DE102005007933A1 - Preparation of heat conductive layer on ceramic, glass/ceramic or glass with preparation of slip from electrically conductive material and binder useful in cooking plate production involving, application of slip to selected substrate region - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Heizleiterschicht auf einem Substrat aus Keramik, Glaskeramik oder Glas, sowie eine damit hergestellte Kochplatte.The The invention relates to a method for producing a heat conductor layer on a substrate made of ceramic, glass ceramic or glass, as well as a cooking plate made with it.
Bei der Entwicklung von Kochfeldern mit energiesparender Direktbeheizung stehen Kochsysteme im Vordergrund, bei denen die Heizleiter unmittelbar auf die Unterseite des Kochfeldes, gege benenfalls unter Zwischenlage einer Isolierschicht, aufgebracht werden. Auf diese Weise werden die Verluste vermieden, die bei herkömmlichen Kochfeldern bisher mit der Beheizung durch im Abstand von der Kochplatte vorgesehenen Heizkörpern verbunden sind, bei denen die Energieübertragung auf die Kochplatte im Wesentlichen durch Strahlungsenergie erfolgt. Die Ankochleistung und das Steuerverhalten können somit erheblich verbessert werden.at the development of cooktops with energy-saving direct heating are cooking systems in the foreground, where the heating element directly on the underside of the hob, where appropriate with intermediate layer an insulating layer can be applied. That way The losses avoided in conventional hobs so far connected to the heating by provided at a distance from the cooking plate radiators are where the energy transfer is done on the cooking plate essentially by radiation energy. The parboiling performance and the control behavior can thus be significantly improved.
Derartige
direkt beheizte Kochplatten und Verfahren zu ihrer Herstellung sind
bekannt (vgl.
Hierbei wird als Trägermaterial meist eine Keramik oder eine Glaskeramik, insbesondere eine Lithium-Aluminosilikat-Glaskeramik (LAS-Glaskeramik) verwendet, wobei letztere in Folge eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten von nahe null im interessierenden Temperaturbereich bis etwa 550 °C eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit aufweist.in this connection is used as a carrier material usually a ceramic or a glass ceramic, in particular a lithium aluminosilicate glass ceramic (LAS glass-ceramic) used, the latter due to a thermal Expansion coefficients of near zero in the temperature range of interest up to about 550 ° C a high thermal shock resistance having.
Auf einem Substrat aus LAS-Glaskeramik befindet sich gemäß der oben genannten Dokumente zunächst eine elektrische Isolationsschicht, die etwa aus Aluminiumoxid, Mullfit, Zirkonsilikat, Cordierit oder Titanoxid bestehen kann.On a substrate of LAS glass ceramic is according to the above mentioned documents first an electrical insulation layer, such as of alumina, Mullfit, zirconium silicate, cordierite or titanium oxide can exist.
Darauf
ist eine Heizleiterschicht appliziert, was gemäß der
Vollflächige dünne Heizleiterschichten
sind etwa aus der
Im
Sol-Gel-Verfahren hergestellte Heizleiterschichten sind aus der
Aus
der
Die im Stand der Technik beschriebenen Ansätze zur Verbesserung der thermischen Stabilität der Heizleiter auf ihren Substraten durch Mischung von metallisch leitfähigen Komponenten mit keramischen Werkstoffen zeigen im praktischen Einsatz bei der direkten Beheizung von Glaskeramik nicht die erforderliche Langzeitstabilität.The in the prior art described approaches to improve the thermal stability the heating conductor on their substrates by mixing of metallic conductive Components with ceramic materials show in practical use in the direct heating of glass ceramic does not have the required long-term stability.
Bei einer zyklischen Temperaturwechselbelastung, wie sie im normalen Gebrauch entsteht, wird in vielen Fällen ein stetig zunehmender elektrischer Widerstand beobachtet. Dies liegt vielfach an einer nicht ausreichenden Abstimmung der unterschiedlichen Materialien aufeinander. So sind die Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten, Elastizitätsmoduli und den Wärmeleitfähigkeiten meist zu groß. Weiterhin ist die Oxidationsbeständigkeit von ausdehnungsoptimierten Schichten oft zu gering. Dies führt dazu, dass die Heizleiterschichten im Betrieb nach und nach oxidieren, so dass sich der elektrische Widerstand vergrößert.at a cyclic thermal cycling, as in normal Use arises, in many cases becomes steadily increasing electrical resistance observed. This is often due to one insufficient coordination of the different materials each other. So the differences in the thermal expansion coefficients, elastic moduli and the thermal conductivities usually too big. Furthermore, the oxidation resistance Of expansion-optimized layers often too low. This leads to, that the heat conductor layers gradually oxidize during operation, so that the electrical resistance increases.
