一种叠层式陶瓷加热体及其制备工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及加热体的制备技术领域，尤其涉及一种叠层式陶瓷加热体及其制备工 艺。
【背景技术】
[0002] 氮化硅发热片是一种结合高性能氮化硅陶瓷基体和长寿命大功率的高温金属发 热丝的器件，其具有体积小，功率大和热效率高等特点，同时通过氮化硅发热片产热也被证 明是一种安全可靠的发热方式。
[0003] 氮化硅作为一种共价键化合物，扩散系数小，没有熔点，约在2173K分解成氨和 硅，难于烧结。目前，传统的氮化硅陶瓷加热片是将钨丝埋在氮化硅粉末内成型成片状体热 压烧结而成，此工艺生产的加热器由于受工艺限制，钨丝很难定位，成型过程中造成位置偏 移，造成加热器整体传热不均，同时由于钨丝与氮化硅粉体有明显的界面，烧结后很难成为 一体，钨丝与陶瓷接触面形成空隙，加热过程中形成局部氧化，降低发热片的使用寿命。目 前氮化硅陶瓷加热片的烧结也有采用反应烧结和热压烧结，然而反应烧结致密度差，力学 性能差，热压烧结虽然密度高，力学性能好，但成本较高，难以大规模生产。因此，以上所述 问题亟待解决。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，而提供一种功率稳定、热效率高、使用寿 命长的一体成型的陶瓷加热体。
[0005] 本发明的另一目的在于提供一种生产效率高、利于连续规模化生产、生产成本低 的一体成型的陶瓷加热体的制备工艺。
[0006] 本发明是通过以下技术方案来实现的。
[0007] -种叠层式陶瓷加热体，它包括内层基片和两个外层基片，内层基片叠合于两个 外层基片之间，内层基片和两个外层基片均由陶瓷原料和发热原料配制而成；内层基片由 质量百分比为50-70%的陶瓷原料和质量百分比为30-50%的发热原料配制而成，外层基片 由质量百分比为70-99%的陶瓷原料和质量百分比为1-30%的发热原料配制而成； 其中，陶瓷原料由以下质量百分比的原料组成： Si3N4 65-98% MgO 0. 1-10% Y2O3 0. 1-5% Al2O3 0. 1-5% SiO2 0. 1-5% La2O3 0· 1_5% BN 0. 1-5% ； 其中，发热原料为MoSi2、TiC中的一种或两种的混合物。
[0008] Si3N4化学名称为氮化硅，其相对分子质量是140. 28,呈灰色、白色或灰白色，六方 晶系，其晶体呈六面体，莫氏硬度9~9. 5,维氏硬度约为2200,显微硬度为32630MPa，熔点为 1900°C，通常在常压下1900°C分解，比热容为0. 71X/(g ·Κ)，生成热为-751. 57kJ/mol，热导 率为16. 7WAm*K)，线膨胀系数为2. 75X10-6/°C (2(T100 0°C )，不溶于水、溶于氢氟酸，其 在空气中开始氧化的温度130(Tl400°C，弹性模量为2842(T46060MPa，耐压强度为490MPa。 比体积电阻：在20°C时为1.4X105 ·ι?，在500°C时为4X108 ·πι。Si3N4是一种重要的结构 陶瓷材料，是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损，为原子晶体，高温时抗氧化，而 且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到l〇〇〇°C以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。
[0009] MgO的化学名称为氧化镁，为白色或淡黄色粉末，无臭、无味、无毒，其不溶于水或 乙醇，微溶于乙二醇，熔点2852°C，沸点3600°C，氧化镁有高度耐火绝缘性能。经1000°C以 上高温灼烧可转变为晶体，升至1500°C以上则成死烧氧化镁（也就是所说的镁砂）或烧结 氧化镁。氧化镁起骨架作用，在陶瓷中作用是起结构固定作用，使产品不容易变形。
[0010] Y2O3的化学名称为三氧化二钇，白色略带黄色粉末。熔点：2415°c ;相对密度： 5. 01 ;溶解性：不溶于水和碱，溶于矿物酸。首先，Y2O3的添加对陶瓷硬度的影响很大，因为 钇离子的添加细化了氧化铝晶粒，减少了气孔、裂纹等缺陷，使其结合更紧密，密度增大， 所以掺杂钇离子不仅可以提高陶瓷的强度，改善其力学性能，还可以显著提高陶瓷的硬度。 其次，Y 2O3的添加显著提高了陶瓷的致密度，Y2O3为稀土氧化物，稀土氧化物由于其性能上 的特殊性，是良好的表面活性物质，可改善Al 2O3复合材料的润湿性能，降低陶瓷材料的熔 点,稀土氧化物Y2O 3可促进Al2O3与SiO2的化学反应,易于形成低烙点液相,加上颗粒之间 的毛细作用，促使颗粒间的物质向孔隙处填充，使材料孔隙率降低，致密度提高。因此，Y 2O3 的添加显著提高了陶瓷的强度、硬度和致密度。
