DE112020005449T5

DE112020005449T5 - Sensorelement

Info

Publication number: DE112020005449T5
Application number: DE112020005449.7T
Authority: DE
Inventors: Mika Takeuchi; Megumi FUJISAKI; Kosuke Ujihara; Takahiro Tomita
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2019-11-05
Filing date: 2020-11-04
Publication date: 2022-08-18
Also published as: JPWO2021090839A1; US20220252540A1; CN114585914A; JP7235890B2; WO2021090839A1

Abstract

Ein Sensorelement umfasst einen Elementkörper und eine poröse Schutzschicht, die eine Oberfläche des Elementkörpers bedeckt. In diesem Sensorelement umfasst die poröse Schutzschicht eine erste Schicht, die auf einer Oberfläche des Sensorelements freiliegt, und eine zweite Schicht, die zwischen dem Elementkörper und der ersten Schicht angeordnet ist. Die erste Schicht enthält Keramikpartikel und anisotrope Keramik mit einem Aspektverhältnis von 5 oder mehr und 100 oder weniger, und ein Teil der ersten Schicht ist mit dem Elementkörper in Kontakt. Ferner beträgt eine Porosität der zweiten Schicht 95 Vol.-% oder mehr.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der Japanischen Patentanmeldung Nr. 2019-200859 , die am 5. November 2019 eingereicht wurde und deren gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Stand der Technik
JP 2016-188853 A (nachstehend Patentdokument 1) beschreibt ein Sensorelement, das einen Elementkörper durch eine anorganische poröse Schutzschicht bedeckt. In einem von der porösen Schutzschicht bedeckten Bereich weist das Sensorelement aus Patentdokument 1 einen Bereich auf, in dem die poröse Schutzschicht in Kontakt mit dem Elementkörper ist, und einen Bereich, in dem eine Freistellung (Zwischenraum) zwischen der porösen Schutzschicht und dem Elementkörper definiert ist. Das heißt, zwischen der porösen Schutzschicht und dem Elementkörper ist eine Luftschicht angeordnet, um die poröse Schutzschicht von dem Elementkörper thermisch zu isolieren. Wenn also Feuchtigkeit an der porösen Schutzschicht haftet, während das Sensorelement in Betrieb ist, wird verhindert, dass das Sensorelement bei hohen Temperaturen schnell abkühlt, und eine Verschlechterung des Sensorelements kann dadurch verhindert werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Patentdokument 1 beschreibt auch eine Konfiguration, in der eine Vielzahl von Säulen zwischen der porösen Schutzschicht und dem Elementkörper in dem Bereich angeordnet ist, in dem der Abstand zwischen der porösen Schutzschicht und dem Elementkörper definiert ist. Durch Anordnung der Säulen wird die poröse Schutzschicht an mehreren Stellen gestützt und die Festigkeit der porösen Schutzschicht kann verbessert werden. Sind zwischen der porösen Schutzschicht und dem Elementkörper solche Säulen angeordnet, wird durch diese Säulen jedoch eine Kontaktfläche zwischen der porösen Schutzschicht und dem Elementkörper vergrößert und die Wärmedämmung zwischen der porösen Schutzschicht und dem Elementkörper nimmt ab. In der Technik von Patentdokument 1 müssen die Form des Sensorelements und die Anzahl der Säulen, die zwischen der porösen Schutzschicht und dem Elementkörper angeordnet werden sollen, an den Zweck und die Anwendung angepasst werden. Hinsichtlich dessen besteht auf dem Gebiet von Sensorelementen Bedarf an einer Struktur mit größerer Vielseitigkeit. Die Beschreibung hier soll ein neuartiges Sensorelement mit großer Vielseitigkeit bereitstellen.
Lösung des technischen Problems
Ein hier offenbartes Sensorelement umfasst einen Elementkörper und eine poröse Schutzschicht, die eine Oberfläche des Elementkörpers bedeckt. In diesem Sensorelement kann die poröse Schutzschicht eine erste Schicht, die auf einer Oberfläche des Sensorelements freiliegt, und eine zweite Schicht umfassen, die zwischen dem Elementkörper und der ersten Schicht angeordnet ist. Die erste Schicht kann Keramikpartikel und anisotrope Keramik mit einem Aspektverhältnis von 5 oder mehr und 100 oder weniger enthalten, und ein Teil der ersten Schicht kann mit dem Elementkörper in Kontakt sein. Ferner kann eine Porosität der zweiten Schicht 95 Vol.-% oder mehr betragen.
Figurenliste

1 zeigt ein äußeres Erscheinungsbild eines Sensorelements gemäß einer ersten Ausführungsform (Perspektivansicht).
2 zeigt eine Querschnittsansicht entlang Linie II-II aus 1.
3 zeigt eine Querschnittsansicht entlang Linie III-III aus 1.
4 zeigt eine Querschnittsansicht entlang Linie IV-IV aus 1.
5 zeigt eine schematische Ansicht einer äußeren Schicht des Sensorelements gemäß der ersten Ausführungsform.
6 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensorelements gemäß einer zweiten Ausführungsform.
7 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensorelements gemäß einer dritten Ausführungsform.
8 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensorelements gemäß einer vierten Ausführungsform.
9 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensorelements (Gassensor), das in Beispielen verwendet wird.
10 zeigt die Ergebnisse der Beispiele.

Beschreibung von Ausführungsformen
Ein hier offenbartes Sensorelement kann beispielsweise als Gassensor zum Detektieren einer Konzentration einer spezifischen Komponente in der Luft verwendet werden. Beispiele für einen solchen Gassensor sind ein NOx-Sensor, der dazu eingerichtet ist, eine NOx-Konzentration in Abgas eines Fahrzeugs mit einem Motor zu detektieren, und eine AFR-Sonde (Sauerstoffsensor), der dazu eingerichtet ist, eine Sauerstoffkonzentration zu detektieren.
Das Sensorelement kann einen Elementkörper (Element, in dem eine Sensorstruktur ausgebildet ist) und eine anorganische poröse Schutzschicht umfassen, die eine Oberfläche des Elementkörpers bedeckt. Die poröse Schutzschicht kann einen Teil des Elementkörpers bedecken, insbesondere einen Abschnitt davon, wo die Sensorstruktur aufgebaut ist. Das Sensorelement kann die Form eines Stabes haben, und die poröse Schutzschicht kann einen Bereich von einem longitudinal verlaufenden Zwischenabschnitt bis zu einem Ende in Längsrichtung des Sensorelements abdecken. Handelt es sich bei dem Sensorelement beispielsweise um einen Gassensor, kann die poröse Schutzschicht einen Abschnitt bedecken, wo eine Detektionseinheit angeordnet ist, die zur Detektion eines Detektionszielgases eingerichtet ist. Beispielsweise kann die poröse Schutzschicht weniger als die Hälfte einer longitudinalen Länge eines Sensorkörpers bedecken, wie etwa einen Bereich von 1/5 bis 1/3 der longitudinalen Länge von einem Ende davon in Längsrichtung.
