CN1185230A - Ptc电路保护装置及其制造过程 - Google Patents

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Abstract

诸电气装置包括一个PTC元件,该PTC元件包括一种其中散布有导电颗粒的聚合物。PTC元件涂有一个导电层,并且带有相对表面上附有多个孔隙的电极。通过把导电颗粒散布进一种聚合物中以形成一种聚合物PTC混合物来制造诸装置。把聚合物PTC混合物熔化成型,以形成一个层状PTC元件。PTC元件的相对第一和第二表面涂有一个导电层。使其特征在于有多个孔隙的电极与PTC元件的涂敷表面相接触,并在加压的同时加热以形成一个层压件。然后把该层压件进一步形成多个PTC电路保护装置。

Description

PTC电路保护装置及其制造过程
本发明涉及聚合物PTC电路保护装置及其制造方法。
众所周知，许多导电材料的电阻率随温度而变。正温度系数(PTC)导电材料的电阻率随材料温度的升高而增大。许多通过在其中散布导电填充物使之导电的晶体聚合物呈现这种PTC效应。这些聚合物一般包括聚烯烃，如聚乙烯、聚丙烯和乙烯/丙烯共聚物。在低于一定值的温度下，即在临界或突变(trip)温度下，聚合物呈现相当低的恒定电阻率。然而，当聚合物的温度升高到超过这一点时，聚合物的电阻率急剧增大。呈现PTC特性的装置已经被用作各电路中的过流保护，这些电路包括电源和附加的串联电气元件。在电路中的正常工作条件下，负载和PTC装置的电阻是这样的，从而使相当小的电流流经PTC装置。这样，装置的温度(由I2R加热造成的)保持低于临界或突变温度。如果负载短路或电路经受电源波动，则流经PTC装置的电流增大，并且其温度(由I2R加热造成的)迅速升高到其临界温度。结果，PTC装置的电阻大大地增加。这时，大量的功率消耗在PTC装置中。这一功率消耗仅发生在一段很短的时间内(几分之一秒)，然而，因为功率消耗将把PTC装置的温度升高到一个值，在该温度值下，PTC装置的电阻已经变得如此之高，从而把原始电流限制到一个可忽视的值。这一新的电流值足以把PTC装置保持在一个新的、高温度/高电阻平衡点。这一可忽视的或很小的电流值不会损坏与PTC装置串联联接的电气元件。这样，PTC装置起一种形式的保险丝作用，当把PTC装置加热到临界温度范围内时，就把流经短路负载的电流降到一个安全的、很小的值。当中断电路中的电流，或除去造成短路的条件(或电源波动)时，PTC装置将冷却到低于其临界温度，到达其正常工作的低电阻状态。该效应是一种可复原的电路保护装置。
在工业中众所周知的是聚合物PTC电路保护装置。常规的聚合物PTC电气装置包括插入在一对电极之间的PTC元件。电极能连接到电源上，这样使电流流经PTC元件。PTC元件一般包括散布在有机聚合物中的一种特殊导电填充物。以前用于电极的材料包括金属丝网或网屏、固态的和多股绞的合金属丝、光滑的和微粗糙的金属箔、打孔的金属板、金属网、和多孔金属。
例如，美国专利No.3,351,882(Kohler等)公开了一种包括其中散布有导电颗粒的聚合物、和在聚合物中嵌入的网状结构电极的电阻元件。Kohler等公开的网状结构电极具有间隔小的金属丝、金属网或金属网屏、和打孔的金属板的形式。一般地说，这种类型的电极导致PTC装置具有很高的初始电阻，即使当导电聚合物的电阻率很低时也是如此。此外，使用网状电极的聚合物PTC装置易于形成电气应力集中，即热点，这能导致电气性能降低，甚至装置的失效。而且，又连接到使电流流经该装置的电源上的导电端子，难以连接到象Kohler等公开的那样的网状电极上。
日本Kokai No.5-109502公开了一种电路保护装置，该电路保护装置包括一个聚合物PTC元件和多孔金属材料电极。然而，当把导电端子连接到多孔电极上时，这种类型的电极也有困难，导致高初始电阻的装置。
因而，本发明的一个目的在于，提供一种电极与PTC元件之间的接触有改进而不损失装置电气性能的电气装置。
本发明的目的还在于，提供一种能连接到导电端子上的电气装置，而不产生具有很高初始电阻的电气装置。
在一个方面，本发明提供一种包括一个PTC元件的电气装置，该PTC元件包括一种其中散布有导电颗粒的聚合物。PTC元件带有相对的第一和第二表面，使一个导电层与PTC元件的相对第一和第二表面相接触。一对电极固定到PTC元件的相对表面上，每一个所述电极具有一个内表面和一个多孔隙的外表面。每一个电极的外表面能连接到一个电源上，使电流流经PTC元件。
在第二方面，本发明提供一种包括一个PTC元件的电气装置，该PTC元件包括一种其中散布有导电颗粒的聚合物。PTC元件带有相对的第一和第二表面，使一个导电层与PTC元件的相对第一和第二表面相接触。一对电极固定到PTC元件的相对第一和第二表面上，每个所述电极具有一种其特征在于有一个内边界和一个外边界的、三维的、初始疏松的网状结构。每个所述电极的外边界能连接到一个电源上，使电流流经所述PTC元件。
在第三方面，本发明提供一种制造一种电气装置的方法，该方法包括提供一个具有第一和第二表面的层状PTC元件。该PTC元件包括一种其中散布有导电颗粒的聚合物。PTC元件的第一和第二表面涂有一个导电层。使层状PTC元件的第一涂敷表面与一个第一电极相接触，所述电极具有一个内表面和一个多孔隙的外表面。使层状PTC元件的第二涂敷表面与一个第二电极相接触，所述电极具有一个内表面和一个多孔隙的外表面。把热量和压力施加到涂敷的PTC元件和电极上，以形成一个层压件。然后进一步把该层压件形成多个PTC电气装置。
