СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГИБКО-ПЛОСКОГО ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЯ
METHOD OF PRODUCING FLEXIBLE-FLAT ELECTRIC HEATER

Изобретение относится к областям электротермии и космического машиностроения и может быть использовано при изготовлении гибких, плоских, гибко-плоских электронагревателей, поддерживающих в работоспособном состоянии радиоэлектронную аппаратуру космического аппарата при воздействии условий космического пространства, а также оптимизации конструкции, направленной на использование отечественных материалов в производстве современных образцов космической техники мирового уровня. Изобретение может быть использовано в других областях техники, где изготавливают и применяют нагревательные электрические элементы с заданными геометрическими свойствами (размерами), прочностными характеристиками (гибкость, стойкость к механическим воздействиям), нормируемой тепловой отдачей и уменьшенными затратами при производстве.
В настоящее время известен способ изготовления плоского электронагревателя со спиралью (патент RU 2006186 С1), который заключается в формировании плоского основания с канавочным профилем его боковых кромок, навивке нитяного резистивного элемента на плоское основание с заведением спиралей резистивного элемента в его канавки, соединении с токоподводами, нанесении на них электроизоляционного покрытия и формовки пакета, при этом при формировании плоского основания перфорируют кромочные прорези с заглубленными канавками с образованием боковых лепестков между ними, затем последовательно при навивке нитяного резистивного элемента боковые лепестки либо все сразу попарно, либо последовательно попарно отгибают в противоположные стороны и в промежутки между ними заводят нити резистивного элемента, их петли, фиксируют под натяжением в заглубленных канавках, возвращают лепестки в исходное положение, при котором лепестки боковинами образуют замок над нитями резистивного элемента, затем последовательно наносят электроизоляционные слои и формуют весь пакет при нагревании под давлением между плитами пресса.
К недостаткам способа изготовления электронагревателя следует отнести проблему обеспечения надежной электроизоляции нитяного резистивного элемента, его петель, размещенных в боковых кромочных канавках, из-за разнородности материалов плоского основания и электроизоляционных слоев, усадочных явлений, при интенсивном нагреве происходит растрескивание межслойной изоляции и отрыв ее слоев, что приводит к пробою изоляции и выходу электронагревателя из строя. Способ обладает повышенной сложностью и трудоемкостью при изготовлении. Изготовление плоского полимерного электронагревателя с выступающими клеммными токоподводами требует обеспечения точных геометрических параметров законцовок токоподводов.
Известен способ изготовления пластинчатого электронагревателя (патент RU 2230439 С2), включающий намотку под натяжением по спирали нитяного резистивного элемента с подсоединением его к электродам с токоподводами, формирование электроизоляционных слоев покрытия из стеклоткани и полимерного связующего и прессование пакета слоев под плитами пресса, один из электроизоляционных слоев покрытия из стеклоткани, пропитанной полимерным связующим, наматывают на цилиндрическую оправку, в виде с оболочки выпуклой радиусной кривизны, закрепляют на ней с параллельным расположением между собой электроды с токоподводами с ориентацией их вдоль ее образующих, наматывают поверх нитяной резистивный элемент, частично отверждают оболочку с образованием на ней тонкого слоя полимерного связующего, омоноличивающего и надежно фиксирующего нитяной резистивный элемент в сформированном положении, разрезают оболочку между электродами с пересечением витков нитяного резистивного элемента, снимают с оправки в виде криволинейного сегмента выпуклой радиусной кривизны, выпрямляют его под плитами пресса, накладывают недостающие слои стеклоткани, пропитанные полимерным связующим, покрытия с противоположной стороны нитяного резистивного элемента и прессуют весь пакет слоев, но он обладает рядом недостатков, снижающих его надежность, увеличивающих трудоемкость изготовления.
К недостаткам способа изготовления электронагревателя следует отнести возможность нарушения структуры нитяного резистивного элемента при изготовлении из неметаллического материала, состоящего из волокон, смещение из заданного положения, в том числе нитяного резистивного элемента из металлического материала при прессовании. При этом наблюдаются разрывы волокон нити резистивного элемента или искривление нити в результате текучести и перераспределения полимерного связующего под давлением прессования, что увеличивает разброс температурных характеристик по полю нагревателя, при разрывах нити снижает мощность электронагревателя, его надежность.
