CN112391567B - 一种Si基复合材料发热体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种Si基复合材料发热体及其制备方法，该发热体由NiO粉末、铝粉和Si粉制成，其中各组分所占的质量分数分别为：NiO粉末10‑38%、铝粉8‑20%、Si粉42‑80%，三者总和为100%；所述制备方法包括按照各组分的所述质量分数将NiO粉末、铝粉和Si粉进行混合，然后压制成坯料，并在高温下进行燃烧合成‑熔铸反应。本发明的Si基复合材料发热体及其制备方法不仅能够满足小型发热体的电学及结构特性的要求，更能较大程度地简化产品的制备工艺，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明属于金属基复合材料和粉末冶金的领域，更具体地，本发明通常涉及一种Si基复合材料发热体及其制备方法。
背景技术
随着高端智能装备的不断发展，小型发热元器件的需求和应用领域不断扩大，目前市场上普遍使用的微小型发热器件主要为PTC电阻与MCH陶瓷材料。虽然一定程度上能满足各类设备的使用需求，然而还是存在着较多问题，比如PTC热敏电阻一致性差、互换性差、元件易老化及稳定性差等，而MCH陶瓷往往制备工艺复杂、成本较高，也存在着产品质量不均匀等问题，这些不足会导致下游设备成本高或者质量不稳定。因此急需开发一种低成本、工艺简单、可靠性高及可控性强的新型发热材料。
金属基复合材料是一种以金属为基体的复合材料，关于金属基复合材料性能的研究主要集中在其力学性能上，而电学特性方面的研究尚未有相关报道。
发明内容
本发明的目的在于针对常用PTC电阻与MCH陶瓷发热体产品一致性差、制备工艺复杂等缺点，提供一种金属基发热材料及其制备方法，不仅能够满足小型发热体的电学及结构特性的要求，更能较大程度地简化产品的制备工艺，降低生产成本。
在现有技术的基础上，本专利的发明人经过大量试验非常惊奇地发现，该材料在电学条件下的发热特性很大程度决定于其电阻率，而复合材料体积电阻率的影响因素主要有材料成分、组织结构及致密度等，从而在此基础上完成了本发明。
为了实现上述目的，在一个方面，本发明提供了一种Si基复合材料发热体，该发热体由NiO粉末、铝粉和Si粉制成，其中各组分所占的质量分数分别为：NiO粉末10-38%、铝粉8-20%、Si粉42-80%，三者总和为100%。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述发热体以如下质量分数包括各组分：NiO粉末10%、铝粉8%、Si粉82%，并且其电阻率为0.83Ω·m，拉伸强度为510MPa。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述发热体以如下质量分数包括各组分：NiO粉末18%、铝粉11%、Si粉71%，并且其电阻率为0.67Ω·m，拉伸强度为544MPa。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述发热体以如下质量分数包括各组分：NiO粉末23%、铝粉13%、Si粉64%，并且其电阻率为0.52Ω·m，拉伸强度为610MPa。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述发热体以如下质量分数包括各组分：NiO粉末29%、铝粉17%、Si粉54%，并且其电阻率为0.47Ω·m，拉伸强度为566MPa。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述发热体以如下质量分数包括各组分：NiO粉末38%、铝粉20%、Si粉42%，并且其电阻率为0.20Ω·m，拉伸强度为710MPa。
