CN112616205A - 一种适用于不同外形结构被加热部件的环保绿色半导体电热膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于不同外形结构被加热部件的环保绿色半导体电热膜及其制备方法，具体地说，本发明的环保绿色半导体电热膜包括：金属基材、氧化锡锑电热膜以及介于金属基材和氧化锡锑电热膜之间的二氧化硅介质层；其中，所述金属基材根据被加热件的外形结构可加工成带凸起结构或者带凹坑结构的金属基材。本发明中电热膜与基体的附着力大大提高，即使温度不停变换也不容易剥落，寿命大大提高；此外，通过选用金属作为基材，可根据被加热件的外形进行加工，从而提高电热膜与被加热件的贴合程度，提高电热转换能效比。
Description
技术领域
本发明涉及电热材料技术领域，具体地说，涉及一种适用于不同外形结构被加热部件的环保绿色半导体电热膜及其制备方法。
背景技术
目前在很多需要加热的场合，电阻丝加热、电磁辐射加热等方式较为常见。一般来说，电阻丝加热是通过改变电阻值来调整加热功率的加热方式，这种加热方式存在热效率低、安全系数低、后期维护成本高、寿命短等缺陷，其电能转换成热能的转换率不超过56％。而电磁辐射加热利用辐射能进行加热，又会存在电磁辐射危害以及成本过高的问题。
电热膜的电热转换效率高，节能效果显著，在电热领域受到人们的重视。现有半导体电热膜(简称SEHF)一般包括：衬底、发热膜以及位于衬底和发热膜之间的粘结材料。其中，衬底一般采用陶瓷、石英玻璃、微晶玻璃等绝缘材料。而实际使用过程中，被加热部件存在各种各样的外形结构，陶瓷、石英玻璃、微晶玻璃等属于难以加工的材料，一般只能制备平面状热源的薄膜状电热膜，很难实现电热膜和被加热部件良好贴合；此外，采用粘合的形式随着温度不停变换，也增加了电热膜出现剥离脱落的风险。
因此，如何提高半导体电热膜与被加工件的贴合度以提高电热转换能效比，以及提高电热膜和基体之间的结合强度使其更好地满足于国家节能环保的要求是本领域的技术人员当前亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于不同外形结构被加热部件的环保绿色半导体电热膜及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明目的之一在于，提供了一种适用于不同外形结构被加热部件环保绿色半导体电热膜，所述环保绿色半导体电热膜包括：金属基材、氧化锡锑电热膜以及介于金属基材和氧化锡锑电热膜之间的二氧化硅介质层；其中，所述金属基材根据被加热件的外形结构可加工成带凸起结构或者带凹坑结构的金属基材。
进一步地，所述被加热部件外形包括凸起部或凹坑部之一或其组合，所述金属基底的凸起结构与被加热部件的凹坑部对应，所述金属基底的凸起结构与被加热部件的凸起部对应。
进一步地，所述凸起结构或者凹坑结构具体为半圆球状、金字塔形、半椭球形、正方体形、梯形凸起结构中的任一种或者组合。
进一步地，所述金属基材选自不锈钢、铝、铜、钛及其合金的任一金属。
进一步地，所述二氧化硅介质层和所述氧化锡锑层依次均匀地平铺在所述带凸起结构或者带凹坑结构的金属基材上。
进一步地，所述被加热部件外形包括凸起部或凹坑部以及平整部，所述带凸起结构或者带凹坑结构的金属基材包括第一凸起或凹坑结构以及第二凸起或凹坑结构，所述第一凸起或凹坑结构与被加热部件的凹坑部或凸起部外形一一对应，所述第二凸起或凹坑结构与被加热部件的平整部一一对应。
进一步地，所述第二凸起或凹坑结构的尺寸小于第一凸起或凹坑结构。
进一步地，所述氧化锡锑电热膜中二氧化锡和三氧化二锑的质量比为1:1至1:1.5。
