通过等离子体处理为限流聚合物提供低电阻电界面制造技术

一种新型限流ＰＴＣ聚合物装置及其制造方法，该装置包括一种导电聚合物组合物和与其相连接的电极，该装置的特征在于具有低接触电阻。本发明专利技术提供了对导电聚合物组合物表面部分进行选择性处理的方法，这种选择性处理是通过等离子体浸蚀／电晕浸蚀和等离子体溅射／等离子体喷涂中至少一种而实现的，其结果是形成了能与电极连接而产生低接触电阻的活性点。本发明专利技术的电装置特别适于用在电路保护应用中。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及基于限流PTC聚合物装置的电装置，尤其涉及包含限流PTC聚合物装置的电路保护装置，该限流PTC聚合物装置由导电聚合物组合物与合适的电极结合而构成。本专利技术还涉及导电聚合物组合物和与其结合的电极之间的物理及电界面。具体地说，本专利技术涉及一种产生低接触电阻的导电聚合物组合物与电极之间的界面。电阻特性呈现正温度系数(PTC)的限流聚合物组合物以及包含该限流聚合物组合物的电装置已被广泛使用。限流聚合物组合物通常包括分散在聚合物基质如热塑性聚合物、弹性聚合物或热固性聚合物中的导电微粒如碳黑、石墨或金属微粒。限流聚合物组合物中的PTC性能的特征在于这种材料在其温度升高到超过特定值时，其电阻率急剧增加，该特定值也被称为反常温度或转换温度Ts。呈现PTC性能的材料可用在包括电路保护装置在内的许多应用中，在该电路保护装置中，通过电路的电流被构成电路一部分的PTC元件的温度所控制。特别有用的包含限流聚合物组合物的装置是电路保护装置。这种电路保护装置通常包含一种由两个电极嵌入限流聚合物组合物中而构成的限流聚合物装置。当与电路连接时，该电路保护装置在正常的电路工作条件下具有较低的电阻，但在故障条件下，例如出现过高的电流或温度时，该电路保护装置断路，即转变成高电阻状态。当该电路保护装置因电流过高而断路时，通过PTC装置的电流使其自动加热至其转变温度或转换温度Ts，这时，其电阻发生快速升高，使其转变成高电阻状态。有代表性的电路保护装置及用于这种电路保护装置的限流聚合物组合物公开于如美国专利4,545,926(Fouts，Jr.等人)；4,647,894(Ratell)；4,685,025(Carlomagno)；4,724,417(Au等人)；4,774,024(Deep等人)；4,775,778(van Konynenburg等人)；4,857,880(Au等人)；4,910,389(Sherman等人)；5,049,850(Evans)；和5,195,013(Jacobs等人)中。这种装置中，限流聚合物组合物以一定的方式与电源相连接。这种连接一般通过本
中所称的电极而实现，该电极与限流聚合物组合物接触并与电源连接。这些装置中限流聚合物组合物与金属电极之间的界面存在某些问题，从而限制了它的某些应用范围，这些应用范围是指这类装置确实能以工业化实现的应用范围。例如，在避免该装置的电极附近的任何部位电流密度过高方面存在问题，如对电极采取措施使其确实将电流分布到该装置的限流聚合物组合物的适当截面积上，并且不改变该装置的重复工作循环中的这种分布。此外，使用金属电极会导致一定程度的电不均匀性；如果电极表面靠近其它有任何缺陷的电极，就会导致电应力集中，这种电应力集中将产生不良性能。这一问题在限流聚合物组合物呈现PTC性能时尤为严重，原因是这会使热区邻近电极；随着电极间的距离变小，这一问题还会变得愈加严重。已发现了限流聚合物组合物在电路保护装置方面的商业用途，这些电路保护装置可用于电信线路和用于小型发动机的喘振保护。然而这些装置仅限于用在具有较低电流和电压的系统中。这些装置这样被限制的原因部分地归因于与限流聚合物组合物和电极之间的界面有关的接触电阻的程度。经测定，这些装置中的接触电阻可占装置总电阻的高达75％。因此，希望这种装置具有能产生低接触电阻的限流聚合物组合物与电极之间的界面。用于这类限流PTC聚合物装置中的电极包括单股线和多股绞合线、粗线(wire rovings)、金属箔、多孔金属网、多孔金属片等。已经提出了许多连接电极与限流聚合物组合物的方法。