模制件、加熱裝置及用于制造模制件的方法

專利名稱：模制件、加熱裝置及用于制造模制件的方法
技術領域：
本發明涉及模制件(Formk0rper)、包括該模制件的加熱裝置及用于制造該模制 件的方法。
背景技術：
介質(例如流體)可借助于與材料(其具有電阻的正溫度系數(PTC材料))的熱 接觸來加熱。這種PTC材料迄今可成形(ausformen)為由PTC材料制成的圓盤或者矩形元 件。

發明內容
待實現的目的在于，提供一種模制件，其具有高的機械強度和化學穩定性，并且包 含帶有PTC特性的材料。本目的通過根據專利權利要求1的模制件來實現。模制件、包括模 制件的加熱裝置及用于制造模制件的方法的其它的實施形式為其它專利權利要求的對象。根據一種實施形式提供這樣的模制件，即，其包括第一區域、第二區域及在 第一區域和第二區域之間的邊界區域。第一區域具有帶有電阻的正溫度系數的電瓷 (elektrokeramisch)材料，并且第二區域具有結構陶瓷(strukturkeramisch)材料。在 邊界區域中電瓷材料和結構陶瓷材料彼此燒結。因此，提供了單件式的模制件，在其中 存在由電瓷材料與結構陶瓷材料組成的復合材料(Materialverbimd)。所以，純成型的 (formgebend)或者成型的和功能性的成分可結合在一個模制件中。另外，模制件的第一區域的電瓷材料可具有鈣鈦礦結構(Perowskitstruktur)。電 瓷材料可具有結構Bai_x_yMxDyTI1IbNaMnbO315在此，χ從0至0. 5的范圍中選擇，y從0至0. 01 的范圍中選擇，a從0至0.01的范圍中選擇，并且b從0至0.01的范圍中選擇。M可包含 二價陽離子(Kation)，D可包含三價或四價供體(Donor)，并且N包含五價或六價陽離子。 M例如可為鈣，鍶(Strontium)或鉛，D例如可為釔(Yttrium)或鑭(Lanthan)。例如對于 N，為鈮(Niob)或銻(Antimon)。電瓷材料可包含金屬的雜質，其以少于IOppm的含量存在。 金屬的雜質的含量如此微小，從而使得電瓷材料的PTC特性不受影響。另外，在模制件中的電瓷材料可具有居里溫度(Curie-Temperatur)，其包含 從_30°C至340°C的范圍。另外，電瓷材料可在25°C中具有位于3 Ω cm至100000 Ω cm的范 圍中的單位阻值。通過使用帶有電阻的正溫度系數的電瓷材料，模制件具有第一區域，其通過電壓 的施加來加溫，并且該熱量可釋放到環境處。在此，該區域具有自身調節的特性。如果第一 區域中的溫度達到臨界值，那么該區域中的阻值同樣升高，從而使得，較小的電流流經第一 區域。因此，阻礙了第一區域被進一步加熱，從而使得不必提供發熱量(Heizleistimg)額 外的電子的調節。模制件的第二區域的結構陶瓷材料可包含氧化物陶瓷。氧化物陶瓷可從這樣的組 中來選擇，即，該組包含&02，A1203和MgO。其它氧化物陶瓷的應用一樣是可能的。氧化物陶瓷例如相對于磨蝕具有高的機械強度以及例如相對于酸和堿具有高的化學抗性。另外， 它是對于食品安全的(lebensmittelecht)，并且可因此毫無顧慮地與材料(例如待加熱的 介質)接觸，該介質不允許被污染。如果該模制件例如應用在加熱裝置中，那么模制件的第二區域可如此來成型，即 其在這樣的部位處存在，在該部位處其與待加熱的介質接觸，并且/或者在該部位處出現 高的磨蝕。所以提供一種模制件，在其中實現了在第一區域中的電功能與在第二區域中的機 械上穩定的結構性的成分分離。另外，模制件可借助于注塑(Spritzguss)來制造，并且因此以各種幾何的形狀 (其對于相應的結構的環境是必要的)來成型。如果模制件在加熱裝置中應用，則因此第一 區域可同樣如此地來成型，即其可布置在結構上難接近的區域處。所以，例如介質可高效地 利用非常短的加熱時間和較低的發熱量來加熱。另外，第一區域、第二區域及邊界區域可具有彼此間相差小于2*10_6/Κ的熱膨脹 系數。因此選取一種材料組合，其在第一區域和第二區域之間的邊界區域中具有合適的相 (Phase) 0 “相”可包含由電瓷和結構陶瓷材料制成的混晶。