摘要
作為(wei) 一種安全可靠的加熱方式，PTC陶瓷加熱器已經在暖風機、空調、幹衣機等家用電器上得到了廣泛的應用。尤其是在空調輔助加熱領域的大量應用，給PTC陶瓷加熱器的發展帶來了前所未有的商機，PTC元件製造業(ye) 、加熱器組裝業(ye) 及各材料配套業(ye) 獲得了巨大的發展。在這種背景下，有必要對PTC陶瓷加熱器的材料、製作工藝、老化及失效模式作詳細的研究。
加熱器性能取決(jue) 於(yu) 完善的結構設計、優(you) 質的材料及精良的製作工藝。其中，材料的選取是至關(guan) 重要的。在所有材料中，PTC元件和矽膠的品質決(jue) 定了加熱器的耐壓（擊穿）及老化（功率衰減）性能。
在加熱器的抗老化（功率衰減）作用方麵，矽膠及PTC元件擔負了非常大的“責任”。但是很多加熱器組裝企業(ye) 隻從(cong) 成本的角度選擇相關(guan) 的材料，這樣勢必會(hui) 造成產(chan) 品性能的低劣，拖累PTC產(chan) 業(ye) 的健康發展，因此，在材料的選擇上，除了PTC元件的材料選擇外，兼具有良好的耐高溫性和良好的導熱性的矽橡膠也是PTC加熱器具有高性能和高可靠性的保證條件之一。
在本實驗中，我們(men) 對日本東(dong) 芝的XE14-A0425和XE13-A8341矽膠及成都拓利化工實業(ye) 有限公司的NS-083和NH-100G-2矽膠做了詳細的對比試驗。結果顯示，成都拓利化工實業(ye) 有限公司生產(chan) 的液體(ti) 矽膠具有更優(you) 異的抗老化性能。
加熱器的老化涉及多方麵的因素，在本文中，我們(men) 僅(jin) 僅(jin) 討論液體(ti) 矽膠對PTC加熱器的老化性能的影響。
關(guan) 鍵詞：矽膠，PTC，老化，功率衰減，熱脹冷縮，電蝕
第一章：實驗過程
一、實驗方法
1. 老化試驗設備：
空調機組40台、控製器（ON/OFF）、大功率調壓器、高低溫環境試驗箱
2. 試驗方法：略
3. 測試設備：
PF140A功率計、DM3051萬(wan) 用表（風機轉速測試）、風機轉速頻率儀(yi) 器、HPA-1120(2KVA)變頻穩壓電源（風機電源）、GEW-210(10KVA) 變頻穩壓電源（加熱器電源），數顯溫度表、ZRQF-D30JP風速儀(yi) ，UT58A萬(wan) 用表（加熱器電阻測試）
4、測試樣品：
采用日本東(dong) 芝的XE14-A0425和XE13-A8341矽膠組裝的PTC加熱器
采用成都拓利化工實業(ye) 有限公司的NS-083和NH-100G-2組裝的PTC加熱器
第二章：試驗測試數據
一、HALT高低溫循環試驗(-50℃~170℃/Cycle time18min)
我們(men) 將加熱器放置於(yu) 高低溫試驗箱，從(cong) -50℃至170℃，再從(cong) 170℃冷卻至-50℃，一次循環時間是18min，經過1867次循環，加熱器電阻隨時間的變化率如下:
表一：使用不同矽膠的加熱器電阻隨時間的變化率
矽膠型號
0
267
533
800
1067
1333
1600
1867
電阻變化率
IN: XE14-A0425
OUT: XE13-A8341
155.3
169.4
161.3
162.8
167.5
170.3
177.1
176.2
13.5%
IN: NH-100G-2
OUT: NH-100G-2
107.2
113.2
108.4
110.7
114.5
113.4
117.0
116.8
9.0%
采用XE14-A0425 和XE13-A8341矽膠的加熱器的電阻老化率是13.5%，而采用NH-100G-2矽膠的加熱器的電阻老化率是9%，NH-100G-2的抗高低溫老化性能明顯優(you) 於(yu) 東(dong) 芝膠。
二、ON/OFF老化試驗
將加熱器裝在空調機組內(nei) ，設定老化電壓為(wei) 工作電壓的1.15倍，風速設定為(wei) 1m/s，進行ON/OFF通電通風老化試驗（通電時間90S，斷電時間70S），每隔一定時間取下加熱器，在25℃的環境溫度下，在標準功率測試機上測試功率，經過10萬(wan) 次的通斷老化後，結果如下：
表二、使用不同矽膠的加熱器功率隨通電開關(guan) 頻次的老化率變化表
注：A1、A2是采用XE14-A0425和XE13-A8341矽膠的加熱器老化曲線，A3、A4是采用NS-083和NH-100G-2矽膠的加熱器老化曲線。
從(cong) 表中看出，NH-100G的加熱器老化要小約2個(ge) 百分點。
第三章：試驗結果分析與(yu) 討論
