CN104876553A - 一种纳米陶瓷电热元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米陶瓷电热元件，包括电热元件和陶瓷表面，所述陶瓷表面是一种复合纳米陶瓷材料，该材料由以下重量百分比的原料制成：61％-69％的基料，5％-10％的纳米氧化铈，15％-20％的粘合剂，2.1％-2.5％的稳定剂和余量的溶剂；其中，所述基料由占基料总重量百分比为10％-50％的氧化铝、40％-60％氮化硼和10％-50％的碳化硅组成。本发明电热元件的纳米陶瓷层具有强结合、抗热震、不开裂等优点；电热元件的许用温度达300-2900℃，电热转换率高达95％，有效使用期5年以上；具有宽波谱段复合和保护性(防腐蚀、耐磨损和抗沾污结渣)；制造工艺不改变电热元件结构，实施简便；安全、节能、环保。

Description

一种纳米陶瓷电热元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种电热元件，尤其是一种纳米陶瓷电热元件及其制造方法。

背景技术

能源是人类赖以生存的物质基础，在人类社会中起着不可替代的重要作用。随着国民经济的快速发展，我国能源需求越来越大，能源效率低已成为制约国民经济发展的重要因素。

电热元件是电能通过电阻元件把电能转变为热能的能量转换装置，因易于控制和调节且不污染环境，有利于提高产品质量等优点而得到了广泛的应用，但能量转换率较低，元件高温氧化腐蚀、发热过程中伴随着发光过程，使电热元件电能转换率只达到60％到70％，在这种背景下，对新型加热材料的开发研究已经成为材料科学和能源开发领的研究热点。

对电热元件，要提高热效率，主要是要提高电热元件的发射能力以及把热量集中射向被加热工件，由于采用高辐射率涂料的应用简单易行、投资少、效果明显，如红外电热元件，近来应用越来越广泛。

红外电热元件是利用电磁辐射热传原理，以直接方式传热而达到加热升温目的，从而避免加热热传媒体导致的能量损失，有利于节约能源，同时红外线具有可控性良好、加热迅速、生产力提高，加热均匀等优点，但由于在高温1200℃以上不能使用和涂层易脱落而限制了其发展使用。

红外电热元件，采用的高辐射率涂料由辐射粉体基料与载体粘结剂组成。其中，辐射粉体基料的作用是提供高辐射性能，载体粘结剂则使涂料牢固地粘结在电热元件表面。目前存在的主要问题有：(1)高温抗热震性差。红外电热元件表面的辐射涂料高温抗热震性未得到有效的解决，目前很少有可以长期工作在1000℃以上磨损环境的成熟红外电热元件。(2)高温黏合剂研究少，自修复性不足。目前红外电热元件的辐射涂料一旦有一小部分破坏就要全部更换，这造成了人力、物力的很大浪费。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种高效节能的纳米陶瓷电热元件，该电热元件耐高温性能好，绝缘强度高，能量利用率高。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种纳米陶瓷电热元件，包括电热元件和陶瓷表面，所述陶瓷表面是一种复合纳米陶瓷材料，该材料由以下重量百分比的原料制成：

余量为溶剂；

其中，所述基料由占基料总重量百分比为10％-50％的氧化铝、40％-60％的氮化硼和10％-50％的碳化硅组成。

进一步地，所述稳定剂为膨润土或高岭土。

进一步地，所述溶剂选自二乙二醇丁醚、酒精和水的一种或几种。

进一步地，所述粘合剂为硅酸钾溶液或磷酸铝溶液。

制造上述纳米陶瓷电热元件的方法，包括如下步骤：

1)在电热元件表面进行喷砂处理，去除表面油污，干燥后吹干净表面残留的细小颗粒；

2)称取基料、纳米氧化铈、粘合剂、稳定剂和溶剂，配制成悬浮液，搅拌均匀，得到复合纳米陶瓷浆料；

3)在电热元件表面喷涂复合纳米陶瓷浆料；

4)所得纳米陶瓷电热元件进行干燥固化。

进一步地，所述步骤1)具体为：在电热元件表面用石英砂或石榴石进行喷砂处理，表面粗糙度为10-25μm，用碱性清洗剂去除表面油污，干燥后用压缩空气吹干净表面残留的细小颗粒。

