CN112087829B - 表面型加热元件及制造方法 - Google Patents

Abstract

表面型加热元件及制造方法。本发明涉及一种利用电产生热量的表面型加热元件及制造该表面型加热元件的方法。本发明的一个实施方式提供了一种表面型加热元件，其包括NiCr合金，并且相对于基板或绝缘层具有3N以上的粘附强度，并且电阻率为10^‑4Ωcm至10^‑2Ωcm，因此，即使在400℃以上的高操作温度下也能够使用该表面型加热元件，其抑制材料本身的脱出，并且具有高断裂韧性，低热膨胀系数，并且具有耐热性，从而提高了产品的可靠性和寿命。

Description

表面型加热元件及制造方法

技术领域

本公开涉及一种表面型加热元件及其制造方法，该表面型加热元件在诸如电炉之类的加热装置领域中使用电产生热量。

背景技术

用作家用或商用烹饪用具的炉灶是通过加热放置在炉灶的上表面上的容器来加热容器中容纳的食物的烹饪用具。

传统上，使用了使用燃气产生火焰的燃气灶形式的炉灶，但是逐渐在使用包括通过施加电流来产生热量的表面型加热元件的呈电炉形式的炉灶。

作为表面型加热元件，正在使用的为通过蚀刻含有铁、镍、银或铂的金属薄板制成的金属加热元件或通过烧结含有碳化硅、氧化锆或碳的非金属加热元件制成的陶瓷烧结体。

近来，公知一种制造表面型加热元件的方法，该方法不需要用于制造传统表面型加热元件所需的高温热处理，例如韩国注册专利第10-1637122号(2016年6月30日注册，并且下文中称为“现有技术”)中公开的光子烧结方法。

现有技术的光子烧结方法是通过使用白光用光能照射糊剂来烧结包括陶瓷粉末的糊剂的方法。

现有技术中的包括陶瓷粉末的表面型加热元件具有以下基本问题。

首先，因为大多数陶瓷材料是非导电的，所以与导电的金属材料相比，它们具有固有的高电阻率。

陶瓷材料的高电阻率降低了表面型加热元件的输出，从而限制了成品炉灶的操作温度。

另外，陶瓷材料由于具有低延展性和低韧性而具有较差的机械性能。

特别地，因为陶瓷材料具有低韧性，所以表面型加热元件的分离和损坏是由于反复加热和冷却表面型加热元件引起的热变形或热应力以及由烹饪用具引起的冲击而引起的。

此外，陶瓷材料的热膨胀系数与通常用作炉灶等的基板的玻璃的热膨胀系数差异大。

随着基板与表面型加热元件之间的热膨胀系数的差异增大，它们之间的热变形程度的差异也增大，结果更高的热应力或热冲击施加至表面型加热元件。

同时，当将金属材料用作表面型加热元件时，金属材料与将用作基板的陶瓷材料不同，从而由现有技术中的陶瓷材料产生不同的问题。

首先，连接异种材料的问题是材料领域长期未解决的挑战之一。

传统的表面型加热元件是通过热烧结方法制造的，在该方法中，通过将具有与玻璃的粘结功能的大量玻璃料添加到金属材料粉末中而制成糊剂，在高温下加热该糊剂。

然而，热烧结方法具有引起玻璃基板变形的基本问题。而且，当糊剂中添加的玻璃料的量小于或等于若干重量百分数(下文中，也称为“wt％”或“％”)时，基板与包括金属材料作为主要组分的表面型加热元件之间的粘附性降低，因而表面型加热元件从基板上剥离或分离。另一方面，当增大糊剂中添加的玻璃料的量时，不能满足作为金属材料的固有优点的电阻率。

同时，尽管现有技术提到使用金属材料进行光子烧结是可行的，但是在所有实施例中都没有公开使用金属材料的表面型加热元件。

特别地，现有技术中描述的金属材料固有地不具有高熔点，此外，金属材料与其它组分的合金具有低熔点。因此，当金属材料长时间用在表面型加热元件中时，金属组分会扩散或脱出，导致产品的寿命和可靠性降低。

另外，现有技术提出了诸如锂、钠、钾、镉、汞、硼、钾、硅、锗之类的组分作为金属材料，并且上述所有组分都是难以使用或禁止将其用作表面型加热元件的，并具有包括非金属或半导体的问题。

发明内容

为了解决以上问题，本公开旨在提供一种以金属材料为主要组分的表面型加热元件。

具体地，本公开旨在提供一种包括金属材料作为主要组分的表面型加热元件及其制造方法，该金属材料使得实现在炉灶的操作温度下稳定地输出，而不会降低表面型加热元件的输出并且不会增加表面型加热元件的厚度。

更具体地，本公开旨在提供一种表面型加热元件及其制造方法，该表面型加热元件包括具有低电阻温度系数的金属材料，该金属材料指示电阻值根据温度的变化，从而通过降低表面型加热元件开始操作时所需的初始浪涌电流来针对过电流确保用户的安全。

另外，本公开旨在提供一种表面型加热元件及其制造方法，该表面型加热元件包括金属材料作为主要组分，该金属材料通过确保高延展性和/或高韧性而具有对热应力或热冲击的高抗性和对外部冲击的高抗性。

