CN113340110A - 一种新型电阻式超快变温加热炉及其使用方法 - Google Patents

一种新型电阻式超快变温加热炉及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型电阻式超快变温加热炉及其使用方法，属于节能材料及设备领域。该发明首先以纳米碳基电热膜制成电阻式发热体，再通过钨金属或绝缘耐高温陶瓷等夹具固定在炉腔内的加热区域中，与不锈钢炉体组合得到超快加热炉。该加热炉的突出特点是在炉体真空或惰性气氛环境下，电阻产生的焦耳热可通过控制输入电功不同，实现精确、快速的温度控制，获得超快变温的电阻式加热炉。炉中碳基电阻的变温速率可达到1000℃/秒以上，并且最高温度可达到~3000℃。本发明中的超快变温加热炉与传统外加热源（如用马弗炉）的加热方式相比，变温更快、温度可控性更好、加热更均匀，同时其耗电量远小于传统加热设备，具有重要的应用前景。

Description

一种新型电阻式超快变温加热炉及其使用方法
技术领域
本发明属于节能材料及设备领域，尤其涉及一种新型电阻式超快变温加热炉的设计及其使用方法。
背景技术
在现代工业生产及实验研究中，对于能实现快速发热、且迅速达到较高温度的要求非常普遍，因而对能够在短时间内迅速电热升至较高温度的材料及设备有着广泛的需求。碳纳米管等碳基类电热膜具有电热响应快、温度范围宽、输入电压低等优点，且能够在短时间内迅速电热升至1000℃以上高温，在节能材料及设备领域有着广阔的应用前景。
目前传统的用于产生焦耳热的材料如金属（合金）丝、金属氧化物、石墨棒、硅钼棒等被普遍应用于各种高温炉中的电阻式发热体，在工业生产中发挥了巨大作用。但是这些传统的电阻式热源设备通常体型大、重量大，工作时需要的电压高、耗能大，并且升降温速率普遍较低(<100℃/min)，例如常用的马弗炉就是一种热源来自于炉中的电阻丝通电后产生焦耳热的电阻炉。就目前的市场情况来看，大部分马弗炉使用的电阻丝是铁镍合金电阻丝，升降温速率约在25℃/min上下，最高以不超过100℃/min，且长期工作温度小于1400℃，效率相对较低并且能耗较高，在一些需要快速加热/降温的加工过程中使用显然不具备优势。
近年发展起来的新型焦耳热材料如金属纳米线（Screen-printed, low-cost,and patterned flexible heater based on ag fractal dendrites for humanwearable application, Advanced Materials Technology 4 (2018) 1800453）、碳基纳米材料如碳纳米管/石墨烯（基于超顺排碳纳米管/高分子复合材料的手臂状电热型致动器，新型炭材料（32 (2017) 411–418）、导电高分子如聚噻吩衍生物PEDOT（Refreshabletactile display based on a bistable electroactive polymer and a stretchableserpentine joule heating electrode, ACS Applied Materials & Interfaces 10(2018) 24807–24815）,以及一些新兴的二维导电材料如 MXene（MXene-reinforcedcellulose nanofibril inks for 3D-printed smart fibres and textiles, Advanced Functional Materials 29 (2019) 1905898）等，在通电状态下产生的焦耳热被广泛应用于除冰除雾、透明转换、织物保暖、树脂固化、驱动器件、生物理疗以及发光显示等领域。但是有关这些新型热源的焦耳热研究，目前大多数都是关注在200℃以下的低温区域，其原因之一就是这些材料本身或者与其接触的客体成分的耐受温度不高；1000℃甚至是2000℃以上，多数材料的结构将被破坏、电热功能丧失。常规的金属纳米线如银、铜以及导电高分子类电热材料即便在惰性气氛中，耐温也不超过1000℃。而在工业生产及实验研究中，对于能实现快速发热、且迅速达到较高温度的要求却非常普遍。因此，具有优异的电热性能，如电热响应快、温度范围宽、输入电压低等，且能够在短时间内迅速电热升温至1000℃以上的材料及应用设备显得非常重要。
