专利名称：陶瓷点火器组合物的制作方法
发明的背景发明的领域本发明涉及陶瓷点火器组合物，具体涉及这样的组合物，它含有导电材料组分和绝缘材料组分，其中绝缘材料组分中包含较高浓度的金属氧化物。
发明的背景陶瓷材料可成功地用作燃气炉、炉子和衣服干燥机的点火器。陶瓷点火器制品要求构成一个通过陶瓷部件的电路，其一部分的电阻很高，当用引线通电时其温度会升高。
一种常规的点火器，Mini-IgniterTM，购自新罕布什尔州Milford的NortonIgniterProducts，是为12伏-120伏用途设计的，它有包含氮化铝(″AlN″)、二硅化钼(″MoSi2″)和碳化硅(″SiC″)的组合物。虽然Mini-IgniterTM是非常有效的产品，但是某些用途要求电压超过120V。
具体说在欧洲，标称电压包括220V(例如意大利)、230V(例如法国)和240V(例如英国)。标准点火器的合格测试要求可在85％-110％指定的标称电压范围内工作。这样，一个点火器要能在整个欧洲应用，就要求必须在约187-264V(即220V的85％和240V的110％)范围内工作。尤其在采用较短热区长度(例如约1.2英寸或更短)的情形下，现有的点火器难于提供这样高和宽的电压范围。
例如，在更高的电压用途中，目前点火器会发生温度击穿，由此就要求在控制系统中有变压器来降低电压。使用这样的变压器装置显然不太适合。因此，就需求较小的点火器用于高电压的用途，尤其在约187-264V范围内的用途，它又不要求使用昂贵的变压器，仍可满足用具和加热行业所提出的下述要求，以预先适应线路电压方面的变化达到温度的时间(″TTT″)＜5秒85％设计电压时的最低温度1100℃
100％设计电压时的设定温度1300℃110％设计电压时的最高温度1500℃热区长度＜1.2″-1.5″功率＜100W对于给定的点火器形状，一种可以提供更高电压系统的途径是增大点火器的电阻。任何物体的电阻通常都是由下式表示Rs＝Ry×L/A，其中Rs＝电阻；Ry＝电阻率；L＝导体的长度；A＝导体的截面积。
因为现有陶瓷点火器的单腿长度约1.2英寸，在不降低其价格情形下，不能明显增长该腿的长度。同样，较小点火器的截面积约为0.0010-0.0025平方英寸，由于制造方面的原因，不可能再减小。
美国专利5,405,237(″theWashbum专利″)揭示了适于陶瓷点火器热区的组合物，它包含(a)5-50体积％(″体积％″或″vol％″)MoSi2和(b)50-95体积％选自碳化硅，氮化硅，氮化铝，氮化硼，氧化铝，铝酸镁，氧氮化硅铝和它们的混合物的材料。
其他非常有用的陶瓷组合物和系统在美国专利s5,514,630和5,820,789中有描述，两者都是授予Willkens等人的专利。美国专利№5,514,630报道了热区组合物不应当超过20体积％氧化铝。美国专利№5,756,215报道了其他的烧结的组合物，它包括铅层，该层含有高达2重量％碳化硅。
由此就要求有新的陶瓷热区点火器组合物。具体是要求有这样的新点火器组合物，它可以在高电压例如约187-264V可靠地工作，尤其具有较短的热区长度。
发明的概述我们现在发现了这样一种新陶瓷组合物，它对于高电压包括187-264V的用途特别有效。
本发明的陶瓷组合物还特别适用于较低电压用途，包括120V，102V，24V，12V，8V或6V的用途。本发明组合物能显示出相当有效的能量消耗，由此非常适于这样的较低电压用途。
更具体地说，在本发明的一个方面，本发明的陶瓷热区组合物含有至少三种组分1)导电材料；2)半导体材料；和3)绝缘材料，其中绝缘材料组分包含较高浓度的金属氧化物例如氧化铝。
意外地发现，这样高浓度(例如至少约25或30体积％绝缘材料组分)金属氧化物可提供这样的陶瓷组合物，它能可靠地提供高标称电压包括220，230和240V。
此外，本发明的陶瓷热区组合物已一再表明，在极其宽的高电压范围包括187-约264V能可靠地适应线路电压。因此，本发明的点火器能在整个欧洲使用，并可靠地在不同欧洲国家内使用的几种不同高电压的85％-110％内工作。也应当明白，虽然某些常规的热区组合物可以在特定的高电压下提供可靠的电压，但是当电压在更宽的范围内变化时，那些组合物往往不能使用。因此，在拓宽的高电压范围内能提供可靠的长期性能的本发明组合物，明显地表现出显著的优点。
虽然本发明的热区组合物对高电压用途尤其有效，如上所述，但是发现此组合物也非常适于较低电压用途，包括120V或102V，甚至更低电压例如低于100V的用途，例如6，8，12或24V的用途，或更低电压系统例如小于6V的系统。例如，本发明的点火器和热区组合物能用于以电池为电源的点燃系统。本发明的陶瓷热区组合物已表明显示出非常高的耗能效率，因此使该组合物和点火器对于上述的低电压用途尤其有用。见例如下述实施例6的结果。这样提高的耗能效率也使得能在点燃系统中使用更经济的部件，例如相对于包含与本发明不同的热区组合物的类似点火器，不贵的(较低级别)变压器可以有效地与本发明的点火器一同使用。
