專利名稱：高溫硼化鋯陶瓷發(fā)熱體及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電加熱技術領域，具體涉及一種高溫硼化鋯陶瓷發(fā)熱體及其制備方法。
背景技術：
發(fā)熱體是指能夠通過一定的方式(包括電、磁等)自身發(fā)出熱量從而達到加熱其它工件的物體。目前應用的電加熱體種類繁多，主要有以下幾種1、膜式電發(fā)熱體。包括半導體薄膜型電熱膜，氧樹脂復合電熱膜，導電性聚合物復合材料，涂料型電熱膜。這類電熱膜一般可采用真空鍍或熱解的方法來制備。真空鍍設備工藝較為復雜，而熱解法則需要在 450°C以上的溫度下噴涂，薄膜厚度難以控制，工藝重復性差。2、金屬電熱絲。其主要的缺點是熱效率低、耗能大，自身工作溫度高，易氧化，壽命短。3、陶瓷發(fā)熱體。目前廣泛使用的陶瓷發(fā)熱體為硅碳棒和硅鑰棒發(fā)熱體，雖然二者存在著諸多優(yōu)點，但是這兩種發(fā)熱體均達不到2000°C的高溫。4、MCH發(fā)熱體。MCH是Metal Ceramics Heater的縮寫,意思是金屬陶瓷發(fā)熱體。MCH是指將金屬鎢或者是鑰錳漿料印刷在陶瓷流延坯體上，經(jīng)過熱壓疊層，然后在1600°C氫氣氣氛保護下，陶瓷和金屬共同燒結而成的陶瓷發(fā)熱體。5、石墨、碳纖維發(fā)熱體。目前廣泛應用的發(fā)熱體主要為石墨發(fā)熱體，但是其存在一定的局限性。例如耐磨性差，抗氧化性能差，反復使用率低等。綜合以上目前應用的發(fā)熱體，其各自有各自的優(yōu)勢，能夠滿足相應領域的要求。但目前對于溫度超過2000°C的發(fā)熱體市場上仍處于空白狀態(tài)。硼化鋯是灰色堅硬晶體，密度6. 085g/cm3,熔點約3000°C，帶金屬光澤，有金屬性，電阻略低于金屬鋯。加熱后在較大的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定。熔點雖高，但在較低溫度下能燒結。由金屬鋯與碳化硼、氮化硼混合后在氬氣流中加熱至2000°C制得。由于ZrB2具有耐腐蝕性，因此可用作高溫熱電偶保護套管。此外，由于具有ZrB2良好的導電性能和高硬度，因此還可用作電極材料、涂層材料以及切削材料。硼化鋯基陶瓷復合材料具有高溫抗氧化性、耐腐蝕性、抗熱震性、導電性等優(yōu)良的性能而受到廣泛的應用。感應加熱的原理工件放到感應器內(nèi)，感應器一般是輸入中頻或高頻交流電(1000-300000HZ或更高)的空心銅管。產(chǎn)生交變磁場在工件中產(chǎn)生出同頻率的感應電流，這種感應電流在工件的分布是不均勻的，在表面強，而在內(nèi)部很弱，到心部接近于0，利用這個效應可使工件表面迅速加熱，在幾秒鐘內(nèi)表面溫度上升到一定溫度，而心部溫度升高很小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高溫硼化鋯陶瓷發(fā)熱體及其制備方法，利用感應加熱技術和硼化鋯陶瓷基復合材料自身的優(yōu)良特性，使其使用溫度能夠達到2000°C，從而填補國內(nèi)高溫發(fā)熱體的空白。本發(fā)明所述的一種高溫硼化鋯陶瓷發(fā)熱體，包括感應加熱電源和陶瓷發(fā)熱體，陶瓷發(fā)熱體外表面復合有保溫層，保溫層上纏繞有線圈，線圈與感應加熱電源組成閉合回路，陶瓷發(fā)熱體按照質(zhì)量百分比計，由以下原料配制而成硼化鋯50 84%、碳化硅16 50%，外加碳化硼0.8 5%。ZrB2是六方晶系C32型結構的準金屬結構化合物，屬于間隙相共價鍵化合物。