CN108966379B - 碳加热器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳加热器的制造方法，用于制造在如电烤箱这样的加热装置领域使用的碳加热器。碳加热器的制造方法，包括：将碳发热体的组合物混合的工序，挤压工序，稳定化热处理工序，以及，碳化热处理工序；由此能够提供一种碳加热器，能够防止碳加热器中产生绝缘破坏、火花以及等离子体，并且具有多种机械特性和电特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳加热器的制造方法，利用新的碳发热体组合物制造碳加热器，该碳加热器用作在诸如烤箱的烹调设备领域中施加热量的加热器。
背景技术
最近，作为家用或商用烹饪设备，广泛使用利用加热器的烤箱(Oven)。
图1是示出了烤箱的通常结构的立体图。参照图1，烤箱1包括：腔体2，其放置要烹饪的食物；门3，其用于选择性地打开所述腔体2；以及，多个加热器6，其对腔体2进行加热。
尤其，在所述加热器6设置一个以上加热器，所述加热器6被外罩8保护以免受到腔体的外部的影响。另外，为了采用电磁波加热方式，在腔体2的上部面的外部设置磁控管4。在所述磁控管4产生的电磁波通过规定的波导管和引导件来放射到所述腔体2的内部空间。另外，根据需要，在所述烤箱腔的内部空间的上侧设置护套式加热器(Sheath heater)5。
所述加热器根据加热器的材质和加热方式等而其运转也不同。在这样的加热器中，通常用作所述护套式加热器5和所述加热器6的碳加热器为烤架加热器，通过辐射加热方式对腔体2的内部的食物进行加热。
在碳加热器的情况下，以往主要使用了碳纤维。通常碳纤维指，碳含量为90％以上的纤维状的碳材料。
但是，碳纤维是由被称为“碳”的材料构成，因此，仍然具有碳自身具有的吸收微波的特征。另外，碳纤维具有“纤维”的形态的特性，因此本质上具有：纤维长度与纤维直径之比非常大的固有特性。
就这样的碳纤维的固有特性而言，在将碳纤维用作烤箱加热源时，存在一些问题。
如图2所示，碳纤维由各个碳细丝组成。不仅所述细丝的直径为几μm，而且细丝与细丝之间的间隔也是几μm。因此，在高的电磁场下，在细丝之间的非常窄的距离(间隔)施加了高的电压，例如，当在1μm的间隔施加10V的电压时，将在细丝与细丝之间施加约107V/m的高压。在该情况下，细丝很可能产生绝缘破坏，有时也可产生火花(Spark)。
此外，碳加热器包括：碳纤维；连接器，其向所述碳纤维施加电；石英(Quartz)管，在其内部包括所述碳纤维和连接器；以及，组件(或单元)，其由封入所述管内的Ar等封入气体构成。另外，所述封入气体保持约10-1torr至10-2torr的真空环境。但是，如上所述，当在细丝与细丝之间施加高电压时，即使不产生细丝的绝缘破坏或火花，但是在高压下，因惰性气体环境而产生等离子体(Plasma)。
以往，为了抑制等离子体等的反应和等离子体光进入到舱体，在碳加热器和舱体之间设置了屏蔽(Shield)构件。但是，所述屏蔽构件不仅遮蔽等离子体光，而且也会阻断一部分从碳加热器发射的辐射光，因此，存在大幅度降低烤箱的辐射效率的问题。
因此，需要一种不具有以往的纤维形状的、新的形态的碳发热体，需要开发用于制造新的形态的碳加热器的制造方法。
与本发明相关的现有技术，存在韩国公开专利公报第10-2011-0109697号(2011.10.06.)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在碳加热器中，用于在高电压下也不会产生绝缘破坏、火花以及等离子体的新的形态的碳加热器。
另外，本发明的目的在于，提供一种用于制造新的碳加热器的新的制造方法。
