CN104768243A - 石墨片电加热元器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种石墨片电加热元器件，采用厚度为0.01mm～1mm超薄柔性石墨片作为电发热元件，经绝缘层封装后对物体进行加热。通过采用不同的绝缘层材料，该电发热元器件可以适用于低温、中温、高温和超高温等各种电加热领域的应用。在石墨片外面包覆的绝缘层材料可以对石墨片进行绝缘，同时提高石墨片的强度。这一技术具有稳定耐用、适用性广、成本低廉和制造工艺简单等优点，既适用于大批量工业生产，也适用于实验室高能加热器的设计和制作；既可以用于日常生活中的电加热设备，也可用于工业生产中的高温和超高温加热领域。

Description

石墨片电加热元器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种电加热器件领域的技术，具体是一种石墨片电加热元器件及其制备方法。

背景技术

从日常生活中取暖使用的电加热毯、地热膜、电热杯、电热炉等，到沸腾临界热流密度实验中使用的加热壁面，都离不开电加热器。而评价电加热器加热效果与安全性能的一个重要指标就是加热表面温度分布的均匀程度。如果电加热毯的表面温度分布不均匀，不仅影响用户体验，而且容易造成局部过热，严重可能导致火灾等事故的发生。在沸腾临界热流密度实验中，如果加热壁面用的加热器表面温度分布不均匀，会影响热流密度的方向，进而对实验结果造成一定的影响。虽然表面温度分布是加热器使用效果与安全性能的一个重要指标，目前现有的加热器在这方面仍然或多或少存在一些问题，有待改进。

目前现有加热器的加热元件主要有金属电热丝，碳纤维电热丝等。比如日常生活中用到的电热毯，有些是在内部植入电热丝用来发热，有些是利用碳纤维编织成网状结构来发热。然而不论哪种方式，都无法达到整个面的均匀加热。电热丝制作成的加热器只有在电热丝处发热，在电热丝之间无法发热，这就造成了整个加热表面无法达到均匀加热的状态。有碳纤维编织而成的网状发热器虽然在一定程度上减弱了加热表面的不均匀程度，但是并没有从根本上解决这一问题。除此之外，电热毯在日常应用中经常会发生弯折等情况，而其中的电加热丝在弯折等情况下非常容易发生断裂等情况造成失效。碳纤维虽然机械强度很高，在日常的使用中可以有效避免断裂、破损等情况的发生，但是其成本相对来说非常高昂，并且核心技术掌握在国外少数公司手中，不利于降低成本和大规模普及应用。在实验室领域比较常用的加热器是电加热棒。但是由于加热不均匀以及无法达到比较理想的绝缘效果，在热工水力领域的实验应用中，经常会发生加热棒损坏的情况。另外，高功率的电加热棒成本也较为高昂。除了上述加热器之外，还有一些加热器比如氧化铟锡薄膜，金属镀层等。但是这些加热器一般存在加工难度高，绝缘性差，成本较高等问题。并且，像电阻丝、加热棒等常规加热器，在很多情况下无法较好的贴合被加热面，造成一定的热量损失；碳纤维、氧化铟锡以及金属镀膜等虽然可以较好的贴合被加热面，但是存在绝缘效果不好，加工成本高等问题，并不能全面的替代传统的金属电加热产品。