本发明目的之二在于，提供一种适用于不同外形结构被加热部件环保绿色半导体电热膜的制备方法，具体包括如下方法步骤：
(1)金属基材预处理，根据被加热件的外形结构，将金属基材进行冲压成型处理从而得到带凸起结构或者带凹坑结构的金属基材，接着对带凸起结构或者带凹坑结构的金属基材进行超声清洗以去除表面污物。
(2)沉积二氧化硅介质层，将步骤(1)中的金属基材放入真空镀膜机的样品台上，以二氧化硅作为蒸镀源，关闭蒸发镀膜装置并抽真空，随后开启蒸发镀膜装置，在带凸起结构或者带凹坑结构的金属基材表面蒸镀一层二氧化硅介质层。
(3)沉积氧化锡锑层，以氧化锡锑作为蒸镀源，调节相应地蒸镀工艺，在步骤(2)中获得的二氧化硅介质层表面沉积一层氧化锡锑层，从而获得环保绿色半导体电热膜。
进一步地，所述步骤(3)中具体蒸镀工艺为：对真空镀膜机进行抽真空，当真空度达到4×10-3Pa以下时，开始充入O2至工作气压0.5Pa，以氧化锡锑作为蒸镀源，蒸镀电压2.5kV，电子束流为15mA，基板温度为450℃，沉积速率控制在
本发明通过采用带凸起结构或者带凹坑结构的金属基材、介质膜以及氧化锡锑层的结构形式，一方面金属基材相对于现有技术中的陶瓷、玻璃等材质而言更加方便加工，可以根据被加热部件的外形结构加工成特定的形状，从而实现电热膜和被加热部件良好贴合，提高电热转换能效比。另外一方面，本发明采用真空蒸镀法沉积，不用采用粘结材料，而且凸起结构也使得电热膜与基体的附着力大大提高，即使温度不停变换也不容易剥落，寿命大大提高。
附图说明
图1为本发明半导体电热膜的结构示意图。
图2为本发明半导体电热膜制备流程示意图。
图3为本发明另一半导体电热膜的结构示意图。
图4为本发明实施例1和对比例1半导体电热膜的被加热件表面功率因子对比图。
图5为本发明实施例1和实施例4半导体电热膜的被加热件表面温度分布对比图。
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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的环保绿色半导体电热膜包括三层结构，依次为金属基底层1、二氧化硅介质层2、氧化锡锑层3。其中金属基底层1根据被加热件的外形结构可加工成带凸起结构或者带凹坑结构的金属基材。参考图1，其示出本发明环保绿色半导体电热膜的其中一种具体结构形式。具体地，当被加热部件4的外形类似于带半圆凹坑形状时，本发明的金属基底可通过冲压成型成类似于图1所示的带半圆凸起结构，通过后续的真空气相沉积所得到的氧化锡锑电热膜同样继承了金属基底的半圆凸起结构，从而使得半导体电热膜与被加热部件4实现更好的贴合。
本发明的金属基材选自不锈钢、铝、铜、钛及其合金等易于加工同时具有良好的导热性的材料，一方面可以为半导体电热膜起到良好的支撑作用，与传统的陶瓷玻璃等基材相比更加易于加工成型，不会受到基材形状的限制，适用于各种各样的外形结构被加热件。另外一方面由于本发明的电热膜带有凸起或者凹坑结构，可能会造成局部热量分布不均，而金属基底良好的导热性可以提高电热膜整体热量分布的均匀性，很大的缓解这种热量分布的不均的情况，也可以通过调整凸起或者凹坑结构在金属基底表面的分布情况来调整温度的均匀情况。
作为本发明的进一步改进，所述带凸起结构或者带凹坑结构的金属基材进一步包括第一凸起或凹坑结构以及第二凸起或凹坑结构，其中，第一凸起或凹坑结构与被加热部件的凹坑或凸起外形一一对应，所述第二凸起或凹坑结构与被加热部件的平整部一一对应。进一步地，第一凸起或凹坑结构的凸出或凹入尺寸大于第二凸起或凹坑结构的凸出或凹入尺寸，具体地来说，第一凸起或凹坑结构的尺寸根据被加热件的外形来定，以保证电热膜与被加热件之间的充分贴合。第二凸起或凹坑结构的尺寸可以在一定范围内调整，在不影响电热膜与被加热件贴合的基础上，第二凸起或凹坑结构的尺寸可以适当增大，以保证更加均匀的加热效果。作为优选地，第二凸起或凹坑结构的分布数量要大于第一凸起或凹坑结构，在不影响贴合的基础上，第二凸起或凹坑结构的分布数量越多对加热均匀性越是有利。
