陶瓷點火器組合物的制作方法

專利名稱：陶瓷點火器組合物的制作方法
發明的背景發明的領域本發明涉及陶瓷點火器組合物，具體涉及這樣的組合物，它含有導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。
發明的背景陶瓷材料可成功地用作燃氣爐、爐子和衣服干燥機的點火器。陶瓷點火器制品要求構成一個通過陶瓷部件的電路，其一部分的電阻很高，當用引線通電時其溫度會升高。
一種常規的點火器，Mini-IgniterTM，購自新罕布什爾州Milford的NortonIgniterProducts，是為12伏-120伏用途設計的，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是非常有效的產品，但是某些用途要求電壓超過120V。
具體說在歐洲，標稱電壓包括220V(例如意大利)、230V(例如法國)和240V(例如英國)。標準點火器的合格測試要求可在85％-110％指定的標稱電壓范圍內工作。這樣，一個點火器要能在整個歐洲應用，就要求必須在約187-264V(即220V的85％和240V的110％)范圍內工作。尤其在采用較短熱區長度(例如約1.2英寸或更短)的情形下，現有的點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，目前點火器會發生溫度擊穿，由此就要求在控制系統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，就需求較小的點火器用于高電壓的用途，尤其在約187-264V范圍內的用途，它又不要求使用昂貴的變壓器，仍可滿足用具和加熱行業所提出的下述要求，以預先適應線路電壓方面的變化達到溫度的時間(″TTT″)＜5秒85％設計電壓時的最低溫度1100℃
100％設計電壓時的設定溫度1300℃110％設計電壓時的最高溫度1500℃熱區長度＜1.2″-1.5″功率＜100W對于給定的點火器形狀，一種可以提供更高電壓系統的途徑是增大點火器的電阻。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＝導體的長度；A＝導體的截面積。
因為現有陶瓷點火器的單腿長度約1.2英寸，在不降低其價格情形下，不能明顯增長該腿的長度。同樣，較小點火器的截面積約為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″)揭示了適于陶瓷點火器熱區的組合物，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報道了熱區組合物不應當超過20體積％氧化鋁。美國專利№5,756,215報道了其他的燒結的組合物，它包括鉛層，該層含有高達2重量％碳化硅。
由此就要求有新的陶瓷熱區點火器組合物。具體是要求有這樣的新點火器組合物，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長度。
發明的概述我們現在發現了這樣一種新陶瓷組合物，它對于高電壓包括187-264V的用途特別有效。
本發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。本發明組合物能顯示出相當有效的能量消耗，由此非常適于這樣的較低電壓用途。
更具體地說，在本發明的一個方面，本發明的陶瓷熱區組合物含有至少三種組分1)導電材料；2)半導體材料；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。
意外地發現，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稱電壓包括220，230和240V。
此外，本發明的陶瓷熱區組合物已一再表明，在極其寬的高電壓范圍包括187-約264V能可靠地適應線路電壓。因此，本發明的點火器能在整個歐洲使用，并可靠地在不同歐洲國家內使用的幾種不同高電壓的85％-110％內工作。也應當明白，雖然某些常規的熱區組合物可以在特定的高電壓下提供可靠的電壓，但是當電壓在更寬的范圍內變化時，那些組合物往往不能使用。因此，在拓寬的高電壓范圍內能提供可靠的長期性能的本發明組合物，明顯地表現出顯著的優點。
雖然本發明的熱區組合物對高電壓用途尤其有效，如上所述，但是發現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，或更低電壓系統例如小于6V的系統。例如，本發明的點火器和熱區組合物能用于以電池為電源的點燃系統。本發明的陶瓷熱區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火器對于上述的低電壓用途尤其有用。見例如下述實施例6的結果。這樣提高的耗能效率也使得能在點燃系統中使用更經濟的部件，例如相對于包含與本發明不同的熱區組合物的類似點火器，不貴的(較低級別)變壓器可以有效地與本發明的點火器一同使用。