相比于上述加热器而言，石墨片是一种全新的导热材料。因为石墨的特殊晶体结构，石墨片横向的导热系数高达1500W/(m·K)，非常有利于在表面温度分布出现不均匀的情况下展平温度分布。在无氧的情况下，石墨片可以经受住3000℃以上的高温，可以制作成加热温度范围很大的加热器。另外，石墨片表面可以与金属、塑胶、不干胶等其它材料复合以满足更多的设计功能和需要；特别是柔性石墨片，通过复合加工，可以极大增强其机械强度，可以经受弯曲折叠等情况，不仅拓宽了适用范围，而且在储存时可以通过折叠减少空间的占用。另外，相比于碳纤维加热丝，各种不同规格和高纯度的石墨片加工技术已经非常成熟和普及，加工工艺流程也相对简单，成品稳定性高，成本低廉。已经具备了全面替代传统的电热阻丝作为发热元件的条件，并为绿色环保、性能更高的新型电加热器的开发奠定基础，有望在不久的将来完成电加热元器件的全面升级换代。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN1258186公开(公告)日2000.06.28，公开了一种柔性电热膜发热体的制造方法,其方法是先在高分子柔性基体材料表面上涂上金属电极,再将胶体石墨浆涂覆在基体材料表面及金属电极上形成电热膜,尔后再在其上固定一层绝缘保护层。该技术所制成的电热膜发热体固着的柔性基体材料上，可弯折，可在一定范围内拉长，可以将电极、导线牢固的与电热膜层相固定，绝缘安全性好。但该技术存在工艺复杂，产品稳定性差，制造成本高昂等缺点。石墨浆料的调配和涂抹的均一性比较难控制，这样容易造成发热不均匀；浆料中的黏合材料容易在长期使用过程中老化失效，使该产品的功率退化并降低使用寿命；用银胶作为电极，使得产品的成品高昂，不利于大规模的推广；并且该技术只适用于100度以下的低温加热产品。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种石墨片电加热元器件及其制备方法，采用已有的成熟技术生产出的厚度均一、纯度高的石墨片，经过涂胶并与绝缘材料复合，制造出的电加热元器件可广泛用于低温、中温、高温以及超高温(3000度以上)各种电加热领域。本发明的制造工艺简单可靠，产品稳定性好，成本低廉，使用寿命长，有望实现对现有电加热元器件的全面升级换代。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种石墨片电加热元器件，包括：绝缘层、设置于绝缘层之间的柔性石墨片及其两端的电极以及设置于柔性石墨片和所述绝缘层之间的密封胶。

所述的柔性石墨片作为电加热元件，具体位于两层绝缘层之间，并利用耐高温导热胶将其密封在其中与氧气隔绝，利用电加热使石墨片发热，实现对外部物体的加热。

所述的电极可采用金属(铜，铝，钢等)，也可采用非金属电极(如石墨，碳纤维等)，然后与电源导线连接。

所述的超薄柔性石墨片的厚度为0.01～1mm，具有良好的横向导热性能1500W/(m·K)。

所述的绝缘层采用聚碳酸酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、云母纸或陶瓷材料等，具体为：

1)当加热温度在100℃以下时，为低温加热器，此时绝缘层采用聚碳酸酯薄膜，密封胶采用耐温150℃左右的绝缘导热胶；

2)当加热温度在100～400℃之间时，为中温加热器，此时绝缘层采用聚酰亚胺薄膜，密封胶采用耐温450℃左右的绝缘导热胶；

3)当加热温度在400～1000℃之间时，为高温加热器，此时绝缘层采用云母纸，密封胶采用耐温1000℃以上的绝缘导热胶；

4)当加热温度在1000～3000℃之间时，为超高温加热器，此时绝缘层采用陶瓷材料。

技术效果

与现有技术相比，本发明采用超薄柔性石墨片作为电加热元器件，其横向导热系数高，加热管表面的温度均匀性好，实现较高的安全性。且石墨片耐高温，加热过程中能够保持良好的稳定性。另外通过更换密封胶以及绝缘层材料，可以实现宽温度范围的应用。结构简单，制作方便，成本低廉，在日常生活，工业生产以及实验室应用等各个领域，都能起大很大的作用。有望在不久的将来能全面开发并取代传统的电加热发热材料，实现电热领域的全面产业升级。

附图说明

图1本发明结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：绝缘层1、设置于绝缘层1之间的柔性石墨片3及其两端的紫铜箔电极2和石墨片与绝缘层之间的密封胶4。

所述的绝缘层1，根据加热温度的不同采用不同的材料，其中：

1)当加热温度在100℃以下时，为低温加热器。此时绝缘层采用聚碳酸酯薄膜，密封胶采用耐温150℃左右的绝缘导热胶。聚碳酸酯薄膜可以耐温130℃左右，而且具有很好的绝缘性以及机械强度。在绝缘石墨片的同时，强化整个加热器的强度。

2)当加热温度在100～400℃之间时，为中温加热器。此时绝缘层采用聚酰亚胺薄膜，密封胶采用耐温450℃左右的绝缘导热胶。聚酰亚胺薄膜可以耐温500℃左右，而且具有很好的绝缘性以及机械强度。在绝缘石墨片的同时，强化整个加热器的强度。

3)当加热温度在400～1000℃之间时，为高温加热器。此时绝缘层采用云母纸，密封胶采用耐温1000℃以上的绝缘导热胶。云母纸耐温在1000℃以上，而且具有很好的绝缘性以及机械强度。在绝缘石墨片的同时，强化整个加热器的强度。