Die poröse Schutzschicht kann eine erste Schicht umfassen, die auf einer Oberfläche des Sensorelements freiliegt, und eine zweite Schicht, die zwischen dem Elementkörper und der ersten Schicht angeordnet ist. Die erste Schicht kann Keramikpartikel und anisotrope Keramik mit einem Aspektverhältnis von 5 oder mehr und 100 oder weniger enthalten. Die zweite Schicht kann eine Porosität von 95 Vol.-% oder mehr aufweisen. Da die erste Schicht die Keramikpartikel und die anisotrope Keramik enthält, kann die Festigkeit der ersten Schicht selbst im Vergleich zu einem Fall, in dem die erste Schicht nur aus Keramikpartikeln hergestellt wird, verbessert werden. Aus diesem Grund kann die Festigkeit der porösen Schutzschicht auch dann beibehalten werden, wenn sich zwischen der ersten Schicht und dem Elementkörper eine Schicht mit geringer Dichte (zweite Schicht) befindet. „Die Porosität der zweiten Schicht beträgt 95 Vol.-% oder mehr“ umfasst zusätzlich zu einer Konfiguration, in der die zweite Schicht aus einem Material besteht, dessen Volumenanteil weniger als 5 % beträgt (Porosität von 95 % oder mehr), eine Konfiguration, in der die zweite Schicht ein Freiraum ist (d. h. mit 100 % Porosität).
Ferner kann die zweite Schicht in Kontakt mit der Oberfläche des Elementkörpers sein oder nicht in Kontakt mit der Oberfläche des Elementkörpers sein. Beispielsweise kann eine dritte Schicht die Oberfläche des Elementkörpers bedecken (den Abschnitt, an dem die erste Schicht keinen Kontakt hat), und die zweite Schicht kann zwischen der ersten Schicht und der dritten Schicht angeordnet sein. Ähnlich wie die erste Schicht kann die dritte Schicht die Keramikpartikel und die anisotrope Keramik mit einem Aspektverhältnis von 5 oder mehr und 100 oder weniger enthalten. Die dritte Schicht kann aus dem gleichen Material wie die erste Schicht bestehen. Das heißt, in dem hier offenbarten Sensorelement sind die Konfiguration der zweiten Schicht und die Position, an der die Schicht mit niedriger Dichte angeordnet werden soll, beliebig, solange die zweite Schicht (Schicht mit niedriger Dichte) auf einer Innenseite (Elementkörperseite) der ersten Schicht vorhanden ist.
Ein Teil der ersten Schicht kann in Kontakt mit dem Elementkörper sein. Das heißt, zwischen der ersten Schicht und dem Elementkörper kann ein Abschnitt vorhanden sein, in dem die zweite Schicht nicht vorhanden ist und die erste Schicht in direktem Kontakt mit dem Elementkörper steht. Zum Beispiel kann innerhalb eines Bereichs, in dem die poröse Schutzschicht den Elementkörper bedeckt, ein Flächenanteil (R1) einer Fläche (S2) des Abschnitts, in dem die erste Schicht in direktem Kontakt mit dem Elementkörper steht, in Bezug auf eine Oberfläche (S1) des Elementkörpers 10 % oder mehr und 80 % oder weniger betragen. Mit anderen Worten, innerhalb des Bereichs, in dem die poröse Schutzschicht den Elementkörper bedeckt, kann eine Gleichung (1) wie folgt erfüllt werden, wobei S1 der Oberflächenbereich des Elementkörpers (einschließlich des Abschnitts, in dem die erste Schicht in Kontakt mit dem Elementkörper ist) ist und S2 die Kontaktfläche zwischen dem Elementkörper und der ersten Schicht ist. Hier ist mit Oberflächenbereich des Elementkörpers eine gesamte Außenfläche des Elementkörpers (einschließlich Vorder- und Rückseiten, Seitenflächen und Endflächen) gemeint. $10 \leq (S 2 / S 1) \times 100 \leq 80$
Wenn der Flächenanteil R1 ((S2/S1) × 100) 10% oder mehr beträgt, ist die Festigkeit der porösen Schutzschicht ausreichend gewährleistet. Wenn der Flächenanteil R1 ferner 80 % oder weniger beträgt, kann eine ausreichende Wärmeisolierung zwischen der porösen Schutzschicht und dem Elementkörper ausreichend gewährleistet werden. Der Flächenanteil R1 kann 15 % oder mehr, 18 % oder mehr, 25 % oder mehr, 30 % oder mehr oder 45 % oder mehr betragen. Ferner kann der Flächenanteil R1 75 % oder weniger, 72 % oder weniger, 55 % oder weniger, 45 % oder weniger, 30 % oder weniger oder 25 % oder weniger betragen.
In dem Fall, in dem die poröse Schutzschicht das stabförmige Sensorelement im Bereich von dem longitudinal verlaufenden Zwischenabschnitt bis zu dem einen Ende in der Längsrichtung bedeckt, kann die erste Schicht zumindest an einem Ende des Sensorelements auf einer Seite des longitudinal verlaufenden Zwischenabschnitts (im Folgenden als erstes Ende bezeichnet) in Kontakt mit dem Elementkörper sein. Ferner kann die erste Schicht zusätzlich zu dem ersten Ende an einem Ende des Sensorelements an einer longitudinal verlaufenden Endseite (im Folgenden als zweites Ende bezeichnet) mit dem Elementkörper in Kontakt sein und/oder zwischen dem ersten und dem zweiten Ende lokal mit dem Elementkörper in Kontakt sein. Das heißt, die erste Schicht kann an mehreren Stellen mit dem Elementkörper in Kontakt sein.
Eine Dicke der ersten Schicht kann 50 µm oder mehr und 950 µm oder weniger betragen. Wenn die Dicke der ersten Schicht 50 µm oder mehr beträgt, kann die Festigkeit der porösen Schutzschicht ausreichend gewährleistet werden. Wenn die Dicke der ersten Schicht ferner 950 µm oder weniger beträgt, kann Gas außerhalb des Sensorelements die poröse Schutzschicht leicht durchdringen und in den Elementkörper gelangen. Die Dicke der ersten Schicht kann 100 µm oder mehr, 200 µm oder mehr, 300 µm oder mehr oder 500 µm oder mehr betragen. Ferner kann die Dicke der ersten Schicht 800 µm oder weniger, 600 µm oder weniger, 500 µm oder weniger oder 400 µm oder weniger betragen.
Eine Dicke der zweiten Schicht kann 50 µm oder mehr und 950 µm oder weniger betragen. Wenn die Dicke der zweiten Schicht 50 µm oder mehr beträgt, können die erste Schicht und der Elementkörper ausreichend voneinander thermisch isoliert werden. Wenn die Dicke der zweiten Schicht ferner 950 µm oder weniger beträgt, kann die Festigkeit der porösen Schutzschicht ausreichend gewährleistet werden. Die Dicke der zweiten Schicht kann 100 µm oder mehr, 200 µm oder mehr, 300 µm oder mehr oder 500 µm oder mehr betragen. Ferner kann die Dicke der zweiten Schicht 800 µm oder weniger, 600 µm oder weniger, 500 µm oder weniger oder 400 µm oder weniger betragen. In dem hier offenbarten Sensorelement kann eine Dicke der porösen Schutzschicht (Abstand von der Oberfläche des Elementkörpers zu einer Oberfläche, wo die erste Schicht nach außen freiliegt) 100 µm oder mehr und 1000 µm oder weniger betragen. Die zuvor erwähnten Funktionen (Festigkeit und Wärmedämmung) können ausreichend gezeigt werden.
