一种环保绿色半导体电热膜及其制备方法与流程

1.本发明涉及电热材料技术领域，具体地说，涉及一种环保绿色半导体电热膜及其制备方法。


背景技术：

2.目前在很多需要加热的场合，电阻丝加热、电磁辐射加热等方式较为常见。一般来说，电阻丝加热是通过改变电阻值来调整加热功率的加热方式，这种加热方式存在热效率低、安全系数低、后期维护成本高、寿命短等缺陷，其电能转换成热能的转换率不超过56％。而电磁辐射加热利用辐射能进行加热，又会存在电磁辐射危害以及成本过高的问题。
3.电热膜的电热转换效率高，节能效果显著，这是因为它发热面积大、与被加热体结合紧密的特点所决定的。其中，半导体电热膜(简称sehf)是能紧密地结合在基材表面上，通电后成为面状热源的薄膜状半导体电热材料，它具有熔点高、硬度大、电阻低、热效率高、化学稳定性好等特点，特别是耐酸和碱，在加热过程中无明火的特性，在电热领域受到人们的重视。
4.目前科研人员对电热膜作了很多的研究，现有技术cn1074579 a中通过向二氧化锡半导体电热膜掺入铋、锑、铁、钛或氟等微量组分可制成多种阻值区间的半导体电热膜，虽然获得工作性能稳定的电热膜，但是实际电热转换率不高。 cn102925880a中公开了一种氧化锡锑半导体透明电热膜，利用超声喷雾方法向玻璃、陶瓷管表面沉积氧化锡锑薄膜，虽然制备过程简单，便于工业化生产，但是获得氧化锡锑半导体透明电热膜电热转换率不高，而且高温热稳定性差，存在长期使用后性能衰减的现象。cn105992408 a中公开了包含氧化铟锡的混合物经蒸镀法在高温450～600度绝缘基体的表面形成电热膜层，其可将辐射热能转换成远红外热能，实现温度的迅速提高，并降低排潮损失的温度、增强被加热能吸收的速度、减少热能损失，其能效利用率均高达90％以上，但是其随着温度的变化电热转换不稳定，存在性能衰减的情况。
5.因此，如何提高半导体电流膜电热转换能效比来提高能源的利用率，以及提升半导体电流膜温度变化的稳定性使其更好地满足于国家节能环保的要求是本领域的技术人员当前亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于一种环保绿色半导体电热膜及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明目的之一在于，提供了一种环保绿色半导体电热膜，所述环保绿色半导体电热膜包括：金属基材、氧化锡锑电热膜以及介于金属基材和氧化锡锑电热膜之间的二氧化硅介质层；其中，所述金属基材为带半圆球状凸起的金属基材，所述氧化锡锑电热膜包括位于所述介质层上的氧化锡锑层以及位于所述氧化锡锑层的螺旋结构层。
8.进一步地，所述螺旋结构层位于所述氧化锡锑层上多个半圆球状凸起部上。
9.进一步地，所述金属基材选自不锈钢、铝、铜、钛及其合金的任一金属。
10.进一步地，所述二氧化硅介质层和所述氧化锡锑层依次均匀地平铺在所述带半圆球状凸起的金属基材上。
11.进一步地，所述螺旋结构层为类三角状螺旋结构层。
12.进一步地，所述二氧化硅介质层和所述氧化锡锑电热膜采用真空蒸镀法制备而成。
13.进一步地，所述氧化锡锑电热膜中二氧化锡和三氧化二锑的质量比为1:1 至1:1.5。
14.本发明目的之二在于，提供一种环保绿色半导体电热膜的制备方法，具体包括如下方法步骤：
15.(1)金属基材预处理，将金属基材进行冲压成型处理从获得带半圆球状凸起的金属基材，接着对带半圆球状凸起的金属基材进行超声清洗以去除表面污物。
16.(2)沉积二氧化硅介质层，将步骤(1)中的金属基材放入真空镀膜机的样品台上，以二氧化硅作为蒸镀源，关闭蒸发镀膜装置并抽真空，随后开启蒸发镀膜装置，在带半圆球状凸起的金属基材表面蒸镀一层二氧化硅介质层。
17.(3)沉积氧化锡锑层，以氧化锡锑作为蒸镀源，蒸镀角为90
°
，调节相应地蒸镀工艺，在步骤(2)中获得的二氧化硅介质层表面沉积一层氧化锡锑层。
