複合坯體的製作方法

2023-05-10 08:32:06

專利名稱:複合坯體的製作方法
本發明涉及一種陶瓷複合坯體。這種複合坯體包括第一部分陶瓷材料通過熔融陶瓷和第二部分金屬材料、陶瓷材料或金屬和陶瓷的混合材料相結合。熔融陶瓷除了含氧化鋁外，或者還包含一種或多種鹼土金屬氧化物，或者還包含一種或多種稀土金屬氧化物，或者還包含上述兩種氧化物的組合物。
本說明書和權利要求
書中所用的術語「陶瓷材料」可理解為一種至少含氧化鋁的結晶氧化材料。例如，這種材料可能是單晶藍寶石。另一種可能性是(這種材料為)緻密燒結的多晶氧化鋁或鋁酸釔石榴石。
這些適於作高壓放電燈放電容器壁材的材料，可在溫度3000℃時長時間地加熱，且在此溫度時具有很高的抗鹼土金屬和滷化物侵蝕的能力。在1300℃以上長時間地加熱，一般會引起有關材料的大量蒸發。而在1750℃至1800℃短時間地加熱不產生不利的後果。然而，當加熱超過1750℃至1800℃時，即使時間很短，大部分會產生上述蒸發現象，甚至於造成自發的破裂。
這裡所指的「稀土金屬氧化物」包括下列氧化物Sc2O3、Y2O3、La2O3、Ce2O3、Pr2O3、Nd2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Tb2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3、Tm2O3、Yb2O3、Lu2O3。
本說明書和權利要求
書中所說的熔融陶瓷是指結合材料。這種結合材料比複合坯體部分具有更低軟化溫度，它存在於玻璃相、結晶相以及玻璃和結晶的組合相中。
從歐洲專利申請0060582A1(PHN9968EU)可以了解本說明書第一段所述類型的複合坯體。這種複合坯體可以是一種具有放電容器的高壓放電燈，其中放電容器的壁材為陶瓷材料，電流引入線元件通過該放電容器壁，藉助於熔融陶瓷以氣密方式與壁連接。常用的高壓放電燈為高壓鈉燈和高壓金屬滷化物燈。就這兩種類型的燈而言，在工作狀態下，放電容器要經受高溫，並且有部分放電容器的填料電離。因此，用於這類放電燈的熔融陶瓷，在高溫下，應能抵抗鈉和金屬滷化物的侵蝕。
通過採用已知的熔融陶瓷，可達到氣密的結合，產生較高的抗鈉和抗滷化物侵蝕的能力。一般來說，通過細結晶的熔融陶瓷，就可達到氣密的結合。應該注意到，互連部分的熱膨脹係數是各不相同的，因此，在熔融陶瓷中會產生應力。就細結晶熔融陶瓷而言，其產生破裂的可能性小於粗結晶熔融陶瓷。這裡所用的術語「粗結晶」可理解為80%的晶粒尺寸為10微米或10微米以上。當熔融陶瓷80%的晶粒尺寸在1至5微米之間時，可認為這種熔融陶瓷是細結晶的。
細結晶熔融陶瓷的另一優點在於在結晶過程中，出現夾雜物及顯微裂縫的可能性大大地小於粗結晶熔融陶瓷(在結晶過程中的情形)。
已發現，儘管已知熔融陶瓷大部分是細結晶的，然而，在一定的情況下，它仍然會產生大的晶粒(＞20微米)，而且還包含氣泡形的孔穴。這種氣泡形的孔穴是由於加工熔融陶瓷過程中的氣體脫附作用所致。實際上，大晶粒總是伴隨微孔穴而產生的。微孔穴和氣泡對熔融陶瓷的強度和抗侵蝕能力是不利的。
在實際中，出現的另一個問題是，在熔接過程中會形成β鋁酸鹽晶體結構。已發現，在熔接過程中，當溫度在最高範圍內的較高值時，形成β鋁酸鹽晶體結構的可能性就大大增加。
β鋁酸鹽晶體結構非常容易受到侵蝕，尤其是受鈉的侵蝕。因此，如果將具有鈉或滷化鈉填充組成物的熔融陶瓷用於放電燈，是很不理想的。
本發明的目的是在於提供一種方法，通過這種方法，可使複合坯體各部分之間的結合基本上既不含大的晶粒、也不含β鋁酸鹽晶體結構，而保留熔融陶瓷的良好性質。
為此，根據本發明第一段中所述的那種複合坯體，其特徵在於熔融陶瓷含有填充材料，這種填充材料遍布於熔融陶瓷的體積中，佔熔融陶瓷的體積至少為20%，至多為50%。
本說明書和權利要求
書中所用的術語「填充材料」可理解為熔融陶瓷的組成部分，它作為隔離相存在於熔融陶瓷的剩餘相之間。填充材料最好能充分均勻地遍布於熔融陶瓷體積中。填充材料的平均粒徑，可根據熔融陶瓷所存在間隙的大小在一個稍為寬的範圍內來選擇。所選擇的填充材料的粒徑最好能保證在間隙尺寸為10至100微米之間時，至少有80%的粒徑小於10微米。另外，所選擇的粒徑的分布應能保證填充材料的比表面積小於60m2/cm3(按理論密度計)。
