CN116944493A - 一种金属浆料、具有凹凸表面的发热元件及气雾发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种金属浆料、具有凹凸表面的发热元件及气雾发生器。本发明通过将金属浆料流延成型得到片状基材，随后加工得到所需形状和图案的发热元件坯体，烧结后得到发热元件，并利用该发热元件制备气雾发生器。该发热元件具有粗糙的表面、适宜的电阻，增加发热面积，扩大温度范围，雾化还原度好、层次丰富，且能制备成曲面等异形，适应陶瓷基体的复杂表面。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属浆料及其制备的具有凹凸表面的发热元件、气雾发生器。
背景技术
高温雾化设备通过发热元件将雾化介质加热经多孔陶瓷产生气雾，发热元件的成分、结构影响电阻大小，从而调控温度大小。现有制备发热元件的方法包括两大类：
(1)以金属板材为基材，通过蚀刻或冲压的方式加工得到所需形状的发热元件，由于金属板材自身致密、光滑，得到的发热元件表面也是平滑的，平滑表面意味着发热元件横截面上的高度处处相等，从而电阻处处相等，且纯金属材料电阻较小，发热温度过高，因此温度单一，易糊芯，低沸点介质被过度加热导致风味损失，不利于具有不同沸点的多介质混合物的挥发；平整表面与雾化介质的接触面积小，雾化量小，雾化效果也不好，难以还原雾化介质的风味，必须要加工成非常复杂的图案以增加比表面积才能提高还原度，成型工艺复杂、成本高；纯金属材料与陶瓷基体的热膨胀系数不同，反复高温加热后发热元件与陶瓷基体容易开裂、脱出。
(2)将金属粉体配置浆料后通过丝网印刷的方式涂刷在陶瓷基体表面，虽然丝网印刷能够得到具有一定表面粗糙度的发热元件，但是这种方法仅能在平面陶瓷上实施，曲面或其他复杂表面的陶瓷基体无法承受相应压力尚无法实施。此外，丝网印刷的精度受丝网孔径所限，相对较低。并且，在已经成型的陶瓷基体上丝网印刷金属粉体浆料，界面结合力较差。
目前尚无文献能够同时兼顾上述两种方法的优势，制备出具有凹凸的粗糙表面，保证良好的雾化风味，并且能够适应曲面和其他具有复杂形状的陶瓷基体的发热元件。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种金属浆料及其制备得到的具有凹凸表面的发热元件，创造性的将金属浆料流延成型得到的薄片为原料，经机械加工、烧结得到发热元件，流延薄片兼具强度和柔韧性，金属粉末的不同粒度带来可控的表面粗糙度，不同的浆料配比可调控电阻的大小，获得较大的温度差和雾化量，不仅雾化效果优异、还原度高，而且流延薄片能够卷制而不开裂，还能够适用于具有曲面、弯折面的异形陶瓷基体，如空心圆柱形基体的内表面。
本发明的一方面在于提供一种金属浆料，包括如下成分：金属粉40～90份，无机非金属粉体1～20份，造孔剂0～40份，分散剂0～5份，有机粘结剂10～30份。
优选的，金属粉具有一定粒度分布，由于金属粉具有不同的粒径，流延成型后得到的坯体表面经过烧结后必然具有一定粗糙度，得到发热元件横截面上具有凹凸不平的表面结构，从而获得的发热元件的不同处具有不同厚度，进而获得不同的电阻，发热时产生的温度具有一定范围，而非单一温度。同时增加了雾化接触面积，提高雾化效率和还原度，保证雾化介质风味和口感。
优选的，所述金属粉的目数为80～2000目，通过调整浆料的配比和烧结工艺可以得到不同粗糙度的发热元件。
优选的，所述金属粉为镍基合金粉体或者铁基合金粉体或者镍铜基合金粉体，镍基合金粉体中镍含量超过50wt％，掺杂成分包括铬、铁、铝、钼、铜、硅、锰、钛、钴、碳、硼中的两种或多种；铁基合金粉体中Fe含量超过50wt％，掺杂成分包括镍、铬、铝、硅、钛、钴、钼、铜、锰、碳、硼中的两种或多种；镍铜基合金粉体中镍铜总含量超过50wt％，掺杂成分包括铬、铝、钴、硅、钼、锰、钛、锌、碳、硼中的两种或多种。
