CN109219165A - 一种用于热压印的石墨涂层曲线加热装置及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于热压印的石墨涂层曲线加热装置，包括基座，基座的上表面设置有连续弯曲凹槽；石墨，石墨均匀涂满于连续弯曲凹槽中，形成石墨涂层；基盖，基盖固定设置在基座的上表面；以及一至多个耐高温绝缘夹紧装置，一至多个耐高温绝缘夹紧装置分别设置在基座和基盖的边缘，并夹紧基座和基盖。本发明还提供一种用于热压印的石墨涂层曲线加热装置的制造方法。该加热装置提供了一种新型的局部加热的方式，采用石墨涂层曲线加热，有别于常规的石墨涂层均匀加热，本发明利用石墨涂层在基座上进行均匀布线，形成一个可导电的发热元件，其曲线形状灵活性较好，通过曲线合理布置，可以实现面板的均匀加热。
Description
技术领域
本发明涉及热处理和热压印技术领域，更具体地，涉及一种用于热压印的石墨涂层曲线加热装置及制造方法。
背景技术
在需要热处理工艺的一些加工场合中，尤其是应用于设备制造的领域，当前常用的加热方法有红外辐射加热，电热丝加热，以及激光烧灼等。在众多的加热方式中，一般来说红外热辐射加热的区域较大，但所需要的加热装置较为复杂，在设备有限的内部空间内，对于加热装置周边冷却功能要求较高。激光烧灼是点加热，虽然周边外设结构简单，但其点光源的功能特性不利于对平面物体的均匀加热。电热丝加热方式尽管可以规避上述问题，但由于大多数的电热丝往往是简单的形状，而且对于线路的封装，安全性等要求较高，不利于灵活布置。
而且在热压印加工领域，经常采用整体加热的方式使工件软化变形，此种方式往往需要消耗大量的能源，也需要较为复杂的冷却装置。在工业生产领域需要较高的成本维护加热系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中热处理方法能耗高，加热所需装置复杂，对物体加热不均匀，还需要复杂的冷却装置等缺陷，提供一种有效局部均匀加热，曲线形状灵活度高，适合大规模批量加工生产的用于热压印的石墨涂层曲线加热装置及制造方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于热压印的石墨涂层曲线加热装置，包括：基座，所述基座的上表面设置有连续弯曲凹槽；
石墨，所述石墨均匀涂满于所述连续弯曲凹槽中，形成石墨涂层；
基盖，所述基盖固定设置在所述基座的上表面；以及
一至多个耐高温绝缘夹紧装置，一至多个所述耐高温绝缘夹紧装置分别设置在所述基座和基盖的边缘，并夹紧所述基座和基盖。
优选地，该加热装置还包括第一导线和第二导线，所述第一导线的一端与所述石墨涂层的一端电性连接，所述第二导线的一端与所述石墨涂层的另一端电性连接。
优选地，该加热装置还包括金属电极，所述第一导线的另一端和第二导线的另一端分别与所述金属电极的正极和负极相连接。
优选地，所述基盖的上表面具有微纳结构，所述基座和基盖分别由绝缘材料制成，绝缘材料包括石英或者陶瓷。
优选地，所述石墨涂层的宽度与相邻间隙的宽度比例介于0.5和2。
本发明还一种用于热压印的石墨涂层曲线加热装置的制造方法，包括以下步骤：
S1：在基座的上表面加工出均匀且分散布满于上表面的连续弯曲凹槽；
S2：将石墨均匀涂满于所述连续弯曲凹槽中，形成石墨涂层；
S3：对石墨涂层进行预热处理，对石墨涂层进行缓慢的加热，通过石墨涂层受热而产生的气泡去除石墨涂层中的水分；
S4：对所述石墨涂层进行通电加热，使石墨涂层的温度升高，并通过热传导将热量从所述石墨涂层传给所述基座，使所述石墨涂层和基座逐渐达到温度相对平衡状态，不因受热不均而产生应力并破碎。
优选地，步骤S1采用光刻工艺对基座(2)上表面进行加工，还包括以下子步骤：
S11：将感光胶均匀且分散涂覆于在基座的上表面；
S12：在感光胶上盖上底片进行曝光；
