电热膜配方及大工业生产制备的研究 毕业设计 毕业论文及文献综述 优秀毕业设计.doc

东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 封面东华理工大学长江学院毕业设计(论文)题 目 电热膜配方及大工业生产制备的研究 （生产制备及控制方案的设计） 英文题目 Design of electric heating membrane formula and the preparation of industrial production. （Design of the preparation and controlling system） 学生姓名 吴友贵 学 号 04314120 指导教师 罗勇 职称 副教授 专 业 电子信息工程 二零零八年六月 二 日 III东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 摘要电热膜配方及大工业生产制备的研究（生产制备及控制方案部分的设计）摘 要本设计是关于电热膜配方及大工业生产制备的研究，设计分为两个部分完成，一部分为电热膜配方的研制，另外一部分为电热膜元件大工业生产制备及控制方案的设计。本设计由两位同学完成，笔者主要负责生产制备及控制方案的设计,另一位同学负责电热膜配方的研究。在这个方案中，对于电热膜加热元件生产线，提出了生产制备的构成及工作原理；对于整条电热膜加热元件生产线的控制，设计用一台内存量较大的工控机为主机作为中央控制计算机和多台内存量较小的工控机及PLC作为从机以控制现场设备，从而构成了大工业电热膜元件生产线计算机控制系统。关键词：电热膜； 电热膜配方； 生产制备； 制作工艺； 中央控制系统东华理工大学长江学院毕业设计（论文） AbstractAbstractThis design is Design of electric heating membrane formula and the preparation of industrial production. This design is divided to two parts in our thesis. One part is the electric heating membrane preparation of industrial production. The other part is the Design of production and preparation of the electric heating membrane in Large-scale industrial production and controlling. Two students commonly completed the design. The author is mainly to design the production of the electric heating membrane in Large-scale industrial production and principle of applying. The other student is mainly to explorer the research of the electric heating membrane preparation. In this design, author proposed the composition of the product equipment and controlling system for this industrial production line. The author also propose a central controlling computer as main machine which is large volume storage and several industrial controlling machines which are small-capacity and PLC as auxiliary machines to operate the present machines. And so these machines can constitute the computer controlling system of the Large-scale industrial production line of the electric heating membrane.Key words: Electric heating membrane； Formula