Die physikalischen Eigenschaften wie die thermische Ausdehnung und die elektrische Leitfähigkeit der Heizleiterschichten sind teilweise sehr inhomogen. So können in einer Heizschicht lokal vermehrt nicht leitfähige Komponenten vorliegen. Dies ist vergleichbar mit einer Verengung des Leiterquerschnittes und führt zu einer Überhitzung. Eine lokale Anhäufung von elektrisch leitenden Partikeln mit hoher thermischer Ausdehnung führt hingegen zum Aufbau von lokalen mechanischen Spannungen.The physical properties such as thermal expansion and the electric conductivity The heat conductor layers are sometimes very inhomogeneous. So can in a heating layer locally increased non-conductive components are present. This is comparable to a narrowing of the conductor cross-section and leads to overheating. A local agglomeration of electrically conductive particles with high thermal expansion leads, however for building up local mechanical stresses.
Durch die im Heizbetrieb auftretenden Temperaturzyklen sowie durch Temperaturinhomogenitäten über die beheizte Fläche wird das Schichtsystem wechselnden mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Während des Aufheizvorgangs sind diese gegenüber dem Dauerbetrieb sogar noch deutlich überhöht.By the temperature cycles occurring in heating mode as well as by temperature inhomogeneities over the heated area the coating system will undergo varying mechanical stresses exposed. While the heating process, these are even compared to the continuous operation still significantly inflated.
Dies kann im Laufe der Zeit zu Rissbildungen senkrecht zur Schichtebene und zu einer Delamination der Heizleiterschicht von im Substrat bzw. einer darauf gehaltenen Isolationsschicht führen. Weiterhin sind Ausmuschelungen im Bereich der Kontaktfläche des Trägermaterials Ursache für Ausfälle. Bei einer Delamination des Schichtsystems können sich aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnung der Materialien die einzelnen Schichten vom zu beheizenden Trägersystem deutlich abheben bzw. abplatzen. Bei Ausmuschelungen platzen komplette Schichtbereiche mit anhaftendem Trägermaterial ab. Bei fortschreitender Rissbildung und somit Querschnittsverengung der leitenden Schicht bilden sich Bereiche hohen Widerstandes und somit hoher Ver lustleistung, was zu einer zusätzlichen lokalen Überhitzung bis hin zum Aufschmelzen des Materials führen kann.This Over time, cracking can occur perpendicular to the layer plane and delamination of the heating conductor layer in the substrate or an insulation layer held on it. Furthermore, there are mussels in the area of the contact surface of the carrier material Cause for Failures. In a delamination of the layer system may be due to the different thermal expansion the materials the individual layers of the carrier system to be heated clearly lift off or flake off. When mussels burst complete Layer areas with adhesive carrier material. With progressive Cracking and thus cross-sectional constriction of the conductive layer areas of high resistance and thus high energy dissipation, what an additional local overheating can lead to the melting of the material.
Ein weiterer Versagensmechanismus kann durch Oxidation von leitenden Schichtkomponenten ausgelöst werden. In diesem Fall entstehen im Heizbetrieb lokal nicht leitende Bereiche, wodurch wiederum der Leitungsquerschnitt verringert wird und eine Überhitzung auftritt. Da Ausdehnungskoeffizienten temperaturabhängig sind, treten bei einer lokalen Überhitzung lokal sehr hohe mechanische Spannungen auf, die dann Auslöser für eine Rissbildung sein können. Bei der Oxidation von Partikeln inmitten des Heizleiters findet lokal eine Volumenzunahme statt, die die Heizleiterschicht auseinanderreißen kann.One Another failure mechanism can be due to oxidation of conductive Layer components triggered become. In this case, locally non-conductive heating is produced Areas, which in turn reduces the line cross-section and overheating occurs. Since expansion coefficients are temperature-dependent, occur at a local overheating locally very high mechanical stresses, which then trigger a cracking could be. In the oxidation of particles found in the middle of the heat conductor locally a volume increase takes place, which can tear apart the heat conductor layer.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Heizleiterschicht auf einem Substrat aus Keramik, Glaskeramik oder Glas anzugeben, das zu einer verbesserten Qualität und insbesondere Langzeitbeständigkeit der hergestellten Heizleiterschicht führt.Of the Invention is therefore the object of a method for manufacturing a Heizleiterschicht on a substrate made of ceramic, glass ceramic or glass, leading to improved quality and in particular Long-term stability the produced Heizleiterschicht leads.