作为本发明一种具体实施如图3所示，其中，金属基底包括第一凸起结构5和第二凸起结构6，相对应地，被加热件包括凹坑部和平整部，如图所示，第一凸起结构5与被加热件的凹坑部相对应，第二凸起结构6与被加热件平整部。第二凸起结构6的凸出或凹入尺寸要小于第一凸起结构5，从而在不影响电热膜与被加热件贴合的基础上改善加热地均匀性，并且第二凸起结构6均匀地分布于金属基底上相对于被加热件平整部的对应部分，并满足一定的分布数量。
接着参考附图2，对本发明半导体电热膜的制备工艺进行进一步说明，附图2为本发明半导体电热膜制备流程示意图，首先，步骤(1)-(2)中将平面板状金属基材进行冲压成型，根据不同的被加热部件外形情况，相应地在金属基材表面冲压凸起或者凹坑结构。作为示范例的附图2中仅仅示出了半圆形凸起结构，当然，本发明的凸起或者凹坑结构并不限定于此，应该根据被加热件的外形结构进行适当地调整匹配。当被加热部件外部包括凸起部位时，金属基底相应部位加工成对应地凹坑结构，当被加热部件外部包括凹入部位时，金属基底相应部位加工成对应地凸起结构。当被加热部件外部既包括凸起部又包括凹入部时，金属基底相应部位加工成对应地凸起结构和凹坑结构。作为优先地，当被加热部件外部包括平整部分时，可在金属基底相应部位加工出尺寸更小地凸起或者凹坑结构。接着，步骤(3)中在带凸起或凹坑结构的金属基材表面沉积二氧化硅介质层，起到电热膜与金属基体之间绝缘和隔热的作用。步骤(4)中在二氧化硅介质层表面进一步沉积氧化锡锑层作为电热膜的主要发热部分。
下面将结合具体的实施例来说明本发明的半导体电热膜的优异效果。
实施例1
本实施例提供一种适用于不同外形结构加热部件环保绿色半导体电热膜，具体包括如下步骤：
(1)当被加热件外形中包括凹入部结构时，选取不锈钢板作为金属基材，将不锈钢板进行冲压成型处理从获得带凸起结构的不锈钢基材。其中，不锈钢板的凸起结构与被加热件外形的凹入部结构一一对应。
(2)沉积二氧化硅介质层，将步骤(1)中的不锈钢基材放入真空镀膜机的样品台上，采用高纯度的石英玻璃作为蒸镀源，关闭蒸发镀膜装置并抽真空，随后开启蒸发镀膜装置，在带凸起结构的不锈钢基材表面蒸镀一层二氧化硅介质层，二氧化硅介质层厚度为50nm。蒸镀工艺条件为：真空度大于或等于5.0×10-3Pa,蒸镀电压3kV，电子束流为20mA，基板温度为350℃，沉积速率控制在
(3)沉积氧化锡锑层，以高纯度氧化锡锑作为蒸镀源，在步骤(2)中获得的二氧化硅介质层表面沉积一层氧化锡锑层,氧化锡锑层的厚度为100nm。蒸镀工艺条件为：对真空镀膜机进行抽真空，当真空度达到4×10-3Pa以下时，开始充入O2至工作气压0.5Pa，蒸镀电压2.5kV，电子束流为15mA，基板温度为450℃，沉积速率控制在
从而获得本发明的环保绿色半导体电热膜。
实施例2
本实施例提供一种适用于不同外形结构加热部件环保绿色半导体电热膜，具体包括如下步骤：
(1)当被加热件外形中包括凸出部结构时，选取不锈钢板作为金属基材，将不锈钢板进行冲压成型处理从获得带凹坑结构的不锈钢基材。其中，不锈钢板的凹坑结构与被加热件外形的凸出部结构一一对应。