在討論加熱器的老化前，有必要說明一下PTC加熱器的導電機理。
在加熱器結構中，PTC和電極片由矽膠粘結，然後用聚酰亞(ya) 胺薄膜包裹並被鋁管壓緊。
一般認為(wei) ，由於(yu) 矽膠是絕緣材料，所以PTC和電極片之間不能實現導電。但是因為(wei) 電極片表麵在微觀下是凹凸不平的，PTC表麵的鋁電極也是呈現顆粒狀的，所以PTC和電極片間的接觸，並不整個(ge) 麵的接觸，而是散布在接觸麵上一些點的接觸。其凹坑處由矽膠填充，起到粘結作用，凸點接觸起導電作用。電阻則和凸點接觸的數量有關(guan) ，還和凸點之間的壓力有關(guan) 。
在加熱器老化過程中，由於(yu) 冷熱循環的作用，材料都會(hui) 發生膨脹和收縮。
材料在熱脹冷縮時，伸縮量S與(yu) 長度L、熱脹係數a和溫差(T1-T0)間存在如下關(guan) 係:
S=L×a×(T-T0)
鋁的熱脹係數是2.36×10-5，不鏽鋼電極的熱脹係數是1.2×10-5，陶瓷PTC的熱脹係數約是0.7×10-5
在-50℃~170℃冷熱循環下，各材料的伸縮量為(wei) ：
鋁的伸縮量S=L×a×(T-T0) =600×2.36×10-5×（170+50）=3.12mm
不鏽鋼的伸縮量S=L×a×(T-T0) =600×1.2×10-5×（170+50）=1.58mm
PTC陶瓷的伸縮量S=L×a×(T-T0) =600×0.7×10-5×（170+50）=0.92mm
可以看出，由於(yu) 各金屬和陶瓷的膨脹係數的不匹配，在熱作用下，電極片和PTC之間會(hui) 發生摩擦錯位，長期摩擦會(hui) 引起PTC和電極片間粘結強度的降低，嚴(yan) 重的情況下還會(hui) 造成局部脫膠，從(cong) 而使本來接觸的凸點變成不再接觸了，而且凸點之間的壓力也變小了，從(cong) 而引起加熱器電阻的增大。
這就是加熱器在熱循環作用下電阻變化的一個(ge) 主要原因，其中加熱器的性能穩定與(yu) 否與(yu) 所使用的矽膠的性能有重大關(guan) 係。
為(wei) 了解釋東(dong) 芝膠和成都拓利化工實業(ye) 有限公司的矽膠產(chan) 品具有那些不同的電阻老化率，我們(men) 對不同的液體(ti) 矽膠的剪切強度也做了相應的高溫老化對比。
以下是各矽膠膠樣的剪切強度老化對比結果：
表三、不同矽膠的剪切強度老化對比情況
老化條件
250℃×36h
250℃×48h
250℃×72h
拓利NH-100G-2
3.15 MPa
3.08 MPa
2.89 MPa
東(dong) 芝XE13-A8341
1.74 MPa
1.92 MPa
1.63 MPa
東(dong) 芝XE14-A0425
2.32 MPa
2.20 MPa
2.20 MPa
從(cong) 表中可以發現，在任何老化時間下，NH-100G-2矽膠比東(dong) 芝矽膠的剪切強度大，明顯高於(yu) 東(dong) 芝膠。因此在高低溫試驗中，NH-100G-2膠的加熱器電阻老化比較小，顯示了優(you) 異的抗老化性能。
可見，矽膠的剪切強度對加熱器的電阻老化具有非常大的影響。
為(wei) 了研究矽膠對加熱器功率老化的影響，我們(men) 解剖了加熱器。我們(men) 發現經過數萬(wan) 次老化試驗的加熱器的PTC電極受到了嚴(yan) 重的電蝕。如下圖：
通過tear down試驗，PTC電極被電蝕而引起的功率老化占整個(ge) 老化比例的11~22%。
該電蝕本質上是由電極片和PTC表麵的鋁電極產(chan) 生的電火花放電引起的。當電極片和PTC鋁電極緊密接觸時，兩(liang) 者之間不會(hui) 產(chan) 生放電，當經過無數次的蠕動後，凸點之間產(chan) 生了空氣間隙，從(cong) 而引起火花放電，電火花燒毀了矽膠和電極，產(chan) 生所謂的電蝕，從(cong) 而引起PTC加熱器的功率老化。
顯然，矽膠的粘結強度越大，凸點之間產(chan) 生的空隙可能性越小。由於(yu) NH-100G-2矽膠比東(dong) 芝膠的剪切強度大，所以加熱器的功率老化小，這和實驗結果吻合。
第四章：試驗結論
NH-100G-2矽膠比XE14-A0425 和XE13-A8341具有更好的剪切強度，使加熱器功率老化更小，並且具有更好的抗高低溫衝(chong) 擊性能，顯示出優(you) 異的抗老化性能，成功應用於(yu) PTC加熱器，在格力、美的空調輔助加熱器上獲得廣泛應用。
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