Ferner soll ein Substrat mit einer langzeitbeständigen Heizleiterschicht angegeben werden, das insbesondere für ein Keramik-Kochfeld verwendet werden kann.Further to specify a substrate with a long-term resistant Heizleiterschicht especially for a ceramic hob can be used.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen einer Heizleiterschicht auf einem Substrat aus Keramik, Glaskeramik oder Glas mit folgenden Schritten gelöst:
- – Bereitstehen eines Substrates,
- – Herstellen eines Schlickers aus einem elektrisch leitfähigen Material und einem Bindemittel,
- – Auftragen des Schlickers auf ausgewählte Bereiche des Substrates,
- – Trocknen des Schlickers und
- – Einbrennen des Schlickers.
- - standing by a substrate,
- Preparing a slurry of an electrically conductive material and a binder,
- Applying the slip to selected areas of the substrate,
- - drying the slip and
- - Burning the slip.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch ein Substrat mit einer aus einem Schlicker hergestellten Heizleiterschicht gelöst, der bei Temperaturen zwischen 350 °C und 800 °C, vorzugsweise zwischen 450 und 750 °C, weiter bevorzugt zwischen 450 °C und 600 °C eingebrannt ist.The The object of the invention is further characterized by a substrate with a dissolved in a slurry produced Heizleiterschicht, the at temperatures between 350 ° C and 800 ° C, preferably between 450 and 750 ° C, more preferably between 450 ° C and 600 ° C baked is.
Ein derartiges Substrat lässt sich vorteilhaft als Kochplatte verwenden.One leaves such substrate to use advantageous as a hotplate.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist ein besonders schonender Auftrag der Heizleiterschicht auf dem Substrat ermöglicht. Hierbei kann eine bessere Anpassung der Eigenschaften des Heizleiters an die darunter liegende Schicht gewährleistet werden, so dass thermische Spannungen verringert werden. Gleichzeitig kann die Haftung verbessert werden und die Tendenz zu Delaminationen wird verringert.By the inventive method is a particularly gentle application of the heat conductor layer on the Substrate allows. This can be a better adaptation of the properties of the heating element be guaranteed to the underlying layer, so that thermal Tensions are reduced. At the same time the adhesion can be improved and the tendency for delaminations is reduced.
Da der Schlicker derart eingestellt werden kann, dass er bei Temperaturen zwischen 350 °C und 800 °C, vorzugsweise zwischen 450 °C und 750 °C, weiter bevorzugt zwischen 450 °C und 600 °C eingebrannt wird, ergibt sich eine deutlich verringerte thermi sche Belastung im Vergleich zu herkömmlichen Auftragsverfahren, wie beispielsweise thermisches Spritzen.There the slip can be adjusted to withstand temperatures between 350 ° C and 800 ° C, preferably between 450 ° C and 750 ° C, more preferably between 450 ° C and 600 ° C is burned, results in a significantly reduced thermal cal Load compared to conventional Application method, such as thermal spraying.
Als Substrat wird vorzugsweise eine Lithium-Aluminosilikat-Glaskeramik verwendet.When Substrate is preferably a lithium aluminosilicate glass-ceramic used.
Auf diese Weise ist eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit im Interimbereich der Betriebstemperatur von bis zu 550 °C gewährleistet.On This way is a high thermal shock resistance in the interim area the operating temperature of up to 550 ° C guaranteed.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung enthält das elektrisch leitfähige Material eine Metall- oder eine Metalllegierung, vorzugsweise Al, Cr, Fe, Ni, Co oder MCrAlY, wobei M ausgewählt ist aus der Gruppe, die gebildet ist durch Fe, Ni, Co und Legierungen auf Basis von Fe, Ni oder Co.According to a further embodiment of the invention, the electrically conductive material contains a Me or a metal alloy, preferably Al, Cr, Fe, Ni, Co or MCrAlY, wherein M is selected from the group formed by Fe, Ni, Co and alloys based on Fe, Ni or Co.
Auf diese Weise kann eine gute Oxidationsbeständigkeit gewährleistet werden, so dass der so hergestellte Heizleiter langzeitbeständig ist.On This way, good oxidation resistance can be ensured so that the heating conductor thus produced is durable.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das elektrisch leitfähige Material in Pulverform zugesetzt.According to one Another embodiment of the invention is the electrically conductive material added in powder form.
Dies ist günstig zur Herstellung eines geeigneten Schlickers.This is cheap for producing a suitable slip.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird dem Schlicker mindestens ein Zusatzstoff, vorzugsweise zur mechanischen Verstärkung, zugesetzt.According to one Another embodiment of the invention is the slip at least an additive, preferably for mechanical reinforcement added.