优选的，金属粉与无机非金属粉体用量比例为2～50:1。优选的，金属粉与无机非金属粉体用量比例为4～25:1；进一步优选的，金属粉与无机非金属粉体用量比例为5～20:1。金属粉体主要用于导电发热，无金属非金属粉体用于调节电阻、线膨胀系数，避免发热元件与陶瓷基体开裂、脱出。无机非金属粉体与金属粉体的比例需在一定范围内，无机非金属粉体过少时，线膨胀系数较大，发热元件易从陶瓷基体上脱出。而无机非金属粉体过多时，导电性降低，发热温度较低。二者比例合适时，仅依靠金属粉体颗粒烧结联结、无机非金属粉体嵌在其中形成导电通路，兼顾线膨胀系数和导电性能。
通过调整金属粉的用量、目数及其粒径分布，能够调控发热元件的表面粗糙度。
优选的，无机非金属的熔点高于金属粉体的熔点，在烧结时，金属粉体率先形成液相，金属烧结更容易得到连续金属相的发热元件，电阻会大大降低，同等电池供电的情况下，输出功率增加，发热温度提高。若金属粉体的熔点过高，烧结后主要靠无机非金属粉体进行粘结，脆性大，无法卷制或弯折成异形发热元件。
优选的，所述无机非金属粉体为金属氮化物陶瓷、金属硼化物陶瓷、金属碳化物陶瓷、氧化铝基陶瓷、氧化锆基陶瓷、氧化镁陶瓷、三氧化二钼陶瓷、氧化钛陶瓷、镁/铝硅酸盐粉体中的一种或多种。
优选的，所述无机非金属粉体的中值粒径为1～20μm。无机非金属粉体，粒径相对较小，填充在金属粉体颗粒之间，起到粘结作用和调节电阻率的作用。
优选的，所述造孔剂1～30份，进一步的，造孔剂为10～30份。所述造孔剂的目数为100～1000目，可选的，所述造孔剂为木粉、碳粉、小麦粉、淀粉和交联聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的一种或多种。
造孔剂并非必要的组分，其可以进一步增加表面粗糙度，增加电极沿线路水平方向的雾化面积，并且形成的空隙能够让雾化介质在其中流动，进一步提高雾化效果。
优选的，所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛(PVB)的预混溶液，所述预混溶液为PVB 5～20份，增塑剂2～10份，乙醇30～60份，乙酸乙酯30～60份。
优选的，所述分散剂为鲱鱼油、蓖麻油、三油酸甘油酯中的一种或多种。
本发明的第二方面在于提供一种发热元件，采用前述金属浆料制备得到，由包括以下步骤的方法制备得到：
S1、浆料制备；
具体的，按预置混料配方称取原料，随后将所述原料置于罐磨机中进行预设参数的混料，制备流延浆料；所述预设参数为混料时长8～24小时，转速10～50Hz。
S2、真空脱泡；
具体的，将所述流延浆料置于真空脱泡机中，进行预设参数的脱泡，制备脱泡浆料；其中，所述预设参数为搅拌转速100～800rpm，搅拌时长20～60min，真空度-0.03～-0.09MPa。
S3、流延成型；
具体的，将所述脱泡浆料通过管道输送至流延机的料槽，进行预设参数的流延，制备流延片材；
优选的，所述预设参数为刮刀高度100～1000μm，料槽液位高度10～50mm，流延速度50～300mm/min；烘干温度25～75℃，分区设定，依次递增；
由于添加了有机粘结剂，流延得到的金属片具有一定强度，并具有良好的柔韧性，后续加工工艺中不会破损，卷制或弯折也不会破损。
S4、图案加工；
具体的，将所述流延片材置于冲床中进行冲切，或置于激光打孔机中进行切割，制备得到所需发热线路图案的发热元件坯体；
S5、气氛烧结；
具体的，将所述发热元件坯体放入气氛炉中，在预设第一烧结条件下在保护气氛中进行烧结，制备得到发热元件；
预设第一烧结条件与金属浆料中金属合金组分的熔点相匹配。例如，所述预设第一烧结条件为烧结温度900～1400℃，保温时间10～90min，所述保护气氛为氢气、氮气和氩气中的一种或多种；或在真空环境下进行烧结。
烧结后的发热元件具有更高的强度，同时保持了良好的柔韧性，能够弯折和卷曲，贴合于各种形状的模具表面而不开裂。
本发明的第三方面在于提供一种具有所述发热元件的气雾发生器，其包含前述发热元件，可以由两种方法制备得到。
方法(i)包括如下步骤：
S1、将所述发热元件置于模具中，通过热压注设备将多孔陶瓷浆料注入成型，制备气雾发生器坯体；
优选的，所述热压注参数为浆料温度60～100℃，注模压力为0.4～0.8MPa，保压时间为2～30s；
由于发热元件兼具强度和柔韧性，置于模具内表面时，可以与任意形状的模具贴合而不开裂。