Eine Porosität der ersten Schicht kann 5 Vol.-% oder mehr und 50 Vol.-% oder weniger betragen. Wenn die Porosität der ersten Schicht 5 Vol.-% oder mehr beträgt, kann Gas außerhalb des Sensorelements die poröse Schutzschicht leicht durchdringen und in den Elementkörper gelangen. Wenn die Porosität der ersten Schicht ferner 50 Vol.-% oder weniger beträgt, kann die Festigkeit der porösen Schutzschicht ausreichend gewährleistet werden. Die Porosität der ersten Schicht kann 10 Vol.-% oder mehr, 15 Vol.-% oder mehr oder 20 Vol.-% oder mehr betragen. Ferner kann die Porosität der ersten Schicht 40 Vol.-% oder weniger, 32 Vol.-% oder weniger oder 20 Vol.-% oder weniger betragen.
Ein Volumenanteil der anisotropen Keramik in der ersten Schicht kann 20 Vol.-% oder mehr und 80 Vol.-% oder weniger, bezogen auf ein Gesamtvolumen der Keramikpartikel und der anisotropen Keramik, betragen. Wenn der Volumenanteil der anisotropen Keramik in der ersten Schicht 20 Vol.-% oder mehr beträgt, kann die Festigkeit der ersten Schicht ausreichend gewährleistet werden, und ferner kann übermäßiges Sintern der Keramikpartikel in einem Herstellungsschritt (Brennschritt) der porösen Schutzschicht verhindert werden. Wenn der Volumenanteil der anisotropen Keramik ferner 80 Vol.-% oder weniger beträgt, können Wärmeübertragungswege in der ersten Schicht blockiert werden, wodurch eine Wärmedämmleistung der ersten Schicht verbessert wird, woraufhin eine Wärmedämmleistung der porösen Schutzschicht verbessert wird. Der Volumenanteil der anisotropen Keramik in der ersten Schicht kann 30 Vol.-% oder mehr, 40 Vol.-% oder mehr, 50 Vol.-% oder mehr oder 60 Vol.-% oder mehr betragen. Ferner kann der Volumenanteil der anisotropen Keramik in der ersten Schicht 70 Vol.-% oder weniger, 60 Vol.-% oder weniger oder 50 Vol.-% oder weniger betragen. Obwohl Einzelheiten später beschrieben werden, kann die anisotrope Keramik plattenförmige Keramikpartikel mit einem relativ kurzen maximalen Durchmesser (5 µm oder mehr und 50 µm oder weniger) und/oder Keramikfasern mit einem relativ langen maximalen Durchmesser (50 µm oder mehr und 200 µm oder weniger) enthalten.
Wie bereits erwähnt, kann die anisotrope Keramik plattenförmige Keramikpartikel mit einem relativ kurzen maximalen Durchmesser und Keramikfasern mit einem relativ langen maximalen Durchmesser enthalten. Das heißt, ein maximaler Durchmesser der anisotropen Keramik kann 5 µm oder mehr und 200 µm oder weniger betragen. Ferner kann ein minimaler Durchmesser der anisotropen Keramik 0,01 µm oder mehr und 20 µm oder weniger betragen. Der „maximale Durchmesser“ ist die Länge, die maximal wird, wenn Aggregate (Fasern und Partikel) zwischen einem Paar paralleler Oberflächen angeordnet werden. Ferner bezeichnet der „minimale Durchmesser“ eine Länge, die minimal wird, wenn die Aggregate (Fasern und Partikel) zwischen dem Paar paralleler Oberflächen angeordnet werden. Bei den plattenförmigen Keramikpartikeln entspricht die „Dicke“ dem „minimalen Durchmesser“. Die anisotrope Keramik kann ein Aspektverhältnis (maximaler Durchmesser/minimaler Durchmesser) von 5 oder mehr und 100 oder weniger innerhalb eines Bereichs aufweisen, in dem der maximale Durchmesser 5 µm oder mehr und 200 µm oder weniger und der minimale Durchmesser 0,01 µm oder mehr und 20 µm oder weniger beträgt. Wenn das Aspektverhältnis 5 oder mehr beträgt, kann das Sintern der Keramikpartikel ausreichend unterdrückt werden, und wenn das Verhältnis 100 oder weniger beträgt, wird eine Festigkeitsverschlechterung der anisotropen Keramik unterdrückt, und die Festigkeit der ersten Schicht wird ausreichend aufrechterhalten.
Die in der ersten Schicht enthaltenen Keramikpartikel können als Bindemittel verwendet werden, das die anisotrope Keramik (plattenförmige Keramikpartikel und Keramikfasern) als Aggregate bindet, die ein Gerüst der ersten Schicht bilden. Als Material für die Keramikpartikel können Metalloxid(e) verwendet werden. Als solche Metalloxide kommen Aluminiumoxid (Al₂O₃), Spinell (MgAl₂O₄), Titandioxid (TiO₂), Zirconiumdioxid (ZrO₂), Magnesiumoxid (MgO), Mullit (Al₆O₁₃Si₂) und Cordierit (MgO·Al₂O₃·SiO₂) in Frage. Die vorgenannten Metalloxide sind z. B. auch in einem Hochtemperaturabgas chemisch stabil. Die Keramikpartikel können körnig sein, und ihre Größe (durchschnittlicher Durchmesser vor dem Brennen) kann 0,05 µm oder mehr und 1,0 µm oder weniger betragen. Wenn die Größe der Keramikpartikel zu klein ist, wird die Sinterung im Herstellungsprozess (Brennschritt) der porösen Schutzschicht zu stark und der gesinterte Körper neigt zum Schrumpfen. Wenn die Größe der Keramikpartikel zu groß ist, kann die Fähigkeit, die Aggregate miteinander zu verbinden, nicht ausreichend gewährleistet werden. Die Größe der Keramikpartikel kann konstant sein oder entlang einer Dickenrichtung der porösen Schutzschicht variieren.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Metalloxiden als Material der Keramikpartikel können Mineralien, Ton und Glas wie Talk (Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂), Glimmer und Kaolin als Material der plattenförmigen Keramikpartikel verwendet werden. Die plattenförmigen Keramikpartikel können eine rechteckige Plattenform oder eine Nadelform haben. Ein maximaler Durchmesser der plattenförmigen Keramikpartikel kann 5 µm oder mehr und 50 µm oder weniger betragen. Wenn der maximale Durchmesser der plattenförmigen Keramikpartikel 5 µm oder mehr beträgt, kann das übermäßige Sintern der Keramikpartikel unterdrückt werden. Wenn der maximale Durchmesser der plattenförmigen Keramikpartikel ferner 50 µm oder weniger beträgt, können die Wärmeübertragungswege innerhalb der ersten Schicht durch die plattenförmigen Keramikpartikel blockiert werden, und der Elementkörper kann in geeigneter Weise von einer äußeren Umgebung thermisch isoliert werden.
Neben den oben beschriebenen Metalloxiden als Material der Keramikpartikel kann auch Glas als Material der Keramikfasern verwendet werden. Ein maximaler Durchmesser der Keramikfasern kann 50 µm oder mehr und 200 µm oder weniger betragen. Außerdem kann ein minimaler Durchmesser der Keramikfasern 1 bis 20 µm betragen. In einer Dickenrichtung einer porösen Keramikschicht können die Arten der zu verwendenden Keramikfasern (Materialien und Größen) variiert werden.
Wie bereits erwähnt, kann die poröse Schutzschicht (erste Schicht) aus den Keramikpartikeln und der anisotropen Keramik (plattenförmige Keramikpartikel und Keramikfasern) bestehen. Die poröse Schutzschicht kann unter Verwendung eines Rohmaterials hergestellt werden, das die vorgenannten Materialien sowie ein Bindemittel, ein Porenbildner und ein Lösungsmittel enthält. Als Bindemittel kann ein anorganisches Bindemittel verwendet werden. Als Beispiele für anorganische Bindemittel können Aluminiumoxid-Sol, Siliziumdioxid-Sol, Titandioxid-Sol und Zirconiumdioxid-Sol angeführt werden. Diese anorganischen Bindemittel können die Festigkeit der gebrannten porösen Schutzschicht verbessern. Als Porenbildner können polymere Porenbildner und Pulver auf Kohlenstoffbasis verwendet werden. Als Beispiele können Acrylharz, Melaminharz, Polyethylenpartikel, Polystyrolpartikel, Cellulosefasern, Stärke, Rußpulver und Graphitpulver genannt werden. Der Porenbildner kann je nach Verwendungszweck verschiedene Formen haben, z. B. kugelförmig, plattenförmig oder faserig sein. Durch die Wahl der Dosierung, Größe und Form des Porenbildners kann die Porosität und Porengröße der porösen Schutzschicht eingestellt werden. Das Lösungsmittel kann einfach nur in der Lage sein, die Viskosität eines Rohmaterials einzustellen, ohne das zusätzliche Material zu beeinträchtigen, und es können beispielsweise Wasser, Ethanol und Isopropylalkohol (IPA) verwendet werden.
In dem hier offenbarten Sensorelement wird das vorstehend erwähnte Rohmaterial zum Beispiel auf die Oberfläche des Elementkörpers aufgetragen, in dem die zweite Schicht angeordnet ist, und die poröse Schutzschicht wird nach dem Trocknen und Brennen auf der Oberfläche des Elementkörpers angeordnet. Als Auftragungsverfahren des Rohmaterials können Tauchbeschichtung, Spin-Coating, Sprühbeschichtung, Breitschlitzbeschichtung, thermisches Spritzen, Aerosolabscheidungsverfahren (AD), Druck und Formguss verwendet werden.
Unter den vorgenannten Auftragungsverfahren ist die Tauchbeschichtung insofern vorteilhaft, als sie in der Lage ist, das Rohmaterial in einem einzigen Beschichtungsvorgang gleichmäßig auf die gesamte Oberfläche des Elementkörpers aufzutragen. Bei der Tauchbeschichtung werden die Aufschlämmungsviskosität des Rohmaterials, die Ziehgeschwindigkeit des zu beschichtenden Objekts (Elementkörper), die Trocknungsbedingungen des Rohmaterials und die Brennbedingungen in Abhängigkeit von der Art und der aufgetragenen Dicke des Rohmaterials eingestellt. Beispielsweise wird die Viskosität der Aufschlämmung auf 50 bis 7000 mPa·s eingestellt. Die Ziehgeschwindigkeit wird auf 0,1 bis 10 mm/s eingestellt. Die Trocknungsbedingungen werden auf eine Trocknungstemperatur von Raumtemperatur bis 300 °C und eine Trocknungszeit von 1 Minute oder mehr eingestellt. Die Brennbedingungen werden so eingestellt, dass die Brenntemperatur 800 bis 1200 °C beträgt, die Brenndauer 1 bis 10 Stunden und die Brennatmosphäre atmosphärisch ist. Im Falle der Konfiguration der porösen Schutzschicht durch eine mehrschichtige Struktur kann das Brennen durchgeführt werden, nachdem die mehrschichtige Struktur durch wiederholtes Tauchen und Trocknen aufgebaut wurde, oder die mehrschichtige Struktur kann durch Tauchen, Trocknen und Brennen für jede Schicht aufgebaut werden.
(Erste Ausführungsform)
Mit Bezug auf 1 bis 5 wird ein Sensorelement 100 beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird eine Beziehung zwischen einem Elementkörper 50, in dem eine Sensorstruktur ausgebildet ist, und einer porösen Schutzschicht 30, die den Elementkörper 50 bedeckt, beschrieben, und die Erläuterung der Sensorstruktur wird ausgelassen.
Wie in 1 gezeigt, umfasst das Sensorelement 100 den stabförmigen Elementkörper 50 und die poröse Schutzschicht 30, die den Elementkörper 50 von einem longitudinal verlaufenden Zwischenabschnitt bis zu einem Ende des Elementkörpers 50 bedeckt. Wie in 2 gezeigt, umfasst die poröse Schutzschicht 30 eine äußere Schicht (erste Schicht) 32 und eine innere Schicht (zweite Schicht) 34. In einem Bereich 40, in dem die poröse Schutzschicht 30 den Elementkörper 50 bedeckt, ist die äußere Schicht 32 an einem Ende (erstes Ende 36) der äußeren Schicht 32 auf einem longitudinal verlaufenden Zwischenabschnitt des Elementkörpers 50 in Kontakt mit dem Elementkörper 50. Andererseits ist die äußere Schicht 32 an einem Ende (zweites Ende 38) an einer longitudinalen Endseite des Elementkörpers 50 nicht in Kontakt mit dem Elementkörper 50 und umgibt Vorder- und Rückseiten, Seitenflächen und eine Endfläche des Elementkörpers 50. Wie in 3 gezeigt, berührt die äußere Schicht 32 am ersten Ende 36 außerdem alle Umfangsflächen des Elementkörpers 50. Aus diesem Grund ist der Elementkörper 50 in dem Bereich 40 keiner äußeren Umgebung ausgesetzt (er ist vollständig von der porösen Schutzschicht 30 bedeckt). Wie in 4 gezeigt, ist die äußere Schicht 32 zwischen dem ersten Ende 36 und dem zweiten Ende 38 nicht in Kontakt mit dem Elementkörper 50.
