專利名稱：陶瓷點(diǎn)火器組合物的制作方法
發(fā)明的背景發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及陶瓷點(diǎn)火器組合物，具體涉及這樣的組合物，它含有導(dǎo)電材料組分和絕緣材料組分，其中絕緣材料組分中包含較高濃度的金屬氧化物。
發(fā)明的背景陶瓷材料可成功地用作燃?xì)鉅t、爐子和衣服干燥機(jī)的點(diǎn)火器。陶瓷點(diǎn)火器制品要求構(gòu)成一個(gè)通過陶瓷部件的電路，其一部分的電阻很高，當(dāng)用引線通電時(shí)其溫度會(huì)升高。
一種常規(guī)的點(diǎn)火器，Mini-IgniterTM，購自新罕布什爾州Milford的NortonIgniterProducts，是為12伏-120伏用途設(shè)計(jì)的，它有包含氮化鋁(″AlN″)、二硅化鉬(″MoSi2″)和碳化硅(″SiC″)的組合物。雖然Mini-IgniterTM是非常有效的產(chǎn)品，但是某些用途要求電壓超過120V。
具體說在歐洲，標(biāo)稱電壓包括220V(例如意大利)、230V(例如法國)和240V(例如英國)。標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)火器的合格測試要求可在85％-110％指定的標(biāo)稱電壓范圍內(nèi)工作。這樣，一個(gè)點(diǎn)火器要能在整個(gè)歐洲應(yīng)用，就要求必須在約187-264V(即220V的85％和240V的110％)范圍內(nèi)工作。尤其在采用較短熱區(qū)長度(例如約1.2英寸或更短)的情形下，現(xiàn)有的點(diǎn)火器難于提供這樣高和寬的電壓范圍。
例如，在更高的電壓用途中，目前點(diǎn)火器會(huì)發(fā)生溫度擊穿，由此就要求在控制系統(tǒng)中有變壓器來降低電壓。使用這樣的變壓器裝置顯然不太適合。因此，就需求較小的點(diǎn)火器用于高電壓的用途，尤其在約187-264V范圍內(nèi)的用途，它又不要求使用昂貴的變壓器，仍可滿足用具和加熱行業(yè)所提出的下述要求，以預(yù)先適應(yīng)線路電壓方面的變化達(dá)到溫度的時(shí)間(″TTT″)＜5秒85％設(shè)計(jì)電壓時(shí)的最低溫度1100℃
100％設(shè)計(jì)電壓時(shí)的設(shè)定溫度1300℃110％設(shè)計(jì)電壓時(shí)的最高溫度1500℃熱區(qū)長度＜1.2″-1.5″功率＜100W對(duì)于給定的點(diǎn)火器形狀，一種可以提供更高電壓系統(tǒng)的途徑是增大點(diǎn)火器的電阻。任何物體的電阻通常都是由下式表示Rs＝Ry×L/A，其中Rs＝電阻；Ry＝電阻率；L＝導(dǎo)體的長度；A＝導(dǎo)體的截面積。
因?yàn)楝F(xiàn)有陶瓷點(diǎn)火器的單腿長度約1.2英寸，在不降低其價(jià)格情形下，不能明顯增長該腿的長度。同樣，較小點(diǎn)火器的截面積約為0.0010-0.0025平方英寸，由于制造方面的原因，不可能再減小。
美國專利5,405,237(″theWashbum專利″)揭示了適于陶瓷點(diǎn)火器熱區(qū)的組合物，它包含(a)5-50體積％(″體積％″或″vol％″)MoSi2和(b)50-95體積％選自碳化硅，氮化硅，氮化鋁，氮化硼，氧化鋁，鋁酸鎂，氧氮化硅鋁和它們的混合物的材料。
其他非常有用的陶瓷組合物和系統(tǒng)在美國專利s5,514,630和5,820,789中有描述，兩者都是授予Willkens等人的專利。美國專利№5,514,630報(bào)道了熱區(qū)組合物不應(yīng)當(dāng)超過20體積％氧化鋁。美國專利№5,756,215報(bào)道了其他的燒結(jié)的組合物，它包括鉛層，該層含有高達(dá)2重量％碳化硅。
由此就要求有新的陶瓷熱區(qū)點(diǎn)火器組合物。具體是要求有這樣的新點(diǎn)火器組合物，它可以在高電壓例如約187-264V可靠地工作，尤其具有較短的熱區(qū)長度。
發(fā)明的概述我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)了這樣一種新陶瓷組合物，它對(duì)于高電壓包括187-264V的用途特別有效。
本發(fā)明的陶瓷組合物還特別適用于較低電壓用途，包括120V，102V，24V，12V，8V或6V的用途。本發(fā)明組合物能顯示出相當(dāng)有效的能量消耗，由此非常適于這樣的較低電壓用途。
更具體地說，在本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明的陶瓷熱區(qū)組合物含有至少三種組分1)導(dǎo)電材料；2)半導(dǎo)體材料；和3)絕緣材料，其中絕緣材料組分包含較高濃度的金屬氧化物例如氧化鋁。
意外地發(fā)現(xiàn)，這樣高濃度(例如至少約25或30體積％絕緣材料組分)金屬氧化物可提供這樣的陶瓷組合物，它能可靠地提供高標(biāo)稱電壓包括220，230和240V。
此外，本發(fā)明的陶瓷熱區(qū)組合物已一再表明，在極其寬的高電壓范圍包括187-約264V能可靠地適應(yīng)線路電壓。因此，本發(fā)明的點(diǎn)火器能在整個(gè)歐洲使用，并可靠地在不同歐洲國家內(nèi)使用的幾種不同高電壓的85％-110％內(nèi)工作。也應(yīng)當(dāng)明白，雖然某些常規(guī)的熱區(qū)組合物可以在特定的高電壓下提供可靠的電壓，但是當(dāng)電壓在更寬的范圍內(nèi)變化時(shí)，那些組合物往往不能使用。因此，在拓寬的高電壓范圍內(nèi)能提供可靠的長期性能的本發(fā)明組合物，明顯地表現(xiàn)出顯著的優(yōu)點(diǎn)。
雖然本發(fā)明的熱區(qū)組合物對(duì)高電壓用途尤其有效，如上所述，但是發(fā)現(xiàn)此組合物也非常適于較低電壓用途，包括120V或102V，甚至更低電壓例如低于100V的用途，例如6，8，12或24V的用途，或更低電壓系統(tǒng)例如小于6V的系統(tǒng)。例如，本發(fā)明的點(diǎn)火器和熱區(qū)組合物能用于以電池為電源的點(diǎn)燃系統(tǒng)。本發(fā)明的陶瓷熱區(qū)組合物已表明顯示出非常高的耗能效率，因此使該組合物和點(diǎn)火器對(duì)于上述的低電壓用途尤其有用。見例如下述實(shí)施例6的結(jié)果。這樣提高的耗能效率也使得能在點(diǎn)燃系統(tǒng)中使用更經(jīng)濟(jì)的部件，例如相對(duì)于包含與本發(fā)明不同的熱區(qū)組合物的類似點(diǎn)火器，不貴的(較低級(jí)別)變壓器可以有效地與本發(fā)明的點(diǎn)火器一同使用。
