CN101556851A

CN101556851A - 一种正温度系数导电复合材料及由其制造的电阻元器件

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Publication number: CN101556851A
Application number: CNA2009100516175A
Authority: CN
Inventors: 胡定军; 王俊刚; 许兴; 徐�明; 彭顺
Original assignee: Shanghai Keter Polymer Material Co Ltd
Current assignee: Shanghai Keter Polymer Material Co Ltd
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2009-10-14

Abstract

本发明涉及一种正温度系数导电复合材料，包括n层第一导电复合材料层和m层第二导电复合材料层，其中n＝m+1，第一导电复合材料层和第二导电复合材料层交替层叠，且第一导电复合材料层的电阻率大于第二导电复合材料层的电阻率，较佳地，第一导电复合材料层的电阻率与第二导电复合材料层的电阻率之比大于等于100，第二导电复合材料层的厚度小于等于200μm，第一和第二导电复合材料层为结晶性聚合物和导电填料共混层，还提供了由此制造的电阻元器件，本发明的正温度系数导电复合材料构造独特，具有电阻低、电阻重复性高和PTC强度高的优点，提高了器件的安全可靠性和使用寿命，非常适于用作3G锂电池的过流过温保护器件，同时生产简单、效率高。

Description

一种正温度系数导电复合材料及由其制造的电阻元器件

技术领域

本发明涉及导电材料技术领域，特别涉及导电复合材料技术领域，具体是指一种正温度系数导电复合材料及由其制造的电阻元器件。

背景技术

目前，表现正温度系数行为的导电复合材料广泛应用于用于电路保护器件中进行过流过温保护，这类复合材料一般由结晶性聚合物和分散在其中的导电填料组成。填料在复合材料中的用量与类型取决与各种应用所需的电阻率以及聚合物组分的性质。

众所周知：在导电复合材料的聚合物基体中具有结晶区和非晶区，填充导电颗粒后，导电颗粒主要集中于非晶区；在正常的工作温度下，导电性颗粒在聚合物中形成低阻值的导电链路。但是，当温度上升到器件的开关温度以上时，所产生的热量使聚合物迅速膨胀聚合物内的晶体融化，容积变大，切断导电粒子所构成的导电通路，并导致器件阻抗的非线性增加，电阻变化的倍数可以达到1000甚至更多。产生变化的热量可以来自外部，也可以由于电流过大而产生的内部电阻性发热现象；一旦电源断开，以及故障消除后，导电复合材料的温度降低到其动作温度以下，聚合物冷却，体积恢复正常，其中导电粒子又重新构成导电通路，导电复合材料又呈初始的低阻状态。这里导电复合材料电阻急剧变化后的电阻与发生变化之前的电阻的比值就是导电复合材料的PTC强度。

导电复合材料用于过流过温保护器件时，许多应用，希望该器件的电阻尽可能低，以便在正常工作期间使对电路电阻的影响最小化。同时也希望它们在电路板上占据的空间较少且具有理想的热性能。特别是在锂离子电池中，其在正常工作状态下需要较高的维持电流，这就使过流过温保护器件的尺寸受到严格的限制，要求正温度系数保护器件电阻越小越好，保证正常电路中功耗更小，并具有更高的切断电阻，保证电路切断后漏电流愈小愈好要求，即导电复合材料PTC强度要越大越好。

导电复合材料的电阻率能够通过加入较多的导电填料来减少，但这种方法会影响导电复合材料的PTC强度，即导电复合材料响应与温度上升而增加的电阻大小。所要求的PTC强度取决于所施加的电压。电压越高，需要导电复合材料的PTC强度越高。

当用炭黑作导电颗粒时，难以获得体积电阻率小于0.1Ω.cm并有良好PTC强度的导电复合材料。要降低导电复合材料的电阻率，必须增加炭黑的用量。但当增加炭黑含量时，不可能得到足够高的PTC强度。使用炭黑做导电填料，实际上所得到的导电复合材料的体积电阻率受到限制。迄今，在聚合物中加入导电炭黑未获得具有低体积电阻率的导电复合材料，但作为3G手机锂电池用过流过温保护期间一般都要求导电复合材料的室温电阻率在0.5Ω.cm以下，其使用的电压都在6V、12V或者更高，这就要求所使用的导电复合材料体积电阻率越小越好，保证正常电路中功耗更小，并具有较高的PTC强度即有更高的切断电阻，保证电路切断后漏电流愈小愈好。

