НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ Российский патент 2022 года по МПК A24F40/46 

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится к нагревательному элементу и способу его изготовления и применение, в частности, относится к технической области композитных материалов и порошковой металлургии.

Предпосылки к созданию изобретения

[0002] Принцип работы низкотемпературных сигарет заключается в следующем: за счет нагрева материала нагревательного элемента при определенных внешних условиях реальной эксплуатации температура быстро повышается до заданного уровня (как правило, до 300-400°C (градусов Цельсия), и далее специальный табак, окружающий нагревательный элемент, подвергается нагреву, создавая при этом у пользователя ощущение курения, аналогичное ощущению при курении традиционных сигарет. Благодаря более низкой температуре генерирования дымообразующего аэрозоля в низкотемпературных сигаретах обеспечивается снижение токсичности по сравнению с традиционными сигаретами, при этом к табаку могут быть добавлены специальные ароматизирующие вещества либо вкус может быть оптимизирован в соответствии с различными предпочтениями пользователей, по этой причине во многих странах приветствуется применение таких сигарет.

[0003] В настоящее время способ нагрева, используемый в низкотемпературных сигаретах, представляет собой способ резистивного нагрева, и нагревание в источнике нагрева осуществляется путем пропускания электрического тока через нагревательный резистор. Нагревательным элементом в соответствующем оборудовании, как правило, является металлокерамический нагревательный элемент. Металлокерамический нагревательный элемент обычно изготавливают методом печати, нанося суспензию для нагревательного элемента на керамическую заготовку, формируя определенную цепь и обеспечивая сцепление металла с подложкой путем последующего обжига, затем наносят глазурь и подсоединяют электроды. Несмотря на то, что керамический нагревательный элемент позволяет удовлетворить спрос на продукцию в определенной степени, процесс его изготовления является сложным, стоимость изготовления высокая, и при этом существуют проблемы нестабильного качества изделий. Указанные недостатки в значительно степени сдерживают применение и реализацию на рынке низкотемпературных сигарет.

[0004] Таким образом, существует острая необходимость в разработке новых материалов тепловыделяющих элементов. Требования к характеристикам нагревательного элемента для низкотемпературных сигарет в основном включают: 1) биосовместимость, отсутствие токсичности при низких и высоких уровнях температуры; 2) регулируемое сопротивление; 3) способность выдерживать определенную степень высокой температуры, высокая противоокислительная стойкость и высокая термостабильность с определенной устойчивостью к высоким температурам; 4) способность противостоять коррозии табачной среды, высокая химическая стабильность; 5) хорошая теплопроводность; 6) высокие механические характеристики при комнатной и высокой температуре; 7) превышение срока службы в десятки тысяч раз. Существующие отдельные сплавы или керамический материал едва ли могут соответствовать вышеприведенным требованиям.

Краткое изложение сущности изобретения

[0005] Ввиду вышеуказанных проблем в настоящем изобретении предлагается создание нагревательного элемента, способ его изготовления и применение, благодаря чему нагревательный элемент обладал бы стойкостью к окислению, стабильным качеством изготовления, высокой равномерностью нагрева; при этом процесс изготовления является простым, эффективным и экономичным.

[0006] Для достижения вышеуказанных целей в соответствии с одним аспектом настоящее изобретение предусматривает создание нагревательного элемента, включающего подложку и покрытие, нанесенное на внешнюю поверхность подложки; при этом подложка включает твердую фазу и однородную фазу; твердая фаза включает однофазную керамику или многофазную керамику, однородная фаза включает один вид металла или сплав металлов; при этом покрытие предназначено для предотвращения окисления нагревательного элемента.

[0007] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения один вид металла является хромом или алюминием.

[0008] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения сплав металлов является сплавом, содержащим хром и (или) алюминий.

[0009] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения суммарная массовая доля хрома и (или) алюминия в сплаве составляет 10%-50%.

[0010] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения покрытие является композитным покрытием, содержащим хром и (или) алюминий.

[0011] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения композитное покрытие является композитным нитридным слоем, содержащим хром и (или) алюминий.

[0012] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения суммарная атомная доля хрома и (или) алюминия в композитном нитридном слое составляет 50%-100%.

[0013] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения однофазная керамика включает любую керамику из карбидной керамики, нитридной керамики, боридной керамики и оксидной керамики.

[0014] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения однофазная керамика включает однофазную керамику на основе твердых растворов, получаемую с использованием нескольких веществ, включающих карбиды, нитриды, бориды и оксиды.

[0015] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения многофазная керамика включает несколько однофазных керамик.

[0016] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения толщина покрытия составляет от 0,5 до 1,5 микрон.

[0017] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения нагревательный элемент обладает электрическим удельным сопротивлением от 0,001 до 0,05 Ом·см.

[0018] В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение предусматривает создание способа изготовления вышеуказанного нагревательного элемента, включающего следующие этапы:

[0019] (1) получение однофазного или многофазного керамического порошка и порошка одного вида металла или сплава металлов;

[0020] (2) получение порошкообразной смеси методом шарового помола однофазного или многофазного керамического порошка, порошка одного вида металла или сплава металлов и порошковой добавки;

[0021] (3) получение гранулированного порошка путем высушивания порошкообразной смеси;

[0022] (4) получение подложки путем формования под давлением и спеканием гранулированного порошка;

[0023] (5) получение нагревательного элемента путем нанесения покрытия на поверхность подложки.

[0024] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения нагревательный элемент шлифуют и полируют на шлифовальном станке для повышения качества поверхности нагревательного элемента.

