CN110149737A - 一种自修复的柔性发热元件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自修复的柔性发热元件及其制备方法，所述柔性发热元件包括四层结构，所述四层结构自下至上依次为：第一层为载体基质层，第二层为涂覆并烧结于载体基质上的厚膜电阻涂层，第三层为粉体材料层，第四层为保护层。本发明的发热元件采用的是粉体材料覆盖于厚膜电阻涂层上，实现了厚膜电阻涂层发热时间过久或经过揉搓而导致的发热效率变低的问题。

Description

一种自修复的柔性发热元件及其制备方法

技术领域

本发明属于电学领域，具体涉及发热元件及其制备方法方向，特别是涉及一种自修复的柔性发热元件及其制备方法。

背景技术

在电子材料里面，所有导电材料是以固态形态表现。当材料进行多次完全将被折断，产生不可修复的损伤。导电性能下降最终乃至失去导电性能。我们技术主要体现在我们形成固态的材料在高倍显微镜下显示出来的为多孔结构，在弯曲过程中以碗状结构弯曲。我们利用比我们厚膜电阻涂层更高的涂料进行填覆。可以填补孔的缺失，其次在弯曲损伤时，粉体材料层可以通过挪动填补损伤位置。以达到恢复电学性能。

例如专利CN107140619A中公开的石墨烯厚膜，该厚膜中石墨烯涂层中具有空隙，而其解决空隙的办法是通过多层石墨烯层进行粘结来解决问题，实际上该解决问题的方法导致成本增加，而且不能可能完全解决空隙问题，最终在每一层石墨烯层上还会出现电阻下降的问题。

还有，在专利申请号为91105250.X中，公开了一种刚性厚膜发热体，其在制备厚膜发热体时，在厚膜浆料中通过交联剂加入石墨等材料，以提高其材料的稳定性，但是其无法解决空隙的问题，所以导致厚膜电热膜的性能会随着使用时间的加长而导致发热效率降低。

而本发明所解决的问题是针对柔性发热厚膜的通用性问题，也就是柔性厚膜会受到外力产生弯折，从而导致厚膜空隙增加或者空隙加大，从而降低了发热厚膜的使用寿命及发热功率大幅度下降。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种自修复的柔性发热元件，其特征在于，所述柔性发热元件包括四层结构，所述四层结构自下至上依次为：第一层为载体基质层，第二层为涂覆并烧结于载体基质上的厚膜电阻涂层，第三层为粉体材料层，第四层为保护层。

优选的，上述柔性发热元件中，所述柔性发热元件中，四层结构为主要结构，四层结构中第二层和第三层一般为基本重合，第二层和和第三层基本重合的其他部分，一般是第一层和第四层紧密结合。也就是说，四层结构中，第二层和第三层一般不能暴露于外界，以避免漏电，所以在第二层和第三层基本重合区外的部分需要通过第一层和第四层直接紧密结合来封闭第二层和第三层，因此说该自修复的柔性发热元件部分是四层结构，部分是两层机结构，但是核心部分是四层结构。

优选的，上述柔性发热元件中，所述厚膜电阻涂层和粉体材料层的重合部分的面积占厚膜电阻涂层面积的90-150％。

粉体材料层覆盖厚膜电阻涂层，其可以全面覆盖厚膜电阻涂层，也可以部分厚膜电阻涂层，甚至其覆盖的范围可以超过厚膜电阻涂层的区域，根据粉体材料层覆盖厚膜电阻涂层的目的确定粉体材料层的覆盖的范围，一般情况下，为了填充厚膜电阻涂层中的空隙或者是使厚膜电阻涂层表面的不平整，粉体材料层需要实现完全覆盖厚膜电阻涂层。

上述柔性发热元件中，载体基质层可以为任意柔性的绝缘层，只要其熔点温度高于烧结温度即可。一般情况下，载体基质层为PP薄膜，TPU薄膜，PET塑料薄膜。载体介质层的基本作用是承载厚膜电阻涂层，并保证厚膜电阻涂层能够紧密结合在载体基质层上。除此之外，载体基质层可以选择传热性能高的或者是传热性能低的材料制备，当柔性发热元件通过载体基质层给目标物体加热，则需要载体基质层具有较高的传热性能。当柔性发热元件通过保护层给目标物体加热，而避免热量从其他区域散播出去，则需要载体基质层具有较低的传热性能。

