Υλικά με θετικό θερμικό Υλικά με θετικό θερμικό συντελεστή αντίστασηςσυντελεστή αντίστασης

Η εξάρτηση Η εξάρτηση PTCPTC

Ζάννα Βιργινία – ΑργίνηΖάννα Βιργινία – ΑργίνηΕπιβλέπων καθηγητής:Επιβλέπων καθηγητής: Πίσσης Π.Πίσσης Π.

Η εξάρτηση της αντίστασης ενός υλικούΗ εξάρτηση της αντίστασης ενός υλικούαπό τη θερμοκρασίααπό τη θερμοκρασία..

Η εξάρτηση Η εξάρτηση positive temperature coefficient (PTC)positive temperature coefficient (PTC) είναι η είναι η εξάρτηση του αντιστοιχεί σε θετικό θερμικό συντελεστή εξάρτηση του αντιστοιχεί σε θετικό θερμικό συντελεστή αντίστασης α.αντίστασης α.

Με άλλα λόγια, παρατηρείται αύξηση της αντίστασης των Με άλλα λόγια, παρατηρείται αύξηση της αντίστασης των υλικών καθώς αυξάνουμε τη θερμοκρασία.υλικών καθώς αυξάνουμε τη θερμοκρασία.

Είναι γνωστή η σχέση της αντίστασης ενός αγωγού σε σχέση Είναι γνωστή η σχέση της αντίστασης ενός αγωγού σε σχέση με τα γεωμετρικά του χαρακτηριστικά, τη φύση του υλικού με τα γεωμετρικά του χαρακτηριστικά, τη φύση του υλικού που αυτός είναι κατασκευασμένος και τη θερμοκρασία: που αυτός είναι κατασκευασμένος και τη θερμοκρασία:

R= R= ρρ00(1+αθ)(1+αθ)S/S/ll..

Η σχέση αυτή ισχύει μόνο για μεταλλικούς αγωγούς. Η σχέση αυτή ισχύει μόνο για μεταλλικούς αγωγούς. Ζητούμενο είναι να μελετήσουμε την περίπτωση υλικών με Ζητούμενο είναι να μελετήσουμε την περίπτωση υλικών με πολύ μικρή αντίσταση, σχεδόν μηδενική, σε χαμηλές πολύ μικρή αντίσταση, σχεδόν μηδενική, σε χαμηλές θερμοκρασίες.θερμοκρασίες.

Η εξάρτηση Η εξάρτηση PTCPTC

Αναφερόμαστε σε μία σειρά πειραμάτων κατά τα οποία Αναφερόμαστε σε μία σειρά πειραμάτων κατά τα οποία μελετάται η εξάρτηση από τη θερμοκρασία της αντίστασης, μελετάται η εξάρτηση από τη θερμοκρασία της αντίστασης, της δομής και της διαστολής ορισμένων υλικών.της δομής και της διαστολής ορισμένων υλικών.

Σκοπός είναι να μελετηθούν και να κατασκευαστούν υλικά με Σκοπός είναι να μελετηθούν και να κατασκευαστούν υλικά με θετικό θερμικό συντελεστή αντίστασης, δηλαδή υλικά των θετικό θερμικό συντελεστή αντίστασης, δηλαδή υλικά των οποίων η ηλεκτρική αντίσταση αυξάνεται με την αύξηση της οποίων η ηλεκτρική αντίσταση αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας.θερμοκρασίας.

Τέτοια υλικά έχουν πολλές εφαρμογές στην βελτίωση της Τέτοια υλικά έχουν πολλές εφαρμογές στην βελτίωση της καθημερινότητας, όπως και στη βαριά βιομηχανία.καθημερινότητας, όπως και στη βαριά βιομηχανία.

Συνοπτική περιγραφή Συνοπτική περιγραφή του πειραματικού μηχανισμούτου πειραματικού μηχανισμού

Επιλέγουμε ένα μονωτή Α (συνήθως κάποιο πολυμερές) και Επιλέγουμε ένα μονωτή Α (συνήθως κάποιο πολυμερές) και ένα μέταλλο Μ. Διαχέουμε το Μ στο Α (μήτρα) κατά τρόπο ένα μέταλλο Μ. Διαχέουμε το Μ στο Α (μήτρα) κατά τρόπο τέτοιο ώστε να έχουμε μια ικανοποιητική διασπορά των τέτοιο ώστε να έχουμε μια ικανοποιητική διασπορά των σωματιδίων του Μ μέσα σε όλο τον όγκο του Α (μίγμα Α-Μ).σωματιδίων του Μ μέσα σε όλο τον όγκο του Α (μίγμα Α-Μ).

