CN102821494A - 一种氮化硅电热元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种氮化硅电热元件及其制造方法，包括氮化硅基体及置于氮化硅基体内的发热丝和电极，其中所述电极的一端与发热丝相连接，其另一端的端面裸露在氮化硅基体一端的端面上并通过焊接的方式连接有导线，所述氮化硅基体为采用在氮化硅粉中加入非氧化物氮化硅镁粉作为烧结添加剂并通过热压烧结的方式制作形成的结构体。本发明由于采用非氧化物氮化硅镁作为烧结添加剂，并通过热压烧结的方式得到氮化硅基体的结构，因而氮化硅基体的晶界相含量低、杂质少，有利于长柱状晶粒的形成，这样便极大地提高了氮化硅基体的力学性能，从而使本发明所述的氮化硅电热元件的综合性能优越，有效地延长了其使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种电热元件，特别是涉及一种氮化硅电热元件及其制造方法。
背景技术
目前使用的氮化硅电热元件，一般是由氮化硅基体、发热丝和电极组成。其中，氮化硅基体在烧结过程中普遍采用氧化物作为烧结添加剂，氧化物烧结添加剂虽然能够和二氧化硅以及氮化硅形成液相，但由于液相中含有较多的杂质离子，不利于长柱状的氮化硅晶粒的形成，因此难以得到高性能的氮化硅基体，从而降低了氮化硅电热元件的综合性能。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种制造方便、综合性能优越、使用寿命长的氮化硅电热元件及其制造方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的氮化硅电热元件，包括氮化硅基体及置于氮化硅基体内的发热丝和电极，其中所述电极的一端与发热丝相连接，其另一端的端面裸露在氮化硅基体一端的端面上并通过焊接的方式连接有导线，其特点是所述氮化硅基体为采用在氮化硅粉中加入非氧化物氮化硅镁粉作为烧结添加剂并通过热压烧结的方式制作形成的结构体。
为了使本发明在制造的过程中，用于与导线连接的电极端的磨出容易，并且节约材料，上述氮化硅基体的一端设置有U形开口，上述电极连接有导线的一端置于该U形开口两侧的氮化硅基体内。
为了使本发明所述的电极与发热丝之间的连接可靠，以达到更好传递电能的效果，上述发热丝与电极为一体连接。
为了使本发明所述的发热丝与氮化硅基体的接触更为紧密，既有利于增强氮化硅基体的强度，又有利于发热丝的热传导更加均匀，上述发热丝设置成螺旋环绕曲线状结构。而且所述螺旋环绕曲线状结构的发热丝在氮化硅基体内呈曲线均匀分布，且所述螺旋环绕曲线状结构的发热丝包括若干个连续的U形弯曲。
本发明所述的氮化硅电热元件的制造方法包括如下步骤：
A、粉料制备
将90～95%重量氮化硅粉、5～10%重量氮化硅镁粉混合均匀，放入砂磨机中，并按粉料重量：去离子水重量＝1：（1～1.5）的比例加入去离子水，混合6～12小时后，将料浆放入干燥箱120°C下干燥6小时，干燥后的粉料过80目筛储存备用；
B、生坯制备
首先称料，然后将称好的粉料放入金属模中，并将粉料刮平后连同金属模一起放入压机中，施加压力500公斤／平方厘米，使金属模内的粉料形成带凹槽且一端具有U形开口的生坯，凹槽的形状与发热丝及电极的形状相吻合，然后将发热丝和电极放入凹槽中，再盖上一片生坯，组成一个生坯组合单元；
C、石墨压条和石墨隔板的准备
根据生坯的长、宽尺寸制作相吻合的石墨压条和石墨隔板，石墨压条和石墨隔板与生坯接触的表面涂氮化硼隔离剂；
D、装模、烧制、拆分
在每一个生坯组合单元上下各放一块石墨压条，并由若干个生坯组合单元形成列，列与列之间用石墨隔板隔离，然后将多列生坯组合单元放入模框内固定好，然后送入真空热压炉进行热压烧结，烧后拆模，按每一生坯组合单元进行拆分，便可得到一只氮化硅基体；
E、焊接导线
磨出氮化硅基体的U形开口端的电极，然后通过焊接的方式将导线与电极连接在一起，即形成本发明所述的氮化硅电热元件。
