CN103096529B - 具有较高可靠性和安全性的氮化硅发热体的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氮化硅发热体的制作方法包括：将氮化硅粉料与少量高温液相助烧剂置入无水乙醇中混合，混料10-72小时后，经喷雾造粒制成配方料；然后将金属发热丝埋入配方料并干压成型，然后通过180-220MPa的冷等静压进一步压制成型，并保压3-10分钟，以制成素坯；然后，在所述素坯表面均匀涂覆一层氮化硼隔离层后烘干；然后进行热压烧结，烧结压力20-30MPa，烧结温度1600-1900℃，保温时间0.5-4小时，以制成毛坯；最后，将毛坯放入真空气氛炉中，保持1300-1600℃恒温10-24小时，然后自然冷却至室温。所述氮化硼隔离层是由氮化硼粉料和氮化硅粉料混合后与无水乙醇调和成的稠状浆料。
Description
本申请是分案申请，原申请的申请号：201010582116.2、申请日：2010-12-09，发明创造名称：氮化硅发热体的制作方法。
技术领域
本发明涉及电热元件的制作方法的技术领域，具体是一种氮化硅发热体的制作方法。
背景技术
氮化硅是一种共价键陶瓷，纯Si3N4粉体无法烧结，必须添加少量助烧剂在高温形成液相，进行液相烧结，才能得到性能优异的氮化硅材料。常用的添加剂包括：Al2O3、MgO、SiO2等金属氧化物，Y2O3、La2O3、CeO2等稀土氧化物，以及AlN，Mg3N2，TiN，ZrN等氮化物。高性能氮化硅陶瓷具有绝缘、高强、耐高温、耐氧化、耐热冲击和高导热性等优异的电学、热学和力学性能。
氮化硅发热片是一种结合高性能氮化硅陶瓷基体和长寿命大功率的高温金属发热丝的器件。具有体积小，功率大和热效率高等特点，同时也被证明是一种安全可靠的发热方式。直接通电后，表面干点温度可以达到1200摄氏度，工作寿命长达5000小时以上。高温金属发热丝材料包括，钨丝、钼丝以及各种钨钼合金丝等材料。
目前，市场的氮化硅发热片材料多存在渗碳的现象，从外观看表面分布有大块黑斑、黑块等现象，色泽不均匀。纯Si3N4致密烧结材料的本色应为灰白色，现有产品大多存在基体颜色发黑，表面均匀或不均匀分布小黑点，更有表面分布有大块黑斑、黑块等现象。这主要是热压烧结过程中由于素坯与石墨直接接触，碳元素沿着液相通道渗入，溶入液相中，或与氮化硅发生反应产生的。碳元素的渗入会劣化材料的绝缘性能，降低安全性和可靠性。同时由于热压烧结时间短，依靠机械压力强化致密效果，得到的材料存在晶界应力大、液相晶化不充分的显微结构，影响基体材料的使用寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种工艺简单的氮化硅发热体的制作方法，以生产出具有较高可靠性和安全性的氮化硅发热体。
为解决上述技术问题，本发明提供的氮化硅发热体的制作方法，包括：
步骤1、将氮化硅粉料与高温液相助烧剂按重量比0.96:0.04至0.80：0.20置入无水乙醇中混合，混料10-72小时后，经喷雾造粒制成配方料；
步骤2、将金属发热丝埋入所述配方料中干压成型，然后通过180-220MPa的冷等静压进一步压制成型，并保压3-10分钟，以制成素坯；所述金属发热丝为钼丝；
步骤3、在所述素坯表面均匀涂覆一层氮化硼隔离层后烘干；
步骤4、然后进行热压烧结，烧结压力20-30MPa，烧结温度1600-1900℃，保温时间0.5-4小时，以制成毛坯；
步骤5、将所述毛坯放入真空气氛炉中，保持1300-1600℃恒温10-24小时，然后自然冷却至室温。
