CZ20011987A3

CZ20011987A3 - Keramická zapalovací svíčka, zhuątěný polykrystalický keramický materiál její podpěrné zóny a způsob jejího pouľití

Info

Publication number: CZ20011987A3
Application number: CZ20011987A
Authority: CZ
Inventors: Craig A. Willkens; Linda S. Bateman; Roger Lin
Original assignee: Saint-Gobain Ceramics And Plastics, Inc.
Priority date: 1998-12-21
Filing date: 1999-12-14
Publication date: 2002-07-17
Also published as: TR200101637T2; DE69906804T2; DE69906804D1; CZ299656B6; JP3550093B2; WO2000037856A3; CN1160530C; BR9916032A; US6028292A; KR20010093202A; CN1330754A; BR9916032B1; ES2197704T3; EP1141634B1; JP2002533646A; ATE237103T1; WO2000037856A2; EP1141634A2; DK1141634T3; TW444113B

Description

Keramické materiály prodělaly velký úspěch jako zapalovací svíčky u topenišť vytápěných plynem, pecí a sušiček oděvů. Keramická zapalovací svíčka má typicky tvar jako vlásenka nebo tvar U, který obsahuje vodivé koncové části a vysoce odporovou střední část. Když jsou konce zapalovací svíčky připojené k napájeným elektrickým vodičům, zvyšuje se teplota vysoce odporové střední části, takzvané horké zóny.

Dosavadní stav techniky

Technika keramických zapalovacích svíček má dlouho známé zapalovací svíčky vytvarované jako vlásenka, které dále mají elektricky nevodivou keramickou vložku uspořádanou pro podepření mezi jejich elektricky odporovými rameny. Dokument JP-A-02094282 výslovně zveřejňuje keramickou zapalovací svíčku, která má odporová ramena SiC/ZrB₂ a izolační vložku A1N (nebo podpěrnou zónu) uspořádanou mezi těmito odporovými rameny. Dokument JP-A-02094282 dále informuje o přidávání BN k vložce z A1N, aby se vyrovnaly koeficienty tepelné roztažnosti (CTE) těchto dvou oblastí. Podobně patent US č. 5,191,508 (Axelson) zveřejňuje keramickou zapalovací svíčku ve tvaru vlásenky, která má elektricky nevodivou vložku, a informuje, že vložka by měla být zhotovená z jediného materiálu, jako je oxid hlinitý, nitrid hliníku, oxid beryllnatý, z nichž každý je elektricky izolující materiál. Patent US č. 4,634,837 (Ito)

Tento stav techniky také odhaluje keramické zapalovací zveřejňuje keramickou zapalovací svíčku, která má horkou zónu na bázi SÍ3N4/M0SÍ2 a vložku Si₃N₄/Al₂O₃.

svíčky, u kterých jsou vodivá vlákna uložená v izolačních • ·

- 2 • · · ···· · · keramických materiálech. Například patent US č. 4,912,305 (Tatemasu) zveřejňuje wolframový drát uložený v keramickém tělese Si₃N₄/Al₂O₃/Y2O3 - Patent US č. 4,804,823 (Okuda) popisuje keramickou zapalovací svíčku, u které je vodivá keramická vrstva TiN nebo WC (která také obsahuje Si₃N₄) umístěná uvnitř keramického substrátu buď z A1N nebo Si₃N₄. Okuda také zveřejňuje to, že substrát může dále obsahovat slinovací pomocný prostředek, jako nějaký oxid, nitrid nebo oxynitrid ze ze Skupinlla nebo lila periodické tabulky nebo hliník. Viz sloupec 7, řádky 50 až 55.

Ačkoliv je materiál vložky u zapalovacích svíček ve tvaru vlásenky obecně vysoce elektricky izolační, jsou případy, u kterých stav techniky zveřejnil vložky, které mají některé elektricky vodivé (jako MoSi₂) a/nebo polovodivé složky (jako SiC) . Například JP-A-02086 (JP 086) poskytuje jednu takovou informaci, kde je hlavní složka vložky karbid křemíku. Průzkum však ukázal, že měrné odpory za vysokých teplot prvního materiálu zahrnujícího SiC a vodivý materiál, jako je hliník, a druhého materiálu zahrnujícího více než 99 % SiC mají tendenci se za vysokých teplot vyrovnat. Když se tedy měly tyto materiály příslušně použít jako horká zóna a vložka u téže zapalovací svíčky, pravděpodobně by zde nastaly přes materiál vložky elektrické zkraty. Podle dalšího příkladu, zveřejňuje US patent č. 5,233,166 (Maeda) zapalovací svíčku, která má horkou zónu uloženou v keramickém substrátu, který se skládá z nitridu křemíku,

8-19 % oxidu vzácné zeminy, 2-7 % oxidu křemičitého

MoSí₂ . Maeda doporučuje vyhnout se vytvoření skelné fáze, která má oxid hlinitý v množství větším než 1 % hmotnosti.

US patent č. 5,801,361 (Willkens '361) zveřejňuje keramickou zapalovací svíčku navrženou pro použití u

V až 240 vysokonapěťových aplikací (220 běžná horká zónave tvaru vlásenky podepřená

V) , u kterých je keramickým • 0

0 0 · ···· · 0 · φ 0000 · · ·· · · · 0 0

0 0000 00 0

000 0 00 00 00 000

- 3 materiálem jak mezi svýma ramenama, tak i zevně svých ramen podpěrnými zónami. Willkensův '361 také informuje o tom, že tento materiál podpěrné zóny musí být elektricky izolační (to jest má mít elektrický měrný odpor alespoň 10⁶ ohm-cm) a má s výhodou zahrnovat alespoň 90 % objemu alespoň jednoho z nitridu hliníku, nitridu bóru a nitridu křemíku. Willkensův '361 dále odhaluje, že tento materiál podpěrné zóny by neměl mít pouze charakteristiky tepelného rozpínání a zhuštěni, které by byly kompatibilní s horkou zónou, ale měl by také pomáhat chránit horkou zónu před oxidaci (to jest méně než 10 % pokles proudové intenzity po 30.000 cyklech). U WIPO zveřejnění odpovídajícího Willkensově '361 je navržený elektrický měrný odpor materiálu podpěrné zóny 10⁸ ohm-cm.

