DE2501894A1 - ELECTRICAL RESISTOR ELEMENT AND METHOD OF ITS MANUFACTURING - Google Patents
ELECTRICAL RESISTOR ELEMENT AND METHOD OF ITS MANUFACTURINGInfo
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Description
PATENTANWÄLTE:
Dipl.-Ing. W. COHAUSZ · Dipl.-lng. W. FLORACK · Dipl.-Ing. R. KNAUF · Dr.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. A. GERBER ■ Dipl.-Ing. H. B. COHAUSZPATENT LAWYERS:
Dipl.-Ing. W. COHAUSZ Dipl.-Ing. W. FLORACK Dipl.-Ing. R. KNAUF Dr.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. A. GERBER ■ Dipl.-Ing. HB COHAUSZ
The Carborundum Company 17. Januar I975The Carborundum Company January 17, 1975
1625 Buffalo Avenue
Niagara Palls, N.Y. / USA1625 Buffalo Avenue
Niagara Palls, NY / USA
Elektrisches Widerstandselement und Verfahren zu seiner HerstellungElectrical resistance element and method for its Manufacturing
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Widerständselement, insbesondere zur zündung brennbarer Gase, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.The invention relates to an electrical resistance element, in particular for igniting combustible gases, and to a method for its manufacture.
Einem Material mit geeignetem spezifischen elektrischen Widerstand sowie hoher Beständigkeit bei hohen Temperaturen und in korrosiver Umgebung bieten sich zahlreiche elektrische und thermische Anwendumgsmöglichkeiten, so z.B. die verwendung zu Heizelementen. Von besonderem Interesse ist die Verwendung eines solchen Materials zu Zündeinrichtungen für brennbare Gase, Wichtig bei einer derartigen Anwendung ist der Zusammenhang zwischen elektrischem Widerstand und Temperatur, der durch die Temperatur-Widerstandskennlinie wiedergegeben wird. Zur Vermeidung elektrischer Kurzschlüsse ist eine Temperatur-Widerstandskennlinie erwünscht, die bei höheren Temperaturen flach oder steigend verläuft.A material with suitable specific electrical resistance and high resistance at high temperatures and in a corrosive environment there are numerous electrical and thermal application possibilities, e.g. the use of Heating elements. The use is of particular interest of such a material for ignition devices for flammable gases, In such an application, the relationship between electrical resistance and temperature is important, which is established by the Temperature resistance characteristic is reproduced. A temperature-resistance curve is used to avoid electrical short circuits desirable, which is flat or rising at higher temperatures.
Aus Sicherheitsgründen und wegen der Verknappung gasförmiger ,For safety reasons and because of the shortage of gaseous,
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Brennstoffe besteht ein Bedarf an elektrischen Zündeinrichtungen mit niedrigem Stromverbrauch, die die Zündflammen in Gasherden und anderen Gasgeräten ersetzen können. Es wurde gefunden, daß der Gasverbrauch ständig brennender Zündflammen einen erheblichen Anteil der von einem Gasgerät verbrauchten Energie ausmacht. Zündflammen erzeugen überdies nicht unbeträchtliche Mengen nitroser Gase, die den Hauptbestandteil des Smogs bilden. In geschlossenen Wohnräumen können die Emissionen dieser ständig brennenden Zündflammen unter Umständen dazu führen, daß die zulässigen Höchstwerte für nitrose Gase überschritten werden.There is a need for low power electrical igniters that the pilot lights in fuels Can replace gas stoves and other gas appliances. It has been found that the gas consumption of constantly burning pilot lights makes up a significant proportion of the energy consumed by a gas appliance. In addition, pilot flames produce not inconsiderable Amounts of nitrous gases, which are the main constituent of smog. In closed living spaces, the emissions of this Constantly burning pilot flames may lead to the maximum permissible values for nitrous gases being exceeded.
