中高温碳晶电热材料、中高温碳晶电热板以及相关制备方法

摘要

本发明涉及一种中高温碳晶电热材料，由碳纤维为原料进行粉碎改性后制得，其制备包括如下步骤：A)用30000高斯以上的强磁场对碳纤维进行电极极性的强化；B)将碳纤维研磨成均匀颗粒在1000～3000目的碳晶粉。较佳地，步骤B)具体为：用大功率电子球磨机对碳纤维进行深度加工，球磨时间在2～3小时，直至产生所述的均匀颗粒在1000～3000目的碳晶粉，碳纤维的模量指标为：丙烯氰基、电阻10K模、纤维长度2～4mm，不含胶。还涉及由此制备的中高温碳晶电热板及相关制备方法，本发明的中高温碳晶电热材料可耐高温，表面温度能达到100℃以上，并达到较高的250～300℃，由其制备的中高温碳晶电热板可用于中高温碳晶电热产品，适于大规模推广应用。

说明书

技术领域

本发明涉及电热材料技术领域，具体涉及碳晶电热材料技术领域，特别涉及中高温碳晶电热材料、中高温碳晶电热板以及相关制备方法。

背景技术

碳纤维具有导电、导热、抗氧化(300℃下可长期使用)，质轻，直径细(＜7μm)，电阻温度系数小，电性能稳定，远红外辐射，屏蔽或阻尼电磁波干扰等特点。其粉碎的碳纤维可均匀分散在各种基体无机材料中，易于工业化规模生产，已在导电发热材料中得到广泛应用。

以碳纤维材料生产的面状发热体，具有大面积均匀发热和散热、电热转换效率高、远红外辐射及显著节能等特点，在专利申请CN94247476和CN01211087中均提到碳纤维取暖器的技术。然而碳纤维材料虽在民用采暖领域的开发应用已有十余年，始终未能大面积推广。ZL200610026524.3碳晶电热材料及制备方法的发明专利是以短碳纤维为原料，纸作为均匀载体，并将其密封在环氧树脂内。由于其良好的密封性能，配合碳纤维的良好导电、导热及高电热转换率，在大面积平面电热材料取得领先地位。但他也有致命缺点，就是环氧树脂不耐高温，所以它只能是在100℃以内，属于低温电热材料。在采暖市场只能用于大面积的地暖。而不能用于较小面积的散热器等产品。失去了最为主流的市场；同时，由于其对施工环境和条件的要求十分苛刻，也使安装时很难确保其施工质量；另外，碳纤维材料温度的不确定性使其在进入隐蔽工程后对使用带来很大的风险。

因此基于碳纤维材料的优点，目前需要迫切解决的问题就是研制一种新型的碳纤维材料的换代产品，不仅继承碳纤维材料的所有优点，同时也能克服碳纤维材料的致命缺陷，能够使碳纤维电热材料的表面温度能达到100℃以上，并达到较高的250～300℃。达到这个温度，利用碳晶平面电热材料的优越性能，可以生产碳晶散热器、碳晶即热型热水器、碳晶烹调锅、碳晶电熨斗、碳晶电饭褒等系列碳晶电热产品。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，即以环氧树脂作为基材不耐高温的致命缺陷，本发明以耐高温的云母板作为基材，使用更均匀的丝网印刷方法，提供中高温碳晶电热材料、中高温碳晶电热板以及相关制备方法，该中高温碳晶电热材料可耐高温，表面温度能达到100℃以上，并达到较高的250～300℃，由其制备的中高温碳晶电热板可用于中高温碳晶电热产品，适于大规模推广应用。