本发明的陶瓷热区组合物和点火器也能表现出比现有组合物低的热扩散率和高的比热，使本发明的组合物能够长期保持更多的热量。见例如下述实施例7的结果。
本发明优选的陶瓷点火器有这样的热区组合物，它包含(a)电阻率至少约为1010ohm-cm的电绝缘材料；(b)电阻率约为1-108ohm-cm的约3-45体积％半导体材料，优选约5-45体积％的热区组合物是半导体材料；(c)金属导体，其电阻率低于约10-2ohm-cm，优选约5-25体积％的热区组合物含有金属导体，其中至少约21体积％热区组合物是金属氧化物绝缘材料。优选至少约25体积％热区组合物包含金属氧化物绝缘材料例如氧化铝，更优选至少约30，40，50，60，70或80v/o热区组合物包含金属氧化物绝缘材料例如氧化铝。优选至少约25体积％绝缘材料是金属氧化物例如氧化铝，更优选至少约30，40，50，60，70，80或90体积％绝缘材料含有金属氧化物例如氧化铝。也优选的是此时唯一的绝缘材料组分是金属氧化物。热区组合物优选包含约25-80体积％绝缘材料，更优选约40-70体积％热区组合物是绝缘材料。
本发明其他优选的陶瓷点火器具有这样的热区组合物，它包含电阻率至少约为1010ohm-cm的电绝缘材料，所述绝缘材料的大部分含有金属氧化物例如氧化铝；包含半导体材料，它是碳化物例如碳化硅，含量至少约3，4，5或10体积％；还包含金属导体。
在本发明的另一方面，优选的本发明陶瓷点火器具有这样的热区组合物，它基本不含碳化物例如SiC。这样的组合物包含金属导体和电阻率至少约为1010ohm-cm的电绝缘材料，所述绝缘材料的一部分含有金属氧化物例如氧化铝，该绝缘材料组分也含有另一种不是氧化物的绝缘材料，例如氮化物如AlN。这样的组合物中的含量可以与上述三元绝缘材料/半导体材料/导电材料组合物相同或相似。
本发明制成的热表面陶瓷点火器，其热带长度相当短，例如约1.5英寸或更短，甚至约1.3，1.2或1.0英寸或更短，而且在没有任何类型的电控制装置控制点火器的电源情形下，能可靠地在高电压包括约187-264V下使用。从本文中会明白，对于多腿形状的点火器(例如U形有缝的结构)，热区长度是沿多腿点火器的单腿的热区长度。
此外，本发明的点火器能在约5或4秒或更短，乃至3，2.5或2秒或更短的时间内，很快发热到工作温度，例如约1300℃，1400℃或1500℃。
本发明的优选的热区组合物也能表现出非常高的高温经受能力，即重复暴露于高温不会损坏。由此本发明包括，能在每次点燃燃料时不需重新加热点火器元件的点燃方法。而是点火器能连续地在高点燃温度下长期工作，以便在例如熄火时提供即时点燃。更具体地说，本发明的点火器能在高温长时间工作(例如约800℃，1000℃，1100℃，1200℃，1300℃，1350℃等)，而无冷却过程，例如在这样的温度工作至少2，5，10，20，30，60或120分钟或更长。
本发明的点火器可以具有多种图案和结构。优选的结构包括″有缝″即两个腿的U形系统，且此时两个导电腿之间有空隙，而由热区桥接。对于许多用途，优选没有空隙区的“无缝”结构。一般的点火器结构有个绝缘体区，插在导电腿之间并接触一个电阻性的热区。
发现本发明中使用的无缝点火器结构(即中央的点火器区域有非导体或绝缘体，插在一对导电区之间，并接触电阻性的热区)会过早损坏，尤其会被所谓的″起弧″损坏，此时电流经过两个导体区之间的中央非导体区，而不是流到电阻性的热区。也就是说，在绝缘体区域会发生电介质击穿。这样的穿过插入的非导体区域的不好的电流起弧在更高电压的用途中，例如200V以上，更普遍。
我们找到了几种方法避免无缝点火器系统中的这样不好的起弧现象。一种优选的方法是增大绝缘体区域组合物的氮化铝含量，并相应地降低氧化铝含量。发现这样的增大AlN含量能有效地避免不好的起弧现象。另一种方法是使生成的绝缘体区域氧化。发现这样的氧化(例如在空气中热处理，用化学氧化剂处理)能使绝缘体区域的电阻更大，因而能电气上更稳定。
下面描述本发明的其他方面。
附图的简要说明
图1示出了一种本发明优选的三元热区组合物的显微结构，其中Al2O3是灰色，SiC是浅灰色，MoSi2是白色。
图2示出了不含金属氧化物的现有技术热区组合物的显微结构，其中AlN是灰色，SiC是浅灰色，MoSi2是白色。
图3A-3D示出了优选的“有缝”和″无缝″点火器结构。
发明的详细说明如上所述，在本发明的第一方面，提供烧结的陶瓷点火器元件，它包含两个冷区，热区插在它们之间，热区包含热区组合物，该组合物包含(a)电绝缘材料；(b)至少约3vol％的半导体材料；和(c)电阻率低于约10-2ohm-cm的金属导体，至少约21体积％热区组合物是金属氧化物绝缘材料。
本发明也提供烧结的陶瓷，它具有热区组合物，该组合物包含(a)25-80体积％电绝缘材料；(b)3-45体积％半导体材料；和(c)5-25体积％电阻率低于约10-2ohm-cm的金属导体，至少约21体积％热区组合物包含金属氧化物绝缘材料。
