石墨片電加熱元器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種電加熱器件領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種石墨片電加熱元器件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]從日常生活中取暖使用的電加熱毯、地?zé)崮?、電熱杯、電熱爐等，到沸騰臨界熱流密度實(shí)驗(yàn)中使用的加熱壁面，都離不開電加熱器。而評(píng)價(jià)電加熱器加熱效果與安全性能的一個(gè)重要指標(biāo)就是加熱表面溫度分布的均勻程度。如果電加熱毯的表面溫度分布不均勻，不僅影響用戶體驗(yàn)，而且容易造成局部過熱，嚴(yán)重可能導(dǎo)致火災(zāi)等事故的發(fā)生。在沸騰臨界熱流密度實(shí)驗(yàn)中，如果加熱壁面用的加熱器表面溫度分布不均勻，會(huì)影響熱流密度的方向，進(jìn)而對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成一定的影響。雖然表面溫度分布是加熱器使用效果與安全性能的一個(gè)重要指標(biāo)，目前現(xiàn)有的加熱器在這方面仍然或多或少存在一些問題，有待改進(jìn)。
[0003]目前現(xiàn)有加熱器的加熱元件主要有金屬電熱絲，碳纖維電熱絲等。比如日常生活中用到的電熱毯，有些是在內(nèi)部植入電熱絲用來發(fā)熱，有些是利用碳纖維編織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來發(fā)熱。然而不論哪種方式，都無法達(dá)到整個(gè)面的均勻加熱。電熱絲制作成的加熱器只有在電熱絲處發(fā)熱，在電熱絲之間無法發(fā)熱，這就造成了整個(gè)加熱表面無法達(dá)到均勻加熱的狀態(tài)。有碳纖維編織而成的網(wǎng)狀發(fā)熱器雖然在一定程度上減弱了加熱表面的不均勻程度，但是并沒有從根本上解決這一問題。除此之外，電熱毯在日常應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)發(fā)生彎折等情況，而其中的電加熱絲在彎折等情況下非常容易發(fā)生斷裂等情況造成失效。碳纖維雖然機(jī)械強(qiáng)度很高，在日常的使用中可以有效避免斷裂、破損等情況的發(fā)生，但是其成本相對(duì)來說非常高昂，并且核心技術(shù)掌握在國(guó)外少數(shù)公司手中，不利于降低成本和大規(guī)模普及應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域比較常用的加熱器是電加熱棒。但是由于加熱不均勻以及無法達(dá)到比較理想的絕緣效果，在熱工水力領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生加熱棒損壞的情況。另外，高功率的電加熱棒成本也較為高昂。除了上述加熱器之外，還有一些加熱器比如氧化銦錫薄膜，金屬鍍層等。但是這些加熱器一般存在加工難度高，絕緣性差，成本較高等問題。并且，像電阻絲、加熱棒等常規(guī)加熱器，在很多情況下無法較好的貼合被加熱面，造成一定的熱量損失；碳纖維、氧化銦錫以及金屬鍍膜等雖然可以較好的貼合被加熱面，但是存在絕緣效果不好，加工成本高等問題，并不能全面的替代傳統(tǒng)的金屬電加熱產(chǎn)品。
[0004]相比于上述加熱器而言，石墨片是一種全新的導(dǎo)熱材料。因?yàn)槭奶厥饩w結(jié)構(gòu)，石墨片橫向的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)1500W/(m.K)，非常有利于在表面溫度分布出現(xiàn)不均勻的情況下展平溫度分布。在無氧的情況下，石墨片可以經(jīng)受住3000°C以上的高溫，可以制作成加熱溫度范圍很大的加熱器。另外，石墨片表面可以與金屬、塑膠、不干膠等其它材料復(fù)合以滿足更多的設(shè)計(jì)功能和需要；特別是柔性石墨片，通過復(fù)合加工，可以極大增強(qiáng)其機(jī)械強(qiáng)度，可以經(jīng)受彎曲折疊等情況，不僅拓寬了適用范圍，而且在儲(chǔ)存時(shí)可以通過折疊減少空間的占用。另外，相比于碳纖維加熱絲，各種不同規(guī)格和高純度的石墨片加工技術(shù)已經(jīng)非常成熟和普及，加工工藝流程也相對(duì)簡(jiǎn)單，成品穩(wěn)定性高，成本低廉。已經(jīng)具備了全面替代傳統(tǒng)的電熱阻絲作為發(fā)熱元件的條件，并為綠色環(huán)保、性能更高的新型電加熱器的開發(fā)奠定基礎(chǔ)，有望在不久的將來完成電加熱元器件的全面升級(jí)換代。
