專利名稱：一種薄厚膜復(fù)合電熱涂層的制作方法
本項(xiàng)發(fā)明屬于摻合型無(wú)機(jī)厚膜導(dǎo)電涂層與半導(dǎo)體氧化物本征型薄膜電阻涂層復(fù)合而成的電熱涂層。
電熱器具自問(wèn)世以來(lái)有一百多年歷史了，電熱器具的電熱元件通常采用電熱絲作為電發(fā)熱體。其主要缺點(diǎn)是(1)熱效率低(敞開(kāi)式電爐的熱效率只有42%-50%;電飯煲的熱效率為70%-72%);(2)成本高(鎳絡(luò)電熱絲每公斤300-380元，必須配有電爐盤(pán)、云母片、石棉板及其他耐高溫部件，電熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高);(3)使用壽命短(電熱絲通電加熱時(shí)，一般工作在800℃以上的紅熱狀態(tài)，直接暴露于空氣中極易氧化)。針對(duì)電熱絲加熱方式存在的上述缺點(diǎn)，早在五十年代初，國(guó)際上提出采用電熱涂層作為電發(fā)熱體的構(gòu)想，發(fā)達(dá)國(guó)家在這方面的研究工作從未間斷，但至今由于涂層材料大多使用金、銀、鉑及其他貴金屬材料或氧化銦、氧化錫以及銦錫氧化物等摻雜的半導(dǎo)體材料，工藝要求高、設(shè)備復(fù)雜，成本太貴，使電熱涂層加熱方式的應(yīng)用僅限于航天，航空等少數(shù)高消費(fèi)領(lǐng)域。
本項(xiàng)發(fā)明的目的在于提出一種厚膜導(dǎo)電涂層與薄膜電阻涂層復(fù)合而成的新型電熱涂層，與傳統(tǒng)的電熱絲加熱方式及其他電加熱方式(如微波爐和電磁灶，熱效率為80%-85%，成本價(jià)格高，屬于高價(jià)電熱器具)相比具有顯著的優(yōu)點(diǎn)是(1)熱效率高(熱效率可達(dá)93%);(2)成本低(每平方分米涂層材料僅為0.2克-0.3克，材料成本僅為0.1-0.2元/平方分米);(3)使用壽命長(zhǎng)(可達(dá)10000小時(shí)以上)。與現(xiàn)有的其他電熱涂層相比，具有工藝性好，設(shè)備簡(jiǎn)單，適于大批量工業(yè)化生產(chǎn)，原材料都是普通工業(yè)原料，價(jià)格低廉，來(lái)源充足等顯著優(yōu)點(diǎn)。本項(xiàng)發(fā)明最突出的優(yōu)點(diǎn)是在厚膜導(dǎo)電涂層和薄膜電阻涂層的組份及配比上有突破性的改進(jìn)，使電熱涂層工作溫度提高到600℃，為在電加熱領(lǐng)域推廣應(yīng)用電熱涂層加熱方式提供了一整套先進(jìn)、新穎、實(shí)用的技術(shù)方案。
本項(xiàng)發(fā)明由厚膜導(dǎo)電涂層與薄膜電阻涂層復(fù)合而成。厚膜導(dǎo)電涂層是導(dǎo)電電極，薄膜電阻涂層是電熱涂層。薄膜電阻涂層采用化學(xué)氣相生長(zhǎng)工藝直接制備在絕緣底材的加熱面。(絕緣底材必須由耐溫絕緣材料所制成，如陶瓷、普通玻璃、石英玻璃、微晶玻璃、人工云母、天然云母、搪瓷等)，厚膜導(dǎo)電涂層采用厚膜工藝(如噴涂、刷涂、刮涂、浸涂、絲網(wǎng)印刷等厚膜工藝)涂制在薄膜電阻涂層的適當(dāng)部位作為導(dǎo)電電極，經(jīng)烘干、燒結(jié)與薄膜電阻涂層和絕緣底材永久地結(jié)成一體。通過(guò)調(diào)整涂層配方、涂層工藝、涂層厚度和涂層幾何圖形，可準(zhǔn)確地控制涂層功率密度(瓦/平方厘米)和涂層總功率(瓦)，在平面、曲面或任意凹凸面上可一次制成任何復(fù)雜形狀的涂層，對(duì)于非均勻加熱或局部加熱的特殊情況尤為方便。