CN104529408A

CN104529408A - 一种氧化铝基火花塞绝缘材料及其制备方法

Info

Publication number: CN104529408A
Application number: CN201410804151.2A
Authority: CN
Inventors: 吴涵
Original assignee: NINGBO DIYANG ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: NINGBO DIYANG ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-12-13
Filing date: 2014-12-13
Publication date: 2015-04-22

Abstract

本发明提供了一种氧化铝基火花塞绝缘材料及其制备方法，包括以下步骤：将氧化铝粉末、二氧化硅粉末、碳酸镁粉末、碳酸钙粉末份、碳酸钡粉末、氧化镧粉末、氧化钇粉末份、氧化钪粉末和氧化钛粉末加入球磨机中，利用氧化铝球进行混合和粉碎，然后在氮气和氧气的混合气氛下加热，无重力混合，过滤成型，烧结后得到氧化铝基火花塞绝缘材料。本发明采用无重力混合方法使原料粉末的分散性更加均匀，通过Si-Al-La共生得到的La-β-氧化铝晶相，减小玻璃相区域，使氧化铝基烧结体具有更强的高温耐电压特性；氧化钪与SiO₂共融附生在细小颗粒边缘形成Sc₂Si₂O₇难熔相，提高了氧化铝基烧结体的高温耐高气压性能。

Description

一种氧化铝基火花塞绝缘材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及火花塞绝缘材料技术领域，尤其涉及一种氧化铝基火花塞绝缘材料及其制备方法。

背景技术

火花塞(spark plugs)与点火系统和供油系统配合使发动机作功，在很大程度上共同决定着发动机的性能，是现代发动机必不可少的配件。火花塞的作用是将点火线圈产生的高压电引入发动机的燃烧室内，在其电极间隙中形成高能电火花，点燃压缩的混合气体，使发动机工作。火花塞绝缘体是火花塞的关键部分，如果绝缘体不合格，那么火花塞点火所用的高压电便可能无法顺利到达火花塞电极，而导致无火花现象。

一般而言，火花塞绝缘体所采用的是绝缘陶瓷材料，而绝缘陶瓷材料的导电性会随着温度的升高而逐渐增大。现今火花塞的工作温度一般在600～700℃，有些时候甚至能超过1000℃。除了高温以外，火花塞的工作环境还具有高气压、高电压、强烈的化学腐蚀等特点，因此对火花塞绝缘体材料的选择是极为苛刻的。火花塞绝缘体材料要求能够耐高电压、耐高温冲击、耐强化学腐蚀，并且还需要具有良好的机械性能。

目前，火花塞绝缘体材料主要采用氧化铝基的绝缘陶瓷，其一般具有优良的耐热性、机械强度以及耐电压特性的氧化铝基烧结体。在氧化铝基烧结体的制备过程中，通常利用二氧化硅(SiO₂)、氧化钙(CaO)以及氧化镁(MgO)的三组分体系烧结助剂来降低烧制温度以及改善氧化铝的可烧结性。然而，利用上述三组分体系烧结助剂有个巨大的缺陷，即该三组分体系烧结助剂(主要是硅组分)在烧结之后，在氧化铝晶粒晶界中作为低熔点玻璃相存在。在火花塞的工作环境下，由氧化铝基烧结体构筑的火花塞绝缘体处于约700℃氛围中，上述低熔点玻璃相不可避免地会发生软化，并最终导致绝缘体本身的耐电压性减弱，以及整体的机械强度不均匀。

针对上述低熔点玻璃相的影响，可以简单地采取减少烧结助剂的添加量来缓解。但如此一来，氧化铝烧结体的可烧结性变差，所需烧结温度要提高，生产成本大大提高，并且不利于资源的有效利用。更为重要的是，简单地采取减少烧结助剂，常不可避免地增大氧化铝基烧结体中的气孔率，即理论密度比的降低，或者说氧化铝基烧结体未被致密化。火花塞的工作条件即高电压瞬间放电，若以上述未致密化的氧化铝基烧结体作为绝缘体使用，则在高电压条件下，强电场会集中在残留气孔中，可能激发强烈的空气电离，而导致绝缘体击穿。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种氧化铝基火花塞绝缘材料及其制备方法，具有良好的高温耐高气压和高温耐高电压性能。

有鉴于此，本发明提供了一种氧化铝基火花塞绝缘材料，采用如下原料制备：

氧化铝粉末95～97重量份，二氧化硅粉末1～3重量份，碳酸镁粉末0.5～1重量份，碳酸钙粉末0.2～0.5重量份，碳酸钡粉末0.2～0.5重量份，氧化镧粉末0.1～0.5重量份，氧化钇粉末0.2～0.5重量份，氧化钪粉末0.1～0.5重量份，氧化钛粉末0.1～0.3重量份。

