CN115029617A - 导磁材料、其制备方法及包括导磁材料的炊具 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于电磁炉用炊具的导磁材料、其制备方法及包括导磁材料的炊具，所述导磁材料包括稀土合金和高熵陶瓷，其中，所述稀土合金中的至少一些与所述高熵陶瓷中的至少一些结合在一起以形成复合颗粒。根据本发明构思的导磁材料可以降低或消除由于电磁炉引起的噪声。

Description

导磁材料、其制备方法及包括导磁材料的炊具
技术领域
本申请涉及烹调器皿技术领域，更具体地，涉及一种导磁材料及包括导磁材料的炊具。
背景技术
电磁炉是应用比较广泛的一种家用电磁加热设备。然而，当用电磁炉对炊具进行加热时，由于磁场作用于炊具上会引起炊具振动，以产生比较大的噪音,从而影响用户的体验。
因此，如何提出一种可降低电磁加热时产生的噪音的炊具成为目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明构思的目的在于提供一种包括能够降低电磁加热时产生的噪音的导磁材料的炊具。
根据本发明构思的一方面，提供了一种用于电磁炉用炊具的导磁材料，所述导磁材料包括高熵陶瓷和导磁的稀土合金，所述高熵陶瓷中的至少一些被导磁的稀土合金至少部分地包裹以形成复合颗粒，其中，所述导磁的稀土合金具有磁致伸缩特性。
所述导磁的稀土合金可以包括铽镝铁合金。
所述高熵陶瓷可以包括((Ti/Al)FeCoNi)O和(MgCoNiCuZn)O中的至少一种。
按摩尔百分比计，稀土合金可以占所述导磁材料的65％～85％，余量为高熵陶瓷。
根据本发明构思的另一方面，提供了一种制造导磁材料的方法，所述方法包括以下步骤：提供高熵陶瓷和导磁的稀土合金；将高熵陶瓷和导磁的稀土合金的混合物进行真空熔炼，以使导磁层稀土合金熔融；将固态的高熵陶瓷与熔融的稀土合金的混合物雾化，冷却得到包括多个导磁颗粒的导磁材料，其中，至少部分导磁颗粒中的每个导磁颗粒具有稀土合金包覆高熵陶瓷的至少部分表面的结构。
根据本发明构思的又一方面，提供了一种电磁炉用的炊具，所述炊具包括基材和设置在基材的至少一部分上的第一导磁层。所述第一导磁层包括导磁材料，所述导磁材料包括稀土合金和高熵陶瓷，所述高熵陶瓷中的至少一些被所述稀土合金至少部分地包裹以形成复合颗粒。
所述炊具还可以包括第二导磁层，所述第二导磁层可以设置在炊具基材与第一导磁层之间。所述第二导磁层可以包括不锈钢。
所述第一导磁层的孔隙度可以在15％～30％的范围内。
所述第一导磁层的厚度可以在50μm～600μm的范围内。
通过以上简要描述，根据本发明构思的导磁材料由于包括稀土合金，使得可以通过磁致伸缩来产生与炊具的导磁的基材和/或第二导磁层相反的振动，从而抵消至少部分的噪音。另外，由于高熵陶瓷的加入，一方面增大了导磁层的孔隙率，可以吸收至少部分电磁噪音，另一方面改变了第一导磁层的固有频率，避免了与炊具发生共振的机会，减少了电磁噪音的声贝。
具体实施方式
现在，将在下文中更充分地描述本发明构思。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施且不应被解释为限于这里所阐述的实施例。相反，这些实施例被提供为使得本公开将是彻底的和完整的，并且将把本发明的范围充分地传递给本领域技术人员。
所有噪声源于通过空气、液体或固体材料传播压力波的机械力，人类听力范围内的噪声频率通常在大约20Hz至大约20kHz之间，而家用电磁炉的工作频率在大约20Hz至大约25KHz的范围内，其正好处于临介超声波范围，使得对人类听力刺激最大。
电磁炉的噪声主要由以下原因形成：交流电压经过整流器转换为直流电，又经高频电力转换装置使直流电变为超过音频的高频交流电，将高频交流电加在扁平空心螺旋状的感应加热线圈上，由此产生高频交变磁场。在交变磁场的相互影响下，导磁层及其他金属件受到洛伦兹力的引力和斥力作用而产生相同频率的来回往复振动，挤压空气振动，产生噪音。
