導電紅外輻射陶瓷基板的研制

楊東亮 ，劉俊成 ，張澤潤 ，李世良

（1.山東省硅酸鹽研究設計院，淄博 255086；2.山東理工大學，淄博 255086；3.山東皇冠控股集團有限公司，淄博 255086）

1 引言

導電紅外陶瓷輻射基板是以摻雜的方式，在硅－鋁－鈣鎂－鉀鈉系陶瓷基體中，引入非金屬化合物填料均混處理，按照陶瓷瓷磚制作工藝，成形后經過高溫快速燒結形成的具有導電電熱特性的陶瓷發熱材料。同時在快速燒結過程中，陶瓷基板的表面通過燒結工藝形成陶瓷絕緣保護層。從其結構特性分析，是一種具有不同材料組分組成的復合陶瓷材料，而從其實現的功能分析，是一種具備導電電熱以及發射特定紅外波長的功能陶瓷材料。

導電紅外陶瓷輻射基板與傳統的金屬合金電熱材料、PTC陶瓷、電熱涂料及電熱薄膜等相比，在材料配方組成特性、制做工藝和導電電熱性能等方面，均有實質性的差異。陶瓷基板具有陶瓷材料固有的耐溫、耐腐蝕、抗氧化、表面絕緣等特性，又具有電熱效率高、紅外輻射性能好、發熱功率及發熱溫度可控可調等特性，是一種新型的導電紅外陶瓷電熱材料，可廣泛應用于電加熱元件和加熱設備，例如工業加熱干燥、紅外理療保健、建筑房屋取暖以及電磁屏蔽等領域，具有良好的開發應用前景。

2 主要研究內容與測試方法

本文研制了成瓷溫度低、成瓷范圍寬、適應快速燒成，并且易于滿足工業化生產的幾種陶瓷材料作為陶瓷基材，研究了其組成燒結特性和成瓷性能；研究了具備導電電熱和輻射紅外波長特性的無機填料。通過對原料的改性均勻混合處理，采用干壓成形工藝，經過高溫快速燒結，涂敷電極制備成品。

主要測試儀器與方法：

用阿基米德法測試陶瓷試樣的體積密度等燒結物理性能指標；

用WDW3100電子萬能試驗機測試試樣力學性能；

用MS2670A型耐壓測試儀測試試樣耐壓絕緣強度；

TES1326型紅外測溫儀測試試樣表面溫度；PC－27－1型數字兆歐儀測試試樣絕緣電阻；

用日本理學D/Max－RAX—射線衍射儀定性分析試樣相組成；

用荷蘭PhilipFEI－200型掃描電子顯微鏡進行電子掃描觀察和分析。

表1 幾種陶瓷原料化學組成（wt%）

表2 陶瓷基料化學組成范圍（wt%）

3 實驗結果與討論

3.1 陶瓷基體材料的組成與特性

根據導電紅外陶瓷輻射基板制作工藝的要求，陶瓷基體材料的組成設計首先要滿足低溫快速燒成工藝的要求。實驗表明，摻雜導電填料的陶瓷基板通過快速燒成工藝，才能形成表面絕緣、內層導電的層狀復合結構組成特性，實現陶瓷基板的導電電熱功能。

導電陶瓷紅外輻射基板的制備工藝與陶瓷墻地磚的生產工藝相近，需要球磨粉碎混合、噴霧造粒、干壓成形、輥道窯快速燒成等工藝流程。其次，由于是通過在陶瓷基料中摻雜導電電熱及紅外填料，實現導電電熱紅外輻射功能。因此既要保證陶瓷材料與導電紅外電熱填料的結合性、融合性要好，使導電電熱填料通過陶瓷基體的燒結而結合，又要保證陶瓷基料不與摻雜填料發生反應。此外還要使陶瓷基料具備良好的成形工藝性能，坯體強度高，燒結溫度低，燒結范圍寬，燒成收縮小，不易變形。經過選擇性試驗分析，所用幾種陶瓷原料化學組成如表1所示；設計實驗確定的陶瓷基體材料化學組成范圍如表2。

3.2 添加劑含量對基板電阻率影響

試驗表明，導電陶瓷基板隨著摻雜填料加入量的增加，其電阻率呈現逐漸降低趨勢，單位面積基板輸入電流增加，發熱功率增大，表面溫度高，當增加到一個較高量值時，電阻率值會變得很小，這樣輸入電流會過大，發熱功率較高，表面溫度急劇升高，現有條件下無法解決電極接入難題；隨著填料的加入量的減少，其電阻率逐漸增加，單位面積基板輸入電流減小，發熱功率小，表面溫度低。當減少到一個較低量值時，電阻值會變得很大，不再出現導電電熱現象，陶瓷基板幾近成為絕緣體。圖1是導電陶瓷基板摻雜填料加入量與電阻率變化關系曲線。利用填料含量與材料電阻率的這一變化規律，在確定的工藝條件下，我們可以根據元器件設計要求，提供生產不同要求電熱性能的導電陶瓷基板。

3.3 添加劑含量對基板抗彎強度等機械性能的影響

摻雜填料自身是不易燒結的非金屬材料，主要是通過陶瓷基體材料的燒結而結合，起到導電電熱的作用。填料的加入顯著地改變了基板的機械性能。

圖1 基板電阻率與添加劑含量的關系

添加劑含量對基板抗彎強度的影響如圖2所示。隨著添加劑含量的提高，基板的抗彎強度顯著降低。當添加量達到20wt%,抗為強度僅為原始基料的三分之一。基板密度亦隨著含量提高迅速下降，如圖4所示。相反，隨著添加劑含量的提高，基板氣孔率和吸水率顯著提高，如圖3和圖5所示。

圖2 基板抗彎強度與添加劑含量的關系

圖3 基板氣孔率與添加劑含量的關系

圖4 基板體積密度與添加劑含量的關系

圖5 基板吸水率與添加劑含量的關系

圖6 導電陶瓷基板紅外輻射圖譜

圖7 基板材料X-射線衍射儀物相分析結果

3.4 波譜調節劑對基板紅外輻射性能的影響

基板材料中加入微量具有紅外波譜特性的填料，可以有效地改善其輻射波長，增加紅外輻射效果，同時對基板材料的電熱性能未產生明顯的影響。雖然基體材料本身也屬良好的紅外輻射材料，但是添加適量波譜調節劑改性調整后，紅外輻射效果更為明顯。改性后，熱基板法向輻射率為0.86，紅外輻射波譜波長范圍集中在2.5～15um之間（圖 6）。

3.5 基板材料的物相組成

為了確定摻雜的導電電熱功能填料經過高溫燒結后，是否與陶瓷基料發生了反應。分別對設定燒結溫度條件下燒成后的未加填料的陶瓷基板A-0試樣和摻雜后的陶瓷基板A-3試樣進行X-射線衍射分析。測試結果見圖7。從衍射圖譜測試結果分析，未加填料的陶瓷基板材料，主晶相為鈣長石、透輝石及少量石英；摻雜后的陶瓷基板試樣衍射圖譜，除上述主晶相外，尚有典型的導電紅外填料物相的特征峰存在，但并未發現有新的物相生成。這說明摻雜的導電紅外填料，經過高溫燒成后并未與陶瓷基料發生反應，從而保證了摻雜填料固有的導電電熱和紅外輻射特性。

3.6 基板引線電極設計

導電陶瓷紅外輻射基板與電源連接的問題，是保證該陶瓷基板能否具備實用價值并進入市場的重要問題。金屬電極與非金屬陶瓷基板必須具備良好的歐姆接觸，且具有一定的抗拉強度。在陶瓷表面上直接連接金屬電極，并且能夠承載較大電流，耐高溫抗氧化，難度很大，問題較多。處理不好，直接影響陶瓷基板的實際使用。經過研究試驗，采用先進的涂層焊接工藝技術，解決了陶瓷基板與金屬電極的連接難題。

3.7 制備工藝對導電陶瓷基板性能的影響

導電陶瓷紅外輻射基板的制作工藝如圖8。

盡管導電陶瓷紅外輻射基板是按傳統陶瓷工藝制作的產品，但實際上是一種要求嚴格的功能陶瓷產品，陶瓷基料、摻雜填料加入量以及陶瓷料漿研磨粒度、成形壓力、燒結工藝條件的微小變化，都會直接導致發熱元件電阻性能的大幅度變化，電性能也會產生較大的離散性。同一組成配方，成形壓力大，燒成溫度高，導電陶瓷基板的電阻率會明顯降低；反之電阻率則會提高。欲保證元件發熱溫度等參數的恒定控制，必須嚴格控制配方組成，嚴格控制制備工序工藝參數，強化管理，才能保證產品各項性能參數的穩定可靠性。

