当陶瓷材料由于其用途决定而必须与金属进入积极连接，从而分隔电势，例如通过粘合或焊接时，当陶瓷材料受热时，由于金属和陶瓷的热膨胀系数不同会产生应力。因为金属膨胀通常大于陶瓷，所以陶瓷会破裂或者甚至脱落。电势平衡超过了陶瓷缺陷的后果是陶瓷涂层破裂或剥落而导致短路。因此根据本发明专利技术，建议将一部分至少一种具有明显较低热膨胀系数的其它陶瓷材料加入到具有高热膨胀系数的基底陶瓷材料内，其加入量能够让由该组合物获得的该材料的热膨胀系数与金属材料的热膨胀系数相同，从而使得所述所得材料能够与该金属材料以积极方式连接。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有与金属材料预定的热膨胀系数匹配的组合物的陶瓷材料 本专利技术涉及一种具有由与其紧密(stoffschlilssig)连接的金属材料预定的热膨 胀系数匹配以使热膨胀系数相一致的组合物的非导电性陶瓷材料，和其制备方法。 使用非导电性陶瓷材料，是由于其抗电电阻高，其可大于15kV/mm，用来分隔电势。 当使用上要求分隔电势时，陶瓷材料必须与金属形成紧密连接，例如通过粘合或焊接，因为 当受热时，由于金属和陶瓷的热膨胀系数不同而会产生应力。例如，氧化铝的热膨胀系数是 7 *10—6/K，而氧化锆的热膨胀系数是10 *10—6/K。钢的热膨胀系数，取决于其合金构成，是在 9和14 10—6/K之间，例如常规的碳钢的热膨胀系数是13 10—6/K，液态钢的热膨胀系数是 12* 10—6/K。陶瓷和金属的连接通常可以通过粘合或焊接方式来实现，例如采用玻璃焊接。 但粘合或焊接无法补偿受热时金属和陶瓷间出现的应力。因为金属膨胀通常大于陶瓷，所 以陶瓷会破裂或者甚至脱落。如果金属上的陶瓷层是由于破裂或剥落而受损，那么就会由 于电势平衡超过陶瓷中的缺陷而短路。 理论上，可以通过适当的合金组合物来使金属的热膨胀系数与要固定在该金属上 的陶瓷材料的热膨胀系数相互匹配。但用途和由此决定的功能或化学要求通常不允许改变 金属的材料组成，如高温燃料电池就是这样。陶瓷材料在其抗电电阻、其密度、多孔性和耐 化学和机械作用方面的特性都同样必须得以保持。 专利DE 195 38 034C1公开了一种高温燃料电池，含有至少一层电绝缘层，其通 过火焰喷射而涂布在钢上。给出了电绝缘特性良好，但金属上的粘合性差的陶瓷材料，以及 在金属上的粘合性好，但电绝缘特性不能满足要求的其它材料。由于该原因，如该专利所 述，首先喷施一层具有良好粘合性的氧化锆层，然后喷一层具有良好电绝缘特性的高纯度 氧化铝层。不过，在氧化锆和金属之间还需要一层增粘剂层。为了改善上述特性，以交替顺 序多次喷施所述层，且将孔用另外的涂层来封闭。这种制备方法价格昂贵。 因此，本专利技术的目的是发现一种陶瓷材料，其热膨胀系数和与其紧密连接的金属 材料的热膨胀系数匹配。 该目的可以利用权利要求1所要求保护的陶瓷材料，和利用权利要求15的制备这 种材料的方法来达到。本专利技术有利的实施方案在从属权利要求中要求保护。 本专利技术陶瓷材料的基底材料的一个实例是氧化镁(Mg0)。纯氧化镁的热膨胀系数 是在20-80(TC范围内为14*10—6/K。通过有目的的添加氧化锆(Zr02)或氧化铝(A1203)或 其混合物，或者通过添加MgAl2(V可以分别组合成其热膨胀系数与金属材料如钢的热膨胀 系数相匹配的材料。当在预定温度范围内热负载时，本专利技术材料的特性，如热传导性，热膨 胀系数，弯曲强度或密度基本不可改变，如由于突然形成新相。尤其是不可出现渗漏性，即 连续的孔。 由于材料决定的杂质，尤其是CaO或Si(^，或通过有目的地添加它们至最多3重 量^，会使新材料的烧结温度相对于纯MgO的降低至1400°C -1550°C。 通过每种杂质或有目的地添加氧化材料至纯MgO，也会使MgO的热膨胀系数每掺 杂1重量％降低最多0. 25 10—6/K。 这里给出这样的陶瓷材料，当其加至MgO时，MgO的热膨胀系数相比于其它材料明 显更快地降低。例如如果将A1203加至Mg0，Mg0的热膨胀系数相比于加入相同量的Zr02时 明显更快地降低。下表对比较进行了说明。数据分别是以重量^表示的Z鳴和A1A量，该 量是以百分比补足到100重量X而加至MgO，从而获得各自的热膨胀系数。