为了得到低电阻率和高PTC强度的导电复合材料，人们一直在进行各种新的研究。目前已有采用金属镍粉作为导电填料得到复合上述要求的导电复合材料，但该类导电复合材料目前存在耐热性不高和储存时的稳定性低的问题，而且该类材料随着使用时间的增加，其电阻值显著的增加，同时该类材料存在价格昂贵、成本高的缺点。

在此，为适应上述具有3G锂电池用过流过温保护器件的低电阻和高PTC强度的要求，对产生PTC现场的原理研究的基础上新开发一种正温度系数导电复合材料及由其制备的电阻元器件。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种正温度系数导电复合材料及由其制造的电阻元器件，该正温度系数导电复合材料构造独特，由该正温度系数导电复合材料制造的电阻元器件具有电阻低、电阻重复性高和PTC强度高的优点，提高了器件的安全可靠性和使用寿命，非常适于用作3G锂电池的过流过温保护器件，同时生产简单、效率高。

为了实现上述目的，在本发明的第一方面，提供了一种正温度系数导电复合材料，其特点是，包括n层第一导电复合材料层和m层第二导电复合材料层，其中n＝m+1，所述第一导电复合材料层和所述第二导电复合材料层交替层叠，且所述第一导电复合材料层的电阻率大于所述第二导电复合材料层的电阻率。因此，最上面和最下面都是第一导电复合材料层。

较佳地，所述的第一导电复合材料层的电阻率与所述的第二导电复合材料层的电阻率之比大于等于100。

较佳地，所述第二导电复合材料层的厚度小于等于200μm。第一导电层厚度可以根据制作尺寸需要进行调节。

较佳地，所述第一导电复合材料层和所述第二导电复合材料层为结晶性聚合物和导电填料共混层。

更佳地，所述第一导电复合材料层和所述第二导电复合材料层含有相同的结晶性聚合物和导电填料。两者的区别主要在于配比不同。

更佳地，所述结晶性聚合物为聚烯烃、含氟聚合物、聚酰胺中的一种或几种，所述导电填料为碳黑、石墨、导电陶瓷、金属粉中的一种或几种。

应注意，本领域技术人员理解，期望的结晶性聚合物、导电填材的类型和量取决于要制造的正温度系数导电复合材料的期望特性。

在本发明的第二方面，提供了一种电阻元器件，其特点是，采用上述的正温度系数导电复合材料制造而成。

较佳地，所述电阻元器件还包括两金属箔电极层，两所述金属箔电极层分别贴合在所述第一导电复合材料层和所述第二导电复合材料层的两端的端面上。

更佳地，所述电阻元器件还包括两引出电极，两所述引出电极分别固定在两所述金属箔电极层的外表面上。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的正温度系数导电复合材料由n层具有大电阻率的第一导电复合材料层和m层具有小电阻率的第二导电复合材料层交替层叠而成，构造独特，而由此制造的电阻元器件具有电阻低、电阻重复性高和PTC强度高的优点，提高了器件的安全可靠性和使用寿命，非常适于用作3G锂电池的过流过温保护器件；

2、本发明的正温度系数导电复合材料将n层具有大电阻率的第一导电复合材料层和m层具有小电阻率的第二导电复合材料层交替层叠而成，也可以直接采用多层共挤出技术得到上述结构，生产简单、效率高。

附图说明

图1是本发明的正温度系数导电复合材料的一具体实施例的主视示意图。

图2是本发明的电阻元器件的一具体实施例的主视示意图。

图3是图2所示的电阻元器件的制造流程过程示意图。

具体实施方式

本发明涉及的具有正温度系数(PTC)特性的导电复合材料是由具有不同电阻率的第一导电复合材料层11和第二导电复合材料层12经过交替叠加形成的一种夹心层结构；其中电阻率大的第一导电复合材料层11的层数为n，电阻率小的第二导电复合材料层12的层数为m，其中n＝m+1，层数n根据所期望得到的电阻元器件的电阻进行叠加，一般层数越多，电阻率越小。将上述叠加后的正温度系数导电复合材料粗品进行压制，使不同层数粘结在一起，得到正温度系数导电复合材料，也可以直接采用多层共挤出技术得到上述结构。随后根据需要将上述多层的正温度系数导电复合材料进行横向切片切成条状；将条状的正温度系数导电复合材料沿垂直方向压制成片状后在表面叠合金属镀镍铜箔，然后冲切成所需形状的芯片；将上述芯片焊接或引出电极，可得到正温度系数过流过温保护器件。

