CN101717243B - 用于火花塞绝缘体的具有改善的高温电性能的陶瓷 - Google Patents

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Abstract

一种陶瓷，包括氧化铝约90-约99重量％，含锆化合物约0.01-约1重量％，和氧化物混合物约1-约10重量％。氧化物混合物包括玻璃形成体和网络改性剂，其中所述玻璃形成体与所述网络改性剂的摩尔比在约0.8∶1-1.2∶1的范围。该陶瓷绝缘体特别适用于火花塞绝缘体，以提供提高的介电强度和在1000°F下大于1000兆欧的分流电阻，使得减少了火花塞的分流和因此提高了火花塞产生火花的质量。

Description

用于火花塞绝缘体的具有改善的高温电性能的陶瓷
本申请是申请号为200480035876.4(PCT/US2004/037401)、申请日为2004年11月10日、发明名称为“用于火花塞绝缘体的具有改善的高温电性能的陶瓷”的中国发明专利申请的分案申请。
相关专利申请的交叉参考
本申请涉及2003年11月12日申请的US临时专利申请NO.60/519,395并要求其优选权，因此通过引用其全部而引入此处。
发明背景
技术领域
本发明主要涉及陶瓷材料。更具体的，发明涉及用于火花塞绝缘体的陶瓷材料。
背景技术
火花塞、电热塞(glow plug)和其它用于内燃机的装置要遭受约1000℃的高温环境。通常，火花塞是要延伸到内燃机燃烧室中的装置，并产生火花点燃其中的空气和燃料的可燃混合物。具体的，火花塞典型的包括圆筒形的金属壳，金属壳具有用于旋进发动机部分中的外部螺纹，和在火花塞点火端还具有附于其上的勾形接地电极。圆筒形的绝缘体部分地放置在金属壳中，并向点火端轴向延伸出金属壳。在与点火端相对的火花塞终端，在圆筒形的绝缘体中放置导电终端。在点火端，在绝缘体中放置圆形中心电极，并向接地电极方向轴向伸出绝缘体，由此在电极间限定火花塞间隙。
在操作中，通过火花塞施加最高到约40,000伏的点火电压脉冲到中心电极，由此引起火花穿越在中心和接地电极间的间隙。火花点燃燃烧室中的空气和燃料混合物以产生高温燃烧以向发动机提供动力。不幸的是，在燃烧室中的高电压高温环境能劣化火花塞的不同组分，随着时间，能不利的影响这些组分的性质，并随着时间改变点火脉冲的强度，最终降低火花的质量。特别是，陶瓷绝缘体的退化能导致通过绝缘体的介电击穿，这将建立另一条通过绝缘体的电通路，因此火花会不可靠的穿越中心和接地电极间的间隙。火花的质量影响空气和燃料的混合物的点燃(即燃烧效率、燃烧温度、燃烧产物)，因此影响发动机的功率输出和燃料效率性能和由空气和燃料燃烧产生的排放物的性质。由于对机动车排放规定的逐渐加强，希望维持高质量的火花以提供恒定的、一致的发动机性能和排放质量。火花的质量由包括陶瓷绝缘体材料的材料组成的几个因素决定。
用于圆筒形绝缘体的陶瓷绝缘体材料是介电材料。通常由可以应用到材料而没有引起其损坏或电击穿的最大电场定义介电强度。对于例如火花塞的装置，介电强度通常由千伏/毫英寸表示(kV/mil)。对于给定的火花塞设计，绝缘体的尺寸是固定的，因此介电强度通常由击穿电压以kV表示而不是由kV/mil表示。对于用于许多应用的标准火花塞设计，火花塞介电强度的典型的值在室温下约为40kV左右。用于火花塞的陶瓷绝缘体的介电强度也是温度的函数。高温会引起某些离子在这些陶瓷材料中移动性的增加，产生小的泄漏电流通过陶瓷。电流的泄漏导致局部加热，这会逐渐降低材料的抗介电击穿能力。已经观察到陶瓷材料的抗介电击穿的能力会随着火花塞的寿命降低，这是由于在应用的电场下火花塞循环的热应力和由于伴随的热电疲劳。并没有完全的理解微观结构和/或组成改变的确切的本质，但相信与局部加热到足以引起陶瓷材料的部分熔融的温度相关。
分流电阻是陶瓷的另一个重要的的性能，特别是对于那些用于火花塞中的陶瓷，通常是以兆欧度量的材料的电阻。对于火花塞分流电阻的典型值在约1000°F的操作温度下是约75-125兆欧左右。典型的在火花塞上测量分流电阻作为由陶瓷绝缘体产生的或与陶瓷绝缘体有关的电阻-在火花塞中心电极和金属壳间进行测量。换句话说，分流电阻可表示通过在中心电极和金属壳或外罩间的陶瓷绝缘体的电流泄漏量。尽管介电击穿是突然的不连续的过程，但低的分流电阻却是连续的附加损失的形式，在火花塞已经长期的使用后，这可最终导致灾难性的介电破坏的更高的可能性。
