CN102067719B - 厚膜高温热塑性绝缘加热元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了在基底上的由高温熔融可流动热塑性聚合物/粉末添加剂制剂以及无铅电阻膜和导电膜制剂制成的集成厚膜加热元件，该高温熔融可流动热塑性聚合物/粉末添加剂制剂在基底上形成电绝缘热塑性介电涂层，而导电膜制剂被涂布并在加工温度大大低于600℃时被烧结以在基底上形成集成厚膜加热元件。这种厚膜加热元件形成在首先涂布有电绝缘的填充熔融可流动高温热塑性聚合物/粉末复合物层的基底材料上，在其上涂布的无铅电阻厚膜能够在很宽的能量密度范围内根据消费者和工业加热元件的应用要求来操作，其在温度循环下，例如250℃下，具有合适的电绝缘性质。

Description

厚膜高温热塑性绝缘加热元件

相关美国申请的交叉引用

本专利申请涉及到于2008年4月22日用英文提交的题为THICKFILM HIGH TEMPERATURE THERMOPLASTICINSULATED METALBASED HEATING ELEMENT(厚膜高温热塑性绝缘的金属基底的加热元件)的美国临时专利申请序列号61/071,336，并要求该临时专利申请的优先权权益，并且该临时专利申请以其整体在此通过引用并入这里。

发明领域

本发明涉及一种适用于具有低熔点和/或高热膨胀系数(CTE)的基底的厚膜高温热塑性绝缘电阻加热元件和使用复合涂覆合成方法生产该厚膜高温热塑性绝缘电阻加热元件的方法。

发明背景

厚膜加热元件由于它们有能力提供多样的设计、高功率密度、均匀加热和快速加热以及冷却而受追捧已久。通过使厚膜元件与正被加热的组件接触或者当它们被要求将定向热辐射到周围环境时，这些类型的元件设计对于直接加热是非常有效的。

电压通过导电条(conductive track)被施加到电阻厚膜或直接施加到电阻厚膜上。这是一种期望的元件设计，因为它是超薄型的(low profile)并且重量轻，提供快速升温和冷却时间，提供了非常均匀的加热，并且在低温下传递能量，从而导致加热元件的更安全操作。

金属基底例如铝和铝合金以及奥氏体级别的不锈钢，例如300系列不锈钢(300SS)，因为它们卓越的热特性性质，因此对于这种应用是特别期望的。铝和铝合金对于此应用是特别理想的，因为它们拥有比不锈钢高10到20倍的热传导从而使得在这些基底上的厚膜加热器快速地热作用，并且具有低密度从而实现很轻的、有效的加热元件。

现有技术展示了应用到基底的绝缘层(玻璃搪瓷)以使得电阻厚膜与基底电绝缘。诸如DuPont(杜邦)、Ferro和Electro-Science Laboratory(电科学实验室)公司(ESL)的公司所生产的基于玻璃的产品使用熔融可流动玻璃粘结剂和绝缘填料组分的组合物。厚膜玻璃粉中的不同的金属氧化物的组合降低了玻璃的熔化温度，使得它在合适的烧结温度下流动并生成一种包含填料材料的连续玻璃基质。

典型的厚膜玻璃粉被设计成在温度超过800℃时能烧结并被通常使用在由铁素体不锈钢例如400系列不锈钢(400SS)制成的基底上。然而，在具有低熔融温度(低于660℃)的较低温度金属基底例如铝和铝合金或具有相对较高热膨胀系数(22-26ppm/K)的其他基底上产生可行的电绝缘层是困难的。常用于铁素体不锈钢基底的基于搪瓷的绝缘层不能够用于铝或铝合金基底或奥氏体不锈钢基底，因为不匹配的热膨胀系数在初加工过程中或在加热器的热循环下会导致电绝缘层的开裂。此外，这些搪瓷涂层需要在一般大于600℃的温度下施用，这非常接近铝或铝合金基底的熔化温度以致不能产生稳定的电绝缘层。

低于600℃的熔融温度可以实现但有一些限制。这些绝缘体中的许多在厚膜玻璃粘合剂(thick film frit)中含有铅或Cd。然而，用于生产这个元件的厚膜制剂必须是无铅的以符合2006年欧洲采用的RoHS指令。此外，这些绝缘体不具备所需的介电强度以满足监管安全标准。

低到没有熔融流动聚合物制剂如聚酰亚胺可被用于在低温基底材料上形成电绝缘层。然而，这些聚合物制剂具有(1)低温限制，(2)不能转移消费者和工业加热元件应用所要求的广泛范围能量密度来加热基底，(3)不提供所需的电绝缘性能，(4)不能承受电阻厚膜工艺条件，或者(5)降低涂布的电阻厚膜的集成性。

传统绝缘材料的上述问题使得有必要为具有低熔点或高热膨胀系数(CTE)的基底提供一种独特的材料解决方案。

发明概述

本发明的目的是在基底上提供集成厚膜加热元件，其可以在低于600℃下加工，以便它可和铝、铝合金、低温和/或高CTE基底材料一起使用，在约250℃(或更高)的温度循环下具有合适的电绝缘性质，并对于消费者和工业加热元件应用能在广泛范围的能量密度下操作。

为此，这里公开了混有颗粒填料的高温熔融可流动热塑性聚合物、连同无铅电阻厚膜以及导电电极条制剂，其可被涂布并烧结以形成可在低于600℃温度下加工的集成厚膜加热元件。这种厚膜加热元件对于消费者和工业加热元件应用能在广泛范围的能量密度范围内操作，在约250℃的温度循环下具有合适的电绝缘性质，从而使得它对于整合进各种有商业应用价值的产品来说非常有用。

