摘要
作為一種安全可靠的加熱方式，PTC陶瓷加熱器已經(jīng)在暖風(fēng)機(jī)、空調(diào)、干衣機(jī)等家用電器上得到了廣泛的應(yīng)用。尤其是在空調(diào)輔助加熱領(lǐng)域的大量應(yīng)用，給PTC陶瓷加熱器的發(fā)展帶來了前所未有的商機(jī)，PTC元件制造業(yè)、加熱器組裝業(yè)及各材料配套業(yè)獲得了巨大的發(fā)展。在這種背景下，有必要對PTC陶瓷加熱器的材料、制作工藝、老化及失效模式作詳細(xì)的研究。
加熱器性能取決于完善的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)質(zhì)的材料及精良的制作工藝。其中，材料的選取是至關(guān)重要的。在所有材料中，PTC元件和硅膠的品質(zhì)決定了加熱器的耐壓（擊穿）及老化（功率衰減）性能。
在加熱器的抗老化（功率衰減）作用方面，硅膠及PTC元件擔(dān)負(fù)了非常大的“責(zé)任”。但是很多加熱器組裝企業(yè)只從成本的角度選擇相關(guān)的材料，這樣勢必會(huì)造成產(chǎn)品性能的低劣，拖累PTC產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，因此，在材料的選擇上，除了PTC元件的材料選擇外，兼具有良好的耐高溫性和良好的導(dǎo)熱性的硅橡膠也是PTC加熱器具有高性能和高可靠性的保證條件之一。
在本實(shí)驗(yàn)中，我們對日本東芝的XE14-A0425和XE13-A8341硅膠及成都拓利化工實(shí)業(yè)有限公司的NS-083和NH-100G-2硅膠做了詳細(xì)的對比試驗(yàn)。結(jié)果顯示，成都拓利化工實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的液體硅膠具有更優(yōu)異的抗老化性能。
加熱器的老化涉及多方面的因素，在本文中，我們僅僅討論液體硅膠對PTC加熱器的老化性能的影響。
關(guān)鍵詞：硅膠，PTC，老化，功率衰減，熱脹冷縮，電蝕
第一章：實(shí)驗(yàn)過程
一、實(shí)驗(yàn)方法
1. 老化試驗(yàn)設(shè)備：
空調(diào)機(jī)組40臺(tái)、控制器（ON/OFF）、大功率調(diào)壓器、高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱
2. 試驗(yàn)方法：略
3. 測試設(shè)備：
PF140A功率計(jì)、DM3051萬用表（風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速測試）、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻率儀器、HPA-1120(2KVA)變頻穩(wěn)壓電源（風(fēng)機(jī)電源）、GEW-210(10KVA) 變頻穩(wěn)壓電源（加熱器電源），數(shù)顯溫度表、ZRQF-D30JP風(fēng)速儀，UT58A萬用表（加熱器電阻測試）
4、測試樣品：
采用日本東芝的XE14-A0425和XE13-A8341硅膠組裝的PTC加熱器
采用成都拓利化工實(shí)業(yè)有限公司的NS-083和NH-100G-2組裝的PTC加熱器
第二章：試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)
一、HALT高低溫循環(huán)試驗(yàn)(-50℃~170℃/Cycle time18min)
我們將加熱器放置于高低溫試驗(yàn)箱，從-50℃至170℃，再從170℃冷卻至-50℃，一次循環(huán)時(shí)間是18min，經(jīng)過1867次循環(huán)，加熱器電阻隨時(shí)間的變化率如下:
表一：使用不同硅膠的加熱器電阻隨時(shí)間的變化率
硅膠型號(hào)
0
267
533
800
1067
1333
1600
1867
電阻變化率
IN: XE14-A0425
OUT: XE13-A8341
155.3
169.4
161.3
162.8
167.5
170.3
177.1
176.2
13.5%
IN: NH-100G-2
OUT: 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硅膠的加熱器的電阻老化率是13.5%，而采用NH-100G-2硅膠的加熱器的電阻老化率是9%，NH-100G-2的抗高低溫老化性能明顯優(yōu)于東芝膠。
二、ON/OFF老化試驗(yàn)
將加熱器裝在空調(diào)機(jī)組內(nèi)，設(shè)定老化電壓為工作電壓的1.15倍，風(fēng)速設(shè)定為1m/s，進(jìn)行ON/OFF通電通風(fēng)老化試驗(yàn)（通電時(shí)間90S，斷電時(shí)間70S），每隔一定時(shí)間取下加熱器，在25℃的環(huán)境溫度下，在標(biāo)準(zhǔn)功率測試機(jī)上測試功率，經(jīng)過10萬次的通斷老化后，結(jié)果如下：
表二、使用不同硅膠的加熱器功率隨通電開關(guān)頻次的老化率變化表
注：A1、A2是采用XE14-A0425和XE13-A8341硅膠的加熱器老化曲線，A3、A4是采用NS-083和NH-100G-2硅膠的加熱器老化曲線。
從表中看出，NH-100G的加熱器老化要小約2個(gè)百分點(diǎn)。
第三章：試驗(yàn)結(jié)果分析與討論
在討論加熱器的老化前，有必要說明一下PTC加熱器的導(dǎo)電機(jī)理。
在加熱器結(jié)構(gòu)中，PTC和電極片由硅膠粘結(jié)，然后用聚酰亞胺薄膜包裹并被鋁管壓緊。
一般認(rèn)為，由于硅膠是絕緣材料，所以PTC和電極片之間不能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電。但是因?yàn)殡姌O片表面在微觀下是凹凸不平的，PTC表面的鋁電極也是呈現(xiàn)顆粒狀的，所以PTC和電極片間的接觸，并不整個(gè)面的接觸，而是散布在接觸面上一些點(diǎn)的接觸。其凹坑處由硅膠填充，起到粘結(jié)作用，凸點(diǎn)接觸起導(dǎo)電作用。電阻則和凸點(diǎn)接觸的數(shù)量有關(guān)，還和凸點(diǎn)之間的壓力有關(guān)。
在加熱器老化過程中，由于冷熱循環(huán)的作用，材料都會(huì)發(fā)生膨脹和收縮。
材料在熱脹冷縮時(shí)，伸縮量S與長度L、熱脹系數(shù)a和溫差(T1-T0)間存在如下關(guān)系:
S=L×a×(T-T0)
鋁的熱脹系數(shù)是2.36×10-5，不銹鋼電極的熱脹系數(shù)是1.2×10-5，陶瓷PTC的熱脹系數(shù)約是0.7×10-5
在-50℃~170℃冷熱循環(huán)下，各材料的伸縮量為：
鋁的伸縮量S=L×a×(T-T0) =600×2.36×10-5×（170+50）=3.12mm
不銹鋼的伸縮量S=L×a×(T-T0) =600×1.2×10-5×（170+50）=1.58mm
PTC陶瓷的伸縮量S=L×a×(T-T0) =600×0.7×10-5×（170+50）=0.92mm
可以看出，由于各金屬和陶瓷的膨脹系數(shù)的不匹配，在熱作用下，電極片和PTC之間會(huì)發(fā)生摩擦錯(cuò)位，長期摩擦?xí)餚TC和電極片間粘結(jié)強(qiáng)度的降低，嚴(yán)重的情況下還會(huì)造成局部脫膠，從而使本來接觸的凸點(diǎn)變成不再接觸了，而且凸點(diǎn)之間的壓力也變小了，從而引起加熱器電阻的增大。
這就是加熱器在熱循環(huán)作用下電阻變化的一個(gè)主要原因，其中加熱器的性能穩(wěn)定與否與所使用的硅膠的性能有重大關(guān)系。
為了解釋東芝膠和成都拓利化工實(shí)業(yè)有限公司的硅膠產(chǎn)品具有那些不同的電阻老化率，我們對不同的液體硅膠的剪切強(qiáng)度也做了相應(yīng)的高溫老化對比。
以下是各硅膠膠樣的剪切強(qiáng)度老化對比結(jié)果：
表三、不同硅膠的剪切強(qiáng)度老化對比情況
老化條件
250℃×36h
250℃×48h
250℃×72h
拓利NH-100G-2
3.15 MPa
3.08 MPa
2.89 MPa
東芝XE13-A8341
1.74 MPa
1.92 MPa
1.63 MPa
東芝XE14-A0425
2.32 MPa
2.20 MPa
2.20 MPa
從表中可以發(fā)現(xiàn)，在任何老化時(shí)間下，NH-100G-2硅膠比東芝硅膠的剪切強(qiáng)度大，明顯高于東芝膠。因此在高低溫試驗(yàn)中，NH-100G-2膠的加熱器電阻老化比較小，顯示了優(yōu)異的抗老化性能。
可見，硅膠的剪切強(qiáng)度對加熱器的電阻老化具有非常大的影響。
為了研究硅膠對加熱器功率老化的影響，我們解剖了加熱器。我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過數(shù)萬次老化試驗(yàn)的加熱器的PTC電極受到了嚴(yán)重的電蝕。如下圖：
通過tear down試驗(yàn)，PTC電極被電蝕而引起的功率老化占整個(gè)老化比例的11~22%。
該電蝕本質(zhì)上是由電極片和PTC表面的鋁電極產(chǎn)生的電火花放電引起的。當(dāng)電極片和PTC鋁電極緊密接觸時(shí)，兩者之間不會(huì)產(chǎn)生放電，當(dāng)經(jīng)過無數(shù)次的蠕動(dòng)后，凸點(diǎn)之間產(chǎn)生了空氣間隙，從而引起火花放電，電火花燒毀了硅膠和電極，產(chǎn)生所謂的電蝕，從而引起PTC加熱器的功率老化。
顯然，硅膠的粘結(jié)強(qiáng)度越大，凸點(diǎn)之間產(chǎn)生的空隙可能性越小。由于NH-100G-2硅膠比東芝膠的剪切強(qiáng)度大，所以加熱器的功率老化小，這和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。
第四章：試驗(yàn)結(jié)論
NH-100G-2硅膠比XE14-A0425 和XE13-A8341具有更好的剪切強(qiáng)度，使加熱器功率老化更小，并且具有更好的抗高低溫沖擊性能，顯示出優(yōu)異的抗老化性能，成功應(yīng)用于PTC加熱器，在格力、美的空調(diào)輔助加熱器上獲得廣泛應(yīng)用。
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