摘要
作為一種安全可靠的加熱方式，PTC陶瓷加熱器已經在暖風機、空調、干衣機等家用電器上得到了廣泛的應用。尤其是在空調輔助加熱領域的大量應用，給PTC陶瓷加熱器的發(fā)展帶來了前所未有的商機，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的研究。
加熱器性能取決于完善的結構設計、優(yōu)質的材料及精良的制作工藝。其中，材料的選取是至關重要的。在所有材料中，PTC元件和硅膠的品質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元件擔負了非常大的“責任”。但是很多加熱器組裝企業(yè)只從成本的角度選擇相關的材料，這樣勢必會造成產品性能的低劣，拖累PTC產業(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。
在本實驗中，我們對日本東芝的XE14-A0425和XE13-A8341硅膠及成都拓利化工實業(yè)有限公司的NS-083和NH-100G-2硅膠做了詳細的對比試驗。結果顯示，成都拓利化工實業(yè)有限公司生產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。
關鍵詞：硅膠，PTC，老化，功率衰減，熱脹冷縮，電蝕
第一章：實驗過程
一、實驗方法
1. 老化試驗設備：
空調機組40臺、控制器（ON/OFF）、大功率調壓器、高低溫環(huán)境試驗箱
2. 試驗方法：略
3. 測試設備：
PF140A功率計、DM3051萬用表（風機轉速測試）、風機轉速頻率儀器、HPA-1120(2KVA)變頻穩(wěn)壓電源（風機電源）、GEW-210(10KVA) 變頻穩(wěn)壓電源（加熱器電源），數顯溫度表、ZRQF-D30JP風速儀，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：試驗測試數據
一、HALT高低溫循環(huán)試驗(-50℃~170℃/Cycle time18min)
我們將加熱器放置于高低溫試驗箱，從-50℃至170℃，再從170℃冷卻至-50℃，一次循環(huán)時間是18min，經過1867次循環(huán)，加熱器電阻隨時間的變化率如下:
表一：使用不同硅膠的加熱器電阻隨時間的變化率
硅膠型號
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
將加熱器裝在空調機組內，設定老化電壓為工作電壓的1.15倍，風速設定為1m/s，進行ON/OFF通電通風老化試驗（通電時間90S，斷電時間70S），每隔一定時間取下加熱器，在25℃的環(huán)境溫度下，在標準功率測試機上測試功率，經過10萬次的通斷老化后，結果如下：
表二、使用不同硅膠的加熱器功率隨通電開關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個百分點。
第三章：試驗結果分析與討論
在討論加熱器的老化前，有必要說明一下PTC加熱器的導電機理。
在加熱器結構中，PTC和電極片由硅膠粘結，然后用聚酰亞胺薄膜包裹并被鋁管壓緊。
一般認為，由于硅膠是絕緣材料，所以PTC和電極片之間不能實現(xiàn)導電。但是因為電極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，并不整個面的接觸，而是散布在接觸面上一些點的接觸。其凹坑處由硅膠填充，起到粘結作用，凸點接觸起導電作用。電阻則和凸點接觸的數量有關，還和凸點之間的壓力有關。
在加熱器老化過程中，由于冷熱循環(huán)的作用，材料都會發(fā)生膨脹和收縮。
材料在熱脹冷縮時，伸縮量S與長度L、熱脹系數a和溫差(T1-T0)間存在如下關系:
S=L×a×(T-T0)
鋁的熱脹系數是2.36×10-5，不銹鋼電極的熱脹系數是1.2×10-5，陶瓷PTC的熱脹系數約是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的不匹配，在熱作用下，電極片和PTC之間會發(fā)生摩擦錯位，長期摩擦會引起PTC和電極片間粘結強度的降低，嚴重的情況下還會造成局部脫膠，從而使本來接觸的凸點變成不再接觸了，而且凸點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系。
為了解釋東芝膠和成都拓利化工實業(yè)有限公司的硅膠產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度也做了相應的高溫老化對比。
以下是各硅膠膠樣的剪切強度老化對比結果：
表三、不同硅膠的剪切強度老化對比情況
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)，在任何老化時間下，NH-100G-2硅膠比東芝硅膠的剪切強度大，明顯高于東芝膠。因此在高低溫試驗中，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)經過數萬次老化試驗的加熱器的PTC電極受到了嚴重的電蝕。如下圖：
通過tear down試驗，PTC電極被電蝕而引起的功率老化占整個老化比例的11~22%。
該電蝕本質上是由電極片和PTC表面的鋁電極產生的電火花放電引起的。當電極片和PTC鋁電極緊密接觸時，兩者之間不會產生放電，當經過無數次的蠕動后，凸點之間產生了空氣間隙，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，硅膠的粘結強度越大，凸點之間產生的空隙可能性越小。由于NH-100G-2硅膠比東芝膠的剪切強度大，所以加熱器的功率老化小，這和實驗結果吻合。
第四章：試驗結論
NH-100G-2硅膠比XE14-A0425 和XE13-A8341具有更好的剪切強度，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，成功應用于PTC加熱器，在格力、美的空調輔助加熱器上獲得廣泛應用。
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