进一步地，所述步骤3)具体为：选择有气喷涂喷枪，采用0.6-0.8MPa的压缩空气，在电热元件表面喷涂复合纳米陶瓷浆料，喷涂薄膜厚度为0.03-0.06mm。

进一步地，所述步骤4)具体为：常温下放置36-48h干燥固化或者80-90℃恒温加热2-4h干燥固化。

纳米陶瓷电热元件在使用过程中自然升温烧结成陶，使喷涂的陶瓷材料与电热元件以机械、物理和高温固相反应化学键方式紧密结合。

本发明的纳米陶瓷电热元件所使用的复合纳米陶瓷材料是以多种氧化物、氮化物、碳化物为基础，复合精制成多元高强度的填料，再以稀土氧化物为复合添加剂，与特种助剂、添加剂配伍，制成新型复合纳米陶瓷材料。该复合材料固化后形成牢固的涂层，最高可耐2900℃以上高温，大幅度提高电热元件表面发射率(或吸收率)、强化辐射换热，防止磨损、氧化和腐蚀。

本发明使用的主要技术为：

纳米微粒子技术：使得复合纳米陶瓷材料与电热元件基材结合更加紧密，且具有抗沾污结渣、耐腐蚀及磨损等综合特性。

稀土发射剂技术：氧化铈提高了电热元件的发射率特性，使电热元件在宽波段范围内具有稳定的复合，且不随时间衰减。

粘结剂***技术：多种无机粘结剂的优化组合，适用于不同电热元件基材、应用环境，确保高效节能纳米陶瓷电热元件不粉化脱落，性能稳定可靠。

本发明的纳米陶瓷电热元件，是通过在电热元件基材表面喷涂一种超细的复合纳米陶瓷材料，经干燥固化和在使用过程中自然升温烧结后，在电热元件基材表面形成一层超薄陶瓷薄膜，与基材以机械、物理和高温固相反应化学键方式紧密结合，同时具有金属和陶瓷的特点。通过喷涂复合纳米陶瓷材料，使得电热元件基材表面陶瓷化，与具有宽红外频谱范围、稳定耐久的表面复合，抗沾污结渣(自清洁)，可大幅度提升电热元件的换热特性(辐射和导热)，电热转换率提高到95％；同时涂层材料具有极好的高温物理化学稳定性，耐高温氧化、腐蚀和磨损；超细超薄的致密复合纳米陶瓷新材料和电热元件表面高度结合，即使在高温下也不易脱落、粉化，寿命持久。相比一般电热元件，电热转换率高25％-35％，使用寿命延长2-3倍。

本发明的有益效果为：电热元件的纳米陶瓷层具有强结合、抗热震、不开裂等优点；电热元件的使用温度可达300-2900℃，电热转换率高达95％，有效使用期5年以上；具有宽波谱段复合和保护性(防腐蚀、耐磨损和抗沾污结渣)；制造工艺不改变电热元件结构，实施简便；安全、节能、环保。

具体实施方式

实施例1

按照以下步骤制造纳米陶瓷电热元件：

1)在电热元件表面用石英砂进行喷砂处理至Sa2.5-3.0标准，表面粗糙度10μm，用碱性清洗剂去除表面油污，干燥后用压缩空气吹干净表面残留的细小颗粒；

2)称取61wt％的基料(由占基料总重量百分比为10％的氧化铝、40％的氮化硼和50％的碳化硅组成)、5wt％纳米氧化铈、15wt％硅酸钾溶液、2.1wt％膨润土和16.9wt％的二乙二醇丁醚，配制成悬浮液，搅拌均匀，得到复合纳米陶瓷浆料；

3)选择合适的有气喷涂喷枪，采用0.6MPa的压缩空气，在电热元件表面喷涂复合纳米陶瓷浆料，喷涂薄膜厚度为0.03mm；

4)所得纳米陶瓷电热元件常温放置36h干燥固化，即可使电热元件表面的水分蒸发；

纳米陶瓷电热元件在使用过程中自然升温，复合纳米陶瓷浆料烧结成陶。

实施例2

按照以下步骤制造纳米陶瓷电热元件：

1)在电热元件表面用石榴石进行喷砂处理至Sa2.5-3.0标准，表面粗糙度25μm，用碱性清洗剂去除表面油污，干燥后用压缩空气吹干净表面残留的细小颗粒；

2)称取69wt％的基料(由占基料总重量百分比为50％的氧化铝、40％的氮化硼和10％的碳化硅组成)、10wt％纳米氧化铈、15wt％磷酸铝溶液、2.5wt％高岭土和3.5wt％的酒精，配制成悬浮液，搅拌均匀，得到复合纳米陶瓷材浆料；