本發明的陶瓷熱區組合物和點火器也能表現出比現有組合物低的熱擴散率和高的比熱，使本發明的組合物能夠長期保持更多的熱量。見例如下述實施例7的結果。
本發明優選的陶瓷點火器有這樣的熱區組合物，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％半導體材料，優選約5-45體積％的熱區組合物是半導體材料；(c)金屬導體，其電阻率低于約10-2ohm-cm，優選約5-25體積％的熱區組合物含有金屬導體，其中至少約21體積％熱區組合物是金屬氧化物絕緣材料。優選至少約25體積％熱區組合物包含金屬氧化物絕緣材料例如氧化鋁，更優選至少約30，40，50，60，70或80v/o熱區組合物包含金屬氧化物絕緣材料例如氧化鋁。優選至少約25體積％絕緣材料是金屬氧化物例如氧化鋁，更優選至少約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。也優選的是此時唯一的絕緣材料組分是金屬氧化物。熱區組合物優選包含約25-80體積％絕緣材料，更優選約40-70體積％熱區組合物是絕緣材料。
本發明其他優選的陶瓷點火器具有這樣的熱區組合物，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％；還包含金屬導體。
在本發明的另一方面，優選的本發明陶瓷點火器具有這樣的熱區組合物，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/半導體材料/導電材料組合物相同或相似。
本發明制成的熱表面陶瓷點火器，其熱帶長度相當短，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。從本文中會明白，對于多腿形狀的點火器(例如U形有縫的結構)，熱區長度是沿多腿點火器的單腿的熱區長度。
此外，本發明的點火器能在約5或4秒或更短，乃至3，2.5或2秒或更短的時間內，很快發熱到工作溫度，例如約1300℃，1400℃或1500℃。
本發明的優選的熱區組合物也能表現出非常高的高溫經受能力，即重復暴露于高溫不會損壞。由此本發明包括，能在每次點燃燃料時不需重新加熱點火器元件的點燃方法。而是點火器能連續地在高點燃溫度下長期工作，以便在例如熄火時提供即時點燃。更具體地說，本發明的點火器能在高溫長時間工作(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。
本發明的點火器可以具有多種圖案和結構。優選的結構包括″有縫″即兩個腿的U形系統，且此時兩個導電腿之間有空隙，而由熱區橋接。對于許多用途，優選沒有空隙區的“無縫”結構。一般的點火器結構有個絕緣體區，插在導電腿之間并接觸一個電阻性的熱區。
發現本發明中使用的無縫點火器結構(即中央的點火器區域有非導體或絕緣體，插在一對導電區之間，并接觸電阻性的熱區)會過早損壞，尤其會被所謂的″起弧″損壞，此時電流經過兩個導體區之間的中央非導體區，而不是流到電阻性的熱區。也就是說，在絕緣體區域會發生電介質擊穿。這樣的穿過插入的非導體區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火器系統中的這樣不好的起弧現象。一種優選的方法是增大絕緣體區域組合物的氮化鋁含量，并相應地降低氧化鋁含量。發現這樣的增大AlN含量能有效地避免不好的起弧現象。另一種方法是使生成的絕緣體區域氧化。發現這樣的氧化(例如在空氣中熱處理，用化學氧化劑處理)能使絕緣體區域的電阻更大，因而能電氣上更穩定。
下面描述本發明的其他方面。
附圖的簡要說明

圖1示出了一種本發明優選的三元熱區組合物的顯微結構，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有技術熱區組合物的顯微結構，其中AlN是灰色，SiC是淺灰色，MoSi2是白色。
圖3A-3D示出了優選的“有縫”和″無縫″點火器結構。
發明的詳細說明如上所述，在本發明的第一方面，提供燒結的陶瓷點火器元件，它包含兩個冷區，熱區插在它們之間，熱區包含熱區組合物，該組合物包含(a)電絕緣材料；(b)至少約3vol％的半導體材料；和(c)電阻率低于約10-2ohm-cm的金屬導體，至少約21體積％熱區組合物是金屬氧化物絕緣材料。
