專利名稱：一種發(fā)熱電阻材料、含有其的陶瓷加熱元件、制備及應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ー種發(fā)熱電阻材料，還涉及使用了該發(fā)熱電阻材料的陶瓷加熱元件及制備方法，還涉及該陶瓷加熱元件的應用。
背景技術：
陶瓷加熱元件是ー種高效率、熱分布均勻、具有絕緣性能的加熱器，是直接在陶瓷生坯上印刷導電電阻漿料，經(jīng)疊片、排膠后，在高溫下共燒成為一體的產品，產品本身及生產過程符合環(huán)保要求。與傳統(tǒng)合金電熱絲，PTC加熱元件相比較具有結構簡單、升溫迅速、功率密度大、使用安全、耐腐蝕、使用壽命長等諸多優(yōu)點，所廣泛應用于日常生活，エ業(yè)技木，軍事，科學，通訊，醫(yī)療，環(huán)保，宇航等多種領域。豆?jié){具有極高的營養(yǎng)價值，在豆?jié){里含有多種優(yōu)質蛋白、多種維生素、多種人體必須的氨基酸和多種微量元素等，是ー種非常理想的健康食品。無論成年人、老年人和兒童，只要堅持飲用，對于提高體質、預防和治療病癥，都大有益處。隨著人們健康認識的增強，為了衛(wèi)生，喝的放心，紛紛選擇家庭自制豆?jié){，從而拉動家用豆?jié){機市場。但是現(xiàn)在市場上的豆?jié){機的加熱器為主要為電阻絲加熱管，現(xiàn)有發(fā)熱器具有如下不足之處
1.金屬和豆?jié){直接接觸，豆?jié){中殘留金屬和金屬腐蝕物，使得豆?jié){有金屬殘留味，影響豆?jié){的美味，并且對人體健康還會造成一定的傷害；
2.發(fā)熱管不易清洗干凈，容易滋生細菌；
3.發(fā)熱管的加熱均勻性差，產生局部高溫，在發(fā)熱體表面容易出現(xiàn)焦糊，難以清洗?，F(xiàn)有陶瓷加熱器主要應用于氣體傳感器等領域，在廚房電器領域應用罕見。專利申請?zhí)朇N200580016753. O公開了ー種陶瓷加熱器和采用其的氧傳感器及燙發(fā)剪，專利申請?zhí)朇N200520043672. 7公開了ー種帶高靈敏度溫度傳感器的新型氧化鋁陶瓷加熱片。以上陶瓷加熱元件的陶瓷都為氧化鋁陶瓷，氧化鋁表面粗糙，陶瓷脆性大，與人體相容性差，不適合做豆?jié){機的加熱器。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的第一個技術問題是提供ー種新型發(fā)熱電阻材料，該材料相比現(xiàn)有發(fā)熱電阻材料具有發(fā)熱效率高的優(yōu)點。本發(fā)明要解決的第二個技術問題是提供一種應用了該發(fā)熱電阻材料的陶瓷加熱元件。該陶瓷加熱元件升溫迅速、功率密度大、加熱均勻、耐腐蝕、容易清洗、對食物無污染、使用壽命長，且成本低。本發(fā)明要解決的第三個技術問題是提供上述陶瓷加熱元件的制備方法。本發(fā)明要解決的第四個技術問題是提供該陶瓷加熱元件的具體應用。本發(fā)明所要解決的技術問題通過以下技術方案予以實現(xiàn)
ー種發(fā)熱電阻材料，由以下質量百分比的組分混合而成鐵鉻鋁合金6(Γ85%，納米氧化鋁8 20%，ニ氧化鈦f 4%，ニ氧化硅O. 4 2%，氧化鈣
O.2 I. 0%，三氧化ニ釔 O. Γ0. 4%ο所述鐵鉻鋁合金由以下質量百分比的組分混合而成
