蔡曉峰

摘 要：本文研究了一種熱穩(wěn)定性突出的致密遠(yuǎn)紅外陶瓷材料，探討了遠(yuǎn)紅外陶瓷的密度、熱穩(wěn)定性、抗折強(qiáng)度、遠(yuǎn)紅外輻射率等技術(shù)指標(biāo)的影響因素，并探索采用噴涂工藝在遠(yuǎn)紅外陶瓷片上制備電熱膜，優(yōu)化膜制備工藝參數(shù)，得到了滿足使用要求的遠(yuǎn)紅外陶瓷電熱膜元件。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)紅外陶瓷；電熱膜元件；熱穩(wěn)定性

1 引言

隨著科技的發(fā)展，紅外技術(shù)得到了廣泛地應(yīng)用。目前，遠(yuǎn)紅外陶瓷材料作為紅外技術(shù)中的一類重要材料，已大量應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)加熱與干燥、食品加工、醫(yī)療保健、紡織產(chǎn)品、日用電器、化工生產(chǎn)、國防產(chǎn)品、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。在現(xiàn)有的遠(yuǎn)紅外陶瓷材料中，大部分是以遠(yuǎn)紅外陶瓷粉體的形式加以應(yīng)用，如常溫遠(yuǎn)紅外陶瓷粉體應(yīng)用于紡織品，中高溫遠(yuǎn)紅外陶瓷粉體以涂覆的方式應(yīng)用于窯爐的節(jié)能和金屬遠(yuǎn)紅外輻射板等，這些應(yīng)用對遠(yuǎn)紅外陶瓷材料的熱穩(wěn)定性要求不高。對于遠(yuǎn)紅外理療、遠(yuǎn)紅外加熱取暖等主動發(fā)熱輻射遠(yuǎn)紅外線的遠(yuǎn)紅外陶瓷而言，因?yàn)橐l繁地急冷急熱，遠(yuǎn)紅外陶瓷的熱穩(wěn)定性就顯得非常重要。目前，大部分使用的主動發(fā)熱遠(yuǎn)紅外輻射陶瓷是以堇青石、莫來石陶瓷為基的遠(yuǎn)紅外陶瓷，雖然可以滿足部分應(yīng)用場合，但是它還存在遠(yuǎn)紅外輻射波段和輻射效率不理想、熱穩(wěn)定性不高的問題。本文對具有良好熱穩(wěn)定性的新型稀土高效遠(yuǎn)紅外陶瓷及其電熱膜元件進(jìn)行了初步研究與開發(fā)。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 主要原材料

本實(shí)驗(yàn)采用的主要原材料有：水洗高嶺土、熔融石英、鉀長石、冰晶石、滑石、鋰輝石、玻璃粉、氧化錳、氧化鐵、氧化鈷、氧化鋯、氧化鈦、氧化鈰、氧化釹、氧化銪、導(dǎo)電陶瓷漿料、銀漿、坯體增強(qiáng)劑等。

2.2 遠(yuǎn)紅外陶瓷的制備

遠(yuǎn)紅外陶瓷的主要制備流程：配料→球磨→造?！鷫褐瞥尚?→燒成→磨片→檢測→遠(yuǎn)紅外陶瓷片樣品。

2.3 電熱膜元件的制備

電熱膜元件的主要制備流程：配制電熱膜漿料→噴涂在遠(yuǎn)紅外陶瓷片上→高溫?zé)崽幚怼≈齐姌O→檢測電性能→遠(yuǎn)紅外陶瓷電熱膜元件樣品。

2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及技術(shù)指標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)所用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備如下：JJ1000電子天平、PHN0.5CE砂磨機(jī)（如圖1）、OPD-8T噴霧干燥機(jī)（如圖2）、SJJ-17快速升溫箱式高溫電爐、壓縮空氣噴槍、LS900激光粒度分析儀、CC1201電參數(shù)測試儀（如圖3）、VC890C萬用電表、HYK-10000A型數(shù)顯式抗折強(qiáng)度測試儀等，遠(yuǎn)紅外輻射率送至中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所采用分光法檢測。

本文所開發(fā)的遠(yuǎn)紅外陶瓷材料及其陶瓷電熱膜元件的技術(shù)指標(biāo)如下：遠(yuǎn)紅外陶瓷的吸水率≤ 0.5% ，抗折強(qiáng)度≥30 MPa，熱穩(wěn)定性：1000 ℃→25 ℃水冷3次不裂，遠(yuǎn)紅外陶瓷在3750 V/1min 0.5 mA的條件下無擊穿閃絡(luò)現(xiàn)象，陶瓷的遠(yuǎn)紅外輻射率≥0.85。陶瓷電熱膜元件的使用溫度：80～350 ℃，使用壽命：300 ℃控溫干燒≥10000 h，膜功率密度≥2.0 W/cm2。