本發明也提供燒結的陶瓷，它具有熱區組合物，該組合物包含(a)25-80體積％電絕緣材料；(b)3-45體積％半導體材料；和(c)5-25體積％電阻率低于約10-2ohm-cm的金屬導體，至少約21體積％熱區組合物包含金屬氧化物絕緣材料。
本發明還提供燒結的陶瓷，它具有熱區組合物，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的金屬導體，所述熱區組合物基本不含碳化物材料。
本發明也提供點燃氣態燃料的方法，它一般包括使電流通過本發明的點火器。
如上所述，意外地發現，向陶瓷熱區組合物內加入顯著量金屬氧化物能夠制成能在高標稱電壓包括220、230或240V下有效使用的陶瓷點火器，此外，這些熱區組合物能在極其寬的電壓范圍內使用，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，并如下面的實施例所證實，本發明的熱區組合物和點火器能表現出相當好的耗能效率和比現有技術系統低的熱擴散率和高的比熱。
不受理論的束縛，可以認為上述這些性能，或單獨或組合，都有利于本發明的點火器在低電壓用途例如小于100V用途時的性能。具體地說，這樣的有效的能量消耗和/或熱擴散率能使本發明的點火器可用于電池為電源裝置的點火，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。為了本發明的目的，金屬氧氮化物是被認為是金屬氧化物。在有些實施方式中，優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。
為了本發明的目的，術語電絕緣材料指室溫電阻率至少約1010ohm-cm的材料。本發明熱區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。絕緣組分的一種優選的加入材料是氮化鋁(AlN)。據認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，同時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。
優選的本發明熱區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。
優選的本發明熱區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。
當氧化鋁加入到熱區組合物的生坯中時，可以選用任何常規的氧化鋁粉。一般采用平均粒度約為0.1-10微米、雜質僅為0.2w/o的氧化鋁粉。氧化鋁粉的粒度優選約為0.3-10微米。更優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的方式和一部分氮化鋁的水解方式。
通常，優選的熱區組合物包含(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％半導體材料，它的電阻率約為10-108ohm-cm；和(c)約5-25體積％金屬導體，它的電阻率低于約10-2ohm-cm。熱區優選包含50-70體積％電絕緣陶瓷，10-45體積％半導體陶瓷和6-16體積％導電材料。
如果電絕緣陶瓷組分的含量高于約80體積％熱區組合物，那么所形成的組合物就變得電阻過高，在高電壓下達到目標溫度太慢，而不合格。相反，如果它的含量低于約50體積％(例如當導電陶瓷的含量約為8體積％)，那么形成的陶瓷就變得在高電壓下導電性過強。顯然，當導電陶瓷部分升高至8體積％以上時，熱區導電性較大，絕緣部分的用量上限和下限可以合適地提高，以達到所要求的電壓。
如上所述，在本發明的另一方面，提供一種陶瓷熱區組合物，它至少基本不含碳化物例如SiC或任何其他的半導體材料。這樣的組合物包含金屬導體和電絕緣材料，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。這樣的組合物優選含有低于約5體積％碳化物，更優選含有低于約2、1、0.5體積％碳化物，或甚至更優選這樣的熱區組合物完全不含碳化物，也不含其他半導體材料。
為了本發明的目的，半導體陶瓷(或″半導體″)是室溫電阻率約為10-108ohm-cm的陶瓷。如果半導體組分的含量高于約45體積％熱區組合物(當導電陶瓷為約6-10體積％時)，形成的組合物就變得對于高電壓用途來說導電性過強，(由于缺乏絕緣體)。相反，如果它的含量低于約10體積％(當導電陶瓷為約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，在較高的導體含量情形下，就需要電阻更高的絕緣體與半導體部分的混合物，以達到所要求的電壓。一般地，半導體是選自碳化硅(摻雜和未摻雜的)，和碳化硼的碳化物。通常優選碳化硅。
