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      碳發(fā)熱體及其制造方法

      文檔序號:8136191閱讀:285來源:國知局
      專利名稱:碳發(fā)熱體及其制造方法
      技術領域
      本發(fā)明涉及一種碳發(fā)熱體,其是由在不使用合成樹脂溶液的情況下,物理地編織 復數條碳纖維絲而獲得的窄碳體制造而成的。更具體地講,本發(fā)明涉及一種碳發(fā)熱體及其 制造方法,其在不進行額外加工的情況下,直接對窄碳體進行熱處理,使其阻抗特性及發(fā)熱 分布達到非常均勻,且不僅沒有使用本身就成為不純物的原因的合成樹脂溶液,而且實施 了以除去殘留不純物為目的的第三次高溫熱處理,從而使得不純物幾乎不存在且使用壽命 也大幅度地延長。
      背景技術
      在美國專利授予公告第6464918號,日本專利申請公開第2000-272913號,俄羅斯 專利授予公告第2149215號,日本專利申請公開第2000-123960號,日本專利申請公開第 2002-63870號,美國專利授予公告第6534904中公開了通過將碳纖維用作發(fā)熱體而構成的 碳絲(碳纖維絲)加熱器。但是,上述記載的現有專利主要是有關于理論上的技術,而在制 造產品化的碳纖維加熱器方面因為存在著實用上的問題,所以實際上還不足以達到工業(yè)產 品化的階段。進一步,在韓國專利授予公告第10-0793973號中公開了一種螺旋形碳纖維發(fā)熱 體的制造方法,其特征在于,事先用苯酚-甲醛溶液等類似的合成樹脂溶液涂覆碳纖維然 后進行熱處理?,F結合圖1詳細說明上述碳纖維發(fā)熱體的制造方法(a)按一定幅度平行排列若干個碳纖維絲(al),然后使其纏繞在主軸上成為有一 定螺距的螺旋形,從而形成螺旋形碳材料(a2);(b)在上述螺旋形碳材料兩端分別安裝通電用夾具;(c)用苯酚-甲醛(Phenol-Formaldehyde)等合成樹脂溶液涂覆上述螺旋形碳材 料的碳絲表面;(d)在上述螺旋形碳材料的兩端接點上通電之后,在使得合成樹脂溶液揮發(fā)的溫 度及壓力下進行碳材料的第一次熱處理,形成螺旋狀形態(tài)物;(e)冷卻之后,除去主軸以分離螺旋狀形態(tài)物;(f)在氣態(tài)碳化氫的環(huán)境下,把螺旋狀形態(tài)物進行第二次熱處理得到螺旋形碳纖 維發(fā)熱體,該螺旋形碳纖維發(fā)熱體將安裝在紫外線發(fā)生器中并發(fā)熱。但是,在上述描述的碳纖維發(fā)熱體的制作方法中,為了始終保持平行排列的若干 條(例如4條)碳絲之間的幅度,必須使用合成樹脂溶液涂覆步驟。上述合成樹脂溶液的 涂覆步驟包括在步驟(C)中。涂覆的合成樹脂溶液經過后續(xù)的步驟(d)和(e)使碳纖維絲 粘住,從而形成碳纖維發(fā)熱體;在此同時,多余的合成樹脂溶液轉化成了碳渣形態(tài)從而殘留 下來。如上所述如果碳纖維發(fā)熱體中殘留有碳渣的話,并且將上述碳纖維發(fā)熱體用于制造 碳加熱紫外線發(fā)生器的話,就存在如圖2所示的問題碳渣會流動在上述紫外線發(fā)生器的 內部并最終成為導致紫外線發(fā)生器發(fā)生故障的原因。
      而且,即使用合成樹脂溶液涂覆若干條碳絲,使各個碳絲相互平行地接觸,但由于 上述涂覆的合成樹脂的涂層厚度不均勻或者沖擊等原因,就會如圖3所示,在各個碳纖維 絲之間產生縫隙,導致碳纖維發(fā)熱體的阻抗特性不均勻。這將導致碳纖維發(fā)熱體的各個部 位的電流量過多過少,產生發(fā)熱分布的差異,最終成為碳纖維發(fā)熱體的耐久性及品質下降 的因素。與此同時,為了減少各個碳纖維絲之間產生的縫隙,如圖2所示,必須在把螺旋形 碳材料兩端的碳絲搓成扭曲的情況下安裝通電用夾具,以構成碳纖維發(fā)熱體。但這種方式 制成的碳纖維發(fā)熱體,由于兩端的碳絲扭曲,如圖4所示,在碳絲扭曲的部位Tl的單位面積 發(fā)熱量增加,而在碳絲沒有扭曲的部位T2的單位面積發(fā)熱量相對減少,導致碳纖維發(fā)熱體 的發(fā)熱分布發(fā)生差異,這本身就成為了碳纖維發(fā)熱體的耐久性及品質下降的主要因素。