为了制造在高压下也不产生绝缘破坏、火花以及等离子体的新的形态的碳加热器，根据本发明的一方面，提供一种碳加热器的制造方法，包括：将碳复合体组合物混合的工序；挤压工序；稳定化热处理工序；以及，碳化热处理工序。
优选，所述组合物包含：作为粘合剂的树脂；润滑剂；以及，用于在作为碳加热器的使用温度的高温决定发热体的电阻率的基材。
优选，所述组合物包含：作为粘合剂的树脂；润滑剂；用于在作为碳加热器的使用温度的高温决定发热体的电阻率的基材；以及，电阻率调节剂。
尤其，在碳加热器的制造方法中，所述酚醛树脂为酚醛清漆树脂。
尤其，在碳加热器的制造方法中，所述润滑剂为石墨。
尤其，在碳加热器的制造方法中，所述基材为硅碳化物。
另外，在碳加热器的制造方法中，所述电阻率调节剂为硅氧化物。
优选，在碳加热器的制造方法中，所述挤压工序在100℃～180℃下，以10rpm～120rpm的速度执行。
优选，在碳加热器的制造方法中，所述稳定化热处理工序在270℃～320℃下执行10分钟～2小时。
优选，在碳加热器的制造方法中，所述碳化热处理工序包括第一碳化热处理工序，在所述第一碳化热处理工序中，在600℃～1000℃下执行10分钟～2小时的除气。
尤其，本发明的碳加热器的制造方法，用于在相同原材料的成分和组分范围内，调节碳加热器的电特性，在该碳加热器的制造方法中，碳化热处理工序包括第二碳化热处理工序和第三碳化热处理工序。
另外所述第二碳化热处理工序在1200℃～1400℃下执行10分钟～4小时，所述第三碳化热处理工序在1500℃～1700℃下执行10分钟～4小时。
与以往的使用碳纤维的碳加热器不同地，本发明的碳加热器的制造方法能够制造不是纤维形状的块(Bulk)状的碳加热器，因此不发生作为碳纤维所固有的缺点的细丝之间的局部电压集中，因此能够从根源上防止绝缘破坏、火花以及等离子体。
另外，本发明的碳加热器制造方法可将碳加热器制造成多种形状，由此，从而能够容易地制造出多种尺寸和形状的烤箱所需的形状的碳加热器。
并且，本发明的碳加热器制造方法可通过改变原材料的成分和组分范围，来提供具有多种机械特性和电特性的碳加热器。
此外，本发明的碳加热器制造方法，即使在相同原材料的成分和组分范围内，也通过控制碳化热处理工序来调节碳加热器的电特性，由此大幅度提高了碳加热器的电设计的自由度。
附图说明
图1是示出了电烤箱的通常结构的立体图。
图2是碳纤维的放大图。
图3是概略性地示出利用本发明的碳复合体组合物制造碳加热器的制造方法的顺序图。
图4是由酚醛清漆树脂和硅碳化物构成的原材料的DSC热分析结果。
图5A是挤压之后的碳复合体组合物的表面的微细组织图片，图5B是挤压之后的碳复合体组合物的截面的微细组织图片，图5C是稳定化热处理之后的碳复合体组合物的表面的微细组织图片，图5D是稳定化热处理之后的碳复合体组合物的截面的微细组织图片。
图6A是通过扫描电子显微镜(SEM)观察只执行第二碳化热处理工序的碳复合体发热体的截面的微细组织照片，图6B是通过扫描电子显微镜(SEM)观察在第二碳化热处理工序之后执行第三碳化热处理工序的碳复合体发热体的截面的微细组织照片。
图7A是利用本发明的实施例1的三组分体系碳复合体组合物进行了稳定化热处理的碳复合体的表面照片，图7B是利用本发明的实施例1的三组分体系碳复合体组合物进行了稳定化热处理的碳复合体的截面照片。
图8A是利用本发明的实施例2的四组分体系碳复合体组合物进行了稳定化热处理的碳复合体的表面照片，图8B是利用本发明的实施例2的四组分体系碳复合体组合物进行了稳定化热处理的碳复合体的截面照片。
图9是例示了由利用本发明的组合物的发热体制成的碳加热器产品的图。
图10是示出了利用本发明的实施例2的四组分体系碳复合体组合物制造的碳加热器的加热运转状态的照片。
图11示出了利用本发明的实施例3的四组分体系碳复合体组合物制造的碳加热器的、与第三碳化热处理工序温度对应的碳加热器的电阻值。
图12示出了与第三碳化热处理工序温度对应的碳加热器的热导率特性。