(2)沉积二氧化硅介质层，将步骤(1)中的不锈钢基材放入真空镀膜机的样品台上，采用高纯度的石英玻璃作为蒸镀源，关闭蒸发镀膜装置并抽真空，随后开启蒸发镀膜装置，在带凸起结构的不锈钢基材表面蒸镀一层二氧化硅介质层，二氧化硅介质层厚度为30nm。蒸镀工艺条件为：蒸镀角90°，真空度大于或等于5.0×10-3Pa,蒸镀电压3kV，电子束流为20mA，基板温度为350℃，沉积速率控制在
(3)沉积氧化锡锑层，以高纯度氧化锡锑作为蒸镀源，蒸镀角为90°，在步骤(2) 中获得的二氧化硅介质层表面沉积一层氧化锡锑层,氧化锡锑层的厚度为80nm。蒸镀工艺条件为：对真空镀膜机进行抽真空，当真空度达到4×10-3Pa以下时，开始充入O2至工作气压0.5Pa，蒸镀电压2.5kV，电子束流为15mA，基板温度为450℃，沉积速率控制在
从而获得本发明的环保绿色半导体电热膜。
实施例3
本实施例提供一种适用于不同外形结构加热部件环保绿色半导体电热膜，具体包括如下步骤：
(1)当被加热件外形中同时包括凸出部和凹入部结构时，选取不锈钢板作为金属基材，将不锈钢板进行冲压成型处理从获得带凸出结构和凹坑结构的不锈钢基材。其中，不锈钢板的凸起结构与被加热件外形的凹入部结构一一对应，凹坑结构与被加热件外形的凸出部结构一一对应。
(2)沉积二氧化硅介质层，将步骤(1)中的不锈钢基材放入真空镀膜机的样品台上，采用高纯度的石英玻璃作为蒸镀源，关闭蒸发镀膜装置并抽真空，随后开启蒸发镀膜装置，在带凸起结构的不锈钢基材表面蒸镀一层二氧化硅介质层，二氧化硅介质层厚度为60nm。蒸镀工艺条件为：蒸镀角90°，真空度大于或等于5.0×10-3Pa,蒸镀电压3kV，电子束流为20mA，基板温度为350℃，沉积速率控制在
(3)沉积氧化锡锑层，以高纯度氧化锡锑作为蒸镀源，蒸镀角为90°，在步骤(2) 中获得的二氧化硅介质层表面沉积一层氧化锡锑层,氧化锡锑层的厚度为120nm。蒸镀工艺条件为：对真空镀膜机进行抽真空，当真空度达到4×10-3Pa以下时，开始充入O2至工作气压0.5Pa，蒸镀电压2.5kV，电子束流为15mA，基板温度为450℃，沉积速率控制在
从而获得本发明的环保绿色半导体电热膜。
实施例4
本实施例提供一种适用于不同外形结构加热部件环保绿色半导体电热膜，具体包括如下步骤：
(1)当被加热件外形中同时包括凹入部结构时，选取不锈钢板作为金属基材，将不锈钢板进行冲压成型处理从获得带第一凸出结构和第二凸出结构的不锈钢基材。其中，不锈钢板的第一凸起结构与被加热件外形的凹入部结构一一对应，第二凸出结构与被加热件外形的平整部位一一对应，第二凸出结构的尺寸小于第一凸出结构的尺寸。
(2)沉积二氧化硅介质层，将步骤(1)中的不锈钢基材放入真空镀膜机的样品台上，采用高纯度的石英玻璃作为蒸镀源，关闭蒸发镀膜装置并抽真空，随后开启蒸发镀膜装置，在带凸起结构的不锈钢基材表面蒸镀一层二氧化硅介质层，二氧化硅介质层厚度为60nm。蒸镀工艺条件为：蒸镀角90°，真空度大于或等于5.0×10-3Pa,蒸镀电压3kV，电子束流为20mA，基板温度为350℃，沉积速率控制在
(3)沉积氧化锡锑层，以高纯度氧化锡锑作为蒸镀源，蒸镀角为90°，在步骤(2) 中获得的二氧化硅介质层表面沉积一层氧化锡锑层,氧化锡锑层的厚度为120nm。蒸镀工艺条件为：对真空镀膜机进行抽真空，当真空度达到4×10-3Pa以下时，开始充入O2至工作气压0.5Pa，蒸镀电压2.5kV，电子束流为15mA，基板温度为450℃，沉积速率控制在
从而获得本发明的环保绿色半导体电热膜。
对比例1
与实施例1不同的是，步骤(1)中不进行冲压成型处理，采用平面的不锈钢基材，直接在表面沉积介质膜以及氧化锡锑层。