其中，上述步骤D中所述的热压烧结的具体做法如下：
升温加压制度：
室温至1600℃：匀速升温、匀速加压，90分钟炉温升至1600℃，压机压力加至25吨，1600℃保温、保压30分钟；
1600℃至1750℃：匀速升温、匀速加压，40分钟炉温升至1750℃，压机压力加至40吨，1750℃保温、保压30分钟；
气氛制度：
1600℃前热压炉内保持真空状态，温度达到1600℃时充入氮气，以防止氮化硅粉的高温热分解。
本发明由于采用非氧化物氮化硅镁作为烧结添加剂，并通过热压烧结的方式得到氮化硅基体的结构，因而氮化硅基体的晶界相含量低、杂质少，有利于长柱状晶粒的形成，这样便极大地提高了氮化硅基体的力学性能，从而使本发明所述的氮化硅电热元件的综合性能优越，有效地延长了其使用寿命。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明的剖面结构示意图。
图2为本发明中所述生坯的内部结构示意图。
图3为本发明中所述生坯组合单元的剖面结构示意图。
具体实施方式
如图1-图3所示，本发明所述的氮化硅电热元件，包括氮化硅基体1及置于氮化硅基体1内的发热丝2和电极3，其中电极3的一端与发热丝2相连接，其另一端的端面裸露在氮化硅基体1一端的端面上并通过焊接的方式连接有导线4，而氮化硅基体1为采用在氮化硅粉中加入非氧化物氮化硅镁粉作为烧结添加剂并通过热压烧结的方式制作形成的结构体，且氮化硅基体1为致密的结构件，可有效地隔绝外界空气与氮化硅基体内的发热丝2接触，而且氮化硅基体1为扁平状长方形氮化硅基体。为了使本发明在制造的过程中，用于与导线4连接的电极端的磨出容易，并且节约材料，氮化硅基体1的一端设置有U形开口5，电极3连接有导线4的一端置于该U形开口5两侧的氮化硅基体1内。如图所示，电极3是由正负电极组成，其中正电极的一端与发热丝2的其中一端相连接，负电极的一端与发热丝2的另一端相连接，正电极的另一端置于U形开口5一侧的氮化硅基体1内，负电极的另一端置于U形开口5另一侧的氮化硅基体1内，且正负电极裸露于氮化硅基体1端面的一端各自连接有一导线4。为了使本发明所述的电极3与发热丝2之间的连接可靠，以达到更好传递电能的效果，发热丝2与电极3为一体连接。为了使本发明所述的发热丝2与氮化硅基体1的接触更为紧密，既有利于增强氮化硅基体1的强度，又有利于发热丝2的热传导更加均匀，发热丝2设置成螺旋环绕曲线状结构，而且该螺旋环绕曲线状结构的发热丝2在氮化硅基体1内呈曲线均匀分布，同时该螺旋环绕曲线状结构的发热丝2包括若干个连续的U形弯曲。
本发明所述的氮化硅电热元件的制造方法包括如下步骤：
A、粉料制备
将90～95%重量氮化硅粉、5～10%重量氮化硅镁粉混合均匀，放入砂磨机中，并按粉料重量：去离子水重量＝1：（1～1.5）的比例加入去离子水，混合6～12小时后，将料浆放入干燥箱120°C下干燥6小时，干燥后的粉料过80目筛储存备用；
B、生坯制备
首先称料，然后将称好的粉料放入金属模中，并将粉料刮平后连同金属模一起放入压机中，施加压力500公斤／平方厘米，使金属模内的粉料形成带凹槽6且一端具有U形开口5的生坯7，凹槽6的形状与发热丝2及电极3的形状相吻合，然后将发热丝2和电极3放入凹槽6中，再盖上一片生坯7，组成一个生坯组合单元；
C、石墨压条和石墨隔板的准备
根据生坯7的长、宽尺寸制作相吻合的石墨压条和石墨隔板，石墨压条和石墨隔板与生坯7接触的表面涂氮化硼隔离剂；
D、装模、烧制、拆分
在每一个生坯组合单元上下各放一块石墨压条，并由若干个生坯组合单元形成列，列与列之间用石墨隔板隔离，然后将多列生坯组合单元放入模框内固定好，然后送入真空热压炉进行热压烧结，烧后拆模，按每一生坯组合单元进行拆分，便可得到一只氮化硅基体1；
E、焊接导线
磨出氮化硅基体1的U形开口端的电极3，然后通过焊接的方式将导线4与电极3连接在一起，即形成本发明所述的氮化硅电热元件。
其中，上述步骤D中所述的热压烧结的具体做法如下：
