一種低功耗高溫電阻爐的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高溫電阻爐，更具體地說涉及一種航空航天用低功耗高溫電阻爐。
【背景技術】
[0002]空間材料科學是應用現(xiàn)代航天技術發(fā)展起來的一門在空間微重力環(huán)境下研宄材料科學與工程的基礎學科，也是當今材料科學研宄與發(fā)展的前沿領域。對于認知在材料制備中發(fā)生的物理與化學過程的本征規(guī)律，豐富和完善材料科學與工程的基礎理論，指導和推動地基材料制備工藝和戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展具有十分重要的意義。
[0003]開展空間材料科學研宄，高溫電阻爐十分重要，其功能和性能指標決定了空間材料科學研宄內容的深度和廣度。其中工作溫度是高溫電阻爐的重要性能指標之一，也是材料科學家選擇材料種類、制訂實驗工藝曲線所關注的首要因素。但由于空間資源的局限性，空間應用的高溫電阻爐同時又要求體積小、重量輕、功耗低。我國前期在空間應用的空間材料科學實驗高溫電阻爐最高工作溫度均在1300°C以下，無法滿足有更高溫度要求的、具有良好應用前景的材料空間制備需求。
[0004]本發(fā)明的目的是提供一種低功耗條件下，爐膛最高溫度能達到1500°C以上的可在航空航天領域應用的低功耗高溫電阻爐。要實現(xiàn)1500°C以上的爐溫，一般的合金發(fā)熱體，如鎳鉻絲、鐵鉻鋁絲等(使用溫度均<1400°C )，已經不能滿足要求，而地面高溫電阻爐常用的硅碳棒、硅鉬棒、石墨等高溫發(fā)熱材料又存在抗震強度低，電阻小，加熱電流過大等問題，難以滿足空間應用要求。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種航空航天用低功耗高溫電阻爐，在較低的功耗條件下，本高溫電阻爐爐膛最高溫度能達到1500°C?1600°C，同時具有體積小、重量輕、功耗低的特點。
[0006]本發(fā)明提供一種低功耗高溫電阻爐，所述高溫電阻爐包括保溫隔熱單元、位于所述保溫隔熱單元中的發(fā)熱體、連接到所述發(fā)熱體的端部接頭以使所述發(fā)熱體通電的高熔點金屬(例如，熔點大于1800°C的金屬)電極，其中，所述發(fā)熱體的本體為螺旋式中空圓柱狀以形成爐膛，所述高溫電阻爐能夠保持密封并且其內部能夠被抽真空，從而在其內部形成真空腔體。
[0007]本發(fā)明利用螺旋式中空圓柱狀的發(fā)熱體本身形成爐膛，使發(fā)熱體不僅具備加熱功能，同時具備形成爐膛的功能，通過高溫輻射直接對樣品進行加熱，大大提到發(fā)熱效率。
[0008]較佳地，所述高恪點金屬電極包括通過高恪點金屬螺釘固定的兩片高恪點金屬片，所述高熔點金屬片包括薄壁端和厚壁端，兩片高熔點金屬片通過高熔點金屬螺釘固定使厚壁端相互壓緊通電導線，薄壁端形成的空隙尺寸匹配發(fā)熱體端部接頭的尺寸。
[0009]較佳地，所述高熔點金屬螺釘包括穿過高熔點金屬電極的厚壁端用于使兩片高熔點金屬片的厚壁端壓緊通電導線的第一高熔點金屬螺釘、以及穿過高熔點金屬電極的薄壁端以使所述發(fā)熱體的端部接頭固定在薄壁端形成的空隙中的第二高熔點金屬螺釘。
[0010]較佳地，所述高熔點金屬電極通過鐵鉻鋁絲導線連接到電源。
[0011]較佳地，所述高熔點金屬包括鉬、鎢或鉭。
[0012]較佳地，所述發(fā)熱體的本體的內徑為10-50mm，外徑為12_60mm，螺距為2_4臟，長度為 50_150mm。
[0013]較佳地，所述發(fā)熱體的端部接頭為長方體或圓柱型，長度為10-50mm，截面為(2-10mm) X (2-10mm)的矩形或直徑3_10mm的圓。
[0014]較佳地，所述發(fā)熱體的材質為碳纖維復合材料，優(yōu)選為由碳纖維和碳化硅顆粒復合而成的碳纖維復合材料。
[0015]碳纖維復合材料本身具有優(yōu)異的電學和耐高溫性能，且考慮到高溫電阻爐爐膛的尺寸需求以及發(fā)熱體熱效率利用，本發(fā)明的高溫發(fā)熱體采用螺旋式中空圓柱狀，該結構利用發(fā)熱體本身形狀形成爐膛，使發(fā)熱體不僅具備加熱功能，同時具備形成爐膛的功能，通過高溫輻射直接對樣品加熱，大大提高了發(fā)熱效率。
