CN103992097B - 一种稀土全光谱热能转换陶瓷悬浮液及其制备方法和应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稀土全光谱热能转换陶瓷悬浮液及其制备方法和应用方法，所述陶瓷悬浮液的固含量≥62％，其粒径D50为800-860nm，D10为20-30nm，D90为1300-1500nm；其粘度为1600-2500MPa/s，pH值为7.2-7.6；将常规的红外电加热陶瓷材料浸于所述陶瓷悬浮液中，控制浸渍的时间为2-5秒，取出后经微波干燥后放入马弗炉进行烧结，即得到具有高电能热转换率的稀土全光谱热能材料；相比于常规的电加热陶瓷材料，其节能效率是25.36％-32.24％，节时效率是25.90％-32.69％。

Description

一种稀土全光谱热能转换陶瓷悬浮液及其制备方法和应用方法

技术领域

本发明涉及热能材料技术领域，特别是涉及一种稀土全光谱热能转换陶瓷悬浮液及其制备方法和应用方法。

背景技术

传统的电加热方式，能量的利用率低，一般来说其电热转换率仅为43％左右，这是因为电在做功发热的同时，其载热体必然发光。而当我们仅需要电热部分时，发光产生的光能被浪费了。

现有的红外电加热材料比较先进的为碳化硅，堇青石、SiO2陶瓷等系列。它们具备较高的半球辐射率。根据维恩位移定律、斯忒藩-波尔斯曼理论解释，阻性材料辐射体钨、铁镍、铁铬铝合金、镍铬合金、碳化硅、硅钼等，在其受能后温度变化时，其峰值波长与碳化硅，堇青石、SiO2等能达到较好的匹配，所以这些红外陶瓷已经起到了很好的节能效果。但是，目前的红外陶瓷对辐射体发出的热能广谱、尤其对辐射体所衍生的的次波峰群，比如可见光、紫外线、中、远红外线等，它们不具备良好的吸收、反射能力，导致流失了大量能量。如果在现有的红外电加热材料的基础上，附着一种广谱吸收转换材料，将被浪费掉的将近40％的能量，包括远红外、紫外、可见光被转换成热能，将会大幅提高电能的热效率。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种能够大幅提高电能的热转换效率的陶瓷悬浮液及其制备方法和应用方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：一种稀土全光谱热能转换陶瓷悬浮液的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)以氧化物重量份数计，将滑石粉5-15份、氧化镍粉0-10份、高岭土5-20份、稀土氧化物3.5-6份、氧化锆2-15份、氧化铍0.1-0.5份、氧化钛2-6份、碳化硅粉0-18份、氮化硼2-8份、纳米石墨粉10-26份、氧化铁3-15份、氧化铬5-16份、硫酸铝铵0.2-0.35份和磷酸铝2-5份为原料，加入控温捏合机、加入水玻璃(氧化物总重量的30-50％)，控温60-75℃，在四氟化碳气体气氛下进行捏合反应50-65min，待反应完毕后，出料挤成直径2毫米、长2毫米的圆柱型，经干燥(含水量小于6％)后(各种干燥方法均可)制成中间料A；

(2)经干燥后的中间料A放入碳管炉，控制碳管炉温度在1330℃-1540℃之间，保温24小时，随后在非活性气体气氛下进行0.5-0.8MPa的压力烧结，制成中间料B；

(3)中间料B出炉后，经砂磨机湿法研磨形成浆料，浆料经喷雾干燥制成微米级粉末成料C，并储存于悬浮料仓；

(4)用蔗糖经高温高压非活性气体融化喷射，形成微小的融珠，流经步骤(3)中的悬浮料仓，使其与粉末成料C结合，其表面粘附一层粉末成料C；再经急剧冷却后直接进入1300-1500℃的碳管炉，在非活性气体的气氛下旋风烧成，形成中空微珠结构的表面材料D；

