BRPI0720934A2

BRPI0720934A2 - Isolante de vela de ignição, material cerâmico, e, cerâmica.

Info

Publication number: BRPI0720934A2
Application number: BRPI0720934-7A
Authority: BR
Inventors: William John Walker; John William Hoffman
Original assignee: Federal Mogul Corp
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2007-11-07
Publication date: 2014-03-11
Also published as: US8012898B2; US20110177932A1; CN101616878A; EP2104653A4; US20070123412A1; JP5187643B2; EP2104653B1; JP2010513217A; EP2104653A1; WO2008079532A1; KR20090101253A; EP2518036A1; US7858547B2

Description

“ISOLANTE DE VELA DE IGNIÇÃO, MATERIAL CERÂMICO, E, CERÂMICA”

Este pedido é uma continuação em parte do pedido de patente U.S. número de série 10/984.135, depositado em 9 de novembro de 2004, que reivindica prioridade para o pedido de patente provisório U.S. número de série 60/519.395, depositado em 12 de novembro de 2003, cada um dos quais está por meio desta incorporados na sua íntegra pela referência. FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

1. Campo Técnico

A presente invenção diz respeito no geral a materiais cerâmicos. Mais particularmente, ela diz respeito a materiais cerâmicos usados em isolamentos de velas de ignição.

2. Técnica Relacionada

Velas de ignição, vela de inflamação e outros tais dispositivos usados em motores de combustão interna são sujeitos a ambientes de altas temperaturas na região de cerca de 1.000°C. Em geral, uma vela de ignição é um dispositivo que estende-se até dentro de uma câmara de combustão de um motor de combustão interna e produz uma centelha para inflamar uma mistura combustível de ar e combustível nela. Especificamente, uma vela de ignição tipicamente inclui uma carcaça metálica cilíndrica com roscas externas que se aparafusam em uma parte do motor e tendo adicionalmente um eletrodo terra em forma de gancho anexado nela em uma extremidade de ignição da vela de ignição. Um isolante cilíndrico fica disposto parcialmente dentro da carcaça metálica, e estende-se axialmente além da carcaça metálica em direção à extremidade de ignição e também em direção a uma extremidade terminal. Um terminal condutor fica disposto dentro de um isolamento cilíndrico na extremidade terminal da vela de ignição oposta à extremidade de ignição. Na extremidade de ignição, um eletrodo central cilíndrico fica disposto dentro do isolante e projeta-se axialmente para fora do isolante em direção ao eletrodo terra, por meio do que uma folga da vela de ignição é definida entre os eletrodos.

Em operação, pulsos de tensão de ignição de até cerca de

40.000 volts são aplicados através da vela de ignição no eletrodo central, fazendo assim com que a centelha salte a folga entre os eletrodos central e 5 terra. A centelha inflama a mistura de ar e combustível dentro da câmara de combustão para criar combustão a alta temperatura para acionar o motor. Infelizmente, a alta tensão e o ambiente de alta temperatura dentro da câmara de combustão podem degradar componentes da vela de ignição. A medida que a vela de ignição se degrada, a força do pulso de ignição pode ser alterada, 10 degradando assim a qualidade da centelha. Degradação da vela de ignição pode ser causada por ruptura dielétrica do isolamento, que estabelece um caminho elétrico alternativo e conseqüentemente a centelha pode não saltar confiavelmente a folga entre os eletrodos de cento e terra. A qualidade da centelha afeta a ignição da mistura do ar e combustível (isto é, a eficiência de 15 combustão, temperatura de combustão, produtos de combustão) e assim, a saída de energia, desempenho da eficiência do combustível do motor, e as emissões produzidas pela combustão do ar e do combustível podem ser adversamente afetados. Por causa de uma crescente ênfase na regulamentação de emissões de veículos motorizados, os preços de combustível cada vez mais 20 altos e as modernas demandas de desempenho, é desejável manter uma centelha de alta qualidade para desempenho do motor e qualidade de emissão consistentes. A maior vida útil da vela de ignição, incluindo qualidade da centelha, é determinada por diversos fatores, incluindo a composição do material isolante cerâmico.

Os materiais isolantes cerâmicos usados para o isolante são

materiais dielétricos. A força dielétrica de um material é em geral definida como o campo elétrico máximo que pode ser aplicado no material sem causar sua falha de corrente ou ruptura elétrica. A força dielétrica de velas de ignição é geralmente medida em kilovolts por mil (kV/mil). Para um dado desenho de vela de ignição, as dimensões do isolante são fixas, e assim a força dielétrica é frequentemente expressa como uma tensão de ruptura em kV, em vez de kV/mil. Um valor típico de força dielétrica de vela de ignição para um desenho de vela de ignição padrão usado em muitas aplicações é da ordem de 5 cerca de 40 kV à temperatura ambiente. A força dielétrica de isolantes usados em velas de ignição é também função da temperatura. Altas temperaturas causam um aumento na mobilidade de certos íons, permitindo que a corrente fuja mais facilmente através da cerâmica. Qualquer fuga de corrente leva a aquecimento localizado, que gradualmente degrada a resistência do material à 10 ruptura dielétrica. Observou-se que a resistência de isolantes a ruptura dielétrica tende diminuir com a vida de uma vela de ignição por causa de tensão térmica na vela de ignição que cicla sob um campo elétrico aplicado e por causa da sua fadiga termoelétrica decorrente. A exata natureza das mudanças microestruturais e/ou composicionais não é completamente 15 entendida, mas acredita-se estar associada com aquecimento localizado a temperaturas suficientes para originar fusão parcial do material cerâmico.

Resistência de derivação é uma outra propriedade mensurável de cerâmicas, particularmente daquelas usadas em velas de ignição, e é uma medida da resistência elétrica do material que é geralmente medida em megaohms. Um valor 20 típico para resistência de derivação de vela de ignição é da ordem de 75 a 125 megaohms a uma temperatura operacional de cerca de 1.000 graus Fahrenheit (538°C). Resistência de derivação é tipicamente medida em uma vela de ignição como uma resistência elétrica do isolante cerâmico entre o eletrodo do centro e a carcaça metálica da vela de ignição. Portanto, resistência de derivação é indicativa 25 da quantidade de fuga de corrente através do isolamento cerâmico entre o elemento do centro e a carcaça ou alojamento metálico. Embora ruptura dielétrica tenda ser um evento repentino, resistência de derivação tende ser uma perda contínua parasita de energia elétrica. Certamente, quanto menor a resistência de derivação, tanto maior a probabilidade de falha dielétrica catastrófica depois da vela de ignição. Uma ruptura na força dielétrica e/ou resistência de derivação finalmente leva a uma vela de ignição como um caminho eletricamente paralelo entre o eletrodo de centro e o revestimento metálico, além do caminho através da folga da centelha entre o elemento de centro e o eletrodo terra. Derivação da vela de ignição é uma condição na qual um caminho condutivo paralelo indesejável é estabelecido entre o eletrodo de centro e o revestimento metálico, além do caminho através da folga da centelha entre o eletrodo de centro e o eletrodo terra. Entretanto, no caso de derivação causada pela resistência de derivação diminuída ou insuficiente, o efeito pode simplesmente degradar o desempenho da centelha. Este caminho adicional, ainda que muito pequeno, tem um efeito adverso na qualidade da centelha gerada pela vela de ignição. Embora o caminho elétrico paralelo seja geralmente atribuído à ruptura dielétrica, o efeito é geralmente catastrófico e, em muitos casos, reduz significativamente ou elimina completamente a centelha entre o elemento de centro e o eletrodo terra. Uma resistência de derivação diminuída ou insuficiente degrada o desempenho da vela de ignição e conseqüentemente o desempenho do motor, especialmente durante a vida útil da vela de ignição. Como declarado anteriormente, muitas vezes uma resistência de derivação degradada eventualmente causará uma falha catastrófica por causa de perda dielétrica.

