一种曲面基体直接印刷式陶瓷加热体的制备方法与流程

本发明属于陶瓷电热元件精密加工，具体涉及一种曲面基体直接印刷式陶瓷加热体的制备方法，该加热体可广泛应用于家用发热电器、工业精密加热设备、恒温温控仪器等场景。

背景技术：

1、陶瓷加热体凭借绝缘性能优异、升温速度快、耐高温、热稳定性强、使用寿命长等诸多优势，是目前电热元件领域的核心耗材，规模化应用于各类民用与工业加热设备中。现阶段，行业内制备曲面陶瓷加热体的主流工艺为平面流延印刷复合工艺，其核心技术方案为：先制备陶瓷流延生坯薄片，通过丝网印刷工艺在平整的生片表面印制完整发热电路，待低温烘干定型后，将载有电路的流延薄片人工包覆、贴合于陶瓷圆棒生坯外壁，采用工装固定后整体送入高温烧结炉，实现坯体与电路的共烧复合成型。

2、上述方法能够批量生产常规圆柱陶瓷加热棒，可满足低端加热产品的基础温控与发热需求，成型工艺成熟、入门成本较低。但经过长期工业化生产与工况可靠性验证，该固有工艺存在无法规避的结构性缺陷，严重制约高端陶瓷加热体的性能升级与场景拓展。

3、其一，界面缺陷突出，热阻高且易分层。流延薄片与陶瓷圆棒曲面贴合过程中，弧面贴合间隙极易包裹空气，烧结后气泡永久留存于复合界面，大幅增大界面热阻，导致加热体热量传导不均、表面温差偏大。同时，发热电路与陶瓷基体依靠流延层粘接复合，界面结合强度极低，设备长期冷热循环工作后，粘接界面易出现起皮、分层、线路脱落等故障，大幅缩短产品使用寿命。

4、其二，曲面适配性极差，应用场景受限。流延薄片自身柔性有限，仅能适配规整的标准圆柱曲面，针对带开孔、凹槽、台阶的异形陶瓷基体、大曲率不规则弧面以及陶瓷内壁线路加工场景，完全无法贴合成型，产品设计自由度极低，难以适配多元化、定制化的加热需求。

5、其三，生产流程繁琐，生产效率低下。传统工艺涵盖流延制坯、平面丝网印刷、薄片裁切、曲面包覆贴合、工装固定、高温共烧等多道工序，步骤冗余繁杂，中间转运、人工调试工序多，不仅占用大量生产设备与场地，还大幅拉长生产周期，推高生产与人工成本。

6、其四，电极连接可靠性不足。传统工艺的端部电极依托流延片边缘导电层搭接成型，导电层厚度极薄，在大电流、大功率工况下极易发热烧断，无法实现内嵌钎焊电极的装配需求，难以适配高端大功率加热设备的使用标准。

7、现有技术中也有部分改良方案，即在烧结陶瓷基体表面直接进行丝网印刷，以此规避流延贴合的部分缺陷。但丝网印刷依赖定制专属网版，小批量、多规格产品的制版成本高、切换效率低；同时丝印工艺精度有限，最小线路线宽仅能达到300μm以上，精密温控场景适配性差。更关键的是，丝网刮刀无法适配端部开孔、台阶的高低差结构，电极触点无法加厚成型，依旧无法解决复杂曲面电极连接不稳定、易失效的核心问题。

技术实现思路

1、本发明针对现有曲面陶瓷加热体制备工艺存在的诸多技术缺陷，旨在克服传统平面流延印刷贴合烧结工艺带来的界面气泡残留、热阻偏大、基体与电路结合强度低、冷热循环易分层、端部电极导电稳定性不足等问题。

2、本发明核心创新点在于双工艺复合印刷体系：一是曲面移印局部厚膜成型技术，依托柔性硅胶移印头的自适应贴合特性，适配端部0.3~2mm高度差异的异形区域，制备高厚度、高导电、高附着力的电极触点，为发热线路提供可靠电气接口；二是压电喷墨曲面直印精密线路，无需定制网版，可直接在烧结陶瓷曲面成型高精度随形发热电路。本发明通过烧结基体预处理、曲面一体化直印工艺，实现发热电路与陶瓷基体的无界面一体结合，突破传统工艺的结构性局限。