在另一方面，本发明提供一种制造一种电气装置的方法，该方法包括提供一个具有第一和第二表面的层状PTC元件。该PTC元件包括一种其中散布有导电颗粒的聚合物。PTC元件的第一和第二表面涂有一个导电层。使层状PTC元件的第一涂敷表面与一个第一电极相接触，而使层状PTC元件的第二涂敷表面与一个第二电极相接触。电极具有一种其特征在于有一个内边界和一个外边界的、三维的、初始疏松的网状结构。把热量和压力施加到涂敷的PTC元件和电极上，以形成一个层压件。然后进一步把该层压件形成多个PTC电气装置。
一旦阅读附图的如下描述和本发明的详细描述，就将使本发明的其他优点和方面变得显而易见。
图1是根据本发明的一种电路保护装置的立体图。
图2是根据本发明第一实施例的一种电路保护装置的立体图。
图3是图2中电路保护装置的剖视图。
图4是根据本发明第二实施例的一种电路保护装置的立体图。
图5是图4中电路保护装置的剖视图。
图6是图4和5电路保护装置中所示的电极材料的显微照片(放大50倍)。
虽然本发明可以有多种不同形式的实施例，但在附图中表示的和在这里详细描述的是最佳的实施例和制造方法，应该理解，此公开被认为是本发明原理的举例，而不意味着把本发明的宽广方面限制为所示的实施例。
图1表明根据本发明的一种电路保护装置1。装置1包括一个PTC元件2、导电层3和4、及电极5和6。
电极5和6包括一种金属材料中的多个孔隙，该金属材料是从包括镍、铜、锌、银、和金的组中选出的。具体地说，电极5和6可以是金属丝网、屏网、金属丝织物、打孔的金属板、或金属网。
图2和3表明本发明的一个最佳实施例，其中电极5’和6’是金属丝织物(由McMaster-Car供给的，No.9224T39)，每单位英寸具有100×100目，金属丝直径为0.0045英寸，而宽度口径为0.006英寸。电极5’和6’一般小于0.01英寸厚，然而，电极5’和6’最好为0.003至0.008英寸厚。
PTC元件2’包括一种呈现PTC特性的导电聚合物。聚合物通过散布在其中的导电颗粒使之导电。聚合物最好是聚烯烃。能用在本发明中的聚合物例子包括聚乙烯、聚丙烯、聚丁二烯、聚乙烯丙烯酸盐、乙烯丙烯酸共聚物、以及乙烯丙烯共聚物。在一个最佳实施例中，聚合物是高密度的聚丙烯，如由Quantum制造的Petrothene LB8520-00。在聚合物中散布的导电颗粒包括从由纯金属颗粒、金属合金颗粒、和碳颗粒组成的组中选择的导电材料。能在本发明中使用的导电颗粒的例子包括金属材料，如镍粉、银粉、金粉、铜粉、镀银铜粉、金属合金粉、炭黑、碳粉、以及石墨。在一个最佳实施例中，导电颗粒包括炭黑，最好是具有ASTM分级N660的炭黑，如由Columbian Chemical Co.制造的Raven430。
在本发明的另一个实施例中，PTC元件2’包括一种增加高温下混合物稳定性的非导电颗粒填充物。在本发明中使用的非导电颗粒填充物的例子包括煅制二氧化硅和陶瓷微球体。
一般地说，PTC元件2’小于0.03英寸厚，最好小于0.02英寸厚，并且在25℃下一般具有小于5欧姆厘米的电阻率，小于1欧姆厘米较好，而小于0.8欧姆厘米更好。
导电层3’和4’涂敷到PTC元件2’的相对第一和第二表面上。导电层3’和4’可以包括一种导电聚合物，如导电热固性树脂、导电热塑性塑料、或导电热固性/热塑性混合物。一般地说，通过银、镍、或碳的存在使聚合物导电。当导电层3’和4’包括基于厚膜油墨混合物的聚合物时，得到了优良的结果。最好，导电层3’和4’能承受高达280℃的温度。在一个最佳实施例中，导电层3’和4’包括基于厚膜油墨的聚合物，如由DuPont ElectronicMaterials制造的CB115。
在本发明的另一个实施例中，导电层3’和4’包括一种从由银、镍、铜、铂、及金组成的组中选择的金属颗粒。最好导电层3’和4’包括银末或银粉。
参照图3，最好电极5’和6’的部分嵌在PTC元件2’中，或与其直接地实际接触。然而，本发明还包含电极5’和6’嵌在导电层3’和4’中而不直接与PTC元件2’实际接触的实施例。
现在参照图4和5，电极5”和6”包括一种其特征在于有一个内边界和一个外边界的三维的、初始疏松的、不规则的网状结构。在PTC元件2”与电极5”和6”之间的界面、和在导电层3”和4”与电极5”和6”之间的界面位于电极5”和6”的内外边界之内，而不在其表面处。任何表面接触都是沿多个孔隙壁，并且插在电极结构的孔隙之间。
在一个最佳实施例中，如图5所示，电气装置实际包括七个独立的区，而不是分层的层压电气装置。两个相对的外部区包括空的疏松电极孔隙(empty open electrode cells)(图5中的区a和b)。这些电极孔隙可以通过电镀、焊接等选择性地填充。区a和b的内侧是两个相对的用导电层3”和4”填充的电极多孔区(图5中的区c和d)。区c和d的内侧是两个相对的用PTC元件2”填充的电极多孔区(图5中的区e和f)。一个中间内部区(图5中的区g)仅包括PTC元件2”。每个电极的内边界与外边界之间的距离小于0.01英寸，最好在0.003到0.008英寸之间。对于上述的和在图2和3中表明的这些实施例，PTC元件2”和导电层3”和4”是相同的。
