CN112670009B

CN112670009B - 一种电加热电阻浆料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN112670009B
Application number: CN202011370002.1A
Authority: CN
Inventors: 杜兆富; 袁礼新; 曹迪; 叶书群
Original assignee: Beijing Institute of Radio Measurement
Current assignee: Beijing Institute of Radio Measurement
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2023-05-09
Anticipated expiration: 2040-11-30
Also published as: CN112670009A

Abstract

本发明公开了一种电加热电阻浆料及其使用方法和应用。所述电阻浆料按质量百分比计，其组成包括：微米量级的电阻粉体、银粉、玻璃粉、有机载体和助剂。所述电加热电阻浆料通过丝网印刷到多孔莫来石(氧化铝)基板上，在950℃‑1100℃高温烧结，形成电加热电阻膜层，电阻膜层根据需要设计成不同的电阻图形。通电后，电阻膜层迅速发热并将热量传递给基板，从而将穿过基板为液体升温。本电阻浆料适用于厚膜电阻器，加热温度在500℃以下的热水壶或其它需要给液体加热的领域。本发明提供的电加热电阻浆料与多孔莫来石(氧化铝)基板具有良好的附着力、耐热振冲击、不含重金属，具有成本低，无环境污染，制备工艺简单等优点。

Description

一种电加热电阻浆料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及电阻浆料领域，具体涉及一种电加热电阻浆料及其制备方法和应用。

背景技术

电子浆料是由导体颗粒，无机非金属颗粒、有机载液以及相关的分散剂、包覆剂、助剂等组合在一起的一种复合材料。针对不同的应用场景和具体要求，发展出了多种细分品种，如导体浆料、电阻浆料及高温烧结、中温烧结、低温烧结浆料。广泛应用于厚膜集成电路、压敏电阻、薄膜开关、敏感元器件等电子元器件。太阳能电池、电子信息领域的发展，带动了电子浆料行业的发展。其中，电加热电阻浆料，主要用于电阻器、热水器、化工产业以及各种产品的热管理等方面。目前国内用于民用领域的电阻浆料研究相对偏少。在消费级家用电器以及规模化的化工领域需要给大量液体均匀加热的领域，电阻浆料的应用更是缺乏。原因包括多个方面，如银、氧化钌等原材料成本太高；电阻与基体结合不好，容易脱落；电阻含有铅等对人体有害或对环境有污染的元素等等。因此，针对上述问题，制造一种不含铅的且具有良好性能的价格低廉的民用电加热电阻浆料，已经成为有待解决的重要问题。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种电加热电阻浆料。

本发明的第二个目的在于提供一种电加热电阻浆料的制备方法

本发明的第三个目的在于提供一种电加热电阻浆料的应用。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

第一方面，本发明提供一种电加热电阻浆料，按质量百分比计，其组成包括：

电阻粉体70-82％；

银粉0-8％；

玻璃粉0.5-5％；

有机载体8-18％；

助剂0-2％。

进一步的，所述电阻粉体选自镍铬合金粉、镍铬锰硅合金粉或可伐合金(Kovar合金)粉中的一种或多种；所述电阻粉体粒径为0.1-5微米。

所述银粉为片状，根据本发明具体实施方案，所述片状银粉厚度为100-500钠米，

所述片状银粉平均直径为1-5微米。

所述玻璃粉是与可伐合金热膨胀系数相差范围在5％-10％的钙硼硅系列玻璃粉。根据本发明具体实施方案，所述玻璃粉粒径为1-15微米。

所述有机载体选自松油醇、丁基卡必醇、丁基卡必醇醋酸酯、乙二醇乙醚乙酸酯、十六醇、乙基纤维素、蓖麻油和丁酮中的至少三种。根据本发明具体实施方案，所述有机载体由以下质量分数的组分配制：松油醇15-25％、丁基卡必醇17-27％、丁基卡必醇醋酸酯13-23％、乙二醇乙醚乙酸酯1-5％、十六醇2-8％、乙基纤维素2-8％、蓖麻油5-15％和丁酮2-8％。

所述助剂选自硅烷偶联剂、磷酸三丁脂、卵磷脂和鱼油中的一种或多种。

本发明的电加热电阻浆料通过采用特定的电阻粉体并合理配比各组分，实现了银粉的使用量少于10％，甚至可以不使用银，不仅在很大程度上节约了生产成本，还有效提高了电阻的抗氧化性，减缓了银离子在基体中的迁移，延长了电阻的使用寿命。

第二方面，本发明提供一种电加热电阻浆料的制备方法，包括如下步骤：

按比例称取各组分，混合均匀并研磨，即得；

或者，

按比例称取各组分；分别将玻璃粉与部分有机载体混匀，配制浆料1；将电阻粉体与部分有机载体混匀，配制浆料2；将银粉和助剂与剩余有机载体混匀，配制浆料3；然后，由浆料1，浆料2和浆料3组成所述电加热电阻浆料。