特别是，本发明提供厚膜加热元件，包括：基底、包括高温熔融可流动热塑性聚合物/填料材料复合物的电绝缘介电层、可以通过复合溶胶凝胶技术生产的无铅电阻厚膜、可选地用来与电阻元件产生电接触的导电厚膜以及可选地用来提供进一步电绝缘性和/或防潮和抗氧化的顶层。这种加热元件提供有效且快速的加热和冷却，可以设计成提供均匀的温度分布，并在较低的操作温度下产生热能，从而提高元件的安全性。

厚膜加热元件具有低成本效益，并能够在广泛的应用范围内提供具有竞争力的解决方案。这些包括但不限于：航天加热器、室内加热器、设备加热器、冰箱除霜器、电子标牌加热器、食品和饮料加热器以及油加热器(oil warmer)，此处仅提及一些。

考虑到许多商业应用使用铝或铝合金，本发明的某些实施方案中所用的复合溶胶凝胶导电和电阻制剂被选择以便它们能在低于600℃温度下的基底上被加工。此外，这些材料不需要添加铅或任何其它有害物质以加工加热元件，符合了2006年欧洲采用的RoHS指令。

包含电绝缘高温热塑性聚合物/填料材料复合层的介电涂层被涂布到基底上并在600℃以下加工以形成介电层涂覆的基底。热塑性聚合物粉末由不会出现达到聚合物的加工温度的显著熔融流动的微粒无铅材料填充(当基于铝的基底被使用时温度应该不超过约600℃)。并入热塑性层的填料在高温热塑性层和额外涂布的无铅电阻厚膜和导电电极条之间提供了改进的热膨胀系数匹配。

结合到热塑性层的填料材料增加了所得到的热塑性/填料复合层的导热性，以便对基底产生更好的热传导并避免产生“热点”，并提供了结合层以便当任何额外涂布的无铅电阻厚膜或导电电极条被加工到接近或高于高温热塑性基质的熔化温度时，无铅电阻厚膜和导电电极条可靠地且总是不会陷入到绝缘热塑性/填料复合层，以避免危及电绝缘的完整性。

复合溶胶凝胶电阻厚膜然后被涂布到涂覆的基底上并被加工以形成厚膜加热元件。溶胶凝胶的组分被挑选以便在基底是铝、铝合金或类似物的情形下它们能在600℃以下被加工。电压可直接施加到电阻器或通过导电条，其连接到电阻厚膜并也在低于600℃温度下涂布到绝缘介电层涂覆的基底上。如有必要，顶层可被涂布到电阻加热器层，用来为集成加热元件提供氧化保护、防潮和电绝缘。

因此，在本发明的一方面，提供了在基底上的无铅厚膜加热元件，包括：

位于所述表面上的介电涂层，所述介电涂层由电绝缘熔融可流动高温热塑性聚合物和预选量的填料材料混合而制成；以及

位于所述介电涂层上的无铅电阻厚膜，具有电阻，以便当电压加载到所述无铅电阻厚膜上时它感应性地加热。

本发明提供了在基底表面生产密封的、电绝缘热塑性基涂层的方法，包括的步骤是：

a)通过以下步骤在所述基底的表面上产生介电涂层：

i)在溶液中混合熔融可流动高温热塑性聚合物粉末和预选量的粉末填料材料以形成均匀稳定分散体；

ii)涂布所述均匀稳定分散体到基底的表面以在其上得到涂层；

iii)在足以从所述均匀稳定分散体中除去任何挥发性和/或有机组分的温度下热加工所述涂覆的基底并且使热塑性聚合物粉末熔融流动并在所述基底上产生包含填料材料的至少一层电绝缘涂层；

b)将无铅电阻厚膜制剂涂布到所述至少一层电绝缘涂层的顶部表面上并热加工所述无铅电阻厚膜制剂以产生无铅电阻厚膜；并且

c)施用电导体以与所述无铅电阻厚膜电接触，用以将电能施加到所述无铅电阻厚膜来加热它。

本发明还提供了具有加热的金属组件的物件，包括：

a)具有金属组件的物件，其配置成与另外物件接触，金属组件具有表面；

b)无铅厚膜加热元件，其形成在金属组件的表面上，用于加热所述金属组件，所述无铅厚膜加热元件包括：

i)位于所述表面上的介电涂层，所述介电涂层是含有预选量的填料材料的电绝缘熔融可流动高温热塑性基厚膜；

ii)位于所述介电涂层上的无铅电阻厚膜，

iii)与所述无铅电阻厚膜电接触的导电体；以及

c)连接到所述导电体的电池和用于将所述电池电连接到所述导电体的开关，以便当所述开关打开的时候，电压能够通过所述导电体施加，使得所述无铅电阻厚膜被加热。

本发明的功能和优势方面的进一步理解可以通过参考下面的详细描述和附图而实现。

附图简述

从以下结合附图的详细说明中，将更充分地理解本发明，附图形成了本申请的一部分，并且其中：

图1a是根据本发明而构建的厚膜高温热塑性绝缘加热元件的实施方案的俯视图；

图1b是图1a中加热元件沿着A-A线截取的横截面视图；

图2a是根据本发明而构建的厚膜高温热塑性绝缘加热元件的另外一个实施方案的俯视图；以及

图2b是图2a中的加热元件沿B-B线截取的横截面俯视图。

发明详述

一般来说，在此描述的系统涉及基于厚膜高温热塑性绝缘基底的加热元件和采用复合涂覆合成方法来生产该加热元件的方法。按要求，本发明的实施方案在此公布。然而，公布的实施方案仅仅是示例性的，且应该理解的是，本发明可以很多不同的且可选的形式实施，包括用另外材料例如玻璃或陶瓷来替代金属基底，其可能需要进一步的电绝缘或泄漏电流减小来满足集成厚膜加热元件的操作要求。

