CN107182139B - 一种金属膜多孔陶瓷发热体及其应用 - Google Patents

一种金属膜多孔陶瓷发热体及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种金属膜多孔陶瓷发热体及其应用；特别涉及一种金属膜多孔陶瓷发热体及其在电子烟雾化器中的应用。本发明金属膜多孔陶瓷发热体的制备方法为：首先将电热合金粉与玻璃粉均匀混合得到金属粉混合物；然后将松油醇、乙基纤维素、邻苯二甲酸二丁酯、聚乙烯缩丁醛以及油酸混合均匀得到有机载体；接着金属粉混合物与有机载体混合均匀得到金属膏料；通过丝网印刷件金属膏料涂覆在多孔陶瓷基体上，烧结，得到金属膜多孔陶瓷发热体。本发明工艺简单、易控，便于大规模的工业化应用，所制备的金属膜多孔陶瓷发热体特别适用于用作电子烟雾化器。

Description

一种金属膜多孔陶瓷发热体及其应用
技术领域
本发明涉及一种金属膜多孔陶瓷发热体及其应用；特别涉及一种金属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
金属-陶瓷发热材料(MCH)作为发热体材料中较为重要的一类材料，因其具有耐腐蚀、耐高温、寿命长、高效节能、温度均匀、导热性能良好、热补偿速度快、不含有害物质等优点，被广泛的应用于各类加热设备和电器。金属-陶瓷发热材料的制备方法一般为：将金属(现在多用钨浆料)发热层印刷在陶瓷基层上，然后在1600℃以上共同烧结而成的陶瓷发热体。如：中国专利《一种新型发热原件的制造方法》(申请号：03114238.9)公开了一种新型发热原件的制造方法，将金属调成金属浆料印刷在陶瓷板的表面，然后在氢气燃烧炉中用湿氢对其进行陶瓷金属化，然后涂敷一层陶瓷烧结助剂并覆盖带有缺口的陶瓷板。中国专利《一种耐高温金属/陶瓷复合发热体材料的制备方法》(申请号201410120251.3)通过将陶瓷流延浆料流延成片式陶瓷生坯，然后通过丝网印刷将金属浆料印制在片式陶瓷生坯一侧的表面，经叠层、热合、低温流延成型和冷冻干燥处理后烧结。为了赋予产品具有传导电磁辐射热的能力，该发明在烧结后，还需进行一次电磁辐射陶瓷前躯体的涂覆以及烧结。但是到目前为止还未见以多孔陶瓷为基底，通过涂覆工艺制备形状复杂的金属-陶瓷发热材料的记载。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种金属膜多孔陶瓷发热体及其应用。
本发明一种金属膜多孔陶瓷发热体；所述金属膜多孔陶瓷发热体包括金属膜和多孔陶瓷基体，所述金属膜附着在多孔陶瓷基体上，所述金属膜与多孔陶瓷基体的结合强度大于等于8MPa。
本发明一种金属膜多孔陶瓷发热体；所述金属膜的厚度为10-35微米；所述金属膜的材质中含有电热合金材质；所述多孔陶瓷基体的孔隙率为35-75％。
本发明一种金属膜多孔陶瓷发热体；其制备方法包括下述步骤：
步骤一
将电热合金粉与玻璃粉均匀混合得到金属粉混合物；
步骤二
将松油醇、乙基纤维素、邻苯二甲酸二丁酯、聚乙烯缩丁醛以及油酸混合均匀得到有机载体；
步骤三
将步骤一所得金属粉混合物与步骤二所得有机载体混合均匀得到金属膏料；
步骤四
通过丝网印刷件金属膏料涂覆在多孔陶瓷基体上，烧结，得到金属膜多孔陶瓷发热体。
本发明一种金属膜多孔陶瓷发热体；步骤一所述电热合金粉选自NiCu合金粉、NiCr合金粉、NiCrAl合金粉、FeCrAl合金粉中的一种。
本发明一种金属膜多孔陶瓷发热体；步骤一所述电热合金粉的粒度为0.5-75微米，优选为20-50微米；进一步优选为30-40微米。
本发明一种金属膜多孔陶瓷发热体；步骤一所述玻璃粉熔化温度为700℃～1000℃。
本发明一种金属膜多孔陶瓷发热体；步骤一所述玻璃粉的粒度为为0.5-25微米，优选为5-20微米；进一步优选为10-15微米。
本发明一种金属膜多孔陶瓷发热体；步骤一中，电热合金粉占金属粉混合物总质量70％～95％、优选为80％～90％、进一步优选为80％～85％。
本发明一种金属膜多孔陶瓷发热体；步骤一中，玻璃粉占金属粉混合物总质量5％～30％、优选为10％～20％、进一步优选为15％～20％。
本发明一种金属膜多孔陶瓷发热体；步骤一中，通过球磨的方式将玻璃粉与电热合金粉混合均匀。在混合的同时，通过机械球磨也起到活化金属粉混合物的目的。
本发明一种金属膜多孔陶瓷发热体；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1％～8％、优选为3～7％、进一步优选为3.5～5％；
聚乙烯缩丁醛1％～5％、优选为1～3％；
油酸1％～5％、优选为1～3％。
在工业化应用时，为了确保有机载体的均匀性，按有机载体设计的组分配取各组分后，在60℃～90℃的水浴条件搅拌2h～5h，直至各个成分充分溶解。
本发明一种金属膜多孔陶瓷发热体；步骤三中，
金属粉混合物占金属膏料总质量的70％～90％，优选为75～85％、进一步优选为78～81％；
有机载体占金属膏料总质量的10％～30％、优选为15～25％、进一步优选为19～22％。
本发明一种金属膜多孔陶瓷发热体；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％。