S13：洗去感光胶，形成所述连续弯曲凹槽。
优选地，该制造方法还包括以下步骤：
S5：在所述基座和基盖的边缘设置一至多个耐高温绝缘夹紧装置，从而夹紧所述基座和基盖；
S6：在所述石墨涂层的两端分别电性连接第一导线和第二导线；
S7：第一导线和第二导线的另一端分别电性连接于所述金属电极的正极和负极。
本发明的有益效果在于，该加热装置提供了一种新型的局部加热的方式，采用石墨涂层曲线加热，有别于常规的石墨涂层均匀加热，本发明利用石墨涂层在基座上进行均匀布线，形成一个可导电的发热元件，此电热元件的涂层曲线两端通电后即可作为加热源进行加热，此种加热方式优点在于，其曲线形状灵活性较好，通过曲线合理布置，可以实现面板的均匀加热。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明用于热压印的石墨涂层曲线加热装置优选实施例的整体结构示意图；
图2是本发明用于热压印的石墨涂层曲线加热装置中石墨涂层曲线设置于基座上的一个优选实施例正面示意图；
图3是本发明用于热压印的石墨涂层曲线加热装置中石墨涂层曲线设置于基座上的另一个优选实施例正面示意图；
图4是在矩形基座上采用常规均匀涂层的石墨涂层通电加热后的发热效果图；
图5是在矩形基座上采用本发明曲线形状的石墨涂层通电加热后的发热效果图；
图6是在圆形基座上采用常规均匀涂层的石墨涂层通电加热后的发热效果图；
图7是在圆形基座上采用本发明曲线形状的石墨涂层通电加热后的发热效果图；
图8是本发明用于热压印的石墨涂层曲线加热装置制造方法的流程示意图；
图9是本发明用于热压印的石墨涂层曲线加热装置制造方法中步骤S1中子步骤的流程示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
图1是本发明用于热压印的石墨涂层曲线加热装置优选实施例的整体结构示意图。该加热装置包括基座2，所述基座2的上表面设置有连续弯曲凹槽；石墨，所述石墨均匀涂满于所述连续弯曲凹槽中，形成石墨涂层1；基盖3，所述基盖3固定设置在所述基座2的上表面；以及一至多个耐高温绝缘夹紧装置7，一至多个所述耐高温绝缘夹紧装置7分别设置在所述基座2和基盖3的边缘，并夹紧所述基座2和基盖3。在该图中，优选地，在基座2和基盖3的边缘的两端设置有两个高温绝缘夹紧装置7。该高温绝缘夹紧装置7的结构可以采用常规夹具的夹紧结构，其包括上夹板，下夹板以及设置在上夹板和下夹板之间的连接板，夹紧装置7的尺寸和基座2与基盖3叠加在一起的尺寸相匹配，将基座2与基盖3夹紧于上夹板和下夹板之间。夹紧装置7由绝缘材料制成。
该加热装置还包括第一导线4和第二导线5，所述第一导线4的一端与所述石墨涂层1的一端电性连接，所述第二导线5的一端与所述石墨涂层1的另一端电性连接。
该加热装置还包括金属电极6，所述第一导线4的另一端和第二导线5的另一端分别与所述金属电极6的正极和负极相连接。
所述基盖3的上表面具有热压印成型所需的微纳结构，所述基座2和基盖3分别由绝缘材料制成，绝缘材料包括石英或者陶瓷。
所述石墨涂层1的宽度与相邻间隙的宽度比例介于0.5和2。
石墨作为一种导电性能优良的的材料，其具有耐高温、耐磨等优良性能，是作为电极的极佳材料；其工作温度可以达到2400℃，镍铬和铁铬铝等电热材料的工作温度都不能高于1400℃，虽然钨和钼能承受高于1400℃，但其材料价格昂贵。因此耐高温，膨胀小，导电率高，发射率高的石墨与其他电热材料相比具有优越的电热性能，而且价格便宜。利用石墨涂层在石英基座2表面上进行均匀布线，形成一个可导电的发热元件。这种发热元件的石墨涂层曲线的两端通电后即可作为加热源进行加热。
图2是本发明用于热压印的石墨涂层曲线加热装置中石墨涂层曲线设置于基座上的一个优选实施例示意图，其中基座2的形状为矩形，而图3是本发明用于热压印的石墨涂层曲线加热装置中石墨涂层曲线设置于基座上的另一个优选实施例示意图，其中基座2的形状为正方形。在图2和图3两个优选实施例中，石墨涂层1曲线的宽度与相邻间隙宽度之间的尺寸比例为1∶1。
值得注意的是，在石墨涂层1的成分不变的前提下，石墨涂层1曲线线段的长度如果较长，则会导致电阻过大，加热效果会受到影响而导致加热功率较低。为了解决由于石墨涂层1曲线较长而引起电阻过大的问题，可通过增大石墨涂层1曲线的宽度以扩大连续弯曲凹槽21的横截面积。另外，石墨涂层1曲线的宽度与相邻间隙的比例需要通过实际发热功率需求计算而得出，而具体的曲线形状的石墨涂层1通电发热的电阻值大小以及功率取决于发热区域以及连续弯曲凹槽21的横截面积。石墨涂层1曲线的宽度与相邻间隙宽度之间的尺寸比例范围优选为介于0.5和2之间。
传统热压印装置是基于红外加热的方式对需加热工件进行热处理。通过红外热辐射对需加热工件进行加热使之软化，然后利用物理方式使之受力产生变形。另外，降温的过程也需要进行水冷，惰性气体冷却等方式。这不仅对于能源是一种浪费，而且对于热压印装置设备的复杂设计及制造也是一种较高的成本。因此采用局部加热方法对需加热工件进行微纳热压印是一种更为优良且创新的工艺选择。局部加热对于周围设备耐高温性要求并不高。
综合图2和图3可以看出，石墨涂层曲线的形状灵活度高，可以根据不同的局部加热需求而具体设定，且适合大规模批量加工生产。采用曲线形状布置的石墨涂层作为发热源，和传统常规的整层石墨涂层相比，其因为能使发热热量分布均匀，可以更加有效地对被加热物体的表面或平面进行加热；而对于常规的整层石墨涂层，因为通电后会在涂层平面上的最短路径之间通电，使得发热热量在整个平面之间分布不均匀，容易引起对加热材料的过度加热或者因加热不均匀而严重影响加热效果。
而且更重要的是，本发明的加热装置结构简单，不需要额外的复杂的冷却装置，且进行局部加热，而非常规的整体加热，所需的能耗低。
图4是在矩形基座上采用常规均匀涂层的石墨涂层通电加热后的发热效果图，而图5是在矩形基座上采用本发明曲线形状的石墨涂层通电加热后的发热效果图。从水平轴和垂直轴的尺寸刻度可以知道，图4和图5中的矩形基座的尺寸相同。在矩形基座的主对角线的两端通电加热后，从图4中可以看出，常规均匀涂层的石墨涂层通电加热后的发热效果十分不均匀；对常规均匀涂层的石墨涂层通电加热的方式会使得电流在该均匀涂层中的最短路径之间流通，导致电流流通的最短路径附近区域发热最多，而其他非电流流通的区域发热较少，最终使得整个均匀涂层发热分布不均匀。在图4中，在接通电流一定时间使石墨涂层达到稳定发热状态后，该均匀涂层中连接电极的右上端附近区域的温度测量得到为601.7℃，而另一条两端没有与电极连接并通电的主对角线(左上端和后下端)附近区域测得的温度分别为486.1℃和485.1℃，而该均匀石墨涂层中间位置区域测得的温度为610℃。由此可以得出，该均匀石墨涂层不同位置区域的温度有着显著的差别，反应了该均匀石墨涂层通电后形成一个主对角线温度过高，而其两侧温度较低的发热不均匀状况分布。
相反地，在图5中，同样在接通电流一定时间使曲线形状(未显示)石墨涂层达到稳定发热状态后，该矩形加热基盖右上端附近区域的温度测量得到为586.1℃，而另一条两端没有与电极连接并通电的主对角线(左上端和后下端)附近区域测得的温度分别为584.6℃和588.5℃，而该矩形加热基盖中间位置区域测得的温度为587.7℃。由此可以得出，采用本发明石墨涂层曲线加热方式能够使整个矩形面均匀加热，不存在某片区域温度过高，发热过多的情况。
图6是在圆形基座上采用常规均匀涂层的石墨涂层通电加热后的发热效果图，而图7是在圆形基座上采用本发明曲线形状的石墨涂层通电加热后的发热效果图。从水平轴和垂直轴的尺寸刻度可以知道，图6和图7中的圆形基座的尺寸相同。在图6中，对该圆形均匀石墨涂层的左右两端通电加热达到稳定状态后，中心位置区域测得的温度为462.8℃，圆形中心位置与右端之间的中心区域测得的温度为501.8℃，其与圆形中心位置的温度相差达到了40℃，证明了常规均匀石墨涂层在相邻近的发热区域发热不均匀，导致加热效果差。而且从图中可以看出，左右两端区域分别有相当大的一片高温区域(深色区域)。由此可以得出，该圆形均匀石墨涂层通电发热产生了一个中间低温，两端高温的温度分布，意味着该圆形均匀石墨涂层发热十分不均匀。
相反地，在图7中，采用螺旋形的曲线石墨涂层涂覆于基座的上表面并进行通电发热。在通电发热达到稳定状态后，中心位置区域测得的温度为490℃，圆形中心位置与右端之间的中心区域测得的温度为498.2℃，其与圆形中心位置的温度相差只有8.2℃，这与图6中两个相似区域之间相差40℃形成了巨大的反差，证明了本发明的曲线形状石墨涂层通电发热效果均匀。而且从图中可以看出，左右两端并没有如图6中所示面积较大的高温区域。除了两端点因为连通电线发热而具有较高温度之外，其余区域的的温度分布十分均匀。而图6中不仅仅局限于两端点因为连通电线发热而具有较高温度，其附近区域也具有较高的温度(通过颜色深度以及测量得出)。由此可以得出，采用本发明石墨涂层曲线加热方式能够使整个圆形面加热效果均匀，不存在某片区域温度过高，发热过多的情况。
因此从以上两组对比的实施例中可以看出，现有技术中常规的均匀石墨涂层的通电发热效果不均匀。而本发明中采用石墨涂层曲线加热的方法，有别于常规的石墨涂层均匀加热，本发明利用石墨涂层在基座上进行均匀布线，形成一个可导电的发热元件，此电热元件的涂层曲线两端通电后即可作为加热源进行加热，此种加热方式优点在于，其曲线形状灵活性较好，通过曲线合理布置，可以实现对整个面板的均匀加热。
图8是本发明用于热压印的石墨涂层曲线加热装置制造方法的流程示意图。该制造方法包括以下步骤：
S1：在基座2的上表面加工出均匀且分散布满于上表面的连续弯曲凹槽；
S2：将石墨均匀涂满于所述连续弯曲凹槽中，形成石墨涂层1。本发明的连续弯曲凹槽用于放置石墨，避免了将石墨直接涂覆于基座2的上表面上而产生形状不规则及性能不稳定的石墨凸起。
S3：对石墨涂层1进行预热处理从而是其之后保持稳定状态，即对石墨涂层1进行缓慢的加热，通过石墨涂层1受热而产生的气泡去除石墨涂层1中的水分。石墨涂层1曲线分段的电阻可能会不同，因此需要缓慢预热以清除石墨中的水分，充分保证其中各个曲线分段的电阻值相同。
S4：对所述石墨涂层1进行通电加热，使石墨涂层1的温度升高，并通过热传导将热量从所述石墨涂层1传给所述基座2，使所述石墨涂层1和基座2逐渐达到温度相对平衡的状态，不因受热不均而产生应力并破碎。在各个绝缘材料中，石英的对于热冲击的抵抗力较强。因此即使石英与通电后高温的石墨之间有较大的温差，石英仍然会保持稳定以及绝缘性能而不碎裂。另外，陶瓷也具有相类似的性能。
S5：在所述基座2和基盖3的边缘设置一至多个耐高温绝缘夹紧装置7，从而夹紧所述基座2和基盖3；
S6：在所述石墨涂层1的两端分别电性连接第一导线4和第二导线5；
S7：第一导线4另一端和第二导线5另一端分别电性连接于所述金属电极6的正极和负极。
图9是本发明用于热压印的石墨涂层曲线加热装置制造方法中步骤S1中子步骤的流程示意图。步骤S1采用光刻工艺对基座2的上表面进行加工，还包括以下子步骤：
S11：将感光胶均匀且分散涂覆于在基座2的上表面；
S12：在感光胶上盖上底片进行曝光；
S13：洗去感光胶，形成所述连续弯曲凹槽。
另外重要的是，步骤S1中对基座2上表面凹槽进行加工的工艺不仅仅局限于光刻，光刻工艺只是其中的一种方法，也可以采用金刚石刀具或者其他方式进行凹槽加工。但是特别地，对于光刻工艺，在步骤S12中，感光胶曝光决定了表面腐蚀的区域，而腐蚀的深度取决于曝光后进行化学处理的时间长短。本发明的加热装置对连续弯曲凹槽21的深度没有特定要求，因为连续弯曲凹槽21的深度不影响曲线形状的石墨涂层1发热的均匀度。但是该深度会影响石墨涂层1发热的功率，更具体地，该深度与石墨涂层1的宽度所形成的横截面积会影响石墨涂层1的实际电阻率大小。总而言之，实现石墨涂层1均匀发热关键决定于石墨涂层1曲线的布置情况。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (8)
1.一种用于热压印的石墨涂层曲线加热装置，其特征在于，包括：
基座(2)，所述基座(2)的上表面设置有连续弯曲凹槽；
石墨，所述石墨均匀涂满于所述连续弯曲凹槽中，形成石墨涂层(1)；
基盖(3)，所述基盖(3)固定设置在所述基座(2)的上表面；以及
一至多个耐高温绝缘夹紧装置(7)，一至多个所述耐高温绝缘夹紧装置(7)分别设置在所述基座(2)和基盖(3)的边缘，并夹紧所述基座(2)和基盖(3)。
2.根据权利要求1所述的用于热压印的石墨涂层曲线加热装置，其特征在于，还包括第一导线(4)和第二导线(5)，所述第一导线(4)的一端与所述石墨涂层(1)的一端电性连接，所述第二导线(5)的一端与所述石墨涂层(1)的另一端电性连接。
3.根据权利要求2所述的用于热压印的石墨涂层曲线加热装置，其特征在于，还包括金属电极(6)，所述第一导线(4)的另一端和第二导线(5)的另一端分别与所述金属电极(6)的正极和负极相连接。
4.根据权利要求1所述的用于热压印的石墨涂层曲线加热装置，其特征在于，所述基盖(3)的上表面具有微纳结构，所述基座(2)和基盖(3)分别由绝缘材料制成，绝缘材料包括石英或者陶瓷。
5.根据权利要求1所述的用于热压印的石墨涂层曲线加热装置，其特征在于，所述石墨涂层(1)的宽度与相邻间隙的宽度比例介于0.5和2。
6.一种用于热压印的石墨涂层曲线加热装置的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在基座(2)的上表面加工出均匀且分散布满于上表面的连续弯曲凹槽；
S2：将石墨均匀涂满于所述连续弯曲凹槽中，形成石墨涂层(1)；
S3：对石墨涂层(1)进行预热处理，对石墨涂层(1)进行缓慢的加热，通过石墨涂层(1)受热而产生的气泡去除石墨涂层(1)中的水分；
S4：对所述石墨涂层(1)进行通电加热，使石墨涂层(1)的温度升高，并通过热传导将热量从所述石墨涂层(1)传给所述基座(2)，使所述石墨涂层(1)和基座(2)逐渐达到温度相对平衡状态，不因受热不均而产生应力并破碎。
7.根据权利要求6所述的用于热压印的石墨涂层曲线加热装置的制造方法，其特征在于，步骤S1采用光刻工艺对基座(2)的上表面进行加工，还包括以下子步骤：
S11：将感光胶均匀且分散涂覆于在基座(2)的上表面；
S12：在感光胶上盖上底片进行曝光；
S13：洗去感光胶，形成所述连续弯曲凹槽。
8.根据权利要求7所述的用于热压印的石墨涂层曲线加热装置的制造方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S5：在所述基座(2)和基盖(3)的边缘设置一至多个耐高温绝缘夹紧装置(7)，从而夹紧所述基座(2)和基盖(3)；
S6：在所述石墨涂层(1)的两端分别电性连接第一导线(4)和第二导线(5)；
S7：第一导线(4)另一端和第二导线(5)另一端分别电性连接于所述金属电极(6)的正极和负极。
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| CN103139947A (zh) * | 2011-11-29 | 2013-06-05 | 王勇 | 超大功率密度高效能电加热陶瓷发热体 |
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