因此，这里公开的特定的结构性和功能性的细节不能被阐释为限制，而仅仅是作为权利要求的基础，并且作为本领域技术人员从各方面来采纳本发明的代表性基础。附图未必按比例绘制。为了教导而不是限制的目的，阐述的实施方案涉及基于厚膜高温热塑性绝缘金属的加热元件和采用复合涂覆合成方法来生产该加热元件的方法。

如在此使用的，术语“约”，当与颗粒尺寸的范围或者其他物理性质或特性联用时，指的是覆盖可能存在于尺寸范围的上限和下限的细微的变化，以便不排除平均来说大部分尺寸是满意的但是统计上尺寸可能存在于这个范围之外的实施方案。不打算排除例如来自本发明实施方案的实施方案。

如在此使用的，短语“电绝缘熔融可流动高温热塑性基厚膜(electrically insulating melt flowable high temperature thermoplastic basedthick film)”指的是额定电压可被施加到厚膜的厚度尺寸两端并且不会发生电击穿或不可接受水平的漏电流，以至于膜被命名为电绝缘，膜结构包括典型地在250℃以上的温度由熔融可流动热塑性粉末形成的熔融可流动热塑性基质，并且厚膜结构承受高温，在超过180℃的操作温度下维持固体结构。

如此处使用的术语“厚膜”指的是一般厚度大于1微米的涂层。尽管术语“厚膜”和“薄膜”在涂覆工业上是相对的，但是“薄膜”一般指的是使用纳米或亚微米厚的涂层的技术，其对于光学和电子应用来说，典型地使用诸如溅射、PVD、MBE等的技术来完成，在某些情况下这些技术涂布涂层能薄到原子厚。另外一方面，“厚膜”一般指的是大于1微米并可通过使用例如丝网印刷工艺的技术来涂布一些连续的层而生产的涂层所使用的技术。尽管“厚膜”一般指的是范围在约1微米到约500微米厚度的膜，其能够覆盖大部分商业物件加热应用的范围，但是需要明白的是，厚一点的膜比如大约1000微米或者更厚也被“厚膜”这个术语涵盖。

应该理解，当涉及到位于基底表面上的介电涂层时，其是由电绝缘熔融可流动高温热塑性聚合物和预选量的填料材料混合而制成的，应当理解，这种“介电涂层”可能是以单个涂布过程涂布的整体涂覆。可选地，也可以理解为，“介电涂层”可能包括一个在另外一个顶部涂布且固化的两个或多个涂层以便“介电涂层”实际上是用于构建“介电涂层”的两个或多个涂层。填料的量在每个涂层中可能是一样的或者其在这些多涂层中的一个或多个中可能是可变的。

当谈到对于介电涂层和介电涂层顶端生长的无铅电阻厚膜的加工温度时，应该理解为，在此公开的温度只是示例性的，并不限定于这些温度或温度范围。能够使用的温度将取决于正在使用的熔融可流动高温热塑性聚合物、与热塑性聚合物混合的填料材料、用来生产无铅电阻厚膜的特定材料、以及基底的性质。例如，当加热元件在其上形成的基底是由铝或铝合金制成的时候，则温度的上限为大约600℃，因为这些材料的熔点约600℃。另外一方面，如果不锈钢是基底材料，则高于600℃的加工温度可以被使用，但是在这种情况下加工温度将更取决于正在使用的热塑性聚合物的性质、填料材料和用来制造无铅电阻厚膜的材料。

图1a和1b阐述了一般以10显示的组合加热器/基底设备的实施方案。更特别的是，图1a显示了图1b中所示的这种组合加热器元件14/基底12的俯视图，并且图1b显示这种组合的剖面图。所述基底12优选地是例如用在很多商业产品中的金属，并且可以是由铝、铝合金、或任何级别或质量的不锈钢制成的。然而，应该明白的是，基底12可以是任何材料，只要它具有的熔点高于加热器本身能产生的最大温度。

加热器元件14是无铅(无镉)的并能承受例如500℃的温度。基底12的表面可以处理成能从涂布到热加工到加热元件操作提供改进的涂层均匀性和粘附。基底表面的表面处理的例子包括砂纸打磨、研磨和喷砂。

如图1b中显示的加热器组件14包括绝缘介电层16，和在介电层16上的电阻加热器层18，以及位于电阻加热器层18的外周边缘的两个导电带/导电条28。如图1b和2b所示的绝缘介电层16的优选方案包括四(4)层分开的绝缘介电层20、22、24和26，其中层20位于基底12的表面上，层22在层20上，层24在层22上并且层26在层24上。

介电层16是电绝缘熔融可流动高温热塑性基厚膜。这种电绝缘介电层16由包含在包括各种挥发性和/或有机组分的合适的载体中的填料材料和高温熔融可流动热塑性粉末的组合的制剂制成，对于涂布，其可能被涂布并热加工到300-450℃的温度范围以使热塑性粉末熔融流动并形成有粘附力的复合涂层，其中填料颗粒嵌入结合的热塑性基质中，该热塑性基质粘附到基底(其在很多商业实施方案中可能是金属基底)。在本设备的实施方案中，介电层20、22和24可以是一样的，并且介电层26的组成可以与其它三种不同。

尽管这里显示了四层，但是可以有更多或更少的层，且本设备并不限于四层。把全部的介电层16涂布在四层中是为了最小化小孔对于涂层的整体电绝缘性质的影响，并确保载体中不同的挥发性有机组分在烘烤的过程中被移除掉。每一层通过印刷(例如)然后烧结以形成一层坚固的层而涂布或涂覆，其中当然除了熔融可流动有机材料本身以外所有挥发性有机组分被移除，并且然后下一层被涂布直到所有四层都被涂布。这种方法被发现能确保优质的介电层。