第三方面，本发明提供一种电加热电阻浆料在制备电阻膜层中的应用。

第一种方法，制备电阻膜层，包括如下步骤：

按比例称取各组分，混合均匀并研磨，得到电加热电阻浆料，然后将所述电加热电阻浆料通过丝网印刷工艺印刷到多孔莫来石基板上，烧结，即得。

优选的，所述烧结温度为950℃-1100℃。这里说的烧结温度仅指是烧结过程中的高温阶段的温度，因为在具体烧结过程中，还需要考虑排胶温度、玻璃融化温度等。

另一种方法，制备电阻膜层，包括如下步骤：

将电阻粉体与部分有机载体混匀，配制浆料2；将银粉和助剂与剩余有机载体混匀，配制浆料3；然后将所述浆料1通过丝网印刷工艺印刷到多孔莫来石基板上，形成所需图形的玻璃层；烘干、烧结后，将所述浆料2通过丝网印刷工艺印刷到玻璃层上，形成电阻层；烘干后，将所述浆料3通过丝网印刷工艺印刷到电阻层上形成银层，烘干、烧结，即得。

进一步，上述方法中，电阻膜层中，所述玻璃层的线条宽度大于所述电阻层的线条宽度。

所述银层的厚度小于所述电阻层厚度的1/5。

所述浆料1中玻璃粉粒径为5-15微米。

所述浆料3中含银粉和助剂的质量百分比为78-85％，即银粉和助剂的加和占浆料3的质量百分比为78-85％，本发明技术人员在研究过程中发现，合适的银粉的粒径和添加助剂可以降低银层的烧结温度并使电阻膜层的致敏性得以提升。

所述烧结条件包括但不限于在真空或者氢气保护中烧结。

本发明的电加热电阻浆料在制备氧化铝基厚膜电阻中的应用，即制备电阻膜层的两种方法，第一种是常规的直接将本发明的电加热电阻浆料混匀通过丝网印刷工艺印刷到多孔莫来石(氧化铝)基板上，再将其烧结，即得，其在整个过程中，玻璃粉会因为率先融化和重力作用自然沉底，最终形成电阻在上层，玻璃在下层的结构，即厚膜电阻的电阻膜层实际是一种层次结构；第二种方法，先将含玻璃粉的浆料1印刷到多孔莫来石(氧化铝)基板上得玻璃层，再将含电阻粉的浆料2印刷到玻璃层之上，最后将含银粉的浆料3印刷到电阻层上面，其中，银层可以防止电阻层的氧化，这种先在多孔莫来石(氧化铝)基板上印刷玻璃层，然后再印刷电阻层和银层的方法，可以有效防止电阻浆料分散到多孔莫来石基板的孔中，使电阻膜层的层次结构更加分明，与基板更好的匹配并增强电阻层的抗氧化性能延长加热电阻的寿命。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的电加热电阻浆料通过丝网印刷到多孔莫来石(氧化铝)基板上，高温烧结后，形成电加热电阻膜层，电阻膜层根据需要设计成不同的电阻图形。

本发明提供的电阻浆料适用于厚膜电阻器，用于加热温度在500℃以下的热水壶或其它需要给液体加热的领域。

本发明提供的电加热电阻浆料与多孔莫来石(氧化铝)基板具有良好的附着力、耐热振冲击，从而制备出适合家用电器或化工产业用的均匀加热液体的电加热器元件。该电加热电阻浆料成本低、不含有害元素、无环境污染、与多孔莫来石匹配效果好、寿命长、制备工艺简单。

本发明电加热电阻浆料中银的使用量少于10％，不仅在很大程度上节约了生产成本，还可以增加膜层的导电性能，并有效的减缓银离子的迁移。

本发明电加热电阻浆料通过改变银粉的含量和电阻粉体的类型，从而调节浆料电阻的电阻值，使用更为灵活。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本发明实施例1的电加热电阻浆料在多孔莫来石上印刷的电阻图形的实物图。

图2示出本发明实施例5的电加热电阻浆料在制备电阻膜层中的应用的操作示意图；(a)示出浆料1在多孔莫来石基板上印刷玻璃层的示意图；(b)示出浆料3在电阻层上印刷电阻图形的示意图。

具体实施方式

为使本发明的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一、采用如表1所示的成份以及成份重量百分比，制备电加热电阻浆料

1、制备有机载液

按照表2所示质量百分比将所有有机物按重量放入反应釜中，搅拌均匀然后升温到80℃继续搅拌2小时，形成均匀的透明液体，然后冷却到室温。

2、电阻浆料匀浆

按照表1所示质量百分比向有机载液中加入助剂，搅拌0.5小时，然后称取有机载液和电阻粉体、钙硼硅玻璃粉、片状银粉，放入搅拌容器中进行匀浆，900r/min保持30s，1500r/min保持30秒，1200r/min保持20s。

