CN202085325U - 高温铝合金基稀土厚膜电路电热元件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于铝合金基板的稀土厚膜电路电热元件，其特征在于，它包括铝合金基板及其上设置的介质层和弯曲盘绕的稀土厚膜电路，稀土厚膜电路的两端设置有导体。本实用新型具有以下优点：高速传热、散热，加热温度场均匀可控、相容性好、结合牢靠，功率密度大，抗热冲击能力强，具有高温远红外功能、绿色、环保、节能、低碳安全可靠。
Description
技术领域
本实用新型涉及电加热技术领域，更具体的说是涉及一种用途广泛的高效稀土厚膜电路电热元件。
背景技术
在我国确立的可持续发展战略中，涉及到的两个重要方面是，新型能源、环境保护和提高能量利用率，改善能量结构。在电加热领域中，新型的加热元件要求体积要小，功率要大，表面热负荷要大，热效率要高，热启动要快，温度场要均匀，导热性能优良、抗热冲击能力要强，易于加工，绿色、低碳环保、安全可靠。能满足上述要求的唯有厚膜电路电热元件，目前这种电热元件国内外都处于初期开发、使用阶段。美国ELS公司基于不锈钢基板的厚膜电路电热元件，所用电子浆料存在着品种单一、热性能差、成本高和基板导热系数较低等问题。新加坡赛雅公司公布的电子浆料非发热领域专用，电性能、热性能及可靠性都欠考验。不锈钢基板随机械性能良好，但热导率低，和铝材结合使用时热阻问题影响寿命和可靠性。更要紧的是国内一些企业把用于集成电路和微电子行业的电子浆料直接用于发热元件，造成一些产品的质量问题。
为弥补不锈钢热导率低应用范围受限制问题，二十世纪初，在阳极化铝板上制备厚膜电路用于太阳能电池、LED基板，用于直流低电压，获得成功。由于功率小、热性能、绝缘性能差、不安全等问题，无法用于电热元件。研制一种韧性好，高强度、大规格的用于工业、家用电器、军事工业的大功率铝合金基板厚膜电路电热元件还存在如下问题：
1、提高铝基板的耐热性能；
2、铝合金基板专用系列电子浆料；
3、提高完善铝合金基板厚膜电路电热元件制备工艺技术。
目前，应用于铝合金基板的稀土厚膜电路电热元件、尤其是专业用于铝合金基板系统的电子浆料，国内外尚未见报道。而中国专利公开号：CN101364454A，CN101740160A公布的电阻浆料、介质浆料仅适合于集成电路模块、太阳能电池和LED基板。
铝合金基板具有的密度小、高导热性，以及优良的冷、热加工成型性能和韧性，广泛应用于电路模块做散热材料。其实，经改革后，尤其提高介电性能后，它更适用于作厚膜电路主动电热元件，应用于家用电器、工业、农业、新型能源乃至军事工业。
发明内容
本实用新型的目的就是为了解决现有技术之不足而提供的一种高速传热、散热，加热温度场均匀可控、相容性好、结合牢靠，功率密度大，抗热冲击能力强，具有高温远红外功能、绿色、环保、节能、低碳安全可靠的基于铝合金基板的稀土厚膜电路电热元件。
本实用新型是采用如下技术解决方案来实现上述目的：一种基于铝合金基板的稀土厚膜电路电热元件，其特征在于，它包括铝合金基板及其上设置的介质层和弯曲盘绕的稀土厚膜电路，稀土厚膜电路的两端设置有导体。
作为上述方案的进一步说明，所述介质层设置在铝合金基板表面，稀土厚膜电路是稀土电阻浆料、稀土电极浆料以厚膜电路形式制备在介质层上；铝合金含基板成分中含有2-7％重量的镁，1.5～2.5％重量的钕、钪稀土氧化物。
所述稀土电阻浆料由微晶玻璃粉、微细铝粉、无机粘接相有机溶剂载体和稀土氧化物组成，微晶玻璃粉、微细铝粉与无机粘接相有机溶剂载体的重量比为(50-75％)∶(25-50％)，其中微细铝粉与微晶玻璃粉的重量比为(55-80％)∶(20-45％)；所述的微晶玻璃粉为P2O5、ZnO、K2O、B2O3、SnO2系低熔点微晶玻璃，重量比依次为：P2O535-55％、ZnO 35-50％、K2O 5-10％、B2O30-10％、SnO20-10％、SiO20-5％、Li2O 0-2％、Al2O32-5％、CuO 0-1.5％；所述的微细铝粉粒度为：3-5mm；所述的无机粘接相有机溶剂载体重量比为：松油醇75-98％，柠檬酸三丁酯0-15％，乙基纤维素0.5-5％，硝基纤维素0-2％，氢化蓖麻油0.1-5％，卵磷脂0.1-5％。