Hierbei kann es sich um einen Zusatzstoff handeln, der in Form von pulverförmigen, faserförmigen oder plättchenförmigen (flake-förmigen) Partikeln zugesetzt wird.in this connection it may be an additive in the form of powdered, fibrous or platy (flake-shaped) Particles is added.
Als Material hierzu kommen etwa Zusatzstoffe in Frage, die Glas, Glaskeramik, Keramik oder Metall enthalten, insbesondere Fasern oder Flakes aus SiC, Al2O3, Silicatglas, Borosilicatglas, Inconel®, Aluminium.As a material for this purpose come into consideration as additives, include glass, glass ceramic, ceramic or metal, in particular fibers or flakes from SiC, Al 2 O 3, silicate glass, borosilicate glass, Inconel ®, aluminum.
Durch derartige Zusatzstoffe lässt sich die mechanische Beständigkeit des so hergestellten Heizleiters deutlich verbessern. Soweit die Zusatzstoffe elektrisch leitend sind, übernehmen diese einen Teil der elektrischen Leitung. Im Falle von Nichtleitern lässt sich eine Anpassung des Widerstandswertes an die Zielgröße leichter erreichen (Vergrößerung des Widerstands).By such additives the mechanical resistance significantly improve the heating conductor thus produced. As far as the Additives are electrically conductive, they take a part the electric wire. In the case of non-conductors can be an adjustment of the resistance value to the target size easier reach (enlargement of Resistance).
Hierbei können die zugesetzten Partikel etwa eine Dicke oder einen Durchmesser zwischen 0,1 und 100 Mikrometer und eine Länge zwischen 5 Mikrometer und 5 Millimeter, vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 Mikrometer, besonders bevorzugt etwa 1 Mikrometer, aufweisen.in this connection can the added particles about a thickness or a diameter between 0.1 and 100 microns and a length between 5 microns and 5 millimeters, preferably between 0.5 and 2 microns, especially preferably about 1 micron.
Durch eine derartige Dimensionierung lässt sich ein besonders günstiges Gefüge erreichen.By such a dimensioning leaves a very cheap structure to reach.
Die Verwendung von SiC in Form von Fasern hat den Vorteil, dass dann, wenn sich ein Riss in der Schicht ausbreitet, die auftretende Lücke durch eine Faser stabilisiert wird. Auf diese Weise wird die mechanische Festigkeit deutlich erhöht. Bei Verwendung von elektrisch leitfähigen bzw. halbleitenden SiC-Fasern wird die Leitung im Bereich des Risses durch die Faser aufrechter halten. Bei Erhöhung der Temperatur fällt der elektrische Widerstand der halbleitenden Faser ab. Somit tragen die Fasern unterstützend dazu bei, das Durchbrennrisiko des Leiters im Falle des Auftretens von Rissen zu reduzieren.The Use of SiC in the form of fibers has the advantage that, then, if a crack propagates in the layer, the gap occurring through a fiber is stabilized. In this way, the mechanical Strength increased significantly. When using electrically conductive or semiconducting SiC fibers hold the pipe upright in the area of the crack through the fiber. When increasing the temperature drops electrical resistance of the semiconductive fiber. Thus wear supporting the fibers in addition, the risk of burnout of the leader in the event of occurrence to reduce cracks.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird dem Schlicker zur Herstellung der Heizleiterschicht als Bindemittel CrPO4, also Chromphosphat, vorzugsweise in Pulverform, zugesetzt.In an advantageous embodiment of the invention, the slurry for the production of the heat conductor layer as a binder CrPO 4 , ie chromium phosphate, preferably in powder form added.
Der Anteil des Bindemittels am Schlicker beträgt vorzugsweise 2 bis 40 Gew.-%, besonders bevorzugt 5 bis 30 Gew.-%.Of the Proportion of the binder in the slip is preferably from 2 to 40% by weight, particularly preferably 5 to 30 wt .-%.
Auf diese Weise lässt sich ein günstiges Gefüge erzielen und eine gute Haftung erreichen.On that way a cheap one structure achieve good adhesion.
Der Auftrag des Schlickers auf die darunter liegende Schicht kann durch herkömmliche Verfahren erfolgen, etwa durch Siebdruck, Sprühen, Tauchen, Pinseln, Rakeln oder Doctor-Blade-Verfahren (Verwendung von dünnen Folien, die im Nasszustand aufgesintert werden können) erfolgen.Of the Order the slip on the underlying layer can through conventional Procedures, such as screen printing, spraying, dipping, brushing, doctoring or doctor blade method (Use of thin Foils which can be sintered in the wet state).
