CN1136263A - 无机氧化物电热薄膜及其制法 - Google Patents

Abstract

一种无机氧化物电热薄膜，其成分的重量比例为：氧化锡78-90、氧化锑3-15、氧化硼3-8、氧化铁2-5。其制法是将这些氧化物的相应可溶性先质溶于乙醇中，通过气相生长法将上述氧化物生长于绝缘的耐热底板上而形成该电热薄膜。该薄膜可代替传统的电热丝，制成超轻、超薄、超小型的电热元件。具有成本低、寿命长、升温快、效率高、耐温、耐湿、耐磨、耐腐蚀、耐老化、工作温度高达600℃等突出优点。

Description

无机氧化物电热薄膜及其制法

本发明涉及电热元器件，更具体地说，涉及无机氧化物电热薄膜及其制法。

电热器具自其问世以来已有一百多年历史，其电热元件通常采用电热丝为发热体。电热器具以其使用方便、清洁卫生和不造成污染的优点而颇受人们欢迎。但一般的电热器具存在如下缺点：(1)热效率低(敞开式电炉的热效率只有42-50％；电饭煲的热效率为70-72％)；(2)成本高(镍铬电热丝每公斤300-380元，而且还必须配有电炉盘、云母片、石棉板等耐高温配件，电热系统结构复杂)；(3)使用寿命短(电热丝通常皆直接暴露于空气中，使用时，电热丝处于800℃以上的红热状态，因此很易被空气氧化)。针对电热丝加热方式所存在的上述缺点，早在五十年代初，国际上提出采用电热涂层作为电发热体的构想，但至今由于涂层材料多数是使用金、银、铂及其他贵金属材料或氧化铟、氧化锡以及铟锡氧化物等掺杂的半导体材料，工艺要求高、设备复杂并且成本过高，因而使电热涂层的应用仅限于航天、航空等国防、尖端科学技术领域。另外，近年来发展起来的微波炉和电磁灶，克服了电热丝热效率不高的缺点，使热效率提高至80-85％，但其成本和售价相当高，属于高价电热器具类，难以为低收入的工薪阶层和广大群众接受。

因此，本发明的目的是要提供一种同时具有清洁卫生、不造成污染、热效率高、成本低而且使用寿命长等多种优点的新型电热薄膜及其制备方法。

本发明人经过无数次实验，结果发现，由氧化锡、(SnO₂)、氧化锑(Sb₂O₃)、氧化硼(B₂O₃)和氧化铁(FeO)这四种氧化物按特定比例范围形成的薄膜可以达到上述目的。另外，如果采用上述四种元素的可挥发化合物通过化学气相生长法来制备这种无机氧化物电热薄膜，可使制造工艺变得更为简单，由于这一发现，从而完成了本发明。

本发明的技术方案构成如下：

(1)一种无机氧化物电热薄膜，其特征在于，它含有下列成分(重量份)：

成分                                               重量份氧化锡(SnO₂)                                          78-90氧化锑(Sb₂O₃)                                        3-15氧化硼(B₂O₃)                                         3-8氧化铁(FeO)                                            2-5

(2)如上述第(1)项所述的无机氧化物电热薄膜，其特征在于，该薄膜的厚度为0.05μm-1.0μm。

(3)如上述第(1)或第(2)项所述的无机氧化物电热薄膜，其特征在于，该薄膜的厚度为0.1μm-0.5μm。

(4)制备上述第(1)项所述无机氧化物电热薄膜的方法，其特征在于，称取相当于氧化锡78-90重量份的四氯化锡(SnCl₄)、相当于氧化锑3-15重量份的三氯化锑(SbCl₃)、相当于氧化硼3-8重量份的硼酸(H₃BO₃)和相当于氧化铁2-5重量份的三氯化铁(FeCl₃)，将它们溶于乙醇中制成乙醇溶液，将此溶液注入惰性材料蒸发皿内，然后将此蒸发皿放在化学汽相生长炉内的汽源加热台上蒸发，该汽源加热台的温度控制在200-300℃，炉内温度控制在450-650℃，将经过绝缘预处理的耐热电绝缘底材固定于固定架上并置于蒸发皿的上方，待该蒸发皿有蒸气产生时，通过转动底材固定架来转动该底材，如此蒸气生长至在该底材表面上生成所需厚度的电热薄膜为止。

