DE3405205A1

DE3405205A1 - Gesintertes aluminiumoxidprodukt

Info

Publication number: DE3405205A1
Application number: DE19843405205
Authority: DE
Inventors: Atsushi Kanda; Tatsuo Kato; Shunichi Nagoya Aichi Takagi
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1983-02-14
Filing date: 1984-02-14
Publication date: 1985-02-07
Also published as: JPS631262B2; JPS59152263A; US4582813A; DE3405205C2

Description

Die Erfindung betrifft ein gesintertes Aluminiumoxidprodukt hoher dielektrischer Durchschlagsfestigkeit bei erhöhten Temperaturen.

Dicht gesinterte Aluminiumoxidprodukte werden in weitem Umfang bei hohen Temperaturen als elektrische Isoliermaterialien eingesetzt, da sie eine hohe mechanische Festigkeit und Isolierbeständigkeit bei erhöhten
Temperaturen mit einer hohen Hitzebeständigkeit und dielektrischen Durchschlagsfestigkeit vereinigen. Die einzige Kenntnis bezüglich ihrer dielektrischen Durchschlagsfestigkeit bei erhöhten Temperaturen besteht darin, daß sie mit zunehmendem Aluminiumoxidgehalt
steigt.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die dielektrische Durchschlagsfestigkeit gesinterter Aluminiumoxidprodukte in enger Beziehung zur Zusammensetzung der Hilfskomponenten steht.

Erfindungsgemäß wird dem Fachmann ein gesintertes
Aluminiumoxidprodukt verbesserter dielektrischer
Durchschlagsfestigkeit bei erhöhten Temperaturen an die Hand gegeben.

Gegenstand der Erfindung ist ein gesintertes Aluminium-

-ΑΙ _ oxidprodukt mit 90-98 Gew.-% Aluminiumoxid als Hauptkomponente und als Hilfskomponenten nicht mehr als 1 Gew.-% BaO und 1-10 Gew.-% eines zusammengesetzten Oxids einer Zusammensetzung innerhalb des in dem in Fig. 1 dargestellten SiO^CaO-MgO-Phasendiagramm liegenden Sechsecks ABCDEF (mit Ausnahme der Linie AF).

Ferner betrifft die Erfindung ein gesintertes Aluminiumoxidprodukt mit 90 - 98 Gew.-% Aluminiumoxid als Hauptkomponente und als Hilfskomponenten nicht mehr als 1 Gew.-% BaO, 0,1 - 0,9 Gew.-% B₃O₃ und 0,1 - 9,9 Gew.-% eines zusammengesetzten Oxids einer Zusammensetzung innerhalb des in dem in Fig. 1 dargestellten SiO₂-CaO-MgO-Phasendiagramm liegenden Sechsecks ABCDEF (mit Ausnahme der Linie AF).

Die (Ausgangs-)Materialien für die einzelnen Komponenten der erfindungsgemäßen Sinterprodukte sind nicht auf die in den Ausführungsbeispielen angegebenen Materialien beschränkt, d.h, es können nicht nur Oxide, sondern auch Hydroxide, Chloride, Carbonate, Nitrate und sonstige Salze sowie Metallpulver und beliebige sonstige Materialien, die nach dem Sintern in Oxide umgewandelt wurden, eingesetzt werden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein SiO^CaO-MgO-Phasendiagramm;

Fig. 2 eine Frontansicht eines schematisch dargestellten gesinterten Aluminiumoxidprüflings·zur Messung der dielektrischen Durchschlagsspannung;

gg Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung

zur Ermittlung der dielektrischen Durchschlagsspannung eines gesinterten Aluminiumoxidprodukts und

Fig. 4, 5 und 6 graphische Darste'llungen des Profils

der dielektrischen Durchschlagsspannung gegen die Temperatur, den BaO-Gehalt bzw. B₃O₃-Gehalt.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher veranschaulichen .

Beispiele

Zwei Gruppen eines handelsüblichen pulverförmigen CX-Al₂O₃ (durchschnittliche Teilchengröße: 1 ,7 μια) , von denen eine in einer Menge von 90 Gew.-%, die andere in einer Menge von 94 Gew.-%, eingesetzt wird, werden mit den in Tabellen I und II angegebenen Mengen an SiO₂ 1 CaCO₃ und MgCO₃ gemischt. Das Gesamtgewicht der Hilfskomponenten in den fertigen Sinterprodukten beträgt hierbei 10 Gew.-% bzw. 6 Gew.-%. Die jeweiligen Mischungsproben werden naß auf eine Teilchengröße von

1,5 um vermählen, getrocknet^ unter einem Druck von 98100 kPa zu einem Preßling der in Fig. 2 dargestellten Form mit t = 1 mm verfestigt und bei den in Tabellen I und II angegebenen Temperaturen gesintert. Mit Hilfe der in Fig. 3 schematisch dargestellten Vorrichtung wird dann die dielektrische Durchschlagsspan-

nung (Vi) der verschiedenen Sinterprüflinge ermittelt. Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung besteht aus einem elektrischen Ofen 1, zwei röhrenförmige Porzellanisolatoren 2, die aufeinander angeordnet sind, durch die Isolatoren laufenden Elektroden 4 und einer Spannungsquelle 5. Jeder der Prüflinge 3 wird zwischen die Isolatoren eingebracht, worauf auf den Prüfling wechselnde Spannungen einer Standard-Stoßimpulswelle (1 χ 40 \is) einer Dauer der Wellenfront von 1 με einig wirken gelassen wird, bis es zu einem Durchschlag kommt. Die Durchschlagsspannungen (Vi) für die einzelnen Prüflinge bei 500 C sind in Tabellen I und II angegeben.

TABELLE I

Hilfs- kompo- nente Nr.*	Zusammensetzung in Gew.-%	3 ^Si02	CaO	MgO	Sinter tempera tur in ⁰C	Dielek trische Durch schlags spannung**	Bemerkungen
1	Al₂O	8	1	1	1620	X
2 3	90	6 6,3	1 1	3 2,7	1580 1550	X X	außerhalb
4	90 90	6	3,5	0,5	1550	0	der Erfindung
5	90	6	2,5	1,5	1550	A
6	90	5,2	4,3	0,5	1530	0
7 8	90	5,2 4,5	3,3 2,5	1,5 3,0	1550 1570	0	innerhalb
9	90 90	4	5,5	0,5	1570	Δ	der Erfindung
10	90	4	4,5	1,5	1570	Δ
11	90	4	3	3	1570	Δ
12 13	90	3 3	6,5 5,5	0,5 1,5	1600 1610	Δ X
14	90 90	3	4	3	1610	X	außerhalb der
90	Erfindung

*Unter Nummer ist zu verstehen, daß der jeweilige Prüfling die Hilfskomponenten in den durch einen Punkt in dem Dreikomponentendiagramm gemäß Fig. 1 derselben Zahl angegebenen Mengen enthält.

**Die Symbole 0, ^ und X in der Spalte "Dielektrische Durchschlagsspannung" zeigen, daß die Durchschlagsspannung Vi des jeweiligen Prüflings 40 kV oder mehr, zwischen 30 kV und 40 kV bzw. weniger als 30 kV beträgt.