优选的，上述柔性发热元件中，所述厚膜电阻涂层为包含金属的厚膜电阻涂层，或者是含碳的厚膜电阻涂层。制备厚膜电阻涂层浆料一般包含金属材料或含碳材料、分散剂、溶剂等成分。厚膜电阻涂层的厚度一般小于50微米，厚膜电阻涂层经过烧结后其表面会有凹凸和空隙，在经过揉搓后一般还会形成大的空隙，其导致电阻的阻值降低，发热效率一般会降低。本发明通过粉体材料层对厚膜电阻涂层进行覆盖，既能够填充厚膜电阻涂层中的空隙，还能够使得厚膜电阻涂层的表面变得平整，减少表面凹凸的差距，凹陷处会被填平，这样，通过在厚膜电阻涂层表面覆盖电阻粉体层实现了发热元件在发热过程中保持厚膜电阻涂层的发热效率，即使在厚膜电阻涂层收到外界损伤而导致厚膜电阻涂层中的空隙变大或者是表面凹凸位差过大，粉体材料层能够及时地修复，保证厚膜电阻涂层的发热效率，实现厚膜电阻涂层的自修复。

优选的，上述柔性发热元件中，所述粉体材料层为具电阻粉体材料层或者是具有导电性能的粉体材料层。

优选的，上述柔性发热元件中，所述粉体材料为石墨粉，石墨烯粉，硅粉、金属粉等中的一种或多种的混合。

保护层一般也称作覆盖层，保护层可以为PP薄膜，TPU薄膜，PET塑料薄膜等柔性薄膜。

优选的，上述柔性发热元件中，所述粉体材料层中的粉体颗粒的平均粒径小于等于通孔的孔径。

厚膜电阻涂层在涂覆于载体基质时，在涂覆的同时，因涂层涂覆时的流体性质和烧结工艺，有时会产生基于其材料特质的不规则的孔隙，根据涂层产生的孔隙特点，对第三层粉体材料层加工碾磨，使该粉体粒径小于涂层的孔径并通过涂覆填充入该孔隙中。

优选的，上述柔性发热元件中，所述粉体材料层的平均粒径小于等于50微米。

粉体材料一般经过反复碾磨加工后，粉体材料的平均粒径可控制在厚膜电阻涂层的孔隙中，在一定程度上填充厚膜电阻涂层产生的孔隙。经过加工后的粉体材料通过范德华力与通孔进行填补，但是可以挪动。

优选的，上述柔性发热元件中，所述粉体材料层厚度为厚膜电阻涂层的厚度的0.2-2倍。

因为粉体材料层同样具有导电性，其厚度要保证能提供柔性，使柔性发热元件具有优秀的柔度。而粉体材料在达到足够小的粒径时，也不会对保护层的平面产生凹凸不平的影响。

所述粉体材料层在厚膜电阻涂层被弯折断裂情况下通过挪动填补，达到自修复效果。粉体材料层和涂覆依靠厚膜电阻涂层涂覆时产生的孔隙，可以在厚膜电阻涂层发生断裂等情况时，进行更大范围的移动，填充断裂形成的缝隙，使得厚膜电阻涂层断裂后仍可依靠粉体材料的流动性保持连接性。粉体材料层为导电粉体材料层，从而在该粉体材料层拥有断裂后，因粉体填充带来的连接性使该厚膜电阻涂层与粉体材料层仍然具有通过电流的能力。

本发明还提供了一种发热元件的自修复方法，所述发热元件为厚膜发热元件，所述厚膜发热元件包括厚膜载体基质和涂覆于厚膜载体基质上的厚膜电阻涂层，其特征在于所述方法包括如下步骤：

在厚膜电阻涂层上方涂覆具电阻粉体材料层或者是具有导电性能的粉体材料层。

优选的，上述自修复方法中，所述方法还包括在在厚膜电阻涂层上方涂覆具电阻粉体材料层或者是具有导电性能的粉体材料层后进行高压涂覆保护层，以使得具电阻粉体材料层与厚膜电阻涂层紧密结合并排除具电阻粉体材料层或者是具有导电性能的粉体材料层中的空气。

优选的，上述自修复方法中，所述具电阻粉体材料层涂覆的厚度为厚膜电阻涂层厚度的0.2-2倍。

优选的，上述自修复方法中，所述具电阻粉体材料层中的粉体材料为平均粒径小于等于50微米的粉体颗粒材料。

优选的，上述自修复方法中，所述具电阻粉体材料为石墨粉，石墨烯粉，硅粉、金属粉等中的一种或多种的混合。

优选的，上述自修复方法中，所述厚膜电阻涂层和具电阻粉体材料层的重合部分的面积占厚膜电阻涂层面积的90-150％。

上述自修复方法解决了发热元件自修复的问题，也就是为了实现发热元件的自修复，需要在厚膜电阻涂层上涂覆具电阻粉体材料层。同时最好进行压制强化两个层的紧密结合和空气的排除。