附图标记的说明
1：烤箱 2：腔体
3：门 4：磁控管
5：护套式加热器 6：加热器
11：发热体 12：管
14：连接器 15：金属线
16：金属片 17：外部电极
18：外部连接器 19：终端端子
S100：混合工序 S200：挤压工序
S300：稳定化热处理工序 S400：碳化热处理工序
具体实施方式
以下，参照本发明的附图，对本发明的优选实施例的碳加热器的制造方法、通过所述方法制造的碳加热器进行详细说明。
本发明并不限于下面公开的实施例，可通过不同的多种形式实现，本实施例用于使本发明完全公开，并且为了使本发明所属技术领域的普通技术人员完全理解发明的范畴而提供。
首先，对于本发明的用于制造碳加热器的制造方法进行说明。
图3示出了本发明的碳加热器的制造方法，所述方法包括：将由碳复合体组合物构成的原材料(以下称为碳复合体组合物、组合物或原材料)混合的工序；挤压工序；稳定化热处理工序；以及，碳化热处理工序。
首先，本发明的制造方法从均匀混合原材料的步骤(S100)开始。将原材料混合的方法为，首先准备具有所需的成分和组分范围的原材料之后，利用粉碎机(Mill)将所述原材料混合充分的时间。在本发明中，虽然利用磨碎机(Attrition Mill)混合了2小时，但并不限于此。另外，对于粉碎机而言，不仅可以利用球磨机(Ball mill)、磨碎机、棒磨机(Pinmill)，还可以利用喷磨机(Jet mill)、振动磨机、胶体磨机(Colloid mill)等。
在本发明利用的原材料是碳复合体组合物，该碳复合体组合物包含作为粘合剂(binder)的树脂、润滑剂以及在作为碳加热器的使用温度的高温决定发热体的电阻率的基材。
另外，在本发明中，作为原材料也可以利用如下碳复合体组合物，即，包含作为粘合剂的树脂、润滑剂、在作为碳加热器的使用温度的高温决定发热体的电阻率的基材以及电阻率调节剂。
首先，粘合剂是如下成分，即，在发挥碳加热器的发热体的作用的无机物粉末在高温下通过扩散结合之前，为了在温度比较低的低温下，使所述粉末之间进行机械结合而添加的成分。另外，本发明的粘合剂也可以发挥作为最终生成物的碳加热器的主要成分的碳的供应源的作用。
在本发明中，作为粘合剂的一实施例，使用了具有优异的耐热性的酚醛树脂中的一种酚醛清漆(Novolac)树脂。酚醛清漆树脂是在通过苯酚与甲醛的反应来产生的酚醛树脂中，当催化剂为酸(Acid)时，制成的苯酚树脂中的一种。但是，作为粘合剂并不限于酚醛树脂，尤其，并不一定限定为酚醛清漆树脂。具体而言，除了酚醛清漆树脂之外，在酚醛树脂中，甲阶酚醛(resol)树脂也可以作为粘合剂。另外，除了酚醛树脂之外，也可以使用如丙烯酸树脂等，通常用作具有粘接功能的粘合剂的所有有机树脂。
更具体而言，就酚醛清漆树脂而言，相对于苯酚的甲醛的配制摩尔比为0.5～1.0，通常使用如硫酸、盐酸、草酸等酸性催化剂来进行反应而得到。在酸性催化剂的作用下，聚合反应快速进行，因此具有多个苯酚核通过亚甲基连接的结构，所以其自身为热塑性树脂，从而具有没有固化剂就不能固化的特性。通过聚合固化或热固化来固化，通常与六次甲基四胺(Hexamine)混合而进行加热固化。但是，将在挤压工序进一步详细说明，本申请的发明人员确认了：本发明的酚醛清漆树脂具有在挤压工序和稳定化热处理工序中不需要固化剂的有利效果。
另外，在本发明中，包含硅碳化物(SiC)作为基材，所述基材在作为最终生成物的碳加热器决定发热体的电阻率。
硅碳化物与其他成分的无机物粉末相比，首先具有电阻率低且电导率和热导率相对较高的特征。基材的电特性是为了用作碳加热器的发热体而必须具备的基本特性。另外，热导率也很重要，这是因为，在热导率低的情况下，由于作为碳加热器使用时的运转温度会升高到约1200℃的高温，因此若不能向加热器周围顺利散热，则可能发生加热器发热体的断线。