特 別是碳絲扭曲部位Tl的單位面積發(fā)熱量增加的話,就導致支撐通電用夾具表面的鎳板過 熱使得鎳蒸發(fā),從而在紫外線發(fā)生器管體內部表面形成鎳環(huán)。上述鎳環(huán)的厚度增加的話,就 會成為管體裂開的主要因素,從而影響產品的外觀,并縮短使用壽命。另外,涂覆在螺旋形碳材料上的合成樹脂中含有的苯酚_甲醛經過熱分解釋放出 大氣污染物。特別是合成樹脂溶液中含有大量的非結晶碳物質(Armophous Carbon),這種 物質在氣態(tài)碳化氫環(huán)境下即使900攝氏度以下也能升華。所以非結晶碳物質及以鎳為主要 成分的金屬成分會從通過使用合成樹脂溶液而形成的碳纖維發(fā)熱器中升華出來,并在紫外 線管體內部表面形成碳化現象及黑化現象(鎳蒸發(fā)環(huán)),導致對碳纖維發(fā)熱體的壽命有致 命的影響的缺陷。特別地,根據韓國專利授予公告第10-0793973號,為了相鄰排列并黏結單位碳纖 維絲,必須涂覆合成樹脂溶液。形成螺旋狀形態(tài)物后,對該螺旋狀形態(tài)物進行第一次和第二 次熱處理,從而制得表面殘留有不純物的碳纖維發(fā)熱體。因此,如果為了除去碳纖維發(fā)熱體 表面所殘留的不純物而進一步實施高溫熱處理的話,將導致通過包裹合成樹脂而被固定的 碳纖維絲發(fā)生分裂或者干脆斷裂的現象,因此存在使得除去不純物的高溫熱處理的作業(yè)根 本沒法實施的根本性缺陷。

      發(fā)明內容
      技術目的因此本發(fā)明的目的是提供一種碳發(fā)熱體及其制造方法,其對于在不使用合成樹脂 溶液的情況下通過物理地編織復數條碳纖維絲而獲得的窄碳體,在不進行額外加工的情況 下直接進行熱處理,使其阻抗特性及發(fā)熱分布達到非常均勻。其不僅在窄碳體的形成過程 沒有使用本身就成為不純物的原因的合成樹脂溶液,還實施了以除去殘留不純物為目的的 第三次高溫熱處理,從而使得不純物幾乎不存在且使用壽命也大幅度地延長。技術手段為了實現本發(fā)明的上述目的,本發(fā)明提供了一種制造碳發(fā)熱體的方法,所述方法 包括以下步驟將碳纖維絲浸漬在潤滑劑中以形成被潤滑劑所浸潤的碳纖維絲,上述潤滑 劑選自水、界面活性劑及硅乳劑中的至少一個;將3 24條的上述被潤滑劑所浸潤的碳纖 維絲沿著同一方向排列,并編織以形成窄碳體;將上述窄碳體纏繞在內熱主軸的表面形成 碳成形體;在上述碳成形體的兩端分別安裝通電用夾具;在上述通電用夾具中通電,并在氣態(tài)碳化氫的環(huán)境下對上述碳成形體進行第一次熱處理,得到熱處理碳成形體;從內熱主 軸分離上述熱處理碳成形體;在上述分離的熱處理碳成形體的通電用夾具中通電,并在氣 態(tài)碳化氫的環(huán)境下,在1300 2500攝氏度進行第二次熱處理,得到表面沉積有納米結晶結 構的碳層薄膜的碳薄膜發(fā)熱體;在惰性氣體或者減壓的環(huán)境下,在2500 3500攝氏度對上 述碳薄膜發(fā)熱體進行第三次熱處理,使不純物蒸發(fā)并使殘留的非結晶碳石墨化。進一步,本發(fā)明還提供了一種制造碳發(fā)熱體的方法,所述方法包括以下步驟把 3 24條的聚丙烯腈原絲或者粘膠原絲沿著同一方向排列并編織成網狀的窄織物,上述窄 織物在惰性氣體下,沿著長度方向延伸并經過1500 2500攝氏度的碳化處理得到窄碳體; 將上述窄碳體纏繞在內熱主軸的表面形成碳成形體;在上述碳成形體的兩端分別安裝通電 用夾具;在上述通電用夾具中通電,并在氣態(tài)碳化氫的環(huán)境下對上述碳成形體進行第一次 熱處理,得到熱處理碳成形體;從內熱主軸分離上述熱處理碳成形體;在上述分離的熱處 理碳成形體的通電用夾具中通電,并在氣態(tài)碳化氫的環(huán)境下,在1300 2500攝氏度進行第 二次熱處理,得到表面沉積有納米結晶結構的碳層薄膜的碳薄膜發(fā)熱體;在惰性氣體或者 減壓的環(huán)境下,在2500 3500攝氏度對上述碳薄膜發(fā)熱體進行第三次熱處理,使不純物蒸 發(fā)并使殘留的非結晶碳石墨化。