Die äußere Schicht 32 umfasst einen gesinterten Körper (Matrix) aus Keramikpartikeln und anisotroper Keramik (plattenförmige Keramikpartikel und Keramikfasern). Eine Porosität der äußeren Schicht 32 beträgt etwa 20 Vol.-%. Ein Verhältnis der anisotropen Keramik in der äußeren Schicht 32 „{ (anisotrope Keramik)/(anisotrope Keramik)+(Keramikpartikel)}x 100“ beträgt etwa 50 Vol.-%. Ferner wird ein Oberflächenbereich S2 eines Abschnitts (erstes Ende 36), an dem die äußere Schicht 32 mit dem Elementkörper 50 in Kontakt ist, in Bezug auf einen Oberflächenbereich S1 des Elementkörpers 50 so angepasst, dass die folgende Gleichung (1) erfüllt wird. Insbesondere kann ein Flächenverhältnis (S2/S1) durch Ändern der Größe des ersten Endes 36 angepasst werden. $10 \leq (S 2 / S 1) \times 100 \leq 80$
Die innere Schicht 34 ist eine Luftschicht. Das heißt, die innere Schicht 34 ist ein Zwischenraum mit einer Porosität von 100 %, der zwischen der äußeren Schicht 32 und dem Elementkörper 50 angeordnet ist. Die innere Schicht 34 kann bei der Bildung der porösen Schutzschicht 30 durch Bildung einer Harzschicht auf der Oberfläche des Elementkörpers 50, anschließende Bildung einer Keramikschicht (äußere Schicht 32) auf der Harzschicht und anschließendes Brennen zur Beseitigung der Harzschicht hergestellt werden. Da die poröse Schutzschicht 30 den Zwischenraum (innere Schicht 34) erhält, der als wärmeisolierende Schicht zwischen der äußeren Schicht 32 und dem Elementkörper 50 dient, kann die Wärmeübertragung von der äußeren Schicht 32 zum Elementkörper 50 unterdrückt werden.
5 zeigt schematisch eine Struktur der äußeren Schicht 32. Wie in 5 gezeigt, besteht die äußere Schicht 32 aus einer Matrix 18, Keramikfasern 16 und plattenförmigen Keramikpartikeln 14. Die Matrix 18 ist ein gesinterter Körper aus Keramikpartikeln und bindet die Keramikfasern 16 und die plattenförmigen Keramikpartikel 14, bei denen es sich um Aggregate handelt. Die Keramikfasern 16 und die plattenförmigen Keramikpartikel 14 sind in der äußeren Schicht 32 vorhanden, indem sie im Wesentlichen gleichmäßig darin verteilt sind. In der Matrix 18 sind Poren 12 enthalten. Die Poren 12 sind Spuren eines Porenbildners, der bei der Bildung der äußeren Schicht 32 zu dem Rohmaterial hinzugefügt wurde. Das heißt, die Poren 12 entstehen in einem Herstellungsprozess (Brennschritt) der porösen Schutzschicht 30 als Ergebnis der Entfernung des Porenbildners. Die Porosität der äußeren Schicht 32 kann durch Anpassen einer Menge der Poren 12 angepasst werden.
(Zweite Ausführungsform)
Mit Bezug auf 6 wird ein Sensorelement 100a beschrieben. Das Sensorelement 100a ist eine Variante des Sensorelements 100 und unterscheidet sich in einer Struktur einer porösen Schutzschicht 30a von der porösen Schutzschicht 30 des Sensorelements 100. Konfigurationen des Sensorelements 100a, die im Wesentlichen jenen des Sensorelements 100 gleichen, haben dieselben Bezugszeichen wie jene des Sensorelements 100 und eine Beschreibung davon kann entfallen.
Die poröse Schutzschicht 30a umfasst die äußere Schicht 32 und eine innere Schicht 34a. Bei der inneren Schicht 34a handelt es sich um eine Keramikschicht aus Keramikfasern und Keramikpartikeln und ist auf eine Porosität von 95 % oder mehr eingestellt. Die innere Schicht 34a wird bei der Bildung der porösen Schutzschicht 30a durch Bildung einer Harzschicht, die Keramikfasern und Keramikpartikel enthält, auf der Oberfläche des Elementkörpers 50, anschließende Bildung einer Keramikschicht (äußere Schicht 32) auf der Harzschicht und anschließendes Brennen zur Beseitigung der Harzschicht hergestellt. Die poröse Schutzschicht 30a erreicht im Vergleich zu der porösen Schutzschicht 30 (siehe 2) eine höhere Festigkeit.
(Dritte Ausführungsform)
Mit Bezug auf 7 wird ein Sensorelement 100b beschrieben. Das Sensorelement 100b ist eine Variante des Sensorelements 100 und unterscheidet sich in einer Struktur einer porösen Schutzschicht 30b von der porösen Schutzschicht 30 des Sensorelements 100. Konfigurationen des Sensorelements 100b, die im Wesentlichen jenen des Sensorelements 100 gleichen, haben dieselben Bezugszeichen wie jene des Sensorelements 100 und eine Beschreibung davon kann entfallen.
Die poröse Schutzschicht 30b umfasst eine Vielzahl von Säulen 37 zwischen dem ersten Ende 36 und dem zweiten Ende 38. Jede der Säulen 37 ist in Kontakt mit der äußeren Schicht 32 und dem Elementkörper 50. Anders ausgedrückt ist die äußere Schicht 32 in der porösen Schutzschicht 30b an mehreren Stellen in Kontakt mit dem Elementkörper 50. Eine innere Schicht 34b ist durch die Säulen 37 in mehrere Bereiche aufgeteilt. Die poröse Schutzschicht 30b erreicht im Vergleich zu der porösen Schutzschicht 30 (siehe 2) eine höhere Festigkeit.
(Vierte Ausführungsform)
Mit Bezug auf 8 wird ein Sensorelement 100c beschrieben. Das Sensorelement 100c ist eine Variante des Sensorelements 100 und unterscheidet sich von der porösen Schutzschicht 30 des Sensorelements 100 dadurch, dass eine poröse Schutzschicht 30c eine dreilagige Struktur aufweist. Konfigurationen des Sensorelements 100c, die im Wesentlichen jenen des Sensorelements 100 gleichen, haben dieselben Bezugszeichen wie jene des Sensorelements 100 und eine Beschreibung davon kann entfallen.
Die poröse Schutzschicht 30c umfasst die äußere Schicht 32, die innere Schicht 34 und eine Deckschicht 35. Die Deckschicht (dritte Schicht) 35 berührt die Oberfläche des Elementkörpers 50, aber nicht die äußere Schicht 32. Die Deckschicht 35 besteht im Wesentlichen aus demselben Material wie die äußere Schicht 32 und somit aus einer Matrix 18, Keramikfasern 16 und plattenförmigen Keramikpartikeln 14 (siehe auch 5). Durch die Deckschicht 35 nimmt ein Volumen der inneren Schicht (Zwischenraum) 34 entsprechend ab. Folglich ist die Festigkeit der porösen Schutzschicht 30c verbessert.