另外，作为本发明的碳复合体组合物的原材料包含石墨(Graphite)，来作为润滑剂。当挤压原材料时，所述润滑剂用于减小原材料与模具(Die)之间的摩擦。
通常，使用碳作为碳电极的主材料，因此，可使用将碳作为主材料的润滑剂，如石墨(Graphite)、碳黑(Carbon Black)以及活性炭(Activatedcarbon)等。
此外，在本发明中，除了作为润滑剂和碳供应源的石墨之外，确认了石墨的其他功能。如上所述，已知：就本发明中用作粘合剂的酚醛清漆树脂而言，仅仅通过其自身是不能固化的。单纯提高温度等工序是不能使酚醛清漆树脂固化的。因此，若想固化酚醛清漆树脂，则必须包含额外的固化剂(例如，如六次甲基四胺(Hexamine)的固化剂)。
当作为粘合剂使用其他酚醛树脂中的甲阶酚醛(resol)树脂时，不需要额外的固化剂。这是因为即使没有额外的固化剂，甲阶酚醛树脂也能够进行热固化。
除此之外，当将丙烯酸树脂等其他树脂作为粘合剂使用时，也可以根据需要利用固化剂，或者利用热固化或光固化来固化粘合剂。若利用光固化，则也可以追加地包含光引发剂，除此之外也可以包含各种添加剂。
在本发明中，虽然尚未确认出基于何种机理，但是确认了：在本发明的未添加固化剂的碳复合体组合物包含石墨时，即使在挤压过程之后不添加额外的固化剂，碳复合体组合物也能够自行进行固化。因此，在本发明的碳复合物原材料中，根据粘合剂的种类，无需额外的固化剂，使石墨同时起到润滑剂和固化剂的功能。当然，根据粘合剂的成分，在使用其他成分的粘合剂时，有时也必须将固化剂与粘合剂一同包含于碳复合体组合物。
另外，根据需要，作为本发明的原材料的碳复合体组合物可包含电阻率调节剂，该电阻率调节剂用于调节作为最终生成物的碳加热器的发热体的电阻率。
电阻率调节剂发挥提高或降低碳加热器的发热体的电阻率的作用，但是在本发明中，使用电阻率较低的硅碳化物作为基材，因此主要将能够提高电阻率的材料用作电阻率调节剂。
通常，作为电阻率高的材料，已知：不依赖电子而通过声子(Phonon，或被称为晶格振动)来导电的氧化物(Oxide)。在本发明中，将硅氧化物(SiO2)或铝氧化物(Al2O3)用作电阻率调节剂。
但是，作为电阻率调节剂，与铝氧化物相比，更优选采用硅氧化物，这是因为硅氧化物的熔点低于铝氧化物的熔点，因此在进行后面要提及的碳化热处理时，能够更容易地控制碳加热器的电阻率的调节(增加)。
之后，本发明的制造方法经过利用均匀的原材料挤压的工序(S200)。
本发明的挤压工序在100℃～180℃的温度下以10rpm～120rpm的速度执行。当挤压温度低于100℃时，由于粘合剂的粘度高，难以与陶瓷粉末结合，因此，在挤压之后，挤压物的机械稳定性降低。另一方面，当挤压温度高于180℃时，粘合剂与石墨进行反应，由此开始进行形成高分子网的固化，因此，挤出物过硬而难以挤压。
此外，在本发明中，也可以采用利用模具的注塑工序，来代替所述挤压工序。
挤压工序(挤出工序)的原理为，在螺杆挤压机内，使高分子或包含高分子的原材料中的高分子成分熔化并沿着螺杆螺槽向前流动后，借助形成于螺杆末端的高压，通过挤压机末端的模具进行挤压成型。因此，挤压工序具有生产率非常高的优点，另一方面，具有生成物的密度、强度、表面照度或直线度等不如注塑工序的特性。
相对于此，在注塑工序中，将高分子或包含高分子的原材料中的高分子成分熔化来移送到缸体前侧，当移送结束时，通过螺杆或活塞推送向前移送的高分子或高分子成分熔融物，从而使该向前移送的高分子或高分子成分熔融物经过缸体末端的喷嘴流入模具内。因此，注射工序与挤压工序相比，具有如下优点，即，根据设计模具来自由地设计形状，生成物的密度、强度以及表面照度优异。
图4是示出对本发明的一实施例的由酚醛清漆树脂和硅碳化物构成的原材料进行加热时产生的固化反应的DSC热分析结果。
