CN101023194B

CN101023194B - 导电金属陶瓷及其制备方法

Info

Publication number: CN101023194B
Application number: CN2005800311298A
Authority: CN
Inventors: B·P·布莱; B·A·克努森; J·A·布鲁尔; J·S·瓦图利; D·J·达尔普; M·拉曼
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2025-07-13
Also published as: US7488443B2; US20080112835A1; WO2006019806A3; US20060012306A1; WO2006019806A2; EP1781832A2; CN101023194A; US7329979B2

Abstract

一种导电金属陶瓷，包含至少一种分散在至少一种高熔点氧化物基质中的过渡金属元素，高熔点氧化物选自由氧化钇、氧化铝、石榴石、镁铝氧化物及其组合组成的组；其中至少一种过渡金属元素的量少于金属陶瓷总体积的15体积％。一种装置包括上述导电金属陶瓷。

Description

导电金属陶瓷及其制备方法

发明背景

本发明主要涉及导电金属陶瓷材料。更具体地，本发明涉及适用于高强度灯应用中端盖(end cap)的导电金属陶瓷材料。

为了增加灯的色彩显示效果和提高灯的效率，高强度放电灯要求在高温和高压下运行。由于操作上的限制，这些灯的各个部件由不同类型的材料制成。在高温灯中结合不同材料提出了许多挑战例如热应力和破裂，其因为连接部件热膨胀系数的不匹配导致的热力学应力而产生。理想地，这种灯中使用的所有材料都应该具有相同的热膨胀系数。如果这些材料具有差别很大的热膨胀系数，在高温下，应力随不同材料按不同速度膨胀而产生。然而设计良好的制品能够容忍一些热膨胀系数的差异。

高强度放电灯组件中的部件包括陶瓷封套、电极、端盖和电线穿通导体。通常，高强度灯的陶瓷封套由氧化铝或钇铝石榴石(YAG)制成，电极由难熔金属制成，而端盖通常由陶瓷金属复合材料也称为金属陶瓷制成。氧化铝和YAG都具有比难熔金属如一般用作电极的钨或钼大很多的热膨胀系数。

已经有一些尝试来调整端盖材料的热膨胀系数以获得与陶瓷封套材料接近的热膨胀系数。在一个例子中，氧化铝金属陶瓷(使用钨或钼作为金属)被用作端盖材料。但是这些金属陶瓷调整热膨胀系数至氧化铝系数的弹性有限，因为由于钼或钨的加入，金属陶瓷的热膨胀系数相对于氧化铝或YAG降低了。另一方面，降低钼的体积分数在0.5之下的尝试导致较低的电导率和较低的焊接金属部件至金属陶瓷的能力。

因此，需要一种具有可接受的电导率和与氧化铝或YAG相等的热膨胀系数的金属陶瓷材料。

发明概述

本发明的第一方面提供了一种导电金属陶瓷，其包含至少一种分散在至少一种高熔点氧化物基质中的过渡金属元素，该高熔点氧化物选自由氧化钇、氧化铝、石榴石例如钇铝石榴石或包含第3族金属或稀土金属和第13族金属的石榴石、镁铝氧化物及其组合组成的组；其中所述至少一种过渡金属元素的量少于金属陶瓷总体积的15体积％。

本发明的第二方面提供了一种包括包含至少一种分散在至少一种高熔点氧化物基质中的过渡金属元素的导电金属陶瓷的装置，所述高熔点氧化物选自由氧化钇、氧化铝、石榴石、镁铝氧化物及其组合组成的组；其中所述至少一种过渡金属元素的量少于金属陶瓷总体积的15体积％。

本发明的第三方面提供了一种电灯装置，其包括密封的透明封套，其中封套是真空的或包含一种或多种化学元素、化合物及其组合；至少两个在封套内的电极；至少两根在封套外与各电极相对应的导线，其中各电极通过包含至少一种分散在至少一种高熔点氧化物基质中的过渡金属元素的导电金属陶瓷连接到相应的导线，所述高熔点氧化物选自由氧化钇、氧化铝、石榴石、镁铝氧化物及其组合组成的组；其中所述至少一种过渡金属元素的量少于金属陶瓷总体积的15体积％。

