專利名稱：陶瓷加熱裝置及其生產(chǎn)方法以及插入加熱裝置的火花塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷電阻器被埋入燒結(jié)氮化硅體中的陶瓷加熱器及其生產(chǎn)方法，更具體地說(shuō)，涉及用于內(nèi)燃機(jī)如柴油機(jī)的輔助點(diǎn)火電極的火花塞和用于其它加熱或烹調(diào)裝置的陶瓷加熱器。
在各種導(dǎo)電陶瓷中，已經(jīng)提供了含有選自適合于電流通過(guò)能夠發(fā)熱的電阻器的元素W、Ta、Nb、Ti、Mo、Zr、Hf、V和Cr的硅化物、碳酸鹽和氮化物，因?yàn)檫@些化合物具有高熔點(diǎn)同時(shí)具有10-5-10-10Ω·cm的低電阻率。由于這些原因，已經(jīng)用上述硅化物、碳酸鹽和氮化物作為主要組份生產(chǎn)出高溫下使用的發(fā)熱電阻器。而且，正如日本專利公開(kāi)申請(qǐng)?zhí)?3-37587和1-313362所述，發(fā)熱電阻器通常被插入陶瓷絕緣體中例如氮化硅基陶瓷而形成強(qiáng)度高和抗氧化性好的陶瓷加熱器。
在陶瓷電阻器僅用碳化鎢(WC)制成并埋入高強(qiáng)和高抗氧化性的陶瓷絕緣體的陶瓷加熱器中，陶瓷電阻器很可能由于電阻器和陶瓷絕緣體之間的熱膨脹不同而開(kāi)裂。在重復(fù)快速的熱循環(huán)下，這可能引起電阻器斷路而縮短陶瓷加熱器的使用壽命。
由于這些原因，現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)介紹了一種陶瓷電熱器，其中通過(guò)把導(dǎo)電陶瓷顆粒與絕緣或十分絕緣的陶瓷顆粒(例如氮化硅)混合使陶瓷電阻器回火以及埋入高強(qiáng)和高抗氧化性的陶瓷絕緣體中并且如日本專利公開(kāi)申請(qǐng)?zhí)?0-60983、60-216484、60-254586、63-96883、64-61356和2-229765說(shuō)明的那樣共同燒制。
然而，在陶瓷絕緣體(或十分絕緣的)粒料駐留在導(dǎo)電陶瓷顆粒間縫隙的情況下，陶瓷絕緣體顆粒和顆粒界面相在加熱操作下由于導(dǎo)電陶瓷顆粒間的晶粒間的電勢(shì)而引起電解，以致于陶瓷電阻器本身的電阻增加時(shí)出現(xiàn)不利的腐蝕。
所以，本發(fā)明的目的是提供一種用于火花塞的陶瓷加熱器及其生產(chǎn)方法，該加熱器能夠保持長(zhǎng)時(shí)間的良好功能、高強(qiáng)和高抗氧化性以及提供高的可靠性例如電阻的穩(wěn)定性等等。
按照本發(fā)明，提供的燒結(jié)陶瓷加熱器包括發(fā)熱電阻器、和用來(lái)包裹所說(shuō)電阻器的陶瓷絕緣體其中所說(shuō)的電阻器基本上是由導(dǎo)電陶瓷顆粒、二級(jí)陶瓷顆粒和顆粒周圍的顆粒相組成，其通式為2E2O3·Si2－xAlxN2－xO1－x，其中E表示至少一種稀土金屬元素和0＜x＜2。
由于陶瓷加熱的陶瓷電阻器包括導(dǎo)電陶瓷顆粒、二級(jí)絕緣陶瓷顆粒和顆粒界面晶相，所以它們可減小陶瓷電阻器和陶瓷絕緣體之間的熱膨脹差別，由此有效地避免了電阻器由于熱應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫，從而有助地延長(zhǎng)陶瓷加熱器的使用壽命，而且還可以阻止陶瓷電阻器在高溫操作下電阻率的降低。
按照本發(fā)明的另一方面，導(dǎo)電陶瓷顆粒包含至少一種選自WC、MoSi2和Mo5Si3的組份。
按照本發(fā)明的其它一方面，二級(jí)陶瓷顆粒包含一種具有膨脹β相氮化硅晶格和具有通式Si6－zAlzN8－zOz，其中0＜Z≤5的化合物。