如图4所示，可知：当作为原材料的碳复合体组合物内的树脂的含量增加时，产生固化反应的开始温度、峰值温度以及结束温度升高。因此，本发明的所述挤压温度的上限被决定为，在本发明用作粘合剂的树脂的固化开始温度、即、180℃左右。
根据本发明的制造方法，在挤压工序之后执行稳定化热处理工序(S300)。稳定化热处理工序S300是用于引导粘合剂的碳与氧的结合结构的热处理过程。进行稳定化热处理工序的结果，粘合剂被固化，使被挤压的碳复合体组合物保持被挤压的形状，来确保机械稳定性。
在稳定化热处理工序初期，随着工序温度升高，粘合剂的粘度先降低，产生填充陶瓷粉末之间的空隙的致密化(Densification)过程，然后，在稳定化热处理工序后期，完成固化反应并稳定地保持被挤压的形状。
图5A是挤压之后的碳复合体组合物的表面的微细组织图片，图5B是挤压之后的碳复合体组合物的截面的微细组织图片，图5C是稳定化热处理之后的碳复合体组合物的表面的微细组织图片，图5D是稳定化热处理之后的碳复合体组合物的截面的微细组织图片。
可观察到：在挤压之后，在碳复合体组合物的微细组织中，陶瓷粉末由粘合剂树脂被涂敷，并且，粘合剂树脂良好地填充了粉末之间，使粉末之间没有较大空隙。但是，一部分截面的微细组织表现出稍微形成角的(Faceted)形状，这是因为，混合工序或挤压工序中的温度并没有充分地高至使粘合剂流动的程度，从而粘合剂并没有对一部分陶瓷粉充分地进行涂敷。
相对于此，稳定化热处理之后的微细组织与挤压之后的微细组织相比，首先表面的凹凸情况更大。另外，在稳定化热处理之后，截面微细组织的大部分区域表现出更加弯曲(Round)。这是因为，在进行稳定化热处理过程的期间，不仅粘合剂进行固化反应，而且，随着温度升高，粘合剂的粘度降低，从而通过流动性增加的粘合剂对陶瓷粉末进行涂敷，并且，粘合剂对陶瓷粉末之间的空隙进行填充。因通过稳定化热处理工序产生的这样的致密化过程，在表面产生微细的收缩(Shrinkage)，从而在表面产生微细的凹凸，并且，截面微细组织的粒子的形状与挤压工序之后的粒子相比，具有曲面。
此外，本发明的稳定化热处理工序在大气中的270℃～320℃的温度下，执行10分钟～2小时。尤其，根据粘合剂的热特性来决定工序温度的下限值，如图4所示，作为本发明的一实施例的粘合剂的酚醛清漆树脂的结晶化完成温度为约270℃。因此，当稳定化热处理工序处于低于270℃时，无法保证粘合剂的固化。另一方面，虽然在技术上，对稳定化热处理温度没有限制，但是从能源方面考虑，优选为不升高到过高温度。
稳定化热处理工序的升温速度优选为1℃/min～10℃/min。从微细组织的角度来说，升温速度越慢越好，但是，当慢于1℃/min时，稳定化热处理之后的微细组织并没有大的变化，只是工序时间变长，其结果，每个工序的工序时间增加，由此生产率大幅度降低。另一方面，当升温速度快于10℃/min时，反应时间不充分，其结果，在最终微细组织内产生缺陷(defect)，由此出现耐久性降低的现象。
之后，固化的碳复合体组合物经过碳化热处理工序(S400)。所述碳化热处理工序的目的在于，先对用于构成碳复合体组合物的构成成分中的挥发成分进行除气(Out-gassing)，之后，使剩余成分的大部分碳化，来制成作为最终生成物的碳加热器电阻的有效成分。为此，本发明的碳化热处理工序包括第一碳化热处理工序和第二碳化热处理工序。
首先，第一碳化热处理工序在如氮气的惰性气体环境下，在与后续第二碳化热处理步骤相比温度较低的600℃～1000℃的温度下，执行10分钟～2小时，第一碳化热处理工序的主要目的在于，挥发掉粘合剂成分中除了碳以外的其它成分、组合物的成分中除了粘合剂以外的其它成分中包含的杂质等中可能存在的除了碳以外的其它成分。