本发明的第四方面提供了一种制备导电金属陶瓷端盖的方法，该方法包括：提供预定量的至少一种选自由钼、铌、钨、钛、锆、钒、铪、钽、铬、铁、钴、镍、其组合及其合金组成的组的过渡金属元素的粉末，和至少一种选自由氧化钇、氧化铝、石榴石、镁铝氧化物及其组合组成的组的高熔点氧化物的粉末；其中至少一种过渡金属元素的量少于金属陶瓷总体积的15体积％，且其中过渡金属元素粉末的尺寸小于约105微米；高熔点氧化物粉末的尺寸在大约100微米至大约1000微米范围内；将预定量的至少一种过渡金属元素和至少一种高熔点氧化物的粉末混合在一起形成掺合物；压制掺合物以形成所需形状的金属陶瓷端盖；和在预定的温度下烧结所需形状的金属陶瓷端盖预定的一段时间。

下面的详述、附图和所附权利要求将使本发明的这些和其它方面、优点和特征变得明显。

附图简述

图1是示范性高强度放电灯的简图；

图2说明了氧化铝钼金属陶瓷的微观结构；

图3说明了YAG钨金属陶瓷的微观结构；

图4是电极和穿通导体正被耦合至所需形状金属陶瓷端盖的简图；

图5是带电极和穿通导体的金属陶瓷端盖的简图；

图6是图6的另一种实施方案，其中金属陶瓷端盖的形状不同；和

图7是图6的另一种实施方案，其中金属陶瓷端盖的形状不同。

发明详述

一般参考附图，将理解图解说明是为了描述本发明的不同实施方案而非意在将本发明限制于此。

图1是根据本发明方面的示范性高强度放电灯的简图。放电灯10具有外部的圆柱形封套12和安置在其内部的陶瓷封套14。陶瓷封套14也被称为“电弧管”。两个金属电极16从陶瓷封套14的两个端部分18放置在陶瓷封套14内部。使用由导电金属陶瓷复合材料制成的并具有高熔点氧化物如氧化铝的绝缘涂层22的金属陶瓷端盖20来封住陶瓷封套14的端部分18。绝缘涂层22保护端盖的陶瓷复合材料以免与等离子体反应和形成电弧。放电灯10还包括穿通导体24，其通过金属陶瓷端盖20中的开口。穿通导体24一般由金属制成，该金属例如但不限于钼、钨和铌。陶瓷粘合组合物26用来密封端盖20至陶瓷封套14。陶瓷粘合组合物26也可用在灯10中的其它接合处和联结点，例如，陶瓷粘合组合物26也可用来密封电极16或至端盖20的穿通24。

在本发明的一个方面，导电金属陶瓷包含至少一种分散在至少一种高熔点氧化物中的过渡金属元素，该氧化物选自由氧化钇、氧化铝、石榴石、镁铝氧化物及其组合组成的组。石榴石由化学式A₃B₅O₁₂表示。对于可能的离子占位，石榴石晶体结构有三种不同类型的晶格格位即十二面体、八面体和四面体。此外，石榴石晶体结构中的十二面体、八面体和四面体格位的数目分别为3、3和2。十二面体格位接受大离子，如钇、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥及其组合，而八面体和四面体格位接受相对较小的离子如铝、钪、铁、铬及其组合。从而，石榴石晶体结构带来许多用不同离子填充格位的可能性。所述至少一种过渡金属元素的体积百分比少于金属陶瓷总体积的15体积％。在一个实施方案中，过渡金属元素的体积百分比在金属陶瓷总体积的大约5体积％至大约15体积％的范围内。在另一个实施方案中，过渡金属元素的体积百分比在金属陶瓷总体积的大约5体积％至大约10体积％的范围内。过渡金属元素选自由钼、铌、钨、钛、锆、钒、铪、钽、铬、铁、钴、镍、其组合及其合金组成的组。过度元素被很好地分散在高熔点氧化物基质中并形成延伸穿过高熔点氧化物晶粒且遍及金属陶瓷的导电网络。