3、电阻浆料研磨

将初混的浆料进行三辊研磨，直至浆料细度小于10μm。

二、电加热电阻浆料在制备铝基厚膜电阻中的应用

所得电阻浆料直接通过丝网印刷，在多孔莫来石基板上印刷400μm宽，45毫米长的电阻图形，在氢气保护气氛中，5℃/min的升温速率升到800℃，保温30min后升至1100℃保温30min烧结，随炉冷却。所得电阻图形厚度80μm，如图1所示。所得电加热电阻的电阻值为3.5Ω。

实施例2

技术方案基本同实施例1，只是按表1-2所示实施例2的相应比例计算并称取各原料，其它条件和操作方法与实施例1相同。所得电加热电阻的电阻值为5.2Ω。

实施例3

技术方案基本同实施例1，只是按表1-2所示实施例3的相应比例计算并称取各原料，其它条件和操作方法与实施例1相同。所得电加热电阻的电阻值为5.5Ω。

实施例4

技术方案基本同实施例1，只是按表1-2所示实施例4的相应比例计算并称取各原料，其它条件和操作方法与实施例1相同。所得电加热电阻的电阻值为4.0Ω。

根据实施例1和实施例4可知，可以通过改变银粉的含量和电阻粉体的类型改变电阻图形的电阻值，即可以根据需要灵活调整电阻浆料的粉体比例和粉体类型。

表1.实施例1-4各组分配制参数

表2.实施例1-4有机载液配制参数

其中，实施例1-4中，镍铬合金粉、镍铬锰硅合金粉或可伐合金粉(Kovar合金)的粒径分布D50为0.5～4微米；片状银粉的粒径分布D50为2-5微米；钙硼硅玻璃粉的软化温度为700℃～850℃，粒径分布D50为1-5微米，助剂为卵磷脂。

实施例5

一、电加热电阻浆料的制备：

1、制备有机载液：采用实施例1中的有机载体配方及方法；

2、采用实施例1中的配方比例称取各组分，并按照表3所示的比例将玻璃粉与有机载体混匀，得浆料1；电阻粉体与有机载体混匀，得浆料2；银粉和助剂与有机载体混匀，得浆料3；浆料1，浆料2，浆料3和浆料4组成电阻浆料。

二、电加热电阻浆料在制备铝基厚膜电阻中的应用：

1、浆料1在多孔莫来石基板上印刷：宽度为500μm，厚度40μm，如图2(a)所示，烘干，后在830℃下烧结，得玻璃层；

2、浆料2在上述玻璃层上印制电阻层，宽度为400μm，厚度为60μm，在150℃下烘干；

3、浆料3在上述电阻层上印刷银层，宽度为400μm，厚度为5μm，如图2(b)所示，烘干，在氢气保护气氛中，1100℃下烧结，即得。

所得电加热电阻的阻值为3Ω。通过0～500℃热振，实施例5的抗热振性能是实施例1的1.5倍，抗热振性能增加。

附着力测试：将本实施例所得产品经过200次升降温(即热振)后，电阻无裂纹与基板不脱离。

表3.玻璃浆料、镍铬浆料和银浆料的配制参数

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种电加热电阻浆料在制备电阻膜层中的应用，其特征在于，按质量百分比计，所述电加热电阻浆料组成包括：

电阻粉体70-82％；

银粉4-8％，或10％；

玻璃粉0.5-5％；

有机载体8-18％；

助剂0-2％；

所述电阻粉体选自镍铬合金粉、镍铬锰硅合金粉和可伐合金粉中的一种或多种；

所述应用，包括如下步骤：

按比例称取各组分；分别将玻璃粉与部分有机载体混匀，配制浆料1；将电阻粉体与部分有机载体混匀，配制浆料2；将银粉和助剂与剩余有机载体混匀，配制浆料3；然后将所述浆料1通过丝网印刷工艺印刷到多孔莫来石基板上，形成所需图形的玻璃层；烘干、烧结后，将所述浆料2通过丝网印刷工艺印刷到玻璃层上，形成电阻层；烘干后，将所述浆料3通过丝网印刷工艺印刷到电阻层上形成银层，烘干、烧结，即得。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述电阻粉体粒径为0.1-5微米。

3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述银粉为片状。

4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述银粉厚度为100-500钠米。

5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，当电阻粉体选自可伐合金粉时，所述玻璃粉是与可伐合金热膨胀系数相差范围在5％-10％的钙硼硅系列玻璃粉。

6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述玻璃粉粒径为1-15微米。

7.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述有机载体选自松油醇、丁基卡必醇、丁基卡必醇醋酸酯、乙二醇乙醚乙酸酯、十六醇、乙基纤维素、蓖麻油和丁酮中的至少三种。

8.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述助剂选自硅烷偶联剂、磷酸三丁脂、卵磷脂和鱼油中的一种或多种。

9.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述电加热电阻浆料的制备方法，包括如下步骤：

10.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述玻璃层的线条宽度大于所述电阻层的线条宽度。

11.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述银层的厚度小于所述电阻层厚度的1/5。