相应的，本发明还提供一种氧化铝基火花塞绝缘材料的制备方法，包括以下步骤：

将氧化铝粉末95～97重量份、二氧化硅粉末1～3重量份、碳酸镁粉末0.5～1重量份、碳酸钙粉末0.2～0.5重量份、碳酸钡粉末0.2～0.5重量份、氧化镧粉末0.1～0.5重量份、氧化钇粉末0.2～0.5重量份、氧化钪粉末0.1～0.5重量份和氧化钛粉末0.1～0.3重量份加入球磨机中，利用氧化铝球进行混合和粉碎，球磨时间为10～14h，得到第一混合物料；

将第一混合物料在氮气和氧气的混合气氛下加热至300℃，无重力混合后得到第二混合物料；

将所述第二混合物料过滤成型，烧结后得到氧化铝基火花塞绝缘材料。

优选的，采用如下原料：

氧化铝粉末95.5～96.5重量份、二氧化硅粉末1.5～2.5重量份、碳酸镁粉末0.5～1重量份、碳酸钙粉末0.2～0.5重量份、碳酸钡粉末0.2～0.5重量份、氧化镧粉末0.2～0.5重量份、氧化钇粉末0.2～0.5重量份、氧化钪粉末0.2～0.5重量份和氧化钛粉末0.1～0.3重量份。

优选的，，所述球磨机为QM-3B高速振动球磨机。

优选的，所述氧化铝球的直径为10mm。

优选的，所述得到第二混合物料的步骤具体为：

将第一混合物料加入可加热气氛控制无重力混合机中，控制进气组成为氮气和氧气，进气速率为0.5L/h，加热温度为300℃，得到第二混合物料。

优选的，所述可加热气氛控制无重力混合机按照如下方法制备：

在无重力混合机表面安装进气阀、出气阀和加热配件，通过所述进气阀通入氮气和氧气的混合气体。

优选的，所述氮气和氧气的体积比为90～95∶5～10。

优选的，，所述无重力混合的混合时间为0.5h～2h。

优选的，烧结温度为1500～1600℃，烧结时间为2～10h。

本发明提供了一种氧化铝基火花塞绝缘材料及其制备方法，包括以下步骤：将氧化铝粉末95～97重量份、二氧化硅粉末1～3重量份、碳酸镁粉末0.5～1重量份、碳酸钙粉末0.2～0.5重量份、碳酸钡粉末0.2～0.5重量份、氧化镧粉末0.1～0.5重量份、氧化钇粉末0.2～0.5重量份、氧化钪粉末0.1～0.5重量份和氧化钛粉末0.1～0.3重量份加入球磨机中，利用氧化铝球进行混合和粉碎，然后在氮气和氧气的混合气氛下加热至300℃，无重力混合，过滤成型，烧结后得到氧化铝基火花塞绝缘材料。与现有技术相比，本发明采用无重力混合方法使原料粉末的分散性更加均匀，通过Si-Al-La共生得到的La-β-氧化铝晶相，有效地减小氧化铝基烧结体中玻璃相区域，从而使氧化铝基烧结体具有更强的高温耐电压特性；所添加的氧化钪作为增密剂，与SiO₂共融附生在细小颗粒边缘形成Sc₂Si₂O₇难熔相，减小了SiO₂玻璃相的存在，提高了氧化铝基烧结体的高温耐高气压性能。再次，通过预热无重力处理，减少了原料粉末中的硫、磷的含量，有效地改善了氧化铝基烧结体的结构连续性，有效地提高了氧化铝基烧结体的抗高压性能；通过加入氧化钛作为原料，使烧结体表面更加光滑，从而降低积碳对火花塞绝缘体的影响。

附图说明

图1为本发明采用的可加热气氛控制无重力混合机结构示意图；

图2为本发明实施例1、2、3烧结得到的三种氧化铝基烧结体的高温断裂强度测试结果；

图3为实施例1、2、3制备的三种氧化铝基烧结体的在700℃高温抗压试验得到的应力-应变曲线。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种氧化铝基火花塞绝缘材料的制备方法，包括以下步骤：

将所述第二混合物料过滤成型，烧结后得到氧化铝烧结体，即氧化铝基火花塞绝缘材料。

在上述制备过程中，针对普通氧化铝基烧结体低熔点玻璃相的不利影响，本发明通过在原料选取以及混料工艺的基础上进行了相应的改进。

作为优选方案，所述氧化铝粉末的纯度优选为99.5％及以上，平均粒径优选为2.5～5μm；二氧化硅粉末的纯度优选为99.5％及以上，平均粒径优选为2.5～4μm；碳酸镁粉末的纯度优选为99.5％及以上，平均粒径优选为5～10μm；碳酸钙粉末的纯度优选为为99.5％及以上，平均粒径优选为2～3μm；碳酸钡粉末的纯度优选为99.5％及以上，平均粒径优选为5～10μm；氧化镧粉末的纯度优选为99.5％及以上，平均粒径优选为8～12μm；氧化钇粉末的纯度优选为99.5％及以上，平均粒径优选为1～3μm；氧化钪粉末的纯度优选为99.5％及以上，平均粒径优选为2～5μm；氧化钛粉末的纯度优选为99.5％及以上，平均粒径优选为2～5μm。

