CN220274187U - 一种玻璃包覆厚膜热电材料的压延成型装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型的目的在于提供一种玻璃包覆厚膜热电材料的压延成型装置，可以实现真空及惰性气氛保护下高温熔体的不同百微米厚度的可控压延成型；为达到上述目的，本实用新型的解决方法是提供一种玻璃包覆厚膜热电材料的压延成型装置，包括：升降装置、抽真空装置、玻璃管、加热装置、挤压装置和冷却装置，所述升降装置与所述玻璃管连接并控制其朝向挤压装置所在的方向移动，所述玻璃管沿移动的方向上依次经过所述加热装置、挤压装置和冷却装置，所述抽真空装置与所述玻璃管内腔连通，所述玻璃管内腔内放置有熔料。

Description

一种玻璃包覆厚膜热电材料的压延成型装置

技术领域

本实用新型涉及厚膜成型领域，尤其涉及一种玻璃包覆厚膜热电材料的压延成型装置。

背景技术

热电材料是一种能实现热能与电能直接相互转换的功能材料，利用热电材料构筑的热电器件具有结构简单、无噪声、体积小、环境友好等优点，可实现一定场景下的发电、制冷及传感功能。

针对自供电无源温度传感及电子芯片快速散热的应用需求，微型厚膜热电器件不仅相较于传统块体器件具有微型化小型化、高热电臂集成度、高功率密度输出的特点，同时可以解决微型薄膜热电器件由于热电臂低维尺寸的限制导致的热电臂两端难以建立温差、整体输出性能低的瓶颈。理论计算结果表明，微型热电器件输出的体积功率密度在热电臂厚度为百微米数量级时最高。

然而受限于热电材料本身的脆性属性及较差的机械强度，传统块体材料难以实现百微米级的精细切割，同时切割带来的原料耗损严重，损耗率高40％-60％。利用传统薄膜材料沉积手段如磁控溅射、电化学沉积、真空蒸镀等生长厚膜材料制备周期长、生产效率低下、生产成本高、难以实现工业化大规模生产。而常用的厚膜制备手段如丝网印刷、喷墨打印等由于电子浆料中有机溶剂及粘合剂等杂质相的引入严重制约了无机热电相的本征属性，材料的电学性能由于不导电有机杂相的引入而严重劣化。因此，亟需开发一种基于单一纯相生长的可控厚膜制备技术，以满足高性能厚膜的连续可控制备。

基于单一相的熔体成型技术目前研究较为广泛的主要包含两种：热挤压法和熔融旋甩法，热挤压法所制备的棒材直径较大，仍需经过线切割等工艺纵向切割成百微米厚度薄片后再横向切割成百微米尺寸微型热电臂，切割过程带来的材料损耗大，且加工过程繁琐，加工难度高；熔融旋甩法所成型样品宽度较低，厚度较薄，多为细碎的条带状，无法直接用于厚膜热电器件中，需经后续SPS放电等离子体烧结成块体后切割成微型热电臂才可使用。

因此，有针对性地对厚膜成型领域提供一种玻璃包覆厚膜热电材料的压延成型装置，以实现高性能厚膜的连续可控制备，是亟待解决的工程技术问题。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种玻璃包覆厚膜热电材料的压延成型装置，可以实现真空及惰性气氛保护下高温熔体的不同百微米厚度的可控压延成型。

为达到上述目的，本实用新型的解决方法是提供一种玻璃包覆厚膜热电材料的压延成型装置，包括：升降装置、抽真空装置、玻璃管、加热装置、挤压装置和冷却装置，所述升降装置与所述玻璃管连接并控制其朝向挤压装置所在的方向移动，所述玻璃管沿移动的方向上依次经过所述加热装置、挤压装置和冷却装置，所述抽真空装置与所述玻璃管内腔连通，所述玻璃管内腔内放置有熔料。

进一步地，所述升降装置包括：步进电机、升降杆和玻璃管夹具，所述步进电机控制所述升降杆运动，所述升降杆的下端与抽真空装置连接，所述抽真空装置与所述玻璃管夹具连接，所示玻璃管夹具将所述玻璃管夹持。

进一步地，所述抽真空装置包括：四通、机械泵、真空计、针阀，所述四通的上端与所述升降杆连接，所述四通的下端与所述玻璃管夹具连接，四通左端连接进气接口，可向玻璃管中通入惰性气体，四通右端依次连接真空计、针阀和机械泵，通过机械泵可将玻璃管内抽真空。

