本發(fā)明屬于高溫紅外加熱器件制備，更具體地，涉及一種弱ptc效應(yīng)光子晶體高溫紅外器件及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、高溫電加熱技術(shù)(500℃以上加熱)具有安全可控、環(huán)保節(jié)能的特點(diǎn)，是人類社會(huì)實(shí)現(xiàn)高溫條件的主要技術(shù)方式，廣泛應(yīng)用家用電器、冶金鍛造、化工催化、航空航天等領(lǐng)域，目前市面上常見的高溫加熱產(chǎn)品主要采用電熱管、陶瓷加熱器和感應(yīng)加熱器等作為加熱器件。電熱管以鎳鉻合金或鐵鉻鋁電阻絲為核心，封裝于金屬護(hù)套與氧化鎂絕緣介質(zhì)中，其輻射光譜呈寬泛黑體特性(3-8μm波段占比＜40％)，電-熱轉(zhuǎn)換效率較小，且高溫氧化導(dǎo)致電阻絲晶界脆化，會(huì)嚴(yán)重影響使用壽命，難以滿足長周期工業(yè)需求；陶瓷加熱器雖通過鈦酸鋇基半導(dǎo)體陶瓷改性提升了紅外發(fā)射率，但其顯著的ptc效應(yīng)導(dǎo)致居里溫度附近電阻率驟升3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，引發(fā)功率輸出失穩(wěn)，且高溫區(qū)晶界擴(kuò)散加劇，電阻漂移率較高，限制了精密溫控場景的應(yīng)用；感應(yīng)加熱器雖依托渦流效應(yīng)實(shí)現(xiàn)非接觸高效加熱，但其技術(shù)局限性尤為突出，高頻電源模塊成本較高，且僅適用于鐵磁性材料(如碳鋼)，對(duì)非金屬或低導(dǎo)磁體(如陶瓷、復(fù)合材料)完全失效，同時(shí)電磁干擾需額外屏蔽處理，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)復(fù)雜度與維護(hù)成本。上述技術(shù)體系在能效、穩(wěn)定性及適用性方面的矛盾，亟待通過材料創(chuàng)新與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)予以突破。

2、由此可見，現(xiàn)有技術(shù)存在ptc效應(yīng)顯著(高溫電阻波動(dòng)過大)，高溫紅外輻射能量少、加熱效率較低的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種弱ptc效應(yīng)光子晶體高溫紅外器件及其制備方法，本發(fā)明高溫紅外器件包括發(fā)熱體和位于發(fā)熱體兩端的導(dǎo)電電極，發(fā)熱體為銀粉和負(fù)溫度系數(shù)半導(dǎo)體材料周期性排列形成的光子晶體。本發(fā)明高溫紅外器件中銀粉和負(fù)溫度系數(shù)半導(dǎo)體材料可以產(chǎn)生大量焦耳熱，內(nèi)部的紅外光子晶體結(jié)構(gòu)高效反射3-8μm波段紅外線，使得器件發(fā)射的紅外能量增加，整體的加熱效率提高。由此解決現(xiàn)有技術(shù)存在ptc效應(yīng)顯著(高溫電阻波動(dòng)過大)，高溫紅外輻射能量少、加熱效率較低的技術(shù)問題。

2、根據(jù)本發(fā)明第一方面，提供了一種光子晶體高溫紅外器件，包括發(fā)熱體和位于發(fā)熱體兩端的導(dǎo)電電極，所述發(fā)熱體為銀粉和負(fù)溫度系數(shù)半導(dǎo)體材料周期性排列形成的光子晶體。

3、優(yōu)選地，所述負(fù)溫度系數(shù)半導(dǎo)體材料選自tio2、nio、sno2、v2o5、azo、ato、ga2o3或tan。

4、根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供了所述的光子晶體高溫紅外器件的制備方法，包括以下步驟：

5、(1)向高分子溶液中加入分散劑、玻璃粉、銀粉和負(fù)溫度系數(shù)半導(dǎo)體材料，得到漿料；

6、(2)將步驟(1)得到的漿料在絕緣基材上印刷成膜，靜置流平后得到初始發(fā)熱層，將初始發(fā)熱層進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)，在振動(dòng)過程中，漿料中的顆粒沿著受力方向發(fā)生有序排列，形成光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)熱層；在發(fā)熱層兩端印刷電極并烘干，然后在發(fā)熱層上印刷絕緣漿料并烘干，然后進(jìn)行燒結(jié)，使得玻璃粉熔融，即得到光子晶體高溫紅外器件。

7、優(yōu)選地，步驟(2)中，所述燒結(jié)包括兩個(gè)階段，第一階段以2-3.5℃/min升溫至300-400℃，保溫100-150min，以去除有機(jī)成分；第二階段以3-4.5℃/min升溫至700-850℃，保溫10-30min，使得玻璃粉熔融。

8、優(yōu)選地，所述機(jī)械振動(dòng)的條件為：振幅0.1mm-2mm、頻率30hz-50?hz、時(shí)間20min-40min。

9、優(yōu)選地，步驟(1)中，先將所述分散劑加入到高分子溶液中，再依次加入玻璃粉、銀粉和負(fù)溫度系數(shù)半導(dǎo)體材料；

10、優(yōu)選地，所述玻璃粉、銀粉和負(fù)溫度系數(shù)半導(dǎo)體材料均為多次添加，且添加量逐次遞減。

11、優(yōu)選地，所述負(fù)溫度系數(shù)半導(dǎo)體材料選自tio2、nio、sno2、v2o5、azo、ato、ga2o3或tan；所述負(fù)溫度系數(shù)半導(dǎo)體材料的尺寸為500nm-2500nm。

12、優(yōu)選地，所述高分子溶液為水性聚氨酯溶液、水性丙烯酸樹脂溶液、有機(jī)硅樹脂溶液、乙基纖維素的松油醇溶液或聚氯乙烯樹脂溶液；

13、所述銀粉為片狀、球狀或線狀，所述銀粉的粒度為500nm-2500nm；

14、所述玻璃粉為硼硅酸鹽玻璃、鉍系玻璃、鋁硅酸鹽玻璃或磷硅酸鹽玻璃；所述玻璃粉的粒度為500-2000目。

15、所述分散劑為聚酰胺、聚酰亞胺、聚氨酯、聚丙烯酸酯或氨基酸酯共聚物；

16、所述絕緣基材為微晶玻璃、不銹鋼、石英玻璃、氧化鋁或氮化鋁。

17、優(yōu)選地，所述玻璃粉的質(zhì)量比上高分子溶液的體積為0.3g/ml-0.6g/ml，所述銀粉的質(zhì)量比上高分子溶液的體積為0.4g/ml-0.6g/ml，所述負(fù)溫度系數(shù)半導(dǎo)體材料的質(zhì)量比上高分子溶液的體積為0.3g/ml-0.6g/ml。

18、根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供了所述的光子晶體高溫紅外器件用于電熱加熱的應(yīng)用；

19、優(yōu)選地，所述電熱加熱的溫度為500℃-550℃。

20、總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

21、(1)本發(fā)明中銀粉是主要導(dǎo)電相，用來產(chǎn)生焦耳熱，負(fù)溫度系數(shù)半導(dǎo)體材料用來和銀粉進(jìn)行周期性有序排列形成光子晶體，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一部分熱量。光子晶體結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的傳播行為具有調(diào)控作用，在光子帶隙范圍內(nèi)可以表現(xiàn)出類鏡面反射，而具有紅外波段光子帶隙的光子晶體結(jié)構(gòu)可以高效反射紅外線。本發(fā)明高溫紅外器件工作時(shí)，銀粉和半導(dǎo)體材料可以產(chǎn)生大量焦耳熱，內(nèi)部的紅外光子晶體結(jié)構(gòu)高效反射3-8μm波段紅外線，使得器件發(fā)射的紅外能量增加，整體的加熱效率提高。

22、(2)本發(fā)明負(fù)溫度系數(shù)半導(dǎo)體材料通過摻雜形成淺雜質(zhì)能級(jí)或缺陷態(tài)，溫度升高時(shí)，雜質(zhì)電離和本征激發(fā)導(dǎo)致載流子濃度顯著上升，表現(xiàn)為電阻降低，降低高溫器件的電阻波動(dòng)。具有3-8μm帶隙的光子晶體結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)該紅外波段的類鏡面反射，可以使高溫器件獲得較強(qiáng)的紅外加熱能力。通過上述工藝可以成功獲得弱ptc效應(yīng)光子晶體高溫紅外器件。

23、(3)本發(fā)明將負(fù)溫度系數(shù)半導(dǎo)體材料摻入高溫紅外漿料中，當(dāng)進(jìn)行高溫加熱時(shí)，雜質(zhì)電離和本征激發(fā)導(dǎo)致載流子濃度顯著上升，表現(xiàn)為電阻降低。傳統(tǒng)高溫加熱器件ptc效應(yīng)顯著，電阻隨溫度升高而快速增加，會(huì)降低高溫加熱時(shí)的加熱效率，同時(shí)電阻隨溫度變化波動(dòng)較大，適用范圍受限。摻雜負(fù)溫度系數(shù)半導(dǎo)體材料后，可以獲得弱ptc效應(yīng)的高溫器件，有效減小高溫加熱時(shí)的溫度波動(dòng)，提高加熱效率。

24、(4)向高分子溶液中一次性加入銀粉、玻璃粉和負(fù)溫度系數(shù)半導(dǎo)體材料，會(huì)導(dǎo)致大體積的團(tuán)聚、結(jié)塊問題。基于此，本發(fā)明向漿料中分多次添加玻璃粉，添加量逐次遞減，可以使玻璃粉在漿料中分散均勻，然后向漿料中按照相同方法先后添加銀粉和負(fù)溫度系數(shù)半導(dǎo)體材料，可以使得高溫紅外漿料中玻璃粉、銀粉和負(fù)溫度系數(shù)半導(dǎo)體材料分散均勻。如果每一次的添加量相同，則隨著添加次數(shù)增加分散效果逐漸變差，而本發(fā)明中添加量逐次遞減，這樣可以保證每一次的分散效果均較好。

25、(5)本發(fā)明玻璃粉具有較高熔點(diǎn)，可以提供高溫下的粘接功能；高分子溶液提供常溫下的加工性能；加入適量分散劑，提高固體顆粒的分散效果。

26、(6)本發(fā)明使用絲網(wǎng)印刷和機(jī)械振動(dòng)的方式獲得光子晶體結(jié)構(gòu)。絲網(wǎng)印刷時(shí)刮刀提供的剪切力使固體顆粒進(jìn)行初步排列，漿料靜置流平后，使用機(jī)械振動(dòng)設(shè)備，使微納米顆粒在特定頻率和振幅下進(jìn)行受控運(yùn)動(dòng)，在振動(dòng)過程中，顆粒間的相互作用力得到充分調(diào)節(jié)，從而促使顆粒沿著預(yù)定方向排列，最終形成具有長程有序性的光子晶體結(jié)構(gòu)。這種光子晶體加工方式簡單高效，適合弱ptc效應(yīng)光子晶體高溫紅外器件的大批量、大面積制造。

27、(7)本發(fā)明使用高溫梯度加熱的工藝將初步高溫紅外器件進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。先緩慢升溫至300℃-400℃，保溫一段時(shí)間，完全去除涂層中的有機(jī)成分并減少內(nèi)部缺陷。再升溫至玻璃粉熔點(diǎn)之上的某一溫度，保溫較短時(shí)間(10min-30min)，使玻璃粉充分熔融潤濕固體成分，降溫凝固后可完成各組分的連接。如果沒有中低溫(第一階段加熱)的保溫過程，會(huì)導(dǎo)致有機(jī)物較快分解產(chǎn)生微孔或裂紋，造成機(jī)械強(qiáng)度降低。如果高溫保溫時(shí)間過長，會(huì)導(dǎo)致銀粉氧化和玻璃粉過度包覆，造成器件的導(dǎo)電性下降。