專利名稱：陶瓷，使用該陶瓷的分級電阻率整料及制備方法
陶瓷，使用該陶瓷的分級電阻率整料及制備方法
發(fā)明背景 本文呈現(xiàn)的實施方案總的涉及整料結(jié)構(gòu)，更具體地，涉及電阻整料結(jié)構(gòu)。
在電路中控制或改變電流或電壓的一種通常的方法為通過使用可變-電阻器或變阻器。通常，對于具有高額定功率的電設(shè)備，變阻器可用于設(shè)備啟動和關(guān)閉。例如，整流式DC電動機可具有手動變阻器起動機、三點變阻器起動機、四點變阻器起動機等，以將電樞電流從小的值逐步提高至額定的操作值，以保護DC電動機。然而，在操作期間，變阻器采用步進方式從一個電阻分支轉(zhuǎn)換至另一個。由于供應(yīng)到電設(shè)備的高電壓和/或電流，這種轉(zhuǎn)換操作可導(dǎo)致在移動觸點和電阻分支之間電弧放電。
另一種已知的方案包括在堆疊中裝配的多個不連續(xù)電阻層，而移動觸點設(shè)計成在堆疊之上滑動。然而，隨著操作磨損，與移動觸點(本文中稱為“滑動表面”)接觸的堆疊的表面被移動觸點磨損，從而導(dǎo)致不均勻的滑動表面。因此，移動觸點在堆疊長度之上可能不能保持足夠的接觸壓力。此外，基于電阻層的硬度，堆疊的不同的電阻層可磨損至不同的水平，從而在滑動表面上形成‘臺階’。這可導(dǎo)致移動觸點在連續(xù)的電阻元件之間的臺階處卡住的可能性。滑動表面的不均勻接觸壓力和臺階式剖面兩者均可導(dǎo)致在移動觸點和滑動表面之間電弧放電。另外，這種裝配的堆疊難以機械加工和拋光以得到光滑的滑動表面。通常，在機械加工期間裝配的堆疊破裂或破壞。
因此，本領(lǐng)域需要解決與已知方案相關(guān)的這些和其它缺點的電阻元件。
發(fā)明概述 根據(jù)一個實施方案，呈現(xiàn)具有分級的電阻率的整料盒。整料盒在第一端和第二端之間具有連續(xù)的顆粒結(jié)構(gòu)(grain structure);其中整料盒的電阻率分級,使得電阻從第一端到第二端連續(xù)變化。還呈現(xiàn)了用于形成所述整料盒的方法和組合物。
根據(jù)一個實施方案，呈現(xiàn)電阻組合物。所述組合物包含45-58重量％的陶瓷組合物，其中所述陶瓷組合物包含99.5-99.7%氧化鋅粉末和0.3-0.5%氧化鋁粉末的實質(zhì)均質(zhì)的混合物。所述組合物含有42-55重量％的銀粉末，其中基于陶瓷組合物與銀粉末的比率，組合物的電阻率從I微歐姆-米到I兆歐姆-米變化。
根據(jù)一個實施方案，呈現(xiàn)形成整料盒的方法。將多種電阻粉末引入到?jīng)_模內(nèi)，以形成堆疊的層。多種電阻粉末中的每一種包含陶瓷組合物和傳導(dǎo)組合物。每層包含不同重量比的陶瓷組合物和傳導(dǎo)組合物。在10 Mpa-1 Gpa(giga pascal)之間的壓力下，和在15°C -1600°C之間的溫度下，將多種電阻粉末壓制成為生料盒。隨后將該生料盒在8000C -2000°C之間的溫度下燒結(jié)2-100小時的持續(xù)時間。
附圖簡述

圖1為根據(jù)一個實施方案的一種實例生料盒的透視圖； 圖2為根據(jù)一個實施方案的一種實例整料盒的透視圖； 圖3為說明根據(jù)一個實施方案用于形成整料盒的電阻粉末的實例組合物的表； 圖4為說明根據(jù)一個實施方案將電阻率相對于整料盒上的縱向位置繪制的一種實例關(guān)系的圖； 圖5為說明根據(jù)一個實施方案將電阻率相對于整料盒上的縱向位置繪制的一種實例關(guān)系的圖的一部分的擴展圖；和 圖6說明根據(jù)一個實施方案的整料盒的顆粒結(jié)構(gòu)。
元件列表: 100 生料盒 102層 104層 106層 108層 200整料盒 202第一端 204第二端。