Es ist schon bekannt, bei Brennern Zündeinrichtungen aus zweifach gebranntem Siliciumcarbid zu verwenden, da diese außerordentlich hohe Betriebstemperaturen ohne zerfall oder Materialverschleehterung ertragen. Darüber hinaus sind sie korrosionsbeständig und gegen die zerstörenden Einflüsse der Verbrennungsprodukte im wesentlichen unempfindlich. Solche SiC-Zündeinrichtungen wurden bisher aus selbstgebundenem Siliciumcarbid hergestellt, wie beispielsweise die Thermistor-Spiralzündeinrichtung nach der US-PS 3 467 812 und die Zündeinrichtung der US-PS 3 372 305. Solche Zündeinrichtungen konnten aber wegen ihrer Zerbrechlichkeit, ihrer hohen Kosten, der erforderlichen Spannung und ihres Stromverbrauchs nicht voll befriedigen. It is already known that two ignition devices are used in burners To use fired silicon carbide, as these are extremely high operating temperatures without decomposition or material deterioration endure. In addition, they are corrosion-resistant and against the destructive influences of the combustion products essentially insensitive. Such SiC ignition devices have hitherto been made from self-bonded silicon carbide such as the thermistor coil igniter according to US-PS 3,467,812 and the ignition device US Pat. No. 3,372,305. However, such ignition devices could not fully satisfactory because of their fragility, high cost, required voltage and power consumption.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Zündeinrichtungen zu beseitigen und ein als Zündeinrichtung geeignetes Widerstandselement anzugeben, das zuverlässiger, leicht reproduzierbar und physikalisch fest ist, mit dem sich hohe Temperaturen rasch und wiederholt erreichen lassen und das bei niedrigeren Spannungen (6 bis 220 Volt) mit geringerem Stromverbrauch betrieben werden kann, seine Reak-The invention is based on the object of the disadvantages to eliminate known ignition devices and to specify a resistance element suitable as an ignition device, which is more reliable, is easily reproducible and physically strong, with which high temperatures can be reached quickly and repeatedly and that can be operated at lower voltages (6 to 220 volts) with lower power consumption, its react-
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tionszeit, d.h. die Zeitspanne bis zur Erreichung der Zündtemperatur gebräuchlicher Brenngase, soll weniger als 30 Sekunden und sein Stromverbrauch möglichst weniger als 100 Watt, vorzugsweise weniger als 35 Watt, betragen. Dabei soll das Widerstandselement gegen einen raschen Übergang von Raumtemperatur auf 1000 0C und höher beständig sein und rasche wechsel zwischen diesen extremen Temperaturen während einer langen Gebrauchsdauer ertragen können.tion time, ie the period of time until the ignition temperature of common fuel gases is reached, should be less than 30 seconds and its power consumption, if possible, less than 100 watts, preferably less than 35 watts. The resistance element should be resistant to a rapid transition from room temperature to 1000 ° C. and higher and be able to withstand rapid changes between these extreme temperatures over a long period of use.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein elektrisches Widerstandselement gelöst, das aus dotiertem siliziertem Graphit besteht und eine Reaktionszeit von weniger als 30 Sekunden sowie einen Stromverbrauch von weniger als 100 W hat.According to the invention, this object is achieved by an electrical resistance element dissolved, which consists of doped siliconized graphite and a reaction time of less than 30 seconds and has a power consumption of less than 100 W.
Das Verfahren zur Herstellung des elektrischen Widerstandselementes besteht darin, daß ein aus einem Graphitband geformtes Element und eine silizierende Mischung aus einer Siliziumquelle, Kohlenstoff und einem kohlenstoffhaltigen Bindemittel in Gegenwart eines Dotierungselementes so lange auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der freies Silicium erhalten wird, bis im wesentlichen der gesamte vorhandene Kohlenstoff in Siliciumcarbid umgewandelt ist.The method for producing the electrical resistance element is that one formed from a graphite tape Element and a siliconizing mixture of a silicon source, carbon and a carbonaceous binder is heated in the presence of a doping element to a temperature at which free silicon is obtained, to substantially all of the carbon present in silicon carbide is converted.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. ■Advantageous further developments of the invention are set out in the subclaims specified. ■
Anhand der zeichnungen wird die Erfindung näher beschrieben. Es zeigen·The invention is described in more detail with the aid of the drawings. It demonstrate·
Fig. 1 eine Vorderansicht eines als Zündeinrichtung geeigneten Widerstandselementes gemäß der Erfindung;1 shows a front view of a resistance element suitable as an ignition device according to the invention;
Fig. 2 einen Aufriß eines als Zündeinrichtung geeigneten anderen Widerstandselementes gemäß der Erfindung;Fig. 2 is an elevational view of another resistive element suitable as an ignition device according to the invention;
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Fig. 2a einen Seitenriß des Widerstandselementes von Fig.2; undFigure 2a is a side elevation of the resistor element of Figure 2; and
Fig. 3 Temperatur-Widerstandskennlinien zweier Beispiele von Widerstandselementen gemäß der Erfindung.Fig. 3 Temperature-resistance characteristics of two examples of Resistance elements according to the invention.
Siliciumcarbid ist seit langem als feuerfestes Hochtemperatur-Material bekannt und ist auch schon für elektrische Hochtemperatur-Heizelemente verwendet worden. Gemäß der Erfindung wird ein Widerstandselement durch Silizieren eines Gebildes aus diskontinuierlichem Lamellengraphit hergestellt. Dieses Silizieren bedeutet nicht einfach nur die Bildung einer Siliziumcarbid-Oberflächenschicht auf dem Untergrund, sondern die völlige Umwandlung des gesamten GraphitSubstrats in ein Siliciumcarbid mit vorbestimmten Eigenschaften. Das so geschaffene elektrische Widerstandselement zeichnet sich durch eine sehr rasche Reaktion, große Vielseitigkeit und Einfachheit der Herstellung aus.Silicon carbide has long been used as a high temperature refractory material known and has also been used for high temperature electrical heating elements. According to the invention, a Resistance element by siliconizing a structure made of discontinuous Lamellar graphite produced. This siliconization does not simply mean the formation of a silicon carbide surface layer on the substrate, but the complete conversion of the entire graphite substrate into a silicon carbide with predetermined properties. The electrical resistance element created in this way is characterized by a very rapid reaction, great versatility and ease of manufacture.
Das Silizieren von KohleSubstraten ist bereits bekannt und wird beispielsweise in der US-PS 2 4^1 326 beschrieben. In diesem Falle wird jedoch Siliciumcarbid in situ dadurch gebildet, daß ein Kohlekörper mit einer kontinuierlichen Skelettstruktur der Einwirkung von elementarem Silicium bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Siliciums ausgesetzt wird. Das gebildete Siliciumcarbid behält daher eine Skelett- und netzförmige struktur.The siliconizing of carbon substrates is already known and is being used for example, in U.S. Pat. No. 2,4,1326. In this Trap, however, silicon carbide is formed in situ by a carbon body with a continuous skeletal structure of the Exposure to elemental silicon at a temperature above the melting point of silicon. The educated Silicon carbide therefore retains a skeletal and reticulate structure.
Graphite bestehen bekanntlich aus Schichtebenen hexagonaler Anordnungen oder Netze von Kohlenstoffatomen. Diese Schichtebenen hexagonal angeordneter Kohlenstoffatome sind im wesentlichen eben und so orientiert, daß die einzelnen Schichten mit gleichem Abstand im wesentlichen parallel zueinander liegen.As is well known, graphites consist of hexagonal layers Arrays or networks of carbon atoms. These layer planes of hexagonally arranged carbon atoms are essentially flat and oriented in such a way that the individual layers are essentially parallel to one another at the same distance.
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Graphit kann daher als Kohlenstoff mit Lamellenstruktur, d.h. mit einer Struktur aus übereinander angeordneten Schichten oder Lamellen aus miteinander verbundenen Kohlenstoffatomen, angesehen werden. Bei der vorliegenden Erfindung wird als Ausgangsmaterial ein Blatt verwendet, das im wesentlichen aus Graphit besteht, der vorzugsweise frei von jeglichen Bindemitteln ist. Ein solches biegsames, bindemittelfreies Graphitblatt kann durch Pressen oder Verdichten expandierter Graphitteilchen mit einer bestimmten Kraft hergestellt werden'. Die expandierten Graphitteilchen behalten nach dem Pressen die durch das Pressen erzeugte Form. Dichte und Dicke des Blattmaterjals können durch Änderung des Preßdruckes beeinflußt werden. Zweckmäßigerweise soll die Dichte des Blattmaterials im Bereich von 0,64 bis 1,60 g/cm , vorzugsweise 0,96 bis 1,28 g/cm- , betragen. Derartiges Blattmaterial kann mit einer gleichmäßigen Dicke im Bereich von 0,0025 bis etwa 12,7 pm hergestellt werden. Aus diesem Blattmaterial können leicht Bänder gewünschter Größe und Form geschnitten werden (unter "Blatt" ist hier ein ebener, schmaler Streifen von Blattmaterial mit einer Dicke von 12,7 mm oder weniger, vorzugsweise von weniger als 1,27 mm, zu verstehen.) Aus so geformten Bändern können durch Silizieren gemäß der folgenden Offenbarung Widerstandselemente hergestellt werden. Es wurde jedoch gefunden, daß eine Dicke von weniger als 2,54 mm, vorzugsweise von weniger als 1,27 mm, für das Silizieren am besten geeignet ist. Es ist zu beachten, daß anscheinend zwischen der Dicke, der Dichte und der Silizierbarkeit ein Zusammenhang besteht, da die Leichtigkeit der Silizierung mit zunehmender Dicke und Dichte abnimmt. Falls daher die Dicke des Bandes erhöht wird, kann man zum Ausgleich die Dichte verringern. Ferner ist zu beachten, daß beim Silizieren eines derartigen Blattmaterials eine Dickenzunahme von etwa 60 bis 10% stattfindet. Graphite can therefore be regarded as carbon with a lamellar structure, ie with a structure made up of layers or lamellae made up of interconnected carbon atoms. In the present invention, a sheet is used as the starting material which consists essentially of graphite, which is preferably free of any binding agents. Such a flexible, binder-free graphite sheet can be produced by pressing or compressing expanded graphite particles with a certain force. After pressing, the expanded