在所述第一热处理碳化工序之后执行第二碳化热处理工序。在第二碳化热处理工序中，使除气步骤之后剩下的碳复合体组合物的成分碳化，在如氮气的惰性气体环境下，在1200℃～1400℃的温度下执行10分钟～4小时。当第二碳化热处理工序的温度小于1200℃时，成分的碳化不充分，由此，存在碳电极的发热体的电导率降低的问题。另一方面，当第二碳化热处理工序的温度高于1400℃时，由粘合剂材料等引起的“-C-C-”结构体的气化产生得过多，由此，出现碳电极的发热体的收率大幅度降低的问题。
另外，为了提高生产率，所述碳化热处理过程可以不分为第一碳化热处理过程和第二碳化热处理过程，而整合运用为一个碳化热处理过程。在该情况下，为了顺利地除气，也可以并行地进行其他工序条件的调节，如改变升温速度等。
此外，本申请发明人确认了：通过本发明的碳加热器制造方法，即使利用相同的碳复合体组合物，也能够改变作为最终生成物的碳发热体的电特性。
尤其，在作为碳加热器使用的条件下，为了减少加热器的用电量，有必要在标准内，将加热器发热体的电阻提高到一定水平。
由此，本申请的发明人员在所述碳化热处理工序之后，使由作为基材的硅碳化物周围的粘合剂材料等引起的“-C-C-”结构体的一部分氧化或气化，或者，熔化(Melting)作为电阻率调节剂的硅氧化物(SiO2)，来通过熔化的硅氧化物对作为基材的硅碳化物进行涂敷，由此减小了电子能够经过的截面面积。由此，通过减少电子的碰撞时间，使电子的平均移动行程(Mean free path)变短，从而降低加热器发热体的电导率，增大电阻。
为此，本申请的发明人员考虑到硅氧化物的熔点(1600℃)不大于其他电阻率高的金属氧化物，例如，铝氧化物(Al2O3，2072℃)或锆氧化物(ZrO2，2715℃)的熔点，从而在所述第二碳化热处理工序之后追加了第三碳化热处理工序。
本发明的所述第三碳化热处理工序不仅实现上述的电导率的降低和电阻率的增加，而且还大大改善了作为加热器发热体应该具备的条件的机械强度。这是因为，熔化的硅氧化物的一部分，尤其填充了存在于表面的陶瓷粉末之间的空隙或缺陷，从而除去了作为陶瓷材料的脆性破坏(Brittle fracture)的主要原因的表面缺陷。
另外，本发明的所述第三碳化热处理工序引发碳加热器的热导率的变化。这是因为所述熔融的硅氧化物改变加热器发热体用组合物内的成分和微细组织而引起的。
本发明第三碳化热处理工序在如氮气的惰性气体环境下，在1500℃～1700℃的温度下执行10分钟～4小时。当第三碳化热处理工序的温度低于1500℃时，由粘合剂材料等引起的“-C-C-”结构体的气化产生过多，由此存在碳电极的发热体的收率降低的问题。另外，当第三碳化热处理工序的温度低于1500℃时，碳电极的热导率过低，由此，在加热时，碳电极的高的热量不能传递到周围，其结果，存在能够导致断线的更严重的问题。
另一方面，当第三碳化热处理工序的温度高于1700℃时，熔融的硅氧化物与由粘合剂材料等引起的“-C-C-”结构体反应，由此变成硅碳化物。其结果，对硅碳化物进行涂敷的熔融的硅氧化物的比率降低，由此使电阻率反而降低。
图6A是通过扫描电子显微镜(SEM)观察只执行第二碳化热处理工序的碳复合体发热体的截面的微细组织照片，图6B是通过扫描电子显微镜(SEM)观察在第二碳化热处理工序之后执行第三碳化热处理工序的碳复合体发热体的截面的微细组织照片。
只执行到第二碳化热处理工序的碳复合体发热体a具有如下微细组织，即，由粘合剂树脂引起的“-C-C-”结构体围绕：尺寸为20μm～40μm的硅碳化物或硅氧化物的周围。并且，这样的“-C-C-”结构体与硅碳化物或者硅氧化物之间的结合强度，弱于硅碳化物或硅氧化物自身的结合强度，因此，在表示碳复合体的断裂面的微细组织中，观察到硅碳化物或硅氧化物的表面比较光滑。