Beispiele
Ein in 9 gezeigtes Sensorelement 110 wurde hergestellt. Das Sensorelement 110 umfasst einen Elementkörper 50, in dem eine Sensorstruktur ausgebildet ist, und eine poröse Schutzschicht 30, die den Elementkörper 50 von einem longitudinal verlaufenden Zwischenabschnitt zu einem Ende des Elementkörpers 50 bedeckt. Die poröse Schutzschicht 30 umfasst eine äußere Schicht 32 und eine innere Schicht 34. Ferner wurden für das Sensorelement 110 Proben (Beispiele 1 bis 10 und Vergleichsbeispiele 1 und 2) mit unterschiedlichen Strukturen der porösen Schutzschicht 30 hergestellt und die Eigenschaften (Wasserbeständigkeit und Festigkeit) des Sensorelements 110 bewertet. Insbesondere wurden die Eigenschaften durch Variation der Porosität der äußeren Schicht 32, der Porosität der inneren Schicht 34, des Aspektverhältnisses der in der äußeren Schicht 32 enthaltenen anisotropen Keramik (plattenförmige Keramikpartikel und Keramikfasern) und des Kontaktflächenverhältnisses R1 ((S2/S1) × 100) der äußeren Schicht 32 zum Elementkörper 50 bewertet. Die Eigenschaften und Bewertungsergebnisse der jeweiligen Proben sind in 10 gezeigt. Die in 10 dargestellte „Porosität“, das „Kontaktflächenverhältnis R1“ und das „Aspektverhältnis“ geben Bewertungen des hergestellten Sensorelements 110 an.
Die Porosität wurde durch Beobachtung eines Querschnitts der äußeren Schicht 32 mit einem REM (Rasterelektronenmikroskop), Binarisierung eines beobachteten Bildes in einen räumlichen und einen nicht-räumlichen Teil und Berechnung eines Verhältnisses des Zwischenraums zur Gesamtheit ermittelt.
Das Kontaktflächenverhältnis R1 wurde durch Berechnen eines Gesamtoberflächenbereichs S1 von Oberflächen des Elementkörpers 50 (Vorder- und Rückseiten, Seitenflächen und longitudinale Endflächen) in einem Bereich 40 (siehe 2), in dem die poröse Schutzschicht 30 den Elementkörper 50 bedeckt, Messen einer Kontaktfläche S2 zwischen dem Elementkörper 50 und der äußeren Schicht 32 (erstes Ende 36) und Berechnen von „R1=((S2/S1)_X 100)“ erhalten. Die Kontaktfläche S2 wurde berechnet, indem Röntgen-CT-Bilder in Intervallen von 50 µm in Umfangsrichtung des Sensorelements 110 aufgenommen wurden, die Kontaktfläche zwischen der äußeren Schicht 32 und dem Elementkörper 50 in jedem aufgenommenen Abschnitt gemessen und die gemessenen Kontaktflächen addiert wurden.
Zur Berechnung des Aspektverhältnisses wurde der Querschnitt der äußeren Schicht 32 mit dem REM (Rasterelektronenmikroskop) betrachtet, 100 beliebige Partikel (anisotrope Keramik) ausgewählt, die maximalen und minimalen Durchmesser der 100 Partikel gemessen und daraus die Mittelwerte berechnet.
Das Sensorelement 110 entspricht den Sensorelementen 100, 100b (siehe 2 bis 4 und 6) und wird beispielsweise als Gassensor verwendet, der an einem Abgasrohr eines Fahrzeugs mit einem Motor angebracht wird, um eine Konzentration eines im Abgas enthaltenen Detektionszielgases (NOx, Sauerstoff) zu messen. Nachfolgend wird die Struktur des Elementkörpers 50 kurz beschrieben.
Der Elementkörper 50 besteht aus einer Basis 80, die hauptsächlich aus Zirconiumdioxid besteht, Elektroden 62, 68, 72, 76, die innerhalb und außerhalb der Basis 80 angeordnet sind, und einem Heizelement 84, das in die Basis 80 eingebettet ist. Die Basis 80 ist sauerstoffionenleitfähig. Im Inneren der Basis 80 ist ein Raum mit einer Öffnung 52 definiert, der durch diffusionssteuernde Elemente 54, 58, 64 und 70 in eine Vielzahl von Räumen 56, 60, 66 und 74 unterteilt ist. Die diffusionssteuernden Elemente 54, 58, 64 und 70 sind Teil der Basis 80 und sind säulenförmige Elemente, die sich von beiden Seitenflächen aus erstrecken. Aus diesem Grund trennen die diffusionssteuernden Elemente 54, 58, 64 und 70 die jeweiligen Räume 56, 60, 66 und 74 nicht vollständig voneinander. Die diffusionssteuernden Elemente 54, 58, 64 und 70 begrenzen die Bewegungsgeschwindigkeit des durch die Öffnung 52 eingeleiteten Detektionszielgases.
Der Raum innerhalb der Basis 80 ist in dieser Reihenfolge von der Seite der Öffnung 52 aus in einen Pufferraum 56, einen ersten Raum 60, einen zweiten Raum 66 und einen dritten Raum 74 unterteilt. Die zylindrische innere Pumpelektrode 62 ist in dem ersten Raum 60 angeordnet. Die zylindrische Hilfspumpelektrode 68 ist in dem zweiten Raum 66 angeordnet. Die Messelektrode 72 ist in dem dritten Raum 74 angeordnet. Die innere Pumpelektrode 62 und die Hilfspumpelektrode 58 bestehen aus einem Material mit geringem NOx-Reduktionsvermögen. Die Messelektrode 72 besteht hingegen aus einem Material mit hohem NOx-Reduktionsvermögen. Ferner ist die äußere Pumpelektrode 76 an einer Oberfläche der Basis 80 angeordnet. Die äußere Pumpelektrode 76 ist über die Basis 80 einem Teil der inneren Pumpelektrode 62 und einem Teil der Hilfspumpelektrode 68 zugewandt.
Eine Sauerstoffkonzentration des Detektionszielgases im ersten Raum 60 wird angepasst, indem zwischen der äußeren Pumpelektrode 76 und der inneren Pumpelektrode 62 eine Spannung angelegt wird. Eine Sauerstoffkonzentration des Detektionszielgases im zweiten Raum 66 wird gleichermaßen angepasst, indem zwischen der äußeren Pumpelektrode 76 und der Hilfspumpelektrode 68 eine Spannung angelegt wird. Das Detektionszielgas, dessen Sauerstoffkonzentration mit hoher Präzision angepasst wurde, wird in den dritten Raum 74 eingebracht. Im dritten Raum 74 wird NOx im Detektionszielgas durch die Messelektrode (NOxreduzierender Katalysator) 72 zersetzt und dadurch Sauerstoff erzeugt. Eine NOx-Konzentration in dem Detektionszielgas wird detektiert, indem an die äußere Pumpelektrode 76 und die Messelektrode 72 eine Spannung angelegt wird, sodass ein Sauerstoffpartialdruck im dritten Raum 74 konstant wird, und ein Stromwert in diesem Zustand gemessen wird. Der Pufferraum 56 ist ein Raum zum Puffern einer Konzentrationsschwankung im von der Öffnung 52 her eingebrachten Detektionszielgas. Bei der Detektion der NOx-Konzentration des Detektionszielgases wird die Basis 80 mit dem Heizelement 84 auf 500 °C oder mehr erwärmt. Das Heizelement 84 ist in die Basis 80 eingebettet und Positionen zugewandt, in denen die Elektroden 62, 68, 72, 76 angeordnet sind, um die Sauerstoffionenleitfähigkeit der Basis 80 zu erhöhen. Durch Erhöhung der Temperatur der Basis 80 durch das Heizelement 84 wird die Basis (sauerstoffionenleitender Festelektrolyt) 80 aktiviert.