虽然对于一种具有网状结构的电极，上述的七区结构是最佳的，但在本发明另一个实施例中(未画出)，电气装置包括五个区。两个相对的外部区具有空的疏松电极孔隙(可以通过电镀或、焊接等选择性地填充金属)。外部区的内侧是两个相对的、填充有导电层的电极多孔区。一个中间内部区仅包括PTC元件。在这个五区实施例中，每个电极的孔隙结构不直接与PTC元件实际接触。
最好，三维的、初始疏松的网状结构电极包括一种从由镍、铜、锌、银、及金组成的组中选择的金属。基本上最好是，三维的、初始疏松的网状结构金属电极包括泡沫金属，最好是镍，如由Inco Specialty PowderProducts制造的镍泡沫电极。图6是图5中所示最佳的、三维的、初始疏松的网状结构电极的显微照片(放大50倍)。
本发明的电气装置在25℃下一般具有小于1欧姆的电阻，在25℃下具有0.1到0.3欧姆的电阻较好，而在25℃下具有小于0.1欧姆的电阻更好。
已经发现，本发明的PTC电气装置能通过把导电颗粒散布到一种聚合物中形成一种聚合物PTC混合物来制备。然后把PTC混合物熔化成形，以形成分层的PTC元件。然后把PTC元件相对的第一和第二表面涂敷一个导电层。使第一和第二电极与PTC元件的涂敷表面相接触。电极可以包括上述那些的任一种(即金属丝网、网屏、金属丝织物、打孔的金属板、金属网、或具有三维的、初始疏松的、不规则网状结构的电极)。然后把分层结构加热，即，把插入在两个电极之间的涂敷PTC元件加热，同时加压以形成层压件。然后进一步把层压件形成多个PTC电气装置。
虽然通过众所周知的聚合物成形方法，可以实现把PTC混合物熔化成形为一个层状PTC元件的步骤，但挤压或压缩模压是最佳的。
一般在至少100p.s.i.(磅/平方英寸)的压力下和在至少180℃的温度下在至少1分钟的时间内，执行向分层结构加热和加压的步骤。最好在350至450p.s.i.的压力下和在200至235℃的温度下在约3至5分钟内，执行向涂敷PTC元件和电极加热和加压的步骤。然而，当在约220℃和300p.s.i.下在1分钟内，执行加热和加压步骤，释放压力，并且然后再使涂敷的PTC元件和电极经受235℃下625p.s.i.的压力5分钟时，就已经得到了优良的结果。
在一个最佳实施例中，本发明的PTC电路保护装置包括电气连接到每个电极外表面上的导电端子。该导电端子连接到一个电源上，使电流流经该装置。通过把导电焊膏涂敷到每个电极的外表面上，把端子焊接到电极上。使端子与导电焊膏相接触并如此加热，从而使导电焊膏处于熔化状态。然后冷却熔化的焊膏直到其固化，由此把导电端子联接到装置的电极上。在上述过程中可以用预成型焊料来代替导电焊膏。
在另一个实施例中，把端子粘贴到每个电极的外表面上。把端子和PTC装置浸入一种溶剂中(即，用来从熔化的金属上除去氧化物并且防止其进一步氧化的溶液)。然后把PTC装置和端子浸入熔化焊料的槽中。然后让该装置冷却，由此使焊料固化，把端子联接到电极上。
在采用导电焊膏或预成型焊料的过程中，在把导电焊膏或预成型焊料加热到熔化状态的步骤期间，该装置将受到约280℃的温度。在采用熔化焊料槽的过程中，该装置将受到约265℃的温度。因此，导电层的成分必须能承受高达280℃的温度。虽然不能完全理解该机理，但人们相信，当导电层不能承受高达280℃的温度时，导电颗粒从导电层的成分中渗出。结果是装置具有很高的初始电阻。
这样，在一个最佳实施例中，导电层包括CB115，一种由DuPontElectronic Materials制造的、基于聚合物的厚膜油墨，CB115包括如下成分：10-15％(重量)的二甘醇-乙醚醋酸盐、1-5％的萜品醇、1-5％的丁醇、和65-75％的银。由于CB115能承受高达280℃的焊接温度，所以银保持在基于聚合物的厚膜油墨成分中。结果是装置具有低的电阻，即，装置在25℃下具有小于1欧姆的电阻，较好的是在25℃下具有0.1至0.3欧姆的电阻，更好的是在25℃下具有小于0.1欧姆的电阻。
为了更充分地表示本发明的性质和应用，描述如下实例，应该理解，这些实例仅作为说明性的实例给出，而不意味着限制本发明的范围。
                            实例1
通过放在100℃的烘箱中隔夜干燥一定量的高密度聚乙烯(HDPE)(由Quantum以商标名称Petrothene制造)和炭黑(由Cabot以商标名称BP160-Beads制造)。使用表1中下面列出量的聚乙烯和炭黑准备PTC聚合物成分。
                    表1p509                 密度     体积    重量     重量
               (gm/cc)    (％)    (％)     (gm)HDPE(PetrotheneLB8520-00)           0.96      65     49.08    117.78炭黑(BP160-Beads)    1.85      35     50.92    122.22合计                 1.2715    100    100      240
