一种具有发热膜的氮化硅发热体的制备方法与流程

1.本发明属于材料技术领域，具体是涉及到一种具有发热膜的氮化硅发热体的制备方法。


背景技术：

2.陶瓷作为加热体基体，绝缘性能好，在发热产品中的应用越来越广泛，尤其是综合性能优异的氮化硅陶瓷材料，单晶氮化硅的理论热导率能高，能承受超高功率密度，制得的加热体具有极好的热传输和耐热循环性能。同时，二氧化锡薄膜具有高硬度、高透光率、高导电率、耐高温、热稳定性等优异的物理化学特性。但是，将两者结合之后，发热体的热转化率需要进一步的提高。
3.因此，开发一种具有发热膜的氮化硅发热体的制备方法，不但具有迫切的研究价值，也具有良好的经济效益和工业应用潜力，这正是本发明得以完成的动力所在和基础。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种具有发热膜的氮化硅发热体的制备方法，将二氧化锡薄膜与氮化硅发热体进行有效的结合，提高整体的热转化率。
5.本发明的内容包括提供了一种具有发热膜的氮化硅发热体的制备方法，包括如下步骤：
6.s1、将硅粉、铝粉、碳化硅粉按照特定顺序加入混合，并进行球磨；
7.s2、将球磨后的粉料进行干燥，加入助剂，研磨；
8.s3、将研磨后的粉料单面加压成型；
9.s4、将成型的坯体置于高温炉内，并向其中通入氮气反应；
10.s5、将处理后的坯体进行高温烧结，得到发热体；
11.s6、将发热体进行清洁；
12.s7、配制溶液，并将溶液喷涂至清洁后的发热体表面，沉积后得到产品。
13.作为一种优选的技术方案，步骤s1中，硅粉、铝粉、碳化硅粉的重量比为9：3-7：4，且硅粉、铝粉、碳化硅粉的加入顺序为碳化硅粉、一半重量的硅粉、铝粉、另一半重量的硅粉。
14.作为一种优选的技术方案，步骤s1中，球磨的速率为300-500转/分钟，其中，加入碳化硅粉、一半重量的硅粉后，球磨时间为0.5-1小时，加入铝粉后，继续球磨时间为20分钟，加入另一半重量的硅粉后，继续球磨时间为1-1.5小时。
15.作为一种优选的技术方案，步骤s1中，在球磨过程中，要加入乙醇，其中，第一次添加乙醇是在加入碳化硅粉、一半重量的硅粉时，第二次加入乙醇是在加入铝粉后，第三次加入乙醇是在加入另一半重量的硅粉时。
16.作为一种优选的技术方案，步骤s2中，在干燥时，在85-95℃下干燥25-30小时。
17.作为一种优选的技术方案，步骤s2中，所述助剂采用微晶纤维素、聚乙烯醇溶液，
所述聚乙烯醇溶液采用浓度为8.5wt％的溶液，微晶纤维素、聚乙烯醇溶液的重量比例为1：70-75。
18.作为一种优选的技术方案，步骤s3中，成型压力为120-150mpa，压力持续时间为50-60秒。
19.作为一种优选的技术方案，步骤s4中，先将坯体置于未开启的高温炉内，静置8-9小时；然后以5-15℃/小时的升温速度升温到400℃，通入少量的n2，并抽真空，共抽1.5小时，每半个小时抽一次，炉内基本保持负压；抽真空结束后，开始正式通气，以体积比氮气：氢气＝95:5的比例通入气体，炉内维持正压；保持5-15℃/小时的升温速率到500℃，保温5小时；气体的体积比和流量保持不变,继续升温到600℃，保温20小时后断电，关闭进出气阀，依靠水冷降温。
20.作为一种优选的技术方案，步骤s5中，对处理后的坯体进行清洁，然后对表面进行涂覆涂料，并在坯体之间填充氮化硅粉末。