发明内容
本发明公布一种新型电阻式超快变温加热炉的设计，该加热炉具有电热响应快、温度范围宽、输入电压低等特点，弥补了现有市场中此类产品的空缺。
为了实现上述的目的，本发明提供以下技术方案：
一种新型电阻式超快变温加热炉，所述加热炉中的电阻发热体由具有极高电热温度响应速率和在真空或惰性气氛下有极高耐受温度的碳纳米管、石墨烯、纳米碳纤维、或MXene等纳米碳材料的宏观电热膜制成，通过绝缘陶瓷、钨金属等耐高温夹具，使其固定在腔内加热区中，与安装有测温窗的舱盖和不锈钢炉体组装得到真空超快加热炉。
一种如上所述的基于新型电阻式超快变温加热炉的使用方法，包括以下步骤：
（a）安装纳米碳基电阻：将纳米碳基宏观电阻放入炉内，使得炉体中间区域被纳米碳电阻包围、构成加热区；电阻通过耐高温夹具固定在支架上并连通电极，同时电阻的形貌可根据需求进行设计；
（b）改变炉体内气氛环境：除去炉内空气，保持炉内气氛在使用高温下不对电阻及炉体材料产生损伤；
（c）输入外接电功：用导线连接炉体外电源，通过输入电压或电流对炉内电阻进行加热；
（d）收集温度数据：可通过红外探头在测温窗口处进行温度数据收集。
其中，步骤（a）中所述的纳米碳基电阻并不限于某一特定的材料，可以是碳纳米管、石墨烯、纳米碳纤维、MXene等中的一种或其组合。
其中，步骤（b）中炉内可以通入氩气、氮气等惰性气氛；也可以进行抽真空处理，使保持真空状态。
其中，步骤（c）中的电压与电流大小可以随时调整来满足所需的温度要求。
其中，步骤（d）中的红外测温探头可以选用不同红外波段，来准确测量不同温区、不同时间下的温度数值。
作为优选的技术方案，步骤（a）的具体步骤为：用刀片裁取30*20cm的碳纳米管薄膜放置于炉内，并用夹具将其固定，然后连接电极装置。通过输入额定电压10V，用红外测温探头测得炉体内温度可在2秒钟内达到1500℃。
作为优选的技术方案，步骤（a）的具体步骤为：用刀片裁取20*10cm的碳纤维薄膜放置于炉体内，并用夹具将其固定住，然后连接电极装置。通过输入额定电压8V，用红外测温探头测得舱体内温度可在2秒钟内达到1300℃。
本发明能够实现的有益技术效果至少包括：本发明制备了一种新型电阻式超快变温加热炉的设计，属于节能材料及设备领域。该发明首先以碳基材料制成电阻发热体，再通过钨金属或耐高温陶瓷等夹具固定在炉体内加热区中，与不锈钢炉体组装得到超快变温加热炉。该加热炉的突出特点是电热响应快、温度范围宽、输入电压低等，且能够在短时间内迅速电热升温至1000℃以上。因而为现代工业生产及实验研究中，对于能实现快速发热、且迅速达到较高温度设备的要求提供了低成本、高性能的选择。该发明利用了纳米碳材料的宏观组装体具有电热响应快、温度范围宽的优点，实现了一种新型的超快变温的焦耳热加热方式，具有重要的应用前景。
附图说明
图1所示为本发明中电热炉的外部结构示意图。
图2所示为本发明的电热炉内部加热区的结构示意图。
图3所示为本发明的电热炉在真空环境下的高温电热响应数据图。
具体实施方式
下面将结合实施实例及附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施实例仅是本发明的一部分实施例，而非全部。基于本发明中的实施实例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
实施实例1
一种新型电阻式超快变温加热炉，在惰性气氛或真空状态下通过输入不同的电压或电流可以快速改变炉体内的温度，而达到所需的试验温度继而合成所需材料。
一种新型电阻式超快变温加热炉高温制备铜金属包覆的纳米碳纤维细线的使用方法，具体包括以下步骤：
首先用刀片裁取长度为4cm纳米碳纤维组成的细线，将其用电化学沉积上铜金属，之后将其放入电阻式超快变温加热炉中，在氮气气氛下，给该复合纳米碳纤维线输入10V的额定电压，监测温度在1秒左右快速升温至1100℃，保温2分钟后，纳米铜金属可完全熔融至碳纤维中，并完全包覆于纤维表面。然后切断电源，可得到铜金属包覆的纳米碳纤维细线。
实施实例2
一种新型电阻式超快变温加热炉，在惰性气氛或真空状态下通过输入不同的电压或电流可以快速改变炉体内的温度，而达到所需的试验温度继而合成所需材料。
一种新型电阻式超快变温加热炉制备碳化硅纤维的使用方法，具体包括以下步骤：
