[发明专利]一种三元系含碳化钛正温度系数热敏电阻器件的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三元系含碳化钛正温度系数热敏电阻器件的制造方法，属于纳米复合材料和微电子交叉科学技术领域。

背景技术

聚合物基热敏电阻器件（PPTC）是近年来出现的新型过流保护元件，是随着小功率电子设备及集成电路的短路及过载保护需求而快速发展起来的。随着科技的快速发展进一步推动了高容量电池、车用电子信息设备、发光二级管(LED)等对更高性能PPTC器件的迫切需求，而目前其技术储备远远滞后于市场拓展速度。PPTC器件主要以半结晶聚合物为基体，掺入导电填料构成，常温下导电通路链接呈低电阻，器件正常工作；当电路短路或过载时，流经器件的大电流使基体温度升高，至熔融时体积膨胀，内部导电链呈雪崩态变或断裂，阻值急剧升高。故障排除后，聚合物重新冷却结晶，链状导电通路还原恢复为常态。与传统保险丝相比，PPTC可恢复功能无与伦比，其恢复过程可重复数千次，并且体积小、安装方便、无明火、可弯曲重叠等，已逐步取代传统保险丝和熔断器以及双金属断路保护器。

目前，工业生产中常用的PPTC材料主要是炭黑(CB)填充聚乙烯(PE)复合体系，由于CB极易团聚或附聚，制成的热敏电阻易产生负温度系数效应(NTC)以及热循环性较差。目前也有少量其它复合材料问世，比如采用金属颗粒填充PE，金属本身电阻率非常低，大量填充时材料的导电性极好，所形成的复合材料具有很明显正温度系数效应(PTC)。但金属类填料表面易氧化、对基体有老化催化作用以及因为金属粉末不利于形成链式结构致使填充量偏高、价格昂贵等，使其在应用上受到很大限制。美国宾州州立大学材料研究室研究了金属化合物为导电填料的PTC材料，发现无论选择结晶聚合物还是非晶聚合物为基体，都可以得到具有很小室温电阻率以及较高PTC强度的材料，但缺陷是添加量较大，芯片材料易发脆。

发明内容

本发明公开了一种三元系含碳化钛正温度系数热敏电阻器件的制造方法，从复合材料具有加和性、乘积性和渗阈性着手，可在聚合物/导电填料构成的二元复合体系中加入第二相金属化合物系分散体，组成新型的三元复合材料制成PPTC 芯片，以期获得性能良好的PPTC器件。其目的在于克服上述PPTC热敏电阻制备方法存在的热循环性较差及NTC效应较明显；填料表面易氧化，对基体有老化催化作用以及价格昂贵；单一金属化合物添加量较大，芯片材料易发脆导致耐压较低等缺陷。应用本发明制备的PPTC芯片具有较高PTC强度、热循环性好等特性，制成的PPTC热敏电阻器件适宜于微电机过流、过压或过热保护。

碳化钛（TiC）是一种复合材料的增强体，适量添加可使材料的韧性提高。比如当TiC的加入量为20%体积分数(vol)时，材料韧性可提高50%，但过量会导致材料的强度降低。TiC的电导率为10^-6Ω·m，热导率为21W/(m·K)，具有极好的热稳定性和抗氧化性，弹性模量高(32.1×10⁴MPa)，是一种热和电的良导体，在复合材料中具有更好的增强、增韧效果，本发明利用具有高导电性和高热导性能的准金属无机材料碳化钛作为第二相导电填料引入CB/HDPE（高密度聚乙烯）复合体系，来制备PPTC导电复合材料芯片，由于TiC和CB间的协同分散作用，从而改善CB的附聚，利于提高PTC效应及改善其热循环特性。

本发明是在通常以CB填充聚合物制成PPTC 芯片的制备过程中同时添加碳化钛（TiC）导电填料。炭黑密度小，具有多孔性网状结构，加入少量CB会形成导电网络，但CB极易团聚。TiC密度较大，比表面积较小，只有填充量多时才易构成三维网络状结构。而在HDPE/CB复合材料中加入一定量TiC就可能会对导电网络的形成及复合材料的PTC效应、热循环性等产生有益作用。

本发明技术方案是这样实现的：

一种三元系含碳化钛正温度系数热敏电阻器件的制造方法，其特征在于：聚合物基体为半结晶聚合物高密度聚乙烯、聚偏氟乙烯或聚丙烯中的一种，加入量为体积分数的70～90%，采用炭黑和碳化钛两种导电颗粒作为导电填料，加入的炭黑为体积分数的5～15%，加入的碳化钛为体积分数的0～20%，另加适量助剂，包括阻燃剂为混合物质量的1~3%，抗氧剂为混合物质量的0.5~1.5%。具体步骤如下：

A)将炭黑或碳化钛分别放入浓度为0.5~2%的钛酸酯偶联剂溶液中，置于球磨机球磨1~2h后于烘箱中80~100°C蒸发干溶剂，然后分别置于真空烘箱中100~130°C条件下反应1~2h；