發(fā)明詳述 根據(jù)一個實施方案，呈現(xiàn)在整料盒的長度之上顯示分級的電阻率的整料盒。該整料盒可用于例如無弧開關(guān)裝置。當斷路器因漏電跳閘時，在斷路器中通常電弧放電。在斷路器中，觸點必須攜帶載荷電流，而沒有過度加熱，并且必須還承受當電路打開時產(chǎn)生的電弧的熱量。觸點由高傳導(dǎo)材料制成。觸點的使用壽命受限于打開電路時的電弧放電使接觸材料腐蝕。在一些情況下，特別是在易燃氣體泄漏期間，電弧可能是著火的潛在起因。整料盒可用于斷路器，以實質(zhì)抑制或完全消除電弧放電。整料盒可布置在無弧開關(guān)裝置中，使得在轉(zhuǎn)換操作期間開關(guān)裝置的移動觸點在整料盒之上滑動。當關(guān)掉時，移動觸點可從整料盒的低電阻率端向高電阻率端滑動，同時從關(guān)閉的電路位置向打開的電路位置轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換期間電阻的這種受控提高防止固定觸點和移動觸點之間的電位差突然改變，從而實質(zhì)抑制或完全消除電弧放電。當開啟時，移動觸點可從低電阻率端向高電阻率端滑動，同時從打開的電路位置向關(guān)閉的電路位置轉(zhuǎn)換。
在一個實施方案中，整料盒可通過首先堆疊多層電阻粉末而形成，使得每層呈現(xiàn)不同的電阻率。隨后將堆疊的層壓制，以形成生料盒。圖1說明一種實例生料盒100。生料盒100包括4層(102、104、106和108)電阻粉末，每一層呈現(xiàn)不同的電阻率。結(jié)合圖3，以下描述一種電阻粉末的實例組合物。由于在各種電阻粉末中組合物的比例不同，生料盒還可在連續(xù)的層之間具有物理界面(即，物理邊界)。生料盒可隨后燒結(jié)，以形成在整料盒的長度之上呈現(xiàn)分級的電阻率的整料盒。整料盒具有連續(xù)的顆粒結(jié)構(gòu)，在層之間沒有物理邊界，并且可具有分級的電阻率，使得在整料盒的端之間電阻連續(xù)變化。圖2說明根據(jù)一個實施方案的一種實例整料盒200。在燒結(jié)后形成的整料盒200不包括物理邊界，然而，在端202和204之間呈現(xiàn)連續(xù)的顆粒結(jié)構(gòu)。虛線說明端202和204的代表性區(qū)域。然而，端202和204可與整料盒200的頂表面和底表面一樣薄，或者可具有有限的厚度，例如，大于0.01mmD
電阻粉末可為高電阻率材料(例如，陶瓷材料)和低電阻率材料(例如，金屬和金屬合金)的混合物。電阻粉末的電阻率可通過控制在混合物中高電阻率材料和低電阻率材料的比例來控制。因此，使用不同比例的相同的高電阻率材料和相同的低電阻率材料的混合物，可得到呈現(xiàn)不同電阻率的多個層。這種使用相同系列的混合物通常可導(dǎo)致多個層的每一個實質(zhì)相同的收縮率和實質(zhì)相同的燒結(jié)溫度，進而可降低或?qū)嵸|(zhì)消除多層生料盒燒結(jié)期間不均勻的收縮率，裂紋、空氣間隙和空隙的形成。
高電阻率材料可為陶瓷組合物，包括，例如，氧化鋅、氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、二氧化硅、氧化錫銦和它們的組合。陶瓷組合物可賦予整料盒例如高熱穩(wěn)定性、高溫電阻、表面硬度、機械強度等的性質(zhì)。低電阻率材料可為傳導(dǎo)組合物，包括但不限于銀、銅、金、鋁、銦、錫、鎵、鎳、鈦、鋅、鉛、碳、鐵、鎢、鑰、它們的合金、和金屬的混合物。低電阻率材料可賦予整料盒期望的電性質(zhì)。