另外，本公开旨在提供一种表面型加热元件及其制造方法，该表面型加热元件包括用于高温的金属材料作为主要组分，该金属材料在基板和/或绝缘层与表面型加热元件之间的热膨胀系数差异小，以减少施加到表面型加热元件的热应力或热冲击。

特别地，本公开旨在提供一种表面型加热元件及其制造方法，该表面型加热元件通过包括用于高温的高熔点金属材料作为主要组分，即使在高温下长时间使用时也能够抑制金属组分的扩散和脱出。

此外，本公开旨在提供一种表面型加热元件及其制造方法，该表面型加热元件包括金属材料作为主要组分，该金属材料不仅对由相同材料制成的基板具有优异的粘附性，而且对由异种材料制成的基板具有优异的粘附性。

本公开的目的不限于上述目的，并且本公开的未被提及的其它目的和优点可以通过以下描述来理解，并且可以通过本公开的示例性实施方式更清楚地理解。另外，将显而易见的是，本公开的目的和优点可以通过以下方面指示的方案及其组合来实现。

用于实现以上目的的根据本公开的一个实施方式的表面型加热元件具有的主要技术特征在于所述表面型加热元件由包括NiCr合金的金属材料制成。

具体地，根据本公开的一个实施方式的表面型加热元件，所述NiCr合金的Ni含量可以在60wt％至95wt％(下文中，也称为“％”)的范围内。

更具体地，根据本公开的一个实施方式的表面型加热元件电阻率可以在10^-4Ωcm至10^-2Ωcm的范围内。

特别地，所述表面型加热元件相对于其下的供布置该表面型加热元件的基板或绝缘层的粘附强度可以为5N以上。

在这种情况下，所述基板可以由玻璃、玻璃陶瓷、Al₂O₃、AlN、聚酰亚胺、聚醚醚酮(PEEK)以及陶瓷中的任一种形成。

优选地，所述基板可以由玻璃或玻璃陶瓷形成。

更优选地，所述基板可以由玻璃陶瓷形成。

所述绝缘层可以包括氮化硼、氮化铝和氮化硅中的任一种，

所述绝缘层还可以包括玻璃料作为粘合剂。

在这种情况下，所述粘合剂或玻璃料可以包括硼硅酸盐组分和/或膨润土组分。

用于实施以上目的的根据本公开的另一实施方式的表面型加热元件的制造方法具有的主要技术特征在于该方法包括：通过将包括NiCr合金组分的表面型加热元件糊剂施加到所述基板上，来用表面型加热元件层涂覆所述基板。

具体地，所述NiCr合金粉末的Ni含量可以在60wt％至95wt％(下文中，也称为“％”)的范围内，并且所述NiCr合金粉末的粒径可以为10nm至10μm。

在这种情况下，所述基板可以由玻璃、玻璃陶瓷、Al₂O₃、AlN、聚酰亚胺、聚醚醚酮(PEEK)以及陶瓷中的任一种形成。

此外，根据本公开的另一实施方式的表面型加热元件的制造方法具有的另一主要技术特征在于该方法包括：光子烧结包括施加到所述基板上的、包括所述NiCr合金粉末的所述表面型加热元件糊剂。

具体地，所述光子烧结中的总光照射强度可以在40至70J/cm²的范围内。

更具体地，一种制造本公开的表面型加热元件的方法，包括：通过将包括NiCr合金组分的表面型加热元件糊剂施加到基板上，来用表面型加热元件层涂覆所述基板；干燥所施加的表面型加热元件层；以及对干燥的表面型加热元件层进行光子烧结。

此外，所述方法还可以包括在用表面型加热元件层涂覆之前，在基板上形成绝缘层。

在这种情况下，所述绝缘层可以包括氮化硼、氮化铝和氮化硅中的任一种。

所述绝缘层可以包括玻璃料作为粘合剂，所述粘合剂包括硼硅酸盐组分和/或膨润土组分。

同时，除了所述NiCr合金粉末之外，所述表面型加热元件糊剂还可以包括玻璃料、有机粘和剂和溶剂。

此外，所述表面型加热元件糊剂还可以包括添加剂。

作为具体且非限制性实施例，所述表面型加热元件糊剂可以包括30％至80％的NiCr合金粉末；3％以下但不包括0％的玻璃料；10％至30％的有机粘合剂；5％至30％的溶剂；以及1wt％至10wt％的添加剂。