Σημείωση: οι μέθοδοι και οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται για Σημείωση: οι μέθοδοι και οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται για να επιτευχθεί αυτή η διασπορά του Μ μέσα στο Α χρειάζονται να επιτευχθεί αυτή η διασπορά του Μ μέσα στο Α χρειάζονται αρκετή ανάπτυξη και δε θα μας απασχολήσουν στα πλαίσια αρκετή ανάπτυξη και δε θα μας απασχολήσουν στα πλαίσια αυτής της εργασίας.αυτής της εργασίας.

Καθώς το μίγμα Α-Μ θερμαίνεται ομοιόμορφα παρατηρείται Καθώς το μίγμα Α-Μ θερμαίνεται ομοιόμορφα παρατηρείται διαστολή και κατά συνέπεια αύξηση ή μείωση της απόστασης διαστολή και κατά συνέπεια αύξηση ή μείωση της απόστασης των αγώγιμων τμημάτων του (Μ). Επομένως, το υλικό Α-Μ των αγώγιμων τμημάτων του (Μ). Επομένως, το υλικό Α-Μ καθίσταται μονωτής ή αγωγός κατά περίπτωση και ο θερμικός καθίσταται μονωτής ή αγωγός κατά περίπτωση και ο θερμικός συντελεστής της αντίστασης α παίρνει διαφορετικές τιμές.συντελεστής της αντίστασης α παίρνει διαφορετικές τιμές.

Θερμική διαστολήΘερμική διαστολή

Καθώς το μίγμα Α-Μ θερμαίνεται, ο μονωτής Α διαστέλλεται Καθώς το μίγμα Α-Μ θερμαίνεται, ο μονωτής Α διαστέλλεται με αποτέλεσμα την απομάκρυνση των μορίων του μετάλλου με αποτέλεσμα την απομάκρυνση των μορίων του μετάλλου Μ και την καταστροφή των αγώγιμων δρόμων μέσα στο Μ και την καταστροφή των αγώγιμων δρόμων μέσα στο υλικό. Επομένως, αυξάνεται η ηλεκτρική αντίσταση του υλικό. Επομένως, αυξάνεται η ηλεκτρική αντίσταση του υλικού.υλικού.

Η διαδικασία αυτή μπορεί να γίνει και αντίστροφα: ψύχοντας Η διαδικασία αυτή μπορεί να γίνει και αντίστροφα: ψύχοντας το υλικό, ο μονωτής Α συστέλλεται και επανοικοδομούνται οι το υλικό, ο μονωτής Α συστέλλεται και επανοικοδομούνται οι αγώγιμοι δρόμοι.αγώγιμοι δρόμοι.

Σε ένα δεύτερο επίπεδο, με την αύξηση της Σε ένα δεύτερο επίπεδο, με την αύξηση της θερμοκρασίας (και μετά το στάδιο της διαστολής) θερμοκρασίας (και μετά το στάδιο της διαστολής) καταστρέφονται τα κρυσταλλικά μέρη του Ακαταστρέφονται τα κρυσταλλικά μέρη του Α και αυτό και αυτό αρχίζει να λιώνει. Όμοια, το αποτέλεσμα είναι να αρχίζει να λιώνει. Όμοια, το αποτέλεσμα είναι να απομακρύνονται τα μόρια του Μ μεταξύ τους και να απομακρύνονται τα μόρια του Μ μεταξύ τους και να αυξάνεται η αντίσταση του Α-Μ. αυξάνεται η αντίσταση του Α-Μ.

Σε κάθε περίπτωση, πάντως, ο θερμικός συντελεστής α Σε κάθε περίπτωση, πάντως, ο θερμικός συντελεστής α εξαρτάται από τη μεταβολή του μήκους του υλικού εξαρτάται από τη μεταβολή του μήκους του υλικού (φαινόμενο διαστολής) και τη μεταβολή της (φαινόμενο διαστολής) και τη μεταβολή της θερμοκρασίας:θερμοκρασίας:

α=Δα=ΔLL/ΔΤ/ΔΤ∙∙ ۤۤLL00

Σημείωση: θεωρούμε μονοδιάστατο υλικό Α-Μ.Σημείωση: θεωρούμε μονοδιάστατο υλικό Α-Μ.

