CN1412268A

CN1412268A - 纳米级氮化硅复合材料发热体及制作工艺

Info

Publication number: CN1412268A
Application number: CN 01136305
Authority: CN
Inventors: 刘庆昌
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2001-10-09
Publication date: 2003-04-23
Anticipated expiration: 2021-10-09
Also published as: CN1204223C

Abstract

本发明是对氮化硅发热体的改进。它采用纳米级氮化硅细粉填加入普通氮化硅粉达到改性的目的，使配方组份中省略了价格昂贵的氮化铝，从而使高压高温烧结工艺转化为常压高温下烧结。不但大大降低了成本而且提高了发热体的质量，有利于推广普及。配方中采取了45～82％的0.1～5μm的氮化硅和14～40％的小于100nm级的氮化硅微粉，配上0.1～5％的三氧化二铝和3.9～10％的三氧化二钇填加剂，获得了满意的效果。

Description

纳米级氮化硅复合材料发热体及制作工艺

技术领域

本发明涉及以电为能源的发热体结构材料配方及其制作工艺，特别是以氮化硅作为发热体基础材料的情况。

技术背景

发热体极其普遍地应用在日常生活用品之中，大功率的发热体亦广泛地应用于工业加热、保温和取暖。最普通的结构是电热丝外包绝缘材料后用铜材做发热体外包形成复合式发热体的结构，这种结构发热体由于绝缘物中残留大量气体，高温电阻丝氧化损耗严重而寿命太短。即使将绝缘层包裹的十分严密也无法解决氧化快、易损坏的弊病，且工作起来安全性能太差。近几年虽然有PTC陶瓷发热体制成加热器来应用，但仍然摆脱不了寿命短、安全性差的技术缺陷。99113534.2号专利公开了一种氮化硅发热体及其制作方法。这种发热体将电阻丝与氮化硅等陶瓷原料和添加剂烧结成一体制成直热式发热体。可以讲这对加热器结构设立来讲是一个极大的突破，因为不仅仅因为氮化硅本身的耐高温和绝缘特性好、导热快，使间接式发热体形式成为直接式发热体。而且由于隔绝空气来源使其寿命大大提高，安全性能也随之改善。然而，该种结构仍然无法摆脱残存于烧结体中残留的空气。对电热丝仍存在残留的威胁，其导热性能仍不够理想。另外作为氮化铝的原料太贵造成成本升高。特别应指出的是这种配比使加工工艺中氮化硅的烧结条件必须在高压、高温下成型。其工艺操作复杂，工艺难度大，花费高是生产成本进一步提高，以至于影响到该类产品的发展、推广和普及。

发明内容

本发明的目的是对现有氧化硅发热体配方和工艺的进一步改进，使其克服现有材料造价高、导热密封防损耗不够理想的缺陷，努力使生产工艺简化，以全面降低成本，有利于普及和应用。

本发明的关键在于在发热体的组份中加入纳米级氮化硅改性和去掉昂贵的氮化铝。纳米级的氮化硅是指其粒度小于100nm的微粉料。由于纳米级氮化硅加入后使其平均表面能加大，粒间接触面积加大、晶界面积大、扩散距离短、溶解析出也容易，所以大大地降低了其烧结时的工艺温度和压力，并使烧结致密度提高，成品的质量明显提高。又因为纳米级氮化硅多为α-相Si3N4。理论分析证明，α-相的晶粒增加有利于降低烧结压力，实现常压烧结氮化硅成型，这正是现有技术中短缺的。α-相纳米级氧化硅微粉加入量太大会导致收缩量不好掌握，亦不符合经济廉价的原则。所以，所加入的纳米级氮化硅以不超过40％为好，其数量太少则作用不甚明显，至少量应在14％以上。所采用的普通氮化硅微份粒度也应在0.1～5μm之间，才能保证改性的氮化硅复合材料展示出明显的性能优势。普通氮化硅用量在45～82％之间，通过实验把改性的氮化硅基料中加入0.1～5％的Al₂O₃和3.9～10％的Y2O3可以更加明显地改善高密的烧结效果和良好的均匀晶粒尺寸和提高韧性和强度。

采取以上的组份配比来烧结制作氮化硅发热体可以大大简化工艺操作过程，实现低能、低耗、高质的效果。

按本组份配比范围配成的基本原料，采取以下的工艺制作成品：

1、按以上所述的改性氮化硅组份比配成原料，将原料置入高强度塑料容器内加入少量(1％以下)的乙醇、聚乙烯醇(或二者均合物)，并放进氮化硅磨球或Al2O3磨球进行球磨4～30小时，成混料。

2、将混料放入充氮气的烘干箱内，烘干后除去杂物形成基料。

3、按产品要求设计好几何尺寸的金属模具，将基料置入模具，同时将电热丝按空间几何位置定位，合模后加压成型。

4、将成型胎胚放入烧结炉内，用Si₃N₄+BN+MgO粉料组成的埋粉将其埋住，后放入炉内充氮气条件下升温加压到1900℃～2100℃，压力1～5Mp，恒温等待1～3小时。