按照本發(fā)明的又一方面，陶瓷電阻器的電阻率大于10-4Ω·cm。
當(dāng)陶瓷電阻器僅由WC(碳化鎢)顆粒制成時(shí)，陶瓷電阻器的電阻率小于10-4Ω·cm。這使得增大陶瓷電阻器的截面面積很難。也就是說(shuō)，例如在把鎢導(dǎo)線(直徑0.2-0.3mm)連接到發(fā)熱電阻器上時(shí)，本發(fā)明可把導(dǎo)線的前端(例如長(zhǎng)度3-4mm)埋入電阻器中，然后共同燒制電阻器和導(dǎo)線，因此增強(qiáng)了它們之間的電聯(lián)接。
還有，當(dāng)陶瓷電阻器僅由WC顆粒制成時(shí)，由于絕緣陶瓷材料和埋入絕緣陶瓷材料中的電阻器之間的熱膨脹不同，陶瓷加熱器會(huì)發(fā)生斷路。因?yàn)樵赪C顆粒中有賽綸陶瓷顆粒和顆粒界面相存在，可消除陶瓷電阻器的熱應(yīng)力，從而有效地避免了包裹絕緣體的斷路或者陶瓷加熱器的破裂。
本發(fā)明根據(jù)對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn)它們具有膨脹β相氮化硅晶格的二級(jí)顆粒，具有的通式為Si6－zAlzN8－zOz，其中0＜z≤5，和具有顆粒界面相，其通式為2E2O3Si2－xAlxN2－xO1－x，其中E代表至少一種稀土金屬元素且0＜x＜2。
由于發(fā)明者發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，盡管在電阻兩端之間即WC顆粒之間施加了電勢(shì)，也可避免包含碳化鎢的陶瓷電阻器的電解，因此由于其電阻沒(méi)有任何明顯的增加而不會(huì)引起陶瓷電阻器的損壞。
按照本發(fā)明的其它方面，電阻器的電阻率大于10-4Ω·cm而小于1000Ω·cm。
按照本發(fā)明的另一方面，在燒結(jié)陶瓷電阻器中每種導(dǎo)電陶瓷顆粒和二級(jí)陶瓷顆粒具有平均粒徑為2-5微米。
實(shí)際上，我們發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電陶瓷顆粒和二級(jí)陶瓷顆粒燒結(jié)后的平均顆粒大小約為3微米。這是因?yàn)榫Я５纳L(zhǎng)在燒結(jié)工序后比燒結(jié)前的大。
按照本發(fā)明的又一方面，陶瓷絕緣體基本上是由氮化硅陶瓷材料組成，而電阻器包含賽綸顆粒。在這種情況下，最好使外部陶瓷絕緣體的熱膨脹系數(shù)實(shí)質(zhì)上與陶瓷電阻器中的二級(jí)顆粒的相同。
外部陶瓷絕緣體基本上由硅鋁氧氮化物陶瓷材料制成，該陶瓷材料主要由膨脹β相氮化硅晶格(通式為Si6－zAlzN8－zOz，其中0＜z≤5)和包含至少一種稀土金屬的二級(jí)相組成?，F(xiàn)在，硅鋁氧氮化物通常被稱之為賽綸例如已經(jīng)由德國(guó)專利號(hào)1600602公開(kāi)。
按照本發(fā)明的其它方面，在發(fā)熱電阻器中稀土金屬之一最好優(yōu)選自鉺、鐿和釔以形成(2E2O3·Si2－xAlxN2－xO1＋x)。2E2O3·Si2－xAlxN2－xO1＋x代表晶相。因此直到燒結(jié)制得這種晶相為止，才可使用滿足本發(fā)明要求的任何其它稀土金屬或它的氧化物。
按照本發(fā)明的其它方面，所提供的燒結(jié)陶瓷加熱器包括發(fā)熱電阻器；一對(duì)連接到電阻器的金屬導(dǎo)線，以及用來(lái)包裹陶瓷電阻器和金屬導(dǎo)線的陶瓷絕緣體，其中陶瓷電阻器基本上是由導(dǎo)電陶瓷顆粒、二級(jí)陶瓷顆粒和具有通式為2E2O3Si2－xAlxN2－xO1－x(其中E代表至少一種稀土金屬元素且0＜x＜2)顆粒界面相組成。
