CN1447349A - 一种热敏陶瓷欧姆接触电极的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热敏陶瓷元件的表面处理，具体地说是一种热敏陶瓷欧姆接触电极的制备方法，采用冷气动力喷涂的方法，利用压缩气体携带铝粉或锌粉以超声速喷涂于热敏陶瓷表面，形成热敏陶瓷欧姆接触电极，具体工艺参数如下：喷涂距离5～15mm、气体压力1.5～2.5MPa、气体温度200～500℃、气体流量15～30g/s、粉末粒度300～500目。本发明是冷气动力喷涂方法在制备热敏陶瓷欧姆接触电极上的应用，涂层与PTC陶瓷间紧密接触，涂层厚度均匀致密，形成良好的导电电极；本发明采用的工艺可以实现低温状态下的金属涂层沉积，这种工艺过程对金属粉末结构几乎无热影响，消除瓷片表面的吸附氧，又要防止金属电极的氧化。
Description
技术领域
本发明涉及热敏(PTC)陶瓷元件的表面处理，具体地说是一种热敏陶瓷欧姆接触电极的制备方法。
背景技术
热敏(PTC)陶瓷元件具有电阻随温度变化的规律和恒温发热特性，在电子工业和家用电器等领域里得到了广泛的应用，在过去的几十年中，人们对PTC陶瓷进行了大量的研究工作。PTC陶瓷的使用性能除取决材料本身的特性外，还与PTC陶瓷表面的欧姆接触电极有着密切的关系，金属与PTC陶瓷表面接触部存在一界面吸附氧层或界面层，导致接触电阻增高，影响PTC元件的使用。
近年来制备欧姆接触电极的方法很多，如文献1(庄严、张树礼，电子元件及材料，1983，2(3)：14)中的化学镀Ni、热喷涂Al或Zn以及烧渗Ag-Zn、Al电极等几种方法。文献2(何晓明、刘胜利、张绍彬等，功能材料，1996，27(5)：407)介绍了PTC半导瓷用欧姆接触电极，其方法是采用烧渗法制备欧姆接触电极，该方法存在的缺点是金属电极浆料在烧渗工艺过程中形成电极的金属元素容易氧化；而利用热喷涂法制备PTC陶瓷电极的过程中同样存在着电极的氧化问题影响电极的质量。
金属电极与PTC陶瓷表面形成欧姆接触既要消除瓷片表面的吸附氧，又要防止金属电极的氧化，在一般的生产中所使用的PTC陶瓷化学镀Ni、涂银电极存在耐氧化和抗热疲劳差等缺点，无机材料学报1997，Vol.12，No.4报道了化学镀镍对BaTiO3基陶瓷PTC效应的影响；
目前，采用冷气动力喷涂的方法(Cold Gas Dynamic Spray Method)制备PTC陶瓷欧姆接触电极尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种涂层厚度均匀、无氧化的热敏陶瓷欧姆接触电极的制备方法。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是采用冷气动力喷涂的方法，利用压缩气体携带铝粉或锌粉以超声速喷涂于热敏陶瓷表面，形成热敏陶瓷欧姆接触电极，具体工艺参数如下：
喷涂距离5～15mm、气体压力1.5～2.5MPa、气体温度200～500℃、气体流量15～30g/s、粉末粒度300～500目。
本发明是基于空气动力学原理的一项喷涂技术，其原理是利用高压气体携带粉末颗粒从轴向进入高速气流，通过矩形缩放管(超音速喷嘴)产生超音速流，粉末颗粒经超音速喷嘴加速后在完全固态下撞击基体，通过产生较大的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层。
本发明具有如下优点：
1.涂层厚度均匀致密。本发明是冷气动力喷涂方法在制备热敏陶瓷欧姆接触电极上的应用，涂层与PTC陶瓷间紧密接触，形成良好的导电电极。