有利效果因為是在沒有使用合成樹脂溶液的情況下,將復數條碳纖維絲物理地編織成窄碳 體,并且在不經過額外加工的情況下直接安裝通電用夾具,然后進行第一次、第二次及第三 次熱處理,從而根據本發(fā)明制造而得的碳發(fā)熱體的阻抗特性及發(fā)熱分布非常均勻,因此其 耐久性及品質也大大提高。而且,由于不僅沒有使用本身就成為不純物的原因的合成樹脂溶液,而且可以進 行以清除不純物為目的的第三次高溫熱處理,因此可以取得不純物的含量極低而且使用壽 命大幅度延長的技術效果。另外,因為不需要以黏結碳纖維絲為目的而進行的合成樹脂溶液的涂覆過程及干 燥時間,因此可以取得不僅大幅度地提高生產效率,而且可以防止因合成樹脂溶液不均勻 而導致的發(fā)熱分布不均勻等的效果。


      圖1是現有技術中的制造碳發(fā)熱體的流程圖;圖2是使用現有技術中的碳發(fā)熱體的碳加熱器的實施例的照片;圖3是現有技術中的碳發(fā)熱體中使用的碳纖維絲的不良狀態(tài)圖;圖4是使用現有技術中的碳發(fā)熱體的碳加熱器中通電時的狀態(tài)圖;圖5是根據本發(fā)明的一種具體實施方式
      的織造窄碳體及織造窄織物的窄織機的 示意圖;圖6是根據本發(fā)明的一種具體實施方式
      的窄碳體的示意圖;圖7是根據本發(fā)明的一種具體實施方式
      的碳發(fā)熱體的制造流程圖;圖8是根據本發(fā)明的一種具體實施方式
      的碳成形體的橫截面圖;圖9是根據本發(fā)明的另一種具體實施方式
      的碳成形體的橫截面圖;圖10是使用本發(fā)明的碳發(fā)熱體的碳加熱器中通電時的狀態(tài)的照片;
      6
      圖11是現有技術中的碳加熱器和本發(fā)明的碳加熱器的比較照片。
      具體實施例方式本發(fā)明的技術構想是對于在不使用合成樹脂溶液的情況下通過物理地編織復數 條碳纖維絲而獲得的窄碳體,在不進行額外加工的情況下直接安裝通電用夾具,進行第一 次、第二次熱處理,此外為了清除殘留的不純物還進行第三次高溫熱處理。為此,在本發(fā)明中,把復數條碳纖維絲沿著同一方向排列并編織,從而形成窄碳 體,或者將原絲(作為原料的絲或纖維)沿著同一方向排列并編織得到的窄織物經過碳化 處理得到窄碳體,然后利用上述窄碳體制造碳發(fā)熱體。參照附圖以及具體實施方式
      來詳細說明碳發(fā)熱體的制造方法。圖5是根據本發(fā)明的一種具體實施方式
      的織造窄碳體及織造窄織物的窄織機的 概要示意圖。圖6是根據本發(fā)明的一種具體實施方式
      的窄碳體的概要示意圖。圖7是根據 本發(fā)明的一種具體實施方式
      的制造碳發(fā)熱體的概要流程圖。圖8是根據本發(fā)明的一種具體 實施方式的碳成形體的橫截面圖。圖9是根據本發(fā)明的另一種具體實施方式
      的碳成形體的 橫截面圖。圖10是使用本發(fā)明的碳發(fā)熱體的碳加熱器中通電時的狀態(tài)的照片。圖11是現 有技術中的碳加熱器和本發(fā)明的碳加熱器的比較圖。參照圖5至圖11,首先本發(fā)明的碳發(fā)熱體的制造方法可以由以下步驟構成在潤 滑劑中浸漬碳纖維絲以形成被潤滑劑浸潤的碳纖維絲,其中所述潤滑劑選自水、界面活性 劑及硅乳劑中的至少一個;然后將上述被潤滑劑浸潤的3 24條碳纖維絲排列成同一方向 并編織,以形成窄碳體。在一般的織造機將碳纖維絲排列成經絲和緯絲并進行織造,則可以形成寬幅的碳 纖維,然后把它切成窄幅之后得到窄碳體。編織角度超過120度的時候,作為緯絲的碳纖維 容易發(fā)生斷裂,因此技術上極其困難,缺乏實用性。再加上切割的時候碳纖維切面上會出現 起毛等變形,而且變形部位的阻抗特性及發(fā)熱分布非常不均勻。因此用這種方法制造、切割 成的窄碳體不能在制造碳發(fā)熱體中使用。因此,在窄織機上將相對少量(例如4條)的碳 纖維絲排列成經絲,然后交織以窄幅地形成窄碳體,再將其直接用于制造碳發(fā)熱體。本發(fā)明的碳發(fā)熱體是由窄碳體(窄幅織造的碳體)作為材料來構成的,而窄碳體 則是通過物理地窄幅織造碳纖維絲來形成的。用于制造窄碳體的碳纖維絲根據原料分三 種PAN類碳纖維絲,樹脂(pitch)類碳纖維絲以及粘膠(viscose)類碳纖維絲。