3、本发明摒弃传统二次贴合的工艺思路，以完全高温烧结的陶瓷曲面基体为加工基底，采用曲面移印与压电喷墨直印相结合的复合印刷方案，在陶瓷曲面直接成型高可靠电极触点与高精度发热电路，可以彻底消除粘接复合界面，简化生产流程，同步提升加热体结构强度、导热均匀性，实现内嵌钎焊电极的稳定装配，可以满足高端精密加热设备的使用需求。

4、具体技术方案如下：

5、一种曲面基体直接印刷式陶瓷加热体的制备方法，包括如下步骤：

6、s1陶瓷基体成型与高温烧结：制备陶瓷棒坯体，所述坯体材质为氧化铝或zta陶瓷，为圆柱状基体，端部设有用于形成电极触点的开孔、凹槽或台阶区域；

7、s2基体表面预处理：对所述坯体的外表面机械抛光，使得表面粗糙度ra≤0.8μm，抛光完成后超声波清洗去除表面粉尘油污，获得洁净平整的活化基底；

8、s3曲面移印成型端部导电连接点：采用硅胶移印头和导电浆料，对陶瓷棒端部进行曲面移印，成型厚度5~20μm的厚膜导电电极触点，移印后80~100℃预烘5~10min定型；

9、s4压电喷墨直印曲面精密发热电路：采用搭载工业压电喷头的3轴或4轴运动平台，以导电墨水在陶瓷抛光曲面直接喷印发热线路，线路线宽控制50~300μm，运动平台实时调节喷头与曲面间距；

10、s5低温固化烘干：分两段控温烘干，先80~100℃预烘5~10min定型线路，再在120~200℃固化30~60min，去除浆料溶剂与有机粘接剂，从而形成连续稳定的导电网络；

11、s6进行电性能测试，合格产品选择性涂覆绝缘保护釉或功能涂层。

12、进一步的，s2中机械抛光的表面粗糙度为0.4~0.6μm。在上述条件下兼顾基底平整度与浆料附着性能，有效提升线路均匀性与结合强度，适配大功率、高稳定性加热体的长期工况使用需求。

13、进一步的，s2基体表面预处理还包含以下至少一种辅助处理：等离子清洗提升基体表面化学活性、激光粗糙化处理构建表面微观锚固结构；通过所述辅助处理，提升导电墨水与陶瓷基体的浸润性与机械结合力，降低线路冷热循环脱落、脱粘的故障风险。

14、进一步的，s3中所述曲面移印为单次或多次堆叠移印，以填充陶瓷端部0.3~2mm高度差异的异形区域，形成电极触点。在上述条件下可以保证电极成型致密无缺陷，有效降低电极接触电阻，大幅提升端部电气连接的导电可靠性与载流能力。

15、进一步的，s3中所述曲面移印的移印堆叠次数为两次，成型导电电极触点厚度10-12μm。在前述条件下，可平衡电极载流能力与加工效率，规避电极过薄载流不足、大功率易熔断，以及电极过厚附着力下降、易脱落的缺陷。

16、进一步的，s4所述工业压电喷头选自dimatix、konica、epsonprecisioncore工业喷头中任意一种，所述导电墨水为含银导电墨水，粘度为8~15cp、表面张力为28~35mn/m、固体颗粒粒径＜100nm。

17、进一步的，s4压电喷墨采用多次扫描印刷，通过多层线路叠加提升发热线路整体厚度与导电均匀性，降低线路整体电阻，减少大功率工况下的发热损耗，提升发热效率与工况稳定性。

18、进一步的，s1陶瓷棒坯体的烧结温度为1650~1700℃，保温时长2~3h；该烧结参数可保证陶瓷基体致密无孔隙、结构强度高、热稳定性优异，为后续曲面高精度印刷加工提供稳定可靠的基底支撑。

19、进一步的，s5低温固化全程温度低于陶瓷基体相变温度，固化的温度为150~160℃、固化时长40~50min。在前述条件下，可实现纳米导电颗粒充分烧结搭接，导电网络致密性最佳，长期使用电阻稳定性强。