5、停止升温，御压后60～120分钟使之温度降至600℃～800℃。

6、温度降至150℃后，解除密封，自然冷却后取出产品。

下面结合实施例进一步说明本发明的目的是如何实现的。

具体实施方式：(按重量百分比配比) 单位：％

组份	A	B	C	D	E	F	G	H
组份	A	B	C	D	E	F	G	H	氮化硅(0.1-0.35μm)	45	48	55	65	70	75	80	82
纳米级氮化硅(小于100nm)	40	38	32	23	19	16	15	14	氮化硅(0.1-0.35μm)	45	48	55	65	70	75	80	82
纳米级氮化硅(小于100nm)	40	38	32	23	19	16	15	14	三氧化二铝	5	45	4	3.5	3	2	1	0.1
三氧化二钇	10	9.5	9	8.5	8	7	4	3.9	三氧化二铝	5	45	4	3.5	3	2	1	0.1

实施例1：

按表1中的配方A的比例将原料放入球磨机的专用高强塑料容器内加入0.5～1％重量的乙醇或聚乙醇，放入磨球(氮化硅或三氧化铝材质的)后研磨3～40小时，再放入烘干箱内在氮气气氛下烘干后，筛去杂物后置入金属模具，合模过程中将钨丝按设计要求埋入混合基料，用30～50吨的压力机加压成型。成型后的毛胚放入烧结炉中用埋粉埋住后在氮气气氛下升温加压。在30～60分钟内升温至1500℃～1600℃，压力加大至1～2Mp，保持3～10分钟后继续升温至1800℃～1900℃，压力加大至2～3Mp下，保持3～10分钟。再升温至1900℃～2100℃，压力达到3～5Mp，保持1～3小时。然后停止加温，御压在60～120分钟内使温度下降至600℃～800℃，然后继续降温至150℃后，自然通风、冷却至常温后成品成功出炉。

在烘干箱中温度可控制在180℃～300℃，加压时压力机为30～50吨压机即可成型。所用埋粉的配比组份为(质量份数比)：

Si₃N₄ 4～6份

BN 3～5份

MgO 1份

实施例2～8可按照配方B～G配方配比原料，并参照实施例1的工艺加工成产品。

按以上配比原料和加工工艺加工而成的发热体，升温速度加快，强度高韧性好，寿命提高显著，且由于采取常压烧结成本大幅下降，成为一种有普及前景的理想发热体。

Claims

1、一种氮化硅发热体，它由引出导线、与导线相连的电热丝以及与电热丝烧结成一体的氮化硅复合材料本体组成，其特征在于本体的组份配比为(重量百分比)：

氮化硅粒度在0.1～5μm，占45～82％，

粒度小于100nm，占14～40％，

三氧化二铝占0.1～5％，

三氧化二钇占3.9～10％。

2、根据权利要求书1所说的氮化硅发热体，其特征在于所说的电热丝为钨丝。

3、根据权利要求书1所说的氮化硅发热体，其特征在于三氧化二铝的平均粒度应小于5μm，三氧化二钇的平均粒度小于6μm。

4、氮化硅发热体的制作工艺，其特征在于该工艺按以下工序操作：

(1)按权利要求书1所说的组份比配制原料，将原料置入高强塑料容器内，加入少量的(1％以下)乙醇、聚乙烯醇，并放进氮化硅或三氧化二铝磨球，球磨3～40小时，

(2)将球磨好的混料在充入氮气情况下置入烘干箱，烘干后筛除杂物制成基料，

(3)按产品设计的几何尺寸做好金属模具后将筛后基料置入，同时将电热丝按空间几何位置定位，合模后加压成型，

(4)将成型胎胚放入烧结炉内，用Si₃N₄+BN+MgO组成的埋粉埋住后放入炉内，升温并加压到1900℃～2100℃，压力1～5Mp，恒温保持1～3小时，

(5)停止加温并御压，60～120分钟内使之温度降至600℃～800℃，

(6)温度降至150℃时打开炉门，自然冷却成产品。

5、根据权利要求书3所说的氮化硅发热体制作工艺，其特征在于在烘干箱内的温度为180℃～300℃，金属模具加压用压力机为30～50吨。

6、根据权利要求书3所说的氮化硅发热体制作工艺，其特征在于埋粉的组份配比(重量比)：

Si₃N₄∶BN∶MgO为4～6∶3～5∶1。

7、根据权利要求书3所说的氮化硅发热体制作工艺，其特征在于升温加压烧结过程中，在30～60分钟内将温度升至1500℃～1600℃，压力加至1～2Mp，保持3～10分钟，继续升温至1800℃～1900℃，压力加至2～3Mp，保持3～10分钟，再升温至1900℃～2100℃，压力达到3～5Mp，保持1～3小时。