介电强度的破坏和/或分流电阻最终导致火花塞的分流。火花塞的分流是，除了跨过中心电极和接地电极间火花间隙的通路之外在中心电极和金属外壳间建立不希望的并行导电通路的情况。分流通常会对火花塞产生的火花的质量产生不利的影响。在由于介电击穿引起分流的情况下，影响通常是破坏性的。然而，在由于减少的或不足够的分流电阻引起分流的情况下，影响可仅仅是降低火花塞的火花性能，从而降低发动机的性能，如上描述，或在火花塞已经长期的使用后，可导致灾难性的介电损失的增加的可能性。
因此，希望生产使用具有高分流电阻的改进的陶瓷绝缘体材料的火花塞，该火花塞对于在高电压高温下长期使用时对介电强度的破坏是较不敏感的，因此对火花塞的分流条件也是较不敏感的，使得促进产生高质量的火花和提高发动机性能。
发明内容
通过本发明克服上面提到的现有技术的缺点，本发明提供一种陶瓷，特别是用作例如火花塞的点燃装置中的绝缘体的陶瓷。这种绝缘体具有提高的分流电阻和介电击穿性能，以减少火花塞的分流，并因此提高由火花塞产生的火花质量并提高发动机的性能。
根据本发明的一个方面，该陶瓷包括约90-约99重量％的氧化铝，约0.01-约1重量％的含锆化合物，和约1-约10重量％范围的氧化物混合物。含锆化合物优选包括氧化锆(ZrO2)。氧化物混合物包括玻璃形成体和网络改性剂，其中玻璃形成体与网络改性剂的摩尔比在约0.8∶1-1.2∶1的范围。玻璃形成体可包括SiO2。网络改性剂可包括MgO、CaO、SrO、BaO、Na2O、K2O和Li2O的至少一种。
根据本发明的另一个方面，提供包括中心电极、金属壳和放置于中心电极和金属壳间的绝缘体的火花塞。绝缘体包括约90-约99重量％的氧化铝，约0.01-约1重量％的含锆化合物，和约1-约10重量％的氧化物混合物。氧化物混合物包括玻璃形成体和网络改性剂，其中玻璃形成体与网络改性剂的摩尔比在约0.8∶1-1.2∶1的范围。玻璃形成体可包括SiO2。网络改性剂可包括MgO、CaO、SrO、BaO、Na2O、K2O和Li2O的至少一种。
根据本发明另一个方面，提供包括金属壳、中心电极和绝缘体的火花塞，绝缘体放置在金属壳中和具有将中心电极放置于其中的中心腔。绝缘体包括氧化铝并具有在1000°F下大于1000兆欧的分流电阻。
附图说明
当连同下面详细的描述和附图进行考虑，将更容易理解本发明的这些和其它和特征和优点，其中类似的标记表示类似的元件，和其中：
图1显示了具有根据本发明陶瓷绝缘体的火花塞的部分的局部视图；
图2是对于本发明陶瓷的几种材料组成变量，平均介电峰击穿值的主要影响图；
图3是对于本发明陶瓷的几种材料组成变量，平均分流电阻值的主要影响图；
图4是显示对于在本发明陶瓷中基体混合物的两种材料组成变量的固定分流电阻的等值线图；
图5是CaO-SiO2-MgO相平衡图的示意图；
图6是对于CaO-SiO2-MgO的相平衡图的局部示意图，显示了重叠的分流电阻等值线图
具体实施方式
本发明主要涉及用于高温应用的点燃装置，例如火花塞、点火器和其它火花产生装置。结合附图1，显示了用于内燃机(没有显示出)的包括火花塞组件10的点燃装置，火花塞主要包括金属壳12、陶瓷绝缘体14、中心线组件16和接地电极18。如技术领域公知的是，壳12通常是圆筒形的电导性的构件，具有中空的沿轴向长度延伸的腔20。在腔20中有一组与绝缘体14直径减少部分尺寸匹配的周向肩(circumferential shoulders)。类似于壳12，绝缘体14通常也是圆筒形构件，具有长的轴向腔22。绝缘体14的下部轴端包括通常延伸出壳12并超过其最下端部分的前端部分24。绝缘体轴向腔22用于容纳电导性的中心线组件16，中心线组件延伸整个火花塞10的整个轴向长度并通常包括在一端的端电极30和在另一端的中心电极32。当然这里显示的中心线组件16只是典型的实施方式，并能包括附加构件或具有省略的构件。接地电极18与壳12下轴端机械连接和电连接，通常形成L形结构。中心电极32的暴露端和接地电极18的侧表面彼此相对，因此在火花塞10的点火端36限定火花间隙34。
在操作中，终端电极30接收来自点燃系统(没有显示)的高电压点燃脉冲，脉冲沿着中心线组件16一直传输到中心电极32的下部暴露端。如果脉冲具有足够的能量导通火花间隙34，在中心电极32和接地电极18间形成火花，耐接地电极18通过壳12接地到发动机。火花点燃预先射入发动机燃烧室的燃料/空气混合物，接着引发用于向发动机提供动力的燃烧过程。提供前面的解释作为点燃装置结构和操作的通常概述。提供关于根据本发明陶瓷绝缘体14的附加细节。