在一个实施方案中，过渡金属元素是钼，其被分散在用作高熔点氧化物的氧化铝基质中形成氧化铝钼金属陶瓷。图2说明了具有大约9体积％钼的氧化铝钼金属陶瓷的显微结构。钼在氧化铝基质28中形成了分散钼颗粒32的导电网络30。

在另一个实施方案中，过渡金属元素是钼，其被分散在用作高熔点氧化物的钇铝石榴石(YAG)基质中形成YAG钼金属陶瓷。

在再一个实施方案中，过渡金属元素是钨，其被分散在用作高熔点氧化物的YAG基质中形成YAG钨金属陶瓷。图3说明了具有大约9体积％钨的YAG钨金属陶瓷的显微结构。YAG基质34包含钨导电网络36和空隙38。

在另一个实施方案中，过渡金属元素是钨，其被分散在用作高熔点氧化物的氧化铝基质中以形成氧化铝钨金属陶瓷。

在本发明的第二方面，一种装置包括本发明的导电金属陶瓷。这种装置的非限制性例子是陶瓷短弧灯、金属卤化物灯、高压钠放电灯和陶瓷汽车灯。一般，陶瓷短弧灯和陶瓷汽车灯具有大约1200℃的工作温度。因此，能够承受大约1200℃的高工作温度的本发明的YAG钨金属陶瓷适合用于这些灯中。通常具有大约800℃工作温度的陶瓷金属卤化物(CMH)灯和高压钠(HPS)灯可使用氧化铝钼或YAG钼金属陶瓷。在一个实施方案中，导电金属陶瓷具有不超过大约10^-2欧姆-厘米的电阻率。

本发明的金属陶瓷特别适合用于陶瓷封套14的金属陶瓷端盖20中，陶瓷封套14通常由陶瓷材料例如但不限于石英、钇铝石榴石、镱铝石榴石、微晶多晶氧化铝、蓝宝石、多晶氧化铝和氧化钇制成。金属陶瓷端盖20的热膨胀系数需要与在陶瓷封套14中使用的陶瓷材料的热膨胀系数相匹配。例如，对于由氧化铝或YAG制成的陶瓷封套14，在包含作为高熔点氧化物的YAG或氧化铝的金属陶瓷中的过渡金属元素体积百分比应该保持较低，即小于10体积％，以便减少热膨胀系数的不匹配。

在本发明的第三方面，导电金属陶瓷以用于密封的透明陶瓷封套14中的金属陶瓷端盖20的形式被用在电灯装置中，其中陶瓷封套14是真空的或包含一种或多种常称为计量物质的化学元素、化学化合物及其组合。计量物质发出所需的波谱能量分布作为被放电激发的响应。计量物质可包括发光气体，如稀有气体和汞。计量物质还可包括卤素气体(例如溴、碘等)、稀土金属卤化物等等。此外，电灯装置10包括至少两根在陶瓷封套14内的电极16，和至少两个在陶瓷封套14外的穿通导体24对应于每根电极16，其中每根电极16通过包含本发明导电金属陶瓷的导电金属陶瓷端盖20连接至相应的穿通导体24。

在一个实施方案中，电极16被耦合至金属陶瓷端盖20。在另一个实施方案中，电极16通过烧结被耦合至金属陶瓷端盖20。在一个实施方案中，穿通导体24被耦合至金属陶瓷端盖20。在另一个实施方案中，穿通导体24通过烧结被耦合至金属陶瓷端盖20。在一个实施方案中，一个参考距离把穿通导体24和电极16分开。在一个实施方案中，金属陶瓷端盖20的热膨胀系数在YAG和氧化铝中至少一个的热膨胀系数的6％之内。在另一个实施方案中，端盖20的热膨胀系数在YAG和氧化铝中至少一个的热膨胀系数的3％之内。