雖然這三 種類型的碳纖維絲都能制造碳發(fā)熱體材料的窄碳體,但PAN類碳纖維絲和樹膠類碳纖維絲 的斷面是直角形,因此使復數條PAN類碳纖維絲或者樹膠類碳纖維絲沿著同一方向排列、 編織并制造窄碳體的工程實際上相當困難。為了便于進行窄幅織造,在本發(fā)明中優(yōu)選使用 斷面為圓形的粘膠類碳纖維絲來制造窄碳體。但是,如果把彎曲強度小的碳纖維絲直接沿著同一方向排列、編織,碳纖維絲就會 在一定角度上不容易編織,誘發(fā)碳纖維絲的斷裂,而且會發(fā)生編織中的碳纖維絲起毛的可 能性。因此,在本發(fā)明中,為了使碳纖維絲更易在一定角度上編織,把纏繞在筒管上的碳 纖維絲浸漬在水、界面活性劑及硅乳劑中至少一個以上物質組成的潤滑劑當中,浸漬20 60分鐘之后,就可形成彎曲強度增強的潤滑劑浸潤后的碳纖維絲。增強碳纖維絲的彎曲強度的潤滑劑可以是單獨的水、界面活性劑或硅乳劑,或者由其中的兩種以上混合組成。在這種潤滑劑中浸漬過的碳纖維絲的彎曲強度高,容易編織,而且不容易發(fā)生起 毛。為了增強碳纖維絲的彎曲強度而浸漬在潤滑劑中的時間如果小于20分鐘,碳纖維絲的 彎曲強度增加不足,導致編織碳纖維絲還是很困難。如果浸漬的時間超過60分鐘,碳纖維 絲的彎曲強度也不會進一步增強。如上所示,使?jié)櫥瑒┙櫟膹澢鷱姸仍鰪姷奶祭w維絲沿著同一方向排列,編織并 制造窄碳體。本發(fā)明沒有把碳纖維絲在織造機上同時排列成經絲和緯絲,而是在窄織機上把 3 24條碳纖維絲僅排列成經絲,然后編織經絲,使其按相互之間成Z字形的方式交叉,如 圖6所示,3 24條碳纖維絲沿著同一方向排列,形成網狀的窄碳體。為了得到網狀窄碳 體,排列成經絲的碳纖維絲的個數如果小于3,碳纖維絲就不會相互交織以形成網狀的窄織 物(窄幅織物),而是扭曲并形成可燃絲。如果排列成經絲的碳纖維絲的個數大于24,碳纖 維絲的編織角度就會過大,不僅導致可加工性下降,而且窄碳體的寬度過大導致阻抗值過 于下降。如圖5所示,將3 24條碳纖維絲240a、240b排列成經絲并編織以制造碳 纖維窄織物的窄織機200由以下部分組成工作臺210,在工作臺上轉動的復數個錠子 (carrier) 230a,230b以及卷取輥(roller) 260、270。從錠子中交織而成的碳纖維窄織物 100將纏繞在卷取輥260、270上。此處,復數個錠子230a、230b沿著工作臺210上的⑴字移動軌跡轉動。在錠子轉 動時,纏繞在錠子230a、230b上的各碳纖維絲240a、240b隨著錠子230a、230b的軌跡在導 紗器(yarn guide,圖上未標)中相互編織形成碳纖維窄織物100,然后上述碳纖維窄織物 100纏繞在卷取輥260上。當錠子230a、230b沿著移動軌跡移動的時候,為了編織各碳纖維 絲240a、240b,朝著導紗器移動的碳纖維絲240a、240b的編織角度被調整為最大不超過60 度。如果碳纖維絲240a、240b的自導紗器的編織角度超過60度,碳纖維絲240a、240b有可 能斷裂。也就是說,把復數條碳纖維絲,最好是斷面為圓形的粘膠類碳纖維絲設置在窄織 機上,并排列成經絲,然后上述被排列成經絲的碳纖維絲之間按照Z字形交叉編織形成窄 碳體。而且,既可以把直徑相同的復數條碳纖維絲排列成經絲且交織成窄碳體,也可以把直 徑各不相同的碳纖維絲排列成經絲且交織形成窄碳體。這樣的窄碳體因為是通過把復數條碳纖維絲沿著同一方向排列、編織和窄幅織造 而形成的,所以窄幅織造而成的窄碳體的兩邊及兩端完全不會發(fā)生起毛等變形,外形干凈, 可以堅固地維持編織形態(tài)。以往的窄碳體制造方法沒有編織復數條碳纖維絲,而是按一定 的幅度平行排列,然后涂覆本身就是不純物的合成樹脂溶液。然而本發(fā)明是把復數條碳纖 維絲沿著同一方向平行排列、編織,形成堅固的窄碳體。因此不僅沒有使用合成樹脂溶液而 且沒有必要使用任何手段來維持窄碳體的編織形態(tài),直接用窄幅織造而得的窄碳體來制造 碳發(fā)熱體。