一种PTC陶瓷气体加热元件及其制备方法

本发明属于电子陶瓷材料与元器件领域，具体涉及一种ptc陶瓷气体加热元件及其制备方法。

背景技术：

1、ptc陶瓷材料是一种半导化的铁电陶瓷，在居里温度点以上因相变而呈现电阻阶跃性升高。ptc陶瓷材料因具有电阻-温度、电压-电流、电流-时间等特性可应用于恒温加热、过流保护、温度传感器等相关电子元件中，在家用电器、汽车工业、航空航天等领域中广泛应用。

2、对流动气体的加热是ptc陶瓷加热技术应用的重要领域之一。例如，中国专利1(申请号201821397677.3)公开了一种无叶风扇，该专利采用大孔径的蜂窝状多孔ptc陶瓷作为发热体，确保了空气在多孔ptc陶瓷中顺畅流通。再例如，中国专利2(申请号201720110676.5)公开了一种气浮式烘烤台，高压气体经由ptc或电热管组成的加热装置被加热后经多孔结构式烘烤平面流出，支撑并烘烤平台上的电子物件。诸如此类专利均涉及大孔径多孔结构的ptc气体加热应用，而微孔ptc材料及结构未见应用报道。

技术实现思路

1、基于上述背景，本发明的目的在于，提供一种兼具智能加热、透气节流与控压功能的ptc陶瓷气体加热元件及其制备方法。采用该方法制备的ptc陶瓷气体加热元件具有梯度微孔结构，渗透率在10-16～10-11m2区间，适用于各类高精密装备中的气体加热与节流控压，从而进一步提升整体组件的刚度、精度及静动态特性。

2、一方面，本发明提供了一种ptc陶瓷气体加热元件，包括：具有微孔结构的ptc陶瓷片或具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片作为基体，以及涂覆在基体(具有微孔结构的ptc陶瓷片或具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片)表面的单面金属电极或双面的金属电极；优选地，所述基体(具有微孔结构的ptc陶瓷片或具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片)的组成选自钛酸钡基的ptc陶瓷或氧化钒基的ptc陶瓷。

3、本发明中，对于提升组件刚度、承载力及精度的原理在于，通过具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片加热提高气体介质粘度，气体粘度的提高一方面可以增强节流效应从而使组件刚度得到提升；另一方面，增大组件系统气膜阻尼，使组件的稳定性得到加强，进而实现承载、刚度和精度进一步提高的目的。

4、较佳的，所述具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片的微孔分布类型为类三明治结构或渐进式结构；所述类三明治结构包含中间层以及分布在中间层两侧的至少1层的侧边层，且中间层的开口气孔率＜侧边层的开口气孔率。

5、较佳的，当具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片为a/b/c/d/e/f/g渐进式结构时，开口气孔率按照35％～45％至5％～15％方式沿进气方向递减排布或者按照5％～15％至35％～45％方式沿进气方向递增排布；微孔孔径为200nm～200μm。

6、较佳的，当具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片为类三明治结构时，具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片的结构包括：a/b/a、a/b/c/b/a、或a/b/c/d/c/b/a等。

7、较佳的，当具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片为类三明治结构时，中间层的开口气孔率为5％～20％；最边缘的侧边层的开口孔隙率为35％～45％；微孔孔径为200nm～200μm。

8、较佳的，当具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片为类三明治结构时，具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片的中间层厚度为0.3～3mm，每个侧边层的厚度为0.3～1mm。

9、较佳的，当具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片为渐进式结构时，具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片各层厚度为0.3～3mm。所述具有微孔结构的ptc陶瓷片的总厚度为1～6mm。

10、较佳的，所述单面金属电极或双面的金属电极的材质包括金、银、铜、镍、钨、钼、铂及其合金；所述单面金属电极为单面叉指电极。

11、较佳的，所述具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片的渗透率在10-16～10-11m2。

12、较佳的，所述具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片的居里温度为50～300℃。

13、另一方面，本发明提供了一种ptc陶瓷气体加热元件的制备方法，包括以下步骤：

14、(1)在ptc陶瓷原料粉体中分别添加不同含量和不同粒径尺寸的造孔剂，通过干压或流延成型方法，得到含有不同造孔剂的生瓷素坯；

15、(2)将所得含有不同造孔剂的生瓷素坯按照具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片的结构设计再次进行叠压成型，得到梯度孔隙结构的ptc陶瓷素坯；

