金属陶瓷发热体的制备和电阻温度系数的调控

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近年来,随着电热材料在民用加热取暖装置及工业领域制品热处理等方面的应用愈加广泛,人们对电热材料提出了升温速率快,体积小,耐腐蚀等新的要求。金属陶瓷发热体作为新型电热材料受到了广泛的青睐,随着该产品在民用、医疗、军用等方面的广泛应用,对其升温速率、封接强度高提出了更高的要求。本文主要通过改变金属浆料配方组成降低金属陶瓷发热体的电阻温度系数,满足产品在恒压高温阶段的发热效率,并通过向金属浆料中添加无机氧化物制备了具有高封接强度的金属陶瓷发热体。通过XRF、XRD、SEM等测试手段以及热力学与动力学知识探讨了样品电阻温度系数减小以及封接强度提高的机理,为企业研发提供了理论依据。主要研究成果如下:(1)为制备具有低电阻温度系数的金属陶瓷发热体,分别向以W-Mn为主要原料的金属浆料中加入不同含量的Mo粉、V粉、Ge粉、Te粉和X粉等粉末单质。结果表明:未加入其它粉末的A0及B0配方样品的电阻温度系数约为3800ppm/°C,当外加入7wt%金属Mo粉时,A4样品的电阻温度系数最低约为2500ppm/°C,当分别外加5wt%的V粉、Ge粉和Te粉时,样品电阻温度系数均显著降低,其值约为2600ppm/°C。当加入5wt%的X粉时,样品电阻温度系数最低降至1986ppm/°C。由热力学及动力学研究和微观测试结果表明:A0和B0样品电阻温度系数降低是因为陶瓷坯体中的SiO2大部分被残留C还原单质Si,并与金属W形成了W-Si固溶体,导致样品电阻温度系数较纯金属W低。加入Mo粉和V粉后分别会与金属W形成无限固溶体使样品电阻温度系数降低,加入Ge粉和Te粉后在高温烧结时由液相和W相共存,W相中固溶有少量Ge元素或Te元素,破坏了W原子原有的晶胞结构,导致样品电阻温度系数减小。(2)随着外加的无机氧化物中MgO·Al2O3尖晶石相含量的增多,样品焊线可承受的最大拉力随之增大。当外加的无机氧化物全部由MgO·Al2O3尖晶石相组成时,C4配方样品焊线可承受的拉力达到最大,其值为32N。微观结构测试表明:在C4配方样品断面的金属层以及金属层与陶瓷层的交界处,均存在MgO·Al2O3尖晶石相。交界处的MgO·Al2O3尖晶石颗粒分别与陶瓷层的Al2O3颗粒以及金属层中的MgO·Al2O3尖晶石颗粒机械咬合,因此样品的封接强度增大。当加入的无机氧化物在高温烧结时由液相和莫来石相组成时,其样品封接强度并未有所提高,这是因为无机氧化物SiO2大部分被残留C还原成了单质Si,未形成莫来石。因此,样品的封接强度主要取决于陶瓷层中Al2O3颗粒与金属层中W颗粒的机械咬合,其结合强度较弱,导致样品封接强度未有所提高。
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