本发明绝缘体14是氧化铝基陶瓷。通常，氧化铝基陶瓷包括在氧化物混合物基体中的细的结晶Al2O3颗粒。氧化物混合物优选是通常为非晶态的玻璃基体，例如各种类型的硅酸盐玻璃，但也可包括晶体材料作为氧化物混合物的一部分。氧化铝基陶瓷会具有相对高的机械和介电强度，也具有高的电阻和低的介电损耗，且已知在相对宽的温度范围保持这些性能。但由于材料中杂质、热疲劳、高电压、高操作温度等会降低氧化铝陶瓷的性能。Manning的US专利4,879,260指出在氧化铝基陶瓷中氧化锆的添加会正面影响其机械强度，特别是，当氧化锆构成该组合物的0.5-1.0wt％时。
然而，本发明的焦点不是提高氧化铝基陶瓷的机械强度，而是提供具有提高的介电强度和分流电阻的陶瓷绝缘体，使得特别适于在点燃装置中使用。为了这个目的，进行的实验包括改变氧化铝的量、包括氧化物混合物基体的材料和相关的量、和氧化锆的量以获得具有提高的介电强度或分流电阻或两者结合的氧化铝基陶瓷。发现氧化铝的量优选为陶瓷组成的90-99重量％。氧化物混合物基体包括玻璃形成体，优选为SiO2但也可包括B2O3和P2O5等。氧化物混合物基体也包括一种或多种网络改性剂，优选CaO、MgO、BaO和SrO，但也可包括其它的碱土金属氧化物或碱金属氧化物例如Na2O、K2O、Li2O等。网络改性剂也可是已知的熔剂。氧化物混合物也可包括网络中间体，例如Al2O3，但也可包括其它网络中间体例如TiO2、ZnO、ZrO2等。由于Al2O3某种程度上可溶于氧化物混合物，所以在以晶体Al2O3形式的主要Al2O3组分和溶于氧化物混合物作为网络中间体的Al2O3之间存在平衡。对溶于氧化物混合物中的Al2O3量的分析测量是非常困难的，但基于相平衡，对在本发明范围内的组成而言，相信该Al2O3量可组成氧化物混合物最多40wt％。发现特定的相对少量锆基化合物的添加，例如氧化锆(ZrO2)，在提高陶瓷机械强度的同时，会降低氧化物基体的结晶化。结晶化会导致较高的电导率。因此，氧化锆的添加会降低陶瓷的氧化物混合物基体部分的电导率。
进行实验来决定陶瓷材料组成对火花塞绝缘体性能的影响。通过混合Alcan C-761氧化铝和适量市售前体氧化物混合物基体材料，例如EPK高岭土、HuberCarb碳酸钙、菱镁矿、白云石、硅灰石和Yellowstone滑石(Talc)，和适量的通过加热形成氧化物的Zirox氧化锆(Zirconia)来制备陶瓷。用于生产本发明陶瓷绝缘体材料的粉末混合物组分在包括约73重量％固体或约40体积％固体的含水料浆中进行球磨。通过材料球磨制备总重量5000克的几批粉末，之后在塔式喷雾干燥器中进行喷雾干燥。然后喷雾颗粒通过8500psi干袋法等静压压制，形成绝缘体14形状，并在1590-1630℃间烧制约3小时以烧结绝缘体使得氧化铝颗粒通过氧化物混合物基体相互连接。
设计实验以评价材料组成四个变量的三种不同水平。下表1描述了用于实验的变量的总结。这里指明的各种材料组成用于说明和公开本发明，而并不是用来限制其范围。使用批号为03-B-17到03-B-25的9批不同的材料进行实验。
表1
  变量(材料)   描述   水平   水平值
  氧化铝   氧化铝的重量百分比   3   94％，95％，96％
  氧化锆   氧化锆的重量百分比   3   0.0％，0.15％，0.30％
  CaO   CaO/(RO)摩尔份数   3   0.8，0.9，1.0
SiO2 SiO2/(RO)摩尔份数 3 0.8，1.0，1.2
通常用RO表示网络改性剂，其中RO代表陶瓷组成中存在的网络改性剂总量。在表1中，RO＝MgO+CaO。通常，RO是所有存在的网络形成体的总量。如果网络形成体包括CaO、MgO、BaO和SrO，那么RO＝CaO+MgO+BaO+SrO。
各批材料组成以重量百分比和摩尔量的结合进行记录。因为可用于本发明的网络改性剂原子量的变化程度，所以这里以摩尔量记录氧化物基体的组成。氧化物混合物基体中的原子比主要影响其电性能。由于钙、镁、钡和锶的原子量变化显著，所以它们不能容易的以重量基准进行置换以获得这里讨论的网络改性剂的特定组成。因此，优选的以摩尔而不是以重量来表示氧化物混合物基体的组分。
因此，表2A是记录每种材料的各种实验和组成水平，以重量百分比表示氧化铝和氧化锆，以摩尔比表示优选的网络改性剂和玻璃形成体。然而表2B，以重量百分比记录所有材料。相似的，表2C以重量百分比记录每批组成的前体材料。
表2A
  批号   批次顺序   DOE顺序   Al2O3 wt％   ZrO2 wt％   MgO mol   CaO mol   SiO2 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
  最小值   94.00   0.00   0.00   0.80   0.80