在这种情况下，所述有机粘合剂可以是乙基纤维素，并且所述溶剂可以是丁基卡必醇乙酸酯。

附图说明

通过参考附图详细描述本公开的示例性实施方式，本公开的以上和其它目的、特征和优点对于本领域普通技术人员而言将变得更加显而易见，在附图中：

图1是从基板(10)上方观察时的本公开的一实施方式的表面型加热装置的平面图；

图2是示出沿图1的表面型加热装置的A-A′剖切的部分的一个实施例的放大剖视图；

图3是示出沿图1的表面型加热装置的A-A′剖切的部分的另一实施例的放大剖视图；

图4是示出在大功率操作期间，由于基板的电阻率降低，表面型加热元件层的加热元件中发生短路而使加热器模块损坏的实施例；

图5是示出以40J/cm²的总光照射强度形成的表面型加热元件层30的微观结构的图像；

图6是示出以60J/cm²的总光照射强度形成的表面型加热元件层30的微观结构的图像；以及

图7是示出以70J/cm²的总光照射强度形成的表面型加热元件层30的微观结构的图像。

具体实施方式

将参考附图详细描述本公开的以上目的、特征和优点，因此，本领域普通技术人员应当容易地实施本公开的技术思想。在本公开的以下描述中，当确定对现有技术的详细描述不必要地使本公开的主题不清楚时，将省略该详细描述。在下文中，将参考附图详细描述本公开的示例性实施方式。在附图中，相同的附图标记用于指示相同或相似的部件。

在下文中，任一部件布置在一个部件的“上部(或下部)”上或者“布置在一个部件上(或下方)”的布置可能不仅意味着任意部件布置成与该部件的上表面(或下表面)接触，而且还意味着该部件与布置在该部件上(或下方)的任意部件之间插设有其它部件。

另外，应当理解，当一个元件被描述成“连接”或“联接”至另一元件时，该元件可以直接连接或耦合至另一个元件，其他元件可以“插设”在这些元件之间，或者每个元件均可以借助其它元件“连接”或“联接”。

下文中，将描述根据本公开的一些实施方式的表面型加热元件及其制造方法。

参考图1至图3，根据本公开的一个实施方式的电炉1包括：基板10，其表面由电绝缘材料制成；绝缘层20，其布置在基板10上；表面型加热元件层30，其通过烧结含有氧化物粉末的预定粉末而形成并且布置在布置于基板10上的绝缘层20上；以及电源单元50，其构造成为表面型加热元件层30供电。

在这种情况下，可以根据使用电炉1的装置的需要，以各种尺寸和形状来制造基板10。作为非限制性实施例，本公开的基板10可以是板状构件。另外，必要时基板10可以针对基板中的每个位置具有不同厚度。此外，必要时基板10可以弯曲。

在本公开中，形成基板10的材料在其是绝缘材料的情况下就足够了，并且没有特别限制。作为非限制性实施例，本公开中的基板不仅可以是含有玻璃、玻璃陶瓷、氧化铝(Al₂O₃)、氮化铝(AlN)等的陶瓷基板，而且还可以由诸如聚酰亚胺(PI)或聚醚醚酮(PEEK)之类的聚合物材料形成。然而，基板优选包括玻璃、玻璃陶瓷和陶瓷中的任一种。这是因为这些材料基本上能够确保绝缘性能，并且与其它材料相比在防污、防指纹效果和视觉性能方面是有利的。特别地，最优选玻璃陶瓷，因为与其它陶瓷材料相比，玻璃陶瓷除了具有普通的非晶玻璃的优点(例如透明性和美观性)之外，还可以确保耐冲击性和低膨胀性。

作为非限制性实施例，绝缘层20可以设置在基板10的两个表面中的任何一者(即其上形成有表面型加热元件层30的表面)上。当本公开的实施方式的电炉包括绝缘层20时，绝缘层20应当形成在基板10的全部或一部分上。在这种情况下，基板的所述一部分至少指的是在电炉操作期间基板10的能够被用户触摸的部分以及/或者表面型加热元件层与基板彼此接触的部分。

烧制后形成在基板上的绝缘层的厚度优选为5至100μm。当绝缘层的厚度小于5μm时，难以确保绝缘层的电稳定性。另一方面，当绝缘层的厚度大于100μm时，由于绝缘层、基板和表面型加热元件层的材料差异或热膨胀系数的差异，存在诸如很可能出现裂纹之类的问题，消耗了大量的材料，并且增加了工艺时间。

绝缘层20优选地包括即使在高温下也可以稳定地确保电阻率的氮化硼、氮化铝和氮化硅中的任一种作为主要组分。所有的组分都有一个共同的特征，那就是陶瓷材料基绝缘体。

当基板10和表面型加热元件层30之间形成有绝缘层20时，绝缘层可以保护用户免受由于在高温下基板的电阻率降低可能引起的回漏电流而引起的电击。另外，绝缘层20由于在高温下具有相对较高的电阻率而在表面型加热元件层30的高功率操作期间防止表面型加热元件层30中的短路电流(参见图4)。结果，可以防止表面型加热元件层30受损坏。

本公开的实施方式的绝缘层20应确保对基板10和/或表面型加热元件层30的粘附性，并且同时具有比基板更高的高温电阻率以及与印刷和后续处理的兼容性。

为此，在本公开的实施方式中，更优选地，绝缘层20还包括无机粘合剂。特别地，更优选地，本公开的实施方式的绝缘层20包括玻璃料作为无机粘合剂以降低烧制温度。更具体地，本公开的实施方式的绝缘层20包括硼硅酸盐和/或膨润土作为玻璃料。特别地，因为硼硅酸盐具有约50×10^-7m/℃的热膨胀系数，该热膨胀系数大致是基板10和下面将描述的表面型加热元件层30的热膨胀系数的平均值，所以能有助于抑制由于与基板10的热膨胀系数的差异而引起的表面型加热元件层30的裂纹或剥离。

