CN113186441B - 镍-氧化锆金属陶瓷及其应用 - Google Patents

Abstract

本申请公开了镍‑氧化锆金属陶瓷及其应用。该镍‑氧化锆金属陶瓷由包括以下步骤的方法所制得：（A）提供生坯，所述生坯的原料包含50~90wt%氧化锆、10~50wt%镍‑掺杂相金属粉，其中镍‑掺杂相金属粉中镍的含量至少为90wt%，掺杂相金属的含量至多为10wt%，所述掺杂相金属选自钒、铝、铁、铜中一种或至少二种；（B）将所述生坯烧结。添加某些掺杂相金属，如钒、铝、铁、铜，可以有效降低镍相、氧化锆相之间的表面张力和液‑固界面能，从而降低润湿角，改善其润湿性，可以打破镍相、氧化锆相之间的界面，使得金属镍相、氧化锆相融为一体，提高了镍在这个陶瓷材料中分布的均一性，从而提高陶瓷整体的导电性。

Description

镍-氧化锆金属陶瓷及其应用

技术领域

本发明涉及陶瓷材料的技术领域，尤其涉及镍-氧化锆金属陶瓷及其应用。

背景技术

电加热器是新型烟草制品的重要组成部分。从传统的金属材料（金属合金发热丝）到非金属材料（PTC热敏陶瓷）最后到金属陶瓷复合材料（MCH金属陶瓷发热体），电加热材料的发展继承了上一代的优点摒弃了其缺点，但仍然存在一定的不足之处。例如，传统电热材料金属合金丝易氧化加热效果差；PTC热敏陶瓷因弱导电性和低居里温度而掺杂却难于烧结；MCH基板材料的最佳选择以及克服金属和陶瓷共烧的难点。

中国发明专利CN110200331A公开了一种电子烟加热器，其采用氧化锆增韧氧化铝的ZTA为陶瓷基板，在该陶瓷基板表面依序印刷有底部绝缘层、上电极层、下电极层、可焊层和表面绝缘层所构成，但在印刷焊层后金属与陶瓷共烧时仍存在诸多的工艺上的难点，如共烧时的气氛、温度及制度等。

由此可知，以上陶瓷发热体所用的陶瓷材料，由于其导电性较弱，因而需要在陶瓷发热体上另行配置导电部件，这样增加了陶瓷发热体的制作难度。

发明内容

有鉴于此，本申请提供镍-氧化锆金属陶瓷及其应用，极大地提高了导电性。

根据所属领域技术人员普遍的认知水平，氧化锆本身的电阻率极高，而镍的电阻率却较低。据此，镍-氧化锆金属陶瓷材料中因为有镍的添加理应具有较为理想的导电性，然后现实所出现的情况是镍加入并不会明显带来复合陶瓷材料的导电性显著提升。在先技术人员试图以加入导电属性较镍更好的其它金属，复合陶瓷材料的导电性的提升也并不尽人意。

本发明人已经意外地发现，造成镍-氧化锆金属陶瓷材料的导电性不高的原因并非是所加入金属本身的导电性有限，而是镍与氧化锆由于二者相容性较大的差异，在复合陶瓷材料中呈现界面分明的镍相、氧化锆相，这造成了电子的传递仅仅局限在镍相中，被氧化锆相所阻断。

本发明人经过艰难地尝试后发现添加某些掺杂相金属，如钒、铝、铁、铜，可以有效降低镍相、氧化锆相之间的表面张力和液-固界面能，从而降低润湿角，改善其润湿性，可以打破镍相、氧化锆相之间的界面，使得金属镍相、氧化锆相融为一体，提高了镍在这个陶瓷材料中分布的均一性，从而提高陶瓷整体的导电性。基于此，创造了本申请。

第一方面，本申请提供镍-氧化锆金属陶瓷，其由包括以下步骤的方法所制得：

（A）提供生坯，所述生坯的原料包含50~90wt%氧化锆、10~50wt%镍-掺杂相金属合金粉，其中镍-掺杂金属相中镍的含量至少为90wt%，掺杂相金属的含量至多为10wt%，所述掺杂相金属选自钒、铝、铁、铜中一种或至少二种；

（B）将所述生坯烧结。

生坯

本申请生坯必需地添加氧化锆、镍-掺杂相金属合金，还可选择性添加常规技术中所填加的一些诸如粘合树脂，或者烧结助剂以提升烧结性能等。

对于生坯的必需原料之一的氧化锆，其用量为50~90wt%，例如50 wt%、52 wt%、55wt%、60 wt%、65wt%、70 wt%、80 wt%、85 wt%、90 wt%等；在此情形下，生坯的必需原料之一的氧化锆的用量为10~50wt%，例如10 wt%、11 wt%、12 wt%、15 wt%、20 wt%、25wt%、30 wt%、35 wt%、40 wt%、45 wt%、48wt%、50 wt%等

