一种新型厚膜电发热体及制备方法技术

一种新型厚膜电发热体，由厚膜电热膜、厚膜导电电极和厚膜导电焊点所构成。组分中含有氧化磷、氧化铅、氧化硅、氧化铜（或氧化钴）、氧化硼、石墨和银。本发明专利技术采用喷涂、刷涂、丝印等厚膜工艺制膜，经烘干，烧结使厚膜电发热体与被加热器皿或电热元件底材永久地制成一体。本发明专利技术的特点是：成本低、热效率高、节能效果显著、使用寿命长、设备简单、工艺性好、原材料来源充足，适于大批量工业化生产，本发明专利技术可替代常规的电热丝，在电加热领域有广泛的用途。（*该技术在2011年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于掺合型无机厚膜电加热技术，与硅酸盐技术、印刷电路技术，锡焊技术有关。电热器具自问世以来有一百多年历史了，电热器具的电热元件通常采用电热丝作为电发热体。其主要缺点是(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(镍络电热丝每公斤300-380元，必须配有电炉盘、云母片、石棉板及其他耐高温部件，电热系统结构复杂，成本较高);(3)使用寿命短(电热丝通电加热时，一般工作在800℃以上的红热状态，直接暴露于空气中极易氧化)。针对电热丝加热方式存在的上述缺点，早在五十年代初，国际上提出采用电热膜作为电发热体的构想，发达国家在这方面的研究工作从未间断，但至今由于成膜材料大多使用金、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膜材料，制膜工艺要求高、制膜设备复杂，成本太贵，使电热膜加热方式的应用仅限于航天，航空等少数高消费领域。本专利技术的目的在于提出一种厚膜电发热体及制备方法，与传统的电热丝加热方式及其他电加热方式(如微波炉和电磁灶，热效率为80%-85%，成本价格高，属于高价电热器具)相比具有显著的优点是(1)热效率高(热效率可达93%);(2)成本低(膜材料成本以10瓦/平方厘米计仅为0.50元/千瓦膜);(3)使用寿命长(可达10000小时以上)。与现有的其他电热膜技术相比，具有工艺性好，设备简单，适于大批量工业化生产，原材料都是普通工业原料，价格低廉，来源充足等显著优点，为在电加热领域推广应用电热膜加热方式提供了一整套新颖实用的技术方案。本专利技术由厚膜电热膜，厚膜导电电极和可直接锡焊的厚膜导电焊点所构成。采用厚膜工艺(包括喷涂、刷涂、刮涂、浸涂、丝网印刷等厚膜工艺)直接制备在被加热器皿的外表面或电热元件的加热面(被加热器皿和电热元件必须由耐温绝缘材料所制成，如玻璃、搪瓷、陶瓷、云母片、表面经过绝缘处理的金属等)，经烘干和烧结而永结地与被加热器皿或电热元件制成一体，通过调整膜配方、膜工艺、膜厚和膜几何图形可准确地控制膜功率密度(瓦/平方厘米)和膜总功率(瓦)，在平面、曲面或任意凹凸面上可一次制成任何复杂的膜形，对于非均匀加热或局部加热的特殊情况尤为方便。膜的功率密度可根据需要在0-15瓦/平方厘米范围内选择，强制冷却时，膜功率密度可达80瓦/平方厘米以上，膜供电电源根据需要可设计成高压、低压、交流或直流，在一个电热产品上，可设计几块独立的膜形，通过转换开关，改变膜的串并联方式，可以方便地调节膜功率密度和膜总功率，膜受到划伤、刮伤等机械损伤时，可以方便地采用涂敷方法加以修复。本专利技术所使用的全部原材料都是普通工业原料，每千瓦膜仅为3-5克左右(以10瓦/平方厘米计)膜材料耗量极省，膜材料成本极低，仅为0.50元/千瓦膜。厚膜电发热体取代了传统的电热丝、电热管，电热盘等电热元件，省去了云母片、石棉板，炉盘等辅助部件，使电热系统结构大为简化，成本大幅度降低。本专利技术的导电机理在导电粉末材料中加入由多种氧化物所构成的厚膜交联剂，经烧结使导电粉末相互搭接而形成微观网络式导电通道。本专利技术的高效节能强化传热机理①厚膜电发热体与被加热器皿或电热元件制成一体，发热面与受热面之间的接触面大于其几何面积(接触面有微小凹凸，展平后，真实接触面大于几何接触面)构成了最大限度的导热面，传热热阻较小。②1000瓦厚膜电发热体自重仅3-5克左右(以10瓦/平方厘米计)自身热容能耗可忽略不计。③厚膜电发热体发出的热量以热传导方式直接为受热体(即被加热器皿或电热元件)所吸收，与受热体始终处于平衡加热状态。例如一块面积为100平方厘米1000瓦的厚膜电发热体制备在搪瓷火锅底面外侧，当锅内水处于100℃恒沸状态时，膜温最高只有150℃-180℃左右，纸张或棉花直接与膜接触也不会将其引燃，如此低的膜工作温度，大大降低了辐射对流热损失，解决了在通电加热状态下，膜材料氧化的问题，使膜工作寿命长达10000小时以上。这就是厚膜电热产品的热效率高达85%-93%;比电热丝加热方式具有显著的节能效果的机理。