Soweit ein Siebdruckauftragsverfahren bevorzugt ist, so wird dem Schlicker ein organisches Solvent als Siebdrucköl zugesetzt.So far a screen printing application method is preferred, the slurry becomes an organic solvent added as screen printing oil.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Heizleiterschicht aus einem Material hergestellt, das eine erste Komponente mit einem niedrigen spezifischen Widerstand (ρ etwa 0,015 bis 1,2 Ω·mm2/m) enthält, insbesondere aus Al, Au, Pt, Pd, Mo, oder Mischungen oder Legierungen hiervon enthält.According to a further embodiment of the invention, the heating conductor layer is made of a material containing a first component with a low resistivity (ρ about 0.015 to 1.2 Ω · mm 2 / m), in particular of Al, Au, Pt, Pd, Mo, or mixtures or alloys thereof.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Heizleiterschicht aus einer Mischung hergestellt, die mindestens eine erste elektrisch leitende Komponente und eine zweite elektrisch isolierende oder halbleitende Komponente enthält, insbesondere Al2O3, ZrO2, Cordierit, Mullfit, SiO2, Glas, Glaskeramik, ZrSiO4, Si, SiC oder TiO2 enthält.According to a further embodiment of the invention, the heating conductor layer is produced from a mixture which contains at least one first electrically conductive component and a second electrically insulating or semiconductive component, in particular Al 2 O 3 , ZrO 2 , cordierite, mullite, SiO 2 , glass, glass ceramic , ZrSiO 4 , Si, SiC or TiO 2 contains.
Auf diese Weise lässt sich der elektrische Widerstand der erzeugten Heizleiterschicht auf einen gewünschten Wert feineinstellen. Außerdem wird die mechanische Festigkeit des hergestellten Heizleiters verbessert.On that way the electrical resistance of the heat conductor layer produced on a desired Adjust the value. Furthermore the mechanical strength of the produced heat conductor is improved.
Hierbei kann das Mischungsverhältnis zwischen der ersten und der zweiten Komponente vorzugsweise zwischen 100:0 und 50:50 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 99:1 und 80:20 Gew.-% eingestellt werden.in this connection can the mixing ratio between the first and second components preferably between 100: 0 and 50:50 wt.%, Preferably between 99: 1 and 80:20 wt.% be set.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird die Heizleiterschicht aus einem Material hergestellt, das eine Komponente mit hoher Wärmeleitfähigkeit (Λ zwischen etwa 40 und 100 W/(m·K)) enthält, insbesondere AlN, Si3N4, TiB2, ZrB2 enthält.In a further preferred embodiment of the invention, the heat conductor layer is made of a material containing a component with high thermal conductivity (Λ between about 40 and 100 W / (m · K)), in particular AlN, Si 3 N 4 , TiB 2 , ZrB 2 contains.
Auf diese Weise werden die Auswirkungen von thermischen Spannungen bei Temperaturwechselbelastungen deutlich reduziert.On this way, the effects of thermal stresses are added Temperature cycling significantly reduced.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Heizleiterschicht aus einem Material hergestellt, das eine Komponente mit einem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten enthält (d.h. vorzugsweise ≤ 4,5·10–6/K und vorzugsweise ≥ 0,9·10–6/K), insbesondere SiC, B4C, SiO2, TiB2, ZrB2, WCCoCr, NiCrBSi, NiFe enthält oder aber eine Komponente mit negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten enthält, insbesondere Eukryptit, enthält.According to a further embodiment of the invention, the heating conductor layer is made of a material which contains a component with a low coefficient of thermal expansion (ie preferably ≦ 4.5 × 10 -6 / K and preferably ≥ 0.9 × 10 -6 / K), in particular SiC, B 4 C, SiO 2 , TiB 2 , ZrB 2 , WCCoCr, NiCrBSi, NiFe contains or contains a component with negative thermal expansion coefficients, in particular eucryptite contains.
Auch durch diese Maßnahme werden die Auswirkungen von thermischen Spannungen reduziert, so dass eine bessere Beständigkeit der Heizleiterschicht erzielt wird.Also by this measure the effects of thermal stresses are reduced, so that a better resistance the Heizleiterschicht is achieved.
Vorzugsweise wird auf dem Substrat zunächst eine elektrisch isolierende Isolationsschicht erzeugt, auf der die Heizleiterschicht erzeugt wird.Preferably will be on the substrate first produces an electrically insulating insulating layer on which the Heizleiterschicht is generated.