把聚乙烯放在装有一个搅拌器测量头的C.W.Brabender Plasti-CorderPL 2000中，并且在200℃下以搅拌速度5rpm(转每分钟)熔化5分钟。这时，聚乙烯处于熔化形式。然后以5rpm的搅拌速度在200℃下在5分钟内慢慢地把炭黑散布进熔化的聚乙烯中。然后把Brabender搅拌器的速度增大到80rpm，并且在200℃下把HDPE和炭黑完全混合5分钟。由搅拌造成的能量输入使混合物的温度升高到240℃。
在让混合物冷却之后，然后把混合物放到C.W.Brabender Granu-Grinder中，在这里被磨成细小的碎屑。然后把碎屑加入装有一个挤压机测量头的C.W.Brabender Plasti-Corder PL 2000中。挤压机装有一个有0.002英寸口径的压模，并且把挤压机的带速设置为2。把挤压机的温度设置为200℃，并且测得的挤压机螺旋速度为50rpm。把碎屑挤压成约2.0英寸宽8英尺长的一块板。然后把这块板切成多个2英寸×2英寸的试样PTC元件，并且在200℃下预压成约0.01英寸的厚度。
然后把一种基于聚合物的厚膜油墨(CB115，由DuPont ElectronicMaterials制造)粘贴在2英寸×2英寸的聚合物PTC试样元件的上表面和下表面上。
选择的电极材料是铜丝织物(No.9224T39，由McMaster-Carr供给)。金属丝织物电极材料每单位英寸具有100×100目，金属丝直径为0.0045英寸，而宽度口径为0.006英寸。然后用常规的电镀方法把铜丝织物镀银。测得镀银的铜丝电极约0.004英寸厚。然后把电极贴在聚合物PTC试样元件的上下厚膜油墨涂敷表面上，并且放在热压机中在400p.s.i.和230℃下约四分钟。然后从压机中取出2英寸×2英寸的层压板，并且在没有进一步的压力下冷却。然后把层压板剪成多个0.150英寸×0.180英寸的聚合物PTC电路保护装置。该电路保护装置具有0.0175英寸的平均厚度。
以如下方式把导电端子或引线联接到诸装置上：(1)把端子粘贴在每个电极的外表面上；(2)把端子和PTC装置浸入一种溶液(即，用来从熔化的金属上除去氧化物并且防止其进一步氧化的溶液)中；(3)把端子和PTC装置浸入熔化焊料的槽中；及(4)从焊料槽中取出端子和PTC装置并使之冷却，由此使焊料固化，这样把端子联接到装置的电极上。
除PTC元件不涂敷导电层之外，使用与上述相同的材料和过程制备对比装置。而把镀银铜丝织物电极直接贴在PTC试样元件上，并且然后放在热压机中在400p.s.i.和230℃下约四分钟。然后从压机中取出层压板，并且在没有进一步的压力下冷却。然后把层压板剪成多个0.150英寸×0.180英寸的聚合物PTC电路保护装置。该对比装置具有0.0145英寸的平均厚度。以与在实例1中把端子粘贴到本发明的装置上的相同方式，把端子粘贴到对比装置上。
然后试验本发明电路保护装置(金属丝织物电极带有导电层)和对比装置(金属丝织物电极没有导电层)的电气和机械性能。这些试验包括用装有开尔文线夹引线的ESI毫欧计来测量装置在25℃下的初始电阻。用带有数字显示装置的拉伸试验机(由Scott制造，型号CRE/500)测量诸装置的电极附着力。该程序包括：
1)定位引线从而使他们与装置的本体同轴；
2)把一根引线插入气控钳口中；
3)把相对的引线插入手动虎钳型钳口中；
4)把拉伸试验机设置为：
a)拉伸(拉)，
b)0.5IN/MIN(英寸/分钟)拉伸速度，
c)5％的载荷(25磅，最大)；
5)把记录器设置为：
a)5％的满载(25磅，最大)，
b)记录笔接通，
c)伺服接通；
6)按下“UP”按钮并允许运行直到完成分离。总拉力(磅)将记录在记录器上。
这些试验结果列在下面的表2中。
                        表2
  丝网/厚膜油墨导电层                    丝网
 试样号  初始电阻  拉伸试验(磅)  初始电阻(欧姆)  拉伸试验(磅)
         (欧姆)
   1      0.1870        1.40        0.3411            0.90
   2      0.1809        2.70        0.3542            0.70
   3      0.1924        1.40        0.3393            1.20
   4      0.1991        2.30        0.2941            1.20
   5      0.1938        1.20        0.3899            1.60
   6      0.1847        1.75        0.3001            1.10
   7      0.1927        2.00        0.2887            1.10
   8      0.1829        1.60        0.3354            1.10
   9      0.2014        1.75        0.3007            0.75
