[论文解读] Effect of particle contact on the electrical performance of NTC-epoxy composite thermistors

Daniella B. Deutz, Sybrand van der Zwaag+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2019

Electrical and Thermal Properties of Materials参考文献 33被引用 6

一句话总结

本研究证明，通过团聚颗粒簇实现的工程化粒子接触在NTC-环氧树脂复合热敏电阻中显著提升了电性能，当NTC含量为50 vol.%时，β值达到2069 K，电阻率低至3.3×10⁵ Ω·m，相比随机分散或对齐的复合材料性能提升达4个数量级。其关键机制在于NTC颗粒间并联连通性的增强，而不仅仅是粒子间距离的减小。

ABSTRACT

As demand rises for flexible electronics, traditionally prepared sintered ceramic sensors must be transformed into fully new sensor materials that can bend and flex in use and integration. Negative temperature coefficient of resistance (NTC) ceramic thermistors are preferred temperature sensors for their high accuracy and excellent stability, yet their high stiffness and high temperature fabrication process limits their use in flexible electronics. Here, a low stiffness thermistor based on NTC ceramic particles of micron size embedded in an epoxy polymer matrix is reported. The effect of particle-to-particle contact on electrical performance is studied by arranging the NTC particles in the composite films in one of three ways: 1) Low particle contact, 2) Improved particle contact perpendicular to the electrodes and 3) dispersing high particle contact agglomerated clumps throughout the polymer. At 50 vol.\\% of agglomerated NTC particles, the composite films exhibit a $\\beta$-value of 2069 K and a resistivity, $\ ho$, of 3.3$\\cdot 10^5$ $\\Omega$m, 4 orders of magnitude lower than a randomly dispersed composite at identical volume. A quantitative analysis shows that attaining a predominantly parallel connectivity of the NTC particles and polymer is a key parameter in determining the electrical performance of the composite film.

研究动机与目标

• 开发柔性、可印刷的NTC热敏电阻，其性能可接近烧结陶瓷材料，适用于柔性电子器件。
• 研究粒子间接触而非仅体积分数或粒子间距如何主导NTC-环氧树脂复合材料中的电性能。
• 在不同NTC体积分数下，比较三种复合结构——随机分散、介电电泳对齐和团聚簇——的性能表现。
• 识别控制复合热敏电阻电阻率和β值的主导物理参数。
• 确定高NTC体积分数或特定粒子接触结构对实现低电阻率和高β值而言，何者更为关键。

提出的方法

• 通过球磨和在800°C与950°C下煅烧制备NTC陶瓷颗粒（Mn₂.₄₅Ni₀.₅₅O₄，粒径1–10 µm，团聚体最大达250 µm）。
• 采用环氧树脂基体和磁控溅射镀膜工艺制备三种复合薄膜：随机分散、介电电泳对齐和团聚簇结构，并集成金电极。
• 通过10 V直流电压下的电阻测量和薄膜几何参数（ρ = R_DC · A / t）计算电阻率（ρ）；通过1 kHz交流电压下1 V、25°C和85°C时的电阻测量确定β值。
• 利用图像分析（1500×放大倍数，阈值处理，颗粒分割）计算最近邻颗粒质心之间的平均粒子间距。
• 对团聚薄膜施加单轴压力（130°C，1小时），以调节粒子间距并评估电阻率对间距的依赖性。
• 通过并联网络形成过程的定量分析，将电性能与粒子连通性相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 粒子接触结构（随机、对齐、团聚）是否显著影响NTC-环氧树脂复合热敏电阻的电阻率和β值？
• RQ2 高NTC体积分数还是粒子接触构型对实现低电阻率和高β值更为关键？
• RQ3 粒子间距本身在多大程度上独立于粒子接触决定电性能？
• RQ4 单轴压力如何影响团聚复合薄膜中的电阻率和粒子间距？
• RQ5 NTC颗粒的并联连通性及聚合物基体在决定整体电性能方面起什么作用？

主要发现

• 在50 vol.% NTC含量下，团聚复合薄膜的β值达到2069 K，电阻率为3.3×10⁵ Ω·m，相较于相同体积分数下的随机分散复合材料性能提升约4个数量级。
• 随机和对齐复合材料的电阻率主要受聚合物基体主导，即使在高NTC含量下也未见明显改善，表明其渗流和连通性较差。
• 团聚复合薄膜由于内部密集堆积，尽管簇间间距较大，但平均粒子间距显著降低，从而实现了高并联连通性。
• 在单轴压力作用下，电阻率随粒子间距减小而单调下降，每减少0.1 µm，电阻率降低约1个数量级，但仅在团聚薄膜中观察到此现象。
• 性能提升的关键并非仅粒子间距的减小，而是通过粒子接触形成的并联导电通路，而这种通路在团聚结构中达到最大。
• 介电电泳对齐对电阻率影响微乎其微，表明在NTC复合材料中，电流驱动传感机制对排列的敏感性低于对实际粒子接触的依赖。