专利名称:复合坯体的制作方法
本发明涉及一种陶瓷复合坯体。这种复合坯体包括第一部分陶瓷材料通过熔融陶瓷和第二部分金属材料、陶瓷材料或金属和陶瓷的混合材料相结合。熔融陶瓷除了含氧化铝外，或者还包含一种或多种碱土金属氧化物，或者还包含一种或多种稀土金属氧化物，或者还包含上述两种氧化物的组合物。
本说明书和权利要求
书中所用的术语“陶瓷材料”可理解为一种至少含氧化铝的结晶氧化材料。例如，这种材料可能是单晶蓝宝石。另一种可能性是(这种材料为)致密烧结的多晶氧化铝或铝酸钇石榴石。
这些适于作高压放电灯放电容器壁材的材料，可在温度3000℃时长时间地加热，且在此温度时具有很高的抗碱土金属和卤化物侵蚀的能力。在1300℃以上长时间地加热，一般会引起有关材料的大量蒸发。而在1750℃至1800℃短时间地加热不产生不利的后果。然而，当加热超过1750℃至1800℃时，即使时间很短，大部分会产生上述蒸发现象，甚至于造成自发的破裂。
这里所指的“稀土金属氧化物”包括下列氧化物Sc2O3、Y2O3、La2O3、Ce2O3、Pr2O3、Nd2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Tb2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3、Tm2O3、Yb2O3、Lu2O3。
本说明书和权利要求
书中所说的熔融陶瓷是指结合材料。这种结合材料比复合坯体部分具有更低软化温度，它存在于玻璃相、结晶相以及玻璃和结晶的组合相中。
从欧洲专利申请0060582A1(PHN9968EU)可以了解本说明书第一段所述类型的复合坯体。这种复合坯体可以是一种具有放电容器的高压放电灯，其中放电容器的壁材为陶瓷材料，电流引入线元件通过该放电容器壁，借助于熔融陶瓷以气密方式与壁连接。常用的高压放电灯为高压钠灯和高压金属卤化物灯。就这两种类型的灯而言，在工作状态下，放电容器要经受高温，并且有部分放电容器的填料电离。因此，用于这类放电灯的熔融陶瓷，在高温下，应能抵抗钠和金属卤化物的侵蚀。
通过采用已知的熔融陶瓷，可达到气密的结合，产生较高的抗钠和抗卤化物侵蚀的能力。一般来说，通过细结晶的熔融陶瓷，就可达到气密的结合。应该注意到，互连部分的热膨胀系数是各不相同的，因此，在熔融陶瓷中会产生应力。就细结晶熔融陶瓷而言，其产生破裂的可能性小于粗结晶熔融陶瓷。这里所用的术语“粗结晶”可理解为80%的晶粒尺寸为10微米或10微米以上。当熔融陶瓷80%的晶粒尺寸在1至5微米之间时，可认为这种熔融陶瓷是细结晶的。
细结晶熔融陶瓷的另一优点在于在结晶过程中，出现夹杂物及显微裂缝的可能性大大地小于粗结晶熔融陶瓷(在结晶过程中的情形)。
已发现，尽管已知熔融陶瓷大部分是细结晶的，然而，在一定的情况下，它仍然会产生大的晶粒(＞20微米)，而且还包含气泡形的孔穴。这种气泡形的孔穴是由于加工熔融陶瓷过程中的气体脱附作用所致。实际上，大晶粒总是伴随微孔穴而产生的。微孔穴和气泡对熔融陶瓷的强度和抗侵蚀能力是不利的。
在实际中，出现的另一个问题是，在熔接过程中会形成β铝酸盐晶体结构。已发现，在熔接过程中，当温度在最高范围内的较高值时，形成β铝酸盐晶体结构的可能性就大大增加。
β铝酸盐晶体结构非常容易受到侵蚀，尤其是受钠的侵蚀。因此，如果将具有钠或卤化钠填充组成物的熔融陶瓷用于放电灯，是很不理想的。
本发明的目的是在于提供一种方法，通过这种方法，可使复合坯体各部分之间的结合基本上既不含大的晶粒、也不含β铝酸盐晶体结构，而保留熔融陶瓷的良好性质。
为此，根据本发明第一段中所述的那种复合坯体，其特征在于熔融陶瓷含有填充材料，这种填充材料遍布于熔融陶瓷的体积中，占熔融陶瓷的体积至少为20%，至多为50%。
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书中所用的术语“填充材料”可理解为熔融陶瓷的组成部分，它作为隔离相存在于熔融陶瓷的剩余相之间。填充材料最好能充分均匀地遍布于熔融陶瓷体积中。填充材料的平均粒径，可根据熔融陶瓷所存在间隙的大小在一个稍为宽的范围内来选择。所选择的填充材料的粒径最好能保证在间隙尺寸为10至100微米之间时，至少有80%的粒径小于10微米。另外，所选择的粒径的分布应能保证填充材料的比表面积小于60m2/cm3(按理论密度计)。