而且,與上述的制造窄碳體的方法(把復數條碳纖維絲沿著同一方向排列,編織 形成窄碳體)不同,本發(fā)明的制造方法還可通過下述步驟來形成窄碳體把3 24條聚丙 烯腈(poly-acrylonitrile)原絲,或者粘膠原絲沿著同一方向排列并編織形成網狀的窄織物,以及在惰性氣體的環(huán)境下,沿著長度方向延伸上述窄織物并進行1500 2500攝氏度 的碳化處理??梢岳帽忍祭w維可加工性更良好的原絲制造窄織物,然后對上述窄織物連續(xù)進 行氧化和碳化處理,形成窄碳體,用于制造碳發(fā)熱體。但是,將聚丙烯腈原絲或者粘膠原絲用作經絲和緯絲以織造兩維織物,并在經度 和緯度兩個方向上同時延伸上述兩維織物并進行同時碳化處理,在技術上是極其困難的, 因此很難具備實用性。因此,本發(fā)明不會將作為PAN類碳纖維的原料的聚丙烯腈原絲或者作為粘膠類碳 纖維的原料的粘膠原絲同時排列成經絲和緯絲,而是在窄織機上把3 24條聚丙烯腈原絲 或者粘膠原絲僅排列成經絲,并且編織經絲,使得相互之間按Z字形交叉,從而形成如圖6 所示的3 24條原絲沿著同一方向排列的網狀窄織物。此窄織物中,聚丙烯腈原絲或者粘膠原絲之間按Z字形交叉并以一定的角度編 織,只朝一個方向編織,從而形成一維網狀窄織物。為了形成窄織物,如果沿著同一方向排 列的原絲數目小于3條,就不會形成原絲之間相互編織而成的網狀窄織物,而是原絲扭曲, 形成可燃絲。如果沿著同一方向排列的原絲數目超過24條,原絲編織時的角度就過大,因 此不僅在長度方向上延伸處理困難而且窄碳體的寬度過大導致電阻抗值過于下降。具體而言,如圖5所示,將3 24條原絲240a、240b排列成經絲并編織以制 造窄織物的窄織機200由以下部分組成工作臺210,在工作臺上轉動的復數個錠子 (carrier) 230a,230b以及卷取輥260、270。從錠子中交織而成的窄織物100將纏繞在卷取 輥 260、270 上。此處,復數個錠子230a、230b沿著工作臺210上的⑴字移動軌跡轉動。在錠子轉 動時,纏繞在錠子230a、230b上的各原絲240a、240b隨著錠子230a、230b的軌跡在導紗器 (yarn guide,圖上未標)中相互編織形成窄織物100,然后上述窄織物100纏繞在卷取輥 260上。當錠子230a、230b沿著移動軌跡移動的時候,為了編織各原絲240a、240b,朝著導 紗器移動的原絲240a、240b的編織角度被調整為最大不超過60度。如果原絲240a、240b 的自導紗器的編織角度超過60度,原絲240a、240b有可能斷裂。即在窄織機中設置3 24條原絲并將其排列成經絲,并把上述排列成經絲的復數 條原絲相互之間按Z字形交叉編織,從而形成窄織物。上述形成的窄織物連續(xù)不斷地送入碳化處理用隧道(tunnel)式連續(xù)爐。在氬氣 等惰性氣體下,在碳化處理用隧道式連續(xù)爐中,沿著長度方向延伸并高溫碳化處理,制造窄 碳體。一般情況下,將單個聚丙烯腈原絲,粘膠原絲及樹脂類原絲在長度方向上延伸并 在惰性氣體以及1000 1500攝氏度的溫度范圍內做碳化處理得到碳纖維絲。但與此相 反,3 24條原絲沿著同一方向排列并編織形成的窄織物不能被完整地在1000 1500攝 氏度范圍內碳化處理。因此,在本發(fā)明中,把窄織物沿著長度方向延伸并在1500攝氏度以上(最好是在 1500 2500攝氏度范圍內)進行碳化處理,得到窄碳體。為了制造窄碳體,對在碳化用隧道 式連續(xù)爐的惰性氣體中沿著長度方向延伸后的窄織物進行碳化處理的溫度如果不到1500 攝氏度,窄織物就不能被很好得進行碳化處理。對于沿著長度方向上延伸后的窄織物進行
      9碳化處理的溫度如果超過2500攝氏度,上述氧化的窄織物不會被碳化處理,而是可能被直 接燃燒。這樣的窄碳體具備兩邊及兩端絕不會發(fā)生起毛等變形,外形干凈,堅固地維持織 造形態(tài)的特性。以往的窄碳體制造方法沒有編織復數條碳纖維絲,而是將其按一定的幅度 平行排列,然后涂覆本身就是不純物的合成樹脂溶液以黏結復數條碳纖維絲。然而本發(fā)明 是把復數條碳纖維絲沿著同一方向平行排列、編織,牢固地形成窄碳體。不僅沒有用合成樹 脂溶液來涂覆而且沒有必要使用任何手段來維持窄碳體的織造形態(tài),直接就用該窄幅織造 的窄碳體來制造碳發(fā)熱體。另外,本發(fā)明的制造碳發(fā)熱體的方法包括在內熱主軸上纏繞窄碳體,形成碳成形 體的步驟。