CN112460996A - 一种超快加热烧结装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超快加热烧结装置，包括：电绝缘加热空腔，设置于所述电绝缘加热空腔内的电极片，与所述电极片有电连接的电源；所述电绝缘加热空腔内填充有高熔点导电粉末，所述高熔点导电粉末与所述电极片有电连接。此电极芯片需要***装满导电粉末的加热腔内，此时导电粉末需包覆有待加热的工件，通过链接电源的电极芯片给予加热腔内导电粉末电流，从而达到对所需工件进行快速加热。本发明的装置具有结构简单，功能强大，可控性好的优点。本发明公开了一种超快加热工艺，本发明所述的超快烧结工艺是将导电粉末包覆，电加热，因此温度可控，导电粉末可重复使用，成本低廉，适合工业化生产。除了以外，亦能在熔化，焊接和化学反应工艺得到高效应用。

Description

一种超快加热烧结装置及其应用

技术领域

本发明属于加热装置领域，具体涉及一种超快加热烧结装置及其应用。

背景技术

传统的加热装置由于加热方式的限制，很难在短时间内产生大面积的高温环境。随着材料科学的快速发展，很多材料需要快速产生的持续的高温环境，且对这个环境的稳定性有较高的要求。

例如致密的陶瓷体传统上是通过高温烧结生料粉末实而产生的，这是一个时间和能量密集的过程。需要高能量来保持陶瓷在高温度(比如高于1000摄氏度)和长时间(超过30分钟)。

目前有一种基于超快烧结的新型烧结方法，可以在几秒钟内烧结陶瓷。加工时间远短于常规烧结。该技术更节能是由于使用石墨毡加热烧结材料。但这种技术有很强的局限性，它只适用于厚度为1毫米的样品。由于加热和冷却阶段形成的热梯度在加热和冷却过程中会使材料开裂，用该技术不能应用于较厚的样品。

快速加热带来了额外的好处，即减少了颗粒增长的时间(即保持细粒微结构)，密度活化能显著降低，反应活性得到控制。这被证明对限制反应活性和保持组成固态电池的薄层的完整性特别有用，减少了加工过程中挥发性元素(即锂，钠)的挥发。在快速烧结技术的背景下，又提出瞬闪烧结，瞬闪烧结技术极大地减少了烧结所需的时间，最短只有几秒。现有技术通常采用外部加热源，尽管已经多次成功地尝试在较低的温度下触发闪光事件，但瞬闪烧结技术对待固化工件的电导率，样品的几何形状很敏感。这意味着该技术难以应用于工业水平。

所述技术的核心问题就是要有一种高效快捷的加热装置。因此发明一种高效快捷并适合大规模工业应用的加热装置十分有必要。

发明内容

本发明提供一种超快加热烧结装置以解决现有的超快加热烧结装置应用面窄，无法大规模工业化的技术问题。

为了解决所述技术问题，本发明一方面提供了一种超快烧结装置另一方面提供一种超快加热烧结装置，包括：

电绝缘的加热腔与电极芯片电连接，电极芯片与电源的电连接；此时加热腔的导电粉末需包覆有待加热的工件，电极芯片需要***装满导电粉末的加热腔内，通过链接电源的电极芯片给予加热腔内导电粉末导电加热，热量通过传导和/或辐射和/或对流转递到工件，从而达到对所需工件进行快速加热。

优选的，所述的超快加热烧结装置还包括与所述电绝缘的加热腔有应力接触的施压装置。

优选的，所述的超快加热烧结装置还包括与所述加热腔内高熔点粉末有热接触的测温装置。

优选的，所述的导电加热腔外还设有电绝缘绝缘层。

优选的，所述高熔点导电粉末材料包括石墨，碳黑，石墨烯，碳纳米管，碳化硅，难熔金属和硼化物，钽，钨，铌，钼的碳化物的任意一种或多种的混合。如以上所述高熔点导电粉末任何一种或多种混合物中添加了非导电粉末，电导率将会下降。

