专利名称：一种硅化钼型加热元件的制备方法
技术领域：
本发明属于陶瓷技术领域，具体涉及一种硅化钼型加热元件的制备方法。
背景技术：
硅化钼型加热元件因其具有高熔点、良好的高温抗氧化性、抗热冲击性和稳定的电阻特性等优点而得到广泛应用。硅化钼型加热元件由冷端和热端组成。冷端较粗，电阻小，主要作用是导电；热端较细，一般为冷端直径尺寸的一半，电阻较大，主要作用是向周围环境辐射热量。目前，国内外硅化钼型加热元件的制备均采用冷热端分别挤出成型、烧成， 然后进行精细加工，最后经焊接而成。这种制备方法复杂，在精细加工过程中产生较多废料。而且，烧成后的冷端和热端材料晶粒长大，导致在冷热端焊接过程中Mo、Si等原子相互扩散较困难，因此很难保证冷热端的焊接质量，焊接部位容易出现假焊、虚焊、局部焊、开裂等问题。在使用过程中焊接部位容易出现熔断、脱焊等问题，是硅化钼型加热元件破坏的最主要原因，约占80%。可见使用传统挤出成型、焊接工艺生产出的硅化钼型加热元件不仅工艺复杂繁琐、制备周期长，而且所生产的加热元件使用过程中冷热端焊接部位容易断裂。因此需要开发一种新的成型工艺来解决上述问题。凝胶注模成型(gel-casting)最早由美国橡树岭国家实验室提出，是一种近净尺寸成型技术。它是利用有机单体聚合形成相互交联三维网状结构，使悬浮浆料原位固化，之后经过干燥、烧结等工艺过程制备陶瓷制品。该工艺有机单体含量低，产品尺寸精度高，坯体强度高，可进行机械加工，在精密、结构复杂的陶瓷元件生产中得到了广泛应用。这一技术已应用于亚微米或微米级粉体的氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)等形状复杂的陶瓷部件的成型。因此，利用凝胶注模成型冷热端一体化加热元件，可以简化加热元件制备工艺，省去加热元件冷热端的焊接步骤，保证冷热端交界处材料的一致性，充分发挥了一体化硅化钼型加热元件的优良性能，提高其使用寿命。同时可以提高生产效率，降低生产成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅化钼型加热元件的制备方法。该方法利用凝胶注膜近净尺寸成型的优点，将发热元件的冷热端一体化成型后烧成制备加热元件，无需后续冷热端精细加工和焊接等工艺。一种硅化钼型加热元件的制备方法，将去离子水、有机单体、交联剂混合配置成预混液，然后加入硅化钼型粉体、硅酸盐氧化物、分散剂在球磨罐中混合后；将浆料PH调至 8. 0-10. 0后球磨得到分散均勻、稳定、流动性能好的悬浮浆料；在悬浮浆料中加入引发剂和催化剂，搅拌均勻并进行真空除气处理，然后倒入成型模具中，在一定温度下使浆料凝胶固化成型；成型坯体经干燥、烧成即得所需加热元件。去离子水、有机单体、交联剂的质量比为100 10-30 2-0.5。所述有机单体为丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺，交联剂为NN-亚甲基双丙烯酰胺。
预混液、硅化钼型粉体、硅酸盐氧化物、分散剂的质量比为 1:5-9: 0.20-0.50 0.05-0.20。所述硅酸盐氧化物中氧化铝和二氧化硅的总含量> 95wt. %，其中氧化铝占重量的8-43wt. %，二氧化硅占重量的52-87wt. %。所述硅化钼型粉体为(WxMcvx) (SihAly)2，纯度均彡98. Owt. %，粒度彡30微米；χ 处于0-0. 5范围内，y处于0-0. 45范围内。所述分散剂为聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、柠檬酸三铵中的一种。所述引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾中的一种，加入量为有机单体重量的 1. 0-8. Owt. % ；所述催化剂为四甲基乙二胺，加入量为有机单体重量的0. 1-2. Owt. %。成型坯体的烧成是在气氛炉氩气或氢气下1450_1650°C保温1. 0-2. 0个小时。本发明制备硅化钼型加热元件的主要步骤如下1、浆料配制(1)去离子水、有机单体和交联剂按质量比100 10-30 2-0. 5称取搅拌均勻配制成预混液；所述有机单体为丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺，交联剂为N，N’ -亚甲基双丙烯酰胺；(2)、预混液、硅化钼型粉体、硅酸盐氧化物、分散剂按质量比 1:5-9: 0. 20-0. 50 0.05-0. 20放入球磨罐中，以陶瓷球为研磨球，混合0.5-10. 0小时；然后用氨水或氧化钾或氧化钠将浆料PH调至8. 0-10. 