聚合物正温度系数（PPTC）主体及由其制成的装置的制作方法

聚合物正温度系数(pptc)主体及由其制成的装置
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年4月2日提交的题为“聚合物正温度系数(pptc)主体及由其制成的装置”的美国专利申请号63/004,137的优先权的权益，该申请通过整体引用并入本文。
技术领域
3.实施方案涉及包括熔断器装置的电路保护装置领域。


背景技术：

4.聚合物正温度系数(pptc)装置可用作过电流或过热保护装置，以及电流或温度传感器，以及各种其他应用。在过电流或过热保护应用中，pptc装置可被视为自复式熔断器，设计用于在诸如低电流的设计条件下工作时表现出低电阻。由于电路保护元件环境的温度升高而直接加热，或者由于流经电路保护元件的电流产生的电阻加热，可能改变pptc装置的电阻。例如，pptc装置可以包括聚合物材料和导电填料，所述导电填料提供由于聚合物材料的变化(例如熔融转变或玻璃化转变)而从低电阻状态转变为高电阻状态的混合物。在这样的转变温度(有时称为跳闸温度(trip temperature))下，在所述跳闸温度通常可在室温或更高的范围内时，所述聚合物基质可膨胀并破坏导电性，从而使复合材料的导电性差得多。电阻的这种变化赋予pptc材料类似熔断器的特性，当pptc材料冷却回至室温时，该电阻可能是可逆的。