[0025] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения при получении легированного порошка несколько металлических элементарных порошков, содержащих хром и (или) алюминий, помещают в первый резервуар для шарового помола в соответствии с определенным массовым соотношением и после герметизации в резервуар подают аргон и далее происходит механическое легирование в первом резервуаре для шарового помола;

[0026] при этом, соотношение шаров и материала в первом резервуаре для шарового помола составляет 15:1-25:1, скорость вращения составляет 300-500 оборотов в минуту и продолжительность шарового помола составляет 48-96 часов.

[0027] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения после завершения механического легирования в первый резервуар для шарового помола добавляет стеариновую кислоту для продолжения шарового помола, и продолжительность шарового помола составляет от 0,5 до 4 часов.

[0028] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения суммарная массовая доля элементарного порошка хрома и (или) алюминия составляет 10%-50%.

[0029] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения однофазный или многофазный керамический порошок, порошок одного вида металла или сплава металлов и порошковую добавку добавляют во второй резервуар для шарового помола, и шаровой помол во втором резервуаре для шарового помола выполняют после добавления абсолютного этилового спирта;

[0030] при этом, соотношение шаров и материала во втором резервуаре для шарового помола составляет 5:1-10:1, скорость вращения составляет 120-350 оборотов в минуту и продолжительность шарового помола составляет 24-96 часов.

[0031] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения массовая доля каждого компонента в материале второго резервуара для шарового помола составляет соответственно: 42,00%-68,00% однофазного или многофазного керамического порошка, 12,00%-30,00% порошка одного вида металла или сплава металлов и 16,5%-46% порошковой добавки.

[0032] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения порошкообразную смесь подвергают вакуумной сушке при температуре 75-90 ℃.

[0033] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения при формовании под давлением давление прессования составляет 200-400 МПа и продолжительность поддержания давления составляет 0,5-2 минуты.

[0034] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения формованную заготовку после формования под давлением спекают при степени вакуумирования, превышающей 1*10^-1 Па, температура спекания составляет от 1220 до 1450 ℃ и продолжительность поддержания температуры составляет 15-60 минут.

[0035] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения на поверхность подложки наносят покрытие с использованием установки магнетронного распыления с несколькими мишенями;

[0036] При этом материал-мишень установки магнетронного распыления с несколькими мишенями является сплавом, содержащим хром и (или) алюминий, степень вакуумирования превышает 3*10^-3 Па, распыление материала мишени обеспечивается с помощью катода постоянного тока, мощность распыления составляет 80-120 Ватт, продолжительность распыления составляет от 1 до 2 часов, температура распыления составляет 280-320 ℃ и распыление для нанесения покрытия осуществляется в смеси аргона и азота.

[0037] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения суммарная атомная доля хрома и (или) алюминия в материале-мишени составляет 50%-100%.

[0038] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения порошковая добавка включает порошок карбида вольфрама, порошок молибдена и порошок графита.

[0039] В соответствии с другим аспектом в настоящем изобретении предлагается применение вышеуказанного нагревательного элемента и способ изготовления вышеуказанного нагревательного элемента в нагревателе нового вида табачного изделия.

[0040] Настоящее изобретение обладает приведенными ниже преимуществами ввиду вышеизложенных технических решений:

[0041] 1. Нагревательный элемент настоящего изобретения включает подложку и покрытие с целью предотвращения окисления подложки. Твердая фаза подложки включает однофазную или многофазную керамику. Однородная фаза включает один вид металла или сплав металлов, обладающих высокой противоокислительной стойкостью, стабильным качеством и высокой равномерностью нагрева, в результате чего обеспечивается соответствие требованиям к нагреву новых табачных изделий.

[0042] 2. Твердая фаза настоящего изобретения включает однофазную или многофазную керамику, обладающую высокой прочностью, высокой коррозионной стойкостью, износостойкостью и термостабильностью.

[0043] 3. Однородная фаза настоящего изобретения включает один вид металла или сплав металлов, обладающих высокой пластичностью и хорошей обрабатываемостью.

[0044] 4. Настоящее изобретение предусматривает создание композитного нитридного слоя, что позволяет повысить антиокислительную устойчивость и стабильность покрытия.

[0045] 5. Однородная фаза настоящего изобретения включает один вид металла - хром или алюминий - или сплав, содержащий хром и (или) алюминий, и покрытие является композитным покрытием, содержащим хром или алюминий, в результате чего повышается прочность сцепления покрытия с подложкой.

[0046] 6. Способ изготовления нагревательного элемента настоящего изобретения является простым, эффективным и экономичным.

[0047] 7. Настоящее изобретение позволяет получить сплав стабильного качества путем механического легирования и повышения механических, физических и химических свойств сплава.

[0048] 8. В настоящем изобретении используется установка магнетронного распыления с несколькими мишенями для нанесения защитного слоя на поверхность, в результате чего обеспечивается повышение однородности покрытия.

[0049] 9. Порошковая добавка настоящего изобретения включает порошок карбида вольфрама, порошок молибдена и порошок графита, способствующие измельчению, повышению прочности и плотности зерен.

[0050] 10. Настоящее изобретение характеризуется простотой конструкции, удобством в пользовании и широкими перспективами на рынке.

[0051] Другие особенности и преимущества настоящего изобретения изложены в приведенном ниже описании, и их часть становится очевидной из описания либо понятна путем осуществления настоящего изобретения. Цели и иные преимущества настоящего изобретения могут быть достигнуты и реализованы на основе устройств, в частности, приведенных в описании изобретения, формуле изобретения и прилагаемых рисунках.