3 結(jié)果分析及討論

3.1 粉體細(xì)度對陶瓷密度的影響

本實(shí)驗(yàn)采用砂磨機(jī)對坯料進(jìn)行粉碎加工，通過控制粉碎加工的時間來控制坯料的細(xì)度。在配方和制備工藝不變時，陶瓷坯料的粉體細(xì)度對其燒結(jié)活性影響很大。表1為1280 ℃燒成條件下粉體細(xì)度與遠(yuǎn)紅外陶瓷密度的關(guān)系。陶瓷密度依據(jù)阿基米德原理，采用靜力稱重法測定。

由表1可知，坯料的粉體越細(xì)，陶瓷的燒成密度越高，當(dāng)粉體細(xì)度小于60 μm時，遠(yuǎn)紅外陶瓷的燒成密度變化不大，此時陶瓷材料的吸水率達(dá)到0.5%以下，瓷體致密，斷面光滑，燒結(jié)良好。對于該體系的遠(yuǎn)紅外陶瓷生產(chǎn)來說，坯料粉體加工細(xì)度達(dá)到250目即可，過度地粉碎加工不僅會增加生產(chǎn)成本，對產(chǎn)品質(zhì)量控制亦不利。圖4為遠(yuǎn)紅外陶瓷坯料粉體粒度分布圖。

3.2 燒結(jié)助劑對陶瓷熱穩(wěn)定性的影響

燒結(jié)助劑的作用是加快燒成反應(yīng)，降低陶瓷的燒成溫度，拓寬燒成溫度范圍。在本實(shí)驗(yàn)中，微晶玻璃粉是一種主要的助燒劑，是預(yù)先配料熔制加工的，雖然它的熱膨脹系數(shù)比一般玻璃小，但與主晶相相比，仍然較大。表2是燒結(jié)助劑的加入量與陶瓷熱穩(wěn)定性的關(guān)系，熱穩(wěn)定性采用陶瓷樣品從1000 ℃放入25 ℃冷水中不開裂的循環(huán)次數(shù)來評價。

由表2可知，在1280 ℃燒成條件下，微晶玻璃粉的加入對陶瓷熱穩(wěn)定性有明顯地影響。加入量在2%以下時，對熱穩(wěn)定性無影響，助燒作用也不明顯；加入量大于8%時，嚴(yán)重破壞陶瓷的熱穩(wěn)定性。所以，玻璃粉的加入量以5%左右為宜。

3.3 燒成溫度對陶瓷抗折強(qiáng)度的影響

陶瓷的抗折強(qiáng)度是作為電熱元件的遠(yuǎn)紅外陶瓷的一個重要技術(shù)指標(biāo)。在陶瓷組成和其它工藝參數(shù)不變的情況下，燒成溫度對陶瓷抗折強(qiáng)度的影響最大。表3是保溫120 min時，不同燒成溫度所得陶瓷的抗折強(qiáng)度?？拐蹚?qiáng)度的測試跨距為80 mm，加載速度為0.5 mm/min。

由表3可知，陶瓷在1300 ℃燒成時，獲得了最高的抗折強(qiáng)度，1350 ℃時為過燒，抗折強(qiáng)度下降。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，在1280～1330 ℃范圍內(nèi)燒成時，遠(yuǎn)紅外陶瓷的抗折強(qiáng)度均大于35 MPa，基本滿足使用要求。

3.4 外加劑對陶瓷遠(yuǎn)紅外輻射率的影響

普通陶瓷材料本身就具有良好的遠(yuǎn)紅外輻射能力，但是還不能滿足特定使用的遠(yuǎn)紅外輻射能力的要求，需要加以改性。本研究重點(diǎn)提高對人體健康有益的輻射波長范圍為2.5～25 μm的陶瓷遠(yuǎn)紅外輻射能力。

為提高陶瓷的遠(yuǎn)紅外輻射率，在陶瓷組成中加入氧化錳、氧化鐵、氧化鈷、氧化鋯、氧化鈦、氧化鈰、氧化釹、氧化銪等，先將它們預(yù)先按一定配比混合均勻，磨細(xì)后過325目篩，再按一定比例加入陶瓷坯料中，表4是不同外加劑加入量對陶瓷遠(yuǎn)紅外輻射率的影響，檢測輻射波長范圍為2.5～25 μm。

從表4可以看出，外加劑的加入可有效提高陶瓷的遠(yuǎn)紅外輻射率，加入量為3%～5%時，遠(yuǎn)紅外輻射率的提高比較明顯；加入量大于5%時，不僅遠(yuǎn)紅外輻射率的增幅較小，而且會影響陶瓷的燒結(jié)，所以外加劑不宜加入過多。其中，錳、鐵、鈷元素對10 μm以下波段的紅外線輻射影響較大，而稀土元素對10 μm以上波段的紅外線輻射影響較大。圖5和圖6分別為外加劑改性前和添加9wt%外加劑后遠(yuǎn)紅外陶瓷在2.5～25 μm波長內(nèi)的紅外線反射比分布圖。

3.5 噴涂次數(shù)（膜厚度）對電熱膜功率的影響

根據(jù)電功率計算公式： W = V2 /R ，在一定電壓條件下，電熱膜功率的大小受其電阻值控制，電阻越大，功率越小，反之，電阻越小，功率越大。一般來說，電熱膜越厚，其電阻越小，功率越大，但是，膜厚到一定程度，會影響膜在基體的附著強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。對噴涂鍍膜工藝來說，在漿料濃度不變的條件下，鍍膜厚度與噴涂時間和噴涂次數(shù)有很大關(guān)系，因此，有必要研究噴涂次數(shù)對電熱膜功率的影響。表5是在漿料濃度和噴涂時間一定的條件下，在70 mm× 100 mm規(guī)格的遠(yuǎn)紅外陶瓷板上噴涂次數(shù)與電熱元件功率的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)表明，采用噴涂法能夠很好地將電熱膜附著在遠(yuǎn)紅外陶瓷的表面上，一次噴涂就可達(dá)到4.5 W/cm2的功率密度。從表5可以看出，隨著噴涂次數(shù)的增加，遠(yuǎn)紅外陶瓷電熱膜元件的功率密度快速增高。一般噴涂1～2次即可滿足使用要求。

3.6 熱處理溫度對電熱膜穩(wěn)定性的影響

電熱膜在使用過程中，其電功率會隨著使用時間而逐漸衰減，功率變化速率是電熱膜穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。影響電熱膜穩(wěn)定性的因素有很多，如基板的種類、基板的表面狀況、電熱膜的組成和電熱膜的加工工藝等。在噴涂工藝中，電熱膜的熱處理溫度和時間是一個重要的工藝條件，它會影響到膜電性能、膜硬度、膜附著強(qiáng)度等，最終都會以電熱膜的功率衰減形式表現(xiàn)出來。表6是處理時間為

15 min時，電熱膜處理溫度對電熱膜功率衰減率的影響。

由于在電熱膜功率衰減過程中，最初24 h的衰減最明顯，而后續(xù)的衰減相對較慢，因此，表6中的衰減率是取電熱膜最初24 h的衰減率。

從表6可以看出，對遠(yuǎn)紅外陶瓷電熱膜而言，最合適的熱處理溫度是750 ℃左右，過低或過高都會導(dǎo)致電熱膜穩(wěn)定性下降。圖7為用于紅外理療的片狀陶瓷電熱膜元件和用于暖風(fēng)機(jī)的蜂窩狀陶瓷電熱膜元件樣品。

4 結(jié)論

（1） 通過在基礎(chǔ)坯料中加入5wt%的微晶玻璃粉，6wt%的紅外改性外加劑，將坯料的細(xì)度控制在250目左右，壓制成型后經(jīng)1280 ℃保溫2 h燒成，可得到性能優(yōu)良的遠(yuǎn)紅外陶瓷，在其表面噴涂電熱膜漿料并經(jīng)750 ℃熱處理后，得到滿足使用要求的遠(yuǎn)紅外陶瓷電熱膜元件；

（2） 遠(yuǎn)紅外陶瓷電熱膜元件具有功率密度高、加熱快、電熱轉(zhuǎn)換效率高、無電磁輻射、使用壽命長等特點(diǎn)，元件外形多樣，如板狀、片狀、管狀、蜂窩狀等，可廣泛應(yīng)用于暖風(fēng)機(jī)、電暖器、熱水器、電烤爐、食品烘烤、工農(nóng)產(chǎn)品干燥加工、理療保健等領(lǐng)域，取代傳統(tǒng)的電熱元件，具有明顯的節(jié)能效果。

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