18.(4)沉积螺旋结构层，旋转真空镀膜机的样品台，将蒸镀角设置为10
°
，在氧化锡锑层的表面继续沉积氧化锡锑层，沉积时间为t1；之后在平行样品台的平面内逆时针旋转样品台120
°
，二次沉积氧化锡锑层，沉积时间为t2；在平行样品台的平面内再次逆时针旋转样品台120
°
，再次沉积氧化锡锑层，沉积时间为t3，其中，所述t3＞t2＞t1，从而在步骤(3)获得的氧化锡锑层表面沉积得到类三角状螺旋结构层。
19.进一步地，所述步骤(3)和步骤(4)中具体蒸镀工艺为：对真空镀膜机进行抽真空，当真空度达到4
×
10
‑3pa以下时，开始充入o2至工作气压0.5pa，以氧化锡锑作为蒸镀源，蒸镀电压2.5kv，电子束流为15ma，基板温度为450℃，沉积速率控制在
20.本发明通过采用带半圆球状凸起的金属基材、介质膜以及氧化锡锑层的结构形式，一方面电热膜与基体的附着力大大提高，即使温度不停变换也不容易剥落，寿命大大提高；另外一方面通过本申请的半圆球状凸起结合表面螺旋结构，制备得到的半导体电热膜电热能效比大幅提升，最高可达95％以上，而且高温热稳定性好，长期使用也不容易出现性能衰减的情况。
附图说明
21.图1为本发明半导体电热膜的结构示意图。
22.图2为本发明半导体电热膜制备流程示意图。
23.图3为本发明螺旋结构层制备流程示意图。
24.图4为本发明螺旋结构层展开图。
25.图5为本发明的真空镀膜设备结构示意图。
26.图6为实施例1
‑
3和对比例1
‑
2的半导体电热膜的功率因子与温度的关系图。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.参考附图1，本发明的环保绿色半导体电热膜包括四层结构，依次为金属基底层1、二氧化硅介质层2、氧化锡锑层3以及螺旋结构层4。其中金属基底层1 一方面可以为半导体电热膜起到良好的支撑作用，与传统的陶瓷玻璃等基材相比更加易于加工成型，不会受到基材形状的限制，另外一方面由于本发明的电热膜带有半圆球状凸起结构，可能会造成局部热量分布不均，而金属基底良好的导热性可以提高电热膜整体热量分布的均匀性。
29.本发明的金属基材优选地采用冲压成型形成如图1
‑
2中所示的那样带半圆球状凸起结构，最终形成的电热膜也呈现半圆球状凸起结构。与传统的平面电热膜相比，本发明最终形成的电热膜散热面更大、电热能效比大幅提升。而且由于采用带半圆球状凸起的金属基材、介质膜以及氧化锡锑层的结构形式，本发明电热膜与基体的附着力大大提高，即使温度不停变换也不容易剥落，寿命大大提高。
30.对于金属基材采用冲压成型的形状而言，本发明并不限于半圆球状凸起结构，也可以是金字塔形、半椭球形、正方体形等凸起结构。但是出于更容易地以及更加均匀地获得螺旋结构层角度而言，半圆球状凸起结构是优先地。参考图3
‑
4，本发明的螺旋结构层为类三角状结构，螺旋结构层由1号位置的氧化锡锑层、2 号位置的氧化锡锑层以及3号位置的氧化锡锑层构成，由于沉积过程中3号位置的沉积时间t3>2号位置沉积时间t2>1号位置的沉积时间，如展开图4所示， 1号位置、2号位置和3号位置的氧化锡锑层厚度依次增加，因此最终在氧化锡锑层表面形成类三角状结构的螺旋结构层，本发明的螺旋结构层能够进一步地提高电热能效比，而且对电热膜的高温热稳定性有利。
31.接着参考附图2
‑
4，对本发明半导体电热膜的制备工艺进行进一步说明，附图2为本发明半导体电热膜制备流程示意图，首先，步骤(1)
‑
(2)中将平面板状金属基材进行冲压成型，根据不同的模具形状结构，可以在金属基材表面形成半圆球状、金字塔形、半椭球形、正方体形等凸起结构。接着，步骤(3)中在带凸起结构的金属基材表面沉积二氧化硅介质层，起到电热膜与金属基体之间绝缘和隔热的作用。步骤(4)中在二氧化硅介质层表面进一步沉积氧化锡锑层作为电热膜的主要发热部分。步骤(5)中在氧化锡锑层上进一步沉积螺旋结构层。