Dieses Verfahren ist zweckmäßig, wenn als Substrat eine Lithium-Aluminosilikat-Glaskeramik verwendet wird, da diese bei erhöhten Temperaturen elektrisch leitfähig wird.This Procedure is appropriate if substrate used is a lithium aluminosilicate glass ceramic, as these increased at Temperatures electrically conductive becomes.
Die Isolationsschicht kann aus einem Material erzeugt werden, das eine elektrisch isolierende Keramik enthält, insbesondere Al2O3, ZrO2, Cordierit, Mullfit, TiO2 oder dergleichen enthält.The insulating layer may be formed of a material containing an electrically insulating ceramic, particularly containing Al 2 O 3 , ZrO 2 , cordierite, mullite, TiO 2 or the like.
Des Weiteren kann die Isolationsschicht aus einem Material erzeugt werden, das eine Komponente mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit (Λ zwischen etwa 40 und 100 W/(m·K)) enthält, insbesondere AlN, Si3N4 oder dergleichen enthält.Furthermore, the insulating layer may be formed of a material containing a high thermal conductivity component (Λ between about 40 and 100 W / (m · K)), particularly containing AlN, Si 3 N 4 or the like.
Ferner kann die Isolationsschicht aus einem Material erzeugt werden, das eine Komponente mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (d.h. vorzugsweise ≤ 4,5·10–6/K und vorzugsweise ≥ 0,9·10–6/K) oder einem negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten enthält, insbesondere SiO2, AlN oder Eukryptit enthält.Further, the insulating layer may be formed of a material containing a component having a low coefficient of thermal expansion (ie, preferably ≦ 4.5 × 10 -6 / K, and preferably ≥ 0.9 × 10 -6 / K) or a coefficient of negative thermal expansion , in particular SiO 2 , AlN or eucryptite.
Auch durch diese Maßnahmen werden die Auswirkungen von thermischen Spannungen deutlich reduziert, so dass eine verbesserte Beständigkeit erzielt wird.Also through these measures the effects of thermal stresses are significantly reduced, so that improved durability is achieved.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Isolationsschicht aus einem Schlicker hergestellt.According to one Another embodiment of the invention is the insulation layer made from a slip.
Hierbei kann dem Schlicker als Bindemittel etwa ein SiO2-Sol aus Salpetersäure TEOS (Tetraethylorthosilikat) und Ethanol zugesetzt werden.Here, for example, a SiO 2 sol of nitric acid TEOS (tetraethyl orthosilicate) and ethanol may be added to the slurry as binder.
Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise eine günstige Haftung erzielt werden kann.It It has been shown that in this way a favorable liability can be achieved can.
In alternativer Ausführung der Erfindung kann die Isolationsschicht durch thermisches Spritzen auf das Substrat aufgetragen werden.In alternative version According to the invention, the insulating layer can be formed by thermal spraying be applied to the substrate.
Die Heizleiterschicht wird vorzugsweise meanderförmig hergestellt und weist bevorzugt einen spezifischen elektrischen Widerstand auf, der zwischen 1,5·10–8 und 1,5·10–4 Ohm·m aufweist, vorzugsweise zwischen 3·10–6 und 8·10–6 Ohm·m liegt.The heating conductor layer is preferably made in a meandering manner and preferably has an electrical resistivity of between 1.5 × 10 -8 and 1.5 × 10 -4 ohm · m, preferably between 3 × 10 -6 and 8 × 10 -6 Ohm · m is located.
Die Breite der erzeugten Leiterbahnen beträgt vorzugsweise zwischen 2 und 15, vorzugsweise etwa 10 Millimeter. Die Dicke der Heizleiter kann etwa zwischen 20 und 100 Mikrometer, vorzugsweise etwa 50 Mikrometer betragen.The Width of the conductor tracks produced is preferably between 2 and 15, preferably about 10 millimeters. The thickness of the heating conductor may be between about 20 and 100 microns, preferably about 50 microns be.
Für ein Keramik-Kochfeld üblicher Größe beträgt die Länge des meanderförmigen erzeugten Heizleiters etwa zwischen 1,5 und 2,5 m, vorzugsweise etwa 1,8 m.For a ceramic hob more usual Size is the length of the meandering produced heating conductor approximately between 1.5 and 2.5 m, preferably about 1.8 m.