技术实现要素：

5.在一些方面，本公开内容涉及聚合物正温度系数(pptc)主体，其包括含有以下的材料：(a)聚合物基质和(b)包含通式m
n+1
ax
n
的化合物的导电填料，其中м为d区过渡金属元素，a为p区元素，x为碳或氮，且n为1、2或3。
6.在一些实施方案中，所述p区元素可以选自iiia、iva、va或via族元素，例如al、si、p、s、ga、ge、as、cd、in、sn、tl和pb。
7.在一些实施方案中，所述过渡金属可以是iiib、ivb、vb或vib族元素，例如ti、sc、v、cr、zr、nb、mo、hf或ta。
8.在一些实施方案中，所述化合物可以选自ti2cdc、sc2inc、ti2alc、ti2gac、ti2inc、ti2tlc、v2alc、v2gac、cr2gac、ti2aln、ti2gan、ti2inn、v2gan、cr2gan、ti2gec、ti2snc、ti2pbc、v2gec、cr2alc、cr2gec、v2pc、v2asc、ti2sc、zr2inc、zr2tlc、nb2alc、nb2gac、nb2inc、mo2gac、zr2inn、zr2tln、zr2snc、zr2pbc、nb2snc、nb2pc、nb2asc、zr2sc、nb2sc、hf2inc、hf2tlc、ta2alc、ta2gac、hf2snc、hf2pbc、hf2snn、hf2sc、zr2alc、ti3alc2、ti3gac2、ti3inc2、v3alc2、ti3sic2、ti3gec2、ti3snc2、ta3alc2、zr3alc2,ti4aln3、v4alc3、ti4gac3、ti4sic3、ti4gec3、nb4alc3或ta4alc3。
9.在某些实施方案中，所述聚合物可以是半结晶聚合物，例如聚乙烯(pe)、聚偏二氟乙烯(pvdf)、乙烯四氟乙烯(etfe)、乙烯
‑
乙酸乙烯酯(eva)、乙烯/丙烯酸共聚物(eaa)、乙
烯丙烯酸丁酯共聚物(eba)或全氟烷氧基烷烃聚合物(pfa)。
10.本公开的其他方面涉及熔断器装置，所述熔断器装置包括：(a)根据以上方面和实施方案中任一个的pptc主体；(b)第一电极，其设置在pptc主体的第一侧上；(c)第二电极，其设置在pptc主体的第二侧上。
11.在阅读下面的具体实施方式和权利要求书后，这些方面和其他方面以及实施方案对于本领域普通技术人员将变得显而易见。
附图说明
12.图1a
‑
1c示出了根据本公开的实施方案的pptc装置；
13.图2a和2b示出了根据本公开的其他实施方案的pptc装置；
14.图3示出了根据本公开一个实施方案的pptc装置的示例性电阻性能；
15.图4示出了根据本公开的各种实施方案的pptc装置；
16.图5示出了根据本公开的各种其他实施方案的pptc装置；
17.图6示出了根据本公开的各种另外的实施方案的pptc装置；和
18.图7示出了根据本公开的各种实施方案的pptc装置的制备方法。
具体实施方式
19.现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明的实施方案，在附图中示出了示例性的实施方案。实施方案不应被解释为限于本文阐述的实施方案。相反，提供这些实施方案以使本公开内容将是彻底和完全的，并将其范围充分传达给本领域技术人员。在附图中，相同的附图标记始终指代相同的元件。
20.在各种实施方案中，本文描述了可用于形成pptc主体的新颖材料。所述材料可以包含聚合物和含有通式为m
n+1
ax
n
的化合物的导电填料，其中м为d区过渡金属元素，a为p区元素，x为碳或氮，n为1、2或3，将在下面更详细地描述。
21.所述pptc主体可以用于形成可以被配置成作为熔断器装置工作的装置。
22.在各种实施方案中，可以如图1a
‑
1c所示构造pptc装置。图1a示出了pptc装置100的侧视截面图，其中pptc主体104设置在分别布置在pptc主体104的第一侧和第二侧的第一电极102和第二电极106之间。图1b示出了pptc方片(chip)装置100的透视图，其中pptc主体104设置在分别布置在pptc主体104的第一侧和第二侧的第一电极102和第二电极106之间。图1c示出了pptc圆盘(disc)装置100的透视图，其中pptc主体104设置在分别布置在pptc主体104的第一侧和第二侧的第一电极102和第二电极106之间。
23.在各种实施方案中，可以如图2a和2b所示构造pptc装置。图2a示出了在第一端子108被接合到第一电极102并且第二端子110被接合到第二电极106之后，作为终端装置的类似于图1a的pptc装置100的配置。图2b示出了在第一端子108被接合到第一电极102并且第二端子110被接合到第二电极106之后，作为跨接(strap)装置的类似于图1a的pptc装置100的配置。
24.根据本公开的实施方案，可以如下详述形成pptc主体104。第一电极102和第二电极106可以由诸如铜箔的已知金属形成。在一些实施方案中，铜箔可以是镀镍的。第一端子108和第二端子110也可以由诸如铜或黄铜的已知材料形成。第一端子108和第二端子110可
以与第一电极102和第二电极106形成第一界面112和第二界面114，例如通过焊接。所述实施方案在本上下文中不受限制。
25.在各种实施方案中，pptc主体104可以由包含聚合物基质和导电填料的材料形成。
26.在各种实施方案中，pptc主体104的聚合物基质可以由半结晶聚合物形成。半结晶聚合物可以选自例如聚乙烯(pe)、聚偏二氟乙烯(pvdf)、乙烯四氟乙烯(etfe)、乙烯
‑
