CN1458810A

CN1458810A - 一种碳材料的高温远红外辐射电热体及其制备方法

Info

Publication number: CN1458810A
Application number: CN 03138038
Authority: CN
Inventors: 卢基贵; 杨晓
Original assignee: DONGFANG HUICHEN CARBON FIBER TECH Co Ltd BEIJING
Current assignee: DONGFANG HUICHEN CARBON FIBER TECH Co Ltd BEIJING
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2003-11-26

Abstract

本发明提供一种碳材料的高温远红外辐射电热体及其制备方法，该高温远红外辐射电热体的发热元件为碳毡、碳布、石墨毡、石墨布、碳/碳复合材料板片、碳/石墨复合材料板片之一组成。其发热元件的碳含量大于95％，氧含量低于0.005％，电阻率在(0.001～100)Ω.cm之间。电热体的绝缘体的外部涂覆具有远红外辐射特性的陶瓷薄膜层。本发明还提供了一种高温远红外辐射电热体的制备方法。本发明的高温远红外辐射电热体可应用于民用、保健和工业等领域，具有使用寿命长，高热高效等特点。

Description

一种碳材料的高温远红外辐射电热体及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种电热装置及其制备方法，特别是涉及一种碳材料的高温远红外辐射电热体及其制备方法。

背景技术

传统的远红外发热元件一般采用金属电阻丝、合金丝、PTC电热膜等加热元件，中国专利CN 1050963C公开了一种远红外导电薄膜电加热器，是一种以磁控溅射或真空镀膜的方法在各种非金属基材上大面积均匀镀覆金属导电薄膜的电加热器，表面温度为150-300℃；中国专利00129773.2公开了一种电铸合金电热元件及其制造方法，该专利采用电铸合金膜作为发热元件，另外中国一篇专利00129431.8公开了一种在金属电加热基体上涂覆纳米金属基远红外辐射薄膜层的电加热体及其制备方法。金属、合金或电热膜的发热元件都为金属元素、氧化物等，其通电发热时，通过对流或传导方式进行热传递，发热效率较低，使用寿命短。

以碳为主体的发热元件，如碳纤维发热元件，其主要的电热转换为远红外辐射传热，热效率很高，有效热效率超过了95％，因此国内外开发了以碳纤维为发热元件的各种电加热装置。如中国专利00123999.6公开了一种碳纤维远红外电热板，其发热体采用导电碳纤维层；中国专利96194308.4公开了一种碳纤维束作为细长柔性电热器的技术；中国专利96122545.9公开了一种远红外辐射体，以及中国专利CN 1062408C，CN 1209719A，CN 2355648Y等其主体材料也是碳纤维。日本专利特公昭51-3098号，特开昭60-107288号，特开昭62-281293号，美国专利第5,459,327号等，利用碳纤维及有机化合物辐射远红外辐射线的加热体，但一般以树脂作为绝缘层，虽然可选用耐高温阻燃的树脂为绝缘层，但绝缘体的耐温一般不超过300℃。

发明内容

本发明的目的是基于碳纤维的导电性和远红外辐射性能，克服现有加热元件技术使用寿命低、发热温度低的不足，提供一种具有高热效率、远红外辐射发热、长使用寿命、低成本加工的新型电热装置。

本发明的一种碳材料的高温远红外辐射电热体是这样实现的：

本发明的碳材料的高温远红外辐射电热体包括绝缘外壳、发热元件和电极，所述的发热元件为碳纤维毡、碳纤维布、碳纤维长丝、石墨纤维毡、石墨纤维布、碳/碳复合材料板片、碳/石墨复合材料板片之一组成，其发热元件的碳含量大于95％，氧含量低于0.005％，电阻率在(0.001～100)Ω.cm之间。