Известен способ изготовления плоского полимерного электронагревателя (патент RU 2234820 С2), по которому на полимерный резистивный слой устанавливают параллельно расположенные токоподводы из полосок фольги, затем наносят с обеих сторон изоляционное покрытие, оставляя выступающими из него клеммные концы токоподводов, и прессуют все слои при соответствующих их материалам температурных и временных режимах, из гибкого нагревательного элемента в виде токопроводящей ткани по утку вырезают фрагмент резистивного слоя и в массиве изоляционных нитей, контактирующих с одной стороны с дополнительными электродами, а с другой стороны - с массивом комплексных электропроводящих полимерных нитей, вырубают периферийные зоны всех токораспределительных и часть периферийных зон промежуточных и краевых электродов, причем зоны вырубки металлизированных нитей краевых и промежуточных электродов размещают с чередованием то с одной, то с другой стороны массива из комплексных электропроводящих полимерных нитей с образованием коммутационной гребенки заданного резистивного слоя.
К недостаткам способа изготовления электронагревателя следует отнести недостаточную стабильность температурного поля на рабочей поверхности резистивного слоя, что обусловлено неравномерным распределением тока по массиву комплексных электропроводящих нитей, применение механического способа для вырезания резистивного нагревательного слоя, вырубки зон краевых и промежуточных электродов в металлизированных нитях, вырезание полосок фольги для создания клеммных концов токоподводов, что является трудоемким процессом, требующим соблюдения геометрической точности при выполнении операций, при этом от механического воздействия инструментов оснастки на заготовках материалов возникают задиры и неровности, влияющие на механическую прочность изделия в целом, возрастает трудоемкость изготовления продукции, установка параллельно расположенных токоподводов из полосок фольги требует обеспечения геометрической точности. Также необходимо отметить, что изготовление плоского полимерного электронагревателя с выступающими клеммными токоподводами требует обеспечения точных геометрических параметров законцовок токоподводов. В противном случае возникают сложности с совмещением ответных частей.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является гибкий нагреватель и способ его изготовления (патент US 20120138595 А1), изготовленный из многослойной полиимидной пленки с термоплавким полиимидным поверхностным слоем, с нагревательным элементом, сформированным на термоплавком полиимидном поверхностном слое основания, с компонентами покрытия цепи нагревательного элемента, покрывающимися отдельно. Способ изготовления гибкого нагревателя включает в себя: этап, на котором методом термокомпрессии, в диапазоне температур от 300 до 400°С, из металлической фольги формируется цепь нагревательного элемента на термоплавком полиимидном поверхностном слое основания, изготовленого из многослойной полиимидной пленки, этап травления металлической фольги с использованием раствора хлорида окисного железа, этап покрытия цепи нагревательного элемента, покровным элементом, который изготовлен из многослойной полиимидной пленки с термоплавкими полиимидными поверхностными слоями методом термокомпрессии, в диапазоне температур от 300 до 400°С, этап подсоединения выводных проводов к концевым частям соединения цепи нагревательного элемента, этап покрытия теплостойким адгезивом концевых частей соединения и их окружающих частей, а также участков выводных проводов, расположенных над основанием. Покрытие цепи нагревательного элемента, а также покрытие конечных элементов имеет точку стеклования от 200 до 300°С. Известный способ принят в качестве прототипа.
К недостаткам способа изготовления гибкого нагревателя следует отнести высокую температуру от 300 до 400°С прессования (термокомпрессии) материалов, увеличенное количество циклов (этапов) прессования, более двух циклов прессования, применение дополнительного теплостойкого адгезива для защиты места соединения проводящего слоя и гибких токовыводов (концевых частей нагревательного элемента и цепи выводных проводов). Недостатки обусловлены примененными полиимидыми материалами (полиимидной пленкой, полиимидым поверхностным слоем), конструктивным решением места соединения проводящего слоя и гибких токовыводов (соединения концевых частей нагревательного элемента и цепи выводных проводов), выбранными технологическими режимами и способами выполнения работ. Также, необходимо отметить, что применение дополнительного материала теплостойкого адгезива, изготовление электронагревателя при более высоких температурах прессования, с увеличенным количеством циклов прессования накладывает повышенные требования к технологическому оборудованию и его использованию, дополнительные требования к выполнению условий охраны труда персонала, увеличивает цикл изготовления электронагревателя и расход электрической энергии, что не уменьшит стоимость электронагревателя.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание принципиально нового способа изготовления гибко-плоского электронагревателя с улучшенными массогабаритными параметрами, улучшенными прочностными характеристиками, например, гибкостью и стойкостью к механическим воздействиям, с низкой себестоимостью изготовления и высокой надежностью электронагревателя в процессе эксплуатации в составе нагревательных устройств космического и общего машиностроения.