Ačkoliv však dosahuje zapalovací svíčka podle Willkinsnova '361 požadované výkonové technické podmínky pro napěťové aplikace, odhalilo pokračující pužívání této zapalovací svíčky značné poruchy z dlouhodobého použiti v jedné podpěrné zóně sestávající v podstatě z nitridu hliníku (A1N) . To jest, odpor této zapalovací svíčky značně rostl během zkoušek prodlouženého použití. Během výroby se dále vyskytly problémy zhuštění (pravděpodobně následkem nesprávného spojení od rozpínání teplem) s těmito podpěrnými zónami. Nakonec Willkensův '361 pozoroval, že v jednom příkladu doběla rozžhavený doutnavý výboj horké zóny (která měla při teplotě místnosti měrný odpor kolem 0,3 ohm-cm) měl sklon putovat dolů, a předpokládal, že toto tečení bylo způsobeno běžným proudem přes vložku na bázi nitridu hliníku.

US patent č. 5,786,565 (Willkens '565) uveřejňuje další keramickou zapalovací svíčku, která má podpěrnou zónu (nebo vložku) umístěnou mezi dvěma rovnoběžnými rameny zapalovací svíčky.

Podle Willkensova '565 se na tuto vložku odkazuje jako na elektricky izolační tepelnou jímku nebo jako na elektricky nevodivou tepelnou jímku a s výhodou má měrný odpor alespoň kolem 10⁴ ohm-cm. Kompozice této zapalovací svíčky s výhodou zahrnuje alespoň 90 % objemu alespoň jednoho z nitridu hliníku, nitridu bóru a nitridu křemíku, avšak výhodněji sestává v podstatě alespoň z jednoho z nitridu hliníku, nitridu bóru a nitridu křemíku.

Nicméně, ačkoliv byly tyto zapalovací svíčky podle Willkensnova '565 shledány jako svíčky, které mají imponující rychlost, mělo jejich dlouhodobé používáni při teplotách kolem 1.300 °C opět za následek značné procento poruch.

Existuje tedy potřeba podpěrné zóny na bázi nitridu hliníku, která by neměnila elektrické charakteristiky zapalovací svíčky, nevytvářela během používáni problémy s oxidací a nekladla během výroby ani problémy se zhuštěním ani s obráběním. Zejména existuje poteba podpěrné zóny, která by řešila tyto problémy pro zapalovací svíčku zveřejněnou ve Willkensonově patentu '565.

Ve snaze objevit důvod nepřijatelné oxidace materiálu podpěrné zóny nebo vložky na bázi A1N podnikli stávající vynálezci rozsáhlá zkoumání a na povrchu A1N zjistili značnou a nesouvislou vrstvu oxidu hlinitého. Protože má oxid hlinitý mnohem vyšší CTE než A1N a oxidace A1N také vytváří 6 % expanzi objemu, má se za to, že oxidace materiálu vložky A1N (to jest vytváření oxidu hlinitého) způsobuje tvorbu trhlin v materiálu vložky a je příčinou poruch při dlouhodobém používáni.

Stávající vynálezci souběžně také zkoumali běžné zapalovací svíčky, které mají běžná složení horké zóny A1NSiC-Mo-Si₂, které netrpěly podobnými závadami souvisejícími s dlouhodobou oxidaci. Bylo zjištěno, že po dlouhodobém použití měly tyto běžné horké zóny souvislou povrchovou vrstvu obsahující podstatné množství mullitu, který má složení 3AI2O3-2SÍO2. Na rozdíl od oxidu hlinitého má mullit • · ·· ···· · • · φ · « ····· • · · ····· · ·· • ······ · · · ♦ · ·· φ · ♦ · · · · ·· ··· · ·· ·· ·· ···

- 5 CTE, který je mnohem více slučitelný s A1N a vytváří pouze malou volumetrickou změnu, když je vytvářená A1N. Aniž je tedy žádoucí, aby to bylo spojováno s nějakou teorií, má se za to, že vytváření mullitové povrchové vrstvy je kritické pro úspěch materiálu vložky na bázi A1N.

Ve světle výše uvedeného zjištění se mělo za to, že by se požadovaná mullitová vrstva mohla vytvořit přidáním mezi 2 objemovými % a 40 objemovými % karbidu křemíku k vložce na bázi A1N. Následné zpracování a testování této směsi potvrdilo přítomnost požadované koherentní mullitové vrstvy. Má se tak za to, že problémy s oxidací u vložek na bázi A1N se mohou značně zlepšit přidáním dostatečného množství karbidu křemíku pro vytvoření koherentní vrstvy mullitu na horní části vložky A1N.

Nalezeni vhodnosti materiálu vložky AlN-SiC je překvapivé ve světle vědomostí stavu techniky, které respektují známé charakteristiky běžných izolátorových systémů. Pokud jde o A1N, bylo podle Willkensova '361 známo, že v podstatě A1N izolátor vytvářel nepřijatelnou oxidaci. Pokud jde o SiC, bylo známo, že v podstatě SiC podpěrná zóna vytvářela při vysokých teplotách nepřijatelný elektrický zkrat. Podle toho existoval vážný zájem, aby nějaká směs obsahující značná množství obou směsi vytvářela buď nepřijatelnou oxidaci nebo zkrat nebo obojí. Místo toho bylo zjištěno, že tato nová podpěrná zóna poskytuje přijatelnou odolnost proti oxidaci a přitom žádné zkratování.

Podstata vynálezu

V souladu se stávajícím vynálezem se tedy poskytuje keramická zapalovací svíčka skládající se z:

.(a) dvojice vodivých konců a (b) keramické horké zóny umístěné mezi studenými konci a (c) podpěrné zóny, na které je umístěná horká zóna, u které podpěra zahrnuje:

• · ·· · · to* · • · * ··· **·· ·*· ····· ·* * ······· ·· ··· * · • · · · · ♦ · * · ··· · · · ·· ·* ··· (a) asi mezi 50 a asi 80 objemovými % nitridu hliníku a (b) asi mezi 2 % objemu a asi 40 % objemu karbidu křemíku.

Obrázek 1 je výhodné provedení, podle kterého má výhodná zapalovací svíčka tvar vlásenky zahrnující tvě vodivá ramena 9 a 13 umístěná v elektrickém spojení odporovou horkou zónou 11, přičemž ramena 13 vyčnívají z horké zóny v témže směru a mezi těmito vodivými rameny 13 je umístěná vložka 19.

Podpěrná zóna obecně zahrnuje mezi 50 objemovými % a 80 objemovými % nitridu hliníku jako izolační fázi. Pokud tato podpěra obsahuje méně než 50 objemových % A1N, pak může být tato podpěra příliš vodivá a existuje zde nebezpečí zkratu. Pokud tato podpěra obsahuje více než 80 objemových % A1N, existuje zde typicky riziko zvýšené oxidace.

Podpěrná zóna obecně dále zahrnuje mezi 2 objemovými % a 40 objemovými % karbidu křemíku. Pokud tato podpěra obsahuje méně než 2 objemová % karbidu křemíku, pak je zde nedostatečná reagující složka pro vytvoření mullitu a podpěra je příliš náchylná k oxidaci. Pokud podpěra obsahuje více než 40 objemových % této fáze, pak je zde typicky riziko zkratu při vysokých teplotách, dokonce i tehdy, když je výsledná keramická podpěra vodivá pouze poměrně málo to jest nějaký polovodič). Karbid křemíku má dostatečný obsah křemíku, aby vytvořil požadovaný mullitový povlak, a není tak vodivý, aby vyvolal zkrat ve výsledné kompozici materiálu vložky, když je přítomný ve vložce v množstvích menších než asi 40 objemových %.

U některých výhodných provedení tvoří karbid křemíku mezi 10 objemovými % a 40 objemovými % podpěrné zóny, s výhodou v množství asi od 20 objemových % do přibližně 40 objemových %.

U některých provedení, která jsou s výhodou používána s

MIM konstrukcí odhalenou ve Willkensově '565, obsahuje vložka mezi 20 a 35 objemovými % SiC, s výhodou mezi 25 a 35 • · ·· ·· ·♦ · ·· · ♦ · · ♦ · ·♦ • · » · · ·♦· · · · • ···· ·· · ♦ ♦·· · ♦ • · ♦··· · · · ··« · ·· 99 99 999

- 7 objemovými % SiC.

U některých provedeni, u kterých je materiál vložky podle tohoto vynálezu sdružený s vodivými (studenými) zónami a horkými zónami Washburnova typu, může být koeficient tepelné roztažnosti materiálu vložky příliš nízký. Například podle jednoho experimentu bylo zjištěno, že materiál vložky sestávající v podstatě z 70 % A1N a 30 % SiC praskal, když byl pořádně ve styku s vodivou zónou skládající se z 20 % A1N, 60 % SiC a 20 % M0SÍ2. Má se za to, že tato porucha byla způsobena CTE nesprávným spojením mezi vložkou a vodivou zónou. Když bylo následně přidáno k vložce kolem 10 % oxidu hlinitého, bylo zhuštěni úspěšné. Podle toho může u některých provedení podpěrná zóna dále zahrnovat mezi 2 objemovými % a 20 objemovými % vysoce CTE keramického materiálu, který má koeficient tepelné roztažnosti alespoň 6x10'⁶/°C. S výhodou je tento keramický materiál s vysokým CTE oxid hlinitý. Při některých pokusech, při kterých byla vložka v řádném styku s vodivou zónou obsahující 20 % A1N, 20 % M0SÍ2 a 60 % SiC, měl značný počet vložek obsahujících 5 % oxidu hlinitého stále ještě trhliny, zatímco v podstatě všechny vložky, které měly 10 % oxidu hlinitého, nevykazovaly žádné trhliny. U některých provedení tedy vložka s výhodou obsahuje mezi 5 a 15 % oxidu hlinitého, s výhodou mezi 8 a 15 objemovými % oxidu hlinitého. Zjištění, že oxid hlinitý může být prospěšný pro složeni vložky, je překvapivé, protože Maeda informuje, že více než několik procent přídavku oxidu hlinitého k vložce způsobí nežádoucí skelnou fázi.

U některých provedení u kterých je hladina SiC ve vložce relativně nízká (to jest méně než 25 objemových % SiC), bylo zjištěno, že další přidávání malého množství dvojkřemičitanu molybdenu k vložce pomohlo zvýšit odolnost proti oxidaci. U některých provedení tedy může podpěrná zóna dále zahrnovat mezi 1 objemovým % a 4 objemovými % M0SÍ2, zejména tam, kde

• to	>·	• ·	··
• to	*	• ·	•	• to
•	to to	• ·	• · ·	to	•
*	····	• · ·	• ·	• ·	to
to	•	» ·	• to	• to
• to to	•	·<	• to	• to

je obsah SiC který má MoSi₂ na odolnost vyslovena mezi 1 až relativně nízký. Kvůli podpěrné zóny vůči oxidaci, byla některých provedení obsahujících MoSi₂, bude potřeba alespoň 10 požadovanému účinku, hypotéza, že u objemových oxidaci. U vložka mezi ob j emovými %

SiC pro vytvoření požadované odolnosti proti některých výhodných provedení objemovými objemovými % a 20 objemovými % MoSi₂ mění mezi

MoSi₂barva, je MoSi₂.

Navíc zahrnuje tedy % a 25 objemovými % SiC (výhodněji objemovými %) a mezi 1

Bylo barvu vložky. Pokud výhodné, nepoužívat také zjištěno, se tedy požaduje pro to, aby se objemovým % že přídavek rozlišující to udělalo, molybdenu vytvořený také mullit, vytvořená z že použití dvojkřemičitanu oxidové vrstvy. Zejména oxid obsahujících M0SÍ2 obsahuje bylo dále zjištěno, vytváří odlišný typ podpěrných zónách ale je menší a více souvislý než oxidová vrstva podpěrných zón AlN-SiC-Al₂O3. Navíc se vrstva tvořená přídavkem MoSi₂ zdá být kvalitativně více podobná vrstvě tvořené běžnou Washburnovou horkou zónou.

Dále se má za to, že dvo jkřemičitan wolframu může vykonávat tutéž funkci jako MoSi₂. U některých provedení tedy podpěrná zóna dále zahrnuje:

(c) mezi přibližně 1 objemovým % a si 4 objemovými % kovového vodiče vybraného ze skupiny sestávající z dvojkřemičitanu molybdenu a dvojkřemičitanu wolframu a jejich směsí.