乙酸乙烯酯(eva)、乙烯/丙烯酸共聚物(eaa)、乙烯丙烯酸丁酯共聚物(eba)或全氟烷氧基烷烃聚合物(pfa)。所述实施方案在本上下文中不受限制。
27.在各种实施方案中，pptc主体104的导电填料可以包含通式m
n+1
ax
n
的化合物，其中м为d区过渡金属元素，a为p区元素，x为碳或氮，且n为1、2或3。在这些实施方案的一些中，所述p区元素可以选自iiia、iva、va或via族元素。这样的p区元素的具体例子包括al、si、p、s、ga、ge、as、cd、in、sn、tl和pb及其他。在这些实施方案的一些中，所述过渡金属选自iiib、ivb、vb或vib族元素。这样的过渡金属的具体例子可以选自ti、sc、v、cr、zr、nb、mo、hf和ta及其他。其中n为1的具体化合物的例子可以选自ti2cdc、sc2inc、ti2alc、ti2gac、ti2inc、ti2tlc、v2alc、v2gac、cr2gac、ti2aln、ti2gan、ti2inn、v2gan、cr2gan、ti2gec、ti2snc、ti2pbc、v2gec、cr2alc、cr2gec、v2pc、v2asc、ti2sc、zr2inc、zr2tlc、nb2alc、nb2gac、nb2inc、mo2gac、zr2inn、zr2tln、zr2snc、zr2pbc、nb2snc、nb2pc、nb2asc、zr2sc、nb2sc、hf2inc、hf2tlc、ta2alc、ta2gac、hf2snc、hf2pbc、hf2snn、hf2sc或zr2alc及其他。其中n为2的化合物的例子可以选自ti3alc2、ti3gac2、ti3inc2、v3alc2、ti3sic2、ti3gec2、ti3snc2、ta3alc2或zr3alc2及其他。其中n为3的化合物的例子可以选自ti4aln3、v4alc3、ti4gac3、ti4sic3、ti4gec3、nb4alc3或ta4alc3及其他。
28.这样的材料可以将金属的某些特性(例如良好的导电性和导热性、低硬度、可加工性、破坏耐受性和耐热冲击性)与陶瓷的特性(例如高温强度、高弹性模量、抗氧化性和耐腐蚀性)相结合。在一些实施方案中，pptc主体104的导电填料可具有小于1
×
10
‑4ohm
‑
cm的电阻。在一些实施方案中，所述导电填料可具有低至约2
×
10
‑5ohm
‑
cm的电阻。(另一方面，金属的电阻率约为1
‑
2x10
‑6ohm
‑
cm。)
29.在各种实施方案中，pptc主体104的导电填料可以由具有0.2μm至100μm，优选地0.5μm至10μm，更优选地1μm至4μm范围及其他范围的粒径的颗粒形成。
30.在各种实施方案中，pptc主体104中的导电填料的体积分数为20％至80％，优选地为30％至50％。在各种实施方案中，pptc主体104中的聚合物基质的体积分数为80％至20％，优选地为70％至50％。
31.除了基质聚合物和导电填料之外，根据本公开的pptc主体104还可以任选地包括以下一种或多种：(a)抗氧化剂，例如市售的irganox 1010、irganox hp1076，(b)加工助剂，例如含氟聚合物加工助剂，(c)防电弧过滤剂，例如氧化锌、碳酸钙、氢氧化锰，(d)防燃化合物，例如三水合铝，或(e)聚合物交联剂，例如三烯丙基异氰脲酸酯。
32.在各种实施方案中，根据本公开的pptc主体可以用于形成电阻率增加108倍的装置。例如，现在转到图3，示出了两个装置(a)和(b)的电阻性能随温度变化的曲线图，装置(a)为包含根据本公开的pptc主体(具体为由70体积％的tialc颗粒在eaa共聚物基质材料中形成的pptc主体)的2.4x3.3mm跨接装置(顶部曲线)，装置(b)是包含由40体积％的碳颗粒在eaa共聚物基质材料中形成的pptc主体的2.4x3.3mm跨接装置(底部曲线)。如图3所示，
相对于c填充的pptc主体，tialc填充的pptc主体显示出电阻率随温度显著更大的增加，具体地，显示出大约七个数量级的电阻增加。
33.除了先前描述的那些配置之外，根据本公开的pptc装置的配置可以根据本公开的不同实施方案进一步变化。图4呈现了pptc装置400的俯视图，示出为径向引线pptc装置，包括附接到pptc主体402的相对表面的底部引线404和顶部引线406。如上面一般性描述，pptc主体402可以具有分别附接到其顶表面和底表面的第一电极和第二电极(未单独示出)。pptc装置400可以由诸如环氧树脂的密封剂层410密封。pptc主体402可以如上面一般性描述地来配制。
34.图5和图6描绘了根据本公开的不同实施方案的单层表面安装pptc装置500和双层表面安装pptc装置600的实施方案的侧视截面图。在这些另外的装置中，pptc主体可以通常如上面一般性描述地来配制。pptc装置500和pptc装置600各自具有相似的部件，包括金属电极504、金属迹线506、金属箔层508、ptc主体502和绝缘层510。
35.现在将结合图7描述根据本公开的装置的形成方法。在该方法中，首先将导电聚合物和基质聚合物混合(710)，然后进行热熔混合和挤出(712)，pptc层与金属箔的层压(714)，辐射交联(716)，方片切割(718)，和最后是装置组装(720)。
36.尽管已经参考某些实施方案公开了本发明的实施方案，但是在不脱离如所附权利要求书所限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对所描述的实施方案进行多种修改、变更和改变。因此，本实施方案不限于所描述的实施方案，并且可以具有由所附权利要求书的语言及其等同体所定义的全部范围。