本公开的实施方式的电炉包括绝缘层20或基板10上的表面型加热元件层30。在这种情况下，当从上方观察时，表面型加热元件层30的加热元件以预定形状布置在基板10或绝缘层20上。

作为参考图1的实施例，加热元件可以通过以之字形方式沿着圆周延伸同时基于半圆形改变方向而形成在绝缘层20的表面上。在这种情况下，加热元件可以以预定的形状从第一端子单元31到第二端子单元32连续地形成。

本公开的实施方式的表面型加热元件层30包括NiCr合金。在本公开的NiCr合金中，基材是镍(Ni)，并且铬(Cr)作为溶质被提供。在这种情况下，NiCr合金中的Cr含量的重量百分数(下文中，也称为“wt％”或者“％”)优选在5至40的范围内。当Ni-Cr合金中的Cr含量小于5wt％时，耐腐蚀性降低，因此表面型加热元件层可能易受高温或化学物质的影响。另一方面，当Cr含量大于40wt％时，基材Ni的以面心立方晶格为特征的加工性降低，而且NiCr合金的耐热性降低。结果，当在高温下长时间使用电炉时，电炉的寿命和可靠性可能降低。

下表1总结了用于形成本公开的实施方式的表面型加热元件层30的NiCr合金的机械和电性能以及当前正在使用或已知的用于表面型加热元件的材料的机械和电性能。

<表1>用于表面型加热元件的材料的机械/电性能

	<![CDATA[断裂韧性(MPam<sup>1/2</sup>)]]>	热膨胀系数(m/℃)	电阻率(Ωcm)
				Ag	40～105	<![CDATA[180×10<sup>-7</sup>]]>	<![CDATA[1.6×10<sup>-6</sup>]]>
镧钴氧化物	0.9～1.2	<![CDATA[230×10<sup>-7</sup>]]>	<![CDATA[9.0×10<sup>-3</sup>]]>
				玻璃	0.6～0.9	<![CDATA[1×10<sup>-7</sup>]]>	-
<![CDATA[MoSi<sub>2</sub>]]>	6.0	<![CDATA[65～90×10<sup>-7</sup>]]>	<![CDATA[2.7×10<sup>-5</sup>]]>
				SiC	4.6	<![CDATA[40×10<sup>-7</sup>]]>	<![CDATA[1.0×10<sup>-2</sup>]]>
NiCr	110	<![CDATA[120×10<sup>-7</sup>]]>	<![CDATA[1.4×10<sup>-4</sup>]]>

首先，从表1中能够看到，其它陶瓷材料相比，由于金属固有的延展性和刚度，能够看出Ag和NiCr具有非常高的断裂韧性，这是机械性能之一。当用于表面型加热元件的材料具有高的断裂韧性时，该材料本身对使用表面型加热元件时产生的热冲击具有高抗性，因此能够显著提高电炉的寿命和可靠性。

另外，从表1能够看出，本公开的实施方式的NiCr具有比现有的Ag低的热膨胀系数。热膨胀系数是确定热应力或热冲击的重要因素之一，该热应力或热冲击是根据使用表面型加热元件时出现的温度变化而得出的。当NiCr合金和Ag暴露于相同的温度变化时，NiCr合金具有比Ag低的热膨胀系数，因此与Ag相比受到较少的热冲击或热应力。总之，由NiCr合金制成的表面型加热元件的减小的热应力或热冲击有利于提高电炉的寿命和可靠性。

除了机械性能以外表1还示出了电阻率。大多数可用作表面型加热元件的材料在室温下测得的电阻率约为10^-5Ωcm至10^-2Ωcm，Ag除外。当表面型加热元件的电阻率大于10^-2Ωcm时，由于电阻率过高，可能无法设计加热元件的图案。另外，当电阻率大于10^-2Ωcm时，表面型加热元件的输出过低，导致较低的加热温度，这不适合用作烹饪用具。另一方面，当表面型加热元件的电阻率小于10^-5Ωcm时，由于电阻率过低，输出非常高，导致通过施加电流而产生的热量的温度过高，就使用寿命和可靠性而言，这是不合适的。

鉴于以上标准，能够看出单独的Ag不适合用于表面型加热元件，而本公开的实施方式的NiCr合金可以单独用作表面型加热元件，并且也可以与其它组分组合用作表面型加热元件。

同时，尽管未在表1中示出，但是用于表面型加热元件的材料需要根据温度具有小的电阻率变化。

材料的电阻率通常根据温度变化而变化。但是，根据每种材料类型的类别，材料的电阻率随温度变化的性质非常不同。

例如，在表1中所示的镧钴氧化物(LC)或陶瓷材料(例如MoSi₂和SiC)的情况下，通常会借助晶格振动传递电。随着温度升高，构成陶瓷材料的晶格更广泛、更迅速地振动。因此，陶瓷材料的电阻率倾向于随温度升高而降低。