本发明还提供烧结的陶瓷，它具有热区组合物，该组合物包含(a)电绝缘材料，绝缘材料含有氮化物和金属氧化物；和(b)电阻率低于约10-2ohm-cm的金属导体，所述热区组合物基本不含碳化物材料。
本发明也提供点燃气态燃料的方法，它一般包括使电流通过本发明的点火器。
如上所述，意外地发现，向陶瓷热区组合物内加入显著量金属氧化物能够制成能在高标称电压包括220、230或240V下有效使用的陶瓷点火器，此外，这些热区组合物能在极其宽的电压范围内使用，因此所述组合物也能用于较低电压，例如120V或102V，乃至更低电压例如6-24V的用途。
也如上所述，并如下面的实施例所证实，本发明的热区组合物和点火器能表现出相当好的耗能效率和比现有技术系统低的热扩散率和高的比热。
不受理论的束缚，可以认为上述这些性能，或单独或组合，都有利于本发明的点火器在低电压用途例如小于100V用途时的性能。具体地说，这样的有效的能量消耗和/或热扩散率能使本发明的点火器可用于电池为电源装置的点火，例如可以用于室外或便携式加热或烹饪装置例如野餐用具，与游乐车辆等一起使用的烹饪(烤架)和加热用具等。
用于绝缘材料组分中的合适金属氧化物包括例如氧化铝，金属氧氮化物例如氧氮化铝和氧氮化硅，氧化镁铝和氧化硅铝。为了本发明的目的，金属氧氮化物是被认为是金属氧化物。在有些实施方式中，优选使用不含氮组分的金属氧化物，即金属氧化物不含氮原子。氧化铝(Al2O3))通常是优选的金属氧化物。如果需要，也可以使用不同金属氧化物的混合物，虽然一般采用一种金属氧化物。
为了本发明的目的，术语电绝缘材料指室温电阻率至少约1010ohm-cm的材料。本发明热区组合物的电绝缘材料组分可以仅含有一种或多种金属氧化物，或者，绝缘组分可以含有金属氧化物(一种或多种)以外的材料。例如，绝缘材料组分还可以含有氮化物例如氮化铝，氮化硅或氮化硼；稀土氧化物(例如，氧化钇)；或稀土氧氮化物。绝缘组分的一种优选的加入材料是氮化铝(AlN)。据认为使用另外的绝缘材料例如氮化铝与金属氧化物组合使用能提供所要求热膨胀相容性的热区，同时保持所要求的承受高电压能力。
如上所述，绝缘材料组分含有作为相当多部分的一种或多种金属氧化物。更具体地说，至少约25体积％绝缘材料是一种或多种金属氧化物，更优选至少约30，40，50，60，70，75，80，85，90，95或98体积％绝缘材料是一种或多种金属氧化物例如氧化铝。
优选的本发明热区组合物可以含有这样的绝缘材料组分，它是仅金属氧化物与金属氮化物的组合，尤其氧化铝(Al2O3)与氮化铝(AlN)的组合。优选地，金属氧化物是所述组合的主要成分，例如绝缘组分含有至少约50，55，60，70，80，85，90，95或98体积％金属氧化物例如氧化铝，其余是金属氮化物例如氮化铝。
优选的本发明热区组合物也可以含有全部由一种或多种金属氧化物例如氧化铝组成的绝缘材料组分。
当氧化铝加入到热区组合物的生坯中时，可以选用任何常规的氧化铝粉。一般采用平均粒度约为0.1-10微米、杂质仅为0.2w/o的氧化铝粉。氧化铝粉的粒度优选约为0.3-10微米。更优选采用购自阿肯色州Bauxite的AlcoaIndustrialChemicals的Alcoa煅烧氧化铝。另外，氧化铝可以以非粉末形式加入，包括但不局限于氧化铝溶胶凝结的方式和一部分氮化铝的水解方式。
通常，优选的热区组合物包含(a)约50-80体积％电绝缘材料，它的电阻率至少约为1010ohm-cm；(b)约5-45体积％半导体材料，它的电阻率约为10-108ohm-cm；和(c)约5-25体积％金属导体，它的电阻率低于约10-2ohm-cm。热区优选包含50-70体积％电绝缘陶瓷，10-45体积％半导体陶瓷和6-16体积％导电材料。
如果电绝缘陶瓷组分的含量高于约80体积％热区组合物，那么所形成的组合物就变得电阻过高，在高电压下达到目标温度太慢，而不合格。相反，如果它的含量低于约50体积％(例如当导电陶瓷的含量约为8体积％)，那么形成的陶瓷就变得在高电压下导电性过强。显然，当导电陶瓷部分升高至8体积％以上时，热区导电性较大，绝缘部分的用量上限和下限可以合适地提高，以达到所要求的电压。
如上所述，在本发明的另一方面，提供一种陶瓷热区组合物，它至少基本不含碳化物例如SiC或任何其他的半导体材料。这样的组合物包含金属导体和电绝缘材料，所述电绝缘材料的电阻率至少约1010ohm-cm，绝缘材料的主要成分是金属氧化物例如氧化铝，绝缘材料组分也含有再一种不是氧化物的材料例如氮化物如AlN。这样的组合物优选含有低于约5体积％碳化物，更优选含有低于约2、1、0.5体积％碳化物，或甚至更优选这样的热区组合物完全不含碳化物，也不含其他半导体材料。
