摘要：研究了热老化及老化过程对高分子PTC材料电阻值的影响，电老化对耐流、耐压、耐雷击等电性能的影响。结果表明，不同的热老化条件可使高分子PTC材料电阻值发生不同程度的变化，电老化可有效改善其电性能。
关键词：高分子PTC材料；过流保护；热老化；电老化
　　聚乙烯（PE）-碳黑（CB）导电高分子复合材料是一种典型的具有正温度系数（PTC）功能的材料^〔1，2〕，由其制成的高分子PTC元件（或称为可恢复保险丝）具有较为理想的可恢复过流保护功能^〔3〕，在通讯、家电、仪器仪表等领域得到广泛应用。尽管由PE-CB复合材料制成的高分子PTC元件具有良好的PTC效应，但在有些场合中，对其过流保护性能有着较高的要求，这就要求我们在PTC效应的基础上，不断改善其性能，以满足各种使用场合的需要。文献〔1〕仅讨论了加工方法与工艺条件对PTC效应的影响，文献〔4〕分析了PE-CB材料热处理后的I-U特性。本文则针对通讯用高分子PTC材料对可恢复过流保护性能的要求，系统研究了热老化、电老化对其常温阻值偏移、耐流、耐压、耐雷击等性能的影响，对正确认识与提高高分子PTC材料过流保护性能有一定的指导意义。

    2.1　热老化对高分子PTC材料阻值的影响
    在高分子PTC材料加工过程中，每道工序都或多或少对其阻值产生影响，这就给控制阻值造成一定困难。   文献〔1，4〕已指出了高分子PTCR热处理后阻值都有所下降。而本文在实验中发现，阻值的变化不仅与热老化温度而且还与老化过程有关（见表1）。

表1　热老化对阻值的影响

注：120℃温度点停留半小时，然后升温至145℃后，以1℃/min的速度降温至各温度点，最后急剧冷却。

    由表1可知，  在温度上限一致的前提下，  高分子PTC材料的阻值随温度下降到不同温度点（135℃除外）而降低。135℃温度点（又称开关温度）阻值大幅度升高。这是由于135℃温度点接近PE熔点，当急剧冷却时，PE分子链的活动迅速减小而来不及作充分的调整，使得结晶很快形成，位于非晶部分的CB粒子未能及时分散和充分絮凝，影响了导电通道的形成，阻值上升。对于低于135℃（即低于PE熔点）冷却，随着温度不断降低，CB粒子不断充分絮凝附聚，使导电通道不断增多，导致阻值不断下降。这里将温度升至145℃，目的是高于PE熔点，可以使前道工序造成的不完善晶体在较高温度下进一步完善，这样导电通道可以“理顺”，阻值也就趋向均衡与稳定。
　

    2.2　电老化对高分子PTC材料电性能的影响
    2.2.1　电老化方法
    方法一：直接加电100 V，停1 min；方法二：直接加电220 V，停1 min；方法三：加电100 V停2 s，再升至220 V停1 min。
    2.2.2　对电性能的影响
    从过流保护的角度看，试验后，高分子PTC材料的阻值变化是其电性能稳定性的主要标志。下面分别讨论不同老化条件在耐流、耐压、雷击试验后对高分子PTC材料电性能的影响。
    (1)阻值变化
    由表2可知,220 V电老化后，阻值变化大，而这与加电过程无关。说明高分子PTC材料在电场的作用下，引起阻值发生较大变化。由表2我们还可以发现，老化后阻值上浮， 这是由于老化时， 高分子PTC材料因焦耳热使自身温度升高，直至开关温度，高分子PTC材料处于高阻态。根据表1所述，若断开外部电源，材料本体温度急剧冷却，使阻值升高，上升幅度不同，则是由于在100 V电场作用下，提供给材料的功率比220 V作用要低，使最高温度点比220 V老化要低。

表2　电老化对阻值的影响

    注：1）耐流试验条件:220 V,初始电流3 A,冲击20次；2）耐压试验条件：220 V，初始电流3 A，停留15 min；3）雷击试验条件：波形10 s/310 μs，电压1 kV，初始电流40 A，要求冲击10次。

    (2)对耐流性能的影响
    由表3可知，耐流试验后，未老化阻值变化最大，100 V老化后其次，而经220 V（包括100～220 V）老化，经耐流试验，阻值变化不大，虽经20次电流冲击，其阻值仍相对稳定。说明经过较强电场的老化作用，高分子PTC材料从结构上得到很好的稳定，这也是电老化目的所在。
    (3)对耐压性能的影响
    由表3可知，电老化改善了高分子PTC材料的耐压性能。而耐压性能随老化条件的加强不断改善。其原因有二：一是老化后，内部导电通道得到“理顺”，进一步施加电场后，尽管阻值有所变化，但其变化较未老化的要小；二是通过老化，高分子PTC材料中的聚乙烯得到极化，这样使聚乙烯与导电材料（CB）结合更为紧密，整体材料的结构也更加稳定，从而提高了其耐压性能。
    (4)对耐雷击性能的影响
    由表3可知，220 V老化后承受雷击能力最强。从严酷性角度看，由于220 V直接电老化，高分子PTC材料承受了一次较大的“考验”，相比之下，承受雷击能力要强。单独100 V老化强度不够；而100～220 V老化条件，虽经100 V电老化，增强了材料的老化时间与强度，尽管此时整体材料的结构最为稳定，但在大电场作用下，其结构却极易被彻底“摧毁”，实验也表明了100～220 V老化条件耐雷击性能最差。

    (1)热老化可以使高分子PTC材料导电通道更加充实、稳定，阻值分布更加均衡。
    (2)电老化可以提高高分子PTC材料耐流、耐压、耐雷击性能，其中220 V电老化条件最佳。
    (3)在实际使用过程中，高分子PTC材料必须经过热老化，电老化可视使用场合的性能要求而定。