电热膜介绍.doc

经典资料，WORD文档，可下载修改，欢迎同行交流分享。I believe in the fairy story u wrote for me, WORD文档，可下载修改一、电热膜的由来二、电热膜的发热原理三、电热膜的特点四、电热膜的主要类型五、电热膜的国内外发展状况六、电热膜的应用前景七、电热膜技术的研究方向和意义 一、 电热膜的由来人类自从学会用电以来，电除被用于照明、驱动机器之外，还被用来加热、烧水、煮饭、取暖。人类对电加热器的研究一直没停止过，对加热材料的发明也没有中断。人类最早用金属丝作为加热材料。后来为了提高电热丝的寿命，人们发现了钨、铜、铬、镍等高温难熔金属，用这些材料制成的电阻丝，寿命提高了十几倍。以后，人们又发明了无机非金属陶瓷加热材料、PTC材料，PTC是正温度系数材料，它的加热功率随着温度的变化而变化。为了使电加热器加热到更高的温度，人们发明了硅铜加热棒和硅碳加热棒。随着人类生产与生活的需要，为满足不同用途，人们又制造出象涂料一样方便使用的电热薄膜加热材料。电热膜涂料是以导电涂料为基础，在近几年才开始开发和应用的新型功能性涂料。按它的导电类型可分为电阻涂料、电波吸收涂料、电发热涂料、电波屏蔽涂料等。电发热涂料按其固化成膜的方式又可分为两种：高温固化成膜的，通常称为电热膜；常温固化成膜的，称为电热涂料。电热膜的类型，从加热温度来分，有高温型和低温型两类，高温型用在加热温度较高的电热器具，如开水器、电火锅等；低温型要求加热温度在100以下，常用于冬季汽车挡风玻璃防箱或电冰箱自动除霜等。从其自身特点又可分为瓷釉远红外电热膜、直热式远红外电热膜和半导体透明电热膜等。二、 电热膜的发热原理所谓薄膜加热材料是在绝缘材料表面经过一定的工艺加工后，在绝缘材料表面形成一层导电薄膜。导电粒子在绝缘层的表面形成网状晶格结构，薄膜中加入的各种助剂可以调节电热膜功率。通电后，这层薄膜就可以实现转换，于是人们又称它为电热膜，其发热原理如图1所示。三、 电热膜的特点电热膜主要由导电物质和成膜物质或膜状材料组成。不同的导电物质和成膜基体可以形成许多种电热膜。其加工方法，有的是将膜直接制备在被加热载体上，在载体上形成的薄膜不能和载体分离，例如将导电物质和成膜物质混合成浆料后，涂覆在需加热物体上，进行干燥成膜、热解喷涂成膜等；有的是将电热膜元件化，例如将导电物质和成膜物质混合后挤压成型；也有的采用物理气相沉积、真空喷涂、离子喷涂、溅射等方法，使导电物与膜状基片组成一体，或将电热膜浆料制成转印纸等。电热膜日益为人们所重视，并得到越来越广泛的应用，这是因为它又许多传统电热元件所不可比拟的优点。电热膜主要有以下一些特点：1、面状发热、热效率高，节能省电电热膜是面状发热材料，与被加热体形成最大限度的导热面，传热热阻小。通电加热时热量可以很快传给被加热体，并且由于这种加热方式热传导性好，所以电热膜本身温度并不太高，没有发红、炽热现象产生，辐射热损失很小，因此用电热膜制成的电热器具，热效率相当高，一般都在 90%左右。而传统的点热源由于散热面积小，与被加热体要靠其他物体间接传导，在电热转换过程中，电能所产生的热能不能很快传给被加热体，造成电热元件上热量过于集中，元件本身很快变得炽热，电能的很大一部分变成光能而散失，造成电热转换效率较低。在对比实验中，用同样功率同样类型的容器，煮沸等量的水，电热膜电热锅比电炉要节电50%，电热膜搪瓷烧锅比电热管式烧锅要节电10%20%，电热膜金属烧锅比一般电热管式烧锅要节电20%40%，电热膜电热器具有明显的节能效果。2、寿命长，不易损坏一般的电热源总是在炽热的状态下使用，所以很容易产生氧化，造成接头断路。而电热膜工作时由于接触面大、导热快，所以自身温度较低，这就改善了电热膜材料在通电加热状态下的自身的氧化问题，延长了使用寿命。另一方面，电热膜的物理化学性能极为稳定，如透明导电膜，其本身的耐磨性能良好，硬度为莫氏7一8级，相当于石英、黄玉的硬度，一般使用中的摩擦对膜毫无影响。脱卸式的电热锅可把带电热膜的锅体脱下来洗涤，不会损坏膜层。