论文摘要
近年来,各种不同材料、不同工艺制备的新型电热材料相继面世,但因各自的局限性,使其应用受到制约。从目前国内外的研究发展动向以及市场需求看,安全可靠、高效低耗、适用温度范围广、制作工艺简单、使用寿命长且成本低廉的电热材料是未来发展的趋势。因此,我们选择了资源丰富,成本低廉且具有多方面优异性能的无机非金属材料为原材料,开展了炭/陶复合材料的研究工作。实验选取膨润土作为陶瓷基体,以不同含量的鳞片石墨、炭黑作为导电原料,碳化硅作为增强原料,经混合、模压成型和烧结工艺制备出炭/陶复合电热材料。本文系统研究了陶瓷原料的种类及粒径大小、成形压力、烧结温度以及不同填料等工艺条件对炭/陶复合材料的微观组成及力学性能影响。结果表明：选取平均粒径≤18μm的膨润土做陶瓷基体,添加适量的天然鳞片石墨、炭黑和碳化硅,经50MPa模压成形,1100℃隔氧烧结,可制备出结合良好的炭/陶复合电热材料；采用XRD和SEM对其物相组成和微观形貌经行分析观察表明,本研究制备的炭/陶复合电热材料中无新相产生,微观结构致密,组成稳定；力学性能测试表明炭/陶复合电热材料抗弯强度可达14.3MPa,初步具备市场应用前景。本研究所制备的炭/陶复合电热材料具有优异的电热性能,在低交流电压下(10V)即可迅速升温,升至终温后,温度可保持相对稳定。本文系统考察了不同含量天然鳞片石墨、预处理石墨和炭黑以及不同电压对炭/陶复合电热材料电阻率、升温速率和最终稳定温度的影响,并对其电热机理进行了分析研究。结果表明：随天然鳞片石墨含量的增加,炭/陶复合电热材料的体积电阻率降低,表面升温速率和最终温度升高；采用预处理石墨能达到更佳的发热效果：少量炭黑的添加有助于提高材料的致密度,微调炭/陶复合电热材料的电阻率；相同条件下加载交流电压比加载直流电压的发热效果好。在本实验条件下,加载10V交流电压,发热效果最好的产品升温速率可达3.5℃/s,最终温度649℃,且保持相对稳定。本研究还验证了炭/陶复合电热材料具备良好的热稳定性和负的电阻温度系数,该特性赋予其更佳的电热性能。本研究所制备的炭/陶复合电热材料在较高温环境下具有良好的抗氧化性。通过将炭材料与陶瓷材料复合,可有效改善炭材料的抗氧化性能,使其明显氧化失重温度升高200℃左右。采用抗氧化剂磷酸/氢氧化铝/硼酸经行表面浸渍处理60min,炭/陶复合电热材料的高温抗氧化性明显提高,其在1000℃有氧环境下失重率仅为1.9wt%,极大扩展了炭/陶复合电热材料在高温领域的应用。
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