CN1076944C - 氮化硅发热体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及氮化硅发热体及其制造方法，其特征在于：它采用氮化硅作为发热本体，以钨丝作为发热源，经热压烧结而成，其发热本体的配方如下(重量百分数)：氮化硅82%～93%，三氧化二铝0.1%～5%，三氧化二钇4%～8%，氮化铝3%～5%。与现有技术相比，本发明产品耐高温、耐腐蚀，强度高，寿命长，使用安全可靠。

Description

氮化硅发热体及其制造方法
本发明涉及电热材料，尤其涉及氮化硅发热体及其制造方法。
目前，国内外的电加热器普遍采用金属管内放电阻丝用填料绝缘的电加热方式，或者就是电阻丝用绝缘材料隔离的暴露式加热方式。比如，现在市场上的电热水器、电热水瓶、电热杯、电熨斗、电吹风、电热锅、热得快、电消毒柜、取暖器、工业用的磷化池、热处理用的酸碱池等均采用以上加热方式；近几年也有采用PTC陶瓷石英管的加热器用于取暖器，但它们都存在一个共同的缺陷：使用寿命太短，安全性差。
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种使用寿命长、安全可靠的氮化硅发热体及其制造方法。
本发明的目的可以通过以下方式来实现：
一种氮化硅发热体，它由发热源及发热本体组成，其特征在于它以钨丝作为发热源，其发热本体的配方如下(重量百分数)：
氮化硅(Si3N4)                 82％～93％
三氧化二铝(Al2O3)             0.1％～5％
三氧化二钇(Y2O3)              4％～8％
氮化铝(AlN)                      3％～5％
一种氮化硅发热体的制造方法，其特征在于它由以下步骤组成：
(1)原料配制：按上述配方进行称料，并放入尼龙桶内，加入乙醇、氮化硅球，球磨2～48小时，然后倒入容器，放入烘箱中烘干，过筛待用。
(2)素胚制备：按发热体外形要求加工金属模具，压制素胚时先将粉料的一半倒入金属模内，刮平粉料，将钨丝放入模中，再加入另一半粉料，放在压头为20～60吨的压机上加压，然后拆模，取出素胚待用。
(3)烧结过程及工艺：
[1]石墨模：用高纯石墨按发热体外形尺寸加工石墨模，在与素胚接触的模具表面涂上氮化硼分离剂。
[2]装模：将素胚装入石墨模，放进热压炉内。
[3]烧结工艺：将石墨模在30～60分钟内加热至1450～1520℃，保持2～15分钟，继续升温并开始加压，在15～60分钟内再次将石墨模加热至1700～1800℃，并加满全压(全压＝素胚的总受力面积×200～300kg/cm2)，保持5～60分钟，然后，在10～60分钟内将石墨模冷却至1200～1600℃，再进一步冷却、卸压。
[4]拆模：当热压炉内温度低于150℃时，开炉取出石墨模，拆模取出制品。
本发明采用氮化硅作为原材料，以钨丝作为发热丝，经热压烧结而成，因此，它具有以下特性：
1耐高温：在小于1200℃的工况下可长时间工作。
2耐腐蚀：氮化硅发热体在30％氢氧化钠溶液中进行6小时沸腾试验，平均腐蚀率为0.43g/m2h。在5％硫酸溶液中进行6小时沸腾试验，平均腐蚀率为9.21g/m2h，而不锈钢在相同环境下腐蚀率达81～121g/m2h。所以，氮化硅发热体的抗酸碱能力远强于金属发热体。
3高强度：每片氮化硅发热体的抗折强度均大于700MPa，而经计算，在100℃的水中，散热面积为41cm2、功率为1500w的氮化硅发热体只需有50～60Mpa的强度便不会折断。
4安全可靠：氮化硅系绝缘材料，其漏电电流为0.052mA，而一般小型家用电器(快速式热水器)规定的漏电电流需小于0.25mA。经测试，当输入电压为220v的氮化硅发热体在水中工作时突然发生折断，水中电压小于36v，不足以对人体造成伤害。本发明产品在6V～380V电压下均可使用。
下面结合实施例，对本发明作进一步详细说明：
实施例1～4
一种氮化硅发热体，它通过以下步骤制成：
(1)原料配制：按表一所列配方进行称料，并放入尼龙桶内，加入乙醇、氮化硅球，球磨3小时，然后倒入容器，放入烘箱中烘干，冷却后过筛待用。
               表一：氮化硅发热体的发热本体的配方
                                                       单位：克
    组分     实施例1     实施例2     实施例3     实施例4
    Si2N4     84     89     87.5     92
    Al2O3     3     1     0.5     0.5
    Y2O3     8     6     7.5     4.5
    AlN     5     4     4.5     3
(2)素胚制备：按150×30×4mm发热体外形要求加工金属模具，压制素胚时先将粉料的一半倒入金属模内，刮平粉料，将钨丝放入模中，再加入另一半粉料，放在压头为30吨的压机上加压，然后拆模，取出素胚待用。
(3)烧结过程及工艺：
[1]石墨模：用高纯石墨按150×30×4mm发热体外形尺寸加工石墨模，在与素胚接触的模具表面涂上氮化硼分离剂。
[2]装模：将素胚装入石墨模，放进热压炉内。
[3]烧结工艺：从室温开始，将石墨模在60分钟内加热至1450℃，保持5分钟，继续升温并开始加压，在50分钟内再次将石墨模加热至1700℃，压力升到45吨(单层烧5片)，保持60分钟，然后，在60分钟内将石墨模冷却至1500℃，随炉冷却、卸压。
[4]拆模：当热压炉内温度低于150℃时，开炉取出石墨模，拆模取出制品。
钨丝作为发热源处在在发热本体中间，在6V～380V电压下，按照所要求的功率不同，设计它的长短及直径大小。
实施例5～8
采用与实施例1～4相同的配方，其烧结工艺为：从室温开始，将石墨模在30分钟内加热至1480℃，保持15分钟，继续升温并开始加压，在45分钟内再次将石墨模加热至1790℃，压力升到45吨(单层烧5片)，保持45分钟，然后，在30分钟内将石墨模冷却至1500℃，再随炉冷却、卸压。其他工艺方法与实施例1相同。
实施例9～12
采用与实施例1～4相同的配方，其烧结工艺为：从室温开始，将石墨模在45分钟内加热至1500℃，保持10分钟，继续升温并开始加压，在40分钟内再次将石墨模加热至1700℃，压力升到45吨(单层烧5片)，保持60分钟，然后，在45分钟内将石墨模冷却至1450℃，再随炉冷却、卸压。其他工艺方法与实施例1相同。
实施例13～16
采用与实施例1～4相同的配方，其烧结工艺为：从室温开始，将石墨模在40分钟内加热至1520℃，保持7分钟，继续升温并开始加压，在75分钟内再次将石墨模加热至1750℃，压力升到45吨(单层烧5片)，保持10分钟，然后，在10分钟内将石墨模冷却至1200℃，再随炉冷却、卸压。其他工艺方法与实施例1相同。

