专利名称：陶瓷，使用该陶瓷的分级电阻率整料及制备方法
陶瓷，使用该陶瓷的分级电阻率整料及制备方法
发明背景 本文呈现的实施方案总的涉及整料结构，更具体地，涉及电阻整料结构。
在电路中控制或改变电流或电压的一种通常的方法为通过使用可变-电阻器或变阻器。通常，对于具有高额定功率的电设备，变阻器可用于设备启动和关闭。例如，整流式DC电动机可具有手动变阻器起动机、三点变阻器起动机、四点变阻器起动机等，以将电枢电流从小的值逐步提高至额定的操作值，以保护DC电动机。然而，在操作期间，变阻器采用步进方式从一个电阻分支转换至另一个。由于供应到电设备的高电压和/或电流，这种转换操作可导致在移动触点和电阻分支之间电弧放电。
另一种已知的方案包括在堆叠中装配的多个不连续电阻层，而移动触点设计成在堆叠之上滑动。然而，随着操作磨损，与移动触点(本文中称为“滑动表面”)接触的堆叠的表面被移动触点磨损，从而导致不均匀的滑动表面。因此，移动触点在堆叠长度之上可能不能保持足够的接触压力。此外，基于电阻层的硬度，堆叠的不同的电阻层可磨损至不同的水平，从而在滑动表面上形成‘台阶’。这可导致移动触点在连续的电阻元件之间的台阶处卡住的可能性。滑动表面的不均匀接触压力和台阶式剖面两者均可导致在移动触点和滑动表面之间电弧放电。另外，这种装配的堆叠难以机械加工和抛光以得到光滑的滑动表面。通常，在机械加工期间装配的堆叠破裂或破坏。
因此，本领域需要解决与已知方案相关的这些和其它缺点的电阻元件。
发明概述 根据一个实施方案，呈现具有分级的电阻率的整料盒。整料盒在第一端和第二端之间具有连续的颗粒结构(grain structure);其中整料盒的电阻率分级,使得电阻从第一端到第二端连续变化。还呈现了用于形成所述整料盒的方法和组合物。
根据一个实施方案，呈现电阻组合物。所述组合物包含45-58重量％的陶瓷组合物，其中所述陶瓷组合物包含99.5-99.7%氧化锌粉末和0.3-0.5%氧化铝粉末的实质均质的混合物。所述组合物含有42-55重量％的银粉末，其中基于陶瓷组合物与银粉末的比率，组合物的电阻率从I微欧姆-米到I兆欧姆-米变化。
根据一个实施方案，呈现形成整料盒的方法。将多种电阻粉末引入到冲模内，以形成堆叠的层。多种电阻粉末中的每一种包含陶瓷组合物和传导组合物。每层包含不同重量比的陶瓷组合物和传导组合物。在10 Mpa-1 Gpa(giga pascal)之间的压力下，和在15°C -1600°C之间的温度下，将多种电阻粉末压制成为生料盒。随后将该生料盒在8000C -2000°C之间的温度下烧结2-100小时的持续时间。
附图简述
图1为根据一个实施方案的一种实例生料盒的透视图； 图2为根据一个实施方案的一种实例整料盒的透视图； 图3为说明根据一个实施方案用于形成整料盒的电阻粉末的实例组合物的表； 图4为说明根据一个实施方案将电阻率相对于整料盒上的纵向位置绘制的一种实例关系的图； 图5为说明根据一个实施方案将电阻率相对于整料盒上的纵向位置绘制的一种实例关系的图的一部分的扩展图；和 图6说明根据一个实施方案的整料盒的颗粒结构。
元件列表: 100 生料盒 102层 104层 106层 108层 200整料盒 202第一端 204第二端。
发明详述 根据一个实施方案，呈现在整料盒的长度之上显示分级的电阻率的整料盒。该整料盒可用于例如无弧开关装置。当断路器因漏电跳闸时，在断路器中通常电弧放电。在断路器中，触点必须携带载荷电流，而没有过度加热，并且必须还承受当电路打开时产生的电弧的热量。触点由高传导材料制成。触点的使用寿命受限于打开电路时的电弧放电使接触材料腐蚀。在一些情况下，特别是在易燃气体泄漏期间，电弧可能是着火的潜在起因。整料盒可用于断路器，以实质抑制或完全消除电弧放电。整料盒可布置在无弧开关装置中，使得在转换操作期间开关装置的移动触点在整料盒之上滑动。当关掉时，移动触点可从整料盒的低电阻率端向高电阻率端滑动，同时从关闭的电路位置向打开的电路位置转换。在转换期间电阻的这种受控提高防止固定触点和移动触点之间的电位差突然改变，从而实质抑制或完全消除电弧放电。当开启时，移动触点可从低电阻率端向高电阻率端滑动，同时从打开的电路位置向关闭的电路位置转换。