其自身的熔点在 1000以上，在使用中的耐热温度很高，热稳定性好。把电热膜分别在浓盐酸、浓硝酸、60%的硫酸和1%的氢氧化钠中浸泡72小时，其性能无变化。在350的工作温度时，连续通电3000小时，无氧化现象，性能无变化。只要不猛力碰、摔采用电热膜的加热元件，电热膜几乎没有损坏的可能。对于有机电热膜而言，其柔软性极好，耐弯折。电热膜的耐折寿命大于 8000次。这个特点又是电热丝所不能比拟的。所以有机电热膜适用于电热丝所不能适用的需要经常弯曲折叠的产品，如电热服、电热围腰、电热垫、电热围肩等产品。3、外型可选择性强、适用范围广有机膜可做成膜状、线状、板状，能根据需要截取不同长度和大小，用包复、粘贴、缠绕等方法固定在被加热物表面。无机膜直接涂复在玻璃、瓷器、涂有绝缘膜的金属或其他绝缘材料，不受基体表面形状的限制，各种复杂形状的器皿或工作表面均可涂复。电热膜的这种特点使电热膜的适用范围比传统电热元件广泛的多。4、具有自限温特性许多电热膜品种具有正温度系数电阻，也就是说具有限温特性。这种特性是电热丝所不具备的，这种特性使电热膜在出现厚度不均时，膜厚处电流较大，温度上升较快。膜厚处温度上升，电阻也随之增大，电阻增大，电流随之减小，温度下降。这种特点给电热膜带来了许多优点：(1) 保证了电热膜各处的温度均匀电热膜是面加热，对温度均匀要求高，自限温特性保证了各处的温度均匀避免出现各处温度不均的现象。(2) 延长了电热膜的使用寿命自限温特性可避免电热膜因厚度不均而出现局部高温烧毁的现象。还可在电网电源出现过电压、过电流时保护元件不被烧毁。而电热丝在过电压、过电流时就有烧毁之虑。(3) 降低了电热膜生产的技术工艺要求自限温特性使电热膜不会因厚度不均而出现发热不均、局部过热甚至烧毁的现象，所以降低了生产电热膜产品时对厚度均匀的要求。5、加工工艺简单、成本低用电热膜取代电热丝、电热管、电热盘等传统电热元件，可以省去云母片、石棉板、炉盘、管子等辅助零部件，从而使元件结构大为简化，且制造工艺简单重量、厚度和成本可以大幅度降低。另一方面，电热膜的原材料都是普通工业原料，成本低廉。6、无明火、安全可靠电热膜在电热转换过程中不产生明火。当电热膜加热器处于加热至100沸水状态时，电热膜不会烧蝴纸张、棉花、火柴，与之接触也不会引燃。因此电热膜很适合于有些需要加热保温，而又不允许有明火的特殊场所应用。四、 电热膜的主要类型 薄膜加热材料按主要成份可分为金属薄膜加热材料、无机薄膜加热材料和有机薄膜加热材料。(1)金属薄膜加热材料把金属材料或金属氧化物，如银、铂、锡、钨等，用气相生长、电弧等方法把金属材料涂到绝缘材料表面，形成薄薄的一层导电膜。金属膜加工工艺复杂，成本较高，是第一代薄膜加热材料。(2)无机膜是将无机导电材料，如石墨、SiC、SiO2和其它硅酸盐材料，在无机导电材料中添加成膜剂、阻燃剂等助剂制成涂料，把这种涂料涂抹在绝缘材料的表面，经高温处理后，去除粘结材料，在绝缘材料表面形成一层导电膜。由于无机材料本身所拥有的特点，因此，它具有寿命长、成本低、耐高温的优点。但是，无机材料是脆性材料，它只能用于制作刚性薄膜。(3)有机加热薄膜材料是在有机高分子材料中加入导电粒子，或用导电有机材料制成薄膜材料，也可以把有机材料涂在绝缘材料表面制成有机导电薄膜。例如：由聚四氟乙烯掺杂碳黑，制成一种类似塑料薄膜式的加热带，不须依附于任何基材，柔软可折叠，本身导电无绝缘层。使用时可采用聚酰亚胺薄膜作绝缘层，有机膜具有弯曲性能，可折叠，但一般只能在较低温度下使用。导电薄膜材料不同，特点不同，一般可根据使用要求选择不同的导电薄膜材料。目前行业内流行的电热膜大致分类列于表1，比较有实用价值的电热膜制品大致分类列于表2。五、 电热膜的国内外发展状况在电加热领域里，有电阻加热、电磁感应加热和微波加热三种类型，其中使用最广泛的是电阻加热方式。电阻加热中有各种加热元件，如电热丝、电热管、电热板、石英管、PTC电热元件等，除PTC电热元件外，其他发热元件均以电热丝作为其内在热源，用电热丝加热的方式已延续了 100多年。