A medida que os fabricantes têm continuamente aumentado a complexidade e reduzido o tamanho dos motores de combustão interna, são necessárias velas de ignição que têm um menor diâmetro. Também, à medida que os fabricantes têm continuamente aumentado a taxa de compressão do 25 motor, são necessárias maiores tensões para a centelha saltar a folga da centelha. Atualmente, o tamanho da vela de ignição é limitado pela redução adicional atribuída à força dielétrica exigida do isolamento durante a vida útil da vela, que é diretamente relacionada com a espessura exigida das paredes do isolante. Um outro fator que limita a redução do tamanho é que a maioria dos fabricantes está demandando uma maior vida útil para as velas de ignição, tal como exigindo vidas úteis de 100.000 milhas (160.000 quilômetros),

150.000 milhas (240.000 quilômetros) e 175.000 milhas (280.000 quilômetros) para as velas de ignição. Quanto maior a vida útil desejada, tanto 5 maior a força dielétrica exigida. Também, quanto maior a tensão exigida, tanto maior a força dielétrica exigida. Anteriormente ao aumento da vida útil ou força dielétrica de uma vela de ignição, as espessuras de parede do isolamento eram aumentadas. Entretanto, a demanda atual de velas de ignição mais compactas para motores modernos impede ou limita o uso de isolantes 10 com paredes mais finas. Portanto, à medida que os motores reduzem de tamanho e à medida que maiores vidas úteis e maiores tensões são necessárias em velas de ignição, é necessária uma vela de ignição com um isolante com uma maior força dielétrica e uma menor espessura de parede.

Portanto, seria desejável produzir uma vela de ignição usando 15 um material isolante cerâmico melhorado com alta resistência de derivação que é menos suscetível a uma ruptura na força dielétrica por períodos de tempo prolongados a altas tensões e altas temperaturas e, assim, menos suscetível a condições de derivação na vela de ignição, a fim de promover a geração de uma centelha de qualidade e um melhor desempenho do motor.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Os inconvenientes supramencionados das cerâmicas da técnica anterior são superados pela presente invenção, que fornece uma cerâmica, particularmente para uso como um isolante em um dispositivo de ignição, tal como uma vela de ignição. Um isolante como este tem melhores propriedades 25 de resistência de derivação e ruptura dielétrica, de maneira a reduzir a derivação da vela de ignição e melhorar assim a qualidade da centelha gerada pela vela de ignição, e melhor desempenho do motor.

Na presente invenção, a força dielétrica e resistência de derivação de um material cerâmico, tal como um isolante de vela de ignição, é melhorada pela adição tanto de óxido de fósforo (P2O5) ou óxido de boro (B2O3), quanto uma combinação de P2O5 e B2O3. As adições de P2O5, B2O3, ou uma combinação de P2O5 e B2O3, na cerâmica são feitas na fase vítrea da cerâmica. O P2O5 é geralmente adicionado até 20% em peso do vidro, e B2O3 é adicionado até 15% em peso do vidro. Mais especificamente, P2O5 é geralmente adicionado até 15% em peso e B2O3 é adicionado até 12% em peso. Quando combinados, P2O5 e B2O3 são adicionados até cerca de 27% em peso do vidro e, mais especificamente, cerca de 18% em peso do vidro. Observou-se que a força dielétrica aumenta até 5% e a resistência de derivação até 200% pela adição de P2O5, B2O3, ou tanto P2O5 quanto B2O3.

De acordo com um aspecto da presente invenção, a cerâmica inclui alumina em uma quantidade entre cerca de 90 e cerca de 99% em peso, um composto contendo zircônio em uma quantidade entre cerca de 0,01 e cerca de 1% em peso, e uma mistura de óxido em uma quantidade que varia entre cerca de 1 e cerca de 10% em peso. O composto contendo zircônio preferivelmente compreende óxido de zircônio (ZrO2). A mistura de óxidos inclui um vitrificador e um modificador de rede, em que a razão molar do vitrificador para o modificador de rede é em uma faixa entre cerca de 0,8:1 e 1,2:1. O vitrificador pode compreender SiO2. Os modificadores de rede podem compreender pelo menos um de MgO, CaO, SrO, BaO, Na2O, K2O e Li2O.

De acordo com um outro aspecto da presente invenção, é provida uma vela de ignição que inclui um eletrodo de centro, uma carcaça metálica e um isolante disposto entre o eletrodo de centro e a carcaça metálica. O isolante inclui entre cerca de 90 e 99% em peso de alumina, entre cerca de 0,01 e 1% em peso do composto contendo zircônio, e entre cerca de

1 e 10% em peso de mistura de óxidos. A mistura de óxidos inclui um formado de vidro e um modificador de rede, em que a razão molar do vitrificador para o modificador de rede varia entre cerca de 0,8:1 e 1,2:1. O vitrificador pode compreender SiO2. Os modificadores de rede podem compreender pelo menos um de MgO, CaO, SrO, BaO, Na2O, K2O e Li2O.

De acordo ainda com um outro aspecto da presente invenção, é provida uma vela de ignição incluindo uma carcaça metálica, um eletrodo de centro e um isolante disposto na carcaça metálica e tendo um furo central com um eletrodo de centro sendo disposto no furo central. O isolante inclui alumina e tem uma resistência de derivação maior que 1.000 megaohms a

1.000 graus Fahrenheit (538°C).

De acordo com um outro aspecto da presente invenção, é provido um material cerâmico, tal como um isolante de vela de ignição, com aproximadamente 90-99% em peso de alumina e um vidro incluindo óxido de fósforo de cerca de 0,05% em peso ou mais do material cerâmico.

De acordo com um outro aspecto, a presente invenção inclui um isolante para uma vela de ignição com aproximadamente 90-99% em peso de alumina e um vidro incluindo óxido de boro de cerca de 1,5% em peso ou mais de vidro.

De acordo com um outro aspecto da presente invenção, é provido um isolante para uma vela de ignição com aproximadamente 90-99% em peso de alumina e um vidro incluindo óxido de fósforo de cerca de 0,05% ou mais e óxido de boro de cerca de 1,5% em peso ou mais de vidro.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS

Esses e outros recursos e vantagens da presente invenção ficarão mais facilmente aparentes quando considerados com relação à descrição detalhada seguinte e desenhos anexos, em que designações iguais denotam elementos iguais, e em que:

A figura 1 mostra uma vista fragmentada parcial de uma vela

de ignição com um isolante cerâmico de acordo com a presente invenção;

A figura 2 é um gráfico dos efeitos principais dos valores de ruptura de pico dielétrico médio para diversas variáveis de composição de material da cerâmica da presente invenção; A figura 3 é um gráfico dos efeitos principais de valores de resistência de derivação médios para diversas variáveis de composição de material da cerâmica da presente invenção;

A figura 4 é um gráfico de desvio que mostra linhas de resistência de derivação fixa para duas variáveis de composição de material da mistura matriz na cerâmica da presente invenção;

A figura 5 é uma ilustração esquemática de um diagrama de equilíbrio de fases CaO-SiO2-MgO;

A figura 6 é uma ilustração parcial de um diagrama de IO equilíbrio de fases para CaO-SiO2-MgO, mostrando um desvio sobreposto de resistência de derivação;

A figura 7 é um gráfico de desvio da mistura de resistência de derivação do isolante a 1.000 0 Fahrenheit (538°C);

A figura 8 é um gráfico de desvio da mistura de força

dielétrica;

A figura 9 é um gráfico de desvio da mistura de sobrecarga da resistência de derivação força dielétrica;

A figura 10 é um gráfico de desvio da mistura de resistência de derivação a 1.000 0 Fahrenheit (538°C);