of the electric heating membrane； The production and preparation of the electric heating membrane; Manufacturing Technology； Central Controlling System东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 目录目 录绪 论.1目前电热膜元件研究进展情况及其应用前景11 电热膜元件简介.21.1 电热膜元件的结构和材料21.2 电热膜配方的的设计31.3 电热膜的制作工艺方法41.3.1 金属盐溶液喷涂热解法41.3.2 化学气相沉积法51.3.3 真空蒸发工艺51.3.4 溅射工艺61.3.5 涂敷法61.3.6 烧结法61.3.7 压力成形法61.3.8 塑炼法72 电热膜加热元件生产线的制备组成部分设计及工作原理.82.1 电热膜元件生产线总体方框图82.2 电热膜加热元件生产线各制备的设计及工作原理82.2.1 清洗柜的设计及工作原理82.2.2 水玻璃涂覆机的设计及工作原理92.2.3 加热电窑的设计及工作原理112.2.4 电热膜喷镀工艺流程及其装置的设计142.2.5 玻璃管元件砂带磨削装置的设计172.2.6 电热膜玻璃管绝缘检测系统的设计192.2.7 电热膜检玻璃管功率测系统的设计232.2.8 工况检测系统的设计243 电热膜加热元件生产线中央电气控制系统方案的设计与论证.263.1 中央控制系统电气原理图263.2 中央控制系统的基本组成293.3 中央控制系统的工作原理293.4 中央控制系统的功能和特点303.4.1 控制系统具有先进性303.4.2 控制系统的控温精度高303.4.3 控制系统运行可靠性高313.4.4 控制系统观察、操作方便313.4.5 控制系统软件设计合理313.4.6 系统采取了有效的抗干扰措施313.4.7 系统在配电方面采取的措施313.5 部分中央控制电路简图及设计要点313.5.1 中央控制台提供现场各控制柜控制电源电路简图323.5.2 中央控制台控制现场各温控柜 启、停控制电路简图333.5.3 由中央控制台控制的水、气、液、传送链、排气扇电路简图333.6 控制软件的主要结构及模块功能344 工控机的工作原理和通讯.384.1 工控机的工作原理和特点及应用。384.2 工控机与S7-200 PLC通信原理394.2.1 IPC与PLC实现通信的方法404.2.2 S7-200 PLC与工控机的通信方式404.2.3 S7-200 CPU224 PLC通信接口404.2.4 IPC通信接口414.2.5 S7-200PLC CPU224与IPC通信过程424.2.6 IPC与S7-200 CPU224 PLC互联的结构形式424.2.7 IPC与S7-200系列PLC通信连接424.2.8 S7-200 PLC自由通信口初始化及通信指令435 中央控制系统软件的概要-MCGS组态软件.445.1 MCGS组态软件设计445.2 MCGS组态软件的系统构成445.2.1 MCGS组态软件的整体结构445.2.2 组建新工程的一般过程465.3 系统通讯模拟设备47结论与展望.49致 谢.50参考文献.51参考文献综述.52 v 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 绪论绪 论在我国，随着经济高速增长的同时，经济建设为能源的欠缺所困扰。解决能源不足的问题不外乎是开源和节流，即在开发多种能源的同时，进一步降低工农业生产的能耗。电热膜是由特殊材料在相关基材的表面高温烧结而成的薄层面状发热材料。电热膜元件是在一定温度下，是玻璃基底上均匀喷镀上一层氧化金属膜电阻而成，可用作形状各异的电加热元件，如淋浴器、开水器、电热咖啡杯等，其热效率比普通加热元件高，通常可达90%左右，借助于电热膜的无比优越性，其发展前景非常广阔和远大。在国外，已广泛应用于厨房器具、保暖器具、保健器具中。我国对此的研究起步较晚，开始于70年代末期，目前还存在膜的附着强度、电阻率的控制、大面积的制膜均匀性控制以及缺乏配套生产设备，不能适应大工业生产的需求等突出问题，以及电阻率不一致性、镀膜的均匀性以及配套生产设备等问题。因此，设计出一条大工业电热膜元件生产线就显得非常的必要。目前电热膜元件研究进展情况及其应用前景经济建设需要能源，解决能源不足的问题不外乎是开源和节流，电热膜加热产品是由节能角度设计的理想的电加热产品。若绪论中所讲的问题得到解决，将会有越来越多的电热膜加热产品取代传统的电热丝产品并推向社会，其意义不言而愈。