3)选择合适的有气喷涂喷枪，采用0.8MPa的压缩空气，在电热元件表面喷涂复合纳米陶瓷浆料，喷涂薄膜厚度为0.06mm；

4)所得纳米陶瓷电热元件在90℃恒温加热4h进行干燥固化；

纳米陶瓷电热元件在使用过程中自然升温，复合纳米陶瓷浆料烧结成陶。

实施例3

按照以下步骤制造纳米陶瓷电热元件：

1)在电热元件表面用石英砂进行喷砂处理至Sa2.5-3.0标准，表面粗糙度15μm，用碱性清洗剂去除表面油污，干燥后用压缩空气吹干净表面残留的细小颗粒；

2)称取65wt％的基料(由占基料总重量百分比为20％的氧化铝、60％的氮化硼和20％的碳化硅组成)、7wt％纳米氧化铈、20wt％硅酸钾溶液、2.3wt％膨润土和余量的5.7wt％水，配制成悬浮液，搅拌均匀，得到复合纳米陶瓷浆料；

3)选择合适的有气喷涂喷枪，采用0.7MPa的压缩空气，在电热元件表面喷涂复合纳米陶瓷浆料，喷涂薄膜厚度为0.05mm；

4)所得纳米陶瓷电热元件常温放置48h干燥固化，即可使电热元件表面的水分蒸发；

纳米陶瓷电热元件在使用过程中自然升温，复合纳米陶瓷浆料烧结成陶。

实施例4

按照以下步骤制造纳米陶瓷电热元件：

1)在电热元件表面用石榴石进行喷砂处理至Sa2.5-3.0标准，表面粗糙度20μm，用碱性清洗剂去除表面油污，干燥后用压缩空气吹干净表面残留的细小颗粒；

2)称取64wt％的基料(由占基料总重量百分比为30％的氧化铝、50％的氮化硼和20％的碳化硅组成)、8wt％纳米氧化铈、16wt％磷酸铝溶液、2.2wt％高岭土和9.8wt％的二乙二醇丁醚，配制成悬浮液，搅拌均匀，得到复合纳米陶瓷浆料；

3)选择合适的有气喷涂喷枪，采用0.7MPa的压缩空气，在电热元件表面喷涂复合纳米陶瓷浆料，喷涂薄膜厚度为0.04mm；

4)所得纳米陶瓷电热元件在80℃恒温加热2h进行干燥固化；

纳米陶瓷电热元件在使用过程中自然升温，复合纳米陶瓷浆料烧结成陶。

实施例5

将实施例1-4制造的电热元件和市售的G080080030电热元件进行性能测试，相关结果见表1。

表1电热元件性能测试结果

由表1可知，实施例1-4的纳米陶瓷电热元件的性能全面优于普通市售产品，其电热转化率更高，可耐2900℃高温，寿命更长。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种纳米陶瓷电热元件，包括电热元件和陶瓷表面，其特征在于，所述陶瓷表面是一种复合纳米陶瓷材料，该材料由以下重量百分比的原料制成：

余量为溶剂；

其中，所述基料由占基料总重量百分比为10％-50％的氧化铝、40％-60％的氮化硼和10％-50％的碳化硅组成。

2.根据权利要求1所述的纳米陶瓷电热元件，其特征在于，所述稳定剂为膨润土或高岭土。

3.根据权利要求1所述的纳米陶瓷电热元件，其特征在于，所述溶剂选自二乙二醇丁醚、酒精和水的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的纳米陶瓷电热元件，其特征在于，所述粘合剂为硅酸钾溶液或磷酸铝溶液。

5.制造根据权利要求1所述的纳米陶瓷电热元件的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在电热元件表面进行喷砂处理，去除表面油污，干燥后吹干净表面残留的细小颗粒；

2)称取基料、纳米氧化铈、粘合剂、稳定剂和溶剂，配制成悬浮液，搅拌均匀，得到复合纳米陶瓷浆料；

3)在电热元件表面喷涂复合纳米陶瓷浆料；

4)所得纳米陶瓷电热元件进行干燥固化。

6.根据权利要求5所述的制造纳米陶瓷电热元件的方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：在电热元件表面用石英砂或石榴石进行喷砂处理，表面粗糙度为10-25μm，用碱性清洗剂去除表面油污，干燥后用压缩空气吹干净表面残留的细小颗粒。

7.根据权利要求5所述的制造纳米陶瓷电热元件的方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：选择有气喷涂喷枪，采用0.6-0.8MPa的压缩空气，在电热元件表面喷涂复合纳米陶瓷浆料，喷涂薄膜厚度为0.03-0.06mm。

8.根据权利要求5所述的制造纳米陶瓷电热元件的方法，其特征在于，所述步骤4)具体为：常温下放置36-48h干燥固化或者80-90℃恒温加热2-4h干燥固化。