2
2
2
2
Данная задача решается способом изготовления гибко-плоского электронагревателя, включающим сборку основания, формирование рисунка резистивного слоя, их прессование и проведение электрических испытаний, в котором сборку основания осуществляют из слоев гибкой стеклоткани Э1-30П, гибкой стеклоткани СТП-4-0,062 и проводящего слоя из фольги, выполняют ступенчатое прессование собранного основания при температуре 150±10°С, которое на первой ступени осуществляют при давлении 25 Н/см в течение 5 минут, а на второй - при давлении 100 Н/см в течение 120 минут с последующим охлаждением, рисунок резистивного слоя создают на проводящем слое методом фотолитографии, вытравливают рисунок и паяют гибкие токовыводы, проводят сборку основания с токовыводами со слоем гибкой стеклоткани СТП-4-0,062 и выполняют их ступенчатое прессование при температуре 150±10°С, которое на первой ступени осуществляют при давлении 25 Н/см в течение 5 минут, а на второй - при давлении 100 Н/см в течение 120 минут с последующим охлаждением.
Способ изготовления электронагревателя, заключается в последовательном выполнении следующих технологических операций.
1. Заготовительная - нарезание заготовки из гибкой стеклоткани без пропитки, нарезание заготовок из гибкой стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим, нарезание заготовки проводящего слоя из фольги, нарезание заготовок гибких токовыводов из проводов.
2. Сборка основания - укладка заготовки из стеклоткани без пропитки на нижнюю плиту приспособления для прессования, укладка заготовки стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим, укладка проводящего слоя из фольги, соединение верхней и нижней плиты приспособления для прессования.
3. Первое прессование основания в соответствии с допустимыми, согласно техническим условиям для используемых стеклотканей и фольги давлением, температурой и длительностью.
4. Выемка основания из приспособления для прессования.
5. Обрезание облоя по периметру основания.
6. Изготовление фотошаблона рисунка резистивного слоя.
6. Нанесение фоторезиста на фольгу.
7. Экспонирование фоторезиста.
8. Проявление фоторезиста.
9. Вытравливание рисунка резистивного слоя в травильном растворе.
10. Промывка основания с удалением остатков травильного раствора и фоторезиста.
11. Предварительные электрические испытания.
12. Пайка гибких токовыводов к резистивному слою.
13. Второе прессование основания с токовыводами с заготовкой из стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим в соответствии с допустимыми, согласно техническим условиям для используемых материалов давлением, температурой и длительностью.
14. Окончательные электрические и термовакуумные испытания.
Пример осуществления способа изготовления гибко-плоского электронагревателя:
1. Заготовительная операция:
- нарезка стеклоткани Э1-30П необходимого размера с учетом технологического припуска 10 мм на каждую сторону;
- нарезка стеклоткани СТП-4-0,062 со средней текучестью необходимого размера с учетом технологического припуска 10 мм на каждую сторону;
- нарезка фольги ДТ от 0,012 до 0,02 МНМц 40-1,5 необходимого размера с учетом технологического припуска 10 мм на каждую сторону;
- нарезка проводов необходимой длины с учетом технологического припуска 20 мм.