为了实现上述目的，在本发明的第一方面，提供了一种中高温碳晶电热材料，其特点是，由碳纤维为原料进行粉碎改性后制得，其制备包括如下步骤：

A)用30000高斯以上的强磁场对所述碳纤维进行电极极性的强化；

B)将所述碳纤维研磨成均匀颗粒在1000～3000目的碳晶粉。

其中，对碳纤维原料进行球磨加工改性后得到的碳素微晶体电热材料，也就是中高温碳晶电热材料，即上述的碳晶粉，在本发明中也称为碳晶，为碳纤维的下一代产品。

较佳地，所述步骤B)具体为：用大功率电子球磨机对所述碳纤维进行深度加工，球磨时间在2～3小时，直至产生所述的均匀颗粒在1000～3000目的碳晶粉。

较佳地，所述碳纤维的模量指标为：丙烯氰基、电阻10K模、纤维长度2～4mm，不含胶。

在本发明的第二方面，提供了一种中高温碳晶电热板，包括第一电极、第二电极、印刷绝缘基材和绝缘盖板，所述绝缘盖板盖设在所述印刷绝缘基材上，所述第一电极和所述第二电极位于所述印刷绝缘基材和所述绝缘盖板之间并印刷在所述绝缘基材的两端，其特点是，所述中高温碳晶电热板还包括至少一条中高温碳晶发热条，所述中高温碳晶发热条位于所述印刷绝缘基材和所述绝缘盖板之间并间隔印刷在所述绝缘基材上，所述中高温碳晶发热条的两端分别连接所述第一电极和所述第二电极，所述中高温碳晶发热条由中高温碳晶电热混合料和用量为所述中高温碳晶电热混合料的10％～20％(重量)的松香水搅拌均匀后印刷在所述印刷绝缘基材上而成，其中所述中高温碳晶电热混合料由20％～40％(重量)的上述的中高温碳晶电热材料和60％～80％(重量)的1000～3000目的二氧化硅混合而成。

较佳地，所述中高温碳晶发热条的数目为2或以上，所述中高温碳晶发热条间隔平行排列。

较佳地，所述第一电极和所述第二电极均采用在70％(重量)的800目纯银粉和30％(重量)的所述中高温碳晶电热混合料中加适量松香水搅拌而成。

较佳地，所述印刷绝缘基材是厚度为3～8毫米的印刷基材云母板，所述绝缘盖板是绝缘云母盖板。

在本发明的第三方面，提供了一种上述的中高温碳晶电热板的制备方法，其特点是，包括步骤：

1)将所述第一电极和所述第二电极印刷在所述绝缘基材的两端并固化；

2)将20％～40％(重量)的上述的中高温碳晶电热材料和60％～80％(重量)的1000～3000目的二氧化硅混合而成所述中高温碳晶电热混合料；

3)将中高温碳晶电热混合料和用量为所述中高温碳晶电热混合料的10％～20％(重量)的松香水搅拌均匀后在所述印刷绝缘基材上印刷成条状形成所述中高温碳晶发热条，所述中高温碳晶发热条的两端分别连接所述第一电极和所述第二电极，然后固化所述中高温碳晶发热条；

4)将所述绝缘盖板覆盖在所述印刷绝缘基材上，所述第一电极、所述第二电极和所述中高温碳晶发热条位于所述绝缘盖板和所述印刷绝缘基材之间。

较佳地，所述中高温碳晶发热条的数目为2或以上，所述中高温碳晶发热条间隔平行排列。

较佳地，所述第一电极和所述第二电极均采用在70％(重量)的800目纯银粉和30％(重量)的所述中高温碳晶电热混合料中加适量松香水搅拌而成。

较佳地，所述印刷绝缘基材是厚度为3～8毫米的印刷基材云母板，所述绝缘盖板是绝缘云母盖板。

较佳地，在所述步骤1)和3)中，所述固化是在600～700℃的高温炉中固化，固化时间为10～15分钟。

较佳地，所述制备方法还包括步骤5)：所述第一电极和所述第二电极分别用电线引出，并在引出处用塑料件进行密封。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明的中高温碳晶电热材料由碳纤维为原料进行粉碎改性后制得，其制备包括如下步骤：A)用30000高斯以上的强磁场对所述碳纤维进行电极极性的强化；B)将所述碳纤维研磨成均匀颗粒在1000～3000目的碳晶粉，该中高温碳晶电热材料可耐高温，表面温度能达到100℃以上，并达到较高的250～300℃，由其制备的中高温碳晶电热板可用于中高温碳晶电热产品，适于大规模推广应用。