3.8 幾何尺寸對導電陶瓷基板電熱性能的影響

通過對元件幾何尺寸與輸入功率、溫度變化關系的研究分析，發現陶瓷基板幾何尺寸與輸入電流、輸入功率以及基板表面溫度呈現一定的函數關系。但是由于實驗結果總量尚少，有待于進一步研究探索，發現規律。盡管如此，試驗證明，通過對導電陶瓷基板幾何尺寸進行加工控制，可以實現對導電陶瓷板的電熱功率、表面輻射溫度調整的控制，實現電熱元件規格系列化，并滿足不同客戶的使用需求。

3.9 導電陶瓷基板的表面施釉處理

作為一種使用的電熱元件，導電陶瓷紅外輻射基板表面必須具有一定的介電強度，滿足在要求的工作電壓下無閃爍，無擊穿。由于摻雜導電電熱填料的陶瓷基板尚有一定的氣孔率，表面未處理的陶瓷基板在220V工作電壓下，耐壓擊穿強度低于1000V。通過導電陶瓷基板表面施釉等工藝技術，解決了其安全絕緣達標問題。同時經過施釉的導電陶瓷基板，增加了產品的裝飾效果。

4 材料的微觀結構分析

選擇燒成后的陶瓷基料A-0試樣，以及導電電熱填料加入量不同而造成的不具備導電電熱特性的A-1試樣和具備良好導電電熱特性的A-3試樣進行掃描電鏡形貌分析，見圖9、圖10及圖11。同時選取導電陶瓷基板A-3試樣的斷面進行剖面結構分析見圖12。從圖9中可以看到，未摻雜填料的陶瓷基板燒結后，微觀結構特征是基體形成連續的網絡結構，并伴有大量氣孔。圖10、圖11表明，高溫燒結后的導電陶瓷基板，導電電熱填料顆粒分布在呈多孔狀的陶瓷基體中。在陶瓷基體中或呈分散不連續狀態，也可以是連續的網絡結合狀態，同時也有部分較細的顆粒在大顆粒表面粘附現象。這種結構特性表明，導電電熱填料顆粒通過彌散、包裹-鑲嵌的結合方式，實現了與陶瓷材料的融合燒結。未呈現導電特征的A-1試樣，導電電熱填料顆粒在材料內部呈分散不連續狀態；呈現導電電熱特性的A-3試樣，分布在陶瓷基體中的導電顆粒形成了連續的網絡結合相，同時也有部分較細的顆粒在大顆粒表面粘附的現象。從圖12可以看到導電陶瓷剖面特征，最外層一面是含有氣孔的陶瓷基體相，陶瓷基體內側逐漸過渡為不致密的導電層。圖13、圖14是A-3試樣沿表面逐漸內延所作掃描電鏡分析。

圖8 工藝流程

圖13、圖14中看到，隨著試樣表面內延，陶瓷基板中片狀結構的導電顆粒逐漸增多，連接程度逐漸加強。此特殊結構特征是在導電陶瓷高溫燒成自然形成的，表層由于導電顆粒的擴散揮發而形成絕緣層，內部導電填料通過陶瓷基體的燒結而連接，導電顆粒形成連續網絡結構特征后，呈現導電性能。