把復數條碳纖維絲沿著同一方向排列編織而成的窄碳體,或者把原絲沿著同一方 向排列編織而成的窄織物經過碳化處理得到的窄碳體在內熱主軸的表面上纏繞成螺旋狀, 以形成螺旋狀的碳成形體。內熱主軸可以是熔點為1300攝氏度的二氧化硅棒之類。上述以螺旋狀纏繞在主軸表面形成的碳成形體是窄碳體,它的兩邊及兩端絕不會 發(fā)生起毛等變形,而且維持外形干凈。因此,不僅不需要合成樹脂溶液來維持螺旋狀碳成形 體的外形,而且把碳成形體兩端的多個碳絲擰在一起在沒有扭曲的情況下直接安裝通電用 夾具。另外,本發(fā)明的制造碳發(fā)熱體的方法還包括在上述碳成形體兩端分別安裝通電用 夾具的步驟。為了在碳成形體(窄碳體呈螺旋狀而形成的)中通電并進行第一次熱處理,在上 述碳成形體兩端安裝通電用夾具。在上述碳成形體兩端安裝的通電用夾具須導電性優(yōu)良并 且具有易于粘在碳成形體上的表面特性,例如鋁薄片或者銅薄片。如上所述,安裝在碳成形體兩端的通電用夾具中接通電流通電之后碳成形體在一 定的溫度下被熱處理,改變成為熱處理碳成形體。另外,本發(fā)明的制造碳發(fā)熱體的方法還包括在氣態(tài)碳化氫的環(huán)境下,通電用夾具 中通電,進行第一次熱處理之后得到熱處理碳成形體的步驟以及從內熱主軸分離上述熱處 理碳成形體的步驟。在氣態(tài)碳化氫的環(huán)境下,碳成形體兩端的通電用夾具中通電進行900 1200攝氏 度的第一次的熱處理之后,形成熱處理碳成形體,一定厚度的碳層薄膜氣相沉積在其表面 上。具體來說,在內熱主軸表面以螺旋狀纏繞的碳成形體的兩端的通電用夾具連接電 源之后,放入處于氣態(tài)碳化氫環(huán)境之下的反應爐。通過通電用夾具給碳成形體加電,使碳成 形體的溫度上升到900 1200攝氏度范圍內,此時因反應爐內部的氣態(tài)碳化氫發(fā)生熱分解 而產生的碳在碳成形體表面進行氣相沉積,形成碳層薄膜。為了在碳成形體表面進行氣相 沉積生成碳層薄膜,如果第一次熱處理溫度不到900攝氏度,氣態(tài)碳化氫就不會熱分解,因 此在碳成形體的表面不會氣相沉積生成碳薄膜。如果碳成形體的溫度超過1200攝氏度,支 撐碳成形體的內熱主軸就會因高溫熱量融化。從內熱主軸中分離經過如上所述的第一次熱處理之后表面氣相沉積形成碳薄膜 層的熱處理碳成形體,然后對上述分離得到的熱處理碳成形體進行第二次熱處理。
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      進一步,制造本發(fā)明的碳發(fā)熱體的方法還包括,在氣態(tài)碳化氫的環(huán)境下,在上述分 離得到的熱處理碳成形體的通電用夾具中通電,并進行1300 2500攝氏度的第二次熱處 理步驟,形成碳膜發(fā)熱體,其表面沉積有納米結晶結構的碳層。經過第一次熱處理之后,從內熱主軸中分離上述熱處理碳成形體,然后再放到處 于氣態(tài)碳化氫環(huán)境的反應爐中。通過通電用夾具在碳成形體中通電,將上述熱處理碳成形 體的溫度上升到1300 2500攝氏度范圍內,反應爐內部的氣態(tài)碳化氫發(fā)生熱分解而釋放 出來的碳氣相沉積在碳成形體的表面,形成一定厚度的納米結構的碳層薄膜。維持熱處理碳成形體的第二次熱處理的溫度在1300 2500攝氏度的范圍之間, 使其阻抗值降低到期望的范圍之內。因此可以任意調整由上述熱處理的碳成形體而形成的 碳薄膜發(fā)熱體的阻抗值。為了在熱處理碳成形體表面氣相沉積得到納米結晶結構碳層薄膜 而做的第二次熱處理溫度如果達不到1300攝氏度,在上述碳薄膜發(fā)熱體表面上氣相沉積 而成的納米結晶結構碳層中,不僅含有大量的可升華的非結晶碳物質,而且不能任意調整 碳薄膜發(fā)熱體的阻抗值。如果對于上述熱處理碳成形體進行第二次熱處理的溫度超過2500 攝氏度,上述碳薄膜發(fā)熱體因高溫而熱化或者燃燒。上述得到的碳薄膜發(fā)熱體中含有微量的不純物和非結晶碳物質,因此需要進行以 除去不純物和非結晶碳化物為目的的第三次高溫熱處理。進一步,本發(fā)明的制造碳發(fā)熱體的方法還包括,在惰性氣體或者減壓條件下,經過 2500 3500攝氏度的第三次熱處理來蒸發(fā)不純物并且石墨化殘留的非結晶碳的過程。