為了本發明的目的，導電材料的室溫電阻率應低于約10-2ohm-cm。如果導電組分的含量高于約25體積％熱區組合物，那么形成的陶瓷就變得對于高電壓用途來說導電性過強，形成不合格的熱點火器。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于高電壓用途來說，電阻過高，形成不合格的冷點火器。一般地，導體選自二硅化鉬、二硅化鎢和氮化物例如氮化鈦和碳化物例如碳化鈦。通常優選二硅化鉬。
尤其優選的本發明熱區組合物含有氧化鋁、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/冷區點火器結構適合用于本發明。該熱區提供點燃氣體的功能性加熱。對于高電壓用途(例如187-264V)，熱區的電阻率在1000℃-1600℃溫度范圍內，優選約為1-3ohm-cm。特定優選的熱區組合物包含約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。在一個具體的優選實施方式中，熱區組合物包含約66體積％Al2O3，14體積％MoSi2和20體積％SiC。
在一個優選實施方式中，致密體中熱區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)半導體(例如SiC)約1-10微米；c)導體(例如MoSi2)約1-10微米。
圖1示出了本發明優選的熱區組合物的顯微結構，該組合物由Al2O3、SiC和MoSi2的燒結共混物組成。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組合物內，顯微結構至少基本上沒有一種組分的大區域(例如30、40或50微米寬)，此外，導電材料(MoSi2)組分區域具有連貫的清晰邊界，不是羽毛狀的。
圖2示出了現有技術不含金屬氧化物的熱區組合物的顯微結構。在圖2中，導電材料(MoSi2)組分區域沒有清晰邊界，相反是彌散呈“羽毛狀”的。
本發明的點火器能具有多種結構。一種優選的結構是有縫系統，例如馬蹄形或U形結構。也優選采用直棒形(無縫)，其兩個冷端即與引線連接的兩端在點火器相反的兩端。
本發明的點火器一般也含有至少一個低電阻率的冷區，與熱區電連接，供引線連接到點火器上之用。一般地，熱區組合物設置在兩個冷區之間。優選，這樣的冷是例如AlN和/或AI2O3或其他絕緣材料；SiC或其他半導體材料；和MoSi2；或其他導電材料。但是，冷區內導電和半導體材料(例如SiC和MoSi2)的含量百分率明顯比熱區高。因此，冷區的電阻率一般僅約為熱區組合物電阻率的大約1/5-1/1000，因此溫度不會升高至熱區水平。一種優選的冷區組合物包含約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或其他導電材料和半導體材料(體積比約為1∶1-1∶3)。冷區更優選包含約15-50體積％AlN和/或Al2O3，15-30體積％SiC和30-70體積％MoSi2。為了便制造，冷區組合物優選用與熱區組合物相同的材料形成，但其中半導體材料和導電材料的相對量更高。
用于本發明的點火器的一種具體優選的冷區組合物含有60體積％MoSi2、20體積％SiC和20體積％Al2O3。用于本發明的點火器的一種尤其優選的冷區組合物含有30體積％MoSi2，20體積％SiC和50體積％Al2O3。
如上所述，無縫點火器結構優選含有非導電區域，插在兩個導電腿之間。燒結的絕緣體區的室溫電阻率優選至少約為1014ohm-cm，工作溫度下的電阻率至少約為104ohm-cm，強度至少約150MPa。無縫系統的插入絕緣體區域，其在工作溫度下的電阻率優選至少比熱區電阻率大一個數量級。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，為了避免無縫結構中的起弧現象，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，還優選包含AIN。發現加入AIN能防止發生絕緣體區域的這種電介質擊穿。我們也意外地發現，使用ALN在絕緣體組合物中能在點火器使用期間防止不希望發生的電介質擊穿。而加入其他高電阻性材料并不會象這樣能減少起弧現象。