所述的绝缘体的材料为石英玻璃、陶瓷、钢化玻璃、耐热玻璃、耐热高分子绝缘材料、纤维绝缘复合材料或陶瓷基复合材料之一种。

所述的高温远红外辐射电热体的绝缘体的外部涂覆具有远红外辐射特性的陶瓷薄膜层。

所述的绝缘体的远红外辐射陶瓷薄膜层材料选自下列化合物之两种或两种以上：(1)选自下列之一种的金属氧化物：Al₂O₃、MgO、ZrO₂、TiO₂、SiO₂、CaO、BaO；(2)选自下列之一种的金属碳化物：B₄C、SiC、TiC、MoC、WC、ZrC；(3)选自下列之一种的金属氮化物：BN、AlN、Si₃N₄、ZrN；(4)选自下列之一种的结晶化合物：云母、莫来石、堇青石、萤石、方解石、麦饭石、明矾、水晶。

本发明的碳材料的高温远红外辐射电热体的电极由表面涂银导电层的合金电阻丝和/或片组成。

所述的碳材料的高温远红外辐射电热体的电极合金电阻丝和/或片可以为钨金属丝和/或片。

本发明的另一目的是提供所述的碳材料的高温远红外辐射电热体的制备方法。

所述的碳材料的高温远红外辐射电热体的制备包括下列工艺步骤：

a)根据所选择发热元件的电阻率、使用电压和发热功率，确定电热体的几何尺寸(对管状指截面积和长度，对板状指长、宽、厚)，裁剪、制备发热元件，将发热元件在真空烘箱中在100～300℃下烘1～10小时，去除水及含氧杂质；

b)根据制备的电热体的几何尺寸，在经过步骤a后的发热元件中可加入刚性耐高温绝缘棒或板来支撑发热元件；

c)将表面涂银导电层的合金电阻丝/片缠绕在经过步骤a后的发热元件的两端，留出电极引线；

d)将远红外陶瓷粉、粘合剂、助剂配成的薄膜层涂覆在绝缘体外层上，烧结，形成远红外辐射陶瓷绝缘体；

e)将c所制备的带电极的发热元件组装在经过步骤d后的绝缘体中，露出电极引线，在两端烧结或封装后，在管体的中间开一小孔抽真空，通入惰性气体置换2～3次后，在通入惰性气体条件下将开口烧结或封装，制成含惰性气体保护的远红外辐射电热体。

所述的高温远红外辐射电热体的远红外辐射陶瓷薄膜层材料的配比按重量百分比可以为：Al2O3纳米粉体50％，ZrC纳米粉体18％；500目的ZrN粉体26％；500目堇青石6％。

所述的高温远红外辐射电热体的的发热元件的制备方法可以为：按重量比将碳纤维50％、导电石墨10％，、酚醛树脂20％、沥青10％和溶剂10％混合，在球磨机上磨2小时，在热压机上模压成型为板材，按10℃/分升温速度到1200℃，氮气保护下，在高温下炭化5小时。

所述的高温远红外辐射电热体的绝缘体端口的密封还可以采用陶瓷帽型或硅胶帽型。

碳纤维/石墨纤维是一种以PAN纤维、粘胶纤维或沥青纤维为原料，经预氧化、惰性气体保护下高温炭化或石墨化后得到的具有石墨晶体结构的纤维状碳材料，按其炭化温度的不同，导电率在(0.5-2.0)×10^-3Ω.cm之间，具有低密度(1.6-1.97g/cm³)，高强度(3.2-6.37Gpa)，高模量(220-588Gpa)，抗氧化，500℃空气气氛下的氧化速率0.01-0.05％/小时，既可广泛应用在航天航空等尖端技术领域，也可利用其功能性，应用在导电发热领域。