首先称一定量的硅粉与碳粉将其混合研磨，然后均匀涂覆至石墨烯薄膜表面，并拧成纤维，继而将其放入本发明的加热炉中。在氩气气氛下给该复合纤维输入15V的额定电压，监测温度在2秒左右快速升温至1350℃，保温3分钟后使得硅粉与碳粉发生反应生产碳化硅。然后切断电源，得到所需的碳化硅纤维。
实施实例3
一种新型电阻式超快变温加热炉，在惰性气氛或真空状态下通过输入不同的电压或电流可以快速改变炉体内的温度，而达到所需的试验温度继而合成所需材料。
一种新型电阻式超快变温加热炉制备碳化钨薄膜的使用方法，具体包括有以下步骤：
首先称一定量的纳米钨粉，将其均匀分散并抽滤至碳纳米管薄膜表面，继而将其放入本发明的加热炉中。在10-4Pa的真空状态下，给该复合膜输入20V的额定电压，监测温度在1秒左右快速升温至1600℃，保温2分钟后使得钨粉与碳纳米管基底发生反应生产碳化钨。然后切断电源，得到所需的碳化钨薄膜。
相对于其他加热炉的使用，本发明的新型电阻式超快变温加热炉利用了焦耳热自发热原理，可以在短时时间内快速响应并且达到所需的温度；同时也可以在短时间内降低到初始或所需温度。实现该目的只需通过控制输入电功的大小便可以。此发明的新型电阻式超快变温加热炉加热方法与传统马弗炉等加热方式相比，具有升/降温速度极快、保温时间可随时调节的特点，将大大减少能耗。
尽管已经示出和描述了本发明的实施实例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种新型电阻式超快变温加热炉，其特征在于：包含炉腔（1）、接电极（2）、真空规接口（3）、真空泵接口（4）、放气阀（5）、放样/取样舱门（6）、测温窗（7）；炉体内部件主要包含：电极柱（8）、电阻（9）、试样台（10），炉体内的各部件耐高温性能良好，且炉体密封性高。
2.根据权利要求1所述的一种新型电阻式超快变温加热炉，其特征在于：电阻发热体是由具有极高电热温度响应速率（>1000℃/秒）、并且在真空或惰性气氛下有极高耐受温度（~3000℃）的纳米碳材料的宏观组装体制备而成。
3.根据权利要求1所述的一种新型电阻式超快变温加热炉，其特征在于：所述的炉腔体内的各部件可以为绝缘陶瓷、钨金属等耐高温材料，且炉体密封性高。
4.根据权利要求1所述的一种新型电阻式超快变温加热炉，其特征在于：测温窗使用的为红外透过的玻璃材料，该玻璃可以是高纯度二氧化硅、ZnSe、ZnS、MgF、蓝宝石（Al2O3）等，能够在加热过程中宏观地观测到加热物体的情况并利用红外测温仪实现精确测温。
5.根据权利要求1所述的一种新型电阻式超快变温加热炉，其特征在于：可根据需要在加热炉的内壁侧添加反辐射涂层，或在炉壁上添加冷却装置。
6.一种如权利要求1所述的基于新型电阻式超快变温加热炉的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）安装纳米碳基电阻：将纳米碳基宏观电阻放入炉内，使得炉体中间区域被纳米碳电阻包围、构成加热区；电阻通过耐高温夹具固定在支架上并连通电极，同时电阻的形貌可根据需求进行设计；
（b）改变炉体内气氛环境：除去炉内空气，保持炉内气氛在使用高温下不对电阻及炉体材料产生损伤；
（c）输入外接电功：用导线连接炉体外电源，通过输入电压或电流对炉内电阻进行加热；
（d）收集温度数据：可通过红外探头在测温窗口处进行温度数据收集。
7.根据权利要求6所述的一种新型电阻式超快变温加热炉的使用方法，其特征在于：步骤（a）中所述的纳米碳基电阻并不限于某一特定的材料，可以是碳纳米管、石墨烯、纳米碳纤维、MXene等中的一种或其组合。
8.根据权利要求6所述的一种新型电阻式超快变温加热炉的使用方法，其特征在于：步骤（b）中炉内可以通入氩气、氮气等惰性气氛；也可以进行抽真空处理，使保持真空状态。
9.根据权利要求6所述的一种新型电阻式超快变温加热炉的使用方法，其特征在于：步骤（c）中的电压与电流大小可以随时调整来满足所需的温度要求。
10.根据权利要求6所述的一种新型电阻式超快变温加热炉的使用方法，其特征在于：步骤（d）中的红外测温探头可以选用不同红外波段，来准确测量不同温区、不同时间下的温度数值。
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