A figura 11 é um gráfico de desvio da mistura de força

dielétrica; e

A figura 12 é uma vista seccional de um isolante de vela de

ignição.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA MODALIDADE PREFERIDA A presente invenção diz respeito no geral a dispositivos de

ignição para aplicações a altas temperaturas, tais como velas de ignição, acendedores e outros dispositivos de geração de centelha. Com referência à figura 1, está mostrado um dispositivo de ignição compreendendo um conjunto de vela de ignição 10 para uso em um motor de combustão interna (não mostrado) que no geral inclui uma carcaça metálica 12, um isolante cerâmico 14, um conjunto de fio central 16 e um eletrodo terra 18. Como é normalmente conhecido na técnica, a carcaça 12 é um componente eletricamente condutor no geral cilíndrico com um furo oco 20 que estende-se 5 ao longo de seu comprimento axial. Dentro desse furo 20 fica uma série de ressaltos circunferenciais dimensionados para suportar seções diametralmente reduzidas do isolante 14. Como a carcaça 12, o isolante 14 é também um componente no geral cilíndrico com um furo axial alongado 22. A extremidade axial inferior do isolante 14 compreende uma parte de nariz 24 10 que no geral estende-se para fora ou além da parte mais inferior da carcaça

12. O furo axial do isolante 22 é projetado para receber o conjunto de fio central eletricamente condutor 16, que estende-se por todo o comprimento axial da vela de ignição 10 e no geral inclui um eletrodo terminal 30 em uma extremidade e um eletrodo central 32 na outra extremidade. Certamente, o 15 conjunto do fio central 16 mostrado aqui é simplesmente de uma modalidade típica, e poderia incluir componentes adicionais ou ter componentes omitidos. O eletrodo terra 18 é tanto mecânica quanto eletricamente conectado na extremidade axial inferior da carcaça 12 e é no geral formado em uma configuração em forma de L. A extremidade exposta do eletrodo central 32 e 20 uma superfície lateral do eletrodo terra 18 opõem-se uma à outra e definem assim uma folga da centelha 34 em uma extremidade de ignição 36 da vela de ignição 10.

Em operação, o eletrodo terminal 30 recebe um pulso de ignição de alta tensão de um sistema de ignição (não mostrado) que desloca 25 ao longo do conjunto do fio central 16 até que atinja a extremidade exposta inferior do eletrodo central 32. Se o pulso tiver energia suficiente para ligar a folga da centelha 34, uma centelha é formada entre o eletrodo central 32 e o eletrodo terra 18, que, por sua vez, é aterrado no motor por meio da carcaça 12. A vela inflama uma mistura combustível/ar que foi previamente injetada em uma câmara de combustão dentro do motor, que, por sua vez, inicia o processo de combustão usado para acionar o motor. A explanação apresentada foi provida como uma revisão geral da construção e operação do dispositivo de ignição. Detalhes adicionais a 5 respeito do isolante cerâmico 14 são providos de acordo com a presente invenção.

O isolante 14 da presente invenção é uma cerâmica a base de alumina. Em geral, cerâmicas a base de alumina compreendem partículas de Al2O3 cristalinas finas em uma matriz de mistura de 10 óxidos. A mistura de óxido é preferivelmente uma matriz vítrea no geral amorfa, tais como vários tipos de vidros de silicato, mas pode também incluir materiais cristalinos como parte da mistura de óxidos. Cerâmicas a base de alumina tendem ter resistência mecânica e força dielétrica relativamente altas, bem como alta resistividade elétrica e baixa perda 15 dielétrica, e são conhecidas por reter essas propriedades em uma faixa de temperatura relativamente ampla. Mas as propriedades de cerâmicas de alumina são degradadas por impurezas no material, fadiga térmica, alta tensão, altas temperaturas operacionais e similares. A patente U.S. 4.879.260 de Manning indica que a adição de zircônia a uma cerâmica a 20 base de alumina tende afetar positivamente a sua resistência mecânica, particularmente quando a zircônia compreende entre 0,5 e 1,0 porcento em peso da composição.

Um foco da presente invenção, entretanto, não é melhorar a resistência mecânica de uma cerâmica a base de alumina, mas, em vez disso, 25 prover um isolante cerâmico com melhor força dielétrica e resistência de derivação, de maneira tal que ela seja particularmente adaptada para uso em dispositivos de ignição. Com esta finalidade, foram conduzidos experimentos que envolveram variar as quantidades de alumina, os materiais e quantidades relacionadas que compreendem uma matriz de mistura de óxidos, e as quantidades de zircônia para obter cerâmicas a base de alumina com uma combinação de melhor força dielétrica e resistência de derivação, ou ambas. Descobriu-se que a quantidade de alumina é preferivelmente entre 90 e 99% em peso da composição da cerâmica. A matriz da mistura de óxidos é composta de um vitrificador, que é preferivelmente SiO2, mas pode também incluir B2O3, P2O5 e similares. A matriz de mistura de óxidos é também composta de um ou mais modificadores de rede, preferivelmente CaO, MgO, BaO e SrO, mas pode também incluir outros óxidos de metais alcalinos terrosos, ou óxidos de metais alcalinos, tais como Na2O, K2O, Li2O e similares. Os modificadores de rede podem também ser conhecidos como fluxantes. A matriz de óxido pode também ser composta de intermediários de rede, tal como Al2O3, mas pode também incluir outros intermediários de rede, tais como Ti02, ZnO, ZrO2 e similares. Uma vez que Al2O3 é um pouco solúvel na mistura de óxido, existirá um equilíbrio entre o constituinte Al2O3 primário na forma de cristais de Al2O3 e Al2O3 que é dissolvido na mistura de óxidos, onde ele age como um intermediário de rede. A quantidade de Al2O3 que é dissolvida na mistura de óxidos é muito difícil de medir analiticamente, mas, com base no diagrama de equilíbrio de fases, acredita-se que constituem até 40% em peso da mistura de óxido para composições na faixa da presente invenção. Descobriu-se que a adição de certos níveis relativamente pequenos de um composto a base de zircônio, tal como zircônia (ZrO2), tende reduzir a cristalização na matriz de óxido, bem como melhorar a resistência mecânica da cerâmica. A cristalização tende resultar em uma maior condutividade elétrica. Portanto, a adição da zircônia tende reduzir a condutividade elétrica da parte da matriz de mistura de óxidos da cerâmica.

Foram conduzidos experimentos para determinar o efeito da composição do material cerâmico no desempenho de isolantes de vela de ignição. As cerâmicas foram preparadas misturando alumina Alcan C-761 com quantidades apropriadas de materiais de matriz de mistura de óxidos precursores comercialmente disponíveis, tais como caulim EPK, carbonato de cálcio HuberCarb, magnesita, dolomita, wollastonita e talco Yellowstone, e com quantidades apropriadas de zircônia Zirox que forma óxidos mediante aquecimento. Os constituintes da mistura de pó usados para produzir 5 materiais isolantes cerâmicos da invenção foram processados em um moinho de bola em uma lama aquosa compreendendo cerca de 73 porcento em peso de sólidos ou cerca de 40 porcento em volume de sólidos. Lotes totalizando

5.000 gramas de pó foram preparados em moinho de bolas dos materiais, seguido por secagem por aspersão em um aspersor-secador de torre. O 10 granulado da aspersão foi então compactado por pressão isostática em saco seco a 8.500 psi (58,61 kPa) e composto na forma de isolante 14, e aquecido a temperaturas entre 1.590 e 1.630 graus Celsius por aproximadamente 3 horas a fim de sinterizar os isolantes de maneira tal que as partículas de alumina fossem interconectadas pela matriz de mistura de óxidos.

Os experimentos foram projetados para avaliar três diferentes

níveis de quatro variáveis de composição de material. A tabela 1 a seguir representa um sumário das variáveis usadas no experimento. As várias composições de materiais especificadas aqui têm o propósito de ilustrar e revelar a presente invenção, e não devem ser interpretadas como limitação do 20 seu escopo. Os experimentos foram conduzidos usando nove diferentes lotes de material que são identificados como lotes 03-B-17 a 03-B-25.

Tabela 1

Variável Descrição Níveis Valores dos níveis (material) Alumina Porcentagem em peso de alumina 3 94%, 95%, 96% Zircônia Porcentagem em peso de zircônia 3 0,0%, 0,15%, 0,30% CaO Fração molar CaO/(RO) 3 0,8, 0,9, 1,0 SiO2 Fração molar (SiO2Z(RO) 3 0,8, 1,0, 1,2 Os modificadores de rede podem ser identificados no geral pela designação RO, em que RO representa a quantidade total de modificador de rede presente na composição cerâmica. Na tabela I, RO = MgO + CaO. Em geral, RO é a soma de todos os modificadores de rede presentes. Se os modificadores de rede incluírem CaO, MgO, BaO e SrO, então RO = CaO + MgO + BaO + SrO.