对于在使用电磁炉时产生的噪声，其容易使用户体验变差，并且会给用户带来不舒适的感觉。
因此，本发明构思旨在提供一种能够降低或消除由于电磁炉引起的噪声的导磁材料。
以下，将详细描述本发明构思的导磁材料。
对于不能导磁的炊具基材(诸如铝基材、304不锈钢、316不锈钢等不能导磁的基材)，当其用于电磁炉时，炊具与电磁炉接触的部分处需要设置由导磁材料形成的导磁层，从而可以利用导磁层在交变电场下对炊具进行加热。然而，利用现有技术形成的导磁层会在电磁炉工作时产生噪声。因此，本发明构思提供了一种导磁材料，通过使用该导磁材料形成的导磁层能够降低或消除噪声。
根据本发明构思的形成导磁层的导磁材料可以包括稀土合金和高熵陶瓷。
根据示例性实施例，稀土合金可以为铽镝铁合金(例如，以(Tb,Dy)Fe2化合物为基体的合金)。铽镝铁合金是磁致伸缩材料。这里，磁致伸缩是指物体在磁场中磁化时在磁化方向会发生伸长或缩短。当通过线圈的电流变化或者是改变与磁体的距离时其尺寸即发生显著变化的铁磁性材料，通常称为铁磁致伸缩材料。磁致伸缩效应类似于热胀冷缩，但是对于某些材料来说，磁致伸缩是有取向的，即材料只会在某个方向呈现明显磁致伸缩。具有显著磁致伸缩效应的磁性材料称为磁致伸缩材料。
因此，当本发明构思的导磁材料包括具有磁致伸缩特性的稀土合金时，由于它的磁致伸缩现象，由其制成的导磁层会在电磁炉的磁场作用下产生除了机械波(该机械波可以由第一导磁层形成、由第二导磁层形成和/或由导磁的炊具基材形成)之外的伸缩波，该伸缩波的相位与机械波的相位不同(例如，相反)，因此，根据本发明构思的导磁材料形成的导磁层能至少部分地或完全抵消由机械波的机械振动产生的噪音，以达到降低或消除电磁噪音的目的。根据优选示例，当铽镝铁合金为Tb0.3Dy0.7Fe1.96时，其相位与导磁层的机械波的相位几乎相反，因此，能够更好地降低甚至消除由于机械波的机械振动产生的噪声。然而，本发明构思不限于此，本领域技术人员可以采用现有技术中的具有磁致伸缩特性的任何导磁的稀土合金来实现本发明构思。
此外，根据本发明构思的导磁材料中包括的高熵陶瓷可以包括((Ti/Al)FeCoNi)O和(MgCoNiCuZn)O中的至少一种，并且当高熵陶瓷包括((Ti/Al)FeCoNi)O和(MgCoNiCuZn)O两者时，((Ti/Al)FeCoNi)O和(MgCoNiCuZn)O之间的摩尔比可以被适当地选择。这里，高熵陶瓷的加入一方面可以增大导磁层的孔隙率从而可以吸收一部分电磁噪音，另一方面所选择的高熵陶瓷材料也具有导磁效果，从而可以改变仅金属稀土合金作为导磁层的固有频率，避免了与炊具发生共振的机会，减少了电磁噪音的声贝。
根据示例性实施例，如上所述，导磁材料可以包括稀土合金和高熵陶瓷，因此，以摩尔百分比计，稀土合金的量可以占导磁材料的量的65％～85％，并且余量可以为高熵陶瓷。换言之，在导磁材料中，当稀土合金的摩尔百分比为65％时(即，稀土合金的摩尔数与导磁材料的总摩尔数的比)，高熵陶瓷的摩尔百分比可以为35％，并且当稀土合金的摩尔百分比为85％时(即，稀土合金的摩尔数与导磁材料的总摩尔数的比)，高熵陶瓷的摩尔百分比可以为15％。
根据示例性实施例，导磁材料可以以颗粒的形式存在，并且其中包括的稀土合金中的至少一部分和高熵陶瓷中的至少一部分可以结合在一起以形成复合颗粒。例如，稀土合金可以包覆在高熵陶瓷的至少部分表面以形成包覆的复合颗粒。根据示例性实施例，导磁材料的颗粒尺寸可以在1μm-50μm的范围内。这里，术语“颗粒尺寸”是指颗粒的最大尺寸，也就是说，当颗粒为非球形形状时，其在任何方向上测量的尺寸都不大于“颗粒尺寸”。当具有上述范围的颗粒尺寸时，通过导磁材料形成在炊具基材上的导磁层在具有明显的磁致伸缩特性以及适中的孔隙度，从而有利于降低或消除由于炊具的振动而产生的噪声。
以上，结合示例性实施例详细描述了根据本发明构思的示例性实施例的导磁材料。
在下面，将结合示例性实施例详细描述根据本发明构思的导磁材料的制备方法，但不限于此。