近几年电热膜作为加热元件的产品不断问世。其实，电热膜技术的开发应用已经有好几十年了，只是由于其进入民用领域比较晚，加上我国对电热膜技术的开发应用也比较晚，所以人们对电热膜及其产品才显得比较陌生。电热膜加热属于电阻加热方法，这种加热技术的构想是国外在五十年代初提出并开始研究的，当时一些工业发达国家提出了采用薄膜型电加热材料对石油输油管道、电线电缆等野外设施进行保温防冻。五十年代末，美国俄亥俄州的布列斯克加热用品公司在原来生产柔软加热带材的基础上发展了一种恒定功率的加热电传。这个发展使电热膜技术向实际应用提供了一个可行的方案。六十年代初，美国瑞侃公司开发了一种加热电缆，该产品采用一种半导电塑料，其电阻能随温度作非线性变化，并且有正温度系数特性 (PTC特性)，从而自动调整热输出功率，以达到控温和保温的目的，这可以说是电热膜应用的最初产品。当时，很多国家和企业都在进行电热膜技术的研究和开发，但由于制造电热膜的材料基本上都采用金、银、铂等贵金属或氧化锢氧化锡和锢锡氧化物掺杂的半导体材料，且制膜工艺要求高，制膜设备复杂，所以成本昂贵。至使电热膜技术主要应用于航天、航空、军事、石油开采等少数高耗费领域。从七十年代起，随着对电热膜技术的不断深入研究，制膜工艺、导电介质的配置技术等逐步成熟，电热膜的可靠性和稳定性有明显的提高，制造成本逐渐降低，其应用范围也不断扩大。七十年代末，电热膜技术已在许多国家得到开发利用，八十年代中后期，电热膜技术的应用已经相当广泛。目前已应用到电子、医疗、交通，宇航，家用电器、化学工业、轻工、纺织工业等领域。日本松下电器公司开发了以聚烯烃、尼龙等为主体的电热膜，它利用结晶性高分子树脂晶体受热熔融时的体积膨胀特性，使导电复合材料具有实现电流控制的功能，从而使器材的发热更趋合理化和理想化。日本大金公司结合氟树脂产品的开发也研制成功了聚四氯乙烯电热膜，主要应用在电热地毯、保温器具等家用电器产品上。美国北方电器公司生产的电热膜电热毯，年产量达 400万条。美国雷顿公司研制生产的电热电缆，年产量达6万公里。英国Salton公司生产的各种无机类电热膜玻璃保温器具，因其技术先进而成为高附加值产品而进入国际市场。我国电热膜研制始于70年代，上海有机氟研究所等单位均研制过电热膜，但未得到应用和推广。1984年以后，许多单位开始电热膜的研制工作，取得不少成果，并进行了试制和技术转让。1986年后，许多应用电热膜技术的产品陆续问世，在家用电器中有电热咖啡壶、搪瓷烧锅、直热式淋浴器、电热屏、电热板等，在工业方面的应用也逐渐推广，如用于信息终端大屏幕显示、飞机座舱导光板、复印机消电灯、输油管道的保温加热、电热电缆、设备的防冻霜等方面。由于电热膜加热技术与其他导电发热材料相比，具有较为明显的优点，如热效率高、节能省电、寿命长、外型可选择性强、适用范围广、加工工艺简单、结构简单、成本低、无明火、安全可靠等。所以许多国家对电热膜加热技术及其应用都非常重视，一些发达国家在此方面的研究工作从未间断过。世界各大公司之间的竞争十分激烈，产品应用也十分广泛。如日本不断的开发电热膜新材料、新工艺，使电热产品逐步系列化，产品质量得到不断的提高，产品的产销量也稳步上升。日本鲁斯托化学公司对电热膜的 200 多种潜在的用途作了鉴定，并进一步开拓电热膜在便桶垫圈、人工假肢、地毯等方面的特殊用途。日本在1986年到1990年5年间被批准的有关电热膜及其相关技术的专利就有240项。随着电热膜及其相关技术的不断发展，电热膜的应用范围将会进一步扩大而且将会在相当大的领域里取代传统的电热元件。六、 电热膜的应用前景 国际上最早开发和使用电热膜的是俄罗斯，俄罗斯最早在国防和宇航中使用。把加热薄膜涂在导弹发射井的井壁和宇航飞机的内壁，用于加热和保持环境温度。由于薄膜加热材料具有优良的导电性能，可以吸收各种射线和电磁波、远红外波和微波，它在核工业、军工方面有着特殊的用途。俄罗斯把这种材料涂在飞机的表面，制成了防雷达的“隐形”飞机。随着薄膜加热材料的发展和成本下降，人们逐渐把这种材料用于工业产品和民用产品中。