在另一方面，本发明还提供了一种制备上述Si基复合材料发热体的方法，其包括：按照各组分的所述质量分数将NiO粉末、铝粉和Si粉进行混合，然后压制成坯料，并在高温下进行燃烧合成-熔铸反应，从而得到所述Si基复合材料发热体。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述压制的条件包括：压力为200-400MPa和时间为0.5-2min。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述燃烧合成-熔铸反应的条件包括：真空度高于1×10-1Pa，温度为700-800℃和时间为60-100min。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述Si基复合材料发热体的电阻率为0.20-0.83Ω·m，拉伸强度≥500MPa。
在另一方面，本发明还提供了上述Si基复合材料发热体或通过上述方法制备的Si基复合材料发热体在新型烟草制品用发热器中的用途。
综上所述，本发明的Si基复合材料发热体和通过本发明的方法制备的Si基复合材料发热体不仅能够满足小型发热体的电学及结构特性的要求，更能较大程度地简化产品的制备工艺，降低生产成本。此外，本发明所制备的Si基复合材料还具有较好的抗冲击性、耐磨性、高温红硬性、化学稳定性和抗粘附性。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
在一个方面，本发明提供了一种Si基复合材料发热体，该发热体由NiO粉末、铝粉和Si粉制成，其中各组分所占的质量分数分别为：NiO粉末10-38%、铝粉8-20%、Si粉42-80%，三者总和为100%。
根据本发明，为了使得本发明的Si基复合材料发热体能够满足小型发热体的电学及结构特性的要求，可以对Si基复合材料发热体中的各组分含量在上述范围中进行一定的选择，从而使其能够更好地满足本发明的需求。
因此，在本发明的一个实施方式中，该发热体可以如下质量分数包括各组分：NiO粉末10%、铝粉8%、Si粉82%，并且其电阻率为0.83Ω·m，拉伸强度为510MPa；在本发明的另一个实施方式中，该发热体可以如下质量分数包括各组分：NiO粉末18%、铝粉11%、Si粉71%，并且其电阻率为0.67Ω·m，拉伸强度为544MPa；在本发明的另一个实施方式中，该发热体可以如下质量分数包括各组分：NiO粉末23%、铝粉13%、Si粉64%，并且其电阻率为0.52Ω·m，拉伸强度为610MPa；在本发明的另一个实施方式中，该发热体可以如下质量分数包括各组分：NiO粉末29%、铝粉17%、Si粉54%，并且其电阻率为0.47Ω·m，拉伸强度为566MPa；在本发明的另一个实施方式中，该发热体可以如下质量分数包括各组分：NiO粉末38%、铝粉20%、Si粉42%，并且其电阻率为0.20Ω·m，拉伸强度为710MPa，但本发明的实施方式不限于此。
在另一方面，本发明还提供了一种制备Si基复合材料发热体的方法，其包括：按照各组分的所述质量分数将NiO粉末、铝粉和Si粉进行混合，然后压制成坯料，并在高温下进行燃烧合成-熔铸反应，从而得到所述Si基复合材料发热体。
如本文所用，术语“燃烧合成-熔铸反应”又称为SHS-Casting反应，是指将材料的燃烧合成与零件的凝固成形工艺结合起来，可一步到位制备近净形零件，既保留了SHS技术能省时的优点，也较好地解决了普通SHS技术难以制备致密材料的难题，从而同步实现了材料的合成与致密一体化。
根据本发明，对所述混合步骤的方法没有特别限制，可以通过本领域的各种常规技术手段来完成该步骤，例如球磨等。更具体地，所述球磨过程可以在例如行星球磨机中以无水乙醇作为球磨介质而进行，从而达到更好的混合效果，但本发明不限于此。
根据本发明，当本发明的各组分材料通过上述球磨过程进行混合时，由于混合后形成的是混合浆料，该方法还可以在混合步骤之后包括烘干步骤，例如将球磨得到的混合浆料进行真空烘干，例如在温度为70-90℃的条件下，从而得到烘干的粉料。
根据本发明，压制步骤可以通过在一定的压力下保持一段时间来完成。例如，在本发明的一个优选的实施方式中，所述压制的条件可以包括：压力为200-400MPa（例如300MPa等）和时间为0.5-2min（例如1min等）。
根据本发明，燃烧合成-熔铸反应步骤可以通过在一定的真空度和温度下保持一段时间来完成。例如，在本发明的一个优选的实施方式中，所述燃烧合成-熔铸反应的条件可以包括：真空度高于1×10-1Pa，温度为700-800℃（例如750℃等）和时间为60-100min（例如80min等）。
因此，在本发明的一个更优选的实施方式中，本发明的方法包括以下步骤：
（1）球磨：按所述质量分数将NiO粉末、铝粉和Si粉以及无水乙醇在行星球磨机中进行球磨12-48h；
（2）烘干：将所得的粉末浆料进行真空烘干，其中所述烘干的条件包括温度为70-90℃；
（3）压制：将烘干的粉料进行模压成坯，其中所述压制的条件包括压力为200-400MPa和时间为0.5-2min；
（4）燃烧合成-熔铸反应：将压制所得的坯料在高于1×10-1Pa的真空度下进行燃烧合成-熔铸反应，其中所述燃烧合成-熔铸反应的条件包括温度为700-800℃和时间为60-100min。
在另一方面，本发明还提供了上述Si基复合材料发热体或通过上述方法制备的Si基复合材料发热体在新型烟草制品用发热器中的用途。
本发明的Si基复合材料发热体和通过本发明的方法制备的Si基复合材料发热体不仅能够满足小型发热体的电学及结构特性的要求，更能较大程度地简化产品的制备工艺，降低生产成本。此外，本发明所制备的Si基复合材料还具有较好的抗冲击性、耐磨性、高温红硬性、化学稳定性和抗粘附性。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
在本实施例中，选取NiO粉末（99.0wt%，200目）、铝粉（99.0wt%，100目）和Si粉（99.0wt%，50目）作为合成原料来制备Si基复合材料发热体，其中各原料所占质量分数为：NiO粉末10%、铝粉8%、Si粉82%，所述制备方法包括以下步骤：
（1）球磨：按上述质量分数将NiO粉末、铝粉和Si粉以及无水乙醇在行星球磨机上进行球磨，时间为48h。
（2）烘干：将所得粉末浆料在进行真空烘干，其中温度为70℃；
（3）压制：将烘干后的粉料进行模压成坯，其中压力为200MPa，时间为2min；
（4）燃烧合成-熔铸反应：将压制所得的坯料在1×10-2Pa的真空度下进行燃烧合成-熔铸反应，其中温度为800℃，时间为80min。
经测试得到的结果表明，通过该实施例的方法得到的复合材料发热体的电阻率为0.83Ω·m，拉伸强度为510MPa，满足小型发热体的电学及结构特性的要求。
实施例2
在本实施例中，选取NiO粉末（99.0wt%，200目）、铝粉（99.0wt%，100目）和Si粉（99.0wt%，50目）作为合成原料来制备Si基复合材料发热体，其中各原料所占质量分数为：NiO粉末18%、铝粉11%、Si粉71%，所述制备方法包括以下步骤：
（1）球磨：按上述质量分数将NiO粉末、铝粉和Si粉以及无水乙醇在行星球磨机上进行球磨，时间为36h。
（2）烘干：将所得粉末浆料进行真空烘干，温度为90℃；
（3）压制：将烘干后的粉料进行模压成坯，其中压力为400MPa，时间为0.5min；
（4）燃烧合成-熔铸反应：将压制所得的坯料在1×10-2Pa的真空度下进行燃烧合成-熔铸反应，其中温度为700℃，时间为100min。
经测试得到的结果表明，通过该实施例的方法得到的复合材料发热体的电阻率为0.67Ω·m，拉伸强度为544MPa，满足小型发热体的电学及结构特性的要求。
实施例3
在本实施例中，选取NiO粉末（99.0wt%，200目）、铝粉（99.0wt%，100目）和Si粉（99.0wt%，50目）作为合成原料来制备Si基复合材料发热体，其中各原料所占质量分数为：NiO粉末23%、铝粉13%、Si粉64%，所述制备方法包括以下步骤：
（1）球磨：按上述质量分数将NiO粉末、铝粉和Si粉以及无水乙醇在行星球磨机上进行球磨，时间为48h。
（2）烘干：将所得粉末浆料进行真空烘干，温度为90℃；
（3）压制：将烘干后的粉料进行模压成坯，其中压力为300MPa，时间为1min；
（4）燃烧合成-熔铸反应：将压制所得的坯料在1×10-2Pa的真空度下进行燃烧合成-熔铸反应，其中温度为800℃，时间为70min。
经测试得到的结果表明，通过该实施例的方法得到的复合材料发热体的电阻率为0.52Ω·m，拉伸强度为610MPa，满足小型发热体的电学及结构特性的要求。
实施例4
