CN111134362B - 一种多孔发热体及其制备方法与应用 - Google Patents

一种多孔发热体及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多孔发热体，包括多孔体和导电物质，所述导电物质设于多孔体表面，所述导电物质为碳材料和/或碳硅复合材料。本发明通过将碳材料和/或碳硅复合材料这一类导电物质设置在多孔体表面，解决了现有技术存在的升温速度慢、温度分布不均匀、发热片容易变形开裂、使用寿命短、用户体验差等技术缺陷，有利于提升烟油雾化时的效率和均匀性。本发明还公开了一种多孔发热体的制备方法，本发明采用CVD化学气相沉积方法，将导电物质C和Si元素或C元素从外表面到内表面覆盖到多孔陶瓷内外结构表面，实现内外部结构表面整体覆盖电子导电物质层，形成一个一体化的发热体，在两个不同测量点之间具有大致相同的阻值。

Description

一种多孔发热体及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种雾化装置，具体涉及一种多孔发热体及其制备方法与应用。
背景技术
多孔陶瓷体常被制成多孔陶瓷加热体并作为加热源，广泛应用于雾化领域，如电子烟、医用雾化仪以及加湿器等等。例如，电子烟产品的核心部件为对电子烟油进行蒸发的雾化器，雾化器的功能实现主要是基于多孔体和发热元件组成的发热体。其中，多孔体是一个自身内部具有毛细微孔的部件，可以通过内部的微孔进行烟油的浸润吸收和传导；而发热元件具有用于发热的发热部分、以及导电引脚部分，发热部分用于对多孔体传导来的烟油进行加热蒸发，形成供吸食的烟油气溶胶。
由于陶瓷材质无导电性，无法自身形成发热电阻。因此需要与发热元件(发热丝、发热片)复合，通过发热元件加热实现陶瓷体发热。现有技术中的多孔陶瓷发热体，都是采用多孔陶瓷体内埋金属发热丝、或者多孔陶瓷体表面印刷厚膜发热电路、或者多孔陶瓷发热体表面镶嵌发热片方式制备。
1、在陶瓷发热体内埋金属发热丝。金属发热丝通过绕线达到需要的阻值后，两端各作引线处理，发热丝线圈埋入陶瓷内部或表层胚体中，实现发热丝在陶瓷发热体内部或表层发热，其产生的热量传递至整个陶瓷发热体。但是由于发热丝埋在陶瓷体内部，导致陶瓷发热体升温速度慢；由于发热丝埋入陶瓷位置深浅不均、线圈间距不均匀导致陶瓷发热体发热不均匀，导致口感体验中还原度不够、或者发热丝局部干烧产生糊味、或者雾化不饱满。
2、在陶瓷发热体表面印刷厚膜发热电路。在成型好的陶瓷发热坯体表面印刷厚膜金属或其他材质浆料，形成一定阻值的发热电路，实现发热电路在通电时发热，其产生的热量从表面传递整个发热体。目前的陶瓷发热片是直接在陶瓷生胚上印刷电子浆料，在高温下烘烧再经过电极、引线处理后，所生产得到的发热原件。由于印刷电路存在升温速率不够快、温度分布不均(主要是印刷电子浆料时电子浆料局部浓度不均导致发热电路阻值不均)，电路阻值较小处在连续发热过程中易发生发热线路断开，且陶瓷片上发热电路区域的升温速度与其它区域的升温速度差异大，使得两种区域的温度不一致，从而导致陶瓷片发生翘曲，当翘曲程度大于陶瓷预应力时陶瓷片就会发生开裂，从而影响发热片使用寿命等问题。
3、在陶瓷发热体表面镶嵌发热片。在成型好的陶瓷发热坯体表面镶嵌发热片，形成一定阻值的发热电路，在高温下烘烧再经过电极、引线处理后，所生产得到发热原件。由于发热片镶嵌在陶瓷体表面，陶瓷片上镶嵌发热片的区域的升温速度与其它区域的升温速度差异大，使得两种区域的温度不一致，从而导致陶瓷片发生翘曲，当翘曲程度大于陶瓷预应力时，导致发热片镶嵌处变形与陶瓷表面分离或陶瓷开裂，从而影响发热片使用寿命等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种多孔发热体及其制备方法与应用。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种多孔发热体，包括多孔体和导电物质，所述导电物质设于多孔体表面，所述导电物质为碳材料和/或碳硅复合材料。