graphite particles retain the shape produced by the pressing. The density and thickness of the sheet material can be influenced by changing the pressing pressure. The density of the sheet material should expediently be in the range from 0.64 to 1.60 g / cm 2, preferably 0.96 to 1.28 g / cm 2. Such sheet material can be made to have a uniform thickness ranging from 0.0025 to about 12.7 µm. Ribbons of the desired size and shape can easily be cut from this sheet material ("sheet" here means a flat, narrow strip of sheet material with a thickness of 12.7 mm or less, preferably less than 1.27 mm.) Resistance elements can be produced from strips shaped in this way by siliconizing according to the disclosure below. However, it has been found that a thickness of less than 2.54 mm, preferably less than 1.27 mm, is most suitable for siliconizing. It should be noted that there appears to be a relationship between thickness, density, and siliconizability, since the ease of siliconization decreases with increasing thickness and density. Therefore, if the thickness of the tape is increased, the density can be reduced to compensate. It should also be noted that when such a sheet material is siliconized, an increase in thickness of about 60 to 10% takes place.
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Das nach vorstehendem verfahren hergestellte biegsame Graphitblatt-Materlal kann auf verschiedene weise modifiziert werden. Beispielsweise kann man bei seiner Bildung Imprägniermittel oder Zusatzstoffe, wie Dotierungen, einarbeiten oder mit dem expandierten Graphit mischen und das Gemisch zur Bildung des gewünschten Blattmaterials pressen. Ebenso kann man eine oder beide Oberflächen des weichen, flexiblen Graphitblatt-Materials prägen oder anderweitig mit einem Muster versehen. Das so hergestellte biegsame Graphitmaterial kann durch Wickeln, Rollen oder anderweitige Verarbeitung zu massiven und höhlen Körpern oder Erzeugnissen Jeder gewünschten Gestalt umgeformt werden. Dünne Blätter von 0,1 bis 0,4 mm Dicke können miteinander zur Bildung eines dickeren Blattmaterials verbunden werden. Es wurde jedoch gefunden, daß bei laminierten Blättern von mehr als 1,3 mm Dicke häufig eine Trennung der einzelnen Lagen eintritt, wenn diese Blätter siliziert werden.The flexible graphite sheet material produced by the above method can be modified in various ways. For example, impregnating agents can be used in its formation or additives, such as dopants, incorporate or mix with the expanded graphite and the mixture to form the desired sheet material. One or both surfaces of the soft, flexible graphite sheet material can also be used emboss or otherwise provide a pattern. The flexible graphite material produced in this way can be processed by winding, rolling or otherwise processed into solid and hollow bodies or products of any desired shape. Thin sheets 0.1-0.4 mm thick can be bonded together to form a thicker sheet material. It was found, however, that with laminated sheets of more than 1.3 mm thickness a separation of the individual layers often occurs, when these leaves are silicated.
Aus der US-PS 3 4o4 06l ist bekannt, daß hochorientierte Graphite so behandelt werden können, daß der Raum zwischen den übereinander angeordneten Kohlenstoffschichten oder Lamellen erheblich erweitert wird, so daß eine ausgeprägte Expansion in senkrechter Richtung zu den Schichten stattfindet. Auf diese Weise kann eine expandierte oder geblähte Graphitstruktur gebildet werden, bei der der Lamellencharakter im wesentlichen erhalten ist. Durch Expandieren von Graphittelichen auf eine Enddicke, die mindestens das 80-fache oder mehr der ursprünglichen Dicke beträgt, wird ein Graphitmaterial erhalten, das ohne Verwendung eines Bindemittels in kohäslve oder aus einem Stück bestehende Flächengebilde,. z.B. Bahnen, Blätter, Streifen, Bänder od.dgl., übergeführt werden kann. Darüber hinaus kann das so gebildete biegsame Graphitblatt-Material in schmale streifen geschnitten werden, die zur Herstellung gewebter oder geflochtener Graphittextilien verwendet oder durch Rollen, Wickeln oder anderweitigeIt is known from US Pat. No. 3,440,061 that highly oriented graphites can be treated in such a way that the space between the superposed carbon layers or lamellae is considerable is expanded so that a pronounced expansion takes place in a direction perpendicular to the layers. That way you can an expanded or puffed graphite structure is formed, in which the lamellar character is essentially retained. By expanding graphite characters to a final thickness that is is at least 80 times or more the original thickness, a graphite material is obtained which is without use a binding agent in a cohesive or one-piece sheet structure. e.g. sheets, sheets, strips, ribbons or the like, can be transferred. In addition, the flexible graphite sheet material thus formed can be cut into narrow strips that are used for the production of woven or braided graphite textiles or by rolling, winding or otherwise
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Verarbeitungsmethoden zu Vollwand- oder Hohlkörper umgeformt werden können.Processing methods formed into solid or hollow bodies can be.