0后球磨15-36小时后得到分散均勻、稳定、流动性能好的浆料；所述硅化钼型粉体纯度> 98. Owt. %，粒度< 30微米；硅酸盐氧化物中氧化铝和二氧化硅的总含量> 95wt. %，其中氧化铝占重量的8-43wt. %，二氧化硅占重量的52-87wt. % ；所述分散剂为聚乙烯醇、聚丙烯酰胺或柠檬酸三铵；2、坯体成型向步骤1配制浆料中加入引发剂过硫酸铵或过硫酸钾，加入量为有机单体的1.0-8. Owt. %，搅拌均勻；再向浆料中加入催化剂四甲基乙二胺，加入量为有机单体的0. 1-2. Owt. %，搅拌均勻；将浆料进行抽真空除气处理后注入到成型模具内，在 25-90°C温度范围内凝胶固化成型；坯体脱模后干燥；3、烧成在气氛炉氢气或氩气气氛下1450_1650°C保温1. 0_2. 0个小时，得到硅化钼型加热元件。本发明实质性特点是1)坯体烧成后无需冷热端的的焊接，避免传统制备方法导致加热元件冷热端焊接部位质量不高的问题。2)该工艺操作简单，容易成型异型制品。3)本发明工艺方法无需后续再加工，避免了物料的损失，减少了设备需求，成本低。
具体实施例方式实施例1 1)浆料制备将50克丙烯酰胺和2. 5克N，N’ -亚甲基双丙烯酰胺放入盛有500 克去离子水烧杯中溶解得到预混液，倒入球磨罐中；将观00克纯度98. Owt. %、粒度30微米的MoSi2粉体和110. 5克硅酸盐氧化物(氧化铝占8wt. %，二氧化硅87wt. % )和观克聚乙烯醇放入盛有预混液的球磨罐中，以氧化铝球为研磨球，混合0. 5小时，加入适量氧化钠将浆料PH值调至8. 0后继续球磨15小时得到浆料。2)成型和干燥向步骤1)浆料中加入0. 5克过硫酸铵，搅拌均勻；再向浆料中加入0.05克四甲基乙二胺，搅拌均勻。然后将浆料除气抽真空处理后注入到成型模具内，在 25°C下凝胶固化成型。0. 5小时后脱去模具，将坯体干燥。3)烧成将干燥好的坯体在气氛炉氩气气氛下1450°C保温2. 0个小时，得到MoSi2 加热元件。实施例2 1)浆料制备将75克丙烯酰胺和5. 0克N，N’ -亚甲基双丙烯酰胺放入盛有500 克去离子水烧杯中溶解得到预混液，倒入球磨罐中；将3495克纯度98. 7wt. %、粒度25微米的(Wa5Moa5)Si2和160克硅酸盐氧化物(氧化铝43wt. %，二氧化硅52wt. % )和35克聚乙烯醇放入盛有预混液的球磨罐中，以氧化铝球为研磨球，混合3. 0小时，加入适量氧化钾将浆料PH值调至9. 0后继续球磨20小时得到浆料。2)成型和干燥。向步骤1)浆料中加入1. 5克过硫酸铵，搅拌均勻；再向浆料中加入0.45克四甲基乙二胺，搅拌均勻。然后将浆料除气抽真空处理后注入到成型模具内，在 45°C下凝胶固化成型。0. 5小时后脱去模具，将坯体干燥。3)烧成将干燥好的坯体在气氛炉氩气气氛下中1500°C保温2.0个小时，得到 (Wa5Moa5)Si2 发热体。实施例3 1)浆料制备将100克甲基丙烯酰胺和5. 0克N，N’ -亚甲基双丙烯酰胺放入盛有500克去离子水烧杯中溶解得到预混液，倒入球磨罐中；将4252克纯度99. Owt. %、粒度 20微米的(W0. ^o0. i) Si2和210. 5克硅酸盐氧化物(氧化铝21wt. %，二氧化硅74wt. % )和 60. 5克聚丙烯酰胺放入盛有预混液的球磨罐中，以氧化锆球为研磨球，混合5. 0小时，加入适量氨水将浆料PH值调至9. 5后继续球磨25小时得到浆料。2)成型和干燥。向步骤1)浆料中加入4. 5克过硫酸钾，搅拌均勻；再向浆料中加入1.0克四甲基乙二胺，搅拌均勻。然后将浆料除气抽真空处理后注入到成型模具内，在 60°C下凝胶固化成型。0. 5小时后脱去模具，将坯体干燥。3)烧成将干燥好的坯体在气氛炉氢气气氛下1550°C保温2.0个小时，得到 (WaiMoai)Si2 发热体。实施例4 1)浆料制备将125克丙烯酰胺和7. 5克N，N’ -亚甲基双丙烯酰胺放入盛有500 克去离子水烧杯中溶解得到预混液，倒入球磨罐中；将5040克纯度99. 3wt. %、粒度10微米的Mo (Ala45Sia55)JP 280克硅酸盐氧化物(氧化铝17wt. %，二氧化硅78wt. 和94. 87 克聚丙烯酰胺放入盛有预混液的球磨罐中，以氧化锆球为研磨球，混合7. 0小时，加入适量氨水将浆料PH值调至10. 0后继续球磨30小时得到浆料。2)成型和干燥向步骤1)浆料中加入8. 5克过硫酸铵，搅拌均勻；再向浆料中加入1.8克四甲基乙二胺，搅拌均勻。然后将浆料除气抽真空处理后注入到成型模具内，在 70°C下凝胶固化成型。0. 5小时后脱去模具，将坯体干燥。3)烧成将干燥好的坯体在气氛炉氢气气氛下1600°C保温1. 5个小时，得到Mo (Ala45Sia55)2 二硅化钼发热体。