在這種情況下，該對(duì)金屬導(dǎo)線能按照實(shí)施例的方法由鎢制成。
按照本發(fā)明的其它方面，生產(chǎn)陶瓷加熱器的方法包含下述步驟把導(dǎo)電陶瓷顆粒、絕緣陶瓷顆粒和稀土金屬氧化物混合形成混合物；把混合物預(yù)制成一種未燒結(jié)陶瓷體，一對(duì)金屬導(dǎo)線連接在該陶瓷體上；將其它的陶瓷粉覆蓋在未燒陶瓷體和所說(shuō)的金屬導(dǎo)線上，從而形成未燒陶瓷加熱器；和在非氧化氣氛中共同燒制未燒陶瓷加熱器。
按照本發(fā)明的其它方面，在步驟(1)中導(dǎo)電陶瓷顆?；旧习?0-80％重量的優(yōu)先選自WC、MoSi2、Mo5Si2及其混合物中的至少一種組份。
按照本發(fā)明的其它方面，在步驟(1)中的絕緣陶瓷顆粒基本上是由18.9-58.9％重量的氮化硅、0.5-5％重量的氮化鋁、0.1-3％重量的氧化鋁和0.5-4.5％重量的至少一種稀土金屬氧化物組成。
按照本發(fā)明的其它方面，稀土金屬氧化物選自Y2O3、Yb2O3、Er2O3及其混合物。
按照本發(fā)明的其它方面，將火花塞插入陶瓷加熱器中。
按照本發(fā)明的其它方面，由陶瓷加熱器金屬導(dǎo)線兩端測(cè)定的電阻值大于500mΩ。
按照本發(fā)明的其它方面，由陶瓷加熱器的金屬導(dǎo)線兩端測(cè)定的電阻值是在500-900mΩ的范圍。


圖1是本發(fā)明實(shí)施方案中陶瓷加熱器的縱向截面圖；帶有其它金屬套，圖2是發(fā)熱陶瓷電阻器的放大透視圖；圖3是用于內(nèi)燃機(jī)，其中插入了本發(fā)明陶瓷加熱器的火花塞的縱向截面圖；圖3a是預(yù)制發(fā)熱電阻器的未燒陶瓷體的示意圖；圖3b是發(fā)熱電阻器的未燒陶瓷體的放大圖；圖3c是當(dāng)用模壓印制法分兩排制備陶瓷電阻器時(shí)所示的另一種陶瓷電阻器的橫截面圖；圖4是用各種陶瓷組份制造發(fā)熱電阻器樣品的物理特性表圖4a是本發(fā)明陶瓷加熱器主要部分的放大橫截面圖；圖4b是由圖4a圈(P)指示的陶瓷加熱器部分的放大圖；圖5是由X射線分析得到的數(shù)據(jù)圖解表示；和圖6是表示發(fā)熱陶瓷電阻器的電阻率(Ω·cm)和在制備電阻器混合物時(shí)WC/Si3N4(重量)比之間關(guān)系的圖解表示。
參照?qǐng)D1，圖中表示出了插入圖3中火花塞1的陶瓷加熱器?；鸹ㄈ?裝有圓柱形金屬殼2，它被安裝在內(nèi)燃機(jī)(未表示)上。陶瓷加熱器3被置于金屬殼2內(nèi)，以便加熱器3的前端伸出金屬殼2之外。金屬套5用來(lái)牢固地卡住陶瓷加熱器3在適當(dāng)?shù)奈恢?。裝有一對(duì)金屬導(dǎo)線4、6，其中的一根連接到金屬殼2上用于接地，另一根連接到金屬殼內(nèi)的中軸7上。中軸7連接到末端電極8上，電極8借助于用螺母10卡住防止移動(dòng)的絕緣體9支承在金屬殼2內(nèi)。
把具有外螺紋部分2a和六角形螺母部分2b的金屬殼2固定在內(nèi)燃機(jī)的汽缸頭上時(shí)接地。
正如下文將詳細(xì)描述的陶瓷加熱器3一般形成棒形結(jié)構(gòu)，U形陶瓷電阻器12被埋在以氮化硅為主要組份的燒結(jié)陶瓷體11(圖2)中。