Nach dem Trocknen und Fertigstellen eines derartigen biegsamen Graphitblattes kann das Material zur Herstellung des endgültigen elektrischen Widerstandselementes auf jede gewünschte Form geschnitten werden. Wie vorstehend angegeben, ist es möglich, Formkörper nahezu jeder gewünschten Form oder Abmessung herzustellen. After such a flexible graphite sheet has dried and finished, the material used to make the final electrical resistance element can be cut to any desired shape. As indicated above, it is possible Manufacture moldings of almost any desired shape or dimension.
Das Graphit-Ausgangsmaterial wird dann in einen Graphittiegel oder einen anderen geeigneten Behälter eingetragen und mit einer Silizierungsmischung bedeckt. Die Menge der Silizierungsmischung beträgt etwa das 20-fache des Gewichtes des zu behandelnden Grünkörpers, mindestens jedoch das 4-fache des Gewichtes des Grünkörpers. Die Silizierungsmischung besteht aus einer Siliciumquelle in einer solchen Konzentration, daß der Anteil des SiIiciums 65 bis 91 Gew.-^ der Mischung ausmacht, 4 bis 25$ Graphitkohlenstoff und 1 bis 15$ eines kohlenstoffhaltigen Bindemittels. Wesentlich ist, daß die Silizierungsmischung genügend Silicium enthält, um den'gesamten vorhandenen Kohlenstoff in Siliciumcarbid überzuführen. Geeignete Siliciumquellen sind elementares Silicium, Siliciumdioxid und Siliciumnitrid. Ferner ist es erwünscht, daß in der Silieierungsmisehung freier Graphitkohlenstoff vorliegt, damit sich auf dem gebildeten Siliciumcarbid-Körper ein lockerer Überzug aus einem Siliciumcarbid-Gerüst bilden kann, der ein Anhaften des Körpers an der Silizierungsmischung hemmt, so daß man einen homogenen Körper mit einem Minimum an Siliciumeinschlüssen erhält. Die Anteile des SiIiciums und Kohlenstoffs sind so gewählt, daß sich unter Berücksichtigung der in dem zu silizierenden Graphitmaterial vorhandenen Menge Kohlenstoff ein stöchiometrisches Verhältnis er-The graphite feedstock is then placed in a graphite crucible or another suitable container and covered with a siliconizing mixture. The amount of siliconizing mixture is about 20 times the weight of the green body to be treated, but at least 4 times the weight of the Green body. The siliconization mixture consists of a silicon source in such a concentration that the proportion of silicon 65 to 91 wt .- ^ of the mixture makes up 4 to 25 $ carbon graphite and $ 1 to $ 15 of a carbonaceous binder. It is essential that the siliconizing mixture contains enough silicon to remove all of the carbon present in silicon carbide convict. Suitable sources of silicon are elemental silicon, silicon dioxide and silicon nitride. It is also desirable that in the silage mixture free graphite carbon is present so that on the silicon carbide body formed can form a loose coating of a silicon carbide framework that allows the body to adhere to the siliconizing mixture so that a homogeneous body with a minimum of silicon inclusions is obtained. The proportions of silicon and carbon are chosen so that, taking into account those present in the graphite material to be siliconized Amount of carbon a stoichiometric ratio
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gibt. Die Silizierungsmischung kann auch wesentliche Dotierungselernente in kleinen Anteilen enthalten; doch können diese auch, wie nachstehend beschrieben, in anderer Weise eingebracht werden.gives. The siliconization mixture can also contain essential doping elements contained in small proportions; however, these can also be introduced in other ways, as described below will.