所述稀土电阻浆料中的稀土氧化物为镧、铈、钕、钷、钆、铒、钪和钇；根据不同功率、不同温度厚膜电路电热元件对电性能、热性能、绝缘性能、机械性能及远红外功能的要求，按照试验数理模式添加不同种类、不同份额的稀土氧化物，来增添或取代上述微晶玻璃粉的一项或多项。
所述稀土电极浆料是由固相成分和有机溶剂载体及稀土氧化物组成，重量比为：(70～90％)∶(10～30％)；所述固相成分中含银铝钇复合粉与微晶玻璃粉的重量比为：(99.4～94％)∶(0.6～6％)；银铝钇复合粉中铝粉、银粉与钇粉的粒径小于2μm；铝粉、银粉与钇粉的重量比为：(0.6～10％)∶(82～99％)∶(0.4～8％)。
所述微晶玻璃为P2O5、ZnO、K2O、B2O3、SnO2系低熔点微晶玻璃，重量比依次为：P2O535-55％、ZnO 35-50％、K2O5-10％、B2O30-10％、SnO20-10％、SiO20-5％、Li2O0-2％、Al2O32-5％、CuO0-1.5％。
所述稀土电极浆料的有机溶剂载体各组分重量配比为：松油醇60～98％、柠檬酸三丁酯10～30％、乙基纤维素2～10％、硝基纤维素1～5％、氢化篦麻油0.1～5％、卵磷脂0.1～5％。
稀土电极浆料的稀土氧化物为镧、铈、钕、钷、钆、铒、钪和钇，根据不同功率、不同温度、不同方阻的厚膜电路电热元件对导电性能、热性能、化学性能、机械性能及远红外功能的要求，按照试验数理模式添加不同种类、不同份额的稀土氧化物，来增添或取代上述微晶玻璃粉的一项或多项。
本实用新型采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：
本实用新型基于铝合金基板的稀土厚膜电路电热元件不仅成本低、热效率高、温度场均匀、热性能优良、韧性好，高强度、大规格、易成型，不仅适用于平面制备，而且适用于曲面加工，绿色低碳环保、安全可靠，具有高温远红外功能。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图。
附图标记说明：1、铝合金基板2、介质层3、稀土厚膜电路4、导体
具体实施方式
如图1所示，本实用新型一种基于铝合金基板的稀土厚膜电路电热元件，它包括铝合金基板1及其上设置的介质层2和弯曲盘绕的稀土厚膜电路3，稀土厚膜电路3的两端设置有导体4。介质层2设置在铝合金基板表面，稀土厚膜电路是稀土电阻浆料、稀土电极浆料以厚膜电路形式制备在介质层上；铝合金含基板成分中含有2-7％重量的镁，1.5～2.5％重量的钕、钪稀土氧化物。目的是提高铝合金的高温性能、机械性能、气密性和耐腐蚀性。钪对铝合金具有非常神奇的合金化作用，在铝中只要加入千分之几的钪就会生成Al3Sc新相，对铝合金起变质作用，使合金的结构和性能发生明显变化。加入0.2％～0.4％Sc可使合金的再结晶温度提高150～200OC，钪的熔点(1540℃)远比铝的熔点(660℃)高，钪的密度(3.0g/cm2)则与铝的密度(2.7g/cm3)相近。通过添加微量钪等稀土元素，开发出新一代系列铝合金材料，如超高强高韧铝合金、新型高温铝合金、且高温强度、结构稳定性、抗腐蚀性能均明显提高，并可避免高温下长期工作时易产生的脆化现象。目前，这种高温度强度且耐电压特性优异的铝合金材料多用于航空、航天及军工领域。其成份、制备技术是另一个专题，不在此赘述。但上述条件是厚膜电路电热元件基板基础技术要求，也是本专利选择基板的技术条件。只有这种高温度强度且耐电压特性优异的铝合金基板，才适用于专门制作优良的稀土厚膜电路电热元件。通用的铝合金基板材料制作的稀土厚膜电路电热元件，热性能、机械性能要差很多。