进一步，所述氮化硼隔离层是由氮化硼粉料和氮化硅粉料混合后与无水乙醇调和成的稠状浆料；其中，氮化硅粉料与氮化硼粉料的重量比例为：0.10：0.90至0：1.00。
进一步，所述步骤4中，在进行热压烧结时，采用的热压石墨模具的与素坯的接触面上涂有一层所述氮化硼隔离层。
所述高温液相助烧剂优选Al2O3、MgO、SiO2等金属氧化物，Y2O3、La2O3、CeO2等稀土氧化物，AlN，Mg3N2，TiN，ZrN等氮化物，添加量为4wt%-20wt%。其中，所述金属氧化物的添加量为0-20wt%，稀土氧化物的添加量为0-20wt%，氮化物的添加量为0-5wt%。普通金属氧化物可以降低烧结温度，稀土氧化物以及少量氮化物可以增加高温液相的粘度和帮助高温结晶。
本发明具有的技术效果：（1）本发明的氮化硅发热体采用高纯氮化硅（Si3N4）粉体、少量液相助烧剂和高温金属发热丝组成，经过素坯成型，热压烧结和高温热处理后制成致密氮化硅基发热体。该发热体具有高强、高热导、高可靠性的特点。其中素坯表面具有氮化硼粉体(BN)涂层，该工艺消除了生产过程中碳元素的渗入。高温热处理工艺消除了材料应力，促进了晶界玻璃相的结晶，大大提高了器件的可靠性和安全性。（2）本发明的氮化硅发热体的制作方法中，用无水乙醇（99.9%纯度）作为介质，球磨混合10-72小时，既保证了混料均匀，又降低了氧化现象。本发明的制作过程中不添加任何高分子改性剂。某些高分子添加剂可以改善素坯的性能和提高成型成品率，然而这种工艺成型的素坯必须要经过排粘的工艺，排除高分子添加剂。一般来说，在氧气氛下排粘可以最大限度地排除和烧掉高分子添加剂中的碳元素。而氮化硅只能在真空或氮气保护气氛下排粘，彻底消除碳元素比较困难，所以总会留下一些含碳的残余物均匀分布在素坯内，会降低材料绝缘性和可靠性。本发明不采用任何高分子添加物，而是依靠干压和冷等静压工艺制备高强度的素坯。（3）本发明中，素坯表面均匀涂覆有BN隔离层，可阻止素坯与石墨的直接接触，消除了高温表面渗碳元素的可能。（4）本发明在热压烧结后，氮化硅发热体的材料应力较大，在高温下退火处理10-24小时后缓慢降温到室温，可以消除材料的应力。另外，在高温处理过程中，使材料中的玻璃相结晶，可进一步消除残余的碳元素并减少材料应力。（5）本发明的氮化硅发热基体含有高纯Si3N4粉体和少量高温液相助烧剂。初始基体原料和发热丝经过干压和冷等静压制成素坯，素坯表面涂覆BN材料。素坯在高温高压下热压烧结成毛坯。烧结毛坯高温热处理工艺消除材料应力和结晶玻璃相，具有较高可靠性和安全性的特点。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是实施例中的氮化硅发热体的结构示意图。
附图标记：1--氮化硅发热体，2--金属发热丝，3--电极。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：
（实施例1）
本实施例的氮化硅发热体由氮化硅发热和设于氮化硅发热体中的高温金属发热丝组成。金属发热丝为钨丝，钼丝或钨钼合金丝。
上述氮化硅发热体的制作方法包括：
步骤1、将氮化硅粉料与高温液相助烧剂按重量比0.96:0.04至0.80：0.20置入无水乙醇中混合（具体可采用球磨混合机进行混合），混料10-72小时后，经喷雾造粒制成配方料；
步骤2、将金属发热丝埋入所述配方料中干压成型，然后通过180-220MPa的冷等静压进一步压制成型，并保压3-10分钟，以制成素坯；
步骤3、在所述素坯表面均匀涂覆一层氮化硼隔离层后烘干；
步骤4、然后进行热压烧结，烧结压力20-30MPa，烧结温度1600-1900℃，保温时间0.5-4小时，以制成毛坯；