本發(fā)明的陶瓷熱區(qū)組合物和點(diǎn)火器也能表現(xiàn)出比現(xiàn)有組合物低的熱擴(kuò)散率和高的比熱，使本發(fā)明的組合物能夠長期保持更多的熱量。見例如下述實(shí)施例7的結(jié)果。
本發(fā)明優(yōu)選的陶瓷點(diǎn)火器有這樣的熱區(qū)組合物，它包含(a)電阻率至少約為1010ohm-cm的電絕緣材料；(b)電阻率約為1-108ohm-cm的約3-45體積％半導(dǎo)體材料，優(yōu)選約5-45體積％的熱區(qū)組合物是半導(dǎo)體材料；(c)金屬導(dǎo)體，其電阻率低于約10-2ohm-cm，優(yōu)選約5-25體積％的熱區(qū)組合物含有金屬導(dǎo)體，其中至少約21體積％熱區(qū)組合物是金屬氧化物絕緣材料。優(yōu)選至少約25體積％熱區(qū)組合物包含金屬氧化物絕緣材料例如氧化鋁，更優(yōu)選至少約30，40，50，60，70或80v/o熱區(qū)組合物包含金屬氧化物絕緣材料例如氧化鋁。優(yōu)選至少約25體積％絕緣材料是金屬氧化物例如氧化鋁，更優(yōu)選至少約30，40，50，60，70，80或90體積％絕緣材料含有金屬氧化物例如氧化鋁。也優(yōu)選的是此時(shí)唯一的絕緣材料組分是金屬氧化物。熱區(qū)組合物優(yōu)選包含約25-80體積％絕緣材料，更優(yōu)選約40-70體積％熱區(qū)組合物是絕緣材料。
本發(fā)明其他優(yōu)選的陶瓷點(diǎn)火器具有這樣的熱區(qū)組合物，它包含電阻率至少約為1010ohm-cm的電絕緣材料，所述絕緣材料的大部分含有金屬氧化物例如氧化鋁；包含半導(dǎo)體材料，它是碳化物例如碳化硅，含量至少約3，4，5或10體積％；還包含金屬導(dǎo)體。
在本發(fā)明的另一方面，優(yōu)選的本發(fā)明陶瓷點(diǎn)火器具有這樣的熱區(qū)組合物，它基本不含碳化物例如SiC。這樣的組合物包含金屬導(dǎo)體和電阻率至少約為1010ohm-cm的電絕緣材料，所述絕緣材料的一部分含有金屬氧化物例如氧化鋁，該絕緣材料組分也含有另一種不是氧化物的絕緣材料，例如氮化物如AlN。這樣的組合物中的含量可以與上述三元絕緣材料/半導(dǎo)體材料/導(dǎo)電材料組合物相同或相似。
本發(fā)明制成的熱表面陶瓷點(diǎn)火器，其熱帶長度相當(dāng)短，例如約1.5英寸或更短，甚至約1.3，1.2或1.0英寸或更短，而且在沒有任何類型的電控制裝置控制點(diǎn)火器的電源情形下，能可靠地在高電壓包括約187-264V下使用。從本文中會(huì)明白，對(duì)于多腿形狀的點(diǎn)火器(例如U形有縫的結(jié)構(gòu))，熱區(qū)長度是沿多腿點(diǎn)火器的單腿的熱區(qū)長度。
此外，本發(fā)明的點(diǎn)火器能在約5或4秒或更短，乃至3，2.5或2秒或更短的時(shí)間內(nèi)，很快發(fā)熱到工作溫度，例如約1300℃，1400℃或1500℃。
本發(fā)明的優(yōu)選的熱區(qū)組合物也能表現(xiàn)出非常高的高溫經(jīng)受能力，即重復(fù)暴露于高溫不會(huì)損壞。由此本發(fā)明包括，能在每次點(diǎn)燃燃料時(shí)不需重新加熱點(diǎn)火器元件的點(diǎn)燃方法。而是點(diǎn)火器能連續(xù)地在高點(diǎn)燃溫度下長期工作，以便在例如熄火時(shí)提供即時(shí)點(diǎn)燃。更具體地說，本發(fā)明的點(diǎn)火器能在高溫長時(shí)間工作(例如約800℃，1000℃，1100℃，1200℃，1300℃，1350℃等)，而無冷卻過程，例如在這樣的溫度工作至少2，5，10，20，30，60或120分鐘或更長。
本發(fā)明的點(diǎn)火器可以具有多種圖案和結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的結(jié)構(gòu)包括″有縫″即兩個(gè)腿的U形系統(tǒng)，且此時(shí)兩個(gè)導(dǎo)電腿之間有空隙，而由熱區(qū)橋接。對(duì)于許多用途，優(yōu)選沒有空隙區(qū)的“無縫”結(jié)構(gòu)。一般的點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)有個(gè)絕緣體區(qū)，插在導(dǎo)電腿之間并接觸一個(gè)電阻性的熱區(qū)。
發(fā)現(xiàn)本發(fā)明中使用的無縫點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)(即中央的點(diǎn)火器區(qū)域有非導(dǎo)體或絕緣體，插在一對(duì)導(dǎo)電區(qū)之間，并接觸電阻性的熱區(qū))會(huì)過早損壞，尤其會(huì)被所謂的″起弧″損壞，此時(shí)電流經(jīng)過兩個(gè)導(dǎo)體區(qū)之間的中央非導(dǎo)體區(qū)，而不是流到電阻性的熱區(qū)。也就是說，在絕緣體區(qū)域會(huì)發(fā)生電介質(zhì)擊穿。這樣的穿過插入的非導(dǎo)體區(qū)域的不好的電流起弧在更高電壓的用途中，例如200V以上，更普遍。
我們找到了幾種方法避免無縫點(diǎn)火器系統(tǒng)中的這樣不好的起弧現(xiàn)象。一種優(yōu)選的方法是增大絕緣體區(qū)域組合物的氮化鋁含量，并相應(yīng)地降低氧化鋁含量。發(fā)現(xiàn)這樣的增大AlN含量能有效地避免不好的起弧現(xiàn)象。另一種方法是使生成的絕緣體區(qū)域氧化。發(fā)現(xiàn)這樣的氧化(例如在空氣中熱處理，用化學(xué)氧化劑處理)能使絕緣體區(qū)域的電阻更大，因而能電氣上更穩(wěn)定。
下面描述本發(fā)明的其他方面。
附圖的簡要說明

圖1示出了一種本發(fā)明優(yōu)選的三元熱區(qū)組合物的顯微結(jié)構(gòu)，其中Al2O3是灰色，SiC是淺灰色，MoSi2是白色。
圖2示出了不含金屬氧化物的現(xiàn)有技術(shù)熱區(qū)組合物的顯微結(jié)構(gòu)，其中AlN是灰色，SiC是淺灰色，MoSi2是白色。
圖3A-3D示出了優(yōu)選的“有縫”和″無縫″點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)。
發(fā)明的詳細(xì)說明如上所述，在本發(fā)明的第一方面，提供燒結(jié)的陶瓷點(diǎn)火器元件，它包含兩個(gè)冷區(qū)，熱區(qū)插在它們之間，熱區(qū)包含熱區(qū)組合物，該組合物包含(a)電絕緣材料；(b)至少約3vol％的半導(dǎo)體材料；和(c)電阻率低于約10-2ohm-cm的金屬導(dǎo)體，至少約21體積％熱區(qū)組合物是金屬氧化物絕緣材料。