本发明的有益效果：

本发明的发热元件采用的是粉体材料覆盖于厚膜电阻涂层上，实现了厚膜电阻涂层发热时间过久或经过揉搓而导致的发热效率变低的问题。

本发明的发热元件的自修复方法实现了发热元件自修复能力提高的方法，主要是在厚膜电阻涂层上进行压制涂覆具电阻粉体材料，提高结合紧密度和排除空气。

附图简要说明

图1为发热元件的上下层的层级机构示意图。

图2为发热元件纵截面的示意图。

图1和图2中，所述序号表示的含义为：

1为载体基质层；2为厚膜电阻涂层，3为具电阻粉体材料层，4为保护层，5为棱台空隙。

具体实施方式

结合具体的实施方式，进一步对本发明进行说明。以下实施例对本领域普通技术人员对本发明技术方案的理解与运用起到完整的说明作用，但实施例中所述的技术方案并不作为限制本发明技术方案的任何形式。对于本领域普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以就本发明所述技术方案做出更多变化或者更多改进，对于在本发明保护范围内的变化或改进，不排除在保护范围内。

实施例1：发热元件的结构

发热元件的结构如图1所示，发热元件包括载体基质层1、厚膜电阻涂层2、具电阻粉体材料层3和保护层4。

在载体基质层1上涂覆烧结电阻浆料，形成厚膜电阻涂层2，在厚膜电阻涂层2上覆盖具电阻粉体材料，形成具电阻粉体材料层3，在具电阻粉体材料层3上方再覆盖保护层4。

其中厚膜电阻涂层2的制备方法是：

将浆料通过菲林片印刷在载体基质层表面，或者是通过喷墨印刷在载体基质层1表面，然后进行烧结，烧结后，电阻浆料固化粘结在载体基质层1上，形成厚膜电阻涂层2。

其中具电阻粉体材料层3的制备方法是：

在厚膜电阻涂层2制备完成后，将具有电阻性能的粉体材料，如石墨粉，石墨烯粉、硅粉、纳米金属粉、无机有机混合粉、金属和非金属混合粉等直接涂覆在厚膜电阻涂层上，或者在涂覆前可以将粉体材料与溶剂或者是分散剂混合，溶剂为有机溶剂或水，分散剂可以是有机分散剂或无机分散剂，其主要目的使得粉体材料容易涂覆得比较均匀。如果粉体材料与溶剂或分散剂混合后涂覆的情况下，涂覆完成后再进行烘干，形成具电阻粉体材料层3。

电阻粉体材料层3所覆盖的面积一般情况下大于厚膜电阻涂层2的面积，也就是除了覆盖厚膜电阻涂层2以外，还有一部分涂覆于载体基质层1上，并且在涂覆保护层的时候，需要进行高压力压制，从元件的一端向另一端压制，挤压出具电阻粉体材料层中的空气。涂覆具电阻粉体材料层和高压压制的目的是填充厚膜电阻涂层2与载体基质层1所形成的棱台空隙5，同时排除空气，保证不再形成新的空隙和不存在空气。

如图2所示，该示意图为图1发热元件的横截面图，在该图中，载体基质层1上烧结厚膜电阻涂层2后，形成棱台空隙5，然后将粉体材料覆盖于厚膜电阻涂层2表面，同时填充棱台空隙5，形成具电阻粉体材料层3，然后再在具电阻粉体材料3上涂覆保护层4，这样就可以避免在覆盖保护层4的时候在其中间形成空隙，避免空气残留，使得发热元件在使用过程中不会产生气体膨胀，避免发热元件中间有气泡。

实施例2：发热元件的性能测试

按照实施例1的结构和方法制备发热元件，选择不同粒径的石墨粉、不同粒径的石墨烯、不同粒径的石墨和硅粉混合物等作为具电阻粉体材料涂覆于厚膜电阻涂层上，然后测试发热元件的发热性能影响。其中载体基质层1、厚膜电阻涂层2和保护层4都是相同的，在发热元件制备过程中仅仅更换粉体材料的组成。具体的，具电阻粉体材料的情况如下：