单纯发热元件为碳纤维/石墨纤维的毡、布、纸、丝束之一种或几种的组合物或碳/石墨复合材料的板、片、管时，远红外的法向辐射率及远红外波长还不能满足人体需要的有益的远红外辐射源，本发明在高温远红外辐射电热体的绝缘体表面涂覆了具有远红外辐射性能的远红外陶瓷粉，因此作为家用电暖器和理疗器时，对人体具有保健、理疗作用，因为人体既是远红外的辐射源，又能吸收远红外辐射。由于人体60％～70％为水，故人体对红外辐射吸收近似于水，人体组织所拥有的特定振动频率和回转周波数与人体组织中的O-H和C-H键伸展，C-C、C＝C、C-O、C＝O2.C-H及OH键弯曲振动对应的波长大部分在3～6μm波段，根据匹配吸收理论，当红外辐射的波长和被辐照的物体吸收波长相对应时，物体分子共振吸收。这样，3μm的远红外辐射恰与皮肤的吸收相匹配，形成最佳吸收。此外，2～7μm波段的红外光子能量与1分子ATP(三磷酸腺苷)所释放的能量以及DNA分解合成时氢键断裂所需能量相当，因此，从微观生命物质来看，远红外辐射与人体也有密切关系。本发明的高温远红外辐射电热体在接收电能后，辐射出3～25μm的远红外光波，而4～14μm波长的远红外线具有一定的渗透力，能够深入皮下组织，引起生物体中偶极子和自由电荷在电磁场作用下发生排序振动，进而引发分子、原子的无规则运动加剧，于是产生了热反应，使皮下组织升温，进而改善微循环，加强了细胞的再生能力，提高了免疫细胞的吞噬功能，促进生物体的代谢及生长发育。图1为以碳纤维为主体的发热元件的相对辐射谱图。

本发明的高温远红外辐射电热体用于工业加热领域，如烘道加热、食品烘烤、原料干燥、烤漆房干燥、塑料涂覆干燥等领域时，采用远红外辐射加热，其干燥效果具有显著节能的特征(见表一)。

表一采用金属丝石英管和碳纤维石英管的烤漆房的节能效果比较

项目	金属石英电热管	碳纤维石英电热管
项目	金属石英电热管	碳纤维石英电热管	电热管功率(kw)	10	7.5
电热管表面温度(℃)	700	600	电热管功率(kw)	10	7.5
电热管表面温度(℃)	700	600	烤漆房外型尺寸(m)	7×5.6×3.6	7×5.6×3.6
烤漆房房内尺寸(m)	6.9×4×2.8	6.9×4×2.8	烤漆房外型尺寸(m)	7×5.6×3.6	7×5.6×3.6
烤漆房房内尺寸(m)	6.9×4×2.8	6.9×4×2.8	烤漆房风量(M³/h)	20000	20000
烤漆房工作温度(℃)	60-80	60-80	烤漆房风量(M³/h)	20000	20000
烤漆房工作温度(℃)	60-80	60-80	烤漆房热交换效率(％)	85-90	90-95

由于以碳元素为主要成份的发热元件的材料与金属或合金电极间导电率差距较大，存在接触电阻，在通电发热时，会产生电极处的过热现象，而影响发热体的使用寿命，本发明通过在合金电阻丝/片表面涂银导电层，增加与以碳元素为主要成分的电阻体的导电率，降低接触电阻，从而大大提高电热管板的使用寿命。

附图说明

图1为以碳纤维为主体的发热元件的相对辐射谱图。

具体实施方式

下面结合实施例进一步描述本发明。本发明的范围不受这些实施例的限制，本发明的范围在权利要求书中提出。

本发明的高温远红外辐射电热体采用下列方法实施，根据设计产品，选择合适的绝缘体，在绝缘体的外面具有远红外辐射性能的远红外陶瓷层薄膜，剪裁发热元件，在发热元件的两端缠绕涂覆银导电层电极，预留电极引线，石英管表面清洗、干燥后，放入绕上电极的发热元件后，抽真空，加热干燥，将两端在高温下熔融并封装后，在电热体的中间开一小孔抽真空，通入惰性气体氦气置换2-3次后，在通入惰性气体下将开口高温熔融或封装，制成含惰性气体保护的高温远红外辐射电热体。

