CN107173849B - 一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体及其应用；特别涉及一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体及其在电子烟雾化器中的应用。本发明导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体的制备方法为：首先将导电陶瓷粉末与玻璃粉均匀混合得到陶瓷粉混合物；然后将松油醇、乙基纤维素、邻苯二甲酸二丁酯、聚乙烯缩丁醛以及蓖麻油混合均匀得到有机载体；接着将陶瓷粉混合物与有机载体混合均匀得到陶瓷浆料；通过丝网印刷方式将陶瓷浆料涂覆在多孔陶瓷基体上，真空烧结，得到导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体。本发明所制备的陶瓷膜多孔陶瓷发热体特别适用于用作电子烟雾化器。

Description

一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体及其应用

技术领域

本发明涉及一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体及其应用；特别涉及一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体及其在电子烟雾化器中的应用。

背景技术

导电陶瓷材料是指陶瓷材料中具备离子导电、电子/空穴导电的一种新型功能材料。导电陶瓷具有抗氧化、抗腐蚀、抗辐射、耐高温和长寿命等特点。目前，对于采用膜材作为发热材料多为金属发热膜，而且其工艺多为PVD、CVD以及钼锰法等。此类制备方法制备工艺复杂，而且金属发热膜的耐蚀性较差，不宜在环境恶劣的条件下使用。电子烟雾化器中发热体是长期与烟油接触，因此对发热体材料的耐蚀性有一定的要求。

到目前为止，还未见带导电陶瓷膜的多孔陶瓷发热体的相关报道。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体及其应用。

本发明一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体；其制备方法包括下述步骤：

步骤一

将导电陶瓷粉与特定熔点的玻璃粉均匀混合得到导电陶瓷粉混合物；

步骤二

将松油醇、乙基纤维素、邻苯二甲酸二丁酯、聚乙烯缩丁醛、蓖麻油混合均匀后得到有机载体；

步骤三

将步骤一所得陶瓷粉混合物与步骤二所得有机载体混合均匀得到导电陶瓷浆料；

步骤四

通过丝网印刷件导电陶瓷浆料涂覆在多孔陶瓷基体上，真空烧结后得到导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体。

本发明一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体；步骤一所述导电陶瓷粉为氮化钛粉、二硼化钛粉、碳化硅粉、碳化钨粉中的一种或多种。

本发明一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体；步骤一所导电陶瓷粉的粒度为0.5-80微米，优选为15-50微米；进一步优选为20-35微米。

本发明一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体；步骤一所述玻璃粉熔化温度为600℃～1000℃。

本发明一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体；步骤一所述玻璃粉的粒度为0.5-30微米，优选为5-20微米；进一步选为10-15微米。

本发明一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体；步骤一中，导电陶瓷粉占导电陶瓷粉混合物总质量60％～95％、优选为70％～90％、进一步优选为75％～85％。

本发明一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体；步骤一中，玻璃粉占导电陶瓷粉混合物总质量5％～40％、优选为10％～30％、进一步优选为15％～25％。

本发明一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体；步骤二中，所述有机载体以质量百分比计由下述组分组成：

松油醇85％～96％、优选为88～93％、进一步优选为89～92％；

乙基纤维素2％～8％、优选为3～7％、进一步优选为3.5～5％；

聚乙烯缩丁醛2％～6％、优选为2～4％；

蓖麻油1％～5％、优选为2～4％。

在工业化应用时，为了确保有机载体的均匀性，有机载体按设计的成分配比进行称量混合，在60℃～90℃的水浴条件搅拌2h～5h，直至各个成分充分溶解。

本发明一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体；步骤三中，

导电陶瓷粉混合物占导电陶瓷膏料总质量的70％～90％，优选为75～85％、进一步优选为78～81％；

有机载体占导电陶瓷膏料总质量的10％～30％、优选为15～25％、进一步优选为19～22％。

本发明一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体；步骤四中，所述多孔陶瓷基体的孔隙率为35-75％、优选为40-70％、进一步优选为50-65％。

本发明一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体；步骤四中，通过丝网印刷件导电陶瓷浆料涂覆在多孔陶瓷基体上后置于60～90℃干燥20min～60min。

本发明一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体；步骤四中，通过丝网印刷件导电陶瓷膏料涂覆在多孔陶瓷基体上，干燥后，在真空炉中以5-20℃/min的升温至800-1100℃，在800-1100℃下保温0.5h-4h，整个烧结过程中真空度控制在1-0.01Pa，得到导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体。

本发明一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体；导电陶瓷膜与陶瓷基体的结合强度大于等于8MPa。

本发明一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体的应用包括用作电子烟雾化器。

本发明一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体的用作电子烟雾化器时，导电陶瓷膜的厚度为10-35微米、优选为15-30微米、进一步优选为20-25微米。适当厚度的金属膜有利于控制发热体的发热速率和发热温度，进而能减少有害物质的产生，尤其是对烟油加热时，能尽可能的减少有害物质的产生。

本发明一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体的用作电子烟雾化器时，先将陶瓷基体制成设定形状后，通过丝网印刷件导电陶瓷膏料涂覆在多孔陶瓷基体上，干燥后，在真空炉中以5-20℃/min的升温至800-1100℃，在800-1100℃下保温0.5h-4h，整个烧结过程中真空度控制在1-0.01Pa，得到电子烟雾化器。

本发明本发明一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体的用作电子烟雾化器时，还能解决现有金属膜多孔陶瓷发热体存在易腐蚀的问题。

原理和优势

本发明尝试了在多孔陶瓷基体上通过涂覆导电陶瓷浆料的方式制备导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体。通过浆料中各组分以及烧结工艺的协同作用，得到了导电陶瓷膜与陶瓷基体的结合强度大于等于8MPa的导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体。本发明还巧妙的将该导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体用作电子烟雾化器。

本发明通过控制有机载体的组分，在合理的烧结工艺以及适当的基体孔隙率的协同作用下，巧妙地解决了，现有工艺中极易在界面上出现残留碳的问题；进而极大提高了导电陶瓷膜与陶瓷基体的结合强度。

本发明导电陶瓷浆料通过丝网印刷方式涂覆于多孔陶瓷材料上，电阻丝的形状由丝网印刷的网版决定。通过此种工艺方式可以获取电阻合适的发热丝，且发热丝在多孔陶瓷材料上分布均匀。

附图说明

附图1为导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体的制备流程图；

附图2为本发明所制备的导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体应用于电子烟雾化器时的发热丝线路布局图。

从图1中可以看出本发明制备工艺的流程。

从图2中可以看出发热丝线路分布较均匀，发热膜在通电状态下，发热均用，多孔陶瓷基体表面温度均匀，因而雾化器的雾化效果较好。

具体实施方式

实施例1

将氮化钛粉与熔点为800℃的玻璃粉分别按质量百分比为82％和18％进行称量；将其混合倒入氧化锆罐中，以无水乙醇作为球磨介质，在200r/min的转速下球磨8小时，随后将其放入鼓风干燥箱中在80℃下干燥3小时；最后将干燥后的氮化钛粉和玻璃粉的混合物过80目筛。

将松油醇、乙基纤维素、邻苯二甲酸二丁酯以及聚乙烯缩丁醛以及蓖麻油分别按质量百分比为90％、4％、2％、2％、2％及进行称量；将混料在加热磁力搅拌器中80℃水浴搅拌3小时直至各个组分完全溶解；冷却至室温待用。

将氮化钛粉混合物及有机载体分别按质量分数为81％和19％称量进行混合搅拌均匀得到导电陶瓷浆料。将导电陶瓷膏料在如图2所示的图案网版上印刷到硅酸盐多孔陶瓷基片上(孔隙率为50％)；印刷次数在5次左右。最后将涂覆有导电陶瓷浆料的硅酸盐多孔陶瓷基片放入鼓风干燥箱中在80℃下干燥1h。

将涂覆有导电陶瓷浆料的硅酸盐多孔陶瓷基片放入真空炉中，以10℃/min升温速度升温至1000℃；在1000℃下保温2小时；整个烧结过程中真空度控制在1-0.01Pa，。

在电子显微镜下观察和测量，测得导电陶瓷膜厚度约为20μm；用电阻测试仪测得其电阻约为1.8欧。在进行多次冷热循环测试，导电陶瓷膜也未从陶瓷基体上脱落；在拉力测试机上测试导电陶瓷膜与陶瓷基体的结合强度为15MPa。

实施例2

将二硼化钛粉与熔点为700℃的玻璃粉分别按质量百分比为80％和20％进行称量；将其混合倒入氧化锆罐中，以无水乙醇作为球磨介质，在200r/min的转速下球磨8小时，随后将其放入鼓风干燥箱中在80℃下干燥3小时；最后将干燥后的氮化钛粉和玻璃粉的混合物过80目筛。

将松油醇、乙基纤维素、邻苯二甲酸二丁酯以及聚乙烯缩丁醛以及蓖麻油分别按质量百分比为91％、2％、4％、2％、1％及进行称量；将混料在加热磁力搅拌器中80℃水浴搅拌3小时直至各个组分完全溶解；冷却至室温待用。

将氮化钛粉混合物及有机载体分别按质量分数为80％和20％称量进行混合搅拌均匀得到导电陶瓷浆料。将导电陶瓷膏料在如图2所示的图案网版上印刷到硅酸盐多孔陶瓷基片上(孔隙率为55％)；印刷次数在10次左右。最后将涂覆有导电陶瓷浆料的硅酸盐多孔陶瓷基片放入鼓风干燥箱中在80℃下干燥1h。

将涂覆有导电陶瓷浆料的硅酸盐多孔陶瓷基片放入真空炉中，以5℃/min升温速度升温至950℃；在95℃下保温1小时；整个烧结过程中真空度控制在1-0.01Pa，。

在电子显微镜下观察和测量，测得导电陶瓷膜厚度约为25μm；用电阻测试仪测得其电阻约为2.4欧。在进行多次冷热循环测试，导电陶瓷膜也未从陶瓷基体上脱落；在拉力测试机上测试导电陶瓷膜与陶瓷基体的结合强度为13MPa。

实施例3

将氮化钛粉、碳化硅与熔点为750℃的玻璃粉分别按质量百分比为40％、40％和20％进行称量；将其混合倒入氧化锆罐中，以无水乙醇作为球磨介质，在200r/min的转速下球磨8小时，随后将其放入鼓风干燥箱中在80℃下干燥3小时；最后将干燥后的氮化钛粉和玻璃粉的混合物过80目筛。

将松油醇、乙基纤维素、邻苯二甲酸二丁酯以及聚乙烯缩丁醛以及蓖麻油分别按质量百分比为90％、2％、2％、4％、2％及进行称量；将混料在加热磁力搅拌器中80℃水浴搅拌3小时直至各个组分完全溶解；冷却至室温待用。

将氮化钛粉、碳化硅以及玻璃房的混合物及有机载体分别按质量分数为81％和19％称量进行混合搅拌均匀得到导电陶瓷浆料。将导电陶瓷膏料在如图2所示的图案网版上印刷到硅酸盐多孔陶瓷基片上(孔隙率为50％)；印刷次数在5次左右。最后将涂覆有导电陶瓷浆料的硅酸盐多孔陶瓷基片放入鼓风干燥箱中在80℃下干燥1h。

将涂覆有导电陶瓷浆料的硅酸盐多孔陶瓷基片放入真空炉中，以10℃/min升温速度升温至1050℃；在1050℃下保温1小时；整个烧结过程中真空度控制在1-0.01Pa，。

在电子显微镜下观察和测量，测得导电陶瓷膜厚度约为20μm；用电阻测试仪测得其电阻约为2.0欧。在进行多次冷热循环测试，导电陶瓷膜也未从陶瓷基体上脱落；在拉力测试机上测试导电陶瓷膜与陶瓷基体的结合强度为12MPa。

从实施例1-3可以看出本发明的导电陶瓷与多孔陶瓷低温共烧方法制备的电子烟发热体具有导电陶瓷与陶瓷附着强度高，电阻大小均匀，发热均匀等优点。

对比例1

将镍铜合金粉与熔点为800℃的玻璃粉分别按质量百分比为80％和20％进行称量；将其混合倒入氧化锆罐中，以无水乙醇作为球磨介质，在250r/min的转速下球磨8小时，随后将其放入鼓风干燥箱中在80℃下干燥3小时；最后将干燥后的镍铜合金粉和玻璃粉的混合物过80目筛。

将松油醇、乙基纤维素、邻苯二甲酸二丁酯以及聚乙烯缩丁醛分别按质量百分比为92％、4％、2％、2％及进行称量；将混料在加热磁力搅拌器中80℃水浴搅拌3小时直至乙基纤维素和聚乙烯缩丁醛完全溶解；冷却至室温后加入有机混合物质量的2％油酸，加热混合，最后冷却至室温。

将镍铜合金粉混合物及有机载体分别按质量分数为80％和20％称量进行混合搅拌均匀得到金属膏料。将金属膏料在如图2所示的图案网版上印刷到硅酸盐陶瓷基片上(相对体积致密度为98％)；印刷次数在10次左右。最后将涂覆有金属膏料的硅酸盐陶瓷基片放入鼓风干燥箱中在80℃下干燥2h。

将涂覆有金属膏料的硅酸盐陶瓷基片放入管式电阻炉中，以2℃/min升温速度升温至300℃；在300℃下保温2小时；以2℃/min升温速度升温至600℃；在600℃下保温3小时；随后通入氩气排除炉中的空气，排除空气后停止通入氩气，改为通入氢气；然后以2℃/min升温速度升温至900℃；在900℃下保温2小时。

在电子显微镜下观察和测量，测得金属膜厚度约为30μm；用电阻测试仪测试其电阻约为1.8欧。在进行多次冷热循环测试，硅酸盐陶瓷表面的金属膜局部存在起皮现象；在拉力测试机上测试金属膜与陶瓷基体的结合强度为5MPa。