另一方面，在表1中所示的金属(例如Ag和NiCr)中，通过自由电子来传递电。随着温度升高，构成金属的晶格也更广泛、更迅速地振动。但是，在金属的情况下，电的传递通常由自由电子进行，并且自由电子的移动受到晶格振动的限制。因此，金属的晶格随着温度的升高而更广泛、更迅速地振动，从而干扰自由电子的运动。结果，金属的电阻率趋于随温度升高而增加。

在从室温到电炉能够被使用的最大操作温度，本公开的实施方式的NiCr合金的电阻率的变化非常小，在5％的范围内。当NiCr合金用作电炉的表面型加热元件时，在电炉的操作开始时所需的初始浪涌电流降低，从而消除了由过电流引起的对用户的危险，并且能够无需诸如交流电三极管(TRIAC)之类的额外单元而稳定地操作电炉。

另一方面，当Ag用作电炉的表面型加热元件时，Ag的过低电阻率和高电阻温度系数导致在电炉的操作开始时初始浪涌电流大大增加的风险，并且导致需要诸如TRIAC之类的单独单元的缺点。

在本公开的实施方式中，表面型加热元件层30以糊剂的形式厚厚地施加在基板10或绝缘层20上。

本公开的糊剂是指含有诸如溶剂、有机粘合剂之类的必需组分以及诸如各种类型的有机添加剂和负责烧制(或烧结)后的基板上的主要功能的无机物质的颗粒(粉末)之类的可选组分的媒介物的混合物。

更具体地，本公开的实施方式的表面型加热元件层30包括NiCr合金粉末。本公开的实施方式的NiCr合金粉末优选具有10nm至10μm的平均粒径(D50)。当NiCr合金粉末的平均粒径(D50)小于10nm时，粉末的表面积过度增加，并且粉末的活性增加。结果，呈糊剂形式的NiCr合金粉末不能均匀地分散。另一方面，当NiCr合金粉末的平均粒径(D50)大于10μm时，由于NiCr合金粉末的粒径过大，粉末颗粒之间的颈缩较小，或者说粉末不能均匀地分散。结果，电阻率过度增加，并且表面型加热元件层30与基板10或下方的绝缘层20之间的粘附性降低。

同时，可以借助各种方法来制备本公开的NiCr合金粉末。作为非限制性实施例，NiCr合金粉末可以通过电线的爆炸、热等离子体处理等来制备，并且还可以借助除上述示例性方法之外的各种方法来制备。

本公开的NiCr合金粉末可以与其它无机物质以及媒介物一起被包括在糊剂中。更具体地，本公开的实施方式的糊剂可以包括30至80wt％的NiCr合金粉末、3wt％以下但不包括0wt％的玻璃料、10wt％至30wt％的有机粘合剂、5wt％至30wt％的溶剂以及1wt％至10wt％的各种类型的添加剂。

施加在用于形成本公开的表面型加热元件层30的糊剂中的NiCr合金粉末确定表面型加热元件层30的电性能和机械性能。特别地，NiCr合金粉末确定最终的表面型加热元件层30的电阻率以确定包括表面型加热元件的电炉的性能。此外，NiCr合金粉末确定表面型加热元件层30的断裂韧性和粘附性，从而在很大程度上影响电炉的寿命和可靠性。

当NiCr合金粉末的含量小于30wt％时，最终的表面型加热元件层30的电阻率过度增大。另外，烧结后的最终表面型加热元件层30的厚度可能过度减小。另一方面，当NiCr合金粉末的含量大于80wt％时，最终的表面型加热元件层30和其下的绝缘层20之间的粘附性降低。

在糊剂组分中，玻璃料用作允许表面型加热元件层30与其下的绝缘层20结合的无机粘合剂，并起到调节表面型加热元件层30的电阻的作用。此外，玻璃料赋予表面型加热元件层30电极保护和绝缘性能。

当玻璃料的含量为0wt％(即，不包括玻璃料)时，最终表面型加热元件层30与其下的绝缘层20的粘附性变弱。另一方面，当玻璃料的含量大于3wt％时，最终表面型加热元件层30的电阻率过度增大，因此其输出降低。

在糊剂组分中，当使用丝网印刷等施加糊剂时，有机粘合剂起到使NiCr粉末和玻璃料混合以分散混合物的作用，并且影响糊剂的流动性以及覆膜的稳定性。

本公开的有机粘合剂可以包括热塑性树脂和/或热固性树脂。作为热塑性粘合剂，可以使用丙烯酸基、乙基纤维素基、聚酯基、聚砜基、苯氧基和聚酰胺基粘合剂。作为热固性粘合剂，可以使用氨基、环氧基和酚基粘合剂，在这种情况下，有机粘合剂可以单独使用或两种以上组合使用。

当有机粘合剂的含量小于10wt％时，在用表面型加热元件糊剂进行涂覆时覆膜的机械稳定性降低，因此难以稳定地维持覆膜。另一方面，当有机粘合剂的含量大于30wt％时，由于高流动性，覆膜的机械稳定性降低，并且最终表面型加热元件层30的厚度过度减小。