Παράδειγμα: η διαστολή διάφορων υλικών Παράδειγμα: η διαστολή διάφορων υλικών τύπου Α-Μ συναρτήσει της θερμοκρασίαςτύπου Α-Μ συναρτήσει της θερμοκρασίας

-2

-1

0

1

2

3

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Temperature, T 0C

Expansio

n/D

efo

rmation,

(L/L

0)

100PEPE-30Fe100POMPOM-32Fe

Ηλεκτρική αγωγιμότητα των υλικώνΗλεκτρική αγωγιμότητα των υλικών

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα αυτών των υλικών εξαρτάτα από Η ηλεκτρική αγωγιμότητα αυτών των υλικών εξαρτάτα από την ποσότητα του μετάλλου Μ που βρίσκεται μέσα στο μίγμα την ποσότητα του μετάλλου Μ που βρίσκεται μέσα στο μίγμα Α-Μ.Α-Μ.

Όσο μεγαλύτερη είναι η αναλογία όγκων (ή μαζών) Μ/Α, Όσο μεγαλύτερη είναι η αναλογία όγκων (ή μαζών) Μ/Α, τόσο μεγαλύτερη είναι και η αγωγιμότητα του μίγματος.τόσο μεγαλύτερη είναι και η αγωγιμότητα του μίγματος.

Τα δύο αυτά μεγέθη συνδέονται με μια εκθετική συνάρτηση:Τα δύο αυτά μεγέθη συνδέονται με μια εκθετική συνάρτηση:

σ=σσ=σ00(φ-φ(φ-φCC))tt

όπου σ η αγωγιμότητα, σόπου σ η αγωγιμότητα, σ00 η αρχική αγωγιμότητα, φ η η αρχική αγωγιμότητα, φ η

ποσότητα μετάλλου στο μίγμα Α-Μ, φποσότητα μετάλλου στο μίγμα Α-Μ, φCC η οριακή ποσότητα Μ η οριακή ποσότητα Μ

στο μίγμα ώστε αυτό να είναι αγώγιμο και στο μίγμα ώστε αυτό να είναι αγώγιμο και t t μια σταθερά που μια σταθερά που εξαρτάται από τα υλικά που χρησιμοποιούμε.εξαρτάται από τα υλικά που χρησιμοποιούμε.

Ένας άλλος τρόπος να περιγραφεί το παραπάνω είναι η σχέση:Ένας άλλος τρόπος να περιγραφεί το παραπάνω είναι η σχέση:

όπου σόπου σCC η οριακή αγωγιμότητα πριν το Α-Μ γίνει μονωτής,η οριακή αγωγιμότητα πριν το Α-Μ γίνει μονωτής, σσm m

η μέγιστη αγωγιμότητα και η μέγιστη αγωγιμότητα και FF η μέγιστη ποσότητα μετάλλου η μέγιστη ποσότητα μετάλλου μέσα στο μίγμα.μέσα στο μίγμα.

t

c c

m c cF

Παράδειγμα: η επίδραση της περιεκτικότητας Παράδειγμα: η επίδραση της περιεκτικότητας σε μέταλλο Μ ενός υλικού τύπου Α-Μ στο σε μέταλλο Μ ενός υλικού τύπου Α-Μ στο

θερμικό συντελεστή αντίστασηςθερμικό συντελεστή αντίστασης

0

1

2

3

4

0 5 10 15 20 25 30 35

Filler content, %

Coe

ffici

ent

of t

herm

al e

xpan

sion

, 10

4,

0C

-1

Παράδειγμα: η εξάρτηση της αντίστασης Παράδειγμα: η εξάρτηση της αντίστασης ορισμένων υλικών συναρτήσει της ορισμένων υλικών συναρτήσει της

θερμοκρασίαςθερμοκρασίας

2

4

6

8

10

12

14

16

20 40 60 80 100 120 140 160 180

Temperature, 0C

log

( ,

Ohm

cm

)

4. 4. Εφαρμογές της εξάρτησηςΕφαρμογές της εξάρτησης PTC PTC

Η αύξηση της θερμοκρασίας συνεπάγεται και αύξηση της Η αύξηση της θερμοκρασίας συνεπάγεται και αύξηση της αντίστασης.αντίστασης.

