在消費電子領域,有各種各樣功能實現需要用到加熱部件,如火遍大江南北的馬桶發熱器、便攜自熱水杯、電熱蒸煮飯盒、電熔槍、美發器、電子煙等等,不僅品種繁多,而且市場增長速度相當迅猛。
要讓這些產品自發“熱起來”,就少不了發熱體的支持。而先進陶瓷因具有高導熱、耐高溫、耐腐蝕、高絕緣、抗氧化等特性,是常見的發熱體選擇之一。
目前陶瓷發熱體主要分為兩類,MCH陶瓷發熱體及PTC半導體陶瓷。相比PTC陶瓷發熱體,具有相同加熱效果情況下MCH陶瓷發熱體能節約20~30%電能,發熱效率高(可高達98.6%)更加節省能源,且長時間使用無功率衰減,因此是更為主流的選擇。
注:MCH是Metal Ceramics Heater的縮寫,即金屬陶瓷發熱體,它是利用高溫共燒多層陶瓷技術將發熱電阻漿料(鎢,鉬,錳,銀,鈀等高熔點金屬)按照發熱電路設計要求印刷于流延成型生坯(、陶瓷或氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷等)上,然后多層疊合,發熱線路內置于陶瓷材料內,在約1650℃燒結使其一體化,陶瓷體起到保護和絕緣的作用,發熱體無明火,耐腐蝕、耐高溫、壽命長、高效節能、穩定均勻、熱補償快,產品不含鉛、汞、六價鉻等有害物質,可完全符合歐盟環保要求。(圖片來源:東莞市國研電熱材料有限公司)
那么在現代材料科學與技術的迅速發展的今天,一個優秀耐用的陶瓷發熱體應該具有什么特性呢?就此問題小編咨詢了專注于金屬陶瓷發熱體研發、生產、銷售的高新技術企業——東莞市國研電熱材料有限公司,接下來就一起看看專業廠商的看法吧。
一、發熱均勻性佳
這一點很好理解,比如說卷發器,如果發熱體的發熱均勻性不佳,就會導致頭發出現卷度不一的情況。為達到相關要求,要點有:1)充當絕緣層和基體的陶瓷的制備;2)發熱線路的布局。
美發器用陶瓷發熱體(來源:東莞國研)
首先是陶瓷方面,承載發熱電路的陶瓷基體是通過流延成型制備的,純度、厚度的控制主要就是在這一步中完成,因此對流延工藝的掌握程度就很重要,隨后再根據實際需要定制形狀和尺寸。至于晶粒大小,則主要受工藝條件的影響:如原料的粒度分布、配方化學組成的控制、燒結制度(包括氣氛、壓力、最高溫度、保溫時間及冷卻方式等)。
發熱電路方面,這一步的操作是在制備出陶瓷流延坯體后,將制備好的高溫金屬厚膜漿料布線印刷在坯體的一面上,此時線路的設計布局至關重要。同時東莞國研還強調,除了這點外,漿料的用料也要均勻。
參考文獻中發熱體的印刷線路設計及印刷后樣品照片
二、升溫迅速
以氧化鋁材質為主的陶瓷發熱體使用的是目前流行的電阻加熱原理設計,即當電流通過發熱絲線路時,發熱絲線路會發熱,而且氧化鋁陶瓷等具有金屬正溫度特性,產品阻值會隨著溫度上升而增大,從而降低產品的實際使用功率,同時不會影響加熱效果。
為了使升溫速度更快,理論上陶瓷基板的導熱、正溫度系數與功率密度原則上越高越好,但這也需要建立在產品溫控精確,可確保最終溫度符合使用要求的前提下。東莞國研解釋,發熱陶瓷件的溫度是通過控制電阻或電壓來控制的,其阻值功率可根據客戶需求定制個性化生產的,而升溫速度快的主要訣竅則是國研自行研發的金屬漿料,可滿足客戶不同需求。
使用了鉑漿料的氧化鋯陶瓷發熱針Keycore Ⅱ圖(來源:東莞國研)
三、發熱效率高
出于節能考量,陶瓷發熱體的發熱效率越高,能省下的電量就越多。東莞國研介紹,陶瓷材料本身就是節能環保的代表,在功率相同的情況下,體積往往只有金屬管、玻璃管等電熱元件的1/8 ~ 1/3;發熱體功率也比其它發熱體功率高出許多——目前市面上的MCH發熱體的熱效率普遍都很高(基本在98%以上),節能(單位熱耗電量比PTC節省20~30%),且長時間使用無功率衰減。
四、耐高壓
東莞國研介紹,要讓陶瓷發熱體耐高壓,那么陶瓷基板的絕緣阻抗越高越好,這樣表面才能安全不帶電,比如說國研的發熱體產品經測試能耐受2500V、5mA。
五、使用壽命長
若陶瓷發熱件的使用壽命足夠長且長時間使用無功率衰減,就意味著可實現免維護,因此可以降低使用和維護成本。由于陶瓷本身材質大多能耐酸堿及其他腐蝕性物質,適應高腐蝕等惡劣環境的應用,因此這方面與金屬相比有先天優勢。因此關注重點主要在:陶瓷基板的強度與散熱越高越好,熱震(熱膨脹系數)越低越好。
除此之外,陶瓷發熱件的抗熱震性能取決于材料內部熱應力,幾何形狀和環境介質等因素的影響,因此除了與陶瓷本身性能有關外,還與電阻漿料與陶瓷的結合能力、發熱線路發熱均勻性、網版印刷過程及燒結過程的殘余應力及其分布、安裝使用受力等條件有關,如印刷線路設計應使得發熱時的溫度梯度盡可能小,不容易形成熱應力集中效應,否則加熱片容易炸裂等。
到底怎樣的數據才算抗熱震性能好呢?東莞國研介紹道他們曾模擬客戶使用情景做過耐久性測試,當產品額定電壓下測試60S通/30S斷,可循環10000 次,然后放置在25℃下2小時以上,就可說明產品抗熱震性好。
六、搭配合適的導電金屬
這里主要指發熱電路用的導電金屬材質的選擇。據東莞國研介紹,一般使用在此的搭配導電金屬有鎢漿、鉑漿、銀漿以及有機物金屬等,可依使用溫度選擇合適的材質進行調配。在國研已量產的產品中,氧化鋯陶瓷發熱針就是使用鉑金漿料,此漿料可使TCR值和控溫方面更精準,發熱更均勻,讓熱導率遠不如氧化鋁的氧化鋯在印刷上發熱電路后,各方面性能都優于上一代的氧化鋁陶瓷發熱針。
國研兩代發熱針產品性能對比
結語
小小的陶瓷加熱件,既符合環保要求、不含鉛、鎘、汞、多溴聯苯等有害物質,又有耐腐蝕耐高溫、壽命長、高效節能等諸多優點,為我們的生活持續帶來溫暖。
資料來源:
朱峰. 金屬陶瓷發熱體的制備和電阻溫度系數的調控[D]. 湖北:武漢理工大學,2019.
賈淞,湯紅妍,董亮輝,等. MCH陶瓷傳導式高效加熱技術[C]. //第十六屆全國干燥會議 論文集. 2017:177-183.
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