四层绝缘介电层20、22、24和26是由熔融可流动高温热塑性聚合物制成的，其包括聚苯硫醚(PPS)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚芳基酰胺(PARA)、液晶聚合物、聚砜(PS)、聚苯醚砜(PES)、聚苯砜(PPSU)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚醚酮醚酮(polyetherketoneetherketone)(PEKEK)或者自加强聚亚苯基(SRP)中的至少一种，并且可以使用这些的任意组合。

图2a和2b显示了在40处的加热器元件的另外一个实施方案，其和图1a、1b中的元件10很相似，例外的是加热器元件14’现在包括位于电阻加热器层18顶端的顶层42。另外，导电带/导电条28被直接涂布到介电层26的上部外周边缘上，并且如图2b所示，电阻加热器层18涂覆在层26/导电条28顶上。顶层42是电绝缘的并且优选地包含陶瓷、玻璃或低熔融流动高温聚合物填料颗粒(含氟聚合物、硅氧烷、硅树脂、聚酰亚胺等)，该顶层42可以被可选地涂布到电阻性和传导性的厚膜上以提供氧化保护和/或以确保元件不受水的影响。

在图1a到2b所示的加热器的两种实施方案中，用图1a和2a中的电源32通过导电条28对层18施加电压，电阻加热器层18被均匀加热，电源32一般为经常是平的或具有低型的小电池以便它能隐藏在商业产品中。

绝缘介电层16对于在商业产品如剃须刀刀片和烫发器上的使用的功能性加热器的开发上是很重要的。绝缘介电层16的首要要求是高电绝缘强度和高热传导率，然而同时介电层16必须以避免小孔的方式被涂布。这是通过合适的制剂和合适的加工参数的开发而实现的。

熔融可流动高温热塑性聚合物层是使用颗粒大小范围从约1微米到约100微米的热塑性聚合物粉末颗粒而制备的，并且优选的是使用具有从约1微米到约20微米的颗粒大小。此粉末大小在加工过程中生成均匀分散和均匀的熔融流动中发挥重要的作用。熔融可流动热塑性聚合物粉末的组合物被测试用来改进填料的润湿以及分散和熔融流动性质，例如，发现将PAI添加到PEEK中能改进介电性能。

填料材料可包括陶瓷、玻璃、或高温聚合物颗粒。填料材料可具有大小范围在约0.1微米到约100微米的颗粒，并且优选地具有大小范围为从约1微米到约20微米的颗粒。在每个基底介电层20、22和24中，聚合物中的填料的重量百分比范围为约5-80％，并且优选地重量百分比范围为约20-60％，并且最优选地其以约35-45重量百分比的量存在。

粉末填料材料被加入到熔融可流动高温热塑性粉末中并具有如下功能。首先，其在起始加工过程中和在集成加热元件的电循环操作中，在高温热塑性层和额外涂布的电阻性和传导性的厚膜之间提供了改进的热膨胀系数匹配。其次，填料增加了绝缘层的热传导性，从而给金属基底产生了更好的热传导并避免在加热器的操作过程中在电阻层上产生“热点”。再次，由于在介电层中存在填料，所以当任何这些额外涂布的电阻性或传导性的厚膜被加工到接近或高于高温热塑性基质的熔化温度的温度时，在层26顶端的额外涂布的电阻性或传导性的厚膜可靠地且一致地不会沉入绝缘热塑性层16，从而危及电绝缘的完整性。

因而，填料颗粒起着增强层16的作用。合适的陶瓷材料的例子包括氧化铝、氧化锆、氧化硅、(可选地二氧化铈稳定的氧化锆或者氧化钇稳定的氧化锆)、二氧化钛、锆酸钙、碳化硅、氮化钛、镍锌铁氧体(nickelzinc ferrite)、羟磷灰石及其任意组合。氧化铝具有最高的热传导性和介电强度。

已观察到，按照例如IEC 60335(国际电工委员会)的调控标准，如图1b和2b所示的基底介电层16的成层在250℃时优选地实现了180微米的最低厚度以获得3000V的耐压强度(hi-pot strength)。当喷射或丝网印刷的时候，这会要求多达六层用来实现。每层在600℃以下加工，一般是到400-500℃，以固化涂层。

可选地，所要求的厚度、所要求的组合物和填料装载的厚膜可在以约400℃到约450℃的温度范围加工之前被直接放置在基底上。使用常规的熔炉在空气中执行热加工或者也可以使用IR加热。本加热器元件优于基于玻璃粉电介质的加热器的地方在于，不像基于玻璃粉电介质的加热器所要求的条件，在本设备中，用于获得熔融流动的加工参数并不是关键性的，并且熔炉轮廓也不是关键性的。

顶部介电层26被加入基底介电层20、22和24以提供附到电阻加热器层18和导电带28的结合层。最上面的层26尽管由和基底介电层20、22和24相同的热塑性聚合物制成，但是最上面的层26具有比这些基底介电层高的填料装载，按重量计高达95％，并且以和基底介电层20、22和24一样的方式被施用和加工。

在顶部介电层26中，聚合物中存在的填料的重量百分比范围为约5-95％，并且优选地重量百分比范围为约40-80％，并且最优选地其以重量百分比范围为约60-70％的量存在。顶部介电层26也用于提供增强的机械稳定性和改进的热膨胀系数(CTE)，这在加工和在升高的温度下施加的电能下的随后的操作过程中促进绝缘介电层20、22和24和电阻加热器层18更好的热匹配。