當作為結構陶瓷材料選取氧化 鋯時，這種混晶可例如為鋇-鉛-鋯鈦酸鹽。在Al2O3或MgO作為結構陶瓷材料時，該混晶 可相應地為鋇-鋁-鈦酸鹽或鋇-鎂-鈦酸鹽。混晶視與第一區域和第二區域間的距離流 暢地(fliessend)過渡到電瓷材料和結構陶瓷材料中。“合適的”就此而論理解為，邊界區 域具有與鄰接的區域類似的膨脹系數。在第一區域、第二區域及邊界區域中所使用的材料 的膨脹系數可如此地相互匹配，即在加溫時不導致應力裂紋的生成。另外，模制件的邊界區域可阻礙電瓷材料和結構陶瓷材料的組分的擴散。組分例 如可為陰離子或陽離子，其在電瓷材料或者結構陶瓷材料中存在。因此，避免了第一區域和 第二區域功能和/或結構的特性的相互間的損害。另外，提供了 一種加熱裝置，其包含帶有上面提到的特性的模制件。該加熱裝置可 包含模制件，在其上布置有電接觸部(Kontaktierimg)以用于在模制件中產生電流。在此， 模制件的第一區域可設有電接觸部。因此，在模制件的第一區域中產生了電流。利用加熱裝置(其包含第一功能區域和第二結構區域)可實現待加熱的介質和電 瓷材料的分離。因此，加熱裝置的承受機械或者磨蝕載荷的區域從電功能中脫離。通過在 第二區域中使用結構陶瓷材料，介質可同樣被加熱，該介質不允許被污染。通過在第一區域 和待加熱的介質之間存在第二區域的方法，可同樣阻止由于待加熱的介質引起的第一區域 的組分的分解。另外提供了 一種用于制造模制件的方法。該方法包含方法步驟A)提供電瓷的原材料，B)提供結構陶瓷的原材料，C)制造生坯(Griink0iper)，其包含包括電瓷的原材料的第一區域和包括結構陶 瓷的原材料的第二區域，并且D)燒結生坯以用于制造模制件，其中，電瓷的原材料轉變成帶有電阻的正溫度系 數的電瓷材料。利用這種方法，可在模制工藝中提供一種單件式的模制件，其具有帶有功能特性
4和帶有結構特性的區域。通過區域的共同的制造避免了，以形狀配合的方式制造多個單獨 的構件，以及相互的固定。通過電瓷的原材料和結構陶瓷的原材料的共同的成型以及共同 的脫黏合(Entbindern)和燒結，在模制件形成至少兩個區域，其具有所希望的電特性和機 械特性，以彼此形狀配合的方式布置，并且彼此燒結。在方法步驟A)中，提供了電瓷的原材料，其具有這樣的結構，即，該結構具有分子 式Ba1-^yMxDyTI1^bNaMnbCV在此，χ包含0至0. 5的范圍，y包含0至0. 01的范圍，a包含0 至0.01的范圍，b包含0至0.01的范圍，M包含二價陽離子(Kation)，D包含三價或四價 供體，并且N包含五價或六價陽離子。該原材料可轉變成帶有電阻的正溫度系數的電瓷材 料，并具有鈣鈦礦結構。為了制造帶有小于IOppm的金屬的雜質的電瓷的原材料，其可利用工具來制造， 這些工具具有堅硬的涂層，以便避免磨蝕。堅硬的涂層例如由碳化鎢(Wolframcarbid)制 成。工具的所有的表面(其與電瓷的原材料處于接觸)可涂有堅硬的涂層。以這種方式，電瓷的原材料(其可通過燒結轉變成電瓷的PTC材料)與基體 (Matrix)混合，并且加工成顆粒。該顆粒可注塑以用于進一步加工。在此，該基質(電瓷的原材料裝入到其中，并且具有較低的熔點)作為電瓷的原材 料可具有相對于電瓷的原材料小于20% (按質量計算)的份額。該基質可包含這樣的材 料，即，其從下列的組中來選擇，該組包含蠟、樹脂、熱塑性塑料及水溶性的聚合物。其它的 添加物，如抗氧化劑或者軟化劑可同樣存在。另外，在方法步驟B)中結構陶瓷的原材料可與一種基質混合，并加工成顆粒，其 可注塑用于深度加工。在此，該基質(結構陶瓷的原材料裝入到其中，并且具有較低的熔點)作為結構陶 瓷的原材料可具有相對于結構陶瓷的原材料小于20% (質量分數)的份額。該基質可包 含一種材料，其從組中來選擇，其包含蠟、樹脂、熱塑性塑料及水溶性的聚合物。其它的添加 物，如抗氧化劑或者軟化劑可同樣存在。在方法步驟D)中的燒結期間，電瓷的原材料轉變成模制件的電瓷材料(其具有電 阻的正溫度系數)，并且結構陶瓷的原材料轉變成模制件的結構陶瓷材料，并且移除基質。