硼的電離勢較低，在同d電子層高度與未飽和的金屬鋯形成化合物時，電子向金屬的原子骨架靠攏，形成類似金屬間化合物的金屬相。B原子尺寸較大，并且B與B可形成多種復雜的共價鍵。晶體結構中的硼原子面和鋯原子面交替出現(xiàn)構成二維網(wǎng)狀結構，這種類似于石墨結構的硼原子層狀結構和鋯外層電子結構決定了 ZrB2具有良好的導電性和金屬光澤，同時ZrB2具有耐高溫的性能使其具備作為高溫發(fā)熱體的理論條件。但是純ZrB2陶瓷制品燒結溫度高難以燒結并且抗氧化性能差又限制了其應用，因此在其中加入其它組分(SiC、B4C等)以增加其抗氧化性能，降低燒結溫度。
其中，所述的感應加熱電源優(yōu)選為中頻。所述的線圈優(yōu)選為銅線圈。所述的保溫層從內(nèi)向外優(yōu)選依次包括ZrO2纖維和ZrO2纖維布。由于使用溫度高，因此利用ZrO2自身的耐高溫特性，能夠?qū)μ沾砂l(fā)熱體更好的保溫。所述的硼化鋯的粒徑優(yōu)選為L 2 L 8 y m，碳化硅的粒徑優(yōu)選小于2 u m,碳化硼的粒徑優(yōu)選小于3. 5 ii m。由于市售ZrB2粉體原料的粒度在15微米左右，對于無壓燒結而言該粒度過大，無法進行燒結，因此需要對其進行預處理。利用循環(huán)攪拌磨以酒精為介質(zhì)，以300 350轉(zhuǎn)/min的攪拌速率進行處理6 8h，使其粒度達到I. 2 I. 8 y m。本發(fā)明所述的高溫硼化鋯陶瓷發(fā)熱體的制備方法，包括以下步驟(I)取配方量的硼化鋯、碳化硅和碳化硼，以酒精為介質(zhì)，酚醛樹脂為粘結劑，放入裝有氮化硅球的球磨罐進行球磨得到混合料，球磨時間為12 30小時；(2)將混合料在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中烘干，烘干后過30 50目篩，然后進行冷等靜壓成型，壓力為60 lOOMPa，成型之后進行破碎，使其能過30 50目篩，得到混合粉；(3)將混合粉裝入成型模具內(nèi)進行冷等靜壓成型，出模后坯體在烘箱中干燥；(4)在真空條件下進行排碳處理，然后在惰性氣氛中進行最終的燒結；(5)停止加溫，溫度降至100°C時打開爐門，自然冷卻；(6)冷卻后根據(jù)需要對形狀進行加工成產(chǎn)品。其中，所述的酒精與配料的配比優(yōu)選為I 2. 5L :1kg，酚醛樹脂優(yōu)選占配料質(zhì)量的0. 15% 3. 2%，其中配料的計算量以硼化鋯和碳化硅兩者總量為準。步驟(3)中優(yōu)選按照以下工藝參數(shù)冷等靜壓成型壓力為100 150MPa，保壓時間為5 10分鐘, 體的干燥溫度為40 60°C,干燥時間為5 10h。步驟⑷中優(yōu)選按照以下工藝參數(shù)排碳溫度為600 800°C，排碳時間為10 15h，燒結溫度為1900。。 2100°C，保溫時間為I 3h。本發(fā)明的優(yōu)點在于利用冷等靜壓成型-無壓燒結技術制備出高溫硼化鋯陶瓷發(fā)熱體,并配備中頻感應加熱電源。本發(fā)明制備的陶瓷發(fā)熱體能夠在短時間內(nèi)達到2000°C并保持不破裂。將硼化鋯陶瓷基復合材料用于發(fā)熱體領域具有深遠的意義，填補了該領域超高溫發(fā)熱體的空白。


圖I為本發(fā)明的結構示意圖；圖中I、感應加熱電源2、陶瓷發(fā)熱體3、保溫層4、線圈。
具體實施例方式以下結合實施例對本發(fā)明做進一步說明。如圖I所示，實施例I 5所述的高溫硼化鋯陶瓷發(fā)熱體，包括感應加熱電源I和陶瓷發(fā)熱體2，陶瓷發(fā)熱體2外表面復合有保溫層3，保溫層3上纏繞有線圈4，線圈4與感應加熱電源I組成閉合回路。實施例I 5的原料配比參見表1，表中數(shù)據(jù)以質(zhì)量百分數(shù)計。表I :