根据本发明构思的示例性实施例的导磁材料的制备方法可以包括真空熔炼+雾化制粉，然而，本发明构思不限于这里描述的制备方法，也就是说，本领域技术人员可以基于现有技术来获得本发明构思的导磁材料。
根据示例性实施例，可以采用真空电弧炉来实现真空熔炼的步骤。
具体地，可以选择铽镝铁合金原料和粒度在800目～2500目的范围内的高熵陶瓷粉末混装入坩埚内，然后将坩埚放入真空电弧炉中，并对真空电弧炉用机械泵抽真空至6×10-2Pa，然后用扩散泵抽高真空至5×10-3Pa。之后，可以对炉膛冲入高纯氩气至1.013×105Pa并开始熔炼，其中，引弧电流可以为60A～70A。这里，首先可以对装有纯钛的坩埚进行熔炼，以除去炉膛中的氧气，然后用焊枪对合金原料进行熔炼，其中，熔炼电流可以为200A～300A。每熔炼完一次可以用机械手对合金翻面，如此反复熔炼5～8次，以保证合金成分均匀。
在真空熔炼之后，可以进行雾化制粉步骤。具体地，可以通过喷嘴引入高速氮气气流以冲击并剪切熔炼完成的合金-高熵陶瓷混合物，使之分散成细小的滴，使滴最终冷却形成粉体。这里，喷嘴直径可以在0.5mm～1mm的范围内，喷射角度可以为30°～60°，氮气压力可以为1.80MPa～2.0MPa。
通过以上步骤，可以形成铽镝铁合金包覆高熵陶瓷的复合颗粒。然后，可以对复合颗粒进行筛分，以获得根据本发明构思的具有不同粒度尺寸的导磁材料。通过选择合适尺寸的导磁材料在炊具的基材的至少部分表面(例如，底表面)上形成层，从而可以得到根据本发明构思的用于电磁炉的具有导磁层的炊具。
根据本发明构思，炊具可以包括基材和设置在基材的至少部分表面(例如，底表面)上的第一导磁层。这里，当一个元件/层“设置在”另一元件/层“上”时，该元件/层可以直接设置在另一元件/层上，或者在他们之间可以存着中间元件/层。然而，当一个元件/层“直接设置在”另一元件/层“上”时，不存在中间元件。根据实施例，炊具的基材可以包括导磁材料或不导磁材料，且第一导磁层可以直接地设置在炊具的基材上，或者可以间接地设置在炊具的基材上且其间可以具有第二导磁层。
根据示例性实施例，第一导磁层可以包括如上所述的导磁材料。具体地，所述导磁材料可以包括导磁的稀土合金和高熵陶瓷，所述稀土合金中的至少一些与所述高熵陶瓷中的至少一些结合在一起以形成复合颗粒。下面，将省略与导磁材料有关的详细描述。
根据本发明构思，第一导磁层可以具有50μm～600μm的厚度，并且可以通过现有技术中的形成层的工艺(例如，喷涂工艺)直接或间接地形成在炊具的基材上。当第一导磁层具有上述厚度时，该厚度使得第一导磁层的由于磁致伸缩而产生的伸缩波的波峰可以与下面将描述的第二导磁层、炊具的导磁的基材和/或第一导磁层自身的机械振动波的波谷部分地或完全地交叠，从而实现伸缩波与机械波的相互抵消，以至少部分或全部消除由于炊具的机械振动而引起的噪声。另外，如下所述，当本发明构思包括第二导磁层时，该厚度范围可以使机械振动波传导到第二导磁层，从而至少部分或全部消除由于第一导磁层的机械振动而引起的噪声。
根据本发明构思，第一导磁层的孔隙度可以在15％～30％的范围内。当具有该范围的孔隙度时，孔隙一方面可以吸收部分噪声，另一方面在保证第一导磁层提供磁性伸缩特性的条件下改变了第一导磁层的固有频率，避免了发生共振的机会，减少了电磁噪音的声贝。
此外，第一导磁层可以具有多层结构。具体地，导磁层可以包括第一子层、第二子层、第三子层和第四子层，然而，本发明构思不限于此。本领域技术人员可以根据本发明构思通过形成层的工艺来设置第一导磁层的具有相同或不同厚度的各个子层。
此外，根据示例性实施例，炊具还可以在包括第一导磁层的基础上包括第二导磁层。这里，第二导磁层可以通过但不限于诸如冷铆的工艺设置在第一导磁层与炊具的基材之间，并且可以包括不锈钢导磁片。这里对第二导磁层并未过多限定，本领域技术人员可根据现有技术来合适地设计第二导磁层。
在下面，将结合具体实施例来描述包括本发明构思的导磁材料的炊具的有益效果。
实施例1
通过下面的方法来制造根据实施例1的炊具。
准备铽镝铁合金Tb0.3Dy0.7Fe1.96和粒度为25μm目的高熵陶瓷粉末((Ti/Al)FeCoNi)O。