对比例2

其他条件均匀实施例3一致，不同之处在于：

将松油醇、乙基纤维素、邻苯二甲酸二丁酯以及聚乙烯缩丁醛分别按质量百分比为70％、10％、10％、10％及进行称量；将混料在加热磁力搅拌器中80℃水浴搅拌3小时直至乙基纤维素和聚乙烯缩丁醛完全溶解；冷却至室温后加入有机混合物质量的2％油酸，加热混合，最后冷却至室温。

得到成品后，在电子显微镜下观察和测量，测得膜厚度约为20μm；用电阻测试仪测试其电阻约为2.8欧。在进行多次冷热循环测试，硅酸盐陶瓷表面的金属膜存在严重起皮现象；在拉力测试机上测试金属膜与陶瓷基体的结合强度为2MPa。

对比例3

以氮化铝陶瓷为基体，采用刘志平《氮化铝陶瓷及其表面金属化研究》第17页所记载的表1-4做为对比例3。

表1-4 AlN陶瓷金属化技术比较

从实施例1-3可以看出本发明的金属与多孔陶瓷低温共烧方法制备的电子烟发热体具有金属与陶瓷附着强度高，电阻大小均匀，发热均匀等优点。

从实施例1和对比例1-2可以看出若采用的陶瓷基体非本发明中所述特定孔隙率的多孔陶瓷，以及所使用的浆料并非按照本发明中所述浆料特定组成成分，则所制备出的膜-陶瓷发热体的结合等性能较差。这是由于采用多孔陶瓷基体可以增大膜与陶瓷基体的结合面积，并且膜可以部分渗透至多孔陶瓷孔洞中，形成机械互锁，从而较好地提高了膜与陶瓷之间的结合力。从对比例2中可以看出浆料中玻璃粉的含量须在本发明所述的范围内，膜中的玻璃相充当粘结相，含量过低将无法起到粘结作用，含量过高膜将无导电性能。

从实施例1-3以及对比例3可以看出，本发明在膜的附着强度上有了明显的提升。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体；其特征在于：所述导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体包括导电陶瓷膜和多孔陶瓷基体，所述导电陶瓷膜附着在多孔陶瓷基体上，所述导电陶瓷膜与多孔陶瓷基体的结合强度大于等于8MPa；

所述导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体通过下述步骤制备：

步骤一

将导电陶瓷粉与特定熔点的玻璃粉均匀混合得到导电陶瓷粉混合物；

步骤一所述导电陶瓷粉为氮化钛粉、二硼化钛粉、碳化硅粉、碳化钨粉中的一种或多种；所述的导电陶瓷粉粒度为0.5-80微米；

步骤一所述玻璃粉熔化温度为600℃~1000℃，所述玻璃粉的粒度为0.5-30微米；

步骤一中，导电陶瓷粉占导电陶瓷粉混合物总质量60%~95%，玻璃粉占导电陶瓷粉混合物总质量5%~40%；

步骤二

将松油醇、乙基纤维素、邻苯二甲酸二丁酯、聚乙烯缩丁醛、蓖麻油混合均匀后得到有机载体；所述有机载体以质量百分比计由下述组分组成：

松油醇90%，乙基纤维素4%，邻苯二甲酸二丁酯2%，聚乙烯缩丁醛2%，蓖麻油2%；或

松油醇91%，乙基纤维素2%，邻苯二甲酸二丁酯4%，聚乙烯缩丁醛2%，蓖麻油1%；或

松油醇90%，乙基纤维素2%，邻苯二甲酸二丁酯2%，聚乙烯缩丁醛4%，蓖麻油2%；

步骤三

将步骤一所得导电陶瓷粉混合物与步骤二所得有机载体混合均匀得到导电陶瓷浆料；

导电陶瓷粉混合物占导电陶瓷浆料总质量的70%~90%，有机载体占导电陶瓷浆料总质量的10%~30%；

步骤四

通过丝网印刷将导电陶瓷浆料涂覆在多孔陶瓷基体上，真空烧结后得到导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体。

2.根据权利要求1所述的一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体；其特征在于：所述导电陶瓷膜的厚度为10-35微米；所述多孔陶瓷基体的孔隙率为35-75%。

3.根据权利要求1所述的一种导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体；其特征在于：步骤四中，通过丝网印刷将导电陶瓷浆料涂覆在多孔陶瓷基体上，干燥后，在真空炉中以5-20℃/min的升温至800-1100℃，在800-1100℃下保温0.5h-4h，整个烧结过程中真空度控制在1-0.01Pa，得到导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体。

4.一种如权利要求1-3任意一项所述导电陶瓷膜多孔陶瓷发热体的应用，其特征在于：所述应用包括用作电子烟雾化器。