本發(fā)明也提供燒結(jié)的陶瓷，它具有熱區(qū)組合物，該組合物包含(a)25-80體積％電絕緣材料；(b)3-45體積％半導(dǎo)體材料；和(c)5-25體積％電阻率低于約10-2ohm-cm的金屬導(dǎo)體，至少約21體積％熱區(qū)組合物包含金屬氧化物絕緣材料。
本發(fā)明還提供燒結(jié)的陶瓷，它具有熱區(qū)組合物，該組合物包含(a)電絕緣材料，絕緣材料含有氮化物和金屬氧化物；和(b)電阻率低于約10-2ohm-cm的金屬導(dǎo)體，所述熱區(qū)組合物基本不含碳化物材料。
本發(fā)明也提供點(diǎn)燃?xì)鈶B(tài)燃料的方法，它一般包括使電流通過本發(fā)明的點(diǎn)火器。
如上所述，意外地發(fā)現(xiàn)，向陶瓷熱區(qū)組合物內(nèi)加入顯著量金屬氧化物能夠制成能在高標(biāo)稱電壓包括220、230或240V下有效使用的陶瓷點(diǎn)火器，此外，這些熱區(qū)組合物能在極其寬的電壓范圍內(nèi)使用，因此所述組合物也能用于較低電壓，例如120V或102V，乃至更低電壓例如6-24V的用途。
也如上所述，并如下面的實(shí)施例所證實(shí)，本發(fā)明的熱區(qū)組合物和點(diǎn)火器能表現(xiàn)出相當(dāng)好的耗能效率和比現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)低的熱擴(kuò)散率和高的比熱。
不受理論的束縛，可以認(rèn)為上述這些性能，或單獨(dú)或組合，都有利于本發(fā)明的點(diǎn)火器在低電壓用途例如小于100V用途時(shí)的性能。具體地說，這樣的有效的能量消耗和/或熱擴(kuò)散率能使本發(fā)明的點(diǎn)火器可用于電池為電源裝置的點(diǎn)火，例如可以用于室外或便攜式加熱或烹飪裝置例如野餐用具，與游樂車輛等一起使用的烹飪(烤架)和加熱用具等。
用于絕緣材料組分中的合適金屬氧化物包括例如氧化鋁，金屬氧氮化物例如氧氮化鋁和氧氮化硅，氧化鎂鋁和氧化硅鋁。為了本發(fā)明的目的，金屬氧氮化物是被認(rèn)為是金屬氧化物。在有些實(shí)施方式中，優(yōu)選使用不含氮組分的金屬氧化物，即金屬氧化物不含氮原子。氧化鋁(Al2O3))通常是優(yōu)選的金屬氧化物。如果需要，也可以使用不同金屬氧化物的混合物，雖然一般采用一種金屬氧化物。
為了本發(fā)明的目的，術(shù)語電絕緣材料指室溫電阻率至少約1010ohm-cm的材料。本發(fā)明熱區(qū)組合物的電絕緣材料組分可以僅含有一種或多種金屬氧化物，或者，絕緣組分可以含有金屬氧化物(一種或多種)以外的材料。例如，絕緣材料組分還可以含有氮化物例如氮化鋁，氮化硅或氮化硼；稀土氧化物(例如，氧化釔)；或稀土氧氮化物。絕緣組分的一種優(yōu)選的加入材料是氮化鋁(AlN)。據(jù)認(rèn)為使用另外的絕緣材料例如氮化鋁與金屬氧化物組合使用能提供所要求熱膨脹相容性的熱區(qū)，同時(shí)保持所要求的承受高電壓能力。
如上所述，絕緣材料組分含有作為相當(dāng)多部分的一種或多種金屬氧化物。更具體地說，至少約25體積％絕緣材料是一種或多種金屬氧化物，更優(yōu)選至少約30，40，50，60，70，75，80，85，90，95或98體積％絕緣材料是一種或多種金屬氧化物例如氧化鋁。
優(yōu)選的本發(fā)明熱區(qū)組合物可以含有這樣的絕緣材料組分，它是僅金屬氧化物與金屬氮化物的組合，尤其氧化鋁(Al2O3)與氮化鋁(AlN)的組合。優(yōu)選地，金屬氧化物是所述組合的主要成分，例如絕緣組分含有至少約50，55，60，70，80，85，90，95或98體積％金屬氧化物例如氧化鋁，其余是金屬氮化物例如氮化鋁。
優(yōu)選的本發(fā)明熱區(qū)組合物也可以含有全部由一種或多種金屬氧化物例如氧化鋁組成的絕緣材料組分。
當(dāng)氧化鋁加入到熱區(qū)組合物的生坯中時(shí)，可以選用任何常規(guī)的氧化鋁粉。一般采用平均粒度約為0.1-10微米、雜質(zhì)僅為0.2w/o的氧化鋁粉。氧化鋁粉的粒度優(yōu)選約為0.3-10微米。更優(yōu)選采用購自阿肯色州Bauxite的AlcoaIndustrialChemicals的Alcoa煅燒氧化鋁。另外，氧化鋁可以以非粉末形式加入，包括但不局限于氧化鋁溶膠凝結(jié)的方式和一部分氮化鋁的水解方式。
通常，優(yōu)選的熱區(qū)組合物包含(a)約50-80體積％電絕緣材料，它的電阻率至少約為1010ohm-cm；(b)約5-45體積％半導(dǎo)體材料，它的電阻率約為10-108ohm-cm；和(c)約5-25體積％金屬導(dǎo)體，它的電阻率低于約10-2ohm-cm。熱區(qū)優(yōu)選包含50-70體積％電絕緣陶瓷，10-45體積％半導(dǎo)體陶瓷和6-16體積％導(dǎo)電材料。
如果電絕緣陶瓷組分的含量高于約80體積％熱區(qū)組合物，那么所形成的組合物就變得電阻過高，在高電壓下達(dá)到目標(biāo)溫度太慢，而不合格。相反，如果它的含量低于約50體積％(例如當(dāng)導(dǎo)電陶瓷的含量約為8體積％)，那么形成的陶瓷就變得在高電壓下導(dǎo)電性過強(qiáng)。顯然，當(dāng)導(dǎo)電陶瓷部分升高至8體積％以上時(shí)，熱區(qū)導(dǎo)電性較大，絕緣部分的用量上限和下限可以合適地提高，以達(dá)到所要求的電壓。
如上所述，在本發(fā)明的另一方面，提供一種陶瓷熱區(qū)組合物，它至少基本不含碳化物例如SiC或任何其他的半導(dǎo)體材料。這樣的組合物包含金屬導(dǎo)體和電絕緣材料，所述電絕緣材料的電阻率至少約1010ohm-cm，絕緣材料的主要成分是金屬氧化物例如氧化鋁，絕緣材料組分也含有再一種不是氧化物的材料例如氮化物如AlN。這樣的組合物優(yōu)選含有低于約5體積％碳化物，更優(yōu)選含有低于約2、1、0.5體積％碳化物，或甚至更優(yōu)選這樣的熱區(qū)組合物完全不含碳化物，也不含其他半導(dǎo)體材料。
為了本發(fā)明的目的，半導(dǎo)體陶瓷(或″半導(dǎo)體″)是室溫電阻率約為10-108ohm-cm的陶瓷。如果半導(dǎo)體組分的含量高于約45體積％熱區(qū)組合物(當(dāng)導(dǎo)電陶瓷為約6-10體積％時(shí))，形成的組合物就變得對(duì)于高電壓用途來說導(dǎo)電性過強(qiáng)，(由于缺乏絕緣體)。相反，如果它的含量低于約10體積％(當(dāng)導(dǎo)電陶瓷為約6-10體積％)，那么形成的組合物就變得電阻過高(由于絕緣體過多)。再次，在較高的導(dǎo)體含量情形下，就需要電阻更高的絕緣體與半導(dǎo)體部分的混合物，以達(dá)到所要求的電壓。一般地，半導(dǎo)體是選自碳化硅(摻雜和未摻雜的)，和碳化硼的碳化物。通常優(yōu)選碳化硅。
