电热材料

波长在 4~5.6微米的射线称为远红外线，实际应 用的波 长范围是 2.5微米之间的波长。将电热合金丝穿入陶瓷或 石 英玻璃等材料制成的管中可以制成远红外加热元件，也可以 直接在金属管状电热元件或加热板（盘）表面涂覆和烧结一 层具 有远红外辐射功能的陶瓷涂料。远红外线辐射的效果取 决于材 料的性质。远红外线的加热效果又与被加热物体对其 选择性吸 收的能力有直接的关系。远红外线加热在家用电器 产品上多用 于取暖器具和厨房器具。前者的典型应用实例是 石英管暖风机， 后者的典型应用实例是电烤箱。还有一种特 种应用实例是医疗 保健性质家用电器如热敷器等。 远红外线加热的优点有：热效率较高；可进行遮断、反 射和 聚集；易于控制；对人体取暖、保健和食物加工有一种 特殊效果。 缺点是要靠电热合金等材料加热，石英管加热器 有相当部 分转化为可见光。
非金属电热材料主要有碳化硅、铬酸镧、氧化锆、二硅化钼等。 具有耐高温、耐腐蚀、抗氧化、电热转换效率高等优点，正在逐步 取代金属电热材料。 其中，MoSi2 以其较高的熔点、极好的高温抗氧化性、优异的 导电导热性和适中的密度而成为近年来研究的热点，被认为是目前 最有前途的高温结构材料. 非金属电热材料的主要缺点是价格昂贵， 使用条件苛刻，其中，难熔金属电热材料必须在真空或保护气氛中 使用。铁铬铝合金与镍铬合金相比，使用温度较高，电阻率较大， 电阻温度系数也小些，且价格便宜，但高温强度较低，电阻温度系 数也小些，且价格便宜，但高温强度低，使用过后冷态脆性较大。 镍铬合金价格较高，一般情况下多使用铁铬铝合金。金属类电热材 料通常被加工成线材螺旋形或波形结构，通电时容易产生感抗效应 造成能量损耗。
电热材料是用于制造各种电阻加热设备中的发热元件。普通的 电热材料可分为金属电热材料和非金电热材料两类。金属类电热材 料主要包括贵金属（Pt）、高温熔点金属（W、Mo、Ta、Nb）及 其合金、镍基合金和铁铝系合金（见表1）。其中，应用最广泛的 金属电热材料主要是镍铬合金和铁铝系合金。非金属电热材料主要 有碳化硅、铬酸镧、氧化锆、二硅化钼等。其中，MoSi2 以其较 高的熔点、极好的高温抗氧化性、优异的导电导热性和适中的密度 而成为近年来研究的热点，被认为是目前最有前途的高温结构材料。 非金属高温电热材料主要包括碳化硅、氧化锆、铬酸镧、二硅 化钼等，具有熔点高，抗氧化性好等特点，得到了广泛的研究和应 用。表2是不同非金属电热元件在大气环境下对应的安全使用温度。
氧化锆发热元件是在氧化气氛下使用温度高达2 000～2 200℃ 的超高温电阻发热元件，也是目前国内外使用温度最高的发热元件 [20]。氧化锆发热体材料具有高的熔点（2 700℃），在氧化气氛中 的稳定性好，以及到一定温度范围可由绝缘体转变为导电体等特点。 因此，不需要保护气氛就可以直接在空气中间歇或连续使用，在1 800℃以上（最高温度可以达到2 400℃）可连续使用1 000h以上。
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电热材料是制造各种电阻加热设备中的发热元件。 电热材料性能的优劣会直接影响电热设备的质量。电热材料 要求具备一定的力学、物理性能，如机械强度高、反复弯曲次数 多、抗拉强度高、伸长率高。还要求具备电和热等方面的性能，
如较高的电阻率，较小的电阻温度系数，好的抗氧化性，好的耐
腐蚀性，耐高温，良好的加工性能。 电热材料直观地按其物理形态划分有电热纤 维、电热丝 （线）、电热带、电热膜、电热箔、电热片、电热管（棒）、 电热板、电热盘、电热圈；如按其化学成份划分无非是金属材料 和非金属材料或有机电热材料和无机电热材料两大类；如若从 其发热机理上区分，则有电阻发热材料、远红外发热材料、光波 发热材料、微波发热和电磁感应发热相关材料。
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常用的电热合金材料为镍铬合金和铁铬铝合金。
镍铬电热合金的特点是： 1.高温下的强度高； 2.长期使用后再冷下来，材料不会变脆； 3.充分氧化后的镍铬合金其幅射率比铁铬铝合金高； 4.无磁性； 5.除硫气氛外，有较好的耐腐蚀性。 铁铬铝电热合金材料的特点是： 1.使用温度高，如铁铬HRE铝合金丝在大气中的最高使用 温度可达 140℃； 2.使用寿命长； 3.允许的表面负荷大； 4.抗氧化性能好，其氧化后生成 三氧化铝膜具有良好的抗化性和高电 阻率； 5.比重小于镍铬合金； 6.电阻率高； 7.抗硫性好； 8.价格明显低于镍铬合金； 9.缺点是随着温度升高，表现有塑性，高温下的强度低。
PTC发热材料的发展历史尚短，存在的不足之处是负荷密 度偏 低；居里温度的控制要求高（分散性）以及要作到更高的居 里点较 困难，一般都在 350℃以下。
电热膜从外观上来分，有透明电热膜和不透明电热膜，若按 其基料 划分可分为有机电热膜和无机电热膜。有机电热膜的构 成又有聚合物电 热膜和添加型电热膜。 目前实际应用较多的是 在成膜物质中添加炭黑、石墨或二者混合使 用。制膜的工艺以涂 覆和丝网印刷为常用。无机膜中以透明的二氧化锡 电热膜为代 表，成膜工艺有热喷、气相沉积和溅射法等。 电热箔是一种厚度稍厚的电热材料，例如由电热合金制成 的电热箔， 厚度在10~50微米。将金属箔夹在两层耐热绝缘材料 如聚酯薄膜或聚四 氟乙烯薄膜中间就构成了一种柔软性的电热 材料。也有的将超细的电热 合金粉末通过印刷技术印在预选已 经过绝缘处理的金属基板上，然后经 过高温烧结而成。 电热膜和电热箔的应用和推广正在进行中，特别是电热膜 在家用电 器产品尤其是小家电产品上的应用实例很多，但因受 到各方面因素的影 响和局限，例如载体、产品结构、电的联接及 温度限制等。有时必须从 家电产品整体设计上予以配合。
电热合金丝是用途最广泛、用量最大的发热材料。它的缺点 是工作 状态下自身处于很高的温度下（炽热状态），在空气中容 易发生氧化反 应而烧断；从电热能量转换方面来分析，由于产生 部分可见光而使能量 损耗；电热合金丝往往以螺旋状态使用，通 电时会产生感抗效应。下图
为几种常见电热合金的化学成份及性能：
PTC通称正温 度系数热敏电阻。应用最多的是钛酸钡陶 瓷材料，其特性是对温 度敏感。在低于居里温度时表现出负 电阻特性，当达到居里温度 时，其电阻值开始急剧增 大，电 阻温度系数可达 10~60％。作为发热材料使 用时，具有以 下优越特性： 1.无明火，安全； 2.自动恒温； 3.无氧耗； 4.耐腐蚀。 表2歇使用可达数百次，所以是一种优良
的新型高温发热元件，被广泛用做超高温电炉的发热元件。影响氧化 锆电导能力的主要因素有稳定剂的种类及加入量、氧化锆晶粒尺寸的 大小、气孔率高低以及所处环境温度等。表4是由CaO稳定的ZrO2棒 体在不同温度下的电阻率。
石墨：耐高温性好，导电性比一般非金属矿高一百倍。导 热性超过钢、铁、铅等金属材料。常温下有良好的化学稳定性，能 耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。韧性好。一般在还原性气氛或真 空下使用，最高温度可达3000 ℃。 二硅化钼：具有金属与陶瓷的双重特性，是一种性能优异 的高温材料。极好的高温抗氧化性，抗氧化温度高达1600℃以上。 主要应用作发热元件、集成电路、高温抗氧化涂层及高温结构材料。