优选的，所述待加热工件厚度为0.001-400毫米。

一种基于权利所述的超快加热烧结装置的超快烧结工艺，所述待加热工件为待烧结工件。

优选的，所述待烧结工件的材料包括金属，金属化合物和陶瓷前体中的任意一种或多种混合。

本发明另一方面提供了一种基于所述的超快加热烧结装置的超快焊接工艺，所述待加热工件为待焊接件。

本发明又一方面提供了一种基于所述的超快加热烧结装置的超快升温反应釜，所述待加热工件为高温反应釜。

本发明再一方面提供了一种基于权利要求1-6任一所述的超快加热烧结装置的熔炼工艺。

优选的，所述熔炼工艺的熔炼材料包括金属或陶瓷前体中的任意一种或多种混合。

与现有技术相比，本发明所述的超快加热烧结装置，结构简单，可以通过控制电源配合测温装置精确地控制加热温度，可以通过施压装置使加热腔内的高熔点导电粉末与工件贴合更加紧密，加热效果更好。还能通过加热腔电绝缘隔热层减少能量损耗。因此，所述超快加热烧结装置具备结构简单，功能强大，且可控性好的优势。未受外压的导电粉末具有较低的导热率(小于5W/mK)，从而在有限的热量损失情况下给工件加热。

本发明所述的超快烧结工艺采用的是导电粉末包覆，电加热，因此温度可控，导电粉末可重复使用，成本低，适合工业化推广。现有技术采用石墨毡，大面积的石墨毡价格昂贵，在烧结过程中不可避免会损伤，在有限使用次数后需要被替换，大大增加成本,且为了保证烧结效率，两个石墨毡无法相距太远，因此限制了待烧结工件的尺寸，厚度只能有一毫米。本发明使用的导电粉末成本非常便宜，而且可以循环使用。不仅如此，可以通过在装有工件的坩埚中使用碳含量较低的导电粉末来减少碳污染。(碳含量较低的导电粉末包括石墨，碳黑，石墨烯，碳纳米管，碳化硅，难熔金属和硼化物，钽，钨，铌，钼的碳化物的任意一种或多种的混合。如以上所述高熔点导电粉末任何一种或多种混合物中添加了非导电粉末，电导率将会下降。)采用所述的包覆工艺使得对加工的工件尺寸限制减少，尺寸为0.001-400mm的工件都可以加工。因此，本发明所述的超快烧结工艺无论是成本，应用范围以及工业化前景都比现有工艺出色。

本发明所述的超快焊接工艺最大的优势是升温快速，且对温度的控制远超传统焊接工艺，因为在相对密闭的空间进行，大大提升了能量利用率。因此本发明所述的超快焊接工艺的应用面得到极大的拓展，可以进行一些传统焊接工艺无法进行的工艺。

与现有的反应釜相比，本发明所述的超快升温反应釜具备升温迅速，可达温度上限高，连续可调，控制精细等优势，因此具有实施化学反应的应用前景。

与现有的熔炼工艺相比，本发明所述的熔炼工艺的最大优点是可以在超高的加热效率下达到高温，并且在高温范围内进行精确的温度控制。这些对于通过采用在加热腔内加热的坩埚来熔化任何金属或陶瓷材料非常重要。因此本发明所述的熔炼工艺具备很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例所述超快加热烧结装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所述超快加热烧结装置的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例所述超快加热烧结装置的温度控制示意图；

图4为本发明实施例所述超快烧结工艺的工艺流程图；

图5为本发明实施例所述超快焊接工艺的示意图；

图6为本发明实施例所述超快升温反应装置的示意图；

图7为本发明实施例所述快加热装置的熔炼工艺的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上，下，左，右，前，后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系，运动情况等，如果该特定姿态改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本发明中涉及“第一”“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

在本发明一方面提供了一种超快加热烧结装置，如图1和2所示包括：电绝缘加热空腔0，与所述电绝缘加热空腔有电连接的电极片3，与所述电极片有电连接的电源4；在具体实施例中，所述的电源4是可以是AC或DC模式操作的可调节电源。所述电绝缘加热空腔内填充满高熔点导电粉末2，所述高熔点导电粉末材料包括石墨，碳黑，石墨烯，碳纳米管，碳化硅，难熔金属和硼化物，钽，钨，铌，钼的碳化物的任意一种或多种的混合。如以上所述高熔点导电粉末任何一种或多种混合物中添加了非导电粉末，电导率将会下降。