   10     0.1840        2.30        0.2879            1.25
 平均值   0.1899        1.84        0.3221            1.09
 最小值   0.1809        1.20        0.2879            0.70
 最大值   0.2014        2.70        0.3452            1.60
                        实例2
以与在实例1中公开的相同方式制备多个2英寸×2英寸的试样PTC元件。然后把一种基于聚合物的厚膜油墨(CB115，由DuPont ElectronicMaterials制造)粘贴在2英寸×2英寸的聚合物PTC试样元件的上表面和下表面上，并且在120℃下固化20分钟。
选择的电极材料是由Inco Specialty Powder Products供给的镍泡沫。镍泡沫具有约0.080英寸的在边界之间的初始体积厚度。供给的镍泡沫材料的密度为600+/-50g/m2(克/平方米)，具有在500至700μm范围内的平均孔径。镍泡沫材料被轧制到边界之间的体积厚度约为0.005英寸，并且在由50％硝酸和50％醋酸组成的溶液中清洗。
然后把镍泡沫电极贴在聚合物PTC试样元件的上下厚膜油墨涂敷表面上，并且放在一个带有设置为235℃温度的诸板的热压机中。控制层压件的温度直到它达到220℃，在该温度下把1200磅的总压力(300p.s.i.)施加到层压件上1分钟。然后释放压机中的压力。然后使层压件承受2500磅的总压力(625p.s.i.)5分钟，同时保持压机诸板为235℃。然后从压机中取出2英寸×2英寸的层压件，并且在没有进一步的压力下冷却。然后把层压件剪成多个0.150英寸×0.180英寸的聚合物PTC电路保护装置。该电路保护装置具有0.0193英寸的平均厚度。
以与实例1中相同的方式，把导电端子或引线粘贴到本发明的PTC装置上。
除PTC元件不涂敷导电层之外，使用上述相同的材料和过程制备对比装置。而把镍泡沫电极直接贴在PTC试样元件上，并且放在一个带有设置为235℃温度的诸板的热压机中。控制层压件的温度直到它达到220℃，在该温度下把1200磅的总压力(300p.s.i.)施加到层压件上1分钟。然后释放压机中的压力。然后使层压件承受2500磅的总压力(625p.s.i.)5分钟，同时保持压机诸板为235℃。然后从压机中取出层压件，并且在没有进一步的压力下冷却。然后把层压件剪成多个0.150英寸×0.180英寸的聚合物PTC电路保护装置。该电路保护装置具有0.0185英寸的平均厚度。以与实例1中相同的方式，把导电端子或引线粘贴到对比试件上。
然后试验本发明电路保护装置(镍泡沫电极带有一种基于聚合物的厚膜油墨导电层)和对比装置(镍泡沫电极没有导电层)的电气和机械性能。这些试验包括用装有开尔文线夹引线的ESI毫欧计来测量该装置在25℃下的初始电阻。这些试验结果列在下面的表3中。
                        表3
  镍泡沫/厚膜油墨导电层            镍泡沫
试样号        初始电阻(欧姆)    初始电阻(欧姆)
   1            0.1686            0.3579
   2            0.1674            0.3509
   3            0.1621            0.3859
   4            0.1582            0.4213
   5            0.1770            0.4184
   6            0.1619            0.4008
   7            0.1647            0.3717
   8            0.1882            0.3557
   9            0.1546            0.3867
  10            0.1492            0.3852
平均值          0.1652            0.3835
最小值          0.1492            0.3509
最大值          0.1882            0.4213
                        实例3
以与在实例1中公开的相同方式制备多个2英寸×2英寸的试样PTC元件。把2英寸×2英寸的试样PTC元件浸入银粉中(由Degussa制造的型号SF40)。
选择的电极材料是由Inco Specialty Powder Products供给的镍泡沫。镍泡沫具有约0.080英寸的在边界之间的初始体积厚度。供给的镍泡沫材料的密度为600+/-50g/m2，具有在500至700μm范围内的平均孔径。镍泡沫材料被轧制成边界之间的体积厚度约为0.005英寸，并且在由50％硝酸和50％醋酸组成的溶液中清洗。