在一種實施中，高電阻率材料可為陶瓷組合物粉末，包括，例如，氧化鋅和氧化鋁，而低電阻率材料可為傳導(dǎo)金屬粉末，例如銀。氧化鋅較少易于遭受熱點或熱裂紋。起熱點為在壓制期間形成不可逆的畸形或裂紋的現(xiàn)象。氧化鋅具有大約10e7歐姆米的電阻率。將氧化鋅與約0.3-0.5% (按氧化鋅重量計)氧化鋁混合，得到具有大約10e3歐姆米_10e4歐姆米的電阻率的陶瓷組合物。向陶瓷組合物中加入銀進一步降低電阻率至大約lOe-4歐姆米。銀呈現(xiàn)15.87X 10_9歐姆米的極低電阻率。通過控制陶瓷組合物與銀的比率，電阻粉末的電阻率可從lOe-4歐姆米_10e4歐姆米變化。
陶瓷組合物粉末可例如通過將具有4微米顆粒尺寸的氧化鋅粉末與0.4%(按氧化鋅粉末重量計)具有5.6微米顆粒尺寸的氧化鋁在異丙醇中濕混合約30分鐘而制備。濕混合物可隨后在100°C下干燥。干燥后，陶瓷組合物粉末可再次在異丙醇中干混合或濕混八口 ο
各種電阻粉末可隨后通過將陶瓷組合物粉末與銀粉末混合而制備。銀粉末可具有2-3.5微米之間的顆粒尺寸。陶瓷組合物粉末和銀粉末可在異丙醇中混合30分鐘，隨后干燥。可在環(huán)境溫度下或者在升高的溫度下在烘箱中進行干燥。陶瓷組合物粉末與銀粉末的比例控制電阻粉末的電阻率。例如，電阻粉末可包括42-45重量％銀。換言之，電阻粉末可包括45-58重量％陶瓷組合物。在一個實施方案中，電阻粉末可具有I微歐姆-厘米-1兆歐姆-厘米之間的電阻率。圖3為說明對于根據(jù)一個實施方案的一種實例生料盒的4個不同的層，在電阻粉末中陶瓷組合物和銀的實例比例的表。應(yīng)理解的是，按照整料盒的需要，可使用其它比例的陶瓷組合物和銀，且可使用另外的或更少的層。
一旦得到不同的電阻粉末，將電阻粉末引入到?jīng)_模內(nèi)，以形成堆疊的層。電阻粉末可由呈現(xiàn)最高電阻率的電阻粉末開始引入，隨后覆蓋具有連續(xù)降低電阻率的其它電阻粉末?；蛘?，沖?？捎沙尸F(xiàn)最低電阻率的電阻粉末開始填充，隨后覆蓋具有連續(xù)提高電阻率的其它電阻粉末。為了確保每層均勻的厚度，在引入每一種電阻粉末之后，電阻粉末可例如通過振動沖模或通過使用活塞而沉降到?jīng)_模內(nèi)，以得到具有均勻厚度的層。對于每一個隨后的層，可重復(fù)引入和沉降過程。
隨后在合適的壓力下壓制電阻粉末的堆疊的層，以形成生料盒。壓力可在10Mpa-1 Gpa范圍，基于整料盒的期望的結(jié)構(gòu)特性，例如機械強度、孔隙率等。在一個實施方案中，包括氧化鋅、氧化鋁和銀的電阻粉末可在10 Mpa-60 Mpa之間的壓力下壓制。電阻粉末可使用已知的壓制技術(shù)壓制，例如但不限于單軸壓制、冷等靜壓壓制、熱等靜壓壓制等。在壓制操作期間，溫度可設(shè)定為15°C (例如，在冷等靜壓壓制中)_1600°C (例如，在熱等靜壓壓制中)之間的值。或者，堆疊的層可使用擠出過程壓制，例如熱擠出、冷擠出、流體靜壓擠出等。即使壓制過程使得粉末顆粒在生料盒中在一起，生料盒可呈現(xiàn)孔隙率，因此呈現(xiàn)有限的結(jié)構(gòu)強度。此外，由于在各種電阻粉末中陶瓷組合物和銀的不同的比例，生料盒在連續(xù)的層之間還可具有物理界面(即，物理邊界)。
生料盒可隨后燒結(jié)，以形成整料盒。用于燒結(jié)的溫度可基于電阻粉末的組成來選擇。通常，生料盒可在800°C -2000°C之間的溫度下燒結(jié)2小時-100小時之間的持續(xù)時間。
在電阻粉末包括氧化鋅、氧化鋁和銀的實施方案中，生料盒可在850°C _950°C之間的溫度下燒結(jié)。在燒結(jié)期間溫度變化速率可為約1.5-2.5°C /分鐘。換言之，將生料盒從室溫加熱至約850-950°C，同時控制溫度上升速率在1.5-2.5°C /分鐘之間。生料盒可在空氣氣氛中燒結(jié)。燒結(jié)過程可進行22-26小時的持續(xù)時間。對于一個實例整料盒，生料盒的燒結(jié)在900°C溫度下在空氣氣氛中進行24小時的持續(xù)時間，其中溫度變化速率設(shè)定為2V /分鐘。