进一步地，所述挤压装置包括：第一辊动装置和第二辊动装置，所述第一辊动装置和第二辊动装置之间设有夹缝，所述玻璃管从夹缝中经过被挤压成片状，所述第一辊动装置和第二辊动装置的两端分别与侧板滑动连接，所述第一辊动装置和第二辊动装置沿所述侧板滑动调节夹缝的大小。

进一步地，所述第一辊动装置包括n个辊轮，第二辊动装置也包括n个辊轮，所述n为大于等于1的整数。

进一步地，所述辊轮外设有绝热砖，所述绝热砖内设有加热丝，所述第一辊动装置的辊轮一端设有固定齿轮并通过链条与伺服电机连接，所述第一辊动装置的辊轮的另一端设有联动齿轮带动所述第二辊动装置的辊轮相向转动；加热丝最高加热温度可达1300℃，利用热辐射及空气热传导可实现辊轮的快速升温，可有效形成玻璃包覆熔体挤压成膜所需的高温条件。

进一步地，所述加热装置包括感应线圈和加热机，所述加热机为所述感应线圈提供能量，所述感应线圈内设有石墨坩埚，所述玻璃管穿过所述感应线圈中的石墨坩埚后进入到所述第一辊动装置和第二辊动装置之间的夹缝；优选地，所述加热机为所述感应线圈提供能量高频交流电，进而产生交变磁场使玻璃管内部的材料快速加热熔融，所述石墨坩埚为无底石墨坩埚，石墨坩埚最高温度可达1600℃，以实现加热区内压延原料粉末或合金的熔融及玻璃管的软化。

进一步地，所述加热装置旁边设有测温装置，所述测温装置包括红外测温仪和热电偶，所述红外测温仪对准所述感应线圈的石墨坩埚，所述热电偶设于所述绝热砖与所述辊轮之间；优选地，所述测温装置通过与PID数显温控仪、固态继电器串联可实现测温范围内任意温度的精确控制。

进一步地，所述冷却装置包括喷水装置和冷水收集装置，所述喷水装置对所述挤压装置出来的玻璃包覆厚膜进行水冷，所述冷水收集装置收集冷水再利用。

本实用新型优点：

1、将外部玻璃管作为可塑形微型真空腔室，利用外部玻璃包覆内部熔体解决了高温熔体材料易氧化的问题，对工业上复杂的大型真空装置进行了简化。

2、将玻璃管作为压延模具通过外部应力场辅助内部熔体的压延成型，克服了熔体较大表面张力导致的球化现象，实现了百微米级厚膜的平面化延展。

3、利用该装置可实现基于熔体的纯相厚膜热电材料的直接成型，不仅克服了传统块体材料难以实现百微米级精细切割的难点，同时由于直接成型百微米级厚膜，简化了块体材料制作热电臂繁琐的线切割工艺并极大降低了线切割带来的原材料耗损，节约成本。

4、首次开发出基于单一相熔体的厚膜成型工艺，相较于传统厚膜成型工艺如丝网印刷等该方案不掺入任何不导电有机杂质相，可有效维持材料良好的电学性能。

5、通过将不同材料的玻璃包覆厚膜进行多层排列并重复压延可实现不同材料的组合成膜，即制备多层材料的复合厚膜，满足例如热电器件应用中叠层结构的直接成型等多场景应用需求。

6、该装置不仅仅局限于单一热电厚膜的成型，其他易氧化的材料均可使用该装置实现真空或气氛保护下的百微米级厚膜压延成型。

7、该装置利用加热装置、挤压装置和冷却装置可实现高温熔体在极大温度梯度下的急速冷却成膜，此外利用水冷和空气冷却所提供的不同冷却温度梯度和过冷环境，可实现非晶、纳米晶等具有独特微结构的厚膜成型。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种玻璃包覆厚膜热电材料的压延成型装置示意图。

如图所述，1-步进电机2-升降杆3-四通4-玻璃管夹具5-玻璃管6-熔料7-红外测温仪8-感应线圈9-热电偶10-绝热砖11-辊轮12-加热丝13-冷却装置14-玻璃包覆压延厚膜

