑、居里點(diǎn)調(diào)整劑、晶粒度調(diào)整劑在主相中完成初次擴(kuò)散和固溶，也使雜質(zhì)得以富集、初次晶界得以形成，實(shí)現(xiàn)相組織和主相晶格的一次均勻化；
d.再磨:將煅燒料破碎后，再行加入球磨機(jī)中進(jìn)行濕法混磨制漿，使煅燒過程初次形成的相組織被重新破碎分散；通過這種二次破碎和研磨作用，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)物料的均勻化，以及晶粒和晶界相組織的細(xì)化和均勻化；
e.造粒:對(duì)再磨料漿加入表面 活性劑(聚乙烯醇PVA等)，配以剪切攪拌，調(diào)整溫度至4(T45°C，造粒后獲得松裝料；
f.壓制:將造粒制得的松裝料加入壓制模型，在壓機(jī)上壓制出PTC陶瓷元件生坯；在這里，采用顆粒狀的松裝料，不僅能夠保證裝料量的準(zhǔn)確性，而且能夠減少模型壁面附近因摩擦、滑移效應(yīng)形成缺陷的密度；
g.燒成:將壓制獲得的生坯載入耐熱陶瓷匣缽，在電熱隧道窯中通過提高生坯在燒成隧道窯中的推進(jìn)速度、在冷卻段強(qiáng)制鼓風(fēng)，使燒成工序的升溫速度和降溫速度均相對(duì)常規(guī)燒成方法提高15%~25% ;通過快速升溫、快速降溫，能夠較好地抑制晶粒異常生長(zhǎng)以及施主元素、受主元素和居里點(diǎn)調(diào)整元素的晶間析出，以保證PTC陶瓷元件燒成毛坯具有較好和均勻的電氣、機(jī)械特性；
h.磨削:為了去除毛坯因表層滑移、模具污染、燒成氣氛污染、直接受熱所形成的表面異常結(jié)構(gòu)層，也為了保證元件幾何尺寸精度和電極層噴涂的效果，先在專用磨床上對(duì)燒成的毛坯的大面、側(cè)面、和端面進(jìn)行磨削，再在拋磨滾筒中以細(xì)粒石英砂為磨料進(jìn)行倒角、拋磨和毛化，最后再進(jìn)行超聲清洗，以減少表層缺陷、保證相組織均勻性，并為噴鋁層的緊密附著創(chuàng)造條件；
1.噴鋁:將拋磨加工后的PTC陶瓷元件毛坯載入鏤空噴涂模板，并預(yù)熱至特定溫度后，使用氧炔焰或者電弧等離子體噴涂機(jī)，對(duì)PTC陶瓷元件毛坯的雙側(cè)大面進(jìn)行噴鋁加工，使之形成四周留有未噴鋁邊沿的導(dǎo)電金屬膜，以保證PTC陶瓷元件在實(shí)際電路中的歐姆連接，并且可以防止邊沿爬電擊穿；噴鋁采用多次噴掃成膜方法，以控制鋁膜的厚度和滲入深度，使之不影響PTC陶瓷元件的耐高電壓能力。
[0008]j.分檢:針對(duì)PTC陶瓷元件的幾何尺寸、常溫電阻、擊穿電壓參數(shù)，進(jìn)行分檢，最終得到電氣參數(shù)符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的PTC陶瓷元件分級(jí)合格品。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于該方法依靠常規(guī)的原料和設(shè)備，通過提高器件、物料、相組織和晶格層面的均勻性，能夠生產(chǎn)出耐電壓能力明顯好于常規(guī)產(chǎn)品的耐高電壓PTC陶瓷元件，并且由此可以解決一系列電熱器具、電氣控制裝置和電器保護(hù)裝置的關(guān)鍵元件問題。
【具體實(shí)施方式】
[0010]本發(fā)明方法的實(shí)施例依次包括以下步驟:
a.配料:將制造PTC陶瓷元件的常規(guī)原料施主形成劑、受主形成劑、燒結(jié)助劑、居里點(diǎn)調(diào)整劑、晶粒度調(diào)整劑一次加入碳酸鋇和二氧化鈦主料之中，使之形成全價(jià)混料；其中以氧化鈦和碳酸鋇為主相，以鈮(納米級(jí)氧化物)為施主元素、錳為受主元素、鉛為居里點(diǎn)調(diào)整元素、鈣為晶粒度調(diào)整元素、氧化硅(氣相化)為燒結(jié)助劑。
