[发明专利]高温硼化锆陶瓷发热体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电加热技术领域，具体涉及一种高温硼化锆陶瓷发热体及其制备方法。

背景技术

发热体是指能够通过一定的方式(包括电、磁等)自身发出热量从而达到加热其它工件的物体。目前应用的电加热体种类繁多，主要有以下几种：1、膜式电发热体。包括半导体薄膜型电热膜，氧树脂复合电热膜，导电性聚合物复合材料，涂料型电热膜。这类电热膜一般可采用真空镀或热解的方法来制备。真空镀设备工艺较为复杂，而热解法则需要在450℃以上的温度下喷涂，薄膜厚度难以控制，工艺重复性差。2、金属电热丝。其主要的缺点是热效率低、耗能大，自身工作温度高，易氧化，寿命短。3、陶瓷发热体。目前广泛使用的陶瓷发热体为硅碳棒和硅钼棒发热体，虽然二者存在着诸多优点，但是这两种发热体均达不到2000℃的高温。4、MCH发热体。MCH是Metal Ceramics Heater的缩写，意思是金属陶瓷发热体。MCH是指将金属钨或者是钼锰浆料印刷在陶瓷流延坯体上，经过热压叠层，然后在1600℃氢气气氛保护下，陶瓷和金属共同烧结而成的陶瓷发热体。5、石墨、碳纤维发热体。目前广泛应用的发热体主要为石墨发热体，但是其存在一定的局限性。例如耐磨性差，抗氧化性能差，反复使用率低等。

综合以上目前应用的发热体，其各自有各自的优势，能够满足相应领域的要求。但目前对于温度超过2000℃的发热体市场上仍处于空白状态。

硼化锆是灰色坚硬晶体，密度6.085g/cm³，熔点约3000℃，带金属光泽，有金属性，电阻略低于金属锆。加热后在较大的温度范围内稳定。熔点虽高，但在较低温度下能烧结。由金属锆与碳化硼、氮化硼混合后在氩气流中加热至2000℃制得。由于ZrB₂具有耐腐蚀性，因此可用作高温热电偶保护套管。此外，由于具有ZrB₂良好的导电性能和高硬度，因此还可用作电极材料、涂层材料以及切削材料。硼化锆基陶瓷复合材料具有高温抗氧化性、耐腐蚀性、抗热震性、导电性等优良的性能而受到广泛的应用。

感应加热的原理：工件放到感应器内，感应器一般是输入中频或高频交流电(1000-300000Hz或更高)的空心铜管。产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到心部接近于0，利用这个效应可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度上升到一定温度，而心部温度升高很小。

发明内容

本发明的目的是提供一种高温硼化锆陶瓷发热体及其制备方法，利用感应加热技术和硼化锆陶瓷基复合材料自身的优良特性，使其使用温度能够达到2000℃，从而填补国内高温发热体的空白。

本发明所述的一种高温硼化锆陶瓷发热体，包括感应加热电源和陶瓷发热体，陶瓷发热体外表面复合有保温层，保温层上缠绕有线圈，线圈与感应加热电源组成闭合回路，陶瓷发热体按照质量百分比计，由以下原料配制而成：硼化锆50～84％、碳化硅16～50％，外加碳化硼0.8～5％。

ZrB₂是六方晶系C32型结构的准金属结构化合物，属于间隙相共价键化合物。硼的电离势较低，在同d电子层高度与未饱和的金属锆形成化合物时，电子向金属的原子骨架靠拢，形成类似金属间化合物的金属相。B原子尺寸较大，并且B与B可形成多种复杂的共价键。晶体结构中的硼原子面和锆原子面交替出现构成二维网状结构，这种类似于石墨结构的硼原子层状结构和锆外层电子结构决定了ZrB₂具有良好的导电性和金属光泽，同时ZrB₂具有耐高温的性能使其具备作为高温发热体的理论条件。但是纯ZrB₂陶瓷制品烧结温度高难以烧结并且抗氧化性能差又限制了其应用，因此在其中加入其它组分(SiC、B₄C等)以增加其抗氧化性能，降低烧结温度。

其中，所述的感应加热电源优选为中频。

所述的线圈优选为铜线圈。

所述的保温层从内向外优选依次包括ZrO₂纤维和ZrO₂纤维布。由于使用温度高，因此利用ZrO₂自身的耐高温特性，能够对陶瓷发热体更好的保温。