另一方面，执行到第三碳化热处理工序的碳复合体发热体b具有如下微细组织，即，一部分或多数的硅氧化物熔化(Melting)来对周围的硅碳化物进行涂敷，或者存在于硅碳化物或硅氧化物的周围的“-C-C-”氧化或气化。并且，当熔化的硅氧化物对其周围的硅碳化物进行涂敷时，熔化的硅氧化物与硅碳化物之间的结合力，与现有的“-C-C-”结构体与硅碳化物或硅氧化物之间的结合力相比强大很多，其结果，在碳复合体的断裂面的微细组织中，熔化并涂敷于硅碳化物表面的硅氧化物以如残渣(Residue)那样的微细的形状残留。
因此，可知：观察这样的微细组织的结果，与在本发明的第三碳化热处理工序中可能发生硅氧化物的熔化的预想非常一致。
以下，通过多种实施例来进一步详细说明本发明。以下的实施例只为了进一步明确说明本发明而例示的，本发明并不受限于实施例。
实施例1
首先，准备了在74wt.％(以下，称为％)的硅碳化物(SiC)的基础上，作为粘合剂添加了23％的酚醛清漆树脂，作为润滑剂添加了3％的石墨的三组分体系(Ternary)碳复合体组合物。在本发明的实施例中，优选使用具有1000～10000的数均分子量的酚醛清漆树脂，更优选使用具有3000～7000的数均分子量的酚醛清漆树脂。
准备的三组分体系组合物利用磨碎机经过原材料混合工序均匀混合1小时～4小时之后，在120℃～160℃挤压成型，之后在280℃～300℃执行了稳定化热处理工序。之后，为了除气和碳化，在800℃和1400℃的温度下，分别执行了1小时的第一碳化热处理工序和第二碳化热处理工序，由进行了碳化热处理的碳复合体构成的发热体被加工为最终碳加热器并评价了电特性。
图7A和图7B示出了稳定化热处理过程之后的所述三组分体系的碳复合体的表面和截面。如图7A、图7B所示，可知：由三组分体系组合物构成的碳复合体不仅宏观机械稳定性非常优异，而且在表面几乎观察不到缺陷。另外，可知：在所述碳复合体的截面微细组织也不产生偏析(Segregation)、凝聚(agglomeration)或大气孔(Voids)，硅碳化物通过粘合剂非常均匀地分布。
利用本实施例1的三组分体系组合物制造碳加热器之后，评价了电特性。在115V的施加电压下，测定出碳加热器的电阻为约4Ω～5Ω。
实施例2
准备了一种四组分体系(Quaternary)碳复合体组合物，其在无机物粉末成分中的62％的硅碳化物(SiC)的基础上，追加地包含12％的硅氧化物(SiO2)作为电阻率调节剂，在这样的无机物粉末中，作为粘合剂包含23％的酚醛清漆树脂，作为润滑剂包含3％的石墨。
准备的四组分体系组合物也以与实施例1相同的条件，首先经过原材料混合步骤均匀地混合之后，挤压成型，之后，在经过稳定化热处理过程、第一碳化热化处理过程以及第二碳化热处理过程之后，加工为最终碳发热体并评价了电特性。
图8A、图8B示出了稳定化热处理过程之后的所述四组分体系的碳复合体的表面和截面。如图8A、图8B所示，可知：由四组分体系组合物构成的碳复合体与实施例1的由三组分体系组合物构成的碳复合体相同地，不仅宏观机械稳定性非常优异，而且在表面几乎观察不到缺陷。另外，可知：在所述碳复合体的截面微细组织也不产生偏析(Segregation)、凝聚(agglomeration)或大气孔(Voids)，硅碳化物通过粘合剂非常均匀地分布。尤其，确认了硅碳化物与硅氧化物也没有宏观/微观偏析而均匀地分布。
图9是例示了由利用本发明的组合物的发热体11制成的碳加热器产品的图。实际碳加热器包括：发热体11；以及，连接器14，其用于支撑所述发热体11，并从外部供应电源。另外，还包括：管12，其围绕所述发热体并在内部包含惰性气体；金属线15，其用于从外部向所述发热体供应电；金属片16；外部电极17；外部连接器18以及终端端子19等。
图10示出了由利用实施例2的四组分体系组合物的发热体制造的碳加热器的加热状态。本发明的碳加热器不利用碳纤维，因此，不会产生因绝缘破坏而引起的火花和等离子体，从而稳定保持了加热状态。此外，测定出：由实施例2的四组分体系组合物制造的发热体在115V的施加电压下，具有约13Ω的饱和电阻，并且输出为约950W。
