摘要
作为一种安全可靠的加热方式，PTC陶瓷加热器已经在暖风机、空调、干衣机等家用电器上得到了广泛的应用。尤其是在空调辅助加热领域的大量应用，给PTC陶瓷加热器的发展带来了前所未有的商机，PTC元件制造业、加热器组装业及各材料配套业获得了巨大的发展。在这种背景下，有必要对PTC陶瓷加热器的材料、制作工艺、老化及失效模式作详细的研究。
加热器性能取决于完善的结构设计、优质的材料及精良的制作工艺。其中，材料的选取是至关重要的。在所有材料中，PTC元件和硅胶的品质决定了加热器的耐压（击穿）及老化（功率衰减）性能。
在加热器的抗老化（功率衰减）作用方面，硅胶及PTC元件担负了非常大的“责任”。但是很多加热器组装企业只从成本的角度选择相关的材料，这样势必会造成产品性能的低劣，拖累PTC产业的健康发展，因此，在材料的选择上，除了PTC元件的材料选择外，兼具有良好的耐高温性和良好的导热性的硅橡胶也是PTC加热器具有高性能和高可靠性的保证条件之一。
在本实验中，我们对日本东芝的XE14-A0425和XE13-A8341硅胶及成都拓利化工实业有限公司的NS-083和NH-100G-2硅胶做了详细的对比试验。结果显示，成都拓利化工实业有限公司生产的液体硅胶具有更优异的抗老化性能。
加热器的老化涉及多方面的因素，在本文中，我们仅仅讨论液体硅胶对PTC加热器的老化性能的影响。
关键词：硅胶，PTC，老化，功率衰减，热胀冷缩，电蚀
第一章：实验过程
一、实验方法
1. 老化试验设备：
空调机组40台、控制器（ON/OFF）、大功率调压器、高低温环境试验箱
2. 试验方法：略
3. 测试设备：
PF140A功率计、DM3051万用表（风机转速测试）、风机转速频率仪器、HPA-1120(2KVA)变频稳压电源（风机电源）、GEW-210(10KVA) 变频稳压电源（加热器电源），数显温度表、ZRQF-D30JP风速仪，UT58A万用表（加热器电阻测试）
4、测试样品：
采用日本东芝的XE14-A0425和XE13-A8341硅胶组装的PTC加热器
采用成都拓利化工实业有限公司的NS-083和NH-100G-2组装的PTC加热器
第二章：试验测试数据
一、HALT高低温循环试验(-50℃~170℃/Cycle time18min)
我们将加热器放置于高低温试验箱，从-50℃至170℃，再从170℃冷却至-50℃，一次循环时间是18min，经过1867次循环，加热器电阻随时间的变化率如下:
表一：使用不同硅胶的加热器电阻随时间的变化率
硅胶型号
0
267
533
800
1067
1333
1600
1867
电阻变化率
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硅胶的加热器的电阻老化率是13.5%，而采用NH-100G-2硅胶的加热器的电阻老化率是9%，NH-100G-2的抗高低温老化性能明显优于东芝胶。
二、ON/OFF老化试验
将加热器装在空调机组内，设定老化电压为工作电压的1.15倍，风速设定为1m/s，进行ON/OFF通电通风老化试验（通电时间90S，断电时间70S），每隔一定时间取下加热器，在25℃的环境温度下，在标准功率测试机上测试功率，经过10万次的通断老化后，结果如下：
表二、使用不同硅胶的加热器功率随通电开关频次的老化率变化表
注：A1、A2是采用XE14-A0425和XE13-A8341硅胶的加热器老化曲线，A3、A4是采用NS-083和NH-100G-2硅胶的加热器老化曲线。
从表中看出，NH-100G的加热器老化要小约2个百分点。
第三章：试验结果分析与讨论
在讨论加热器的老化前，有必要说明一下PTC加热器的导电机理。