已發現，具有填充材料的陶瓷材料完全可以避免大晶粒的出現。令人驚奇的是同時也避免了氣泡形的孔穴產生。另一優點是可使軟化溫度保持在1750℃以下。此外，產生β鋁酸鹽晶體結構的可能性似乎也大大降低。
已發現，填充材料含量小於20%(體積)時，不能令人滿意地抵制因氣體脫附作用而導致的氣泡和微孔穴的形成。在這些條件下，產生β鋁酸鹽晶體結構的可能性基本上保持不變。
填充材料還會影響熔融陶瓷的粘度，並因此影響熔融陶瓷在複合坯體兩部分之間所要填充的間隙中的遷移。如果填允材料所佔的百分比至多達50%(體積)，那麼，似乎就能在各種不同的情況下保證含填充材料的熔融陶瓷的良好遷移。如果填充比例較高，則會阻礙熔融陶瓷與填充材料的分層。
從德國專利公開說明書2，032，277號了解到，可以用某些材料作為熔融陶瓷的添加物。因此，這涉及添加物的使用須溶介於熔融陶瓷中。一方面，從所述的專利公開說明書中得不到確定所需添加物數量的規則或說明。另一方面，事實上，使用了這些添加物，可得到一種新的熔融陶瓷，它具有獨特的結晶、抗金屬蒸汽和粘附性能。
按本發明，最理想的是，複合坯體中的填充材料由下列一種或多種金屬氧化物組成氧化鋁、氧化鋯、氧化鉿、氧化釷、氧化鈾。
這些金屬氧化物具有較寬範圍的填充百分比，沒有或基本上沒有被溶解於熔融陶瓷的傾向。此外，這些作為填充材料(金屬氧化物)的加入，僅僅引起熔融陶瓷軟化溫度稍微上升。
更準確地說，最佳的複合坯體，其中的填充材料是由HfO2組成，其量X滿足關係式20%(體積)≤X≤40%(體積)。已發現，含20%到40%(體積)HfO2(作為填充材料)的熔融陶瓷通常會在複合坯體部分之間產生最佳的結合。
參考附圖，更詳細地介紹本發明複合坯體的實施例。
附圖顯示某一種高壓鈉燈的一個端部。這種燈是可以了解到的，例如參閱美國書3，716，743號，所以這裡不作進一步的說明。所顯示的鈉燈的端部是一個複合坯體，包括由緻密燒結的氧化鋁(PCA)製成的燈管1和圓盤2組成的第一部分。由空心鈮質套管3組成的第二部分氣密地熔接入圓盤2。由帶有鎢螺旋線的鎢銷釘組成的電極4通過鈦釺料固定於套管3。按本發明，套管3通過熔融陶瓷氣密地連接到圓盤2和燈管1。
實施例大量的高壓鈉燈放電容器中，屬於附圖所示類型，其鈮質套管與PCA圓盤之間的氣密結合，是通過採用一種具有填充材料的熔融陶瓷而實現的。為了作出令人滿意的比較，採用了相等尺寸的放電容器。最重要的尺寸為燈管1內徑 5.1毫米圓盤2內徑 2.08毫米套管3外徑 2毫米圓盤2高度 3毫米由於採用了熔融陶瓷而取得第一組的結合。該熔融陶瓷除了具有填充材料外，還包含氧化鋁以及主要的鹼土金屬氧化物，即按組成以摩爾%表示如下Al2O332.9MgO 10.3CaO 50.8BaO 4.2B2O31.8按以下所述，可獲得熔融陶瓷將上述組成的氧化物(每種氧化物的純度至少為99.9%)的混合物置於高頻電爐中熔化成一種玻璃狀的物質，或熔化成具有微小晶粒的玻璃狀物質。冷卻後，將這種物質粉碎，然後，將一種呈晶粒形式的填充材料加到由此得到的粉末中。精心混合後，通過壓制形成熔融陶瓷環。由此形成的熔融陶瓷證實含少量的水分(0.04摩爾%至0.12摩爾%不等)。
表Ⅰ顯示了若干實施例的編號及其所採用的填充材料的種類及數量。此外，還指出了熔接過程中的最高溫度Tmax。所加入的填充材料晶粒，約85%小於10微米，而Al2O3的比表面積為25m2/cm3，HfO2的比表面積為58m2/cm3，ZrO2的比表面積為39m2/cm3。
表Ⅰ編號 填充材料 填充材料數量0%(體積) 最高溫度(℃)1 Al2O330 15002 Al2O340 15003 ZrO220 14504 ZrO230 15005 ZrO240 15006 HfO220 14007 HfO230 14508 HfO240 1550在按下述方式進行的熔接過程中，可獲得結合物。首先，將所要互連的部分接到理想的位置，並在連接面配以經過選擇的熔融陶瓷。將組合件置於爐中加熱，溫度由室溫至最高溫度Tmax(一般為1250℃至1550°)，速率大約為10℃/秒，並在最高溫度時至多保持150秒。然後，以至少為10℃/秒的速率，冷卻至約1100℃。溫度在1100℃時至少保持110秒鐘，至多保持250秒鐘。隨後，以5℃/秒的速率，冷卻至室溫。