Dále se má za to, že některé z podpěrných zón podle stávajícího vynálezu mohou tvořit nové kompozice. V souladu se stávajícím vynálezem se tedy také poskytuje zhuštěný polykrystalický keramický materiál, který zahrnuje (a s výhodou sestává z):

a) mezi 50 a 80 objemovými % nitridu hliníku,

b) mezi 25 a 35 objemovými % SiC a

c) mezi 8 a 15 objemovými % oxidu hlinitého.V souladu se • 9 ·♦ · · · • · · 9 9

9999 9 9 99 9 ϊ 9 9 9 9

999 9 ·♦ ··

stávajícím vynálezem se také dále poskytuje zhuštěný polykrystalický keramický materiál zahrnující (a s výhodou sestávající z):

a) mezí 50 a 80 objemovými % nitridu hliníku,

b) mezi 10 a 25 objemovými % SiC,

c) mezí 8 a 15 objemovými % oxidu hlinitého a

d) mezi 1 a4 objemovými % dvojkřemičitanu molybdenu.

Vodivá keramická zóna a horká zóna s výhodou definují vlásenku, která má dvojici ramen a mezi těmito rameny je umístěná podpěrná zóna, aby definovala kontaktní délku, kde se podpěrná zóna stýká (i) s vodivou zónou v podstatě podél ramen a (ii) s horkou zónou v podstatě u vrcholu. Toto je konstrukce objevená v podstatě ve Willkensově 5,786,565 (jehož popis je zde zcela zahrnutý odkazem) a obecně se na ni odkazuje jako na konstrukci MIM. Obecně tvoří styk mezi podpěrnou a studenou zónou u této konstrukce MIM alespoň 80 % kontaktní délky.

Dále se má za to, že používání vlásenkové konstrukce MIM zapalovací svíčky také napomáhá zlepšit problémy s oxidaci a zkratováním. U běžných systémů vlásenky s vložkou sahá horká zóna přes značnou část oblasti každého ramena vlásenky a má také relativně vysoký měrný odpor v porovnání s vložkou umístěnou mezi oblastmi horké zóny. Protože relativní měrné odpory těchto zón nebyly příliš vysoké (kolem 10 FOLD nebo jedna desítka) nějaká elektrická energie nepochybně tekla z jedné horké zóny přes izolátor do druhé horké zóny. Naproti tomu u konstrukce MIM sahá vodivá oblast v podstatě přes každé celé rameno. Protože je relativní měrný odpor těchto oblastí typicky mnohem vyšší (asi 1000 FOLD), teče přes izolátor nepochybně mnohem méně elektrické energie.

Protože je navíc horká zóna konstrukce MIM situovaná v podstatě jen u vrcholu vlásenky, je vysokým teplotám vystavená pouze relativně malá část vložky, čímž se redukují šance, že se stane náchylná na oxidaci.

- 10 spojováno s nějakou

• »	•99	··	>·
V 9 ·	9 9	•	• 9
	9 9	···	• ·
• ····	9 » ·	• ·	• · 9
• ·	• ·	• ·	9 9
··· ·	··	··	99

Aniž by bylo žádoucí, aby tobylo teorií, má se za to, že použití složení stávající vložky v systémech, které mají provozní : V systém užívaný Willkensovým absenci zkratování přes vložku 1

Nízký úbytek napětí napříč napomáhá zabránit zkratu přes měrným odporům izolátoru a horké

Horká zóna poskytuje funkční

U výhodných provedení se hliníku, uveřejněné zde zcela napětí, které je nižší než 24 '361, přispívalo k podstatné na bázi A1N.

elementem zapalovací svíčky izolátor díky relativním

Washburna, zóny. ohřátí pro používají molybdenu 5,045,237, dílčí zažehnutí plynu. frakce nitridu dvojkřemičitanu v patentu US č.

zahrnutý jako odkaz. Jak je naznačeno v patentu je systém AIN-SÍC-M0SÍ2 flexibilní systém, může vytvářet zapalovací sahající asi od zóny mají obecně měrný odpor mezi 0,2 ohm-cm a 100 (a) asi mezi (b) asi mezi a karbidu jehož přesný křemíku popis je který mají měrné odpory ohm-cm. Tyto horké 1.000 do 1.500 °C svíčky, které

0,001 přibližně do 100 v teplotním rozsahu od

0,04 ohm-cm a 100 ohm-cm a s výhodou mezi ohm-cm. Typicky tato horká zóna sestává z: 50 a asi 75 objemových % nitridu hliníku 10 a asi 45 objemových % polovodivého materiálu vybraného ze křemíku a karbidu bóru skupiny sestávající z karbidu a jejich směsí a objemových % kovového vodiče (c) asi mezi 8,5 a asi vybraného ze skupiny sestávající z dvojkřemičitanu molybdenu, dvojkřemičitanu wolframu, karbidu wolframu, nitridu titanu a jejich směsí.

U aplikací zahrnujících zapalovací svíčku MIM zveřejněnou ve Willkensově '565 zahrnuje horká zóna nejlépe kolem 50 až 75 v/o nitridu hliníku a kolem 8,5-14 v/o M0SÍ2 a 10-45 v/o SiC a má příčný řez mezi 0,0015 a 0,0090 čverčního palce a délku elektrické dráhy ne více než 0,5 cm.

Výhodněji zahrnuje kolem 60 až 70 v/o nitridu hliníku a asi

10-12 v/o MoSi₂ a 20-25 v/o SiC a má příčný průřez mezi

•	•			··	>>
• ♦	♦	♦	e	•	•	•	··
•	• *	•	•		• ·
•		• ·	•	• ·	• ·	Λ
•	•	•	•	• ·	• »
···	•		··		··	··

0,0030 a 0,0057 čtverčniho palce a délku elektrické dráhy mezi 0,050 palce a 0,200 palce. Nejvýhodněji pak zahrnuje kolem 64 v/o A1N, 11 v/o MoSi₂ a 25 v/o SiC a má příčný průřez mezi 0,0045 a 0,0051 čtverčniho palce a délku elektrické dráhy mezi 0,075 palce a 0,125 palce.

