489 电加热管研发实例-PTC电热材料 / 四六文摘

489 电加热管研发实例-PTC电热材料

背景

电热丝型电加热管的不足之一是存在过热危险（如加热水时水位偏低而使电加热管的加热部分露出水面时），从而可能导致爆管等。

解决这一问题的基本思路是采用测控元件对电加热管的过热度进行控制（如电饭锅等设备），但测控元件本身也可能存在接触不良、元件故障等导致的失效。

解决该问题的另一个思路是让电热材料本身具有超温自保护特性，即本生防过热安全性，PTC电热材料即可满足这一要求。

特性

PTC电热材料的基本特性是其温度低于设定温度（居里温度）时，其电阻随温度变化不大；当温度超过设定安全温度时，其电阻以数百倍甚至万倍陡增，使电热材料中电流迅速减小，使电热材料的产热量也迅速减小，从而自发实现防止超温，属具有特定正温度系数特性的热敏电阻。

PTC自控温电热材料的典型电阻-温度曲线如下。

类型与原理

PTC电热材料主要有两类：陶瓷型（CPTC）和高分子型（PPTC）。

陶瓷型PTC电热材料

以钛酸钡（或锶、铅等）为主成分，添加少量稀土元素（如Nb、Bi、Sb、Y、Ta、La等的氧化物用于原子价控制实现半导化）、受主元素（如锰、铁、铜、铬等的氧化物，用于实现正电阻温度系数）、以及氧化硅、氧化铝等在1300多度烧结而成。

陶瓷PTC电热材料的基本原理是通过掺杂化学价较高的材料作为晶体的点阵元，在晶格中钡离子的一部分被较高价的离子替代，从而获得一定数量的可产生导电性的自由电子；材料中的微晶之间存在晶界，温度较低时晶界处有较高介电常数和自发极化强度，不会形成势垒，从而使电子可以自由流动，材料电阻很小；当温度升至设定值（居里温度）时，晶界处介电常数和自发极化强度会大幅度降低，而势垒则大幅度升高，阻碍电子自由流动，从而具有极高的电阻。

高分子型PTC电热材料

高分子型PTC电热材料的基本原理是在高分子内掺入导电微粒，低于设定温度时，导电微粒相接触，电阻较小；当达到设定温度时，高分子材料膨胀，导电微粒之间距离变远而不接触，使电阻变得极大，电流极小，产热量极小，温度下降。

由于高分子的耐温有一定限制，当需要较高的加热温度时，也可考虑采用类似高分子PTC机理的方法，在氧化铝、氮化铝等陶瓷基体内掺入少量高熔点导电微粒（如金属微粒浆液）等，低于设定温度时陶瓷中的导电粒子接触导电，高于设定温度时陶瓷基体膨胀使导电粒子不接触而产生极大电阻断开电路。

应用方法

PTC电热材料的电阻转变温度（居里温度）、单位体积电阻值、加热温度等均可通过调节材料成分在很大范围内变化。

实际应用时，可根据拟设计加热器的型式和参数要求，选择适宜的PTC电热元件进行组装或封装，必要时可设计研制专用的PTC电热元件。

典型PTC加热器、电热元件及参数等如下。