CN109951903A - 一种纳米微晶格相分离电热材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电热材料技术领域，具体涉及一种纳米微晶格相分离电热材料及其制备方法。包括：基体层、过渡层、微晶格电热层和绝缘隔热层，所述基体层、过渡层、微晶格电热层和绝缘隔热层顺序叠放，所述基体层为硅基体层，所述过渡层为3‑5μm厚的碳化硅过渡层，所述微晶格电热层为由钛、稀土氧化物、钨单质纳米粉粒依次沉积在过渡层上形成钛层、稀土氧化物层和钨层。纳米微晶格相分离电热材料通过将纳米钛和纳米钨沉积在过渡层上，在钛层和钨层之间喷涂稀土氧化物阻碍纳米钛和纳米钨导电过程中的位错运动，提高了电热转化效率；通过在基体层和微晶格电热层之间增加碳化硅过渡层，使得纳米微晶格相分离电热材料能够迅速升温。

Description

一种纳米微晶格相分离电热材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及电热材料技术领域，具体涉及一种纳米微晶格相分离电热材料及其制备方法。

背景技术

电热技术是目前使用非常广泛的热能提供手段，尤其在家居采暖、工农业保温防护等领域应用非常广泛。现有技术中对于电热材料一般为两种，一种是金属电阻丝等导线类的加热元件，比如现有电地暖、电热毯等采用的金属电阻丝、碳纤维发热电缆等。通过这种线缆加热，最终都需要转化为面状加热，但从线棒状加热元件到面状发热面，因线与面的接触面积小，是典型热传导不利界面结构，其中形成巨大的接触热阻，极大阻碍了热能利用率；另一种是通过将多种发热材料通过粘合剂混合而成，喷涂在基板上，这种电热材料在高温下各种材料之间容易发生电离和化学反应，长时间使用容易导致发热能力下降，使用寿命较短；科学研究发现，两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜会产生明显量子限制效应的电子或空穴的势阱，这类结构被称为超晶格结构，超晶格结构目前多数被用在了热电材料上，研究如何将热能转化为电能，科学还研究发现，将两种特定的重金属纳米薄膜经过稀土氧化物的作用下在通电后电热性能极为优良，并且能在低电压的情况下就能够进行电热作用，研究人员将此类称为微晶格结构，微晶格结构是一种极具有潜力的电热结构，微晶格结构主要运用在电热材料方面。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足和缺陷，提供一种发热均匀，导热效果好，各物质之间成分稳定的纳米微晶格相分离电热材料及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种纳米微晶格相分离电热材料，包括：基体层、过渡层、微晶格电热层和绝缘隔热层，所述基体层、过渡层、微晶格电热层和绝缘隔热层顺序叠放，所述基体层为硅基体层，所述过渡层为3-5μm厚的碳化硅过渡层，所述微晶格电热层为由钛、稀土氧化物、钨单质纳米粉粒依次沉积在过渡层上形成钛层、稀土氧化物层和钨层。

具体的，所述钛层与钨层厚度比为2:1，所述钨层厚度为5-10nm。

具体的，所述稀土氧化物以重量份计为：氧化钇25份、氧化铈16份和氧化镧11份均匀混合，稀土氧化物层厚度为2-4nm。

具体的，多层微晶格电热层进行叠加，微晶格电热层层数为1-5层。

具体的，所述绝缘隔热层为绝缘隔热涂料涂抹而成，所述绝缘隔热涂料配方按重量百分比计含有：二氧化硅72份、氧化铝20份、氧化铁1份、氧化镁2份、氧化钙1份、氧化钠1份、氧化钾1份、环氧树脂30份、间苯二胺2份和己二胺1份。

一种用以制备纳米微晶格相分离电热材料的制备方法，其制备方法包括如下步骤：

(1)将硅基体用乙醇清洗4次，烘干，，加热基体至温度达到600℃，用高纯氮气将硅基体吹净。

(2)将碳化硅纳米粉粒通过湿法球磨获得水基碳化硅复合纳米胶体，采用喷雾造粒工艺将水基胶体制成微米级团聚型粉末，将喷雾造粒后的碳化硅复合纳米粉体进行热处理，将热处理后的碳化硅利用喷涂设备喷涂至硅基体上形成过渡层。