然后把镍泡沫电极贴在聚合物PTC试样元件的上下银粉涂敷表面上，并且放在一个带有设置为235℃温度的诸板的热压机中。控制层压件的温度直到它达到220℃，在该温度下把1200磅的总压力(300p.s.i.)施加到层压件上1分钟。然后释放压机中的压力。然后使层压件承受2500磅的总压力(625p.s.i.)5分钟，同时保持压机诸板为235℃。然后从压机中取出2英寸×2英寸的层压件，并且在没有进一步的压力下冷却。然后把层压件剪成多个0.150英寸×0.180英寸的聚合物PTC电路保护装置。该电路保护装置具有0.0180英寸的平均厚度。以与实例1和2中相同的方式，把导电端子或引线联接到诸装置上。
使用实例2中制备的对比装置的试验结果，说明在实例3中制备的本发明的电路保护装置的改进电气性能。
然后试验本发明电路保护装置(镍泡沫电极带有银粉导电层)和对比装置(镍泡沫金电极没有导电层)的电气和机械性能。这些试验包括用装有开尔文线夹引线的ESI毫欧计来测量该装置在25℃下的初始电阻。这些试验结果列在下面的表4中。
                        表4
  镍泡沫/银粉导电层            镍泡沫
试样号    初始电阻(欧姆)    初始电阻(欧姆)
  1        0.2886                0.3579
  2        0.2520                0.3509
  3        0.2466                0.3859
  4        0.2783                0.4213
  5        0.2631                0.4184
  6        0.3141                0.4008
  7        0.2497                0.3717
  8        0.2639                0.3557
  9        0.2959                0.3867
 10        0.2772                0.3852
平均值     0.2729                0.3835
最小值     0.2466                0.3509
最大值     0.3141                0.4213
表2-4中的试验结果表明，当实施本发明时，能实现一种较低电阻的PTC装置。此外，表2中的结果表明，当实施本发明时，提高了电极与PTC元件之间的机械附着力。
尽管已经说明和描述了具体的实施例，但不脱离本发明的精神能想起多种变更。保护范围仅打算由附属权利要求书的范围限定。

Claims (59)

1.一种电气装置，包括：
一个PTC元件，该PTC元件包括一种其中散布有导电颗粒的聚合物，所述PTC元件带有第一和第二表面；
一对导电层，分别与所述PTC元件的所述第一和第二表面相接触；
一对电极，每一个所述电极具有一个相对的、并连接到所述导电层一个不同层上的内表面和一个多孔隙的外表面；及
每一个所述电极的所述外表面能连接到一个电源上，并且当如此连接时，使电流流经所述PTC元件。
2.一种电气装置，包括：
一个PTC元件，该PTC元件包括一种其中散布有导电颗粒的聚合物，所述PTC元件带有第一和第二表面；
一对导电层，分别与所述PTC元件的所述第一和第二表面相接触；
一对电极，分别面对着所述导电层，每一个所述电极具有一种其特征在于有一个内边界和一个外边界的三维的、初始疏松的网状结构，所述电极的所述内边界分别延伸进所述导电层的一个不同层；及
每一个所述电极的外边界能连接到一个电源上，并且当如此连接时，使电流流经所述PTC元件。
3.根据权利要求1或2所述的电气装置，其中所述聚合物包括聚烯烃。
4.根据权利要求1或2所述的电气装置，其中所述导电颗粒包括一种导电材料，该导电材料是从由纯金属颗粒、金属合金颗粒、和碳颗粒组成的组中选出的。
5.根据权利要求1或2所述的电气装置，其中所述电极包括一种金属，该金属是从由镍、铜、锌、银、和金组成的组中选出的。
6.根据权利要求1或2所述的电气装置，其中所述PTC元件包括一种非导电的颗粒填充物。
7.根据权利要求3所述的电气装置，其中所述聚烯烃包括聚乙烯。
8.根据权利要求4所述的电气装置，其中所述导电颗粒包括炭黑。
9.根据权利要求6所述的电气装置，其中所述非导电填充物包括煅制二氧化硅。
10.根据权利要求2所述的电气装置，其中在每个所述电极的所述内边界与所述外边界之间的距离小于0.010英寸。
11.根据权利要求2所述的电气装置，其中在每个所述电极的所述内边界与所述外边界之间的所述距离为0.003至0.008英寸。
12.根据权利要求1或2所述的电气装置，其中所述PTC元件小于0.03英寸厚。
13.根据权利要求1或2所述的电气装置，其中所述PTC元件小于0.02英寸厚。
14.根据权利要求1或2所述的电气装置，其中所述PTC元件在25℃下具有小于5欧姆厘米的电阻率。
15.根据权利要求1或2所述的电气装置，其中所述PTC元件在25℃下具有小于1欧姆厘米的电阻率。
16.根据权利要求1或2所述的电气装置，其中所述PTC元件在25℃下具有小于0.8欧姆厘米的电阻率。
17.根据权利要求1或2所述的电气装置，其中所述装置在25℃下具有小于1欧姆的电阻。