实施例1：

按设计的石英管长度为60mm，管直径为12mm，选择美国Zoltek公司生产的厚度为5mm的PANEX 33碳毡，碳含量为95.5％，N含量为4.2％，H含量为0.1％，S含量为0.1％，按冷态电阻率为60Ω.cm-1，热态电阻率为45Ω.cm-1，剪裁为长度为53mm，宽度为8mm，将该电阻体在真空烘箱下200℃，抽真空干燥2小时后，将该发热体两端缠绕长度为10mm的涂覆银导电层的镍电极丝，预留电极引线长度为60mm。石英管表面清洗、干燥后，放入绕上电极引线的碳纤维毡后，抽真空，加热干燥，将两端在高温下熔融并封装后，在电热体的中间开一小孔抽真空，通入惰性气体氦气置换2-3次后，在通入惰性气体下将开口高温熔融或封装，制成含惰性气体保护的高温远红外辐射电热体。加热管用万用电表检测的冷态电阻为80Ω，通电加热后稳态电阻为60.5Ω，使用电压为220伏，功率为800瓦，发热管的表面温度为500℃，用辐射点温计测试发热体的温度为750℃，远红外法向发射率为85％，经检测电热转换效率为95％。连续通电5000小时，电性能保持稳定、可靠，其技术指标见表二。

表二碳纤维石英电热管的技术参数

电压，V	220
电压，V	220	电-热辐射转换率，％	≥74
远红外法向发射率，％	≥85	电-热辐射转换率，％	≥74
远红外法向发射率，％	≥85	电-热转换效率，％	≥95
陶瓷帽型工作温度，℃	≤800	电-热转换效率，％	≥95
陶瓷帽型工作温度，℃	≤800	石英玻璃管最高耐热温度，℃	1200
最高发热温度，℃	700-1000	石英玻璃管最高耐热温度，℃	1200
最高发热温度，℃	700-1000	石英管表面温度，℃	500-700

实施例2

按设计的石英管(1)长度为60mm，管直径为12mm，表面清洗、干燥后，将配制的远红外陶瓷纳米粉涂覆在石英管外壁，远红外陶瓷粉的配方为：Al₂O₃纳米粉体50％，ZrC纳米粉体18％；500目的ZrN粉体26％；500目堇青石6％，配置成浆料，涂覆在石英管上，高温800℃下烧结，得到涂覆远红外陶瓷层的石英管。其他同实施例1，加工的高温远红外石英管的远红外法向发射率为95％，加热管用万用电表检测的冷态电阻为80Ω，通电加热后稳态电阻为60.5Ω，使用电压为220伏，功率为800瓦，发热管的表面温度为500℃，用辐射点温计测试发热体的温度为750℃，经检测电热转换效率为99％。连续通电5000小时，电性能能保持稳定、可靠。

实施例3

按重量比将电阻率为0.0014Ω.cm-1的PANEX 30高纯度磨碎碳纤维50％、800目高纯导电石墨10％与20％的酚醛树脂，10％的中间相沥青和10％溶剂，在球磨机上磨2小时，在热压机上模压成型为长×宽×厚：100×8×5mm的板材，得到一定几何尺寸的碳/石墨复合材料坯体，按10℃/分升温速度到1500℃，氮气保护下，在高温下炭化5小时后，在惰性气体保护下，高温炭化得到的电阻体。检测其碳含量为98.5％，氧含量0.004％，电阻体的电阻率在0.052Ω.cm-1之间，在空气气氛下的氧化速率为0.04％/小时，所得的发热体的电阻为1.25Ω.其他同实施例2，得到的高温远红外电热管的电阻为1.25Ω，在110伏电压下，热态电阻为1.21Ω，功率为1000瓦，发热体的表面温度为750℃，碳板的发热体表面温度接近1000℃。实施例4

加工长×宽×厚为1000×500×10mm的石英玻璃板，裁剪碳纤维毡的尺寸为920×480×5mm，电极为涂覆含银导电层的钨金属片，尺寸宽×厚为3×1mm，缠绕在加了绝缘石英板(厚度为2mm)的碳纤维毡上，其他同实施例1的加工过程和方法。得到加热板的电阻为25Ω，在220伏电压下通电，功率为2000瓦，高温电热板的表面温度为450℃，发热体的温度为600℃。

实施例5

选择密封性能优良的高温陶瓷管，长度为60mm，管直径为12mm，加热元件的选择同实施例1，端口密封采用高温无机胶粘剂粘接后，在500℃下烧结形成耐高温的陶瓷管。中间的开口在陶瓷管烧结前的坯体中预留，通惰性气体保护后，用陶瓷帽型封装，保持氦气的密封状态下，通电使用。其他同实施例1。