已发现，具有填充材料的陶瓷材料完全可以避免大晶粒的出现。令人惊奇的是同时也避免了气泡形的孔穴产生。另一优点是可使软化温度保持在1750℃以下。此外，产生β铝酸盐晶体结构的可能性似乎也大大降低。
已发现，填充材料含量小于20%(体积)时，不能令人满意地抵制因气体脱附作用而导致的气泡和微孔穴的形成。在这些条件下，产生β铝酸盐晶体结构的可能性基本上保持不变。
填充材料还会影响熔融陶瓷的粘度，并因此影响熔融陶瓷在复合坯体两部分之间所要填充的间隙中的迁移。如果填允材料所占的百分比至多达50%(体积)，那么，似乎就能在各种不同的情况下保证含填充材料的熔融陶瓷的良好迁移。如果填充比例较高，则会阻碍熔融陶瓷与填充材料的分层。
从德国专利公开说明书2，032，277号了解到，可以用某些材料作为熔融陶瓷的添加物。因此，这涉及添加物的使用须溶介于熔融陶瓷中。一方面，从所述的专利公开说明书中得不到确定所需添加物数量的规则或说明。另一方面，事实上，使用了这些添加物，可得到一种新的熔融陶瓷，它具有独特的结晶、抗金属蒸汽和粘附性能。
按本发明，最理想的是，复合坯体中的填充材料由下列一种或多种金属氧化物组成氧化铝、氧化锆、氧化铪、氧化钍、氧化铀。
这些金属氧化物具有较宽范围的填充百分比，没有或基本上没有被溶解于熔融陶瓷的倾向。此外，这些作为填充材料(金属氧化物)的加入，仅仅引起熔融陶瓷软化温度稍微上升。
更准确地说，最佳的复合坯体，其中的填充材料是由HfO2组成，其量X满足关系式20%(体积)≤X≤40%(体积)。已发现，含20%到40%(体积)HfO2(作为填充材料)的熔融陶瓷通常会在复合坯体部分之间产生最佳的结合。
参考附图，更详细地介绍本发明复合坯体的实施例。
附图显示某一种高压钠灯的一个端部。这种灯是可以了解到的，例如参阅美国书3，716，743号，所以这里不作进一步的说明。所显示的钠灯的端部是一个复合坯体，包括由致密烧结的氧化铝(PCA)制成的灯管1和圆盘2组成的第一部分。由空心铌质套管3组成的第二部分气密地熔接入圆盘2。由带有钨螺旋线的钨销钉组成的电极4通过钛钎料固定于套管3。按本发明，套管3通过熔融陶瓷气密地连接到圆盘2和灯管1。
实施例大量的高压钠灯放电容器中，属于附图所示类型，其铌质套管与PCA圆盘之间的气密结合，是通过采用一种具有填充材料的熔融陶瓷而实现的。为了作出令人满意的比较，采用了相等尺寸的放电容器。最重要的尺寸为灯管1内径 5.1毫米圆盘2内径 2.08毫米套管3外径 2毫米圆盘2高度 3毫米由于采用了熔融陶瓷而取得第一组的结合。该熔融陶瓷除了具有填充材料外，还包含氧化铝以及主要的碱土金属氧化物，即按组成以摩尔%表示如下Al2O332.9MgO 10.3CaO 50.8BaO 4.2B2O31.8按以下所述，可获得熔融陶瓷将上述组成的氧化物(每种氧化物的纯度至少为99.9%)的混合物置于高频电炉中熔化成一种玻璃状的物质，或熔化成具有微小晶粒的玻璃状物质。冷却后，将这种物质粉碎，然后，将一种呈晶粒形式的填充材料加到由此得到的粉末中。精心混合后，通过压制形成熔融陶瓷环。由此形成的熔融陶瓷证实含少量的水分(0.04摩尔%至0.12摩尔%不等)。
表Ⅰ显示了若干实施例的编号及其所采用的填充材料的种类及数量。此外，还指出了熔接过程中的最高温度Tmax。所加入的填充材料晶粒，约85%小于10微米，而Al2O3的比表面积为25m2/cm3，HfO2的比表面积为58m2/cm3，ZrO2的比表面积为39m2/cm3。
表Ⅰ编号 填充材料 填充材料数量0%(体积) 最高温度(℃)1 Al2O330 15002 Al2O340 15003 ZrO220 14504 ZrO230 15005 ZrO240 15006 HfO220 14007 HfO230 14508 HfO240 1550在按下述方式进行的熔接过程中，可获得结合物。首先，将所要互连的部分接到理想的位置，并在连接面配以经过选择的熔融陶瓷。将组合件置于炉中加热，温度由室温至最高温度Tmax(一般为1250℃至1550°)，速率大约为10℃/秒，并在最高温度时至多保持150秒。然后，以至少为10℃/秒的速率，冷却至约1100℃。温度在1100℃时至少保持110秒钟，至多保持250秒钟。随后，以5℃/秒的速率，冷却至室温。
