1、高溫電熱材料研究現狀與發展隨著航空航天、電子電工、冶金化工、交通、汽車、軍工等行業的飛速發展，對材料的熱 加工成形及熱處理條件要求越來越嚴格。因此，加熱方式和新型加熱材料的開發研究己經成為材料 科學和能源開發領的研究熱點。it詢，常用的加熱方式主要以煤、石油、天然氣、煤氣和電作為能 源，電加熱因易于控制和調節且不污染環境，有利丁提高產品質竝等優點而得到了廣泛的應用。通 常的電熱轉換方式主要有感應式、電阻式、微波、和電弧等加熱方法，其中以電阻加熱元件作為電 熱轉換的電阻式加熱方式最為簡便和應用廣泛1。常見的電熱材料包扌舌金屈電熱材料和非金屬電熱 材料兩類。非金屬電熱材料主要有碳化硅、硅化鉗、氧化

2、鉗復合材料等。具有耐高溫、耐腐蝕、抗 氧化、電熱轉換效率髙等優點，正在逐步取代金屬電熱材料。1電熱體材料的研究現狀電熱材料是用于制造各種電阻加熱設備屮的發熱元件。普通的電熱材料可分為金屬電熱材料 和非金電熱材料兩類。金屬類電熱材料主耍包括貴金屈（pd 高溫熔點金屬（w、mo、ta、nb）及 具合金、銀基合金和鐵鋁系合金（見表1）。其中，應用域廣泛的金屬電熱材料主耍是侏珞合金和鐵 鋁系合金。非金屬電熱材料主要有碳化硅、銘酸瀾、氧化鉆、二硅化鑰等。其中，mosi2以其較高 的熔點、極好的高溫抗氧化性、優異的導電導熱性和適小的密度而成為近年來研究的熱點，被認為 是目前最有前途的高溫結構材料2。表1金

3、加類電熱材料的種類及特性類別熔點廠c容許使用溫度/°c應用范圍特點及使用條件w339023002500適用于較高溫度的價格高，必須在真空或保護氣狙mo262216002000工業爐中使用ta2996 ±502500nb24152230pt17701400適用丁-特殊高溫要價格昂貴，可在氧化氣氛小使用求的加熱爐鐵crl3a14950應用廣泛，應用大電阻率比鐮基類高，抗氧化性好，cr25a151250部分中、高溫電爐比重輕，價格較低，有磁性，高鋁crl3a16mo21250溫強度不如銀基合金合cr21a16nb1350金cr27a17mo21400crl5ni601150適用于

4、1000 °c以下高溫強度高,加工性好,無磁性,cr20ni801200的中溫電阻爐價格較髙，耐溫較低合cr30ni701250金如表i所示，非金屬電熱材料的主耍缺點是價格印貴，使用條件苛刻，其中，難熔金屬電熱材 料必須在真空或保護氣氛中使用。鐵珞鋁合金與銀珞合金相比，使用溫度較高，電阻率較人，電阻 溫度系數也小些，且價格便宜，但高溫強度較低，電阻溫度系數也小些，且價格便宜，但高溫強度 低，使用過后冷態脆性較人4。銀餡合金價格較高，-般情況下多使用鐵餡鋁合金。金加類電熱材 料通常被加工成線材螺旋形或波形結構，通電時容易產生感抗效應造成能量損耗。非金電熱材料口 金屬電熱材料相比具有耐髙

5、溫、耐腐蝕、抗氧化、電熱轉換效率髙等優點，無論是高溫領域還是中 低溫領域，非金屬電熱材料正逐步取代金屬電熱材料。以下主要介紹幾種最常用的非金屬高溫電熱 材料。2非金屬電熱材料非金屬高溫電熱材料主耍包括碳化硅、氧化錯、銘酸銅、二硅化鉗等，具有熔點髙，抗氧化性好等特點，得到了廣泛的研究和應用。表2是不同非金屬電熱元件在大氣環境卜-對應的安全使用 溫度。表2非金屬電熱元件的女全使用溫度元件名稱sicmosi2zro2lacros安全使用溫度/°c<1350<1710<2000<19002. 1碳化硅發熱體sic電熱元件俗稱硅碳棒，是以高純度的綠色sic為主要原料，經

6、2 200°c高溫再結晶制成 的非金屬發熱體，故高使用溫度為1 350°c,其電阻隨使用溫度和時間而變化。它具有碳化硅制品的 一系列物理化學特性，可顯示出無機高溫結構材料的一系列優越性能6, 7。普通sic發熱體的使用 溫度為1 400°c左右，采用高溫均熱燒結、表面噴涂陶瓷、添加特殊物質以及冷端在熔融硅中浸漬處 理等技術而特制的碳化硅發熱體的使用溫度可捉高1 6001 650uc （見表3）,在鼠氣氣氛中甚至 可高達1 800°cl8o止常連續使用壽命-般在2 000h以上，還具有直接使肘商業電源的電阻性能。 此外，有專利報道10,通過向碳化硅中加入粘

7、合劑，所述粘合劑為纖維素類物質，粘合劑占碳化 硅垂星的0.81.2%,釆用了連續高溫燒成的工藝，獲得了碳化硅發熱部各項性能指標均達到碳化硅 行業標準，電阻值偏差縮小，紅熱均勻度偏差縮小，燒成成品率提高，成產周期縮短，耗能人人降 低的碳化硅電熱元件。sic電熱元件的主要優點是熱輻射能力強，町耕確控制溫度；在工業應用上, 通常加工成棒狀、條狀、板狀和u形等，使用方法簡單可并聯、出聯、混聯使用，可水平或豎直 安裝；性價比較高；是中高溫工業電爐和實驗電爐最常用的電熱元件11, 12。被廣泛的應用于陶瓷、 玻璃、耐火材料等高溫工業領域。日前，國外的sic電熱元件的最高使用溫度已達到1 650°

8、c,在1 600°c時可長期使用。我 國的碳化硅電熱元件在生產成品率利產品質量上與國外存在較大的差甌。主耍存在問題是完善碳化 硅電熱元件的索燒工藝和燒成工藝，解決電阻離散性大和力學性能差等問題。農3特制硅碳棒在各種氣氛中的使用溫度氣氛空氣ilcoar使用溫度/°c1600140014001600180012002. 2錚酸鋼發熱體珞酸«(lacr03)是一種鈣鈦礦型(ab03)復合氧化物，具有熔點高13 ( 2 490°c),大氣屮故 高使用溫度可達1 900c,爐溫可達1 800 °c,是一種新型的高溫電爐用加熱元件。主要形狀為 啞鈴型、螺紋

9、型和等直徑型，其中等直徑型的使用放為廣泛。使用范圍一般在1 5001 800°c, jij 倂酸稠發熱體的高溫電爐可應用于單甜制備，精密陶瓷燒結，高溫玻璃熔煉和高溫熱處理等領域。 其主要優點是能夠在大氣氣氛下使用到1 900°c(表面溫度)，可獲得1 800°c的爐溫；能在氧化氣氛 下連續長時間使用，使用壽命可達3 000h以上；可作為大小管式爐，箱式爐的發熱元件；用鉛酸錮 發熱元件裝配的電爐爐溫能夠粘確控制，其爐溫穩定度可在1°cz內14。主要缺點是高溫下與堿金 屬發生作用，對儕酸錮材料的組織結構造成破壞，使元件在高溫下無法使用。同吋，高溫下不許與 還

10、原氣氛(如h2、c0等)接觸，在高溫下還原氣體會使金屬s3+還原成金屬la從而破壞元件，影 響使用。冃前，鋸酸釧發熱體的制備工藝主要包括固相法15、溶膠凝膠法16化學沉淀法、連氨法 和水熱法17,18等。依據骼酸輛的用途研究者采用相應的方法。日木及俄羅斯等國在i】世紀90年 代就已能批址生產lacro3直棒式發熱體，產品的電一致性很好，其性能叮以滿足電爐生產技術的要 求。國內能生產珞酸鋤發熱元件的廠家較少,包頭稀土研究院是在80年代初期研究完成了啞鈴型珞 酸鋼發熱材料的研究工作，在1 9951 996年成功研制了鉆酸瀾等直徑發熱元件190雖然在某些 技術領域己經達到國際先進水平，但格體上與國外

11、和比還存在一定差距，主要是對珞酸鋼的密度和 熱膨脹性能的控制方面。2. 3氧化鉛發熱體氧化鉛發熱元件是在氧化氣氛下使用溫度高達2 0002 200°c的超高溫電阻發熱元件，也是 日前國內外使用溫度放高的發熱元件20。氣化鉛發熱體材料具有高的熔點（2 700°c）,在氧化氣 氛屮的穩泄性好，以及到一定溫度范圍可由絕緣體轉變為導電體等特點。因此，不需要保護氣氛就 可以直接在空氣屮間歇或連續使用，在1 800°c以上（戢高溫度可以達到2 400°c）可連續便用1 000h 以上，在2 000°c到室溫之間的間歇使用可達數百次，所以是一種優良的新塑高溫

12、發熱元件，被廣泛 用做超高溫電爐的發熱元件。彩響氧化鉆電導能力的主要因素有穩定劑的種類及加入量、氧化鉛晶 粒尺寸的人小、氣孔率高低以及所處環境溫度等。表4是由cao穩怎的zr02棒體在不同溫度下的電 阻率。表4 zr02+ca0棒體的電阻率溫度廠c70012001300170020002200電阻率/2300779.41.60. 590. 37zro2發熱元件可制成棒狀、管狀和u型元件，兩端用釦金或倂酸鈣舗系材料作電極引體。其 主耍制備方法主要是搗打工藝和擠圧法工藝。需要注意的是zro2發熱元件的髙溫強度較低，而見只 有在一定溫度范圍才可tl絕緣體轉變為導電體，一般在1 000°c以

13、上時才能明顯導電14。所以用 zro2作為發熱元件的吋候，一般盂要保護材料和輔助加熱裝逍。通常使用mgo管作為zro2發熱元件的保護管，sic棒或mosi2棒發熱體作為輔助加熱裝迸，均勻分布在虺0保護管周圍，然后再在輔助 加熱元件的外圍套一支驅0保護管。所以，zr02發熱元件只能在有保護裝置和輔助加熱元件的條件 下使用，而不能單獨使用用于加熱。此外，加02熱膨脹曲線復雜，耐熱沖擊性差，這也在很大程度 上限制了其發展應用。2.4二硅化鈿發熱體材料iosi2發熱元件是在高溫下工作的電阻發熱元件，通常稱作“硅鉗棒”。是一種可用丁多種 氣氛的高溫發熱元件，尤其適用于氧化性氣氛，其故高使用溫度已經達到1

14、 850°c21o主要用于冶 金化工、玻璃、陶瓷、電子電工、半導體材料等工業領域以及實驗室的重要設備。放早的二硅化鋁 發熱元件是由瑞典kanthal公司丁- 1 947年研制發明的，并于20世紀90年代初將二硅化鋁發熱體 的實用溫度提高到了 1 850°c,即kanthal super 1900型發熱元件，而且外觀平直,抗彎強度髙達 450mpa21,22。而國內現有的二硅化鈿發熱元件的抗彎強度約為150mpa,且塑性差，不能做成形狀 復雜的發熱體，阻礙了其在電爐中的應用。所以，國產二硅化鉗發熱元件與與瑞典kaxthal的super 系列iosi2發熱元件相比，在大型尺寸和

15、復雜形狀發熱元件的制備、發熱元件的抗彎強度、使用溫 度和使用壽命等方而還存在著較大差距23。主要存在的問題是二硅化鋁的室溫脆性、低溫氧化以 及高溫強度低和易高溫蠕變等，常常使其應用范圍受到限制，在一些特殊環境下使用時難以止常服 役。而且國產iosi2發熱元件在國際市場的價格僅僅是kanthal super系列的1/10。所以,改進國 產iosi2粉體的制備技術，優化mosi2發熱元件的成形工藝和冷熱端的擴散接合工藝mosi2發熱 元件改性的技術關鍵。日前，對二硅化鉗發熱體材料的改性主耍是通過合金化和復合化的途徑實現的。合金化mosi2 基高溫結構材料主耍是通過合金化al、re、nb、co、w、

16、b等實現的。根據文獻報道，合金化可影響 mosi 2的dbtt、硬度和屈服強度25。其中,nb、ti合金化mosi2及其復合材料雖然能夠提高mosi2 的室溫韌性和高溫強度,但是卻改變t mosi2材料的晶體結構26,27。而合金化al、re、co、w、b等能夠顯著改善mosi2斷裂韌性和高溫強度2& 29 °其中，w能置換出mosi2的mo原子,并形成合 金化合物（mo, w）si2,其蠕變速率低于mosi2,從而提高了材料的高溫強度，合金化效杲故好30。但是合金化w使mosi2的密度明顯增加，喪失了其密度小的優勢。所以，應該根據mosi2及其復合 材料的不同用途和應用條件

17、，應選擇不同的合金化手段。復合化主要是通過添加zr02、sic> ws12 等增強想形成iosi2基復合發熱體。相變增韌作用的zr02,發揮了較好增韌效果，zr02-mosi2復合 材料具有較好的低溫韌性,但是材料的高溫強度不足;sic的增韌效果雖然不及zr02,但是sic-mosi2 復合材料具有較好的高溫強度；與zr02-mosi2和sic-mosi2復合材料相比，（zr02 +sic）-mosi2 復合材料具有更好的綜合性能31；高熔點高彈性模址的増強體（如sic、si3n4. wsi2和mo5si3等） 也表現出了較好的綜合作用。3問題及結論非金屬陶瓷電熱材料與金屬電熱材料相比具有耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、電熱轉換效率高等 優點，止逐步取代金屈電熱材料。但是非金屬電熱材料自身也存在許多缺點：（1）碳化硅材料在1 350°c以上高溫氧化氣飢屮使丿ij,易造成碳化硅元件因強烈氧化而燒損， 制約了其在更高溫度領域的廣泛應用。（2）鋸酸斕材料合成匸藝與燒結工藝匹配的問題解決得還不是很理想，在某種程度上阻礙了產 品的開發速度，與國外產品存在較大差距。（3）zro2發熱元件只能在有保護裝置和輔助加熱元件的條件下使用，而不能單獨使用用于加