作为优选方案，本发明采用如下原料：氧化铝粉末95.5～96.5重量份、二氧化硅粉末1.5～2.5重量份、碳酸镁粉末0.5～1重量份、碳酸钙粉末0.2～0.5重量份、碳酸钡粉末0.2～0.5重量份、氧化镧粉末0.2～0.5重量份、氧化钇粉末0.2～0.5重量份、氧化钪粉末0.2～0.5重量份和氧化钛粉末0.1～0.3重量份。更优选的，采用如下原料：氧化铝粉末96重量份、二氧化硅粉末2重量份、碳酸镁粉末0.5重量份、碳酸钙粉末0.5重量份、碳酸钡粉末0.2重量份、氧化镧粉末0.25重量份、氧化钇粉末0.5重量份、氧化钪粉末0.25重量份和氧化钛粉末0.1重量份。

对于原料而言，所添加的氧化钪(Sc₂O₃)作为增密剂，可以与SiO₂共融附生在细小颗粒边缘形成Sc₂Si₂O₇难熔相，不仅进一步减小了SiO₂玻璃相的存在，并进一步提高氧化铝基烧结体的高温耐高气压性能。通过加入氧化钛作为烧结助剂，有助于使烧结体表面更加光滑，从而降低积碳对火花塞绝缘体的影响。本发明所述氧化铝基烧结体，通过无重力混合方法使原料粉末的分散性更加均匀，通过Si-Al-La共生得到的La-β-氧化铝晶相，可以有效地减小氧化铝基烧结体中玻璃相区域，从而使氧化铝基烧结体具有更强的高温耐电压特性。

按照本发明，所述球磨机优选为QM-3B高速振动球磨机；所述氧化铝球的直径优选为10mm；球磨时间优选为11～13h，更优选为12h，所述得到第二混合物料的步骤具体为：将第一混合物料加入可加热气氛控制无重力混合机中，控制进气组成为氮气和氧气，进气速率为0.5L/h，加热温度为300℃，得到第二混合物料。其中，所述可加热气氛控制无重力混合机如图1所示，按照如下方法制备：在普通无重力混合机表面安装进气阀、出气阀和加热配件，通过所述进气阀通入氮气和氧气的混合气体，所述氮气和氧气的体积比优选为90～95∶5～10；所述无重力混合的混合时间优选为0.5h～2h，更优选为1h～1.5h，确保混合料箱内原料粉末中的硫、磷等有害杂质可以得到脱除而不发生粉尘爆炸。

得到第二混合物后，优选利用液氮辅助加压过滤成型，以尽量减少成型品中的气孔量，然后在空气氛围中进行烧结，烧结温度优选为1500～1600℃，烧结时间优选为2～10h，更优选为4～8h，更优选为6h。

本发明通过预热无重力处理，尽量地减少了原料粉末中的硫、磷的含量，尤其是硫的含量，有效地改善了氧化铝基烧结体的结构连续性，从而有效地提高了氧化铝基烧结体的抗高压性能；另外，借助无重力混合机，可以将原料粉末混合地非常均匀，并且通过液氮辅助加压过滤成型，可以极大程度地减小成型品中的气孔含量，以此烧结出来的氧化铝基烧结体可以具有更优异的机械性能以及耐高温、耐高压性能。

本发明对制备的氧化铝烧结体分别进行高温断裂强度的测试和高温抗压性能测试，方法如下：

高温断裂强度的测试方法为：

参照GB/T232-2010金属材料弯曲试验方法，制备的氧化铝基烧结体试样为10mm×10mm×2mm，在试验进行高温断裂测试前均先至于试验温度下保温10min，使试样整体温度均匀，以保证试验结果的准确有效；然后使用WD-T1三点弯曲强度试验机，分别在500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃温度下测试试样的断裂强度，并绘制断裂强度-温度曲线。

高温抗压性能测试方法为：

制备的氧化铝烧结体试样为5mm×5mm×10mm，在高温抗压试验进行前，需要将试验在试验温度下保温10min，使试样整体温度均匀，以保证试验的有效性和准确性；高温抗压试验在动态热力模拟试验机Gleeble 1500D上进行，试验温度为700℃，绘制压力应力-应变曲线。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

