一种加热烟具的自控温陶瓷加热元件及其制备方法与流程

本发明涉及加热烟具，具体涉及一种加热烟具的自控温陶瓷加热元件及其制备方法。

背景技术：

1、加热烟具（heating-not-burning，hnb）依靠低温热解方式释放烟气，其工作机制为将烟丝基体加热至250～350℃，区别于传统卷烟800℃以上的明火燃烧模式，能够大幅削减烟气中焦油、羰基化合物等有害组分的释放总量，是新型烟草制品的主流研发方向。加热模块作为hnb烟具的核心功能单元，其温度调控性能直接决定烟丝热解反应的均匀程度，同时显著影响烟气组分稳定性与吸食感官品质。

2、目前商业化hnb烟具的主流加热温控方案为：采用金属电阻丝或单层陶瓷基底发热体，搭配外置ntc热敏电阻、热电偶等温度采集元件，依托pid算法构建闭环反馈控温系统。该成熟方案受结构与控制逻辑限制，存在难以根除的先天技术缺陷，具体体现在三方面：

3、温度调控存在显著滞后效应，温度传感元件与烟丝直接受热区域相互分离，热量传递过程存在固有热延迟；当抽吸气流快速带走加热面热量时，控制回路无法瞬时完成功率补偿，整套控温系统的功率调节响应时长普遍达到8～12s，动态热平衡维持能力较差。

4、加热面温度场分布不均，易引发烟丝局部焦化，发热体径向温度梯度差异明显，中心区域峰值温度可突破340℃，超出烟丝280～300℃最优热解温度区间，高温区域烟丝持续热裂解生成焦糊类异味物质；而加热体边缘区域供热不足，烟气释放量偏低，造成逐口抽吸一致性差。

5、发热元件循环使用寿命偏低，烟具抽吸过程中，烟气携带的焦油、积碳易在陶瓷发热载体表面持续沉积；烟丝配方内的甘油、糖类组分受热后发生渗透，持续腐蚀金属发热线路，诱发线路氧化断路故障，市售传统加热元件的冷热循环使用寿命仅约1500次。

6、正温度系数热敏陶瓷具备材料本征自限温性能：当体系温度低于居里温度（curietemperature，tc）时，陶瓷处于低电阻状态，可持续输出焦耳热实现升温；当温度升至居里温度tc时，陶瓷晶粒发生四方相向立方相的晶型相变，电阻率发生10³~107倍阶跃式抬升，发热功率同步大幅衰减，无需外置温度传感器与复杂反馈控制电路即可实现温度自主锁定。

7、但现有钛酸钡基半导体陶瓷体系存在适配hnb烟具工况的关键缺陷：纯钛酸钡（batio3）基体的本征居里温度仅125℃左右，远低于烟丝280～300℃的最优热解温度区间。现阶段半导体陶瓷相关研发多聚焦于电路过流保护、低温民用加热器件（暖风机、卷发器等），尚无针对hnb烟具高温产烟工况、可实现居里温度精准上调与稳定调控的专用半导体材料体系研究，无法解决传统pid闭环加热方案存在的温控滞后、局部超温、寿命不足等系列技术问题。

技术实现思路

1、针对现有传统pid温控加热元件温控滞后、局部易焦化、使用寿命短，以及常规钛酸钡半导体陶瓷居里温度过低无法适配加热烟具的技术缺陷，本发明专利提供一种加热烟具的自控温陶瓷加热元件及其制备方法，将居里温度精准调控至260～320℃烟丝热解区间，尤其是280～300℃最优热解区间的半导体材料体系，直接应用于hnb烟具加热场景。

2、本发明的实施例提供一种加热烟具的自控温陶瓷加热元件，所述陶瓷加热元件的陶瓷基体为（ba1-xpbx）tio3钙钛矿固溶体，采用a位、b位、晶界三元协同掺杂体系，各组分含量如下：