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

一种玻璃包覆厚膜热电材料的压延成型装置，包括：升降装置、抽真空装置、玻璃管5、加热装置、挤压装置和冷却装置13，所述升降装置与所述玻璃管5连接并控制其朝向挤压装置所在的方向移动，所述玻璃管5沿移动的方向上依次经过所述加热装置、挤压装置和冷却装置13，所述抽真空装置与所述玻璃管5内腔连通，所述玻璃管5内腔内放置有熔料6，所述玻璃管5经过挤压装置后成为玻璃包覆压延厚膜14。

所述升降装置包括：步进电机1、升降杆2和玻璃管夹具4，所述步进电机1控制所述升降杆2运动，所述升降杆2的下端与抽真空装置连接，所述抽真空装置与所述玻璃管夹具4连接，所示玻璃管夹具4将所述玻璃管5夹持；所述抽真空装置包括：四通3、机械泵、真空计、针阀，所述四通3的上端与所述升降杆2连接，所述四通3的下端与所述玻璃管夹具4连接，四通3左端连接进气接口，可向玻璃管5中通入惰性气体，四通3右端依次连接真空计、针阀和机械泵，通过机械泵可将玻璃管5内抽真空。

所述挤压装置包括：第一辊动装置和第二辊动装置，所述第一辊动装置和第二辊动装置之间设有夹缝，所述玻璃管5从夹缝中经过被挤压成片状，所述第一辊动装置和第二辊动装置的两端分别与侧板滑动连接，所述第一辊动装置和第二辊动装置沿所述侧板滑动调节夹缝的大小；所述第一辊动装置包括1个辊轮11，第二辊动装置也包括1个辊轮11，所述辊轮11外设有绝热砖10，所述绝热砖10内设有加热丝12，所述第一辊动装置的辊轮11一端设有固定齿轮并通过链条与伺服电机连接，所述第一辊动装置的辊轮11的另一端设有联动齿轮并带动所述第二辊动装置的辊轮11相向转动；加热丝12最高加热温度可达1300℃，利用热辐射及空气热传导可实现辊轮11的快速升温，可有效形成玻璃包覆熔体挤压成膜所需的高温条件。

所述加热装置包括感应线圈8和加热机，所述加热机为所述感应线圈8提供能量高频交流电，进而产生交变磁场使材料快速加热熔融，所述感应线圈内设有石墨坩埚，所述玻璃管5穿过所述感应线圈8的石墨坩埚后进入到所述第一辊动装置和第二辊动装置之间的夹缝；石墨坩埚为无底石墨坩埚，石墨坩埚最高温度可达1600℃，以实现加热区内压延原料粉末或合金的熔融及玻璃管5的软化；所述加热装置旁边设有测温装置，所述测温装置包括红外测温仪7和热电偶9，所述红外测温仪7对准所述感应线圈8的石墨坩埚，所述热电偶9设于所述绝热砖10与所述辊轮11之间；所述测温装置通过与PID数显温控仪、固态继电器串联可实现测温范围内任意温度的精确控制；所述冷却装置13包括喷水装置和冷水收集装置，所述喷水装置对所述挤压装置出来的玻璃包覆厚膜进行水冷，所述冷水收集装置收集冷水再利用。

具体工作过程：将称量好的熔料6放入玻璃管5内，将玻璃管5通过玻璃管夹具4固定于步进电机1下方的升降杆2，开启所述抽真空装置将玻璃管5抽真空后通入惰性气体，通过步进电机1控制升降杆2升降，使玻璃管5底部与石墨坩埚上端位于同一水平；启动感应线圈8，开启挤压装置中的伺服电机使辊轮11以设定转速匀速转动，打开加热丝12，使感应线圈8内的石墨坩埚和辊轮11充分加热保温，待感应线圈8内部石墨坩埚及辊轮11充分加热达到设定温度并恒定不变后，开启步进电机1的控速器，使玻璃管5以设定速率缓慢下移，实现进料的连续补给；观察绝热砖10出口端压延成型厚膜的出料情况，待玻璃管5内部熔体完全压延成膜后，关闭步进电机1并停止辊轮11的转动，关闭加热丝12，关闭感应线圈8加热电源；将所得到的玻璃包覆压延厚膜14经冷却装置13冷却后，关闭冷却装置13及设备总电源；结合机械剥离、金相抛光去除厚膜两侧的玻璃包覆层，或采用氢氟酸(HF)腐蚀厚膜外侧的玻璃后，最终可获得纯相热电厚膜。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，所述玻璃管5内设有多层相互平行的内壁，将玻璃管5内的空间分为多个腔体，每个腔体内放置有不同的熔料6，最终实现多层材料复合厚膜的直接成型。

