具有电阻正温度系数的导电复合材料及过电流保护元件的制作方法

文档序号:6947870阅读:160来源:国知局
专利名称:具有电阻正温度系数的导电复合材料及过电流保护元件的制作方法
技术领域
本发明涉及一种表面贴装型过电流保护元件,具有正温度系数(PTC)特性,尤其 是一种具有电阻正温度系数的导电复合材料及由其制备的过电流保护元件。
背景技术
具有电阻正温度系数的导电复合材料在正常温度下可维持极低的电阻值,且具有 对温度变化反应敏锐的特性,即当电路中发生过电流或过高温现象时,其电阻会瞬间增加 到一高阻值,使电路处于断路状态,以达到保护电路元件的目的。因此可把具有电阻正温度 系数的导电复合材料连接到电路中,作为电流传感元件的材料。此类材料已被广泛应用于 电子线路保护元器件上。具有电阻正温度系数的导电复合材料一股由至少一种结晶性聚合物和导电填料 复合而成,导电填料宏观上均勻分布于所述结晶性聚合物中。聚合物一股为聚烯烃及其共 聚物,例如聚乙烯或乙烯-醋酸乙烯共聚物等,而导电填料一股为碳黑、金属粉或导电陶 瓷粉。对于以碳黑作导电填料的具有电阻正温度系数的导电复合材料,由于碳黑特殊的聚 集体结构且其表面具有极性基团,使碳黑与聚合物的附着性较好,因此具有良好的电阻稳 定性。但是,由于碳黑本身的导电能力有限,无法满足极低电阻的要求。以金属粉为导电填 料的具有电阻正温度系数的导电复合材料,具有极低的电阻,但是因为金属粉容易氧化,需 要对导电复合材料进行包封,以阻止因金属粉在空气中氧化而造成的电阻升高,而经过包 封的过电流保护元件的体积不能有效降低,难以满足电子元器件小型化的要求。为得到极 低的电阻值且满足电子元器件小型化的要求,逐渐趋向以金属碳化物陶瓷粉(如碳化钛) 作为低阻值电阻正温度系数导电复合材料的导电填料,但由于金属碳化物陶瓷粉与聚合物 的结合性不佳,常规以金属碳化物陶瓷粉为导电填料的具有电阻正温度系数的导电复合材 料其电阻再现性较难控制。

发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有电阻正温度系数的导电复合材料。本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种由上述导电复合材料制备的过电 流保护元件,该过电流保护元件具有低室温电阻率、优良电阻再现性和PTC强度。本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是一种具有电阻正温度系数的导电 复合材料,其包含(a)至少一结晶性聚合物基材,占所述具有电阻正温度系数的导电复合材料体积 分数的20% 70% ;(b) 一导电填料,占所述具有电阻正温度系数的导电复合材料体积分数的30% 80%,其粒径为0. Ιμπι ΙΟμπι,且体积电阻率不大于300μ Ω · cm,所述导电填料分散于 所述的结晶性聚合物基材之中,其中,所述导电填料为一种固溶体。具体的,结晶性聚合物基材的体积分数可以为20、25、30、35、40、45、50、55、60、65或70% ;导电填料的体积分数可以为30、35、40、45、50、55、60、65、70、75或80%。所述的结晶性聚合物基材占所述导电复合材料的体积分数优选为25% 65%之 间,更优为30% 60%之间。所述导电填料占所述导电复合材料的体积分数优选为35% 75%之间,更优为 40% 70%之间。所述导电填料的粒径优选为0. 01 μ m 50 μ m,更优为0. 1 μ m 10 μ m。所述导电填料的体积电阻率一股不大于500 μ Ω ΜΠΙ,更优为不大于300 μ Ω -cm, 最优为不大于100μ Ω · cm。上述导电复合材料还可含有其他组分,如抗氧剂、辐射交联剂(常称为辐照促进 剂、交联剂或交联促进剂,例如三烯丙基异氰脲酸酯)、偶联剂、分散剂、稳定剂、非导电性填 料(如氢氧化镁)、阻燃剂、弧光抑制剂或其他组分。这些组分通常至多占导电复合材料总 体积的15%,例如3、5、10或12%体积百分比。在上述方案的基础上,所述的结晶性聚合物基材为环氧树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚 偏氟乙烯、乙烯_醋酸乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯_丙烯酸共聚物中的一种或其 混合物。其中的聚乙烯又包括高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、超高分子