(2)本发明的中高温碳晶电热板是一种电为能源的平面均匀发热体，其发热面积、温度、局部温度任意可调，电源电压自1.5V～380V无级可调，交直流可调，表面温度自15℃～300℃任意可调，加热时间自10～120秒，加热时的远红外线当量自30％～70％可设计，红外辐射距离自30cm～122cm可设计，使用寿命≥100,000小时，击穿电压≥3750V，70％潮湿环境中表面绝缘电阻≥50MΩ，具有便于开发衍生产品的特点，适于大规模推广应用。

附图说明

图1是本发明的中高温碳晶电热板的一具体实施例的分解示意图。其中10是中高温碳晶电热板，1是第一电极，2是第二电极，3是印刷绝缘基材，4是绝缘盖板，5是中高温碳晶发热条。

图2是图1所示的具体实施例上用于检测的测试点标示示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

碳晶粉的制备实施例1

选用的碳纤维原料的模量指标为：丙烯氰基、电阻10K模、纤维长度2～3mm，不含胶。

碳晶粉的制备依次包括如下步骤：

a)用30000高斯以上的强磁场进行电极极性的强化；

b)用大功率电子球磨机进行深度加工，球磨时间在2～3小时，直至产生均匀颗粒在1000～3000目的碳晶粉，形成碳素晶体原料，该碳素晶体原料的表面温度能达到100℃以上，并达到较高的250～300℃。

碳晶粉的制备实施例2

选用的碳纤维原料的模量指标为：丙烯氰基、电阻10K模、纤维长度3～4mm，不含胶。按照实施例1的方法制备碳晶粉，形成碳素晶体原料，该碳素晶体原料的表面温度能达到100℃以上，并达到较高的250～300℃。

碳晶板(即中高温碳晶电热板)制备实施例1

a)原材料的准备：

①将上述碳晶粉的制备实施例1获得的1000～3000目的碳晶粉以重量百分比为20％的比例，1000～3000目的二氧化硅(Si0₂)以重量百分比为80％的比例，混合成中高温碳晶电热混合料；

②松香水，用量为上述中高温碳晶电热混合料总量的10％。

③将中高温碳晶电热混合料和松香水在搅拌机中搅拌均匀，粘稠度以适宜丝网印刷为宜。

④印刷绝缘基材，为耐高温的云母石板，厚度为3～8毫米，长宽按所需尺寸。

⑤电极用材料，70％的800目纯银粉，30％的上述中高温碳晶电热混合料；再加松香水适量，搅拌成适宜丝网印刷的粘稠度。

作为制版印刷的原料备用；

b)具体制备过程

①制作印刷电极菲林片，根据碳晶板的尺寸，两端为第一电极和第二电极，电极宽度为5～8毫米。用配好的电极用材料，在丝网印刷机上，把电极料印刷在云母板两端形成第一电极和第二电极；

②在600～700℃的高温炉中固化，固化时间在10～15分钟；

③制作印刷碳晶混合材料菲林片，根据需要，将由步骤a)的③获得的碳晶混合材料印刷成间隔2～3厘米空白的条状，形成中高温碳晶发热条，其两端分别连接第一电极和第二电极；