为了本发明的目的，半导体陶瓷(或″半导体″)是室温电阻率约为10-108ohm-cm的陶瓷。如果半导体组分的含量高于约45体积％热区组合物(当导电陶瓷为约6-10体积％时)，形成的组合物就变得对于高电压用途来说导电性过强，(由于缺乏绝缘体)。相反，如果它的含量低于约10体积％(当导电陶瓷为约6-10体积％)，那么形成的组合物就变得电阻过高(由于绝缘体过多)。再次，在较高的导体含量情形下，就需要电阻更高的绝缘体与半导体部分的混合物，以达到所要求的电压。一般地，半导体是选自碳化硅(掺杂和未掺杂的)，和碳化硼的碳化物。通常优选碳化硅。
为了本发明的目的，导电材料的室温电阻率应低于约10-2ohm-cm。如果导电组分的含量高于约25体积％热区组合物，那么形成的陶瓷就变得对于高电压用途来说导电性过强，形成不合格的热点火器。相反，如果它的含量低于约6体积％，那么形成的陶瓷就变得对于高电压用途来说，电阻过高，形成不合格的冷点火器。一般地，导体选自二硅化钼、二硅化钨和氮化物例如氮化钛和碳化物例如碳化钛。通常优选二硅化钼。
尤其优选的本发明热区组合物含有氧化铝、二硅化钼和碳化硅，氮化铝可以用作绝缘材料组分的附加材料。
在Washbum专利(美国专利№5,405,237)中描述的热区/冷区点火器结构适合用于本发明。该热区提供点燃气体的功能性加热。对于高电压用途(例如187-264V)，热区的电阻率在1000℃-1600℃温度范围内，优选约为1-3ohm-cm。特定优选的热区组合物包含约50-80体积％Al2O3，约5-25体积％MoSi2和10-45体积％SiC。更优选，它包含约60-80体积％氧化铝，约6-12体积％MoSi2，15-30体积％SiC。在一个具体的优选实施方式中，热区组合物包含约66体积％Al2O3，14体积％MoSi2和20体积％SiC。
在一个优选实施方式中，致密体中热区各组分的平均晶粒度(d50)如下所述a)绝缘体(例如Al2O3，AIN等)约2-10微米；
b)半导体(例如SiC)约1-10微米；c)导体(例如MoSi2)约1-10微米。
图1示出了本发明优选的热区组合物的显微结构，该组合物由Al2O3、SiC和MoSi2的烧结共混物组成。从图1可以看出，该组合物具有较均匀的各组分排列，即各组分良好地分散于整个组合物内，显微结构至少基本上没有一种组分的大区域(例如30、40或50微米宽)，此外，导电材料(MoSi2)组分区域具有连贯的清晰边界，不是羽毛状的。
图2示出了现有技术不含金属氧化物的热区组合物的显微结构。在图2中，导电材料(MoSi2)组分区域没有清晰边界，相反是弥散呈“羽毛状”的。
本发明的点火器能具有多种结构。一种优选的结构是有缝系统，例如马蹄形或U形结构。也优选采用直棒形(无缝)，其两个冷端即与引线连接的两端在点火器相反的两端。
本发明的点火器一般也含有至少一个低电阻率的冷区，与热区电连接，供引线连接到点火器上之用。一般地，热区组合物设置在两个冷区之间。优选，这样的冷是例如AlN和/或AI2O3或其他绝缘材料；SiC或其他半导体材料；和MoSi2；或其他导电材料。但是，冷区内导电和半导体材料(例如SiC和MoSi2)的含量百分率明显比热区高。因此，冷区的电阻率一般仅约为热区组合物电阻率的大约1/5-1/1000，因此温度不会升高至热区水平。一种优选的冷区组合物包含约15-65体积％氧化铝、氮化铝或其他绝缘体材料；约20-70体积％MoSi2和SiC或其他导电材料和半导体材料(体积比约为1∶1-1∶3)。冷区更优选包含约15-50体积％AlN和/或Al2O3，15-30体积％SiC和30-70体积％MoSi2。为了便制造，冷区组合物优选用与热区组合物相同的材料形成，但其中半导体材料和导电材料的相对量更高。
用于本发明的点火器的一种具体优选的冷区组合物含有60体积％MoSi2、20体积％SiC和20体积％Al2O3。用于本发明的点火器的一种尤其优选的冷区组合物含有30体积％MoSi2，20体积％SiC和50体积％Al2O3。
如上所述，无缝点火器结构优选含有非导电区域，插在两个导电腿之间。烧结的绝缘体区的室温电阻率优选至少约为1014ohm-cm，工作温度下的电阻率至少约为104ohm-cm，强度至少约150MPa。无缝系统的插入绝缘体区域，其在工作温度下的电阻率优选至少比热区电阻率大一个数量级。合适的绝缘体组合物包含至少90体积％一种或多种氮化铝、氧化铝和氮化硼。通常优选的绝缘体组合物是1)AIN和/或Al2O3和2)SiC的混合物。该组合物优选包含至少约90体积％AIN与Al2O3的混合物。
如上所述，为了避免无缝结构中的起弧现象，绝缘体组合物中除了其他的电阻性材料，具体是金属氧化物例如Al2O3外，还优选包含AIN。发现加入AIN能防止发生绝缘体区域的这种电介质击穿。我们也意外地发现，使用ALN在绝缘体组合物中能在点火器使用期间防止不希望发生的电介质击穿。而加入其他高电阻性材料并不会象这样能减少起弧现象。