18.根据权利要求1或2所述的电气装置，其中所述装置在25℃下具有0.1至0.3欧姆的电阻。，
19.根据权利要求1或2所述的电气装置，其中所述装置在25℃下具有小于0.1欧姆的电阻。
20.根据权利要求1或2所述的电气装置，其中所述一对导电层包括一种导电聚合物。
21.根据权利要求1或2所述的电气装置，其中所述导电聚合物包括银。
22.根据权利要求1或2所述的电气装置，其中所述一对导电层包括从由银、镍、铜、铂、和金组成的组中选择的金属颗粒。
23.根据权利要求1或2所述的电气装置，其中所述电极包括泡沫金属。
24.根据权利要求1或2所述的电气装置，其中所述一对导电层能承受高达280℃的温度。
25.一种电气装置，包括：
一个PTC元件，该PTC元件包括一种其中散布有导电颗粒的聚合物，所述PTC元件带有第一和第二表面，并且在25℃下具有小于5欧姆厘米的电阻率；
一对导电厚膜油墨层，分别与所述PTC元件的所述第一和第二表面相接触，所述导电厚膜油墨层的每一个能承受高达280℃的温度；
一对电极，分别面对着所述导电层，每一个所述电极具有一个相对的、并连接到所述油墨层的一个不同层上的内表面和一个多孔隙的外表面；
每一个所述电极的外表面能连接到一个电源上，并且当如此连接时，使电流流经所述PTC元件；及
所述电气装置在25℃下具有小于1.0欧姆的初始电阻。
26.一种电气装置，包括：
一个PTC元件，该PTC元件包括一种其中散布有导电颗粒的聚合物，所述PTC元件带有第一和第二表面，并且在25℃下具有小于5欧姆厘米的电阻率；
一对导电厚膜油墨层，分别与所述PTC元件的所述第一和第二表面相接触，所述导电厚膜油墨层能承受高达280℃的温度；
一对电极，分别面对着所述油墨层，每一个所述电极具有一种三维的、初始疏松的网状结构，该网状结构的特征在于有一个经相邻油墨层延伸进所述PTC元件的内边界和一个外边界；
每一个电极的所述外边界能连接到一个电源上，并且当如此连接时，使电流流经所述PTC元件；及
所述电气装置在25℃下具有小于1.0欧姆的初始电阻。
27.一种电气装置，包括：
一个PTC元件，该PTC元件包括一种其中散布有导电颗粒的聚合物，所述PTC元件带有第一和第二表面，并且在25℃下具有小于5欧姆厘米的电阻率；
一对导电层，分别与所述PTC元件的所述第一和第二表面相接触，所述导电层的每一个包括从由银、镍、铜、铂、和金组成的组中选择的金属颗粒；
一对电极，分别面对着所述导电层，每一个所述电极具有一种其特征在于有一个内边界和一个外边界的、三维的、初始疏松的网状结构，每一个所述电极的所述内边界实际上与所述导电层的一个不同层相接触；
每一个所述电极的所述外表面能连接到一个电源上，并且当如此连接时，使电流流经所述PTC元件；及
所述电气装置在25℃下具有小于1.0欧姆的初始电阻。
28.一种制造电气装置的方法，包括：
提供一个具有第一和第二表面的层状PTC元件，所述PTC元件包括一种其中散布有导电颗粒的聚合物；
用一个导电层涂敷所述PTC元件的所述第一表面；
用一个导电层涂敷所述PTC元件的所述第二表面；
使所述层状PTC元件的所述第一涂敷表面与一个第一电极相接触，所述电极带有一个内表面和一个多孔隙外表面；
使所述层状PTC元件的所述第二涂敷表面与一个第二电极相接触，所述电极带有一个内表面和一个多孔隙外表面；
对所述PTC元件和所述电极加热和加压，以形成层压件；及
把所述层压件形成多个PTC电气装置。
29.根据权利要求28所述的方法，其中在至少100p.s.i.的压力和至少180℃的温度下进行对所述PTC元件和所述电极加热和加压的步骤。
30.根据权利要求28所述的方法，其中在350至450p.s.i.的压力和200至235℃的温度下进行对所述PTC元件和所述电极加热和加压的步骤。
31.根据权利要求29所述的方法，其中对所述PTC元件和所述电极加热和加压的步骤至少进行1分钟。
32.根据权利要求30所述的方法，其中对所述PTC元件和所述电极加热和加压的步骤进行3至5分钟。
33.根据权利要求28所述的方法，其中在235℃下施加625p.s.i.5分钟之前，在220℃和300p.s.i.下，进行加热和加压的步骤1分钟，然后释放压力。
34.根据权利要求28所述的方法，其中提供一种层状PTC元件的步骤包括：
把导电颗粒散布进一种聚合物中，以形成一种聚合物PTC混合物；
挤压所述PTC混合物以形成所述层状PTC元件；
35.根据权利要求28所述的方法，还包括把一个导电端子电气连接到每个所述电极的所述外表面上的步骤。
36.根据权利要求35所述的方法，其中把一个导电端子电气连接到每个所述电极的所述外表面上的所述步骤包括：
把导电焊膏涂敷到每个所述电极的外表面上；
使所述导电端子与所述导电焊膏相接触；
把所述导电焊膏加热到熔化状态；及
冷却所述熔化的焊膏，从而使所述熔化焊膏固化，由此把所述导电端子联接到所述电气装置的所述电极上。
37.根据权利要求35所述的方法，其中把一个导电端子电气连接到每个所述电极的所述外表面上的所述步骤包括：
使一种预成形焊料与每个所述电极的外表面相接触；
使所述导电端子与所述预成形焊料相接触；
把所述预成形焊料加热到熔化状态；及