涂層的功率密度可根據(jù)需要在0-10瓦/平方厘米范圍內(nèi)選擇，散熱條件較好的環(huán)境中加熱時(shí)，涂層功率密度可達(dá)60瓦/平方厘米以上，電熱涂層供電電源根據(jù)需要可設(shè)計(jì)成高壓、低壓、交流或直流，在一個(gè)電熱產(chǎn)品上，可設(shè)計(jì)幾塊獨(dú)立的電熱涂層，通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，改變其串聯(lián)方式，可以方便地調(diào)節(jié)涂層功率密度和涂層總功率。本項(xiàng)發(fā)明所使用的全部原材料都是普通工業(yè)原料，涂層材料成本極低，每平方分米涂層材料僅為0.2-0.3克，材料成本僅為0.1-0.2元/平方分米，薄厚膜復(fù)合電熱涂層取代了傳統(tǒng)的電熱絲、電熱管、電熱盤(pán)等電熱元件，省去了云母片、石棉板、爐盤(pán)等輔助部件，使電熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，成本大幅度降低。
本項(xiàng)發(fā)明的導(dǎo)電機(jī)理薄膜電阻涂層是一種含有多種氧化物的正溫度系數(shù)的半導(dǎo)體氧化物電阻涂層，它含有氧化物(SnO2)、氧化硼(B2O3)、氧化銻(Sb2O3)，這三種氧化物處于單一組份狀態(tài)時(shí)，不具有導(dǎo)電性，只有按照一定的配比，采用適當(dāng)?shù)墓に?，使三種氧化物一次生長(zhǎng)成半導(dǎo)體本征型薄膜涂層時(shí)，(涂層內(nèi)部為單相材料，三種氧化物以化學(xué)鍵結(jié)合，分布均勻無(wú)法將三種氧化物再行分開(kāi))，才具有導(dǎo)電性。厚膜導(dǎo)電涂層由銀(Ag)、氧化鉛(PbO)、氧化磷(P2O5)、氧化硼(B2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化銅(CuO)混均后經(jīng)燒熔、球磨、過(guò)篩制成粉末狀厚膜交聯(lián)劑，銀粉是導(dǎo)電填料，在銀粉中加入適量的交聯(lián)劑經(jīng)烘干、燒結(jié)，厚膜交聯(lián)劑軟化流動(dòng)與銀粉浸潤(rùn)粘合，使銀粉顆粒之間互相搭接而形成微觀網(wǎng)絡(luò)式導(dǎo)電通道。
本項(xiàng)發(fā)明提出的薄膜電阻涂層的組份重量百分含量是氧化錫(SnO)75%-97%、氧化硼(B2O3)1.0%-7.0%、氧化銻(Sb2O3)3.0%-23%。
本項(xiàng)發(fā)明提出的厚膜導(dǎo)電涂層的組份重量百分含量是銀(Ag)97.1%-99.0%、氧化鉛(PbO)1.00%-2.00%、氧化硼(B2O3)0.30%-0.40%、氧化磷(P2O5)0.10%-0.20%、氧化硅(SiO2)0.10%-0.20%、氧化銅(CuO)0.01%-0.10%。
本項(xiàng)發(fā)明的制備方法根據(jù)薄膜電阻涂層的組份重量百分含量，稱取化學(xué)當(dāng)量的四氯化錫(SnCl4)、三氯化銻(SbCl3)和三氯化硼(BCl3)溶于乙醇，配制成乙醇溶液，取少量溶液(例如10毫升)注入瓷蒸發(fā)皿內(nèi)，放在化學(xué)氣相生長(zhǎng)爐的氣源加熱臺(tái)上蒸發(fā)，爐內(nèi)放入預(yù)先處理過(guò)的底材(如陶瓷、普通玻璃、石英玻璃、微晶玻璃、人工云母、天然云母、搪瓷等)，當(dāng)氣源加熱臺(tái)上的蒸發(fā)皿有蒸汽產(chǎn)生時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)底材固定架，使底材在爐內