已为公知的是，生坯的原料通常会填加粘合剂，以将主料同可能填加的功能填料粘合。粘合剂包涵酚醛树脂、聚乙烯醇、呋喃树脂、聚酰亚胺、纤维素、淀粉、糖、沥青、聚丙烯腈 (PAN)等有机物形式，或者硅酸盐、含硅聚合物等无机形式以上材料的任意混合物。不吝重复的是，有机物形式的粘合剂在烧结过程中碳化，可以为陶瓷材料提供游离形式碳。

粘合剂用量以使生坯成型的形状为宜，若用量过大，则必然地导致游离碳含量过大。以粘合剂为酚醛树脂、PVA为例，酚醛树脂的用量为10wt%以下，PVA用量10wt%以下，以氧化锆、镍-掺杂相金属合金粉的总质量为100wt%计。

本领域技术人员已熟知生坯的制作方式，例如：

a、原料混合：将生坯原料的各组分在球磨机中（可以以无水乙醇作为球磨介质）湿法混料，将混合结束的原料放置烘箱中（例如80℃）烘干后备用。

b、造粒陈腐：将烘干后的混合料倒入研钵中，向混合料中加入部分粘结剂以使得造粒成型，将料混匀并进行造粒，置于密闭环境陈腐。

c、坯体成型：采用半干压法成型将粉料填充到模具中以压力模压制成形。

d、坯体干燥：将成型好的试样置入例如80ºC的温度下烘箱干燥。

镍-掺杂相金属粉

即镍单质、掺杂相金属单质经简单的物理共混形式的粉，例如机械搅拌、球磨等。此时，镍单质、掺杂相金属单质均呈现二相。当然也可以是二者所形成的合金粉。

镍-掺杂金属相中镍的含量至少为90wt%；掺杂相金属的含量至多为10wt%，优选为1~10wt%；此处，掺杂相金属选自钒、铝、铁、铜中一种或至少二种。

烧结

作为本申请的烧结，其温度可以为1400~1490℃，例如1400℃、1410℃、1430℃、1450℃、1470℃、1480℃、1490℃。如温度不合适宜，均会影响掺杂相金属对镍、氧化锆的作用效果，从而影响导电性。

烧结的加热方式可为先阶梯式升温和再恒温保温，这样有利于确保炉内温度的均一性。阶梯式升温的恒定升速速率为1~2ºC/min，如1ºC/min、1.2ºC/min、1.5ºC/min、2ºC/min。恒温保温的时间为1~3h，例如1h、1.25h、1.5h、1.75h、2h。

烧结较佳地为真空烧结。真空烧结的真空度可参考性地为1~13Pa。

第二方面，本申请提供电加热用陶瓷材料的应用，作为能够导电的陶瓷发热体。

由此，能够导电的陶瓷发热体可以避免另行配置导电部件，以增加工艺的复杂度。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例的电加热用碳化硅陶瓷材料，其制备方法包括如下步骤：

生坯原料配比，即氧化锆90wt%、镍-铜粉10wt%，其中镍-铜粉中镍的含量占90wt%、铜的含量占10wt%。

原料混合：先将镍粉、铜粉倒入球磨罐中用球磨机（以无水乙醇作为球磨介质）湿法混料4h，混合时原料、球和乙醇的质量比为1:2:3，将混合结束的原料放置80℃烘箱中烘干24h后备用；再将氧化锆粉及50wt%混合后的镍-铜粉倒入研钵中混合均匀30min。

造粒陈腐：向混合料中加入质量百分浓度为5%的PVA水溶液（占氧化锆、镍-铜粉总质量的10wt%）作为成型粘结剂，将料混匀并进行造粒，置于密闭环境陈腐12h，以使PVA均匀分布。

坯体成型：采用半干压法成型将造粒陈腐后具有流动性的粉料填充到模具中以120MPa的压力模压制成37mm×6mm×3mm的方形条，达到最大压力后保压30s。

坯体干燥：将成型好的试样置入80ºC的鼓风干燥箱中干燥12h。

坯体烧结：经上述成型后的坯体放入真空烧结炉内，真空气氛下经1400ºC烧成（炉内真空度13Pa）得到陶瓷样品，升温速率为2ºC/min，最高烧成温度保温1h。

实施例2

本实施例的电加热用碳化硅陶瓷材料，其制备方法包括如下步骤：

原料配比：各原料所占重量百分数为：氧化锆50wt%，镍-铁粉50wt%，其中镍-铁粉中镍的含量占95wt%、铁的含量占5wt%。

原料混合：先将镍粉和铁粉倒入球磨罐中用球磨机（以无水乙醇作为球磨介质）湿法混料4h，混合时原料、球和乙醇的质量比为1:2:3，将混合结束的原料放置80℃烘箱中烘干24h后备用；再将氧化锆粉及混合后的镍-铁粉倒入研钵中混合均匀30min。

造粒陈腐：向混合料中加入质量百分数为5%的PVA水溶液（外加10wt%）作为成型粘结剂，将料混匀并进行造粒，置于密闭环境陈腐12h，以使PVA均匀分布。

坯体成型：采用半干压法成型将造粒陈腐后具有流动性的粉料填充到模具中以120MPa的压力模压制成37mm×6mm×3mm的方形条，达到最大压力后保压30s。

坯体干燥：将成型好的试样置入80ºC的鼓风干燥箱中干燥12h。

坯体烧成：经上述成型后的坯体放入真空烧结炉内，真空气氛下经1490ºC烧成（炉内真空度1Pa）得到陶瓷样品，升温速率为1ºC/min，最高烧成温度保温3h。

实施例3

本实施例的电加热用碳化硅陶瓷材料，其制备方法包括如下步骤：

原料配比：各原料所占重量百分数为：氧化锆70wt%，镍-钒粉30wt%，其中镍-钒粉中镍的含量占95wt%、钒的含量占5wt%。

原料混合：先将镍粉和钒粉倒入球磨罐中用球磨机（以无水乙醇作为球磨介质）湿法混料4h，混合时原料、球和乙醇的质量比为1:2:3，将混合结束的原料放置80℃烘箱中烘干24h后备用；再将氧化锆粉及镍-钒粉倒入研钵中混合均匀30min。

造粒陈腐：向混合料中加入质量百分数为5%的PVA水溶液（外加10wt%）作为成型粘结剂，将料混匀并进行造粒，置于密闭环境陈腐12h，以使PVA均匀分布。

坯体成型：采用半干压法成型将造粒陈腐后具有流动性的粉料填充到模具中以120MPa的压力模压制成37mm×6mm×3mm的方形条，达到最大压力后保压30s。

坯体干燥：将成型好的试样置入80ºC的鼓风干燥箱中干燥12h。

坯体烧成：经上述成型后的坯体放入真空烧结炉内，真空气氛下经1445ºC烧成（炉内真空度7Pa）得到陶瓷样品，升温速率为2ºC/min，最高烧成温度保温2h。

实施例4

与实施例3唯一不同的是，将钒粉替换成铝粉，其他均同实施例3。

实施例5

与实施例3唯一不同的是，将钒粉替换成铁粉，其他均同实施例3。

实施例6

与实施例3唯一不同的是，将钒粉替换成铜粉，其他均同实施例3。

比较例1

与实施例3唯一不同的是，省略钒粉，其他均同实施例3。

比较例2

与实施例3唯一不同的是，镍-钒粉中镍的含量占40wt%、钒的含量占60wt%，其他均同实施例3。

评价

1、评价过程

中体积密度及弯曲强度结果分别是按照国标GB/T 25995-2010和GB/T 6569-2006要求测试得出；电阻率是通过LCR数字电桥（型号ET4510）测量标准试样（37 mm×6 mm×3mm）的电阻，并用游标卡尺测量出试样的实际长宽高，通过计算得到电阻率。

2、评价结果

实施例与比较例的评价结果如表1所示。

表1实施例与比较例评价结果表

如表1可以看出，比较例1的抗折强度、电阻率要明显低于实施例3，这说明钒粉添加所作的技术贡献；

比较例2的抗折强度、电阻率要明显低于实施例3，这说明镍-钒粉中钒粉的特定含量所作的技术贡献；

实施例3的抗折强度、电阻率要明显低于实施例4-6，这说明钒粉较其他种类的掺杂相金属种类铝粉、铁粉、铜粉而言所作的技术贡献。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种镍-氧化锆金属陶瓷，其特征在于，其由包括以下步骤的方法所制得：

（A）提供生坯，所述生坯的原料包含50~90wt%氧化锆、10~50wt%镍-掺杂相金属粉，其中镍-掺杂相金属粉中镍的含量至少为90wt%，掺杂相金属的含量为1-10wt%，所述掺杂相金属选自钒、铝、铁、铜中一种或至少二种；

（B）将所述生坯烧结。

2.根据权利要求1所述镍-氧化锆金属陶瓷，其特征在于，所述烧结的温度为1400~1490℃。

3.根据权利要求1所述镍-氧化锆金属陶瓷，其特征在于，所述烧结为真空烧结。

4.根据权利要求3所述镍-氧化锆金属陶瓷，其特征在于，所述真空烧结的真空度为1~13Pa。

5.根据权利要求1所述镍-氧化锆金属陶瓷，其特征在于，所述烧结的加热方式为先阶梯式升温和再恒温保温。

6.根据权利要求5所述镍-氧化锆金属陶瓷，其特征在于，所述阶梯式升温的恒定升温速率为1~2ºC/min。

7.根据权利要求5所述镍-氧化锆金属陶瓷，其特征在于，所述恒温保温的时间为1~3h。

8.一种如权利要求1~7任意一项所述镍-氧化锆金属陶瓷的应用，其特征在于，作为能够导电的陶瓷发热体。