作為結構陶瓷的原材料可選取這樣的材料，S卩，其可通過燒結轉變成氧化物陶瓷， 其從下列的組中來選擇，即，該組包含&02，Al2O3及MgO。在電瓷的原材料和結構陶瓷的原材料的選擇時，應在成型特性和燒結條件方面實 現協調。例如，材料應在類似的最大的溫度，保持時間和冷卻梯度的情形下來燒結。為了 在相同的工藝中實現電瓷的原材料和結構陶瓷的原材料的共同的燒結，在電瓷的原材料中 通過合適的措施來提高燒結溫度，并在結構陶瓷的原材料中通過合適的措施來降低燒結溫 度。合適的措施例如為向電瓷的原材料中添加帶有鈣、鍶、鉛或鋯的氧化物，或向結構陶瓷 的原材料中添加帶有來自堿、堿土金屬、氧化鈦或氧化硅的組的元素的氧化物，例如帶有 釔、鈣或鈰的氧化物。因此，電瓷的原材料和結構陶瓷的原材料的物理參數可如此地修改， 即為了兩種材料的加工可達到共同的工藝窗口(Prozessfenster)。在方法步驟Α)和B)中，電瓷的原材料和結構陶瓷的原材料例如可如此地來選擇， 即，其具有相差小于2*10_6/K的膨脹系數。在方法步驟D)中的共同的燒結時，在兩種材料 之間形成邊界區域，在其中電瓷材料和結構陶瓷材料彼此間燒結。為此，在燒結期間在邊界區域中不形成多余的份額的低熔點的共晶體。所以，保證了模制件的足夠的形狀穩定性。在方法步驟C)中可使用這樣的成型方法，S卩，其從注塑、多層擠壓 (Mehrlagenpressen)及薄膜鑄塑(Foliengie β en)中選擇。借助于注塑，例如可以任意的 成形來提供模制件，其可與相應的條件和結構的環境相匹配。


還借助于附圖和實施例進一步解釋本發明。圖1顯示了加熱裝置的一種實施形式的示意性的側視圖，圖2顯示了加熱裝置的第二實施形式的示意性的透視圖。
具體實施例方式圖1顯示了加熱裝置的第一實施形式的示意性的側視圖。該加熱裝置包括第一區 域10和第二區域20，這兩個區域共同形成了模制件30。在第一區域10處布置有兩個電接 觸部40和45，其可通過電端子15 (Anschluss)來接通。第一區域10和第二區域20彼此間 燒結，以使得兩個區域彼此間的額外的固定不是必要的，并且模制件30以單件的方式來成型。區域10包括結構BamMxD/ri^blMnbA的電瓷材料，其另外摻雜有稀土元素 (seltenen Erde)，例如鈣，鍶，鉛或鋯。利用這種電瓷材料，第一區域具有電阻的正溫度系數。第二區域20可包含結構陶瓷材料，例如氧化物陶瓷，其可同樣地摻雜有來自堿、 堿土金屬、鈦或硅的組的元素，例如釔、鈣或鈰。因此，在單件式的模制件30中，結構陶瓷材料的機械的和化學的耐受能力與電 瓷材料的電功能相組合。在模制件30的制造時，使用共同的接合工藝(CIM，陶瓷注塑)， 以便連接在熱膨脹系數方面協調的電瓷材料和結構陶瓷材料。在此，熱膨脹系數必須在從 12600C (在該溫度下存在由固態BaTiOjP液態的BaTiSiO5構成的混合物)直至室溫(即同 樣在液相燒結溫度之下)的整個溫度區域上具有差異，該差異小于2*10_6/K，這可通過相應 的材料的摻雜來實現。依賴于成分，電瓷材料和結構陶瓷材料的液相可在940°C至1670°C 的溫度中出現。在帶有大的應力的臨界的溫度區域中，陶瓷材料應緩慢地(例如以每分鐘0.2°C) 來冷卻。在此，該臨界溫度區域位于室溫和1260°C之間。為了實現結構陶瓷材料的直至99%的密度的燒結性能，可在燒結工藝之前使用小 于Iym的顆粒尺寸，或使用燒結助劑，例如SiO2, TiO2或狗0。就此，在小于120分鐘的燒 結時間的情形下，小于1400°c的燒結溫度是可能的。當電瓷材料包含鉛成分時，可應用低于1300°C的非常低的燒結溫度，以便在結構 陶瓷材料中阻礙鉛的積聚。在電瓷和/或結構陶瓷材料中的黏合劑成分以及擠壓力或接合力在脫黏合和燒 結期間調節到類似的收縮值(SchrumpfVert)，這導致了超過(按重量計算)的黏合劑 成分。圖2顯示了加熱裝置的第二實施形式的示意性的透視圖。這里，第一區域10和第二區域20 (它們共同形成了模制件30)成型為管道，其中，第一區域10包圍第二區域20。 在第一區域10的兩個端面處存在有電接觸部40和45。電端子15 (通過其使接觸部40和 45接通)在這里由于簡要性未示出。通過這種管道，例如可輸送介質，其在施加有電壓時通 過第一區域來加熱，而第二區域20在介質流動經過該管道期間提供模制件30的機械的和 化學的穩定性。待加熱介質的污染或者由于該介質引起的第一區域的損壞是被阻止的，因 為第二區域20在待加熱介質和第一區域10之間存在。 在附圖和實施例中所示出的實施形式可隨意地變化。另外，必須考慮到的是，本發 明不局限于這些例子，而允許其它在這里未實施的設計方案。參考附圖標識