其中，稀土电阻浆料由微晶玻璃粉、微细铝粉、无机粘接相有机溶剂载体和稀土氧化物组成，微晶玻璃粉、微细铝粉与无机粘接相有机溶剂载体的重量比为(50-75％)∶(25-50％)，其中微细铝粉与微晶玻璃粉的重量比为(55-80％)∶(20-45％)；所述的微晶玻璃粉为P2O5、ZnO、K2O、B2O3、SnO2系低熔点微晶玻璃，重量比依次为：P2O535-55％、ZnO35-50％、K2O5-10％、B2O30-10％、SnO20-10％、SiO20-5％、Li2O0-2％、Al2O32-5％、CuO0-1.5％；本实施例中，微晶玻璃粉的各成分重量比为：P2O540％、ZnO40％、K2O6％、B2O33％、SnO22％、SiO24％、Li2O1％、Al2O33％、CuO1％；所述的微细铝粉粒度为：3-5mm；所述的无机粘接相有机溶剂载体重量比为：松油醇75-98％，柠檬酸三丁酯0-15％，乙基纤维素0.5-5％，硝基纤维素0-2％，氢化蓖麻油0.1-5％，卵磷脂0.1-5％；本实施例中采用松油醇86％，柠檬酸三丁酯6％，乙基纤维素3％，硝基纤维素1％，氢化蓖麻油2％，卵磷脂2％。上述的稀土氧化物为镧、铈、钕、钷、钆、铒、钪和钇。根据不同功率、不同温度、不同方阻的厚膜电路电热元件对导电性能、热性能、化学性能、机械性能及远红外功能的要求，按照试验数理模式添加不同种类、不同份额的稀土氧化物，来增添或取代上述微细铝粉、微晶玻璃粉的一项或多项，每种稀土配比重量为：0.05-3.5％。
1)微细铝粉的制备
将选择好的金属铝熔融，置于全封闭的高速盘式雾化器中，熔融金属过热至250摄氏度，在惰性气体保护下.急速冷却，速率为105～107K/S.雾化制粉。雾化的铝粉从容器上部输送至旋风分离器，一次分离后送往带过滤网的喷淋塔进行气固分离，干燥后得到平均粒度为3～5μm的微细铝粉。
2)微晶玻璃粉的制备
将配比好的微晶玻璃粉体在混料机中混合均匀后置于钟罩炉中熔炼；熔炼温度为800～1200摄氏度。峰值保温1～5小时，水淬得到玻璃渣；将玻璃渣至于行星型球磨机中研磨2～4小时得到平均粒度不大于5微米的玻璃微粉。
3)无机粘接相有机溶剂载体的制备
有机溶剂载体的配置是将有机溶剂载体中主溶剂、增稠剂、表面活性剂、触变剂、胶凝剂按一定比例在80～100℃的水中溶解数小时，调整增稠剂、稀释剂含量，将有机溶剂载体的粘度调整在150～280mPas的范围内即可。
稀土电极浆料是由固相成分和有机溶剂载体及稀土氧化物组成，重量比为：(70～90％)∶(10～30％)；所述固相成分中含银铝钇复合粉与微晶玻璃粉的重量比为：(94～99.4％)∶(0.6～6％)；银铝钇复合粉中铝粉、银粉与钇粉的粒径小于2μm；铝粉、银粉与钇粉的重量比为：(0.6～10％)∶(82～99％)∶(0.4～8％)。微晶玻璃为P2O5、ZnO、K2O、B2O3、SnO2系低熔点微晶玻璃，重量比依次为：P2O535-55％、ZnO35-50％、K2O5-10％、B2O30-10％、SnO20-10％、SiO20-5％、Li2O0-2％、Al2O32-5％、CuO0-1.5％；本实施例采用P2O540％、ZnO40％、K2O7％、B2O32％、SnO23％、SiO22％、Li2O1％、Al2O34％、CuO1％。稀土电极浆料的有机溶剂载体各组分重量配比为：松油醇60～98％、柠檬酸三丁酯10～30％、乙基纤维素2～10％、硝基纤维素1～5％、氢化篦麻油0.1～5％、卵磷脂0.1～5％；本实施例采用松油醇75％、柠檬酸三丁酯15％、乙基纤维素3％、硝基纤维素2％、氢化篦麻油3％、卵磷脂2％。稀土电极浆料的稀土氧化物为镧、铈、钕、钷、钆、铒、钪和钇，根据不同功率、不同温度、不同方阻的厚膜电路电热元件对导电性能、热性能、化学性能、机械性能及远红外功能的要求，按照试验数理模式添加不同种类、不同份额的稀土氧化物，来增添或取代上述微晶玻璃粉的一项或多项。
1)微晶玻璃粉的制备
