CN102693793A - 一种发热电阻材料、含有其的陶瓷加热元件、制备及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发热电阻材料，还涉及使用了该发热电阻材料的陶瓷加热元件及制备方法，还涉及该陶瓷加热元件的应用。一种发热电阻材料，由以下质量百分比的组分混合而成：铁铬铝合金60~85%，纳米氧化铝8~20%，二氧化钛1~4%，二氧化硅0.4~2%，氧化钙0.2~1.0%，三氧化二钇0.1~0.4%。一种应用了上述发热电阻材料的陶瓷加热元件，从下到上依次为下陶瓷基体、下绝缘层、发热电阻材料制成的加热电极、上绝缘层、上陶瓷基体，所述加热电极连接有电极引线。本发明发热电阻材料具有发热效率高的优点，陶瓷加热元件升温迅速、功率密度大、加热均匀、耐腐蚀、使用寿命长，且成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种发热电阻材料，还涉及使用了该发热电阻材料的陶瓷加热元件及制备方法，还涉及该陶瓷加热元件的应用。
背景技术
陶瓷加热元件是一种高效率、热分布均匀、具有绝缘性能的加热器，是直接在陶瓷生坯上印刷导电电阻浆料，经叠片、排胶后，在高温下共烧成为一体的产品，产品本身及生产过程符合环保要求。与传统合金电热丝，PTC加热元件相比较具有结构简单、升温迅速、功率密度大、使用安全、耐腐蚀、使用寿命长等诸多优点，所广泛应用于日常生活，工业技术，军事，科学，通讯，医疗，环保，宇航等多种领域。
豆浆具有极高的营养价值，在豆浆里含有多种优质蛋白、多种维生素、多种人体必须的氨基酸和多种微量元素等，是一种非常理想的健康食品。无论成年人、老年人和儿童，只要坚持饮用，对于提高体质、预防和治疗病症，都大有益处。随着人们健康认识的增强，为了卫生，喝的放心，纷纷选择家庭自制豆浆，从而拉动家用豆浆机市场。
但是现在市场上的豆浆机的加热器为主要为电阻丝加热管，现有发热器具有如下不足之处：
1.金属和豆浆直接接触，豆浆中残留金属和金属腐蚀物，使得豆浆有金属残留味，影响豆浆的美味，并且对人体健康还会造成一定的伤害；
2.发热管不易清洗干净，容易滋生细菌；
3.发热管的加热均匀性差，产生局部高温，在发热体表面容易出现焦糊，难以清洗。
现有陶瓷加热器主要应用于气体传感器等领域，在厨房电器领域应用罕见。
专利申请号CN200580016753.0公开了一种陶瓷加热器和采用其的氧传感器及烫发剪，专利申请号CN200520043672.7公开了一种带高灵敏度温度传感器的新型氧化铝陶瓷加热片。以上陶瓷加热元件的陶瓷都为氧化铝陶瓷，氧化铝表面粗糙，陶瓷脆性大，与人体相容性差，不适合做豆浆机的加热器。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题是提供一种新型发热电阻材料，该材料相比现有发热电阻材料具有发热效率高的优点。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种应用了该发热电阻材料的陶瓷加热元件。该陶瓷加热元件升温迅速、功率密度大、加热均匀、耐腐蚀、容易清洗、对食物无污染、使用寿命长，且成本低。
本发明要解决的第三个技术问题是提供上述陶瓷加热元件的制备方法。
本发明要解决的第四个技术问题是提供该陶瓷加热元件的具体应用。
本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：
一种发热电阻材料，由以下质量百分比的组分混合而成：
铁铬铝合金60~85%，纳米氧化铝8~20%，二氧化钛1~4%，二氧化硅0.4~2%，氧化钙0.2~1.0%，三氧化二钇0.1~0.4%。
所述铁铬铝合金由以下质量百分比的组分混合而成：
铬16~21%，铝2~5%，铼0.5~2%，钼1.4~2.5%，铌0.4~0.8%，余量为铁。
一种应用了上述发热电阻材料的陶瓷加热元件，从下到上依次为下陶瓷基体、下绝缘层、发热电阻材料制成的加热电极、上绝缘层、上陶瓷基体，所述加热电极连接有电极引线。