[0005]經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN1258186公開(公告)日2000.06.28，公開了一種柔性電熱膜發(fā)熱體的制造方法，其方法是先在高分子柔性基體材料表面上涂上金屬電極，再將膠體石墨漿涂覆在基體材料表面及金屬電極上形成電熱膜，爾后再在其上固定一層絕緣保護(hù)層。該技術(shù)所制成的電熱膜發(fā)熱體固著的柔性基體材料上，可彎折，可在一定范圍內(nèi)拉長(zhǎng)，可以將電極、導(dǎo)線牢固的與電熱膜層相固定，絕緣安全性好。但該技術(shù)存在工藝復(fù)雜，廣品穩(wěn)定性差，制造成本尚昂等缺點(diǎn)。石墨楽料的調(diào)配和涂抹的均一性比較難控制，這樣容易造成發(fā)熱不均勻；漿料中的黏合材料容易在長(zhǎng)期使用過程中老化失效，使該產(chǎn)品的功率退化并降低使用壽命；用銀膠作為電極，使得產(chǎn)品的成品高昂，不利于大規(guī)模的推廣；并且該技術(shù)只適用于100度以下的低溫加熱產(chǎn)品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種石墨片電加熱元器件及其制備方法，采用已有的成熟技術(shù)生產(chǎn)出的厚度均一、純度高的石墨片，經(jīng)過涂膠并與絕緣材料復(fù)合，制造出的電加熱元器件可廣泛用于低溫、中溫、高溫以及超高溫(3000度以上)各種電加熱領(lǐng)域。本發(fā)明的制造工藝簡(jiǎn)單可靠，產(chǎn)品穩(wěn)定性好，成本低廉，使用壽命長(zhǎng)，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有電加熱元器件的全面升級(jí)換代。
[0007]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0008]本發(fā)明涉及一種石墨片電加熱元器件，包括:絕緣層、設(shè)置于絕緣層之間的柔性石墨片及其兩端的電極以及設(shè)置于柔性石墨片和所述絕緣層之間的密封膠。
[0009]所述的柔性石墨片作為電加熱元件，具體位于兩層絕緣層之間，并利用耐高溫導(dǎo)熱膠將其密封在其中與氧氣隔絕，利用電加熱使石墨片發(fā)熱，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部物體的加熱。
[0010]所述的電極可采用金屬(銅，鋁，鋼等)，也可采用非金屬電極(如石墨，碳纖維等)，然后與電源導(dǎo)線連接。
[0011]所述的超薄柔性石墨片的厚度為0.01?1mm，具有良好的橫向?qū)嵝阅?500W/(m.K) ο
[0012]所述的絕緣層采用聚碳酸酯薄膜、聚酰亞胺薄膜、云母紙或陶瓷材料等，具體為:
[0013]I)當(dāng)加熱溫度在100°C以下時(shí)，為低溫加熱器，此時(shí)絕緣層采用聚碳酸酯薄膜，密封膠采用耐溫150°C左右的絕緣導(dǎo)熱膠；
[0014]2)當(dāng)加熱溫度在100?400°C之間時(shí)，為中溫加熱器，此時(shí)絕緣層采用聚酰亞胺薄膜，密封膠采用耐溫450°C左右的絕緣導(dǎo)熱膠；
[0015]3)當(dāng)加熱溫度在400?1000°C之間時(shí)，為高溫加熱器，此時(shí)絕緣層采用云母紙，密封膠采用耐溫1000°c以上的絕緣導(dǎo)熱膠；
[0016]4)當(dāng)加熱溫度在1000?3000°C之間時(shí)，為超高溫加熱器，此時(shí)絕緣層采用陶瓷材料。
技術(shù)效果
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用超薄柔性石墨片作為電加熱元器件，其橫向?qū)嵯禂?shù)高，加熱管表面的溫度均勻性好，實(shí)現(xiàn)較高的安全性。且石墨片耐高溫，加熱過程中能夠保持良好的穩(wěn)定性。另外通過更換密封膠以及絕緣層材料，可以實(shí)現(xiàn)寬溫度范圍的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，成本低廉，在日常生活，工業(yè)生產(chǎn)以及實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用等各個(gè)領(lǐng)域，都能起大很大的作用。有望在不久的將來能全面開發(fā)