实施例3
首先，准备了一种四组分体系(Quaternary)碳复合体组合物，其在无机物粉末成分中的56％～59％的硅碳化物(SiC)的基础上，追加地包含15％～18％的硅氧化物(SiO2)作为电阻率调节剂，在这样的无机物粉末中，作为粘合剂包含23％的酚醛清漆树脂，作为润滑剂包含3％的石墨。
准备的四组分体系组合物，到第二碳化热处理工序为止，以与实施例1相同的条件，首先经过原材料混合工序均匀混合之后，挤压成型，之后，执行了稳定化热处理工序、第一碳化热处理工序以及第二碳化热处理工序。之后，所述碳复合体组合物在1500℃～1900℃的温度范围追加地执行了第三碳化热处理工序。之后，由执行了第三碳化热处理工序的、所述组分范围的四组分体系碳复合体组合物构成的碳复合体发热体被加工为最终碳加热器，并评价了电特性。
图11是示出了与第三碳化热处理工序温度对应的碳加热器的电阻(在图11中，PN、GP、SC以及SO分别表示酚醛清漆树脂、石墨、硅碳化物以及硅氧化物)。
可知：就第三碳化热处理工序在1500℃～1700℃执行的实施例而言，不执行第三碳化热处理工序，或者与第三碳化热处理工序在1800℃～1900℃执行的实施例相比，电阻率大幅度增加。
如上所述的结果意味着：即使是相同成分和组分范围的碳复合体组合物，也可以通过追加本发明的第三碳化热处理工序，来容易地控制碳加热器的电阻和输出。这样仅通过工序变量，就能够大幅度增加碳加热器的电设计的自由度，从而在实际应用上也具有非常有用的重要意义。
图12是示出了与第三碳化热处理工序温度对应的碳加热器的热导率特性。
就本发明的碳加热器而言，随着第三碳化热处理工序温度超过1400℃而升高，热导率增大，在达到1700℃之后，热导率表现出稳定或稍微降低的倾向。
就热导率低的硅氧化物而言，随着第三热处理温度升高而变得不稳定，其结果，与包含于组合物的周围的碳结合，由此相变为热导率高的硅碳化物。随着热导率高的硅碳化物的比率增大，碳发热体的宏观热导率增大。
并且，即使第三热处理温度进一步升高，由于所述相变已经在1600℃附近几乎完成，因此加热到更高的温度，测定出的碳发热体的热导率也几乎没有变化或稍微降低。
如上所述，参照示例性的附图，对本发明进行了说明，但是，本发明并不受限于在本说明书公开的实施例和附图，在本发明的技术思想范围内，普通技术人员可进行多种变形。并且，需要明确的是，即使在上面说明本发明的实施例时，没有明确说明根据本发明的结构的作用效果，也要认定能够通过相应结构预测的效果。
Claims (6)
1.一种碳加热器的制造方法，其中，
包括：
将碳发热体的组合物混合的工序；
挤压工序；
稳定化热处理工序；以及，
碳化热处理工序，
所述组合物包含：作为粘合剂的酚醛树脂；润滑剂；用于在碳加热器的使用温度决定发热体的电阻率的基材；以及，硅氧化物电阻率调节剂，
所述碳化热处理工序包括第一碳化热处理工序、第二碳化热处理工序以及在1500℃～1700℃下执行10分钟～4小时的第三碳化热处理工序。
2.根据权利要求1所述的碳加热器的制造方法，其特征在于，
所述酚醛树脂为酚醛清漆树脂，
所述润滑剂为石墨。
3.根据权利要求1所述的碳加热器的制造方法，其特征在于，
所述基材为硅碳化物。
4.根据权利要求1所述的碳加热器的制造方法，其特征在于，
所述稳定化热处理工序在260℃～300℃下执行10分钟～2小时。
5.根据权利要求1所述的碳加热器的制造方法，其特征在于，
所述第一碳化热处理工序在600℃～1000℃下执行10分钟～2小时的除气。
6.根据权利要求1所述的碳加热器的制造方法，其特征在于，
所述第二碳化热处理工序在1200℃～1400℃下执行10分钟～4小时。
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