一种抗热震碳化硅电热元件及其加工工艺的制作方法

本发明涉及电热元件领域，具体是一种抗热震碳化硅电热元件及其加工工艺。

背景技术：

1、电热元件是电热器的核心部件，电热元件的好坏决定电热器的性能和使用寿命，为了提高电热元件的耐高温性，通常在电热元件表层涂刷陶瓷涂层，来提高电热元件的高温抗氧化的效果，但是涂层与基件同样存在热膨胀系数不匹配，结合力不足，从而导致涂层脱落失效的问题。

2、碳化硅是目前具有应用潜力的高温热结构材料之一，但是其本身具有本征脆性和低延展性，在高低温热循环中容易出现开裂和灾难性失效，即碳化硅的抗热震与韧性较差，限制了其在电热元件中的应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种抗热震碳化硅电热元件及其加工工艺，以解决现有技术中的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、一种抗热震碳化硅电热元件的加工工艺，包括以下步骤：

4、s1：用聚碳硅烷、二茂铁修饰有机框架制备原位纳米线增韧碳化硅；

5、s2：将原位纳米线增韧碳化硅依次经过化学气相渗透、先驱体浸渍裂解转化，得到改性碳化硅；

6、s3：用基础釉料、二茂铁修饰有机框架、聚乙烯醇制备涂层浆料；

7、s4：将涂层浆料涂覆在改性碳化硅表面，烧结，得到一种抗热震碳化硅电热元件。

8、进一步的，化学气相渗透的工作条件为：以甲烷为先驱体，氮气为稀释气体，在950-1000℃进行沉积，沉积压力为6kpa，沉积时间24h。

9、进一步的，先驱体浸渍裂解转化的工作条件为：采用质量分数为45％的热固型呋喃树脂作为先驱体，浸渍压力为3mpa，时间1h，浸渍完成后于175℃保温3h，然后升温至1000℃保温1.5h。

10、进一步的，二茂铁修饰有机框架的制备包括以下步骤：

11、1)氯化锆、4,4-二氨基-1,1-联苯-3,3-二羧酸、苯甲酸、n,n-二甲基甲酰胺混合，搅拌50-60min，升温至120℃加热12h，加入钛酸四丁酯与n,n-二甲基甲酰胺的混合液，升温至120℃加热12h，冷却、离心、洗涤，得到有机框架；

12、2)将有机框架和二茂铁甲醛、三氯甲烷混合，搅拌器6-7h，洗涤，烘干，得到二茂铁修饰有机框架。

13、进一步的，原位纳米线增韧碳化硅的制备包括以下步骤：

14、(1)将聚碳硅烷研磨过200目筛，加热至300℃保温3h，冷却后加入二茂铁修饰有机框架与二甲苯的混合液，研磨过200目筛，获得前驱体粉末；

15、(2)将前驱体粉末置于模具中，15mpa下冷压成型，获得前驱体粉末压片，然后采用石墨纸包裹前驱体粉末压片，包埋于活性炭粉中，在氩气气氛下升温至1300℃保温2h，得到原位纳米线增韧碳化硅。

16、进一步的，以质量份数计，涂层浆料的组成为：基础釉料14-16份、二茂铁修饰有机框架2-5份、聚乙烯醇11-13份。

17、进一步的，以质量份数计，基础釉料的组成为：电熔莫来石10-20份、高岭土38-40份、活性α-al2o3微粉2-3份、水合氧化铝1-2份、氧化镁粉5-6份、改性钢纤维2-3份。

18、进一步的，改性钢纤维的制备包括以下步骤：

19、将铝粉和硅粉混合，加入钢纤维、热固性酚醛树脂、乙二醇的混合液，超声搅拌1-2h，放置2h，180℃保温8h，冷却，粉碎，过200目筛，得到改性钢纤维。

20、进一步的，钢纤维的尺寸为20-40μm，铝粉的尺寸为5-10μm，硅粉的尺寸为5-10μm。

21、本发明制备的碳化硅电热元件与金属电热元件相比，具有使用温度高、抗氧化、耐腐蚀、寿命长、抗热震等特点。根据实际需求，本发明的电热元件可按需在模具中加工成粗端部、等直径硅碳棒，如直型棒、u型棒、枪型棒、槽型棒、单螺纹棒、双螺纹棒等规格型号，其直径范围为6-45mm。

22、本发明的有益效果：

23、本发明提供一种抗热震碳化硅电热元件及其加工工艺，用聚碳硅烷、二茂铁修饰有机框架合成原位纳米线增韧碳化硅作为电热元件原件，然后依次经过化学气相渗透、先驱体浸渍裂解转化，大幅提高碳化硅的韧性及抗热震性，用基础釉料、二茂铁修饰有机框架、聚乙烯醇制备涂层浆料，在电热元件原件表面构建具有致密堇青石-莫来石表面，从而大幅增强碳化硅电热元件的抗热震性及力学强度。