本发明优选的绝缘体组合物由AIN、Al2O3和SiC组成。在这样的AIN/Al2O3/SiC绝缘体组合物中，AIN的含量相对于Al2O3优选至少约为10，15，20，25或30体积％。通常优选的用于本发明无缝点火器的绝缘体组合物中AIN的含量约为3-25体积％，更优选约5-20体积％，再优选约10-15体积％；Al2O3的含量为60-90体积％，更优选65-85体积％，再优选70-80体积％；又优选75-80体积％；SiC的含量为5-20体积％，优选8-15体积％。本发明无缝点火器的一种具体优选的绝缘体组合物由13体积％AIN、77体积％Al2O3和其余的SiC组成。
如上所述，发现本发明点火器绝缘体区域的氧化处理也能防止不希望发生的电介质击穿。例如，点火器能够在空气中长期被加热例如约1300-1700℃，优选约1500-1600℃，长达例如0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9或1小时或更长时间，以提供绝缘体区域的有效氧化处理。但是，这样的氧化处理使得需要其他的加工，要求氧化后导电腿的再制备。
点火器的尺寸能会影响其性质和工作性能。热区的单腿长度一般应当大于约0.5英寸(以提供足够的质量使冷却气流不会明显影响其温度)，但是要小于约1.5英寸(以提供足够的机械强度性)。其宽度应当大于约0.1英寸，以提供足够的强度和加工的容易性。同样，其厚度应当大于约0.02英寸，以提供足够的强度和加工容易性。优选地，本发明的点火器的总单腿长度一般约为1.25-2.00英寸，热区截面积约为0.001-0.005平方英寸(优选小于0.0025平方英寸)，并是具有两个腿的U形结构。
对于这样一种优选的，可用于187-264伏电压并具有约66体积％Al2O3、约20体积％SiC和约13.3体积％MoSi2的热区组合物的两腿U形点火器，优选具有下述的点火器尺寸长度约1.15英寸；单腿宽度约0.047英寸；厚度约0.030英寸。该种结构和组合物也可用于较低电压，例如6，8，12，24，102或120V的用途。
一种优选的″无缝″点火器结构的总长度约为1.25-2.00英寸，热区长度约为0.1-1.2英寸，热区截面积为0.001-0.005平方英寸。对于较低电压用途，一般优选更短的热区长度，例如短于0.5英寸。
图3A示出了一种优选的有缝点火器系统10，它有导电(冷区)腿12和14，U-形热区16和″缝″即空隙18插在导电腿12和14之间。如本文所述，热区长度在图3A中用距离x表示，点火器长度为y，热区和点火器宽度为z。
通过位于导电带12和14各自末端12’和14’的引线，能够对点火器10通电。
图3B示出了一种优选的无缝点火器系统20，它有导电(冷区)腿22和24，插入的绝缘体区域26和U-形热区28。在无缝系统情形下，如本文所示，热区长度在图3B中用距离x表示，点火器长度为y，热区和点火器宽度为z。通过位于导电带末端22’和24’的引线能够对点火器20通电。
图3C和3D示出了本发明点火器其他的合适的无缝结构。在图3C和图3D中，编号与图3B中的相对应，即在图3C和图3D中，无缝点火器系统都有导电腿22和24，插入的绝缘体区26和热区域28。
本发明的点火器的一个特别优选的热区组合物含有约14％MoSi2，约20％SiC，其余为Al2O3。这样的组合物优选用于无缝点火器系统，它的热区长度宜于为约0.5英寸。另一个优选的热区组合物含有约16％MoSi2，约20％SiC，其余为Al2O3。这样的组合物优选用于无缝点火器系统，热区长度宜约为0.1-1.6英寸。如上所述，对于较低电压用途，例如小于100V用途，一般优选较短的热区长度，例如小于0.5。
通常，本发明的热表面陶瓷点火器能制成相当短的热区长度，例如约1.5英寸或更短，或甚至约1.4，1.3，1.2，1.1，1.0，0.9，0.8英寸或更短，可以可靠地用于高电压范围，包括约220-240V，并可以用于没有任何类型电控制装置来计量控制点火器的能量的情况。
陶瓷点火器的一个重要性能，尤其当气体是燃料时，是达到温度的时间(″TTT″)，即点火器热区从室温升高至燃料(气体)点燃温度的时间。本发明的点火器能在约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秒或更短的时间内很快加热至工作温度，例如约1300℃，1400℃或1500℃。
发现本发明热区组合物表现出能经受极其高的温度例如高达1750℃的能力，不会有严重的氧化或燃尽问题。当重复暴露于1600℃时，常规的系统就不行。相反，优选的本发明热区组合物可经受得住在这样高温的“寿命试验”，例如1450℃下30秒打开30秒关闭的50,000次循环。也发现相对于现有技术组合物，本发明的点火器在这样的加热试验循环中，表现出明显的安培数下降和温度变化。
如前所述，本发明包括不需要重新加热陶瓷点火器的点燃方法。而是点火器能在足以点燃燃料的高温下长期运行，不需要不断地打开/关闭(即加热/冷却)循环。