As composições de material dos vários lotes estão reportadas em uma combinação de porcentagens em peso e quantidades 5 molares. A composição da matriz de óxido está reportada aqui em quantidades molares em virtude do grau de variação nos pesos atômicos dos modificadores de rede que podem ser usados na presente invenção. A razão de átomos na matriz de mistura de óxidos afeta bastante as suas propriedades elétricas. Uma vez que os pesos atômicos de cálcio, magnésio, bário e 10 estrôncio variam significativamente, eles não podem ser facilmente substituídos com base no peso para atingir as composições específicas dos modificadores de rede aqui discutidos. Assim, é preferível expressar os componentes da matriz de mistura de óxidos em termos de mols, em vez de peso.

Dessa maneira, a tabela 2A é uma matriz do experimento que

reporta os vários níveis do experimento e de composição usados para cada material em porcentagem em peso para alumina e zircônia, e na razão molar para modificadores de rede e vitrificadores preferidos. A tabela 2B, entretanto, reporta todos os materiais em porcentagem em peso. Similarmente, 20 a tabela 2C reporta em porcentagem em peso os materiais precursores por composição de lote.

Tabela 2a

ID Ordem da Ordem AI2O3 Zr02% MgO CaO SiO2 do lote corrida de DOE % em peso em peso mol mol 03 -B-24 8 1 94,00 0,00 0,20 0,80 0,80 03-B-19 3 2 95,00 0,15 0,10 0,90 0,80 03-B-17 1 3 96,00 0,30 0,00 1,00 0,80 03 -B-20 4 4 94,00 0,30 0,10 0,90 1,00 03 -B-23 7 5 95,00 0,00 0,00 1,00 1,00 03 -B-22 6 6 96,00 0,15 0,20 0,80 1,00 03 ---B-25 9 7 94,00 0,15 0,00 1,00 1,20 03 ---B-21 5 8 95,00 0,30 0,20 0,80 1,20 03-B-18 2 9 96,00 0,00 0,10 0,90 1,20 Mínimo 94,00 0,00 0,00 0,80 0,80 Máximo 96,00 0,30 0,20 1,00 1,20 Tabela 2B

ID Ordem da Ordem Al2O3 Zr02% MgO mol CaO SiO2 do lote corrida de DOE % em peso em peso mol 03 -B-24 8 1 94,00 0,00 0,48 2,67 2,86 03 -B-19 3 2 95,00 0,15 0,19 2,39 2,27 03 -B-17 1 3 96,00 0,30 0,00 1,99 1,71 03 -B-20 4 4 94,00 0,30 0,20 2,51 2,99 03 -B-23 7 5 95,00 0,00 0,00 2,41 2,59 03 ---B-22 6 6 96,00 0,15 0,27 1,53 2,05 03 -B-25 9 7 94,00 0,15 0,00 2,56 3,29 03-B-21 5 8 95,00 0,30 0,30 1,69 2,71 03-B-18 2 9 96,00 0,00 0,13 1,59 2,28 Mínimo 94,00 0,00 0,00 1,53 1,71 Máximo 96,00 0,30 0,48 2,67 3,29 Tabela 2C

ID Ordem da Ordem Talco Carbonato Caulim Alumina Zircônia do lote corrida de DOE Yellow de cálcio EPK Alcan ZIROX stone Huber-Carb C-761 03 -B-24 8 1 1,59, 4,91 4,50 89,00 0,00 03 -B-19 3 2 0,63 4,41 4,28 90,53 0,15 03-B-17 1 3 0,00 3,68 3,73 92,28 0,30 03 -B-20 4 4 0,67 4,68 5,86 88,49 0,30 03 -B-23 7 5 0,00 4,50 5,70 89,80 0,00 03 -B-22 6 6 0,92 2,83 3,49 92,62 0,15 03 -B-25 9 7 0,00 4,82 7,32 87,71 0,15 03 ---B-21 5 8 1,02 3,14 4,87 90,66 0,30 03 -B-18 2 9 0,43 2,97 4,56 92,05 0,00 Mínimo 0,00 2,83 3,49 87,71 0,00 Máximo 1,59 4,91 7,32 92,62 0,30 Isolantes 14 foram produzidos usando as composições de

materiais supradescrita. Os isolantes foram testados com relação à ruptura dielétrica. A fim de testar a resistência a ruptura dielétrica, os isolantes foram colocados em uma armação compreendendo um eletrodo central que atravessou o furo axial do isolante. Um eletrodo terra foi colocado em tomo da superfície exterior do isolante em um ponto onde a espessura do isolante foi cerca de 0,100 polegada (2,54 milímetros). A primeira armação e isolante foram imersos em um fluido dielétrico para impedir formação de arco da corrente elétrica em tomo do isolante. Um dispositivo de teste dielétrico Hipotronics foi usado para aplicar um campo elétrico de corrente alternada de 60 Hertz no isolante. A tensão foi aumentada a uma taxa de 200 volts por segundo até que ocorresse a ruptura dielétrica do isolante. A tensão de pico no momento da falha foi reportada como a tensão de ruptura dielétrica. Os resultados do teste estão apresentados na tabela 3 a seguir. Tabela 3

Tensão Kv Composição 03-B-17 03-B18 03-B19 03-B20 03-B21 03-B22 03-B23 03-B24 03-B25 Média 40,9 36,9 37,8 35,1 37,8 39,3 39,2 34,5 34,9 Desvio padrão 1,7 2,0 2,5 1,7 3,0 3,0 2,1 1,8 4,1 Mínimo 37,6 33,2 32,5 32,4 32,1 30,8 31,4 31,5 19,2 Máximo 45,1 43,0 45,2 39,0 47,9 44,3 43,8 39,9 39,0 Número de 60 58 28 26 44 38 60 51 30 corpos de prova O gráfico dos efeitos principais dos valores de ruptura

dielétrica médios está ilustrado na figura 2 em termos de Kilovolts. Como pode-se ver, o gráfico do teor de Al2O3 revela o aumento mais significativo na resistência a ruptura dielétrica em três níveis da variável Al2O3. Dessa maneira, acredita-se que a quantidade de alumina seja a variável com o efeito mais significativo na ruptura dielétrica. Em geral, maior teor de alumina na cerâmica tende resultar em maiores valores de ruptura dielétrica, e vice-versa. Em outras palavras, os dados revelam que aumentos na resistência à ruptura dielétrica da cerâmica são mais dependentes de aumentos na quantidade de alumina. Acredita-se que outras variáveis, tais como a razão SiO2IRO (RO sendo neste caso CaO+MgO), a razão CaO:RO e a quantidade de zircônia tenham um efeito na ruptura dielétrica igualmente significativo. Entretanto, uma vez que não foi observado nenhum máximo nem mínimo com relação ao efeito do teor de zircônia, o desempenho da ruptura aumentou com o aumento do teor de zircônia, e acredita-se que o teor de zircônia incluindo maiores teores de zircônia do que aqueles testados, possa prover um meio usual para melhorar o desempenho da ruptura dielétrica dessas cerâmicas. Acredita-se que um patamar de ruptura dielétrica superior a 41 kilovolts possa ser repetidamente atingido com as formulações de cerâmica da presente invenção.

Os isolantes foram também testados com relação à resistência de derivação a 1.000 graus Fahrenheit (538°C). A fim de medir a resistência de derivação, os isolantes foram montados em velas de ignição e os eletrodos terra foram removidos. As velas de ignição foram montadas em uma armação compreendendo uma chapa Inconel eletricamente aterrada com furos rosqueados para receber as carcaças das velas de ignição e a armação foi colocada em um forno elétrico. Eletrodos foram colocados nos terminais de cada vela de ignição, com condutores que passaram através da porta do forno. O forno foi aquecido a uma temperatura de 1.000 graus Fahrenheit (538°C) e 5 a resistência de cada vela de ignição foi medida entre a chapa de Inconel eletricamente aterrada e o condutor terminal usando um eletrômetro Keithley modelo número 6571A. Os resultados do teste de resistência de derivação estão mostrados a seguir na tabela 4 e reportados em megaohms.