本發明優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的含量相對于Al2O3優選至少約為10，15，20，25或30體積％。通常優選的用于本發明無縫點火器的絕緣體組合物中AIN的含量約為3-25體積％，更優選約5-20體積％，再優選約10-15體積％；Al2O3的含量為60-90體積％，更優選65-85體積％，再優選70-80體積％；又優選75-80體積％；SiC的含量為5-20體積％，優選8-15體積％。本發明無縫點火器的一種具體優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，發現本發明點火器絕緣體區域的氧化處理也能防止不希望發生的電介質擊穿。例如，點火器能夠在空氣中長期被加熱例如約1300-1700℃，優選約1500-1600℃，長達例如0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9或1小時或更長時間，以提供絕緣體區域的有效氧化處理。但是，這樣的氧化處理使得需要其他的加工，要求氧化后導電腿的再制備。
點火器的尺寸能會影響其性質和工作性能。熱區的單腿長度一般應當大于約0.5英寸(以提供足夠的質量使冷卻氣流不會明顯影響其溫度)，但是要小于約1.5英寸(以提供足夠的機械強度性)。其寬度應當大于約0.1英寸，以提供足夠的強度和加工的容易性。同樣，其厚度應當大于約0.02英寸，以提供足夠的強度和加工容易性。優選地，本發明的點火器的總單腿長度一般約為1.25-2.00英寸，熱區截面積約為0.001-0.005平方英寸(優選小于0.0025平方英寸)，并是具有兩個腿的U形結構。
對于這樣一種優選的，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的熱區組合物的兩腿U形點火器，優選具有下述的點火器尺寸長度約1.15英寸；單腿寬度約0.047英寸；厚度約0.030英寸。該種結構和組合物也可用于較低電壓，例如6，8，12，24，102或120V的用途。
一種優選的″無縫″點火器結構的總長度約為1.25-2.00英寸，熱區長度約為0.1-1.2英寸，熱區截面積為0.001-0.005平方英寸。對于較低電壓用途，一般優選更短的熱區長度，例如短于0.5英寸。
圖3A示出了一種優選的有縫點火器系統10，它有導電(冷區)腿12和14，U-形熱區16和″縫″即空隙18插在導電腿12和14之間。如本文所述，熱區長度在圖3A中用距離x表示，點火器長度為y，熱區和點火器寬度為z。
通過位于導電帶12和14各自末端12’和14’的引線，能夠對點火器10通電。
圖3B示出了一種優選的無縫點火器系統20，它有導電(冷區)腿22和24，插入的絕緣體區域26和U-形熱區28。在無縫系統情形下，如本文所示，熱區長度在圖3B中用距離x表示，點火器長度為y，熱區和點火器寬度為z。通過位于導電帶末端22’和24’的引線能夠對點火器20通電。
圖3C和3D示出了本發明點火器其他的合適的無縫結構。在圖3C和圖3D中，編號與圖3B中的相對應，即在圖3C和圖3D中，無縫點火器系統都有導電腿22和24，插入的絕緣體區26和熱區域28。
本發明的點火器的一個特別優選的熱區組合物含有約14％MoSi2，約20％SiC，其余為Al2O3。這樣的組合物優選用于無縫點火器系統，它的熱區長度宜于為約0.5英寸。另一個優選的熱區組合物含有約16％MoSi2，約20％SiC，其余為Al2O3。這樣的組合物優選用于無縫點火器系統，熱區長度宜約為0.1-1.6英寸。如上所述，對于較低電壓用途，例如小于100V用途，一般優選較短的熱區長度，例如小于0.5。
通常，本發明的熱表面陶瓷點火器能制成相當短的熱區長度，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量控制點火器的能量的情況。
陶瓷點火器的一個重要性能，尤其當氣體是燃料時，是達到溫度的時間(″TTT″)，即點火器熱區從室溫升高至燃料(氣體)點燃溫度的時間。本發明的點火器能在約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秒或更短的時間內很快加熱至工作溫度，例如約1300℃，1400℃或1500℃。
發現本發明熱區組合物表現出能經受極其高的溫度例如高達1750℃的能力，不會有嚴重的氧化或燃盡問題。當重復暴露于1600℃時，常規的系統就不行。相反，優選的本發明熱區組合物可經受得住在這樣高溫的“壽命試驗”，例如1450℃下30秒打開30秒關閉的50,000次循環。也發現相對于現有技術組合物，本發明的點火器在這樣的加熱試驗循環中，表現出明顯的安培數下降和溫度變化。
如前所述，本發明包括不需要重新加熱陶瓷點火器的點燃方法。而是點火器能在足以點燃燃料的高溫下長期運行，不需要不斷地打開/關閉(即加熱/冷卻)循環。