21.作为一种优选的技术方案，所述涂料采用硅酸钠、氮化硼、乙醇的混合物，重量比为3：2：5。
22.作为一种优选的技术方案，步骤s6中，将所述发热体,依次放入盐酸溶液、蒸馏水、氢氧化钠溶液、蒸馏水浸泡，清洗后放入无水乙醇中用超声波清洗10min,取出后放在烘箱中干燥,最后放入等离子清洗机中清洗30min。
23.作为一种优选的技术方案，步骤s7中，所述溶液采用分析纯sncl4·
5h2o和sbcl3为原料，无水乙醇作溶剂制备得到的溶液，其中，sncl4·
5h2o和sbcl3的重量比为5：1。
24.作为一种优选的技术方案，步骤s7中，先将发热体加热至450℃，溶液喷涂的流量为0.5ml/cm2/次，每次喷涂间隔2min，喷涂30次；喷涂结束后将发热体置于500℃环境中保温10min后随炉冷却至室温。
25.本发明具有如下有益效果：
26.本发明提供的具有发热膜的氮化硅发热体的制备方法，采用了特定工艺制备得到的氮化硅发热体，其中，原料采用碳化硅粉、铝粉、硅粉，并且在研磨分散中，将硅粉分成两个批次加入，同时，采用了微晶纤维素、聚乙烯醇溶液作为助剂，使得原料之间的混合程度大大提高，并且为后续的坯体高温氮化处理提供了有利的条件。坯体采用了高温氮化工艺，其工艺步骤经过发明人大量反复试验得出，其中，采用了的逐步升温工艺，是发明人在与特定原料、助剂的基础上进行的，确保了氮化效果，同时也使得发热体密度更加均匀，导热性更优良；发热体的密度均匀，为下一步发热膜制备提供了基础，发热膜在制备时，采用sncl4·
5h2o和sbcl3为原料，同时采用间隔喷涂的方式，确保了发热体和发热膜之间的紧密结合，提高了整体的强度，同时也提高了整体的热转化率。
具体实施方式
27.下面结合具体的实施例对本发明进一步说明。但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。
28.实施例1
29.一种具有发热膜的氮化硅发热体的制备方法，包括如下步骤：
30.s1、将硅粉、铝粉、碳化硅粉按照特定顺序加入混合，并进行球磨，其中，硅粉、铝粉、碳化硅粉的重量比为9：3：4，且硅粉、铝粉、碳化硅粉的加入顺序为碳化硅粉、一半重量的硅粉、铝粉、另一半重量的硅粉，球磨的速率为300转/分钟，其中，加入碳化硅粉、一半重量的硅粉后，球磨时间为0.5小时，加入铝粉后，继续球磨时间为20分钟，加入另一半重量的硅粉后，继续球磨时间为1小时，在球磨过程中，要加入乙醇，其中，第一次添加乙醇是在加入碳化硅粉、一半重量的硅粉时，第二次加入乙醇是在加入铝粉后，第三次加入乙醇是在加入另一半重量的硅粉时；
31.s2、将球磨后的粉料在85℃下干燥25小时，加入助剂，所述助剂采用微晶纤维素、聚乙烯醇溶液，所述聚乙烯醇溶液采用浓度为8.5wt％的溶液，微晶纤维素、聚乙烯醇溶液的重量比例为1：70，研磨；
32.s3、将研磨后的粉料单面加压成型，成型压力为120mpa，压力持续时间为50秒；
