全自動(dòng)隧道窯燒成工藝對(duì)PTC性能的影響

左真國 濮義達(dá)

摘 要 全自動(dòng)隧道窯可實(shí)現(xiàn)PTC熱敏陶瓷的連續(xù)化生產(chǎn)，同時(shí)能提高PTC產(chǎn)品的性能。本文主要介紹PTC燒成工藝及原理與隧道窯結(jié)構(gòu)的相關(guān)性，并研究推進(jìn)時(shí)間和降溫區(qū)空氣氣氛對(duì)產(chǎn)品性能的影響。

關(guān)鍵詞 全自動(dòng)隧道窯；燒成工藝；PTC

0 引 言

全自動(dòng)隧道窯是現(xiàn)代化的連續(xù)式燒成設(shè)備，由于具有優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，故廣泛用于陶瓷生產(chǎn)。PTC熱敏陶瓷加熱片需求量的逐年增加，需要企業(yè)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行連續(xù)化生產(chǎn)，全自動(dòng)隧道窯應(yīng)用于PTC燒成就成為了可能。本文主要介紹PTC燒成工藝與隧道窯結(jié)構(gòu)的相關(guān)性，以及燒成工藝參數(shù)對(duì)PTC性能的影響。

1 全自動(dòng)隧道窯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

全自動(dòng)隧道窯具有全自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行、燒結(jié)時(shí)間無級(jí)可調(diào)、爐溫穩(wěn)定均勻、控溫精度高及高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于應(yīng)用于PTC產(chǎn)品的設(shè)備設(shè)計(jì)需要了解PTC熱敏陶瓷的燒成機(jī)理，PTC熱敏陶瓷通過La、Nb等施主摻雜BaTiO3經(jīng)過降溫受主得到的、具有超過居里點(diǎn)以后隨著溫度上升而電阻急劇增大的性能。其主要機(jī)理如下：在施主摻雜BaTiO3陶瓷的燒成過程中，當(dāng)氧分壓較低時(shí)進(jìn)行燒結(jié)制備的瓷片其電子補(bǔ)償占主導(dǎo)地位，材料呈低電阻率特性；而當(dāng)氧分壓較高時(shí)進(jìn)行燒結(jié)制備的瓷片將逐漸由電子補(bǔ)償占主導(dǎo)地位過渡到缺位補(bǔ)償占主導(dǎo)地位，而使材料的電阻率迅速上升，呈現(xiàn)高電阻率特性。也就是說，低氧分壓和高溫有助于形成過量的電子補(bǔ)償，而高氧分壓和較低的溫度則有助于形成缺位補(bǔ)償。另外，受主雜質(zhì)具有較高的電離能，在高溫下對(duì)材料的電阻率影響不大，但受主摻雜的樣品在高氧分壓和降溫過程中對(duì)材料的PTC效應(yīng)影響極大。因此，全自動(dòng)隧道窯應(yīng)用于PTC燒成，需要一個(gè)升溫和還原系統(tǒng)、一個(gè)保溫系統(tǒng)、一個(gè)降溫和降溫過程的空氣氧化氣氛系統(tǒng)，并且全過程實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。對(duì)此全自動(dòng)隧道窯需要由爐體、循環(huán)部分、溫度控制柜、傳動(dòng)控制箱、推板、抽風(fēng)送風(fēng)機(jī)、觸屏控制柜等部分組成。

為了更好地獲得高性能的PTC產(chǎn)品，需要根據(jù)燒成工藝曲線設(shè)計(jì)爐膛內(nèi)的結(jié)構(gòu)。如圖1所示，在升溫階段，考慮到排膠和鉛揮發(fā)等問題，0～700℃采用緩慢加熱并增加送風(fēng)機(jī)，給予一定的還原系統(tǒng)；在700℃～1 150℃較前段設(shè)計(jì)推送路程減短，1 150℃到高溫區(qū)推送路程最短，并加強(qiáng)其爐內(nèi)的保溫功能，保溫階段設(shè)計(jì)一個(gè)平穩(wěn)的過渡帶；對(duì)于降溫階段，也是PTC性能提高的關(guān)鍵階段。需要使用抽風(fēng)機(jī)提供氧化氣氛，并且使得降溫系統(tǒng)符合曲線中高溫適當(dāng)保溫后自然冷卻，避免出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力保留影響陶瓷脆性。連續(xù)化生產(chǎn)由一臺(tái)觸摸屏顯示器和一臺(tái)通過PLC編程電路來控制的自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)來完成。

2 燒成工藝對(duì)PTC性能的影響

燒成工藝對(duì)BaTiO3半導(dǎo)瓷形成PTC效應(yīng)起著決定性作用，因?yàn)樵跓蛇^程將完成還原（半導(dǎo)化）及氧化（晶界形成勢(shì)壘）反應(yīng)。性能優(yōu)良的PTC熱敏陶瓷對(duì)燒成制度要求非常嚴(yán)格，一般來說，材料的顯微結(jié)構(gòu)如晶粒大小、晶粒半導(dǎo)化程度以及晶界形成狀況等都取決于燒成制度，合適燒成制度的擬定應(yīng)考慮材料半導(dǎo)化過程的完成、晶界勢(shì)壘形成、瓷體致密均勻性以及材料宏觀電性能參數(shù)等。

在連續(xù)生產(chǎn)的隧道窯內(nèi)影響因素較多，當(dāng)前對(duì)全自動(dòng)隧道窯燒成工藝中著重強(qiáng)調(diào)對(duì)窯內(nèi)氣氛以及保溫時(shí)間（推板時(shí)間）兩要素進(jìn)行檢測和控制。

由圖2（a）可知，隨著推板速度的加快，PTC陶瓷片在高溫區(qū)時(shí)間延長，材料的室溫電阻和耐壓強(qiáng)度（2.4mm厚度）也隨之升高。在相同燒結(jié)溫度的前提下，適當(dāng)延長保溫時(shí)間，材料的電阻率增大，PTC效應(yīng)與耐壓也相應(yīng)的提高。圖2（b）表明降溫區(qū)風(fēng)量的提高有利于耐壓強(qiáng)度的提高，伴隨其室溫電阻變化緩慢。因?yàn)轱L(fēng)量的加大使得氧分壓增加，降溫區(qū)高氧分壓有利于肖特基勢(shì)壘提高，PTC效應(yīng)的增強(qiáng)，隨之耐壓性能提高。

3 結(jié) 論

（1）為了更好地獲得高性能的PTC產(chǎn)品，需要根據(jù)燒成工藝曲線和PTC燒成作用機(jī)理來設(shè)計(jì)全自動(dòng)隧道窯，這樣才能實(shí)現(xiàn)PTC產(chǎn)品的高產(chǎn)、高效率、高質(zhì)量。

（2）燒成工藝對(duì)BaTiO3半導(dǎo)瓷形成PTC效應(yīng)起著決定性作用，隨著窯內(nèi)氣氛以及保溫時(shí)間（推進(jìn)時(shí)間）的提高，室溫電阻和產(chǎn)品的耐壓值也隨之提高。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]周東祥，龔樹萍.PTC材料及應(yīng)用[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社.1989.

[2]祝柄和，姚堯，趙梅瑜，等.PTC陶瓷制造工藝與性質(zhì)[M].上海：上海大學(xué)出版社.2001.