  最大值   96.00   0.30   0.20   1.00   1.20
表2B
  批号   批次顺序   DOE顺序   Al2O3 wt％   ZrO2 wt％   MgO wt％   CaO wt％   SiO2 wt％
  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
  最小值   94.00   0.00   0.00   1.53   1.71
  最大值   96.00   0.30   0.48   2.67   3.29
表2C
  批号   批次顺序   DOE顺序   Yellowstone滑石   HuberCarb碳酸钙   EPK高岭土   Alcan C-761氧化铝   Zirox氧化锆
  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
  最小值   0.00   2.83   3.49   87.71   0.00
  最大值   1.59   4.91   7.32   92.62   0.30
使用上面描述的材料组成生产绝缘体14。对绝缘体进行它们抗介电击穿的测试。为了测试抗介电击穿性能，将绝缘体放置在固定件中，该固定件包括通过绝缘体轴腔的中心电极。在绝缘体外表面在绝缘体厚度为约0.100英寸的地方的周围放置接地电极。将测试固定件和绝缘体浸入介电液体中以防止绝缘体周围电流的产生电弧。使用Hipronics介电测试器，以施加60赫兹交流电场到绝缘体。以200伏/秒的速率升高电压直到绝缘体介电击穿发生。记录介电击穿时的峰值电压作为介电击穿电压。在下表3中给出测试结果。
表3
Figure G2009102065955D00091
在图2中说明了以千伏表示的平均介电击穿值的主影响图。能看出，Al2O3含量图显示了在Al2O3变量的三个水平上，抗介电击穿性能的最为显著的提高。因此，相信氧化铝量是对介电击穿具有最显著影响的变量。通常，在陶瓷中较高氧化铝含量会导致较高的介电击穿值，反之亦然。换句话说，该数据揭示了陶瓷抗介电击穿性能的提高主要依靠于氧化铝量的增加。相信其它变量例如SiO2∶RO比例(这个实施例中RO为CaO+MgO)、CaO∶RO比例和氧化锆的量对介电击穿不具有如此显著的影响。然而，关于氧化锆含量的影响，由于没有观察到最大值或最小值，并随着增加氧化锆含量击穿性能提高，所以相信包括与那些测试样品相比更高氧化锆含量的氧化锆含量可提供有用的方式用以提高这些陶瓷介电击穿性能。相信根据本发明陶瓷配方可以重复获得高于41千伏的介电击穿阈值。
还对绝缘体在1000°F下进行分流电阻的测试。为了测试分流电阻，将绝缘体装配到火花塞中并除去接地电极。将火花塞安装在包括有导电接地的Inconel板的固定件中，Inconel板具有容纳火花塞壳的螺纹孔，并将固定件放置在电炉中。在每个火花塞终端放置电极，并具有通过炉门的导线。将炉加热到1000°F的温度，并使用型号6571A的Keithley电位计，在导电的接地Inconel板和终端导线间测试每个火花塞的电阻。在下表4中给出分流电阻测试的结果，以兆欧记录。
表4
  批号   样品#1   样品#2   样品#3   平均值
  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
在图3中说明平均分流电阻的主影响图。能看出，作为SiO2含量函数的分流电阻的图揭示出对分流电阻的最显著影响，该图以SiO2与RO比的形式(这个实施例中RO为CaO+MgO)表示。该图显示了当比例为1.0时具有对分流电阻最大的影响。相信氧化锆的量具有对分流电阻第二大影响，在测试样品中最高氧化锆含量约为0.3重量％时具有最大值。然而，由于没有观察到清楚的最大值或最小值，所以相信较高的氧化锆含量可提供更大的分流电阻值。在图中以CaO与RO比的形式表示的CaO含量，相信具有对分流电阻第三大影响，在比例约0.8时具有最大值。令人惊讶的是，与介电击穿测试不同的是，氧化铝含量没有显示出对分流电阻的显著影响。
考虑到SiO2与RO比值图的非线性，对SiO2与RO比值进行包括SiO2平方形式(squared term)的多次回归分析，初步分析揭示了Al2O3统计学上并不显著，所以从最终分析中除去这个变量。最终分析的结果显示了由回归得到的R平方值是0.98，说明了多次回归模型分析解释了分流电阻的98％可变性。
图4中的等值线图说明了基体组成对陶瓷分流电阻的影响。等值线图说明了在1000°F具有SiO2∶RO比值约1.0且CaO∶RO比值约0.8时获得约7000兆欧的分流电阻。此外，分流电阻对于SiO2∶RO摩尔比的变化比对于CaO∶RO摩尔比的变化更敏感。
相似的，图6说明了作为SiO2和CaO摩尔比函数的分流电阻的另一种等值线图，这与图4相似，该图被叠加在CaO、SiO2和MgO相平衡图的一部分之上。图5是CaO、SiO2和MgO三元相图的示意图，主要说明了本发明组成使用的和在图6中更详细描述的区域。用于图6叠加的相图可从American Ceramics Society，Columbus，Ohio获得。等值线图的最左边界描述了相平衡图的最左边界，其中CaO和SiO2量如所示变化，MgO为0。等值线图的最右边界由约0.8的Ca O与RO摩尔比划定，其中80％网络改性剂包括CaO和20％网络改性剂包括MgO。等值线图的下部和上部边界分别描述了SiO2与RO摩尔比为0.8和1.2。在等值线图线性边界内，显示了几条恒定分流电阻的部分椭圆的等值带。带范围是从约3500兆欧最高到至少7000兆欧。因此，等值线图揭示了本发明陶瓷材料组成能生产出在1000°F下具有至少1000兆欧，更优选的在1000°F下直到约7000兆欧的分流电阻的火花塞。
因此，图5和6证明：基于至此进行的和这里描述的实验，陶瓷分流电阻的最优值会沿着相平衡图中在CaO.SiO2和Cao.MgO.SiO2间延伸的相平衡线。基于这个实验，还相信这个发现可外推沿着CaO.SiO2和MgO.SiO2间的相平衡线完全穿过相平衡图。更具体的，相信在可被描述为具有SiO2与RO摩尔比在约0.8∶1-1.2∶1的上述线的带宽内存在优化的分流电阻。
基于以上的实验，已经确定了组分材料的优选范围。陶瓷材料包括约90-约99重量％的氧化铝，约0.01-约1重量％的锆基化合物，和1-10重量％的玻璃形成体和网络改性剂的氧化物混合物，其中玻璃形成体与网络改性剂优选的摩尔比在约0.8∶1-1.2∶1的范围。锆基化合物优选是氧化锆(ZrO2)，但也可包括各种有机和无机化合物和/或含有锆的配合物。本发明的含锆化合物可包括任何有机或无机化合物或配合物，其包含锆并在烧结陶瓷过程中能将锆引入氧化物混合物基体中、同时也提供与使用氧化锆作为含锆化合物时与这里的结果相一致的分流电阻和抗介电击穿性能。如这里已经说明的，可利用氧化锆作为本发明的含锆化合物。可使用其本身或与如这里描述的其它含锆化合物一起。相信本发明其它含锆化合物可包括例如，无机锆化合物例如原硅酸锆、硫酸锆、硝酸锆、磷化锆、硅化锆和硫化锆，以及各种含有锆的有机化合物和无机和有机配合物。含锆化合物应当含有相当于0.01-1.0重量％氧化锆的锆含量。此外，如Manning专利讨论的，锆化合物通常含有些作为杂质的铪。相信在本发明的全部范围内，当提及锆和氧化锆时，铪和氧化铪能分别在这里置换，并可使用锆基和铪基化合物的混合物代替锆基化合物。优选的，玻璃形成体是SiO2且网络改性剂是CaO、MgO、SrO和/或BaO，但也可包括碱金属氧化物例如Na2O、K2O和Li2O等。更具体的，网络改性剂优选由主要的CaO和次要的MgO组成。
更优选的材料范围包括陶瓷材料，陶瓷材料具有氧化铝约94-约97重量％、氧化锆约0.1-0.5重量％和玻璃形成体和网络改性剂的氧化物混合物约2.5-5.9重量％，其中所述玻璃形成体与网络改性剂的摩尔比在约0.9∶1-1.1∶1的范围，使得能用下面摩尔等式描述氧化物混合物：
(MgvCawSrxBay)O＝ZSiO2
(1)
其中V+W+X+Y＝1，0.8≤Z≤1.2，更优选的，其中0.9≤Z≤1.1。
更优选的范围包括陶瓷材料，该陶瓷材料具有氧化铝约95-约96.5重量％、氧化锆约0.25-0.35重量％和氧化物混合物约3.15-4.75重量％，其中网络改性剂包括约0.8摩尔份数的CaO和约0.2摩尔份数的MgO。网络改性剂包括约1.38-约1.95重量％CaO和约0.15-约0.43重量％MgO。玻璃形成体包括约1.87-约2.28重量％的SiO2。
在一个具体的实施方式中，陶瓷材料包括约95.67重量％的氧化铝、约0.31重量％的氧化锆和约3.94重量％的氧化物混合物。氧化物混合物包括约1.55重量％的CaO、约0.27重量％MgO和约2.12重量％的SiO2。
在另一个具体的实施方式中，陶瓷材料包括约95.55重量％的氧化铝、约0.31重量％的氧化锆、约2.04重量％的CaO、和约2.02重量％的SiO2，且没有MgO。
在又一个具体的实施方式中，陶瓷材料包括约95.84重量％的氧化铝、约2.05重量％的CaO、约2.03重量％的SiO2，且没有氧化锆。
如前讨论的，可添加例如Al2O3的网络中间体以生成铝硅酸盐玻璃以进一步阻止电荷载流子的移动。根据一个优选的实施方式，可添加约40重量％的Al2O3到氧化物混合物中。氧化物混合物也可是钙铝硅酸盐玻璃，钙铝硅酸盐玻璃具有最高为10重量％的MgO或作为网络改性剂添加的其它碱土氧化物。
考虑陶瓷也可包括各种杂质，例如总量最高为约0.01-0.50重量％的K2O、TiO2、P2O5、Fe2O3等。然而，典型的，这种杂质以总量约0.07-0.30重量％存在。
实验揭示了在800-1200°F的温度范围当SiO2与网络改性剂的摩尔比是约1∶1时，可获得分流电阻的最大值。此外，当CaO与RO比值约0.8和当氧化锆量是陶瓷约0.3重量％时，可优化分流电阻。
此外，相信当陶瓷形成并冷却时，氧化锆不仅提高陶瓷的机械强度，而且通过降低基体混合物的结晶化提高分流电阻。结晶相的形成会导致氧化物基体混合物电导率的提高，和伴随的分流电阻的降低。当氧化锆添加到陶瓷中时，至少部分氧化锆溶解于玻璃形成体和网络改性剂的混合物中，并降低其结晶性。因此，通过降低氧化物基体的结晶性，氧化锆的添加会增加分流电阻。但是，尽管添加了氧化锆，氧化物混合物基体中可含有一些结晶相。
本发明的陶瓷材料组成能够使火花塞在更高电压和更高操作温度下进行操作，这是由于在这样极端条件下的材料介电破坏的敏感度的减小和材料的分流电阻的增加，因此使得伴随的火花塞分流电阻的增加。
本发明的陶瓷材料组成是抗介电击穿的，由此，维持了材料电阻率的整体性，以提供具有高分流电阻的火花塞。
显而易见的，就上面技术而言，许多本发明的改变和变化是可能的。因此应该理解的是，在附加的权利要求范围内，发明的实施可与具体描述的操作不同。由权利要求限定本发明。

Claims (59)

1.一种陶瓷，包括
约90-约99重量％的氧化铝，作为主要Al2O3组分；
约0.01-约1重量％的含锆化合物；和
约1-约10重量％的氧化物混合物；
所述氧化物混合物包括
玻璃形成体，
网络改性剂，和
氧化铝；
其中所述玻璃形成体与所述网络改性剂的摩尔比在约0.8∶1-1.2∶1的范围。
2.权利要求1的陶瓷，包括：
约94-约97重量％的所述氧化铝；
约0.1-0.5重量％的所述含锆化合物；和
约2.5-5.9重量％的所述氧化物混合物，
其中所述玻璃形成体与所述网络改性剂的摩尔比为约0.9∶1-1.1∶1。
3.权利要求2的陶瓷，包括：
约95-约96.5重量％的所述氧化铝；
约0.25-0.35重量％的所述含锆化合物；和
约3.15-4.75重量％的所述氧化物混合物，
其中所述网络改性剂包括MgO、CaO、SrO、BaO、Na2O、K2O和Li2O的至少一种。
4.权利要求3的陶瓷，其中所述网络改性剂包括：
约0.7-0.9摩尔份数的CaO；和
约0.1-0.3摩尔份数的MgO。
5.权利要求4的陶瓷，其中所述网络改性剂包括：
约0.8摩尔份数的所述CaO；和
约0.2摩尔份数的所述MgO。
6.权利要求3的陶瓷，其中
所述网络改性剂包括：
约1.38-约1.95重量％CaO；和
约0.15-约0.43重量％MgO；和
所述玻璃形成体包括约1.87-约2.28重量％的SiO2。
7.权利要求6的陶瓷，包括
约95.67重量％的所述氧化铝；
约0.31重量％的所述含锆化合物；和
约3.94重量％的所述氧化物混合物。
8.权利要求7的陶瓷，其中所述氧化物混合物包括：
约1.55重量％的所述CaO；
约0.27重量％的所述MgO；和
约2.12重量％的所述SiO2。
9.权利要求8的陶瓷，还包括：总量约0.07-0.30重量％的Fe2O3、TiO2、P2O5和K2O的至少一种。
10.权利要求9的陶瓷，包括
最高为约0.04-0.20重量％的Fe2O3；
最高为约0.01-0.05重量％的TiO2；
最高为约0.01重量％的P2O5；
最高为约0.01-0.04重量％的K2O。
11.权利要求3的陶瓷，包括：
约95.55重量％的所述氧化铝；
约0.31重量％的包括氧化锆的所述含锆化合物；
约2.04重量％的CaO；和
约2.02重量％的SiO2。
12.权利要求11的陶瓷，还包括：
最高为约0.01重量％的K2O；
最高为约0.02重量％的TiO2；
最高为约0.01重量％的P2O5；和
最高为约0.03重量％的Fe2O3。
13.权利要求1的陶瓷，其中
所述网络改性剂包括MgO、CaO、SrO和BaO的至少一种；
所述玻璃形成体包括SiO2；和
所述氧化物混合物用下面摩尔式描述
(MgvCawSrxBay)O·ZSiO2
其中V+W+X+Y＝1和0.8≤Z≤1.2。
14.权利要求1的陶瓷，其中
所述氧化物混合物包括钙铝硅酸盐玻璃；和
所述含锆化合物是约0.05-0.5％的ZrO2。
15.权利要求14的陶瓷，其中所述钙铝硅酸盐玻璃包括：
最高为约40重量％的氧化铝；
最高为约10重量％的MgO；和
约50-约99重量％的余量的CaO和SiO2。
16.权利要求15的陶瓷，其中所述SiO2占所述余量的CaO和SiO2的约40-约60重量％。
17.权利要求3的陶瓷，包括：
约95.84重量％的所述氧化铝；
约2.05重量％的CaO；和
约2.03重量％的SiO2。
18.权利要求17的陶瓷，还包括：
最高为约0.01重量％的K2O；
最高为约0.02重量％的TiO2；
最高为约0.01重量％的P2O5；和
最高为约0.03重量％的Fe2O3。
19.火花塞，包括：
中心电极；
金属壳；和
放置于所述中心电极和所述金属壳间的绝缘体，其中所述的绝缘体包括：
约90-约99重量％的氧化铝，作为主要Al2O3组分；
约0.01-约1重量％的含锆化合物；和
约1-约10重量％的氧化物混合物，所述氧化物混合物包括：
玻璃形成体，
网络改性剂，和
氧化铝；
其中所述玻璃形成体与所述网络改性剂的摩尔比在约0.8∶1-1.2∶1的范围。
20.权利要求19的火花塞，包括：
约94-约97重量％的所述氧化铝；
约0.1-0.5重量％的所述含锆化合物；
约2.5-5.9重量％的所述氧化物混合物，其中所述玻璃形成体与所述网络改性剂的摩尔比在约0.9∶1-1.1∶1的范围。
21.权利要求20的火花塞，包括：
约95-约96.5重量％的所述氧化铝；
约0.25-0.35重量％的所述含锆化合物；和
约3.15-4.75重量％的所述氧化物混合物，其中所述网络改性剂包括MgO、CaO、SrO、BaO、Na2O、K2O和Li2O的至少一种。
22.权利要求21的火花塞，其中所述网络改性剂包括：
约0.7-0.9摩尔份数的CaO；和
约0.1-0.3摩尔份数的MgO。
23.权利要求22的火花塞，其中所述网络改性剂包括：
约0.8摩尔份数的所述CaO；和
约0.2摩尔份数的所述MgO。
24.权利要求21的火花塞，其中所述网络改性剂包括：
约1.38-约1.95重量％CaO；
约0.15-约0.43重量％MgO；和
所述玻璃形成体包括约1.87-约2.28重量％的SiO2。
25.权利要求24的火花塞，包括：
约95.67重量％的所述氧化铝；
约0.31重量％的所述含锆化合物；和
约3.94重量％的所述氧化物混合物。
26.权利要求25的火花塞，其中所述氧化物混合物包括：
约1.55重量％的所述CaO；
约0.27重量％的所述MgO；和
约2.12重量％的所述SiO2。
27.权利要求26的火花塞，还包括：总量约0.07重量％的Fe2O3、TiO2、P2O5和K2O的至少一种。
28.权利要求27的火花塞，包括：
最高为约0.04重量％的Fe2O3；
最高为约0.01重量％的TiO2；
最高为约0.01重量％的P2O5；和
最高为约0.01重量％的K2O。
29.权利要求21的火花塞，包括：
约95.55重量％的所述氧化铝；
约0.31重量％的包括氧化锆的所述含锆化合物；
约2.04重量％的CaO；和
约2.02重量％的SiO2。
30.权利要求29的火花塞，还包括：
最高为约0.01重量％的K2O；
最高为约0.02重量％的TiO2；
最高为约0.01重量％的P2O5；和
最高为约0.03重量％的Fe2O3。
31.权利要求19的火花塞，其中
所述网络改性剂包括MgO、CaO、SrO、BaO、Na2O、K2O和Li2O的至少一种；
所述玻璃形成体包括SiO2；和
所述氧化物混合物用下面摩尔式描述
(MgvCawSrxBay)O·ZSiO2
其中V+W+X+Y＝1和0.8≤Z≤1.2。
32.权利要求19的火花塞，其中
所述氧化物混合物是钙铝硅酸盐玻璃；和
所述含锆化合物是约0.05-0.5％的ZrO2。
33.权利要求32的火花塞，其中所述钙铝硅酸盐玻璃包括：
最高为约40重量％的氧化铝；
最高为约10重量％的MgO；和
约50-约99重量％的余量的CaO和SiO2。
34.权利要求33的火花塞，其中所述SiO2占所述余量的CaO和SiO2的约40-约60重量％。
35.权利要求21的火花塞，包括：
约95.84重量％的所述氧化铝；
约2.05重量％的CaO；和
约2.03重量％的SiO2。
36.权利要求35的火花塞，还包括：
最高为约0.01重量％的K2O；
最高为约0.02重量％的TiO2；
最高为约0.01重量％的P2O5；和
最高为约0.03重量％的Fe2O3。
37.火花塞，包括：
金属壳；
中心电极；
绝缘体，该绝缘体放置在所述金属壳中并具有将所述中心电极放置于其中的中心腔，所述绝缘体包括氧化铝并具有在1000°F下大于1000兆欧的分流电阻，
所述绝缘体包括作为主要Al2O3组分的氧化铝、锆和约1-约10重量％的氧化物混合物，所述氧化物混合物包括：
玻璃形成体；
网络改性剂；和
氧化铝；
其中所述玻璃形成体与所述网络改性剂的摩尔比在约0.8∶1-1.2∶1的范围。
38.权利要求37的火花塞，其中所述的绝缘体包括：
约90-99重量％的氧化铝；和
约0.01-1重量％的含锆化合物；
39.权利要求38的火花塞，包括：
约94-约97重量％的所述氧化铝；
约0.1-0.5重量％的所述含锆化合物；
约2.5-5.9重量％的所述氧化物混合物，其中所述玻璃形成体与所述网络改性剂的摩尔比为约0.9∶1-1.1∶1。
40.权利要求39的火花塞，包括：
约95-约96.5重量％的所述氧化铝；
约0.25-0.35重量％的所述含锆化合物；和
约3.15-4.75重量％的所述氧化物混合物，其中所述网络改性剂包括MgO、CaO、SrO、BaO、Na2O、K2O和Li2O的至少一种。
41.权利要求40的火花塞，其中所述网络改性剂包括：
约0.7-0.9摩尔份数的CaO；和
约0.1-0.3摩尔份数的MgO。
42.权利要求41的火花塞，其中所述网络改性剂包括：
约0.8摩尔份数的所述CaO；和
约0.2摩尔份数的所述MgO。
43.权利要求40的火花塞，其中所述网络改性剂包括：
约1.38-约1.95重量％CaO；
约0.15-约0.43重量％MgO；和
所述玻璃形成体包括约1.87-约2.28重量％的SiO2。
44.权利要求43的火花塞，包括：
约95.67重量％的所述氧化铝；
约0.31重量％的所述含锆化合物；和
约3.94重量％的所述氧化物混合物。
45.权利要求44的火花塞，其中所述氧化物混合物包括：
约1.55重量％的所述CaO；
约0.27重量％的所述MgO；和
约2.12重量％的所述SiO2。
46.权利要求45的火花塞，还包括：总量约0.07重量％的Fe2O3、TiO2、P2O5和K2O的至少一种。
47.权利要求46的火花塞，包括：
最高为约0.04重量％的Fe2O3；
最高为约0.01重量％的TiO2；
最高为约0.01重量％的P2O5；和
最高为约0.01重量％的K2O。
48.权利要求40的火花塞，包括：
约95.55重量％的所述氧化铝；
约0.31重量％的包括氧化锆的所述含锆化合物；
约2.04重量％的CaO；和
约2.02重量％的SiO2。
49.权利要求48的火花塞，还包括：
最高为约0.01重量％的K2O；
最高为约0.02重量％的TiO2；
最高为约0.01重量％的P2O5；和
最高为约0.03重量％的Fe2O3。
50.权利要求38的火花塞，其中所述网络改性剂包括MgO、CaO、SrO、BaO、Na2O、K2O和Li2O的至少一种；
所述玻璃形成体包括SiO2；和
所述氧化物混合物用下面摩尔式描述
(MgvCawSrxBay)O·ZSiO2
其中V+W+X+Y＝1和0.8≤Z≤1.2。
51.权利要求38的火花塞，其中所述氧化物混合物是钙铝硅酸盐玻璃；和
所述含锆化合物是约0.05-0.5％的ZrO2。
52.权利要求51的火花塞，其中所述钙铝硅酸盐玻璃包括：
最高为约40重量％的氧化铝；
最高为约10重量％的MgO；和
约50-约99重量％的余量的CaO和SiO2。
53.权利要求52的火花塞，其中所述SiO2占所述余量的CaO和SiO2的约40-约60重量％。
54.权利要求40的火花塞，包括：
约95.84重量％的所述氧化铝；
约2.05重量％的CaO；和
约2.03重量％的SiO2。
55.权利要求54的火花塞，还包括：
最高为约0.01重量％的K2O；
最高为约0.02重量％的TiO2；
最高为约0.01重量％的P2O5；和
最高为约0.03重量％的Fe2O3。
56.权利要求37的火花塞，其中所述绝缘体在1000°F下具有大于4千兆欧姆的分流电阻。
57.权利要求56的火花塞，其中所述绝缘体在1000°F下具有大于5千兆欧姆的分流电阻。
58.权利要求57的火花塞，其中所述绝缘体在1000°F下具有大于6千兆欧姆的分流电阻。
59.权利要求58的火花塞，其中所述绝缘体在1000°F下具有至少7千兆欧姆的分流电阻。
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