33.s4、将成型的坯体置于高温炉内，并向其中通入氮气反应，具体为先将坯体置于未开启的高温炉内，静置8小时，使坯体适应炉内的温度，以保证整个坯体有均匀的温度场，防止升温过程中由于热应力出现的坯料的开裂；然后以5℃/小时的升温速度升温到400℃，通入少量的n2，并抽真空，共抽1.5小时，每半个小时抽一次，炉内基本保持负压；抽真空结束后，开始正式通气，以体积比氮气：氢气＝95:5的比例通入气体，炉内维持正压，并以出气瓶中冒泡现象维持不断为准，注意不要过于激烈的使用氮气；保持5℃/小时的升温速率到500℃，保温5小时；气体的体积比和流量保持不变,继续升温到600℃，保温20小时后断电，关闭进出气阀，依靠水冷降温；
34.s5、对处理后的坯体进行清洁，然后对表面进行涂覆涂料，并在坯体之间填充氮化硅粉末，进行高温烧结，得到发热体，所述涂料采用硅酸钠、氮化硼、乙醇的混合物，重量比为3：2：5，；
35.s6、将所述发热体,依次放入盐酸溶液、蒸馏水、氢氧化钠溶液、蒸馏水浸泡，清洗后放入无水乙醇中用超声波清洗10min,取出后放在烘箱中干燥,最后放入等离子清洗机中清洗30min，进行清洁；
36.s7、配制溶液，所述溶液采用分析纯sncl4·
5h2o和sbcl3为原料，无水乙醇作溶剂制备得到的溶液，其中，sncl4·
5h2o和sbcl3的重量比为5：1，先将发热体加热至450℃，溶液喷涂的流量为0.5ml/cm2/次，每次喷涂间隔2min，用喷雾热解涂膜机喷涂30次；喷涂结束后将发热体置于500℃环境中保温10min后随炉冷却至室温，沉积后得到产品。
37.实施例2
38.一种具有发热膜的氮化硅发热体的制备方法，包括如下步骤：
39.s1、将硅粉、铝粉、碳化硅粉按照特定顺序加入混合，并进行球磨，其中，硅粉、铝粉、碳化硅粉的重量比为9：7：4，且硅粉、铝粉、碳化硅粉的加入顺序为碳化硅粉、一半重量的硅粉、铝粉、另一半重量的硅粉，球磨的速率为500转/分钟，其中，加入碳化硅粉、一半重量的硅粉后，球磨时间为1小时，加入铝粉后，继续球磨时间为20分钟，加入另一半重量的硅粉后，继续球磨时间为1.5小时，在球磨过程中，要加入乙醇，其中，第一次添加乙醇是在加入碳化硅粉、一半重量的硅粉时，第二次加入乙醇是在加入铝粉后，第三次加入乙醇是在加入另一半重量的硅粉时；
40.s2、将球磨后的粉料在95℃下干燥30小时，加入助剂，所述助剂采用微晶纤维素、
聚乙烯醇溶液，所述聚乙烯醇溶液采用浓度为8.5wt％的溶液，微晶纤维素、聚乙烯醇溶液的重量比例为1：75，研磨；
41.s3、将研磨后的粉料单面加压成型，成型压力为150mpa，压力持续时间为60秒；
42.s4、将成型的坯体置于高温炉内，并向其中通入氮气反应，具体为先将坯体置于未开启的高温炉内，静置9小时，使坯体适应炉内的温度，以保证整个坯体有均匀的温度场，防止升温过程中由于热应力出现的坯料的开裂；然后以15℃/小时的升温速度升温到400℃，通入少量的n2，并抽真空，共抽1.5小时，每半个小时抽一次，炉内基本保持负压；抽真空结束后，开始正式通气，以体积比氮气：氢气＝95:5的比例通入气体，炉内维持正压，并以出气瓶中冒泡现象维持不断为准，注意不要过于激烈的使用氮气；保持15℃/小时的升温速率到500℃，保温5小时；气体的体积比和流量保持不变,继续升温到600℃，保温20小时后断电，关闭进出气阀，依靠水冷降温；
43.s5、对处理后的坯体进行清洁，然后对表面进行涂覆涂料，并在坯体之间填充氮化硅粉末，进行高温烧结，得到发热体，所述涂料采用硅酸钠、氮化硼、乙醇的混合物，重量比为3：2：5；
