[发明专利]一种低电阻率高电压PPTC材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种低电阻率高电压PPTC材料及其制备方法和应用，包括：高分子聚合物基体，分散在所述高分子聚合物基体中的导电填料和非导电填料；所述非导电填料为纳米二氧化硅与无机阻燃填料的组合物。本发明的PPTC材料加工方便，生产出的PPTC片材具有电阻率低（电阻率可以低至约0.03ohm‑cm且同时满足过电流保护元件低电阻（芯片面积为6mm²条件下，电阻低于10mohm，）和高耐电压（20V/15A）的要求，具有电弧抑制能力强、高阻燃等优点。

技术领域

本发明属于过电流保护电子元器件材料技术领域，具体涉及一种低电阻率高电压PPTC材料及其制备方法和在过电流保护电子元器件方面的应用。

背景技术

具有正温度系数特性的聚合物导电复合材料(PPTC)对电流和温度具有快速的响应，其广泛用于电路保护。在常温条件下，电阻处于低电阻状态，但电路发生过电流或过温时，其电阻会以毫秒级速度从低电阻转换到高电阻状态(高电阻/低电阻的对数比为4以上，其也称为PPTC强度)，电压全部加载到PPTC上，从而到达保护电路元件的目的。

PPTC材料由一种或一种以上具有结晶特性的高分子材料、导电填料和非导电填料组成。填料均匀分散在高分子材料中。高分子材料通常为聚烯烃(如：聚乙烯)、含氟聚烯烃(如：聚偏氟乙烯)等。导电填料常为炭黑、金属粉末(如：铜、镍等)或金属陶瓷粉末(如：碳化钛或碳化钨)。

PPTC材料的电阻率直接与导电填料的种类及添加量有关。炭黑是PPTC最常用的导电填料，其对温度和湿度的极佳稳定性赋予炭黑基PPTC优异的可恢复特性和电阻再现性，但其高的常温电阻率不能满足器件日益小型化对PPTC电阻的要求。采用金属填料(例如镍粉、铜粉)取代炭黑可以显著降低电阻率，例如：专利文献CN103436197A采用金属粉末做导电填料，制备电阻率极低的PPTC器件。但金属粉末在升高温度的条件下容易氧化，渐进氧化的金属粉在导电通路上形成了高电阻的界面，其导致元件在服役过程中电阻缓慢升高，从而导致器件特性改变，影响器件的使用。为了防止材料氧化，这类文献通常会采用特殊的氧气阻隔材料来封装器件，但氧气阻隔材料及封装工艺成本都很高，导致产品逐渐失去市场竞争力。如今电路保护市场上常采用导电陶瓷粉如碳化物粉末作为填料，制备高性价比的低电阻元件。但以导电陶瓷粉末为填充的PPTC体系中，器件的额定电压通常在6V，在更高的工作电压下，元件在动作过程中易烧毁。

通用串行总线(USB)Type-C^TM推出了一种紧凑型、可反转的数据和电源连接器，同时支持USB功率输送(USB PD)。USB PD支持功率高达100W(20V/5A)，除通用功能外，并因其支持锂电池快速充电功能，从而推动了USB Type-C的迅速普及。然而，静电放电会对USBType-C系统的敏感硅器件构成风险；高功率输送、紧凑的连接器、消费者连接不合规的电缆都增加了USB Type-C技术的过压故障概率。此外，USB Type-C连接器的引脚间距仅是TypeA连接器的四分之一。当引脚间距减小后，在高电流/电压条件下，扭转电缆或拔下连接器时会导致灾难性短路概率增大，连接器内的碎屑堆积可能造成类似的灾难性后果；紧凑型连接器的机械应力、碎屑和不合规电缆，以及高电流/电压增加了USB Type-C系统短路的风险。如果连接器的相邻引脚VBUS和CC或SBU之间发生短路，下游电路可能会受到20V浪涌电压的损坏，因此可靠的电路保护至关重要。

采用PPTC对USB Type-C的端口保护是解决方案之一。为了提高产品的耐电压能力，通常在PPTC材料的配方中添加高含量的无机填料如氢氧化镁、氢氧化铝等助剂。但在PPTC材料配方中添加体积比低于10％的氢氧化物时，器件耐电压能力提升效果不显著；但如果提高无机填料的添加量，则PPTC的电阻率将显著上升(如体积比高于10％时)。故对PPTC低电阻率和高耐电压的要求是矛盾的。举例来说，对形状因子1206的器件来说，电阻要低于10mohm同时PPTC材料的耐压等级达到20V是比较困难的。

发明内容