Der Körper aus Lamellengraphit und die Silizierungsmischung werden* sodann auf Silizierungstemperatur erhitzt. Falls das Silizieren im Vakuum ausgeführt wird, wurde gefunden, daß eine Temperatur von 14-50 bis 1850 0C bei einer Behandlungsdauer von 60 Minuten ausreicht, wenn ein Röhrenofen bei Atmosphärendruck und eine inerte oder dotierende Atmosphäre verwendet werden, ist eine Temperatur von I800 bis 2200 0C zweckmäßig. Die erforderliche Mindesttemperatur ist in jedem Falle eine Temperatur oberhalb der Temperatur, bei der aus der Silizierungsmischung freies Silizium erhalten wird.The lamellar graphite body and the siliconizing mixture are then * heated to siliconizing temperature. If the siliconizing is carried out in a vacuum, it has been found that a temperature of 14-50 to 1850 0 C is sufficient for a treatment time of 60 minutes, if a tube furnace at atmospheric pressure and an inert or doping atmosphere are used, a temperature of 1800 to 2200 0 C is appropriate. The minimum temperature required is in any case a temperature above the temperature at which free silicon is obtained from the siliconizing mixture.
Der Graphitkörper und die Silizierungsmischung werden so lange erhitzt, bis im wesentlichen der gesamte vorhandene Kohlenstoff in Siliziumcarbid übergeführt ist. Danach läßt man den Körper und die Mischung auf Raumtemperatur abkühlen und reinigt den Körper durch Entfernen der überschüssigen Silizierungsmischung. Das so gebildete Siliziumcarbid hat geeignete Eigenschaften zur Verwendung als Heizelement oder Zündeinrichtung, insbesondere wenn die Silizierungsmischung ein Dotierungselement enthielt. Es ist aber auch möglich, die Temperatur-Widerstandskennlinie dieses Körpers durch Einarbeitung von Dotierungselementen in den Körper während eines zweiten Brennvorgangs zu modifizieren. Andere Modifikationen können sich auch aus einem zweiten Brennoder Wiedererhitzungsvorgang ergeben. Beispielsweise können zweimal gebrannte Elemente auf wesentlich höhere Temperaturren erhitzt werden. Das zweite Brennen kann durch Erhitzen des SiIiciumcarbid-Körpers auf eine Temperatur oberhalb der zuvor ange-The graphite body and siliconizing mixture are heated until essentially all of the carbon present is heated is converted into silicon carbide. The body and the mixture are then allowed to cool to room temperature and the body is cleaned Body by removing the excess siliconizing mixture. The silicon carbide thus formed has suitable properties for Use as a heating element or ignition device, especially if the siliconizing mixture contained a doping element. But it is also possible, the temperature-resistance characteristic of this body by incorporating doping elements in the Modify body during a second burn. Other modifications can also result from a second brand or Result in reheating process. For example, elements that have been fired twice can be heated to significantly higher temperatures will. The second firing can be done by heating the silicon carbide body to a temperature above the previously indicated
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wendeten Silizierungstemperatur ausgeführt werden. Beispielsweise kann das zweite Brennen durch Erhitzen auf 18OO bis 2200 0C im Vakuum oder auf 2000 bis 2500 0C in inerter oder dotierender Atmosphäre ausgeführt werden. Wie klar zu erkennen, besteht das zweite Brennen lediglich in einer zusätzlichen Erhitzung über die ursprüngliche Silizierungstemperatur hinaus, ohne daß eine Zwischenabkühlung erforderlich ist. Das Erhitzen kann daher in einer stufenweisen Erhöhung der Temperatur auf Silizierungstemperatur und anschließend in einer weiteren Temperaturerhöhung auf Nachbrenntemperatur bestehen. Das zweite Brennen oder Nachbrennen führt zur Entfernung von überschüssigem Silicium aus dem Siliciumcarbid-Körper und dürfte auch Kornvergrößerung sowie Phasenänderungen im Siliciumcarbid zur Folge haben. Wie vorstehend angegeben, ist es möglich, das Dotieren des Siliciumcarbid-Körpers durch Einbringen eines Dotierungselementes beim Silizieren - entweder in der Silizierungsmischung oder in der verwendeten Atmosphäre - auszuführen. Alternativ kann das Dotieren auch beim Nachbrennen, z.B. durch Nachbrennen in Stickstoffatmosphäre, erfolgen. Nach dem zweiten Brennen wird das Gebilde auf Raumtemperatur abkühlen gelassen und dann von überschüssigem Silicium und anderem anhaftenden Material gereinigt. Das Gebilde kann dann in geeigneter Weise mit elektrischen Kontakten versehen werden, z.B. durch Überziehen mit einem die Elektrizität leitenden Material wie Aluminium. Derartige Überzüge werden an den Außenflächen der Anschlußteile des elektrischen Widerstandselementes aus Siliciumcarbid in Nahe der Endteile aufgebracht und bilden die Anschlüsse für den Widerstandskörper. Das gewählte Metall sollte neben elektrischer Leitfähigkeit solche Eigenschaften haben, daß es mit dem