将配比好的微晶玻璃粉体在混料机中混合均匀后置于钟罩炉中熔炼；熔炼温度为800～1200摄氏度。峰值保温1～5小时，水淬得到玻璃渣；将玻璃渣至于行星型球磨机中研磨2～4小时得到平均粒度不大于5微米的玻璃微粉。
2)无机粘接相有机溶剂载体的制备
所述有机溶剂载体的配置是将有机溶剂载体中主溶剂、增稠剂、表面活性剂、触变剂、胶凝剂按一定比例在80～100℃的水中溶解数小时，调整增稠剂含量，将有机溶剂载体的粘度调整在150～280mPas的范围内即可。
3)稀土电极浆料的制备
将配比好的银、铝、钇等稀土复合粉、微晶玻璃粉、无机粘接相有机载体和稀土氧化物置于高效混合研磨机研磨一小时得到稀土电极浆料。
经测试，稀土厚膜电路可控电热元件达到以下设计要求。
本发明实施例的稀土厚膜电路可控电热元件性能参数：热响应速率：150℃/秒。
本实施例的稀土厚膜电阻电路电性能：
①电性能：
②物理性能
| 流变特性 | 电阻层厚度 | 浆料粘度 | 单位用量 |
| 触变宜网印 | 10±2μm | 168±20Pas/10RPM | 86cm2/克 |
本实施例的稀土介质浆料的性能：
稀土介质浆料膜层厚度为：≥85μm。
①物理性能：
| 颜色(选) | 固体含量 | 丝网数目 | 浆料粘度 | 烧结温度 |
| 蓝(灰、黑)色 | 79％ | 180 | 125PaS/RPM | 500-700℃ |
②电器性能：
| 泄漏电流 | 绝缘电阻 | 击穿强度 |
| ＜5mA(250VDC) | ＞50MΩ(500VDC) | ＞1800VAC |
本实施例的稀土电极浆料性能：
①电性能：
| 方阻 | 分辨率 | 抗拉强度 | 老化强度 |
| ＜3±2mΩ/□ | 0.1mm | ＞16(N/mm2) | 10(N/mm2) |
②物理性能
| 流变特性 | 电极层厚度 | 浆料粘度 | 单位用量 |
| 触变宜网印 | 12±2μm | 186PaS/RPM | 88cm2/克 |
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种高温铝合金基稀土厚膜电路电热元件，其特征在于，它包括铝合金基板及其上设置的介质层和弯曲盘绕的稀土厚膜电路，稀土厚膜电路的两端设置有导体。
2.根据权利要求1所述的高温铝合金基稀土厚膜电路电热元件，其特征在于，所述介质层设置在铝合金基板表面，稀土厚膜电路是稀土电阻浆料、稀土电极浆料以厚膜电路形式制备在介质层上。
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| CN2011201450500U CN202085325U (zh) | 2011-05-06 | 2011-05-06 | 高温铝合金基稀土厚膜电路电热元件 |
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|---|---|---|---|---|
| CN102569603A (zh) * | 2012-01-13 | 2012-07-11 | 张家港市金港镇东南电子厂 | 一种led陶瓷基板及其制作方法 |
| CN102685942A (zh) * | 2012-05-29 | 2012-09-19 | 王克政 | 一种ptc稀土厚膜电路智能电热元件及其制备方法 |
| CN112142334A (zh) * | 2020-08-31 | 2020-12-29 | 浙江工业大学 | 一种环保型低熔点玻璃粉 |
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2011
- 2011-05-06 CN CN2011201450500U patent/CN202085325U/zh not_active Expired - Lifetime
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