20、本发明还保护一种曲面基体直接印刷式陶瓷加热体，采用所述的制备方法制备得到。

21、进一步的，所述陶瓷加热体经过冷热循环500次以上无分层、脱落、断路故障，室温整体电阻稳定在8.5~13ω，电极接触电阻≤0.3ω，1000v耐压测试无击穿。

22、有益效果

23、首先，本发明以完全烧结后的陶瓷基体为直接印刷基底，省去了传统工艺中流延片制备、薄片裁切、曲面包覆贴合、工装固定、共烧复合等全套冗余工序，整体工艺流程简化。传统工艺需要同时配套坯体烧结、流延片成型两套独立加工体系，工序衔接繁琐、设备投入量大；本发明仅保留陶瓷基体单次烧结工序，后续印刷、固化工序高度集成，大幅减少中间转运、人工调试步骤，有效缩短生产周期，降低设备与人工生产成本，显著提升生产效率。

24、其次，本发明直接在陶瓷抛光曲面一体化印刷成型导电线路，发热电路与陶瓷基体之间无有机粘接层、无流延复合界面，实现真正意义上的无界面一体结合，线路与基体结合强度相较传统工艺显著提升。固化过程中，导电浆料可直接浸润活化后的陶瓷表面，金属颗粒与陶瓷基体形成机械锚固与分子级界面结合，不存在分层夹层结构，在长期冷热循环工况下不会出现界面剥离、气泡脱粘等故障。同时，彻底消除了传统复合界面空气层带来的附加热阻，热量可沿陶瓷基体均匀传导扩散，大幅提升加热体全域温度均匀性与发热稳定性。

25、再次，本发明采用曲面移印与压电喷墨协同的复合印刷方案，极大拓宽了陶瓷加热体的曲面适配范围。曲面移印工艺可精准填充端部开孔、台阶、凹槽等0.3~2mm高度差异形区域，成型结构完整、导电性优异的厚膜电极；压电喷墨依托多轴自适应运动平台，可跟随曲面轮廓打印螺旋、变线宽、分段曲线等不规则发热轨迹。该工艺既适配标准圆柱陶瓷棒，也可加工大曲率弧形、不规则异形曲面，同时支持陶瓷内壁线路印刷，能够有效支撑内嵌钎焊电极装配方案落地，彻底突破传统流延贴合工艺仅能适配简单圆柱曲面的应用局限。

26、进一步，本发明采用的压电喷墨直印工艺无需定制丝网网版，设备可快速切换不同发热线路设计图纸，无需更换工装模具，能够适配小批量、多规格、定制化加热体的生产需求，柔性生产能力极强。同时，喷墨印刷线路最小线宽可达50μm，相较于传统丝印300μm的最小线宽，线路精度提升数倍，可实现高密度、分区独立控温的精密线路布局。此外，压电喷墨使用的导电墨水颗粒利用率高，无浆料冗余浪费，相较于传统丝网印刷，材料利用率大幅提升，有效降低原材料损耗成本。

27、更进一步，本发明通过曲面移印成型5~20μm厚膜导电电极触点，电极厚度远高于传统流延薄片搭接电极，载流能力大幅提升，在大功率、大电流工况下不易发热、氧化、熔断。同时，厚膜电极与喷墨精密发热线路无缝搭接，电气连接紧密稳定，接触电阻极小，彻底解决了传统电极搭接松动、接触不良、易断路的问题，大幅提升大功率加热设备的使用寿命与运行稳定性。

28、最后，本发明整体固化温度控制在120~200℃低温区间，远低于氧化铝、zta陶瓷的烧结相变温度，加工过程不会对成型陶瓷基体造成热损伤，可有效避免基体开裂、形变、性能衰减等问题，成品良率显著提升。同时，基体预处理阶段可根据产品功率、使用场景灵活选配等离子活化、激光微粗糙化辅助工艺，精准适配不同附着力、不同稳定性需求的产品生产，工艺适配性与通用性极强。

29、总之，本发明提供的制备方法，兼具生产效率高、产品使用寿命长、设计自由度高、加工成本低、工况稳定性好的综合优势，具备极高的工业化推广价值。