Tabela 4

Lote Corpo de prova #1 Corpo de prova #2 Corpo de prova #3 Média 03-B-17 2970 3840 2130 2980 03-B-18 898 1080 1740 1239 03 -B-19 2060 3790 3390 3080 03 ---B-20 4920 11800 2530 6417 03-B-21 1050 8840 2700 4197 03 ---B-22 9900 3880 4880 6220 03 -B-23 3550 2640 4380 3523 03 -B-24 2630 482 2550 1887 03 ---B-25 2230 1020 3690 2313 Um gráfico dos efeitos principais de valores de resistência de

derivação média está ilustrado na figura 3. Como pode-se ver, o gráfico de resistência de derivação em função do teor de SiO2 ilustrado na forma da razão SiO2 para RO (RO neste caso sendo CaO+MgO) revela o efeito mais significativo na resistência de derivação. O gráfico indica um efeito máximo 15 na resistência de derivação ocorrendo a uma razão de 1,0. Acredita-se que a quantidade de zircônia tenha o segundo maior efeito na resistência de derivação, com um máximo de cerca de 0,3% em peso, que foi o maior teor de zircônia nas amostras de teste. Entretanto, uma vez que não foi observado nenhum máximo nem mínimo claro, acredita-se que maiores teores de 20 zircônia possam prover valores de resistência de derivação ainda maiores. Acredita-se que o teor de CaO, ilustrado no gráfico na forma da razão CaO para RO, tenha o terceiro maior efeito na resistência de derivação, com um máximo a uma razão de cerca de 0,8. Surpreendentemente, em contraste direto como o teste de ruptura dielétrica, o teor de alumina não pareceu ter um efeito significativo na resistência de derivação.

Para levar em conta a não linearidade do gráfico da razão de SiO2 para RO, foi realizada uma análise de regressão múltipla incluindo o termo quadrado S1O2 para a razão SiO2 para RO. Uma análise inicial revelou 5 que Al2Oa não foi estatisticamente significativo, e assim esta variável foi removida para uma análise final. Os resultados da análise final indicaram que o valor R quadrado da regressão foi 0,98, indicando que a análise pelo modelo de regressão múltipla responde por 98% da variabilidade da na resistência de derivação.

A influência da composição da matriz na resistência de

derivação da cerâmica está ilustrada como um gráfico de desvio na figura 4. O gráfico de desvio ilustra que a resistência de derivação, a cerca de 7.000 meagohms, pode ser alcançada a 1.000 graus Fahrenheit (538°C) com uma razão SiO2 :RO de aproximadamente 1,0 e uma razão CaO:RO de cerca de 15 0,8. Adicionalmente, a resistência de derivação tem mais sensibilidade a mudanças na razão molar de SiO2:RO do que a razão molar de CaO:RO.

Similarmente, a figura 6 ilustra um outro gráfico de desvio de resistência de derivação em função das razões molares de SiO2 e CaO, similar ao da figura 4, que é sobreposto a uma porção de um diagrama de equilíbrio 20 de fases para CaO, SiO2 e MgO. A figura 5 é uma ilustração esquemática do diagrama de fases temário de CaO, SiO2 e MgO ilustrando no geral a região utilizada em conjunto com as composições da presente invenção e descrita com mais detalhes na figura 6. O diagrama de fases utilizado para a sobreposição da figura 6 encontra-se disponível pela American Ceramics 25 Society, Columb, Ohio. O limite mais da esquerda do gráfico de desvio representa ao limite mais da esquerda do diagrama de equilíbrio de fases em que a quantidade de CaO e SiO2 estão variando, como mostrado, e a quantidade de MgO é zero. O limite mais da direita do gráfico de desvio está delimitado por uma razão molar de CaO para RO de cerca de 0,8, em que 80% do modificador de rede incluem CaO e 20% do modificador de rede incluem MgO. Os limites inferior e superior do gráfico de desvio representam as razões molares de SiO2 para RO, 0,8 e 1,2, respectivamente. Dentro dos limites lineares do gráfico de desvio, estão ilustradas diversas bandas de 5 desvio parcialmente elípticas da resistência de derivação constante. As bandas variam de cerca de 3.500 megaohms até pelo menos 7.000 megaohms. Assim, o gráfico de desvio revela que a composição do material cerâmico da presente invenção permite a produção de uma vela de ignição com uma resistência de derivação de pelo menos 1.000 megaohms a 1.000 graus Fahrenheit (538°C) 10 e, dessa forma, mais preferivelmente até cerca de 7.000 megaohms a 1.000 graus Fahrenheit (53 8 °C).

As figuras 5 e 6 assim demonstram que, com base na experimentação até então aqui conduzida e revelada, o valor otimizado de resistência de derivação na cerâmica tende seguir a linha de equilíbrio de 15 fases no diagrama de equilíbrio de fases que estende-se entre CaO-SiO2 e CaO-MgO-SiO2. Com base nesta experimentação, acredita-se adicionalmente que esta descoberta possa ser totalmente extrapolada através do diagrama de equilíbrio de fases ao longo da linha de equilíbrio de fases que estende-se entre CaO-SiO2 e MgO-SiO2. Mais especificamente, acredita-se que a 20 resistência de derivação otimizada exista na largura de banda da linha supradescrita que pode ser descrita como uma razão molar de SiO2 para RO entre cerca de 0,8:1 e 1,2:1.

Com base na experimentação apresentada, as faixas preferidas dos materiais constituintes foram determinadas. Um material cerâmico 25 incluindo 90 a 99% em peso de alumina, 0,01 a 1 porcento em peso de um composto a base de zircônio ela 10% em peso de uma mistura de óxidos de um vitrificador e um modificador de rede, em que a razão molar preferida do vitrificador para as faixas de modificador de rede entre cerca de 0,8:1 e 1,2:1. O composto a base de zircônio é preferivelmente zircônia (ZrO2), mas pode também incluir vários compostos e/ou complexos orgânicos e inorgânicos que contêm zircônio. Compostos contendo zircônio da presente invenção podem incluir qualquer composto ou completo orgânico ou inorgânico que contenha zircônio e que permita que zircônio seja incorporado na matriz da mistura de 5 óxido no curso da sinterização da cerâmica, ao mesmo tempo também provendo resistência de derivação e resistência à ruptura dielétrica consistentes com os resultados aqui apresentados com relação ao uso de zircônia como o composto contendo zircônio. Como foi aqui ilustrado, zircônia pode ser utilizada como o composto contendo zircônio da presente 10 invenção. Ela pode ser utilizada por si própria ou em conjunto com outros compostos contendo zircônio, como aqui descrito. Acredita-se que outros compostos contendo zircônio da presente invenção possam incluir, por exemplo, compostos de zircônio orgânico tais como ortossilicato de zircônio, sulfato de zircônio, nitrato de zircônio, fosfeto de zircônio, siliceto de zircônio 15 e sulfeto de zircônio, bem como vários compostos orgânicos e complexos inorgânicos e orgânicos que contêm zircônio. O composto contendo zircônio deve conter uma quantidade de zircônio equivalente a 0,01-1,0% em peso de zircônia. Adicionalmente, como discutido na patente de Manning, compostos de zircônio em geral contêm um pouco de háfnio como uma impureza. 20 Acredita-se que háfnio e háfnia possam ser substituídos indiferentemente aqui quando se referem a zircônio e zircônia, respectivamente, e que misturas de compostos a base de zircônio e a base de zircônia possam ser utilizadas no lugar de compostos a base de zircônio, todos de acordo com o escopo da presente invenção. Preferivelmente, o vitrificador é SiO2 e o modificador de 25 rede é CaO, MgO, SrO e/ou BaO, mas pode também incluir óxidos de metais alcalinos tais como Na2O, K2O, Li2O e similares. Mais especificamente, o modificador de rede, o modificador de rede é preferivelmente composto primariamente de CaO e secundariamente de MgO.