(5)如上述第(4)项所述的方法，其特征在于，其中所述的耐热电绝缘底材为陶瓷。

(6)如上述第(4)项所述的方法，其特征在于，其中所述的耐热电绝缘底材为玻璃。

(7)如上述第(4)项所述的方法，其特征在于，其中所述的耐热电绝缘底材为石英。

(8)如上述第(4)项所述的方法，其特征在于，其中所述的耐热电绝缘底材为搪瓷。

(9)如上述第(4)项所述的方法，其特征在于，在最后形成电热薄膜的步骤中，蒸气生长至在所说底材表面上生成0.05-1.0μm厚的电热薄膜为止。

(10)如上述第(4)或第(9)项所述的方法，其特征在于，在最后形成电热薄膜的步骤中，蒸气生长至在所说底材表面上生成0.1-0.5μm厚的电热薄膜为止。

上述的第(1)项和第(4)项皆为必要的技术特征，而其余各项皆为附加的或进一步限定的技术特征。下面详细地解释本发明。

在本发明的无机氧化物电热薄膜中，各组分所起的作用如下：

氧化锡(SnO₂)：电热薄膜的骨架材料；

氧化锑(Sb₂O₃)：掺杂剂，是决定电热薄膜导电性的主要成分；

氧化硼(B₂O₃)：晶袼稳定剂，如果不加入氧化硼，所获电热薄膜的耐温上限＜450℃，而如果加入上述量的氧化硼，则耐温上限可达到＞600℃；

氧化铁(FeO)：晶格填充剂，用于填补晶格缺陷，提高电热薄膜的光洁度和透明度，有助于改善电热薄膜的稳定性(包括化学稳定性和热稳定性)。

在本发明的电热薄膜中，其厚度设有严格限制，厚度与电阻大致成反比例，薄膜越厚，其电阻越小。通常，其电阻以方块电阻计算，其优选的电阻为500Ω/□-2.5Ω/□，这时相应的电热薄膜厚度为0.05μm，-1.0μm，更优选为250Ω/□-5Ω/□，这时相应的电热薄膜厚度0.1μm-0.5μm。

另外，在制备本发明电热薄膜的方法中，所用耐热电绝缘底材的材料种类没有特别限制，只要能耐热并且电绝缘即可，但其中优选为陶瓷、耐热玻璃、石英、搪瓷等几种。

与现有技术的电热元器件相比，本发明的无机氧化物电热薄膜具有下列优点：

1、热效率高，达到80％以上；

2、工作温度可高达600℃以上；

3、全部组分均属无机材料，耐温、耐湿、耐磨、不老化，与底材结合牢固，永不脱落，工作寿命长达20000小时以上；

4、耐酸碱腐蚀，可用于制备在腐蚀性强的恶劣环境中使用的电热器具；

5、能与远红外电热材料相结合，制备各种远红外电热元件；

6、全部原材料均属普通工业原料，价格低廉；

7、消耗材料很少，每平方分米涂层耗材仅为0.02-0.03g。

8、设备简单、工艺性好，适于大批量生产。

下面结合较佳实施例及其附图来进一步解释本发明。其中：

图1是一种包含本发明无机氧化物电热薄膜的平板式电热薄膜元件的主视图；

图2是图1所示元件的截面图。

在图2中：1)是用于承载电热薄膜的底板；2)是本发明的无机氧化物电热薄膜；3)是薄层电极。

实施例1

准备一块长120mm、宽80mm、厚6mm的矩形陶瓷片，将其作为图2所示的底板1。

另外，称取292.2g四氯化锡(SnCl₄)、15g三氯化锑(SbCl₃)、17.8g硼酸(H₃BO₃)和13.6g三氯化铁(FeCl₃)。(它们最终生成169gSnO₂、9.6gSb₂O₃、10.0gB₂O₃和6.OgFeO)将称取的SnCl₄、SbCl₃、H₃BO₃和FeCl₃溶解于205g乙醇中，制成澄清的乙醇溶液。