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)以便生長(zhǎng)厚度均勻的薄膜電阻涂層，直到蒸發(fā)器內(nèi)的溶液全部蒸發(fā)干凈為止，在化學(xué)氣相生長(zhǎng)過(guò)程中，氣源加熱臺(tái)的溫度應(yīng)控制在100℃-300℃，爐內(nèi)溫度為400℃-650℃，薄膜電阻涂層的厚度為0.05μ-1.00μ，涂層方塊電阻為5Ω/□-1000Ω/□，一次消耗的溶液越多，則涂層越厚，涂層方塊電阻越小。
根據(jù)厚膜導(dǎo)電涂層的組份重量百分含量稱取氧化鉛、氧化磷、氧化硼、氧化硅、氧化銅，混勻后于高溫下燒熔，燒熔溫度為800℃-1200℃，燒熔時(shí)間均為15分鐘-75分鐘，燒熔好的料塊，須經(jīng)40小時(shí)-50小時(shí)球磨，過(guò)250目-300目標(biāo)準(zhǔn)篩，制成粉末狀厚膜交聯(lián)劑，其粉末顆粒直徑≤50μ。然后根據(jù)厚膜導(dǎo)電涂層的組份重量百分含量稱取銀粉(也可以用化學(xué)當(dāng)量Ag20或Ag2CO3作為銀的原料)與制成的厚膜交聯(lián)劑混均，加入適量的松油醇調(diào)成粘度適當(dāng)?shù)臐{料，采用厚膜工藝在薄膜電阻涂層的適當(dāng)部位涂制所需圖形的厚膜導(dǎo)電涂層作為導(dǎo)電電極于100℃-200℃下，烘干10分鐘-20分鐘，于400℃-650℃下燒結(jié)6-30分鐘即成。厚膜導(dǎo)電涂層的厚度為0.05毫米-0.30毫米，其表面可直接焊錫，松油醇是用來(lái)調(diào)整漿料粘度的稀釋劑，在烘干燒結(jié)過(guò)程中，稀釋劑完全揮發(fā)干凈，稀釋劑的加入量(重量%)為25%-65%，以漿料粘度適于采用厚膜工藝制膜為準(zhǔn)，可選用的稀釋劑還有甘油、丙二醇、二丁脂、松節(jié)油、樟腦油、食用油、潤(rùn)滑油等，可以任選其中一種，也可以混合使用。
本項(xiàng)發(fā)明的技術(shù)參數(shù)表一技術(shù)參數(shù)表
本項(xiàng)發(fā)明的用途①制備超輕、超薄、超小型電熱元件(如電熱板、電熱片、電熱條帶、電熱管);
②制備電熱玻璃器具;
③制備電熱陶瓷器具;
④制備快速升溫遠(yuǎn)紅外電熱元件;
⑤制備局部加熱電熱涂層;
⑥制備耐高溫薄膜電阻。
本項(xiàng)發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有顯著的優(yōu)點(diǎn)是①本項(xiàng)發(fā)明在薄膜電阻涂層和厚膜導(dǎo)電涂層的組份及組份配比上有創(chuàng)新，使涂層工作溫度高達(dá)600℃。
②薄膜電阻涂層作為電熱涂層，厚膜導(dǎo)電涂層作為導(dǎo)電電極，構(gòu)成完整的電發(fā)熱體，在技術(shù)上配套，便于推廣應(yīng)用。
③全部組份均屬無(wú)機(jī)材料，耐溫、耐濕、耐磨、不老化、與底材結(jié)合牢固，永不脫落，工作壽命長(zhǎng)達(dá)10000小時(shí)以上。
④本項(xiàng)發(fā)明屬于高溫電熱涂層，比低溫或中溫電熱涂層用途更廣泛，特別適于制作各種遠(yuǎn)紅外電熱元件。
⑤設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝性好、適于大批量工業(yè)化生產(chǎn)。
⑥耐酸堿腐蝕，可用于制備在腐蝕性強(qiáng)的惡劣環(huán)境中使用的電熱器具。
⑦全部原材料均屬普通工業(yè)原料，價(jià)格低廉、來(lái)源充足。
⑧消耗材料極少，每平方分米涂層耗材為0.2-0.3克，材料成本僅為0.1-0.2元/平方分米。
⑨用途廣泛，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、科研和民用電器等領(lǐng)域可替代傳統(tǒng)的電熱絲，有廣闊的應(yīng)用前景。
以下結(jié)合附圖對(duì)本項(xiàng)發(fā)明作詳細(xì)描述附圖1-本項(xiàng)發(fā)明工藝流程圖附圖2-遠(yuǎn)紅外電熱板結(jié)構(gòu)示意圖1-厚膜導(dǎo)電涂層作為導(dǎo)電電極;
2-薄膜電阻涂層作為電熱涂層;
3-遠(yuǎn)紅外涂層;
4-絕緣底材(玻璃、陶瓷、搪瓷、云母等)。
附圖3-管狀電熱元件示意圖5-厚膜導(dǎo)電涂層作為導(dǎo)電電極;
6-薄膜電阻涂層作為電熱涂層;
7-管狀底材(玻璃、陶瓷等)。
附圖4-電熱器皿示意圖8-厚膜導(dǎo)電涂層作為導(dǎo)電電極;
9-薄膜電阻涂層作為電熱涂層;
10-器皿體(玻璃、陶瓷)。
結(jié)合


本項(xiàng)發(fā)明的實(shí)施例。
表二薄膜電阻涂層組份明細(xì)表

薄膜電阻涂層的制備方法(以配制350克溶液為例)根據(jù)表二給出的薄膜電阻涂層組份重量百分含量稱取146.81克;四氯化錫(SnCl4)，(146.81克SnCl4化學(xué)當(dāng)量84.9克SnO2)，20.55克BCl3(20.55克BCl3化學(xué)當(dāng)量6.1克B2O3)14.09克SbCl3(14.09克SbCl3化學(xué)當(dāng)量9.0克Sb2O3)溶解于168.55克乙醇配制成澄清的乙醇溶液，取10克配好的乙醇溶液注入瓷蒸發(fā)皿中放在化學(xué)氣相爐的汽源加熱臺(tái)上，汽源加熱臺(tái)的溫度控制在230℃±10℃化學(xué)氣相生長(zhǎng)爐內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)架上固定好陶瓷管，爐內(nèi)溫度為600℃±10℃蒸發(fā)皿有蒸汽產(chǎn)生時(shí)，開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)爐內(nèi)的陶瓷管，12分鐘左右，蒸發(fā)皿中的溶液全部蒸發(fā)干凈，此時(shí)，陶瓷管表面已生長(zhǎng)成一層方塊電阻為10Ω/□-20Ω/□的薄膜電阻涂層。
表三厚膜導(dǎo)電涂層組份明細(xì)表

厚膜導(dǎo)電涂層制備方法(以制料1公斤為例)厚膜導(dǎo)電涂層用作電熱元件的導(dǎo)電電極。根據(jù)表三給出的厚膜導(dǎo)電涂層組份重量百分含量稱取17.7克氧化鉛、1.5克氧化磷、3.6克氧化硼、1.5克氧化硅、0.1克氧化銅，混均后于950℃下燒熔20分鐘，制成料塊，球磨50小時(shí)，過(guò)300目標(biāo)準(zhǔn)篩，制成粉末狀厚膜交聯(lián)劑，加入975.6克銀粉和500克松油醇，調(diào)制成粘度適當(dāng)?shù)臐{料，采用刷涂工藝在已制有薄膜電阻涂層的陶瓷管兩端涂制寬度為10毫米的導(dǎo)電電極，其厚度為0.1-0.2毫米，于150℃-180℃下烘干10分鐘，于520℃下燒結(jié)12分鐘即制成管狀陶瓷電熱元件。在電熱元件表面可涂制遠(yuǎn)紅外涂層，如此制成的遠(yuǎn)紅外電熱元件具有升溫快、效率高、壽命長(zhǎng)、成本低、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛用途。
權(quán)利要求