為了本發(fā)明的目的，導(dǎo)電材料的室溫電阻率應(yīng)低于約10-2ohm-cm。如果導(dǎo)電組分的含量高于約25體積％熱區(qū)組合物，那么形成的陶瓷就變得對(duì)于高電壓用途來說導(dǎo)電性過強(qiáng)，形成不合格的熱點(diǎn)火器。相反，如果它的含量低于約6體積％，那么形成的陶瓷就變得對(duì)于高電壓用途來說，電阻過高，形成不合格的冷點(diǎn)火器。一般地，導(dǎo)體選自二硅化鉬、二硅化鎢和氮化物例如氮化鈦和碳化物例如碳化鈦。通常優(yōu)選二硅化鉬。
尤其優(yōu)選的本發(fā)明熱區(qū)組合物含有氧化鋁、二硅化鉬和碳化硅，氮化鋁可以用作絕緣材料組分的附加材料。
在Washbum專利(美國專利№5,405,237)中描述的熱區(qū)/冷區(qū)點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)適合用于本發(fā)明。該熱區(qū)提供點(diǎn)燃?xì)怏w的功能性加熱。對(duì)于高電壓用途(例如187-264V)，熱區(qū)的電阻率在1000℃-1600℃溫度范圍內(nèi)，優(yōu)選約為1-3ohm-cm。特定優(yōu)選的熱區(qū)組合物包含約50-80體積％Al2O3，約5-25體積％MoSi2和10-45體積％SiC。更優(yōu)選，它包含約60-80體積％氧化鋁，約6-12體積％MoSi2，15-30體積％SiC。在一個(gè)具體的優(yōu)選實(shí)施方式中，熱區(qū)組合物包含約66體積％Al2O3，14體積％MoSi2和20體積％SiC。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，致密體中熱區(qū)各組分的平均晶粒度(d50)如下所述a)絕緣體(例如Al2O3，AIN等)約2-10微米；
b)半導(dǎo)體(例如SiC)約1-10微米；c)導(dǎo)體(例如MoSi2)約1-10微米。
圖1示出了本發(fā)明優(yōu)選的熱區(qū)組合物的顯微結(jié)構(gòu)，該組合物由Al2O3、SiC和MoSi2的燒結(jié)共混物組成。從圖1可以看出，該組合物具有較均勻的各組分排列，即各組分良好地分散于整個(gè)組合物內(nèi)，顯微結(jié)構(gòu)至少基本上沒有一種組分的大區(qū)域(例如30、40或50微米寬)，此外，導(dǎo)電材料(MoSi2)組分區(qū)域具有連貫的清晰邊界，不是羽毛狀的。
圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)不含金屬氧化物的熱區(qū)組合物的顯微結(jié)構(gòu)。在圖2中，導(dǎo)電材料(MoSi2)組分區(qū)域沒有清晰邊界，相反是彌散呈“羽毛狀”的。
本發(fā)明的點(diǎn)火器能具有多種結(jié)構(gòu)。一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)是有縫系統(tǒng)，例如馬蹄形或U形結(jié)構(gòu)。也優(yōu)選采用直棒形(無縫)，其兩個(gè)冷端即與引線連接的兩端在點(diǎn)火器相反的兩端。
本發(fā)明的點(diǎn)火器一般也含有至少一個(gè)低電阻率的冷區(qū)，與熱區(qū)電連接，供引線連接到點(diǎn)火器上之用。一般地，熱區(qū)組合物設(shè)置在兩個(gè)冷區(qū)之間。優(yōu)選，這樣的冷是例如AlN和/或AI2O3或其他絕緣材料；SiC或其他半導(dǎo)體材料；和MoSi2；或其他導(dǎo)電材料。但是，冷區(qū)內(nèi)導(dǎo)電和半導(dǎo)體材料(例如SiC和MoSi2)的含量百分率明顯比熱區(qū)高。因此，冷區(qū)的電阻率一般僅約為熱區(qū)組合物電阻率的大約1/5-1/1000，因此溫度不會(huì)升高至熱區(qū)水平。一種優(yōu)選的冷區(qū)組合物包含約15-65體積％氧化鋁、氮化鋁或其他絕緣體材料；約20-70體積％MoSi2和SiC或其他導(dǎo)電材料和半導(dǎo)體材料(體積比約為1∶1-1∶3)。冷區(qū)更優(yōu)選包含約15-50體積％AlN和/或Al2O3，15-30體積％SiC和30-70體積％MoSi2。為了便制造，冷區(qū)組合物優(yōu)選用與熱區(qū)組合物相同的材料形成，但其中半導(dǎo)體材料和導(dǎo)電材料的相對(duì)量更高。
用于本發(fā)明的點(diǎn)火器的一種具體優(yōu)選的冷區(qū)組合物含有60體積％MoSi2、20體積％SiC和20體積％Al2O3。用于本發(fā)明的點(diǎn)火器的一種尤其優(yōu)選的冷區(qū)組合物含有30體積％MoSi2，20體積％SiC和50體積％Al2O3。
如上所述，無縫點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)優(yōu)選含有非導(dǎo)電區(qū)域，插在兩個(gè)導(dǎo)電腿之間。燒結(jié)的絕緣體區(qū)的室溫電阻率優(yōu)選至少約為1014ohm-cm，工作溫度下的電阻率至少約為104ohm-cm，強(qiáng)度至少約150MPa。無縫系統(tǒng)的插入絕緣體區(qū)域，其在工作溫度下的電阻率優(yōu)選至少比熱區(qū)電阻率大一個(gè)數(shù)量級(jí)。合適的絕緣體組合物包含至少90體積％一種或多種氮化鋁、氧化鋁和氮化硼。通常優(yōu)選的絕緣體組合物是1)AIN和/或Al2O3和2)SiC的混合物。該組合物優(yōu)選包含至少約90體積％AIN與Al2O3的混合物。
如上所述，為了避免無縫結(jié)構(gòu)中的起弧現(xiàn)象，絕緣體組合物中除了其他的電阻性材料，具體是金屬氧化物例如Al2O3外，還優(yōu)選包含AIN。發(fā)現(xiàn)加入AIN能防止發(fā)生絕緣體區(qū)域的這種電介質(zhì)擊穿。我們也意外地發(fā)現(xiàn)，使用ALN在絕緣體組合物中能在點(diǎn)火器使用期間防止不希望發(fā)生的電介質(zhì)擊穿。而加入其他高電阻性材料并不會(huì)象這樣能減少起弧現(xiàn)象。
本發(fā)明優(yōu)選的絕緣體組合物由AIN、Al2O3和SiC組成。在這樣的AIN/Al2O3/SiC絕緣體組合物中，AIN的含量相對(duì)于Al2O3優(yōu)選至少約為10，15，20，25或30體積％。通常優(yōu)選的用于本發(fā)明無縫點(diǎn)火器的絕緣體組合物中AIN的含量約為3-25體積％，更優(yōu)選約5-20體積％，再優(yōu)選約10-15體積％；Al2O3的含量為60-90體積％，更優(yōu)選65-85體積％，再優(yōu)選70-80體積％；又優(yōu)選75-80體積％；SiC的含量為5-20體積％，優(yōu)選8-15體積％。本發(fā)明無縫點(diǎn)火器的一種具體優(yōu)選的絕緣體組合物由13體積％AIN、77體積％Al2O3和其余的SiC組成。