真空熔炼：采用真空电弧炉，按摩尔百分比计将65％的Tb0.3Dy0.7Fe1.96和35％的((Ti/Al)FeCoNi)O混和装入坩埚内，用机械泵抽真空至6×10-2Pa，随后用扩散泵抽高真空至5×10-3Pa，然后对炉膛冲入高纯氩气至1.013×105Pa，开始熔炼。这里，引弧电流为60A，先对装有纯钛的坩埚熔炼，以除去炉膛中的氧气，然后用焊枪对坩埚内的混合物进行熔炼，熔炼电流为300A，每熔炼完一次用机械手对合金翻面，反复熔炼8次，保证合金成分均匀。
雾化制粉：通过喷嘴引入高速氮气气流，冲击剪切熔炼完成的合金液，使之分散成细小的金属液滴，最终冷却形成粉体，喷嘴直径为0.5mm，喷射角度为60°，氮气压力为1.8MPa。
等离子喷涂：将平均粒径为400目的导磁材料装入送粉器，其中，送粉速度为25g/min，喷涂距离为110mm，电弧电流为550A，氢气压力为0.7MPa，流量为50L/h，氩气压力为1.2MPa，流量为1500L/h。通过枪口处形成的高压等离子焰流将导磁材料加热至熔融，然后将熔融的导磁材料沉积在铝基材表面，形成厚度为600μm，孔隙度为23％的导磁层。
而完成实施例1的炊具的制造。
实施例2
除了铽镝铁合金为Tb0.5Dy0.5Fe2之外，实施例2与采用与实施例1的方法相同的方法来制造炊具。
实施例3
除了按摩尔百分比计将85％的Tb0.3Dy0.7Fe1.96和15％的((Ti/Al)FeCoNi)O混和装入坩埚内之外，实施例3采用与实施例1的方法相同的方法制造炊具。
实施例4
除了按摩尔百分比计将75％的Tb0.3Dy0.7Fe1.96和25％的((Ti/Al)FeCoNi)O混和装入坩埚内之外，实施例4采用与实施例1的方法相同的方法制造炊具。
实施例5
除了高熵陶瓷材料为(MgCoNiCuZn)O之外，采用与实施例1的方法相同的方法制造根据实施例5的炊具。
实施例6
除了高熵陶瓷材料为((Ti/Al)FeCoNi)O和(MgCoNiCuZn)O按摩尔比1:1混合之外，采用与实施例1的方法相同的方法制造根据实施例6的炊具。
实施例7
除了采用粒度为1μm的导磁材料和电弧电流为650A、氢气流量为100L/h，氩气流量为2300L/h形成孔隙度为15％的导磁层以外，采用与实施例1的方法相同的方法制造根据实施例7的炊具。
实施例8
除了采用粒度为50μm的导磁材料和电弧电流为550A、氢气流量为45L/h，氩气流量为1200L/h形成孔隙度为30％的导磁层以外，采用与实施例1的方法相同的方法制造根据实施例8的炊具。
实施例9
除了形成厚度为50μm的导磁层以外，采用与实施例1的方法相同的方法制造根据实施例9的炊具。
实施例10
除了形成厚度为280μm的导磁层以外，采用与实施例1的方法相同的方法制造根据实施例10的炊具。
对比例1
除了采用Tb0.3Dy0.7Fe1.96粉末作为导磁材料之外，采用与实施例1的方法相同的方法制造根据对比例1的炊具。
对比例2
采用常规冷铆不锈钢导磁片得到对比例2的炊具。
对比例3
除了按摩尔百分比计将60％的Tb0.3Dy0.7Fe1.96和40％的((Ti/Al)FeCoNi)O混和装入坩埚内之外，采用与实施例1的方法相同的方法制造对比例3的炊具。
对比例4
除了按摩尔百分比计将90％的Tb0.3Dy0.7Fe1.96和10％的((Ti/Al)FeCoNi)O混和装入坩埚内之外，采用与实施例1的方法相同的方法制造对比例4的炊具。
对比例5
除了采用粒度为0.5μm的导磁材料和电弧电流为650A、氢气流量为200L/h，氩气流量为2500L/h形成孔隙度为6％的导磁层以外，采用与实施例1的方法相同的方法制造对比例5的炊具。
对比例6
除了采用粒度为65μm的导磁材料和电弧电流为500A、氢气流量为25L/h，氩气流量为1000L/h形成孔隙度为42％的导磁层以外，采用与实施例1的方法相同的方法制造对比例6的炊具。
对比例7
除了形成厚度为40μm的导磁层以外，采用与实施例1的方法相同的方法制造对比例7的炊具。
对比例8
除了形成厚度为700μm的导磁层以外，采用与实施例1的方法相同的方法制造对比例8的炊具。
对上述所得炊具进行性能测试，并记录在下表中，具体性能测试方法如下：
导磁功率测试方法：按照家用电磁炉适用锅GB_T 32147-2015采用标准电磁炉测试；
噪音声贝：在家用电磁炉上2100W烧水，用噪声测试仪在距离炊具20cm处测试噪音大小
实施例1～10以及对比例1～8的性能指标测试数据表
序号 初始功率/W 噪音声贝/dB
实施例1 1680 33
实施例2 1670 38
实施例3 1650 36
实施例4 1670 35
实施例5 1700 33
实施例6 1650 33
实施例7 1660 35
实施例8 1690 30
实施例9 1660 35
实施例10 1650 34
对比例1 1800 45
对比例2 1900 60
对比例3 1440 40
对比例4 1730 44
对比例5 1780 42
对比例6 950 30
对比例7 1380 42
对比例8 1680 33
通过本发明构思的实施例1～10与对比例1～8的比较，可以看出，包括通过根据本发明构思的导磁材料形成的导磁层的炊具具有符合标准范围内的相对较低的初始功率，以及明显低于常规电磁加热产品的噪音。对比例6由于相对大的孔隙率使得其具有较好的降噪性能，但其功率过低(低于电磁炉适用标准的1300W)，因此对比例6的炊具在通过电磁炉烹饪过程中具有差的用于体验。另外，虽然对比例8具有与对比例1相当的初始功率和噪音，但由于其导磁层相对过厚，因此其易于脱落。
虽然已经描述了本发明的一个或更多个实施例，但本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可以对其进行形式上和细节上的各种改变。

Claims (10)

1.一种用于电磁炉用炊具的导磁材料，其特征在于，
所述导磁材料包括高熵陶瓷和导磁的稀土合金，
其中，所述高熵陶瓷中的至少一些被导磁的稀土合金至少部分地包裹以形成复合颗粒，
其中，所述导磁的稀土合金具有磁致伸缩特性。
2.如权利要求1所述的导磁材料，其特征在于，
所述导磁的稀土合金包括铽镝铁合金。
3.如权利要求1所述的导磁材料，其特征在于，
所述高熵陶瓷包括((Ti/Al)FeCoNi)O和(MgCoNiCuZn)O中的至少一种。
4.如权利要求1所述的导磁材料，其特征在于，
按摩尔百分比计，稀土合金占所述导磁材料的65％～85％，余量为高熵陶瓷。
5.一种制造如权利要求1-4中任一项所述的导磁材料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
提供高熵陶瓷和导磁的稀土合金；
将高熵陶瓷和导磁的稀土合金的混合物进行真空熔炼，以使导磁层稀土合金熔融；
将固态的高熵陶瓷与熔融的稀土合金的混合物雾化，冷却得到包括多个导磁颗粒的导磁材料，
其中，至少部分导磁颗粒中的每个导磁颗粒具有稀土合金包覆高熵陶瓷的至少部分表面的结构。
6.一种电磁炉用的炊具，其特征在于，所述炊具包括基材和设置在基材的至少一部分上的第一导磁层，
其中，所述第一导磁层包括导磁材料，所述导磁材料包括导磁的稀土合金和高熵陶瓷，所述高熵陶瓷中的至少一些被所述稀土合金至少部分地包裹以形成复合颗粒，
其中，所述导磁的稀土合金具有磁致伸缩特性。
7.如权利要求6所述的炊具，其特征在于，所述稀土合金包括铽镝铁合金，所述高熵陶瓷包括((Ti/Al)FeCoNi)O和(MgCoNiCuZn)O中的至少一种。
8.如权利要求6所述的炊具，其特征在于，所述炊具还包括第二导磁层，所述第二导磁层设置在炊具的基材与第一导磁层之间，
其中，所述第二导磁层包括不锈钢。
9.如权利要求6所述的炊具，其特征在于，所述第一导磁层的孔隙度在15％～30％的范围内。
10.如权利要求6所述的炊具，其特征在于，所述第一导磁层的厚度在50μm～600μm的范围内。
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