1.一種薄厚膜復(fù)合電熱涂層，其特征是a.薄膜電阻涂層含有(重量%)氧化錫(SnO2) 75.0%-97.0%；氧化硼(B2O3) 1.0%-7.0%；氧化銻(Sb2O3) 3.0%-23.0%；b.厚膜導(dǎo)電涂層含有(重量%)銀(Ag)97.10%-99.00%；氧化鉛(PbO) 1.00%-2.00%；氧化磷(P2O5) 0.10%-0.20%；氧化硼(B2O3) 0.30%-0.40%；氧化硅(SiO2) 0.10%-0.20%；氧化銅(CuO) 0.01%-0.10%
2.根據(jù)權(quán)力要求1所述的薄膜電阻涂層的制備方法，其特征是按照薄膜電阻涂層的組份重量百分含量稱取化學(xué)當(dāng)量的錫的氯化物、硼的氯化物、銻的氯化物溶于乙醇，配制成乙醇溶液，注入瓷蒸發(fā)皿中，放在化學(xué)氣相生長(zhǎng)爐的汽源加熱臺(tái)上，汽源加熱臺(tái)的溫度應(yīng)控制在100℃-300℃，爐內(nèi)有預(yù)先處理好的底材，爐內(nèi)溫度應(yīng)控制在400℃-650℃，當(dāng)蒸發(fā)皿有蒸汽產(chǎn)生時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)爐內(nèi)的底材直到蒸發(fā)皿內(nèi)的溶液全部蒸發(fā)干凈，此時(shí)在底材表面已生長(zhǎng)成一層均勻的電阻涂層。
3.根據(jù)權(quán)力要求1所述的厚膜導(dǎo)電涂層的制備方法，其特征是按照厚膜導(dǎo)電涂層的組份重量百分含量稱取適量氧化鉛、氧化磷、氧化硼、氧化硅和氧化銅，于800℃-1200℃下燒熔，制成料塊，球磨成粉末狀厚膜交聯(lián)劑，其粉末顆?！?0μ，然后加入適量銀和稀釋劑，調(diào)制成粘度適當(dāng)?shù)臐{料，采用厚膜工藝，在絕緣底材表面制膜，烘干后在400℃-650℃下燒結(jié)6-30分鐘，即可制成厚膜導(dǎo)電涂層。
4.根據(jù)權(quán)力要求3所述的制備方法，其特征是銀的原料可以是銀粉、氧化銀(Ag2O)或碳酸銀(Ag2CO3)。
5.根據(jù)權(quán)力要求2、3所述的制備方法，其特征是薄膜電阻涂層的厚度為0.05μ-1.00μ，厚膜導(dǎo)電涂層的厚度為0.05毫米-0.30毫米。
6.根據(jù)權(quán)力要求3所述的稀釋劑，其特征是可以采用松油醇、甘油、丙二醇、二丁脂、樟腦油、松節(jié)油、食用油或潤(rùn)滑油作為稀釋劑，可任選其中一種，也可以混合使用。
7.根據(jù)權(quán)力要求2、3所述的制備方法，其特征是底材必須由陶瓷、普通玻璃、石英玻璃、微晶玻璃、人工云母、天然云母、搪瓷等耐溫絕緣材料制成。
全文摘要
一種薄厚膜復(fù)合電熱涂層，由薄膜電阻涂層和厚膜導(dǎo)電涂層復(fù)合而成。采用化學(xué)氣相生長(zhǎng)工藝和厚膜工藝制備在耐溫絕緣底材的加熱面，可制成超輕、超薄、超小型電熱元件、快速升溫遠(yuǎn)紅外電熱元件、耐高溫薄膜電阻等。具有成本低、壽命長(zhǎng)、升溫快、效率高、耐溫、耐濕、耐磨、耐腐蝕、耐老化、工作溫度高達(dá)600℃等突出優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、科研和民用電器等領(lǐng)域可替代傳統(tǒng)的電熱絲，具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H01B5/14GK1072700SQ9111087
公開(kāi)日1993年6月2日 申請(qǐng)日期1991年11月22日 優(yōu)先權(quán)日1991年11月22日
發(fā)明者尹維平 申請(qǐng)人:尹維平