如上所述，發(fā)現(xiàn)本發(fā)明點(diǎn)火器絕緣體區(qū)域的氧化處理也能防止不希望發(fā)生的電介質(zhì)擊穿。例如，點(diǎn)火器能夠在空氣中長期被加熱例如約1300-1700℃，優(yōu)選約1500-1600℃，長達(dá)例如0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9或1小時(shí)或更長時(shí)間，以提供絕緣體區(qū)域的有效氧化處理。但是，這樣的氧化處理使得需要其他的加工，要求氧化后導(dǎo)電腿的再制備。
點(diǎn)火器的尺寸能會(huì)影響其性質(zhì)和工作性能。熱區(qū)的單腿長度一般應(yīng)當(dāng)大于約0.5英寸(以提供足夠的質(zhì)量使冷卻氣流不會(huì)明顯影響其溫度)，但是要小于約1.5英寸(以提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度性)。其寬度應(yīng)當(dāng)大于約0.1英寸，以提供足夠的強(qiáng)度和加工的容易性。同樣，其厚度應(yīng)當(dāng)大于約0.02英寸，以提供足夠的強(qiáng)度和加工容易性。優(yōu)選地，本發(fā)明的點(diǎn)火器的總單腿長度一般約為1.25-2.00英寸，熱區(qū)截面積約為0.001-0.005平方英寸(優(yōu)選小于0.0025平方英寸)，并是具有兩個(gè)腿的U形結(jié)構(gòu)。
對(duì)于這樣一種優(yōu)選的，可用于187-264伏電壓并具有約66體積％Al2O3、約20體積％SiC和約13.3體積％MoSi2的熱區(qū)組合物的兩腿U形點(diǎn)火器，優(yōu)選具有下述的點(diǎn)火器尺寸長度約1.15英寸；單腿寬度約0.047英寸；厚度約0.030英寸。該種結(jié)構(gòu)和組合物也可用于較低電壓，例如6，8，12，24，102或120V的用途。
一種優(yōu)選的″無縫″點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)的總長度約為1.25-2.00英寸，熱區(qū)長度約為0.1-1.2英寸，熱區(qū)截面積為0.001-0.005平方英寸。對(duì)于較低電壓用途，一般優(yōu)選更短的熱區(qū)長度，例如短于0.5英寸。
圖3A示出了一種優(yōu)選的有縫點(diǎn)火器系統(tǒng)10，它有導(dǎo)電(冷區(qū))腿12和14，U-形熱區(qū)16和″縫″即空隙18插在導(dǎo)電腿12和14之間。如本文所述，熱區(qū)長度在圖3A中用距離x表示，點(diǎn)火器長度為y，熱區(qū)和點(diǎn)火器寬度為z。
通過位于導(dǎo)電帶12和14各自末端12’和14’的引線，能夠?qū)c(diǎn)火器10通電。
圖3B示出了一種優(yōu)選的無縫點(diǎn)火器系統(tǒng)20，它有導(dǎo)電(冷區(qū))腿22和24，插入的絕緣體區(qū)域26和U-形熱區(qū)28。在無縫系統(tǒng)情形下，如本文所示，熱區(qū)長度在圖3B中用距離x表示，點(diǎn)火器長度為y，熱區(qū)和點(diǎn)火器寬度為z。通過位于導(dǎo)電帶末端22’和24’的引線能夠?qū)c(diǎn)火器20通電。
圖3C和3D示出了本發(fā)明點(diǎn)火器其他的合適的無縫結(jié)構(gòu)。在圖3C和圖3D中，編號(hào)與圖3B中的相對(duì)應(yīng)，即在圖3C和圖3D中，無縫點(diǎn)火器系統(tǒng)都有導(dǎo)電腿22和24，插入的絕緣體區(qū)26和熱區(qū)域28。
本發(fā)明的點(diǎn)火器的一個(gè)特別優(yōu)選的熱區(qū)組合物含有約14％MoSi2，約20％SiC，其余為Al2O3。這樣的組合物優(yōu)選用于無縫點(diǎn)火器系統(tǒng)，它的熱區(qū)長度宜于為約0.5英寸。另一個(gè)優(yōu)選的熱區(qū)組合物含有約16％MoSi2，約20％SiC，其余為Al2O3。這樣的組合物優(yōu)選用于無縫點(diǎn)火器系統(tǒng)，熱區(qū)長度宜約為0.1-1.6英寸。如上所述，對(duì)于較低電壓用途，例如小于100V用途，一般優(yōu)選較短的熱區(qū)長度，例如小于0.5。
通常，本發(fā)明的熱表面陶瓷點(diǎn)火器能制成相當(dāng)短的熱區(qū)長度，例如約1.5英寸或更短，或甚至約1.4，1.3，1.2，1.1，1.0，0.9，0.8英寸或更短，可以可靠地用于高電壓范圍，包括約220-240V，并可以用于沒有任何類型電控制裝置來計(jì)量控制點(diǎn)火器的能量的情況。
陶瓷點(diǎn)火器的一個(gè)重要性能，尤其當(dāng)氣體是燃料時(shí)，是達(dá)到溫度的時(shí)間(″TTT″)，即點(diǎn)火器熱區(qū)從室溫升高至燃料(氣體)點(diǎn)燃溫度的時(shí)間。本發(fā)明的點(diǎn)火器能在約5或4秒或更短，甚至3秒或更短，或甚至2.75，2.5，2.25或2秒或更短的時(shí)間內(nèi)很快加熱至工作溫度，例如約1300℃，1400℃或1500℃。
發(fā)現(xiàn)本發(fā)明熱區(qū)組合物表現(xiàn)出能經(jīng)受極其高的溫度例如高達(dá)1750℃的能力，不會(huì)有嚴(yán)重的氧化或燃盡問題。當(dāng)重復(fù)暴露于1600℃時(shí)，常規(guī)的系統(tǒng)就不行。相反，優(yōu)選的本發(fā)明熱區(qū)組合物可經(jīng)受得住在這樣高溫的“壽命試驗(yàn)”，例如1450℃下30秒打開30秒關(guān)閉的50,000次循環(huán)。也發(fā)現(xiàn)相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)組合物，本發(fā)明的點(diǎn)火器在這樣的加熱試驗(yàn)循環(huán)中，表現(xiàn)出明顯的安培數(shù)下降和溫度變化。
如前所述，本發(fā)明包括不需要重新加熱陶瓷點(diǎn)火器的點(diǎn)燃方法。而是點(diǎn)火器能在足以點(diǎn)燃燃料的高溫下長期運(yùn)行，不需要不斷地打開/關(guān)閉(即加熱/冷卻)循環(huán)。
陶瓷組分的加工(即，生坯加工和燒結(jié)條件)以及用致密陶瓷制造點(diǎn)火器能采用常規(guī)的方法進(jìn)行。一般地，這樣的方法基本根據(jù)Washbum的專利進(jìn)行。還可參見下述說明條件的實(shí)施例。熱區(qū)組合物的燒結(jié)優(yōu)選在較高的溫度進(jìn)行，例如在約1800℃或略高的溫度進(jìn)行。燒結(jié)一般在壓力下進(jìn)行，或在單向壓力(熱壓)或在熱液靜壓力(HIP)下進(jìn)行。