第二次熱處理之后得到的碳薄膜發(fā)熱體在惰性氣體(非氣態(tài)碳化氫)或者減壓的 情況下,進行2500 3500攝氏度的第三次高溫熱處理,使不純物蒸發(fā),并使殘留的非結晶 碳物質石墨化,因此可以真正地制造不含有不純物的碳發(fā)熱體。特別指出的是,為了防止因 上述碳薄膜發(fā)熱體的高溫引起的熱化或者燃燒,第三次熱處理必須在惰性氣體(非氣態(tài)碳 化氫)或者減壓的環(huán)境下進行。碳薄膜發(fā)熱體的第三次熱處理溫度如果達不到2500攝氏度,將導致不純物不會 完全蒸發(fā),并導致碳物質的石墨化不完整。如果第三次熱處理溫度超過3500攝氏度,將導 致第三次熱處理所需的費用大幅度地增加,直接跟生產成本的上升聯系在一起。如上所示,經過碳薄膜發(fā)熱體的第三次熱處理,制備了真正不包含不純物的碳發(fā) 熱體。將這樣的碳發(fā)熱體裝入到管體內部,并將所裝入的碳發(fā)熱體與電線相連,并對管 體真空處理之后密封就可以制造碳加熱器。實施本發(fā)明的具體方式參照具體實施方式
      ,詳細說明本發(fā)明的制造碳發(fā)熱體的方法。但下面的具體實施 方式僅限于具體說明本發(fā)明而不是限制本發(fā)明。
      具體實施例方式1.把線密度為70tex的粘膠類碳纖維絲8條安裝在窄織機上,并排列成經線,將上 述經線按相互之間成Z字形交叉,并織造以形成窄碳體。2.上述窄碳體以螺旋狀纏繞在長度為45cm,直徑為4mm的二氧化硅棒上形成碳成 形體。3.在上述碳成形體的兩端各安裝材質為鋁薄膜的通電用夾具。
      4.上述內熱主軸表面的碳成形體的通電用夾具跟電源連接,并放入處于氣態(tài)碳化 氫環(huán)境下的反應爐中。5.上述通電用夾具中通電,并在氣態(tài)碳化氫的環(huán)境下,進行1100攝氏度的第一次 熱處理,使碳成形體的初期阻抗從43 Ω變成33 Ω,得到熱處理碳成形體,其表面上具有氣 相沉積而成的厚度為0. Inm的碳層薄膜。6.從內熱主軸中分離上述熱處理碳成形體,然后再將上述熱處理碳成形體放入氣 態(tài)碳化氫的反應爐。7.在上述熱處理碳成形體的通電用夾具中通電,并在氣態(tài)碳化氫的環(huán)境下,進行 2000攝氏度的第二次熱處理,使上述熱處理碳成形體的從33 Ω的初始阻抗值變成13 Ω的 阻抗值,得到碳薄膜發(fā)熱體,其表面上具有氣相沉積而成的厚度為0. 3nm的納米結晶構造 的碳層薄膜。8.上述碳薄膜發(fā)熱體放入惰性氣體的反應爐,并在通電用夾具中通電,然后在 2600攝氏度的溫度下進行30秒的第三次熱處理,得到螺旋狀的100V/800W的碳發(fā)熱體。工業(yè)應用的可能件將根據上述具體實施方式
      得到的碳發(fā)熱體裝入到管體內部,并將所裝入的碳發(fā)熱 體和電線連接,對上述管體進行真空處理,密封得到碳加熱器。準備根據本發(fā)明方法制造的上述碳加熱器100個和根據之前的韓國專利授予公 告第10-0793973號制造的碳加熱器100個,然后連續(xù)供電2000個小時,加熱得到如圖9所 示的結果。根據本發(fā)明的碳加熱器內部絕對沒有發(fā)生由于不純物而引起的碳化現象及黑化 現象(鎳蒸發(fā)環(huán)),但現有技術中的碳加熱器有30個發(fā)生因內部不純物而引起的碳化現象 及黑化現象。由此,可確保使用本發(fā)明的碳發(fā)熱體而制備的碳加熱器的可靠性能顯著提高。
      權利要求
      一種制造碳發(fā)熱體的方法,所述方法包括以下步驟將碳纖維絲浸漬在潤滑劑中以形成被潤滑劑所浸潤的碳纖維絲,上述潤滑劑選自水、界面活性劑及硅乳劑中的至少一個;將3~24條的上述被潤滑劑所浸潤的碳纖維絲沿著同一方向排列,并編織以形成窄碳體;將上述窄碳體纏繞在內熱主軸的表面形成碳成形體;在上述碳成形體的兩端分別安裝通電用夾具;在上述通電用夾具中通電,并在氣態(tài)碳化氫的環(huán)境下對上述碳成形體進行第一次熱處理,得到熱處理碳成形體;從內熱主軸分離上述熱處理碳成形體;在上述分離的熱處理碳成形體的通電用夾具中通電,并在氣態(tài)碳化氫的環(huán)境下,在1300~2500攝氏度進行第二次熱處理,得到表面沉積有納米結晶結構碳層薄膜的碳薄膜發(fā)熱體;在惰性氣體或者減壓的環(huán)境下,在2500~3500攝氏度對上述碳薄膜發(fā)熱體進行第三次熱處理,使不純物蒸發(fā)并使殘留的非結晶碳石墨化。