(3)将钛单质放入蒸压装置内，在蒸压装置内充入氩气或者氦气，通过蒸压装置将热至600-800℃使得钛单质蒸发汽化，蒸压装置停止加热使得钛单质在氩气或者氦气中冷凝形成钛的纳米微粒，收集钛纳米微粒备用；将钨单质放入蒸压装置内，在蒸压装置内充入氩气或者氦气，通过蒸压装置将热至1000-1200℃使得钨单质蒸发汽化，蒸压装置停止加热使得钛单质在氩气或者氦气中冷凝形成钨的纳米微粒，收集钨纳米微粒备用；

(4)将钛纳米微粒溶解至过饱和硝酸盐水溶液中，将容纳有钛纳米微粒的过饱和硝酸盐水溶液倒入流动沉积池内，将形成过渡层的硅基体放入流动沉积池池底，通电进行成沉积，使得钛元素发生欠电位沉积，沉积在过渡层上；

(5)将稀土氧化物装入喷射炉内，通过加热喷射炉使稀土氧化物分子束流从喷射炉喷出，最终落在硅基体的钛层上形成稀土氧化物层；

(6)将钨纳米微粒溶解至过饱和硝酸盐水溶液中，将容纳有钨纳米微粒的过饱和硝酸盐水溶液倒入流动沉积池内，将形成稀土氧化物层的硅基体放入流动沉积池池底，通电进行成沉积，使得钨元素发生欠电位沉积，沉积在稀土氧化物层上；

(7)根据需要的层数重复多次4-6步骤，微晶格电热层之间通过重复5步骤将微晶格电热层隔离，完成微晶格电热层喷涂；

(8)在微晶格层上植入铜箔电极或者铝箔电极；

(9)将二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化镁、氧化钙、氧化钠、氧化钾在电能加热方式下加热至500-700℃，使得表面均匀膨胀，再将温度瞬间提升至1200-1400℃后开始玻化，自然冷却后形成连续玻质化的颗粒，再以环氧树脂作为粘合剂，间苯二胺和己二胺为固化剂，搅拌均匀，涂刷在硅基体的微晶格电热层上。

本发明相比现有技术包括以下优点及有益效果：

纳米微晶格相分离电热材料通过将纳米钛和纳米钨沉积在过渡层上，在钛层和钨层之间喷涂稀土氧化物阻碍纳米钛和纳米钨导电过程中的位错运动，提高了电热转化效率；通过在基体层和微晶格电热层之间增加碳化硅过渡层，使得纳米微晶格相分离电热材料能够迅速升温。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，一种纳米微晶格相分离电热材料，包括：基体层1、过渡层2、微晶格电热层3和绝缘隔热层4，所述基体层1、过渡层2、微晶格电热层3和绝缘隔热层4顺序叠放，所述基体层1为硅基体层1，所述过渡层2为3-5μm厚的碳化硅过渡层2，所述微晶格电热层3为由钛、稀土氧化物、钨单质纳米粉粒依次沉积在过渡层2上形成钛层、稀土氧化物层和钨层。硅基体层1厚度对于发热效率没有很大的影响，普通基体层1为5mm厚，纳米微晶格相分离电热材料通过将纳米钛和纳米钨沉积在过渡层2上，在钛层和钨层之间喷涂稀土氧化物阻碍纳米钛和纳米钨导电过程中的位错运动，提高了电热转化效率。

具体的，所述钛层与钨层厚度比为2:1，所述钨层厚度为5-10nm。

具体的，所述稀土氧化物以重量份计为：氧化钇25份、氧化铈16份和氧化镧11份均匀混合，稀土氧化物层厚度为2-4nm。研究表明，铈的氧化物在纳米钛材料中，会形成难熔的、高硬度的稀土氧化物质点Ce2O3。这些质点在钛组织导电的过程中阻碍了位错运动，提高了钛和钨的发热性能，氧化铈会夺取了钛和钨的气体杂质(尤其是在晶界上的)，使得纳米钛和纳米钨具有更加高的纯度，使得电热性能更加好，在使钛和钨得到强化的同时，氧化铈还能使钛和钨保持良好的热稳定性能，氧化钇和氧化镧能够吸收气体杂质以提高纳米钛和纳米钨的纯度。