S výhodou jsou velikosti částic obou počátečních prášků a zrn ve zhuštěné horké zóně podobné velikostem popsaným ve Washburnově patentu. U některých provedení je průměrná velikost zrna (dso) složek horké zóny ve zhuštěném tělese následující: a) elektricky izolační materiál (t.j. A1N): mezi asi 2 a 10 mikrony; b) polovodivý materiál (t.j. SiC): asi mezi 1 a 10 mikrony; c) a kovový vodič (t.j. MoSi₂) : asi mezi 1 a 10 mikrony.

Vodivé konce 9 a 13 tvoří prostředky pro elektrické připojení k drátovým vodičům. S výhodou jsou také složené z A1N, SiC a MoSi₂, ale mají značně větší procentuální obsah vodivých a polovodivých materiálů (t.j. SiC a MoSi₂) než mají výhodné kompozice horké zóny. Podle toho typicky mají mnohem menši měrný odpor než horká zóna a neohřívají se na teploty, jaké prodělává horká zóna. Tato vodivá keramická zóna s výhodou zahrnuje:

(a)	mezi asi	15	objemovými	% a	asi 60	objemovými	%
nitridu	hliníku,
(b)	asi mezi	20	objemovými	% a	asi 65	objemovými	%
polovodivého materiálu vybraného	ze	skupiny	sestávající	z
karbidu	křemíku a	karbidu bóru a	jejich směsi	a
(c)	asi mezi	15	objemovými	% a	asi 50	objemovými	%

kovového vodiče vybraného ze skupiny sestávající z dvojkřemičitanu molibdenu, dvojkřemičitanu wolframu, karbidu wolframu, nitridu titanu a jejich směsí.

Výhodněji zahrnuje vodivá keramická zóna kolem 20 objemových % nitridu hliníku, kolem 60 objemových % karbidu křemíku a asi 20 objemových % dvojkřemičitanu molybdenu. U výhodných provedení jsou rozměry vodivých konců 9 a 13 0,05

• »
·♦ 9	•	•	•	•	<*
• · *	•	•	···	• ·
• ··♦·	• ·	•	• ·	• ·	•
• ·	•	•	• ·	• ♦
·«· ·		··	··	··

cm (šířka) x 4,2 cm (hloubka) x 0,1 cm (tloušťka). U jiných provedení může být vodivý kov uložený na materiálu tepelné jímky i horké zóny, aby vytvořil vodivá ramena.

U některých provedení definují vodivá keramická zóna a horká zóna vlásenku, která má dvojící ramen, a podpěrná zóna je umístěná mezí těmito rameny, aby definovala kontaktní délku, kde se podstatě podél vrcholu. Styk výhodou alespoň 80 %

Délka elektrické mezí stýká (i) s vodivou zónou s horkou zónou v a studenou zónou podstatě zahrnuje podpěrná zóna ramen a (ii) podpěrou styčné délky, dráhy horké zóny představená na obrázku jako EPL je menší než 0,5 cm. Vložený materiál 19 je poskytnutý jako vložka, která spojovala horkou zónu a v podstatě vyplňovala zbývající prostor mezí vodivými rameny táhnoucími se od horké zóny 11. Když jsou zdvojená vedení 50 a 51 připojená ke každému z vodivých konců j) a 13 a je na ně přivedeno napětí, proud prochází z prvního vedení 50 na první vodivé rameno í), přes horkou zónu 11 (čímž způsobuje, že teplota horké zóny roste) a pak přes druhé vodivé rameno 13, kde vystupuje přes druhé vedení 51.

U výhodných provedení jsou rozměry vložek 4,0 cm (hloubka) x 0,25 cm (šířka) x 0,1 cm (tlouštka).

Zpracování keramické složky (t.j. podmínky zpracování a slinování surového tělesa) a příprava svíčky ze zhuštěného keramického materiálu se může udělat jakýmkoli běžným postupem. Typicky se takové postupy provádějí v podstatě podle Washburnova patentu. U výhodných provedení se surové vrstvené hmoty zhušťují horkým izostatickým lisováním ve skelném prostředí, jak je zveřejněno v patentu US č. 5,191,508 (Axelsonův patent). Zhuštění poskytuje keramické těleso, jehož horká zóna má hustotu alespoň 95 %, s výhodou alespoň kolem 99 % hustoty teoretické.

Zapalovací svíčky podle tohoto vynálezu mohou být používány u mnoha aplikací včetně aplikací zažehování plynné • φ φφ ·· ·· φ • Φ φ φφφ φ · φφ φφφ φ φ φφφ · φ φ φ Φφφφ · φ φφ ·φφ φ · φ φ φφφφ φφφ φφφ φ φφ φφ φφ φφφ

- 13 fáze paliva, jako jsou pece a varná zařízeni, podlahová ohřívadla, boilery a kamnové nástavce. Obecně Obecně se zde poskytuje způsob použiti keramické zapalovači svíčky s horkým povrchem, který zahrnuje kroky:

a) opatření zapalovací svíčky podle tohoto vynálezu a

b) dodáni napětí mezi vodivé keramické konce zapalovací svíčky a tím vyvolání odporového ohřátí horké zóny a vytvoření ochranné vrstvy mullitu na povrchu podpěrné zóny.

PŘÍKLAD I

Tento příklad prověřuje vhodnost různých směsí pro použití jako vložky podpěrné zóny.

Keramické směsi představené níže v Tabulce I byly vytvořené smícháním vybraných prášků ve vhodných poměrech a zhutněním této směsí na surové zkušební vzorky. Tyto vzorky pak byly izostatickým lisováním za horka zalité sklem zhuštěny na alespoň kolem 99 % teoretické hustoty a nakonec otryskané pískem.

Pro posuzování vhodnosti zde byla čtyři kritéria. První, elektrický měrný odpor byl měřen při 25 °C. Vložka, která má vysoký elektrický měrný odpor, je žádoucí aby zajistila, že elektrický proud procházející přes vlásenku neobtéká určenou trasu přes vodivé a odporové zóny. Když byl materiál tak odporový, že byl jeho měrný odpor alespoň 2 mega ohmy při 25 °C, pak byl posuzován jako nejlepší. Pokud měl materiál menší měrný odpor ne více než 0,5 megaohmu při 25 °C, byl posuzován jako špatný, protože jeho použití by pravděpodobně zvýšilo šanci spojení nakrátko.

Druhé kriterium, odolnost proti oxidaci, bylo měřeno testováním statické oxidace po 18 hodin při 1425 °C. Vložka, která měla film oxidu ne větší než 30 μπι, byla posuzována jako nejlepší, zatímco vložka, která měla film oxidu alespoň 80 pm, byla posuzována jako špatná.

Třetí kriterium, koeficient tepelné roztažnosti, byl

0	•	«0	00	00	0
• 0	0	0	0	0	0	0	00
•	• 0	•	0	000	0	0	0
•		• ·	0	0 ·	0 ·	0	0
♦	0	• 0	0 ·	0 ·	0
000	0	• 0	00	00	000

předběžně stanoven pro každý materiál výpočtem směšovacího pravidla. Materiál, který měl CTE mezi 5,3 x 10 “⁶ /°C a 5,5 x 10’⁶ /°C, byl posuzován jako dobrý, protože by pravděpodobně nepraskal při ochlazování ze zhušťování, když by se vyrovnával oproti typické Washburnově vodivé zóně (která má CTE kolem 5,4 x 10’⁶ /°C) .

Čtvrté kriterium, vyrovnání barvy, bylo vyhodnoceno vizuální kontroloum když se porovnávala s typickou Washburnovou odporovou zónou. U některých aplikací může být žádoucí porovnávat barvu vložky s barvou odporové zóny, zatímco u jiných může být žádoucí zajistit zřetelně kontrastní barvu.

Rozbor níže uvedené tabulky naznačuje počet výhodných rozsahů.

Zaprvé tabulka jasně ukazuje, že je potřebný značný přídavek oxidu hlinitého, aby se zajistilo správné vyrovnání CTE s vodivou zónou Washburnova typu. Porovnejte příklady 15 proti 6-10. Podle toho je výhodné, aby podpěrná zóna zahrnovala mezi 2 a 20 objemovými % oxidu hlinitého, výhodněji mezi 8 a 15 objemovými % oxidu hlinitého.

TABULKA I

A1N	A1₂O₃	SiC	MoSi₂	Měrný odpor	Oxidace	CTE Vyrovnání
(teo.)	barvy
80	5	15	0	nejlepší	slabá	dobrý	ne
75	5	20	0	nejlepši	slabá	dobrý	ne
70	5	25	0	nejlepší	akcept	dobrý	ne
75	10	15	0	nejlepši	slabá	dobrý	ne
7Ό	10	20	0	nejlepší	dobrá	dobrý	ne
80	0	20	0	nejlepší	slabá	špatný	ne
70	0	30	0	dobrý	dobrá	špatný	ne
60	0	40	0	slabý	nejlepši	špatný	ne
78	0	20	2	dobrý	nejlepší	špatný	ano
76	0	20	4	slabý	nejlepší	špatný	ano

		• 9	99 9
<*	Φ Φ	9	9 9
9 ·	• ·	999	9 9	•
	• · ·	9 9	9 9 9	9
9	• ·	9 9	• ·	9
9 ·	99	99	··	999

Zadruhé tabulka ukazuje, že přídavek dvojkřemičitanu molybdenu je dobrý nejen pro barvu, ale také pro dosaženi nejlepší odolnosti proti oxidaci. Porovnej příklady 9-10 oproti 1-8. Je však také jasné, že přídavky více než 4 objemových % mohou nežádoucím způsobem zvýšit znak elektrické izolace vložky. U některých provedení je tedy výhodné, aby vložka měla mezi 1 a 4 objemovými % dvojkřemičitanu molybdenu.

S ohledem na SiC tabulka ukazuje kompromis mezi elektrickým měrným odporem a odolností protioxidaci. Odolnost proti oxidaci vložky je obecně dobrá, když je zde alespoň 20-30 objemových % SiC (podněcuje schopnost SiC vytvářet mullit), avšak elektrický měrný odpor je obecně dobrý, když se použije méně než 40 % SiC. U většiny provedení je tedy žádoucí frakce SiC asi mezi 20 až 35 objemovými %, s výhodou mezi 25 objemovými % a 35 objemovými %, zejména když vložka sestává v podstatě z těchto tří komponent.

Tabulka také ukazuje, že poskytnutí malého množství dvojkřemičitanu molybdenu má dramatický a užitečný účinek na odolnost vložky proti oxidaci a tím umožňuje, aby se úroveň SiC snížila na nižší úrovně a poskytlo se vložce žádoucí rozlišovací barva. U systémů obsahujících AlN-SiC-MoSi₂, kde není úroveň SiC vyšší než 25 % (s výhodou mezi 10 a 25 objemovými %) je tedy frakce MoSi₂ s výhodou mezi 1 a 3 objemovými %.

PŘÍKLAD II

mimořádnou

svíčky podle tohoto vynálezu vůči oxidaci.

horké zóny ze '565. Smíšený prášek zahrnující

70,8 v/o A1N, 20 v/o SiC a 9,2 směs prášku v/o MoSi₂ položený následně • · toto to·>

• toto · · to < ··♦ to · · · to ·♦♦ to ·to to ···> · to toto »·· ·· • · · ♦ · ·«to· ··· · ·· ·· ·· ··»

- 16 na elektricky izolující práškovou směs tepelné jímky z 60 v/o Aln, 30 v/o SiC a 10 v/o A1₂O₃ byl slisovaný zatepla do formy špalíku, který byl pak rozřezán, aby se vytvořila surová destička 24 podle obrázku 5. Část horké zóny surového tělesa slisovaného zahorka měla hustotu asi 65 % hustoty teoretické, zatímco část A1N měla hustotu kolem 65 % hustoty teoretické. Surové destičky reprezentující vodivé konce byly zhotovené lisováním práškových směsí obsahujících 20 v/o A1N, 60 v/o SiC a 20 v/o MoSi₂ zatepla, aby se vytvořil špalík, který má hustotu kolem 63 % hustoty teoretické, z něhož se nařezaly destičky 21 a 32 podle obrázku 5. Tyto surové destičky byly navrstveny jako na obrázku 5 a pak byly zhutněny izostatickým lisováním zahorka zalité sklem asi při 1800 °C asi po dobu 1 hodiny, aby vytvořily keramický blok, který měl druhou odporovou sekci vytvořenou in-situ. Tento blok se pak rozřezal našířku, aby se vyrobila řada elementů horkého povrchu o rozměrech 1,5 x 0,150 x 0,030 (3,81 cm x 0,381 cm x 0,076 cm) . Výsledná horká zóna se skládala z první odporové sekce, která měla hloubku asi 0,125 cm, a druhé odporové sekce vytvořené in-situ, která měla hloubku kolem 0,05 cm. Délka horké zóny (EPL) a tlouštka byly kolem 0,25 cm respektive 0,076 cm.

K vodivým částem elementu horkého povrchu byly připojeny vhodné vodiče a bylo aplikováno napětí kolem 30 V. Horká zóna dosahovala teploty kolem 1.300 °C během méně než dvou sekund.

Aby se vyzkoušela odolnost proti oxidaci této nové podpěrné zóny, byla zapalovací svíčka podrobena 20.000 cyklů 18 V energie, přičemž každý cyklus estával z 30 sekund fáze on (zapnuto) a 30 sekund fáze off (vypnuto) . Po této zkoušce byl povrch podpěrné zóny analyzován na oxidaci měřením tlouštky oxidu. Bylo zjištěno, že tlouštka oxidu byla kolem 50 pm. To je asi 7 až 10 krát tenčí než tlouštka

•		toto	··	··	•
• to		•	to	•	·*	•	• ·
•	• to	·'	•	• to·	·>	•	to
•	• •toto	• ·	•	• ·	to ·	•	to
to to	•	•	• ·	•	•	•
• to·	to	··	··	··	• toto

oxidu neměřená na podpěrné zóně zveřejněné ve Willkensově '565.

POROVNÁVACÍ PŘÍKLAD I

Byla připravena podpěrná zóna zahrnující kolem 9 objemových % nitridu křemíku, 10 objemových % oxidu hlinitého a 81 objemových % nitridu hliníku. Avšak destička zapalovací svíčky obsahující tuto zónu a sousední vodivá zóna během zhuštění praskají. Má se za to, že destička praská kvůli nevhodnému spojení CTE mezipodpěrnou zónou a sousední vodivou zónou. Protože nitrid křemíku má velmi nízký CTE (3,4 x 10⁶/°C), bylo usuzováno, že jeho použití v podpěrné zóně snižuje celkový CTE podpěrné zóny na nežádoucí úroveň.

POROVNÁVACÍ PŘÍKLAD II

Byla připravena podpěrná zóna zahrnující kolem 96 objemových % A1N a 4 objemová % oxidu hlinitého. Bylo však zjištěno, že tato zóna má nepřijatelnou odolnost proti oxidací.

•to • to to •· to •to*·· •to ···to »4·· •· · • to toto*· to toto» • ··♦ toto··

Claims

• · ·· ·· ·· · • «1 · »·· ·»·· • · · · · ··♦ · « · • ···· ·· ·· ·♦· ? !

. « ···· · · · •·· « ·· ·· »· ···

1. Keramická zapalovací svíčka zahrnující:

(a) dvojici vodivých keramických konců a (b) keramickou horkou zónu umístěnou mezi vodivými keramickými konci a (c) podpěrnou zónu, na které je umístěná horká zóna, vyznačující se tím, že podpěrná zóna zahrnuje: (i) mezi asi 50 objemovými % a asi 80 objemovými % nitridu hliníku a (ii) asi mezi 2 objemovými % a asi 40 objemovými % karbidu křemíku.
2. Zapalovací svíčka podle nároku 1, vyznačuj í - c i se t i m, že karbid křemíku tvoří mezi 10 objemovými % a 40 objemovými % podpěrné zóny.
3. Zapalovací svíčka podle nároku 2, vyznačuj i c i se t i m, že karbid křemíku tvoří mezi 20 a 40 objemovými % podpěrné zóny.
4 • 4 ee e • • 4 » • · • • 4« e eeet • · • • · e · e • • • • ♦ e • • ·· ·· ee

4. Zapalovací svíčka podle nároku 2, vyznačuj ίο i se t i m, že karbid křemíku tvoří 20-35 objemových % podpěrné zóny.
5. Zapalovací svíčka podle nároku 2, vyznačující se tím, že podpěrná zóna dále zahrnuje mezi přibližně 2 objemovými % a asi 20 objemovými % keramické hmoty s vysokým CTE, která má koeficient tepelné roztažnosti alespoň 6 x 10’⁶ /°C.
6. Zapalovací svíčka podle nároku 5, vyznačující se tím, že keramická hmota s vysokým CTE je oxid hlinitý.
7. Zapalovací svíčka podle nároku 6, vyznačuj ίο i se t i m, že oxid hlinitý tvoří 5-15 objemových % podpěrné zóny.
8. Zapalovací svíčka podle nároku 6, vyznačuj i c í se t í m, že oxid hlinitý tvoří 8-15 objemových % podpěrné zóny.
· » ·· · ··· ·' · · • ···· · · ·· ··· · * • 9 9 9 9 9 9 9 9 ··« · ·· ·· ·· ···

9. Zapalovací svíčka podle nároku 6, vyznačuj í cí se tím, že vodivá keramická zóna a horká zóna definují vlásenku, která má dvojici ramen, a podpěrná zóna je umístěná mezi těmito rameny, takže definuje kontaktní délku, takže podpěrná zóna se stýká (i) s vodivou zónou v podstatě podél těchto ramen a (ii) s horkou zónou v podstatě na vrcholu.
10. Zapalovací svíčka podle nároku 9, vyznačující se tím, že spojení mezi podpěrou a studenou zónou tvoří alespoň 80 % styčné délky.
11. Zapalovací svíčka podle nároku 10, vyznačující se tím, že vodivá keramická zóna zahrnuje:

(a) mezi přibližně 15 objemovými % a asi 60 objemovými % nitridu hliníku, (b) asi mezi 20 objemovými % a asi 65 objemovými % polovodivého materiálu vybraného ze skupiny sestávající z karbidu křemíku a karbidu bóru a jejich směsí a (c) asi mezi 15 objemovými % a asi 50 objemovými % kovového vodiče vybraného ze skupiny sestávající z dvojkřemičitanu molybdenu, dvojkřemičitanu wolframu, karbidu wolframu, nitridu titanu a jejich směsí.
12. Zapalovací svíčka podle nároku 11, vyznačující se tím, že horká zóna zahrnuje:

(a) mezi přibližně 50 a asi 75 objemovými % nitridu hliníku, (b) mezi přibližně 10 a asi 45 objemovými % polovodivého materiálu vybraného ze skupiny sestávající z karbidu křemíku a karbidu bóru a jejich směsí a (c) mezi přibližně 8,5 a asi 14 objemovými % kovového vodiče vybraného ze skupiny sestávající z dvojkřemičitanu molybdenu, dvojkřemičitanu wolframu, karbidu wolframu, nitridu titanu a jejich směsi.
13. Zapalovací svíčka podle nároku 6, vyznačující se tím, že podpěrná zóna dále zahrnuje mezi 1 a 4 objemovými % dvojkřemičitanu molybdenu.
14. Zapalovací svíčka podle nároku 1, vyznačující se tím, že horká zóna zahrnuje:

(a) mezi přibližně 50 a asi 75 objemovými % nitridu hliníku, (b) mezi přibližně 10 a asi 45 objemovými % polovodivého materiálu vybraného ze skupiny sestávající z karbidu křemíku a karbidu bóru a jejich směsí a (c) přibližně mezi 8,5 a asi 14 objemovými % kovového vodiče vybraného ze skupiny sestávající dvojkřemičitanu molybdenu, dvojkřemičitanu wolframu, karbidu wolframu, nitridu titanu a jejich směsí.
15. Zapalovací svíčka podle nároku 14, v y z n a č u - jící s e tím, že horká zóna zahrnuje: (a) mezi přibližně 50 a asi 75 objemovými % nitridu hliníku, (b) mezi přibližně 10 a asi 45 objemovými % karbidu křemíku a

• • ·· *· • ··) • • • • • • · • · r • ·♦· • • • ···· • · • • ♦ • · • • • • • · • · • ·<· • ♦ ♦ ·· ·· ·· ·

(c) mezi přibližně 8,5 a asi ob j emo vými % dvojkřemičitanu molybdenu.
16. Zapalovací svíčka podle nároku 15, vyznačující tím, že podpěrná zóna zahrnuje mezí 10 objemovými % a 40 objemovými % SiC.
17. Zapalovací svíčka podle nároku 16, vyznačující se tím, že podpěrná zóna dále obsahuje mezi asi 2 objemovými % a asi 20 objemovými % keramického materiálu s vysokým CTE, který má koeficient tepelné roztažnosti alespoň 6 χ 10'⁶ /°C.
18. Zapalovací svíčka podle nároku 17, vyznačující se tím, že keramický materiál s vysokým CTE je oxid hlinitý.
19. Zapalovací svíčka podle nároku 18, vyznačující se tím, že oxid hlinitý tvoří mezi 8 a 15 objemovými % podpěrné zóny.
20. Zapalovací svíčka podle nároku 2, vyznačující se tím, že podpěrná zóna dále zahrnuje:

(c) mezi přibližně 1 objemovým % a asi 4 objemovými % kovového vodiče vybraného ze skupiny sestávající z dvojkřemičitanu molybdenu a dvojkřemičitanu wolframu a jejich směsi.
21. Zapalovací svíčka podle nároku 20, vyznačující se tím, že kovový vodič podpěrné zóny je dvojkřemičitan molybdenu v množství mezi 1 objemovým % a 4 objemovými % podpěrné zóny.
22. Zapalovací svíčka podle nároku 21, vyznačující se tím, že keramický materiál obsahující křemík zahrnuje karbid křemíku a tento karbid křemíku je přítomný v množství mezí 10 a 25 objemovými % podpěrné zóny.
23. Zapalovací svíčka podle nároku 1, vyznačující se tím, že vodivá keramická zóna zahrnuje:

(a) mezi přibližně 15 objemovými % a asi 60 objemovými % nitridu hliníku, (b) mezi přibližně 20 objemovými % a asi 65 objemovými % polovodivého materiálu vybraného ze skupiny sestávající z karbidu křemíku a karbidu bóru a jejich směsi a (c) mezi přibližně 15 objemovými % a asi 50 objemovými % kovového vodiče vybraného ze skupiny sestávající z dvojkřemičitanu molybdenu, dvojkřemičitanu wolframu, karbidu wolframu, nitridu titanu a jejich směsi.
24. Zapalovací svíčka podle nároku 23, vyznačující se tím, že zóna vodivého keramického materiálu zahrnuje:

(a) kolem 20 objemových % nitridu hliníku, (b) kolem 60 objemových % karbidu křemíku a (c) kolem 20 objemových % dvojkřemičitanu molybdenu
25. Způsob použití keramické zapalovací svíčky s horkým povrchem, vyznačující se tím, že sestává z kroků:

a) opatření keramické zapalovací svíčky zahrnující:

(i) dvojici vodivých keramických konců, (ii) keramickou horkou zónu umístěnou mezi vodivými keramickými konci a (iii) podpěrnou zónu, na které je umístěná horká zóna, přičemž podpěrná zóna zahrnuje mezi přibližně 50 objemovými % a asi 80 objemovými %

• • ·· 99 · • • • • · · 9 · • • · • • ··> · · • • ···· • · • • · 9 9 · 9 • • · • ♦ ♦ ♦ • ·♦· • ·· ·· ·· • · ·

nitridu hliníku a mezi přibližně 2 objemovými % a asi 40 objemovými % karbidu křemíku, a (b) dodáni napětí mezi vodivé keramické konce zapalovací svíčky, čímž se vyvolá odporové ohřátí horké zóny a vytvoření ochranné vrstvy mullitu na povrchu podpěrné zóny.
26. Zhuštěný polykrystalický keramický materiál zahrnující: a) mezi 50 a 80 objemovými % nitridu hliníku,

b) mezi 25 a 35 objemovými % SiC a

c) mezi 8 a 15 objemovými % oxidu hlinitého.

27. Keramický materiál podle nároku 26, který v podstatě sestává z:

a) mezi 50 a 80 objemovými % nitridu hliníku, b) mezi 25 a 35 objemovými % SiC a c) mezi 8 a 15 objemovými % oxidu hlinitého. 28. Zhuštěný polykrystalický keramický materiál skládající se z a) mezi 50 a 80 objemovými % nitridu hliníku, b) mezi 10 a 25 objemovými % SiC a c) mezi 8 a 15 objemovými % oxidu hlinitého a d) mezi 1 a 4 objemovými % dvojkřemičitanu molybdenu.