量聚乙烯等。在上述方案的基础上,所述固溶体为金属碳化物的固溶体,其组成包括碳化钽、 碳化钒、碳化锆、碳化钛、碳化铌、碳化钼、碳化铪、碳化铬、碳化钨、碳化硼、碳化铍中的两种 或两种以上的混合物。例如碳化钽-碳化铌固溶体、含铬碳化钨_碳化钛_碳化钽固溶体、碳化钛_碳 化钨_碳化钽固溶体、碳化钛_碳化钨_碳化铌固溶体、碳化钛_碳化钨固溶体、碳化钛_碳 化钨_碳化铌_碳化钽固溶体、碳化钨_碳化钽固溶体和碳化钛_碳化钽固溶体等。利用上述具有电阻正温度系数的导电复合材料制备的过电流保护元件,由两个金 属箔片间夹固具有电阻正温度系数的导电复合材料层构成。在上述方案的基础上,所述两个金属箔片含粗糙表面。在上述方案的基础上,所述金属箔片的粗糙表面与所述具有电阻正温度系数的导 电复合材料层直接物理性接触。在上述方案的基础上,在25°C时过电流保护元件的体积电阻率小于0. 1 Ω ^m,且 具有良好的电阻再现性和PTC强度。本发明的具有电阻正温度系数的导电复合材料以及由该导电复合材料制备的过 电流保护元件可按下述方法进行制备将至少一结晶性聚合物和导电填料投入混合设备,在高于结晶性聚合物熔融温度 以上的温度下进行捏合。混合设备可以是密炼机、开炼机、单螺杆挤出机或双螺杆挤出机。 然后将熔融混合好的聚合物加工成为片材,这可以通过挤出成型、模压成型或开练机薄通 拉片来实现。一股来说,聚合物片材的厚度为0. 01 2. 0mm,优选为0. 05 1. 0mm,为了加 工的方便更优为0. 1 0. 5mm。复合制品的成型方法是在聚合物片材的两面压合金属箔片,当这种复合制品被分 割成单个元件时,金属箔片起电极的作用。把复合制品分割成单个元件的方法包括从复合 制品上分离出单个元件的任何方法,例如冲切、刻蚀、划片和激光切割。所述单个元件具有平面形状,即有与电流流过方向垂直的两个表面,且两个表面之间的距离相当薄,即至多 3. 0mm,优选地是至多2. 0mm,特别优选的是最多0. 5mm,例如0. 35mm。所述单个元件可以是 任何形状,如正方形、三角形、圆形、矩形、环形、多边形或其它不规则形状。金属箔片包含 至少一粗糙表面且此粗糙表面与聚合物片材直接物理性接触。金属箔的厚度一股至多为 0. 1mm,优选至多为0.07mm,特别是至多0. 05mm,例如,0. 035mm。适用的金属箔片包括镍、 铜、铝、锌及其合金。其他“金属导线”,可以通过点焊、回流焊或导电粘合剂连接在金属箔片上,从而将 过电流保护元件连接进电路中。术语“金属导线”包括任何能与金属箔片导通的结构部件, 它可以是任何形状,例如,点状,线状、带状、片状、柱状、其他不规则形状及它们的组合体。 所述“金属导线”的基材可为任何能导电的金属及其合金,如镍、铜、铝、锌、锡及其合金。通常可借助交联和/或热处理的方法来提高过电流保护元件性能的稳定性。交联 可以是化学交联或辐照交联,例如可利用交联促进剂、电子束辐照或Co6°辐照来实现。过电 流保护元件所需的辐照剂量一股小于lOOMrad,优选为1 50Mrad,更优为1 20Mrad。热 处理可以是退火、热循环、高低温交变,例如80°C /_40°C高低温交变。所述退火的温度环境 可以是PTC材料层基材分解温度以下的任何温度,例如高于导电复合材料基材熔融温度的 高温退火和低于导电复合材料基材熔融温度的低温退火。本发明的过电流保护元件,其在25 °C的电阻率小于0.5Ω ^m,优选小于 0. 1 Ω · cm,最优为小于0. 05Ω · cm,因此本发明的过电流保护元件在25°C的电阻很低,例 如 1. Om Ω 20m Ω。本发明的有益效果是本发明具有电阻正温度系数的导电复合材料电阻率低,由该导电复合材料制备的 过电流保护元件具有优越的电阻再现性和良好的PTC强度,即使在导电复合材料基材中填 充了大量的导电填料时也能保证具有良好的PTC强度。因此本发明的过电流保护元件在具 有极低电阻率的同时仍具有优良的PTC强度。


图1为本发明的过电流保护元件的结构示意图。图2为本发明带引脚的过电流保护元件的结构示意图。图3为本发明实施例1的过电流保护元件的电阻-温度曲线图。