44.s6、将所述发热体,依次放入盐酸溶液、蒸馏水、氢氧化钠溶液、蒸馏水浸泡，清洗后放入无水乙醇中用超声波清洗10min,取出后放在烘箱中干燥,最后放入等离子清洗机中清洗30min，进行清洁；
45.s7、配制溶液，所述溶液采用分析纯sncl4·
5h2o和sbcl3为原料，无水乙醇作溶剂制备得到的溶液，其中，sncl4·
5h2o和sbcl3的重量比为5：1，先将发热体加热至450℃，溶液喷涂的流量为0.5ml/cm2/次，每次喷涂间隔2min，用喷雾热解涂膜机喷涂30次；喷涂结束后将发热体置于500℃环境中保温10min后随炉冷却至室温，沉积后得到产品。
46.实施例3
47.一种具有发热膜的氮化硅发热体的制备方法，包括如下步骤：
48.s1、将硅粉、铝粉、碳化硅粉按照特定顺序加入混合，并进行球磨，其中，硅粉、铝粉、碳化硅粉的重量比为9：5：4，且硅粉、铝粉、碳化硅粉的加入顺序为碳化硅粉、一半重量的硅粉、铝粉、另一半重量的硅粉，球磨的速率为400转/分钟，其中，加入碳化硅粉、一半重量的硅粉后，球磨时间为0.8小时，加入铝粉后，继续球磨时间为20分钟，加入另一半重量的硅粉后，继续球磨时间为1.2小时，在球磨过程中，要加入乙醇，其中，第一次添加乙醇是在加入碳化硅粉、一半重量的硅粉时，第二次加入乙醇是在加入铝粉后，第三次加入乙醇是在加入另一半重量的硅粉时；
49.s2、将球磨后的粉料在90℃下干燥28小时，加入助剂，所述助剂采用微晶纤维素、聚乙烯醇溶液，所述聚乙烯醇溶液采用浓度为8.5wt％的溶液，微晶纤维素、聚乙烯醇溶液的重量比例为1：72，研磨；
50.s3、将研磨后的粉料单面加压成型，成型压力为135mpa，压力持续时间为55秒；
51.s4、将成型的坯体置于高温炉内，并向其中通入氮气反应，具体为先将坯体置于未开启的高温炉内，静置8.5小时，使坯体适应炉内的温度，以保证整个坯体有均匀的温度场，防止升温过程中由于热应力出现的坯料的开裂；然后以10℃/小时的升温速度升温到400℃，通入少量的n2，并抽真空，共抽1.5小时，每半个小时抽一次，炉内基本保持负压；抽真空结束后，开始正式通气，以体积比氮气：氢气＝95:5的比例通入气体，炉内维持正压，并以出
气瓶中冒泡现象维持不断为准，注意不要过于激烈的使用氮气；保持10℃/小时的升温速率到500℃，保温5小时；气体的体积比和流量保持不变,继续升温到600℃，保温20小时后断电，关闭进出气阀，依靠水冷降温；
52.s5、对处理后的坯体进行清洁，然后对表面进行涂覆涂料，并在坯体之间填充氮化硅粉末，进行高温烧结，得到发热体，所述涂料采用硅酸钠、氮化硼、乙醇的混合物，重量比为3：2：5，；
53.s6、将所述发热体,依次放入盐酸溶液、蒸馏水、氢氧化钠溶液、蒸馏水浸泡，清洗后放入无水乙醇中用超声波清洗10min,取出后放在烘箱中干燥,最后放入等离子清洗机中清洗30min，进行清洁；
54.s7、配制溶液，所述溶液采用分析纯sncl4·
5h2o和sbcl3为原料，无水乙醇作溶剂制备得到的溶液，其中，sncl4·
5h2o和sbcl3的重量比为5：1，先将发热体加热至450℃，溶液喷涂的流量为0.5ml/cm2/次，每次喷涂间隔2min，用喷雾热解涂膜机喷涂30次；喷涂结束后将发热体置于500℃环境中保温10min后随炉冷却至室温，沉积后得到产品。
55.实施例4
56.一种具有发热膜的氮化硅发热体的制备方法，包括如下步骤：