在本实施例中，选取NiO粉末（99.0wt%，200目）、铝粉（99.0wt%，100目）和Si粉（99.0wt%，50目）作为合成原料来制备Si基复合材料发热体，其中各原料所占质量分数为：NiO粉末29%、铝粉17%、Si粉54%，所述制备方法包括以下步骤：
（1）球磨：按上述质量分数将NiO粉末、铝粉和Si粉以及无水乙醇在行星球磨机上进行球磨，时间为24h。
（2）烘干：将所得粉末浆料进行真空烘干，温度为80℃；
（3）压制：将烘干后的粉料进行模压成坯，其中压力为300MPa，时间为1.5min；
（4）燃烧合成-熔铸反应：将压制所得的坯料在1×10-2Pa的真空度下进行燃烧合成-熔铸反应，其中温度为700℃，时间为85min。
经测试得到的结果表明，通过该实施例的方法得到的复合材料发热体的电阻率为0.47Ω·m，拉伸强度为566MPa，满足小型发热体的电学及结构特性的要求。
实施例5
在本实施例中，选取NiO粉末（99.0wt%，200目）、铝粉（99.0wt%，100目）和Si粉（99.0wt%，50目）作为合成原料来制备Si基复合材料发热体，其中各原料所占质量分数为：NiO粉末38%、铝粉20%、Si粉42%，所述制备方法包括以下步骤：
（1）球磨：按上述质量分数将NiO粉末、铝粉和Si粉以及无水乙醇在行星球磨机上进行球磨，时间为48h。
（2）烘干：将所得粉末浆料进行真空烘干，温度为90℃；
（3）压制：将烘干后的粉料进行模压成坯，其中压力为350MPa，时间为1min；
（4）燃烧合成-熔铸反应：将压制所得的坯料在1×10-2Pa的真空度下进行燃烧合成-熔铸反应，其中温度为800℃，时间为75min。
经测试得到的结果表明，通过该实施例的方法得到的复合材料发热体的电阻率为0.20Ω·m，拉伸强度为710MPa，满足小型发热体的电学及结构特性的要求。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (9)
1.一种Si基复合材料发热体，其特征在于，所述发热体由NiO粉末、铝粉和Si粉制成，其中各组分所占的质量分数分别为：NiO粉末10-38%、铝粉8-20%、Si粉42-80%，三者总和为100%，所述的Si基复合材料发热体的制备方法为，按照各组分的所述质量分数将NiO粉末、铝粉和Si粉进行混合，然后压制成坯料，并在高温下进行燃烧合成-熔铸反应，从而得到所述Si基复合材料发热体, 所述燃烧合成-熔铸反应的条件包括：真空度高于1×10-1 Pa，温度为700-800℃和时间为60-100min。
2.根据权利要求1所述的Si基复合材料发热体，其中，所述发热体由以下质量分数的组分组成：NiO粉末10%、铝粉8%、Si粉82%，并且其电阻率为0.83Ω·m，拉伸强度为510MPa。
3.根据权利要求1所述的Si基复合材料发热体，其中，所述发热体由以下质量分数的组分组成：NiO粉末18%、铝粉11%、Si粉71%，并且其电阻率为0.67Ω·m，拉伸强度为544MPa。
4.根据权利要求1所述的Si基复合材料发热体，其中，所述发热体由以下质量分数的组分组成：NiO粉末23%、铝粉13%、Si粉64%，并且其电阻率为0.52Ω·m，拉伸强度为610MPa。
5.根据权利要求1所述的Si基复合材料发热体，其中，所述发热体由以下质量分数的组分组成：NiO粉末29%、铝粉17%、Si粉54%，并且其电阻率为0.47Ω·m，拉伸强度为566MPa。
6.根据权利要求1所述的Si基复合材料发热体，其中，所述发热体由以下质量分数的组分组成：NiO粉末38%、铝粉20%、Si粉42%，并且其电阻率为0.20Ω·m，拉伸强度为710MPa。
7.根据权利要求1所述的Si基复合材料发热体，其中，所述压制的条件包括：压力为200-400MPa和时间为0.5-2min。
8.根据权利要求1所述的Si基复合材料发热体，其中，所述Si基复合材料发热体的电阻率为0.20-0.83Ω·m，拉伸强度≥500MPa。
9.根据权利要求1所述的Si基复合材料发热体在新型烟草制品用发热器中的用途。
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