在一个实施方案中，整料盒可通过首先堆叠多层电阻粉末而形成，使得每层呈现不同的电阻率。随后将堆叠的层压制，以形成生料盒。图1说明一种实例生料盒100。生料盒100包括4层(102、104、106和108)电阻粉末，每一层呈现不同的电阻率。结合图3，以下描述一种电阻粉末的实例组合物。由于在各种电阻粉末中组合物的比例不同，生料盒还可在连续的层之间具有物理界面(即，物理边界)。生料盒可随后烧结，以形成在整料盒的长度之上呈现分级的电阻率的整料盒。整料盒具有连续的颗粒结构，在层之间没有物理边界，并且可具有分级的电阻率，使得在整料盒的端之间电阻连续变化。图2说明根据一个实施方案的一种实例整料盒200。在烧结后形成的整料盒200不包括物理边界，然而，在端202和204之间呈现连续的颗粒结构。虚线说明端202和204的代表性区域。然而，端202和204可与整料盒200的顶表面和底表面一样薄，或者可具有有限的厚度，例如，大于0.01mmD
电阻粉末可为高电阻率材料(例如，陶瓷材料)和低电阻率材料(例如，金属和金属合金)的混合物。电阻粉末的电阻率可通过控制在混合物中高电阻率材料和低电阻率材料的比例来控制。因此，使用不同比例的相同的高电阻率材料和相同的低电阻率材料的混合物，可得到呈现不同电阻率的多个层。这种使用相同系列的混合物通常可导致多个层的每一个实质相同的收缩率和实质相同的烧结温度，进而可降低或实质消除多层生料盒烧结期间不均匀的收缩率，裂纹、空气间隙和空隙的形成。
高电阻率材料可为陶瓷组合物，包括，例如，氧化锌、氧化铝、氮化铝、氮化硼、二氧化硅、氧化锡铟和它们的组合。陶瓷组合物可赋予整料盒例如高热稳定性、高温电阻、表面硬度、机械强度等的性质。低电阻率材料可为传导组合物，包括但不限于银、铜、金、铝、铟、锡、镓、镍、钛、锌、铅、碳、铁、钨、钥、它们的合金、和金属的混合物。低电阻率材料可赋予整料盒期望的电性质。
在一种实施中，高电阻率材料可为陶瓷组合物粉末，包括，例如，氧化锌和氧化铝，而低电阻率材料可为传导金属粉末，例如银。氧化锌较少易于遭受热点或热裂纹。起热点为在压制期间形成不可逆的畸形或裂纹的现象。氧化锌具有大约10e7欧姆米的电阻率。将氧化锌与约0.3-0.5% (按氧化锌重量计)氧化铝混合，得到具有大约10e3欧姆米_10e4欧姆米的电阻率的陶瓷组合物。向陶瓷组合物中加入银进一步降低电阻率至大约lOe-4欧姆米。银呈现15.87X 10_9欧姆米的极低电阻率。通过控制陶瓷组合物与银的比率，电阻粉末的电阻率可从lOe-4欧姆米_10e4欧姆米变化。
陶瓷组合物粉末可例如通过将具有4微米颗粒尺寸的氧化锌粉末与0.4%(按氧化锌粉末重量计)具有5.6微米颗粒尺寸的氧化铝在异丙醇中湿混合约30分钟而制备。湿混合物可随后在100°C下干燥。干燥后，陶瓷组合物粉末可再次在异丙醇中干混合或湿混八口 ο
各种电阻粉末可随后通过将陶瓷组合物粉末与银粉末混合而制备。银粉末可具有2-3.5微米之间的颗粒尺寸。陶瓷组合物粉末和银粉末可在异丙醇中混合30分钟，随后干燥。可在环境温度下或者在升高的温度下在烘箱中进行干燥。陶瓷组合物粉末与银粉末的比例控制电阻粉末的电阻率。例如，电阻粉末可包括42-45重量％银。换言之，电阻粉末可包括45-58重量％陶瓷组合物。在一个实施方案中，电阻粉末可具有I微欧姆-厘米-1兆欧姆-厘米之间的电阻率。图3为说明对于根据一个实施方案的一种实例生料盒的4个不同的层，在电阻粉末中陶瓷组合物和银的实例比例的表。应理解的是，按照整料盒的需要，可使用其它比例的陶瓷组合物和银，且可使用另外的或更少的层。