[0011] Al2O3的化学名称为氧化铝，Al2O3是结构陶瓷中的典型材料，具有机械强度高、硬 度高、耐腐蚀、耐磨损、电阻率大、热稳定性好等特性，能承受机械应力、腐蚀、高温、 绝缘等条件苛刻的环境。Al 2O3可以促进液相烧结中液相含量的增大，还可以降低液相粘度， 有利于Si3N 4在液相中溶解、扩散传质，因此Al2O3的添加对Si3N 4常压烧结致密化有重要的 作用。
[0012] SiO2的化学名称为二氧化硅，其不溶于水，不溶于酸，但溶于氢氟酸及热浓磷酸。 SiO2的一部分与Al2O3反应生成网状莫来石（3 Al2O3 · 2 SiO2)晶体成为粉体骨架，提高陶 瓷的机械强度和化学稳定性，另一部分SiO2以游离态存在亦起骨架作用。且Al 2O3可提高 粉体的致密化程度，使氮化硅陶瓷的抗弯强度提高。
[0013] La2O3的化学名称为氧化镧，其为白色无定形粉末，为密度6. 51g/cm3。烙点为 2217°C，沸点为4200°C，溶解性：溶于酸、乙醇、氯化铵，不溶于水、酮。Si 3N4有α和β两 种晶体结构，La2O3的加入利于β- Si3N4晶粒轴比的提高，也提高β- Si3N4柱状晶的长径 t匕，同时促进a - Si3N4和β- Si3N4的完全转变，大大提高了氮化硅陶瓷材料的抗弯强度和 断裂韧性。
[0014] BN的化学名称为氮化硼，氮化硼耐腐蚀，电绝缘性很好，比电阻大于10-6 Ω . cm ; 压缩强度为170MPa;在c轴方向上的热膨胀系数为41X10-6/°C而在d轴方向上为一 2. 3 X 10-6 ;在氧化气氛下最高使用温度为900°C，而在非活性还原气氛下可达2800°C。BN 的耐热性、耐热冲击和高温强度都很高，而且能加工成各种形状，因此被广泛用作各种熔融 体的加工材料。氮化硼的粉末具有良好的润滑性，用在陶瓷中作为耐高温自润滑复合材料。
[0015] MoSi2的化学名称为二硅化钥，MoSi2是Mo - Si二元合金系中含硅量最高的一种 中间相，是成分固定的道尔顿型金属间化合物，具有金属与陶瓷的双重特性，是一种性能优 异的高温材料。MoSi 2具有极好的高温抗氧化性，抗氧化温度高达1600°C以上，与SiC相当； 密度适中，密度为6. 24g/cm3 ;较低的热膨胀系数（8. 1X10-6K-1);良好的电热传导性；较 高的脆韧转变温度l〇〇〇°C。MoSi2具有良好的高温抗氧化性和抗热冲击性，以及稳定的电 阻特性，因此将MoSi 2作为陶瓷加热体的发热原料与陶瓷材料混合，制备得的陶瓷加热体功 率稳定、加热效率高。
[0016] TiC的化学名称为碳化钛，TiC的相对分子质量为59. 91，密度为4. 93g/cm3,熔点 为3160°C，沸点为4820°C，TiC呈浅灰色，为立方晶系，不溶于水，具有很高的化学稳定性， 与盐酸、硫酸几乎不起化学反应，但能够溶解于王水、硝酸和氢氟酸中，还溶于碱性氧化物 的溶液中。TiC具有高熔点、高硬度和高弹性模量，良好的抗热震性和化学稳定性，同时碳 TiC具有优良的耐热冲击性能，在还原气氛中用作特殊的耐火材料，加入TiC的陶瓷材料不 仅保持有高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性，又具有良好的金属 韧性，使制得的陶瓷加热体功率稳定、加热效率高、使用寿命长。
[0017] 进一步的，由质量百分比为50-99. 5%的MoSi2和质量百分比为0. 5-50%的TiC组 成的发热原料，具有极佳的高温抗氧化性和抗热冲击性，以及稳定的电阻特性。该发热原料 与陶瓷原料共烧制成的陶瓷加热体，功率稳定、加热效率高、使用寿命长。
[0018] 优选的，内层基片由质量百分比为55-65%的陶瓷原料和质量百分比为35-45%的 发热原料配制而成，外层基片由质量百分比为80-90%的陶瓷原料和质量百分比为10-20% 的发热原料配制而成； 其中，陶瓷原料由以下质量百分比的原料组成： Si3N4 75-90% MgO 4-8% Y2O3 2-4% Al2O3 2-4% SiO2 2-4% La2O3 2_4% BN 2-4% ； 其中，发热原料为MoSi2、TiC中的一种或两种的混合物，两种的混合物由质量百分比为 50-99. 5%的MoSi2和质量百分比为0. 5-50%的TiC组成。
[0019] 更为优选的，内层基片由质量百分比为60%的陶瓷原料和质量百分比为40%的发 热原料配制而成，外层基片由质量百分比为85%的陶瓷原料和质量百分比为15%的发热原 料配制而成； 其中，陶瓷原料由以下质量百分比的原料组成： Si3N4 80% MgO 7% Y2O3 3% Al2O3 2% SiO2 3% La2O3 2% BN 3% ； 其中，发热原料为MoSi2、TiC中的一种或两种的混合物，两种的混合物由质量百分比为 65-80%的MoSi2和质量百分比为20-35%的TiC组成。
[0020] 上述一种