陶瓷组分的加工(即，生坯加工和烧结条件)以及用致密陶瓷制造点火器能采用常规的方法进行。一般地，这样的方法基本根据Washbum的专利进行。还可参见下述说明条件的实施例。热区组合物的烧结优选在较高的温度进行，例如在约1800℃或略高的温度进行。烧结一般在压力下进行，或在单向压力(热压)或在热液静压力(HIP)下进行。
还惊人地发现，本发明的热区组合物能在高温(例如至少约1800或1850℃)单向压力下一次有效地致密化，这与现有技术组合物不同。
现有技术的热区组合物要求两步分开的烧结步骤，第一步是热压(例如低于1500℃例如1300℃)，接着是第二步高温烧结(例如1800或1850℃)。第一步热压使密度增至理论密度的约65-70％，第二步更高温度的烧结使密度最终增加至理论密度99％以上。现有技术的热区组合物要求密度超过99％，目的是提供合格的电性能。
本发明热区组合物的一次高温烧结就能使密度达到至少约为理论密度的95、96或97％。此外，还发现这种密度低于理论密度的99％(例如约95、96，97或98％理论密度)的本发明热区组合物表现出相当合格的电性能。见例如下述实施例5详细说明的结果。
本发明的点火器可以用于许多用途，包括气相燃料点燃的一些用途例如炉子和烹饪用具、踢腿板式加热器、锅炉、和上等炉。如上所述，本发明的点火器还能用于以电池为电源的系统，例如点燃是以电池，例如6、8或24V电池，甚至更低电压系统例如小于6V系统为源的烹饪器具或加热器具。
本发明的点火器也可以用于其他用途，包括用作多种系统中的加热元件。在一种优选的用途中，本发明的点火器是用作红外线辐射源(即热区放出红外线)，例如炉子内的加热元件，或在包括光谱仪的控制或检测装置中用作发光塞等。
下述的一些非限制性实施例用于说明本发明。本文中提到的所有文献都参考结合于此。
实施例1本发明的点火器的制备和在高电压下的测试如下所述。制备了热区和冷区组合物。热区组合物包含66体积份Al2O3，14体积份MoSi2和20体积份SiC，它们在高剪切混合器内共混。冷区组合物包含约50体积份Al2O3，约30体积份MoSi2和约20体积份SiC，它们在高剪切混合器内共混。将冷区组合物加入到热压模子中，然后将热区组合物加入到该同一模子中冷区组合物的上面。所述两种组合物一同在氩气中在1300℃、3000psi下热压1小时，形成坯料，其密度约为理论密度的60-70％。然后，将该坯料切削加工成板坯，尺寸为2.0英寸×2.0英寸×0.250英寸。接着，将板坯在1790℃、30000psi压力下热液静压(HIP)1小时。HIP后，将此致密的板坯切削加工成所要求的U形形状。形成的点火器在230V下工作良好，具有良好的电阻率约1.5ohm cm，达到点燃温度的时间约为4秒，并表现出高达至少285V(285V测试电压是测试设备的极限)的稳定性，由此说明本发明点火器在高标称电压和宽范围高的线路电压是有效的。
实施例2制备了另一种热区组合物，它含有67体积份Al2O3、13体积份MoSi2和20体积份SiC，在高剪切混合器内共混。制备与上面实施例1所述同样的冷区组合物，用与实施例1所述相同的步骤加工热和冷区组合物并形成点火器。形成的点火器表现出与实施例1点火器所述同样的性能结果。由此说明，该点火器在高标称电压和宽范围高的线路电压也是有效的。
实施例3制备了本发明的又一种热区组合物，它含有66.7体积份Al2O3、13.3体积份MoSi2和20体积份SiC，在高剪切混合器内共混。制备与上面实施例1所述同样的冷区组合物，用与实施例1所述相同的步骤加工热和冷区组合物并形成点火器。形成的点火器表现出与实施例1点火器所述同样的性能结果。由此说明，该点火器在高标称电压和宽范围高的线路电压也是有效的。
实施例4制备了再一种热区组合物，它含有66.4体积份Al2O3、13.6体积份MoSi2和20体积份SiC，在高剪切混合器内共混。制备与上面实施例1所述同样的冷区组合物，用与实施例1所述相同的步骤加工热和冷区组合物并形成点火器。形成的点火器表现出与实施例1点火器所述同样的性能结果。由此说明，该点火器在高标称电压和宽范围高的线路电压也是有效的。
实施例5如下所述，制备了又一种本发明的点火器，并在高电压下进行了测试。
制备了热区和冷区组合物。热区组合物包含约66体积份Al2O3、约14体积份MoSi2和约20体积份SiC，在高剪切混合器内共混。冷区组合物包含约50体积份Al2O3、约30体积份MoSi2和约20体积份SiC，在高剪切混合器内共混。将冷区组合物加入到热压模子中，再将热区组合物加入到这同一模子中的冷区组合物上面。所述这两种组合物一同在氩气中在1800℃、3000psi下热压1小时，形成坯料，其密度约为理论密度的97％。然后，将该坯料切削加工成板坯，其尺寸为2.0英寸×2.0英寸×0.250英寸。接着，将这些板坯直接切削加工成具有U形形状的点火器元件(即不经过HIP)。形成的点火器在230V下工作良好，具有良好的电阻率约lohm cm，达到点燃温度的时间约为5秒，并表现出高达至少285V(285V测试电压是测试设备的极限)的稳定性，由此说明点火器在高标称电压和宽范围高的线路电压是有效的。