第二组的实施例是通过以氧化铝、碱土金属氧化物和稀土金属氧化物为主要成分的熔融陶瓷而获得。起始陶瓷的组成(摩尔%)为Al2O335.8CaO 55.4SrO 7.0Y2O31.8按第一组实施例说明的方法，可得到含填充材料的熔融陶瓷。表Ⅱ显示了在第二组实施例的熔接过程中所用的填充材料、最高温度Tmax的有关数据。填充材料Al2O3、HfO2以及ZrO2与第一组实施例中所使用的种类相同。此外，将ThO2用作填充材料，其84%的晶粒小于5微米，而比表面积为28m2/cm3。
表Ⅱ编号 填充材料 填充材料数量%(体积) 最高温度(℃)9 Al2O320 145010 Al2O330 150011 ZrO230 155012 HfO220 155013 HfO230 160014 HfO240 160015 HfO250 167516 ThO220 150017 ThO230 155018 ThO240 1650熔接过程与第一组实施例的熔接过程相似，但这次最高温度范围扩大到约1700℃。
作为第三组的实施例，通过熔融陶瓷形成放电容器，该熔融陶瓷除了含填充材料外，还包含氧化铝和稀土金属氧化物，各组分(摩尔%)如下Al2O365.0Sc2O319.25Y2O35.25La2O310.5制备这种含填充材料的熔融陶瓷，其方法同第一组实施例中所采用的方法相似。第三组的实施例的熔接过程与第一组实施例的熔接过程也相似。最高温度Tmax范围为1650℃至1750℃。表Ⅲ显示了第3组实施例的填充材料和最高温度的有关数据。
填充材料Al2O3、HfO2和ZrO2与第一和第二组实施例中所使用的相同。此外采用了填充材料UO2，其84%的晶粒小于4微米，而比表面积为35m2/cm3。
表Ⅲ编号 填充材料 填充材料数量%(体积) 最高温度(℃)19 Al2O330 165020 Al2O330 167521 Al2O340 170022 ZrO220 165023 ZrO230 167524 ZrO240 170025 HfO220 165026 HfO230 167527 HfO240 172528 UO220 167529 UO230 170030 UO240 1750所获得的放电容器铌质套管与圆盘间达到了良好的气密结合，而熔融陶瓷呈细结晶态，具有精细分离的填充材料晶粒。在大多数情况下，用熔融陶瓷充分填充PCA圆盘和铌质套管间的间隙形空隙，显示了熔融陶瓷的良好迁移性质。
在实施例中，未发现β铝酸盐晶体结构。
在用熔融陶瓷对放电容器所作的熔接过程中，发现表中编号为5、8、15、17和18的有关熔融陶瓷的粘度增加。这样，在有些情况下，就导致PCA圆盘和铌质套管间空隙只有部分的填充。然而，触变效应，例如分层则未发现。
权利要求
1.一种复合坯体，它包括第一部分陶瓷材料通过熔融陶瓷和第二部分金属材料、陶瓷材料或金属与陶瓷的混合材料相结合，所述的熔融陶瓷除了包含Al2O3外，或者还包含一种或多种碱土金属氧化物，或者还包含一种或多种稀土金属氧化物，或者还包含上述两种氧化物的组合物，其特征在于熔融陶瓷含有填充材料，该材材遍布于熔融陶瓷体积中，占熔融陶瓷的体积至少为20%，至多为50%。
2.按照权利要求
1的复合坯体，其特征在于填充材料由下列一种或多种金属氧化物组成氧化铝、氧化锆、氧化铪、氧化钍、氧化铀。
3.按照权利要求
1或2的复合坯体，其特征在于填充材料由HfO2组成，其量X满足关系式20%(体积)≤X≤40%(体积)。
专利摘要
本发明涉及一种复合坯体，它包括第一部分陶瓷材料通过熔融陶瓷和第二部分金属材料、陶瓷材料或金属和陶瓷的混合材料相结合。所述的熔融陶瓷除了含Al
文档编号B23K20/00GK87101811SQ87101811
公开日1987年9月23日 申请日期1987年3月7日
发明者乔里斯·简·乌门, 简·威廉·鲁文达尔 申请人:菲利浦光灯制造公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan