年来表面与界面起突出作用的新型材料日益受到重视。多孔陶瓷材料正是一种利用物理表面的新型材料,是一种经过高温烧成,内部分布着大量三维彼此贯通的孔道,具有三维立体网络骨架结构的陶瓷体。这种多孔陶瓷新型材料在电子烟的雾化过程中发挥着极其重要的作用。

图 悦刻电子烟雾化芯  采用麦克韦尔FEELM陶瓷技术

RELX是国内首个选用麦克韦尔FEELM发热体的小烟。RELX所采用的雾化芯是陶瓷雾化发热体,具有稳定耐高温、安全易导油的特质,能带来更细腻的口感和防漏油的优势。目前微孔陶瓷雾化芯是烟油型电子烟的标配,除了悦刻、还有MK电子烟、NRX 尼威、MT等多款电子烟。这种三维立体网络骨架结构的多孔陶瓷是如何制造出来的呢?

多孔陶瓷材料的材质种类繁多,由于使用目的不同,对材料的性能也都不同,因此,近年来逐渐开发出许多不同的制备技术。多孔陶瓷的一般制备流程为造粒、混料、成型、烧结等。

图 多孔陶瓷制备示意

多孔陶瓷成孔方法主要在于烧结过程孔隙的形成,成孔的方法有添加造孔剂工艺,发泡工艺,有机泡沫浸渍工艺,溶胶-凝胶工艺等。

1.添加造孔剂工艺

通过在陶瓷配料中添加造孔剂,利用造孔剂在胚体中占据一定的空间,在烧结过程中,造孔剂离开基体从而形成气孔得到多孔陶瓷。成型方法主要有模压、挤压、轧制、等静压、注射和粉浆浇注等。产品一般称为蜂窝多孔陶瓷。

2.有机泡沫浸渍

用有机泡沫浸渍陶瓷浆料, 干燥后烧掉有机泡沫,从而获得多孔陶瓷,该方法适用于制备高气孔率,开气孔的多孔陶瓷。产品一般被称为网眼多孔陶瓷。

3.发泡方法

发泡剂与与粘土质材料混合,在压力作用下使粘土颗粒相互粘结, 当足够的热量传到粘土颗粒内部时,材料发泡膨胀充满整个模子,冷却后即得多孔陶瓷材料。可制备各种孔径大小和形状的多孔陶瓷,一般被称为泡沫多孔陶瓷。

4.溶胶凝胶工艺

陶瓷颗粒和有机凝胶混合,清洗离子交换后,烧结成多孔陶瓷材料。可以通过调节烧结温度来改变多孔 SiO2材料的结构、气孔率和孔径大小。溶胶凝胶法主要用来制备微孔陶瓷材料,特别是微孔陶瓷薄膜。

几种工艺的比较

成型方法

添加造孔剂

有机泡沫浸渍

发泡方法

溶胶凝胶方法

优点

1.不同的成形方法,可制得形状复杂的制品

2.可制取各种气孔结构

1.能制取高气孔率的制品

2.试样强度好

1.特别适于制取闭气孔的制品

2.气孔率大,强度高

1.适于制取微孔陶瓷

2.适于制取薄膜材料

3.气孔分布均匀

缺点

1.气孔分布均匀性差,

2.不适合制取高气孔率

1.不能制造小孔径闭气孔的制品

2.制品形状受限制

3.制品成份密度不易控制

对原料的要求高

工艺条件不易控制

1.原料受限制

2.生产率低

3.制品形状受限制

应用实例

一般过滤器,催化剂支持体

金属熔体过滤器

轻质建材,保温材料

微 孔 分 离 膜

其中应用比较成功,研究比较活跃的是通过在陶瓷配料中添加挥发性或可燃性造孔剂,利用这些造孔剂在高温下挥发或燃尽而在陶瓷体中留下孔隙。根据孔径大小,陶瓷可分为1000μm到几十微米的粗孔制品、0.2~20μm的微孔制品和0.2μm到几纳米的超微孔制品。根据成孔方法和空隙,多孔陶瓷可分为:泡沫陶瓷、蜂窝陶瓷、粒状陶瓷,其对应气孔率如下:

多孔陶瓷

泡沫陶瓷

蜂窝陶瓷

粒状陶瓷

气孔率/%

80-90

70

30-5

制备技术对多孔陶瓷结构的精确控制,其中包括对影响孔径的大小、形状、分布等都有不同的影响。骨料颗粒间的连接强度决定了多孔陶瓷的强度,同时还需要合理协调气孔率与强度两者之间的关系。

多孔陶瓷由于气孔率高、密度小、热传导系数低,具有巨大的热阻及较小的体积热容。多孔陶瓷材料的应用已遍及冶金、化工、环保、能源、生物等各领域,除了我们普遍了解的航天飞机外壳隔热、导弹头、过滤器等,目前在电子烟领域也发挥着巨大作用。

陶瓷雾化芯是目前高品质电子烟小烟的标配,采用的就是多孔陶瓷结构,其孔径一般为微米级或亚微米级,一般称为微孔陶瓷雾化芯。除了雾化芯,还有一类那就是陶瓷导油管,也是采用多孔陶瓷。

本文来源:《多孔陶瓷材料的制备技术》、艾邦编辑整理

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作者 ab