所述下陶瓷基体及上陶瓷基体为2~4mo1％氧化钇稳定的四方多晶纳米氧化锆陶瓷。2~4mo1％氧化钇稳定的纳米氧化锆是增韧性能的陶瓷，具有强度高韧性好的优点。氧化锆陶瓷的生物相容性好，它是一种很优秀的高科技生物材料，在医学上广泛应用于人造牙、关节和骨头。氧化锆陶瓷表面光亮，容易清洗。氧化锆陶瓷的导热性不高，可以降低加热元件上的温度差，使得加热元件温度均匀性高。另外，该陶瓷基体与加热电极与氧化锆陶瓷的热膨胀系数相近，加热器使用寿命长。
所述下陶瓷基体及上陶瓷基体 厚度为0.1~2mm。
所述下绝缘层及上绝缘层为以氧化铝为主体的陶瓷材料，各组分及质量百分比为，纳米氧化铝95~98%，二氧化钛0.5~2%，二氧化硅0.4~2%、氧化钙0.2~0.7%，三氧化二钇0.1~0.3%。保证在产品通电加热过程中的绝缘性，加热电极使用安全。
所述下绝缘层及上绝缘层的厚度为10~120μm。
一种上述陶瓷加热元件的制备方法，制备步骤依次为：
（1）分别制备加热电极、绝缘层、陶瓷基体的材料；
（2）各层材料的印刷：在下陶瓷基体的生坯上采用丝网印刷工艺依次印刷下绝缘层、加热电极、上绝缘层；其中下绝缘层及上绝缘层的印刷层厚度为15~160μm；加热电极印刷层厚度为15~25μm；
步骤三：印刷后的叠合
将步骤二所得材料的生坯和上陶瓷基体的生坯，在50~120℃的温度和10~60MPa的压力条件下进行叠合；
步骤四：高温烧结
将叠合体放入真空脱脂烧结一体炉中进行排胶脱脂和高温烧结，高温烧结温度为1350~1550℃，保温时间为1~3h；
步骤五：电极引线的焊接
采用钎焊工艺将加热电极和引线连接上，制备出所需的陶瓷加热元件。
所述上陶瓷基体和下陶瓷基体的制备方法为：采用流延工艺制备生坯，生坯的厚度为0.12~2.5mm；
加热电极丝网印刷浆料的制备方法为：将发热电阻材料所需原料物质的粉末和含有粘合剂的有机载体混合；所述发热电阻材料所需原料物质的粉末和含有粘合剂的有机载体的质量比为0.6~1.5:1。
上绝缘层（2）和下绝缘层（4）丝网印刷浆料的制备方法为：将绝缘层所需原料物质的粉末和含有粘合剂的有机载体混合；所述绝缘层所需原料物质的粉末和含有粘合剂的有机载体的质量比为0.6~1.5:1。
一种陶瓷加热元件作为豆浆机加热部件的应用。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明新型发热电阻材料相比现有发热电阻材料具有更高的发热效率，达到300℃所需要的时间仅需50秒，加热更快速。
2、本发明应用了该发热电阻材料制成的陶瓷加热元件，经测试，具有如下优点：（1）加热效率高，达到300℃仅需50秒；（2）加热均匀性高，5个点的温差最大值小于5℃；（3）耐久性高，经3000次循环冷热冲击试验后，没有裂纹、脱落、分层，电阻变化率小于8%；（4）外观没有裂纹，没有污点，表面光洁。
3、本发明应用了该发热电阻材料制成的陶瓷加热元件应用于豆浆机中，相比现有电阻丝加热管具有如下优点：（1）不产生金属残留物和金属腐蚀物，豆浆中无金属残留味，对人体不产生危害；（2）陶瓷加热元件更易清洗，不会有细菌滋生；（3）由于陶瓷加热元件的加热均匀性好，不会因局部高温造成豆浆焦糊，降低豆浆的口味及营养价值。
附图说明
图1为本发明陶瓷加热元件的爆炸图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面将结合实施例对本发明做进一步的描述。实施例仅是本发明的优选实施方式，不是对本发明的限制。
实施例1
一种发热电阻材料，由以下质量百分比的组分混合而成：
铁铬铝合金80%，纳米氧化铝13%，二氧化钛4%，二氧化硅1.8%，氧化钙0.8%、三氧化二钇0.4%。
其中铁铬铝合金由以下质量百分比的组分混合而成：
铬(Cr)为19%，铝(Al)为5%，铼（Re）2%，钼（Mo）2%，铌（Nb）0.8%，余量为铁（Fe）。
如图1所示，一种应用了上述发热电阻材料的陶瓷加热元件，从下到上依次为下陶瓷基体6、下绝缘层4、发热电阻材料制成的加热电极3、上绝缘层2、上陶瓷基体1，所述加热电极3连接有电极引线5。