基于无铅复合溶胶凝胶的电阻加热器层18被涂布到热塑性复合物涂层上并被加工(烧结)到低于600℃的温度，典型地在约400℃到约450℃(但不局限于此)的范围内以固化涂层。此温度被选定以产生没有挥发性和/或有机组分的无裂缝层18。复合溶胶凝胶电阻厚层18可根据Olding等人的发行于2004年5月18日的美国专利号6,736,997和发行于2008年12月2日的美国专利号7,459,104(在此以其整体通过引用并入本申请)的教导而制作，并且，如Olding专利公布中所描述的，电阻粉末可以是石墨、银、镍、掺杂的氧化锡或者任何其它合适的电阻材料中的一种。

溶胶凝胶制剂是含有反应性金属有机或金属盐溶胶凝胶前体的溶液，其被热加工形成例如氧化铝、氧化硅、氧化锆、(可选地二氧化铈稳定的氧化锆或者氧化钇稳定的氧化锆)、二氧化钛、锆酸钙、碳化硅、氮化钛、镍锌铁氧体、羟磷灰石及其任意组合或其组合的陶瓷材料。溶胶凝胶过程涉及制备稳定的液体溶液或“溶胶”，包含无机金属盐或金属有机化合物例如金属醇盐。溶胶然后被涂布到基底材料上并经历转变以形成固体凝胶相。当在升高的温度下进一步干燥和烧结的时候，“凝胶”被转变成陶瓷涂层。

溶胶凝胶制剂可以是有机金属溶液或者盐溶液。溶胶凝胶制剂可以是水溶液、有机溶液或其混合物。

无铅导电厚膜可被用于制造用于产生到电阻厚膜元件18的电连接的导电带/导电条28。这种导电带28在电阻涂层的涂布之前(看图2b)或之后(看图1b)被涂布。其可在温度为450℃或较低的温度下使用单独的加工步骤加工，或者可选地它可以和电阻厚膜18一起被共烧结。无铅导电厚膜能由包含镍、银或任何其他适合的传导性粉末或片材料的复合溶胶凝胶制剂制成。溶胶凝胶制剂可以由但不限于氧化铝、氧化硅、氧化钴或在溶液中稳定的二氧化钛金属有机前体制备。

可选地，导电条28可从任何商业上可获得的无铅并且可在450℃或更低温度下热加工的厚膜产品而生产得到。一种合适的厚膜产品是来自Parelec公司的Parmod VLT，其包含反应性的银金属有机物和分散在载体中的银片或粉末，且通常能够在200-450℃的温度下被烧结。尽管ParmodVLT是优选的商业上可获得的导电厚膜产品，但是应该理解的是，可以使用其它合适的导电厚膜产品，并且本发明并不局限于这些示例性产品。因为导电膜可能不会暴露到电阻厚膜内的加热温度，所以一些高温聚酰亚胺或聚酰胺-酰亚胺基的银厚膜产品也可适用于生产导电厚膜条28。

现在将会以如下非限制性例子阐述本发明。应该理解的是，这些例子和用于制造加热器元件的加工条件的目的仅仅是示例的，并不是要限制本发明的范围。例如，所用的基底、制作每一个不同的层所用的组分将会决定加工温度，但是也应该明白的是，基底材料、热塑性聚合物、填料材料、电阻加热器层组成的变化也伴随着不同的加工温度和其它条件。

实施例1

如图2b所示的厚膜热塑性绝缘电阻加热元件40通过将基底介电的三个介电层20、22和24涂布和加工到400℃而制作在304SS基底材料12上，其使用的制剂包括均匀稳定分散体中的按重量计25份Victrex704PEEK粉末、4份Solvay Torlon AI-50PAI粉末和15份P662B氧化铝粉末的比率。尽管Victrex 704PEEK和Torlon PAI是优选粉末，但是应该理解的是，其它商业上可获得的合适的粉末可以被使用，且本发明并不局限于这些示例性的产品。单层顶端介电层26使用包括均匀稳定分散体中的以重量计7份Vicote 704PEEK粉末与13份P662B氧化铝粉末的比率的制剂被涂布和加工到400℃。无铅导电厚膜条28使用商业上可获得的无铅厚膜银质墨Parmod VLT而涂布和加工到400℃。无铅电阻性厚膜18使用包括分散在基于氧化铝的溶胶凝胶溶液中的石墨粉末的制剂而涂布和加工到400℃。电阻厚膜18被涂布到热塑性基介电绝缘金属基底26/24/22/20上，以便它和导电条28接触来形成厚膜加热元件40。

包含均匀稳定分散体中的以重量计35份Vicote 704PEEK粉末、2.2份Solvay Torlon Al-50PAI粉末和15份P662B氧化铝粉末的顶层制剂被涂布到加热元件上以提供顶层42来赋予防潮和抗氧化性。此顶层42被加工到400℃。线连接器然后被附着在如图2a所示的连接到电源32的厚膜加热元件40。当电压V施加到加热元件40时，此元件根据输入功率V²/R加热，其中R是加热元件的电阻。加热元件40通过3.5kV AC室温耐压测试60秒，并能在约250℃下持续操作。