实施例6本发明点火器的能量消耗通过测量设定电压下的电流来测得。本发明的一些点火器一致地表现出比具有不同热区组合物的类似点火器大的耗能效率。
具体地说，本发明一个具有含下述各组分的热区组合物的有缝点火器65体积份Al2O3、约15体积份MoSi2和约20体积份SiC，在120V的0.25A-0.35A所要求的。
本发明一个具有含下述各组分的热区组合物的比较的有缝点火器77体积份AlN、约13体积份MoSi2和约10体积份SiC，在120V的0.5A-0.6A所要求的。
实施例7测试了本发明点火器和具有不同于本发明的热区组合物的类似点火器的热扩散率和比热的值。本发明的一些点火器一致地表现出比具有不同于本发明的热区组合物的类似点火器低的热扩散率和高的比热。
对于具有含下述组分的热区组合物的本发明有缝点火器测得了下述各温度下的热扩散率66.7体积份Al2O3、约13.3体积份MoSi2和约20体积份SiC温度(℃)热扩散率(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对于具有含下述各组分的热区组合物的本发明比较的有缝点火器测得了下述各温度下的热扩散率70体积份AIN、约10体积份MoSi2和约20体积份SiC
温度(℃)热扩散率(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 0.274参照一些具体实施方式
已经对本发明进行了详细说明。但是，本行业内的普通技术人员了解了本文所述内容，就可以进行各种在本发明的精神和范围内的改变和变化。
权利要求
1.一种烧结的陶瓷点火器元件，它包括两个冷区，它们之间设置有包含热区组合物的热区，所述热区组合物包含(a)电绝缘材料；(b)至少约3体积％半导体材料；(c)电阻率低于约10-2ohm-cm的金属导体，其中至少约21体积％热区组合物包含金属氧化物绝缘材料。
2.如权利要求1所述的点火器，其特征在于所述的绝缘材料含有至少约25体积％金属氧化物。
3.如权利要求1所述的点火器，其特征在于所述绝缘材料由金属氧化物组成。
4.如权利要求1-3中任一项所述的点火器，其特征在于金属氧化物包括氧化铝。
5.如权利要求1-4中任一项所述的点火器，其特征在于所述金属氧化物包含一种或多种氧化铝、金属氧氮化物、氧化镁铝和氧化硅铝。
6.如权利要求1-4中任一项所述的点火器，其特征在于所述绝缘材料含有一种或多种选自氮化物、稀土氧化物和稀土氧氮化物的材料。
7.如权利要求1-4中任一项所述的点火器，其特征在于所述绝缘材料包括氮化铝。
8.如权利要求1-7中任一项所述的点火器，其特征在于所述半导体材料包括碳化硅。
9.如权利要求1-8中任一项所述的点火器，其特征在于所述金属导体是二硅化钼。
10.如权利要求1-9中任一项所述的点火器，它还包含冷区组合物，该组合物包含约15-50体积％绝缘体材料、0-50体积％半导体材料和20-70体积％金属导电材料。
11.如权利要求10所述的点火器，其特征在于所述冷区绝缘体材料是氮化铝或氧化铝或它们的混合物；冷区半导体材料是碳化硅；冷区导电材料是MoSi2。
12.如权利要求1-11中任一项所述的点火器，其特征在于所述点火器的结构有缝。
13.如权利要求1-11中任一项所述的点火器，其特征在于所述点火器的结构无缝。
14.如权利要求1-11或13中任一项所述的点火器，其特征在于所述点火器包含绝缘体区、导电区和热区，所述绝缘体区插在一对导电区之间，绝缘体区包含AlN，其电阻比热区大。
15.如权利要求14所述的点火器，其特征在于所述点火器区含有AlN、Al2O3和SiC。
16.如权利要求1-11或13中任一项所述的点火器，其特征在于所述点火器包含绝缘体区、导电区和热区，绝缘体区被氧化处理过。
17.如权利要求13-16中任一项所述的点火器，其特征在于所述点火器包含绝缘体区，该绝缘体区包含约3-25体积％AIN、约60-90体积％Al2O3和约5-20体积％SiC。
18.如权利要求13-16中任一项所述的点火器，其特征在于所述点火器包含绝缘体区，该绝缘体区包含约5-20体积％AlN、约65-85体积％Al2O3和约8-15体积％SiC。
19.一种烧结的陶瓷，它具有包含下述各组分的热区组合物(a)25-80体积％电绝缘材料；(b)3-45体积％半导体材料；(c)5-25体积％电阻率低于约10-2ohm-cm的金属导体，其中至少约21体积％热区组合物包含金属氧化物绝缘材料。
20.如权利要求19所述的陶瓷，其特征在于所述绝缘材料含有至少约50体积％金属氧化物。
21.如权利要求19所述的陶瓷，其特征在于绝缘材料含有至少约80体积％金属氧化物。
22.如权利要求19所述的陶瓷，其特征在于绝缘材料含有至少约90体积％金属氧化物。