Uma faixa mais preferida de materiais inclui um material cerâmico com alumina em uma quantidade entre cerca de 94 e cerca de 97% em peso, zircônia em uma quantidade entre cerca de 0,1 e cerca de 0,5% em peso, e a mistura de óxidos do vitrificador e modificador de rede em uma quantidade entre cerca de 2,5 e cerca de 5,9% em peso, em que a razão molar 5 do dito vitrificador para o modificador de rede é igual a entre cerca de 0,9:1 e 1,1:1, de maneira tal que a mistura de óxidos pode ser descrita por uma equação molar seguinte:

(Mgv Cax Srx Bay)0 . ZSiO2 (1)

em que V+W+X+Y = 1, e 0,8 < Z < 1,2, e mais preferivelmente em que 0,9 < Z < 1,1.

Uma faixa ainda mais preferida inclui um material cerâmico

com uma alumina em uma quantidade entre cerca de 95 e cerca de 96,5% em peso, a zircônia em uma quantidade entre cerca de 0,25 e cerca de 0,35% em peso, e a mistura de óxido em uma quantidade entre cerca de 3,15 e cerca de 4,75% em peso, em que o modificador de rede inclui CaO em uma quantidade 15 cerca de 0,8 em fração molar e MgO em uma quantidade de cerca de 0,2 em fração molar. O modificador de rede inclui CaO em uma quantidade entre cerca de 1,38 e cerca de 1,95% em peso, e MgO em uma quantidade entre cerca de 0,15 e cerca de 0,43% em peso. O vitrificador compreende SiO2 em uma quantidade entre cerca de 1,87 e 2,28% em peso.

Em uma modalidade específica, o material cerâmico inclui a

alumina em uma quantidade de cerca de 95,67% em peso, a zircônia em uma quantidade de cerca de 0,31% em peso e a mistura de óxidos em uma quantidade de cerca de 3,94% em peso. A mistura de óxidos inclui CaO em uma quantidade de cerca de 1,55% em peso, MgO em uma quantidade de 25 cerca de 0,27% em peso e SiO2 em uma quantidade de cerca de 2,12% em peso.

Em uma modalidade específica, o material cerâmico inclui a alumina em uma quantidade de cerca de 95,55% em peso, a zircônia em uma quantidade de cerca de 0,31%, CaO em uma quantidade de cerca de 2,04% em peso, SiO2 em uma quantidade de cerca de 2,02% em peso e nenhum MgO.

Também em uma outra modalidade específica, o material cerâmico inclui a alumina em uma quantidade de cerca de 95, 84% em peso, CaO em uma quantidade de cerca de 2,05% em peso, SiO2 em uma quantidade de cerca de 2,03% em peso e nenhuma zircônia.

Conforme previamente discutido, intermediários de rede tal como Al2Oa podem ser adicionados para criar vidro de aluminossilicato a fim 10 de impedir ainda mais o movimento dos portadores de carga. De acordo com uma modalidade preferida, Al2Os em uma quantidade de até 40% em peso pode ser adicionada à mistura de óxidos Também, a mistura de óxidos pode ser um vidro de aluminossilicato de cálcio com até 10% em peso de MgO ou outros óxidos de alcalinos terrosos adicionados como modificadores de rede.

r

E contemplado que a cerâmica possa também incluir várias

impurezas, tais como K2O, Ti02, P2O5, Fe2Oa e similares em uma quantidade total combinada de até entre cerca de 0,01 e 0,50% em peso. Tipicamente, entretanto, tais impurezas estão presentes em uma quantidade total combinada entre cerca de 0,07% e 0,30%.

A experimentação revela que um máximo na resistência de

derivação é conseguida em uma faixa de temperatura de 800 a 1.200 graus Fahrenheit (427 e 649°C) quando a razão molar de SiO2 para modificador de rede for cerca de 1 para 1. Adicionalmente, a resistência de derivação é otimizada quando a razão de CaO para RO é cerca de 0,8 e quando a quantidade de zircônia é cerca de 0,3% em peso da cerâmica.

Adicionalmente, acredita-se que a zircônia não somente melhora a resistência mecânica da cerâmica, mas também melhora a resistência de derivação, reduzindo a cristalização na mistura da matriz quando a cerâmica é formada e resfriada. A formação de uma fase cristalina tende resultar em um aumento na condutividade da mistura da matriz de óxido, e uma diminuição decorrente na resistência de derivação. Quando zircônia é adicionada na cerâmica, pelo menos uma porção da zircônia dissolve na mistura do vitrificador e modificador de rede, e reduz sua cristalização. Portanto, pela redução da cristalização na matriz da mistura de óxido, a adição de zircônia tende aumentar a resistência de derivação. No entanto, a despeito da adição de zircônia, a matriz da mistura de óxidos pode conter algumas fases cristalinas nela.

A composição do material cerâmico da presente invenção permite que a vela de ignição seja operada a maiores tensões e a maiores temperaturas operacionais por causa da menor suscetibilidade de falha dielétrica do material e maior resistência de derivação do material em tais condições extremas, resultando assim em um aumento decorrente na resistência de derivação da vela de ignição.

A composição do material cerâmico da presente invenção é resistente a ruptura dielétrica, por meio do que a integridade da resistividade elétrica do material é mantida, para prover uma vela de ignição com uma alta resistência de derivação.

A presente invenção também diz respeito a dispositivos de ignição tais como velas de ignição, acendedores e outros dispositivos de geração de centelha. Um conjunto de vela de ignição 10 é ilustrado na vista seccional na figura I. A vela de ignição 10 inclui uma carcaça externa 12 presa a um isolante 14. A carcaça externa 12 inclui um eletrodo terra 18. O isolante 14 tem um furo central 20 no qual situa-se um terminal 30, um material condutor 46, um material de vedação 48, um eletrodo central 32. O eletrodo central 32 inclui uma ponta 56 que tem uma extremidade de ignição 37 voltada para o eletrodo terra 18 com uma folga de centelha 34 entre elas. De uma extremidade terminal 11 e estendendo-se em direção a uma extremidade de ignição 13, o isolante da vela de ignição 14 inclui uma parte terminal 52, um ressalto grande 56, um ressalto pequeno 58, e uma parte da extremidade de ignição ou nariz do núcleo 54. 0 isolante 14 é adicionalmente formado com espessuras de parede variadas entre a superfície interna 64 do furo central 20 e a superfície externa 66. A superfície interna 64 define uma 5 sede do furo central 68 contra a qual o eletrodo central 32 apóia-se. O isolante

14 é formado de um material com aproximadamente pelo menos 88% em peso de alumina (AI2O3) e até 99,9% de alumina, e mais especificamente pelo menos 90% em peso de alumina até 99% de alumina. A alumina pode estar presente de cerca de 94% a cerca de 96% em peso da cerâmica. Para ajudar no 10 processo de sinterização, bem como melhorar as propriedades elétricas e mecânicas do isolante 14, o isolante 14 é feito de um material também contendo um ou mais vários óxidos metálicos e um vidro. O vidro tipicamente forma cerca de 1-10% do isolante.

O isolante 14 é projetado para receber o conjunto central eletricamente condutor 16 que é formado do terminal 30, material condutor 46, material selador 48 e eletrodo central 32. Em operação, o eletrodo central 32 recebe um pulso de ignição de alta tensão do sistema de ignição (não mostrado) que desloca ao longo do conjunto do fio central 16 até que ele atinja a extremidade exposta inferior do eletrodo central 32. Se o pulso tiver energia suficiente para ligar a folga da centelha 102, uma centelha é formada entre o eletrodo central 50 e o eletrodo terra 22. O eletrodo terra 22 é aterrado no motor (não mostrado). O motor inflama uma mistura combustível/ar que foi previamente injetada em uma câmara de combustão no motor. A ignição desta mistura combustível/ar inicia o processo de combustão usado para acionar o motor.