实施例2

厚膜热塑性绝缘电阻加热元件根据实施例1制造，但是导电条28使用包括分散在基于氧化硅的溶胶凝胶溶液中的银片的无铅银厚膜制剂而涂布并加工到400℃。

实施例3

厚膜热塑性绝缘电阻加热元件根据实施例1制造，但是基底材料12是铝而不是304SS。

实施例4

厚膜热塑性绝缘电阻加热元件根据实施例1制造，但是电阻厚膜18在导电条28之前涂布，使得条28被涂布到厚膜18的顶端以呈现图1b中的结构。

实施例5

厚膜热塑性绝缘电阻加热元件根据实施例1制造，但是导电条28和电阻厚膜18都在加工到400℃之前被涂布。

实施例6

厚膜热塑性绝缘电阻加热元件根据实施例1制造，但是导电条28和电阻厚膜18被加工到450℃。

实施例7

厚膜热塑性绝缘电阻加热元件根据实施例1制造，只是不包含顶层42以呈现图1b中的结构10，但是带有如图2b中显示的所示导电条28。

实施例8

厚膜热塑性绝缘电阻加热元件根据实施例1制造，只是具有相同组成的基底介质的4个层例如层24/22/20被涂布并加工到400℃并且顶部介电层例如层26是不被包括的。此实施例中的基底介电层之上的介电顶层不含有PAI，因为它可能与银膜电极反应而在加热元件操作的过程中导致电气故障。

实施例9

厚膜热塑性绝缘电阻加热元件通过如实施例1中的涂布和加工基底24/22/20和顶端26介电层而制成。电阻厚膜条然后使用包括在氧化铝溶胶凝胶溶液中的银片的制剂被涂布并加工到400℃。银条的长度和宽度被设置成给予所要求的电阻。在此实施例中，银的电阻条(或者它可以是基于石墨的)取代了电阻层18和导电条28，因为它的尺寸和电阻系数被选择成使得其起到两者的作用，并且其以长条的形式跨过表面被放置，以便能把表面加热。电触点被制造到这种电阻条的两端。

实施例10

厚膜热塑性绝缘电阻加热元件根据实施例8制造，只是4层涂布的基底介电层的制剂包括均匀稳定分散体中的以重量计为40份Ryton^TM PPS粉末、40份P662B氧化铝粉末和1份烟化氧化硅。(和24、22、20组分相同的四层介电层)。加热元件通过3.5kVAC室温耐压测试60秒。

如用在这里的，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含(including)”和“包含(includes)”应被解释为包括并且是开放式的，而不是排他性的。特别地，当用于包括权利要求的此说明书中时，术语“包括(comprise)”和“包括(comprising)”及其变化形式意味着指定的特征、步骤或组成被包括了。这些术语不应被诠释成排除其它特征、步骤或组成的存在。

上述的本发明的优选实施方案的描述已经被呈现来描述本发明的原理并且不将本发明限制到所示的特定实施方案。本发明的范围意图通过包含在所附权利要求及其等效形式中的所有的实施方案来限定。

Claims (60)

1.一种无铅厚膜加热元件，包括： 

具有表面的基底； 

介电涂层，所述介电涂层位于所述表面上，所述介电涂层由电绝缘熔融可流动高温热塑性聚合物与预选量的填料材料混合而制成；以及 

无铅电阻厚膜，所述无铅电阻厚膜由溶胶凝胶复合物制成，位于所述介电涂层上并具有电阻，使得当电压施加到所述无铅电阻厚膜时，所述无铅电阻厚膜响应性地加热。 

2.根据权利要求1所述的加热元件，其中所述电绝缘熔融可流动高温热塑性聚合物选自由以下组成的组：聚苯硫醚(PPS)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚芳基酰胺(PARA)、液晶聚合物、聚砜(PS)、聚苯醚砜(PEs)、聚苯砜(PPSU)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚醚酮醚酮(PEKEK)、自加强聚亚苯基(SRP)，及其任意组合。 

3.根据权利要求1所述的加热元件，其中所述电绝缘熔融可流动高温热塑性聚合物由聚醚醚酮(PEEK)和聚酰胺-酰亚胺(PAI)的组合制成。 

4.根据权利要求1、2或3所述的加热元件，其中所述无铅电阻厚膜是在所述介电涂层之上涂布的长条，并且所述无铅电阻厚膜的长度、宽度和电阻被选择为当电压施加到所述长条的两端时可加热到选定的温度。 

5.根据权利要求4所述的加热元件，其中在所述介电涂层上涂布的所述长条为具电阻性质的银或具电阻性质的石墨的长条。 

6.根据权利要求1、2或3所述的加热元件，包含：与所述无铅电阻厚膜电接触的两个导电体，所述导电体具有用于将电压施加到所述导电体的触点。 

7.根据权利要求6所述的加热元件，其中所述两个导电体是涂布在所述无铅电阻厚膜的顶部表面的至少一部分上的两个分开的导电厚膜条。 

8.根据权利要求7所述的加热元件，其中所述导电厚膜条实质上从所述无铅电阻厚膜的周界延伸出。 

9.根据权利要求6所述的加热元件，其中所述导电体是夹在所述介电涂层和所述无铅电阻厚膜中间并且和所述无铅电阻厚膜的至少一部分相接触的两个分开的导电厚膜条。 

10.根据权利要求9所述的加热元件，其中所述两个分开的导电厚膜条实质上从所述介电涂层和所述无铅电阻厚膜的周界延伸出。 

11.根据权利要求1到3中任一项所述的加热元件，其中所述电绝缘熔融可流动高温热塑性聚合物由颗粒大小在从1微米到100微米范围内的粉末制成。 

12.根据权利要求11所述的加热元件，其中所述熔融可流动高温热塑性聚合物由颗粒大小在从1微米到20微米范围内的粉末制成。 

13.根据权利要求1到2中任一项所述的加热元件，其中所述填料材料选自由陶瓷、玻璃、和高温聚合物组成的组，并且其中，所述填料材料的重量百分比范围为5%到95%。 

14.根据权利要求1到3中任一项所述的加热元件，其中所述填 料材料由颗粒大小在从0.1微米到100微米范围内的颗粒制成。 

15.根据权利要求14所述的加热元件，其中所述颗粒的颗粒大小的范围是从1微米到20微米。 

16.根据权利要求1到3中任一项所述的加热元件，其中所述介电涂层包含两层或多层电绝缘熔融可流动高温热塑性基厚膜，其中，包含第一预选量的填料材料的第一层电绝缘熔融可流动高温热塑性基厚膜被涂布到所述基底的表面上，并且其中，包含预选量的填料材料的第二层或随后的电绝缘熔融可流动高温热塑性基厚膜被随后涂布到所述第一层电绝缘熔融可流动高温热塑性基厚膜上。 