本发明通过将碳材料和/或碳硅复合材料这一类导电物质设置在多孔体表面，实现具有升温速度快、发热均匀的优点，提升用户体验，同时又免去发热丝或发热电路设计及加工的步骤，降低成本。并且不存在由于需要发热丝或发热电路产生局部热量传递至发热体整体发热，导致升温速度慢，发热不均匀的问题。
所述导电物质设于多孔体表面表示设于多孔体的外表面和多孔体的孔隙的内表面。多孔体的结构包括但不仅限于圆筒状、圆棒状、片状、塔状等任何结构。所述碳硅复合材料表示含有单质碳和单质硅的材料，导电物质仅为碳材料时，其与多孔体表面结合力较差，而Si的存在可以提高导电物质的抗氧化性和导电物质层与多孔体表面的结合力，故导电物质为碳硅复合材料的结合力更优，且有较好的抗氧化性。
优选地，所述导电物质为碳单质、石墨、碳硅复合材料和碳化硅中的至少一种。
优选地，所述多孔体为多孔陶瓷材料。优选地，所述多孔陶瓷材料为氧化物、氮化物或碳化物中的至少一种。更优选地，所述多孔陶瓷材料为氧化铝、氮化硅、氧化硅、硅藻土、碳化硅、氮化铝和氧化锆中的至少一种。
优选地，所述多孔陶瓷材料的孔径为20～40μm，孔隙率为40％～60％。多孔陶瓷材料的孔径和孔隙率可以根据应用而进行调整。
优选地，所述导电物质与多孔体的体积比为1:1～1：1000。如果导电物质过多，则会使多孔体内部孔隙堵塞；导电物质过少则升温加热效果差。
本发明的目的还在于提供一种多孔发热体的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供含碳原料和/或含碳硅原料；
(2)将所述含碳原料和/或含碳硅原料用CVD沉积在多孔体表面；
(3)在真空条件下加热使含碳原料和/或含碳硅原料形成碳材料和/或碳硅复合材料，即得所述多孔发热体。
在CVD工艺条件下，含碳原料和/或含碳硅原料对多孔体由表面到内部进行充分渗透，均匀覆盖多孔体表面、内部的接触面，并沉积在接触面表层，含碳原料和含碳硅原料均可以为液体或气体，目的是提供硅和碳。在真空条件下，在一定的温度下，含碳原料中的碳元素部分形成碳，含碳硅原料形成碳和硅，沉积在多孔陶瓷体外表面和内部所有陶瓷气孔的表层，形成一体化的陶瓷发热体。
本发明所述多孔发热体通过CVD工艺实现对多孔体结构内外表面整体渗碳(或碳/硅)，从而形成一体化发热元件，发热体各个区域同步均匀发热，避免印刷电路存在升温速率不够快、温度分布不均的问题(主要是印刷电子浆料时电子浆料局部浓度不均，或印刷膜厚不均，导致发热电路阻值不均)，电路阻值较小处在连续发热过程中易发生发热线路断开，且陶瓷片在不同区域升温速度和温度不一致的情况下会发生翘曲，当翘曲程度大于陶瓷预应力时陶瓷片就会发生开裂影响发热体使用寿命，避免出现发热电路断开和陶瓷开裂的问题。
本发明中制得的陶瓷与碳硅复合材料发热体，内外表面整体导通，可随意取两个位置作为连接电极，免去了引线处理或表面印刷电极的步骤，降低发热体加工流程和成本，雾化器电极连接设计更加灵活、自由。无需像现有的发热体一样通过引线处理或表面印刷电极，与雾化器电极连接器连接。
优选地，所述含碳原料为碳氢化合物和/或碳氢氧化合物；所述含碳硅原料为由碳硅氢元素组成的化合物和/或由碳硅氢氧元素组成的化合物。在真空条件下，在一定的温度下，碳氢化合物和碳氢氧化合物中的碳元素部分形成碳，碳硅氢元素组成的化合物和/或由碳硅氢氧元素组成的化合物形成碳和硅，沉积在多孔陶瓷体外表面和内部所有陶瓷气孔的表层，形成一体化的陶瓷发热体。
优选地，所述含碳原料为碳氢化合物和/或碳氢氧化合物构成的液体有机物；所述含碳硅原料为由碳硅氢元素组成的化合物和/或由碳硅氢氧元素组成的液体有机物。
优选地，所述含碳原料为C6H6、乙醇和乙醚中的至少一种；所述含碳硅原料为聚硅氧烷和/或(CH3)6Si2O。
本发明的目的还在于提供所述多孔发热体在用于雾化液体的装置中的应用。
本发明的目的还在于提供所述多孔发热体在电子烟雾化器、医用雾化仪或加湿器中的应用。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种多孔发热体，本发明通过将碳材料和/或碳硅复合材料这一类导电物质设置在多孔体表面，解决了现有技术存在的升温速度慢、温度分布不均匀、发热片容易变形开裂、使用寿命短、用户体验差等技术缺陷，有利于提升烟油雾化时的效率和均匀性。本发明还提供了一种多孔发热体的制备方法，本发明采用CVD化学气相沉积方法，将导电物质C和Si元素或C元素从外表面到内表面覆盖到多孔陶瓷内外结构表面，实现内外部结构表面整体覆盖电子导电物质层，形成一个一体化的发热体，在两个不同测量点之间具有大致相同的阻值。
附图说明
图1为检测点和基准点的示意图；其中，(a)为对照组，(b)为试验组1。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明所述多孔发热体的一种实施例，本实施例所述多孔发热体包括多孔陶瓷体和设于多孔陶瓷体表面的碳材料。本实施例中多孔陶瓷体为尺寸为9.0mm*3.6mm*2mm平片型多孔陶瓷，孔隙率范围35％～65％，孔径范围为8～40μm。
本实施例所述多孔发热体的制备方法包括以下步骤：
(1)准备CVD原料C6H6；
(2)将待CVD处理的多孔陶瓷体装入一个封闭的腔体，该腔体一端通过硅胶密封圈和导管连接真空泵，另一端通过硅胶密封圈和导管连接储液罐或者储气罐，同时该腔体具备进行高温加热的功能；
(3)装入待CVD处理的多孔陶瓷体后，通过真空泵对腔体进行真空处理后，打开储液罐或储气罐阀门，使挥发出的气体进入加热后的真空腔体，腔体温度为800～1100℃，挥发的C6H6气体将充满真空腔体，并对多孔陶瓷由表面到内部进行充分渗透，此时C6H6气体均匀覆盖多孔陶瓷表面、内部的所有接触面；
(4)在800℃～1100℃、真空的条件下C6H6中的C-H化学键发生高温裂解，温度为800～1100℃，反应式为C6H6→6C+3H2；
(5)经过化学裂解后，C元素沉积在多孔陶瓷体的外表面和陶瓷空隙的内表面，H2等气体挥发，取出即得所述多孔发热体。
实施例2
本发明所述多孔发热体的一种实施例，本实施例所述多孔发热体与实施例1的不同之处仅在于多孔陶瓷体的尺寸不同，本实施例所述多孔陶瓷体为尺寸为φ3mm*6mm的圆筒型多孔陶瓷，孔隙率范围40％～65％，孔径范围10～42μm。
本实施例所述多孔发热体的制备方法同实施例1。
实施例3
本发明所述多孔发热体的一种实施例，本实施例所述多孔发热体包括多孔陶瓷体和设于多孔陶瓷体表面的碳硅复合材料。本实施例中多孔陶瓷体为尺寸为9.0mm*3.6mm*2mm平片型多孔陶瓷，孔隙率范围35％～65％，孔径范围为8～40μm。
本实施例所述多孔发热体的制备方法包括以下步骤：
(1)准备CVD原料(CH3)6Si2O；
(2)将待CVD处理的多孔陶瓷体装入一个封闭的腔体，该腔体一端通过硅胶密封圈和导管连接真空泵，另一端通过硅胶密封圈和导管连接储液罐或者储气罐，同时该腔体具备进行高温加热的功能；
(3)装入待CVD处理的多孔陶瓷体后，通过真空泵对腔体进行真空处理后，打开储液罐或储气罐阀门，使挥发出的气体进入加热后的真空腔体，腔体温度为800～1100℃，挥发的(CH3)6Si2O气体将充满真空腔体，并对多孔陶瓷由表面到内部进行充分渗透，此时(CH3)6Si2O气体均匀覆盖多孔陶瓷表面、内部的所有接触面；
(4)在800℃～1100℃、真空的条件下(CH3)6Si2O中的化学键发生高温裂解，温度为800～1100℃，反应式为(CH3)6Si2O→H2O+8H2+SiC+5C；
(5)经过化学裂解后，C元素和Si元素沉积在多孔陶瓷体的外表面和陶瓷空隙的内表面，H2等气体挥发，取出即得所述多孔发热体。