57.s1、将硅粉、铝粉、碳化硅粉按照特定顺序加入混合，并进行球磨，其中，硅粉、铝粉、碳化硅粉的重量比为9：3：4，且硅粉、铝粉、碳化硅粉的加入顺序为碳化硅粉、一半重量的硅粉、铝粉、另一半重量的硅粉，球磨的速率为500转/分钟，其中，加入碳化硅粉、一半重量的硅粉后，球磨时间为0.5小时，加入铝粉后，继续球磨时间为20分钟，加入另一半重量的硅粉后，继续球磨时间为1.5小时，在球磨过程中，要加入乙醇，其中，第一次添加乙醇是在加入碳化硅粉、一半重量的硅粉时，第二次加入乙醇是在加入铝粉后，第三次加入乙醇是在加入另一半重量的硅粉时；
58.s2、将球磨后的粉料在85℃下干燥30小时，加入助剂，所述助剂采用微晶纤维素、聚乙烯醇溶液，所述聚乙烯醇溶液采用浓度为8.5wt％的溶液，微晶纤维素、聚乙烯醇溶液的重量比例为1：70，研磨；
59.s3、将研磨后的粉料单面加压成型，成型压力为150mpa，压力持续时间为50秒；
60.s4、将成型的坯体置于高温炉内，并向其中通入氮气反应，具体为先将坯体置于未开启的高温炉内，静置9小时，使坯体适应炉内的温度，以保证整个坯体有均匀的温度场，防止升温过程中由于热应力出现的坯料的开裂；然后以5℃/小时的升温速度升温到400℃，通入少量的n2，并抽真空，共抽1.5小时，每半个小时抽一次，炉内基本保持负压；抽真空结束后，开始正式通气，以体积比氮气：氢气＝95:5的比例通入气体，炉内维持正压，并以出气瓶中冒泡现象维持不断为准，注意不要过于激烈的使用氮气；保持15℃/小时的升温速率到500℃，保温5小时；气体的体积比和流量保持不变,继续升温到600℃，保温20小时后断电，关闭进出气阀，依靠水冷降温；
61.s5、对处理后的坯体进行清洁，然后对表面进行涂覆涂料，并在坯体之间填充氮化硅粉末，进行高温烧结，得到发热体，所述涂料采用硅酸钠、氮化硼、乙醇的混合物，重量比为3：2：5，；
62.s6、将所述发热体,依次放入盐酸溶液、蒸馏水、氢氧化钠溶液、蒸馏水浸泡，清洗后放入无水乙醇中用超声波清洗10min,取出后放在烘箱中干燥,最后放入等离子清洗机中
清洗30min，进行清洁；
63.s7、配制溶液，所述溶液采用分析纯sncl4·
5h2o和sbcl3为原料，无水乙醇作溶剂制备得到的溶液，其中，sncl4·
5h2o和sbcl3的重量比为5：1，先将发热体加热至450℃，溶液喷涂的流量为0.5ml/cm2/次，每次喷涂间隔2min，喷涂30次；喷涂结束后将发热体置于500℃环境中保温10min后随炉冷却至室温，沉积后得到产品。
64.实施例5
65.一种具有发热膜的氮化硅发热体的制备方法，包括如下步骤：
66.s1、将硅粉、铝粉、碳化硅粉按照特定顺序加入混合，并进行球磨，其中，硅粉、铝粉、碳化硅粉的重量比为9：7：4，且硅粉、铝粉、碳化硅粉的加入顺序为碳化硅粉、一半重量的硅粉、铝粉、另一半重量的硅粉，球磨的速率为300转/分钟，其中，加入碳化硅粉、一半重量的硅粉后，球磨时间为1小时，加入铝粉后，继续球磨时间为20分钟，加入另一半重量的硅粉后，继续球磨时间为1小时，在球磨过程中，要加入乙醇，其中，第一次添加乙醇是在加入碳化硅粉、一半重量的硅粉时，第二次加入乙醇是在加入铝粉后，第三次加入乙醇是在加入另一半重量的硅粉时；
