[发明专利]氮化硅材料及其制备方法和氮化硅发热器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及氮化硅材料及其制备方法和氮化硅发热器件及其制备方法，属于无机非金属材料领域。

背景技术

现在市场上各个品牌的即热式加热器的加热部件一般由金属制成或涂覆陶瓷涂层，金属制成的加热器一般在铝板的背面排列了电阻丝加热元件，它所存在的问题是金属制成的加热器其加热板的厚度需达到15厘米，因为薄的金属板在加热过程中会产生弯曲和应变等，如果使加热板加厚除了会使加热器变笨重外，加热板的温度也不会立即随电压或电流强度而变，这样就引起了不易控制温度等问题。这种加热器与水是非接触的，因此加热效率低，使用中易受水压影响水温。另外，目前比较普遍的发热器结构是电热丝外包绝缘材料后用铜材做发热体外包形成复合式发热体的结构，由于残留大量空气使得高温电阻丝因氧化寿命极短。

而陶瓷加热元件因导热效率高可以快速加热，不易被腐蚀，表面不会生垢，寿命长等优势，因而开发设计陶瓷加热器成为一种趋势。

日本公开出版物平9-306642、日本公开出版物平4-324276等提出了陶瓷加热器，其中采用氮化铝作为基材（因为氮化铝导热率高达180W/m.K），并在该氮化铝基材的表面上或基材内部形成电阻加热元件。因为氮化铝基材具有高的热导率，因此加热板的温度可以随电阻加热元件的温度迅速变化，使其温度可控，但是氮化铝作为基材价格不菲。

公开号为99113534.2的专利中公布了一种氮化硅发热体及其制作方法，这种发热体是将电阻丝与氮化硅复合材料烧结成一体，虽然由于隔绝空气来源使其寿命大大提高，但此结构仍然无法摆脱烧结体中残留的空气对电阻丝的威胁，01136305.3号专利公布了利用纳米级氮化硅粉填入普通氮化硅粉进行改性的陶瓷加热器，虽然加入纳米级氮化硅粉后使其表面能增大，粒间接触面积加大，降低了烧结时的温度和压力，实现了常温烧结氮化硅成型，但α-相纳米级氮化硅微粉加入量太大会导致收缩量不好掌握，数量太少作用不太明显，且其烧结温度高达2100℃；并且当前，德国BACH.RC和日本京瓷公司在国际市场上占有垄断地位。

因此，开发设计一种成本低、产品稳定的陶瓷加热元件成为一种必要。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种氮化硅材料及其制备方法和氮化硅发热器件及其制备方法，以获得一种陶瓷加热元件，该材料和制备方法制得的陶瓷加热元件的使用寿命是金属加热器寿命的30倍，采用气氛压力烧结能够批量化生产，降低了加热器成本，产品稳定，使用寿命长，应用普遍。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种氮化硅材料，所述氮化硅材料由以下重量配比的各原料组成：氮化硅粉78%～98%、三氧化二铝0.2%～9%、三氧化二钇0.2%～9%和碳化钨0.05%～5%。

本发明所述的氮化硅材料的有益效果是：氮化硅材料密度低，制备出的产品质量轻、硬度和强度高，耐腐蚀性能好，且氮化硅材料热导率高，绝缘，不会引发安全问题。粉料成本低，不需要添加纳米级的粉料或其他的热膨胀系数比基体材料大的金属盐来改进，可明显改善烧结效果，提高韧性或强度。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述氮化硅粉中α相氮化硅含量为96%以上。

进一步，所述氮化硅粉的平均粒径为0.1～6μm，所述三氧化二铝的平均粒径为＜6μm，所述三氧化二钇的平均粒径为＜8μm。

采用上述进一步方案的有益效果是，采用氮化硅粉粒度范围较广，这样氮化硅粉中含有纳米级颗粒更有助于烧结，氧化铝和氧化钇混合作为烧结助剂。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种氮化硅材料的制备方法，包括以下步骤：

1）．按以下重量配比称取各原料：氮化硅粉78%～98%、三氧化二铝0.2%～9%、三氧化二钇0.2%～9%和碳化钨0.05%～5%，置入氧化铝陶瓷罐容器中，加研磨剂和研磨介质，放入球磨机中球磨搅拌8～40小时；

2）将球磨好的料浆过30目筛，然后置入烘箱，于温度50～120℃，干燥4～20小时，得到粉料后，将粉料装入球形橡胶模具中在压力30MPa～120MPa下冷等静压造粒，粉碎，再过筛，即得氮化硅材料该氮化硅材料制成的加热元件，所述加热元件由导线、与导线相连的发热体和基体构成，其特征在于，所述电阻发热体排列在基体内部，所述基体为氮化硅材料基体。

本发明所述的氮化硅材的制备方法的有益效果为：使得氮化硅粉混合均匀，干燥造粒过筛得到比原料的粉料颗粒尺寸大的粉体，具有较好的流动性。

进一步，所述步骤1）中的研磨介质为乙醇、乙二醇或去离子水，所述研磨介质为氮化硅或氧化铝。