JPH11111507A - 複合材料 - Google Patents
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- JPH11111507A JPH11111507A JP9268541A JP26854197A JPH11111507A JP H11111507 A JPH11111507 A JP H11111507A JP 9268541 A JP9268541 A JP 9268541A JP 26854197 A JP26854197 A JP 26854197A JP H11111507 A JPH11111507 A JP H11111507A
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Landscapes
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- Thermistors And Varistors (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 絶縁体材料に、溶融により体積減少する金属
または合金を分散させた複合構造をとることで、低抵抗
でかつＰＴＣＲ特性の立ち上がりが急峻で大きな抵抗変
化を有するＰＴＣサーミスタ材料を得ることができる。
その結果、さらに大きな負荷に対する過電流保護素子や
過熱保護素子を実用化できる。 【解決手段】 絶縁体材料に、溶融によって体積減少す
る金属および／または合金の少なくとも１種を分散した
複合材料を提供する。
または合金を分散させた複合構造をとることで、低抵抗
でかつＰＴＣＲ特性の立ち上がりが急峻で大きな抵抗変
化を有するＰＴＣサーミスタ材料を得ることができる。
その結果、さらに大きな負荷に対する過電流保護素子や
過熱保護素子を実用化できる。 【解決手段】 絶縁体材料に、溶融によって体積減少す
る金属および／または合金の少なくとも１種を分散した
複合材料を提供する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、導電性または半導
性の複合材料に関するものであり、また電気抵抗の温度
係数が正の特性（以下、ＰＴＣＲ特性という）を有する
複合材料に関するものである。
性の複合材料に関するものであり、また電気抵抗の温度
係数が正の特性（以下、ＰＴＣＲ特性という）を有する
複合材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ＰＴＣサーミスタ材料は、正の抵抗温度
係数を示し、ある温度で抵抗が急激に増加するという特
徴を有する材料である。その特性を利用して、モーター
起動用素子、温度補償用素子、ヒーター用素子などとし
て広く応用されている。従来から材料については広く検
討されており、例えば、チタン酸バリウムを主成分とし
て、Bi、Sb、TaまたはLaなどの希土類元素などのうち一
種類以上を含有させた、チタン酸バリウム系半導体磁器
材料が知られている。この材料のＰＴＣＲ特性は、チタ
ン酸バリウムの強誘電体−常誘電体相転移に起因した粒
界特性の変化に基づくものと理解されている。
係数を示し、ある温度で抵抗が急激に増加するという特
徴を有する材料である。その特性を利用して、モーター
起動用素子、温度補償用素子、ヒーター用素子などとし
て広く応用されている。従来から材料については広く検
討されており、例えば、チタン酸バリウムを主成分とし
て、Bi、Sb、TaまたはLaなどの希土類元素などのうち一
種類以上を含有させた、チタン酸バリウム系半導体磁器
材料が知られている。この材料のＰＴＣＲ特性は、チタ
ン酸バリウムの強誘電体−常誘電体相転移に起因した粒
界特性の変化に基づくものと理解されている。
【０００３】しかしながら、チタン酸バリウム系半導体
材料本来の性質によって、定常時の抵抗値に限界がある
ことや、大電流、高電圧に対する耐久性に限界があるこ
となどの問題があり、その用途に制限があった。
材料本来の性質によって、定常時の抵抗値に限界がある
ことや、大電流、高電圧に対する耐久性に限界があるこ
となどの問題があり、その用途に制限があった。
【０００４】また、ＰＴＣＲ特性を示す材料として、チ
タン酸バリウム系半導体磁器材料以外に、ポリエチレン
またはポリプロピレンなどの結晶性ポリマーに、カーボ
ンブラックなどの導電性微粒子を分散させたポリマーＰ
ＴＣサーミスタが知られている。このＰＴＣＲ特性は、
母体となる結晶性ポリマーが、その融点において結晶質
から非結晶質に変化する際の急激な体積膨張によって、
ポリマー中に分散していた導電性粒子間の伝導パスが切
断されることにより発現される。
タン酸バリウム系半導体磁器材料以外に、ポリエチレン
またはポリプロピレンなどの結晶性ポリマーに、カーボ
ンブラックなどの導電性微粒子を分散させたポリマーＰ
ＴＣサーミスタが知られている。このＰＴＣＲ特性は、
母体となる結晶性ポリマーが、その融点において結晶質
から非結晶質に変化する際の急激な体積膨張によって、
ポリマー中に分散していた導電性粒子間の伝導パスが切
断されることにより発現される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ポリマーＰＴＣサーミスタでは、そのＰＴＣＲ特性が母
相である結晶性ポリマーの膨張・収縮を利用したもので
あるため、繰り返し動作により初期抵抗値が増加してし
まい、ＰＴＣ素子の特性が著しく低下してしまう問題が
あった。また、例えば、過電流保護素子として利用する
場合、ＰＴＣＲ特性の立ち上がりが急峻で大きな抵抗変
化が要求されるが、従来のポリマーＰＴＣサーミスタの
特性では満足とは言い難い。本発明の目的は、前記の問
題点を解決し、定常時の抵抗値が低く、ＰＴＣＲ特性の
立ち上がりが急峻で大きな抵抗変化を示し、かつ動作後
の抵抗値が安定なＰＴＣサーミスタとして好適な複合材
料を提供するものである。
ポリマーＰＴＣサーミスタでは、そのＰＴＣＲ特性が母
相である結晶性ポリマーの膨張・収縮を利用したもので
あるため、繰り返し動作により初期抵抗値が増加してし
まい、ＰＴＣ素子の特性が著しく低下してしまう問題が
あった。また、例えば、過電流保護素子として利用する
場合、ＰＴＣＲ特性の立ち上がりが急峻で大きな抵抗変
化が要求されるが、従来のポリマーＰＴＣサーミスタの
特性では満足とは言い難い。本発明の目的は、前記の問
題点を解決し、定常時の抵抗値が低く、ＰＴＣＲ特性の
立ち上がりが急峻で大きな抵抗変化を示し、かつ動作後
の抵抗値が安定なＰＴＣサーミスタとして好適な複合材
料を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、絶縁体材
料に特定の金属または合金を分散させた複合構造をとる
ことにより、従来のチタン酸バリウム系ＰＴＣサーミス
タやポリマーＰＴＣサーミスタとは異なる新しい原理で
ＰＴＣＲ特性を発現することを見出した。すなわち、本
発明は、絶縁体材料に、溶融によって体積減少する金属
および／または合金の少なくとも一種を分散したことを
特徴とする複合材料に関する。
料に特定の金属または合金を分散させた複合構造をとる
ことにより、従来のチタン酸バリウム系ＰＴＣサーミス
タやポリマーＰＴＣサーミスタとは異なる新しい原理で
ＰＴＣＲ特性を発現することを見出した。すなわち、本
発明は、絶縁体材料に、溶融によって体積減少する金属
および／または合金の少なくとも一種を分散したことを
特徴とする複合材料に関する。
【０００７】
【作用】本発明の複合構造により、定常時に低抵抗で優
れたＰＴＣＲ特性を有するＰＴＣサーミスタ材料が得ら
れる。その発現機構は未だ明らかにされていないが、以
下のように推察される。
れたＰＴＣＲ特性を有するＰＴＣサーミスタ材料が得ら
れる。その発現機構は未だ明らかにされていないが、以
下のように推察される。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明の複合材料は、低温時には
絶縁体材料に金属および／または合金粒子が分散した複
合構造をしており、その金属粒子または合金粒子同士は
ある程度の割合で連結している。この状態では、金属粒
子または合金粒子間に伝導パスが形成されるために低抵
抗を示す。次に、高温になると、分散している金属また
は合金粒子が融点近傍で固体から液体金属へと変化し、
急激な体積減少を起こす。その結果、金属の融点で金属
粒子間の連結、すなわち伝導パスが切断されるため急激
に抵抗が増大し、最終的に母体である絶縁体材料の抵抗
値となる。このようなことから、低抵抗の場合でも、急
峻なＰＴＣＲ特性および十分な抵抗変化幅が実現され
る。さらに、このＰＴＣＲ特性が金属、またはその合金
の融解現象を利用しているため、従来のＰＴＣサーミス
タ材料にくらべ経時変化が小さく、熱サイクルなどにも
安定である。
絶縁体材料に金属および／または合金粒子が分散した複
合構造をしており、その金属粒子または合金粒子同士は
ある程度の割合で連結している。この状態では、金属粒
子または合金粒子間に伝導パスが形成されるために低抵
抗を示す。次に、高温になると、分散している金属また
は合金粒子が融点近傍で固体から液体金属へと変化し、
急激な体積減少を起こす。その結果、金属の融点で金属
粒子間の連結、すなわち伝導パスが切断されるため急激
に抵抗が増大し、最終的に母体である絶縁体材料の抵抗
値となる。このようなことから、低抵抗の場合でも、急
峻なＰＴＣＲ特性および十分な抵抗変化幅が実現され
る。さらに、このＰＴＣＲ特性が金属、またはその合金
の融解現象を利用しているため、従来のＰＴＣサーミス
タ材料にくらべ経時変化が小さく、熱サイクルなどにも
安定である。
【０００９】本発明において、母体の絶縁体材料となる
ものとしては、 Ta2O5などの誘電体材料、PbTiO3-PbZrO
3 などの圧電体材料、ホウケイ酸ガラスなどのガラス材
料などでも良い。また、シリコン樹脂などの耐熱性ポリ
マー、エポキシ樹脂などの熱硬化性ポリマー、ポリエチ
レンなどの熱可塑性ポリマー、シリコンゴムなどの合成
ゴムなどでも同様にＰＴＣＲ特性が発現する。
ものとしては、 Ta2O5などの誘電体材料、PbTiO3-PbZrO
3 などの圧電体材料、ホウケイ酸ガラスなどのガラス材
料などでも良い。また、シリコン樹脂などの耐熱性ポリ
マー、エポキシ樹脂などの熱硬化性ポリマー、ポリエチ
レンなどの熱可塑性ポリマー、シリコンゴムなどの合成
ゴムなどでも同様にＰＴＣＲ特性が発現する。
【００１０】また、母相の絶縁体材料中に分散させる溶
融によって体積減少する金属または合金としては、Bi,S
b,Ga,Ge,Siなどの金属やBi-Pb-Sn, Bi-Pb-Sn-Sb などの
合金等、動作原理を満足するものであれば良い。本発明
の複合材料において前記金属または合金の分散量は、過
度に少ない場合にはＰＴＣＲ特性を示さないことがあ
り、過度に多い場合には抵抗変化幅が小さくなるので、
分散量は所望の特性となるように適宜調整して決定され
る。例えば、Ｂｉ金属またはＢｉ合金のような場合に
は、複合材料中に通常１０〜９０重量％分散させるのが
好ましい。なお、前記絶縁体材料を選択するに際して
は、前記金属または合金の融点よりも高い溶融温度また
は分解温度を有するものであれば、その組み合わせは特
に限定されない。
融によって体積減少する金属または合金としては、Bi,S
b,Ga,Ge,Siなどの金属やBi-Pb-Sn, Bi-Pb-Sn-Sb などの
合金等、動作原理を満足するものであれば良い。本発明
の複合材料において前記金属または合金の分散量は、過
度に少ない場合にはＰＴＣＲ特性を示さないことがあ
り、過度に多い場合には抵抗変化幅が小さくなるので、
分散量は所望の特性となるように適宜調整して決定され
る。例えば、Ｂｉ金属またはＢｉ合金のような場合に
は、複合材料中に通常１０〜９０重量％分散させるのが
好ましい。なお、前記絶縁体材料を選択するに際して
は、前記金属または合金の融点よりも高い溶融温度また
は分解温度を有するものであれば、その組み合わせは特
に限定されない。
【００１１】
実施例１ Bi2O3 およびGeO2をBi12GeO20 の配合組成になるように
調整・混合した。その仮焼粉末に、Bi金属（平均粒径１
０μｍ）を複合材料中に１５重量％分散、含有するよう
に加え、1000kg/cm2の圧力で所定の形状に加圧し、酸化
物複合成形体を得た。次にこれを還元性雰囲気中、850
℃で1 時間の条件で焼結した。このようにして得られた
焼結体に、Ag電極を形成してＰＴＣ素子を得た。このＰ
ＴＣ素子の室温の抵抗値は0.85Ωcmであり、Bi金属の融
点である270 ℃付近から抵抗が急増するＰＴＣ素子が得
られた。
調整・混合した。その仮焼粉末に、Bi金属（平均粒径１
０μｍ）を複合材料中に１５重量％分散、含有するよう
に加え、1000kg/cm2の圧力で所定の形状に加圧し、酸化
物複合成形体を得た。次にこれを還元性雰囲気中、850
℃で1 時間の条件で焼結した。このようにして得られた
焼結体に、Ag電極を形成してＰＴＣ素子を得た。このＰ
ＴＣ素子の室温の抵抗値は0.85Ωcmであり、Bi金属の融
点である270 ℃付近から抵抗が急増するＰＴＣ素子が得
られた。
【００１２】実施例２ ポリイミド粉末に、 Bi-Pb-Sn-Sb合金（平均粒径１０μ
ｍ）を複合材料中に７５重量％分散、含有するように調
整・混合した。その混合粉を1000Kg/cm2の圧力で所定の
形状に加圧し、ポリイミド複合成形体を得た。次にこれ
を350 ℃、約10分の条件で焼結した。このようにして得
られた焼結体に、Ag電極を形成してＰＴＣ素子を得た。
このＰＴＣ素子の室温の抵抗値は0.76Ωcmであり、合金
の融点である130 ℃付近からＰＴＣＲ特性を示した。
ｍ）を複合材料中に７５重量％分散、含有するように調
整・混合した。その混合粉を1000Kg/cm2の圧力で所定の
形状に加圧し、ポリイミド複合成形体を得た。次にこれ
を350 ℃、約10分の条件で焼結した。このようにして得
られた焼結体に、Ag電極を形成してＰＴＣ素子を得た。
このＰＴＣ素子の室温の抵抗値は0.76Ωcmであり、合金
の融点である130 ℃付近からＰＴＣＲ特性を示した。
【００１３】実施例３ ポリアミド酸のジメチルアセトアミド溶液（１８重量
％）に、Bi金属粉末（平均粒径１０μｍ）を複合材料中
に７５重量％分散含有するように調整・混合し、スラリ
ーとした。そのスラリーをポリイミドフィルム上に、所
定の膜厚になるようにコーティングした。
％）に、Bi金属粉末（平均粒径１０μｍ）を複合材料中
に７５重量％分散含有するように調整・混合し、スラリ
ーとした。そのスラリーをポリイミドフィルム上に、所
定の膜厚になるようにコーティングした。
【００１４】次にこれを350 ℃、約10分の条件でイミド
化し、ポリイミド複合膜を得た。このようにして得られ
た複合膜に、Au電極を形成してＰＴＣ素子を得た。この
ＰＴＣ素子において、室温（25℃）における比抵抗およ
び抵抗ー温度特性を測定した。
化し、ポリイミド複合膜を得た。このようにして得られ
た複合膜に、Au電極を形成してＰＴＣ素子を得た。この
ＰＴＣ素子において、室温（25℃）における比抵抗およ
び抵抗ー温度特性を測定した。
【００１５】図１に、Bi金属を７５重量％混合したＰＴ
Ｃ素子における抵抗の温度依存性を示す。図から明らか
なように、Bi金属の融点である270 ℃付近から急激に抵
抗が増加して、最大抵抗値は106 Ωcmになり、変化幅は
107 以上の高い値になった。さらに、ヒートサイクルに
よる抵抗の変化も見られなかった。
Ｃ素子における抵抗の温度依存性を示す。図から明らか
なように、Bi金属の融点である270 ℃付近から急激に抵
抗が増加して、最大抵抗値は106 Ωcmになり、変化幅は
107 以上の高い値になった。さらに、ヒートサイクルに
よる抵抗の変化も見られなかった。
【００１６】以上のべたように、本発明はＰＴＣ素子に
おいて、10-1Ωcm程度の低抵抗を実現し、抵抗変化の急
峻さや大きさならびに特性の安定性を格段に改良するこ
とができる。
おいて、10-1Ωcm程度の低抵抗を実現し、抵抗変化の急
峻さや大きさならびに特性の安定性を格段に改良するこ
とができる。
【００１７】
【発明の効果】本発明によると、絶縁体材料に、溶融に
より体積減少する金属および／または合金を分散させた
複合構造をとることで、低抵抗でかつＰＴＣＲ特性の立
ち上がりが急峻で大きな抵抗変化を有するＰＴＣサーミ
スタ材料を得ることができる。その結果、さらに大きな
負荷に対する過電流保護素子や過熱保護素子を実用化で
き、その利用価値は極めて高いものである。
より体積減少する金属および／または合金を分散させた
複合構造をとることで、低抵抗でかつＰＴＣＲ特性の立
ち上がりが急峻で大きな抵抗変化を有するＰＴＣサーミ
スタ材料を得ることができる。その結果、さらに大きな
負荷に対する過電流保護素子や過熱保護素子を実用化で
き、その利用価値は極めて高いものである。
【図１】抵抗ー温度特性を示す図である。
Claims (1)
- 【請求項１】 絶縁体材料に、溶融によって体積減少
する金属および／または合金の少なくとも一種を分散し
たことを特徴とする複合材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9268541A JPH11111507A (ja) | 1997-10-01 | 1997-10-01 | 複合材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9268541A JPH11111507A (ja) | 1997-10-01 | 1997-10-01 | 複合材料 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11111507A true JPH11111507A (ja) | 1999-04-23 |
Family
ID=17459969
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9268541A Pending JPH11111507A (ja) | 1997-10-01 | 1997-10-01 | 複合材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11111507A (ja) |
-
1997
- 1997-10-01 JP JP9268541A patent/JPH11111507A/ja active Pending
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