该表中已经考虑 了使MgO的热膨胀系数降低的、生产引起的杂质，使得假定100重量X的MgO的实际热膨胀 系数是13. 8 10—7K，并且由此开始降低。当加入最多10重量％的Zr02或者最多2. 5%的 A1203时，会在添加和各自的MgO热膨胀系数降低之间产生大体的线性关系。加入1重量％ 的A1203会使MgO的热膨胀系数降低0. 2 10—6/K。此时MgO是否由于生产已经污染了约1 重量％的八1203并不重要。因为氧化锆的纯度非常高，约99.9%，因此可以忽略其污染物。 表<table>table see original document page 6</column></row><table> 通过给定添加量的21<)2和八1203的组合可以分别获得一条曲线，根据该曲线就可 以确定添加量的中间值。 从表中可以看出，先加入八1203后会使1%0的热膨胀系数发生粗略改变，为了更精 细调节加入Zr(^。利用实施例进行更详细地说明 给定钢的热膨胀系数是13. 3 10—6/K。本专利技术陶瓷材料的热膨胀系数调节至以下 值 a)当90重量％的MgO时，加入比例10重量％的Zr02， b)当97. 5重量X的MgO时，加入比例2. 5重量％的八1203， c)当93. 75重量X的MgO时，加入比例1. 25重量％的八1203和比例5重量％的 Zr02。 下面，借助实施例来描述本专利技术材料的制备。例如由所述材料来制备薄板，优选其 厚度低于lmm。在此优选使用颗粒大小d50 < 10 y m的精细粉末，而对于Zr02优选是颗粒 大小d50 < 1 i！ m的单斜精细粉末。利用箔铸造法来浇铸生坯，但也可以通过干燥压制法进 行。 生坯在温度150(TC至160(TC的气体炉或电热炉内，放置在例如由烧结氧化镁制 的非活性燃烧板上，烧结成理论密度> 95%。在使用Zr02时形成含有引入的Zr02的烧结氧化镁_材料，或者在使用A1203时含有一定比例的MgAl204，从而与金属材料的热膨胀系数 相匹配。 由这些材料制备的陶瓷箔片例如通过在两种金属伴侣(Partner)间进行玻璃焊 接来进行粘合。将由两个O. 4mm厚的钢板粘合的陶瓷板组成的复合材料在空气中和在高至 90(TC的还原气氛中反复加热。从而在所述金属伴侣之间得到最高5V的电势差。这种复合 材料在温度变化范围在-20°C至900°C间时是机械稳定的。 借助与预定的热膨胀系数匹配的材料组合物的点a) ，b)和c)列举的实施例，对烧结陶瓷体的制备进行详细说明 实施例a): 由4500g MgO，作为基底材料，其含有生产决定的常规杂质，其颗粒大小d50 = 10 ii m，电熔融的，和500g单斜晶系Zr02，其颗粒大小d50 = 0. 5 y m，制成陶瓷浆。因此，重 量比是90% MgO(包括杂质)比10%Zr02。 MgO包含作为杂质的0. 3重量％的CaO，0. 4重 量％的Si02，0. 5重量％的A1203和0. 1重量％的其它氧化物，如Fe203和B203。 920g 二甲苯和3050g 丁醇的混合物用作溶剂，800g PVB用作粘合剂，270g酞酸酯 用作增塑剂，和50g鱼油用作分散剂。该浆料利用Doctor-Blade-法制成箔片，其干燥后显 示厚度为0. 3mm。 由该箔片冲压成200mmx200mm的板，并在氧化气氛下，在温度155(TC下烧结，其中 它们位于非活性的燃烧基底上。本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种含有由与其紧密连接的金属材料预定的热膨胀系数匹配以使热膨胀系数相一致的组合物的非导电性陶瓷材料，其特征在于，将一部分至少一种具有较低热膨胀系数的其它陶瓷材料加入到具有高热膨胀系数的陶瓷基底材料内，其加入量使得由该组合物制得的材料的热膨胀系数与金属材料的热膨胀系数相一致。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：A蒂姆，J鲁斯卡，J厄恩斯特，S斯托尔茨，
申请(专利权)人：陶瓷技术股份公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]
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