本发明一种金属膜多孔陶瓷发热体；步骤四中，通过丝网印刷件金属膏料涂覆在多孔陶瓷基体上后置于60～80℃干燥30min～60min。
本发明一种金属膜多孔陶瓷发热体；步骤四中，通过丝网印刷件金属膏料涂覆在多孔陶瓷基体上，干燥后，在还原气氛下，升温至200℃～600℃下，保温，然后再升温至700℃～1300℃烧结，得到金属膜多孔陶瓷发热体。
本发明一种金属膜多孔陶瓷发热体；步骤四中，通过丝网印刷件金属膏料涂覆在多孔陶瓷基体上，干燥后，在还原气氛下，升温至200℃～600℃下，保温1小时～6小时，然后再升温至700℃～1300℃烧结0.5小时～3小时，得到金属膜多孔陶瓷发热体；升温时，控制升温速率为1℃/min～5℃/min。
本发明一种金属膜多孔陶瓷发热体；金属膜与陶瓷基体的结合强度大于等于8MPa。
本发明一种金属膜多孔陶瓷发热体的应用包括用作电子烟雾化器。
本发明一种金属膜多孔陶瓷发热体用作电子烟雾化器时，金属膜的厚度为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。
本发明一种金属膜多孔陶瓷发热体用作电子烟雾化器时，先将陶瓷基体制成设定形状后，通过丝网印刷件金属膏料涂覆在多孔陶瓷基体上，干燥后，在还原气氛下，升温至200℃～600℃下，保温1小时～6小时，然后再升温至700℃～1300℃烧结0.5小时～3小时，得到电子烟雾化器；升温时，控制升温速率为1℃/min～5℃/min。
原理和优势
本发明尝试了在多孔陶瓷基体上通过涂覆金属浆料的方式制备金属膜多孔陶瓷发热体。通过浆料中各组分以及烧结工艺的协同作用，得到了金属膜与陶瓷基体的结合强度大于等于8MPa的金属膜多孔陶瓷发热体。本发明还巧妙的将该金属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；进而极大提高了金属膜与陶瓷基体的结合强度。
本发明金属膏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为金属膜多孔陶瓷发热体的制备流程图；
附图2为实施例1所制备金属膜多孔陶瓷发热体的扫描电镜图；附图3为本发明所制备的金属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中可以看出金属膜和多孔陶瓷基体结合较好。图中上部的白色相为NiCu合金，下部分的灰色相为硅酸盐基的多孔陶瓷基体。从图中看出金属层和陶瓷基体间的界面清晰，结合较紧密，NiCu合金在陶瓷基体上的润湿性较好。部分NiCu合金渗入陶瓷基体的空隙中形成一定的机械啮合，从而提高了金属层和陶瓷基体的结合强度。
从图3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3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10次左右。最后将涂覆有金属膏料的硅酸盐多孔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多孔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2.3欧。在进行多次冷热循环测试，金属膜也未从陶瓷基体上脱落；在拉力测试机上测试金属膜与陶瓷基体的结合强度为14MPa。
实施例2
将镍铬合金粉与熔点为950℃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；最后将干燥后的镍铬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91％、5％、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78％和22％称量进行混合搅拌均匀得到金属膏料。将金属膏料在如图3所示的图案网版上印刷到氧化锆多孔陶瓷基片上(孔隙率为55％)；印刷次数在15次左右。最后将涂覆有金属膏料的氧化锆多孔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陶瓷基片放入管式电阻炉中，以2℃/min升温速度升温至400℃；在400℃下保温2小时；以2℃/min升温速度升温至700℃；在700℃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5℃/min升温速度升温至1100℃；在1100℃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45μm；用电阻测试仪测试其电阻约为1.6欧。在进行多次冷热循环测试，金属膜也未从陶瓷基体上脱落；在拉力测试机上测试金属膜与陶瓷基体的结合强度为10MPa。
实施例3
将铁铬铝合金粉与熔点为1000℃的玻璃粉分别按质量百分比为85％和15％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；最后将干燥后的铁铬铝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93％、4％、1.5％、1.5％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。
将铁铬铝合金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金属膏料。将金属膏料在如图3所示的图案网版上印刷到氧化铝多孔陶瓷基片上(孔隙率为64％)；印刷次数在5次左右。最后将涂覆有金属膏料的氧化铝多孔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氧化铝多孔陶瓷基片放入管式电阻炉中，以2℃/min升温速度升温至250℃；在250℃下保温3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1000℃；在1000℃下保温1.5小时。
在电子显微镜下观察和测量，测得金属膜厚度约为26μm；用电阻测试仪测试其电阻约为1.2欧。在进行多次冷热循环测试，金属膜也未从陶瓷基体上脱落；在拉力测试机上测试金属膜与陶瓷基体的结合强度为8MPa。
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3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
将镍铜合金粉与熔点为800℃的玻璃粉分别按质量百分比为98％和2％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。
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3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
Figure BDA0000939711540000111
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，以及所使用的金属浆料并非按照本发明中所述金属浆料特定组成成分，则所制备出的金属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金属膜与陶瓷基体的结合面积，并且金属膜可以部分渗透至多孔陶瓷孔洞中，形成机械互锁，从而较好地提高了金属膜与陶瓷之间的结合力。从对比例2中可以看出金属浆料中玻璃粉的含量须在本发明所述的范围内，金属膜中的玻璃相充当粘结相，含量过低将无法起到粘结作用，含量过高金属膜将无导电性能。
从实施例1-3以及对比例3可以看出，本发明在金属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)

1.一种金属膜多孔陶瓷发热体；其特征在于；所述金属膜多孔陶瓷发热体包括金属膜和多孔陶瓷基体，所述金属膜附着在多孔陶瓷基体上，所述金属膜与多孔陶瓷基体的结合强度大于等于8MPa；
所述金属膜多孔陶瓷发热体通过下述步骤制备：
步骤一
将电热合金粉与玻璃粉均匀混合得到金属粉混合物；
步骤一所述电热合金粉选自NiCu合金粉、NiCr合金粉、NiCrAl合金粉、FeCrAl合金粉中的一种；所述电热合金粉的粒度为0.5-75微米；
步骤一所述玻璃粉熔化温度为700℃~1000℃；所述玻璃粉的粒度为0.5-25微米；
步骤一中，电热合金粉占金属粉混合物总质量80%~90%，玻璃粉占金属粉混合物总质量10%~20%；
步骤二
将松油醇、乙基纤维素、邻苯二甲酸二丁酯、聚乙烯缩丁醛以及油酸混合均匀得到有机载体；
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%；
乙基纤维素 1%~8%；
聚乙烯缩丁醛 1%~5%；
油酸 1%~5%；
步骤三
将步骤一所得金属粉混合物与步骤二所得有机载体混合均匀得到金属膏料；步骤三中，金属粉混合物占金属膏料总质量的70%~90%，有机载体占金属膏料总质量的10%~30%；
步骤四
通过丝网印刷件金属膏料涂覆在多孔陶瓷基体上，干燥后，在还原气氛下，升温至200℃~600℃下，保温，然后再升温至700℃~1300℃烧结，得到金属膜多孔陶瓷发热体。
2.根据权利要求1所述的一种金属膜多孔陶瓷发热体；其特征在于：所述金属膜的厚度为10-35微米；所述多孔陶瓷基体的孔隙率为35-75%。
3.一种如权利要求1-2任意一项所述金属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。
4.根据权利要求3所述的一种金属膜多孔陶瓷发热体的应用；其特征在于：当所述金属膜多孔陶瓷发热体用作电子烟雾化器时；是先将陶瓷基体制成设定形状后，通过丝网印刷件金属膏料涂覆在多孔陶瓷基体上，干燥后，在还原气氛下，升温至200℃~600℃下，保温1小时~6小时，然后再升温至700℃~1300℃烧结0.5小时~3小时，得到电子烟雾化器；升温时，控制升温速率为1℃/min~5℃/min；得到金属膜的厚度为10-35微米的电子烟雾化器。
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