	Zusammensetzung	%	SiO₂	CaO	TABELLE II	Sinter-	Dielek	Bemerkungen
Hilfs-	Gew.-'			[ in	tempera-	trische
kompo-	Al₂O₃	4,8	0,6		tur in ⁰C	Durch schlags
nente Nr.*		3,6	0,6	MgO		spannung**
	94	3,8	0,6		1660	X	außerhalb
1	94	3,6	2,1	0,8	1620	X	der
2	94	3,6	1,5	1,8	1580	X	Erfindung
3	94	3,1	2,6	1,6	1580	Λ
4	94	3,1	2	0,3	1580	Δ
5	94	2,7	1,5	0,9	1560	0	innerhalb
6	94	2,4	3,3	0,3	1580	Δ	der
7	94	2,4	2,7	0,9	1610	Δ	Erfindung
8	94	2,4	1,8	1,8	1610	0
9	94	1,8	3,9	0,3	1610	0
10	94	1,8	3,3	0,9	1610	Δ
11	94	1,8	2,4	1,8	1640	Δ
12	94		0,3	1650	X	außerhalb der
13	94	0,9	1650	X	Erfindung
14	1,8

*Unter Nummer ist zu verstehen, daß der jeweilige Prüfling die Hxlfskomponenten in den durch einen Punkt in dem Dreikomponentendiagramm gemäß Fig. 1 derselben Zahl angegebenen Mengen enthält.

**Die Symbole 0, Δ und X in der Spalte "Dielektrische Durchschlagsspannung" zeigen, daß die Durchschlagsspannung Vi des jeweiligen Prüflings 40 kV oder mehr, zwischen 30 kV und 40 kV bzw. weniger als 30 kV beträgt.

Die Tabellen I und II zeigen, daß Prüflinge, bei welchen die Hilfskomponenten eine Zusammensetzung innerhalb des erfindungsgemäß definierten Bereichs aufweisen, höhere dielektrische Durchschlagsspannungswerte aufweisen als die Prüflinge, deren Hilfskomponenten eine Zusammensetzung außerhalb der Erfindung aufweisen. Folglich müssen also erfindungsgemäß die Mengenanteile SiO₂, CaO und MgO innerhalb des in Fig. 1 festgelegten Sechsecks ABCDEF liegen.

Drei Proben A^O.-Pulver, deren Mengen 88, 90 bzw. 98 Gew.-% betragen, werden mit den Hilfskomponenten in den durch Punkt 15 in Fig. 1 festgelegten Mengen gemischt und dann in der geschilderten Weise weiterverarbeitet. In Fig. 4 sind die bei drei unterschiedlichen Temperaturen gemessenen dielektrischen Durchschlagsspannungen (Vi) der einzelnen Prüflinge dargestellt, wobei die Kurven a, b und c den Prüflingen mit 88, 90 bzw. 98 Gew.-% Al₂O- entsprechen. Aus Fig.4 geht hervor, daß die dielektrische Durchschlagsfestigkeit der Prüflinge mit 90 bzw. 98 Gew.-% Al₃O₃ bei höheren Temperaturen nicht vermindert ist. Es ist jedoch bei dem Prüfling mit 88 Gew.-% Al₃O₃ nicht der Fall. Folglich erreicht man also keine akzeptable dielektrische Durchschlagsfestigkeit bei erhöhten Temperaturen, wenn in dem Sinterkörper weniger als 90 Gew.-% Al-O- enthalten sind. Andererseits treten bekanntlich auch Schwierigkeiten beim Sintern auf, wenn der Aluminiumoxidgehalt 98 Gew.-% übersteigt. Folglich muß also der Aluminiumoxidgehalt erfindungsgemäß im Bereich von 90-98 Gew.-% liegen.

Unter Verwendung von 90 Gew.-% Al-O-j-Pulver werden in entsprechender Weise drei weitere Prüflinge hergestellt, wobei jedoch als zusätzliche Hilfskomponente BaO in

Mengen von 0,5, 1,0 bzw. 1,5 Gew.-% und die sonstigen Hilfskomponenten in den durch Punkt 15 in Fig. 1 angezeigten Mengen zugegeben werden. Die bei 50O⁰C gemessenen dielektrischen Durchschlagsspannungen (Vi) der einzelnen Prüflinge sind in Fig. 5 dargestellt. Aus Fig. 5 geht hervor,.daß die dielektrische Durchschlagsspannung bei hohen Temperaturen mit zunehmendem Gehalt an BaO steigt. Es ergeben sich jedoch SinterSchwierigkeiten, wenn der BaO-Gehalt 1,0 Gew.-% übersteigt. Folglich muß erfindungsgemäß der BaO-Gehalt auf höchstens 1,0 Gew.-% beschränkt werden.

