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、地熱膜、電熱杯、電熱爐等，到沸騰臨界熱流密度實驗中使用的加熱壁面，都離不開電加熱器。而評價電加熱器加熱效果與安全性能的一個重要指標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，而且容易造成局部過熱，嚴重可能導致火災等事故的發(fā)生。在沸騰臨界熱流密度實驗中，如果加熱壁面用的加熱器表面溫度分布不均勻，會影響熱流密度的方向，進而對實驗結(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重要指標，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。
[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，都無法達到整個面的均勻加熱。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，這就造成了整個加熱表面無法達到均勻加熱的狀態(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。碳纖維雖然機械強度很高，在日常的使用中可以有效避免斷裂、破損等情況的發(fā)生，但是其成本相對來說非常高昂，并且核心技術(shù)掌握在國外少數(shù)公司手中，不利于降低成本和大規(guī)模普及應(yīng)用。在實驗室領(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到比較理想的絕緣效果，在熱工水力領(lǐng)域的實驗應(yīng)用中，經(jīng)常會發(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熱材料。因為石墨的特殊晶體結(jié)構(gòu)，石墨片橫向的導熱系數(shù)高達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合以滿足更多的設(shè)計功能和需要；特別是柔性石墨片，通過復合加工，可以極大增強其機械強度，可以經(jīng)受彎曲折疊等情況，不僅拓寬了適用范圍，而且在儲存時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簡單，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換代。
[0005]經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻號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，可以將電極、導線牢固的與電熱膜層相固定，絕緣安全性好。但該技術(shù)存在工藝復雜，廣品穩(wěn)定性差，制造成本尚昂等缺點。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)明的制造工藝簡單可靠，產(chǎn)品穩(wěn)定性好，成本低廉，使用壽命長，有望實現(xiàn)對現(xiàn)有電加熱元器件的全面升級換代。
[0007]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(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，實現(xiàn)對外部物體的加熱。
[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)當加熱溫度在100°C以下時，為低溫加熱器，此時絕緣層采用聚碳酸酯薄膜，密封膠采用耐溫150°C左右的絕緣導熱膠；
[0014]2)當加熱溫度在100?400°C之間時，為中溫加熱器，此時絕緣層采用聚酰亞胺薄膜，密封膠采用耐溫450°C左右的絕緣導熱膠；
[0015]3)當加熱溫度在400?1000°C之間時，為高溫加熱器，此時絕緣層采用云母紙，密封膠采用耐溫1000°c以上的絕緣導熱膠；
[0016]4)當加熱溫度在1000?3000°C之間時，為超高溫加熱器，此時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，可以實現(xiàn)寬溫度范圍的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，成本低廉，在日常生活，工業(yè)生產(chǎn)以及實驗室應(yīng)用等各個領(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)