[0011]b.混磨:在球磨機(jī)中對(duì)配料形成的混合料進(jìn)行濕法混磨，借助液相中的攪拌、混合、破碎和擴(kuò)散作用，實(shí)現(xiàn)物料的一次均勻化；磨筒內(nèi)溫度控制在35~50°C，并相對(duì)常規(guī)方法延長(zhǎng)磨制時(shí)間50%。
[0012]c.煅燒:對(duì)混磨后的漿料進(jìn)行脫水、干燥，再置于電熱隧道窯內(nèi)進(jìn)行煅燒合成；在形成鈦酸鋇主相的同時(shí)，利用高溫?cái)U(kuò)散作用，使施主形成劑、受主形成劑、居里點(diǎn)調(diào)整劑、晶粒度調(diào)整劑在主相中完成初次擴(kuò)散和固溶，也使雜質(zhì)得以富集、初次晶界得以形成，實(shí)現(xiàn)相組織和主相晶格的一次均勻化。
[0013]d.再磨:將煅燒料 破碎后，再行加入球磨機(jī)中進(jìn)行濕法混磨制漿，使煅燒過程初次形成的相組織被重新破碎分散；通過這種二次破碎和研磨作用，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)物料的均勻化，以及晶粒和晶界相組織的細(xì)化和均勻化；
e.造粒:對(duì)再磨料漿加入表面活性劑(聚乙烯醇PVA等)，配以剪切攪拌，調(diào)整溫度至4(T45°C，造粒后獲得松裝料；
f.壓制:將造粒制得的松裝料加入壓制模型，在壓機(jī)上壓制出PTC陶瓷元件生坯；在這里，采用顆粒狀的松裝料，不僅能夠保證裝料量的準(zhǔn)確性，而且能夠減少模型壁面附近因摩擦、滑移效應(yīng)形成缺陷的密度；
g.燒成:將壓制獲得的生坯載入耐熱陶瓷匣缽，在電熱隧道窯中通過提高生坯在燒成隧道窯中的推進(jìn)速度、在冷卻段強(qiáng)制鼓風(fēng)，使燒成工序的升溫速度和降溫速度均相對(duì)常規(guī)燒成方法提高15%~25% ;通過快速升溫、快速降溫，能夠較好地抑制晶粒異常生長(zhǎng)以及施主元素、受主元素和居里點(diǎn)調(diào)整元素的晶間析出，以保證PTC陶瓷元件燒成毛坯具有較好和均勻的電氣、機(jī)械特性；
h.磨削:為了去除毛坯因表層滑移、模具污染、燒成氣氛污染、直接受熱所形成的表面異常結(jié)構(gòu)層，也為了保證元件幾何尺寸精度和電極層噴涂的效果，先在專用磨床上對(duì)燒成的毛坯的大面、側(cè)面、和端面進(jìn)行磨削，再在拋磨滾筒中以細(xì)粒石英砂為磨料進(jìn)行倒角、拋磨和毛化，最后再進(jìn)行超聲清洗，以減少表層缺陷、保證相組織均勻性，并為噴鋁層的緊密附著創(chuàng)造條件；1.噴鋁:將拋磨加工后的PTC陶瓷元件毛坯載入鏤空噴涂模板，并預(yù)熱至特定溫度后，使用氧炔焰或者電弧等離子體噴涂機(jī)，對(duì)PTC陶瓷元件毛坯的雙側(cè)大面進(jìn)行噴鋁加工，使之形成四周留有未噴鋁邊沿的導(dǎo)電金屬膜，以保證PTC陶瓷元件在實(shí)際電路中的歐姆連接，并且可以防止邊沿爬電擊穿；噴鋁采用多次噴掃成膜方法，以控制鋁膜的厚度和滲入深度，使之不影響PTC陶瓷元件的耐高電壓能力。
[0014]j.分檢:針對(duì)PTC陶瓷元件的幾何尺寸、常溫電阻、擊穿電壓參數(shù)，進(jìn)行分檢，最終得到電氣參數(shù)符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的PTC陶瓷元件分級(jí)合格品。