[0016]本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明中高溫電阻爐，在功耗低于350W、真空的條件下，最高溫度能達到1500 0C?1600°C。本發(fā)明的高溫電阻爐具有體積小、重量輕、功耗低的的特點。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明一個實施方式中螺旋式中空圓柱狀發(fā)熱體；
圖2為本發(fā)明一個實施方式中鉬螺釘緊固式鉬電極；
圖3為本發(fā)明一個實施方式中發(fā)熱體端部接頭與螺釘緊固式鉬電極的連接方式；
圖4為本發(fā)明一個實施方式中高溫電阻爐在使用時高溫電阻爐爐膛的升降溫曲線；
圖5為本發(fā)明一個實施方式中高溫電阻爐在加熱過程中爐膛溫度和功耗之間的關系曲線。
【具體實施方式】
[0018]以下結合附圖和下述實施方式進一步說明本發(fā)明，應理解，附圖及下述實施方式僅用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0019]本發(fā)明涉及一種含有高溫發(fā)熱體的低功耗高溫電阻爐，所述高溫電阻爐包括發(fā)熱體1，該發(fā)熱體采用一種碳纖維復合材料，這種材料與硅鉬棒、硅碳棒、石墨等材料相比，具有更高的強度和韌性、更小的質量、更好的耐熱沖擊性，電阻大小更適合應用。而與難熔金屬(如鎢、鉬、鉭等)相比較，碳纖維復合材料質量更輕，且具有更穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)，有利于溫度的精確控制。碳纖維復合材料優(yōu)選為由碳纖維和碳化硅顆粒復合而成復合材料，其密度為 1.7-1.8g/cm3。
[0020]參見圖1，發(fā)熱體I包括本體2和端部接頭3，發(fā)熱體I的本體2形成為中空圓柱狀以形成爐膛。所述發(fā)熱體I的本體可以由成型的空心圓筒后加工而成。具體來說，可以先制作圓柱狀的空心圓筒，然后通過在自動化的車床中設置相應的切削程序，使其對空心圓筒進行切削，得到所述螺旋式中空圓柱狀的發(fā)熱體。采用上述車床切削的方式制備發(fā)熱體，能夠準確制備不同規(guī)格的發(fā)熱體，進行發(fā)熱體螺距、長度的精確控制。發(fā)熱體I的本體2的內徑可為10_50mm，外徑為可12_60mm，螺距可為2_4mm，長度可為50_150mm。發(fā)熱體I的兩端部接頭3從本體2延伸，為長條體或圓柱形，長度為10-50mm，截面為(2_10mm) X (2-10mm)的矩形或直徑3-10mm的圓。
[0021]本發(fā)明的高溫電阻爐采用碳纖維復合材料作為高溫加熱體，同時將高溫發(fā)熱體設計為螺旋式中空圓柱狀，因而一方面，可以借助于碳纖維復合材料本身的優(yōu)異性能使得高溫電阻爐性能提高，另一方面，借助于螺旋式中空圓柱狀，該結構利用發(fā)熱體本身形狀形成爐膛，使發(fā)熱體不僅具備加熱功能，同時具備形成爐膛的功能，通過高溫輻射直接對樣品加熱，大大提高了發(fā)熱效率。
[0022]參見圖3，發(fā)熱體I設置于隔熱保溫結構4中，隔熱保溫結構的材質可采用氧化鋁纖維保溫磚。這些材料重量輕、耐高溫、保溫隔熱效果好、價格較為低廉，因而有利于本發(fā)明中高溫電阻爐的普及與推廣應用。
[0023]所述高溫發(fā)熱體與外部電路連接時所使用的電極采用鉬螺釘緊固式鉬電極。由于本申請中電阻爐旨在實現(xiàn)高溫加熱，加熱溫度可高達1500-1600°C，因此需要采用非常耐高溫材質的材料作為高溫發(fā)熱體與外部電路連接的電極材料。經過多次測試之后，我們觀測到，鉬電極能夠滿足本發(fā)明中高溫電阻爐的之一需求，另外，鉬電極采用螺釘緊固式這一結構，與高溫發(fā)熱體之間實現(xiàn)良好的結合。
[0024]發(fā)熱體I溫度較高，通過兩端部接頭3分別與鉬電極5連接。參見圖2，鉬電極5包括上下兩片鉬片6，各個鉬片分別采用一端比另一端厚度薄的結構，即、具有厚壁端7和薄壁端8。鉬片6上設置螺釘可通過的孔以通過螺釘固定