專利名稱：一種熱敏陶瓷歐姆接觸電極的制備方法
技術領域：
本發明涉及熱敏(PTC)陶瓷元件的表面處理，具體地說是一種熱敏陶瓷歐姆接觸電極的制備方法。
背景技術：
熱敏(PTC)陶瓷元件具有電阻隨溫度變化的規律和恒溫發熱特性，在電子工業和家用電器等領域里得到了廣泛的應用，在過去的幾十年中，人們對PTC陶瓷進行了大量的研究工作。PTC陶瓷的使用性能除取決材料本身的特性外，還與PTC陶瓷表面的歐姆接觸電極有著密切的關系，金屬與PTC陶瓷表面接觸部存在一界面吸附氧層或界面層，導致接觸電阻增高，影響PTC元件的使用。
近年來制備歐姆接觸電極的方法很多，如文獻1(莊嚴、張樹禮，電子元件及材料，1983，2(3)14)中的化學鍍Ni、熱噴涂Al或Zn以及燒滲Ag-Zn、Al電極等幾種方法。文獻2(何曉明、劉勝利、張紹彬等，功能材料，1996，27(5)407)介紹了PTC半導瓷用歐姆接觸電極，其方法是采用燒滲法制備歐姆接觸電極，該方法存在的缺點是金屬電極漿料在燒滲工藝過程中形成電極的金屬元素容易氧化；而利用熱噴涂法制備PTC陶瓷電極的過程中同樣存在著電極的氧化問題影響電極的質量。
金屬電極與PTC陶瓷表面形成歐姆接觸既要消除瓷片表面的吸附氧，又要防止金屬電極的氧化，在一般的生產中所使用的PTC陶瓷化學鍍Ni、涂銀電極存在耐氧化和抗熱疲勞差等缺點，無機材料學報1997，Vol.12，No.4報道了化學鍍鎳對BaTiO3基陶瓷PTC效應的影響；目前，采用冷氣動力噴涂的方法(Cold Gas Dynamic Spray Method)制備PTC陶瓷歐姆接觸電極尚未見報道。
發明內容
本發明的目的是提供一種涂層厚度均勻、無氧化的熱敏陶瓷歐姆接觸電極的制備方法。
為了實現上述目的，本發明的技術解決方案是采用冷氣動力噴涂的方法，利用壓縮氣體攜帶鋁粉或鋅粉以超聲速噴涂于熱敏陶瓷表面，形成熱敏陶瓷歐姆接觸電極，具體工藝參數如下噴涂距離5～15mm、氣體壓力1.5～2.5MPa、氣體溫度200～500℃、氣體流量15～30g/s、粉末粒度300～500目。
本發明是基于空氣動力學原理的一項噴涂技術，其原理是利用高壓氣體攜帶粉末顆粒從軸向進入高速氣流，通過矩形縮放管(超音速噴嘴)產生超音速流，粉末顆粒經超音速噴嘴加速后在完全固態下撞擊基體，通過產生較大的塑性變形而沉積于基體表面形成涂層。
本發明具有如下優點1.涂層厚度均勻致密。本發明是冷氣動力噴涂方法在制備熱敏陶瓷歐姆接觸電極上的應用，涂層與PTC陶瓷間緊密接觸，形成良好的導電電極。
2.本發明可以在遠低于金屬熔點的溫度下沉積PTC陶瓷電極，使還原性鋁或鋅有效地消除瓷片表面的吸附氧層，從而提高電極的質量。
3.本發明還具有能耗小、無熱輻射、粉末可循環利用，操作簡單、安全、成本低和無環境污染等特點。
圖1為本發明實施例1冷氣動力噴涂系統結構示意圖。
圖2為本發明實施例1涂層斷面SEM形貌圖。
圖3為本發明實施例1電極表面形貌圖。
圖4為本發明實施例1超音速噴嘴結構示意圖。
具體實施例方式