23.如权利要求19所述的陶瓷，其特征在于绝缘材料由金属氧化物组成。
24.如权利要求19-23中任一项所述的陶瓷，其特征在于所述金属氧化物包含氧化铝。
25.如权利要求19-23中任一项所述的陶瓷，其特征在于所述金属氧化物由氧化铝组成。
26.如权利要求19-24中任一项所述的陶瓷，其特征在于所述金属氧化物含有一种或多种选自氧化铝、氧化镁铝、金属氧氮化物和氧化硅铝的材料。
27.如权利要求19-26中任一项所述的陶瓷，其特征在于所述绝缘材料含有一种或多种选自氮化物、稀土氧化物和稀土氧氮化物的材料。
28.如权利要求19-27中任一项所述的陶瓷，其特征在于所述绝缘材料包含氮化铝。
29.如权利要求19-28中任一项所述的陶瓷，其特征在于所述绝缘材料占热区组合物的50-80体积％。
30.如权利要求19-29中任一项所述的陶瓷，其特征在于所述半导体材料包括碳化硅。
31.如权利要求19-30中任一项所述的陶瓷，其特征在于所述半导体材料占热区组合物的5-30体积％。
32.如权利要求19-31中任一项所述的陶瓷，其特征在于所述金属导体是二硅化钼。
33.如权利要求32所述的陶瓷，其特征在于二硅化钼占热区组合物的6-16体积％。
34.如权利要求19-33中任一项所述的陶瓷，它还包括冷区组合物，该组合物包含约15-50体积％绝缘体材料、0-50体积％半导体材料和20-70体积％金属导电材料。
35.如权利要求34所述的陶瓷，其特征在于冷区绝缘体材料是氮化铝或氧化铝或它们的混合物；冷区半导体材料是碳化硅；冷区导电材料是MoSi2。
36.一种含有热区组合物的烧结陶瓷，所述热区组合物包含(a)电绝缘材料，该绝缘材料含有氮化物和金属氧化物；(b)金属导体，它的电阻率低于约10-2ohm-cm，所述热区组合物基本不含碳化物材料。
37.如权利要求36所述的陶瓷，其特征在于绝缘材料含有至少约50体积％金属氧化物。
38.如权利要求36或37所述的陶瓷，其特征在于绝缘材料含有氮化铝。
39.如权利要求36-38中任一项所述的陶瓷，其特征在于所述金属氧化物包括氧化铝。
40.如权利要求36-39中任一项所述的陶瓷，其特征在于所述金属氧化物含有一种或多种选自氧化铝、氧化镁铝、金属氧氮化物和氧化硅铝的材料。
41.如权利要求36-40中任一项所述的陶瓷，其特征在于所述绝缘材料含有一种或多种选自氮化物、稀土氧化物和稀土氧氮化物的材料。
42.如权利要求36-41中任一项所述的陶瓷，其特征在于所述热区组合物基本不含碳化硅。
43.如权利要求36-42中任一项所述的陶瓷，其特征在于所述热区组合物含有不超过约2体积％的碳化物。
44.如权利要求36-42中任一项所述的陶瓷，其特征在于所述热区组合物完全不含碳化物。
45.如权利要求36-44中任一项所述的陶瓷，它还包括冷区组合物，该冷区组合物包含约15-50体积％绝缘体材料、0-50体积％半导体材料和20-70体积％金属导电材料。
46.如权利要求45所述的陶瓷，其特征在于冷区绝缘体材料是氮化铝或氧化铝或它们的混合物；冷区半导体材料是碳化硅；冷区导电材料是MoSi2。
47.如权利要求17或36所述的陶瓷，其特征在于所述陶瓷通过一次高温烧结加工致密化至约95、96、97或98％理论密度。
48.一种点燃气态燃料的方法，它包括使电流通过权利要求1-18中任一种所述的点火器。
49.如权利要求48所述的方法，其特征在于电流的线路电压约为187-264伏。
50.如权利要求48或49所述的方法，其特征在于所述电压是约6、8、12、24、120、220、230或240V。
52.如权利要求48或49所述的方法，其特征在于所述电压低于100V。
53.如权利要求48所述的方法，其中电压是约6、8、12、24或102V，或者低于约6V。
54.如权利要求48-53中任一项所述的方法，其特征在于所述电压由电池电源供应。
55.如权利要求48-54中任一项所述的方法，其特征在于所述陶瓷的热区长度约为1.2英寸或更短。
56.如权利要求48-54中任一项所述的方法，其特征在于在足以点燃气态燃料的温度下所述点火器热区保持不中断至少0.5小时。
全文摘要
本发明提供一种陶瓷点火器的组合物，它含有导电材料组分和绝缘材料组分，其中绝缘材料组分包含较高浓度金属氧化物。本发明的陶瓷点火器尤其对于高电压包括约187－264伏整个范围的用途有效。本发明的点火器也适合于较低电压，例如120V或102V和小于100V例如6，8，12或24V的用途。
文档编号H05B3/10GK1451088SQ00817443
公开日2003年10月22日 申请日期2000年12月20日 优先权日1999年12月20日
发明者R·J·林, C·A·威尔肯斯, K·C·索洛法, T·J·谢里丹 申请人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司