Описание вариантов осуществления настоящего изобретения

[0052] Осуществление настоящего изобретения подробно описывается ниже со ссылкой на прилагаемые рисунки и варианты осуществления настоящего изобретения с целью более полного понимания настоящего изобретения, каким образом технические средства применимы для решения технических проблем и достижения технических эффектов и их соответствующего внедрения. Следует отметить, что, если в настоящем изобретении отсутствуют противоречия, варианты осуществления настоящего изобретения и признаки в вариантах осуществления могут сочетаться друг с другом, и разработанные технические решения находятся в пределах объема правовой защиты настоящего изобретения.

[0053] В соответствии с одним аспектом нагревательный элемент, предлагаемый настоящим изобретением, может включать подложку и покрытие, нанесенное на внешнюю поверхность подложки. При этом подложка может включать твердую фазу и однородную фазу, и твердая фаза может включать однофазную или многофазную керамику, обладающую высокой прочностью, высокой коррозионной стойкостью, износостойкостью и термостабильностью. Однородная фаза может включать один вид металла или сплав металлов с хорошей пластичностью и обрабатываемостью. Покрытие может быть использовано с целью предотвращения окисления нагревательного элемента. Нагревательный элемент настоящего изобретения обладает высокой противоокислительной стойкостью, стабильным качеством и высокой равномерностью нагрева, в результате чего обеспечивается соответствие требованиям к нагреву новых табачных изделий.

[0054] В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения один вид металла является хромом.

[0055] В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения один вид металла является алюминием.

[0056] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения сплав металлов является сплавом, содержащим хром и (или) алюминий, в результате чего повышается теплопроводность, износостойкость, коррозионная стойкость и противоокислительная стойкость, придающие подложке высокие механические, физические и химические свойства.

[0057] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения суммарная массовая доля хрома и (или) алюминия в сплаве составляет 10%-50%, в результате чего обеспечивается дальнейшее повышение теплопроводности, коррозионной стойкости и противоокислительной стойкости.

[0058] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения покрытие является композитным покрытием, содержащим хром и (или) алюминий, с высокой противоокислительной стойкостью и стабильностью. При этом поскольку однородная фаза включает один вид металла хрома или алюминия, или сплав, содержащий хром и (или) алюминий и покрытие является композитным покрытием, содержащим хром и (или) алюминий, обеспечивается повышение прочности сцепления покрытия с подложкой.

[0060] В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения композитное покрытие является композитным нитридным слоем, содержащим хром и (или) алюминий, в результате чего обеспечивается повышение противоокислительной стойкости и стабильности.

[0061] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения суммарная атомная доля хрома и (или) алюминия в композитном нитридном слое составляет 50%-100%.

[0082] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения однофазная керамика включает одну из следующих видов керамики: карбидную керамику, нитридную керамику, боридную керамику и оксидную керамику.

[0062] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения однофазная керамика включает однофазную керамику на основе твердых растворов, получаемую с использованием нескольких веществ, включающих карбиды, нитриды, бориды и оксиды.

[0063] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения многофазная керамика включает несколько однофазных керамик.

[0064] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения толщина покрытия составляет 0,5-1,5 микрон.

[0065] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения удельное сопротивление нагревательного элемента составляет 0,001-0,05 Ом·см.

[0066] В соответствии с другим аспектом на основе вышеуказанного нагревательного элемента настоящим изобретением предлагается способ изготовления нагревательного элемента, включающий следующие этапы:

[0067] (1) получение однофазного или многофазного керамического порошка и порошка одного вида металла или сплава металлов;

[0068] (2) получение порошкообразной смеси методом шарового помола однофазного или многофазного керамического порошка, порошка одного вида металла или сплава металлов и порошковой добавки;

[0069] (3) получение гранулированного порошка путем высушивания порошкообразной смеси;

[0070] (4) получение подложки путем формования под давлением и спекания гранулированного порошка;

[0071] (5) получение нагревательного элемента путем нанесения покрытия на поверхность подложки.

[0072] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения шлифовка и полировка нагревательного элемента на шлифовальном станке позволяют повысить качество поверхности нагревательного элемента.

[0073] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения в процессе получения легированного порошка различные металлические элементарные порошки, включающие, по меньшей мере, хром или алюминий, добавляют в первый резервуар для шарового помола в соответствии с определенным массовым соотношением, и после герметизации в резервуар подают аргон. Механическое легирование проводят в резервуаре для шарового помола. Механическое легирование представляет собой процесс, при котором высокомощные измельчители или шаровые мельницы могут использоваться для достижения твердофазного легирования. Процесс является простым, эффективным и экономичным. При этом механическое легирование позволяет достичь стабильности качества сплава и повысить его механические, физические и химические свойства. При этом соотношение шаров и материала в первом резервуаре для шарового помола составляет 15:1-25:1, скорость вращения составляет 300-500 оборотов в минуту и продолжительность шарового помола составляет 48-96 часов, в результате чего обеспечивается повышение качества шарового помола.

[0074] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения после завершения механического легирования в первый резервуар для шарового помола добавляют стеариновую кислоту для продолжения шарового помола, и продолжительность шарового помола составляет от 0,5 до 4 часов, в результате чего обеспечивается измельчение зерен и повышение их текучести. Степень диспергирования частиц порошка является высокой.

[0075] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения суммарная массовая доля хрома и (или) алюминия в элементарном порошке составляет 10%-50%, в результате чего обеспечивается дальнейшее повышение теплопроводности, коррозионной стойкости и противоокислительной стойкости.

[0076] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения порошок однофазной или многофазной керамики, порошок одного вида металла или сплава металлов и порошковую добавку помещают во второй резервуар для шарового помола, и после добавления абсолютного этилового спирта шаровой помол выполняют во втором резервуаре для шарового помола, в результате чего обеспечивается повышение эффекта перемешивания и качества шарового помола. При этом соотношение шаров и материала во втором резервуаре для шарового помола составляет 5:1-10:1, скорость вращения составляет 120-350 оборотов в минуту и продолжительность шарового помола составляет 24-96 часов, в результате чего обеспечивается повышение качества шарового помола.

[0077] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения массовая доля каждого компонента в материале второго резервуара для шарового помола составляет соответственно: 42,00%-68,00% однофазного или многофазного керамического порошка, 12,00%-30,00% порошка одного вида металла или сплава металлов и 16,5%-46% порошковой добавки.

[0078] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения порошкообразную смесь подвергают вакуумной сушке при температуре 75-90 ℃, в результате чего достигается высокая скорость сушки и хороший эффект высушивания.

[0079] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения давление уплотнения при формовании под давлением составляет 200-400 МПа, и время поддержания давления составляет 0,5-2 минуты.

[0080] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения формованную заготовку после формования под давлением спекают при степени вакуумирования, превышающей 1*10^-1 Па, температура спекания составляет от 1220 до 1450 ℃ и продолжительность поддержания температуры составляет 15-60 минут, в результате чего обеспечивается повышение плотности подложки и ее комплексных механических свойств.

[0081] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения после очистки и сушки подложки нанесение покрытия на ее поверхность выполняют на установке магнетронного распыления с несколькими мишенями, в результате чего обеспечивается повышение однородности покрытия. При этом материал-мишень установки магнетронного распыления с несколькими мишенями является сплавом, содержащим хром и (или) алюминий, степень вакуумирования превышает 3*10^-3 Па, распыление материала мишени обеспечивается с помощью катода постоянного тока, мощность распыления составляет 80-120 ватт, время распыления составляет от 1 до 2 часов и температура распыления составляет 280-320 ℃, при этом распыление для нанесения покрытия осуществляют в атмосфере аргона и азота, в результате чего предотвращается окисление покрытия и обеспечивается повышение противоокислительной стойкости покрытия.

[0082] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения степень чистоты смеси газов составляет не менее 99,999%, в результате чего обеспечивается дальнейшее повышение противоокислительной стойкости покрытия.

[0083] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения соотношение аргона к азоту в потоке составляет 1:1, что обеспечивает высокую стабильность.

[0084] В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения суммарная атомная доля хрома и (или) алюминия в материале-мишени составляет 50%-100%.

[0085] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения покрытие является композитным покрытием, содержащим хром и (или) алюминий, обладающими высокой противоокислительной стойкостью и стабильностью, в результате чего обеспечивается повышение прочность сцепления покрытия.

[0086] В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения композитное покрытие является композитным нитридным слоем, содержащим хром и (или) алюминий, в результате чего обеспечивается повышение противоокислительной стойкости и стабильности.

[0087] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения суммарная атомная доля хрома и (или) алюминия в композитном нитридном слое составляет 50%-100%, в результате чего обеспечивается дальнейшее повышение антиокислительной устойчивости и стабильности покрытия.

[0088] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения порошковая добавка включает порошок карбида вольфрама, порошок молибдена и порошок графита, в значительной степени способствующие упрочнению, уплотнению и измельчению кристаллических зерен.

[0089] Способ изготовления нагревательного элемента настоящего изобретения прост, эффективен и экономичен. Изготовленный нагревательный элемент обладает высокой противоокислительной стойкостью, при этом качество изделия является более стабильным и генерирование тепла более равномерными.

[0090] В соответствии с другим аспектом в настоящем изобретении предлагается применение вышеуказанного нагревательного элемента в соответствии с настоящим изобретением и вышеуказанный способ для изготовления нагревательного элемента в соответствии с настоящим изобретением при изготовлении нового типа нагревательного элемента для табачных изделий.

[0091] В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения нагревательный элемент применяют для нагрева низкотемпературных сигарет.

[0092] Ниже приведено описание конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения.

[0093] Первый вариант осуществления настоящего изобретения

[0094] В данном варианте осуществления настоящего изобретения способ изготовления нагревательного элемента может включать следующие этапы:

[0095] (1) добавление элементарных порошков Ni (никеля) и Cr (хрома) в первый резервуар для высокоэнергетического шарового помола при соотношении массовой доли 1:1, подачу Ar (аргона) в первый резервуар для высокоэнергетического шарового помола для проведения механического легирования. При этом соотношение шаров и материала в первом резервуаре для высокоэнергетического шарового помола составляет 15:1, скорость вращения составляет 300 об/мин (оборотов в минуту) и продолжительность помола составляет 48 ч (часов); добавление 2% SA (стеариновой кислоты) в первый резервуар для высокоэнергетического шарового помола после завершения помола и продолжение помола в течение 0,5 часов, извлечение механически легированного NiCr (никель-хромового) порошка после завершения помола.

[0096] (2) добавление твердорастворного порошка Ti (C, N) (карбонитрида титана), порошка из никель-хромового сплава, порошка WC (карбида вольфрама), порошка Mo (молибдена) и порошка C (графита) во второй резервуар для высокоэнергетического шарового помола, добавление абсолютного этилового спирта и далее выполнение шарового помола. При этом соотношение шаров и материала во втором резервуаре для высокоэнергетического шарового помола составляет 5:1, скорость вращения составляет 120 оборотов в минуту и продолжительность шарового помола составляет 24 часа.

