CN102119133B - 模制件、加热装置及用于制造模制件的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种模制件(30)，该模制件(30)具有包含电瓷材料的第一区域(10)和包含结构陶瓷材料的第二区域(20)。另外，公开了一种带有该模制件的加热装置。另外，提供了一种用于制造模制件的方法。

Description

模制件、加热装置及用于制造模制件的方法
技术领域
本发明涉及模制件 包括该模制件的加热装置及用于制造该模制件的方法。
背景技术
介质(例如流体)可借助于与材料(其具有电阻的正温度系数(PTC材料))的热接触来加热。这种PTC材料迄今可成形(ausformen)为由PTC材料制成的圆盘或者矩形元件。
发明内容
待实现的目的在于，提供一种模制件，其具有高的机械强度和化学稳定性，并且包含带有PTC特性的材料。本目的通过根据专利权利要求1的模制件来实现。模制件、包括模制件的加热装置及用于制造模制件的方法的其它的实施形式为其它专利权利要求的对象。
根据一种实施形式提供这样的模制件，即，其包括第一区域、第二区域及在第一区域和第二区域之间的边界区域。第一区域具有带有电阻的正温度系数的电瓷(elektrokeramisch)材料，并且第二区域具有结构陶瓷(strukturkeramisch)材料。在边界区域中电瓷材料和结构陶瓷材料彼此烧结。因此，提供了单件式的模制件，在其中存在由电瓷材料与结构陶瓷材料组成的复合材料(Materialverbund)。所以，纯成型的(formgebend)或者成型的和功能性的成分可结合在一个模制件中。
另外，模制件的第一区域的电瓷材料可具有钙钛矿结构(Perowskitstruktur)。电瓷材料可具有结构Ba1-x-yMxDyTi1-a-bNaMnbO3。在此，x从0至0.5的范围中选择，y从0至0.01的范围中选择，a从0至0.01的范围中选择，并且b从0至0.01的范围中选择。M可包含二价阳离子(Kation)，D可包含三价或四价供体(Donor)，并且N包含五价或六价阳离子。M例如可为钙，锶(Strontium)或铅，D例如可为钇(Yttrium)或镧(Lanthan)。例如对于N，为铌(Niob)或锑(Antimon)。电瓷材料可包含金属的杂质，其以少于10ppm的含量存在。金属的杂质的含量如此微小，从而使得电瓷材料的PTC特性不受影响。
另外，在模制件中的电瓷材料可具有居里温度(Curie-Temperatur)，其包含从-30℃至340℃的范围。另外，电瓷材料可在25℃中具有位于3Ωcm至100000Ωcm的范围中的单位阻值。
通过使用带有电阻的正温度系数的电瓷材料，模制件具有第一区域，其通过电压的施加来加温，并且该热量可释放到环境处。在此，该区域具有自身调节的特性。如果第一区域中的温度达到临界值，那么该区域中的阻值同样升高，从而使得，较小的电流流经第一区域。因此，阻碍了第一区域被进一步加热，从而使得不必提供发热量(Heizleistung)额外的电子的调节。
模制件的第二区域的结构陶瓷材料可包含氧化物陶瓷。氧化物陶瓷可从这样的组中来选择，即，该组包含ZrO2，Al2O3和MgO。其它氧化物陶瓷的应用一样是可能的。氧化物陶瓷例如相对于磨蚀具有高的机械强度以及例如相对于酸和碱具有高的化学抗性。另外，它是对于食品安全的(lebensmittelecht)，并且可因此毫无顾虑地与材料(例如待加热的介质)接触，该介质不允许被污染。
如果该模制件例如应用在加热装置中，那么模制件的第二区域可如此来成型，即其在这样的部位处存在，在该部位处其与待加热的介质接触，并且/或者在该部位处出现高的磨蚀。
所以提供一种模制件，在其中实现了在第一区域中的电功能与在第二区域中的机械上稳定的结构性的成分分离。
另外，模制件可借助于注塑(Spritzguss)来制造，并且因此以各种几何的形状(其对于相应的结构的环境是必要的)来成型。如果模制件在加热装置中应用，则因此第一区域可同样如此地来成型，即其可布置在结构上难接近的区域处。所以，例如介质可高效地利用非常短的加热时间和较低的发热量来加热。
另外，第一区域、第二区域及边界区域可具有彼此间相差小于2*10-6/K的热膨胀系数。因此选取一种材料组合，其在第一区域和第二区域之间的边界区域中具有合适的相(Phase)。“相”可包含由电瓷和结构陶瓷材料制成的混晶。当作为结构陶瓷材料选取氧化锆时，这种混晶可例如为钡-铅-锆钛酸盐。在Al2O3或MgO作为结构陶瓷材料时，该混晶可相应地为钡-铝-钛酸盐或钡-镁-钛酸盐。混晶视与第一区域和第二区域间的距离流畅地(fliessend)过渡到电瓷材料和结构陶瓷材料中。“合适的”就此而论理解为，边界区域具有与邻接的区域类似的膨胀系数。在第一区域、第二区域及边界区域中所使用的材料的膨胀系数可如此地相互匹配，即在加温时不导致应力裂纹的生成。
另外，模制件的边界区域可阻碍电瓷材料和结构陶瓷材料的组分的扩散。组分例如可为阴离子或阳离子，其在电瓷材料或者结构陶瓷材料中存在。因此，避免了第一区域和第二区域功能和/或结构的特性的相互间的损害。
另外，提供了一种加热装置，其包含带有上面提到的特性的模制件。该加热装置可包含模制件，在其上布置有电接触部(Kontaktierung)以用于在模制件中产生电流。在此，模制件的第一区域可设有电接触部。因此，在模制件的第一区域中产生了电流。
利用加热装置(其包含第一功能区域和第二结构区域)可实现待加热的介质和电瓷材料的分离。因此，加热装置的承受机械或者磨蚀载荷的区域从电功能中脱离。通过在第二区域中使用结构陶瓷材料，介质可同样被加热，该介质不允许被污染。通过在第一区域和待加热的介质之间存在第二区域的方法，可同样阻止由于待加热的介质引起的第一区域的组分的分解。
另外提供了一种用于制造模制件的方法。该方法包含方法步骤
A)提供电瓷的原材料，
B)提供结构陶瓷的原材料，
C)制造生坯 其包含包括电瓷的原材料的第一区域和包括结构陶瓷的原材料的第二区域，并且
D)烧结生坯以用于制造模制件，其中，电瓷的原材料转变成带有电阻的正温度系数的电瓷材料。
利用这种方法，可在模制工艺中提供一种单件式的模制件，其具有带有功能特性和带有结构特性的区域。通过区域的共同的制造避免了，以形状配合的方式制造多个单独的构件，以及相互的固定。通过电瓷的原材料和结构陶瓷的原材料的共同的成型以及共同的脱黏合(Entbindern)和烧结，在模制件形成至少两个区域，其具有所希望的电特性和机械特性，以彼此形状配合的方式布置，并且彼此烧结。
在方法步骤A)中，提供了电瓷的原材料，其具有这样的结构，即，该结构具有分子式Ba1-x-yMxDyTi1-a-bNaMnbO3。在此，x包含0至0.5的范围，y包含0至0.01的范围，a包含0至0.01的范围，b包含0至0.01的范围，M包含二价阳离子(Kation)，D包含三价或四价供体，并且N包含五价或六价阳离子。该原材料可转变成带有电阻的正温度系数的电瓷材料，并具有钙钛矿结构。
为了制造带有小于10ppm的金属的杂质的电瓷的原材料，其可利用工具来制造，这些工具具有坚硬的涂层，以便避免磨蚀。坚硬的涂层例如由碳化钨(Wolframcarbid)制成。工具的所有的表面(其与电瓷的原材料处于接触)可涂有坚硬的涂层。
以这种方式，电瓷的原材料(其可通过烧结转变成电瓷的PTC材料)与基体(Matrix)混合，并且加工成颗粒。该颗粒可注塑以用于进一步加工。
在此，该基质(电瓷的原材料装入到其中，并且具有较低的熔点)作为电瓷的原材料可具有相对于电瓷的原材料小于20％(按质量计算)的份额。该基质可包含这样的材料，即，其从下列的组中来选择，该组包含蜡、树脂、热塑性塑料及水溶性的聚合物。其它的添加物，如抗氧化剂或者软化剂可同样存在。
另外，在方法步骤B)中结构陶瓷的原材料可与一种基质混合，并加工成颗粒，其可注塑用于深度加工。
在此，该基质(结构陶瓷的原材料装入到其中，并且具有较低的熔点)作为结构陶瓷的原材料可具有相对于结构陶瓷的原材料小于20％(质量分数)的份额。该基质可包含一种材料，其从组中来选择，其包含蜡、树脂、热塑性塑料及水溶性的聚合物。其它的添加物，如抗氧化剂或者软化剂可同样存在。
在方法步骤D)中的烧结期间，电瓷的原材料转变成模制件的电瓷材料(其具有电阻的正温度系数)，并且结构陶瓷的原材料转变成模制件的结构陶瓷材料，并且移除基质。
作为结构陶瓷的原材料可选取这样的材料，即，其可通过烧结转变成氧化物陶瓷，其从下列的组中来选择，即，该组包含ZrO2，Al2O3及MgO。
在电瓷的原材料和结构陶瓷的原材料的选择时，应在成型特性和烧结条件方面实现协调。例如，材料应在类似的最大的温度，保持时间和冷却梯度的情形下来烧结。为了在相同的工艺中实现电瓷的原材料和结构陶瓷的原材料的共同的烧结，在电瓷的原材料中通过合适的措施来提高烧结温度，并在结构陶瓷的原材料中通过合适的措施来降低烧结温度。合适的措施例如为向电瓷的原材料中添加带有钙、锶、铅或锆的氧化物，或向结构陶瓷的原材料中添加带有来自碱、碱土金属、氧化钛或氧化硅的组的元素的氧化物，例如带有钇、钙或铈的氧化物。因此，电瓷的原材料和结构陶瓷的原材料的物理参数可如此地修改，即为了两种材料的加工可达到共同的工艺窗口(Prozessfenster)。
在方法步骤A)和B)中，电瓷的原材料和结构陶瓷的原材料例如可如此地来选择，即，其具有相差小于2*10-6/K的膨胀系数。在方法步骤D)中的共同的烧结时，在两种材料之间形成边界区域，在其中电瓷材料和结构陶瓷材料彼此间烧结。为此，在烧结期间在边界区域中不形成多余的份额的低熔点的共晶体。所以，保证了模制件的足够的形状稳定性。
在方法步骤C)中可使用这样的成型方法，即，其从注塑、多层挤压(Mehrlagenpressen)及薄膜铸塑(Foliengieβen)中选择。借助于注塑，例如可以任意的成形来提供模制件，其可与相应的条件和结构的环境相匹配。
附图说明
还借助于附图和实施例进一步解释本发明。
图1显示了加热装置的一种实施形式的示意性的侧视图，
图2显示了加热装置的第二实施形式的示意性的透视图。
具体实施方式
图1显示了加热装置的第一实施形式的示意性的侧视图。该加热装置包括第一区域10和第二区域20，这两个区域共同形成了模制件30。在第一区域10处布置有两个电接触部40和45，其可通过电端子15(Anschluss)来接通。第一区域10和第二区域20彼此间烧结，以使得两个区域彼此间的额外的固定不是必要的，并且模制件30以单件的方式来成型。
区域10包括结构Ba1-x-yMxDyTi1-a-bNaMnbO3的电瓷材料，其另外掺杂有稀土元素(seltenen Erde)，例如钙，锶，铅或锆。利用这种电瓷材料，第一区域具有电阻的正温度系数。
第二区域20可包含结构陶瓷材料，例如氧化物陶瓷，其可同样地掺杂有来自碱、碱土金属、钛或硅的组的元素，例如钇、钙或铈。
因此，在单件式的模制件30中，结构陶瓷材料的机械的和化学的耐受能力与电瓷材料的电功能相组合。在模制件30的制造时，使用共同的接合工艺(CIM，陶瓷注塑)，以便连接在热膨胀系数方面协调的电瓷材料和结构陶瓷材料。在此，热膨胀系数必须在从1260℃(在该温度下存在由固态BaTiO3和液态的BaTiSiO5构成的混合物)直至室温(即同样在液相烧结温度之下)的整个温度区域上具有差异，该差异小于2*10-6/K，这可通过相应的材料的掺杂来实现。依赖于成分，电瓷材料和结构陶瓷材料的液相可在940℃至1670℃的温度中出现。
在带有大的应力的临界的温度区域中，陶瓷材料应缓慢地(例如以每分钟0.2℃)来冷却。在此，该临界温度区域位于室温和1260℃之间。
为了实现结构陶瓷材料的直至99％的密度的烧结性能，可在烧结工艺之前使用小于1μm的颗粒尺寸，或使用烧结助剂，例如SiO2，TiO2或FeO。就此，在小于120分钟的烧结时间的情形下，小于1400℃的烧结温度是可能的。
当电瓷材料包含铅成分时，可应用低于1300℃的非常低的烧结温度，以便在结构陶瓷材料中阻碍铅的积聚。
在电瓷和/或结构陶瓷材料中的黏合剂成分以及挤压力或接合力在脱黏合和烧结期间调节到类似的收缩值(Schrumpfwert)，这导致了超过1％(按重量计算)的黏合剂成分。
图2显示了加热装置的第二实施形式的示意性的透视图。这里，第一区域10和第二区域20(它们共同形成了模制件30)成型为管道，其中，第一区域10包围第二区域20。在第一区域10的两个端面处存在有电接触部40和45。电端子15(通过其使接触部40和45接通)在这里由于简要性未示出。通过这种管道，例如可输送介质，其在施加有电压时通过第一区域来加热，而第二区域20在介质流动经过该管道期间提供模制件30的机械的和化学的稳定性。待加热介质的污染或者由于该介质引起的第一区域的损坏是被阻止的，因为第二区域20在待加热介质和第一区域10之间存在。
在附图和实施例中所示出的实施形式可随意地变化。另外，必须考虑到的是，本发明不局限于这些例子，而允许其它在这里未实施的设计方案。
参考附图标识
10第一区域
15电端子
20第二区域
30模制件
40电接触部
45电接触部

Claims (14)

1.一种模制件(30)，包含：
- 第一区域(10)，所述第一区域具有带有电阻的正温度系数的电瓷材料并具有钙钛矿结构，
- 第二区域(20)，所述第二区域具有结构陶瓷材料，以及
- 在所述第一区域(10)和所述第二区域(20)之间的边界区域，在所述边界区域中所述电瓷材料和所述结构陶瓷材料彼此烧结，并且所述边界区域阻碍所述电瓷材料和所述结构陶瓷材料的组分的扩散；
- 且其中所述第一区域(10)和所述第二区域(20)以形状配合的方式布置，所述第二区域在待加热介质和所述第一区域之间存在。
2.根据权利要求1所述的模制件(30)，其特征在于，所述电瓷材料具有结构Ba1-x-yMxDyTi1-a-bNaMnbO3，其中，x = 0至0.5，y = 0至0.01，a = 0至0.01，b = 0至0.01，M包含二价阳离子，D包含三价或四价供体，并且N包含五价或六价阳离子。
3.根据前述权利要求中任一项所述的模制件(30)，其特征在于，所述电瓷材料具有居里温度，所述居里温度包含-30°C至340°C的范围。
4.根据前述权利要求中任一项所述的模制件(30)，其特征在于，所述电瓷材料在25°C时具有在3 Ωcm至100000 Ωcm的范围中的单位阻值。
5.根据前述权利要求中任一项所述的模制件(30)，其特征在于，所述结构陶瓷材料具有氧化物陶瓷。
6.根据权利要求5所述的模制件(30)，其特征在于，所述氧化物陶瓷从这样的组中选择，即，所述组包含ZrO2、Al2O3及MgO。
7.根据前述权利要求中任一项所述的模制件(30)，其特征在于，所述第一区域(10)、所述第二区域(20)及所述边界区域具有相差小于2*10-6/K的热膨胀系数。
8.一种加热装置，包含根据权利要求1至7的任一项所述的模制件(30)。
9.根据权利要求8所述的加热装置，其特征在于，在所述模制件(30)上布置有电接触部(40)以用于在所述模制件(30)中产生电流。
10.根据权利要求9所述的加热装置，其特征在于，所述模制件(30)的第一区域(10)设有所述电接触部(40)。
11.根据权利要求10所述的加热装置，其特征在于，仅所述模制件(30)的第一区域设有电接触部。
12.一种用于制造如权利要求1－7的任一项所述的模制件(30)的方法，带有方法步骤：
A) 提供电瓷的原材料，
B) 提供结构陶瓷的原材料，
C) 制造生坯，所述生坯包括包含所述电瓷的原材料的第一区域(10)和包含所述结构陶瓷的原材料的第二区域(20)，所述第二区域在待加热介质和所述第一区域之间存在，并且
D) 烧结所述生坯以用于制造所述模制件(30)，其中，所述电瓷的原材料转变成带有电阻的正温度系数的电瓷材料并具有钙钛矿结构。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述方法步骤A)和B)中，选择了这样的电瓷的原材料和结构陶瓷的原材料，即，其具有相差小于2*10-6/K的膨胀系数。
14.根据权利要求12或13中任一项所述的方法，其特征在于，在所述方法步骤C)中使用了这样的成型方法，即，所述成型方法可从注塑、多层挤压及薄膜铸塑中选择。
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