一旦得到不同的电阻粉末，将电阻粉末引入到冲模内，以形成堆叠的层。电阻粉末可由呈现最高电阻率的电阻粉末开始引入，随后覆盖具有连续降低电阻率的其它电阻粉末。或者，冲模可由呈现最低电阻率的电阻粉末开始填充，随后覆盖具有连续提高电阻率的其它电阻粉末。为了确保每层均匀的厚度，在引入每一种电阻粉末之后，电阻粉末可例如通过振动冲模或通过使用活塞而沉降到冲模内，以得到具有均匀厚度的层。对于每一个随后的层，可重复引入和沉降过程。
随后在合适的压力下压制电阻粉末的堆叠的层，以形成生料盒。压力可在10Mpa-1 Gpa范围，基于整料盒的期望的结构特性，例如机械强度、孔隙率等。在一个实施方案中，包括氧化锌、氧化铝和银的电阻粉末可在10 Mpa-60 Mpa之间的压力下压制。电阻粉末可使用已知的压制技术压制，例如但不限于单轴压制、冷等静压压制、热等静压压制等。在压制操作期间，温度可设定为15°C (例如，在冷等静压压制中)_1600°C (例如，在热等静压压制中)之间的值。或者，堆叠的层可使用挤出过程压制，例如热挤出、冷挤出、流体静压挤出等。即使压制过程使得粉末颗粒在生料盒中在一起，生料盒可呈现孔隙率，因此呈现有限的结构强度。此外，由于在各种电阻粉末中陶瓷组合物和银的不同的比例，生料盒在连续的层之间还可具有物理界面(即，物理边界)。
生料盒可随后烧结，以形成整料盒。用于烧结的温度可基于电阻粉末的组成来选择。通常，生料盒可在800°C -2000°C之间的温度下烧结2小时-100小时之间的持续时间。
在电阻粉末包括氧化锌、氧化铝和银的实施方案中，生料盒可在850°C _950°C之间的温度下烧结。在烧结期间温度变化速率可为约1.5-2.5°C /分钟。换言之，将生料盒从室温加热至约850-950°C，同时控制温度上升速率在1.5-2.5°C /分钟之间。生料盒可在空气气氛中烧结。烧结过程可进行22-26小时的持续时间。对于一个实例整料盒，生料盒的烧结在900°C温度下在空气气氛中进行24小时的持续时间，其中温度变化速率设定为2V /分钟。
在烧结之前，生料盒包括不同层的不同的电阻粉末，每层呈现不同的电阻率，当横跨层边界移动时，电阻率可按不连续的台阶变化。烧结引起银通过生料盒的原子扩散。银原子沿着在生料盒中存在的孔迁移。在烧结温度下，在层之间的物理界面处形成新的微晶，使得初始的层间边界消失，因此在整料盒中形成连续的颗粒结构。整料盒现在可呈现电阻率沿着纵向表面的光滑过渡。整料盒的电阻率相对于纵向位置的图将说明光滑过渡。一种实例实验装置的一个这样的电阻率图在图4中说明。用长方形402标记的区域的扩展图示于图5。应理解的是，测得的可测量最小电阻率值受到实验测量装置的限制，例如，受到在实验测量装置中使用的触点的接触电阻的限制。
在受控温度、加热速率和气氛下，生料盒的孔隙率可降低，导致比生料盒更致密的整料盒。
烧结后，整料盒可随后在受控温度降低下冷却，以赋予整料盒期望的硬度和结构强度。冷却速率可在1.5-2.50C /分钟之间。对于一个实例整料盒，冷却速率为2V /分钟。在固化时，控制冷却时温度变化速率可实质降低或完全消除在整料盒中形成裂纹或其它畸形。
所得到的整料盒因此具有连续的颗粒结构和沿着纵向表面从lOe-6欧姆米至10e6欧姆米分级的电阻率。图6为根据一个实施方案沿着整料盒的垂直轴，一种实例整料盒的微观结构的快照。可以看到整料盒呈现不具有边界的均匀结晶结构。另外，在放大的图像中未观察到裂纹和空隙。整料盒可具有小于100微米的均方根(RMS)表面粗糙度值。在莫氏标度上，整料盒的硬度可大于3。整料盒可在超过300°C的温度热稳定。由于受控的冷却速率，整料盒可呈现超过150 MPa的机械强度。
本文呈现的一个实施方案说明用四层电阻粉末举例说明的整料盒。然而，应理解的是，整料盒可包括任何层数的电阻粉末，取决于设计和应用参数。根据本文呈现的方法和组合物，可形成呈现在整料盒的两端之间分级的电阻率的整料盒。在一些实施方案中，在整料盒的两端之间，电阻率可分级至多12个数量级。在一些其它实施方案中，在整料盒的两端之间，电阻率可分级至少12个数量级。可基于要在其中部署整料盒的开关装置的操作参数来选择电阻率的数量级。这些操作参数包括，例如，操作电压和电流、操作功率等。例如，在高功率工业应用中，整料盒可设计成具有分级8个数量级的电阻率。然而，对于低功率家庭应用，整料盒可设计成具有分级例如6个数量级的电阻率。对于需要关键防火安全开关装置的较高功率工业应用，整料盒可设计成具有分级例如12或13个数量级的电阻率。