16、(3)将所得含有不同造孔剂的生瓷素坯或梯度孔隙结构的ptc陶瓷素坯进行烧结，得到具有微孔结构的ptc陶瓷片或具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片；

17、(4)将具有梯度孔隙结构的ptc陶瓷片双面镜面抛光，然后在陶瓷片的单面或双面制作金属电极，得到ptc陶瓷气体加热元件。

18、较佳的，步骤(1)中，所述造孔剂选自石墨粉、淀粉、pmma中的至少一种；所述造孔剂的粒径为200nm～200μm；所述造孔剂的加入量为造孔剂与ptc陶瓷原料粉体总质量的5wt％～30wt％。

19、较佳的，步骤(3)中，所述烧结的温度为1300℃～1360℃，时间为0.5～3小时。

20、有益效果：

21、本发明通过对造孔剂剂量及粒径进行优化，可以获得具有合适渗透率及节流特性的ptc陶瓷气体加热元件；通过系列化居里温度ptc材料配方设计，可实现不同工况下的加热温度需求；通过多层陶瓷工艺实现梯度孔隙设计，保证节流特性的基础上提高了元器件刚度及稳定性；ptc气体加热元件表面镜面抛光，保证气膜层的厚度精准性；

22、所述ptc陶瓷气体加热元件特别适用于高精密装备中的气体加热及节流控压，其原理是通过加热气体介质提高粘度，并设计特定孔隙梯度的流道实现节流控压，同时提升整体组件的刚度、精度、静动态特性及节流特性等性能。

技术特征：

1.一种ptc陶瓷气体加热元件，其特征在于，包括：具有微孔结构的ptc陶瓷片或具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片作为基体，以及涂覆在基体表面的单面金属电极或双面的金属电极；优选地，所述基体的组成选自钛酸钡基的ptc陶瓷或氧化钒基的ptc陶瓷。

2.根据权利要求1所述的ptc陶瓷气体加热元件，其特征在于，所述具有微孔结构的ptc陶瓷片的开口气孔率为5%～45%，微孔孔径为200nm～200μm；

3.根据权利要求2所述的ptc陶瓷气体加热元件，其特征在于，当具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片为渐进式结构时，开口气孔率按照35%～45%至5%～15%方式沿进气方向递减排布或者按照5%～15%至35%～45%方式沿进气方向递增排布；微孔孔径为200nm～200μm。

4.根据权利要求2所述的ptc陶瓷气体加热元件，其特征在于，当具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片为类三明治结构时，具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片的结构包括：a/b/a、a/b/c/b/a、或a/b/c/d/c/b/a等。

5.根据权利要求2所述的ptc陶瓷气体加热元件，其特征在于，当具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片为类三明治结构时，中间层的开口气孔率为5%～20%；最边缘的侧边层的开口孔隙率为35%～45%；微孔孔径为200nm～200μm。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的ptc陶瓷气体加热元件，其特征在于，当具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片为类三明治结构时，具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片的中间层厚度为0.3～3mm，每个侧边层的厚度为0.3～1mm；

7.根据权利要求1-6中任一项所述的ptc陶瓷气体加热元件，其特征在于，所述单面金属电极或双面的金属电极的材质包括金、银、铜、镍、钨、钼、铂及其合金；所述单面金属电极为单面叉指电极。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的ptc陶瓷气体加热元件，其特征在于，所述具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片的渗透率在10-16～10-11m2；所述具有梯度微孔结构的ptc陶瓷片的的居里温度为50～300℃。

9.一种如权利要求1-8中任一项所述的ptc陶瓷气体加热元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述造孔剂选自石墨粉、淀粉、pmma中的至少一种；所述造孔剂的粒径为200nm～200μm；所述造孔剂的加入量为造孔剂与ptc陶瓷原料粉体总质量的5wt%～30wt%；

技术总结
本发明涉及一种PTC陶瓷气体加热元件及其制备方法。所述PTC陶瓷气体加热元件包括：具有微孔结构的PTC陶瓷片或具有梯度微孔结构的PTC陶瓷片作为基体，以及涂覆在基体表面的单面金属电极或双面的金属电极；优选地，所述基体的组成选自钛酸钡基的PTC陶瓷或氧化钒基的PTC陶瓷。

技术研发人员：欧阳琪,马名生,陆毅青,刘志甫
受保护的技术使用者：中国科学院上海硅酸盐研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12