S2、将所述气雾发生器坯体放入马弗炉中，在预设第二烧结条件下在空气气氛中进行烧结，得到气雾发生器；
优选的，所述预设第二烧结条件为烧结温度600～800℃，保温时间10～60min。
方法(ii)包括如下步骤：
S1、将发热元件坯体置于模具中，通过热压注设备将多孔陶瓷浆料注入成型，制备气雾发生器坯体；
优选的，所述热压注参数为浆料温度60～100℃，注模压力为0.4～0.8MPa，保压时间为2～30s；
由于发热元件坯体兼具强度和柔韧性，置于模具内表面时，可以与任意形状的模具贴合而不开裂。
S2、将所述气雾发生器坯体放入气氛炉或真空炉中，在预设第二烧结条件下在保护性气氛或真空中进行烧结，得到气雾发生器；
预设第二烧结条件与金属浆料和多孔陶瓷浆料的共烧结温度相匹配。例如，所述预设第二烧结条件为烧结温度800～1000℃，保温时间10～90min。
上述两种方法针对不同的多孔陶瓷基体的种类，本领域技术人员知晓如何合理选择和调整，在此不做赘述。
因此，本发明提供以下的效果和/或优点：
(1)本申请通过特定组成的金属浆料配合流延成型的方式得到具有一定强度的柔性坯体，再将该柔性基体进行机械冲切或激光切割，制备出单独的、具有各种图案的发热元件，该发热元件坯体和成品兼具强度和柔韧性，能够制备成任意复杂形状，适配非平面的陶瓷基体，如曲面，尤其是能够用于空心圆柱形陶瓷基体的内外表面。
(2)现有技术中只能采用螺旋发热丝制备圆柱形发热元件，存在雾化量小、还原度差、易漏、易糊等缺点，而采用本申请的方法制备的加热元件，由于特定的成分和表面粗糙度，具有雾化效率高、还原度好、层次丰富、不易糊芯、易封装、不漏等优点。
(3)本申请的发热元件相较于现有的金属板基材具有较高的粗糙度，且粗糙度可调节，发热后温度范围较广，使得更加适用于具有不同沸点的混合雾化介质，得到更有层次感的气雾，提升口感，从而避免了较高的单一温度导致的糊芯和风味损失。发热元件的高粗糙度表面还能增加发热元件与雾化介质的接触面积，提高雾化量，提供更准确的雾化还原度，特别是能够充分体现水果风味的雾化介质的香味和甜味。无需通过成型工艺制备复杂图案来实现优良的雾化效果，在实际生产时，仅需制备非常简单的图案，大大简化图案加工工艺，降低成本。
(4)兼具了丝网印刷和传统蚀刻片的优势。由于组分中添加了无机非金属粉体，其与陶瓷基体的热膨胀系数更接近，避免了后期开裂、脱出等问题；相较于传统蚀刻金属片，具有一定粗糙度，电阻较大，无需蚀刻出非常复杂的图案，还原度好；相较于丝网印刷，能够制备弧形、圆柱形、弯折等非平面形的预制发热元件，适配新型的非方块形的陶瓷基体，尤其是圆柱形等具有曲面的陶瓷基体，单独的具有一定强度的发热元件坯体可以通过机械冲切或激光切割等精度更高的方式加工得到特定发热片图案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是发热元件的3D形貌图(超景深三维显微镜VHX-7000拍摄)。
图2是发热元件的微观组织示意图，左侧未添加造孔剂，右侧添加造孔剂。
图3是发热元件设置在空心圆柱内表面的T型气雾发生器。
图4是发热元件设置在空心圆柱内表面的圆柱型气雾发生器。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，现将实施例结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述：应了解到，在本实施例中所提及的步骤，除特别说明其顺序的，均可依实际需要调整其前后顺序，甚至可同时或部分同时执行。显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本发明的具体实施方式如下：
实施例1
本实施例提供了一种气雾发生器，其具体制备方法如下：
S1、按预置混料配方称取原料，随后将所述原料置于罐磨机中进行预设参数的混料，制备流延浆料；其中，预置混料的配方为金属粉60份，无机非金属粉3份，造孔剂0份，分散剂1份，有机粘结剂23份，所述预设参数为混料时长24小时，转速30Hz；