陶瓷組分的加工(即，生坯加工和燒結條件)以及用致密陶瓷制造點火器能采用常規的方法進行。一般地，這樣的方法基本根據Washbum的專利進行。還可參見下述說明條件的實施例。熱區組合物的燒結優選在較高的溫度進行，例如在約1800℃或略高的溫度進行。燒結一般在壓力下進行，或在單向壓力(熱壓)或在熱液靜壓力(HIP)下進行。
還驚人地發現，本發明的熱區組合物能在高溫(例如至少約1800或1850℃)單向壓力下一次有效地致密化，這與現有技術組合物不同。
現有技術的熱區組合物要求兩步分開的燒結步驟，第一步是熱壓(例如低于1500℃例如1300℃)，接著是第二步高溫燒結(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使密度最終增加至理論密度99％以上。現有技術的熱區組合物要求密度超過99％，目的是提供合格的電性能。
本發明熱區組合物的一次高溫燒結就能使密度達到至少約為理論密度的95、96或97％。此外，還發現這種密度低于理論密度的99％(例如約95、96，97或98％理論密度)的本發明熱區組合物表現出相當合格的電性能。見例如下述實施例5詳細說明的結果。
本發明的點火器可以用于許多用途，包括氣相燃料點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，本發明的點火器還能用于以電池為電源的系統，例如點燃是以電池，例如6、8或24V電池，甚至更低電壓系統例如小于6V系統為源的烹飪器具或加熱器具。
本發明的點火器也可以用于其他用途，包括用作多種系統中的加熱元件。在一種優選的用途中，本發明的點火器是用作紅外線輻射源(即熱區放出紅外線)，例如爐子內的加熱元件，或在包括光譜儀的控制或檢測裝置中用作發光塞等。
下述的一些非限制性實施例用于說明本發明。本文中提到的所有文獻都參考結合于此。
實施例1本發明的點火器的制備和在高電壓下的測試如下所述。制備了熱區和冷區組合物。熱區組合物包含66體積份Al2O3，14體積份MoSi2和20體積份SiC，它們在高剪切混合器內共混。冷區組合物包含約50體積份Al2O3，約30體積份MoSi2和約20體積份SiC，它們在高剪切混合器內共混。將冷區組合物加入到熱壓模子中，然后將熱區組合物加入到該同一模子中冷區組合物的上面。所述兩種組合物一同在氬氣中在1300℃、3000psi下熱壓1小時，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。HIP后，將此致密的板坯切削加工成所要求的U形形狀。形成的點火器在230V下工作良好，具有良好的電阻率約1.5ohm cm，達到點燃溫度的時間約為4秒，并表現出高達至少285V(285V測試電壓是測試設備的極限)的穩定性，由此說明本發明點火器在高標稱電壓和寬范圍高的線路電壓是有效的。
實施例2制備了另一種熱區組合物，它含有67體積份Al2O3、13體積份MoSi2和20體積份SiC，在高剪切混合器內共混。制備與上面實施例1所述同樣的冷區組合物，用與實施例1所述相同的步驟加工熱和冷區組合物并形成點火器。形成的點火器表現出與實施例1點火器所述同樣的性能結果。由此說明，該點火器在高標稱電壓和寬范圍高的線路電壓也是有效的。
實施例3制備了本發明的又一種熱區組合物，它含有66.7體積份Al2O3、13.3體積份MoSi2和20體積份SiC，在高剪切混合器內共混。制備與上面實施例1所述同樣的冷區組合物，用與實施例1所述相同的步驟加工熱和冷區組合物并形成點火器。形成的點火器表現出與實施例1點火器所述同樣的性能結果。由此說明，該點火器在高標稱電壓和寬范圍高的線路電壓也是有效的。
實施例4制備了再一種熱區組合物，它含有66.4體積份Al2O3、13.6體積份MoSi2和20體積份SiC，在高剪切混合器內共混。制備與上面實施例1所述同樣的冷區組合物，用與實施例1所述相同的步驟加工熱和冷區組合物并形成點火器。形成的點火器表現出與實施例1點火器所述同樣的性能結果。由此說明，該點火器在高標稱電壓和寬范圍高的線路電壓也是有效的。
實施例5如下所述，制備了又一種本發明的點火器，并在高電壓下進行了測試。
制備了熱區和冷區組合物。熱區組合物包含約66體積份Al2O3、約14體積份MoSi2和約20體積份SiC，在高剪切混合器內共混。冷區組合物包含約50體積份Al2O3、約30體積份MoSi2和約20體積份SiC，在高剪切混合器內共混。將冷區組合物加入到熱壓模子中，再將熱區組合物加入到這同一模子中的冷區組合物上面。所述這兩種組合物一同在氬氣中在1800℃、3000psi下熱壓1小時，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形形狀的點火器元件(即不經過HIP)。形成的點火器在230V下工作良好，具有良好的電阻率約lohm cm，達到點燃溫度的時間約為5秒，并表現出高達至少285V(285V測試電壓是測試設備的極限)的穩定性，由此說明點火器在高標稱電壓和寬范圍高的線路電壓是有效的。