石墨碳黑，石墨烯，碳纳米管，难熔金属和它们的硼化物，碳化物都是导电性能和高熔点性能超高的材料，而且它们的粉末价格都不贵，因此在满足工艺需求的同时也控制了成本。所述高熔点导电粉末包覆有待加热工件1；所述待加热工件1的尺寸大小范围为0.001-400mm。与所述电绝缘加热空腔内高熔点导电粉末2有应力接触的施压装置7，与所述高熔点导电粉末有热接触的测温装置6，所述测温装置6在具体操作中可以穿过导电粉末直接测量工件温度以便获得更精准的实时温度，所述电绝缘加热空腔0外还设有隔热的电绝缘层5，所述隔热电绝缘层5包括电绝缘层51和隔热层52。通过给***电绝缘加热空腔0内高熔点导电粉末2的电极片3通上所述电源4，通了电的电极片3会把高熔点导电粉末2通过电流-焦耳效应的工作原理加热从而把热能传给被导电粉末2包覆的所述待烧结工件1，达到对工件1完成烧结工艺。通过调节电源功率，并通过测温装置6的实时反馈，来控制温度；施压装置7与所述电绝缘加热空腔0内的高熔点导电粉末2有应力接触，如图2d)所示，可以在两个电极3之间单轴施加压力，从而使得所述高熔点导电粉末2和所述待烧结工件1结合更紧密，传热效率更高。所述隔热电绝缘层5设置于所述电绝缘加热空腔0外层形成的空间内可以填充空气，或填充有保护性惰性气体如氮气，氩气，或者保留真空等，从而达到隔热减少能量损耗，还兼具保护作用。

本发明实施例所述的超快烧结工艺，采用导电粉末电加热的方式，形成更贴合的加热方式，且可以通过调控电流大小精确控温，使得对材料熔点范围的极大拓展。另外不依赖于石墨毡，而是石墨粉，因此不要求工件形状的工整，因此也大大拓展了工件的形状适用性。而且加热方式的不同也使得工件厚度显著增加。多个方面都拓展了其应用面，使得高效快速烧结工艺获得了更为广泛的应用。

本发明实施例另一方面提供了一种基于所述超快加热烧结装置的超快烧结工艺，包括如下步骤：

S01：采用高熔点导电粉末包覆待烧结工件；

S02：通电使导电粉末迅速升温，对待烧结工件进行快速烧结。

具体的在所述步骤S01中，所述带烧结工件的材料包括金属，金属氧化物和陶瓷前体中的任意一种或多种混合。由于本发明所述的烧结工艺温度可控可调节，因此应用范围很广，金属金属化合物，陶瓷前体的熔点范围很广，但是依然适用。

具体的在所述步骤S02中，所述通电过程采用的是可控制电源。可以通过常规的调节控制，也可以更加智能的使用程序精确控制。如图3所示，可以通过控制器，具体的可以采用电脑控制电源输出功率，也就是电源电压，施加在所述导电粉末上，通过温控装置反馈调节。

具体的在所述步骤S01中，所述待烧结工件的厚度为0.001-400mm。由于本发明的工艺特点，包覆的粉末不存在距离过大热辐射急速衰减的问题，因此工件尺寸可以较大，且由于是粉末包覆的制备工艺，可以适应各种复杂形状的工件。

具体的在所述步骤S01中，所述高熔点导电粉末压覆于所述待烧结工件。本工艺还可以对导电粉末施加压力，使其紧密包覆于所述工件，使得热传递效率更高，烧结更迅速。更具体的，所述施加压力的方式可以采用单轴压力或等静压的加压气体来实现，最高压强可以达200MPa。

在具体实施例中，通常不施加压力或者施加很小的压力，特殊情况下才采取加压的方式。该工艺采用密闭的隔热空腔，防止热量溢出，因此可以将所用的能源效率大大提高，并且由于其极高的加热功率和导电粉末包覆的作用原理使得其工件大小范围大大增加，因此具有高度的通用性，并且可以烧结复杂形状的工件。由于该工艺可以让副产物气体自由地放出，因此非常适用于焊接和化学反应方面的应用。与其他任何较早的发明最大不同之处是本发明无需加压即可使用，而现有发明则必须加压，因此本发明的适用范围更广，本发明使用了电绝缘加热空腔来完成所需工艺，具备安全高能量利用率，方便调节，温度范围广，适用范围广，精细可控等多方面优势。

具体的实际操作中，如图4所示，包括准备陶瓷前体粉末，压实陶瓷前体粉末成为可加工工件前驱体，此过程包括去粘接剂，干燥等程序。然后采用本发明实施例所述的超快烧结工艺快速烧结，得到产品。