本专利技术提出的厚膜电热膜由石墨(C)、氧化铅(PbO)、氧化磷(P2O5)、氧化硼(B2O3)、氧化硅(SiO2)和氧化铜(CuO)(或氧化钴CoO)所组成。其组份配比(重量%)为石墨10%-60%、氧化铅30%-65%、氧化磷2%-6%、氧化硼5%-15%、氧化硅1%-7%、氧化铜(或氧化钴)0.10%-0.80%。本专利技术提出的厚膜导电电极由石墨(C)、银(Ag)、氧化铅(PbO)、氧化磷(P2O5)、氧化硼(B2O3)、氧化硅(SiO2)和氧化铜(CuO)(或氧化钴CoO)所组成。其组份配比(重量%)为石墨10%-20%、银35%-45%、氧化铅25%-32%、氧化磷2%-5%、氧化硼5%-8%、氧化硅2%-5%、氧化铜(或氧化钴)0.1%-0.6%。本专利技术提出的可直接焊锡的厚膜导电焊点由银(Ag)、氧化铅(PbO)、氧化磷(P2O5)、氧化硼(B2O3)、氧化硅(SiO2)和氧化铜(CuO)(或氧化钴CoO)所组成。其组份配比(重量%)为银97.10%-99.00%、氧化铅1.00%-2.00%、氧化磷0.10%-0.20%、氧化硼0.30%-0.40%、氧化硅0.10%-0.20%、氧化铜(或氧化钴)0.01%-0.10%。上述的厚膜电热膜，厚膜导电电极和厚膜导电焊点的组份中，石墨是电阻填料和界面应力缓冲填料。银是导电填料和挂锡金属填料。氧化铅、氧化磷、氧化硼、氧化硅、氧化铜(或氧化钴)经高温烧熔球磨过筛制成厚膜交联剂。其中氧化铜(或氧化钴)的作用是提高厚膜交联剂与石墨和银的浸润性并降低交联剂的软化粘度。氧化铅、氧化磷、氧化硼、氧化硅四种氧化物是厚膜交联剂的非晶结构骨架。三种厚膜交联剂的作用是烧结过程中软化流动并与石墨、银浸润粘合，而烧结成与底材结合牢固的厚膜导电电极、厚膜电热膜和厚膜导电焊点。本专利技术的制备方法，根据厚膜电热膜、厚膜导电电极、厚膜导电焊点三种组份配比称取适量氧化铅、氧化磷、氧化硼、氧化硅、氧化铜(或氧化钴)，混匀后于高温下分别烧熔，烧熔温度均为800℃-1200℃，烧熔时间均为20分钟-70分钟，烧熔好的三种料块，须经球磨过筛制成三种粉末状厚膜交联剂，厚膜电热膜交联剂和厚膜导电电极交联剂的粉末颗粒直径应≤60μ，厚膜导电焊点交联剂的粉末颗粒直径应≤50μ。然后根据三种组份配比取适量的石墨粉与厚膜电热膜交联剂混匀，取适量石墨粉、银粉与厚膜导电电极交联剂混匀，取适量银粉与厚膜导电焊点交联剂混匀，分别添加适量松油醇，调成粘度适当的厚膜电热膜、厚膜导电电极、厚膜导电焊点三种浆料，按工艺流程采用厚膜工艺，分别制备所需图形的厚膜导电电极和厚膜电热膜，在电极的适当部位涂制厚膜导电焊点，(厚膜电热膜的膜厚为0.05毫米-0.60毫米。厚膜导电电极的膜厚为0.10毫米-0.50毫米，厚膜导电焊点的膜厚为0.10毫米-0.40毫米)经烘干和烧结可制成所需膜形的厚膜电发热体。厚膜导电电极、厚膜电热膜和厚膜导电焊点的烘干条件均为150℃-200℃下，烘干5分钟-30分钟，烧结条件均为450℃-620℃下，烧结6分钟-30分钟。三种厚膜交联剂的组份可直接采用组份本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型厚膜电发热体，其特征是：ａ．厚膜导电电极由石墨（Ｃ）、银（Ａｇ）、氧化铅（ＰｂＯ）、氧化磷（Ｐ２Ｏ５）、氧化硼（Ｂ２Ｏ３）、氧化硅（ＳｉＯ２）和氧化铜（ＣｕＯ）（或氧化钴ＣｏＯ）所组成。其组份配比（重量％）为：石墨１０％－２０％、银３５％－４５％、氧化铅２５％－３２％、氧化磷２％－５％、氧化硼５％－８％、氧化硅２％－５％、氧化铜（或氧化钴０．１％－０．６％。ｂ．厚膜电热膜由石墨（Ｃ）、氧化铅（ＰｂＯ）、氧化磷（Ｐ２Ｏ５）、氧化硼（Ｂ２Ｏ３）、氧化硅（ＳｉＯ２）和、氧化铜（ＣｕＯ）（或氧化钴ＣｏＯ）所组成，其组份配比（重量％）为：石墨１０％－６０％、氧化铅３０％－６５％、氧化磷２％－６％、氧化硼５％－１５％、氧化硅１％－７％、氧化铜（或氧化钴）０．１０％－０．８０％。ｃ．厚膜导电焊点由银（Ａｇ）、氧化铅（ＰｂＯ）、氧化磷（Ｐ２Ｏ５）、氧化硼（Ｂ２Ｏ３）、氧化硅（ＳｉＯ２）、氧化铜（ＣｕＯ）（或氧化钴ＣｏＯ）所组成，其组份配比（重量％）为：银９７．１０％－９９．００％、氧化铅１．００－２．００％、氧化磷０．１０－０．２０％、氧化硼０．３０％－０．４０％、氧化硅０．１０％－０．２０％、氧化铜（或氧化钴）０．０１－０．１０％。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：尹维平，
申请(专利权)人：尹维平，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]