實施例6本發明點火器的能量消耗通過測量設定電壓下的電流來測得。本發明的一些點火器一致地表現出比具有不同熱區組合物的類似點火器大的耗能效率。
具體地說，本發明一個具有含下述各組分的熱區組合物的有縫點火器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。
本發明一個具有含下述各組分的熱區組合物的比較的有縫點火器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。
實施例7測試了本發明點火器和具有不同于本發明的熱區組合物的類似點火器的熱擴散率和比熱的值。本發明的一些點火器一致地表現出比具有不同于本發明的熱區組合物的類似點火器低的熱擴散率和高的比熱。
對于具有含下述組分的熱區組合物的本發明有縫點火器測得了下述各溫度下的熱擴散率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對于具有含下述各組分的熱區組合物的本發明比較的有縫點火器測得了下述各溫度下的熱擴散率70體積份AIN、約10體積份MoSi2和約20體積份SiC
溫度(℃)熱擴散率(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施方式
已經對本發明進行了詳細說明。但是，本行業內的普通技術人員了解了本文所述內容，就可以進行各種在本發明的精神和范圍內的改變和變化。
權利要求
1.一種燒結的陶瓷點火器元件，它包括兩個冷區，它們之間設置有包含熱區組合物的熱區，所述熱區組合物包含(a)電絕緣材料；(b)至少約3體積％半導體材料；(c)電阻率低于約10-2ohm-cm的金屬導體，其中至少約21體積％熱區組合物包含金屬氧化物絕緣材料。
2.如權利要求1所述的點火器，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.如權利要求1所述的點火器，其特征在于所述絕緣材料由金屬氧化物組成。
4.如權利要求1-3中任一項所述的點火器，其特征在于金屬氧化物包括氧化鋁。
5.如權利要求1-4中任一項所述的點火器，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.如權利要求1-4中任一項所述的點火器，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.如權利要求1-4中任一項所述的點火器，其特征在于所述絕緣材料包括氮化鋁。
8.如權利要求1-7中任一項所述的點火器，其特征在于所述半導體材料包括碳化硅。
9.如權利要求1-8中任一項所述的點火器，其特征在于所述金屬導體是二硅化鉬。
10.如權利要求1-9中任一項所述的點火器，它還包含冷區組合物，該組合物包含約15-50體積％絕緣體材料、0-50體積％半導體材料和20-70體積％金屬導電材料。
11.如權利要求10所述的點火器，其特征在于所述冷區絕緣體材料是氮化鋁或氧化鋁或它們的混合物；冷區半導體材料是碳化硅；冷區導電材料是MoSi2。
12.如權利要求1-11中任一項所述的點火器，其特征在于所述點火器的結構有縫。
13.如權利要求1-11中任一項所述的點火器，其特征在于所述點火器的結構無縫。
14.如權利要求1-11或13中任一項所述的點火器，其特征在于所述點火器包含絕緣體區、導電區和熱區，所述絕緣體區插在一對導電區之間，絕緣體區包含AlN，其電阻比熱區大。
15.如權利要求14所述的點火器，其特征在于所述點火器區含有AlN、Al2O3和SiC。
16.如權利要求1-11或13中任一項所述的點火器，其特征在于所述點火器包含絕緣體區、導電區和熱區，絕緣體區被氧化處理過。
17.如權利要求13-16中任一項所述的點火器，其特征在于所述點火器包含絕緣體區，該絕緣體區包含約3-25體積％AIN、約60-90體積％Al2O3和約5-20體積％SiC。
18.如權利要求13-16中任一項所述的點火器，其特征在于所述點火器包含絕緣體區，該絕緣體區包含約5-20體積％AlN、約65-85體積％Al2O3和約8-15體積％SiC。
19.一種燒結的陶瓷，它具有包含下述各組分的熱區組合物(a)25-80體積％電絕緣材料；(b)3-45體積％半導體材料；(c)5-25體積％電阻率低于約10-2ohm-cm的金屬導體，其中至少約21體積％熱區組合物包含金屬氧化物絕緣材料。