32.参考附图5，本发明的真空镀膜机包括蒸发源5、样品台支撑座7、样品台8 以及样品9，在步骤(4)的氧化锡锑层的沉积过程中，将蒸镀角设置为90
°
，就如附图2的步骤(4)那样在基材表面均匀平铺一层氧化锡锑层。在沉积螺旋结构层时，将如图5所示，将蒸镀角设置为10
°
，继续蒸镀氧化锡锑层，时间为t1。由于氧化锡锑层上存在半圆球状凸起结构，因此如图3所示，会在半圆球状凸起结构位置1处形成一条状氧化锡锑层，接着在在平行样品台的平面内逆时针旋转样品台120
°
，二次沉积氧化锡锑层，沉积时间为t2，从而在半圆球状凸起结构位置2处形成一条状氧化锡锑层，再次逆时针旋转样品台120
°
再次沉积氧化锡锑层，沉积时间为t3，在半圆球状凸起结构位置3处形成一条状氧化锡锑层，从而形成类似三角形状的结构。通过分别调控位置1、2和3的沉积时间来调控位置1、2和3的厚度，当t3＞t2＞t1
时，会在氧化锡锑层表面形成类三角状螺旋结构，其展开图如图4那样。当然本发明并不局限于此，也可以通过调控旋转的角度以及蒸镀时间等参数来获得其他结构的附加层。下面将结合具体的实施例来说明本发明的半导体电热膜的优异效果。
33.实施例1
34.本实施例提供一种环保绿色半导体电热膜的制备方法，具体包括如下步骤：
35.(1)选取100cm
×
50cm
×
1cm的不锈钢板作为金属基材，将不锈钢板进行冲压成型处理从获得带半圆球状凸起的不锈钢基材。接着对不锈钢基材进行丙酮、酒精和去离子水超声清洗以去除表面污物。
36.(2)沉积二氧化硅介质层，将步骤(1)中的不锈钢基材放入真空镀膜机的样品台上，采用高纯度的石英玻璃作为蒸镀源，关闭蒸发镀膜装置并抽真空，随后开启蒸发镀膜装置，在带半圆球状凸起的不锈钢基材表面蒸镀一层二氧化硅介质层，二氧化硅介质层厚度为50nm。蒸镀工艺条件为：蒸镀角90
°
，真空度大于或等于5.0
×
10
‑3pa,蒸镀电压3kv，电子束流为20ma，基板温度为350℃，沉积速率控制在
37.(3)沉积氧化锡锑层，以高纯度氧化锡锑作为蒸镀源，蒸镀角为90
°
，在步骤(2)中获得的二氧化硅介质层表面沉积一层氧化锡锑层,氧化锡锑层的厚度为100nm。蒸镀工艺条件为：对真空镀膜机进行抽真空，当真空度达到4
×
10
‑3pa 以下时，开始充入o2至工作气压0.5pa，蒸镀电压2.5kv，电子束流为15ma，基板温度为450℃，沉积速率控制在
38.(4)沉积螺旋结构层，旋转真空镀膜机的样品台，将蒸镀角设置为10
°
，在氧化锡锑层的表面继续沉积氧化锡锑层，沉积时间为10min；之后在平行样品台的平面内逆时针旋转样品台120
°
，二次沉积氧化锡锑层，沉积时间为20min；在平行样品台的平面内再次逆时针旋转样品台120
°
，再次沉积氧化锡锑层，沉积时间为30min，从而在步骤(3)获得的氧化锡锑层表面沉积得到类三角状螺旋结构层。
39.实施例2
40.本实施例提供一种环保绿色半导体电热膜的制备方法，具体包括如下步骤：
41.(1)选取100cm
×
50cm
×
1cm的铝合金板作为金属基材，将铝合金板进行冲压成型处理从获得带半圆球状凸起的铝合金板基材。接着对铝合金板基材进行丙酮、酒精和去离子水超声清洗以去除表面污物。
42.(2)沉积二氧化硅介质层，将步骤(1)中的铝合金基材放入真空镀膜机的样品台上，采用高纯度的石英玻璃作为蒸镀源，关闭蒸发镀膜装置并抽真空，随后开启蒸发镀膜装置，在带半圆球状凸起的不锈钢基材表面蒸镀一层二氧化硅介质层，二氧化硅介质层厚度为30nm。蒸镀工艺条件为：蒸镀角90
°
，真空度大于或等于5.0
×
10
‑3pa,蒸镀电压3kv，电子束流为20ma，基板温度为350℃，沉积速率控制在
43.(3)沉积氧化锡锑层，以高纯度氧化锡锑作为蒸镀源，蒸镀角为90
°
，在步骤(2)中获得的二氧化硅介质层表面沉积一层氧化锡锑层,氧化锡锑层的厚度为80nm。蒸镀工艺条件为：对真空镀膜机进行抽真空，当真空度达到4