具体实施例方式以下通过具体的实施例对本发明作进一步的详细说明。实施例1过电流保护元件的导电复合材料的组成如表一所示。其中,结晶性聚合物A为熔融温度为135°C和密度为0.952g/cm3的高密度聚乙烯; 结晶性聚合物B为熔融温度为134°C和密度为0. 954g/cm3的高密度聚乙烯;导电填料A为 碳化钛,其粒径小于3 μ m,总含碳量> 19.4%,密度为4. 93g/cm3 ;导电填料B为碳化钛-碳 化钽-碳化钨固熔体,其粒径小于10 μ m。过电路保护元件的制备过程如下将批式密炼机温度设定在180°C,转速为30转/分钟,先加入结晶性聚合物密炼3分钟后,加入1/4重量的导电填料,然后每隔2分钟加 入1/4重量的导电填料,最后一次加完后,继续密炼15分钟,得到一具有电阻正温度系数的 导电复合材料。将熔融混合好的导电复合材料通过开炼机薄通拉片,得到厚度为0. 20 0. 25mm的导电复合材料。如图1为本发明的过电流保护元件的结构示意图所示,将导电复合材料11层置于 上下对称的两金属箔片12之间,金属箔片12具有至少一粗糙表面,且所述粗糙表面与PTC 材料层11直接物理性接触。通过热压合的方法将导电复合材料11和金属箔片12紧密结合 在一起。热压合的温度为180°C,先预热5分钟,然后以5MPa的压力微压3分钟,再以12MPa 的压力热压10分钟,然后在冷压机上冷压8分钟,以模具将其冲切成3 X 4mm的单个元件, 最后如图2为本发明带引脚的过电流保护元件的结构示意图所示,通过回流焊的方法将两 个金属引脚13连接在两个金属箔片12表面,形成一过电流保护元件。如图3为本发明实施例1的过电流保护元件的电阻-温度曲线图所示,过电流保 护元件在25°C时具有很低的电阻值,随着温度的增加,电阻缓慢上升,当温度增加到130°C 左右时,过电流保护元件的电阻发生突变,增加约10个数量级,此时过电流保护元件由导 体变成绝缘体,使电路处于断路状态,以达到保护电路元件的目的。实施例2制备具有电阻正温度系数的导电复合材料及过电流保护元件的步骤与实施例1 相同,但将结晶性聚合物A的体积分数由34%降为20%,将结晶性聚合物B的体积分数由 6%增加到20%。实施例2的导电复合材料的配方和过电流保护元件的电气特性如表一所
7J\ ο实施例3制备具有电阻正温度系数的导电复合材料及过电流保护元件的步骤与实施例1 相同,但将结晶性聚合物A的体积分数由34%降为28%,将结晶性聚合物B的体积分数由 6%增加到12%。实施例3的导电复合材料的配方和过电流保护元件的电气特性如表一所
7J\ ο实施例4制备具有电阻正温度系数的导电复合材料及过电流保护元件的步骤与实施例1 相同,但将结晶性聚合物A的体积分数由34%降为12%,将结晶性聚合物B的体积分数由 6%增加到28%。实施例4的导电复合材料的配方和过电流保护元件的电气特性如表一所不。比较例1制备具有电阻正温度系数的导电复合材料及过电流保护元件的步骤与实施例1 相同,但将导电填料改为碳化钛。比较例1的导电复合材料的配方和过电流保护元件的电 气特性如表一所示。比较例2制备具有电阻正温度系数的导电复合材料及过电流保护元件的步骤与实施例1 相同,但将导电填料改为碳化钛,结晶性聚合物A的体积分数由34%增为37%,结晶性聚合 物B的体积分数由6%减为3%。比较例2的导电复合材料的配方和过电流保护元件的电 气特性如表一所示。
比较例3制备具有电阻正温度系数的导电复合材料及过电流保护元件的步骤与实施例1 相同,但将导电填料改为碳化钛,结晶性聚合物A的体积分数由34%减为24%,结晶性聚合 物B的体积分数由6%增为16%。比较例3的导电复合材料的配方和过电流保护元件的电 气特性如表一所示。其中过电流保护元件的电阻值是用四电极法进行测量得到。表一为由本发明的具有电阻正温度系数的导电复合材料制备的过电流保护元件 在6V/50A的条件下触发后,在25°C的温度环境里放置1小时后的电阻测试数据。表一中 的R表示通过回流焊在过电流保护元件的两个金属箔片12表面上焊上的两个金属引脚13 之前过电流保护元件的电阻;Rtl表示所述过电流保护元件的成品电阻讽表示所述过电流 保护元件持续通电(6V/50A)60秒后,在25°C的温度环境里放置1小时后所测得的电阻值; R25表示所述过电流保护元件持续通电(6V/50A) 60秒后,断电6秒,如此循环25次,然后在 25°C的温度环境里放置1小时后所测得的电阻值;R5tl表示所述过电流保护元件持续通电 (6V/50A)60秒后,断电6秒,如此循环50次,然后在25°C的温度环境里放置1小时后所测 得的电阻值;R·表示所述过电流保护元件持续通电(6V/50A)60秒后,断电6秒,如此循环 100次,然后在25°C的温度环境里放置1小时后所测得的电阻值。