Claims (2)

1.一种氮化硅发热体，它由发热源及发热本体组成，其特征在于所述的发热源为钨丝，所述的发热本体配方为(重量百分数)：
氮化硅(Si3N4)                 82％～93％
三氧化二铝(Al2O3)             0.1％～5％
三氧化二钇(Y2O3)              4％～8％
氮化铝(AlN)                     3％～5％。
2.一种氮化硅发热体的制造方法，其特征在于它由以下步骤组成：
(1)原料配制：按权利要求1所述的配方进行称料，并放入尼龙桶内，加入乙醇、氮化硅球，球磨2～48小时，然后倒入容器，放入烘箱中烘干，过筛待用，
(2)素胚制备：按发热体外形要求加工金属模具，压制素胚时先将粉料的一半倒入金属模内，刮平粉料，将钨丝放入模中，再加入另一半粉料，放在压头为20～60吨的压机上加压，然后拆模，取出素胚待用，
(3)烧结过程及工艺：
[1]石墨模：用高纯石墨按发热体外形尺寸加工石墨模，在与素胚接触的模具表面涂上氮化硼分离剂，
[2]装模：将素胚装入石墨模，放进热压炉内，
[3]烧结工艺：将石墨模在30～60分钟内加热至1450～1520℃，保持2～15分钟，继续升温并开始加压，在15～60分钟内再次将石墨模加热至1700～1800℃，并加满全压，全压＝素胚的总受力面积×200～300kg/cm2，保持5～60分钟，然后，在10～60分钟内将石墨模冷却至1200～1600℃，再进一步冷却、卸压，
[4]拆模：当热压炉内温度低于150℃时，开炉取出石墨模，拆模取出制品。
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