此外，可基于数学函数调适在层中电阻率的级数。任何已知的数学函数可用于设计沿着纵向表面的电阻率分布，例如，抛物线函数、双曲线函数、指数函数、它们的组合等。数学函数可为两个或更多个数学函数的组合。电阻粉末的组合物、层的厚度以及因此整料块的电阻率的分级可设计成使得固定触点和滑动触点之间的电位差总是使得电弧放电的条件不存在。例如，在低电阻率端处，整料盒的电阻率变化速率可以小，并且在整料盒的长度之上逐步提高，使得在高电阻率端处电阻率变化速率高。
权利要求
1.一种整料盒(200)，其包含: 具有第一电阻率的第一端(202)； 具有第二电阻率的第二端(204)，其中第二电阻率高于第一电阻率；和在第一端(202)和第二端(204)之间的连续的颗粒结构；其中整料盒(200)的电阻率分级，使得电阻从第一端(202)到第二端(204)连续变化。
2.权利要求1的整料盒(200)，其中在第一端(202)和第二端(204)之间所述电阻率分级至多12个数量级。
3.权利要求1的整料盒(200)，其还包含: 陶瓷组合物和传导组合物；其中所述陶瓷组合物与所述传导组合物的重量比在第一端(202)和第二端(204)之间分级。
4.权利要求3的整料盒(200)，其中所述陶瓷组合物包含氧化锌、氧化铝、氮化铝、氮化硼、二氧化硅、氧化锡铟或它们的组合。
5.权利要求3的整料盒(200)，其中所述传导组合物包含银、铜、金、铝、铟、锡、镓、镍、钛、锌、铅、碳、铁、鹤、钥或它们的组合。
6.一种形成整料盒(200)的方法，所述方法包括: 将多种电阻粉末引入冲模内，以形成堆叠的层(102，104，106，108);其中所述多种电阻粉末包含陶瓷组合物和传导组合物，并且其中每层包含不同重量比的陶瓷组合物和传导组合物； 在10 MPa压力和在环境温度下，将所述多种电阻粉末压制成为生料盒；和 在低于925°C的温度下烧结所述生料盒至多24小时的持续时间。
7.权利要求6的方法，其中将多种电阻粉末引入冲模内还包括: 将多种电阻粉末的第一种(108)引入冲模内； 沉降多种电阻粉末的第一种，以形成具有实质均匀厚度的第一层(108);和 重复引入和沉降多种电阻粉末中的每一种，以形成堆叠的连续的层(102，104，106)。
8.权利要求6的方法，其中: 所述陶瓷组合物包含氧化锌、氧化铝或它们的组合； 所述传导组合物包含银； 所述压制在10 Mpa-60 MPa之间的压力下进行；和 所述烧结在850°C _950°C之间的温度下在空气气氛中进行22-26小时的持续时间；其中用于烧结的温度变化速率在1.5-2.50C /分钟之间。
9.权利要求8的方法，其中所述陶瓷组合物包含99.5-99.7%氧化锌粉末和0.3-0.5%氧化铝粉末的实质均质的混合物。
10.权利要求8的方法，其中多种电阻粉末中的每一种包含: 45-58重量％的陶瓷组合物；和 42-55重量％的银。
全文摘要
陶瓷，使用该陶瓷的分级电阻率整料及制备方法。根据一个实施方案，呈现了具有分级的电阻率的整料盒(200)。所述整料盒(200)在第一端(202)和第二端(204)之间具有连续的颗粒结构；其中整料盒(200)的电阻率分级，使得电阻从第一端(202)到第二端(204)连续变化。还呈现了用于形成所述整料盒(200)的方法和组合物。
文档编号H01C17/00GK103137279SQ20121050079
公开日2013年6月5日 申请日期2012年11月30日 优先权日2011年11月30日
发明者P.帕拉卡拉, S.库马, M.纳亚克, S.E.里迪 申请人:通用电气公司