具体的，多层微晶格电热层3进行叠加，微晶格电热层3层数为1-5层。根据实际需要增加微晶格电热层3层数，通过增加微晶格层数能够增大功率。

具体的，所述绝缘隔热层4为绝缘隔热涂料涂抹而成，所述绝缘隔热涂料配方按重量百分比计含有：二氧化硅72份、氧化铝20份、氧化铁1份、氧化镁2份、氧化钙1份、氧化钠1份、氧化钾1份、环氧树脂30份、间苯二胺2份和己二胺1份，绝缘隔热层4越厚隔热效果越好，但对电热转化效率没有直接影响，普通绝缘隔热层4为3mm。上述绝缘隔热涂料具有强度高、轻质、保温、隔热好、电绝缘性能好、纯度高、颗粒均匀、吸水率低、耐腐蚀等显著特点。

一种用以制备纳米微晶格相分离电热材料的制备方法，其制备方法包括如下步骤：

(1)将硅基体用乙醇清洗4次，烘干，加热基体至温度达到600℃，用高纯氮气将硅基体吹净。

(2)将碳化硅纳米粉粒通过湿法球磨获得水基碳化硅复合纳米胶体，采用喷雾造粒工艺将水基胶体制成微米级团聚型粉末，将喷雾造粒后的碳化硅复合纳米粉体进行热处理，将热处理后的碳化硅利用喷涂设备喷涂至硅基体上形成过渡层2。由于碳化硅是半导体，碳化硅在温度较低的时候电阻较高，但在高温的时候电阻较低，在初始加热阶段碳化硅也由于电阻高作为发热材料进行发热，使得电热材料能够迅速升温，但温度达到高温后碳化硅电阻小，不作为发热材料进行发热，碳化硅此时由于其导热系数高作为导热材料，成为导热介质，此外，碳化硅又具有化学性能稳定、重量轻而强度高、热膨胀系数小、耐磨性能好等优点。

(3)将钛单质放入蒸压装置内，在蒸压装置内充入氩气或者氦气，通过蒸压装置将热至600-800℃使得钛单质蒸发汽化，蒸压装置停止加热使得钛单质在氩气或者氦气中冷凝形成钛的纳米微粒，收集钛纳米微粒备用；将钨单质放入蒸压装置内，在蒸压装置内充入氩气或者氦气，通过蒸压装置将热至1000-1200℃使得钨单质蒸发汽化，蒸压装置停止加热使得钛单质在氩气或者氦气中冷凝形成钨的纳米微粒，收集钨纳米微粒备用；蒸压获得纳米微粒能够使得获得高纯度，无杂质的纳米微粒。

(4)将钛纳米微粒溶解至过饱和硝酸盐水溶液中，将容纳有钛纳米微粒的过饱和硝酸盐水溶液倒入流动沉积池内，将形成过渡层2的硅基体放入流动沉积池池底，通电进行成沉积，使得钛元素发生欠电位沉积，沉积在过渡层2上；

(5)将稀土氧化物装入喷射炉内，通过加热喷射炉使稀土氧化物分子束流从喷射炉喷出，最终落在硅基体的钛层上形成稀土氧化物层；

(6)将钨纳米微粒溶解至过饱和硝酸盐水溶液中，将容纳有钨纳米微粒的过饱和硝酸盐水溶液倒入流动沉积池内，将形成稀土氧化物层的硅基体放入流动沉积池池底，通电进行成沉积，使得钨元素发生欠电位沉积，沉积在稀土氧化物层上；通过沉积法对离子的沉积能够保证钛纳米材料和钨纳米材料实现单层层叠生长，避免了三维层积，实现了原子的水平控制，并且每次层积速度能够独立控制，因此层积膜的质量、重复性、均匀性、厚度和化学计量比可精确控制。

(7)根据需要的层数重复多次4-6步骤，微晶格电热层3之间通过重复5步骤将微晶格电热层3隔离，完成微晶格电热层3喷涂；

(8)在微晶格层上植入铜箔电极或者铝箔电极；

(9)将二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化镁、氧化钙、氧化钠、氧化钾在电能加热方式下加热至500-700℃，使得表面均匀膨胀，再将温度瞬间提升至1200-1400℃后开始玻化，自然冷却后形成连续玻质化的颗粒，再以环氧树脂作为粘合剂，间苯二胺和己二胺为固化剂，搅拌均匀，涂刷在硅基体的微晶格电热层3上。

本发明的具体实施过程如下：

实施例1：5mm厚的硅基体层1、3μm碳化硅过渡层2、微晶格电热层3中钨层厚度为5nm、钛层厚度为10nm、稀土氧化物层厚度为2nm、微晶格电热层3层数为1层、3mm厚的绝缘隔热层4。

