一種低功耗高溫電阻爐的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高溫電阻爐，更具體地說(shuō)涉及一種航空航天用低功耗高溫電阻爐。
【背景技術(shù)】
[0002]空間材料科學(xué)是應(yīng)用現(xiàn)代航天技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一門在空間微重力環(huán)境下研宄材料科學(xué)與工程的基礎(chǔ)學(xué)科，也是當(dāng)今材料科學(xué)研宄與發(fā)展的前沿領(lǐng)域。對(duì)于認(rèn)知在材料制備中發(fā)生的物理與化學(xué)過(guò)程的本征規(guī)律，豐富和完善材料科學(xué)與工程的基礎(chǔ)理論，指導(dǎo)和推動(dòng)地基材料制備工藝和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有十分重要的意義。
[0003]開展空間材料科學(xué)研宄，高溫電阻爐十分重要，其功能和性能指標(biāo)決定了空間材料科學(xué)研宄內(nèi)容的深度和廣度。其中工作溫度是高溫電阻爐的重要性能指標(biāo)之一，也是材料科學(xué)家選擇材料種類、制訂實(shí)驗(yàn)工藝曲線所關(guān)注的首要因素。但由于空間資源的局限性，空間應(yīng)用的高溫電阻爐同時(shí)又要求體積小、重量輕、功耗低。我國(guó)前期在空間應(yīng)用的空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)高溫電阻爐最高工作溫度均在1300°C以下，無(wú)法滿足有更高溫度要求的、具有良好應(yīng)用前景的材料空間制備需求。
[0004]本發(fā)明的目的是提供一種低功耗條件下，爐膛最高溫度能達(dá)到1500°C以上的可在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的低功耗高溫電阻爐。要實(shí)現(xiàn)1500°C以上的爐溫，一般的合金發(fā)熱體，如鎳鉻絲、鐵鉻鋁絲等(使用溫度均<1400°C )，已經(jīng)不能滿足要求，而地面高溫電阻爐常用的硅碳棒、硅鉬棒、石墨等高溫發(fā)熱材料又存在抗震強(qiáng)度低，電阻小，加熱電流過(guò)大等問(wèn)題，難以滿足空間應(yīng)用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種航空航天用低功耗高溫電阻爐，在較低的功耗條件下，本高溫電阻爐爐膛最高溫度能達(dá)到1500°C?1600°C，同時(shí)具有體積小、重量輕、功耗低的特點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明提供一種低功耗高溫電阻爐，所述高溫電阻爐包括保溫隔熱單元、位于所述保溫隔熱單元中的發(fā)熱體、連接到所述發(fā)熱體的端部接頭以使所述發(fā)熱體通電的高熔點(diǎn)金屬(例如，熔點(diǎn)大于1800°C的金屬)電極，其中，所述發(fā)熱體的本體為螺旋式中空?qǐng)A柱狀以形成爐膛，所述高溫電阻爐能夠保持密封并且其內(nèi)部能夠被抽真空，從而在其內(nèi)部形成真空腔體。
[0007]本發(fā)明利用螺旋式中空?qǐng)A柱狀的發(fā)熱體本身形成爐膛，使發(fā)熱體不僅具備加熱功能，同時(shí)具備形成爐膛的功能，通過(guò)高溫輻射直接對(duì)樣品進(jìn)行加熱，大大提到發(fā)熱效率。
[0008]較佳地，所述高恪點(diǎn)金屬電極包括通過(guò)高恪點(diǎn)金屬螺釘固定的兩片高恪點(diǎn)金屬片，所述高熔點(diǎn)金屬片包括薄壁端和厚壁端，兩片高熔點(diǎn)金屬片通過(guò)高熔點(diǎn)金屬螺釘固定使厚壁端相互壓緊通電導(dǎo)線，薄壁端形成的空隙尺寸匹配發(fā)熱體端部接頭的尺寸。
[0009]較佳地，所述高熔點(diǎn)金屬螺釘包括穿過(guò)高熔點(diǎn)金屬電極的厚壁端用于使兩片高熔點(diǎn)金屬片的厚壁端壓緊通電導(dǎo)線的第一高熔點(diǎn)金屬螺釘、以及穿過(guò)高熔點(diǎn)金屬電極的薄壁端以使所述發(fā)熱體的端部接頭固定在薄壁端形成的空隙中的第二高熔點(diǎn)金屬螺釘。
[0010]較佳地，所述高熔點(diǎn)金屬電極通過(guò)鐵鉻鋁絲導(dǎo)線連接到電源。
[0011]較佳地，所述高熔點(diǎn)金屬包括鉬、鎢或鉭。
[0012]較佳地，所述發(fā)熱體的本體的內(nèi)徑為10-50mm，外徑為12_60mm，螺距為2_4臟，長(zhǎng)度為 50_150mm。
[0013]較佳地，所述發(fā)熱體的端部接頭為長(zhǎng)方體或圓柱型，長(zhǎng)度為10-50mm，截面為(2-10mm) X (2-10mm)的矩形或直徑3_10mm的圓。
[0014]較佳地，所述發(fā)熱體的材質(zhì)為碳纖維復(fù)合材料，優(yōu)選為由碳纖維和碳化硅顆粒復(fù)合而成的碳纖維復(fù)合材料。
[0015]碳纖維復(fù)合材料本身具有優(yōu)異的電學(xué)和耐高溫性能，且考慮到高溫電阻爐爐膛的尺寸需求以及發(fā)熱體熱效率利用，本發(fā)明的高溫發(fā)熱體采用螺旋式中空?qǐng)A柱狀，該結(jié)構(gòu)利用發(fā)熱體本身形狀形成爐膛，使發(fā)熱體不僅具備加熱功能，同時(shí)具備形成爐膛的功能，通過(guò)高溫輻射直接對(duì)樣品加熱，大大提高了發(fā)熱效率。
[0016]本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明中高溫電阻爐，在功耗低于350W、真空的條件下，最高溫度能達(dá)到1500 0C?1600°C。本發(fā)明的高溫電阻爐具有體積小、重量輕、功耗低的的特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式中螺旋式中空?qǐng)A柱狀發(fā)熱體；
圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式中鉬螺釘緊固式鉬電極；
圖3為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式中發(fā)熱體端部接頭與螺釘緊固式鉬電極的連接方式；
圖4為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式中高溫電阻爐在使用時(shí)高溫電阻爐爐膛的升降溫曲線；
圖5為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式中高溫電阻爐在加熱過(guò)程中爐膛溫度和功耗之間的關(guān)系曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0018]以下結(jié)合附圖和下述實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，應(yīng)理解，附圖及下述實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0019]本發(fā)明涉及一種含有高溫發(fā)熱體的低功耗高溫電阻爐，所述高溫電阻爐包括發(fā)熱體1，該發(fā)熱體采用一種碳纖維復(fù)合材料，這種材料與硅鉬棒、硅碳棒、石墨等材料相比，具有更高的強(qiáng)度和韌性、更小的質(zhì)量、更好的耐熱沖擊性，電阻大小更適合應(yīng)用。而與難熔金屬(如鎢、鉬、鉭等)相比較，碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量更輕，且具有更穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)，有利于溫度的精確控制。碳纖維復(fù)合材料優(yōu)選為由碳纖維和碳化硅顆粒復(fù)合而成復(fù)合材料，其密度為 1.7-1.8g/cm3。
[0020]參見圖1，發(fā)熱體I包括本體2和端部接頭3，發(fā)熱體I的本體2形成為中空?qǐng)A柱狀以形成爐膛。所述發(fā)熱體I的本體可以由成型的空心圓筒后加工而成。具體來(lái)說(shuō)，可以先制作圓柱狀的空心圓筒，然后通過(guò)在自動(dòng)化的車床中設(shè)置相應(yīng)的切削程序，使其對(duì)空心圓筒進(jìn)行切削，得到所述螺旋式中空?qǐng)A柱狀的發(fā)熱體。采用上述車床切削的方式制備發(fā)熱體，能夠準(zhǔn)確制備不同規(guī)格的發(fā)熱體，進(jìn)行發(fā)熱體螺距、長(zhǎng)度的精確控制。發(fā)熱體I的本體2的內(nèi)徑可為10_50mm，外徑為可12_60mm，螺距可為2_4mm，長(zhǎng)度可為50_150mm。發(fā)熱體I的兩端部接頭3從本體2延伸，為長(zhǎng)條體或圓柱形，長(zhǎng)度為10-50mm，截面為(2_10mm) X (2-10mm)的矩形或直徑3-10mm的圓。
[0021]本發(fā)明的高溫電阻爐采用碳纖維復(fù)合材料作為高溫加熱體，同時(shí)將高溫發(fā)熱體設(shè)計(jì)為螺旋式中空?qǐng)A柱狀，因而一方面，可以借助于碳纖維復(fù)合材料本身的優(yōu)異性能使得高溫電阻爐性能提高，另一方面，借助于螺旋式中空?qǐng)A柱狀，該結(jié)構(gòu)利用發(fā)熱體本身形狀形成爐膛，使發(fā)熱體不僅具備加熱功能，同時(shí)具備形成爐膛的功能，通過(guò)高溫輻射直接對(duì)樣品加熱，大大提高了發(fā)熱效率。
[0022]參見圖3，發(fā)熱體I設(shè)置于隔熱保溫結(jié)構(gòu)4中，隔熱保溫結(jié)構(gòu)的材質(zhì)可采用氧化鋁纖維保溫磚。這些材料重量輕、耐高溫、保溫隔熱效果好、價(jià)格較為低廉，因而有利于本發(fā)明中高溫電阻爐的普及與推廣應(yīng)用。
[0023]所述高溫發(fā)熱體與外部電路連接時(shí)所使用的電極采用鉬螺釘緊固式鉬電極。由于本申請(qǐng)中電阻爐旨在實(shí)現(xiàn)高溫加熱，加熱溫度可高達(dá)1500-1600°C，因此需要采用非常耐高溫材質(zhì)的材料作為高溫發(fā)熱體與外部電路連接的電極材料。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試之后，我們觀測(cè)到，鉬電極能夠滿足本發(fā)明中高溫電阻爐的之一需求，另外，鉬電極采用螺釘緊固式這一結(jié)構(gòu)，與高溫發(fā)熱體之間實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)合。
[0024]發(fā)熱體I溫度較高，通過(guò)兩端部接頭3分別與鉬電極5連接。參見圖2，鉬電極5包括上下兩片鉬片6，各個(gè)鉬片分別采用一端比另一端厚度薄的結(jié)構(gòu)，即、具有厚壁端7和薄壁端8。鉬片6上設(shè)置螺釘可通過(guò)的孔以通過(guò)螺釘固定