冷却所述熔化的预成形焊料，从而使所述熔化的预成形焊料固化，由此把所述导电端子联接到所述电气装置的所述电极上。
38.根据权利要求35所述的方法，其中把一个导电端子电气连接到每个所述电极的所述外表面上的所述步骤包括：
把端子粘贴到每个所述电极的所述外表面上；
把所述装置和所述端子浸入一种溶液中，以从所述端子和所述电极上除去所有氧化物；
把所述装置和所述端子浸入一个熔化焊料的槽中；
从所述焊料槽中取出所述装置和所述端子并让所述焊料冷却固化，这样把所述端子连接到所述电极上。
39.一种制造电气装置的方法，包括：
提供一个具有第一和第二表面的层状PTC元件，所述PTC元件包括一种其中散布有导电颗粒的聚合物；
用一个导电层涂敷所述PTC元件的所述第一表面；
用一个导电层涂敷所述PTC元件的所述第二表面；
使所述层状PTC元件的所述第一涂敷表面与一个第一电极相接触，而使所述层状PTC元件的所述第二涂敷表面与一个第二电极相接触，所述电极具有一种其特征在于有一个内边界和一个外边界的、三维的、初始疏松的网状结构；
对所述PTC元件和所述电极加热和加压，以形成一个层压件，其中所述电极的所述内边界与所述PTC元件的所述各个第一和第二表面实际接触；及
把所述层压件形成多个PTC电气装置。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所述层状PTC元件在25℃下具有小于5欧姆厘米的电阻率。
41.根据权利要求39所述的方法，其中所述层状PTC元件在25℃下具有小于1欧姆厘米的电阻率。
42.根据权利要求39所述的方法，其中所述层状PTC元件在25℃下具有小于0.8欧姆厘米的电阻率。
43.根据权利要求39所述的方法，其中在至少100p.s.i.的压力和至少180℃的温度下，进行对所述PTC元件和所述电极加热和加压的步骤。
44.根据权利要求39所述的方法，其中在350至450p.s.i.的压力和200至235℃的温度下，进行对所述PTC元件和所述电极加热和加压的步骤。
45.根据权利要求43所述的方法，其中对所述PTC元件和所述电极加热和加压的步骤至少进行1分钟。
46.根据权利要求44所述的方法，其中对所述PTC元件和所述电极加热和加压的步骤进行3至5分钟。
47.根据权利要求39所述的方法，其中在235℃下施加625p.s.i.5分钟之前，在220℃和300p.s.i.下，进行加热和加压的步骤1分钟，然后释放压力。
48.根据权利要求39所述的方法，其中提供一种层状PTC元件的步骤包括：
把导电颗拉散布进一种聚合物中，以形成一种聚合物PTC混合物；
挤压所述PTC混合物以形成所述层状PTC元件；
49.根据权利要求39所述的方法，还包括把一个导电端子电气连接到每个所述电极的所述外表面上的步骤。
50.根据权利要求49所述的方法，其中把一个导电端子电气连接到每个所述电极的所述外表面上的所述步骤包括：
把导电焊膏涂敷到每个所述电极的外表面上；
使所述导电端子与所述导电焊膏相接触；
把所述导电焊膏加热到熔化状态；及
冷却所述熔化的焊膏，从而使所述熔化焊膏固化，由此把所述导电端子联接到所述电气装置的所述电极上。
51.根据权利要求49所述的方法，其中把一个导电端子电气连接到每个所述电极的所述外表面上的所述步骤包括：
使一种预成形焊料与每个所述电极的外表面相接触；
使所述导电端子与所述预成形焊料相接触；
把所述预成形焊料加热到熔化状态；及
冷却所述熔化的预成形焊料，从而使所述熔化的预成形焊料固化，由此把所述导电端子联接到所述电气装置的所述电极上。
52.根据权利要求49所述的方法，其中把一个导电端子电气连接到每个所述电极的所述外表面上的所述步骤包括：
把端子粘贴到每个所述电极的所述外表面上；
把所述装置和所述端子浸入一种溶液中，以从所述端子和所述电极上除去所有氧化物；
把所述装置和所述端子浸入一个熔化焊料的槽中；
从所述焊料槽中取出所述装置和所述端子并让所述焊料冷却固化，这样把所述端子连接到所述电极上。
53.根据权利要求39所述的方法，其中所述电气装置在25℃下具有小于1欧姆的电阻。
54.根据权利要求39所述的方法，其中所述电气装置在25℃下具有0.1至0.3欧姆的电阻。
55.根据权利要求39所述的方法，其中所述电气装置在25℃下具有小于0.1欧姆的电阻。
56.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述电极的每一个具有一个最外的接线器材料接收多孔区，该多孔区适于接收一种可硬化的接线器材料，以便把电极连接到一个外部电路上。
57.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述电极的每一个具有中心的和最靠内的多孔区，其孔隙分别包含某些材料，形成邻近导电层与PTC元件的相邻部分。
58.根据权利要求28或39所述的方法，其中所述电极具有一个最外的接线器材料接收多孔区，该多孔区适于接收一种可硬化的接线器材料，以便把电极连接到一个外部电路上。
59.根据权利要求28或39所述的方法，其中所述电极具有中心的和最靠内的多孔区，其孔隙分别包含某些材料，形成邻近导电层与PTC元件的相邻部分。
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