摘要
作為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、干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元件制造業、加熱器組裝業及各材料配套業獲得了巨大的發展。在這種背景下，有必要對PTC陶瓷加熱器的材料、制作工藝、老化及失效模式作詳細的研究。
加熱器性能取決于完善的結構設計、優質的材料及精良的制作工藝。其中，材料的選取是至關重要的。在所有材料中，PTC元件和硅膠的品質決定了加熱器的耐壓（擊穿）及老化（功率衰減）性能。
在加熱器的抗老化（功率衰減）作用方面，硅膠及PTC元件擔負了非常大的“責任”。但是很多加熱器組裝企業只從成本的角度選擇相關的材料，這樣勢必會造成產品性能的低劣，拖累PTC產業的健康發展，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硅橡膠也是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，我們對日本東芝的XE14-A0425和XE13-A8341硅膠及成都拓利化工實業有限公司的NS-083和NH-100G-2硅膠做了詳細的對比試驗。結果顯示，成都拓利化工實業有限公司生產的液體硅膠具有更優異的抗老化性能。
加熱器的老化涉及多方面的因素，在本文中，我們僅僅討論液體硅膠對PTC加熱器的老化性能的影響。
關鍵詞：硅膠，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臺、控制器（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、DM3051萬用表（風機轉速測試）、風機轉速頻率儀器、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，UT58A萬用表（加熱器電阻測試）
4、測試樣品：
采用日本東芝的XE14-A0425和XE13-A8341硅膠組裝的PTC加熱器
采用成都拓利化工實業有限公司的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)
我們將加熱器放置于高低溫試驗箱，從-50℃至170℃，再從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：使用不同硅膠的加熱器電阻隨時間的變化率
硅膠型號
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硅膠的加熱器的電阻老化率是13.5%，而采用NH-100G-2硅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于東芝膠。
二、ON/OFF老化試驗
將加熱器裝在空調機組內，設定老化電壓為工作電壓的1.15倍，風速設定為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10萬次的通斷老化后，結果如下：
表二、使用不同硅膠的加熱器功率隨通電開關頻次的老化率變化表
注：A1、A2是采用XE14-A0425和XE13-A8341硅膠的加熱器老化曲線，A3、A4是采用NS-083和NH-100G-2硅膠的加熱器老化曲線。
從表中看出，NH-100G的加熱器老化要小約2個百分點。
第三章：試驗結果分析與討論
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和電極片由硅膠粘結，然后用聚酰亞胺薄膜包裹并被鋁管壓緊。
一般認為，由于硅膠是絕緣材料，所以PTC和電極片之間不能實現導電。但是因為電極片表面在微觀下是凹凸不平的，PTC表面的鋁電極也是呈現顆粒狀的，所以PTC和電極片間的接觸，并不整個面的接觸，而是散布在接觸面上一些點的接觸。其凹坑處由硅膠填充，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，還和凸點之間的壓力有關。
在加熱器老化過程中，由于冷熱循環的作用，材料都會發生膨脹和收縮。
材料在熱脹冷縮時，伸縮量S與長度L、熱脹系數a和溫差(T1-T0)間存在如下關系:
S=L×a×(T-T0)
鋁的熱脹系數是2.36×10-5，不銹鋼電極的熱脹系數是1.2×10-5，陶瓷PTC的熱脹系數約是0.7×10-5
在-50℃~170℃冷熱循環下，各材料的伸縮量為：
鋁的伸縮量S=L×a×(T-T0) =600×2.36×10-5×（170+50）=3.12mm
不銹鋼的伸縮量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，由于各金屬和陶瓷的膨脹系數的不匹配，在熱作用下，電極片和PTC之間會發生摩擦錯位，長期摩擦會引起PTC和電極片間粘結強度的降低，嚴重的情況下還會造成局部脫膠，從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主要原因，其中加熱器的性能穩定與否與所使用的硅膠的性能有重大關系。
為了解釋東芝膠和成都拓利化工實業有限公司的硅膠產品具有那些不同的電阻老化率，我們對不同的液體硅膠的剪切強度也做了相應的高溫老化對比。
以下是各硅膠膠樣的剪切強度老化對比結果：
表三、不同硅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
東芝XE13-A8341
1.74 MPa
1.92 MPa
1.63 MPa
東芝XE14-A0425
2.32 MPa
2.20 MPa
2.20 MPa
從表中可以發現，在任何老化時間下，NH-100G-2硅膠比東芝硅膠的剪切強度大，明顯高于東芝膠。因此在高低溫試驗中，NH-100G-2膠的加熱器電阻老化比較小，顯示了優異的抗老化性能。
可見，硅膠的剪切強度對加熱器的電阻老化具有非常大的影響。
為了研究硅膠對加熱器功率老化的影響，我們解剖了加熱器。我們發現經過數萬次老化試驗的加熱器的PTC電極受到了嚴重的電蝕。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老化比例的11~22%。
該電蝕本質上是由電極片和PTC表面的鋁電極產生的電火花放電引起的。當電極片和PTC鋁電極緊密接觸時，兩者之間不會產生放電，當經過無數次的蠕動后，凸點之間產生了空氣間隙，從而引起火花放電，電火花燒毀了硅膠和電極，產生所謂的電蝕，從而引起PTC加熱器的功率老化。
顯然，硅膠的粘結強度越大，凸點之間產生的空隙可能性越小。由于NH-100G-2硅膠比東芝膠的剪切強度大，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硅膠比XE14-A0425 和XE13-A8341具有更好的剪切強度，使加熱器功率老化更小，并且具有更好的抗高低溫沖擊性能，顯示出優異的抗老化性能，成功應用于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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