(5)将表面材料D与20-35倍水的羟基纤维素液体(泰安瑞泰纤维素有限公司生产的RT-6000型)混合形成陶瓷悬浮液。

上述步骤(1)中稀土氧化物为镨、钕或釤的氧化物。

上述步骤(1)中水玻璃的重量为氧化物总重量的30-50％，水玻璃中的二氧化硅含量≧29％，其模数为3.1-3.4。

上述步骤(4)中使用的非活性气体的温度为260-300℃，压强为0.5-0.8MPa。

上述非活性气体优选为二氧化碳、氮气或惰性气体。

上述一种稀土全光谱热能转换陶瓷悬浮液的制备方法制得的陶瓷悬浮液，其特征在于所述陶瓷悬浮液的固含量≧62％，其粒径D50为800-860nm，D10为20-30nm，D90为1300-1500nm；其粘度为1600-2500MPa/s，pH值为7.2-7.6。

一种稀土全光谱热能转换陶瓷悬浮液的应用方法，其特征在于按照如下操作：将红外电加热材料浸于所述陶瓷悬浮液中，控制浸渍的时间为2-5秒，然后取出，得到半成品；将半成品经微波干燥后放入马弗炉进行烧结，烧结温度为1200-1350℃，经过保温50-70min的烧结后即得到具有高电能热转换率的稀土全光谱红外热能材料。

与现有技术相比，本发明制得的稀土全光谱热能材料是针对电流阻性材料辐射体钨、铁镍、铁铬铝合金、镍铬合金、碳化硅、硅钼等产生的焦耳热效应，在氧化铝，堇青石、SiO2等红外热能材料的表面附着形成稀土全光谱的红外热能材料，其有益效果是：

(1)在现有技术工业电能加热应用中，一般材料只可以很好利用红外光谱0.75～3.0μm(近红外线区)和3.0～15μm(中远红外线区)的热能；而0.23μm-0.76μm之间具有电磁波特性的紫外线、可见光，以及15～1000μm的远红外线，则不能被很好的利用；本发明制备的稀土全光谱热能材料具有吸收转换0.23μm-1360μm之间电磁波的特性；这才导致红外电加热材料所产生的高能量紫外线、可见光、远红外成分,被稀土全光谱热能材料的表面微孔壁面材料吸收，转变为红外电磁波热能，对受热体进行辐射加热，减少了内部传导过程中的能量损耗，从而大大提升了电能的热转换效率，电能的热转换效率达到90％以上；

(2)稀土全光谱热能材料被加热所产生的电磁波、热光子束流、通过分子运动所产生的间隙，可以进入到被加热物体的深层，引起深层分子的激烈振动；导致被加热物体的深层分子所得到的能量份额，在一定厚度上与被加热物体表面基本相同，可以达到表面与内部同步加热的效果，从而导致使加热速度加快，传热衰减减少，提高了热效率；

(3)传统的电加热器没有很好的实现定向加热，导致不需要加热的方向被加热器同时施热，以至热能大量散射浪费；本发明制备的稀土全光谱热能材料可以任意方向进行浸渍，其所产生的辐射为半球状发射，所以给定向加热的设计提供了前提，从而达到节能的效果；

(4)传统加热方式是由热源的空气介质加热受热体，而本发明制备的稀土全光谱热能材料则将能量流大部分吸收转变为辐射热能，其加热机理发生了质的变化；而空气介质的温度低于本发明制备的稀土全光谱热能材料的温度，所以带来了升温快、加热时间短的技术，减少了加热空气和空气对流带走的热能损耗，有效地节约了能源，提高排空质量。

(5)本发明制备的稀土全光谱热能材料所含成分的熔点均在1600℃-2500℃之间，化学性质稳定，在酸碱介质中不发生化学反应，功能衰减相当微弱，在无外力碰撞破损的前提下，使用寿命长，还可以实现反复多次使用，与传统加热元件相比，综合成本大大降低；

(6)本发明制备的稀土全光谱热能材料在使用时采用的是辐射传热方式；辐射传热可以认为是受激原子释放的光子(能束)所进行的能量传递，也可以看作是以电磁波形式的能量传递，它能够有效的将电在发热做功时同时发出的光、转化成热能，加上其具有的高辐射率、高穿透率、定向加热特性、提高排空质量等特质，从而达到24-32％的节能效果。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