步骤5、将所述毛坯放入真空气氛炉中，保持1300-1600℃恒温10-24小时，然后自然冷却至室温，最后在金属发热丝两端焊接电极。
所述氮化硼隔离层是由氮化硼粉料和氮化硅粉料混合后与无水乙醇调和成的稠状浆料；其中，氮化硅粉料与氮化硼粉料的重量比例为：0.10：0.90至0：1.00。
所述步骤4中，在进行热压烧结时，采用的热压石墨模具的与素坯的接触面上涂有一层所述氮化硼隔离层。
（实施例2）
在实施例1的基础上，本实施例的氮化硅发热体的制作方法包括：
将92wt%的氮化硅粉，3wt%的Al2O3,3wt%的Y2O3,1wt%的MgO，1wt%的AlN加入99.9%无水乙醇均匀混合72小时，然后置入防爆喷雾造粒塔中喷雾造粒制成配方料。
将配方料倒入模具中，再将金属发热丝埋入粉料中干压成型，尺寸为120*20*10。再将干压成型的素坯封装，放入冷等静压设备进行等静压处理，等静压的压力为200MPa，保压时间3-10分钟。用高纯无水乙醇与氮化硼细粉调和成稠状浆料，采用刮涂法，在素坯表面涂覆一层均匀的氮化硼隔离层，烘干处理。在热压石墨模具与素坯接触面也涂一层氮化硼隔离层,将处理好的素坯放入模具。将模具放入热压炉内，在1800摄氏度，25MPa压制2小时，自然降温至50摄氏度以内出炉。将烧结后的毛坯放入热处理炉内，流动氮气保护，在1300-1500摄氏度一共保温15小时后，缓慢降温至室温出炉。将制成的发热片毛坯经过表面磨削加工，焊接处理等后续工艺制成高性能和高可靠性的氮化硅发热片。
有关冷等静压：常温下，将粉末置于密闭的液体环境当中，液体传递超高压使粉末成型。因为液体中压力是处处相等的，所以叫等静压。又由于是常温下，所以是冷等静压。工作温度在100-200℃时，为温等静压。工作温度更高则为热等静压。有的可达到2000℃
传统的喷雾造粒技术都是在干燥塔内通入热风，靠与料液大面积的接触，蒸发水分，而得到成型的颗粒。
热压烧结是将干燥粉料充填入模型内，再从单轴方向边加压边加热，使成型和烧结同时完成的一种烧结方法。热压设备：常用的热压机主要由加热炉、加压装置、模具和测温测压装置组成。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (3)
1.一种氮化硅发热体的制作方法，其特征在于包括：
步骤1、将氮化硅粉料与高温液相助烧剂按重量比0.96:0.04至0.80：0.20置入无水乙醇中混合，混料10-72小时后，经喷雾造粒制成配方料；
步骤2、将金属发热丝埋入所述配方料中干压成型，然后通过180-220MPa的冷等静压进一步压制成型，并保压3-10分钟，以制成素坯；所述金属发热丝为钼丝；
步骤3、在所述素坯表面均匀涂覆一层氮化硼隔离层后烘干；
步骤4、然后进行热压烧结，烧结压力20-30MPa，烧结温度1600-1900℃，保温时间0.5-4小时，以制成毛坯；
步骤5、将所述毛坯放入真空气氛炉中，保持1300-1600℃恒温10-24小时，然后自然冷却至室温，最后在金属发热丝两端焊接电极。
2.根据权利要求1所述的氮化硅发热体的制作方法，其特征在于：所述氮化硼隔离层是由氮化硼粉料和氮化硅粉料混合后与无水乙醇调和成的稠状浆料；其中，氮化硅粉料与氮化硼粉料的重量比例为：0.10：0.90至0：1.00。
3.根据权利要求2所述的氮化硅发热体的制作方法，其特征在于：所述步骤4中，在进行热压烧结时，采用的热压石墨模具的与素坯的接触面上涂有一层所述氮化硼隔离层。
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