利用电热膜的加热性能,国内己成功开发或正在开发的产品主要有:电热膜热水器、电热膜开水器、电热杯、电热膜拜干洗机、电热膜挡风玻璃等。这些产品显著特点是安全可靠、耗电低、低温使用无明火，加热速度快。就新产品的开发而言，利用电热膜的加热性能，可以制作原油管路的加热装置，以减小输油阻力；制作柔性电热带，缠绕于水管上供应温水或防止冻裂；在日本北陆地区的待市有融化屋顶积雪的需求，可用电热膜制作电热瓦；在鳗鱼养殖上，希望水温理想温度，可制作电热膜恒温水池。但是，就电热膜的生产工艺而言，一些制作方法还未能实现连续化、数量化、缺少配套机械设备和规范化工艺程序，不能满足大工业生产的需求。此外，大面积制膜的均匀性控制，成膜工艺的低成本高效率生产等严重成为我国电热膜生产线发展的瓶颈。利用一些膜材料光学性能，可制作节能玻璃，对照明光有良好的透过性。生产镀制SnO2 膜的玻璃，可用建筑材料，可以降低制准能耗，冬天室内热源对室外的红外辐射下降，保持室温。另外，将这钟膜制作在白炽灯上，同样可以将红外线反射到灯丝上，使灯丝温度上升，提高发光效率。还可以减少不必要的热辐射；利用一些基材的抗腐蚀能力，可制作电热膜化学反应器。利用PTC材料制作自控温电热膜元件。膜状电热功能材料的开发可以说是无止境的。18东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 电热膜元件简介1 电热膜元件简介1.1 电热膜元件的结构和材料膜状电热功能元件一般由电热功能膜，电极和基体三部分组成。电极为导体，用以降低接触电阻和电源联接。电极多用导体浆料制作， 亦可用金属箔片及丝制作， 基体的主要作用是衬托电热功能膜，有时它也兼 起导热体，绝缘物，隔离体等作用。基体的形状主要根据产品设计需要确定，没有严格的限制。但在带棱角或凹凸不平的表面上制作电热功能膜 会带来一些弊端，如尖锐部位易产生集肤效应；表面过分凹凸难以保证膜层均匀，易形成功率负荷分布不均等。基体常用材料为玻璃，陶瓷，搪瓷，树脂基板。 图1-1 电热膜元件的结构按膜层厚度区分：薄膜（um以下）；厚膜（ummm级）；特 厚膜（mm以上级）。选择电极材料要考虑到导电性能优良，抗热氧化，与电热膜材料能有效结合，且不产生掺杂扩散作用，与外部电源容易连接（如焊接性）等。对于性能要求高的电热制品，主要用Au、Ag、Pt、Ph等高价的贵金属材料。对于普通产品则尽可能使用Cu、Al质材料。由于Cu在氧化 气氛中制作是易产生电阻过大和焊接性变差，使用较少。出于特殊需要，有时也用高熔点金属W、MO、MO-MN 在特殊高温气氛下烧制电极。当使用高频焊接工艺时，亦可不加玻璃粉料，而加入Fe、Ni、Cu、Ti等金属材料，使其与基体反应形成物理化学结合。电极材料的性能参见表1-2。表1-2 电极材料性能（厚膜）材 料 Au Au-Pt Ag As-Pt Ag-Pt Al Ni Cu烧结温度 650-1100 500-1000 500-950 650-1000 800-1000 600-700 650-950 600-1050 （空气中） （N2中）力阻Q/sq 0.015-0.03 0.02-0.08 0.002-0.0-05 0.01-0.08 0.002-0.05 0.01-0.02 0.03-0.1 0.001-0.02 用作基体的玻璃，要求有一定的抗热震性，其中高硼玻璃、微晶玻璃和石英玻璃的热性能最好。微晶玻璃和石英玻璃耐热温度高，抗热震性能极好，但相对价格也较高。陶瓷材料作基体，具有耐热温度高、传性能好、与膜体结合力强、化学稳定性优异等优点。现在大量使用的陶瓷基体有紫砂与95瓷。由SiC、LaCrO3 等陶瓷体构成的电热功能膜，能耐高温，它们的表面负荷也比金属的高，通常金属膜在开放式加热器中表面负荷小于6W/cm2 ，在高温时小于1W/ cm2 。陶瓷质发热体可取以上。陶瓷发热体的电阻率比金属膜大，故可制作大面积及特殊形状的电热元件。陶瓷体电热膜的不足之处是热冲击强度较小1。1.2 电热膜配方的的设计 以二氧化锡、硼、四氯化钛、氟、镉、四氯化镍为原料，以无水乙醇为主要溶液，进行充分搅拌成饱和溶液，在耐激变的基材上进行C 淀渍烧结制作而成的电热膜，所说的饱和溶液其组份含量，重量百分比：四氯化锡，无水乙醇，氢氟酸，硼酸，四氯化钛，氯化钾，四氯化镍，三氯化锑。 耐折迭聚四氟乙烯电热膜及其制备方法。解决了已有悬浮聚四氟乙烯电热膜耐折迭性差、体积电阻率较大的缺陷。耐折迭聚四氟乙烯电热膜，其组成成分的重量配比是：聚四氟乙烯树脂分散液(固含量)50-90份，炭黑或石墨的一种或两种10-45份。制备方法为：将聚四氟乙烯树脂分散液(固含量)50-90份，炭黑或石墨的一种或两种10-45份放入恒温反应釜内进行湿法混合、造粒，合成填充PTFE分散树脂，经干燥后加入助挤剂充分混合预成型制成坯体，用推压机将坯体强行通过具有一定压缩比的圆锥形模具，推压成型至圆条状，经压延机压延制成纤维状膜，除去助挤剂，经烧结成为物性柔软强韧的纤维状电热膜。可用于制造超薄型节能电热毯、电热服装、电热座垫等制品。 节能型无机电热涂料是无机的电热涂料。由电热涂料和与其配套使用的电绝缘涂料组成，(1)电热涂料由2040的石墨粉、810的助剂，余量为基料组成；(2)电绝缘涂料3040的云母粉、810的助剂，余量为基料组成。本涂料的成膜性、附着性及耐水性较好，并且制造成本低，还可适用于220伏，以及36伏12伏的电压。 纳米复合材料电发热膜能在交流或直流电压下工作、其电发热效率在90以上，甚至在低电压下达到99的纳米复合材料电发热膜，包含重量比的一种复合材料和耐100以上高温的柔性高分子材料，该复合材料包含占该复合材料为：纳米石墨碳粉；纳米碳管；碳纤维；以及，余量的超细石墨粉。 高温高效多功能无机电热膜：其特征是它由以下组分组成：SnCl4、InCl3、SbCl3、MnCl2、BiCl3、NiCl2、C2H5OH、C3H5(OH)3。所述的各组分中均不含有水分及结晶水，亦不得加入去离子水作为溶剂稀释。所述的各组分均为分析纯等级的原料。与现有技术比，具有热效率高，耐高温，抗氧化，电导率稳定，寿命高和用途广泛的优点。 耐高温透明电热膜生产方法特别是一种掺锑及一种或几种改良剂的二氧化锡电热膜及其生产 方法，它是由含锑的氯化物，锡的氯化物及、的氯化物的一种或几种的施膜液，通过喷镀工艺喷镀在基体表面上经水解而形成，具有热稳定性良好，电导率稳定的优点。这种电热膜作为发热元件可广泛地应用于以水或空气等作为加热介质的加热器具上。 低温辐射碳纤维电热膜制备方法电热膜由两端覆有金属电极的上层绝缘薄膜，粘附有碳纤维层的导电薄膜，及下层绝缘薄膜和金属反射箔复合而成。其制备方法有以下步骤：选择适当电阻率的碳纤维，将其切断至合适的长度，装入振动筛中。试调整沉降量及辊轴速度使其沉降分布密度控制在预定密度。碳纤维均匀的沉降在薄膜上，并被粘附。通过辊压，粘附碳纤维的薄膜与另一条辊线上的两端敷有电极的薄膜复合。复合薄膜经热压固化后成为导电薄膜。电热转换效率更高，综合性能更高，成本更低廉。制备工艺简洁，效率高，在满足了小批量订单的同时又能做到规模化生产。 导电塑料氟树脂复合电热膜由氟树脂导电膜、氟树脂远红外膜、氟树脂绝缘层和引出电极复合而成.氟树脂导电膜中含有炭黑或石墨、含氟的阴离子表面活性剂.氟树脂远红外膜中含有锰、钛、硅、铬、锆的氧化物,引出电极是在镀银铜丝网上涂上氟树脂乳液与导电炭黑。具有氟树脂塑料优点之外,还具有制造工艺简单,可以任意成型,具有远红外转换特性.热效率高。 复合型电热炭膜及制备方法包含耐热基板、电热炭膜、抗氧化防护涂层、导电电极。电热炭膜由鳞片石墨、炭纤维、钢纤维、酚醛树脂、煤沥青和丙硐组成；或电热炭膜由鳞片石墨、炭纤维、硬脂酸锌、酚醛树脂、聚乙烯醇缩醛和丙硐组成。抗氧化防护涂层由碳化硼、碳化硅、硅粉、微量磷酸铝和水组成。复合型电热炭膜制备方法是通过涂刷或热压、隔氧炭化、喷涂后固化等工艺复合型电热炭膜。在低电压下发热升温迅速，在一定还原气氛下表面发热温度突破了传统的电热材料加热产生的表面温度，其表面发热温度可突破2000，热效率高，性能优良，安全可靠；而且还可制成单一平面或曲面状可拆分电热炭膜元件，成本低，适用范围广，使用和维护更便利。 玻璃导电膜由SnO2玻璃导电膜溶液在喷涂装置中经高温高压汽化后喷涂在浮法玻璃上，自然冷却后得到附着在玻璃上的导电膜；所述的SnO2玻璃导电膜溶液配料、用量(wt)及配置方法是在20.030.0%的SnCL4中加30.0-43.0%的水成A液；在A液中加入2.04.0%CH3CH2和0.52.0% NH4F(氟化胺)形成B液；在B液中加入30.035.0%C2H5OH形成C液；在C液中加入0.53.0%HCl形成D液；测试D液的pH值在0.4-0.6的范围内。其优点是SnO2玻璃导电膜质量高，制成的导电玻璃产品的方块电阻小于10，可见光透光率80%左右，玻璃与SnO2界面的透射指数N2.0，其性能远优于SnIn导电玻璃，高温性能稳定。笔者主要采用耐高温透明电热膜生产方法来制备电热膜18。1.3 电热膜的制作工艺方法根据不同的需求，电热膜的制作分为薄膜工艺和厚膜工艺两大类。薄膜的制作工艺主要有：金属盐溶液喷涂热解法，化学气相沉积法，真空蒸发法，溅射法等。厚膜的制作工艺主要有：涂敷法，烧结法，塑练法，压力成形法等。参考文献17。1.3.1 金属盐溶液喷涂热解法此法是将作为反应物的金属盐溶液喷涂到被加热到高温的基体材料表面，雾滴在基体表面汽化热分解成膜。应用这一方法最多的是IN2O3和SnO2透明导电膜制作。其金属盐的基础溶液为： In2O3膜：InCl3 5H2O：10kg,HCl：51，SnCl4:适量 SnO2膜：SnCl4 5H2O：10kg,HCl：51，SbCl3:适量 喷涂液在高温下的反应为：2InCl3+3H2O-In2O3+6HCl SnCl4+2H2O-SnO2+4HClIn2O3膜制作溶液中，主反应物是InCl35 H2O，水是氧化剂。SnCl4是修正剂，起掺杂形成半导体，降低膜电阻的作用。由Sn掺杂的In2O3半导体亦称ITO膜。同理，在SnO2膜制作溶液中的水SbCl3的作用也分别是氧化剂，修正剂。工业生产中，溶液配方往往根据需要加以调整。如为了稀释反应物溶液，常在喷涂液中加入酒精，甲醇，丙醇或醋酸丁脂等。溶液有时也加入甲醛一类还原剂。反应物也可使用SnCl2，SnCl2（CH3）2等。SnO2膜的掺杂物除Sb外，也可掺F，P，As，In，Ti，Te，W，Cl，Br，I，Fe和稀土元素。不同的掺杂物对膜的电阻率，膜结晶结构，膜附着强度，热稳定性等产生不同的影响。一些添加物在少量添加时，随添加物浓度上升电阻率显著下降。而当添加物浓度超过一定数值以后，随浓度上升电阻率也上升。如F，Sb即如此。最佳的掺Sb浓度按SbCl3/ SnCl4重量百分比计在0.53%之间。影响SnO2膜电阻率的因素很多，如热处理工艺，多种添加物的综合效应。理论和实验研究均证明SnO2电热膜低电阻率的一个重要成因是化学计量比的偏离，当膜表面的O/Sn组成比约在1.7时由于产生氧不足，而导电性较高。制作SnO2电热膜时，基体温度控制在450650可得到透明导电效果。成膜时，希望物化均匀，雾滴在1um以下，基体表面要光洁。金属盐溶液喷涂热解法的成膜沉积速度可达100nm/min以上。适合于制作大面积膜和大批量生产，但喷涂液的精确计量，稳定供给很困难。1.3.2 化学气相沉积法化学气相沉积法是将一种或多种有机金属化合物或金属盐的蒸气吹到被加热的基体上，气态物质在固态基体表面产生分解氧化反应，而在基体上沉积出金属氧化物或金属膜的工艺过程。CVD法成膜速度快，一般为分子态的反应。制作SnO2膜的源材料主要有SnCl4 ，SnCl2 ，SnCl2（CH3）2，Sn（CH3）4等。在源材料中也可加入SnCl3做为修正剂，O2，H2O，H2O2常被用作氧源，基体最适温度是500600，蒸气温度为150200。基体上的反应过程为： SnCl2（CH3）2 + O2- SnO2 +2 CH3Cl利用CVD法制作电热膜起膜厚一般在数um以下，成膜温度与所使用的原料有依存关系。为了使膜与基体良好结合，常用温度范围为5001100，最大成膜速度可达100nm/min以上。此外为得到性能优良的膜，有必要对气体压力，气体反应物的组成，载体的浓度等进行精密的控制。在CVD法中，膜的形态受反应物的过饱和度和成膜温度影响。随着反应物过饱和度的增大或成膜温度的下降，成膜形态按：外延生长-须晶-树脂状膜-多结晶膜-微粒多结晶膜-非结晶膜方式衍变。化学气相沉积的工艺设备简单，容易控制。1.3.3 真空蒸发工艺被膜物质在高真空下被加热或用高能量的粒子冲击，使其汽化，气体物质沉积在基体表面而成膜。蒸发材料为金属粒或金属氧化物，加热方式有电阻加热，电子冲击加热，电子束加热，高频加热等。基体是否加热，根据电热膜性能要求和基体本身特性，如基体为有机体时，一般不加热。为无机体时，加热基材多可提高膜的附着性能。在制作In2O3或 SnO2电热膜时，如蒸发源为金属In，Sn膜，蒸发所得In,Sn膜需在氧化气氛下热处理。当然也可在正空室内保持一定的氧分压而直接形成氧化膜。在真空蒸发工艺中，氧分压的增大，多显著导致膜电阻率的下降。因此，精确控制气氛比，有利于获得高质量稳定均一的电热膜。在真空蒸发时，源材料中可掺杂其他修正剂，比如In2O3中加入SnO2。真空设备造价高，真空室容积若过大，不容易保证蒸发物沉积均匀，气氛条件控制也有一定困难，不太适合大批量生产。1.3.4 溅射工艺溅射是一种物理气相沉积方法（PVD）。它是以惰性气体放电所产生的正离子在真空中由电场加速，轰击作为薄膜源材料的固体阴极，使源材料溅射出来，沉积到基体上而成膜。溅射分直流溅射，射频溅射和磁控溅射等多种。电场电压普通为数十至数百伏，高能量的场合也有使用数千伏高压的。惰性气体压力一般在。1至数十Torr。作为惰性气体离子源虽然有He，Ne，Ar，Kr，Xe等多种，但由于分子量越大越有利，He几乎是不用的，常用的是Ar。如在惰性气体中引入活性气体即构成反应溅射法。例如用反应溅射法制作SnO2电热膜，阴极材料用SnO2，放电气体可选Ar+10%O2，气体压力为3x10Torr，基材温度为200290度。溅射法不仅可以制作氧化物，炭化物，氮化物等化合物膜，还可制作高浓点金属构成的电热膜。溅射工艺制作的膜，其膜与基体的附着强度通常比真空蒸发法要高16。1.3.5 涂敷法 它是将导电浆料涂敷于基体上，令其固化，形成厚膜型电热膜。涂敷法常用的导电体为石墨乳。将石墨研制成细小的颗粒与环氧树脂等有机胶或无机胶充分混合，根据胶与基材的特性在一定的温度下固化成膜。调整胶体与导电体的比例，可在一定范围内改变膜电阻率的大小。影响膜电阻率的因素还包括导电体颗粒的大小，分散均匀程度，导电体成分，以及胶体特性与固结工艺等。市售的导电胶多以银粉或铜粉作导电体。涂敷方法可采用涂，刷，刮，喷或丝网印刷等。涂敷法的特点是制作简便，生产加工快捷，设备投资小，成本低。但膜的寿命受胶基性能制约，易产生热变性，老化，功率衰减，膜脱落弊病，膜的使用温度一般较低。1.3.6 烧结法烧结法是将电阻浆料涂制在基体上,形成一定的图案和面积,将其放入高温炉内煅烧，使浆料产生熔化再结晶,与基材牢固结合。烧结温度一般高于600,常用800。电阻浆料有金属或非金属材料的导电粒子，无机玻璃粉和有机胶组成。基材使用最多的为氧化铝瓷。由于电热膜在高温烧结形成，故膜与基体材料的附着强度很高，电阻温度系数小，膜使用温度可达到400以上。烧结制得的电热膜可通过刮削或激光切割等方法来调整电阻，使漆匠功率一致。通过调整电阻浆料中的各成分的配比，可以简便地改变电热膜功率的大小。烧结法形成的电热膜有一定的厚度，使用时可取较大的表面负荷，发热元件的寿命也长，耐候性特别好，在一些薄膜电热元件难胜任的振动，高温等严酷条件下也能政策工作。制作烧结型电热膜的技术关键之一是膜材与基材的热膨胀系数应选择，调整趋于一致。同样的材料，烧结工艺的不同也会找成膜电热性能的差异。1.3.7 压力成形法一般用于制作高温无机材料电热膜。把高温无机电热材料如SiC，MoSi2，LaCrO3等研磨成粉粒，混以有机胶体，将其压铸于基材上，再在1000度以上的高温下短少而形成高温膜状发热体。由于膜状材料耐热温度高，如SiC可达1600度，MoSi2可达1800，故此类型电热膜的工作温度可设计的较高。此类型膜的另一种工艺是采用热等静压法。1.3.8 塑炼法就是将导电填料与塑料（ABS，PS，PP等）或橡胶混炼后制成复合电热塑料或符合电热橡胶。作为导电性填料用的有金属纤维或金属喷镀过的玻璃纤维。塑料的混炼温度在200度左右，混炼温度过高，则填料分散状况差，导电性反而下降。通常聚苯乙烯基材的导电性比ABS，PP好，聚乙烯（PP）中填料分散性差，ABS中填料易过度分散。影响有机电热膜电阻率的因素包括混链时间，温度，导电纤维长度和材质等。有机电热膜的使用温度低，应用领域还有待开发，但它的成形性好，适合大批量生产， 17。综合考虑各个制作方法的优点和缺点，虽然电热膜的制作工艺有很多，但在生产电热膜生产线上笔者采用了所介绍方法中的第一种方法-金属盐溶液喷镀热解法。电热膜是一种通电发热的薄膜，它直接制作在电热器具绝缘表面上，与被加热物体有最好的热交换接触。它有以下特点：热效率高，比电阻丝节能3-4倍；在煮液体的情况下，发热膜本身的温度仅高于液体几十度，无明火，发热膜几乎不占空间，由于本身温度并不很高，对于保温、隔热大为简化，使器具异常轻巧；电热膜的热容量小，热源开启关断迅速；本电热膜自身是透明的，如附着在透明基体(如玻璃)上，整个器具就可做成透明的；本膜还具有耐水、耐酸、耐碱和机械强度高的优点。石英玻璃耐热温度高，抗热震性能极好，陶瓷材料作基体，具有耐热温度高、传性能好、与膜体结合力强，陶瓷体电热膜的不足之处是热冲击强度较小。玻璃基体与陶瓷基体相比，其传热性能及稳定性较差，但玻璃基体表面光滑，制作薄膜更佳。同时，玻璃表面不易结垢，污垢层热阻就小。因此，笔者设计的电热膜加热元件生产线生产的电加热元件, 是以管状玻璃为基体, 外表面镀覆一层均匀、连续的电热膜, 两端制备环状电极, 水流经玻璃管的内腔, 当在两电极间接通电源时, 腔内的水流即被加热，该元件可运用于开水器，淋浴器上，其热效率高达90%以上，比电阻丝高20%-30%。东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 生产线制备组成部分设计及工作原理2 电热膜加热元件生产线的制备组成部分设计及工作原理2.1 电热膜元件生产线总体方框图电热膜元件生产线的组成如下图2-1所示： 图2-1 电热膜元件生产线总体方框图2.2 电热膜加热元件生产线各制备的设计及工作原理2.2.1 清洗柜的设计及工作原理 由于刚买来的基体表面有大量的灰层，如果不把基体表面的灰层清洗干净的话，会使后期的镀膜质量产生严重的影响，会使得喷在基体表面的导电薄膜与基体表面附着力大大减小，容易造成导电薄膜的脱落。因此，清洗基体是很重要的一步过程，也是第一步程序。清洗柜是电热膜加热元件生产线的第一个预处理清洗设备。电热膜加热元件通过传送链的传送进入清洗柜中进行清洗。当电热膜加热元件进入清洗柜中，柜中的高压喷嘴喷出清水对玻璃管进行高压清洗，使玻璃管的表面保持干净，为玻璃管进入下一道工序做好准备。而清洗柜已经有了现成的设备，例如上海南尊电器有限责任公司生产的清洗柜，如图2-2。 图2-2 清洗柜设备2.2.2 水玻璃涂覆机的设计及工作原理本设备是电热膜元件生产线的前处理设备之一。工业化生产是在圆管状玻璃基体表面上，经热喷镀使整个表面形成与基体牢固结合的均匀导电薄膜。在成膜后道工序中磨去元件两端的导电膜，并沉积电极。由于导电膜与基底结合，结构致密，脱膜困难，难以保证元件绝缘电阻的可靠性。为解决这个问题，在基体成膜前先在基体两端均匀涂覆水玻璃的方法，保证后道打磨工序的脱膜彻底、方便，并提高元件的成品率。1 涂覆工艺的设计（1） 工艺流程：根据电热膜元件生产线的总体同意要求，基体两端涂覆水玻璃后，进入加热喷镀电窑，喷镀段炉窑温度为500度左右。在输送过程中，一方面，未干的水玻璃与电窑输送链产生烧结现象，易损坏基体；另一方面，涂层水玻璃脱去部分水分后，由液态转变为凝胶态，而凝胶态的水玻璃随温度急剧升高，内部水分迅速汽化，由于涂层表面张力的影响，内部汽化水分不能即时排出，涂层产生起泡现象，造成涂层表面形状凹凸不平，引起基体在电窑喷镀段均匀性变差；同时，涂层气泡在喷涂气液流的喷射下，易破碎成粉，引起基体的二次污染，影响导电膜粒子在基体上的附着力。针对上面的问题，制定以下工艺流程。 图2-3 水玻璃涂覆工艺流程（2）主要工艺技术要点错误！未找到引用源。 基体的涂覆清洗干净后的基体，沿两边附有涂覆液的滚道滚动，而使基体两端附着一层宽为1820mm的涂层。基体涂覆后，涂层可分为两层，直接附着于基体表面的凝胶状态层和附着于凝胶状态层表面的液态浮层。基体滚至均化段，由海绵吸附层吸收浮层液态涂覆液，使涂层边薄，同时，基体在此段的滚动过程中，其两端外表面得到进一步涂覆，提高其有效粘结面积，使涂层薄而匀，有利于消除粘链现象并降低涂层气泡生成率。错误！未找到引用源。 涂层干燥涂层均化后，其外表面仍残留液态涂覆液，需进行干燥，使之由液态转变外凝胶态以至固化，进一步消除粘链现象，同时逐步提高基体温度，减少基体进入电窑因温度突然升高而引起的热应力。（3）设备设计错误！未找到引用源。 设备组成本设备主要由机架，传动及输送机构，基体支撑导轨，供液系统，涂覆及吸收均化等部分组成。1.回液漏斗 2.前隔离槽 3.拔齿 4.基底 5.万向簧 6.输液管 7.后隔离槽 8.海绵吸附层 9.后导轨 10.调速电机控制按钮 11.调速电机调速旋钮 12.液泵指示灯 13.液泵控制按钮 14.储液箱 15.液泵 16.输送链 17.前导轨 图2-4 水玻璃涂覆设备结构简图错误！未找到引用源。 传送与输送机构传动机构由无级调速电机，传动链及链轮等组成，为输送机构提供动力。输送机构由输送链，链条导轨，拔齿及链轮组成。拔齿成对安装，每对拔齿分别用沉头螺钉与对称分布的两边输送链附板相固定；要求个拔齿之间的间距相等，而且每对拔齿的工作面位于同一平面，并垂直于输送链的运动方向。工作时，各拔齿对随输送链运转，分别拔动基体两端，推动基体沿支撑导轨作滚动运行。拔齿材料为不锈钢，以免因工作材料锈蚀而污染基体。错误！未找到引用源。 支撑导轨支撑导轨分为前后两部分，每部分均由两条导轨组成，对称布置于两侧输送链的外侧。导轨有角铝制成，底平面通过沉头螺钉与机架上平面固定，为减少基体在导轨上的滑动，要求底平面与水平面成15度角。工作时，底平面支撑基底，并与拔齿配合，使基体做均匀滚动；而垂直于底面的立面用于限制基体滚动过程中的轴向窜动，以保持涂层宽度的稳定性。错误！未找到引用源。 涂覆和吸收均化部分涂覆部分由前后水玻璃隔离槽，涂覆段及万向簧组成。前后隔离槽开设在前支撑导轨上，宽度分别为10mm和8mm，用于隔离涂覆液在导轨上的流通，并将多余涂覆液导向回液漏斗。为防止涂层过厚与结块，涂覆段长度应在保证基体两段得到以充分涂覆的条件下，尽可能短。由于基体在滚动过程中，伴有一定的相对滑动，故涂覆段长度确定为基体圆周长度的1。5倍。万向簧用于调节出液口的位置。吸收均化部分主要由前后海绵吸附层组成。工作时，因其吸收水玻璃涂覆液后易结块，所以，需定期更换。其长度由试验确定，两段长度均为基体圆周长度的45倍，供液系统组成见图2-5，供液方式采用小流量供液，大流量回液方式，目的在于使涂覆液得到充分均质，以消除块结与离析现象。 图2-5 供液系统流程图2.2.3 加热电窑的设计及工作原理(1) 元件生产时加热工艺要求为保证镀膜质量和镀膜工艺的正常进行，在镀膜前，后均须对元件进行加热。镀膜前预热：镀膜时要求玻璃基体表面具有一定的温度，如果温度过低，膜与基体附着力小，元件寿命短；温度过高，基体本身就会受热变形，无法生产出合格的加热元件，因此镀膜前元件必须预热到一定温度。镀膜后热处理：元件在喷镀时，冷态喷镀雾化液与热态元件基体相遇后，元件表面相当于被淬火，因此元件须经一定时间，一定温度的保温，退火，否则元件寿命将大为缩短。另外，喷镀过程也应在一定的温度范围内完成。因此，电热膜元件制作时，加热工艺要求对元件的镀膜质量，使用寿命有较大影响。根据以上的分析，设计的加热电窑要分成12段，各段电窑区域的温度控制变化如图2-6。图2-6 电窑温度控制曲线(2) 镀膜元件加热炉目前，单件，小批生产电热膜元件，基本山都是在箱式实验炉内完成，尽管能按工艺要求预热到一定温度，但喷镀时温度很快降低，须待温度回升后，再对元件进行喷镀，因而喷镀是断续完成的，既不易保证膜的均匀性，又不易保证阻值均匀性，且喷镀时的生产率很低，工人劳动生产条件恶劣。经广泛调研，结合管状镀膜元件的特点，设计制造丁一条可供元件连续生产的新型喷镀电窑，使元件预热、喷镀、保温退火在电窑内连续完成，这样上述问题得到很好解决，实现了元件工业化生产的要求。该喷镀电窑的结构如图2-7所示。图2-7 喷镀电窑加热炉简图因此，笔者采用喷镀电窑加热炉，该电窑可实现班产1600根镀膜元件，电窑全长27m，元件有上料口自动落入到输送链上后便随输送链缓慢进入电窑，经过一定时间，温度的预热后，进行喷镀，喷镀结束后元件再经过一定时间，温度的保温，退火由输送链送出电窑，完成整个喷镀工序。由于元件表面清洁度要求高，故采用非燃料热源的电阻炉，电热元件选用OCr25A15的丝状元件，上下布置，保持炉膛内温度均匀，整线温度有微机控制。(3) 电窑功率的确定电窑功率的确定：元件在电窑内加热是连续进行的，沿电窑长度要求元件在各段的温度又不同，为此将加热区分为12个区段，热源不仅要加热元件，而且还须加热炉体和补充炉子的各项热失；喷镀阶段，热源须补偿喷镀液吸收的热量，废气排放带走的热量及各项热损失；在保温，退火阶段则只需补偿热损失就可以了。由此可见，预热，喷镀阶段要求功率大，保温，退火阶段要求功率小。用热平衡法可确定电窑最大功率消耗为200KW，加热元件分为12个独立控制柜，每组的功率依次为：25，25，25，25，20，20，15，15，10，10，5，5KW。(4) 全纤维炉衬该电窑瓷采用一种价格较低、保温性能比纤维毡优越的全纤维炉衬针刺纤维毯层叠式炉衬。其方法是：将近7M长、定宽的硅酸铝纤维毯沿电窑炉体两侧整齐层叠。一边紧靠炉体外侧铁板，一边将来未来炉膛壁，层叠后压实，接头处应严密，然后用纤子、粘结剂将纤维固定，防止朝炉膛方向倒塌。其中纤子用直径6MM盘条打直，下端稍尖插入纤维层，上端弯成90后与炉膛焊合，每隔1M插一根。靠炉膛一侧的纤维表面涂上一层耐火涂料，如图 2-8所示。 图2-8 纤维固定方式 图2-9 吊丝砖(5) 炉盖吊丝的设计电窑炉膛全长24M，由2M一节连接而成，电阻丝上、下布置，因而要考虑到电阻丝维护的方便性，特别是炉盖上的电阻丝。为此将炉盖吊丝砖设计成图2-9形状，使电阻丝变成插拔式结构，这样无需打开炉盖由受压弹簧联接，补偿高温下受热变形。实践证明这种吊丝方法布置电阻丝方便可靠，维护简单2。目前该电窑运行良好，安全可靠，具有以下几点尤为突出：1） 加热时温度均匀，使元件喷镀得以顺利进行；2） 电耗低，由于采用全纤维炉衬，保温性能好，蓄热量少；3） 升温快，加热时间短，温度制度易于保证；4） 炉丝分组、布置合理，炉温控制灵活方便；5) 炉体寿命长、维护简单、方便。 2.2.4 电热膜喷镀工艺流程及其装置的设计 1 镀膜基础（重点是实验方法的选择）薄膜是一种物质形态，它使用的膜材十分广泛，可用单质元素或化合物，也可用无机材料或有机材料来制作薄膜。薄膜与块状物质一样，可以是非晶态的、多晶态的和单晶态的。本设计笔者采用的镀膜方法是喷镀法，该方法是将气和液通过输送管由气嘴和液嘴喷出, 气嘴和液嘴互成90。水路的作用是用来冷却气嘴和液嘴。气嘴喷出的气体有2 个作用。一是使由液嘴喷出的液体雾化;二是推动雾化液进入喷镀电窑,使雾化液与处在高温中的玻璃管表面结合,在玻璃管表面形成电热膜。参考文献8。2 电热膜喷镀装置（重点是计方案及工作原理）喷镀装置系统框图如图2-10 所示。该装置共分气路、液路和水路3 部分,关键部分是气路和液路。气和液通过输送管由气嘴和液嘴喷出,气嘴和液嘴互成90,气嘴喷出的气体有2 个作用。一是使由液嘴喷出的液体雾化;二是推动雾化液进入喷镀电窑,使雾化液与处在高温中的玻璃管表面结合,在玻璃管表面形成电热膜。水路的作用是用来冷却气嘴和液嘴。为了使气、液路稳定问题得到解决,选用