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电热元件的失效原因总结

1、支摊芯材质的影响。
    限于生产成本的要求,碳素纤维电热元件的支撑芯一般选用国产透明石英玻璃管,国产石英玻璃的成本较低,内部杂质含量较高,其中部分金属杂质元素的含量,如表所示。少量碱金属杂质会使石英玻璃硅氧键网络中的桥氧断裂为非桥氧,降低石英玻璃的粘度,使其结构更为松弛,软化点降低。国产石英玻璃中侣离子的含量较高且大大超过碱金属,这时的铝离子以八面体形式存在,处于硅氧四面体连接成的网络之外,具有与碱金属元素相同的作用限据文献可知,纯石英玻璃在1700℃仍无明显的软化现象,而实际使甲时,当电热元件的表面工作温度在900-1000℃时,石英支撑芯便开始出现变形。为电热元件在1000℃长期工作后石英支撑芯的变形失效照片。除了杂质含量较高造成的软化变形外,支撑芯在高温下的析晶也是元牛失效的原因之一。析晶现象是石英内某些晶核的生长过程,而石英内部内杂质又起到晶核作用,杂质的种类和含量直接影响着析晶的快慢。国产日英管较高的杂质含量使大量晶核形成而促进了析晶作用,表3.3为不匾铃质元素产生析晶现象的温度值。从图中可知,当温度超过7000C,支掌芯析晶的负面影响已非常严重。
2、电热体绷绕工艺的影响。
    股线型碳素纤维电热体的制备一般采用手工缠绕,螺距不均匀的问题在所难免,此外脱芯过程的人为接触也会造成复合材料电热体螺距不匀。股线型电热体螺旋疏密程度与其发热量的关系可用式((3.1)表示式((3.1)中:Qs为电热体螺旋单位面积的发热功率,A为电热体螺旋总发热面积,a为电热体螺旋总长度,D为电热体螺旋的直径,N为电热体螺旋总圈数,n为电热体螺旋单位长度圈数。碳素纤维电热体螺旋排布如从式可以看出,电热体螺旋单位面积的发热功率Qs与单位长度的圈数n成正比,单位长度上的圈数越多,电热体螺旋单位面积的发热功率越大,且工作温度越高。当电热体螺距不均时,局部缠绕密集部位的单位面积发热功率Qs越大,较高的局部温度会使该处支撑芯变形或析晶,影响电热元件寿命。这属于电热体有效发热区缠绕密集处的第一类失效形式。
3、接点处理工艺的影响。
    根据碳素纤维电热体的类型,电热元件采用图3.3中的几种接线方式。无论是否存在透明石英支撑芯,碳素电热体与电源之间的引线材料均采用导电性良好的金属丝(通常用铝丝加铝片点焊方式引出),碳素电热体和金属引线的连接处可等效成一个电阻(接触电阻凡),如图3.4所示。当碳素电热体与金属引线接触时,接触面之间会产生接触电势差,根据文献,接触电阻与接触间隙的距离以及接触点的面积有直接关系。对于碳素纤维电热元件,在长期使用或高温工作下支撑芯会发生软化,使原来紧密接触的碳素电热体与金属引线之间的距离变大,接触面积减小,接触距离增加,因此端头接触电阻变大。由于接触电阻串联在整个电路中,它的增大必然提高接点处的分压,通过的电流在接点处产生的焦耳热也随即增加,最终导致接点首先断裂,这属于电热体的第二类失效形式此类失效电热元件如图3.5所示。当采用高温定型的复合材料电热体后,接点不再需要支撑芯参与而仅为钥片或弹簧夹与复合材料电热体二者的连接,不存在石英软化的接点松弛问题,所以接点断裂失效得到一定程度克服。
4、商温定型工艺的影响。
    高温定型是制备无支撑芯碳素复合材料电热体的关键步骤,而定型时上胶量的多少及其均匀程度直接影响着电热体的自立效果。对于家用取暖的碳素加热器,为了节省空间经常采用立式设计,电热体需要悬垂于石英真空管内。在这种情况下如果上胶量过小,长期使用或频繁通断电的悬垂电热体会出现蠕变、下垂而使螺距不匀。如果塌陷或下垂严重,挠曲的电热体还会与石英外管接触,严重的会出现外管爆炸现象。如果定型上胶量过大,传统的瞬时通电定型法对定型胶的处理不彻底,电热元件高温使用时附着在电热体表面的残留杂质挥发会导致石英管内壁污染,此外上胶不匀还会使电热体局部出现亮点,影响电热元件外观质量。高温定型后的脱芯过程也是复合材料电热体制备的关键步骤,如果上胶量过大,定型所用的石英芯模可能与电热体粘结,脱芯时会使复合材料电热体螺距不匀或断丝。此类失效电热元件的照片,如图3.6所示。www.beritawan.com

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