O isolante 14 da presente invenção é uma cerâmica a base de alumina. Em geral, cerâmicas a base de alumina compreende partículas de AI2O3 cristalinas finas em uma matriz de mistura de óxidos. A mistura de óxidos é preferivelmente uma matriz de vidro no geral amorfo, tais como vários tipos de vidros de silicato, mas pode também incluir materiais cristalinos como parte da mistura de óxidos. O material cerâmico para o isolante no geral inclui em peso 90 a 99% de alumina. Para melhorar a resistência de derivação e/ou força dielétrica, a matriz de mistura de óxidos é 5 formada com um vitrificador, tal como SiO2, e inclui pelo menos óxido de boro (B2O3), óxido de fósforo (P2O5) ou uma combinação de óxido de boro e óxido de fósforo. A matriz da mistura de óxidos pode também incluir outros modificadores de rede, tais como CaO, MgO, BaO e SrO, óxidos de metais alcalinos terrosos ou óxidos de metais alcalinos. Os óxidos de metais alcalinos

podem incluir Na2O, K2O e Li2O. Outros intermediários de rede tais como TiO2, ZnO, ZrO2 e similares podem ser usados além de Al2O3.

A matriz de vidro amorfo é no geral formada de dióxido de silício, entretanto, outros vitrificadores podem ser usados. A matriz de vidro amorfo pode incluir outros compostos, tais como óxido de cálcio, óxido de 15 magnésio, óxido de estrôncio, óxido de bário, óxido de alumínio, óxido de zircônio, óxido de fósforo, óxido de boro, óxido de sódio, óxido de lítio, óxido de potássio e óxidos similares. A força dielétrica e resistência de derivação de um material cerâmico tal como um isolante de vela de ignição é melhorada pela adição de pelo menos 0,05% em peso de óxido de fósforo do 20 material cerâmico ou cerca de mais que 1% em peso do vidro. O óxido de fósforo é adicionado até cerca de 20% em peso do vidro e, mais preferivelmente, até cerca de 18% em peso do vidro, ou até cerca de 1% em peso da cerâmica. Em quantidades acima de 20%, as propriedades da cerâmica, que são desejáveis para uma vela de ignição, podem diminuir, tais 25 como a resistência de derivação e força dielétrica. Observou-se que o melhor equilíbrio de características desejáveis pode ser obtido quando o vidro inclui aproximadamente 1-18% de óxido e fósforo e mais preferivelmente 2,5-15% em peso de óxido de fósforo do vidro. Os valores de resistência de derivação e valores de força dielétrica mais altos ocorrem quando o óxido de fósforo forma aproximadamente 4-15% do vidro em peso e mais preferivelmente aproximadamente 9% em peso.

A força dielétrica e resistência de derivação de uma cerâmica, tal como um isolante de vela de ignição, podem ser melhoradas também 5 formando-se uma cerâmica com um vidro incluindo aproximadamente 2,0% ou mais de óxido de boro em peso do vidro. O vidro pode incluir óxido de boro até 11% em peso e mais preferivelmente até 9% em peso. Os inventores encontraram um bom equilíbrio das características desejáveis em uma cerâmica para um isolante de vela de ignição que inclui aproximadamente 10 2,5% a 11% de óxido de boro em peso do vidro.

A força dielétrica e a resistência de derivação de uma cerâmica, tal como isolante de vela de ignição, pode ser melhorada ainda mais usando tanto óxido de boro quanto óxido de fósforo no vidro, como pode ser visto na tabela 5 a seguir. O vidro no geral inclui aproximadamente 0,5-20% 15 de óxido de fósforo e 2,0% a 11% de óxido de boro em peso do vidro. O vidro forma aproximadamente até 12% do material cerâmico. Como pode-se ver na tabela 5, o pico da força dielétrica e resistência de derivação quando cerca de 10% em peso de óxido de fósforo do vidro são adicionados e cerca de 4,5% em peso de óxido de boro do vidro são adicionados. O gráfico de desvio da 20 mistura das figuras 7-11 e especialmente da figura 9 mostram as faixas ideais para resistência de derivação e força dielétrica de um material cerâmico. As figuras 7-9 usam uma matriz de vidro (MgCa)SiO2, enquanto as figuras IOe

11 usam uma matriz de vidro 3B. O termo 3B nas figuras refere-se no geral a uma matriz de vidro com Mgoj2Cao5SSiO2. Uma cerâmica 3B pode também 25 incluir alumina em uma quantidade de cerca de 95-96% e mais especificamente cerca de 95,6% em peso, a zircônia em uma quantidade de cerca de 0,2-0,4% em peso e mais especificamente cerca de 0,31% em peso, e a mistura de óxidos em uma quantidade de cerca de 3-5% e mais especificamente cerca de 3,94% em peso. A mistura de óxidos no geral inclui CaO em uma quantidade de cerca de 1-2% e mais especificamente cerca de

1,55% em peso, MgO em uma quantidade de cerca de 0,1-0,4% em peso e mais especificamente cerca de 0,27% em peso, e SiO2 em uma quantidade de cerca de 1,5-2,5% e mais especificamente cerca de 2,12% em peso. A "ID 5 número" na coluna 1 da tabela 5 refere-se a um isolante com composições aproximadas calculadas e mostradas na tabela 6. A tabela 7 e 8 fornece informação adicionar relativa às composições usadas para formar a cerâmica. A tabela 9 fornece porcentagens molares em peso em termos de elementos finais.

Tabela 5-Sumário dos dados

ID (MgCa)SiO2 3Ca0.P205 2Ca0.3B203 Densidade Resistência Força dielétrica número Mol% aparente de derivação a V/mil (rms) (g/cc) 1.0 F (534°C) 2.0 M-ohms 1 100,0 0,0 0,0 3,793 2500 376 2 91,3 8,7 0,0 3,792 2994 375 3 94,10 0,0 5,9 3,803 4859 388 4 82,6 17,4 0,0 3,782 2370 372 5 85,4 8,7 5,9 3,789 8245 399 6 88,1 0,0 11,9 3,793 7468 393 7 73,9 26,1 0,0 3,765 3555 377 8 76,7 17,4 5,9 3,773 5418 390 9 79,4 8,7 11,9 3,784 3971 391 10 82,2 0,0 17,8 3,792 4420 391 11 92,6 4,4 3,0 3,786 * 389 12 79,6 17,4 3,0 3,774 * 372 13 83,7 4,4 11,9 3,788 6547 392 dades na fabricação de isolantes. Para #1, Tabela 7-Informacão dos Iotes-Lotes usados

* Dados não disponíveis por causa de dificu dados de 3B típicos foram usados.

ID Talco Carbonato Fosfato Borato de EPK Alumina Zircônia% número % de cálcio de cálcio cálcio % % em em peso em peso % em peso % em peso % em peso em peso peso 1 0,88 2,72 0,00 0,00 3,35 92,75 0,30 2 0,80 2,48 0,66 0,00 3,06 92,70 0,30 3 0,84 2,58 0,00 0,37 3,19 92,72 0,30 4 0,73 2,24 1,31 0,00 2,77 92,65 0,30 5 0,76 2,35 0,66 0,37 2,90 92,67 0,30 6 0,79 2,45 0,00 0,73 3,02 92,70 0,30 7 0,65 2,01 1,97 0,00 2,48 92,59 0,30 8 0,68 2,11 1,31 0,37 2,61 92,62 0,30 9 0,72 2,21 0,66 0,73 2,73 92,65 0,30 10 0,75 2,32 0,00 1,10 2,86 92,67 0,30 11 0,82 2,53 0,33 0,18 3,12 92,71 0,30 12 0,71 2,18 1,31 0,18 2,69 92,63 0,30 13 0,76 2,33 0,33 0,73 2,88 92,67 0,30 Tabela 8-Informação dos lotes-Fórmula unitária do vidro