实施例2：5mm厚的硅基体层1、4μm碳化硅过渡层2、微晶格电热层3中钨层厚度为7nm、钛层厚度为14nm、稀土氧化物层厚度为3nm、微晶格电热层3层数为3层、3mm厚的绝缘隔热层4。

实施例3：5mm厚的硅基体层1、5μm碳化硅过渡层2、微晶格电热层3中钨层厚度为10nm、钛层厚度为20nm、稀土氧化物层厚度为4nm、微晶格电热层3层数为5层、3mm厚的绝缘隔热层4。

实施例1-3所制得的纳米微晶格相分离电热材料性能测试，结果表1所示:

表1：实施例1-3性能测试对比表

通过实施例1-3对比能可见：

1、该材料具有优良的防击穿能力。

2、该材料能够在短时间内进行升温，升温快。

3、该材料具有发热效果稳定，电阻变化率小。

4、该材料电阻转化率优良，但随着微晶格电热层的增加而减小。

实施例4：(1)将硅基体用乙醇清洗4次，烘干，加热基体至温度达到600℃，用高纯氮气将硅基体吹净。将碳化硅纳米粉粒通过湿法球磨获得水基碳化硅复合纳米胶体，采用喷雾造粒工艺将水基胶体制成微米级团聚型粉末，将喷雾造粒后的碳化硅复合纳米粉体进行热处理，将热处理后的碳化硅利用喷涂设备喷涂至硅基体上形成过渡层2。将钛单质放入蒸压装置内，在蒸压装置内充入氩气或者氦气，通过蒸压装置将热至600℃使得钛单质蒸发汽化，蒸压装置停止加热使得钛单质在氩气或者氦气中冷凝形成钛的纳米微粒，收集钛纳米微粒备用；将钨单质放入蒸压装置内，在蒸压装置内充入氩气或者氦气，通过蒸压装置将热至1000℃使得钨单质蒸发汽化，蒸压装置停止加热使得钛单质在氩气或者氦气中冷凝形成钨的纳米微粒，收集钨纳米微粒备用；

(4)将钛纳米微粒溶解至过饱和硝酸盐水溶液中，将容纳有钛纳米微粒的过饱和硝酸盐水溶液倒入流动沉积池内，将形成过渡层2的硅基体放入流动沉积池池底，通电进行成沉积，使得钛元素发生欠电位沉积，沉积在过渡层2上；

(5)将稀土氧化物装入喷射炉内，通过加热喷射炉使稀土氧化物分子束流从喷射炉喷出，最终落在硅基体的钛层上形成稀土氧化物层；

(6)将钨纳米微粒溶解至过饱和硝酸盐水溶液中，将容纳有钨纳米微粒的过饱和硝酸盐水溶液倒入流动沉积池内，将形成稀土氧化物层的硅基体放入流动沉积池池底，通电进行成沉积，使得钨元素发生欠电位沉积，沉积在稀土氧化物层上；

(7)微晶格电热层3之间通过重复5步骤将微晶格电热层3隔离，重复3次4-6步骤，完成微晶格电热层3喷涂；

(8)在微晶格层上植入铜箔电极或者铝箔电极；

(9)将二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化镁、氧化钙、氧化钠、氧化钾在电能加热方式下加热至500℃，使得表面均匀膨胀，再将温度瞬间提升至1200℃后开始玻化，自然冷却后形成连续玻质化的颗粒，再以环氧树脂作为粘合剂，间苯二胺和己二胺为固化剂，搅拌均匀，涂刷在硅基体的微晶格电热层3上。

实施例5：与实施例4基本相同，不同的是：1)通过蒸压装置将热至700℃使得钛单质蒸发汽化；2)通过蒸压装置将热至1100℃使得钨单质蒸发汽化；3)电能加热方式下加热至600℃，4)将温度瞬间提升至1300℃后开始玻化。

实施例6：与实施例4基本相同，不同的是：1)通过蒸压装置将热至800℃使得钛单质蒸发汽化；2)通过蒸压装置将热至1200℃使得钨单质蒸发汽化；3)电能加热方式下加热至700℃，4)将温度瞬间提升至1400℃后开始玻化。

实施例4-6为在不同条件下制得的纳米微晶格相分离电热材料制备方法测试，结果表2所示:

表2：实施例4-6制备方法测试对比表

通过实施例4-6可以看出：

在试验温度范围内所制造出的材料电热转化效果均较为优良。

本发明电热转化率高，电热转化稳定，升温速度快，具有良好的商业适用能力，具有广阔的应用前景。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种纳米微晶格相分离电热材料，其特征在于：包括：基体层、过渡层、微晶格电热层和绝缘隔热层，所述基体层、过渡层、微晶格电热层和绝缘隔热层顺序叠放，所述基体层为硅基体层，所述过渡层为3-5μm厚的碳化硅过渡层，所述微晶格电热层为由钛、稀土氧化物、钨单质纳米粉粒依次沉积在过渡层上形成钛层、稀土氧化物层和钨层。

2.根据权利要求1所述的一种纳米微晶格相分离电热材料，其特征在于：所述钛层与钨层厚度比为2:1，所述钨层厚度为5-10nm。

3.根据权利要求1所述的一种纳米微晶格相分离电热材料，其特征在于：所述稀土氧化物以重量份计为：氧化钇25份、氧化铈16份和氧化镧11份均匀混合，稀土氧化物层厚度为2-4nm。

4.根据权利要求1所述的一种纳米微晶格相分离电热材料，其特征在于：多层微晶格电热层进行叠加，微晶格电热层层数为1-5层。

5.根据权利要求1所述的一种纳米微晶格相分离电热材料，其特征在于：所述绝缘隔热层为绝缘隔热涂料涂抹而成，所述绝缘隔热涂料配方按重量百分比计含有：二氧化硅72份、氧化铝20份、氧化铁1份、氧化镁2份、氧化钙1份、氧化钠1份、氧化钾1份、环氧树脂30份、间苯二胺2份和己二胺1份。

6.一种用以制备纳米微晶格相分离电热材料的制备方法，其特征在于，其制备方法包括如下步骤：

(1)将硅基体用乙醇清洗4次，烘干，加热基体至温度达到600℃，用高纯氮气将硅基体吹净。

(2)将碳化硅纳米粉粒通过湿法球磨获得水基碳化硅复合纳米胶体，采用喷雾造粒工艺将水基胶体制成微米级团聚型粉末，将喷雾造粒后的碳化硅复合纳米粉体进行热处理，将热处理后的碳化硅利用喷涂设备喷涂至硅基体上形成过渡层。

(3)将钛单质放入蒸压装置内，在蒸压装置内充入氩气或者氦气，通过蒸压装置将热至600-800℃使得钛单质蒸发汽化，蒸压装置停止加热使得钛单质在氩气或者氦气中冷凝形成钛的纳米微粒，收集钛纳米微粒备用；将钨单质放入蒸压装置内，在蒸压装置内充入氩气或者氦气，通过蒸压装置将热至1000-1200℃使得钨单质蒸发汽化，蒸压装置停止加热使得钛单质在氩气或者氦气中冷凝形成钨的纳米微粒，收集钨纳米微粒备用；

(4)将钛纳米微粒溶解至过饱和硝酸盐水溶液中，将容纳有钛纳米微粒的过饱和硝酸盐水溶液倒入流动沉积池内，将形成过渡层的硅基体放入流动沉积池池底，通电进行成沉积，使得钛元素发生欠电位沉积，沉积在过渡层上；

(5)将稀土氧化物装入喷射炉内，通过加热喷射炉使稀土氧化物分子束流从喷射炉喷出，最终落在硅基体的钛层上形成稀土氧化物层；

(6)将钨纳米微粒溶解至过饱和硝酸盐水溶液中，将容纳有钨纳米微粒的过饱和硝酸盐水溶液倒入流动沉积池内，将形成稀土氧化物层的硅基体放入流动沉积池池底，通电进行成沉积，使得钨元素发生欠电位沉积，沉积在稀土氧化物层上；

(7)根据需要的层数重复多次4-6步骤，微晶格电热层之间通过重复5步骤将微晶格电热层隔离，完成微晶格电热层喷涂；

(8)在微晶格层上植入铜箔电极或者铝箔电极；

(9)将二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化镁、氧化钙、氧化钠、氧化钾在电能加热方式下加热至500-700℃，使得表面均匀膨胀，再将温度瞬间提升至1200-1400℃后开始玻化，自然冷却后形成连续玻质化的颗粒，再以环氧树脂作为粘合剂，间苯二胺和己二胺为固化剂，搅拌均匀，涂刷在硅基体的微晶格电热层上。