10第一區域
15電端子
20第二區域
30模制件
40電接觸部
45電接觸部
權利要求
1.一種模制件(30)，包含:-第一區域(10)，所述第一區域具有帶有電阻的正溫度系數的電瓷材料，-第二區域(20)，所述第二區域具有結構陶瓷材料，以及-在所述第一區域(10)和所述第二區域(20)之間的邊界區域，在所述邊界區域中所述 電瓷材料和所述結構陶瓷材料彼此燒結。
2.根據前述權利要求所述的模制件(30)，其特征在于，所述電瓷材料具有鈣鈦礦結構。
3.根據前述權利要求中任一項所述的模制件(30)，其特征在于，所述電瓷材料具有結 構 Ba1TyMxDyTi1IbNaMnbO3,其中，χ = 0 至 0. 5，y = 0 至 0. 01，a = 0 至 0. 01，b = 0 至 0. 01， M包含二價陽離子，D包含三價或四價供體，并且N包含五價或六價陽離子。
4.根據前述權利要求中任一項所述的模制件(30)，其特征在于，所述電瓷材料具有居 里溫度，所述居里溫度包含_30°C至340°C的范圍。
5.根據前述權利要求中任一項所述的模制件(30)，其特征在于，所述電瓷材料在25°C 時具有在3 Ω cm至100000 Ω cm的范圍中的單位阻值。
6.根據前述權利要求中任一項所述的模制件(30)，其特征在于，所述結構陶瓷材料具 有氧化物陶瓷。
7.根據前述權利要求中任一項所述的模制件(30)，其特征在于，所述氧化物陶瓷從這 樣的組中選擇，即，所述組包含&02、A1203及MgO。
8.根據前述權利要求中任一項所述的模制件(30)，其特征在于，所述第一區域(10)、 所述第二區域(20)及所述邊界區域具有相差小于2*10_6/Κ的熱膨脹系數。
9.根據前述權利要求中任一項所述的模制件(30)，其特征在于，所述邊界區域阻礙所 述電瓷材料和所述結構陶瓷材料的組分的擴散。
10.一種加熱裝置，包含根據權利要求1至11所述的模制件(30)。
11.根據前述權利要求所述的加熱裝置，其特征在于，在所述模制件(30)上布置有電 接觸部(40)以用于在所述模制件(30)中產生電流。
12.根據前述權利要求所述的加熱裝置，其特征在于，所述模制件(30)的第一區域 (10)設有所述電接觸部(40)。
13.一種用于制造模制件(30)的方法，帶有方法步驟A)提供電瓷的原材料，B)提供結構陶瓷的原材料，C)制造生坯，所述生坯包括包含所述電瓷的原材料的第一區域(10)和包含所述結構 陶瓷的原材料的第二區域(20)，并且D)燒結所述生坯以用于制造所述模制件(30)，其中，所述電瓷的原材料轉變成帶有電 阻的正溫度系數的電瓷材料。
14.根據前述權利要求所述的方法，其特征在于，在所述方法步驟A)和B)中，選擇了這 樣的電瓷的原材料和結構陶瓷的原材料，即，其具有相差小于2*10_6/K的膨脹系數。
15.根據權利要求13或14中任一項所述的方法，其特征在于，在所述方法步驟C)中使 用了這樣的成型方法，即，所述成型方法可從注塑、多層擠壓及薄膜鑄塑中選擇。
全文摘要
提供一種模制件(30)，該模制件(30)具有包含電瓷材料的第一區域(10)和包含結構陶瓷材料的第二區域(20)。另外，公開了一種帶有該模制件的加熱裝置。另外，提供了一種用于制造模制件的方法。
文檔編號H01C7/02GK102119133SQ200980131625
公開日2011年7月6日 申請日期2009年7月24日 優先權日2008年8月7日
發明者B·斯泰因貝格爾, J·伊勒, W·卡爾 申請人:埃普科斯股份有限公司