一种稀土全光谱热能转换陶瓷悬浮液的制备方法，包括以下步骤：以材料(氧化物重量计)将滑石粉5份、高岭土20份、稀土氧化物钕5份、氧化锆15份、氧化铍0.5份、氧化钛6份、碳化硅粉18份、氮化硼2份、纳米石墨粉10份、氧化铁3份、氧化铬5份、硫酸铝铵0.2份、磷酸铝2份做为原料经重量计量后加入控温捏合机、加入水玻璃(氧化物总重量的30％)，控温75℃，在四氟化碳气体气氛下进行捏合反应65min，待反应完毕后，出料挤成Φ20mm长20mm圆柱型、干燥成料A。

经干燥后的A料，进入碳管炉在二氧化碳气体气氛下进行压力(0.5MPa)烧成，控制温度在1460℃±10℃保温24小时，结合形成含有多种物质分子合成的中间料B。在此过程中步骤(1)中的原料发生晶格改变，在有液相存在的状态下，经高温压力环境材料分子间形成空穴填充，相互浸透，各种物质分子在其表面能的作用下，结合形成含有多种物质分子合成的中间料B；

该中间料B，经粉碎机粉碎，球磨机(砂磨机)湿法研磨，浆料经喷雾干燥成微米级粉末成料C。粉末成料C储存与料仓待用。

用蔗糖经高温(256℃)高压(0.8MPa)二氧化碳气体融化后喷射，形成及其微小的融珠(≦0.5微米)，流经悬浮在料仓的粉末成料C，其表面粘附一层材料粉末，经急剧冷却后直接进入碳管炉，在有二氧化碳气体的气氛下旋风烧成，形成中空微珠结构的表面材料D；其中，二氧化碳气氛的温度为260℃，压强为0.5MPa。

将表面材料D与35倍水的羟基纤维素液体混合形成陶瓷悬浮液，羟基纤维素选购自泰安瑞泰纤维素有限公司生产的RT-6000型。

上述陶瓷悬浮液的应用方法：将1000W的堇青石红外电加热电炉材料，浸于陶瓷悬浮液中，控制浸渍时间2秒取出，得到表面附着陶瓷悬浮液的半成品。

将半成品经微波干燥后，放入马弗炉1280℃、保温60min烧结，得到1000W的稀土全光谱电加热电炉材料1。

实施例2：

一种稀土全光谱热能转换陶瓷悬浮液的制备方法，包括以下步骤：以材料(氧化物重量计)将滑石粉15份、氧化镍粉10份、高岭土10份、稀土氧化物镨、6份、氧化锆2份、氧化铍0.5份、氧化钛6份、碳化硅粉为0、氮化硼8份、纳米石墨粉26份、氧化铁9份、氧化铬12份、硫酸铝铵0.2份、磷酸铝5份做为原料经重量计量后加入控温捏合机、加入水玻璃(氧化物总重量的38％)，控温66℃，在四氟化碳气体气氛下进行捏合反应56min，待反应完毕后，出料挤成Φ20mm长20mm圆柱型、干燥成料A。

经干燥后的A料，进入碳管炉在二氧化碳气体气氛下进行压力烧成，控制温度在1540℃保温24小时，结合形成含有多种物质分子合成的中间料B。

该中间料B，经粉碎机粉碎，砂磨机湿法研磨，浆料经喷雾干燥成微米级粉末成料C。粉末成料C储存与料仓待用。

用蔗糖经高温(256℃)高压(0.8MPa)二氧化碳气体融化后喷射，形成及其微小的融珠(≦0.5微米)，流经悬浮在料仓的粉末成料C，其表面粘附一层材料粉末，经急剧冷却后直接进入碳管炉，在有氩气的气氛下旋风烧成，形成中空微珠结构的表面材料D；其中，二氧化碳气氛的温度为275℃，压强为0.7MPa。