陶瓷電阻器12是由燒結(jié)碳化鎢、氮化硅、氮化鋁、氧化鋁和一些燒結(jié)助劑形成的。陶瓷電阻器12構(gòu)成為碳化鎢的導(dǎo)電顆粒、具有由通式Si6－zAlzN8－zOz(0＜z≤5)(塞綸)表示的膨脹β相氮化硅(β’)的二級(jí)顆粒和具有2E2O3·Si2－xAlxN2－xO1＋x)(0＜x＜2)的顆粒界面相。陶瓷電阻器12的電阻值小于1000Ω·cm，但大于10-14Ω·cm、把一對(duì)金屬導(dǎo)線4、6連接到陶瓷電阻器12的兩端，并把它們埋入陶瓷加熱器3低熱部分的燒結(jié)陶瓷體11中。金屬導(dǎo)線6的另一端暴露在與陶瓷電阻器12相對(duì)的陶瓷加熱器3后端的外部。金屬導(dǎo)線4的另一端暴露在燒結(jié)陶瓷體11中間的外部。
金屬套5被放置在金屬殼2的前端內(nèi)，同時(shí)，把陶瓷加熱器3卡在燒結(jié)陶瓷體11的中間。金屬套5還有一個(gè)作用是通過(guò)金屬殼2把金屬導(dǎo)線4、6接地。
與末端電極8連接的中軸7被放置在金屬殼2的電絕緣介質(zhì)中。中軸7的較低的一端有一個(gè)覆蓋燒結(jié)陶瓷體11后端的倒置的杯形帽蓋7a，以便使金屬導(dǎo)線6和末端電極8電連通。
末端電極8有一個(gè)連接螺母8a固定接線柱(未示出)，以便末端電極8與外部電源線路(未示出)通電。
把陶瓷絕緣體9做成筒形結(jié)構(gòu)，并置于金屬殼2的后端部分，通過(guò)螺母10牢固支承末端電極8。
參照?qǐng)D4的表，以下描述陶瓷加熱器的制造方法在這種情況下，在圖4中加入的組份是以重量百分比計(jì)，百分比和組份只是用來(lái)舉例說(shuō)明，并不是對(duì)它們的限制。第一步(1)由選自碳酸鹽、硅化物和氮化物(例如WC、MoSi2、Mo5Si3、TaN)的材料制備例如30-80％重量的導(dǎo)電陶瓷粉，其中包含W、Ta、Nb、Ti、Mo、Zr、Hf、V和Cr的一種金屬。所制成的顆粒大小為0.5μm。加到導(dǎo)電陶瓷粉中形成生的料混合物是氮化硅(例如18.9-58.9％重量)、氮化鋁(例如0.5-5.0％重量)和氧化鋁(例如0.1-3.0％重量)的陶瓷粉，外加稀土金屬氧化物(例如0.5-4.5％重量)如Yb2O3、Y2O3和Er2O3。然后，把生料混合物粉碎并濕處理混捏約72小時(shí)。在這種情況下，加入的粉狀組份的平均顆粒大小最優(yōu)選地是在0.2-1.0μm的范圍內(nèi)，但是優(yōu)選在0.2-5.0μm的范圍內(nèi)。
最優(yōu)選的稀土金屬選自鉺、鐿和釔，以便表示在發(fā)熱陶瓷電阻器12中顆粒界面發(fā)現(xiàn)的通式(2E2O3·Si2－xAlxN2－xO1＋x)中的E、釔(Y)、鑭(La)、鈰(Ce)、釹(Nd)、鏑(Dy)、鐠(Pr)、鉺(Er)、鐿(Yb)等的氧化物優(yōu)選作為界面相的原料。在通式的稀土金屬Er、Yb和Y中，特別是Er和Yb適用于制備火花塞，因?yàn)樗鼈兪固沾呻娮杵?2具有良好的煅燒條件以及燒結(jié)后具有良好的力學(xué)強(qiáng)度。
在這種情況下，平均顆粒大小為2-5μm的導(dǎo)電陶瓷顆粒和二級(jí)陶瓷顆粒如下文所述是用燒結(jié)陶瓷電阻器后晶粒生長(zhǎng)來(lái)表示的。優(yōu)選的是包裹發(fā)熱電阻器12的外部陶瓷絕緣體11的熱膨脹系數(shù)與在電阻器12中的二級(jí)陶瓷顆粒的相同。換言之，組成陶瓷絕緣體11的未燒陶瓷體的陶瓷顆粒最好與絕緣陶瓷粉使用相同的材料，加入絕緣陶瓷粉末，形成發(fā)熱陶瓷加熱器12的未燒陶瓷加熱器坯體。第二步(2)把按照第一步處理的生料混合物放入容器中，干燥12小時(shí)成為陶瓷粉狀混合物。第三步(3)將陶瓷粉狀混合物與有機(jī)粘結(jié)劑混合3小時(shí)。按照實(shí)施例的方法，粘結(jié)劑的用量為30-70％重量，它是由聚乙烯或聚乙烯與蠟和乙烯基乙酸酯的混合物組成。第四步(4)由于使用造粒機(jī)，把用粘結(jié)劑處理過(guò)的粉狀混合物?