SiIiciumcarbid-Material verträglich ist. Die überzüge können auf den Widerstandskörper aufgespritzt oder in jeder anderen ge- . bräuchlichen weise aufgetragen werden. Geeignete werkstoffeapplied siliconization temperature. For example, the second firing may be by heating at 18oo and 2200 0 C in vacuum or at 2000 are executed to 2500 0 C in an inert or dopant atmosphere. As can be clearly seen, the second firing merely consists of additional heating above the original siliconization temperature, without the need for intermediate cooling. The heating can therefore consist of a gradual increase in the temperature to the siliconization temperature and then a further increase in temperature to the afterburning temperature. The second firing or post-firing leads to the removal of excess silicon from the silicon carbide body and is also likely to result in grain enlargement and phase changes in the silicon carbide. As stated above, it is possible to carry out the doping of the silicon carbide body by introducing a doping element during siliconization - either in the siliconization mixture or in the atmosphere used. Alternatively, the doping can also take place during afterburning, for example by afterburning in a nitrogen atmosphere. After the second firing, the structure is allowed to cool to room temperature and then cleaned of excess silicon and other adhering material. The structure can then be provided with electrical contacts in a suitable manner, for example by coating with an electricity-conducting material such as aluminum. Such coatings are applied to the outer surfaces of the connection parts of the electrical resistance element made of silicon carbide in the vicinity of the end parts and form the connections for the resistance body. In addition to electrical conductivity, the selected metal should have properties such that it is compatible with the silicon carbide material. The coatings can be sprayed onto the resistor body or in any other form. can be applied in a customary manner. Suitable materials
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sind Carbonylnickel, Wolfram, Aluminium, Gold, Silber usw. Geeignete Auftragsmethoden sind Elektrozerstäubung, Überziehen im Schmelzbad, Abscheiden aus einer Aufschlämmung, Streichen und Aufdampfen. Ein bevorzugtes Kontaktmaterial ist Wolfram, das vorteilhafterweise durch Elektrozerstäubung aufgetragen wird.are carbonyl nickel, tungsten, aluminum, gold, silver, etc. Suitable application methods are electro-atomization, coating in a molten bath, deposition from a slurry, painting and vapor deposition. A preferred contact material is tungsten, which is advantageously applied by electro-sputtering will.
Das Dopen des Siliciumcarbid-Überzugs 1st erforderlich, um den gewünschten spezifischen Widerstand zu erzielen. Das Dotierungselement kann entweder vom η-Typ oder p-Typ sein. Der Einfluß des Nachbrennens und Dotierens ist in Fig. j5 veranschaulicht, indem der Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur für verschiedene Siliciumcarbid-Elemente graphisch dargestellt ist. Daraus ist ersichtlich, daß eine positive Temperatur-Widerstandskennlinie durch Anwendung richtiger Dotierungselemente und/oder Behandlungsbedingungen erreicht werden kann. Wie man sieht, haben Elemente aus im wesentlichen reinem Siliciumcarbid Widerstände von etwa 10 Ohm.cm oder höher. Die Gegenwart eines Dotierungselementes, wie Phosphor, Stickstoff, Bor oder Aluminium, ist notwendig, um den Widerstand des Körpers auf eine nutzbare Höhe zu senken. Selbstverständlich können auch andere geeignete Dotierungselemente verwendet werden. Solche dotierten Siliciumcarbid-Körper eignen sich je nach den speziellen Eigenschaften, die durch das gewählte Dotierungselement und die Konzentration des Dotierungselementes erhalten werden, zur Verwendung als Halbleiter, Thermistoren, Varistoren oder Widerstände.Doping the silicon carbide coating is required to to achieve the desired resistivity. The doping element can be either η-type or p-type. The influence of afterburning and doping is illustrated in Fig. j5, by graphing the relationship between resistance and temperature for various silicon carbide elements. From this it can be seen that a positive temperature-resistance characteristic curve by using correct doping elements and / or Treatment conditions can be achieved. As can be seen, elements made from essentially pure silicon carbide have resistors of about 10 ohm.cm or higher. The presence of a doping element such as phosphorus, nitrogen, boron or aluminum is necessary to lower the body's resistance to a usable level. Of course, other suitable Doping elements are used. Such doped silicon carbide bodies are suitable depending on the special properties caused by the doping element selected and the concentration of the doping element for use as semiconductors, thermistors, varistors or resistors.