權利要求
1.一種高溫硼化鋯陶瓷發(fā)熱體，包括感應加熱電源和陶瓷發(fā)熱體，陶瓷發(fā)熱體外表面復合有保溫層，保溫層上纏繞有線圈，線圈與感應加熱電源組成閉合回路，其特征在于陶瓷發(fā)熱體按照質(zhì)量百分比計，由以下原料配制而成硼化錯50 84%、碳化娃16 50%,夕卜加碳化硼0. 8 5%。
2.根據(jù)權利要求I所述的高溫硼化鋯陶瓷發(fā)熱體，其特征在于感應加熱電源為中頻。
3.根據(jù)權利要求I所述的高溫硼化鋯陶瓷發(fā)熱體，其特征在于線圈為銅線圈。
4.根據(jù)權利要求I所述的高溫硼化鋯陶瓷發(fā)熱體，其特征在于保溫層從內(nèi)向外依次包括ZrO2纖維和ZrO2纖維布。
5.根據(jù)權利要求I所述的高溫硼化鋯陶瓷發(fā)熱體，其特征在于硼化鋯的粒徑為I.2 I.8 u m,碳化娃的粒徑小于2 ii m,碳化硼的粒徑小于3. 5 y m。
6.一種權利要求I所述的高溫硼化鋯陶瓷發(fā)熱體的制備方法，其特征在于包括以下步驟 (1)取配方量的硼化鋯、碳化硅和碳化硼，以酒精為介質(zhì)，酚醛樹脂為粘結劑，放入裝有氮化硅球的球磨罐進行球磨得到混合料，球磨時間為12 30小時； (2)將混合料在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中烘干，烘干后過30 50目篩，然后進行冷等靜壓成型，壓力為60 lOOMPa，成型之后進行破碎，使其能過30 50目篩，得到混合粉； (3)將混合粉裝入成型模具內(nèi)進行冷等靜壓成型，出模后坯體在烘箱中干燥； (4)在真空條件下進行排碳處理，然后在惰性氣氛中進行最終的燒結； (5)停止加溫，溫度降至100°C時打開爐門，自然冷卻； (6)冷卻后根據(jù)需要對形狀進行加工成產(chǎn)品。
7.根據(jù)權利要求6所述的高溫硼化鋯陶瓷發(fā)熱體的制備方法，其特征在于酒精與配料的配比為I 2. 5L :1kg，酚醛樹脂占配料質(zhì)量的0. 15% 3.2%。
8.根據(jù)權利要求6所述的高溫硼化鋯陶瓷發(fā)熱體的制備方法，其特征在于步驟(3)中冷等靜壓成型壓力為100 150MPa，保壓時間為5 10分鐘，坯體的干燥溫度為40 60°C，干燥時間為5 IOh。
9.根據(jù)權利要求6所述的高溫硼化鋯陶瓷發(fā)熱體的制備方法，其特征在于步驟(4)中排碳溫度為600 800°C，排碳時間為10 15h，燒結溫度為1900°C 2100°C，保溫時間為I 3h0
全文摘要
本發(fā)明屬于電加熱技術領域，具體涉及一種高溫硼化鋯陶瓷發(fā)熱體及其制備方法，其特征在于陶瓷發(fā)熱體按照質(zhì)量百分比計，由以下原料配制而成硼化鋯50～84％、碳化硅16～50％，外加碳化硼0.8～5％，制備方法利用冷等靜壓成型-無壓燒結技術。本發(fā)明制備的陶瓷發(fā)熱體能夠在短時間內(nèi)達到2000℃并保持不破裂。將硼化鋯陶瓷基復合材料用于發(fā)熱體領域具有深遠的意義，填補了該領域超高溫發(fā)熱體的空白。
文檔編號C04B35/622GK102625504SQ201210085719
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權日2012年3月29日
發(fā)明者周長靈, 王艷艷, 王重海, 程之強 申請人:中材高新材料股份有限公司, 山東工業(yè)陶瓷研究設計院有限公司