；善骄郊s為1mm的顆粒。第五步(5)如圖2所示，用注射機(jī)(未表示)把成粒的顆?；旌衔镱A(yù)制成U形結(jié)構(gòu)，成為未燒陶瓷電阻器。在這種情況下，當(dāng)把混合物預(yù)制成圖3a、3b示意圖所示的U形結(jié)構(gòu)時(shí)同時(shí)把金屬導(dǎo)線4、6的每一端連接到未燒陶瓷電阻器的每一端上。當(dāng)然金屬導(dǎo)線4、6的連接也可在把成?；旌衔镱A(yù)制成U形結(jié)構(gòu)后進(jìn)行。第六步(6)把90％重量的氮化硅、5％重量的Al2O3和5％重量的Al2O3粉(平均顆粒大小為0.7μm)和外加粘結(jié)劑進(jìn)行濕處理混合，通過(guò)噴射干燥過(guò)程得到用于絕緣體11的絕緣粉狀混合物。第七步(7)把第五步中的未燒陶瓷電阻器埋入絕緣粉狀混合物中并將它們一起壓制成棒形結(jié)構(gòu)。為了獲得燒結(jié)陶瓷加熱器，把未燒陶瓷電阻器和包裹它的絕緣粉狀混合物在氮?dú)?N2)氣氛中，在300kg/cm2的壓力下于1750°C時(shí)共同燒制(同時(shí)燒結(jié))約3小時(shí)。
在這一步驟中，可以用氫氣H2或惰性氣體(例如Ar)代替氮?dú)狻?br> 第六步中的粉狀混合物可以被壓制成兩個(gè)扁平的半片。在這種情況下，把由第三步獲得的粉狀混合物調(diào)成漿糊狀的料漿，該料漿是沿著發(fā)熱電阻器模式印制在每一個(gè)扁平半片上。然后，使扁平半片與陶瓷絕緣材料連接在一起，隨后共同燒制。共同燒制這些扁平半片，整體燒結(jié)成燒結(jié)陶瓷加熱器坯體后，將兩個(gè)陶瓷加熱器12如圖3c所示按氣密地埋成兩排。適當(dāng)?shù)貟伖鉄Y(jié)陶瓷體，生產(chǎn)如圖3c所示火花塞的橫截面是圓形的圓柱形陶瓷加熱器3A。第八步(8)把燒結(jié)加熱器坯體研制成測(cè)量直徑為3.5mm延長(zhǎng)部分，使陶瓷加熱器3與暴露在外部的金屬導(dǎo)線4、6形成回路。在完成這些步驟后，陶瓷加熱器3已被制成，其中在燒結(jié)硅陶瓷坯體11中埋入了陶瓷電阻器12和金屬導(dǎo)線4、6。
制成陶瓷加熱器3之后，圖4a陶瓷電阻器12的主要部分在顯微鏡下分析研究如圖4b所示。如圖4b的放大圖所示，發(fā)現(xiàn)陶瓷電阻器12具有以下描述的二級(jí)陶瓷顆粒(硅鋁氧氮化物)、導(dǎo)電陶瓷顆粒和顆粒界面相。由德國(guó)專利號(hào)1600602可知，將二級(jí)陶瓷顆粒的硅鋁氧氮化物縮寫為“塞綸”，用通式Si6－zAlzN8－zOz(0＜z＜5)表示，具有膨脹β-氮化硅晶格(稱之為β’-硅)。在形成在陶瓷電阻器12的塞綸和具有通式2E2O3·Si2－xAlxN2－xO1＋x顆粒界面相的原料中，氮化鋁是必需的。本發(fā)明的這個(gè)通式防止了陶瓷電阻器在800-1300℃高溫下在存在的電勢(shì)下的損壞。
試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。
根據(jù)制造陶瓷加熱器3的方法，按照?qǐng)D4的表生產(chǎn)出樣品號(hào)為A1-A7和B1-B8的試樣。
在本發(fā)明試樣B1-B8中，根據(jù)圖5所示的X-射線分析數(shù)據(jù)分別表明β’-賽綸(sialon)和2E2O3·Si2－xAlxN2－xO1＋x(0＜x＜2)為二級(jí)陶瓷顆粒(β’)和顆粒界面相(A)。β’-塞綸和2E2O3·Si2－xAlxN2－xO1＋x(E為稀土金屬)具有再結(jié)晶的晶粒和晶體界面相，它們分別出現(xiàn)在陶瓷電阻器12中。