鉻16 21%，鋁2 5%，錸O. 5 2%， 鑰I. 4 2. 5%,鈮O. 4 O. 8%,余量為鐵。一種應用了上述發(fā)熱電阻材料的陶瓷加熱元件，從下到上依次為下陶瓷基體、下絕緣層、發(fā)熱電阻材料制成的加熱電極、上絕緣層、上陶瓷基體，所述加熱電極連接有電極引線。所述下陶瓷基體及上陶瓷基體為2 4m0l%氧化釔穩(wěn)定的四方多晶納米氧化鋯陶瓷。2 4mol %氧化釔穩(wěn)定的納米氧化鋯是增韌性能的陶瓷，具有強度高韌性好的優(yōu)點。氧化鋯陶瓷的生物相容性好，它是ー種很優(yōu)秀的高科技生物材料，在醫(yī)學上廣泛應用于人造牙、關節(jié)和骨頭。氧化鋯陶瓷表面光亮，容易清洗。氧化鋯陶瓷的導熱性不高，可以降低加熱元件上的溫度差，使得加熱元件溫度均勻性高。另外，該陶瓷基體與加熱電極與氧化鋯陶瓷的熱膨脹系數(shù)相近，加熱器使用壽命長。所述下陶瓷基體及上陶瓷基體厚度為O. f 2mm。所述下絕緣層及上絕緣層為以氧化鋁為主體的陶瓷材料，各組分及質量百分比為，納米氧化招95 98%, ニ氧化鈦O. 5 2%, ニ氧化娃O. 4 2%、氧化I丐O. 2 O. 7%,三氧化ニ半乙
O.廣0.3%。保證在產品通電加熱過程中的絕緣性，加熱電極使用安全。所述下絕緣層及上絕緣層的厚度為1(Γ 20μηι。ー種上述陶瓷加熱元件的制備方法，制備步驟依次為
(O分別制備加熱電極、絕緣層、陶瓷基體的材料；
(2)各層材料的印刷在下陶瓷基體的生坯上采用絲網(wǎng)印刷工藝依次印刷下絕緣層、カロ熱電極、上絕緣層；其中下絕緣層及上絕緣層的印刷層厚度為15 160μπι;加熱電極印刷層厚度為15 25μπι;
步驟三印刷后的疊合
將步驟ニ所得材料的生坯和上陶瓷基體的生坯，在5(Tl20°C的溫度和l(T60MPa的壓力條件下進行疊合；
步驟四高溫燒結
將疊合體放入真空脫脂燒結一體爐中進行排膠脫脂和高溫燒結，高溫燒結溫度為1350 1550で，保溫時間為I 3h ；
步驟五電極引線的焊接
采用釬焊エ藝將加熱電極和引線連接上，制備出所需的陶瓷加熱元件。所述上陶瓷基體和下陶瓷基體的制備方法為采用流延エ藝制備生坯，生坯的厚度為 O. 12 2. 5mm ；
加熱電極絲網(wǎng)印刷漿料的制備方法為將發(fā)熱電阻材料所需原料物質的粉末和含有粘合劑的有機載體混合；所述發(fā)熱電阻材料所需原料物質的粉末和含有粘合劑的有機載體的質量比為O. 6^1. 5:1ο上絕緣層(2)和下絕緣層(4)絲網(wǎng)印刷漿料的制備方法為將絕緣層所需原料物質的粉末和含有粘合劑的有機載體混合；所述絕緣層所需原料物質的粉末和含有粘合劑的有機載體的質量比為O. 6^1. 5:1。
一種陶瓷加熱元件作為豆?jié){機加熱部件的應用。相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有如下有益效果
I、本發(fā)明新型發(fā)熱電阻材料相比現(xiàn)有發(fā)熱電阻材料具有更高的發(fā)熱效率，達到300°C所需要的時間僅需50秒，加熱更快速。
2、本發(fā)明應用了該發(fā)熱電阻材料制成的陶瓷加熱元件，經(jīng)測試，具有如下優(yōu)點
(I)加熱效率高，達到300°C僅需50秒；(2)加熱均勻性高，5個點的溫差最大值小于5°C ；
(3)耐久性高，經(jīng)3000次循環(huán)冷熱沖擊試驗后，沒有裂紋、脫落、分層，電阻變化率小于8%；
(4)外觀沒有裂紋，沒有污點，表面光潔。3、本發(fā)明應用了該發(fā)熱電阻材料制成的陶瓷加熱元件應用于豆?jié){機中，相比現(xiàn)有電阻絲加熱管具有如下優(yōu)點(I)不產生金屬殘留物和金屬腐蝕物，豆?jié){中無金屬殘留味，對人體不產生危害；(2)陶瓷加熱元件更易清洗，不會有細菌滋生；(3)由于陶瓷加熱元件的加熱均勻性好，不會因局部高溫造成豆?jié){焦糊，降低豆?jié){的口味及營養(yǎng)價值。