所述上陶瓷基体1和下陶瓷基体6为3mo1％氧化钇稳定的四方多晶纳米氧化锆陶瓷。
所述上绝缘层2和下绝缘层4为以氧化铝为主体的陶瓷材料，各组分及质量百分比为，纳米氧化铝97%，二氧化钛1.2%，二氧化硅1%，氧化钙0.5%、三氧化二钇0.3%。
下面对陶瓷加热元件的制备方法作详细说明。
步骤一：各层材料的制备
（1）陶瓷基体的制备
采用流延工艺制备3mo1％氧化钇稳定的纳米氧化锆陶瓷基体的生坯，生坯的长度为80mm，宽度为30mm，厚度为0.8mm。
（2）发热电极3的制备
以加热电极重量100份为基准称取以下份数的粉末：铁铬铝合金80份，纳米氧化铝13份，二氧化钛4份，二氧化硅1.8份，氧化钙0.8份、三氧化二钇0.4份；其中铁铬铝合金中各组分的质量百分比为：铬(Cr)为19%,铝(Al)为5%,铼（Re）2%,钼（Mo）2%、铌（Nb）0.8%,其余含量为铁（Fe）。将以上粉末和含有粘合剂的有机载体以0.8~1的质量比混合，制备加热电极丝网印刷浆料。其中，含有粘合剂的有机载体是松油醇和乙基纤维素、PVB等的混合物，这属于本领域公知常识，在此不做详细描述。
（3）绝缘层的制备
以绝缘层的重量100份为基准，称取纳米氧化铝97份，二氧化钛1.2份，二氧化硅1份，氧化钙0.5份、三氧化二钇0.3份。将以上粉末和含有粘合剂的有机载体以1.2~1的质量比混合，制备绝缘层丝网印刷浆料。
步骤二：各层材料的印刷
在氧化锆基体6的生坯上采用丝网印刷工艺依次印刷绝缘层4、加热电极5、绝缘层2；其中绝缘层2和4的印刷层长度为70mm，宽度为20mm,厚度为25－30μm，加热电极印刷层厚度为20μm。
步骤三：印刷后的叠合
将印刷有绝缘层和加热电极的氧化锆基体6的生坯和氧化锆基体1的生坯，在80℃的温度和30MPa的压力条件下进行叠合。
步骤四：高温烧结
将叠合体放入真空脱脂烧结一体炉中进行排胶脱脂和高温烧结，高温烧结温度为1450℃，保温时间为2h。
步骤五：电极引线的焊接
采用钎焊工艺将加热电极和电极引线连接上，制备出所需的陶瓷加热元件。
对本实施例制备的陶瓷加热元件进行性能检测。
检测方法如下：
1、外观检测：采用肉眼观察陶瓷表面是否有裂纹、污点；
2、加热效率检测：将加热电极连接220V的家用电路，测试加热元件表面 达到300℃所需要的时间；
3、加热均匀性检测：测试陶瓷加热元件达到稳定温度点时，周边四个角与中心位置的温度数值，计算5个点的温差最大值。
4、耐久性测试：对陶瓷加热元件外加电压，使得陶瓷加热元件的温度达到300℃，然后断开电压，向陶瓷加热元件吹空气，使陶瓷加热元件整体冷却到40℃以下，如此3000次循环冷热冲击试验，观察陶瓷加热元件是否出现裂纹、脱落、分层，测试加热元件的电阻变化。
本实施例陶瓷加热元件性能测试结果见表1。
表1 陶瓷加热元件性能测试结果
| 测试项目 | 测试情况 |
| 外观 | 没有裂纹，没有污点，表面光洁 |
| 加热效率 | 达到300℃所需要的时间5S |
| 加热均匀性 | 5个点的温差最大值小于5℃ |
| 耐久性 | 3000次循环冷热冲击试验后，没有裂纹、脱落、分层，电阻变化率小于8%。 |
因此 本发明制备的陶瓷加热元件具有升温迅速、功率密度大、加热均匀、使用寿命长、低成本等优点。
本发明还提供了一种上述陶瓷加热元件的应用，即将上述陶瓷加热元件代替现有的电阻丝加热管作为豆浆机的加热部件。豆浆机的结构、豆浆机的配件、程序控制、组装为本领域技术人员所公知，此处也不赘述。本实施例的豆浆机中的加热器由实施例1中制备的陶瓷加热元件制作成，一台豆浆机含有3个陶瓷加热元件，均匀排列在杯体中。
该豆浆机由于具备本发明实施例1所述的陶瓷加热元件，能够制备出没有焦糊、没有金属残留味、无污染的豆浆；豆浆机容易清洗、使用寿命长。
实施例2
一种发热电阻材料，由以下质量百分比的组分混合而成：
铁铬铝合金72.9%，纳米氧化铝20%，二氧化钛4%，二氧化硅2%，氧化钙1%、三氧化二钇0.1%。
其中铁铬铝合金由以下质量百分比的组分混合而成：
铬(Cr)为21%，铝(Al)为2%，铼（Re）0.5%，钼（Mo）2.5%，铌（Nb）0.4%，余量为铁（Fe）。