17.根据权利要求16所述的加热元件，其中所述第一预选量的填料材料的重量百分比范围是从5%到80%。 

18.根据权利要求16所述的加热元件，其中所述第一预选量的填料材料的重量百分比范围是从20%到60%。 

19.根据权利要求16所述的加热元件，其中所述第一预选量的填料材料的重量百分比范围是从35%到45%。 

20.根据权利要求16所述的加热元件，其中所述两层或多层电绝缘熔融可流动高温热塑性基厚膜中的最顶层电绝缘熔融可流动高温热塑性基厚膜包含的预选量的填料材料高于所述最顶层膜的下面的膜中预选量的填料材料，并且其中，所述最顶层膜中的所述填料材料的重量百分比范围从超过5%到95%。 

21.根据权利要求20所述的加热元件，其中所述最顶层膜中的所述填料材料的重量百分比范围是从40%到80%。 

22.根据权利要求20所述的加热元件，其中，所述最顶层膜中的所述填料材料的重量百分比范围是从60%到70%。 

23.根据权利要求1到3中任一项所述的加热元件，包含：涂布到所述无铅电阻厚膜的顶端的保护性顶层。 

24.根据权利要求1到3中任一项所述的加热元件，其中所述基底是从由金属、金属合金、塑料、玻璃、陶瓷和半导体组成的组中挑选的。 

25.根据权利要求1到3中任一项所述的加热元件，其中所述无铅电阻厚膜由无铅复合溶胶凝胶制剂制成，当在升高的温度下烧结时，所述无铅复合溶胶凝胶制剂被转变成无裂缝的陶瓷涂层。 

26.根据权利要求25所述的加热元件，其中所述溶胶凝胶制剂包括反应性金属有机或金属盐溶胶凝胶前体，所述反应性金属有机或金属盐溶胶凝胶前体选择成使得所述无铅电阻厚膜包含从由氧化铝、氧化硅、氧化锆、二氧化钛、锆酸钙、碳化硅、氮化钛、镍锌铁氧体、羟磷灰石及其任意组合组成的组中挑选的陶瓷材料。 

27.根据权利要求25所述的加热元件，其中所述溶胶凝胶制剂是有机金属溶液或盐溶液。 

28.根据权利要求25所述的加热元件，其中所述溶胶凝胶制剂是水溶液、有机溶液或其混合物。 

29.根据权利要求26所述的加热元件，其中所述陶瓷材料是从氧化铝、氧化硅、氧化锆和二氧化钛组成的组中挑选的。 

30.根据权利要求26所述的加热元件，其中所述陶瓷材料为二氧 化铈稳定的氧化锆或者氧化钇稳定的氧化锆。 

31.一种在基底的表面上产生密封的电绝缘热塑性基涂层的方法，包含的步骤是： 

a)通过以下步骤在所述基底的所述表面产生介电涂层： 

i)在溶液中混合熔融可流动高温热塑性聚合物粉末和预选量的粉末填料材料来形成均匀稳定分散体； 

ii)将所述均匀稳定分散体涂布到所述基底的表面以在其上得到涂层； 

iii)在足以从所述均匀稳定分散体中除去任何挥发性和/或有机组分的温度下热加工所述涂布的基底，并且使所述热塑性聚合物粉末熔融流动并在所述基底上产生包含所述填料材料的至少一层电绝缘涂层； 

b)涂布无铅电阻厚膜制剂到所述至少一层电绝缘涂层的顶部表面上并热加工所述无铅电阻厚膜制剂以产生无铅电阻厚膜，所述无铅电阻厚膜制剂是无铅复合溶胶凝胶制剂；以及 

c)施加导电体以与所述无铅电阻厚膜产生电接触，以用来将电能施加到所述无铅电阻厚膜来加热所述无铅电阻厚膜。 

32.根据权利要求31所述的方法，其中所述熔融可流动高温热塑性聚合物粉末的组分选自由以下组成的组：聚苯硫醚(PPS)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚芳基酰胺(PARA)、液晶聚合物、聚砜(PS)、聚苯醚砜(PES)、聚苯砜(PPSU)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚醚醚酮(PEEK)、自加强聚亚苯基(SRP)及其任意组合。 

33.根据权利要求31所述的方法，其中所述熔融可流动高温热塑性聚合物粉末由聚醚醚酮(PEEK)和聚酰胺-酰亚胺(PAI)的组合制成。 

34.根据权利要求31所述的方法，其中步骤a)i)、ii)和iii)被重复一次或多次，以用来生产叠加在彼此的顶部上的两个或多个电绝缘涂 层，每个涂层包含所述填料材料。 

35.根据权利要求34所述的方法，其中所述熔融可流动高温热塑性聚合物粉末和所述粉末填料材料的比率在最顶层电绝缘涂层中被调整，以在所述最顶层电绝缘涂层之下的电绝缘涂层和所述无铅电阻厚膜之间提供有效的热膨胀系数。 