升温加压制度：
室温至1600℃：匀速升温、匀速加压，90分钟炉温升至1600℃，压机压力加至25吨，1600℃保温、保压30分钟；
1600℃至1750℃：匀速升温、匀速加压，40分钟炉温升至1750℃，压机压力加至40吨，1750℃保温、保压30分钟；
气氛制度：
1600℃前热压炉内保持真空状态，温度达到1600℃时充入氮气，以防止氮化硅粉的高温热分解。
当热压烧结操作结束后，炉内温度冷却至20℃后将模框取出并拆模。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。
Claims (8)
1.一种氮化硅电热元件，包括氮化硅基体（1）及置于氮化硅基体（1）内的发热丝（2）和电极（3），其中所述电极（3）的一端与发热丝（2）相连接，其另一端的端面裸露在氮化硅基体（1）一端的端面上并通过焊接的方式连接有导线（4），其特征在于所述氮化硅基体（1）为采用在氮化硅粉中加入非氧化物氮化硅镁粉作为烧结添加剂并通过热压烧结的方式制作形成的结构体。
2.根据权利要求1所述氮化硅电热元件，其特征在于上述氮化硅基体（1）的一端设置有U形开口（5），上述电极（3）连接有导线（4）的一端置于该U形开口（5）两侧的氮化硅基体（1）内。
3.根据权利要求1所述氮化硅电热元件，其特征在于上述氮化硅基体（1）为扁平状长方形氮化硅基体。
4.根据权利要求1所述氮化硅电热元件，其特征在于上述发热丝（2）与电极（3）为一体连接。
5.根据权利要求1所述氮化硅电热元件，其特征在于上述发热丝（2）设置成螺旋环绕曲线状结构。
6.根据权利要求5所述氮化硅电热元件，其特征在于上述螺旋环绕曲线状结构的发热丝（2）在氮化硅基体（1）内呈曲线均匀分布，且所述螺旋环绕曲线状结构的发热丝（2）包括若干个连续的U形弯曲。
7.一种氮化硅电热元件的制造方法，该方法用于制造如前述任一权利要求所述的氮化硅电热元件，其特征在于包括如下步骤：
A、粉料制备
将90～95%重量氮化硅粉、5～10%重量氮化硅镁粉混合均匀，放入砂磨机中，并按粉料重量：去离子水重量＝1：（1～1.5）的比例加入去离子水，混合6～12小时后，将料浆放入干燥箱120°C下干燥6小时，干燥后的粉料过80目筛储存备用；
B、生坯制备
首先称料，然后将称好的粉料放入金属模中，并将粉料刮平后连同金属模一起放入压机中，施加压力500公斤／平方厘米，使金属模内的粉料形成带凹槽（6）且一端具有U形开口（5）的生坯（7），凹槽（6）的形状与发热丝（2）及电极（3）的形状相吻合，然后将发热丝（2）和电极（3）放入凹槽（6）中，再盖上一片生坯（7），组成一个生坯组合单元；
C、石墨压条和石墨隔板的准备
根据生坯（7）的长、宽尺寸制作相吻合的石墨压条和石墨隔板，石墨压条和石墨隔板与生坯（7）接触的表面涂氮化硼隔离剂；
D、装模、烧制、拆分
在每一个生坯组合单元上下各放一块石墨压条，并由若干个生坯组合单元形成列，列与列之间用石墨隔板隔离，然后将多列生坯组合单元放入模框内固定好，然后送入真空热压炉进行热压烧结，烧后拆模，按每一生坯组合单元进行拆分，便可得到一只氮化硅基体（1）；
E、焊接导线
磨出氮化硅基体（1）的U形开口端的电极（3），然后通过焊接的方式将导线（4）与电极（3）连接在一起，即形成本发明所述的氮化硅电热元件。
8.根据权利要求7所述氮化硅电热元件的制造方法，其特征在于上述步骤D中所述的热压烧结的具体做法如下：
升温加压制度：
室温至1600℃：匀速升温、匀速加压，90分钟炉温升至1600℃，压机压力加至25吨，1600℃保温、保压30分钟；
1600℃至1750℃：匀速升温、匀速加压，40分钟炉温升至1750℃，压机压力加至40吨，1750℃保温、保压30分钟；
气氛制度：
1600℃前热压炉内保持真空状态，温度达到1600℃时充入氮气，以防止氮化硅粉的高温热分解。
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