应用了本实施例发热电阻材料制备陶瓷加热元件的方法和实施例1相同，在此不做重复描述。
对本实施例制备的陶瓷加热元件进行加热效率检测，加热元件表面达到300℃所需要的时间为5秒，加热效率高。
实施例3
一种发热电阻材料，由以下质量百分比的组分混合而成：
铁铬铝合金85%，纳米氧化铝13%，二氧化钛1%，二氧化硅0.4%，氧化钙0.2%、三氧化二钇0.4%。
其中铁铬铝合金由以下质量百分比的组分混合而成：
铬(Cr)为16%，铝(Al)为5%，铼（Re）2%，钼（Mo）1.4%，铌（Nb）0.8%，余量为铁（Fe）。
应用了本实施例发热电阻材料制备陶瓷加热元件的方法和实施例1相同，在此不做重复描述。
对本实施例制备的陶瓷加热元件进行加热效率检测，加热元件表面达到300℃所需要的时间为5秒，加热效率高。
Claims (10)
1.一种发热电阻材料，其特征在于：由以下质量百分比的组分混合制备而成：
铁铬铝合金60~85%，纳米氧化铝8~20%，二氧化钛1~4%，二氧化硅0.4~2%，氧化钙0.2~1.0%，三氧化二钇0.1~0.4%。
2.根据权利要求1所述的发热电阻材料，其特征在于，所述铁铬铝合金由以下质量百分比的组分混合而成：
铬16~21%，铝2~5%，铼0.5~2%，钼1.4~2.5%，铌0.4~0.8%，余量为铁。
3.一种应用了权利要求1或2所述发热电阻材料的陶瓷加热元件，其特征在于：从下到上依次为下陶瓷基体（6）、下绝缘层（4）、发热电阻材料制成的加热电极（3）、上绝缘层（2）、上陶瓷基体（1），所述加热电极（3）连接有电极引线（5）。
4.根据权利要求3所述的陶瓷加热元件，其特征在于：所述下陶瓷基体（6）及上陶瓷基体（1）为2~4mo1％氧化钇稳定的四方多晶纳米氧化锆陶瓷。
5.根据权利要求4所述的陶瓷加热元件，其特征在于：所述下陶瓷基体（6）及上陶瓷基体（1）的厚度为0.1~2mm。
6.根据权利要求3所述的陶瓷加热元件，其特征在于：所述下绝缘层（4）及上绝缘层（2）为以氧化铝为主体的陶瓷材料，各组分及质量百分比为，纳米氧化铝95~98%，二氧化钛0.5~2%，二氧化硅0.4~2%、氧化钙0.2~0.7%，三氧化二钇0.1~0.3%。
7.根据权利要求6所述的陶瓷加热元件，其特征在于所述下绝缘层（4）及上绝缘层（2）的厚度为10~120μm。
8.一种权利要求3所述的陶瓷加热元件的制备方法，其特征在于制备步骤依次为：
（1）分别制备加热电极（3）、上绝缘层（2）及下绝缘层（4）、上陶瓷基体（1）及下陶瓷基体（6）的材料；
（2）各层材料的印刷：在下陶瓷基体（6）的生坯上采用丝网印刷工艺依次印刷下绝缘层（4）、加热电极（3）、上绝缘层（2）；其中下绝缘层（4）及上绝缘层（2）的印刷层厚度为15~160μm；加热电极（3）印刷层厚度为15~25μm；
步骤三：印刷后的叠合
将步骤二所得材料的生坯和上陶瓷基体（1）的生坯，在50~120℃的温度和10~60MPa的压力条件下进行叠合；
步骤四：高温烧结
将叠合体放入真空脱脂烧结一体炉中进行排胶脱脂和高温烧结，高温烧结温度为1350~1550℃，保温时间为1~3h；
步骤五：电极引线的焊接
采用钎焊工艺将加热电极和引线连接上，制备出所需的陶瓷加热元件。
9.根据权利要求8所述的陶瓷加热元件的制备方法，其特征在于：
上陶瓷基体（1）和下陶瓷基体（6）的制备方法为：采用流延工艺制备生坯，生坯的厚度为0.12~2.5mm；
加热电极丝网印刷浆料的制备方法为：将发热电阻材料所需原料物质的粉末和含有粘合剂的有机载体混合；所述发热电阻材料所需原料物质的粉末和含有粘合剂的有机载体的质量比为0.6~1.5:1；
上绝缘层（2）和下绝缘层（4）丝网印刷浆料的制备方法为：将绝缘层所需原料物质的粉末和含有粘合剂的有机载体混合；所述绝缘层所需原料物质的粉末和含有粘合剂的有机载体的质量比为0.6~1.5:1。
10.一种权利要求3所述的陶瓷加热元件作为豆浆机加热部件的应用。
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