Αν συνδέσουμε την αντίσταση σε ένα κύκλωμα, τότε, με την Αν συνδέσουμε την αντίσταση σε ένα κύκλωμα, τότε, με την αύξηση της θερμοκρασίας, αλλάζει η ένταση του ηλεκτρικού αύξηση της θερμοκρασίας, αλλάζει η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος, σύμφωνα με το νόμο του ρεύματος, σύμφωνα με το νόμο του Ohm I=V/R.Ohm I=V/R.

Στο κύκλωμα μπορούν να ανοίξουν ή να κλείσουν διακόπτες, Στο κύκλωμα μπορούν να ανοίξουν ή να κλείσουν διακόπτες, να ενεργοποιηθούν κάποια στοιχεία του ή να αποσυνδεθούν να ενεργοποιηθούν κάποια στοιχεία του ή να αποσυνδεθούν άλλα.άλλα.

Τα παραπάνω μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή Τα παραπάνω μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή αισθητήρων θερμότητας που με τη σειρά τους μπορούν να αισθητήρων θερμότητας που με τη σειρά τους μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συστήματα πυρασφάλειας, αυτόματες χρησιμοποιηθούν σε συστήματα πυρασφάλειας, αυτόματες θερμάστρες, ψυκτικά κλπ.θερμάστρες, ψυκτικά κλπ.

ΒιβλιογραφίαΒιβλιογραφία

1. «1. «PTC effect and structure of polymer composites based on PTC effect and structure of polymer composites based on polyethylene/polyoxymethylene blend filled with a dispersed ironpolyethylene/polyoxymethylene blend filled with a dispersed iron»»

Ye.P. Mamunya, G. Boiteux, G. Seytre, Yu.V. Muzychenko, Ye.P. Mamunya, G. Boiteux, G. Seytre, Yu.V. Muzychenko, E.V. E.V. Lebedev, C. Boullanger, P.PissisLebedev, C. Boullanger, P.Pissis..

2. «2. «Phase inversion in conductive polymer blends filled with dispersed Phase inversion in conductive polymer blends filled with dispersed metalmetal»»

Y. Mamunya, G. Boiteux, G. Seytre, P. Pissis and E. LebedevY. Mamunya, G. Boiteux, G. Seytre, P. Pissis and E. Lebedev ..

3. «3. «PTC effect and structure of polymer composites based on PTC effect and structure of polymer composites based on polypropylene/Co-polyamide blend filled with dispersed ironpolypropylene/Co-polyamide blend filled with dispersed iron»»

A. Kanapitsas, C. Tsonos, E. Logakis, C. Pandis, P. Pissis, E. Kontou, A. Kanapitsas, C. Tsonos, E. Logakis, C. Pandis, P. Pissis, E. Kontou, Y.P. Mamunya, E.V. Y.P. Mamunya, E.V. Lebedev, C.G. Delides. Lebedev, C.G. Delides.

ΒιβλιογραφίαΒιβλιογραφία

4. 4. «« All polymer PTC devices: temperature – conductivity All polymer PTC devices: temperature – conductivity characteristics of polyisothianaphthene and poly(3-hexylthiophene) characteristics of polyisothianaphthene and poly(3-hexylthiophene)

blends blends »»

C. Liu, K. Oshima, M. Shimomura, S. MiyauchiC. Liu, K. Oshima, M. Shimomura, S. Miyauchi

5. 5. ««Conductive thermoset composites: PTC effect Conductive thermoset composites: PTC effect »»

G. Boiteux, J. Fournier, D. Issotier, G. Seytre, G. Marichy.G. Boiteux, J. Fournier, D. Issotier, G. Seytre, G. Marichy.

Επίσης, αρκετές πληροφορίες βρίσκονται και στις ιστοσελίδες:Επίσης, αρκετές πληροφορίες βρίσκονται και στις ιστοσελίδες:

www.sciencedirect.comwww.sciencedirect.com

www.scopus.comwww.scopus.com

www.interscience.wiley.comwww.interscience.wiley.com