      2.根據權利要求1所述的制造碳發(fā)熱體的方法,其特征在于,在上述形成被潤滑劑浸 潤的碳纖維絲的步驟中,所使用的碳纖維絲是粘膠類碳纖維絲。
      3.根據權利要求1所述的制造碳發(fā)熱體的方法,其特征在于,在上述形成被潤滑劑浸 潤的碳纖維絲的步驟中,浸漬的時間是20 60分鐘。
      4.根據權利要求1所述的制造碳發(fā)熱體的方法,其特征在于,在上述制造窄碳體的步 驟中,沿著同一方向排列直徑互不相同的碳纖維絲并編織成窄碳體。
      5.一種制造碳發(fā)熱體的方法,所述方法包括以下步驟把3 24條的聚丙烯腈原絲或者粘膠原絲沿著同一方向排列并編織成網狀的窄織物, 然后在惰性氣體下沿著長度方向延伸并碳化處理得到窄碳體;上述窄織物在惰性氣體下,沿著長度方向延伸并經過1500 2500攝氏度的碳化處理 得到窄碳體;將上述窄碳體纏繞在內熱主軸的表面形成碳成形體;在上述碳成形體的兩端分別安裝通電用夾具;在上述通電用夾具中通電,并在氣態(tài)碳化氫的環(huán)境下對上述碳成形體進行第一次熱處 理,得到熱處理碳成形體;從內熱主軸分離上述熱處理碳成形體;在上述分離的熱處理碳成形體的通電用夾具中通電,并在氣態(tài)碳化氫的環(huán)境下,在 1300 2500攝氏度進行第二次熱處理,得到表面沉積有納米結晶結構碳層薄膜的碳薄膜 發(fā)熱體;在惰性氣體或者減壓的環(huán)境下,在2500 3500攝氏度對上述碳薄膜發(fā)熱體進行第三 次熱處理,使不純物蒸發(fā)并使殘留的非結晶碳石墨化。
      6.根據權利要求5所述的制造碳發(fā)熱體的方法,其特征在于,上述形成窄碳體的步驟 進一步包括以下步驟把3 24條的聚丙烯腈原絲或者粘膠原絲沿著同一方向排列并編織以形成網狀的窄織物;在惰性氣體下沿著長度方向延伸上述窄織物,并對上述窄織物進行1500 2500攝氏 度的碳化處理以形成窄碳體。
      7.根據權利要求1或5所述的制造碳發(fā)熱體的方法,其特征在于,在上述形成熱處理碳 成形體的步驟中,第一次熱處理溫度為900 1200攝氏度。
      8.一種根據權利要求1或5所述的方法所制造的碳發(fā)熱體。
      全文摘要
      本發(fā)明涉及一種碳發(fā)熱體,其是由在不使用合成樹脂溶液的情況下,物理地編織復數條碳纖維絲而獲得的窄碳體制造而成的。更具體地講,本發(fā)明提供一種碳發(fā)熱體及一種制造碳發(fā)熱體的方法,其包括將復數條碳纖維絲在同一方向上排列并編織以形成窄碳體,或將復數條原絲在同一方向上排列并編織并碳化所得到的窄織物以形成窄碳體;在碳成形體的兩端分別安裝通電用夾具以通電,該碳成形體是通過將窄碳體形成為螺旋狀而得到的;對上述碳成形體進行第一次熱處理,得到熱處理碳成形體;對上述熱處理碳成形體進行第二次熱處理,得到表面沉積有納米結晶結構的碳層薄膜的碳薄膜發(fā)熱體;對上述碳薄膜發(fā)熱體進行第三次熱處理,使不純物蒸發(fā)并使殘留的非結晶碳石墨化。因為是在不進行額外加工的情況下,直接對窄碳體進行熱處理,所以本發(fā)明的碳發(fā)熱體的阻抗特性及發(fā)熱分布非常均勻。且因為不僅沒有使用合成樹脂溶液,而且實施了第三次高溫熱處理,所以本發(fā)明的碳發(fā)熱體具有很低的不純物含量且具有大幅度地延長的使用壽命。
      文檔編號H05B3/14GK101911827SQ200980101794
      公開日2010年12月8日 申請日期2009年7月16日 優(yōu)先權日2008年7月17日
      發(fā)明者李虎載 申請人:Jc科技有限公司
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