圖I為本發(fā)明陶瓷加熱元件的爆炸圖。
具體實施例方式為了便于本領域技術人員理解，下面將結合實施例對本發(fā)明做進ー步的描述。實施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，不是對本發(fā)明的限制。實施例I
ー種發(fā)熱電阻材料，由以下質量百分比的組分混合而成
鐵鉻鋁合金80%，納米氧化鋁13%，ニ氧化鈦4%，ニ氧化硅I. 8%,氧化鈣O. 8%、三氧化ニ釔 O. 4%ο其中鐵鉻鋁合金由以下質量百分比的組分混合而成
鉻(Cr)為 19%，鋁(Al)為 5%，錸(Re) 2%，鑰(Mo) 2%，鈮(Nb) 0.8%，余量為鐵(Fe)。如圖I所示，一種應用了上述發(fā)熱電阻材料的陶瓷加熱元件，從下到上依次為下陶瓷基體6、下絕緣層4、發(fā)熱電阻材料制成的加熱電極3、上絕緣層2、上陶瓷基體1，所述加熱電極3連接有電極引線5。所述上陶瓷基體I和下陶瓷基體6為3mol %氧化釔穩(wěn)定的四方多晶納米氧化鋯陶瓷。所述上絕緣層2和下絕緣層4為以氧化鋁為主體的陶瓷材料，各組分及質量百分比為，納米氧化鋁97%，ニ氧化鈦I. 2%, ニ氧化硅1%，氧化鈣O. 5%、三氧化ニ釔O. 3%。下面對陶瓷加熱元件的制備方法作詳細說明。步驟ー各層材料的制備
(I)陶瓷基體的制備
采用流延エ藝制備3m0l%氧化釔穩(wěn)定的納米氧化鋯陶瓷基體的生坯，生坯的長度為80mm,寬度為30mm,厚度為O. 8mm。(2)發(fā)熱電極3的制備
以加熱電極重量100份為基準稱取以下份數(shù)的粉末鐵鉻鋁合金80份，納米氧化鋁13份，ニ氧化鈦4份，ニ氧化硅I. 8份，氧化鈣O. 8份、三氧化ニ釔O. 4份；其中鐵鉻鋁合金中各組分的質量百分比為鉻(Cr)為19%,鋁(Al)為5%,錸(Re)2%，鑰(Mo) 2%、鈮(Nb) O. 8%，其余含量為鐵(Fe)。將以上粉末和含有粘合劑的有機載體以O. 8 1的質量比混合，制備加熱電極絲網(wǎng)印刷漿料。其中，含有粘合劑的有機載體是松油醇和こ基纖維素、PVB等的混合物，這屬于本領域公知常識，在此不做詳細描述。(3)絕緣層的制備
以絕緣層的重量100份為基準，稱取納米氧化鋁97份，ニ氧化鈦I. 2份，ニ氧化硅I份，氧化鈣O. 5份、三氧化ニ釔O. 3份。將以上粉末和含有粘合劑的有機載體以I. 2^1的質量比混合，制備絕緣層絲網(wǎng)印刷漿料。步驟ニ 各層材料的印刷
在氧化鋯基體6的生坯上采用絲網(wǎng)印刷工藝依次印刷絕緣層4、加熱電極5、絕緣層2 ；其中絕緣層2和4的印刷層長度為70mm，寬度為20mm，厚度為25 — 30 μ m,加熱電極印刷層厚度為20 u m。步驟三印刷后的疊合
將印刷有絕緣層和加熱電極的氧化鋯基體6的生坯和氧化鋯基體I的生坯，在80°C的溫度和30MPa的壓カ條件下進行疊合。步驟四高溫燒結
將疊合體放入真空脫脂燒結一體爐中進行排膠脫脂和高溫燒結，高溫燒結溫度為1450°C，保溫時間為2h。步驟五電極引線的焊接
采用釬焊エ藝將加熱電極和電極引線連接上，制備出所需的陶瓷加熱元件。
對本實施例制備的陶瓷加熱元件進行性能檢測。檢測方法如下
1、外觀檢測采用肉眼觀察陶瓷表面是否有裂紋、污點；
2、加熱效率檢測將加熱電極連接220V的家用電路，測試加熱元件表面達到300°C所需要的時間；