在這種情況下，二級(jí)陶瓷顆粒包含具有膨脹β相氮化硅晶格(硅鋁氧氮化物)和具有通式Si6－zAlzN8－zOz(0＜z≤5)的化合物。
在一組A1-A7試樣中，2E2O3·Si2－xAlxN2－xO1＋x(0＜x＜2)的外觀沒(méi)有被確定。在圖4的表中，符號(hào)β代表β-Si3N4、符號(hào)β’代表β’-塞綸以及符號(hào)A代表2E2O3·Si2－xAlxN2－xO1＋x(0＜x＜2)。符號(hào)B表示Si3N4·Y2O3，和符號(hào)C表示非結(jié)晶相(玻璃相)。
在測(cè)量電阻變化時(shí)，將每個(gè)試樣B1-B8和A1-A7循環(huán)通電5分鐘，然后在1300℃的極限溫度下冷卻1分鐘，測(cè)量其電阻的變化。陶瓷電阻器的電阻變化如圖4表中所示，其中雙圈表示沒(méi)有損壞，單圈表示輕微損壞，△表示有些損壞以及表示最大程度的損壞。對(duì)每個(gè)試樣重復(fù)試驗(yàn)測(cè)定5次保證高測(cè)定度。
圖6表示在電阻器中陶瓷電阻器12的電阻率(Ωcm)和WC/Si3N4重量比率之間的關(guān)系。電阻率能夠隨著導(dǎo)電顆粒平均顆粒大小與二級(jí)陶瓷顆粒的平均顆粒大小的有效比的變化而變化。比率增加，電阻率降低，而且電阻率隨著有效比的降低而增加。在圖6中，根據(jù)含有平均顆粒大小為1μm的導(dǎo)電顆粒和具有平均顆粒大小為1μm的二級(jí)陶瓷顆粒(Si3N4)的原材料，測(cè)量陶瓷電阻的電阻率。在繪制圖6的圖解時(shí)，每次通過(guò)改變WC/Si3N4重量比率制備燒結(jié)陶瓷坯體，以便測(cè)量陶瓷電阻器的電阻率。
按照本發(fā)明，陶瓷電阻器12是由導(dǎo)電陶瓷(WC)、氮化硅、氮化鋁、氧化鋁和外加的稀土金屬氧化物的燒結(jié)助劑如Y2O3和Er2O3制成的。這些組份可以保證高的燒結(jié)率，以使未燒陶瓷電阻器充分地?zé)Y(jié)，從而使陶瓷電阻器12共同燒制，并埋入燒結(jié)陶瓷坯11中。這個(gè)工序使陶瓷加熱器3具有致密的凝結(jié)結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)陶瓷電熱器3在循環(huán)加熱和快速冷卻的環(huán)境中的耐久性。
另外，在將燒結(jié)陶瓷加熱器12用于火花塞1時(shí)，陶瓷電阻器12是由導(dǎo)電陶瓷顆粒、二級(jí)陶瓷顆粒和結(jié)晶界面相制成的，以使之可消除陶瓷電阻器12和燒結(jié)陶瓷體11之間的熱膨脹差別。這減小了由于電阻器12和包裹電阻器12的氮化硅基燒結(jié)陶瓷體11之間的熱膨脹不同，甚至在重復(fù)的快速冷熱循環(huán)下使陶瓷電阻器12承受的熱應(yīng)力較大。它也能防止電阻器12被無(wú)意中損壞，以及有助于延長(zhǎng)陶瓷電阻器3的使用壽命。
也就是說(shuō)，大體上可使陶瓷加熱器保持恒定的電阻，同時(shí)，保證了具有高強(qiáng)和長(zhǎng)久的穩(wěn)定性的預(yù)期性能，這是柴油機(jī)的火花塞所需要的。
由于本發(fā)明的二級(jí)陶瓷顆粒和顆粒界面相保持在陶瓷電阻器12的導(dǎo)電陶瓷顆粒的晶格間縫隙處，當(dāng)在導(dǎo)電陶瓷顆粒的兩端施加電勢(shì)時(shí)，可防止導(dǎo)電陶瓷顆粒周圍顆粒之間組成的電解。
甚至在800-1300℃的高溫環(huán)境下，在導(dǎo)線4、6的兩端施加了電勢(shì)后，也能防止界面相本身的電解，因此明顯地抑制了陶瓷加熱器的電阻值異常的增加，使得甚至在極其廣泛使用陶瓷加熱器3的情況下，最終保持具有高穩(wěn)定性的火花塞1的使用壽命延長(zhǎng)。