显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

Claims (9)

1.一种玻璃包覆厚膜热电材料的压延成型装置，其特征在于，包括：升降装置、抽真空装置、玻璃管(5)、加热装置、挤压装置和冷却装置(13)，所述升降装置与所述玻璃管(5)连接并控制其朝向挤压装置所在的方向移动，所述玻璃管(5)沿移动的方向上依次经过所述加热装置、挤压装置和冷却装置(13)，所述抽真空装置与所述玻璃管(5)内腔连通，所述玻璃管(5)内腔内放置有熔料(6)，所述玻璃管(5)经过挤压装置后成为玻璃包覆压延厚膜(14)。

2.根据权利要求1所述的一种玻璃包覆厚膜热电材料的压延成型装置，其特征在于，所述升降装置包括：步进电机(1)、升降杆(2)和玻璃管夹具(4)，所述步进电机(1)控制所述升降杆(2)运动，所述升降杆(2)的下端与抽真空装置连接，所述抽真空装置与所述玻璃管夹具(4)连接，所示玻璃管夹具(4)将所述玻璃管(5)夹持。

3.根据权利要求2所述的一种玻璃包覆厚膜热电材料的压延成型装置，其特征在于，所述抽真空装置包括：四通(3)、机械泵、真空计、针阀，所述四通(3)的上端与所述升降杆(2)连接，所述四通(3)的下端与所述玻璃管夹具(4)连接，四通(3)左端连接进气接口，可向玻璃管(5)中通入惰性气体，四通(3)右端依次连接真空计、针阀和机械泵，通过机械泵可将玻璃管(5)内抽真空。

4.根据权利要求3所述的一种玻璃包覆厚膜热电材料的压延成型装置，其特征在于，所述挤压装置包括：第一辊动装置和第二辊动装置，所述第一辊动装置和第二辊动装置之间设有夹缝，所述玻璃管(5)从夹缝中经过被挤压成片状，所述第一辊动装置和第二辊动装置的两端分别与侧板滑动连接，所述第一辊动装置和第二辊动装置沿所述侧板滑动调节夹缝的大小。

5.根据权利要求4所述的一种玻璃包覆厚膜热电材料的压延成型装置，其特征在于，所述第一辊动装置包括n个辊轮(11)，第二辊动装置也包括n个辊轮(11)，所述n为大于等于1的整数。

6.根据权利要求5所述的一种玻璃包覆厚膜热电材料的压延成型装置，其特征在于，所述辊轮(11)外设有绝热砖(10)，所述绝热砖(10)内设有加热丝(12)，所述第一辊动装置的辊轮(11)一端设有固定齿轮并通过链条与伺服电机连接，所述第一辊动装置的辊轮(11)的另一端设有联动齿轮带动所述第二辊动装置的辊轮(11)相向转动。

7.根据权利要求6所述的一种玻璃包覆厚膜热电材料的压延成型装置，其特征在于，所述加热装置包括感应线圈(8)和加热机，所述加热机为所述感应线圈(8)提供能量，所述感应线圈(8)内设有石墨坩埚，所述玻璃管(5)穿过所述感应线圈(8)中的石墨坩埚后进入到所述第一辊动装置和第二辊动装置之间的夹缝。

8.根据权利要求7所述的一种玻璃包覆厚膜热电材料的压延成型装置，其特征在于，所述加热装置旁边设有测温装置，所述测温装置包括红外测温仪(7)和热电偶(9)，所述红外测温仪(7)对准所述感应线圈(8)内的石墨坩埚，所述热电偶(9)设于所述绝热砖(10)与所述辊轮(11)之间。

9.根据权利要求8所述的一种玻璃包覆厚膜热电材料的压延成型装置，其特征在于，所述冷却装置(13)包括喷水装置和冷水收集装置，所述喷水装置对所述挤压装置出来的玻璃包覆厚膜进行水冷，所述冷水收集装置收集冷水再利用。