2.本发明可以在远低于金属熔点的温度下沉积PTC陶瓷电极，使还原性铝或锌有效地消除瓷片表面的吸附氧层，从而提高电极的质量。
3.本发明还具有能耗小、无热辐射、粉末可循环利用，操作简单、安全、成本低和无环境污染等特点。
附图说明
图1为本发明实施例1冷气动力喷涂系统结构示意图。
图2为本发明实施例1涂层断面SEM形貌图。
图3为本发明实施例1电极表面形貌图。
图4为本发明实施例1超音速喷嘴结构示意图。
具体实施方式
实施例1
欧姆接触电极材料选用-500目纯度为99％的Al粉，基体为20×15×2mm的PTC瓷片，具体步骤如下：
(1)基体前处理：表面酒精清洗；
(2)将基体装夹于冷气动力喷涂系统的喷涂室；
(3)喷涂：采用冷气动力喷涂的方法，利用压缩气体携带铝粉以超声速喷涂于热敏陶瓷表面，形成热敏陶瓷欧姆接触电极，工艺参数如下：
喷涂Al电极工艺：喷涂距离10mm、气体压力1.8MPa、气体温度210℃、气体流量18g/s、时间5分钟；
(4)电极检查：喷涂Al电极后的瓷片进行电阻检查，电阻值为814Ω，PTC陶瓷表面Al涂层厚度为50μm；
冷气动力喷涂系统结构如图1所示，超音速喷嘴3安装于喷涂室4入口处，压缩气体分两路，一路进入送粉器1，作为载带气将金属粉末引入超音速喷嘴3；另一路连接加热器2使气体膨胀，提高气流速度及加热喷涂粉末，之后两路气流进入超音速喷嘴3，在其中形成气-固双相流，双相流中高动能金属颗粒撞击PTC陶瓷元件5表面后产生塑性变形并沉积于表面形成电极。
如图4所示，超音速喷嘴3采用中国专利申请(申请号为：01128130.8)中的形状结构及设计原理，超音速喷嘴由收缩段31、喉部32、扩张段33三部分组成，所述收缩段31为亚音速段，为维托辛基曲线形光滑连续收缩结构，与喉部32过渡连接，所述扩张段33为超音速段轴对称位流式结构，与喉部32过渡连接，它包括初始膨胀段331和消波段332，初始膨胀段331为光滑连续过渡结构，其间为泉流区，消波段332为平行于轴线的轴对称结构，其间为均匀区，所述收缩段31通过过渡管件分别与送粉器1、加热器2相连接；超音速喷嘴的设计原理由流体力学公式给出，对一维定常流动，考虑可压缩流体，则有：
v2/2+K/K-1·P/ρ＝常 (1)
ρ·v·S＝常 (2)
P/ρk＝常 (3)
由上面三个公式，可求得：
ds/s＝(M2-1)dv/v (4)
式中：S管道截面积；M＝v/v声(马赫数)；ρ气体密度；K气体常数；P气体压力；V气体流速。由公式(4)可知，当v＞v声，则dv符号与ds符号相同。即：随管道截面积变大(ds为正值)，流体速度增大。当v＜v声则dv符号与ds符号相反，即：随管道截面积变小(ds为负值)，流体速度亦增大。因此，经过足够收缩，流体速度可在管道喉部截面处达到声速，经过此截面后，将获得超音速。
如图2所示厚度约50μm的电极涂层的断面SEM形貌，可以看出涂层厚度均匀致密，Al涂层与PTC陶瓷之间紧密接触，形成了良好的导电电极；
如图3所示涂层的表面形貌，涂层表面呈片状均匀致密连接，涂层质量较好。
比较例1
试验采用PTC热敏瓷片做基片，分别对火焰喷涂和冷喷涂两种不同工艺制备的PTC瓷片Al电极接触电阻性能进行研究。表1给出了PTC瓷片热喷涂Al电极和冷喷涂Al电极在室温条件下，正反向电场(F/R)下的电阻值，由表1可见冷喷涂方法制备的Al电极的接触电阻比火焰喷涂方法制备的电极的接触电阻小；结果表明冷喷涂法制备的PTC瓷片的Al电极性能明显的优于热喷涂法。表1
| 试样编号 | 试验方法 | 电阻值Ω |
| 1 | 热喷涂Al | 892 |
| 2 | 热喷涂Al | 854 |
| 3 | 热喷涂Al | 909 |
| 4 | 冷喷涂Al | 814 |
| 5 | 冷喷涂Al | 778 |
| 6 | 冷喷涂Al | 805 |
由此可见，同热喷涂相比较，本发明采用的工艺可以实现低温状态下的金属涂层沉积，这种工艺过程对金属粉末结构几乎无热影响，仅通过颗粒获得的超音速实现金属涂层的沉积。因此，该方法能够在一般的热敏材料上形成涂层，而不影响基体材料的性能，为制备高性能无氧涂层提供一种重要的工艺方法，本发明采用冷喷涂方法在PTC陶瓷表面成功地制备出性能良好的欧姆接触电极。
比较例2
为了进一步确定冷喷涂工艺的稳定性，试验采用同一批次的PTC热敏瓷片做基片，按上述研究优化工艺参数，制备了六片PTC陶瓷电极，进行接触电阻性能的研究。表2给出了PTC瓷片表面涂覆In-Ga电极和除去Al电极后在PTC瓷片表面涂覆In-Ga电极在室温条件下，正反向电场(F/R)下的电阻值。由表2可见冷喷涂方法制备的Al电极的接触电阻和In-Ga电极相近，接触电阻很小，达到了欧姆接触的要求。表2中的ΔR＝RAl-RIn-Ga，RAl为电极的电阻值，RIn-Ga为PTC瓷片除去Al电极后涂覆In-Ga电极的电阻值。表2
| No. | RAl(Ω) | RIn-Ga(Ω) | ΔR | RAl/RIn-Ga |
| 1 | 792 | 788 | 4 | 1.01 |
| 2 | 804 | 806 | -2 | 1 |
| 3 | 809 | 802 | 7 | 1.01 |
| 4 | 815 | 813 | 2 | 1 |
| 5 | 796 | 798 | -2 | 1 |
| 6 | 805 | 800 | 5 | 1.01 |
由于In-Ga电极能反映PTC元件的真实阻值，本试验在同一批试样中取一些瓷片涂覆In-Ga电极，测定平均阻值为801Ω，作为该批瓷片的阻值，然后将其余的同一批试样冷喷涂Al电极测量电阻平均值为803.5Ω，则该批Al电极的接触电阻为3.5Ω，将电阻值796Ω和815Ω的Al电极置于300℃高温200小时后，测试其电阻值为802Ω和820Ω，分别增加了6Ω和5Ω，其余经室温放置3个月测试其电阻值基本无变化，相比较而言，In-Ga电极的成本较高，高温下耐热性较差。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
在PTC陶瓷表面喷锌粉，粉末粒度300目，工艺参数如下：
喷涂Zn电极工艺：喷涂距离5mm、气体压力2.0MPa、气体温度240℃、气体流量28g/s、时间2分钟，形成热敏陶瓷欧姆接触电极，PTC陶瓷表面锌涂层厚度30μm。
另外，本发明为使粉末获得超音速，喷涂系统中的超音速喷嘴可以拉瓦(Laval)喷嘴代替。
Claims (1)
1.一种热敏陶瓷欧姆接触电极的制备方法，其特征在于：采用冷气动力喷涂的方法，利用压缩气体携带铝粉或锌粉以超声速喷涂于热敏陶瓷表面，形成热敏陶瓷欧姆接触电极，具体工艺参数如下：
喷涂距离5～15mm、气体压力1.5～2.5MPa、气体温度200～500℃、气体流量15～30g/s、粉末粒度300～500目。
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2002
- 2002-04-05 CN CN 02109431 patent/CN1291424C/zh not_active Expired - Fee Related
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