溶剂优选具有即使在大气压下施加相对较低水平的热量也足以蒸发的高挥发性，同时确保糊剂中的有机物质(特别是聚合物)完全溶解。另外，溶剂应在低于有机介质中所含任何其它添加剂的分解温度或沸点的温度下充分沸腾。即，最常使用在大气压下测得的沸点小于150℃的溶剂。

根据有机粘合剂的类型选择本公开的溶剂。作为溶剂，通常可以使用芳族烃、醚、酮、内酯、醚醇、酯、二酯等。作为非限制性实施例，这样的溶剂包括丁基卡必醇、丁基卡必醇乙酸酯、丙酮、二甲苯、甲醇、乙醇、异丙醇、甲乙酮、乙酸乙酯、1,1,1-三氯乙烷、四氯乙烯、乙酸戊酯、2,2,4-三乙基戊二醇-1,3-单异丁酸酯、甲苯、二氯甲烷和碳氟化合物。在这种情况下，溶剂可以单独使用或两种或更多种结合使用。特别地，为了完全溶解聚合物粘合剂，优选与其它溶剂混合的溶剂。

当溶剂的含量小于5wt％时，糊剂没有足够的流动性，因此难以通过诸如丝网印刷之类的涂覆方法形成表面型加热元件层30。另一方面，当溶剂的含量大于30wt％时，糊剂具有高流动性，因此降低了覆膜的机械稳定性。

本公开的糊剂可以包括作为添加剂的例如增塑剂、脱模剂、分散剂、去除剂、消泡剂、稳定剂、湿润剂等。作为非限制性实施例，可以添加磷酸基分散剂等以均匀地分散NiCr粉末。

在制备之后，用于形成本公开的表面型加热元件层30的糊剂施加到基板或绝缘层的表面上。可以通过使用混合器和三辊研磨机在10℃至30℃下将NiCr合金粉末、玻璃料粉末、有机溶剂、有机粘合剂和添加剂混合2至6个小时来制备糊剂。作为涂覆方法的非限制性实施例，可以使用丝网印刷机施加糊剂。作为另一个实施例，可以通过将糊剂流延到另外的柔性基板上，在加热流延层的同时除去挥发性溶剂以形成生带，并使用辊将带层压在基板上来形成表面型加热元件层。

在涂覆步骤之后，进行在预定温度下干燥用于表面型加热元件层30的所施加糊剂。干燥步骤通常在相对较低的温度200℃或更低的温度下进行。在干燥步骤中，主要蒸发溶剂。

在干燥步骤之后，可以通过诸如烧结工艺之类的烧制工艺来形成表面型加热元件层30。

在制造表面型加热元件的传统工艺中，进行长期高温热处理以烧制诸如金属合金和陶瓷之类的具有高熔点的组分。长期高温热处理需要隔绝的(例如内部绝缘)系统。此外，表面型加热元件在长期高温气氛中可能被污染物污染，从而损坏表面型加热元件。另外，因为其下的绝缘层20和/或基板10也暴露于长期高温气氛，所以可以用作绝缘层20和基板10的材料受到严格限制，并且绝缘层20和基板10很可能被污染。

另一方面，在本公开的表面型加热元件的制造方法中，应用不需要长期高温热处理的热处理方法来烧制表面型加热元件层30。为此，在本公开的表面型加热元件的制造方法中，应用使用了强脉冲白光的光子烧结工艺。

作为非限制性实施例，可以使用从氙气灯发射的强脉冲白光。当用强脉冲白光照射用于表面型加热元件的干燥的糊剂时，通过强脉冲白光的辐射能烧结糊剂，从而可以形成表面型加热元件。

更具体地，当用强脉冲白光照射干燥的糊剂时，首先，将存在于糊剂中的有机物质(特别是粘合剂)烧除。在前面的干燥步骤中，构成糊剂的有机媒介物组分中的溶剂大体上被挥发。因此，在干燥步骤之后，残留的有机媒介物组分中的粘合剂用于结合干燥糊剂中的固体粉末组分，因此可以维持干燥糊剂的机械强度。此后，在光子烧结的初始阶段，通过辐射的强脉冲白光的辐射能消除粘合剂，这种现象或步骤称为粘合剂烧除。

烧除粘合剂后，大多数有机媒介物组分不再存在于糊剂中。因此，通过用强脉冲白光照射来烧结剩余的粉末组分，从而形成最终的表面型加热元件层30。在这种情况下，作为粉末组分的NiCr合金粉末被强脉冲白光烧结以在各个粉末颗粒之间形成颈，因此可以减小表面型加热元件层30的宏观电阻率。

本公开的光子烧结工艺中的总光照射强度优选在40J/cm²至70J/cm²的范围内。当总光照射强度小于40J/cm²时，难以在NiCr粉末颗粒之间形成缩颈并且难以在NiCr粉末颗粒之间形成偶联，导致表面型加热元件层30的电阻率过高。另一方面，当总光照射强度大于70J/cm²时，NiCr颗粒由于过高的光照射强度而被氧化，并且在NiCr颗粒的表面上形成的氧化膜导致表面型加热元件层30的电阻率过度增加。

