摘要： 针对常温居里点陶瓷基正温度系数（PTC）材料在低温区电阻率过大的技术瓶颈，以Ba₀.₆₄Sr₀.₃₆TiO₃为基体，采用固相烧结工艺制备出低温区电阻率为800 Ω·cm的常温居里点PTC材料。通过实验测试与数值仿真相结合的方法，系统分析了该材料在不同工况下的温控特性。结果表明：在−10 ℃初始环境温度、20 V工作电压条件下，该材料可在1 296 s内将受控体温度稳定于25.7 ℃，控温精度达±0.5 ℃；相比传统高电阻率PTC材料（低温区电阻率≥10⁴ Ω·cm），响应时间缩短57.4%，温升幅度提高29.3 ℃。在−5～5 ℃周期性变化环境中，控温波动幅度仅为2.1 ℃，较普通电阻加热方式降低64.4%。真实低温环境验证表明，该材料可在12 h内将受控体温度维持在22.3±1.0 ℃范围内，有效抑制外界环境干扰。

　　1　材料制备与表征

　　1.1　原料与配方

　　以碳酸钡（BaCO₃，纯度≥99.0%，A材料公司）、碳酸锶（SrCO₃，纯度≥99.0%，K材料公司）、二氧化钛（TiO₂，纯度≥99.0%）、二氧化硅（SiO₂，纯度≥99.0%）为主要原料。助烧剂体系采用Al₂O₃-SiO₂-TiO₂三元玻璃相，质量分数控制在3.5%～4.5%范围内。基体配方为Ba₀.₆₄Sr₀.₃₆TiO₃。

　　1.2　制备工艺流程

　　制备过程分三个阶段进行：

　　a）配料与球磨：按Ba₀.₆₄Sr₀.₃₆TiO₃化学计量比称取原料，加入去离子水进行湿法球磨，球料比3:1，转速350 r/min，时间24 h；浆料经120 ℃干燥12 h后过200目筛。

　　b）预烧与二次球磨：粉料在1 150 ℃预烧2 h合成主晶相；预烧粉体与助烧剂混合后进行二次球磨，工艺参数同一次球磨。

　　c）成型与烧结：加入8 wt%聚乙烯醇（PVA）造粒，在100 MPa压力下压制成φ20 mm×2 mm圆片；烧结制度如下：

　　室温～400 ℃：升温速率200 ℃/h，排除有机 binder；

　　400 ℃保温0.5 h；

　　400～1 150 ℃：升温速率400 ℃/h；

　　1 150～1 350 ℃：升温速率600 ℃/h；

　　1 350 ℃保温2 h；

　　自然冷却至室温。

　　1.3　电极制备与性能测试

　　样品表面经砂纸打磨后，采用丝网印刷工艺涂覆欧姆铝浆，在610 ℃热处理10～15 min形成电极。电阻-温度特性测试采用四探针法，温度范围−20～100 ℃，升温速率2 ℃/min。

　　2　结果与讨论

　　2.1　电阻-温度特性

　　测试结果表明：

　　居里温度T_C = 20 ℃；

　　低温区电阻率ρ_LT = 800 Ω·cm；

　　高温区电阻率跃变幅度达2.3个数量级；

　　阻温系数α_T = 10.5 %/℃。

　　电阻-温度特性采用分段函数拟合：

　　当T < 15 ℃时，ρ = 800 Ω·cm（常数）；

　　当15 ℃ ≤ T < T_C时，ρ = 800×[1+0.02(T−15)] Ω·cm；

　　当T ≥ T_C时，ρ = 800×exp[0.105(T−20)] Ω·cm。

　　拟合结果与实验数据平均相对误差7.3%，相关系数R²=0.986。

　　2.2　温控性能对比分析

　　2.2.1　实验条件

　　建立温控性能测试系统，主要参数如下：

　　受控体：铝块，尺寸40 mm×40 mm×10 mm，质量m=43.2 g，比热容c_p=0.9 J/(g·℃)；

　　温度传感器：PT100铂电阻，精度±0.15 ℃；

　　供电电源：直流稳压电源，电压范围0～30 V，不确定度±1%；

　　环境模拟：温度试验箱，控温范围−40～150 ℃，波动度±0.5 ℃。

　　2.2.2　对比实验结果

　　在−10 ℃初始环境温度、20 V工作电压条件下，对比三种加热元件的温控表现：

       2.2.3　关键发现

　　a）快速响应特性：R₄的响应时间（1 296 s）较R₁、R₂分别缩短57.4%和58.9%，较普通电阻缩短49.4%。

　　b）精准控温能力：在−5～5 ℃周期性变化环境（周期40 min）中，R₄控温波动幅度2.1 ℃，较普通电阻（5.9 ℃）降低64.4%。

　　c）自适应限流特性：当温度超过居里点后，电阻率迅速增大，自动限制电流，避免热失控。

　　2.3　真实环境验证

　　在北方某地实际低温环境（环境温度−8.3～3.3 ℃，风速0.5～3.7 m/s）中进行12 h连续测试：

　　R₂控温范围：−6.8～1.5 ℃，波动幅度11.1 ℃；

　　R₄控温范围：21.5～23.3 ℃，波动幅度1.8 ℃，平均温度22.3 ℃。

　　3　结论

　　1）以Ba₀.₆₄Sr₀.₃₆TiO₃为基体，通过优化固相烧结工艺，制备出居里点20 ℃、低温区电阻率800 Ω·cm的陶瓷基PTC材料，阻温系数达10.5%/℃。

　　2）该材料在20 V电压、−10 ℃环境下，1 296 s内可将受控体温度稳定于25.7 ℃，响应时间较高电阻率材料缩短57%以上。

　　3）在周期性变化环境和真实低温条件下，该材料控温波动幅度小于2 ℃，满足精密电子器件±2 ℃温控精度要求，在航天器热控、精密仪器恒温等领域具有应用价值。