24、用聚碳硅烷研磨，过筛，在空气环境中预氧化形成交联结构，加入用4,4-二氨基-1,1-联苯-3,3-二羧酸、苯甲酸为配体，与锆离子、钛离子合成有机框架，然后与二茂铁甲醛继续反应生成二茂铁修饰有机框架，随加热温度的上升，二茂铁修饰有机框架中的铁原子与钛均促进碳化硅纳米线的形核及生长，随着聚碳硅烷的逐渐裂解生成了中密度碳化硅，裂解过程中释放的含si和c的硅烷分子与fe原子、钛原子、锆离子结合形成催化剂液滴，从而原位生长纳米线，然后依次经过化学气相渗透、先驱体浸渍裂解转化，将中密度碳化硅进一步致密化，获得结构致密的原位纳米线增韧碳化硅，原位生长的碳化硅纳米线通过纳米线桥连和拔出增韧机制缓解碳化硅制备及高低温交变过程中的应力集中，从而减少裂纹数量和尺寸，进而提升陶瓷断裂韧性和抗热震性能。

25、通过控制涂层浆料中组成及含量限定，使涂层浆料在烧结后在电热元件原件的表面形成热膨胀系数相似，耐高温、致密化的堇青石-莫来石表面，从而大幅提高其抗热震性。

26、选择电熔莫来石、高岭土、活性α-al2o3微粉、水合氧化铝、氧化镁粉、改性钢纤维作为基础釉料，以高岭土为原料合成堇青石结合莫来石质浇注料，引入第二相改性钢纤维，利用不同材料热膨胀系数的差异性，在内部形成微裂纹以达到改善电热元件抗热震性能的目的。

27、通过控制铝粉与硅粉的用量，用铝粉与硅粉包覆钢纤维，在高温下原位形成针状、纤维状aln、al4c3、sic，有效降低si的熔点，促进了表面碳化硅的生成，使颗粒成为类链球结构，将颗粒与基质桥接起来，强化颗粒与基质的结合，从而改善钢纤维与基础釉料中其他成分结合性能，起到协同增强增韧作用，且纤维状al4c3、aln具有低膨胀、高热导性，舒缓内热应力，改善电热元件的热震稳定性。

28、在涂层浆料中引入二茂铁修饰有机框架，使浆料能平整地铺展在原件表面，减少凹坑，减少表面气泡，有助于提升釉面的弹性性能，提高烧结后形成的釉面光滑度。

技术特征：

1.一种抗热震碳化硅电热元件的加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种抗热震碳化硅电热元件的加工工艺，其特征在于，化学气相渗透的工作条件为：以甲烷为先驱体，氮气为稀释气体，在950-1000℃进行沉积，沉积压力为6kpa，沉积时间24h。

3.根据权利要求1所述的一种抗热震碳化硅电热元件的加工工艺，其特征在于，先驱体浸渍裂解转化的工作条件为：采用质量分数为45％的热固型呋喃树脂作为先驱体，浸渍压力为3mpa，时间1h，浸渍完成后于175℃保温3h，然后升温至1000℃保温1.5h。

4.根据权利要求1所述的一种抗热震碳化硅电热元件的加工工艺，其特征在于，二茂铁修饰有机框架的制备包括以下步骤：

5.根据权利要求1所述的一种抗热震碳化硅电热元件的加工工艺，其特征在于，原位纳米线增韧碳化硅的制备包括以下步骤：

6.根据权利要求1所述的一种抗热震碳化硅电热元件的加工工艺，其特征在于，以质量份数计，涂层浆料的组成为：基础釉料14-16份、二茂铁修饰有机框架2-5份、聚乙烯醇11-13份。

7.根据权利要求1所述的一种抗热震碳化硅电热元件的加工工艺，其特征在于，以质量份数计，基础釉料的组成为：电熔莫来石10-20份、高岭土38-40份、活性α-al2o3微粉2-3、水合氧化铝1-2份、氧化镁粉5-6份、改性钢纤维2-3份。

8.根据权利要求1所述的一种抗热震碳化硅电热元件的加工工艺，其特征在于，改性钢纤维的制备包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种抗热震碳化硅电热元件的加工工艺，其特征在于，钢纤维的尺寸为20-40μm，铝粉的尺寸为5-10μm，硅粉的尺寸为5-10μm。

10.一种抗热震碳化硅电热元件，其特征在于，由权利要求1-9中任一种所述加工工艺加工得到。

技术总结
本发明涉及电热元件领域，具体是一种抗热震碳化硅电热元件及其加工工艺，用聚碳硅烷、二茂铁修饰有机框架合成原位纳米线增韧碳化硅作为电热元件原件，然后依次经过化学气相渗透、先驱体浸渍裂解转化，大幅提高碳化硅的韧性及抗热震性，用基础釉料、二茂铁修饰有机框架、聚乙烯醇制备涂层浆料，在电热元件原件表面构建具有致密堇青石‑莫来石表面；用4,4‑二氨基‑1,1‑联苯‑3,3‑二羧酸、苯甲酸为配体，与锆离子、钛离子合成有机框架，然后与二茂铁甲醛继续反应生成二茂铁修饰有机框架。

技术研发人员：谈倬伟,谈卓君,王才荣,徐卫江
受保护的技术使用者：宜兴市荣利钨钼制品有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16