×
10
‑3pa 以下时，开始充入o2至工作气压0.5pa，蒸镀电压2.5kv，电子束流为15ma，基板温度为450℃，沉积速率控制在
44.(4)沉积螺旋结构层，旋转真空镀膜机的样品台，将蒸镀角设置为10
°
，在氧化锡锑层的表面继续沉积氧化锡锑层，沉积时间为15min；之后在平行样品台的平面内逆时针旋转
样品台120
°
，二次沉积氧化锡锑层，沉积时间为25min；在平行样品台的平面内再次逆时针旋转样品台120
°
，再次沉积氧化锡锑层，沉积时间为35min，从而在步骤(3)获得的氧化锡锑层表面沉积得到类三角状螺旋结构层。
45.实施例3
46.本实施例提供一种环保绿色半导体电热膜的制备方法，具体包括如下步骤：
47.(1)选取100cm
×
50cm
×
1cm的钛合金板作为金属基材，将钛合金板进行冲压成型处理从获得带半圆球状凸起的钛合金板基材。接着对钛合金板基材进行丙酮、酒精和去离子水超声清洗以去除表面污物。
48.(2)沉积二氧化硅介质层，将步骤(1)中的钛合金基材放入真空镀膜机的样品台上，采用高纯度的石英玻璃作为蒸镀源，关闭蒸发镀膜装置并抽真空，随后开启蒸发镀膜装置，在带半圆球状凸起的不锈钢基材表面蒸镀一层二氧化硅介质层，二氧化硅介质层厚度为60nm。蒸镀工艺条件为：蒸镀角90
°
，真空度大于或等于5.0
×
10
‑3pa,蒸镀电压3kv，电子束流为20ma，基板温度为350℃，沉积速率控制在
49.(3)沉积氧化锡锑层，以高纯度氧化锡锑作为蒸镀源，蒸镀角为90
°
，在步骤(2)中获得的二氧化硅介质层表面沉积一层氧化锡锑层,氧化锡锑层的厚度为120nm。蒸镀工艺条件为：对真空镀膜机进行抽真空，当真空度达到4
×
10
‑3pa 以下时，开始充入o2至工作气压0.5pa，蒸镀电压2.5kv，电子束流为15ma，基板温度为450℃，沉积速率控制在
50.(4)沉积螺旋结构层，旋转真空镀膜机的样品台，将蒸镀角设置为10
°
，在氧化锡锑层的表面继续沉积氧化锡锑层，沉积时间为12min；之后在平行样品台的平面内逆时针旋转样品台120
°
，二次沉积氧化锡锑层，沉积时间为24min；在平行样品台的平面内再次逆时针旋转样品台120
°
，再次沉积氧化锡锑层，沉积时间为36min，从而在步骤(3)获得的氧化锡锑层表面沉积得到类三角状螺旋结构层。
51.对比例1
52.与实施例1不同的是，取消步骤(4)中的沉积螺旋结构层从而制备得到不包括螺旋结构层的半导体电热膜。
53.对比例2
54.与实施例1不同的是，步骤(1)中不进行冲压成型处理，采用平面的金属基底材料，直接在表面沉积介质膜以及氧化锡锑层。
55.接着，采用本领域技术人员公知的现有检测方法对实施例1
‑
4和对比例1
‑
2 的电热性能进行检测，计算得到半导体电热膜的功率因子与温度的关系，具体结果图6所示。采用垂直牵引测量法对本发明的半导体电热膜粘附强度进行测试，粘接使用的粘接剂为araldite树脂，试验在小于20℃和湿度低于60％的条件下进行。
56.从图6中可以看出，本发明实施例的半导体电热膜的功率因子最高可达 11.225μw/cmk2，而对比例1中不含螺旋结构层的功率因子最佳值为7.5μw/cmk2，对比例2的功率因子只有2.5μw/cmk2。可见，本发明的半导体电热膜电热能效比大幅提升，本发明的电能转换成热能的转换率最高可达95％以上。另外，本发明的实施例半导体电热膜随着温度升高功率因子只有略微下降，而对比例1和对比例2中的功率因子随着温度升高下降显著，显示出本发明的半导体电热膜具有良好的高温热稳定性，不会随着温度变化出现性能衰减的情况。
通过粘附强度测试，本发明的粘附强度大于250kg/cm2，具有良好的电热膜基体附着力，不会出现长期使用脱落的问题。
57.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。