СТЕКЛО ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 1997 года по МПК C03C4/14 C03C3/91 

Изобретение относится к составам легко кристаллизующихся стекол и может быть использовано в электротехнике для получения магнито- и электропроводящих элементов.

Существенным недостатком широко применяемых металлических нагревательных элементов для бытовой техники является их недостаточная надежность в эксплуатации и высокая стоимость. Более надежными по механической прочности, химической и термической стойкости, а также более дешевыми могли бы быть нагревательные элементы из стеклокристаллического материала с температурой начала оплавления более 1000^oC. Однако удельное объемное электрическое сопротивление известных стекол и стеклокристаллических материалов значительно больше того минимального значения (10-30 Ом•см), при котором они могли бы быть использованы в качестве нагревательного элемента, включаемого в обычную бытовую розетку. Наиболее низким электросопротивлением характеризуется группа так называемых ферромагнитных стекол. Они легко кристаллизуются и обладают вследствие этого высокими температурами начала оплавления.

Известно стекло /1/, включающее, мас.

Bi₂O₃ 40 60
Fe₂O₃ 25 35
Co₂O₃ 15 25
Основным недостатком известного стекла является его сравнительно высокое удельное объемное электросопротивление 3,5•10⁴ Ом.см из-за большого содержания оксида висмута.

Наиболее близки к предлагаемому по составу и по величине удельного объемного электросопротивления является стекло /2/, включающее, мол.

SiO₂ 31,0 41,0
Fe₂O₃ 11,0 18,0
Li₂O 31,0 35,0
B₂O₃ 12,0 17,0
MnO₂ 1,0 5,0
Данный состав выбран в качестве прототипа. Основным недостатком этого стекла или стеклокристаллического материала, получаемого в результате его кристаллизации, является сравнительно высокое удельное объемное электросопротивление (1,5 1,8)•10³ Ом.см вследствие значительного содержания оксида бора. Поэтому оба известных стекла не могут быть использованы в качестве нагревателей бытовых электроприборов.

Задачей изобретения является резкое до 10-30 Ом.см снижение удельного объемного электросопротивления.

Эта задача решается тем, что стекло для изготовления электронагревательных элементов, включающее SiO₂, Fe₂O₃, Li₂O и B₂O₃, дополнительно содержит Al₂O₃, Na₂O и Cu₂O при следующем соотношении компонентов, мол.

SiO₂ 49,0 57,0
Fe₂O₃ 18,0 24,0
Li₂O 20,0 31,0
B₂O₃ 0,01 2,0
Al₂O₃ 0,5 7,0
Na₂O 0,02 5,0
Cu₂O 0,01 2,0
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в резком снижении в 50-150 раз удельного объемного электросопротивления стекла. Благодаря этому обеспечивается возможность применения предлагаемого стекла для изготовления стеклокристаллического материала для нагревательных элементов бытовых электроприборов.

В большинстве случаев введения в состав ферромагнитных стекол с пониженным электросопротивлением оксидов алюминия и натрия электросопротивление повышается, т. к. указанные оксиды способствуют замедлению передвижения основных переносчиков тока катионов железа и лития. При введении же этих оксидов в предлагаемое стекло совместно с закисью меди при отработанном соотношении всех компонентов выявляется, как показало исследование, неожиданная возможность сильно снижать величину удельного электросопротивления при дополнительной термообработке стекла после его отливки в форму, что можно объяснить выделением в кристаллизующемся при этом стекле мелкодисперсных частиц меди.

В табл. 1 приведены конкретные примеры составов предлагаемого стекла, в табл. 2 его свойства: удельное объемное электросопротивление ρ при комнатной температуре, температура начала оплавления острых кромок Т_о и температура варки Т_в.

Стекла синтезируются в корундовом тигле при температуре 1300-1350^oC.

Пример. Составляют смесь сырьевых материалов состава 1 из оксидов кремния, железа, алюминия и меди квалификации не ниже ч.д.а. и углекислых солей лития и натрия, а также борной кислоты той же квалификации. Смесь тщательно перемешивают и проваривают в корундовом тигле в электрической или пламенной печи при температуре 1350^oC. После засыпки в тигель последней порции сырьевой смеси расплав выдерживают при этой температуре в течение 1 ч и выливают в металлическую форму. Полученную отливку переносят в муфельную печь и выдерживают при температуре 600^oC в течение 1 ч, после чего охлаждают вместе с печью.

Отливки (электронагреватели) из вариантов предлагаемого стекла других составов изготавливаются таким же образом, отличие может быть лишь в температуре синтеза.

В табл.1 приведены также составы стекол с запредельным содержанием компонентов, в табл.3 характерные для них недостатки.

Удельное объемное электросопротивление предлагаемого стекла существенно увеличивается, если содержание оксидов алюминия, натрия и меди, а также железа и лития оказывается ниже 0,5; 0,02; 0,01; 18,0 и 20,0% соответственно. При содержании Al₂O₃, Na₂O, Cu₂O и Fe₂O₃ сверх соответственно 7,0; 5,0; 2,0 и 24,0% также имеет место заметное повышение удельного электросопротивления. При увеличении содержания Li₂O сверх 31% существенно снижается механическая прочность стекла.

Механическая прочность предлагаемого стекла существенно снижается также, если содержание стеклообразователей оксидов кремния и бора становится менее 49,0 и 0,01% соответственно. Если же их количество в стекле оказывается более 57,0 и 2,0% соответственно, заметно повышается электросопротивление.

Описание предложенного стекла, примеры его изготовления и результаты испытания свидетельствуют о промышленной осуществимости изобретения.

Использование: в электротехнике в качестве магнито- и электропроводящих элементов. Сущность изобретения: стекло, преимущественно для изготовления электронагревательных элементов, содержит, мол.%: оксид кремния 49,0-57,0 БФ SiO₂, оксид железа 18,0-24,0 БФ Fe₂O₃, оксид лития 20,0-31,0 БФ Li₂O, оксид бора 0,01-2,0 БФ B₂O₃, оксид алюминия 0,5-7,0 БФ AI₂O₃, оксид натрия 0,0205,0 БФ Na₂O, оксид меди 0,01-2,0 БФ Cu₂O. Свойства стекла: удельное объемное электросопротивление 10-30 Ом•см, температура начала оплавления острых кромок > 1000^oC, температура варки 1300-1350^oC. 3 табл.

Стекло, преимущественно для изготовления электронагревательных элементов, включающее SiO₂, Fe₂O₃, Li₂O, B₂O₃, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит Al₂O₃, Na₂O, Cu₂O при следующем соотношении компонентов, мол.

SiO₂ 49 57
Fe₂O₃ 18 24
Li₂O 20 31
B₂O₃ 0,01 2
Al₂O₃ 0,5 7
Na₂O 0,02 5
Cu₂O 0,01 2$