本发明实施例采用的原料均为市购。

实施例1

烧制氧化铝基烧结体的原料粉末投料比为：氧化铝粉末95.5重量份，二氧化硅粉末2重量份，碳酸镁粉末0.5重量份，碳酸钙粉末0.4重量份，碳酸钡粉末0.4重量份，氧化镧粉末0.25重量份，氧化钇粉末0.5重量份，氧化钪0.25重量份，氧化钛粉末0.2重量份。

将上述原料粉末加入QM-3B高速振动球磨机中，并使用直径为10mm的氧化铝小球进行混合和粉碎，球磨时间为10h，球磨结束后出料。

将球磨结束的原料粉末加入图1所示的改进后的可加热气氛控制无重力混合机(体积3L)中，控制进气组成为氮气∶氧气＝9∶1(体积比)，控制进气速率为0.5L/h，加热温度300℃，混料时间为1h，以此尽量除去原料粉末中残留的硫、磷等对氧化铝基烧结体功能有害的物质。

将混合结束并冷却后的原料粉末出料，使用液氮辅助加压过滤成型，分别制10mm×10mm×2mm和5mm×5mm×10mm两种型号，以供性能测试所需，以尽量减少成型品中的气孔量，然后在空气氛围中进行烧结，烧结温度为1520℃，烧结时间为3h。

将本实施例制备的氧化铝烧结体编号为1#。

实施例2

烧制氧化铝基烧结体的原料粉末投料比为：氧化铝粉末96重量份，二氧化硅粉末2重量份，碳酸镁粉末0.5重量份，碳酸钙粉末0.5重量份，碳酸钡粉末0.2重量份，氧化镧粉末0.25重量份，氧化钇粉末0.5重量份，氧化钪0.25重量份，氧化钛粉末0.1重量份。

将球磨结束的原料粉末加入如图1所示改进后的可加热气氛控制无重力混合机(体积3L)中，控制进气组成为氮气∶氧气＝9∶1(体积比)，控制进气速率为0.5L/h，加热温度300℃，混料时间为1.5h，以此尽量除去原料粉末中残留的硫、磷等对氧化铝基烧结体功能有害的物质。

将混合结束并冷却后的原料粉末出料，使用液氮辅助加压过滤成型(分别制10mm×10mm×2mm和5mm×5mm×10mm两种型号，以供性能测试所需)，以尽量减少成型品中的气孔量，然后在空气氛围中进行烧结，烧结温度为1540℃，烧结时间为4h。

将本实施例制备的氧化铝烧结体编号为2#。

实施例3

烧制氧化铝基烧结体的原料粉末投料比为：氧化铝粉末96重量份，二氧化硅粉末1.5重量份，碳酸镁粉末0.5重量份，碳酸钙粉末0.5重量份，碳酸钡粉末0.5重量份，氧化镧粉末0.25重量份，氧化钇粉末0.5重量份，氧化钪0.25重量份，氧化钛粉末0.2重量份。

将球磨结束的原料粉末加入我们改进后的可加热气氛控制无重力混合机(体积3L)中，控制进气组成为氮气∶氧气＝9∶1(体积比)，控制进气速率为0.5L/h，加热温度300℃，混料时间为1.5h，以此尽量除去原料粉末中残留的硫、磷等对氧化铝基烧结体功能有害的物质。

将本实施例制备的氧化铝烧结体编号为3#。

实施例4

图2为实施例1、2、3烧结得到的三类氧化铝基烧结体的高温断裂强度测试结果，可以发现，由于本发明烧结体中玻璃相区域的大幅减少，并且原晶界玻璃相中形成Sc₂Si₂O₇以及各类稀土氧化物-Al₂O₃-SiO₂难熔相，故而本发明绝缘材料的断裂强度要大于未采用本发明技术的氧化铝基烧结体，并且本发明烧结体在高温区域的断裂性能，也足以满足中高端火花塞绝缘体的要求。

实施例5

图3为实施例1、2、3制备的三种氧化铝基烧结体的在700℃高温抗压试验得到的应力-应变曲线。由高温抗压试验的应力-应变曲线也可以看出，材料的均匀性较好，高压抗压性能突出。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种氧化铝基火花塞绝缘材料，其特征在于，采用如下原料制备：

2.一种氧化铝基火花塞绝缘材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，采用如下原料：

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述球磨机为QM-3B高速振动球磨机。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述氧化铝球的直径为10mm。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述得到第二混合物料的步骤具体为：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述可加热气氛控制无重力混合机按照如下方法制备：

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述氮气和氧气的体积比为90～95∶5～10。

9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述无重力混合的混合时间为0.5h～2h。

10.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，烧结温度为1500～1600℃，烧结时间为2～10h。