2. Сборка основания в последовательности:
- нижняя плита приспособления;
- триацетатцеллюлозная электроизоляционная пленка;
- прокладка;
- листы кабельной бумаги - 2 шт.;
- триацетатцеллюлозная электроизоляционная пленка;
- заготовка из стеклоткани Э1-30П;
- заготовка из стеклоткани СТП-4-0,062;
- заготовка из фольги;
- триацетатцеллюлозная электроизоляционная пленка;
- листы кабельной бумаги - 2 шт.;
- прокладка;
- триацетатцеллюлозная электроизоляционная пленка;
- верхняя плита приспособления.
3. Первое прессование, прессование основания:
2
- Первая ступень: Температура t = плюс (150±10)°С, время Т = 5 мин; Давление Р = 25 Н/см.
2
- Вторая ступень: Температура t = плюс (150±10)°С, время Т = 120 мин; Давление Р = 100 Н/см.
2
- Охлаждение: Температура до t = 40°С, время Т = 30 мин; Давление Р = 25 Н/см.
4. Обрезка облоя по периметру заготовки обогревателя ножницами.
5. Изготовление негативного фотошаблона.
8. Нанесение фоторезиста.
9. Экспонирование фоторезиста.
10. Проявление фоторезиста.
11. Травление основания электронагревателя в растворе перекиси водорода и соляной кислоты до полного удаления металла с пробельных мест.
12. Промывка основания электронагревателя проточной водой в течение 1-2 мин.
13. Удаление фоторезиста.
14. Промывка основания электронагревателя проточной водой в течение 1-2 мин.
15. Измерение сопротивления между контактными площадками резистивного слоя основания электронагревателя мультиметром.
16. Пайка токовыводов припоем ПОС 61 с флюсом ЛТИ 120 на предварительно облуженную поверхность контактных площадок заготовки электронагревателя.
17. Сборка основания с токовыводами и заготовки из стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим:
- нижняя плита приспособления;
- триацетатцеллюлозная электроизоляционная пленка;
- прокладка;
- листы кабельной бумаги - 2 шт.;
- триацетатцеллюлозная электроизоляционная пленка;
- заготовка из стеклоткани Э1-30П;
- заготовка из стеклоткани СТП-4-0,062;
- заготовка из фольги;
- триацетатцеллюлозная электроизоляционная пленка;
- листы кабельной бумаги - 2 шт.;
- прокладка;
- триацетатцеллюлозная электроизоляционная пленка;
- верхняя плита приспособления.
18. Второе прессование, прессование основания с токовыводами с заготовкой из стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим:
2
- Первая ступень: температура t = плюс (150±10)°С, время Т = 5 мин, давление Р = 25 Н/см;
2
- Вторая ступень: температура t = плюс (150±10)°С, время Т = 120 мин, давление Р = 100 Н/см;
2
- Охлаждение: температура до t=40°С, время Т = 30 мин, давление Р = 25 Н/см.
19. Измерение сопротивления электронагревателя между контактами мультиметром.
20. Подача испытательного напряжения на выводы электронагревателя с помощью источника питания соответствующей мощности, наблюдение за нагревом участков электронагревателя визуально, контроль за отсутствием участков с разной температурой нагрева с помощью тепловизора.
21. Упаковка готового электронагревателя.
В основе конструкции лежит гибкая стеклоткань, гибкая стеклоткань, пропитанная эпоксидным связующим, проводящий слой в виде рисунка из материала с высоким сопротивлением, токовыводы из гибкого провода. Принципиально новым в способе изготовления электронагревателя является то, что применены материалы, позволяющие уменьшить температуру прессования по сравнению с прототипом, применены последовательность, сочетание и режимы выполнения технологических операций, позволяющие использовать двукратное двухступенчатое прессование, уменьшить количество технологических операций, упростить процесс изготовления, что снижает себестоимость изготовления. Улучшение массогабаритных свойств и надежности достигается уменьшением количества заготовок электрообогревателя, применением фотолитографии для создания рисунка резистивного слоя с шириной менее одного миллиметра, что позволяет изготавливать электрообогреватели различных геометрически форм и размеров, соответствующие форме обогреваемой поверхности, выполнять резервирование проводящего слоя. Улучшение прочностных характеристик достигается использованием в качестве конструкционной основы стеклоткани, получаемой переплетением большого числа нитей, пропитанной эпоксидным связующим. Дополнительные электрические и термовакуумные испытания гарантируют работоспособность в течение заданного времени.