Ein Verfahren zur Herstellung der porösen Schutzschicht 30 wird beschrieben. Zunächst wurden eine innere Aufschlämmungsschicht und eine äußere Aufschlämmungsschicht hergestellt, ein Ende des Elementkörpers 50 wurde in die innere Aufschlämmungsschicht getaucht, um eine 400 µm dicke Innenschicht zu bilden. Danach wurde der Elementkörper 50 in einen Trockner gegeben und die innere Schicht eine Stunde lang bei 200 °C (atmosphärische Atmosphäre) getrocknet. Dann wurden der Abschnitt des Elementkörpers 50, in dem die innere Schicht gebildet wurde, und ein Teil des Elementkörpers 50 in die äußere Aufschlämmungsschicht getaucht, um eine 400 µm dicke äußere Schicht zu bilden. Danach wurde der Elementkörper 50 in den Trockner gelegt und die äußere Schicht eine Stunde lang bei 200 °C (atmosphärische Atmosphäre) getrocknet. Anschließend wurde der Elementkörper 50 in einen Elektroofen gegeben, sechs Stunden lang bei 450 °C entfettet (Entfernung der inneren Schicht) und drei Stunden lang bei 1100 °C (atmosphärische Atmosphäre) gebrannt.
Die innere Aufschlämmungsschicht wird nun beschrieben. Die innere Aufschlämmungsschicht wurde durch Mischen von Cellulosefasern (mit einem durchschnittlichen maximalen Durchmesser von 20 µm), Acrylharz (PMMA), Wasser und Aluminiumoxid-Sol hergestellt. Die Cellulosefasern wurden auf einen Volumenanteil von 10 % in Bezug auf das Acrylharz eingestellt. Das Wasser ist ein Lösungsmittel und wurde so eingestellt, dass die Viskosität der inneren Aufschlämmungsschicht bei 200 mPa·s liegt. Außerdem entspricht das Aluminiumoxid-Sol einem Bindemittel (anorganisches Bindemittel). In Beispiel 6 und Vergleichsbeispiel 2 wurde ein Teil (oder die Gesamtheit) der Cellulosefasern durch Aluminiumoxidfasern (mit einem durchschnittlichen maximalen Durchmesser von 140 µm) und Titandioxidpartikel (mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 0,25 µm) ersetzt. Insbesondere wurden in Beispiel 5 die Aluminiumoxidfasern in einem Volumenanteil von 2,5 % in Bezug auf das Acrylharz und die Titandioxidpartikel in einem Volumenanteil von 2,5 % in Bezug auf das Acrylharz hinzugefügt. Im Vergleichsbeispiel 2 wurden die Aluminiumoxidfasern in einem Volumenanteil von 5,0 % in Bezug auf das Acrylharz und die Titandioxidpartikel in einem Volumenanteil von 5,0 % in Bezug auf das Acrylharz hinzugefügt. Das heißt, im Vergleichsbeispiel 2 wurden keine Cellulosefasern verwendet.
Die äußere Aufschlämmungsschicht wird nun beschrieben. Die äußere Aufschlämmungsschicht wurde durch Mischen von Aluminiumoxidfasern (mit einem durchschnittlichen maximalen Durchmesser von 140 µm), plattenförmigen Aluminiumoxidpartikeln (mit einem durchschnittlichen maximalen Durchmesser von 6 µm), Titandioxidpartikeln (mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 0,25 µm), Aluminiumoxid-Sol (mit einem Aluminiumoxidgehalt von 1,1 %), Acrylharz (mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 8 µm) und Wasser hergestellt. Die Aluminiumoxidfasern und die plattenförmigen Aluminiumoxidpartikel entsprechen Aggregaten und in den Beispielen 1 bis 10 und Vergleichsbeispiel 1 wurden jene mit dem Aspektverhältnis von 18 bis 22 verwendet, und in Vergleichsbeispiel 2 wurden jene mit dem Aspektverhältnis von 2,4 verwendet. Die Titandioxidpartikel entsprechen einem Bindematerial und das Aluminiumoxid-Sol entspricht einem Bindemittel (anorganisches Bindemittel). Das Aluminiumoxid-Sol wurde zu 10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aggregate und des Bindemittels, hinzugefügt. Das Acrylharz entspricht einem Porenbildner und die Porosität der äußeren Schicht 32 wurde durch Anpassen der Menge des Acrylharzes eingestellt. Das Wasser ist ein Lösungsmittel und wurde so eingestellt, dass die Viskosität der inneren Aufschlämmung bei 200 mPa·s liegt.
An den hergestellten Proben (Beispiele 1 bis 10 und Vergleichsbeispiele 1 und 2) wurden Wasserbeständigkeitstests und Festigkeitsprüfungen durchgeführt. Die Ergebnisse davon sind in 10 gezeigt. Bei dem Wasserbeständigkeitstest wurde das Sensorelement 110 im Freien betrieben, 15 bis 40 µl Wassertropfen wurden auf die poröse Schutzschicht 30 getropft, und morphologische Veränderungen in der porösen Schutzschicht 30 und dem Elementkörper 50 wurden beobachtet. Insbesondere wurde das Heizelement 84 elektrisch so betrieben, dass das Innere des ersten Raums 60 in einen beheizten Zustand eintritt, und der Wert des Stroms, der zwischen der äußeren Pumpelektrode 76 und der inneren Pumpelektrode 62 fließt, wurde in einem Zustand des Anlegens einer Spannung zwischen der äußeren Pumpelektrode 76 und der inneren Pumpelektrode 62 gemessen, sodass die Sauerstoffkonzentration in dem ersten Raum 60 konstant gehalten wird. Nachdem der Stromwert konstant war, wurde die elektrische Leitung des Heizelements 84 gestoppt, nachdem die Wassertropfen auf die Oberfläche der porösen Schutzschicht 30 getropft waren, und die morphologischen Veränderungen in der porösen Schutzschicht 30 und dem Elementkörper 50 wurden beobachtet.