4)当加热温度在1000～3000℃之间时，为超高温加热器。此时绝缘层采用陶瓷材料，通过机械结构实现密封。

所述的加热器的加热元件采用石墨片3，其导热系数高，加热表面的温度均匀性好，且石墨片耐高温，加热过程中能够保持良好的完整性。且柔性石墨片易于剪裁，可以根据不同的需要方便的制作出不同形状并匹配电源、功率和电阻；同时超薄柔性石墨片具有很好的柔韧性能完美的缠绕或贴合在被加热物体表面和具有优异的横向导热性能导热系数高达1500W/(m·K)，能实现热量高效的传递，使设计出的加热器温度分布非常均匀。

所述的加热器在超薄柔性石墨片两端采用紫铜箔2作为电极连接普通电源，石墨片和绝缘层之间涂有高温绝缘导热密封胶4，如防火胶等，进行电绝缘和密封处理。

本实施例涉及上述石墨片电加热元器件的制备，根据对于加热温度以及加热器尺寸的需要，对石墨片进行机械切割或激光雕刻，形成需要的电阻和热流密度。

当采用整体石墨片在有尺寸限制的情况下无法达到加热温度要求时，通过激光雕刻，将石墨片雕刻成蛇形、螺旋形等形状，增加电阻，使其功率增大。

当进行激光雕刻时，采用的激光束直径一般小于1mm，因此雕刻出的间隙很小，对于加热面温度的均一性影响可以忽略。

本实施实例中，所述的绝缘层1优选采用聚酰亚胺薄膜胶带，石墨片3厚度为0.05mm，长度为35mm、宽度为15mm；把石墨片3两端连接上紫铜箔电极2，然后在石墨片外表面包裹一层高温绝缘导热胶4并将其粘贴在两层绝缘层1之间固定。

与现有技术相比，本发明方法制作简单，造价低廉，加热效果好，具有很好的实用价值。在对石墨片进行机械切割或激光雕刻等方法精密加工改变其电阻后，其热流密度可以高达200W/cm²，远高于现有技术的0.1～1.5W/cm²。

Claims (7)

1.一种石墨片电加热元器件，其特征在于，包括：绝缘层、设置于绝缘层之间的柔性石墨片及其两端的电极以及设置于柔性石墨片和所述绝缘层之间的密封胶。

2.根据权利要求1所述的石墨片电加热元器件，其特征是，所述的柔性石墨片作为电加热元件，具体位于两层绝缘层之间，并利用耐高温导热胶将其密封在其中与氧气隔绝，利用石墨片发热，并通过绝缘层实现对外部物体的加热。

3.根据权利要求1所述的石墨片电加热元器件，其特征是，所述的电极与电源导线连接，该电极为金属或非金属制成。

4.根据权利要求1或3所述的石墨片电加热元器件，其特征是，所述的电极为铜、铝、钢、石墨或碳纤维制成。

5.根据权利要求1所述的石墨片电加热元器件，其特征是，所述的超薄柔性石墨片的厚度为0.01～1mm，具有横向导热性能1500W/(m·K)。

6.根据权利要求1所述的石墨片电加热元器件，其特征是，所述的绝缘层采用聚碳酸酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、云母纸或陶瓷材料。

7.根据权利要求1或6所述的石墨片电加热元器件，其特征是，

1)当加热温度在100℃以下时，为低温加热器，此时绝缘层采用聚碳酸酯薄膜，密封胶采用耐温150℃左右的绝缘导热胶；

2)当加热温度在100～400℃之间时，为中温加热器，此时绝缘层采用聚酰亚胺薄膜，密封胶采用耐温450℃左右的绝缘导热胶；

3)当加热温度在400～1000℃之间时，为高温加热器，此时绝缘层采用云母纸，密封胶采用耐温1000℃以上的绝缘导热胶；

4)当加热温度在1000～3000℃之间时，为超高温加热器，此时绝缘层采用陶瓷材料；

5)由于石墨具有良好的柔性，所制成的低、中、高温加热器，成柔性薄膜状，可包裹在被加热体外，也可自由粘贴或机械固定在各种不规则被加热体表面或内部；对于超高温加热器，具有较好的刚性，可根据需要，将陶瓷材料经过加工成型，并将石墨片固定于其中，适用于规则和不规则的各种被加热体。