本发明实施例又一方面提供了一种基于所述的超快加热烧结装置的超快焊接工艺，所述待加热工件为待焊接件。示意图为图5所示，1为装置里的待加热工件，这里是待焊接工件。具体的操作使用调节和快速烧结工艺一致，这里不再重复说明。箭头表示以通电方式提供热量。

本发明实施例还一方面提供了一种基于所述的超快加热烧结装置的超快升温反应釜，所述待加热工件在高温反应釜中加热。这种反应釜有利用于在高温下进行任何化学反应，包括固态或液体煅烧，碳热还原或硼热还原。示意图为图6所示，1为装置2里的待加热工件，这里2是高温反应釜。具体的操作使用调节和快速烧结工艺一致，这里不再重复说明。箭头表示以通电方式提供焦耳加热。

本发明实施例还一方面提供了一种基于所述的超快加热烧结装置的熔炼工艺。在一具体实施例中所述熔炼的熔炼材料包括金属或陶瓷前体中的任意一种或多种混合。这种熔化设备有利地用于熔化任何金属或陶瓷材料。工作原理如示意图图7所示，将待加热工件1放在坩埚2内一起在高温反应釜3中加热。具体的操作使用调节和快速烧结工艺一致，这里不再重复说明。箭头表示以通电方式提供焦耳加热。

本发明实施例所述的超快烧结装置，简单却兼具控制，反馈调节，压力调节等控制装置，能保证工件的质量还能拓展装置的使用范围。由于没有特殊的结构和特俗的装置，因此制造起来容易，门槛低，使用起来也不复杂，适合大规模推广应用。

需要说明的是，对于前述的各实施例，为了简单描述，故将其都表述为一。

系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可能采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其他的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如上述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元之间的间接耦合或通信连接，可以是电信或者其它的形式。

上述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对发明的保护范围进行限制。显然，所描述的实施例仅仅是本发明部分实施例，而不是全部实施例。基于这些实施例，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，都属于本发明所要保护的范围。尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域普通技术人员依然可以在不冲突的情况下，不作出创造性劳动对本发明各实施例中的特征根据情况相互组合、增删或作其他调整，从而得到不同的、本质未脱离本发明的构思的其他技术方案，这些技术方案也同样属于本发明所要保护的范围。

Claims (12)

1.一种超快加热烧结装置，其特征在于，包括：

电绝缘加热空腔，设置于所述电绝缘加热空腔内的电极片，与所述电极片有电连接的电源；所述电绝缘加热空腔内填充有高熔点导电粉末，所述高熔点导电粉末与所述电极片有电连接。

2.如权利要求1所述的超快加热烧结装置，其特征在于，还包括与所述高熔点导电粉末有应力接触的施压装置。

3.如权利要求1所述的超快加热烧结装置，其特征在于，还包括与所述高熔点导电粉末有热接触的测温装置。

4.如权利要求1所述的超快加热烧结装置，其特征在于，所述电绝缘加热空腔外还设置有隔热绝缘层。

5.如权利要求1所述的超快加热烧结装置，其特征在于，所述高熔点导电粉末材料包括石墨，碳黑，石墨烯，碳纳米管，碳化硅，难熔金属和硼化物，钽，钨，铌，钼的碳化物的任意一种或多种的混合。

6.如权利要求1所述的超快加热烧结装置，其特征在于，所述待加热工件厚度为0.001-400mm。

7.一种基于权利要求1-6任一所述的超快加热烧结装置的超快烧结工艺，其特征在于，所述待加热工件为待烧结工件。

8.如权利要求7所述的超快烧结工艺，其特征在于，所述待烧结工件的材料包括金属，金属化合物和陶瓷前体中的任意一种或多种混合。

9.一种基于权利要求1-6任一所述的超快加热烧结装置的超快焊接工艺，其特征在于，所述待加热工件为待焊接件。

10.一种基于权利要求1-6任一所述的超快加热烧结装置的超快升温反应釜，其特征在于，所述待加热工件为高温反应釜。

11.一种基于权利要求1-6任一所述的超快加热烧结装置的熔炼工艺。

12.如权利要求11所述的熔炼工艺，其特征在于，所述熔炼的熔炼材料包括金属或陶瓷前体中的任意一种或多种混合。

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