④在600～700℃的高温炉中固化，固化时间在10～15分钟；

⑤可以对固化好的碳晶板进行电阻值检测，并计算出碳晶板的功率；

⑥如果功率有偏差，可以用调整印刷的厚薄、电极的距离、碳晶混合料的比率对碳晶板功率进行调整。

⑦功率调整准确好后，在用同样大小的绝缘云母盖板覆盖印刷面，四边可用金属条进行包边加固和美化；

⑧将第一电极和第二电极分别用电线引出，并在引出处用塑料件进行密封。即完成中高温碳晶电热板的制作，获得碳晶板A；

⑨按30％的抽样率进行指标检测，进行功率、3750伏电极击穿、绝缘电阻等指标检测。

全部通过视为合格产品。

碳晶板(即中高温碳晶电热板)制备实施例2

将上述碳晶粉的制备实施例1获得的碳晶粉以重量百分比为30％的比例，加入二氧化硅重量百分比为70％，松香水，用量为上述中高温碳晶电热混合料总量的15％。然后按照碳晶板(即中高温碳晶电热板)制备实施例1中的步骤制备碳晶板B。

碳晶板(即中高温碳晶电热板)制备实施例3

将上述碳晶粉的制备实施例2获得的碳晶粉以重量百分比为40％的比例，加入二氧化硅重量百分比为60％，松香水，用量为上述中高温碳晶电热混合料总量的20％。然后按照碳晶板(即中高温碳晶电热板)制备实施例1中的步骤制备碳晶板C。

对通过上述方法制得的碳晶板A、B和C，分别进行升温时间测试，表面温度均匀性测试和表面绝缘测试，所得结果如下：

测试例1碳晶板升温时间测试

检测条件：室温15℃，空气无对流，被测材料水平放置在云母板上。

检测器材：计时器、干球温度计、接触式温度计、红外线测温仪、交流稳压器

检测要求：检测三片碳晶板A、B和C的同一性质，达到对产品升温特性的分析

被测产品：由上述实施例制备的长590mm，宽380mm，厚0.8mm，额定功率为750w的碳晶板A、B和C

测试记录：见图2，其中a1～a4、b1～b4、c1～c4、d1～d4为测试点

测试结果：见下表(表中数据的单位均为℃)

碳晶板A：

  a1  a2  a3  a4  b1  b2  b3  b4  c1  c2  c3  c4  d1  d2  d3  d4  10’S  31  39  41  29  29  27  45  31  32  54  55  34  44  51  55  34  20’S  69  77  79  67  67  65  83  69  70  92  93  72  82  89  93  72  30’S  100  108  110  98  98  96  114  100  101  123  124  103  113  120  124  103  60’S  129  137  139  127  127  125  143  129  130  152  153  132  142  149  153  132  90’S  157  165  167  155  155  153  171  157  158  180  181  160  170  177  181  160  120’S  187  195  197  185  185  183  201  187  188  210  211  190  200  207  211  190  150’S  188  196  198  186  186  184  202  188  189  211  212  191  201  208  212  191  180’S  186  196  199  188  187  180  200  188  190  210  210  189  200  209  210  190

碳晶板B：

  a1  a2  a3  a4  b1  b2  b3  b4  c1  c2  c3  c4  d1  d2  d3  d4  10’S  28  37  40  26  27  26  43  28  28  50  50  30  39  48  51  32  20’S  66  75  78  64  65  64  81  66  66  88  88  68  77  86  89  70  30’S  97  106  109  95  96  95  112  97  97  119  119  99  108  117  120  101  60’S  126  135  138  124  125  124  141  126  126  148  148  128  137  146  149  130  90’S  154  163  166  152  153  152  169  154  154  176  176  156  165  174  177  158  120’S  184  193  196  182  183  182  199  184  184  206  206  186  195  204  207  188  150’S  185  194  197  183  184  183  200  185  185  207  207  187  196  205  208  189  180’S  183  194  198  185  185  179  198  186  186  206  205  185  195  206  206  188

