高效遠紅外陶瓷及其電熱膜元件的研究開發

蔡曉峰

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

關鍵詞：遠紅外陶瓷；電熱膜元件；熱穩定性

1 引言

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

2 實驗內容

2.1 主要原材料

本實驗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、導電陶瓷漿料、銀漿、坯體增強劑等。

2.2 遠紅外陶瓷的制備

遠紅外陶瓷的主要制備流程：配料→球磨→造粒→壓制成型 →燒成→磨片→檢測→遠紅外陶瓷片樣品。

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→噴涂在遠紅外陶瓷片上→高溫熱處理→印制電極→檢測電性能→遠紅外陶瓷電熱膜元件樣品。

2.4 實驗設備及技術指標

本實驗所用的實驗設備如下：JJ1000電子天平、PHN0.5CE砂磨機（如圖1）、OPD-8T噴霧干燥機（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電參數測試儀（如圖3）、VC890C萬用電表、HYK-10000A型數顯式抗折強度測試儀等，遠紅外輻射率送至中國科學院上海硅酸鹽研究所采用分光法檢測。

本文所開發的遠紅外陶瓷材料及其陶瓷電熱膜元件的技術指標如下：遠紅外陶瓷的吸水率≤ 0.5% ，抗折強度≥30 MPa，熱穩定性：1000 ℃→25 ℃水冷3次不裂，遠紅外陶瓷在3750 V/1min 0.5 mA的條件下無擊穿閃絡現象，陶瓷的遠紅外輻射率≥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 結果分析及討論

3.1 粉體細度對陶瓷密度的影響

本實驗采用砂磨機對坯料進行粉碎加工，通過控制粉碎加工的時間來控制坯料的細度。在配方和制備工藝不變時，陶瓷坯料的粉體細度對其燒結活性影響很大。表1為1280 ℃燒成條件下粉體細度與遠紅外陶瓷密度的關系。陶瓷密度依據阿基米德原理，采用靜力稱重法測定。

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

3.2 燒結助劑對陶瓷熱穩定性的影響

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

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定性有明顯地影響。加入量在2%以下時，對熱穩定性無影響，助燒作用也不明顯；加入量大于8%時，嚴重破壞陶瓷的熱穩定性。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度的影響

陶瓷的抗折強度是作為電熱元件的遠紅外陶瓷的一個重要技術指標。在陶瓷組成和其它工藝參數不變的情況下，燒成溫度對陶瓷抗折強度的影響最大。表3是保溫120 min時，不同燒成溫度所得陶瓷的抗折強度。抗折強度的測試跨距為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度，1350 ℃時為過燒，抗折強度下降。進一步實驗表明，在1280～1330 ℃范圍內燒成時，遠紅外陶瓷的抗折強度均大于35 MPa，基本滿足使用要求。

3.4 外加劑對陶瓷遠紅外輻射率的影響

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

為提高陶瓷的遠紅外輻射率，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，先將它們預先按一定配比混合均勻，磨細后過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紅外輻射率，加入量為3%～5%時，遠紅外輻射率的提高比較明顯；加入量大于5%時，不僅遠紅外輻射率的增幅較小，而且會影響陶瓷的燒結，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%外加劑后遠紅外陶瓷在2.5～25 μm波長內的紅外線反射比分布圖。

3.5 噴涂次數（膜厚度）對電熱膜功率的影響

根據電功率計算公式： 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度和熱穩定性。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有很大關系，因此，有必要研究噴涂次數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規格的遠紅外陶瓷板上噴涂次數與電熱元件功率的關系。

實驗表明，采用噴涂法能夠很好地將電熱膜附著在遠紅外陶瓷的表面上，一次噴涂就可達到4.5 W/cm2的功率密度。從表5可以看出，隨著噴涂次數的增加，遠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定性的重要指標。影響電熱膜穩定性的因素有很多，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、膜附著強度等，最終都會以電熱膜的功率衰減形式表現出來。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，過低或過高都會導致電熱膜穩定性下降。圖7為用于紅外理療的片狀陶瓷電熱膜元件和用于暖風機的蜂窩狀陶瓷電熱膜元件樣品。

4 結論

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

（2） 遠紅外陶瓷電熱膜元件具有功率密度高、加熱快、電熱轉換效率高、無電磁輻射、使用壽命長等特點，元件外形多樣，如板狀、片狀、管狀、蜂窩狀等，可廣泛應用于暖風機、電暖器、熱水器、電烤爐、食品烘烤、工農產品干燥加工、理療保健等領域，取代傳統的電熱元件，具有明顯的節能效果。

參考文獻

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