采用本领域技术人员公知的现有检测方法对实施例1和对比例1的电热性能进行检测，测试被加热件表面的电热性能，结果如图4所示。此外，对于被加热件表面的温度分布情况进行测试，结果如图5所示。采用垂直牵引测量法对本发明的半导体电热膜粘附强度进行测试，粘接使用的粘接剂为Araldite树脂，试验在小于20℃和湿度低于60％的条件下进行。
从图4中可以看出，本发明实施例的半导体电热膜的被加热件表面功率因子最高可达 7.5μW/cmK2，而对比例1中的功率因子最佳值为2.5μW/cmK2，可见，本发明的半导体电热膜电热能效比大幅提升。通过粘附强度测试，本发明的粘附强度大于250kg/cm2，具有良好的电热膜基体附着力，不会出现长期使用脱落的问题。另外，从图5温度分布情况可以看出，实施例4表面的温度分布更加均匀，可见，包括第一凸出结构和第二凸出结构的不锈钢基材所获得的电热薄膜加热均匀性更佳。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种适用于不同外形结构被加热部件的环保绿色半导体电热膜，所述环保绿色半导体电热膜包括：金属基材、氧化锡锑电热膜以及介于金属基材和氧化锡锑电热膜之间的二氧化硅介质层；其中，所述金属基材根据被加热件的外形结构可加工成带凸起结构或者带凹坑结构的金属基材。
2.根据权利要求1所述的环保绿色半导体电热膜，其特征在于：所述被加热部件外形包括凸起部或凹坑部之一或其组合，所述金属基底的凸起结构与被加热部件的凹坑部对应，所述金属基底的凹坑结构与被加热部件的凸起部对应。
3.根据权利要求1所述的环保绿色半导体电热膜，其特征在于：所述凸起结构或者凹坑结构具体为半圆球状、金字塔形、半椭球形、正方体形、梯形凸起结构中的任一种或其组合。
4.根据权利要求1所述的环保绿色半导体电热膜，其特征在于：所述二氧化硅介质层和所述氧化锡锑层依次均匀地平铺在所述带凸起结构或者带凹坑结构的金属基材上。
5.根据权利要求1所述的环保绿色半导体电热膜，其特征在于：所述被加热部件外形包括凸起部或凹坑部以及平整部，所述带凸起结构或者带凹坑结构的金属基材包括第一凸起或凹坑结构以及第二凸起或凹坑结构，所述第一凸起或凹坑结构与被加热部件的凹坑部或凸起部外形一一对应，所述第二凸起或凹坑结构与被加热部件的平整部一一对应。
6.根据权利要求1所述的环保绿色半导体电热膜，其特征在于：所述第二凸起或凹坑结构的尺寸小于第一凸起或凹坑结构。
7.根据权利要求1所述的环保绿色半导体电热膜，其特征在于：所述氧化锡锑电热膜中二氧化锡和三氧化二锑的质量比为1:1至1:1.5。
8.一种如权利要求1-7任一所述的环保绿色半导体电热膜的制备方法，具体包括如下方法步骤：
(1)金属基材预处理，根据被加热件的外形结构，将金属基材进行冲压成型处理从而得到带凸起结构或者带凹坑结构的金属基材，接着对带凸起结构或者凹坑结构的金属基材进行超声清洗以去除表面污物。
(2)沉积二氧化硅介质层，将步骤(1)中的金属基材放入真空镀膜机的样品台上，以二氧化硅作为蒸镀源，关闭蒸发镀膜装置并抽真空，随后开启蒸发镀膜装置，在带凸起结构或者带凹坑结构的金属基材表面蒸镀一层二氧化硅介质层。
(3)沉积氧化锡锑层，以氧化锡锑作为蒸镀源，调节相应地蒸镀工艺，在步骤(2)中获得的二氧化硅介质层表面沉积一层氧化锡锑层，从而获得环保绿色半导体电热膜。
9.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中具体蒸镀工艺为：对真空镀膜机进行抽真空，当真空度达到4×10-3Pa以下时，开始充入O2至工作气压0.5Pa,以氧化锡锑作为蒸镀源，蒸镀电压2.5kV，电子束流为15mA，基板温度为450℃，沉积速率控制在
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