Auf diese Weise lässt sich eine optimale Anpassung der Heizleistung an den üblichen Arbeitsbereich einer Kochplatte gewährleisten.On that way Optimal adjustment of the heating power to the usual Ensure working area of a cooking plate.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in Alleinstellung oder in anderen Kombinationen verwendbar sind.It it is understood that the above and the following yet to be explained Features of the invention not only in the specified combination, but also usable in isolation or in other combinations are.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.Further Features and advantages of the invention will become apparent from the following Description of preferred embodiments.
Beispiel 1example 1
Es wird eine Isolationsschicht mittels eines Schlicker-Verfahrens auf LAS-Glaskeramik mit den Maßen 500 × 500 × 4 mm appliziert. Als Komponenten des Schichtwerkstoffs werden 80 Gew.-% Al2O3 und 20 Gew.-% AlN verwendet. Die Partikelgrößenverteilung des Pulvers liegt bei 20 Mikrometer (50-%-Perzentil, d50). Als Bindemittel dient ein SiO2-Sol aus Salpetersäure, TEOS und Ethanol. 250 g Pulver und 80 g Bindesol werden in einer Planetenkugelmühle für 3 Std. gemahlen, um eine Homogenisierung zu erreichen.An insulating layer is applied by means of a slip method on LAS glass ceramic with the dimensions 500 × 500 × 4 mm. As components of the coating material 80 wt .-% Al 2 O 3 and 20 wt .-% AlN are used. The particle size distribution of the powder is 20 microns (50% percentile, d50). The binder used is a SiO 2 sol of nitric acid, TEOS and ethanol. 250 g of powder and 80 g of binding sol are ground in a planetary ball mill for 3 hours to achieve homogenization.
Anschließend wird eine Beschichtung mittels Rakeln durchgeführt. Es werden vier Druckvorgänge vorgenommen. Jeder Druck vorgang erzeugt eine Nassfilmdicke von etwa 200 Mikrometer, die nach 10 Minuten Trocknung bei 150 °C im Trockenschrank und 15 Minuten Einbrand im Ofen bei 550 °C eine Schichtdicke von 100 Mikrometer liefert. Auf diese Weise wird eine Schichtdicke von insgesamt etwa 400 Mikrometer erzeugt.Subsequently, will a coating performed by doctoring. There are four printing operations. Each printing process produces a wet film thickness of about 200 microns, after drying for 10 minutes at 150 ° C in a drying oven and 15 minutes Burn in oven at 550 ° C provides a layer thickness of 100 microns. This way will a layer thickness of about 400 microns produced.
Auf diese Isolationsschicht wird nun anschließend wiederum mittels eines Schlicker-Verfahrens eine Heizleiterschicht aufgebracht. Der Schlicker kann z.B. durch Siebdruck-, Walz-, Sprühtechnologie aufgebracht werden. Auch kann aus dem Schlicker mittels des Doctor-Blade-Verfahrens eine Folie hergestellt werden, die aufgewalzt wird. Der Schichtwerkstoff besteht aus Aluminiumpulver (d50 < 10 Mikrometer). Als Bindemittel dient Chromphosphatpulver CrPO4 mit einem Mischungsverhältnis von 85 Gew.-% Al zu 15 Gew.-% CrPO4,In turn, a heat conductor layer is then applied to this insulation layer by means of a slurry process. The slurry can be applied, for example, by screen printing, rolling, spraying technology. Also, from the slurry by means of the Doctor Blade method, a film can be produced, which is rolled on. The coating material consists of aluminum powder (d50 <10 microns). The binder used is chromium phosphate powder CrPO 4 with a mixing ratio of 85% by weight Al to 15% by weight CrPO 4 ,
Der Auftrag auf die Isolationsschicht erfolgt durch Siebdruck. Hierzu wird das Pulvergemisch zunächst mittels eines organischen Lösungsmittels (Siebdrucköl) angepastet. Anschließend kann die Beschichtung durch Siebdruck erfolgen. Als Siebtyp wird ein Sieb des Typs T 54N verwendet, mit zwei Druckvorgängen und einem jeweils dazwischen liegenden Trockenschritt bei 150 °C im Trockenschrank. Der Schichteinbrand erfolgt über eine Dauer von 1 Std. bei 650 °C.Of the Application to the insulation layer is carried out by screen printing. For this the powder mixture is first by means of an organic solvent (Screen printing oil) pasted. Subsequently the coating can be done by screen printing. As Siebtyp becomes a sieve of the type T 54N used, with two printing processes and one each intervening drying step at 150 ° C in a drying oven. The stratification takes place via a duration of 1 hour at 650 ° C.