[0015]上述實(shí)施例生產(chǎn)出了電動(dòng)汽車用電加熱器中的PTC陶瓷元件，其常溫下的Imin抗電壓擊穿能力術(shù)800VDC,工作溫度下的Imin抗電壓擊穿能力術(shù)600VDC, 500VDC額定電壓下的運(yùn)行壽命術(shù)8000h，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于采用相同材料以常規(guī)方法獲得的PTC陶瓷元件。其可以直接適應(yīng)高電壓電動(dòng)汽車的運(yùn)行條件，而不必采用逆變降壓裝置，收到了簡(jiǎn)化系統(tǒng)、減輕重量、降低成本、提高效率`和保證供熱質(zhì)量的效果。
【權(quán)利要求】
1.一種提高PTC陶瓷元件耐電壓性能的方法，其特征是:依次包括以下步驟， a.配料:將制造PTC陶瓷元件的常規(guī)原料施主形成劑、受主形成劑、燒結(jié)助劑、居里點(diǎn)調(diào)整劑、晶粒度調(diào)整劑一次加入碳酸鋇和二氧化鈦主料之中，使之形成全價(jià)混料； b.混磨:在球磨機(jī)中對(duì)配料形成的混合料進(jìn)行濕法混磨，借助液相中的攪拌、混合、破碎和擴(kuò)散作用，實(shí)現(xiàn)物料的一次均勻化； c.煅燒:對(duì)混磨后的漿料進(jìn)行脫水、干燥，再置于電熱隧道窯內(nèi)進(jìn)行煅燒合成； d.再磨:將煅燒料破碎后，再行加入球磨機(jī)中進(jìn)行濕法混磨制漿，使煅燒過程初次形成的相組織被重新破碎分散； e.造粒:對(duì)再磨料漿加入表面活性劑，配以剪切攪拌，調(diào)整溫度至40~45°C，造粒后獲得松裝料； f.壓制:將造粒制得的松裝料加入壓制模型，在壓機(jī)上壓制出PTC陶瓷元件生坯； g.燒成:將壓制獲得的生坯載入耐熱陶瓷匣缽，在電熱隧道窯中通過提高生坯在燒成隧道窯中的推進(jìn)速度、在冷卻段強(qiáng)制鼓風(fēng)，使燒成工序的升溫速度和降溫速度均相對(duì)常規(guī)燒成方法提高15%~25% ； h.磨削:先在專用磨床上對(duì)燒成的毛坯的大面、側(cè)面、和端面進(jìn)行磨削，再在拋磨滾筒中以細(xì)粒石英砂為磨料進(jìn)行倒角、拋磨和毛化，最后再進(jìn)行超聲清洗； i.噴鋁:將拋磨加工后的PTC陶瓷元件毛坯載入鏤空噴涂模板，并預(yù)熱至特定溫度后，使用氧炔焰或者電弧等離子體噴涂機(jī)，對(duì)PTC陶瓷元件毛坯的雙側(cè)大面進(jìn)行噴鋁加工，使之形成四周留有未噴鋁邊沿的導(dǎo)電金屬膜；噴鋁采用多次噴掃成膜方法； j.分檢:針對(duì)PTC陶瓷元件的幾何尺寸、常溫電阻、擊穿電壓參數(shù)，進(jìn)行分檢，最終得到電氣參數(shù)符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的PTC陶瓷元件分級(jí)合格品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高PTC陶瓷元件耐電壓性能的方法，其特征是:在步驟b中，磨筒內(nèi)溫度控制在35~50°C，并相對(duì)常規(guī)方法延長(zhǎng)磨制時(shí)間20%~50%。
【文檔編號(hào)】C04B35/622GK103482982SQ201210188958
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2012年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月11日
【發(fā)明者】宋新南, 鄭進(jìn)軍, 李文良, 陳建良 申請(qǐng)人:鎮(zhèn)江東方電熱科技股份有限公司