同时，在整个光子烧结工艺中，本公开的光子烧结工艺可以以1至30个脉冲进行操作。脉冲持续时间(或脉冲接通时间)优选地在1至40ms的范围内，并且脉冲间隔(或脉冲断开时间)优选地在1至500ms的范围内。

通过本公开的光子烧结工艺最终烧结的表面型加热元件层30优选具有1至100μm的厚度。当表面型加热元件层30的厚度小于1μm时，难以确保尺寸稳定的表面型加热元件层，并且由于局部加热原因，表面型加热元件层30的热稳定性和机械稳定性降低。另一方面，当表面型加热元件层30的厚度大于100μm时，由于绝缘层、基板和表面型加热元件层30的材料或热膨胀系数的差异，存在诸如发生裂纹的可能性很高并且工艺时间增加的问题。

同时，使用本公开的NiCr合金粉末的表面型加热元件层30优选具有10^-4至10^-2Ωcm的电阻率。当表面型加热元件的电阻率大于10^-2Ωcm时，由于过高的电阻率，表面型加热元件的输出降低。因此，应该增加表面型加热元件的厚度以降低表面型加热元件的电阻率，但是表面型加热元件的厚度的增加也会影响表面型加热元件的热膨胀系数，并因此表面型加热元件的稳定性大大降低。另一方面，当表面型加热元件的电阻率小于10^-4Ωcm时，由于电阻率过低，超过可允许电流的电流流过，因此表面型加热元件的输出过度增加。因此，为了增加表面型加热元件的电阻率，应通过减小厚度来增加端子电阻，但是表面型加热元件的厚度过薄也导致表面型加热元件的耐热性降低。

另外，本发明的表面型加热元件层30相对于其下的基板10或绝缘层20的粘附强度优选为5.0N以上。本公开的表面型加热元件层30的粘附强度没有上限。然而，当粘附强度小于5.0N时，由于过低的粘附强度，表面型加热元件层30也被分离或破损，从而导致电炉的寿命和可靠性减小。

实施例

在本公开的实施例中，包括NiCr合金粉末、平均分子量为约100的乙基纤维素、丁基卡必醇乙酸酯溶剂和磷酸基分散剂的用于表面型加热元件的糊剂通过用于表面型加热元件层涂覆的丝网印刷施加，然后干燥并进行光子烧结，从而制造表面型加热元件层30。

使用可从Anton Paar GmbH商购的RST3型划痕测试仪测量本公开的表面型加热元件层30的粘附强度。该测试仪在将载荷从0增加到30N的同时测量粘附强度，并且在这种情况下，在尖端的刮擦长度为5mm的条件下测量粘附强度。

下表2示出了在本公开的光子烧结工艺中根据总光照射强度条件测量表面型加热元件层30的电阻率、氧含量、粘附强度和烧结收缩率的结果。

<表2>根据总光照射强度的特性评估

首先，在实施例的处理条件下(即，总光照射强度在40至70J/cm²的范围内)，测量电阻率和粘附强度，以满足本公开的表面型加热元件的需求。

另一方面，当总光照射强度小于40J/cm²时，NiCr合金粉末不被适当地烧结。换句话说，在光子烧结之前和之后的表面型加热元件层30具有基本相同的状态。结果，没有适当地形成NiCr合金粉末颗粒之间的缩颈，因此表面型加热元件层30具有高电阻率。此外，表面型加热元件层30相对于基板没有足够的粘附强度，因此与基板分离。

同时，随着总光照射强度增加，NiCr合金粉末被更充分地烧结并因此进一步致密化。结果，随着光照射强度增加，烧结收缩率增加，因此适当地形成了NiCr合金粉末颗粒之间的缩颈。因此，测得了满足规格的电阻率和粘附强度两者。

另一方面，当总光照射强度大于70J/cm²时，基板由于过度的光照射强度而收缩，因此在严重的情况下裂纹或破损。

图5至图7示出了根据本公开的实施方式的分别以40J/cm²、60J/cm²和70J/cm²的总光照射强度形成的表面型加热元件层30的微观结构。

如图5至图7中所示，能够看出表面型加热元件层30具有微观结构，其中随着总光照射强度的增加，NiCr合金粉末颗粒之间的缩颈更好地发展。另外，微观结构根据总光照射强度水平的趋势与表1中的测量结果非常一致。换句话说，随着光照射强度在根据本公开的实施方式的总光照射强度范围内增大，NiCr合金粉末颗粒之间的缩颈更好地发展，导致电阻率降低并且粘附强度提高。

另一方面，当总光照射强度大于70J/cm²时，NiCr合金由于强度过高而被过度氧化。结果，研究得出，即使当NiCr合金粉末颗粒之间的缩颈充分形成时，由于过度的氧化，表面型加热元件层30的电阻率也过度增大，因此不满足规格。另外，基板由于过度的光照射强度而收缩，因此在严重的情况下裂纹或破损。

根据本公开，提供了使用具有高熔点的金属组分而设计的表面型加热元件，因此能够进一步提高应用表面型加热元件的电炉的操作温度，而且通过防止高温下金属组分的脱出，能够提高炉灶产品的寿命和可靠性。