第二組的實施例是通過以氧化鋁、鹼土金屬氧化物和稀土金屬氧化物為主要成分的熔融陶瓷而獲得。起始陶瓷的組成(摩爾%)為Al2O335.8CaO 55.4SrO 7.0Y2O31.8按第一組實施例說明的方法，可得到含填充材料的熔融陶瓷。表Ⅱ顯示了在第二組實施例的熔接過程中所用的填充材料、最高溫度Tmax的有關數據。填充材料Al2O3、HfO2以及ZrO2與第一組實施例中所使用的種類相同。此外，將ThO2用作填充材料，其84%的晶粒小於5微米，而比表面積為28m2/cm3。
表Ⅱ編號 填充材料 填充材料數量%(體積) 最高溫度(℃)9 Al2O320 145010 Al2O330 150011 ZrO230 155012 HfO220 155013 HfO230 160014 HfO240 160015 HfO250 167516 ThO220 150017 ThO230 155018 ThO240 1650熔接過程與第一組實施例的熔接過程相似，但這次最高溫度範圍擴大到約1700℃。
作為第三組的實施例，通過熔融陶瓷形成放電容器，該熔融陶瓷除了含填充材料外，還包含氧化鋁和稀土金屬氧化物，各組分(摩爾%)如下Al2O365.0Sc2O319.25Y2O35.25La2O310.5製備這種含填充材料的熔融陶瓷，其方法同第一組實施例中所採用的方法相似。第三組的實施例的熔接過程與第一組實施例的熔接過程也相似。最高溫度Tmax範圍為1650℃至1750℃。表Ⅲ顯示了第3組實施例的填充材料和最高溫度的有關數據。
填充材料Al2O3、HfO2和ZrO2與第一和第二組實施例中所使用的相同。此外採用了填充材料UO2，其84%的晶粒小於4微米，而比表面積為35m2/cm3。
表Ⅲ編號 填充材料 填充材料數量%(體積) 最高溫度(℃)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所獲得的放電容器鈮質套管與圓盤間達到了良好的氣密結合，而熔融陶瓷呈細結晶態，具有精細分離的填充材料晶粒。在大多數情況下，用熔融陶瓷充分填充PCA圓盤和鈮質套管間的間隙形空隙，顯示了熔融陶瓷的良好遷移性質。
在實施例中，未發現β鋁酸鹽晶體結構。
在用熔融陶瓷對放電容器所作的熔接過程中，發現表中編號為5、8、15、17和18的有關熔融陶瓷的粘度增加。這樣，在有些情況下，就導致PCA圓盤和鈮質套管間空隙只有部分的填充。然而，觸變效應，例如分層則未發現。
權利要求
1.一種複合坯體，它包括第一部分陶瓷材料通過熔融陶瓷和第二部分金屬材料、陶瓷材料或金屬與陶瓷的混合材料相結合，所述的熔融陶瓷除了包含Al2O3外，或者還包含一種或多種鹼土金屬氧化物，或者還包含一種或多種稀土金屬氧化物，或者還包含上述兩種氧化物的組合物，其特徵在於熔融陶瓷含有填充材料，該材材遍布於熔融陶瓷體積中，佔熔融陶瓷的體積至少為20%，至多為50%。
2.按照權利要求
1的複合坯體，其特徵在於填充材料由下列一種或多種金屬氧化物組成氧化鋁、氧化鋯、氧化鉿、氧化釷、氧化鈾。
3.按照權利要求
1或2的複合坯體，其特徵在於填充材料由HfO2組成，其量X滿足關係式20%(體積)≤X≤40%(體積)。
專利摘要
本發明涉及一種複合坯體，它包括第一部分陶瓷材料通過熔融陶瓷和第二部分金屬材料、陶瓷材料或金屬和陶瓷的混合材料相結合。所述的熔融陶瓷除了含Al
文檔編號B23K20/00GK87101811SQ87101811
公開日1987年9月23日 申請日期1987年3月7日
發明者喬裡斯·簡·烏門, 簡·威廉·魯文達爾 申請人:菲利浦光燈製造公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan