高效远红外陶瓷及其电热膜元件的研究开发

蔡晓峰

摘 要：本文研究了一种热稳定性突出的致密远红外陶瓷材料，探讨了远红外陶瓷的密度、热稳定性、抗折强度、远红外辐射率等技术指标的影响因素，并探索采用喷涂工艺在远红外陶瓷片上制备电热膜，优化膜制备工艺参数，得到了满足使用要求的远红外陶瓷电热膜元件。

关键词：远红外陶瓷；电热膜元件；热稳定性

1 引言

随着科技的发展，红外技术得到了广泛地应用。目前，远红外陶瓷材料作为红外技术中的一类重要材料，已大量应用于工农业加热与干燥、食品加工、医疗保健、纺织产品、日用电器、化工生产、国防产品、环境保护等领域。在现有的远红外陶瓷材料中，大部分是以远红外陶瓷粉体的形式加以应用，如常温远红外陶瓷粉体应用于纺织品，中高温远红外陶瓷粉体以涂覆的方式应用于窑炉的节能和金属远红外辐射板等，这些应用对远红外陶瓷材料的热稳定性要求不高。对于远红外理疗、远红外加热取暖等主动发热辐射远红外线的远红外陶瓷而言，因为要频繁地急冷急热，远红外陶瓷的热稳定性就显得非常重要。目前，大部分使用的主动发热远红外辐射陶瓷是以堇青石、莫来石陶瓷为基的远红外陶瓷，虽然可以满足部分应用场合，但是它还存在远红外辐射波段和辐射效率不理想、热稳定性不高的问题。本文对具有良好热稳定性的新型稀土高效远红外陶瓷及其电热膜元件进行了初步研究与开发。

2 实验内容

2.1 主要原材料

本实验采用的主要原材料有：水洗高岭土、熔融石英、钾长石、冰晶石、滑石、锂辉石、玻璃粉、氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化锆、氧化钛、氧化铈、氧化钕、氧化铕、导电陶瓷浆料、银浆、坯体增强剂等。

2.2 远红外陶瓷的制备

远红外陶瓷的主要制备流程：配料→球磨→造粒→压制成型 →烧成→磨片→检测→远红外陶瓷片样品。

2.3 电热膜元件的制备

电热膜元件的主要制备流程：配制电热膜浆料→喷涂在远红外陶瓷片上→高温热处理→印制电极→检测电性能→远红外陶瓷电热膜元件样品。

2.4 实验设备及技术指标

本实验所用的实验设备如下：JJ1000电子天平、PHN0.5CE砂磨机（如图1）、OPD-8T喷雾干燥机（如图2）、SJJ-17快速升温箱式高温电炉、压缩空气喷枪、LS900激光粒度分析仪、CC1201电参数测试仪（如图3）、VC890C万用电表、HYK-10000A型数显式抗折强度测试仪等，远红外辐射率送至中国科学院上海硅酸盐研究所采用分光法检测。

本文所开发的远红外陶瓷材料及其陶瓷电热膜元件的技术指标如下：远红外陶瓷的吸水率≤ 0.5% ，抗折强度≥30 MPa，热稳定性：1000 ℃→25 ℃水冷3次不裂，远红外陶瓷在3750 V/1min 0.5 mA的条件下无击穿闪络现象，陶瓷的远红外辐射率≥0.85。陶瓷电热膜元件的使用温度：80～350 ℃，使用寿命：300 ℃控温干烧≥10000 h，膜功率密度≥2.0 W/cm2。

3 结果分析及讨论

3.1 粉体细度对陶瓷密度的影响

本实验采用砂磨机对坯料进行粉碎加工，通过控制粉碎加工的时间来控制坯料的细度。在配方和制备工艺不变时，陶瓷坯料的粉体细度对其烧结活性影响很大。表1为1280 ℃烧成条件下粉体细度与远红外陶瓷密度的关系。陶瓷密度依据阿基米德原理，采用静力称重法测定。

由表1可知，坯料的粉体越细，陶瓷的烧成密度越高，当粉体细度小于60 μm时，远红外陶瓷的烧成密度变化不大，此时陶瓷材料的吸水率达到0.5%以下，瓷体致密，断面光滑，烧结良好。对于该体系的远红外陶瓷生产来说，坯料粉体加工细度达到250目即可，过度地粉碎加工不仅会增加生产成本，对产品质量控制亦不利。图4为远红外陶瓷坯料粉体粒度分布图。

3.2 烧结助剂对陶瓷热稳定性的影响

烧结助剂的作用是加快烧成反应，降低陶瓷的烧成温度，拓宽烧成温度范围。在本实验中，微晶玻璃粉是一种主要的助烧剂，是预先配料熔制加工的，虽然它的热膨胀系数比一般玻璃小，但与主晶相相比，仍然较大。表2是烧结助剂的加入量与陶瓷热稳定性的关系，热稳定性采用陶瓷样品从1000 ℃放入25 ℃冷水中不开裂的循环次数来评价。

由表2可知，在1280 ℃烧成条件下，微晶玻璃粉的加入对陶瓷热稳定性有明显地影响。加入量在2%以下时，对热稳定性无影响，助烧作用也不明显；加入量大于8%时，严重破坏陶瓷的热稳定性。所以，玻璃粉的加入量以5%左右为宜。

3.3 烧成温度对陶瓷抗折强度的影响

陶瓷的抗折强度是作为电热元件的远红外陶瓷的一个重要技术指标。在陶瓷组成和其它工艺参数不变的情况下，烧成温度对陶瓷抗折强度的影响最大。表3是保温120 min时，不同烧成温度所得陶瓷的抗折强度。抗折强度的测试跨距为80 mm，加载速度为0.5 mm/min。

由表3可知，陶瓷在1300 ℃烧成时，获得了最高的抗折强度，1350 ℃时为过烧，抗折强度下降。进一步实验表明，在1280～1330 ℃范围内烧成时，远红外陶瓷的抗折强度均大于35 MPa，基本满足使用要求。

3.4 外加剂对陶瓷远红外辐射率的影响

普通陶瓷材料本身就具有良好的远红外辐射能力，但是还不能满足特定使用的远红外辐射能力的要求，需要加以改性。本研究重点提高对人体健康有益的辐射波长范围为2.5～25 μm的陶瓷远红外辐射能力。

为提高陶瓷的远红外辐射率，在陶瓷组成中加入氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化锆、氧化钛、氧化铈、氧化钕、氧化铕等，先将它们预先按一定配比混合均匀，磨细后过325目筛，再按一定比例加入陶瓷坯料中，表4是不同外加剂加入量对陶瓷远红外辐射率的影响，检测辐射波长范围为2.5～25 μm。

从表4可以看出，外加剂的加入可有效提高陶瓷的远红外辐射率，加入量为3%～5%时，远红外辐射率的提高比较明显；加入量大于5%时，不仅远红外辐射率的增幅较小，而且会影响陶瓷的烧结，所以外加剂不宜加入过多。其中，锰、铁、钴元素对10 μm以下波段的红外线辐射影响较大，而稀土元素对10 μm以上波段的红外线辐射影响较大。图5和图6分别为外加剂改性前和添加9wt%外加剂后远红外陶瓷在2.5～25 μm波长内的红外线反射比分布图。

3.5 喷涂次数（膜厚度）对电热膜功率的影响

根据电功率计算公式： W = V2 /R ，在一定电压条件下，电热膜功率的大小受其电阻值控制，电阻越大，功率越小，反之，电阻越小，功率越大。一般来说，电热膜越厚，其电阻越小，功率越大，但是，膜厚到一定程度，会影响膜在基体的附着强度和热稳定性。对喷涂镀膜工艺来说，在浆料浓度不变的条件下，镀膜厚度与喷涂时间和喷涂次数有很大关系，因此，有必要研究喷涂次数对电热膜功率的影响。表5是在浆料浓度和喷涂时间一定的条件下，在70 mm× 100 mm规格的远红外陶瓷板上喷涂次数与电热元件功率的关系。

实验表明，采用喷涂法能够很好地将电热膜附着在远红外陶瓷的表面上，一次喷涂就可达到4.5 W/cm2的功率密度。从表5可以看出，随着喷涂次数的增加，远红外陶瓷电热膜元件的功率密度快速增高。一般喷涂1～2次即可满足使用要求。

3.6 热处理温度对电热膜稳定性的影响

电热膜在使用过程中，其电功率会随着使用时间而逐渐衰减，功率变化速率是电热膜稳定性的重要指标。影响电热膜稳定性的因素有很多，如基板的种类、基板的表面状况、电热膜的组成和电热膜的加工工艺等。在喷涂工艺中，电热膜的热处理温度和时间是一个重要的工艺条件，它会影响到膜电性能、膜硬度、膜附着强度等，最终都会以电热膜的功率衰减形式表现出来。表6是处理时间为

15 min时，电热膜处理温度对电热膜功率衰减率的影响。

由于在电热膜功率衰减过程中，最初24 h的衰减最明显，而后续的衰减相对较慢，因此，表6中的衰减率是取电热膜最初24 h的衰减率。

从表6可以看出，对远红外陶瓷电热膜而言，最合适的热处理温度是750 ℃左右，过低或过高都会导致电热膜稳定性下降。图7为用于红外理疗的片状陶瓷电热膜元件和用于暖风机的蜂窝状陶瓷电热膜元件样品。

4 结论

（1） 通过在基础坯料中加入5wt%的微晶玻璃粉，6wt%的红外改性外加剂，将坯料的细度控制在250目左右，压制成型后经1280 ℃保温2 h烧成，可得到性能优良的远红外陶瓷，在其表面喷涂电热膜浆料并经750 ℃热处理后，得到满足使用要求的远红外陶瓷电热膜元件；

（2） 远红外陶瓷电热膜元件具有功率密度高、加热快、电热转换效率高、无电磁辐射、使用寿命长等特点，元件外形多样，如板状、片状、管状、蜂窝状等，可广泛应用于暖风机、电暖器、热水器、电烤炉、食品烘烤、工农产品干燥加工、理疗保健等领域，取代传统的电热元件，具有明显的节能效果。

参考文献

[1] 任卫.红外陶瓷[M].武汉：武汉工业大学出版社，1999，3.

[2] 杨华明，邱冠周.石英质红外材料的研制[J].材料科学与工艺，1998，9.

[3] 刘维良，陈云霞.纳米远红外陶瓷粉体的制备工艺与性能[J].中国陶瓷，2002，2.

[4] 李冬绮.远红外陶瓷及其制造方法[P].中国：CN053784A，1991.

[5] 周建初，屠平亮，陈建康.红外辐射陶瓷涂料[P].中国：ZL2107317.8，1999.