還驚人地發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的熱區(qū)組合物能在高溫(例如至少約1800或1850℃)單向壓力下一次有效地致密化，這與現(xiàn)有技術(shù)組合物不同。
現(xiàn)有技術(shù)的熱區(qū)組合物要求兩步分開的燒結(jié)步驟，第一步是熱壓(例如低于1500℃例如1300℃)，接著是第二步高溫?zé)Y(jié)(例如1800或1850℃)。第一步熱壓使密度增至理論密度的約65-70％，第二步更高溫度的燒結(jié)使密度最終增加至理論密度99％以上。現(xiàn)有技術(shù)的熱區(qū)組合物要求密度超過99％，目的是提供合格的電性能。
本發(fā)明熱區(qū)組合物的一次高溫?zé)Y(jié)就能使密度達(dá)到至少約為理論密度的95、96或97％。此外，還發(fā)現(xiàn)這種密度低于理論密度的99％(例如約95、96，97或98％理論密度)的本發(fā)明熱區(qū)組合物表現(xiàn)出相當(dāng)合格的電性能。見例如下述實(shí)施例5詳細(xì)說明的結(jié)果。
本發(fā)明的點(diǎn)火器可以用于許多用途，包括氣相燃料點(diǎn)燃的一些用途例如爐子和烹飪用具、踢腿板式加熱器、鍋爐、和上等爐。如上所述，本發(fā)明的點(diǎn)火器還能用于以電池為電源的系統(tǒng)，例如點(diǎn)燃是以電池，例如6、8或24V電池，甚至更低電壓系統(tǒng)例如小于6V系統(tǒng)為源的烹飪器具或加熱器具。
本發(fā)明的點(diǎn)火器也可以用于其他用途，包括用作多種系統(tǒng)中的加熱元件。在一種優(yōu)選的用途中，本發(fā)明的點(diǎn)火器是用作紅外線輻射源(即熱區(qū)放出紅外線)，例如爐子內(nèi)的加熱元件，或在包括光譜儀的控制或檢測裝置中用作發(fā)光塞等。
下述的一些非限制性實(shí)施例用于說明本發(fā)明。本文中提到的所有文獻(xiàn)都參考結(jié)合于此。
實(shí)施例1本發(fā)明的點(diǎn)火器的制備和在高電壓下的測試如下所述。制備了熱區(qū)和冷區(qū)組合物。熱區(qū)組合物包含66體積份Al2O3，14體積份MoSi2和20體積份SiC，它們?cè)诟呒羟谢旌掀鲀?nèi)共混。冷區(qū)組合物包含約50體積份Al2O3，約30體積份MoSi2和約20體積份SiC，它們?cè)诟呒羟谢旌掀鲀?nèi)共混。將冷區(qū)組合物加入到熱壓模子中，然后將熱區(qū)組合物加入到該同一模子中冷區(qū)組合物的上面。所述兩種組合物一同在氬氣中在1300℃、3000psi下熱壓1小時(shí)，形成坯料，其密度約為理論密度的60-70％。然后，將該坯料切削加工成板坯，尺寸為2.0英寸×2.0英寸×0.250英寸。接著，將板坯在1790℃、30000psi壓力下熱液靜壓(HIP)1小時(shí)。HIP后，將此致密的板坯切削加工成所要求的U形形狀。形成的點(diǎn)火器在230V下工作良好，具有良好的電阻率約1.5ohm cm，達(dá)到點(diǎn)燃溫度的時(shí)間約為4秒，并表現(xiàn)出高達(dá)至少285V(285V測試電壓是測試設(shè)備的極限)的穩(wěn)定性，由此說明本發(fā)明點(diǎn)火器在高標(biāo)稱電壓和寬范圍高的線路電壓是有效的。
實(shí)施例2制備了另一種熱區(qū)組合物，它含有67體積份Al2O3、13體積份MoSi2和20體積份SiC，在高剪切混合器內(nèi)共混。制備與上面實(shí)施例1所述同樣的冷區(qū)組合物，用與實(shí)施例1所述相同的步驟加工熱和冷區(qū)組合物并形成點(diǎn)火器。形成的點(diǎn)火器表現(xiàn)出與實(shí)施例1點(diǎn)火器所述同樣的性能結(jié)果。由此說明，該點(diǎn)火器在高標(biāo)稱電壓和寬范圍高的線路電壓也是有效的。
實(shí)施例3制備了本發(fā)明的又一種熱區(qū)組合物，它含有66.7體積份Al2O3、13.3體積份MoSi2和20體積份SiC，在高剪切混合器內(nèi)共混。制備與上面實(shí)施例1所述同樣的冷區(qū)組合物，用與實(shí)施例1所述相同的步驟加工熱和冷區(qū)組合物并形成點(diǎn)火器。形成的點(diǎn)火器表現(xiàn)出與實(shí)施例1點(diǎn)火器所述同樣的性能結(jié)果。由此說明，該點(diǎn)火器在高標(biāo)稱電壓和寬范圍高的線路電壓也是有效的。
實(shí)施例4制備了再一種熱區(qū)組合物，它含有66.4體積份Al2O3、13.6體積份MoSi2和20體積份SiC，在高剪切混合器內(nèi)共混。制備與上面實(shí)施例1所述同樣的冷區(qū)組合物，用與實(shí)施例1所述相同的步驟加工熱和冷區(qū)組合物并形成點(diǎn)火器。形成的點(diǎn)火器表現(xiàn)出與實(shí)施例1點(diǎn)火器所述同樣的性能結(jié)果。由此說明，該點(diǎn)火器在高標(biāo)稱電壓和寬范圍高的線路電壓也是有效的。
實(shí)施例5如下所述，制備了又一種本發(fā)明的點(diǎn)火器，并在高電壓下進(jìn)行了測試。
制備了熱區(qū)和冷區(qū)組合物。熱區(qū)組合物包含約66體積份Al2O3、約14體積份MoSi2和約20體積份SiC，在高剪切混合器內(nèi)共混。冷區(qū)組合物包含約50體積份Al2O3、約30體積份MoSi2和約20體積份SiC，在高剪切混合器內(nèi)共混。將冷區(qū)組合物加入到熱壓模子中，再將熱區(qū)組合物加入到這同一模子中的冷區(qū)組合物上面。所述這兩種組合物一同在氬氣中在1800℃、3000psi下熱壓1小時(shí)，形成坯料，其密度約為理論密度的97％。然后，將該坯料切削加工成板坯，其尺寸為2.0英寸×2.0英寸×0.250英寸。接著，將這些板坯直接切削加工成具有U形形狀的點(diǎn)火器元件(即不經(jīng)過HIP)。形成的點(diǎn)火器在230V下工作良好，具有良好的電阻率約lohm cm，達(dá)到點(diǎn)燃溫度的時(shí)間約為5秒，并表現(xiàn)出高達(dá)至少285V(285V測試電壓是測試設(shè)備的極限)的穩(wěn)定性，由此說明點(diǎn)火器在高標(biāo)稱電壓和寬范圍高的線路電壓是有效的。
實(shí)施例6本發(fā)明點(diǎn)火器的能量消耗通過測量設(shè)定電壓下的電流來測得。本發(fā)明的一些點(diǎn)火器一致地表現(xiàn)出比具有不同熱區(qū)組合物的類似點(diǎn)火器大的耗能效率。
具體地說，本發(fā)明一個(gè)具有含下述各組分的熱區(qū)組合物的有縫點(diǎn)火器65體積份Al2O3、約15體積份MoSi2和約20體積份SiC，在120V的0.25A-0.35A所要求的。