Unter Verwendung von 94 Gew.-% Al₂O₃-Pulver und 0,8 Gew.-% BaO werden in entsprechender Weise weitere fünf Prüflinge hergestellt, wobei jedoch 0,1, 0,3, 0,6, 0,9 bzw. 1,2 Gew.-% B₃O₃ mitverwendet und die sonstigen Hilfskomponenten in den durch Punkt 15 in Fig. 1 angezeigten Mengen eingesetzt werden. In Fig. 6 sind die bei 500°C gemessenen'dielektrischen Durch-Schlagsspannungen (Vi) der verschiedenen Prüflinge dargestellt. Aus Fig. 6 geht hervor, daß die dielektrische Durchschlagsspannung bei hohen Temperaturen durch Zusatz von B~0_ geringfügig steigt. Wenn jedoch der B-O-Gehalt 0,9 Gew.-% übersteigt, kommt es zu einem abnormalen Wachstum von Al₂0_-Kristallen. Wenn der B₃O -Gehalt unter 0,1 Gew.-% liegt, stellt sich die gewünschte Verbesserung der dielektrischen Durchschlagsspannung nicht ein. Folglich muß erfindungsgemäß der B₂O₃-GeIIaIt auf 0,1 - 0,9 Gew.-% beschränkt werden.

Die vorherigen Ausführungen dürften gezeigt haben, daß erfindungsgemäße gesinterte Aluminiumoxidprodukte eine verbessere dielektrische Durchschlagsfestigkeit bei hohen Temperaturen aufweisen und durch die bekannte Keramiktechnologie herstellbar sind. Folglich lassen

1 sich die erfindungsgeraäßen Produkte in weitern Umfang auf industriellen Anwendungsgebieten einsetzen. Beispiele hierfür sind röhrenförmige Isolatoren, Endstücke für elektronische Teile und sonstige Isoliermaterialien,

5 die hohen Temperaturen ausgesetzt werden.

■41-

- Leerseite -

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Gesintertes Aluminiumoxidprodukt mit 90 - 98 Gew.-% Aluminiumoxid als Hauptkomponente und als Hilfskomponenten nicht mehr als 1 Gew.-% BaO und 1-10 Gew.-% eines zusammengesetzten Oxids einer Zusammensetzung innerhalb des in dem in Fig.1 dargestellten SiO₂-CaO-MgO-Phasendiagramm liegenden Sechsecks ABCDEF (mit Ausnahme der Linie AF), wobei die jeweiligen Scheitelpunkte wie folgt definiert sind:

SiO₂ CaO MgO A 60 40 0 B 60 25 15 C 45 25 30 D 40 30 30 E 40 55 5 F 45 55 0.
2. Gesintertes Aluminiumoxidprodukt mit 90-98 Gew.-% Aluminiumoxid als Hauptkomponente und als Hilfskomponenten nicht mehr als 1 Gew.-% BaO, 0,1-0,9 Gew.-% B₃O₃ und 0,1 - 9,9 Gew.-% eines

zusammengesetzten Oxids einer Zusammensetzung innerhalb des in dem in Fig. 1 dargestellten SiO₃-CaO-MgO-Phasendiagramm liegenden Sechsecks ABCDEF (mit Aus-., nähme der Linie AF), wobei die jeweiligen Scheitelpunkte wie folgt definiert sind:

SiO,

CaO

MgO

A 60 40 0 B 60 25 15 C 45 25 30 D 40 30 30 E 40 55 5 F 45 55 0.