碳晶板C：

  a1  a2  a3  a4  b1  b2  b3  b4  c1  c2  c3  c4  d1  d2  d3  d4  10’S  29  36  40  26  26  25  43  29  28  51  53  31  42  50  53  31  20’S  67  74  78  64  64  63  81  67  66  89  91  69  80  88  91  69  30’S  98  105  109  95  95  94  112  98  97  120  122  100  111  119  122  100  60’S  127  134  138  124  124  123  141  127  126  149  151  129  140  148  151  129  90’S  155  162  166  152  152  151  169  155  154  177  179  157  168  176  179  157  120’S  185  192  196  182  182  181  199  185  184  207  209  187  198  206  209  187  150’S  186  193  197  183  183  182  200  186  185  208  210  188  199  207  210  188  180’S  184  193  198  181  184  180  198  188  186  207  208  186  198  208  208  189

测试结论：

碳晶板A、B和C的升温在120秒左右即达到饱和，同一碳晶板板面温度均匀性好，正负温差在25以内。

测试例2碳晶板表面温度均匀性测试

检测条件：室温16℃，空气无对流，被测材料水平放置在云母板上。

检测器材：计时器干球温度计接触式温度计红外线测温仪交流稳压器

检测要求：检测三片碳晶板A、B和C的同一性质，达到对产品升温特性的分析

被测产品：由上述实施例制备的长590mm，宽380mm，厚0.8mm，额定功率为750w的碳晶板A、B和C。

测试记录：见图2，其中a1～a4、b1～b4、c1～c4、d1～d4为测试点

测试结果：见下表(表中数据的单位均为℃)

碳晶板A：

  a1  a2  a3  a4  b1  b2  b3  b4  c1  c2  c3  c4  d1  d2  d3  d4  1h  186  195  200  183  186  180  200  189  188  209  210  188  200  210  210  189  2h  188  195  199  185  185  184  202  188  187  210  210  190  201  209  210  190  4h  186  197  201  184  188  182  201  189  189  209  208  188  198  209  209  191  8h  189  198  201  187  188  187  204  189  189  210  210  191  200  209  210  193  12h  185  196  200  183  187  181  200  188  188  208  207  187  197  208  208  190  24h  189  196  200  186  186  185  203  189  188  210  210  191  202  210  210  191  36h  186  193  197  183  183  182  200  186  185  208  210  188  199  207  210  188  72h  186  196  199  184  187  180  200  188  190  210  210  189  200  209  210  190

碳晶板B：

  a1  a2  a3  a4  b1  b2  b3  b4  c1  c2  c3  c4  d1  d2  d3  d4  1h  183  194  198  181  185  179  198  186  186  206  205  185  195  206  206  188  2h  186  196  199  184  187  180  200  188  190  210  210  189  200  209  210  190  4h  185  192  196  182  182  181  199  185  184  207  209  187  198  206  209  187  8h  186  193  197  183  183  182  200  186  185  208  210  188  199  207  210  188  12h  184  193  198  181  184  178  198  187  186  207  208  186  198  208  208  187

  24h  184  193  196  182  183  182  199  184  184  206  206  186  195  204  207  188  36h  185  194  197  183  184  183  200  185  185  207  207  187  196  205  208  189  72h  188  195  199  185  185  184  202  188  187  210  210  190  201  209  210  190

碳晶板C：

  a1  a2  a3  a4  b1  b2  b3  b4  c1  c2  c3  c4  d1  d2  d3  d4  1h  184  193  198  181  184  178  198  187  186  207  208  186  198  208  208  187  2h  184  193  196  182  183  182  199  184  184  206  206  186  195  204  207  188  4h  186  197  201  184  188  182  201  189  189  209  208  188  198  209  209  191  8h  189  198  201  187  188  187  204  189  189  210  210  191  200  209  210  193  12h  185  194  197  183  184  183  200  185  185  207  207  187  196  205  208  189  24h  189  196  200  186  186  185  203  189  188  210  210  191  202  210  210  191  36h  188  198  201  186  189  182  202  190  192  210  210  191  202  210  210  192  72h  191  198  202  188  188  187  205  191  190  210  210  193  204  210  210  193