例如，美国专利3,351,882(Kohler等人)；4,272,471(Walker)；4,426,633(Taylor)；4,314,231(Walty)；4,689,475(Kleiner等人)；4,800,253(Kleiner等人)；和4,924,074(Fang等人)。具体地说，Walty公开了一种使用导电粘合剂将平板电极与限流聚合物组合物连接的方法。Taylor公开了一种通过加热、加压和一定的时间将金属箔电极与限流聚合物组合物层合的方法。Taylor还公开了可任选地使用导电粘合剂以帮助粘接电极与限流聚合物组合物。最后，Kleiner等人在4,800,253和4,689,475中公开了具有微粗糙表面的电极的应用。换句话说，Kleiner等人指出使用具有粗糙表面的电极，该粗糙表面是通过从光滑电极的表面除去一些材料而形成的，如通过浸蚀；通过在光滑电极表面上进行化学反应，如通过电沉积；或者通过沉积所述电极的微粗糙层或向电极表面上沉积不同的材料而实现。为了获得0.1-5mΩ范围内的室温电阻程度，低体电阻率和柢接触电阻是必要的。基于限流聚合物组合物的电装置是容易得到的，该电装置具有500Vrms额定电压和63Arms额定电流的稳定态以减少模制外壳断路器中的允许通过值。然而为了达到这种高额定电压和高额定电流，目前可得到的装置需要一种具有高回弹压力的大面积平行板几何结构来连接电极与限流聚合物组合物。使电极与限流聚合物组合物连接的高回弹压力有助于降低接触电阻。随着该压力的提高，电极与限流聚合物组合物之间的实际接触面积提高。电极与导电填料的接触面积也随该压力的提高而提高。在这种高压力下，限流聚合物组合物塑性变形，从而与电极紧密接触。一层聚合物薄层会覆盖大部分的电极与限流聚合物组合物之间的接触面。该聚合物薄层将阻止限流聚合物组合物中的导电填料微粒与电极之间直接接触。这种因素对于通过加压来连接电极与限流聚合物组合物的方法所能达到的装置电阻的下降有所限制。此外，所得的装置需要大的外壳，所以不得不将该装置安装在断路器的外部。因此，需要一种连接电极与限流聚合物组合物的方法，该方法能产生紧密的几何结构，而且不需要高的回弹压力。所需要的是一种具有低接触电阻、能用于高电流/高电压应用中的限流PTC聚合物装置。尤其需要的是用于连接电极与限流聚合物组合物、以及用于制造这种连接中所用的限流聚合物组合物的方法，所述的这种连接能产生相对于装置总电阻而言为低电阻的电界面。希望接触电阻相对于装置总电阻而言为低电阻的主要原因有两个。首先，限流聚合物组合物的大部分会发生焦耳加热，因此阻止了电极-组合物界面的飞弧。这种飞弧会导致电极分层或电极-组合物界面热/电击穿。第二，装置总电阻越低，装置可获得的稳定态额定电流就越高。现在我们已发现了一种使金属电极与限流聚合物组合物面接从而产生低接触电阻的方法。具体地说，现在已经发现可以用等离子体浸蚀法处理限流聚合物组合物的选择性表面，以增加被处理表面上分散在限流聚合物组合物内的导电微粒的浓度。并且还发现，在等离子体浸蚀后或在不进行等离子体浸蚀的情况下，可以将金属溅射沉积到限流聚合物组合物的被选择的表面上。本专利技术的电装置具有以下有益性能- 聚合物组合物表面的导电微粒和与该聚合物组合物相连的主体(bulk)金属电极之间的接触面积增加，便于将电装置结合入指定的电路中；- 本专利技术电装置的接触电阻减小，便于获得增加的额定电流/电压；- 所需的装置尺寸减小，便于制成较小的形式更匹配装置；- 不需要有回弹压力的系统对限流聚合物组合物与主体电极之间的界面赋予压力；- 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种限流ＰＴＣ聚合物装置，包括：一种分散有导电微粒的导电聚合物组合物，其中，所述导电聚合物组合物具有至少两个富含导电微粒的表面，和与所述至少两个富含导电微粒的表面电连接的至少两个电极。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：WK汉纳，JJ谢伊，
申请(专利权)人：尹顿公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]