如果陶瓷電阻器12僅由導(dǎo)電陶瓷顆粒(例如WC)制成，那么因?yàn)樗碾娮杪首疃嗄芙档?0-4Ωcm，所以難以控制陶瓷電阻器的電阻率。它與圖1中鎢導(dǎo)線4、6(直徑為0.2-0.3mm)部分埋入陶瓷電阻器12來(lái)通電的本方案相反，使得擴(kuò)大陶瓷電阻器的橫截面面積變得困難。
然而，在本發(fā)明的方案中，電阻器12是由導(dǎo)電陶瓷顆粒和外加陶瓷絕緣顆粒制成，則可容易擴(kuò)大陶瓷電阻器12的橫截面面積，以便通過(guò)使如圖6所示的導(dǎo)電陶瓷顆粒和陶瓷絕緣顆粒的重量比率達(dá)到最佳來(lái)調(diào)節(jié)電阻率，使之達(dá)到10-4-1000Ω·cm。通過(guò)共同燒制陶瓷電阻器12、陶瓷絕緣體11和埋入陶瓷絕緣體11中的金屬導(dǎo)線4、6，可增強(qiáng)金屬導(dǎo)線4、6和陶瓷電阻器12之間的電連通。
就適當(dāng)?shù)貞?yīng)用到火花塞上的陶瓷電阻器12而言，由金屬導(dǎo)線外露端兩端測(cè)定的電阻值優(yōu)選為大于500mΩ，然而當(dāng)考慮溫度升高和耐久性時(shí)最理想的電阻值為500mΩ-1Ω。按照本發(fā)明配有火花塞時(shí)，由金屬導(dǎo)線4、6的外露端的兩端測(cè)定的電阻值大約為700mΩ。
應(yīng)注意的是除了將陶瓷加熱器應(yīng)用到火花塞上外，還可以把陶瓷加熱器應(yīng)用到室內(nèi)取暖裝置、電子烹調(diào)爐、在工業(yè)安裝中的局部加熱裝置和其它類型的加熱裝置中。
還應(yīng)該清楚，陶瓷加熱器可以用耐熱金屬套支撐來(lái)進(jìn)一步提高力學(xué)強(qiáng)度或耐氧化性等等。
參照具體的實(shí)施方案描述本發(fā)明，但是應(yīng)清楚這種描述不是對(duì)本發(fā)明的限制，對(duì)于熟練技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，對(duì)具體實(shí)施方案所做的各種改進(jìn)和補(bǔ)充沒(méi)有脫離本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1一種燒結(jié)陶瓷加熱器包含一種發(fā)熱電阻器，和包裹所說(shuō)電阻器的陶瓷絕緣體；其中所說(shuō)的電阻器基本上是由導(dǎo)電陶瓷顆粒、二級(jí)陶瓷顆粒以及具有通式2E2O3·Si2－xAlxN2－xO1＋x，其中E表示至少一種稀土金屬元素和0＜x＜2的界面顆粒相組成。
2如權(quán)利要求1所述的燒結(jié)陶瓷加熱器，其中所說(shuō)的導(dǎo)電陶瓷顆粒包含至少一種選自WC、MoSi2和Mo5Si3的組份。
3如權(quán)利要求1-2所述的燒結(jié)陶瓷加熱器，其中所說(shuō)的二級(jí)陶瓷顆粒包含具有膨脹β-相氮化硅晶格和具有通式Si6－zAlzN8－zOz，其中0－z≤5的化合物。
4如權(quán)利要求1-3所述的燒結(jié)陶瓷加熱器，其中所說(shuō)的電阻器的電阻率大于10-4Ω·cm。
5如權(quán)利要求1-4所述的燒結(jié)陶瓷加熱器，其中所說(shuō)的電阻器的電阻率大于10-4Ω·cm，但小于1000Ω·cm。
6如權(quán)利要求1-5所述的燒結(jié)陶瓷加熱器，其中每一種所說(shuō)的導(dǎo)電陶瓷顆粒和所說(shuō)的二級(jí)陶瓷顆粒具有平均粒徑為2-5μm。