将表面材料D与26倍水的羟基纤维素液体混合形成陶瓷悬浮液，羟基纤维素选购自泰安瑞泰纤维素有限公司生产的RT-6000型。

上述陶瓷悬浮液的应用方法：将1000W的碳化硅红外电加热电炉材料，浸于陶瓷悬浮液中，控制浸渍时间3.5秒取出，得到表面附着陶瓷悬浮液的半成品。

将半成品经微波干燥后，放入马弗炉1280℃、保温60min烧结，得到1000W的稀土全光谱电加热电炉材料2。

实施例3：

一种稀土全光谱热能转换陶瓷悬浮液的制备方法，包括以下步骤：以材料(氧化物重量计)将滑石粉8份、氧化镍粉6份、高岭土5份、稀土氧化物釤3.5份、氧化锆2份、氧化铍0.1份、氧化钛2份、碳化硅粉10份、氮化硼2份、纳米石墨粉10份、氧化铁15份、氧化铬16份、硫酸铝铵0.35份、磷酸铝5份做为原料做为原料经重量计量后加入控温捏合机、加入水玻璃(氧化物总重量的50％)，控温60℃，在四氟化碳气体气氛下进行捏合反应50min，待反应完毕后，出料挤成Φ20mm长20mm的圆柱型干燥成料A。

经干燥后的A料，进入碳管炉在二氧化碳气体气氛下进行压力烧成，控制温度在1430℃保温24小时，结合形成含有多种物质分子合成的中间料B。

该中间料B，经粉碎机粉碎，球磨机湿法研磨，浆料经喷雾干燥成微米级粉末成料C。粉末成料C储存与料仓待用。

用蔗糖经高温(256℃)高压(0.8MPa)二氧化碳气体融化后喷射，形成及其微小的融珠(≦0.5微米)，流经悬浮在料仓的粉末成料C，其表面粘附一层材料粉末，经急剧冷却后直接进入碳管炉，在有氦气的气氛下旋风烧成，形成中空微珠结构的表面材料D；其中，二氧化碳气氛的温度为300℃，压强为0.8MPa。

将表面材料D与20倍水的羟基纤维素液体混合形成陶瓷悬浮液，羟基纤维素选购自泰安瑞泰纤维素有限公司生产的RT-6000型。

上述陶瓷悬浮液的应用方法：将1000W的二氧化硅红外电加热电炉材料，浸于陶瓷悬浮液中，控制浸渍时间3.5秒取出，得到表面附着陶瓷悬浮液的半成品。

将半成品经微波干燥后，放入马弗炉1280℃、保温60min烧结，得到1000W的稀土全光谱电加热电炉材料3。

上述制备方法制得的陶瓷悬浮液，其固含量≧62％，其粒径D50为800-860nm，D10为20-30nm，D90为1300-1500nm；其粘度为1600-2500MPa/s，pH值为7.2-7.6。

其中：粒度分布particle size distribution的含义是用特定的仪器和方法反映出粉体样品中不同粒径颗粒占颗粒总量的百分数。

D10：一个样品的累计粒度分布数达到10％时所对应的粒径。它的物理意义是粒径小于它的的颗粒占10％。

D50：一个样品的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径。它的物理意义是粒径大于它的颗粒占50％，小于它的颗粒也占50％，D50也叫中位径或中值粒径。D50常用来表示粉体的平均粒度。

D90：一个样品的累计粒度分布数达到90％时所对应的粒径。它的物理意义是粒径小于它的的颗粒占90％。

上述陶瓷悬浮液的应用方法，按照如下操作：将红外电加热材料浸于所述陶瓷悬浮液中，控制浸渍的时间为2-5秒，然后取出，得到半成品；将半成品经微波干燥后放入马弗炉进行烧结，烧结温度为1200-1350℃，经过保温50-70min的烧结后即得到具有高电能热转换率的稀土全光谱红外电加热材料。

实施例1-3中使用的水玻璃(Na2SiO3·9H2O)的重量为氧化物总重量的30-50％，水玻璃中的二氧化硅含量大于或等于29％，其模数为3.1-3.4。石英砂和碱的配合比例即SiO2和Na2O的摩尔比决定着硅酸钠的模数M，模数即显示硅酸钠的组成，模数是硅酸钠的重要参数，一般在1.5～3.5之间。模数越大，固体硅酸钠越难溶于水，n为1时常温水即能溶解，n加大时需热水才能溶解，n大于3时需4个大气压以上的蒸汽才能溶解。硅酸钠模数越大，氧化硅含量越多，硅酸钠粘度增大，易于分解硬化，粘结力增大，因此不同模数的硅酸钠有着不同的用处。广泛应用于普通铸造、精密铸造、造纸、陶瓷、粘土、选矿、高岭土、洗涤等众多领域。