在加热器结构中，PTC和电极片由硅胶粘结，然后用聚酰亚胺薄膜包裹并被铝管压紧。
一般认为，由于硅胶是绝缘材料，所以PTC和电极片之间不能实现导电。但是因为电极片表面在微观下是凹凸不平的，PTC表面的铝电极也是呈现颗粒状的，所以PTC和电极片间的接触，并不整个面的接触，而是散布在接触面上一些点的接触。其凹坑处由硅胶填充，起到粘结作用，凸点接触起导电作用。电阻则和凸点接触的数量有关，还和凸点之间的压力有关。
在加热器老化过程中，由于冷热循环的作用，材料都会发生膨胀和收缩。
材料在热胀冷缩时，伸缩量S与长度L、热胀系数a和温差(T1-T0)间存在如下关系:
S=L×a×(T-T0)
铝的热胀系数是2.36×10-5，不锈钢电极的热胀系数是1.2×10-5，陶瓷PTC的热胀系数约是0.7×10-5
在-50℃~170℃冷热循环下，各材料的伸缩量为：
铝的伸缩量S=L×a×(T-T0) =600×2.36×10-5×（170+50）=3.12mm
不锈钢的伸缩量S=L×a×(T-T0) =600×1.2×10-5×（170+50）=1.58mm
PTC陶瓷的伸缩量S=L×a×(T-T0) =600×0.7×10-5×（170+50）=0.92mm
可以看出，由于各金属和陶瓷的膨胀系数的不匹配，在热作用下，电极片和PTC之间会发生摩擦错位，长期摩擦会引起PTC和电极片间粘结强度的降低，严重的情况下还会造成局部脱胶，从而使本来接触的凸点变成不再接触了，而且凸点之间的压力也变小了，从而引起加热器电阻的增大。
这就是加热器在热循环作用下电阻变化的一个主要原因，其中加热器的性能稳定与否与所使用的硅胶的性能有重大关系。
为了解释东芝胶和成都拓利化工实业有限公司的硅胶产品具有那些不同的电阻老化率，我们对不同的液体硅胶的剪切强度也做了相应的高温老化对比。
以下是各硅胶胶样的剪切强度老化对比结果：
表三、不同硅胶的剪切强度老化对比情况
老化条件
250℃×36h
250℃×48h
250℃×72h
拓利NH-100G-2
3.15 MPa
3.08 MPa
2.89 MPa
东芝XE13-A8341
1.74 MPa
1.92 MPa
1.63 MPa
东芝XE14-A0425
2.32 MPa
2.20 MPa
2.20 MPa
从表中可以发现，在任何老化时间下，NH-100G-2硅胶比东芝硅胶的剪切强度大，明显高于东芝胶。因此在高低温试验中，NH-100G-2胶的加热器电阻老化比较小，显示了优异的抗老化性能。
可见，硅胶的剪切强度对加热器的电阻老化具有非常大的影响。
为了研究硅胶对加热器功率老化的影响，我们解剖了加热器。我们发现经过数万次老化试验的加热器的PTC电极受到了严重的电蚀。如下图：
通过tear down试验，PTC电极被电蚀而引起的功率老化占整个老化比例的11~22%。
该电蚀本质上是由电极片和PTC表面的铝电极产生的电火花放电引起的。当电极片和PTC铝电极紧密接触时，两者之间不会产生放电，当经过无数次的蠕动后，凸点之间产生了空气间隙，从而引起火花放电，电火花烧毁了硅胶和电极，产生所谓的电蚀，从而引起PTC加热器的功率老化。
显然，硅胶的粘结强度越大，凸点之间产生的空隙可能性越小。由于NH-100G-2硅胶比东芝胶的剪切强度大，所以加热器的功率老化小，这和实验结果吻合。
第四章：试验结论
NH-100G-2硅胶比XE14-A0425 和XE13-A8341具有更好的剪切强度，使加热器功率老化更小，并且具有更好的抗高低温冲击性能，显示出优异的抗老化性能，成功应用于PTC加热器，在格力、美的空调辅助加热器上获得广泛应用。
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