取10g配好的乙醇溶液注入瓷蒸发皿中，将其放在化学气相炉的汽源加热台上，汽源加热台的温度控制在230±10℃，炉内温度控制在500±10℃，将上述的矩形陶瓷底板固定于固定架上并置于蒸发皿的上方，待该蒸发皿有蒸气产生时，通过转动底材固定架来转动该陶瓷底板以达到均匀的气相生长，12分钟后，蒸发皿中的溶液全部蒸发干净。此时，在该陶瓷底板上生成了一层均匀的薄膜。待冷却至室温后用电阻仪测得该薄膜的方块电阻为15Ω/□。此即为图2中的2)所指的无机氧化物电热薄膜。其厚度相当于0.3μm。

然后用一种市售银导电胶按图1和图2所示沿着该矩形底板的两个短边，在电热薄膜上各涂上一条长80mm，宽10mm的薄层电极。为此即为图2中的3)所指的薄层电极。

将该薄层电极烘干，然后在两电极间施加220V交流电压，1分钟内即可使板面温度达到120℃以上，热平衡温度在180℃以上。

实施例2和3

在实施例2和3中，除了分别用耐热玻璃和搪瓷代替实施例1中的陶瓷板作为底材外，其他皆按实施例1的条件进行实验，获得了与实施例1基本上完全相同的结果。

应予说明，本发明的无机氧化物电热薄膜不限于平板状，它还可以制成管状、半圆状等各种形状，特别适用于制成各种家庭用的加热器，例如火锅、饭锅、炖锅、热水器等等。并且，由于该电热薄膜的输出功率可以简单地通过输入电压来调节，因此也可以制成多功能的加热器具，例如制成一种同时具有火锅、饭锅、炖锅三种功能的三合一加热锅，使用十分方便。本领域的技术人员在本发明的构思和权利要求所限定的范围内，可以对上述实施例作出许多变化，然而所有这些变化皆被认为处于本发明的范围内。

Claims (10)

1、一种无机氧化物电热薄膜，其特征在于，它含有下列成分(重量份)：

成分                                              重量份氧化锡(SnO₂)                                        78-90氧化锑(Sb₂O₃)                                      3-15氧化硼(B₂O₃)                                       3-8氧化铁(FeO)                                          2-5

2、如权利要求1所述的无机氧化物电热薄膜，其特征在特征在于，该薄膜的厚度为0.05μm-1.0μm。

3、如权利要求1或2所述的无机氧化物电热薄膜，其特征在于，该薄膜的厚度为0.1μm-0.5μm。

4、制备如权利要求1所述无机氧化物电热薄膜的方法，其特征在于，称取相当于氧化锡78-90重量份的四氯化锡(SnCl₄)、相当于氧化锑3-15重量份的三氯化锑(SbCl₃)、相当于氧化硼3-8重量份的硼酸(H₃BO₃)和相当于氧化铁2-5重量份的三氯化铁(FeCl₃)，将它们溶于乙醇中制成乙醇溶液，将此溶液注入惰性材料蒸发皿内，然后将此蒸发皿放在化学汽相生长炉内的汽源加热台上蒸发，该汽源加热台的温度控制在200-300℃，炉内温度控制在450-650℃，将经过绝缘预处理的耐热电绝缘底材固定于固定架上并置于蒸发皿的上方，待该蒸发皿有蒸气产生时，通过转动底材固定架来转动该底材，如此蒸气生长至在该底材表面上生成所需厚度的电热薄膜为止。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，其中所述的耐热电绝缘底材为陶瓷。

6、如权利要求4所述的方法；其特征在于，其中所述的耐热电绝缘底材为玻璃。

7、如权利要求4所述的方法，其特征在于，其中所述的耐热电绝缘底材为石英。

8、如权利要求4所述的方法，其特征在于，其中所述的耐热电绝缘底材为搪瓷。

9、如权利要求4所述的方法，其特征在于，在最后形成电热薄膜的步骤中，蒸气生长至在所说底材表面上生成0.05-1.0μm厚的电热薄膜为止。

10、如权利要求4或9所述的方法，其特征在于，在最后形成电热薄膜的步骤中，蒸气生长至在所说底材表面上生成0.1-0.5μm厚的电热薄膜为止。

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