Beispiel 2Example 2
Bei sonst gleichen Bedingungen wie beim Beispiel 1 werden einem Gemisch aus Al und CrPO4 (75:25 Gew.-%) SiO2-Fasern der Firma Bayer® mit einem Anteil von 10 Gew.-% beigemischt. Die Faser größe liegt bei d50 = 31,3 Mikrometer Länge. Im Übrigen entspricht das Verfahren Beispiel 1.Under otherwise identical conditions as in Example 1, a mixture of Al and CrPO 4 (75:25 wt .-%) of SiO 2 fibers from Bayer ® mixed with a share of 10 wt .-%. The fiber size is d50 = 31.3 microns in length. Otherwise, the procedure corresponds to Example 1.
Beispiel 3Example 3
In weiterer Abwandlung von Beispiel 1 werden dem Bindemittel CrPO4 als leitfähige Komponente Kompositwerkstoffe zugemischt. Beispielsweise wird eine Mischung aus Al und NiCrAlY mit einem Vehältnis von 90:10 Gew.-% verwendet.In a further modification of example 1, composite materials are admixed with the binder CrPO 4 as the conductive component. For example, a mixture of Al and NiCrAlY with a ratio of 90:10 wt% is used.
Im Übrigen erfolgt die gleiche Verfahrensführung wie bei Beispiel 1.Otherwise done the same procedure as in Example 1.
Beispiel 4Example 4
In Abwandlung zu den Beispielen 1 bis 3 wird die Isolationsschicht nicht durch ein Schlicker-Verfahren sondern durch thermisches Spritzen wie beim Beispiel 1 auf das Substrat appliziert. Der Heizleiter wird wiederum mittels eines Schlicker-Verfahrens wie beim Beispiel 2 appliziert.In Modification to Examples 1 to 3, the insulating layer not by a slip process but by thermal spraying as in Example 1 applied to the substrate. The heating conductor is again applied by means of a slip method as in Example 2.
Beispiel 5Example 5
Gemäß einer Verfahrensvariante wird die Heizleiterschicht direkt auf das Substrat aufgebracht. Bei dieser Ausführung besteht das Substrat aus einem Material, das vorzugsweise auch bei Betriebstemperaturen nicht elektrisch leitend ist.According to one Process variant, the heat conductor layer is applied directly to the substrate applied. In this version the substrate is made of a material, preferably also at Operating temperatures is not electrically conductive.
In Tabelle 1 ist eine Reihe von Versuchen zusammengestellt, die zur Erzeugung einer Isolierschicht aus Al2O3 auf einem Substrat aus Glaskeramik durchgeführt wurden. Hierbei handelt es sich jeweils um einen Schlicker-Auftrag durch Rakeln wie im Beispiel 1 beschrieben.Table 1 summarizes a series of experiments conducted to produce an insulating layer of Al 2 O 3 on a glass-ceramic substrate. These are each a slip application by doctoring as described in Example 1.
In Tabelle 2 sind verschiedene Gläser zusammengefasst, die gemäß Tabelle 1 in Form von Pulver, Fasern oder Flakes der Isolierschicht zugemischt wurden.In Table 2 are different glasses summarized, according to the table 1 mixed in the form of powder, fibers or flakes of the insulating layer were.
Die Leiterbahnen der Heizschicht werden in der Regel meanderförmig ausgelegt. Die Breite der Leiterbahnen beträgt zwischen 2 und 15, vorzugsweise etwa 10 mm. Die Dicke der Heizleiter beträgt zwischen 20 und 100 mm, vorzugsweise etwa 50 mm. Die Länge des Heizmeanders beträgt abhängig von dem jeweiligen Kochfeld, dessen Größe und dessen Leistung in der Regel zwischen 1,5 und 2,5 m, vorzugsweise etwa 1,8 m. Der spezifische Widerstand der Leiterbahnen liegt in der Regel zwischen 1,5·10–8 und 1,5·10–4 Ohm·m, vorzugsweise bei etwa 7·10–6 Ohm·m.The conductor tracks of the heating layer are usually designed meandering. The width of the conductor tracks is between 2 and 15, preferably about 10 mm. The thickness of the heating conductor is between 20 and 100 mm, preferably about 50 mm. The length of the Heizemeanders is dependent on the particular hob whose size and power usually between 1.5 and 2.5 m, preferably about 1.8 m. The resistivity of the printed conductors is generally between 1.5 × 10 -8 and 1.5 × 10 -4 ohm · m, preferably about 7 × 10 -6 ohm × m.
Tab. 1: Glaskeramiksubstrat mit Isolierschicht Tab. 1: Glass-ceramic substrate with insulating layer
Tab. 2: Zusammensetzung der verwendeten Gläser Tab. 2: Composition of the glasses used
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