36.根据权利要求35所述的方法，其中所述最顶层电绝缘涂层中的所述粉末填料材料的重量百分比范围是从40%到80%。 

37.根据权利要求31到36中任一项所述的方法，其中所述熔融可流动高温热塑性聚合物粉末的颗粒大小范围是从1微米到100微米。 

38.根据权利要求37所述的方法，其中所述熔融可流动高温热塑性粉末的颗粒大小是从1微米到20微米。 

39.根据权利要求31到36中任一项所述的方法，其中所述粉末填料材料的颗粒大小范围是从0.1微米到100微米，并且是从由陶瓷、玻璃或高温聚合物组成的组中挑选的。 

40.根据权利要求39所述的方法，其中所述粉末填料材料的颗粒大小范围是从1微米到20微米。 

41.根据权利要求31到36中任一项所述的方法，其中所述预选量的填料材料的重量百分比范围是从5%到80%。 

42.根据权利要求41所述的方法，其中所述预选量的填料材料的重量百分比范围是从20%到60%。 

43.根据权利要求42所述的方法，其中所述预选量的填料材料的 重量百分比范围是从35%到45%。 

44.根据权利要求31到36中任一项所述的方法，其中所述无铅电阻厚膜制剂是含有反应性金属有机或金属盐溶胶凝胶前体的无铅复合溶胶凝胶制剂，所述无铅复合溶胶凝胶制剂被涂布到在所述基底上的含有所述填料材料的所述至少一层电绝缘涂层上，接着所述溶胶凝胶制剂在升高的温度下被烧结而转变成陶瓷涂层。 

45.根据权利要求44所述的方法，其中所述反应性金属有机或金属盐溶胶凝胶前体包含的组分使得所述陶瓷涂层包含从由氧化铝、氧化硅、氧化锆、二氧化钛、二氧化铈及其任意组合组成的组中选择的陶瓷材料。 

46.根据权利要求31到36中任一项所述的方法，其中所述施加导电体的步骤c)包括：在所述电阻厚膜被涂布后，在所述电阻厚膜的顶部表面的至少一部分上涂布两个分开的导电厚膜条。 

47.根据权利要求46所述的方法，其中所述导电厚膜条实质上从所述无铅电阻厚膜的周界延伸出。 

48.根据权利要求31到36中任一项所述的方法，其中所述施加导电体的步骤c)包含：在涂布所述电阻厚膜制剂的步骤b)之前，在所述介电涂层的顶部表面的至少一部分上涂布两个分开的导电厚膜条，使得所述导电厚膜条被夹在所述介电涂层和所述无铅电阻厚膜中间，并与所述无铅电阻厚膜的至少一部分相接触。 

49.根据权利要求48所述的方法，其中所述导电厚膜条被涂布成使得所述导电厚膜条实质上从所述介电涂层和所述无铅电阻厚膜的周界延伸出。 

50.根据权利要求31到36中任一项所述的方法，其中所述基底是从由金属、金属合金、塑料、玻璃、陶瓷和半导体组成的组中选择的。 

51.根据权利要求50所述的方法，其中所述基底是铝和铝合金中的一种，并且其中，在步骤a)iii)和b)中的所述热加工不超过600℃。 

52.根据权利要求31到36中任一项所述的方法，包括：涂布保护性顶层，所述保护性顶层被涂布在所述无铅电阻厚膜的顶端之上。 

53.根据权利要求44所述的方法，其中所述溶胶凝胶制剂在适于生产出无裂缝的陶瓷涂层的升高的温度下被烧结。 

54.一种具有加热元件的物件，包括： 

a)具有金属组件的基底，所述金属组件具有一表面； 

b)无铅厚膜加热元件，其形成于所述金属组件的所述表面上，用于加热所述金属组件，所述无铅厚膜加热元件包括： 

i)介电涂层，其位于所述表面上，所述介电涂层是包含预选量的填料材料的电绝缘熔融可流动高温热塑性基厚膜； 

ii)无铅电阻厚膜，其由溶胶凝胶复合物制成，位于所述介电涂层上； 

iii)导电体，其与所述无铅电阻厚膜产生电接触；以及 

c)电池和开关，所述电池连接到所述导电体，所述开关把所述电池电连接到所述导电体，使得当所述开关打开时，电压能够通过所述导电体施加，从而使得所述无铅电阻厚膜被加热。 

55.根据权利要求54所述的物件，其中所述电绝缘熔融可流动高温热塑性基厚膜由热塑性聚合物制成，所述热塑性聚合物选自由聚苯硫醚(PPS)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚芳基酰胺(PARA)、液晶聚合物、聚砜(PS)、聚苯醚砜(PES)、聚苯砜(PPSU)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚 醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚醚酮醚酮(PEKEK)、自加强聚亚苯基(SRP)及其任意组合组成的组。 

56.根据权利要求54所述的物件，其中所述电绝缘熔融可流动高温热塑性基厚膜由聚醚醚酮(PEEK)和聚酰胺-酰亚胺(PAI)的组合制成。 

57.根据权利要求54、55或56所述的物件，其中所述无铅电阻厚膜由无铅复合溶胶凝胶制剂制成，当在升高的温度下被烧结时，所述无铅复合溶胶凝胶制剂被转化成陶瓷涂层。 

58.根据权利要求57所述的物件，其中所述溶胶凝胶制剂包括反应性金属有机或金属盐溶胶凝胶前体，所述反应性金属有机或金属盐溶胶凝胶前体选择成使得所述陶瓷涂层包含从由氧化铝、氧化硅、氧化锆、二氧化钛、二氧化铈及其任意组合组成的组中挑选出的陶瓷材料。 

59.根据权利要求54到56中任一项所述的物件，所述物件是个人护理产品、电子标牌加热器、烧水壶、饮料加热器、加热板、蒸汽发生器、在线热水器、洗碗机、洗衣机、医疗和半导体测试设备以及汽车应用加热器中的任一种。 

60.根据权利要求54到56中任一项所述的物件，所述物件被大规模制造。