日本鲁斯托化学公司就把电热膜用于飞机机翼除冰和飞机场的除冰、除雪。用有机材料制成的透明电热膜，可用于汽车挡风玻璃的防雾和除冰，还用于冷藏式陈列柜的除霜。由于薄膜加热材料和被加热表面，是以化学键或分子的方式结合，因此，薄膜加热材料较其它的加热材料有较高的热效率，一般达到90%以上。用电热薄膜制成的电热水器比电阻丝的电热水器节电35%，人们还用电热薄膜制成了电热咖啡壶、电热煎锅、电淋浴器等民用产品。电热薄膜可以制得很薄，因此，它有较宽的电压适用范围，可以适用6240V的电压，用电热薄膜能够十分方便地制成低压加热器。用电热薄膜制成的汽车尾汽处理预加热装置、汽车发动机预加热装置，可以十分方便地使用低电压汽车电瓶。用于高寒地区使用的电热手套只使用二节充电电池作电源。石油开采和输送中，使用许多阀门，到了冬天，这些阀门需要预热，由于阀门的外形是不规则形状，用电阻丝加热十分不方便，用电热薄膜加热就解决了这一问题。电热薄膜在加热中没有明火，因此，它使用起来十分安全可靠，特别是在煤矿、化工厂、油库等需要加热的场所，使用电热膜可以提高安全性。由于薄膜加热材料是一种新型的发热材料，人们对它的开发和利用才刚刚开始，鉴于它自身特有的优点，它一定有着十分广阔的应用前景。七、 电热膜技术的研究方向和意义电热膜是一种高效节能产品，仅此一个理由就决定了它一定要发展、一定能发展。2004年6月的世界环境日，中央电视台播放的特别节目中提到：目前世界的能源状况，按照当前世界工业化发展速度和能源消耗，世界的石油储量够用40年、天然气储量够用60年、煤炭储量够用200年，节能和开发可再生能源是摆在全人类面前的头等大事。电热膜技术作为一项新兴技术，其广泛使用必将产生良好的经济效益和社会效益。我国是一个能源短缺的国家，1990年总发电量为6150亿度，按人口来计算用电水平离发达国家还存在着相当大的差距。由于工农业生产的发展，全国缺电达数百亿度。我国居民生活用电近几年来增长很快，年增长率均在 20%以上，现在已占总用电量的近10%。电热器具很多是 “电老虎”，像电热炊具、取暖器的功率很多都在500 瓦以上，保温器具的功率也一般都在100 瓦以上。全国各种电热器具的总产量约为7000万只左右，若其中三分之一为500瓦/只，三分之二为100瓦/只，则这些电热器具消耗的总功率要达0.16亿千瓦，以每天使用2小时计算一年耗电 110 亿度以上。所以开发电热膜产品，在节能上是很有意义的。若电热膜能取代三分之一的传统电热元件，按节电20%计，则每年可节电20多亿度。半导体电热膜(Semiconductor Electroheating Film，简称SEHF)，又称金属氧化物电热膜，是能紧密地结合在电介质表面上，通电后成为面状热源的薄膜状半导体电热材料，它具有熔点高、硬度大、电阻低、热效率高、化学稳定性好等特点，特别是耐酸和碱、在加热过程中无明火的特性，在电热领域受到人们的重视。半导体电热膜目前在国际上被公认为是工艺控制难度大、不易研制和开发的一种极具应用潜力的电热膜，它有可能靠薄膜自身特性控制温度，成为安全的 “智能”型发热材料，它将是未来导电膜发热体的主要研究方向。国内半导体电热膜的研究工作，最早进行的主要是二氧化锡膜。二氧化锡电热膜又称半导体电热膜、无机电热膜、透明电热膜等，是电热膜中较常用的一种。二氧化锡是这种金属氧化物半导体的典型代表，它在国防和工业技术上有着重要的作用。日本旭硝子等公司曾用离子辅助溅射、真空蒸镀等方法，生产过此种导电膜，但是由于成本较高，一直停留在军事工业和电子工业应用上，而大规模的民用生产始终未见推广。纯二氧化锡制备的薄膜其电阻性能不稳定，主要是温度系数太大。如果在二氧化锡中添加其它元素，可以改进稳定性和电阻温度系数。例如在二氧化锡中加入少量的氧化锑，可以显著降低其电阻率，并且提高它在热、化学以及电等方面的稳定性，如果和红外技术相结合，使得形成的电热膜中含有少量氧化锰、氧化镍等高发射率物质，则不但可以稳定温度系数，还可以增强其红外辐射，这种氧化膜可以用来制造性能良好的加热元件。