[0097] (3) вакуумная сушка изготовленной порошкообразной смеси при температуре 80° C для получения гранулированного порошка.

[0098] (4) формование гранулированного порошка под давлением; давление прессования составляет 400 МПа (мегапаскалей), время поддержания давления составляет 1 минуту; и спекание формованной заготовки после прессования при степени вакуумирования, превышающей 1*10^-1Па (Паскалей); температура спекания составляет 1420 ℃ и продолжительность поддержания температуры составляет 60 минут.

[0099] (5) выполнение поверхностного покрытия на установке магнетронного распыления с несколькими мишенями после очистки и сушки подвергшегося спеканию образца. Материал-мишень представляет собой сплав CrAl, в котором атомное соотношение Al (алюминия) и Cr (хрома) составляет 1:1; степень вакуумирования составляет 2,5*10^-3 Па, мощность распыления составляет 80 ватт, время распыления составляет 1,5 часа, и температура распыления составляет 280 ℃; нанесения покрытия распылением осуществляют в смеси аргона и N₂ (азота) со степенью чистоты 99,999%, и при этом соотношение аргона и азота в потоке газа составляет 1:1. Результаты теста показывают, что в соответствии с данными в Таблице 1 способ соответствует требованиям к электрическим и конструктивным характеристикам нагревательного элемента в нагревателе для низкотемпературных сигарет.

[00100] Далее образец с нанесенным покрытием шлифуют и полируют на шлифовальном станке.

[00101] При этом массовая доля твердорастворного порошка карбонитрида титана составляет 42%, массовая доля механически легированного никель-хромового порошка составляет 30%, массовая доля порошка карбида вольфрама составляет 13%, массовая доля порошка молибдена составляет 14%, и массовая доля порошка графита составляет 1%.

[00102] Второй вариант осуществления настоящего изобретения

[00103] В данном варианте осуществления настоящего изобретения способ изготовления нагревательного элемента может включать следующие этапы:

[00104] (1) добавление элементарных порошков Ni (никеля) и Al (алюминия) в первый резервуар для высокоэнергетического шарового помола при соотношении массовой доли 1:2, подачу Ar (аргона) в первый резервуар для высокоэнергетического шарового помола для проведения механического легирования. При этом соотношение шаров и материала в первом резервуаре для высокоэнергетического шарового помола составляет 20:1, скорость вращения составляет 350 об/мин, и продолжительность помола составляет 64 ч (часа); добавление 2% SA (стеариновой кислоты) в первый резервуар для высокоэнергетического шарового помола после завершения помола и продолжение помола в течение 2 часов, извлечение механически легированного NiAl (никель-алюминиевого) порошка после завершения помола.

[00105] (2) добавление порошка карбида титана и карбида бора, механически легированного никель-алюминиевого порошка, порошка карбида вольфрама, порошка молибдена и порошка графита во второй резервуар для высокоэнергетического шарового помола, добавление абсолютного этилового спирта и далее выполнение шарового помола. При этом соотношение шаров и материала во втором резервуаре для высокоэнергетического шарового помола составляет 7:1, скорость вращения составляет 220 оборотов в минуту, и продолжительность шарового помола составляет 36 часов.

[00106] (3) вакуумная сушка изготовленной порошкообразной смеси при температуре 75° C для получения гранулированного порошка.

[00107] (4) формование гранулированного порошка под давлением; давление прессования составляет 300 МПа, время поддержания давления составляет 1 минуту; и спекание формованной заготовки после формования под давлением при степени вакуумирования, превышающей 1*10^-1 Па; температура спекания составляет 1250 ℃, и продолжительность поддержания температуры составляет 45 минут.

[00108] (5) выполнение поверхностного покрытия на установке магнетронного распыления с несколькими мишенями после очистки и сушки подвергшегося спеканию образца. Материал-мишень представляет собой TiAl (титано-алюминиевый) сплав, в котором атомное соотношение Ti (титана) и Al (алюминия) составляет 5:1; степень вакуумирования составляет 3*10^-3 Па, мощность распыления составляет 110 ватт, время распыления составляет 2 часа и температура распыления составляет 300 ℃; распыление для нанесения покрытия осуществляют в смеси аргона и N₂ (азота) со степенью чистоты 99,999%, и при этом соотношение аргона и азота в потоке газа составляет 1:1. Результаты теста показывают, что в соответствии с данными в Таблице 1 способ соответствует требованиям к электрическим и конструктивным характеристикам нагревательного элемента в нагревателе для низкотемпературных сигарет.

[00109] Далее образец с нанесенным покрытием может быть отшлифован и отполирован на шлифовальном станке.

[00110] При этом, массовая доля твердорастворного порошка, образованного карбидом титана и карбидом бора, составляет 45%, массовая доля механически легированного никель-алюминиевого порошка составляет 27%, массовая доля порошка карбида вольфрама составляет 12%, массовая доля порошка молибдена составляет 15%, и массовая доля порошка графита составляет 1%.

[00111] Третий вариант осуществления настоящего изобретения

[00112] В данном варианте осуществления настоящего изобретения способ изготовления нагревательного элемента может включать следующие этапы:

[00113] (1) добавление элементарных порошков Ni и Cr в первый резервуар для высокоэнергетического шарового помола при соотношении массовой доли 3:1, подачу Ar в первый резервуар для высокоэнергетического шарового помола для проведения механического легирования. При этом соотношение шаров и материала в первом резервуаре для высокоэнергетического шарового помола составляет 25:1, скорость вращения составляет 320 об/мин, и продолжительность помола составляет 72 ч (часа); добавление 2% SA (стеариновой кислоты) в первый резервуар для высокоэнергетического шарового помола после завершения помола и продолжение помола в течение 2 часов, извлечение механически легированного NiCr (никель-хромового) порошка после завершения помола.