本發(fā)明一個(gè)具有含下述各組分的熱區(qū)組合物的比較的有縫點(diǎn)火器77體積份AlN、約13體積份MoSi2和約10體積份SiC，在120V的0.5A-0.6A所要求的。
實(shí)施例7測試了本發(fā)明點(diǎn)火器和具有不同于本發(fā)明的熱區(qū)組合物的類似點(diǎn)火器的熱擴(kuò)散率和比熱的值。本發(fā)明的一些點(diǎn)火器一致地表現(xiàn)出比具有不同于本發(fā)明的熱區(qū)組合物的類似點(diǎn)火器低的熱擴(kuò)散率和高的比熱。
對(duì)于具有含下述組分的熱區(qū)組合物的本發(fā)明有縫點(diǎn)火器測得了下述各溫度下的熱擴(kuò)散率66.7體積份Al2O3、約13.3體積份MoSi2和約20體積份SiC溫度(℃)熱擴(kuò)散率(cm2/s)20 0.1492128 0.088208 0.0695302 0.058426 0.0472524 0.0397619 0.0343717 0.0307810 0.0291921 0.025610020.024211140.022412280.020313100.019514280.018215130.017120 0.1503對(duì)于具有含下述各組分的熱區(qū)組合物的本發(fā)明比較的有縫點(diǎn)火器測得了下述各溫度下的熱擴(kuò)散率70體積份AIN、約10體積份MoSi2和約20體積份SiC
溫度(℃)熱擴(kuò)散率(cm2/s)20 0.262126 0.183204 0.147325 0.0117416 0.102517 0.0902615 0.0812714 0.0725818 0.0668910 0.059310050.055211050.054912030.046913120.042514140.04115160.036922 0.274參照一些具體實(shí)施方式
已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明。但是，本行業(yè)內(nèi)的普通技術(shù)人員了解了本文所述內(nèi)容，就可以進(jìn)行各種在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的改變和變化。
權(quán)利要求
1.一種燒結(jié)的陶瓷點(diǎn)火器元件，它包括兩個(gè)冷區(qū)，它們之間設(shè)置有包含熱區(qū)組合物的熱區(qū)，所述熱區(qū)組合物包含(a)電絕緣材料；(b)至少約3體積％半導(dǎo)體材料；(c)電阻率低于約10-2ohm-cm的金屬導(dǎo)體，其中至少約21體積％熱區(qū)組合物包含金屬氧化物絕緣材料。
2.如權(quán)利要求1所述的點(diǎn)火器，其特征在于所述的絕緣材料含有至少約25體積％金屬氧化物。
3.如權(quán)利要求1所述的點(diǎn)火器，其特征在于所述絕緣材料由金屬氧化物組成。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的點(diǎn)火器，其特征在于金屬氧化物包括氧化鋁。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的點(diǎn)火器，其特征在于所述金屬氧化物包含一種或多種氧化鋁、金屬氧氮化物、氧化鎂鋁和氧化硅鋁。
6.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的點(diǎn)火器，其特征在于所述絕緣材料含有一種或多種選自氮化物、稀土氧化物和稀土氧氮化物的材料。
7.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的點(diǎn)火器，其特征在于所述絕緣材料包括氮化鋁。
8.如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的點(diǎn)火器，其特征在于所述半導(dǎo)體材料包括碳化硅。
9.如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的點(diǎn)火器，其特征在于所述金屬導(dǎo)體是二硅化鉬。
10.如權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的點(diǎn)火器，它還包含冷區(qū)組合物，該組合物包含約15-50體積％絕緣體材料、0-50體積％半導(dǎo)體材料和20-70體積％金屬導(dǎo)電材料。
11.如權(quán)利要求10所述的點(diǎn)火器，其特征在于所述冷區(qū)絕緣體材料是氮化鋁或氧化鋁或它們的混合物；冷區(qū)半導(dǎo)體材料是碳化硅；冷區(qū)導(dǎo)電材料是MoSi2。
12.如權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)所述的點(diǎn)火器，其特征在于所述點(diǎn)火器的結(jié)構(gòu)有縫。
13.如權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)所述的點(diǎn)火器，其特征在于所述點(diǎn)火器的結(jié)構(gòu)無縫。
14.如權(quán)利要求1-11或13中任一項(xiàng)所述的點(diǎn)火器，其特征在于所述點(diǎn)火器包含絕緣體區(qū)、導(dǎo)電區(qū)和熱區(qū)，所述絕緣體區(qū)插在一對(duì)導(dǎo)電區(qū)之間，絕緣體區(qū)包含AlN，其電阻比熱區(qū)大。
15.如權(quán)利要求14所述的點(diǎn)火器，其特征在于所述點(diǎn)火器區(qū)含有AlN、Al2O3和SiC。
16.如權(quán)利要求1-11或13中任一項(xiàng)所述的點(diǎn)火器，其特征在于所述點(diǎn)火器包含絕緣體區(qū)、導(dǎo)電區(qū)和熱區(qū)，絕緣體區(qū)被氧化處理過。
17.如權(quán)利要求13-16中任一項(xiàng)所述的點(diǎn)火器，其特征在于所述點(diǎn)火器包含絕緣體區(qū)，該絕緣體區(qū)包含約3-25體積％AIN、約60-90體積％Al2O3和約5-20體積％SiC。
18.如權(quán)利要求13-16中任一項(xiàng)所述的點(diǎn)火器，其特征在于所述點(diǎn)火器包含絕緣體區(qū)，該絕緣體區(qū)包含約5-20體積％AlN、約65-85體積％Al2O3和約8-15體積％SiC。
19.一種燒結(jié)的陶瓷，它具有包含下述各組分的熱區(qū)組合物(a)25-80體積％電絕緣材料；(b)3-45體積％半導(dǎo)體材料；(c)5-25體積％電阻率低于約10-2ohm-cm的金屬導(dǎo)體，其中至少約21體積％熱區(qū)組合物包含金屬氧化物絕緣材料。
20.如權(quán)利要求19所述的陶瓷，其特征在于所述絕緣材料含有至少約50體積％金屬氧化物。
21.如權(quán)利要求19所述的陶瓷，其特征在于絕緣材料含有至少約80體積％金屬氧化物。
22.如權(quán)利要求19所述的陶瓷，其特征在于絕緣材料含有至少約90體積％金屬氧化物。
23.如權(quán)利要求19所述的陶瓷，其特征在于絕緣材料由金屬氧化物組成。
24.如權(quán)利要求19-23中任一項(xiàng)所述的陶瓷，其特征在于所述金屬氧化物包含氧化鋁。
25.如權(quán)利要求19-23中任一項(xiàng)所述的陶瓷，其特征在于所述金屬氧化物由氧化鋁組成。
26.如權(quán)利要求19-24中任一項(xiàng)所述的陶瓷，其特征在于所述金屬氧化物含有一種或多種選自氧化鋁、氧化鎂鋁、金屬氧氮化物和氧化硅鋁的材料。
27.如權(quán)利要求19-26中任一項(xiàng)所述的陶瓷，其特征在于所述絕緣材料含有一種或多種選自氮化物、稀土氧化物和稀土氧氮化物的材料。
28.如權(quán)利要求19-27中任一項(xiàng)所述的陶瓷，其特征在于所述絕緣材料包含氮化鋁。
29.如權(quán)利要求19-28中任一項(xiàng)所述的陶瓷，其特征在于所述絕緣材料占熱區(qū)組合物的50-80體積％。
30.如權(quán)利要求19-29中任一項(xiàng)所述的陶瓷，其特征在于所述半導(dǎo)體材料包括碳化硅。
31.如權(quán)利要求19-30中任一項(xiàng)所述的陶瓷，其特征在于所述半導(dǎo)體材料占熱區(qū)組合物的5-30體積％。
32.如權(quán)利要求19-31中任一項(xiàng)所述的陶瓷，其特征在于所述金屬導(dǎo)體是二硅化鉬。
33.如權(quán)利要求32所述的陶瓷，其特征在于二硅化鉬占熱區(qū)組合物的6-16體積％。
34.如權(quán)利要求19-33中任一項(xiàng)所述的陶瓷，它還包括冷區(qū)組合物，該組合物包含約15-50體積％絕緣體材料、0-50體積％半導(dǎo)體材料和20-70體積％金屬導(dǎo)電材料。
35.如權(quán)利要求34所述的陶瓷，其特征在于冷區(qū)絕緣體材料是氮化鋁或氧化鋁或它們的混合物；冷區(qū)半導(dǎo)體材料是碳化硅；冷區(qū)導(dǎo)電材料是MoSi2。
36.一種含有熱區(qū)組合物的燒結(jié)陶瓷，所述熱區(qū)組合物包含(a)電絕緣材料，該絕緣材料含有氮化物和金屬氧化物；(b)金屬導(dǎo)體，它的電阻率低于約10-2ohm-cm，所述熱區(qū)組合物基本不含碳化物材料。
37.如權(quán)利要求36所述的陶瓷，其特征在于絕緣材料含有至少約50體積％金屬氧化物。
38.如權(quán)利要求36或37所述的陶瓷，其特征在于絕緣材料含有氮化鋁。
39.如權(quán)利要求36-38中任一項(xiàng)所述的陶瓷，其特征在于所述金屬氧化物包括氧化鋁。
40.如權(quán)利要求36-39中任一項(xiàng)所述的陶瓷，其特征在于所述金屬氧化物含有一種或多種選自氧化鋁、氧化鎂鋁、金屬氧氮化物和氧化硅鋁的材料。
41.如權(quán)利要求36-40中任一項(xiàng)所述的陶瓷，其特征在于所述絕緣材料含有一種或多種選自氮化物、稀土氧化物和稀土氧氮化物的材料。
42.如權(quán)利要求36-41中任一項(xiàng)所述的陶瓷，其特征在于所述熱區(qū)組合物基本不含碳化硅。
43.如權(quán)利要求36-42中任一項(xiàng)所述的陶瓷，其特征在于所述熱區(qū)組合物含有不超過約2體積％的碳化物。
44.如權(quán)利要求36-42中任一項(xiàng)所述的陶瓷，其特征在于所述熱區(qū)組合物完全不含碳化物。
45.如權(quán)利要求36-44中任一項(xiàng)所述的陶瓷，它還包括冷區(qū)組合物，該冷區(qū)組合物包含約15-50體積％絕緣體材料、0-50體積％半導(dǎo)體材料和20-70體積％金屬導(dǎo)電材料。
46.如權(quán)利要求45所述的陶瓷，其特征在于冷區(qū)絕緣體材料是氮化鋁或氧化鋁或它們的混合物；冷區(qū)半導(dǎo)體材料是碳化硅；冷區(qū)導(dǎo)電材料是MoSi2。
47.如權(quán)利要求17或36所述的陶瓷，其特征在于所述陶瓷通過一次高溫?zé)Y(jié)加工致密化至約95、96、97或98％理論密度。
48.一種點(diǎn)燃?xì)鈶B(tài)燃料的方法，它包括使電流通過權(quán)利要求1-18中任一種所述的點(diǎn)火器。
49.如權(quán)利要求48所述的方法，其特征在于電流的線路電壓約為187-264伏。
50.如權(quán)利要求48或49所述的方法，其特征在于所述電壓是約6、8、12、24、120、220、230或240V。
52.如權(quán)利要求48或49所述的方法，其特征在于所述電壓低于100V。
53.如權(quán)利要求48所述的方法，其中電壓是約6、8、12、24或102V，或者低于約6V。
54.如權(quán)利要求48-53中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述電壓由電池電源供應(yīng)。
55.如權(quán)利要求48-54中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述陶瓷的熱區(qū)長度約為1.2英寸或更短。
56.如權(quán)利要求48-54中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于在足以點(diǎn)燃?xì)鈶B(tài)燃料的溫度下所述點(diǎn)火器熱區(qū)保持不中斷至少0.5小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種陶瓷點(diǎn)火器的組合物，它含有導(dǎo)電材料組分和絕緣材料組分，其中絕緣材料組分包含較高濃度金屬氧化物。本發(fā)明的陶瓷點(diǎn)火器尤其對(duì)于高電壓包括約187－264伏整個(gè)范圍的用途有效。本發(fā)明的點(diǎn)火器也適合于較低電壓，例如120V或102V和小于100V例如6，8，12或24V的用途。
文檔編號(hào)H05B3/10GK1451088SQ00817443
公開日2003年10月22日 申請(qǐng)日期2000年12月20日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月20日
發(fā)明者R·J·林, C·A·威爾肯斯, K·C·索洛法, T·J·謝里丹 申請(qǐng)人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司