对比实验例：

对照组(A组)：采用1000W的普通电炉1、2和3；

实验组(B组)：采用实施例1、2和3分别制得的1000W的稀土全光谱电加热电炉；

将对照组和实验组进行加热对比实验：

将盛有2L去离子水的容器分别放在对应的加热炉上，将两个温感探头置于水中，记录不同时刻的水温。将A组和B组的加热炉通电，分别记录容器中水温达到80℃时，所用时间、功率及消耗电量，以此计算普通电炉和实施例1、2、3制得的稀土全光谱电加热电炉进行对比的实验数据如下表所示。

实验结果见下表。

其中，节能效率η的计算公式如下：

η＝(对照组用电量-实验组用电量)/对照组用电量×100％

节时效率的计算方法同节能效率。

实验表明，实验组与对照组相比，其节能效率是25.36％-32.24％，节时效率是25.90％-32.69％。

对于本发明实施例1-3制得的稀土全光谱电加热电炉的进行测量的其他参数的平均值如下表，

项目	指标要求	实测结果(平均)
			法向全发射率εn	GB4658-84≧0.85	≧0.95
绝缘电阻MΩ	>0.5	>65
			抗热震性能	GB5341-86	1050℃淬水6次无剥落
抗氧化性能	1050℃，100h	无氧化现象
			耐腐蚀性能	50％盐酸溶液中100h	无腐蚀现象

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种稀土全光谱热能转换陶瓷悬浮液的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)以氧化物重量份数计，以滑石粉5-15份、氧化镍粉0-10份、高岭土5-20份、稀土氧化物3.5-6份、氧化锆2-15份、氧化铍0.1-0.5份、氧化钛2-6份、碳化硅粉0-18份、氮化硼2-8份、纳米石墨粉10-26份、氧化铁3-15份、氧化铬5-16份、硫酸铝铵0.2-0.35份和磷酸铝2-5份作为原料，加入控温捏合机、加入水玻璃，控温60-75℃，在四氟化碳气体气氛下进行捏合反应50-65min，待反应完毕后，出料挤成圆柱型，经干燥后制成中间料A；

(2)经干燥后的中间料A放入碳管炉，控制碳管炉温度在1330℃-1540℃之间，保温24小时，随后在非活性气体气氛下进行烧结，制成中间料B；

(3)中间料B出炉后，经砂磨机湿法研磨形成浆料，浆料经喷雾干燥制成微米级粉末成料C，并储存于悬浮料仓；

(4)用蔗糖经高温高压非活性气体融化喷射，形成微小的融珠，流经步骤(3)中的悬浮料仓，使其与粉末成料C结合，其表面粘附一层粉末成料C；再经急剧冷却后直接进入1300-1500℃的碳管炉，在非活性气体的气氛下旋风烧成，形成中空微珠结构的表面材料D；

(5)将表面材料D与20-35倍水的羟基纤维素液体混合形成陶瓷悬浮液。

2.根据权利要求1所述的一种稀土全光谱热能转换陶瓷悬浮液的制备方法，其特征在于所述步骤(1)中稀土氧化物为镨、钕或釤的氧化物。

3.根据权利要求1所述的一种稀土全光谱热能转换陶瓷悬浮液的制备方法，其特征在于所述步骤(4)中使用的非活性气体的温度为260-300℃，步骤(2)和步骤(4)使用的非活性气体的压强为0.5-0.8MPa。

4.根据权利要求3所述的一种稀土全光谱热能转换陶瓷悬浮液的制备方法，其特征在于所述非活性气体为惰性气体。

5.根据权利要求1-4之一所述的一种稀土全光谱热能转换陶瓷悬浮液的制备方法所制得的陶瓷悬浮液。

6.根据权利要求5所述的陶瓷悬浮液的应用，其特征在于按照如下操作：将红外电加热材料浸于所述陶瓷悬浮液中，控制浸渍的时间为2-5秒，然后取出，得到半成品；将半成品经微波干燥后放入马弗炉进行烧结，烧结温度为1200-1350℃，保温50-70min的烧结后即得到具有高电能热转换率的稀土全光谱热能材料。