Für die morphologische Veränderung in der porösen Schutzschicht 30 wurde das Vorhandensein/Fehlen von Rissen und Abblätterungen visuell beobachtet. Ferner wurde für die morphologische Veränderung des Elementkörpers 50 das Vorhandensein/Fehlen von Rissen mittels Röntgen-CT beobachtet. In 10 wird eine Probe, bei der eine Verschlechterung (Riss, Abblätterung) mit 40 µl Wassertropfen nicht auftrat, mit „⊚“ bezeichnet, eine Probe, bei der die Verschlechterung mit 20 µl Wassertropfen nicht auftrat, aber mit 40 µl Wassertropfen auftrat, wird mit „O“ bezeichnet, eine Probe, bei der die Verschlechterung nicht mit 15 µl Wassertropfen, sondern mit 20 µl Wassertropfen auftrat, wird mit „Δ“ bezeichnet, und eine Probe, bei der die Verschlechterung mit 15 µl Wassertropfen auftrat, wird mit „×“ bezeichnet. Ein höherer Grad an hervorragender Wasserbeständigkeit der porösen Schutzschicht 30 deutet darauf hin, dass die Wärmedämmung der porösen Schutzschicht 30 besser ist.
Bei der Festigkeitsprüfung wurden die Proben aus einer Höhe von 5 bis 15 cm frei auf Beton fallen gelassen, und das Vorhandensein/Fehlen von Schäden in der porösen Schutzschicht 30 wurde visuell beobachtet. Die Proben wurden in einer Haltung frei fallen gelassen, in der eine Hauptoberfläche des Sensorelements 110 (Oberfläche mit maximaler Fläche) parallel zum Beton ist. In 10 wird eine Probe, bei der in 15 cm Höhe keine Beschädigung auftrat, mit „⊚“, eine Probe, bei der die Beschädigung nicht in 10 cm Höhe, sondern in 15 cm Höhe auftrat, mit „○“, eine Probe, bei der die Beschädigung nicht in 5 cm Höhe, sondern in 10 cm Höhe auftrat, mit „Δ“ und eine Probe, bei der die Beschädigung in 5 cm Höhe auftrat, mit „x“ bezeichnet. [0049] Wie in 10 gezeigt, wurde bei allen Proben, bei denen die Porosität der inneren Schicht 34 95 Vol.-% oder mehr beträgt (Beispiele 1 bis 10 und Vergleichsbeispiel 2), bestätigt, dass sie in der Lage sind, eine hervorragende Wasserbeständigkeit zu erzielen (siehe auch Vergleichsbeispiel 1). Insbesondere die Proben, bei denen die Porosität der inneren Schicht 34 100 Vol.-% (Zwischenraum) beträgt, die Porosität der äußeren Schicht 32 21 Vol.-% oder weniger (20,2 %) beträgt und die Kontaktfläche zwischen der äußeren Schicht 32 und dem Elementkörper 50 26 % oder weniger beträgt (Beispiele 1, 4 und 8), haben ein deutlich besseres Ergebnis erzielt. Die Ergebnisse des Wasserbeständigkeitstests deuten darauf hin, dass die Wasserbeständigkeit durch die Anordnung einer hochwärmeisolierenden Schicht (innere Schicht 34) zwischen der äußeren Schicht 32 und dem Elementkörper 50 und auch durch die Verringerung des Kontaktflächenverhältnisses der äußeren Schicht 32 in Bezug auf den Elementkörper 50 verbessert wird.
Ferner wurde bei allen Proben, bei denen die äußere Schicht 32 die anisotrope Keramik (Aluminiumoxidfasern und plattenförmige Aluminiumoxidpartikel) mit einem Aspektverhältnis von 5 oder mehr enthält (Beispiele 1 bis 10 und Vergleichsbeispiel 1), bestätigt, dass die poröse Schutzschicht 30 eine hohe Festigkeit aufweist (siehe auch Vergleichsbeispiel 2). Insbesondere wurde bestätigt, dass die Proben, bei denen die Porosität der äußeren Schicht 32 50 % oder weniger und das Kontaktflächenverhältnis der äußeren Schicht 32 in Bezug auf den Elementkörper 50 10 % oder mehr beträgt (Beispiele 1 bis 6, 9 und 10 und Vergleichsbeispiel 1), eine hohe Festigkeit aufweisen. Ferner wurde bestätigt, dass die Proben, bei denen das Kontaktflächenverhältnis der äußeren Schicht 32 zum Elementkörper 50 25 % oder mehr beträgt (Beispiele 1 bis 3, 9 und 10), ein deutlich besseres Ergebnis erzielen. Die Ergebnisse der Festigkeitsprüfung zeigen, dass die Festigkeit der äußeren Schicht 32 durch Hinzufügen der anisotropen Keramik zur äußeren Schicht 32 zur Verstärkung der äußeren Schicht 32 verbessert wird.
Während spezifische Beispiele der vorliegenden Offenbarung oben im Detail beschrieben wurden, sind diese Beispiele lediglich illustrativ und schränken den Umfang der Patentansprüche nicht ein. Die in den Patentansprüchen beschriebene Technologie umfasst auch verschiedene Änderungen und Modifikationen an den oben beschriebenen spezifischen Beispielen. Die in der vorliegenden Beschreibung oder den Zeichnungen erläuterten technischen Elemente bieten entweder unabhängig voneinander oder durch verschiedene Kombinationen einen technischen Nutzen. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die zum Zeitpunkt der Anmeldung der Patentansprüche beschriebenen Kombinationen beschränkt. Außerdem sollen die in der vorliegenden Beschreibung oder den Zeichnungen dargestellten Beispiele mehrere Ziele gleichzeitig erfüllen, und die Erfüllung eines dieser Ziele verleiht der vorliegenden Offenbarung technischen Nutzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2019200859 [0001]
JP 2016188853 A [0002]

Claims

Sensorelement, umfassend: einen Elementkörper; und eine poröse Schutzschicht, die eine Oberfläche des Elementkörpers bedeckt, wobei die poröse Schutzschicht eine erste Schicht, die auf einer Oberfläche des Sensorelements freiliegt, und eine zweite Schicht umfasst, die zwischen dem Elementkörper und der ersten Schicht angeordnet ist, die erste Schicht Keramikpartikel und anisotrope Keramik mit einem Aspektverhältnis von 5 oder mehr und 100 oder weniger aufweist, und ein Teil der ersten Schicht mit dem Elementkörper in Kontakt ist, und eine Porosität der zweiten Schicht 95 Vol.-% oder mehr beträgt.
Sensorelement nach Anspruch 1, wobei eine Porosität der ersten Schicht 5 Vol.-% oder mehr und 50 Vol.-% oder weniger beträgt.
Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Gleichung (1) wie folgt innerhalb eines Bereichs erfüllt ist, in dem die poröse Schutzschicht den Elementkörper bedeckt: $10 \leq (S 2 / S 1) \times 100 \leq 80$
wobei S1 ein Oberflächenbereich des Elementkörpers ist und S2 eine Kontaktfläche zwischen dem Elementkörper und der ersten Schicht ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Volumenanteil der anisotropen Keramik in der ersten Schicht 20 Vol.-% oder mehr und 80 Vol.-% oder weniger, bezogen auf ein Gesamtvolumen der Keramikpartikel und der anisotropen Keramik, beträgt.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein maximaler Durchmesser der anisotropen Keramik 5 µm oder mehr und 200 µm oder weniger beträgt.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein minimaler Durchmesser der anisotropen Keramik 0,01 µm oder mehr und 20 µm oder weniger beträgt.