67.s2、将球磨后的粉料在90℃下干燥29小时，加入助剂，所述助剂采用微晶纤维素、聚乙烯醇溶液，所述聚乙烯醇溶液采用浓度为8.5wt％的溶液，微晶纤维素、聚乙烯醇溶液的重量比例为1：71，研磨；
68.s3、将研磨后的粉料单面加压成型，成型压力为145mpa，压力持续时间为57秒；
69.s4、将成型的坯体置于高温炉内，并向其中通入氮气反应，具体为先将坯体置于未开启的高温炉内，静置8.5小时，使坯体适应炉内的温度，以保证整个坯体有均匀的温度场，防止升温过程中由于热应力出现的坯料的开裂；然后以8℃/小时的升温速度升温到400℃，通入少量的n2，并抽真空，共抽1.5小时，每半个小时抽一次，炉内基本保持负压；抽真空结束后，开始正式通气，以体积比氮气：氢气＝95:5的比例通入气体，炉内维持正压，并以出气瓶中冒泡现象维持不断为准，注意不要过于激烈的使用氮气；保持13℃/小时的升温速率到500℃，保温5小时；气体的体积比和流量保持不变,继续升温到600℃，保温20小时后断电，关闭进出气阀，依靠水冷降温；
70.s5、对处理后的坯体进行清洁，然后对表面进行涂覆涂料，并在坯体之间填充氮化硅粉末，进行高温烧结，得到发热体，所述涂料采用硅酸钠、氮化硼、乙醇的混合物，重量比为3：2：5，；
71.s6、将所述发热体,依次放入盐酸溶液、蒸馏水、氢氧化钠溶液、蒸馏水浸泡，清洗后放入无水乙醇中用超声波清洗10min,取出后放在烘箱中干燥,最后放入等离子清洗机中清洗30min，进行清洁；
72.s7、配制溶液，所述溶液采用分析纯sncl4·
5h2o和sbcl3为原料，无水乙醇作溶剂制备得到的溶液，其中，sncl4·
5h2o和sbcl3的重量比为5：1，先将发热体加热至450℃，溶液喷涂的流量为0.5ml/cm2/次，每次喷涂间隔2min，喷涂30次；喷涂结束后将发热体置于500℃环境中保温10min后随炉冷却至室温，沉积后得到产品。
73.对比例1
74.氮化硅发热体的制备，采用了一般成型法，即先将硅粉压制成所需形状的生坯，放入氮化炉经预氮化(部分氮化)烧结处理；将生坯再一次进行完全氮化烧结，得到氮化硅发
热体。
75.步骤s6、步骤s7与实施例3的步骤相同。
76.对比例2
77.与实施例3的步骤基本一致，区别在于：步骤s2中，助剂仅采用聚乙烯醇溶液。
78.对比例3
79.与实施例3的步骤基本一致，区别在于：步骤s4中，采用直接升温至600℃、通入氮气，并维持温度的高温氮化方式。
80.对比例4
81.与实施例3的步骤基本一致，区别在于：步骤s7中，溶液采用了丝印涂布的方式。
82.对实施例1-5、对比例1-4中的产品进行热转化率性能测试：
83.将实施例1-5、对比例1-4制备的产品，制备成相同规格的发热体，在温度27℃，湿度80％rh的条件下，对发热体进行直流13.5v，500ma的通电加热，在同一体条件下进行升温测试，先通电，使发热体的表面温度上升至最高值并达到平衡，重复50次，并记录测试结果如下：
84.实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5对比例1对比例2对比例3对比例496.2％95.7％97.5％93.5％96.1％79.3％89.2％87.4％86.7％
85.应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的保护范围之内。