圖9 A-0試樣斷面掃描電鏡形貌分析

圖10 A-1試樣斷面掃描電鏡形貌分析

圖11 A-3試樣斷面掃描電鏡形貌分析

圖12 A-3試樣斷面掃描電鏡形貌分析

圖13 A-3試樣斷面掃描電鏡形貌分析

圖14 A-3試樣斷面掃描電鏡形貌分析

從材料的微觀結構特性分析，導電電熱陶瓷基板是多相材料組成的，其組成相大致有三種：陶瓷基體相、氣孔和導電填料相。其中陶瓷相與氣孔是不良導體，引入的填料相呈導體和半導體特性，相分布狀態是較為復雜的。材料的電阻率是由呈絕緣性質的陶瓷相、氣孔與具有導電性質的填料相復合的結果。研究分析認為，材料的導電電熱性能是由于陶瓷基體中加入的導電電熱填料與陶瓷基體共同引起的作用。具備導電電熱性能的填料顆粒在材料內部形成連續的連通網絡之后，就能在電場的作用下，通過此網絡產生導電電熱效應。從不具備導電電熱特性A-1試樣電鏡形貌圖中可以看到，導電填料含量低，未能在陶瓷基體內部形成連續、連通的網絡，材料的電阻率很大，因此材料未出現導電電熱特性；從具備良好導電電熱特性的A-3試樣的SEM形貌圖中可以觀察到，當分布在基體內部的導電填料顆粒相互接觸連接形成枝狀路徑，并且眾多的枝狀路徑又形成具有連通特性的網狀織構時，通電后可產生導電電熱現象。

從上述分析可以看到，通過控制組成中的導電填料的加入量以及合理的工藝參數，可以有效地控制復合陶瓷材料的電阻率，進而得到具有不同導電電熱性能的功能陶瓷材料。這為開發生產適應性更廣的電熱材料和產品提供了有效的技術保障條件。

5 導電陶瓷紅外輻射基板的性能與應用

5.1 導電陶瓷紅外輻射基板的性能指標

目前研制開發的導電陶瓷紅外輻射基板的主要性能指標，綜合測試結果如下：

法向全輻射率 不小于0.85

電—紅外輻射轉換效率 不小于50%

紅外輻射有效波長范圍 2.5～15μm

輻射面平均溫度 50℃～300℃可調

輻射面溫度不均勻度 不大于平均溫度10%

輸入功率偏差 功率偏差 －10～5%

冷態絕緣電阻 不小于100MΩ

熱態絕緣電阻 不小于50 MΩ

熱態泄漏電流 不大于0.5mA/kW

熱態電氣強度 1000V/50Hz 1min無擊穿

工作壽命 額定電壓下6000h

5.2 導電陶瓷紅外輻射基板與傳統電熱材料的性能對比

傳統的電熱膜材料，由于發熱膜與基材之間膨脹系數的差異性，造成功率衰減大，電氣參數不穩定；研制開發的復合陶瓷電熱基板，使得陶瓷基體、導電電熱層和絕緣輻射層三者的熱膨脹性能趨于一致，消除了元件在使用過程中產生的龜裂和脫落現象，延長了使用壽命。

導電陶瓷紅外輻射基板以陶瓷作為基體材料，材料宏觀性能以陶瓷性能為主，不存在金屬合金電熱材料氧化老化等問題，可廣泛用于環境溫度、衛生要求較高或有腐蝕氣體的環境。

根據材料本身電阻率可調的特性，設計電熱元件的工作電源電壓可以是220V和110V，也可以是36V或其它任何電壓等級，這樣保證了該元件既可廣泛用于工業加熱，也可用于家用電器和其它低電壓領域。

6 結論

6.1 通過在陶瓷基體中以摻雜的方式，引入導電紅外填料均混處理，經過高溫燒結后形成的具有導電電熱和紅外特性的陶瓷發熱體，是一種新型的復合功能陶瓷材料。同時經過涂敷電極等工藝，實現了金屬電極與陶瓷導電電熱材料連接，滿足了新型電熱功能材料轉換電熱元器件的要求。

6.2 研制開發的導電陶瓷紅外輻射基板，散熱面積大，電熱效率高，紅外輻射性能好。具有陶瓷材料耐溫、耐腐蝕、抗氧化等特性，而且電熱性能可調，生產工藝可行，易于實現規模化工業化生產。與其它電熱材料和產品相比，生產成本低，具有良好的開發應用前景。

通過對導電陶瓷紅外輻射基板微觀結構的研究，對其燒結機理和導電電熱機理進行了初步分析討論，為進一步研究開發這種新型導電電熱陶瓷提供了一定的基礎。

導電陶瓷紅外輻射基板材料經過進一步研究開發，有望替代傳統的金屬合金等電熱材料，可為國家節約寶貴的金屬礦物資源，有利于實現社會可持續發展，具有重大的經濟和社會效益。