第19卷第6期 Vol. 19 No. 6 2000年6月 COLLEGE PHYSICS 新型PTC热敏电阻的特性测量及其应用 王盛②,杭志宏,陆申龙 (复旦大学物理系,上海20043) 摘要:简述了新型有机材料PI℃热敏电阻的特性测量方法、实验结果及应用前景,并与陶瓷P℃热敏电阻进 行了比较 关键词:P℃热敏电阻;转变点温度;过流保护 中图分类号O482.2文献标识码B 文章编号:10-0712(200060031-03 围内,这些材料的电阻率随温度上升大致成线性PIC 1前言 效应( linear pIc effect).有机PIC材料或陶瓷PIC材料 P( positive temperature coefficient热敏电阻材料正则具有非线性PC效应由于有机PC热敏材料在转 随着在国民经济各领域的广泛应用而倍受重视目前变点温度处发生相变,从而材料的电阻率在超过此温 已普遍使用的PC材料有陶瓷PC热敏电阻和有机材度的极小温度范围内急剧上升其变化呈指数形式上 料PC热敏电阻两种,其中有机高分子PIC热敏电阻升,PC热敏电阻的电阻·温度经验公式为 材料以其质软、常温电阻率比陶瓷PI℃热敏电阻较低 R(=R(T)e“xo 等优点,现已成为PI℃材料开发研制的热点 其中a>0,称电阻·温度系数,0是转变点热力学温 目前,世界上仅有美、日、中国等少数国家掌握了度,R(是热力学温度为T时的电阻,R(7)是热力 定的有机PIC材料技术,并开发了相应的产品.其中学温度为T6时的电阻 著名的有美 Raychem公司的 Rblyswitch device,被称为有机高分子PC热敏材料的上述特性,是由它的 “可重复使用的保险丝”( resettable fus).该类产品是符组成材料成分和结构决定的.有机PIC热敏材料以聚 合IEE13%4标准的解决过流保护的理想器件.而我乙烯、聚丙烯等聚合物作为有机分散剂,并掺入一定量 国的有机高分子PC热敏电阻的研制和开发也达到了的炭黑、金属粉末或金属氧化物等导电材料复合而成 相当的水平国产PUC热敏电阻在电话通讯总配线架在室温下,材料的结构基本上由许许多多微晶组成,导 及程控交换器等诸多产品中得到了广泛的应用 电的微粒被分散在各个微晶之间的不定形区域内.当 为了进一步了解这两类PC热敏电阻的物理特导电微粒达到一定比例后会彼此接触,形成一定的立 性,笔者分别对有机高分子PC材料和陶瓷PC材料体网络状的导电链随着材料被逐渐加热到熔点,结晶 的电阻·温度特性进行了测量和曲线拟合得到这两的区域开始熔解,成为不定形的,从而原有的导电结构 种材料的经验公式,并对两者在应用方面的情况作了被破坏,材料的电阻率急剧上升由于熔融只发生在 一些比较 个相对较窄的温度范围内,所以材料的非线性PIC效 2原理 应就体现在这段温度范围内.在转变点温度以下,材料 电阻率很小,并随温度上升电阻率很缓慢的增加 PIC热敏电阻的重要特性是当温度上升时,它的 陶瓷PIC热敏材料同样也有非线性PIC效应,但 电阻值也随之上升,即简称PC效应.大多数有类似金在转变点温度下,有不可避免的NIC效应( negative ten 属导电性质的材料都具有PC效应,即在一定温度范 perature coefficient.所以,陶瓷PC热敏电阻的转变点 ①收稿日期:1999-06-22 ②作者简介:王盛(1978-),男,浙江绍兴人,复旦大学物理系97级理科基地班学生 2 o1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights reserved.第 19 卷第 6 期 大 学 物 理 Vol. 19 No. 6 2 0 0 0年 6 月 COLLEGE PHYSICS June. 2000 新型 PTC 热敏电阻的特性测量及其应用① 王 盛 ② ,杭志宏 ,陆申龙 (复旦大学 物理系 ,上海 200433) 摘要 :简述了新型有机材料 PTC热敏电阻的特性、测量方法、实验结果及应用前景 ,并与陶瓷 PTC 热敏电阻进 行了比较. 关键词 :PTC热敏电阻 ;转变点温度 ;过流保护 中图分类号 :O 482. 2 文献标识码 :B 文章编号 :100020712 (2000) 0620031203 1 前言 PTC(positive temperature coefficient) 热敏电阻材料正 随着在国民经济各领域的广泛应用而倍受重视. 目前 已普遍使用的 PTC材料有陶瓷 PTC热敏电阻和有机材 料 PTC热敏电阻两种. 其中有机高分子 PTC 热敏电阻 材料以其质软、常温电阻率比陶瓷 PTC 热敏电阻较低 等优点 ,现已成为 PTC材料开发研制的热点. 目前 ,世界上仅有美、日、中国等少数国家掌握了 一定的有机 PTC材料技术 ,并开发了相应的产品. 其中 著名的有美 Raychem 公司的 Polyswitch device ,被称为 “可重复使用的保险丝”(resettable fuse) . 该类产品是符 合 IEEE - 1394 标准的解决过流保护的理想器件. 而我 国的有机高分子 PTC热敏电阻的研制和开发也达到了 相当的水平. 国产 PTC 热敏电阻在电话通讯总配线架 及程控交换器等诸多产品中得到了广泛的应用. 为了进一步了解这两类 PTC 热敏电阻的物理特 性 ,笔者分别对有机高分子 PTC 材料和陶瓷 PTC 材料 的电阻 - 温度特性进行了测量和曲线拟合 ,得到这两 种材料的经验公式 ,并对两者在应用方面的情况作了 一些比较. 2 原理 PTC热敏电阻的重要特性是当温度上升时 ,它的 电阻值也随之上升 ,即简称 PTC效应. 大多数有类似金 属导电性质的材料都具有 PTC 效应 ,即在一定温度范 围内 ,这些材料的电阻率随温度上升大致成线性 PTC 效应(linear PTC effect) . 有机 PTC 材料或陶瓷 PTC 材料 则具有非线性 PTC 效应. 由于有机 PTC 热敏材料在转 变点温度处发生相变 ,从而材料的电阻率在超过此温 度的极小温度范围内急剧上升. 其变化呈指数形式上 升 ,PTC热敏电阻的电阻 - 温度经验公式为 : R ( T) = R ( T0 ) e α( T - T 0 ) (1) 其中α> 0 ,称电阻 - 温度系数 , T0 是转变点热力学温 度 , R ( T) 是热力学温度为 T 时的电阻 , R ( T0 ) 是热力 学温度为 T0 时的电阻. 有机高分子 PTC 热敏材料的上述特性 ,是由它的 组成材料成分和结构决定的. 有机 PTC 热敏材料以聚 乙烯、聚丙烯等聚合物作为有机分散剂 ,并掺入一定量 的炭黑、金属粉末或金属氧化物等导电材料复合而成. 在室温下 ,材料的结构基本上由许许多多微晶组成 ,导 电的微粒被分散在各个微晶之间的不定形区域内. 当 导电微粒达到一定比例后 ,会彼此接触 ,形成一定的立 体网络状的导电链. 随着材料被逐渐加热到熔点 ,结晶 的区域开始熔解 ,成为不定形的 ,从而原有的导电结构 被破坏 ,材料的电阻率急剧上升. 由于熔融只发生在一 个相对较窄的温度范围内 ,所以材料的非线性 PTC 效 应就体现在这段温度范围内. 在转变点温度以下 ,材料 电阻率很小 ,并随温度上升电阻率很缓慢的增加. 陶瓷 PTC热敏材料同样也有非线性 PTC 效应 ,但 在转变点温度下 ,有不可避免的 NTC 效应(negative tem2 perature coefficient) . 所以 ,陶瓷 PTC 热敏电阻的转变点 ① ②作者简介 :王盛(1978 - ) ,男 ,浙江绍兴人 ,复旦大学物理系 97 级理科基地班学生. 收稿日期 :1999 - 06 - 22 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved