книги из ГПНТБ / Кудрявцев И.Ф. Полупроводниковые пленочные электронагреватели в сельском хозяйстве

Внедрение предложенной системы требует обоснова­ ния свойств и расчетных параметров пленочного эле­ мента сопротивления, электроизоляционных свойств стеклоэмалевого покрытия и допустимых электротерми-

1

Рис. 2. Принципиальная конструктивная схема пленочного электро­

ческих параметров нагревателя, а также рекомендаций по расчету, конструированию н эксплуатации электро­ тепловых установок с пленочным обогревом. Эти вопро­ сы рассматриваются в последующих главах.

2. Электронагревательные пленки

Пленки на основе окиси олова. Эти пленки при лю­

бом способе получения состоят из двуокиси олова (БпОг), в структуре которых содержатся примеси мо­ ноокиси олова и металлического олова, а также элек­ тропроводные добавки. Удельное сопротивление двуоки­ си олова при температуре 20°С равно 10б—107 Ом • см. Введение добавок окиси меди (СиО) и трехокиси сурь­ мы (SD2O3) при термообработке пленки снижает сопро­ тивление ее на 7—8 порядков. Для увеличения электро­ проводности пленки из двуокиси олова возможна до­ бавка кристаллического флористого аммония (NH4 F) и окиси индия (1п2 0з).

Химическая реакция при термообработке пленки из хлористого олова протекает следующим образом:

10

SnCl2 + H 2 0 = SnO + 2HC1;

-Как видно из формул, в результате распада в струк­ туре пленки появляются примеси атомов металлического олова, повышающие электропроводность олова. Следо­ вательно, при термической обработке полупроводнико­ вой пленки происходят два процесса: 1) распад моно­ окиси; 2) окисление атомов металлического олова кис­ лородом воздуха. В начальный период термообработки преобладает процесс распада, вызывающий уменьшение сопротивления пленки затем процесс окисления, повы­ шающий его. Уменьшением сопротивления пленки в на­ чальный период термообработки при температурах от 400 до 900°С можно пользоваться для корректировки ве­ личины сопротивления получаемых пленок.

Полученные пленки из двуокиси олова обладают электронной проводимостью, достигающей значения при 20°С 10' О м " 1 см - 1 .

Термический коэффициент сопротивления at отрица­ тельный, что характерно для полупроводников. Он за­

°С Наряду с высокой электропроводностью и небольшим

температурным коэффициентом сопротивления электро­ нагревательные пленки на основе двуокиси олова обла­ дают также высокой теплопроводностью; по механиче­ ской прочности они не уступают техническому фарфору, хорошо обрабатываются на шлифовальных кругах. Пленки прозрачны в видимой части спектра, прочно сцепляются с поверхностью стекла, фарфора и керами­ ки, обладают высокой механической прочностью и хи­ мической устойчивостью к действию щелочей и кислот. Пленка, обладая высокой химической устойчивостью, в то же время быстро разрушается от действия электро­ литов (если по ней течет ток), так как при этом проис­ ходит электролиз. При термических воздействиях до 300°С-электрические свойства пленки не изменяются. Пленка выдерживает длительное воздействие перемен­ ного и постоянного тока до 15 А/мм2 . Максимальная

11

стеклом и водой (силикатом натрия) образует жидкую массу, которую можно наносить на различные электро­ изоляционные поверхности в виде электронагреватель­ ной пленки толщиной до 0,2 мм с сопротивлением, до­ статочным для нагрева этой поверхности при подведе­ нии переменного тока.

В зависимости от содержания кремния и примесей ферросилиций изготовляется (по ГОСТу 1415—61) сле­ дующих марок: Си 90, Си 75, Си 25 и Си 18. Для полу­ чения электронагревательных пленок используются марки Си 75, Си 45, Си 25 и содовое натриевое жидкое стекло.

Химический состав этих марок ферросилиция соот­ ветствует нормам, приведенным в табл. 2.

и водой в реакцию с кремнием вступает имеющаяся в

Продукты реакции цементируют пленку, а электро­ проводность ее обусловлена в основном наличием в со­ ставе металлического железа. Электрическое сопротив-

12

ление ферросилицневой пленки зависит от содержания кремния в составе и срока хранения исходных компо­ нентов.

Т а б л и ц а 3. Характеристика и химический состав натриевого жидкого стекла в процентах по ГОСТу 13078—67

ханических

включений

Результаты экспериментальных исследований образ­ цов пленки размером 20x10x0,25 см, изготовленных из состава с различным содержанием ферросилиция по ГОСТу 1415—49, и обработка результатов методом ма­ тематической статистики позволили получить корреля­ ционную функцию, выражающую линейную зависимость между содержанием в пасте смеси ферросилиция раз­ личных марок и сопротивлением, в виде

Значительный интерес представляет изучение изме­ нения удельного сопротивления пленки р от содержания в ее составе химических компонентов. Это тем более важно, что в настоящее время ГОСТом 1415—61 на фер­ росилиций предусматриваются маркиферросилиция с иным содержанием кремния в них в сравнении с ГОСТом 1415—49.

13

Анализ экспериментальных данных показывает, что значение обусловлено содержанием в пленке кремния. Изменение содержания различных марок ферросилиция в составе пленки позволяет изменить р в пределах от

сочетания различных марок ферросилиция. Этот факт позволяет определить влияние общего содержания крем­ ния на удельную электропроводность пленки. Расчеты

менения р пленки и может быть использована для рас­ чета состава пленочного электронагревательного эле­ мента из ферросилиция по ГОСТу 1415—61. Эксперимент тальная проверка сопротивления образцов пленки под­ тверждает полученные результаты.

Для расчета р существенное влияние оказывают не­ которые технологические факторы, в частности, срок хра­ нения ферросилиция после помола. Установлено, что при длительном хранении сплав ферросилиция распа­ дается. Распад не связан с каким-либо химическим из-

14

ферросилиция происходит от действия находящихся в сплаве примесей Р, S, Са и Al .

В ферросилиции могут образовываться фосфиды, сульфиды и другие соединения, которые, соединяясь с

постоянный коэффициент, Ом-см/ч2 .

15

Зависимости изменения относительного удельного со­

тах показывают, что срок помола ферросилиция оказы­ вает большее влияние на состав пленки с малым содер­ жанием кремния,и наоборот.

графиком относительного изменения удельного сопро­ тивления, представленным на рис. 3.

Обе кривые на этом графике можно считать основ­ ными расчетными зависимостями ферросилициевой плен­

помола ферросилиция в пределах 50—80 мк на удельное •сопротивление пленки. Этим влиянием в расчетах р можно пренебречь.

Температурная зависимость удельного сопротивления материала токопроводящей пленки является важным расчетным параметром, определяющим возможность его

16

ством ферросилициевой пленки. Это позволяет созда­ вать пленочные нагреватели с относительно стабильной мощностью в значительном диапазоне температур на­ грева, так как удельное сопротивление пленки при тем­ пературе от 20 до 300°С уменьшается всего на 6—9%.

Ферросилпциевая пленка имеет характерный темносерый цвет. Коэффициент линейного расширения ферросилициевой пленки такой же, как и в углеродистых ста­ лях, поэтому, лучшие результаты получаются при изго­ товлении пленочных нагревателей на стеклоэмалироваиных стальныхповерхностях. Адгезия пленки к стеклоэмали зависит от химической стойкости покрытия. Луч­ шие результаты дают эмали, вступающие в слабую химическую реакцию выщелачивания стекла под дей­ ствием раствора щелочи в пленке. В этом случае воз­ никает прочный промежуточный слой между пленкой и эмалью, обладающий достаточной адгезией к обоим по­ крытиям.

Ферросилпциевая пленка поглощает влагу, однако кратковременное воздействие воды не разрушает пленку и после высыхания ее сопротивление восстанавливается.

Максимальная температура пленки достигает 300°С, допустимая удельная мощность — 1—5 Вт.

3. Стеклоэмалевая изоляция

Стеклоэмали представляют собой стекла сложного химического состава, получаемые сплавлением некото­ рых горных пород (кварцевый песок, полевой шпат н

телями и красителями (плавиковым шпатом, криолитом, кремнефтористым натрием; окислами олова, сурьмы, циркония, меди, хрома, кобальта, никеля, титана и дру­ гих металлов). Сплавление эмалей производится на спе­ циальных заводах по производству силикатов [2, 4].

На заводы по производству эмалированной аппара­ туры и изделий эмали поступают в гранулированном виде, Размол и приготовление эмали для нанесения на металл производится обычно в виде водной суспензии или так называемого эмалевого шликера, наносимого на металлические поверхности методом пульверизации или окунания. Заключительными операциями являются

18

сушка покрытия при температуре до 150°С и сплавле­ ние в высокотемпературной печи при 600—1000°С (в за­ висимости от температуры плавления эмали). Эмалиро­ вание широко применяется для антикоррозийного, элек­ тро- и теплоизоляционного покрытия металлических изделий.

Толщина стеклоэмалевого покрытия обычно бывает от 0,1 до 0,6 мм и зависит от взаимной связи термиче­ ских коэффициентов расширения эмали и металла.

Для лучшего сцепления эмалевого покрытия с ме­ таллом применяют специальные тонкие промежуточные грунтовые эмалевые покрытия.

По химическому составу стеклоэмали представляют собой различные сочетания кислотных, щелочных, ще­ лочноземельных амфотерных окислов и фторидов. Фи­ зические свойства стеклоэмалевых покрытий являются функцией химического состава.

Механические, термофизические и некоторые элек­ трические свойства стеклоэмалей с известным прибли­

тронагревателя существенное влияние оказывают проч­ ность, упругость, теплоемкость, теплопроводность и тер­ мическое расширение стеклоэмалевой изоляции. Рас­ четы этих свойств стеклоэмалей Могут быть произведе­ ны по формуле (9.1) на основании их состава.

Приближенный расчет аддитивных свойств стеклоэмалевой электроизоляции стекол и эмалей произво­ дится с учетом данных, приведенных в табл. 5. Для сравнения в таблице даны количественные значения

19