在本发明的第四方面，提供了一种制备导电金属陶瓷端盖20的方法。该方法包括提供预定量的至少一种选自由钼、铌、钨、钛、锆、钒、铪、钽、铬、铁、钴、镍、其组合及其合金组成的组的过渡金属元素的粉末，和至少一种选自由氧化钇、氧化铝、石榴石、镁铝氧化物及其组合组成的组的高熔点氧化物的粉末；其中过渡金属元素粉末的尺寸小于约105微米；高熔点氧化物粉末的尺寸在大约100微米至大约1000微米范围内。更进一步，混合将过渡金属元素和高熔点氧化物的粉末将在一起形成掺合物。一般，在过渡金属元素情况下粉末的尺寸小于100微米有助于把粉末分散在高熔点氧化物基质中。在一个实施方案中，使用筛分以得到所需尺寸的粉末。在一个实施方案中，混合包括研磨。此外，研磨的完成是通过把粉末放置在容器中，然后装有粉末的容器通过放置在磨机中来进行旋转。

混合之后，小心地使掺合物在空气或湿气中的暴露最小化以避免掺合物的氧化或污染。在一个实施方案中，使用例如但不限于冲压和挤压的方法把掺合物压制成所需的形状以形成所需形状的金属陶瓷端盖。在一个实施方案中，压制包括冲压。在一个实施方案中，通过在预定的从大约100MPa至大约300MPa范围内的变化压力下压制掺合物来形成所需形状的金属陶瓷端盖20。在一个具体实施方案中，掺合物在大约275MPa下被冲压。

图4是正被耦合至电极16和穿通导体24的所需形状金属陶瓷端盖20的简图。所需形状金属陶瓷端盖20具有通道40和42来分别容纳电极16和穿通导体24。

在一个实施方案中，在如上所述压制之后，且在烧结之前，在从大约800℃至大约1250℃范围内的变化温度下预烧所需形状金属陶瓷端盖20以提高预烧端盖的湿强度。预烧有助于处理预烧端盖20和使其变得不易在加工处理期间被损坏。

接着，预烧端盖20在预定温度下被烧结。烧结有助于端盖20的加固与致密化和将电极16和穿通导体24耦合至金属陶瓷端盖。通常预定温度在从大约1400℃至大约2000℃的范围内且预定时期在从大约1小时至大约3小时的范围内。

此后端盖20被冷却至环境温度以生成具有烧结的电极16和穿通24的金属陶瓷端盖20。图5是已被耦合至电极16和穿通导体24的金属陶瓷端盖的简图。电极16被安置在通道42中，同样地，穿通24被安置在通道40中。端盖20可以具有不同的形状。图6和图7是具有不同形状的端盖20的简图。

下面的实施例举例说明本发明的特征，绝不意在限制本发明。

实施例1

制备一批45克具有8体积％或大约8.91克钼的氧化铝钼金属陶瓷。使用从Alcoa获得的36.13克氧化铝粉末作为高熔点氧化物材料。使用从Alcoa获得的钼粉末作为过渡元素。对氧化铝粉末过筛以去除任何小于105微米尺寸的细粒。然后称重计算量的氧化铝粉末并转移至塑料瓶中，并且不带任何研磨介质保持研磨。研磨进行大约20分钟。小心地使研磨过的氧化铝粉末在空气和湿气中的暴露最小化。

通过105微米筛来筛选钼粉末，丢弃所有大颗粒并挑选小颗粒。然后称重8.91克钼粉末。在此之后，氧化铝被倒入一个玻璃或不锈钢盘并与钼粉末通过搅拌棒混合，但是小心以防压碎氧化铝颗粒从而避免减小氧化铝颗粒的尺寸小于100微米。