實施例1歐姆接觸電極材料選用-500目純度為99％的Al粉，基體為20×15×2mm的PTC瓷片，具體步驟如下(1)基體前處理表面酒精清洗；(2)將基體裝夾于冷氣動力噴涂系統的噴涂室；(3)噴涂采用冷氣動力噴涂的方法，利用壓縮氣體攜帶鋁粉以超聲速噴涂于熱敏陶瓷表面，形成熱敏陶瓷歐姆接觸電極，工藝參數如下噴涂Al電極工藝噴涂距離10mm、氣體壓力1.8MPa、氣體溫度210℃、氣體流量18g/s、時間5分鐘；(4)電極檢查噴涂Al電極后的瓷片進行電阻檢查，電阻值為814Ω，PTC陶瓷表面Al涂層厚度為50μm；冷氣動力噴涂系統結構如圖1所示，超音速噴嘴3安裝于噴涂室4入口處，壓縮氣體分兩路，一路進入送粉器1，作為載帶氣將金屬粉末引入超音速噴嘴3；另一路連接加熱器2使氣體膨脹，提高氣流速度及加熱噴涂粉末，之后兩路氣流進入超音速噴嘴3，在其中形成氣-固雙相流，雙相流中高動能金屬顆粒撞擊PTC陶瓷元件5表面后產生塑性變形并沉積于表面形成電極。
如圖4所示，超音速噴嘴3采用中國專利申請(申請號為01128130.8)中的形狀結構及設計原理，超音速噴嘴由收縮段31、喉部32、擴張段33三部分組成，所述收縮段31為亞音速段，為維托辛基曲線形光滑連續收縮結構，與喉部32過渡連接，所述擴張段33為超音速段軸對稱位流式結構，與喉部32過渡連接，它包括初始膨脹段331和消波段332，初始膨脹段331為光滑連續過渡結構，其間為泉流區，消波段332為平行于軸線的軸對稱結構，其間為均勻區，所述收縮段31通過過渡管件分別與送粉器1、加熱器2相連接；超音速噴嘴的設計原理由流體力學公式給出，對一維定常流動，考慮可壓縮流體，則有v2/2+K/K-1·P/ρ＝常 (1)ρ·v·S＝常(2)P/ρk＝常 (3)由上面三個公式，可求得ds/s＝(M2-1)dv/v (4)式中S管道截面積；M＝v/v聲(馬赫數)；ρ氣體密度；K氣體常數；P氣體壓力；V氣體流速。由公式(4)可知，當v＞v聲，則dv符號與ds符號相同。即隨管道截面積變大(ds為正值)，流體速度增大。當v＜v聲則dv符號與ds符號相反，即隨管道截面積變小(ds為負值)，流體速度亦增大。因此，經過足夠收縮，流體速度可在管道喉部截面處達到聲速，經過此截面后，將獲得超音速。
如圖2所示厚度約50μm的電極涂層的斷面SEM形貌，可以看出涂層厚度均勻致密，Al涂層與PTC陶瓷之間緊密接觸，形成了良好的導電電極；如圖3所示涂層的表面形貌，涂層表面呈片狀均勻致密連接，涂層質量較好。
比較例1試驗采用PTC熱敏瓷片做基片，分別對火焰噴涂和冷噴涂兩種不同工藝制備的PTC瓷片Al電極接觸電阻性能進行研究。表1給出了PTC瓷片熱噴涂Al電極和冷噴涂Al電極在室溫條件下，正反向電場(F/R)下的電阻值，由表1可見冷噴涂方法制備的Al電極的接觸電阻比火焰噴涂方法制備的電極的接觸電阻小；結果表明冷噴涂法制備的PTC瓷片的Al電極性能明顯的優于熱噴涂法。表1
由此可見，同熱噴涂相比較，本發明采用的工藝可以實現低溫狀態下的金屬涂層沉積，這種工藝過程對金屬粉末結構幾乎無熱影響，僅通過顆粒獲得的超音速實現金屬涂層的沉積。因此，該方法能夠在一般的熱敏材料上形成涂層，而不影響基體材料的性能，為制備高性能無氧涂層提供一種重要的工藝方法，本發明采用冷噴涂方法在PTC陶瓷表面成功地制備出性能良好的歐姆接觸電極。
比較例2為了進一步確定冷噴涂工藝的穩定性，試驗采用同一批次的PTC熱敏瓷片做基片，按上述研究優化工藝參數，制備了六片PTC陶瓷電極，進行接觸電阻性能的研究。表2給出了PTC瓷片表面涂覆In-Ga電極和除去Al電極后在PTC瓷片表面涂覆In-Ga電極在室溫條件下，正反向電場(F/R)下的電阻值。由表2可見冷噴涂方法制備的Al電極的接觸電阻和In-Ga電極相近，接觸電阻很小，達到了歐姆接觸的要求。表2中的ΔR＝RAl-RIn-Ga，RAl為電極的電阻值，RIn-Ga為PTC瓷片除去Al電極后涂覆In-Ga電極的電阻值。表2
由于In-Ga電極能反映PTC元件的真實阻值，本試驗在同一批試樣中取一些瓷片涂覆In-Ga電極，測定平均阻值為801Ω，作為該批瓷片的阻值，然后將其余的同一批試樣冷噴涂Al電極測量電阻平均值為803.5Ω，則該批Al電極的接觸電阻為3.5Ω，將電阻值796Ω和815Ω的Al電極置于300℃高溫200小時后，測試其電阻值為802Ω和820Ω，分別增加了6Ω和5Ω，其余經室溫放置3個月測試其電阻值基本無變化，相比較而言，In-Ga電極的成本較高，高溫下耐熱性較差。
實施例2與實施例1不同之處在于在PTC陶瓷表面噴鋅粉，粉末粒度300目，工藝參數如下噴涂Zn電極工藝噴涂距離5mm、氣體壓力2.0MPa、氣體溫度240℃、氣體流量28g/s、時間2分鐘，形成熱敏陶瓷歐姆接觸電極，PTC陶瓷表面鋅涂層厚度30μm。
另外，本發明為使粉末獲得超音速，噴涂系統中的超音速噴嘴可以拉瓦(Laval)噴嘴代替。
權利要求
1.一種熱敏陶瓷歐姆接觸電極的制備方法，其特征在于采用冷氣動力噴涂的方法，利用壓縮氣體攜帶鋁粉或鋅粉以超聲速噴涂于熱敏陶瓷表面，形成熱敏陶瓷歐姆接觸電極，具體工藝參數如下噴涂距離5～15mm、氣體壓力1.5～2.5MPa、氣體溫度200～500℃、氣體流量15～30g/s、粉末粒度300～500目。
全文摘要
本發明涉及熱敏陶瓷元件的表面處理，具體地說是一種熱敏陶瓷歐姆接觸電極的制備方法，采用冷氣動力噴涂的方法，利用壓縮氣體攜帶鋁粉或鋅粉以超聲速噴涂于熱敏陶瓷表面，形成熱敏陶瓷歐姆接觸電極，具體工藝參數如下噴涂距離5～15mm、氣體壓力1.5～2.5MPa、氣體溫度200～500℃、氣體流量15～30g/s、粉末粒度300～500目。本發明是冷氣動力噴涂方法在制備熱敏陶瓷歐姆接觸電極上的應用，涂層與PTC陶瓷間緊密接觸，涂層厚度均勻致密，形成良好的導電電極；本發明采用的工藝可以實現低溫狀態下的金屬涂層沉積，這種工藝過程對金屬粉末結構幾乎無熱影響，消除瓷片表面的吸附氧，又要防止金屬電極的氧化。
文檔編號H01C7/02GK1447349SQ0210943
公開日2003年10月8日 申請日期2002年4月5日 優先權日2002年4月5日
發明者熊天英, 吳杰, 金花子, 吳敏杰, 劉志文, 劉星 申請人:中國科學院金屬研究所