参见图1所示，该正温度系数导电复合材料包括6层第一导电复合材料层11和5层第二导电复合材料层12，交替叠加，请参见图2所示，两所述金属镀镍铜箔电极层13分别贴合在所述第一导电复合材料层11和所述第二导电复合材料层12的两端的端面上形成另一种电阻元器件。

该正温度系数导电复合材料可以包括其它层数的第一导电复合材料层11和其它层数的第二导电复合材料层12，比如，该正温度系数导电复合材料可以包括4层第一导电复合材料层11和3层第二导电复合材料层12，交替叠加，两所述金属镀镍铜箔电极层13分别贴合在所述第一导电复合材料层11和所述第二导电复合材料层12的两端的端面上形成一种电阻元器件。

在由上述第一导电复合材料层11和第二导电复合材料层12交替叠加而成的正温度系数导电复合材料中，由于最后成型的正温度系数导电复合材料的电阻由上述第一导电复合材料层11和第二导电复合材料层12并联而来，其最终电阻率由第二导电复合材料层12的电阻率p1、叠加的层数和第二导电复合材料层12的厚度决定，p1越小，整个器件的电阻就小，层数越多，整个器件的电阻也越小。

所述不同导电率的第一导电复合材料层11和第二导电复合材料层12的宽度按照下列条件进行压制成型：L1≤200um。这里规定L1的宽度，即第二导电复合材料层12的宽度，基于下述理由：如果电阻率小的第二导电复合材料层12的体积小，在界面层的导电填料富集区域将有足够的几率迁移导电阻率小的第二导电复合材料层12中，造成的电阻变化率将相对较大；如果L1过大，热量得不到有效的传递，将造成该区域结晶材料被破坏后得不到有效的恢复。同时一旦电源断开后，导电复合材料的温度降低到其动作温度以下，聚合物冷却，体积逐渐恢复正常，其中导电粒子又重新构成导电通路，但这时，界面层仍然是导电填料富集的区域，导电复合材料又呈初始的低阻状态。

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

以下具体实施例中采用的各组分原料，包括各组分原料的品名、牌号以及生产厂家：1、高密度聚乙烯：牌号为5000S，大庆石化生产；2、导电碳黑：商品名为Raven16，Columbian公司生产；具体实施例的组成配方见表1

具体的制造方法为：

首先，将上述经过预混后的导电复合材料进行多层共挤出，挤出温度梯度为170℃-200℃，挤出的第一导电复合材料层为6层，第二导电复合材料层为5层，其中电阻率大的第一导电复合材料层的厚度为L2；电阻率小的第二导电复合材料层的厚度为L1。具体导电层厚度见表1。其次，将挤出的导电复合材料坯料根据需要沿横向切成条状，条状尺寸为：宽1mm*长120mm。

随后，将条状按照图3的方法压制黑片，压延成型后的裁切成尺寸为：宽0.8mm*长120mm，厚度分别为8.2mm、7.6mm、8.2mm和7.7mm的黑片。这里的黑片就是制造出来的本发明的正温度系数导电复合材料，如图1所示的形状。

表1实施例1-4的正温度系数导电复合材料组成配方及导电层厚度

最后，在黑片上叠合金属箔电极层13，得到图2所示的形状。要得到能够符合实际实用的产品，还必须按照要求冲切成所需的形状。这里冲切后的尺寸为：8mm*10mm*0.8mm。

为得到稳定的PTC特性的复合材料，冲切后的产品进行热处理和辐照。将上述得到的产品取5个测试平均电阻率和PTC强度，测试的样品的室温电阻值和PTC强度取平均值后的数据见表2；这里PTC强度的计算方法为：PTC强度I＝R(tm+5)/R(室温25℃)；R(tm+5)为导电复合材料熔点5℃以上的电阻值。

表2

实施例	室温25℃平均电阻值(mΩ)	PTC强度
实施例	室温25℃平均电阻值(mΩ)	PTC强度	实施例1	28.87	1.32×10⁴
实施例2	30.52	1.93×10⁴	实施例1	28.87	1.32×10⁴
实施例2	30.52	1.93×10⁴	实施例3	26.30	1.56×10⁴
实施例4	27.96	2.80×10⁴	实施例3	26.30	1.56×10⁴

为了更好的理解本发明的优越性，使用同样的聚合物和导电填料制备按照现有的常规的方法制备室温电阻大小一致的导电聚合物复合材料作为对比例1：

将上述导电复合材料按照重量比进行配比：HDPE∶CB＝100∶120；将上述原料进行预混合后进行双螺杆挤出，挤出温度梯度170℃-200℃，挤出的导电复合材料尺寸为：宽0.8mm×长120mm×厚度8.2mm的黑片，随后在黑片上叠合金属箔电极。按照要求冲切成所需的形状。这里冲切后的尺寸为：8mm×10mm×0.8mm。冲切后的产品进行热处理和辐照，得到具有稳定的PTC特性导电复合材料。

同样，为了更好的理解本发明的优越性，按照实施例中的制造方法，调整导电复合材料的配比和第二导电复合材料层的厚度，得到具体对比例2～4，具体配方和导电层厚度及电阻率见表3。

将上述得到的产品取5个测试平均电阻率和PTC强度，测试的样品的室温电阻值和PTC强度见表4。

表3对比例正温度系数导电复合材料组成配方及导电层厚度

表4

对比例	室温25℃平均电阻值(mΩ)	PTC强度
对比例	室温25℃平均电阻值(mΩ)	PTC强度	对比例1	27.60	3.07×10³
对比例2	26.30	5.12×10³	对比例1	27.60	3.07×10³
对比例2	26.30	5.12×10³	对比例3	25.60	1.96×10³
对比例4	24.23	1.02×10³	对比例3	25.60	1.96×10³

通过以上具体实施例和对比例，可以看出，采用本发明制备的高分子热敏电阻元器件具有电阻小、电阻重复性高、PTC强度高的特点。

本发明的导电复合材料对于其产生优异效果的理由并不能完全在理论上说明，本发明人等基于所发现的事实，作为一个可能性，认为有以下理由：在多层交替叠加的导电复合材料中，存在明显的界面层。界面层的导电填料的浓度可能比周围的导电填料的浓度高，在正常的工作电流下，电流优先通过电阻率小的区域，但是，当电流发生变化，电流产生的焦耳热开始增加，这时，界面层的导电填料的运动开始活跃，同时，温度上升，聚合物容积变大，但这时，电阻率小的导电复合材料的体积变化比电阻率大的导电填料体积变化小，在界面层的导电填料有机会迁移到电阻率小的复合材料中，导致电阻率高的导电复合材料的导电通路显著减少，同常规的器件相比，这种阻抗的非线性增加，电阻变化的倍数可以更高。

综上，本发明的正温度系数导电复合材料构造独特，由该正温度系数导电复合材料制造的电阻元器件具有电阻低、电阻重复性高和PTC强度高的优点，提高了器件的安全可靠性和使用寿命，非常适于用作3G锂电池的过流过温保护器件，同时生产简单、效率高。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims

1.一种正温度系数导电复合材料，其特征在于，包括n层第一导电复合材料层和m层第二导电复合材料层，其中n＝m+1，所述第一导电复合材料层和所述第二导电复合材料层交替层叠，且所述第一导电复合材料层的电阻率大于所述第二导电复合材料层的电阻率。

2.根据权利要求1所述的正温度系数导电复合材料，其特征在于，所述的第一导电复合材料层的电阻率与所述的第二导电复合材料层的电阻率之比大于等于100。

3.根据权利要求1所述的正温度系数导电复合材料，其特征在于，所述第二导电复合材料层的厚度小于等于200μm。

4.根据权利要求1所述的正温度系数导电复合材料，其特征在于，所述第一导电复合材料层和所述第二导电复合材料层为结晶性聚合物和导电填料共混层。

5.根据权利要求4所述的正温度系数导电复合材料，其特征在于，所述第一导电复合材料层和所述第二导电复合材料层含有相同的结晶性聚合物和导电填料。

6.根据权利要求4所述的正温度系数导电复合材料，其特征在于，所述结晶性聚合物为聚烯烃、含氟聚合物、聚酰胺中的一种或几种，所述导电填料为碳黑、石墨、导电陶瓷、金属粉中的一种或几种。

7.一种电阻元器件，其特征在于，采用权利要求1所述的正温度系数导电复合材料制造而成。

8.根据权利要求7所述的电阻元器件，其特征在于，所述电阻元器件还包括两金属箔电极层，两所述金属箔电极层分别贴合在所述第一导电复合材料层和所述第二导电复合材料层的两端的端面上。

9.根据权利要求8所述的电阻元器件，其特征在于，所述电阻元器件还包括两引出电极，两所述引出电极分别固定在两所述金属箔电极层的外表面上。