3、加熱均勻性檢測測試陶瓷加熱元件達到穩(wěn)定溫度點時，周邊四個角與中心位置的溫度數(shù)值，計算5個點的溫差最大值。4、耐久性測試對陶瓷加熱元件外加電壓，使得陶瓷加熱元件的溫度達到300°C，然后斷開電壓，向陶瓷加熱元件吹空氣，使陶瓷加熱元件整體冷卻到40°C以下，如此3000次循環(huán)冷熱沖擊試驗，觀察陶瓷加熱元件是否出現(xiàn)裂紋、脫落、分層，測試加熱元件的電阻變化。本實施例陶瓷加熱元件性能測試結果見表I。表I陶瓷加熱元件性能測試結果測試項目~Ii則試情況
外觀沒有裂紋，沒有污點，表面光潔_
加熱效率達到300°C所需要的時間5S加熱均勻性5個點的溫差最大值小于5°C
耐久性 |~3000次循環(huán)冷熱沖擊試驗后，沒有裂紋、脫落、分層，電阻變化率小于8%。_；
因此本發(fā)明制備的陶瓷加熱元件具有升溫迅速、功率密度大、加熱均勻、使用壽命長、低成本等優(yōu)點。本發(fā)明還提供了ー種上述陶瓷加熱元件的應用，即將上述陶瓷加熱元件代替現(xiàn)有的電阻絲加熱管作為豆?jié){機的加熱部件。豆?jié){機的結構、豆?jié){機的配件、程序控制、組裝為本領域技術人員所公知，此處也不贅述。本實施例的豆?jié){機中的加熱器由實施例I中制備的陶瓷加熱元件制作成，一臺豆?jié){機含有3個陶瓷加熱元件，均勻排列在杯體中。該豆?jié){機由于具備本發(fā)明實施例I所述的陶瓷加熱元件，能夠制備出沒有焦糊、沒有金屬殘留味、無污染的豆?jié){；豆?jié){機容易清洗、使用壽命長。實施例2
ー種發(fā)熱電阻材料，由以下質量百分比的組分混合而成
鐵鉻鋁合金72. 9%,納米氧化鋁20%，ニ氧化鈦4%，ニ氧化硅2%，氧化鈣1%、三氧化ニ釔O. 1%。其中鐵鉻鋁合金由以下質量百分比的組分混合而成
鉻(Cr)為 21%，招(Al)為 2%，錸(Re)O. 5%，鑰(Μο)2· 5%，鈮(Nb)O. 4%，余量為鐵(Fe)。應用了本實施例發(fā)熱電阻材料制備陶瓷加熱元件的方法和實施例I相同，在此不做重復描述。對本實施例制備的陶瓷加熱元件進行加熱效率檢測，加熱元件表面達到300°C所需要的時間為5秒，加熱效率高。實施例3
ー種發(fā)熱電阻材料，由以下質量百分比的組分混合而成
鐵鉻鋁合金85%，納米氧化鋁13%，ニ氧化鈦1%，ニ氧化硅O. 4%,氧化鈣O. 2%、三氧化ニ釔 O. 4%ο其中鐵鉻鋁合金由以下質量百分比的組分混合而成
鉻(Cr)為 16%，鋁(Al)為 5%，錸(Re)2%，鑰(Mo) I. 4%，鈮(Nb) O. 8%，余量為鐵(Fe)。應用了本實施例發(fā)熱電阻材料制備陶瓷加熱元件的方法和實施例I相同，在此不做重復描述。對本實施例制備的陶瓷加熱元件進行加熱效率檢測，加熱元件表面達到300°C所需要的時間為5秒，加熱效率高。
權利要求
1.ー種發(fā)熱電阻材料，其特征在干由以下質量百分比的組分混合制備而成 鐵鉻鋁合金6(Γ85%，納米氧化鋁8 20%，ニ氧化鈦f 4%，ニ氧化硅O. 4 2%，氧化鈣O.2 I. 0%，三氧化ニ釔 O. Γ0. 4%ο
2.根據(jù)權利要求I所述的發(fā)熱電阻材料，其特征在于，所述鐵鉻鋁合金由以下質量百分比的組分混合而成 鉻16 21%，鋁2 5%，錸O. 5 2%，鑰I. 4 2. 5%,鈮O. 4 O. 8%,余量為鐵。
3.一種應用了權利要求I或2所述發(fā)熱電阻材料的陶瓷加熱元件，其特征在于從下到上依次為下陶瓷基體(6)、下絕緣層(4)、發(fā)熱電阻材料制成的加熱電極(3)、上絕緣層(2)、上陶瓷基體(1)，所述加熱電極(3)連接有電極引線(5)。