然后转移氧化铝和钼粉末的混合物至一个塑料瓶中并研磨大约20分钟以形成掺合物，没有使用研磨介质研磨。

然后使用一个单轴模具在大约275MPa下冲压所形成的掺合物以形成所需形状的金属陶瓷端盖。所需形状的金属陶瓷端盖随后在干燥H₂中在1875℃下烧结2小时。

虽然在这里描述了许多实施方案，由说明书将理解本领域技术人员可以进行要素、变化、等价物或改进的各种组合，并且仍然在由所附权利要求所定义的本发明范围内。

Claims

1.一种导电金属陶瓷，包含至少一种分散在至少一种高熔点氧化物基质中的过渡金属元素，该过渡金属元素选自由钼、铌、钨、钛、锆、钒、铪、钽、铬、铁、钴、镍、其组合及其合金组成的组，所述高熔点氧化物选自由氧化钇、氧化铝、镁铝氧化物及其组合组成的组；其中所述至少一种过渡金属元素的量在金属陶瓷总体积的5体积％至10体积％的范围内。

2.权利要求1的金属陶瓷，其具有不超过10^-2欧姆-厘米的电阻率。

3.权利要求1的金属陶瓷，其中过渡金属元素是钼，且高熔点氧化物是氧化铝。

4.权利要求1的金属陶瓷，其中过渡金属元素是钨，且高熔点氧化物是氧化铝。

5.一种装置，其包括包含至少一种分散在至少一种高熔点氧化物基质中的过渡金属元素的导电金属陶瓷，该过渡金属元素选自由钼、铌、钨、钛、锆、钒、铪、钽、铬、铁、钴、镍、其组合及其合金组成的组，所述高熔点氧化物选自由氧化钇、氧化铝、镁铝氧化物及其组合组成的组；其中所述至少一种过渡金属元素的量在金属陶瓷总体积的5体积％至10体积％的范围内。

6.权利要求5的装置，其中该装置是陶瓷短弧灯。

7.权利要求5的装置，其中该装置是陶瓷金属卤化物灯。

8.权利要求5的装置，其中该装置是高压钠放电灯。

9.权利要求5的装置，其中该装置是陶瓷汽车灯。

10.一种电灯装置，其包括：

一个密封的透明陶瓷封套，其中该陶瓷封套是真空的或包含一种或多种化学元素、化学化合物及其组合；

至少两个在陶瓷封套中的电极；和

至少两个在封套外与各电极相对应的穿通导体，其中各电极通过包含至少一种分散在至少一种高熔点氧化物基质中的过渡金属元素的导电金属陶瓷端盖连接到相应的穿通导体，该过渡金属元素选自由钼、铌、钨、钛、锆、钒、铪、钽、铬、铁、钴、镍、其组合及其合金组成的组，所述高熔点氧化物选自由氧化钇、氧化铝、镁铝氧化物及其组合组成的组；其中所述至少一种过渡金属元素的量在金属陶瓷总体积的5体积％至10体积％的范围内。

11.权利要求10的电灯装置，其中所述至少两个电极被耦合至金属陶瓷端盖。

12.权利要求11的电灯装置，其中所述至少两个电极通过烧结被耦合至金属陶瓷端盖。

13.权利要求10的电灯装置，其中所述至少两个穿通导体被耦合至金属陶瓷端盖。

14.权利要求13的电灯装置，其中所述至少两个穿通导体通过烧结被耦合至金属陶瓷端盖。

15.权利要求10的电灯装置，其中所述穿通导体和电极连接到金属陶瓷端盖。

16.权利要求10的电灯装置，其中所述金属陶瓷具有不超过10^-2欧姆-厘米的电阻率。

17.权利要求10的电灯装置，其中过渡金属元素是钼，且高熔点氧化物是氧化铝。

18.权利要求10的电灯装置，其中过渡金属元素是钨，且高熔点氧化物是氧化铝。

19.权利要求10的电灯装置，其中金属陶瓷端盖的热膨胀系数与陶瓷封套的热膨胀系数基本相同。

20.权利要求19的电灯装置，其中金属陶瓷端盖的热膨胀系数在陶瓷封套的热膨胀系数的6％之内。

21.权利要求20的电灯装置，其中金属陶瓷端盖的热膨胀系数在陶瓷封套的热膨胀系数的3％之内。