3、a位pb²+取代ba²+摩尔分数x=0.28～0.42；

4、以ti离子总摩尔数为基准，b位nb5+施主掺杂量0.2～0.4mol%；

5、以ti离子总摩尔数为基准，晶界mn²+受主掺杂量0.05～0.15mol%；

6、所述陶瓷加热元件居里温度线性调控至260～320℃，相变升阻比≥1800倍，室温电阻率35～65ωcm。

7、进一步地，各组分含量如下：

8、a位pb²+取代ba²+摩尔分数x=0.35；

9、以ti离子总摩尔数为基准，b位nb5+施主掺杂量0.3mol%；

10、以ti离子总摩尔数为基准，晶界mn²+受主掺杂量0.1mol%；

11、所述陶瓷加热元件居里温度线性调控至289℃，相变升阻比3200倍，室温电阻率45ωcm。

12、进一步地，组分含量还包括sio2烧结助剂，以质量百分比计，sio2烧结助剂添加量为0.5～2.0wt%；

13、进一步地，陶瓷加热元件的相变升阻比≥3200倍。

14、并且，本发明的实施例还提供了一种加热烟具的自控温陶瓷加热元件制备方法，用于制备上述加热烟具的自控温陶瓷加热元件，且包括以下步骤：

15、步骤s1、配料：按化学计量配比称取baco3、pbo、tio2、nb2o5、mnco3及sio2粉体；

16、步骤s2、研磨混合：对上述粉体进行混合研磨，研磨至粉体中位粒径d50＜0.8μm；

17、步骤s3、预烧合成：研磨后的粉体干燥后在900～1000℃下保温预烧，直至形成单一钙钛矿固溶体相；

18、步骤s4、造粒成型：预烧粉体二次研磨后加入pva粘结剂喷雾造粒，在100~200mpa压力下单轴干压成型为片状坯体；

19、步骤s5、排胶烧结：片状坯体在空气气氛中以1~3℃/min升温至500℃保温排除有机粘结剂，随后以3~5℃/min升温至1280~1350℃保温烧结致密化，自然冷却至室温；

20、步骤s6、再氧化退火：烧结体在空气中700~900℃退火、冷却速率2℃/min，使烧结体晶界区域充分氧化形成受主型缺陷态，完善晶界势垒结构形成半导体陶瓷片。

21、进一步地，所述步骤s4中，pva粘结剂喷雾造粒的添加量按照质量百分比计为5~8wt%，片状坯体的厚度为0.5~2.0mm。

22、进一步地，所述步骤s2具体包括：将上述粉体加入球磨机中，以氧化锆球为研磨介质，研磨介质φ5mm:φ10mm=1:2混合，球料比5:1~8:1，加入无水乙醇为分散剂，转速300rpm，球磨12~48小时至粉体中位粒径d50<0.8μm。

23、进一步地，所述步骤s3中粉体保温预烧升温速率3℃/min。

24、进一步地，所述步骤s3中，通过xrd检测确认粉体预烧形成单一钙钛矿固溶体相，无pbtio3和batio3残留峰。

25、进一步地，还包括：

26、步骤s7、电极制备：在陶瓷片两面通过丝网印刷银浆，550~700℃烧银30min，形成良好欧姆接触；

27、步骤s8、装配：陶瓷片安装于加热烟具的加热腔体内，通过弹性导电触片与烟具电路板连接，进而可被烟具电路板上的恒压电源直接驱动。

28、本发明具有以下有益效果：

29、1、本发明的一种加热烟具的自控温陶瓷加热元件，通过调控a位pb²+取代摩尔分数x，可依据pb2+取代量x与tc呈线性关系规律对半导体陶瓷居里温度tc实现连续、精准调控至烟丝热解区间260～320℃，尤其是能够定向制备居里温度落在280～300℃烟丝最优热解区间的半导体陶瓷，适配不同配方、不同香型烟丝的产烟温度需求，可直接应用于各类加热烟具加热单元，半导体陶瓷兼具发热基体与温度传感双重功能，依靠晶体相变本征特性实现温度自主锁定，温控稳定区间控制在tc±5℃，彻底规避传统外置传感方案固有的热量传递延迟缺陷。

30、2、本发明的一种加热烟具的自控温陶瓷加热元件，半导体陶瓷具备材料本征局部过热抑制能力，从根源上杜绝烟丝焦化现象，本发明半导体陶瓷依靠区域独立相变特性实现自保护：若半导体陶瓷局部区域出现超温，该区域电阻率将发生阶跃式陡增，发热功率同步自主衰减，从材料微观物理层面主动限制局部峰值温度，消除加热面局部超温诱因，从根本上规避烟丝高温焦化、产生焦糊异味的问题。

31、3、本发明的一种加热烟具的自控温陶瓷加热元件，应用于烟具抽吸过程中，气流会快速带走加热界面热量造成局部温降；温降区域陶瓷自发恢复低阻态，发热功率瞬时提升完成热量补偿，功率响应时长小于3s，标准抽吸循环测试结果表明，加热烟具采用本元件后烟气总粒相物（tpm）逐口变异系数低于5%，大幅提升多口抽吸烟气释放一致性，实现抽吸动态工况下热量快速自补偿，逐口烟气释放均匀稳定。

32、4、本发明的一种加热烟具的自控温陶瓷加热元件，应用于加热烟具时无需配套ntc温度传感器、pid控制芯片及多路反馈采样电路，仅采用直流恒压电源即可直接驱动半导体加热元件工作；大幅减少烟具电路板元器件数量，简化硬件设计与软件控制逻辑，整机物料清单（bom）综合成本可降低30%以上，同时利于烟具小型化结构设计，如此简化整机电控架构，有效降低烟具物料成本。

33、5、本发明的一种加热烟具的自控温陶瓷加热元件，钙钛矿相陶瓷基体烧结致密度高，应用于加热烟具可有效阻隔烟气焦油、甘油、糖分等组分向材料内部渗透堆积；区别于金属电阻丝发热结构，不存在金属线路高温氧化断路失效风险，冷热循环使用寿命可达5000次以上，相较传统电阻丝pid温控方案约1500次循环寿命提升2倍以上，产品耐用性显著增强，抗焦油渗透腐蚀，显著提升冷热循环使用寿命。