4.根據(jù)權利要求3所述的陶瓷加熱元件，其特征在于所述下陶瓷基體(6)及上陶瓷基體(I)為2 4mol%氧化釔穩(wěn)定的四方多晶納米氧化鋯陶瓷。
5.根據(jù)權利要求4所述的陶瓷加熱元件，其特征在于所述下陶瓷基體(6)及上陶瓷基體(O的厚度為O. I 2mm。
6.根據(jù)權利要求3所述的陶瓷加熱元件，其特征在于所述下絕緣層(4)及上絕緣層(2)為以氧化鋁為主體的陶瓷材料，各組分及質量百分比為，納米氧化鋁95、8%，ニ氧化鈦O.5 2%，ニ氧化硅O. 4 2%、氧化鈣O. 2 O. 7%，三氧化ニ釔O. I O. 3%。
7.根據(jù)權利要求6所述的陶瓷加熱元件，其特征在于所述下絕緣層(4)及上絕緣層(2)的厚度為1(Γ 20μπι。
8.—種權利要求3所述的陶瓷加熱元件的制備方法，其特征在于制備步驟依次為 (1)分別制備加熱電極(3)、上絕緣層(2)及下絕緣層(4)、上陶瓷基體(I)及下陶瓷基體(6)的材料； (2)各層材料的印刷在下陶瓷基體(6)的生坯上采用絲網(wǎng)印刷工藝依次印刷下絕緣層(4)、加熱電極(3)、上絕緣層(2);其中下絕緣層(4)及上絕緣層(2)的印刷層厚度為15 160μπι;加熱電極(3)印刷層厚度為15 25μπι; 步驟三印刷后的疊合 將步驟ニ所得材料的生坯和上陶瓷基體(I)的生坯，在5(Tl20°C的溫度和l(T60MPa的壓カ條件下進行疊合； 步驟四高溫燒結 將疊合體放入真空脫脂燒結一體爐中進行排膠脫脂和高溫燒結，高溫燒結溫度為1350 1550で，保溫時間為I 3h ； 步驟五電極引線的焊接 采用釬焊エ藝將加熱電極和引線連接上，制備出所需的陶瓷加熱元件。
9.根據(jù)權利要求8所述的陶瓷加熱元件的制備方法，其特征在于 上陶瓷基體(I)和下陶瓷基體(6)的制備方法為采用流延エ藝制備生坯，生坯的厚度為 O. 12 2. 5mm ； 加熱電極絲網(wǎng)印刷漿料的制備方法為將發(fā)熱電阻材料所需原料物質的粉末和含有粘合劑的有機載體混合；所述發(fā)熱電阻材料所需原料物質的粉末和含有粘合劑的有機載體的質量比為O. 6^1. 5:1 ； 上絕緣層(2)和下絕緣層(4)絲網(wǎng)印刷漿料的制備方法為將絕緣層所需原料物質的粉末和含有粘合劑的有機載體混合；所述絕緣層所需原料物質的粉末和含有粘合劑的有機載體的質量比為O. 6 1.5:1。
10.一種權利要求3所述的陶瓷加熱元件作為豆?jié){機加熱部件的應用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種發(fā)熱電阻材料，還涉及使用了該發(fā)熱電阻材料的陶瓷加熱元件及制備方法，還涉及該陶瓷加熱元件的應用。一種發(fā)熱電阻材料，由以下質量百分比的組分混合而成鐵鉻鋁合金60~85%，納米氧化鋁8~20%，二氧化鈦1~4%，二氧化硅0.4~2%，氧化鈣0.2~1.0%，三氧化二釔0.1~0.4%。一種應用了上述發(fā)熱電阻材料的陶瓷加熱元件，從下到上依次為下陶瓷基體、下絕緣層、發(fā)熱電阻材料制成的加熱電極、上絕緣層、上陶瓷基體，所述加熱電極連接有電極引線。本發(fā)明發(fā)熱電阻材料具有發(fā)熱效率高的優(yōu)點，陶瓷加熱元件升溫迅速、功率密度大、加熱均勻、耐腐蝕、使用壽命長，且成本低。
文檔編號H05B3/28GK102693793SQ201210179340
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月4日 優(yōu)先權日2012年6月4日
發(fā)明者胡延超, 陳彬 申請人:惠州市富濟電子材料有限公司