序号	粉末组成(重量百分比)	平均粒径(微米)	制备厚膜元件产品编号
				1	石墨粉	1.28	FY01
2	石墨粉	4.78	FY02
				3	石墨粉	20.62	FY03
4	石墨粉	46.54	FY04
				5	石墨粉	78.39	FY05
6	石墨烯粉	2.54	FY06
				7	石墨烯粉	25.92	FY07
8	石墨粉40％+硅粉60％	10.64	FY08
				9	硅粉60％+银粉40％	5.83	FY09
10	石墨粉50％+银粉50％	4.85	FY10
				11	无粉末层	---	FY11

将上述不同粉体材料制备的发热元件进行试验，在5V和2A的直流电通电测试中，将多组贴片式温度传感器贴附于发热原件上，在恒温室内，在连续通电的情况下，在第1天、第5天、第10天、第30天时发热原件的温度值，取其1-3分钟的温度均值，每次测量重复三次，再取平均值。

从结果可以看出，通过具电阻粉体材料层的加入，实现了发热元件的自修复，尤其是采用颗粒粒径小于50微米的粉体材料，其功率性能得到很大的改善，从正常功率降低8.9％，最低可降低至5.2％，而且对于导电无机材料、导电有机材料及其混合物来说，都能够实现元件的自修复。

按照上述实验，对发热厚膜进行揉搓实验，停止供电30分钟进行揉搓，揉搓方法为横向对折、竖向对折、揉团展开再揉团的方式进行，持续揉搓30分钟，然后在平展压平继续进行试验，每天揉搓30分钟，然后分别在第1天、第5天、第10天、第30天时发热原件的温度值，取其1-3分钟的温度均值，每次测量重复三次，再取平均值，具体的结果参见如下表。

从上表可以看出，对于发热元件的揉搓来说，具有粉体材料层的发热元件的功率降低比率比较低，最低为13.9％，正常的发热元件的功率降低达到29.0％，足见采用平均粒径小于50微米的粉体材料层实现了发热元件的修复。

Claims (13)

1.一种自修复的柔性发热元件，其特征在于，所述柔性发热元件包括四层结构，所述四层结构自下至上依次为：第一层为载体基质层，第二层为涂覆并烧结于载体基质上的厚膜电阻涂层，第三层为粉体材料层，第四层为保护层。

2.根据权利要求1所述的柔性发热元件，其特征在于所述厚膜电阻涂层和粉体材料层的重合部分的面积占厚膜电阻涂层面积的90-150%。

3.根据权利要求1所述的柔性发热元件，其特征在于所述厚膜电阻涂层为包含金属的厚膜电阻涂层，或者是含碳的厚膜电阻涂层。

4.根据权利要求1所述的柔性发热元件，其特征在于所述粉体材料层为具电阻粉体材料层或者是具有导电性能的粉体材料层。

5.根据权利要求4所述的柔性发热元件，其特征在于所述粉体材料为石墨粉，石墨烯粉，硅粉、金属粉中的一种或多种的混合。

6.根据权利要求1所述的柔性发热元件，其特征在于所述粉体材料层中的粉体颗粒的平均粒径小于等于通孔的孔径，优选的，所述粉体材料层的平均粒径小于等于50微米。

7.根据权利要求1所述的柔性发热元件，其特征在于所述粉体材料层厚度为厚膜电阻涂层的厚度的0.2-2倍。

8.一种发热元件的自修复方法，所述发热元件为厚膜发热元件，所述厚膜发热元件包括厚膜载体基质和涂覆并烧结于厚膜载体基质上的厚膜电阻涂层，其特征在于所述方法包括如下步骤：

在厚膜电阻涂层上方涂覆具电阻粉体材料层或者是具有导电性能的粉体材料层。

9.根据权利要求8所述的自修复方法，其特征在于所述方法还包括在在厚膜电阻涂层上方涂覆具电阻粉体材料层或者是具有导电性能的粉体材料层后进行高压涂覆保护层，以使得具电阻粉体材料层与厚膜电阻涂层紧密结合并排除具电阻粉体材料层或者是具有导电性能的粉体材料层中的空气。

10.根据权利要求8所述的自修复方法，其特征在于所述具电阻粉体材料层或者是具有导电性能的粉体材料层涂覆的厚度为厚膜电阻涂层厚度的0.2-2倍。

11.根据权利要求8所述的自修复方法，其特征在于所述具电阻粉体材料层中的粉体材料为平均粒径小于等于50微米的粉体颗粒材料。

12.根据权利要求8所述的自修复方法，其特征在于所述具电阻粉体材料为石墨粉，石墨烯粉，硅粉、金属粉中的一种或多种的混合。

13.根据权利要求8所述的自修复方法，其特征在于所述厚膜电阻涂层和具电阻粉体材料层的重合部分的面积占厚膜电阻涂层面积的90-150%。