在燒結(jié)之前，生料盒包括不同層的不同的電阻粉末，每層呈現(xiàn)不同的電阻率，當橫跨層邊界移動時，電阻率可按不連續(xù)的臺階變化。燒結(jié)引起銀通過生料盒的原子擴散。銀原子沿著在生料盒中存在的孔遷移。在燒結(jié)溫度下，在層之間的物理界面處形成新的微晶，使得初始的層間邊界消失，因此在整料盒中形成連續(xù)的顆粒結(jié)構(gòu)。整料盒現(xiàn)在可呈現(xiàn)電阻率沿著縱向表面的光滑過渡。整料盒的電阻率相對于縱向位置的圖將說明光滑過渡。一種實例實驗裝置的一個這樣的電阻率圖在圖4中說明。用長方形402標記的區(qū)域的擴展圖示于圖5。應(yīng)理解的是，測得的可測量最小電阻率值受到實驗測量裝置的限制，例如，受到在實驗測量裝置中使用的觸點的接觸電阻的限制。
在受控溫度、加熱速率和氣氛下，生料盒的孔隙率可降低，導(dǎo)致比生料盒更致密的整料盒。
燒結(jié)后，整料盒可隨后在受控溫度降低下冷卻，以賦予整料盒期望的硬度和結(jié)構(gòu)強度。冷卻速率可在1.5-2.50C /分鐘之間。對于一個實例整料盒，冷卻速率為2V /分鐘。在固化時，控制冷卻時溫度變化速率可實質(zhì)降低或完全消除在整料盒中形成裂紋或其它畸形。
所得到的整料盒因此具有連續(xù)的顆粒結(jié)構(gòu)和沿著縱向表面從lOe-6歐姆米至10e6歐姆米分級的電阻率。圖6為根據(jù)一個實施方案沿著整料盒的垂直軸，一種實例整料盒的微觀結(jié)構(gòu)的快照。可以看到整料盒呈現(xiàn)不具有邊界的均勻結(jié)晶結(jié)構(gòu)。另外，在放大的圖像中未觀察到裂紋和空隙。整料盒可具有小于100微米的均方根(RMS)表面粗糙度值。在莫氏標度上，整料盒的硬度可大于3。整料盒可在超過300°C的溫度熱穩(wěn)定。由于受控的冷卻速率，整料盒可呈現(xiàn)超過150 MPa的機械強度。
本文呈現(xiàn)的一個實施方案說明用四層電阻粉末舉例說明的整料盒。然而，應(yīng)理解的是，整料盒可包括任何層數(shù)的電阻粉末，取決于設(shè)計和應(yīng)用參數(shù)。根據(jù)本文呈現(xiàn)的方法和組合物，可形成呈現(xiàn)在整料盒的兩端之間分級的電阻率的整料盒。在一些實施方案中，在整料盒的兩端之間，電阻率可分級至多12個數(shù)量級。在一些其它實施方案中，在整料盒的兩端之間，電阻率可分級至少12個數(shù)量級。可基于要在其中部署整料盒的開關(guān)裝置的操作參數(shù)來選擇電阻率的數(shù)量級。這些操作參數(shù)包括，例如，操作電壓和電流、操作功率等。例如，在高功率工業(yè)應(yīng)用中，整料盒可設(shè)計成具有分級8個數(shù)量級的電阻率。然而，對于低功率家庭應(yīng)用，整料盒可設(shè)計成具有分級例如6個數(shù)量級的電阻率。對于需要關(guān)鍵防火安全開關(guān)裝置的較高功率工業(yè)應(yīng)用，整料盒可設(shè)計成具有分級例如12或13個數(shù)量級的電阻率。
此外，可基于數(shù)學函數(shù)調(diào)適在層中電阻率的級數(shù)。任何已知的數(shù)學函數(shù)可用于設(shè)計沿著縱向表面的電阻率分布，例如，拋物線函數(shù)、雙曲線函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、它們的組合等。數(shù)學函數(shù)可為兩個或更多個數(shù)學函數(shù)的組合。電阻粉末的組合物、層的厚度以及因此整料塊的電阻率的分級可設(shè)計成使得固定觸點和滑動觸點之間的電位差總是使得電弧放電的條件不存在。例如，在低電阻率端處，整料盒的電阻率變化速率可以小，并且在整料盒的長度之上逐步提高，使得在高電阻率端處電阻率變化速率高。
權(quán)利要求
1.一種整料盒(200)，其包含: 具有第一電阻率的第一端(202)； 具有第二電阻率的第二端(204)，其中第二電阻率高于第一電阻率；和在第一端(202)和第二端(204)之間的連續(xù)的顆粒結(jié)構(gòu)；其中整料盒(200)的電阻率分級，使得電阻從第一端(202)到第二端(204)連續(xù)變化。
2.權(quán)利要求1的整料盒(200)，其中在第一端(202)和第二端(204)之間所述電阻率分級至多12個數(shù)量級。
3.權(quán)利要求1的整料盒(200)，其還包含: 陶瓷組合物和傳導(dǎo)組合物；其中所述陶瓷組合物與所述傳導(dǎo)組合物的重量比在第一端(202)和第二端(204)之間分級。
4.權(quán)利要求3的整料盒(200)，其中所述陶瓷組合物包含氧化鋅、氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、二氧化硅、氧化錫銦或它們的組合。
5.權(quán)利要求3的整料盒(200)，其中所述傳導(dǎo)組合物包含銀、銅、金、鋁、銦、錫、鎵、鎳、鈦、鋅、鉛、碳、鐵、鶴、鑰或它們的組合。
6.一種形成整料盒(200)的方法，所述方法包括: 將多種電阻粉末引入沖模內(nèi)，以形成堆疊的層(102，104，106，108);其中所述多種電阻粉末包含陶瓷組合物和傳導(dǎo)組合物，并且其中每層包含不同重量比的陶瓷組合物和傳導(dǎo)組合物； 在10 MPa壓力和在環(huán)境溫度下，將所述多種電阻粉末壓制成為生料盒；和 在低于925°C的溫度下燒結(jié)所述生料盒至多24小時的持續(xù)時間。
7.權(quán)利要求6的方法，其中將多種電阻粉末引入沖模內(nèi)還包括: 將多種電阻粉末的第一種(108)引入沖模內(nèi)； 沉降多種電阻粉末的第一種，以形成具有實質(zhì)均勻厚度的第一層(108);和 重復(fù)引入和沉降多種電阻粉末中的每一種，以形成堆疊的連續(xù)的層(102，104，106)。
8.權(quán)利要求6的方法，其中: 所述陶瓷組合物包含氧化鋅、氧化鋁或它們的組合； 所述傳導(dǎo)組合物包含銀； 所述壓制在10 Mpa-60 MPa之間的壓力下進行；和 所述燒結(jié)在850°C _950°C之間的溫度下在空氣氣氛中進行22-26小時的持續(xù)時間；其中用于燒結(jié)的溫度變化速率在1.5-2.50C /分鐘之間。
9.權(quán)利要求8的方法，其中所述陶瓷組合物包含99.5-99.7%氧化鋅粉末和0.3-0.5%氧化鋁粉末的實質(zhì)均質(zhì)的混合物。
10.權(quán)利要求8的方法，其中多種電阻粉末中的每一種包含: 45-58重量％的陶瓷組合物；和 42-55重量％的銀。
全文摘要
陶瓷，使用該陶瓷的分級電阻率整料及制備方法。根據(jù)一個實施方案，呈現(xiàn)了具有分級的電阻率的整料盒(200)。所述整料盒(200)在第一端(202)和第二端(204)之間具有連續(xù)的顆粒結(jié)構(gòu)；其中整料盒(200)的電阻率分級，使得電阻從第一端(202)到第二端(204)連續(xù)變化。還呈現(xiàn)了用于形成所述整料盒(200)的方法和組合物。
文檔編號H01C17/00GK103137279SQ20121050079
公開日2013年6月5日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月30日
發(fā)明者P.帕拉卡拉, S.庫馬, M.納亞克, S.E.里迪 申請人:通用電氣公司