实施例6

选择φ4mm螺径为5mm的石英螺旋管，缠绕电阻率为0.001Ω.cm-1的日本Toray公司产的M40-12K石墨纤维，长度共12米，电阻为240Ω。石英管尺寸、电极引线和加工方法同实施例1。

Claims

1.一种碳材料作为加热元件的高温远红外辐射电热体，包括绝缘外壳、发热元件和电极，其特征在于：所述的发热元件为以碳材料组成的碳纤维毡、碳纤维布、碳纤维长丝、石墨纤维毡、石墨纤维布、碳/碳复合材料板片、碳/石墨复合材料板片之一组成，其发热元件的碳含量大于95％，氧含量低于0.005％，电阻率在(0.001～100)Ω.cm之间。

2.根据权利要求1所述的远红外辐射电热体，其特征在于：所述的绝缘体的外部涂覆具有远红外辐射特性的陶瓷薄膜层。

3.根据权利要求1所述的远红外辐射电热体，其特征在于：所述的绝缘体的材料为石英玻璃、陶瓷、钢化玻璃、耐热玻璃或陶瓷基复合材料之一种。

4.根据权利要求2所述的远红外辐射电热体，其特征在于：所述的绝缘体的远红外辐射陶瓷薄膜层材料选自下列化合物之两种或两种以上：(1)选自下列之一种的金属氧化物：Al₂O₃、MgO、ZrO₂、TiO₂、SiO₂、CaO、BaO；(2)选自下列之一种的金属碳化物：B₄C、SiC、TiC、MoC、WC、ZrC；(3)选自下列之一种的金属氮化物：BN、AlN、Si₃N₄、ZrN；(4)选自下列之一种的结晶化合物：云母、莫来石、堇青石、萤石、方解石、麦饭石、明矾、水晶。

5.根据权利要求1所述的远红外辐射电热体，其特征在于：所述的电极由表面涂银导电层的合金电阻丝和/或片组成。

6.根据权利要求5所述的远红外辐射电热体，其特征在于：所述的电极的合金电阻丝和/或片为镍或钨金属丝和/或片。

7.一种根据权利要求1～6之一所述的远红外辐射电热体的制备方法，其特征在于：它包括下列工艺步骤

a)根据所选择发热元件的电阻率、使用电压和发热功率，确定电热体的几何尺寸，裁剪、制备发热元件，将发热元件在真空烘箱中在100～300℃下烘1～10小时，去除水及含氧杂质；

b)根据制备的电热体的几何尺寸，在经过步骤a后的发热元件中加入刚性耐高温绝缘棒或板来支撑发热元件；

c)将表面涂银导电层的合金电阻丝和/或片缠绕在经过步骤a后的发热元件的两端，留出电极引线；

e)将c所制备的带电极的发热元件组装在经过步骤d后的绝缘体中，露出电极引线，在两端烧结或封装后，在电热体的中间开一小孔抽真空，通入惰性气体置换2～3次后，在通入惰性气体条件下将开口烧结或封装，制成含惰性气体保护的远红外辐射电热体。

8.根据权利要求7所述的远红外辐射电热体的制备方法，其特征在于：远红外陶瓷薄膜粉的配比按重量百分比为：Al₂O₃纳米粉体50％，ZrC纳米粉体18％；500目的ZrN粉体26％；500目堇青石6％。

9.根据权利要求7所述的远红外辐射电热体的制备方法，其特征在于：所述的发热元件的制备方法为：按重量比将碳纤维50％、导电石墨10％，、酚醛树脂20％、沥青10％和溶剂10％混合，在球磨机上磨2小时，在热压机上模压成型为板材，按10℃/分升温速度到1200℃，氮气保护下，在高温下炭化5小时。

10.根据权利要求7所述的远红外辐射电热体的制备方法，其特征在于：所述的绝缘体端口的密封采用陶瓷帽型或硅胶帽型。