[00114] (2) добавление порошка карбонитрида титана, механически легированного никель-хромового порошка, порошка WC (карбида вольфрама), порошка Mo (молибдена) и порошка графита во второй резервуар для высокоэнергетического шарового помола, добавление абсолютного этилового спирта и далее выполнение шарового помола. При этом соотношение шаров и материала во втором резервуаре для высокоэнергетического шарового помола составляет 7:1, скорость вращения составляет 350 об/мин, и продолжительность шарового помола составляет 48 часов.

[00115] (3) вакуумная сушка изготовленной порошкообразной смеси при температуре 90° C для получения гранулированного порошка.

[00116] (4) формование гранулированного порошка под давлением; давление прессования составляет 300 МПа, время поддержания давления составляет 2 минуты; и спекание формованной заготовки после формования под давлением при степени вакуумирования, превышающей 1*10^-1 Па; температура спекания составляет 1450 ℃, и продолжительность поддержания температуры составляет 60 минут.

[00117] (5) выполнение поверхностного покрытия на установке магнетронного распыления с несколькими мишенями после очистки и сушки подвергшегося спеканию образца. Материал-мишень представляет собой никель-хромовый сплав, в котором атомное соотношение Cr и Ni составляет 3:1; степень вакуумирования составляет 2,5*10^-3 Па, мощность распыления составляет 80 ватт, время распыления составляет 1 час, и температура распыления составляет 320 ℃; распыление для нанесения покрытия осуществляют в смеси аргона и N2 (азота) со степенью чистоты 99,999%, и при этом соотношение аргона и азота в потоке газа составляет 1:1. Результаты теста показывают, что в соответствии с данными в Таблице 1 способ соответствует требованиям к электрическим и конструктивным характеристикам нагревательного элемента в нагревателе для низкотемпературных сигарет.

[00118] Далее образец с нанесенным покрытием шлифуют и полируют на шлифовальном станке.

[00119] При этом массовая доля твердорастворного порошка карбида титана составляет 68%, массовая доля механически легированного никель-хромового порошка составляет 12%, массовая доля порошка карбида вольфрама составляет 13%, массовая доля порошка молибдена составляет 6%, и массовая доля порошка графита составляет 1%.

[00120] Четвертый вариант осуществления настоящего изобретения

[00121] В данном варианте осуществления настоящего изобретения способ изготовления нагревательного элемента может включать следующие этапы:

[00122] (1) добавление элементарных порошков Fe, Cr и Ni в первый резервуар для высокоэнергетического шарового помола при соотношении массовой доли 1:4:1, подачу Ar (аргона) в первый резервуар для высокоэнергетического шарового помола для проведения механического легирования. При этом соотношение шаров и материала в первом резервуаре для высокоэнергетического шарового помола составляет 20:1, скорость вращения составляет 350 об/мин, и продолжительность помола составляет 96 ч; добавление 2% SA (стеариновой кислоты) в первый резервуар для высокоэнергетического шарового помола после завершения помола и продолжение помола в течение 4 часов, извлечение механически легированного FeCrNi порошка после завершения помола.

[00123] (2) добавление порошка TiC и Al₂O₃, механически легированного железо-хромо-никелевого порошка, порошка карбида вольфрама, порошка молибдена и порошка графита во второй резервуар для высокоэнергетического шарового помола, добавление абсолютного этилового спирта и далее выполнение шарового помола. При этом соотношение шаров и материала во втором резервуаре для высокоэнергетического шарового помола составляет 5:1, скорость вращения составляет 230 оборотов в минуту и продолжительность шарового помола составляет 24 часа.

[00124] (3) вакуумную сушку изготовленной порошкообразной смеси при температуре 80° C для получения гранулированного порошка.

[00125] (4) формование гранулированного порошка под давлением; давление прессования составляет 300 МПа, время поддержания давления составляет 1 минуту; и спекание формованной заготовки после формования под давлением при степени вакуумирования, превышающей 1*10^-1 Па; температура спекания составляет 1350 ℃ и продолжительность поддержания температуры составляет 60 минут.

[00126] (5) выполнение поверхностного покрытия на установке магнетронного распыления с несколькими мишенями после очистки и сушки подвергшегося спеканию образца. Материал-мишень представляет собой сплав CrAl, в котором атомное соотношение Al и Cr составляет 1:1; степень вакуумирования составляет 2,5*10^-3 Па, мощность распыления составляет 120 ватт, время распыления составляет 1 час и температура распыления составляет 320 ℃; распыление для нанесения покрытия осуществляют в смеси аргона и N2 (азота) со степенью чистоты 99,999%, и при этом соотношение аргона и азота в потоке газа составляет 1:1. Результаты теста показывают, что в соответствии с данными в Таблице 1 способ соответствует требованиям к электрическим и конструктивным характеристикам нагревательного элемента в нагревателе для низкотемпературных сигарет.

[00127] Далее образец с нанесенным покрытием может быть отшлифован и отполирован на шлифовальном станке.

[00128] При этом массовая доля твердорастворного порошка карбида титана и алюминия составляет 51%, массовая доля механически легированного никель-хромового порошка составляет 20%, массовая доля порошка карбида вольфрама составляет 14%, массовая доля порошка молибдена составляет 14%, и массовая доля порошка графита составляет 1%.

[00129] Пятый вариант осуществления настоящего изобретения

[00130] В данном варианте осуществления настоящего изобретения способ изготовления нагревательного элемента может включать следующие этапы:

[00131] (1) добавление элементарных порошков Ni и Al в первый резервуар для высокоэнергетического шарового помола при соотношении массовой доли 1:4, подачу Ar (аргона) в первый резервуар для высокоэнергетического шарового помола для проведения механического легирования. При этом соотношение шаров и материала в первом резервуаре для высокоэнергетического шарового помола составляет 15:1, скорость вращения составляет 300 об/мин, и продолжительность помола составляет 48 ч; добавление 2% SA (стеариновой кислоты) в первый резервуар для высокоэнергетического шарового помола после завершения помола и продолжение помола в течение 2 часов, извлечение механически легированного NiAl порошка после завершения помола.

[00132] (2) добавление порошка SiC, механически легированного никель-алюминиевого порошка, порошка карбида вольфрама, порошка молибдена и порошка графита во второй резервуар для высокоэнергетического шарового помола, добавление абсолютного этилового спирта и далее выполнение шарового помола. При этом, соотношение шаров и материала во втором резервуаре для высокоэнергетического шарового помола составляет 7:1, скорость вращения составляет 320 оборотов в минуту и продолжительность шарового помола составляет 24 часа.

[00133] (3) вакуумную сушку изготовленной порошкообразной смеси при температуре 80° C для получения гранулированного порошка.

[00134] (4) формование гранулированного порошка под давлением; давление прессования составляет 400 МПа, время поддержания давления составляет 1 минуту; и спекание формованной заготовки после формования под давлением при степени вакуумирования, превышающей 1*10^-1 Па, температура спекания составляет 1410 ℃ и продолжительность поддержания температуры составляет 60 минут.

[00135] (5) выполнение поверхностного покрытия на установке магнетронного распыления с несколькими мишенями после очистки и сушки подвергшегося спеканию образца. Материал-мишень представляет собой сплав TiAl, в котором атомное соотношение Al и Ti составляет 2:1; степень вакуумирования составляет 2,5*10^-3 Па, мощность распыления составляет 80 ватт, время распыления составляет 2 часа, и температура распыления составляет 320 ℃; распыление для нанесения покрытия осуществляют в смеси аргона и N2 (азота) со степенью чистоты 99,999%, и при этом соотношение аргона и азота в потоке газа составляет 1:1. Результаты теста показывают, что в соответствии с данными в Таблице 1 способ соответствует требованиям к электрическим и конструктивным характеристикам нагревательного элемента в нагревателе для низкотемпературных сигарет.

[00136] Далее образец с нанесенным покрытием может быть отшлифован и отполирован на шлифовальном станке.

[00137] При этом массовая доля твердорастворного порошка карбида титана составляет 52%, массовая доля механически легированного никель-алюминиевого порошка составляет 30%, массовая доля порошка карбида вольфрама составляет 8%, массовая доля порошка молибдена составляет 9%, и массовая доля порошка графита составляет 1%.

[00138] Таблица 1: Характеристики материалов нагревательного элемента в каждом варианте осуществления настоящего изобретения

№ варианта осуществ-ления Твердость (твёрдость по шкале А Роквелла / твёрдость по Роквеллу) Прочность при изгибе (МПа) Трещино-стойкость K_1c (МПа*м^1/2) Удельное сопротивление (Ом*см) Скорость увеличения веса (400℃*100 ч) мг/см² 1 91,2 1782 8,1 0,0042 0,072 2 92,0 1673 8,0 0,0043 0,064 3 92,0 1231 5,5 0,0060 0,057 4 91,3 1658 6,3 0,0057 0,053 5 91,4 1722 8,5 0,0045 0,068

[00139] Несмотря на то, что раскрытые примеры осуществления настоящего изобретения приведены в вышеизложенном описании, в содержание включены лишь варианты осуществления, используемые исключительно для облегчения понимания настоящего изобретения, а не для ограничения настоящего изобретения. Специалисты в данной области техники могут внести различные изменения и дополнения в форму и детали реализации изобретения, не выходящие за пределы существа и объема настоящего изобретения. Тем не менее, объем правовой охраны настоящего изобретения подпадает под объем прилагаемой формулы изобретения.

Предлагается нагревательный элемент, способ его изготовления и применения. Нагревательный элемент, включающий подложку и покрытие, нанесенное на внешнюю поверхность подложки; при этом подложка включает твердую фазу и однородную фазу; твердая фаза включает однофазную керамику или многофазную керамику, однородная фаза включает один вид металла или сплав металлов; покрытие предназначено для предотвращения окисления нагревательного элемента. Способ изготовления нагревательного элемента включает следующие этапы: (1) получение однофазного или многофазного керамического порошка и порошка одного вида металла или сплава металлов; (2) получение порошкообразной смеси методом шарового помола однофазного или многофазного керамического порошка, порошка одного вида металла или сплава металлов и порошковой добавки; (3) получение гранулированного порошка путем высушивания порошкообразной смеси; (4) получение подложки путем формования под давлением и спекания гранулированного порошка; (5) получение нагревательного элемента путем нанесения покрытия на поверхность подложки. Кроме того, предлагается применение нагревательного элемента в нагревателе для нового вида табачных изделий. Нагревательный элемент характеризуется высокими антиокислительными свойствами, стабильным качеством и высокой равномерностью нагрева. Процесс изготовления прост, эффективен и экономичен. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Нагревательный элемент для низкотемпературной сигареты, включающий подложку и защитное покрытие, нанесенное на внешнюю поверхность подложки, отличающийся тем, что подложка включает однофазную керамику или многофазную керамику, изготовленную из порошковых материалов, включающих керамического порошка 42,00-68,00%, порошка, содержащего хром или алюминий 12,00-30,00% и порошковой добавки 16,5-46%, включающей порошок карбида вольфрама, порошок молибдена и порошок графита; при этом защитное покрытие выполнено методом магнетронного распыления и содержит хром или алюминий.