20.如權利要求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.如權利要求19-23中任一項所述的陶瓷，其特征在于所述金屬氧化物包含氧化鋁。
25.如權利要求19-23中任一項所述的陶瓷，其特征在于所述金屬氧化物由氧化鋁組成。
26.如權利要求19-24中任一項所述的陶瓷，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.如權利要求19-26中任一項所述的陶瓷，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.如權利要求19-27中任一項所述的陶瓷，其特征在于所述絕緣材料包含氮化鋁。
29.如權利要求19-28中任一項所述的陶瓷，其特征在于所述絕緣材料占熱區組合物的50-80體積％。
30.如權利要求19-29中任一項所述的陶瓷，其特征在于所述半導體材料包括碳化硅。
31.如權利要求19-30中任一項所述的陶瓷，其特征在于所述半導體材料占熱區組合物的5-30體積％。
32.如權利要求19-31中任一項所述的陶瓷，其特征在于所述金屬導體是二硅化鉬。
33.如權利要求32所述的陶瓷，其特征在于二硅化鉬占熱區組合物的6-16體積％。
34.如權利要求19-33中任一項所述的陶瓷，它還包括冷區組合物，該組合物包含約15-50體積％絕緣體材料、0-50體積％半導體材料和20-70體積％金屬導電材料。
35.如權利要求34所述的陶瓷，其特征在于冷區絕緣體材料是氮化鋁或氧化鋁或它們的混合物；冷區半導體材料是碳化硅；冷區導電材料是MoSi2。
36.一種含有熱區組合物的燒結陶瓷，所述熱區組合物包含(a)電絕緣材料，該絕緣材料含有氮化物和金屬氧化物；(b)金屬導體，它的電阻率低于約10-2ohm-cm，所述熱區組合物基本不含碳化物材料。
37.如權利要求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.如權利要求36-38中任一項所述的陶瓷，其特征在于所述金屬氧化物包括氧化鋁。
40.如權利要求36-39中任一項所述的陶瓷，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.如權利要求36-40中任一項所述的陶瓷，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.如權利要求36-41中任一項所述的陶瓷，其特征在于所述熱區組合物基本不含碳化硅。
43.如權利要求36-42中任一項所述的陶瓷，其特征在于所述熱區組合物含有不超過約2體積％的碳化物。
44.如權利要求36-42中任一項所述的陶瓷，其特征在于所述熱區組合物完全不含碳化物。
45.如權利要求36-44中任一項所述的陶瓷，它還包括冷區組合物，該冷區組合物包含約15-50體積％絕緣體材料、0-50體積％半導體材料和20-70體積％金屬導電材料。
46.如權利要求45所述的陶瓷，其特征在于冷區絕緣體材料是氮化鋁或氧化鋁或它們的混合物；冷區半導體材料是碳化硅；冷區導電材料是MoSi2。
47.如權利要求17或36所述的陶瓷，其特征在于所述陶瓷通過一次高溫燒結加工致密化至約95、96、97或98％理論密度。
48.一種點燃氣態燃料的方法，它包括使電流通過權利要求1-18中任一種所述的點火器。
49.如權利要求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.如權利要求48-53中任一項所述的方法，其特征在于所述電壓由電池電源供應。
55.如權利要求48-54中任一項所述的方法，其特征在于所述陶瓷的熱區長度約為1.2英寸或更短。
56.如權利要求48-54中任一項所述的方法，其特征在于在足以點燃氣態燃料的溫度下所述點火器熱區保持不中斷至少0.5小時。
全文摘要
本發明提供一種陶瓷點火器的組合物，它含有導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。本發明的陶瓷點火器尤其對于高電壓包括約187－264伏整個范圍的用途有效。本發明的點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H05B3/10GK1451088SQ00817443
公開日2003年10月22日 申請日期2000年12月20日 優先權日1999年12月20日
發明者R·J·林, C·A·威爾肯斯, K·C·索洛法, T·J·謝里丹 申請人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司