7如權(quán)利要求1-6所述的燒結(jié)陶瓷加熱器，其中所述的包裹陶瓷絕緣體基本上是由氮化硅陶瓷材料組成。
8如權(quán)利要求1-7所述的燒結(jié)陶瓷加熱器，其中所說(shuō)的稀土金屬選自鉺、鐿和釓。
9一種燒結(jié)陶瓷加熱器包含通電使陶瓷電阻器產(chǎn)生熱；一對(duì)連接到陶瓷電阻器上的金屬導(dǎo)線，和包裹所說(shuō)的陶瓷電阻器和所說(shuō)的金屬導(dǎo)線的陶瓷絕緣體，其中所說(shuō)的陶瓷電阻器基本上是由導(dǎo)電陶瓷顆粒、二級(jí)陶瓷顆粒和具有通式2E2O3·Si2－xAlxN2－xO1＋x，其中E表示至少一種稀土金屬元素和0＜X＜2的界面顆粒相組成。
10權(quán)利要求9所述的燒結(jié)陶瓷加熱器，其中所說(shuō)的一對(duì)金屬導(dǎo)線由鎢制成。
11一種燒結(jié)陶瓷加熱器，其中所說(shuō)的加熱器是由包含下述步驟的方法生產(chǎn)的(1)把導(dǎo)電陶瓷顆粒、絕緣陶瓷顆粒和稀土金屬氧化物混合形成混合物組份；(2)預(yù)制所說(shuō)的混合物組份成為未燒陶瓷坯體，在未燒陶瓷坯體上電連接了所說(shuō)的一對(duì)金屬導(dǎo)線；(3)用陶瓷粉覆蓋所說(shuō)的陶瓷坯和所說(shuō)的金屬導(dǎo)線，因此形成具有導(dǎo)線的未燒陶瓷加熱器；和(4)將所說(shuō)的未燒陶瓷加熱器的所說(shuō)的金屬導(dǎo)線和所說(shuō)的陶瓷粉在非氧化氣氛中在燒結(jié)溫度下共同燒制。
12如權(quán)利要求11所述的制造燒結(jié)陶瓷加熱器的方法，其中所說(shuō)的一對(duì)金屬導(dǎo)線由鎢制成。
13如權(quán)利要求11-12所述的制造燒結(jié)陶瓷加熱器的方法，其中在步驟(1)中所說(shuō)的導(dǎo)電陶瓷顆粒包含大約40-80％重量的至少一種選自WC和MoSi2的組份。
14如權(quán)利要求11-13所述的制造燒結(jié)陶瓷加熱器的方法，其中在步驟(1)中所說(shuō)的絕緣陶瓷顆粒基本上是由18.9-58.9％重量的氮化硅、0.5-5％重量的氮化鋁、0.1-3％的氧化鋁和0.5-4.5％重量的至少一種稀土金屬氧化物組成。
15如權(quán)利要求14所述所燒結(jié)陶瓷加熱器，其中所說(shuō)的稀土金屬氧化物選自Y2O3、Yb2O3和Er2O3。
16一種具有權(quán)利要求1-10任一項(xiàng)所述的燒結(jié)陶瓷加熱器的火花塞。
17如權(quán)利要求16所述的火花塞，其中由所說(shuō)的一對(duì)金屬導(dǎo)線的外露端的兩端測(cè)定的電阻值大于500mΩ。
18如權(quán)利要求16所述的火花塞，其中由所說(shuō)的一對(duì)金屬導(dǎo)線外露的兩端測(cè)量的電阻值是從500到900mΩ。
19一種火花塞的制備方法，制法按權(quán)利要求11-15。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燒結(jié)陶瓷加熱器具有發(fā)熱電阻器和把電阻器埋入其內(nèi)的陶瓷絕緣體，其中電阻器基本上是由導(dǎo)電陶瓷顆粒、二級(jí)陶瓷顆粒以及具有通式2E
文檔編號(hào)H05B3/14GK1154639SQ9612207
公開(kāi)日1997年7月16日 申請(qǐng)日期1996年9月12日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月12日
發(fā)明者小西雅弘, 立松一穗 申請(qǐng)人:日本特殊陶業(yè)株式會(huì)社