实施例5 1)浆料制备将150克甲基丙烯酰胺和10. 0克N，N’ -亚甲基双丙烯酰胺放入盛有500克去离子水烧杯中溶解得到预混液，倒入球磨罐中；将5940克纯度99. 6wt. %、粒度 5微米的Mo(AlaiSia9)2和330克硅酸盐氧化物(氧化铝Ilwt. %，二氧化硅84wt. % )和 132克柠檬酸三铵放入盛有预混液的球磨罐中，以氧化锆球为研磨球，混合10. 0小时，加入适量氨水将浆料PH值调至10. 0后继续球磨36小时得到浆料。2)成型和干燥。向步骤1)浆料中加入12克过硫酸钾，搅拌均勻；再向浆料中加入3克四甲基乙二胺，搅拌均勻。然后将浆料除气抽真空处理后注入到成型模具内，在90°C 下凝胶固化成型。0.5小时后脱去模具，将坯体干燥。3)烧成将干燥好的坯体在气氛炉氢气气氛下1650°C保温1.0个小时，得到 Mo (AlaiSia9)2 发热体。
权利要求
1.一种硅化钼型加热元件的制备方法，其特征在于，将去离子水、有机单体、交联剂混合配置成预混液，然后加入硅化钼型粉体、硅酸盐氧化物、分散剂在球磨罐中混合后；将浆料PH调至8. 0-10. 0后球磨得到分散均勻、稳定、流动性能好的悬浮浆料；在悬浮浆料中加入引发剂和催化剂，搅拌均勻并进行真空除气处理，然后倒入成型模具中，在一定温度下使浆料凝胶固化成型；成型坯体经干燥、烧成即得所需加热元件。
2.根据权利要求1所述的一种硅化钼型加热元件的制备方法，其特征在于去离子水、 有机单体、交联剂的质量比为100 10-30 2-0.5。
3.根据权利要求1所述的一种硅化钼型加热元件的制备方法，其特征在于所述有机单体为丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺，交联剂为NN’ -亚甲基双丙烯酰胺。
4.根据权利要求1所述的一种硅化钼型加热元件的制备方法，其特征在于预混液、硅化钼型粉体、硅酸盐氧化物、分散剂的质量比为1 5-9 0. 20-0. 50 0.05-0.20。
5.根据权利要求1所述的一种硅化钼型加热元件的制备方法，其特征在于所述硅酸盐氧化物中氧化铝和二氧化硅的总含量> 95wt. %，其中氧化铝占重量的8-43wt. %，二氧化硅占重量的52-87wt. %。
6.根据权利要求1所述的一种硅化钼型加热元件的制备方法，其特征在于所述硅化钼型粉体为(WxMcvx) (SipyAly)2，纯度均彡98. Owt. %，粒度彡30微米。
7.根据权利要求6所述的一种硅化钼型加热元件的制备方法，其特征在于χ处于 0-0. 5范围内，y处于0-0. 45范围内。
8.根据权利要求1所述的一种硅化钼型加热元件的制备方法，其特征在于所述分散剂为聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、柠檬酸三铵中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种硅化钼型加热元件的制备方法，其特征在于所述引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾中的一种，加入量为有机单体重量的1.0-8. Owt. % ；所述催化剂为四甲基乙二胺，加入量为有机单体重量的0. 1-2. Owt. %。
10.根据权利要求1所述的一种硅化钼型加热元件的制备方法，其特征在于，成型坯体的烧成是在气氛炉氩气或氢气下1450-1650°c保温1. 0-2. 0个小时。
全文摘要
本发明属于陶瓷技术领域，涉及一种硅化钼型加热元件的制备方法，利用凝胶注膜方法近净尺寸成型的优点，一体化成型硅化钼型加热元件坯体，然后经干燥、烧成即可得到硅化钼型加热元件产品。具体步骤为将去离子水、有机单体、交联剂混合配置成预混液，然后加入硅化钼型粉体、硅酸盐氧化物、分散剂，混合得到悬浮浆料，在悬浮浆料中加入引发剂和催化剂，搅拌均匀后进行真空除气处理，使浆料凝胶固化成型；成型坯体经干燥、烧成得到所需加热元件。本发明一体化成型硅化钼型加热元件，省去了冷热端焊接工序，避免传统制备方法导致发热体冷热端焊接质量不高、寿命低的问题。具有操作简便，容易成型异型制品、产品质量高和成本低等优点。
文档编号C04B35/622GK102173812SQ20111003530
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月29日 优先权日2011年1月29日
发明者周继伟, 姜欣, 王刚, 王来稳, 王龙庆, 蔡泽 申请人:中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司, 洛阳神佳窑业有限公司