表一 从表一可以看出实施例1 4和比较例1 3具有相同体积分数的导电填料,但实施例1 4中所用导电填料为两种或两种以上金属碳化物的固溶体,其成品电阻值比使 用金属碳化物碳化钛作导电填料的比较例1 3要小。实施例1 4经过6V/50A电流冲 击100次后,其电阻值均小于60m Ω,而比较例1 2经过6V/50A电流冲击100次后,其电 阻值均大于400πιΩ,电阻再现性较差。虽然比较例3在经过6V/50A电流冲击100次后的 电阻值较小,但是其成品电阻值大于20πιΩ,已不能满足极低电阻的要求。从图3中可以看 出,以金属碳化物的固熔体为导电填料的过电流保护元件具有优异的PTC强度。本发明的过电流保护元件所使用的具有电阻正温度系数的导电复合材料由于具 有一电阻率非常低的导电填料,因此具有很低的电阻值、优异的电阻再现性和PTC强度。且 所使用的导电填料不易氧化,无需通过包封的方式来使导电复合材料免受氧化,因此可以 制备具有承载电流面积为1206、0805、0603、0402等小尺寸的过电流保护元件。本发明的内容和特点已揭示如上,然而前面叙述的本发明仅仅简要地或只涉及本 发明的特定部分,本发明的特征可能比在此公开的内容涉及的更多。因此,本发明的保护范 围应不限于实施例所揭示的内容,而应该包括在不同部分中所体现的所有内容的组合,以 及各种不背离本发明的替换和修饰,并为本发明的权利要求书所涵盖。
权利要求
一种具有电阻正温度系数的导电复合材料,其特征在于其包含(a)至少一结晶性聚合物基材,占所述具有电阻正温度系数的导电复合材料体积分数的20%~70%;(b)一导电填料,占所述具有电阻正温度系数的导电复合材料体积分数的30%~80%,其粒径为0.1μm~10μm,且体积电阻率不大于300μΩ·cm,所述导电填料分散于所述的结晶性聚合物基材之中,其中,所述导电填料为一种固溶体。
2.根据权利要求1所述的具有电阻正温度系数的导电复合材料,其特征在于所述的 结晶性聚合物基材为环氧树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚甲 基丙烯酸甲酯、乙烯_丙烯酸共聚物中的一种或其混合物。
3.根据权利要求1所述的具有电阻正温度系数的导电复合材料,其特征在于所述固 溶体为金属碳化物的固溶体,其组成包括碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化钛、碳化铌、碳化 钼、碳化铪、碳化铬、碳化钨、碳化硼、碳化铍中的两种或两种以上的混合物。
4.利用权利要求1至3之一所述具有电阻正温度系数的导电复合材料制备的过电流保 护元件,其特征在于过电流保护元件由两个金属箔片间夹固具有电阻正温度系数的导电 复合材料层构成。
5.根据权利要求4所述的过电流保护元件,其特征在于所述两个金属箔片具有粗糙表面。
6.根据权利要求5所述的过电流保护元件,其特征在于所述两个金属箔片的粗糙表 面与所述具有电阻正温度系数的导电复合材料直接物理性接触。
7.根据权利要求4所述的过电流保护元件,其特征在于在25°C时的体积电阻率不大 于0. 1 Ω · cm,且具有良好的电阻再现性和PTC强度的过电流保护元件。
全文摘要
本发明揭示一种具有电阻正温度系数的导电复合材料及过电流保护元件。所述具有电阻正温度系数的导电复合材料包含(a)至少一结晶性聚合物基材,占所述具有电阻正温度系数的导电复合材料体积分数的20-70%;(b)一导电填料,占所述具有电阻正温度系数的导电复合材料体积分数的30-80%,其粒径为0.1-10μm,且体积电阻率不大于300μΩ·cm,导电填料分散于所述的结晶性聚合物基材之中,导电填料为一种固溶体。利用所述具有电阻正温度系数的导电复合材料制备的过电流保护元件包含两个金属箔片,且导电复合材料介于所述两个金属箔片之间。优点是由该具有电阻正温度系数的导电复合材料制备的过电流保护元件具有低室温电阻率、良好的电阻再现性和PTC强度。
文档编号H01B1/20GK101887766SQ201010219600
公开日2010年11月17日 申请日期2010年7月8日 优先权日2010年7月8日
发明者刘正平, 刘玉堂, 李丛武, 杨铨铨, 王军, 高道华 申请人:上海长园维安电子线路保护股份有限公司
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