2. Нагревательный элемент по п. 1, отличающийся тем, что защитное покрытие выполнено из сплава металлов, содержащего хром или алюминий.

3. Нагревательный элемент по п. 2, отличающийся тем, что суммарная массовая доля хрома или алюминия в сплаве составляет 10%-50%.

4. Нагревательный элемент по п. 1, отличающийся тем, что защитное покрытие является композитным покрытием, содержащим хром или алюминий.

5. Нагревательный элемент по п. 4, отличающийся тем, что композитное покрытие является композитным нитридным слоем, содержащим хром или алюминий.

6. Нагревательный элемент по п. 5, отличающийся тем, что суммарная атомная доля хрома или алюминия в композитном нитридном слое составляет 50%-100%.

7. Нагревательный элемент по п. 1, отличающийся тем, что однофазная керамика включает одну из следующих видов керамики: карбидную керамику, нитридную керамику, боридную керамику и оксидную керамику.

8. Нагревательный элемент по п. 1, отличающийся тем, что однофазная керамика включает однофазную керамику на основе твердых растворов, получаемую с использованием нескольких веществ, включающих карбиды, нитриды, бориды и оксиды.

9. Нагревательный элемент по п. 1, отличающийся тем, что многофазная керамика включает несколько однофазных керамик.

10. Нагревательный элемент по п. 1, отличающийся тем, что толщина защитного покрытия составляет от 0,5 до 1,5 микрон.

11. Нагревательный элемент по п. 1, отличающийся тем, что нагревательный элемент обладает электрическим удельным сопротивлением от 0,001 до 0,05 Ом⋅см.

12. Способ изготовления нагревательного элемента по любому из пп. 1-11, включающий следующие этапы:

(1) получение однофазного или многофазного керамического порошка и порошка, содержащего хром или алюминий;

(2) получение порошкообразной смеси методом шарового помола однофазного или многофазного керамического порошка, порошка, содержащего хром или алюминий и порошковой добавки, включающей порошок карбида вольфрама, порошок молибдена и порошок графита;

(3) получение гранулированного порошка путем высушивания порошкообразной смеси;

(4) получение подложки путем формования под давлением и спекания гранулированного порошка;

(5) нанесение защитного покрытия на поверхность подложки,

при этом массовая доля каждого компонента в порошкообразной смеси составляет соответственно: 42,00%-68,00% однофазного или многофазного керамического порошка, 12,00%-30,00% порошка, содержащего хром или алюминий, и 16,5%-46% порошковой добавки, включающей порошок карбида вольфрама, порошок молибдена и порошок графита.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что нагревательный элемент шлифуют и полируют на шлифовальном станке для повышения качества поверхности нагревательного элемента.

14. Способ по п. 12, отличающийся тем, что при получении порошкообразной смеси методом шарового помола, ее помещают в первый резервуар для шарового помола в соответствии с определенным массовым соотношением, и после герметизации в резервуар подают аргон и далее проводят механическое измельчение в первом резервуаре для шарового помола;

при этом соотношение шаров и материала в первом резервуаре для шарового помола составляет 15:1-25:1, скорость вращения составляет 300-500 оборотов в минуту и продолжительность шарового помола составляет 48-96 часов,

после завершения механического измельчения в первый резервуар для шарового помола добавляют стеариновую кислоту для продолжения шарового помола, и продолжительность шарового помола составляет от 0,5 до 4 часов,

затем порошковую смесь помещают во второй резервуар для шарового помола, и шаровой помол во втором резервуаре для шарового помола выполняют после добавления абсолютного этилового спирта;

при этом соотношение шаров и материала во втором резервуаре для шарового помола составляет 5:1-10:1, скорость вращения составляет 120-350 оборотов в минуту и продолжительность шарового помола составляет 24-96 часов.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что суммарная массовая доля элементарного порошка хрома или алюминия составляет 10%-50%.

16. Способ по п. 12, отличающийся тем, что порошкообразную смесь подвергают вакуумной сушке при температуре 75-90°С.

17. Способ по п. 12, отличающийся тем, что формование под давлением осуществляют под давлением прессования 200-400 МПа, и продолжительность поддержания давления составляет 0,5-2 минуты.

18. Способ по п. 12, отличающийся тем, что формованную заготовку после формования под давлением спекают при степени вакуумирования, превышающей 1*10^-1 Па, температура спекания составляет от 1220 до 1450°С, и продолжительность поддержания температуры составляет 15-60 минут.

19. Способ по п. 12, отличающийся тем, что на поверхность подложки наносят защитное покрытие на установке магнетронного распыления с несколькими мишенями;

при этом материал-мишень в установке магнетронного распыления с несколькими мишенями является сплавом, содержащим хром или алюминий, степень вакуумирования превышает 3*10^-3 Па, распыление материала мишени обеспечивают с помощью катода постоянного тока, мощность распыления составляет 80-120 Ватт, продолжительность распыления составляет от 1 до 2 часов, температура распыления составляет 280-320°С, и распыление для нанесения покрытия осуществляют в смеси аргона и азота.

20. Способ по п. 19, отличающийся тем, что суммарная атомная доля хрома или алюминия в материале-мишени составляет 50%-100%.

21. Применение нагревательного элемента по любому из пп. 1-11, изготовленного способом по любому из пп. 12-20 для нагревателя низкотемпературной сигареты.