实施例1～3所述多孔发热体的孔径测量方式：使用电子显微镜测量；孔隙率测量方法：基于密度的测试原理，测量孔隙率；
测试结果见表1。
表1
Figure BDA0002355162220000071
实施例4
选取两种平片型多孔陶瓷发热体为测试对象，一种为实施例1所述多孔陶瓷发热体(试验组1)，另一种为传统印刷发热电路型发热体(对照组)。平片的中心为测量基准点，检测不同检测点与测量基准点之间的电阻率。检测点和基准点的示意图见图1((a)为对照组，(b)为试验组1)。电阻率使用数字式欧姆表法测试。
采用上述同样的方法对实施例2(试验组2)所述陶瓷发热体进行测试，测试结果见表2。
从表2可以看出本发明的多孔陶瓷发热体在不同检测点之间的阻值大致相同；而传统多孔陶瓷发热体只有当两个检测点都位于印刷发热电路上时，才具被导通功能，且阻值随着检测点与基准点之间的距离增大而增大，而当检测点位于非发热电路区域时，则呈现为绝缘体的性质。因此，本发明的多孔陶瓷发热体在施加电流后，可以均匀同步发热。
因此相比于传统的多孔陶瓷发热体，本发明的多孔陶瓷发热体在两个不同测量点之间具有大致相同的阻值；而传统多孔体发热体(如印刷发热电路型)只有两个测量点位于发热电路区域时才具有阻值，否则为绝缘体。
表2
Figure BDA0002355162220000081
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (11)

1.一种多孔发热体，其特征在于，包括多孔体和导电物质，所述导电物质与多孔体的体积比为1:1 ~1：1000；
所述多孔发热体的制备方法，包括以下步骤：
（1）提供含碳原料和/或含碳硅原料；
（2）将待CVD处理的多孔陶瓷体装入一个封闭的腔体，该腔体一端通过硅胶密封圈和导管连接真空泵，另一端通过硅胶密封圈和导管连接储液罐或者储气罐，同时该腔体具备进行高温加热的功能；装入待CVD处理的多孔陶瓷体后，通过真空泵对腔体进行真空处理后，打开储液罐或储气罐阀门，使挥发出的气体进入加热后的真空腔体，腔体温度为800~1100℃，挥发的含碳原料和/或含碳硅原料气体将充满真空腔体，并对多孔陶瓷由表面到内部进行充分渗透，此时含碳原料和/或含碳硅原料气体均匀覆盖多孔陶瓷表面、内部的所有接触面，形成碳材料和/或碳硅复合材料，即得所述多孔发热体。
2.如权利要求1所述多孔发热体，其特征在于，所述导电物质为碳单质、碳硅复合材料和碳化硅中的至少一种。
3.如权利要求1所述多孔发热体，其特征在于，所述多孔体为多孔陶瓷材料。
4.如权利要求3所述多孔发热体，其特征在于，所述多孔陶瓷材料为氧化物、氮化物或碳化物中的至少一种。
5.如权利要求4所述多孔发热体，其特征在于，所述多孔陶瓷材料为氧化铝、氮化硅、氧化硅、硅藻土、碳化硅、氮化铝和氧化锆中的至少一种。
6.如权利要求3-5任一项所述多孔发热体，其特征在于，所述多孔陶瓷材料的孔径为20~40μm，孔隙率为40%~60%。
7.如权利要求1所述多孔发热体，其特征在于，所述含碳原料为碳氢化合物和/或碳氢氧化合物；所述含碳硅原料为由碳硅氢元素组成的化合物和/或由碳硅氢氧元素组成的化合物。
8.如权利要求7所述多孔发热体，其特征在于，所述含碳原料为碳氢化合物和/或碳氢氧化合物构成的液体有机物；所述含碳硅原料为由碳硅氢元素组成的化合物和/或由碳硅氢氧元素组成的液体有机物。
9.如权利要求7或8所述多孔发热体，其特征在于，所述含碳原料为C6H6、乙醇和乙醚中的至少一种；所述含碳硅原料为聚硅氧烷和(CH3)6Si2O中的至少一种。
10.如权利要求1~9中任一项所述多孔发热体在用于雾化液体的装置中的应用。
11.如权利要求1~9中任一项所述多孔发热体在电子烟雾化器、医用雾化仪或加湿器中的应用。
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