另外，根据本公开的表面型加热元件设计成具有金属固有的高延展性和断裂韧性。因此，能够确保对由于表面型加热元件与其下的基板或绝缘层之间的温度和热膨胀系数的差异而引起的热应力和热冲击的抗性。

此外，本公开的表面型加热元件设计成具有比其它金属低的热膨胀系数。结果，减小了表面型加热元件与其下的基板或绝缘层之间的热膨胀系数的差异，因此能够减小施加至表面型加热元件的热应力和热冲击。

减小的热应力和减小的热冲击以及确保的对热应力和热冲击的抗性能够提供显著提高作为最终产品的诸如电炉之类的炉灶的寿命和可靠性的效果。

另外，因为本公开的表面型加热元件包括具有低电阻温度系数的金属(电阻温度系数表示电阻值根据温度的变化)，所以降低了炉灶操作开始时所需的初始浪涌电流，因此，能够针对过电流确保用户的安全性。此外，本公开的表面型加热元件能够不另外地需求诸如交流电的三极管(TRIAC)之类的控制单元。

另外，本公开的表面型加热元件的金属材料能够单独用作表面型加热元件，而无需与其它金属或陶瓷粉末混合，这是因为该材料本身的电阻值高于其它金属。因此，本公开的表面型加热元件可以展现出改进的与其它材料的反应性以及糊剂的稳定性和可存储性，并且还实现了材料成本方面的成本减少的效果。

同时，根据本公开的表面型加热元件的制造方法采用光子烧结方法，因此当与传统的热烧结方法相比时，可以不进行长期高温热处理工艺。因此，本公开的制造方法能够通过排除长期高温工艺来确保选择基板和/或绝缘层的材料方面的设计自由度。

另外，本公开的表面型加热元件的制造方法能够通过从根本上排除在长期高温热处理中可能由绝热系统引发的材料污染来提供具有更高质量的表面型加热元件。

同时，本公开的表面型加热元件的制造方法基本上消除了对高温热处理所需的绝热系统的需要，此外，不需要用于产生还原性工艺气氛的附加设施，因此能够简化工艺设施。另外，本公开中的光子烧结方法通过缩短单位工艺时间来缩短整个工艺的节拍时间，从而能够达到提高生产率的效果。

尽管上面已经参考附图描述了本公开，但是显然，本公开不限于本文公开的实施方式和附图，并且本领域普通技术人员在本公开的精神和范围内可以进行各种变型。另外，即使当在描述本公开的上述实施方式时未明确描述本公开的构造的效果时，很明显，也应通过相应的构造认识到可预测的效果。

Claims (9)

1.一种包括表面型加热元件层的表面型加热元件，其中：

所述表面型加热元件层包括NiCr合金；

所述表面型加热元件层相对于供布置所述表面型加热元件层的基板或绝缘层的粘附强度为5N以上；并且

所述表面型加热元件的电阻率在10^-4Ωcm至10^-2Ωcm的范围内。

2.根据权利要求1所述的表面型加热元件，其中，所述NiCr合金的Ni含量在60wt％至95wt％的范围内。

3.根据权利要求1所述的表面型加热元件，其中，所述绝缘层包括氮化硼、氮化铝和氮化硅中的任一种，

其中，所述绝缘层还包括玻璃料作为粘合剂，

并且其中，所述粘合剂包括硼硅酸盐组分和/或膨润土组分。

4.一种表面型加热元件的制造方法，所述方法包括：

提供基板；

通过将包括NiCr合金组分的表面型加热元件糊剂施加到所述基板上，来用表面型加热元件层涂覆所述基板，其中，所述表面型加热元件糊剂包括：30wt％至80wt％的NiCr合金粉末；3wt％以下但不包括0wt％的玻璃料；10wt％至30wt％的有机粘合剂；5wt％至30wt％的溶剂；以及1wt％至10wt％的添加剂；

干燥所施加的表面型加热元件层；以及

对干燥的表面型加热元件层进行光子烧结。

5.根据权利要求4所述的方法，该方法还包括在用表面型加热元件层涂覆之前，在所述基板上形成绝缘层，

其中，所述绝缘层包括氮化硼、氮化铝和氮化硅中的任一种，

其中，所述绝缘层还包括玻璃料作为粘合剂，

并且其中，所述粘合剂包括硼硅酸盐组分和/或膨润土组分。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述NiCr合金粉末的Ni含量在60wt％至95wt％的范围内，

所述NiCr合金粉末的粒径为10nm至10μm，

所述有机粘合剂是乙基纤维素，并且

所述溶剂是丁基卡必醇乙酸酯。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述光子烧结中的总光照射强度在40J/cm²至70J/cm²的范围内，并且

其中，所述光子烧结后的所述表面型加热元件的电阻率为10^-4Ωcm至10^-2Ωcm。

8.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述光子烧结之后，所述基板与所述表面型加热元件之间的粘附强度为5N以上。

9.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述光子烧结之后，所述绝缘层与所述表面型加热元件之间的粘附强度为5N以上。

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