ID número MgO Cão o| B2O3 SiO2 Moles Moles Moles 1 0,20 0,80 0,00 0,00 1,06 2 0,17 0,83 0,05 0,00 0,91 3 0,19 0,81 0,00 0,08 1,01 4 0,14 0,86 0,10 0,00 0,76 5 0,16 0,84 0,0 0,08 0,85 6 0,18 0,82 0,00 0,15 0,95 7 0,11 0,89 0,15 0,00 0,60 8 0,13 0,87 0,10 0,08 0,70 9 0,15 0,85 0,05 0,15 0,80 10 0,17 0,83 0,00 0,23 0,90 11 0,18 0,82 0,03 0,04 0,73 12 0,14 0,86 0,10 0,04 0,73 13 0,17 0,83 0,03 0,15 0,88 Tabela 9-Porcentagem molar em termos de elementos finais

ID (Mg002Ca008)Si02 3CaO,P205 2Ca0,3B)03 Número Mol% Mol% Mol°/0 1 100,0 0,0 0,0 2 91,3 8,7 0,0 3 94,1 0,0 5,9 4 82,6 17,4 0,0 5 85,4 8,7 5,9 6 88,1 0,0 11,9 7 73,9 26,1 0,0 8 76,7 17,4 5,9 9 79,4 8,7 11,9 10 82,2 0,0 17,8 11 92,6 4,4 3,0 12 79,6 17,4 3,0 13 83,7 4,4 11,9 Como mostrado nas tabelas, a faixa ideal é cerca de 0,08 a

0,15 mols de BeO3 e menos que 0,10 mols de P2O5. Em termos de formulação geral, a faixa é aproximadamente 0,18 a 0,35% em peso de óxido e boro e até

0,62% em peso de óxido de fósforo.

Obviamente, muitas modificações e variações da presente invenção são possíveis à luz dos preceitos apresentados. Portanto, deve-se entender que de acordo com o escopo das reivindicações anexas, a invenção

pode ser praticada de outra forma sem ser a especificamente descrita. A invenção é definida pelas reivindicações.

Claims

1. Isolante de vela de ignição, caracterizado pelo fato de que compreende: alumina em uma quantidade de aproximadamente 90 a 99% em peso do isolante; e um vidro incluindo cerca de 0,05% ou mais de óxido de fósforo em peso do dito isolante.

2. Isolante de vela de ignição de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o dito vidro inclui em peso menos que 20% de óxido de fósforo.

3. Isolante de vela de ignição de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito vidro inclui em peso aproximadamente 1% a 18% de óxido de fósforo.

4. Isolante de vela de ignição de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o dito vidro inclui em peso aproximadamente 2,5%) a 15% de óxido de fósforo.

5. Isolante de vela de ignição de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito vidro inclui em peso mais que 0,5% de óxido de boro.

6. Isolante de vela de ignição de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o dito vidro inclui em peso mais que 1% de óxido de boro.

7. Isolante de vela de ignição de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o dito vidro inclui em peso menos que 15% de óxido de boro.

8. Isolante de vela de ignição de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o dito vidro inclui em peso cerca de 2,5% a 11% de óxido de boro.

9. Isolante de vela de ignição de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o dito vidro inclui em peso aproximadamente 4 a 6% de óxido de boro.

10. Isolante de vela de ignição de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o dito vidro inclui em peso aproximadamente 5,5% de óxido de boro.

11. Isolante de vela de ignição de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que o dito vidro inclui em peso menos que cerca de 18% de óxido de fósforo e o isolante inclui menos que cerca de 0,75% de óxido de fósforo em peso do isolante.

12. Isolante de vela de ignição de acordo com a reivindicação11, caracterizada pelo fato de que o dito vidro inclui em peso aproximadamente 4-15% de óxido de fósforo.

13. Isolante de vela de ignição de acordo com a reivindicação12, caracterizada pelo fato de que o dito vidro inclui em peso aproximadamente 9% de óxido de fósforo e aproximadamente 5,5% de óxido de boro.

14. Isolante de vela de ignição, caracterizado pelo fato de que compreende: alumina em uma quantidade de aproximadamente 90 a 99% em peso do isolante; e um vidro incluindo aproximadamente 2,0% ou mais de óxido de boro em peso do dito vidro.

15. Vela de ignição de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de que o dito vidro inclui em peso aproximadamente2,5% a 11% de óxido de boro.

16. Vela de ignição de acordo com a reivindicação 15, caracterizada pelo fato de que o dito vidro inclui óxido de fósforo.

17. Vela de ignição de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato de que o dito vidro inclui em peso óxido de fósforo na quantidade de aproximadamente 1,0% a 18%.

18. Vela de ignição de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que o dito vidro inclui em peso óxido de fósforo na quantidade de aproximadamente 9% e óxido de boro na quantidade de aproximadamente 4-6%.

19. Material cerâmico, caracterizado pelo fato de que compreende: uma alumina em uma quantidade de menos de 99,9% em peso do material cerâmico; e um vidro em uma quantidade de até aproximadamente 12% em peso do material cerâmico e em que o dito vidro inclui pelo menos 1% de óxido de fósforo em peso do vidro e pelo menos 0,5% de óxido de boro em peso do dito vidro.

20. Material cerâmico de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o dito vidro inclui mais que aproximadamente1,5% de óxido de boro em peso do dito vidro.

21. Material cerâmico de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o dito vidro inclui aproximadamente 0,5%-20% de óxido de fósforo.

22. Material cerâmico de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que o dito vidro inclui em peso aproximadamente 1-15% de óxido de fósforo.

23. Material cerâmico de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que o dito vidro inclui aproximadamente 2-20% de óxido de boro em peso do dito vidro.

24. Material cerâmico de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de que o dito vidro inclui em peso aproximadamente2,5-11% de óxido de boro.

25. Material cerâmico de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de que o dito vidro inclui em peso aproximadamente 9% de óxido de fósforo e aproximadamente 5,5% de óxido de boro.

26. Material cerâmico de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o dito vidro inclui adicionalmente CaO, MgO, Al2O3 e ZrO2.

27. Material cerâmico de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que inclui adicionalmente CaO, MgO, Al2O3 e ZrO2.

28. Material cerâmico de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o dito óxido de fósforo é pelo menos 0,05% em peso do material cerâmico e o óxido de boro é pelo menos 0,09% em peso do material cerâmico.

29. Material cerâmico de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o dito óxido de fósforo é menos que cerca de 1% em peso do material cerâmico e o óxido de boro é menos que cerca de 0,6% em peso do material cerâmico.

30. Cerâmica, caracterizada pelo fato de que compreende: alumina em uma quantidade entre cerca de 90 e cerca de 99% em peso; um composto contendo zircônio em uma quantidade entre cerca de 0,01% e cerca de 1% em peso; e uma mistura de óxido em uma quantidade entre cerca de 1 e cerca de 10% em peso, a dita mistura de óxido incluindo um vitrificador, um modificador de rede, óxido de boro e óxido de fósforo, e em que a razão molar do dito vitrificador para o dito modificador de rede varia entre cerca de 0,8:1 e 1,2:1.

31. Cerâmica de acordo com a reivindicação 30, caracterizada pelo fato de que compreende: o dito composto contendo zircônio em uma quantidade entre cerca de 0,25 e cerca de 0,35% em peso; e a dita mistura de óxido em uma quantidade entre cerca de 3,15 e cerca de 4,75% em peso, em que o dito modificador de rede compreende pelo menos um de MgO, CaO, SrO, BaO, Na2O, K2O e Li2O.

32. Cerâmica de acordo com a reivindicação 30, caracterizada pelo fato de que: o dito vitrificador compreende SiO2 em uma quantidade entre cerca de 62 e cerca de 92% em peso.

33. Cerâmica de acordo com a reivindicação 32, caracterizada pelo fato de que compreende a dita mistura de óxido em uma quantidade de cerca de 3,9% em peso.

34. Cerâmica de acordo com a reivindicação 33, caracterizada pelo fato de que a dita mistura de óxido compreende: o dito CaO em uma quantidade de cerca de 1,4% - 1,6% em peso; o dito MgO em uma quantidade de cerca de 0,2% - 0,3% em peso; e o dito SiO2 em uma quantidade de cerca de 2% - 2,5% em peso.

35. Cerâmica de acordo com a reivindicação 30, caracterizada pelo fato de que a dita mistura de óxido compreende um vidro de aluminossilicato de cálcio.