所述金属粉为100～1000目的镍、铬、铁合金，其中镍含量超过50wt％，熔点约为1250℃。所述无机非金属粉为镁/铝硅酸盐粉体，中值粒径为5μm，熔点约为1150℃。所述有机粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛(PVB)的预混溶液，所述预混溶液为PVB 15份，增塑剂6份，乙醇30份，乙酸乙酯49份。所述分散剂为三油酸甘油酯。
S2、将所述流延浆料置于真空脱泡机中，进行预设参数的脱泡，制备脱泡浆料；其中，所述预设参数为搅拌转速500rpm，搅拌时长30min，真空度-0.07MPa；
S3、将所述脱泡浆料通过管道输送至流延机的料槽，进行预设参数的流延，制备金属流延片；其中，所述预设参数为刮刀高度600μm，料槽液位高度30mm，流延速度100mm/min；烘干温度25～75℃，分区设定，依次递增；
S4、将所述金属流延片置于冲床中进行冲切，或置于激光打孔机中进行切割，制备所需发热线路图案的发热片坯体；
S5、将所述发热片坯体放入气氛炉中，在预设第一烧结条件下在保护气氛中进行烧结，制备发热元件；其中，所述预设第一烧结条件为烧结温度1050℃，保温时间30min，所述保护气氛为氢气和氮气；
S6、将所述发热元件置于模具中，通过热压注设备将多孔陶瓷浆料注入成型，制备气雾发生器坯体；所述热压注参数为浆料温度75℃，注模压力为0.6MPa，保压时间为5s；
S7、将所述气雾发生器坯体放入马弗炉中，在预设第二烧结条件下在空气气氛中进行烧结，制备气雾发生器；其中，所述预设第二烧结条件为烧结温度700℃，保温时间30min。
实施例2
与实施例1不同之处在于：步骤S1中，所述金属粉粒径为600～800目。
实施例3
与实施例1不同之处在于：步骤S1中，造孔剂6份，所述造孔剂为200～500目的交联聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
实施例4
与实施例1不同之处在于：步骤S1中，所述金属粉为100～1000目的镍、铬、铁合金，其中镍含量超过50wt％，具体组成与实施例1不同，熔点约为1100℃。所述无机非金属粉为镁/铝硅酸盐粉体，具体组成与实施例1不同，中值粒径为5μm，熔点约为1250℃。
对比例1
与实施例1不同之处在于：步骤S1中，无机非金属粉为1份。
对比例2
与实施例1不同之处在于：步骤S1中，无机非金属粉为30份。
对比例3
与实施例1不同之处在于：步骤S1中，金属粉为钼粉，熔点约2620℃。
对比例4
与实施例1不同之处在于：省略步骤S1～S5，在步骤S6中使用相同材质镍铬铁合金的板材制备得到相同发热线路图案的发热元件。
分别取实施例1～4及对比例1～4中所制备的发热元件，使用静态热机械分析仪测试发热元件及陶瓷基体的线膨胀系数，测试温度25～300℃，测试气氛为空气；使用粗糙度测量仪测试其表面粗糙度。分别取实施例1～4及对比例1～4中所制备的气雾发生器制件，使用红外成像仪在相同功率9W条件下测试其雾化工作时的表面温度极差。再取上述气雾发生器制件组装为成品，使用吸阻测试仪在相同条件(抽2秒，停10秒)下测试其雾化介质的雾化量，以及抽吸5000口后拆出气雾发生器，记录其发热元件与多孔陶瓷基体的结合状态。得到的实验结果如表1示。
表1实施例1～4和对比例1～4中所制备的发热元件及气雾发生器的测试结果
由表1中结果可知，利用本申请的金属浆料经流延成型、烧结制备的发热元件相较于对比例4中传统的同组成金属板材，具有更高的表面粗糙度和更大的电阻，由此带来了更大的雾化极差温度，能够产生更大的雾化量，且不易糊芯。实施例1具有较小的线膨胀系数，较大的粗糙度、雾化极差温度、平均雾化量、电阻，其具有较高的雾化性能和使用寿命。实施例2中金属粉体粒径分布更窄，粒径也较小，粗糙度大幅下降，雾化后温度相对单一。实施例3中添加了造孔剂，线膨胀系数大大减小，粗糙度大幅增加使得雾化性能良好。实施例4中金属粉的熔点低于无机非金属粉，金属率先形成液相，形成更连续的金属相，电阻明显减小，发热温度更高，雾化性能显著提高，柔韧性也更佳。由对比例1和对比例2可知：1)无机非金属粉过少时，虽然粗糙度和雾化效果较好，但是线膨胀系数过大，气雾发生器寿命短，容易从陶瓷基体表面脱出；2)无机非金属粉过多时，电阻过大，发热温度较低，不具备实用价值。对比例3中，钼粉的熔点大大高于无机非金属粉体的熔点，烧结后掉粉，无法得到具有强度的发热元件。对比例4则是现有技术中利用致密的金属板材为原料制备蚀刻片，其线膨胀系数与陶瓷基体差异巨大，易脱出，粗糙度低，雾化效果差。
Claims (10)
1.一种发热元件用金属浆料，其特征在于，按重量份计，包括如下成分：金属粉40～90份，无机非金属粉体1～20份，造孔剂0～40份，分散剂0～5份，有机粘结剂10～30份，所述金属粉具有一定粒度分布，金属粉与无机非金属粉体用量比例为2～50:1。
2.根据权利要求1所述的金属浆料，其特征在于，所述金属粉的目数为80～2000目；和/或，所述无机非金属粉体的中值粒径为1～20μm；和/或，造孔剂的目数为100～1000目；和/或，造孔剂为1～30份；优选的，金属粉与无机非金属粉体用量比例为4～25:1；进一步优选的，金属粉与无机非金属粉体用量比例为5～20:1。
3.根据权利要求1所述的金属浆料，其特征在于，所述无机非金属粉体为金属氮化物陶瓷、金属硼化物陶瓷、金属碳化物陶瓷、氧化铝基陶瓷、氧化锆基陶瓷、氧化镁陶瓷、三氧化二钼陶瓷、氧化钛陶瓷、镁/铝硅酸盐粉体中的一种或多种；和/或，所述金属粉为镍基合金粉体或者铁基合金粉体或者镍铜基合金粉体，进一步的，所述镍基合金粉体中镍含量超过50wt％，掺杂成分包括铬、铁、铝、钼、铜、硅、锰、钛、钴、碳、硼中的两种或多种，进一步的，所述铁基合金粉体中Fe含量超过50wt％，掺杂成分包括镍、铬、铝、硅、钛、钴、钼、铜、锰、碳、硼中的两种或多种，进一步的，所述镍铜基合金粉体中镍铜总含量超过50wt％，掺杂成分包括铬、铝、钴、硅、钼、锰、钛、锌、碳、硼中的两种或多种。和/或，所述造孔剂为木粉、碳粉、小麦粉、淀粉和交联聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种；和/或，所述有机粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛的预混溶液，所述预混溶液为PVB 5～20份，增塑剂2～10份，乙醇30～60份，乙酸乙酯30～60份；和/或，所述分散剂为鲱鱼油、蓖麻油、三油酸甘油酯中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的金属浆料，其特征在于，浆料粘度为5000～20000mPa·s；优选的，无机非金属粉体的熔点高于金属粉的熔点。
5.一种发热元件，其特征在于，由权利要求1-4中任一项所述金属浆料经流延、图案加工、烧结制备得到，具有粗糙表面，为平面、曲面、弯折等中的任意一种形状。
6.根据权利要求5所述的发热元件，其特征在于，其成型为空心圆柱形。
7.根据权利要求5～6中任一项所述的发热元件，其特征在于，由包含以下步骤的方法制备得到，
S1、浆料制备：按预置混料配方称取原料，随后将所述原料置于罐磨机中进行预设参数的混料，制备流延浆料；
S2、真空脱泡：将所述流延浆料置于真空脱泡机中，进行预设参数的脱泡，制备脱泡浆料；
S3、流延成型：将所述脱泡浆料通过管道输送至流延机的料槽，进行预设参数的流延，制备流延片材；
S4、图案加工：将所述流延片材置于冲床中进行冲切，或置于激光打孔机中进行切割，制备得到所需形状和图案的发热元件坯体；
S5、气氛烧结：将所述发热元件坯体放入气氛炉中，在预设第一烧结条件下进行烧结，第一烧结条件为保护气氛或真空，制备得到发热元件。
8.一种气雾发生器，其特征在于，包含多孔陶瓷基体和权利要求5-7中任意一项所述的发热元件。
9.根据权利要求8所述的气雾发生器，其特征在于，发热元件设置在气雾发生器的非平面表面上；优选的，多孔陶瓷基体为空心圆柱形，发热元件设置在多孔陶瓷基体的外曲面或内曲面。
10.根据权利要求8～9中任一项所述的气雾发生器，其特征在于，所述气雾发生器的制备方法包括如下步骤，将所述发热元件或发热元件坯体置于模具中，通过热压注设备将多孔陶瓷浆料注入成型，制备气雾发生器坯体后烧结制得所述气雾发生器。
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