测试结论：

通电实验表明在温度达到饱和以后，其变化幅度不随时间增长而变化，达到设计自限温要求。

测试例3碳晶板表面绝缘测试

检测器材：兆欧表电子绝缘测试仪

检测要求：要求测试一片碳晶板A在干态情况下绝缘电阻

被测产品：由上述实施例制备的长590mm，宽380mm，厚0.8mm，额定功率为750w的碳晶板A。

测试方法：

1)测量前必须将被测设备电源切断，并对地短路放电，绝不允许设备带电进行测量，以保证人身和设备的安全；

2)对可能感应出高压电的设备，必须消除这种可能性后，才能进行测量；

3)被测物表面要清洁，减少接触电阻，确保测量结果的正确性；

4)测量前要检查兆欧表是否处于正常工作状态，主要检查其“0”和“∞”两点，即摇动手柄，使电机达到额定转速，兆欧表在短路时应指在“0”位置，开路时应指在“∞”位置；

5)兆欧表使用时应放在平稳、牢固的地方，且远离大的外电流导体和外磁场；

6)用兆欧表摇测碳晶板的绝缘电阻时，将“L”线端钮接被测碳晶板电极，“E”线端钮接地。“G”屏蔽端接碳晶板的绝缘部分。

测试数据：(表中数据单位MΩ)

干态

碳晶板A

正面  1500  450  75

背面  1500  470  70

测试结论：

碳晶板A在干态下有良好的电气绝缘特性。

碳素在一定的条件下是一种优异的半导体材料，从理论上说无论其被切割成多小的颗粒，每一单体均应有正负电极，但实际上多数的碳素颗粒并不具备这些特点。当我们用上述特殊的工艺方法得到基本纯净的大目数碳素颗粒(碳晶)时，即可利用其分子团之间的摩擦发热达到高能效的电热转换的结果，利用二氧化硅等无机材料及印刷的均匀性，可以将碳晶颗粒均匀的分布在耐高温的云母板的表面，极性均匀分布但绝无规律，此时在平面的两端引入电压，碳晶颗粒即以分子团的形式进行布朗运动，并随着交变电流的频率改变震动的方向，形成高效能的热量散发。由于碳晶的半导体特性，在直流工作的状态下，由于随机路径导入的弱电电流补偿作用，使摩擦越剧烈的分子团其电阻越大，而摩擦较小的得到更大的电流补偿，因此大平面上的温度也可以非常均衡。

由于碳素作为基本化学元素具有极好的稳定性，而碳晶电热材料的目数也十分微小，所以无论布朗运动如何剧烈，碳晶本身在长时间的摩擦下只可能变成更加微小的晶体，理论上的极限就是还原成碳素分子团(这种可能性几乎不存在)，所以从理论上来说，只有碳晶板材的辅助材料等寿命决定了碳晶板本身的寿命，我们的实验表明，在1100℃以上时，碳晶电热材料的理化指标开始有较大的改变。所以，在电-热(包括远红外线)转换效率上和温度的持续稳定、以及产品的寿命上碳晶发热板确有其独到的优势，是一种适应面广泛、耐候性良好的多用途发热材料。

根据本发明的上述方法制备的碳晶板是一种电为能源的平面均匀发热体，其发热面积、温度、局部温度任意可调，电源电压自1.5V～380V无级可调，交直流可调，表面温度自15℃～300℃任意可调，加热时间自10～120秒，加热时的远红外线当量自30％～70％可设计，红外辐射距离自30cm～122cm可设计，使用寿命≥100,000小时。击穿电压≥3750V，70％潮湿环境中表面绝缘电阻≥50MΩ，具有便于开发衍生产品的特点。

综上，本发明的中高温碳晶电热材料可耐高温，表面温度能达到100℃以上，并达到较高的250～300℃，由其制备的中高温碳晶电热板可用于中高温碳晶电热产品，适于大规模推广应用。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。