Zum Dotieren können geeignete verbindungen beim Nachbrennen, in der Slliconisierungsmischung oder in der Siliconisierungsatmosphäre verwendet werden. Beispielsweise kann Stickstoff als Gas oder als Zersetzungsprodukt von Acetonnitril zugeführt werden. Als feste Quellen kommen die Elemente oder Verbin-Suitable compounds can be used for doping during afterburning, in the siliconization mixture or in the siliconization atmosphere be used. For example, nitrogen can be supplied as a gas or as a decomposition product of acetonitrile will. The elements or compounds come as fixed sources
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düngen des Aluminiums, Bors und Phosphors in Frage. Solche Substanzen können in das Siliciumcarbid in einer Konzentration von 10 bis 10~^ Gew.-^ eingearbeitet werden.fertilize the aluminum, boron and phosphorus in question. Such Substances can be incorporated into the silicon carbide in a concentration of 10 to 10% by weight.
Zur Erzielung bestimmter Zwecke können Mischungen von Dotierungselementen verwendet werden. Beispielsweise kann eine gemischte Dotierung aus Bor und-Stickstoff zur Erzielung einer Temperatur-Widerstandskennlinie eingesetzt werden, deren Steigung bei Temperaturen unterhalb 1000 0C negativ und oberhalb 1000 0C positiv ist. Zur Herstellung bevorzugter Zonen niedrigen Widerstandes kann auch lokalisiertes Dotieren angewendet werden.Mixtures of doping elements can be used to achieve certain purposes. For example, a mixed doping of boron and nitrogen can be used to achieve a temperature-resistance characteristic, the slope of which is negative at temperatures below 1000 ° C. and positive above 1000 ° C. Localized doping can also be used to produce preferred zones of low resistance.
Beispiele von Widerstandselementen gemäß der Erfindung, die für Zündeinrichtungen als geeignet angesehen werden, sind in den Figuren 1 und 2 dargestellt. In Figur 1 hat der Widerstandskörper 1 eine verhältnismäßig schmale Hochtemperaturzone 2 und breitere Kontaktzonen 3, die von den Schenkeln gebildet werden. Die Dicke eines solchen Körpers kann zweckmäßigerweise in der Größenordnung von etwa 0,25 mm liegen. Die besondere Gestalt stellt eine geeignete Kombination von Oberflächen dar, bei der die Schenkel 3 des Körpers verhältnismäßig kühl gehalten werden, während der Widerstand der Hochtemperaturzone 2 hoch genug ist, um die Stromstärke zu begrenzen. Die Figuren2 und 2a zeigen eine alternative Form einer Zündeinrichtung, bei der das Folienelement 1 aus Siliciumcarbid eine haarnadelförmige Gestalt hat, wobei die Schenkel 3 elektrische Kontakte % tragen, die aus einem die Elektrizität leitenden Grundmaterial wie Graphit oder Siliciumcarbid hergestellt sind. Zum Verbinden der Siliciumcarbid-Folie ι mit dem Grundteil kann ein geeignetes keramisches Bindemittel verwendet werden. Die Hochtemperaturzone der Elemente der Figuren 2 und 2a ist die im QuerschnittExamples of resistance elements according to the invention, which are considered suitable for ignition devices, are shown in FIGS. In Figure 1, the resistor body 1 has a relatively narrow high-temperature zone 2 and wider contact zones 3, which are formed by the legs. The thickness of such a body can expediently be in the order of magnitude of approximately 0.25 mm. The particular shape represents a suitable combination of surfaces in which the legs 3 of the body are kept relatively cool, while the resistance of the high-temperature zone 2 is high enough to limit the current strength. The Figuren2 and 2a show an alternative form of an ignition device, wherein the film element 1 of silicon carbide has a hairpin-shaped form, the legs carry 3 electrical contacts%, the conducting of an electricity base material such as graphite or silicon carbide are produced. A suitable ceramic binder can be used to connect the silicon carbide film to the base part. The high temperature zone of the elements of Figures 2 and 2a is that in cross section
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verminderte zone 2. Es ist zweckmäßig, die Hochtemperaturzone zu begrenzen, um die zum Erhitzen erforderliche Stromstärke möglichst gering zu halten. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Oberfläche des Siliciumcarbids in der Hochtemperaturzone im Verhältnis zu der von den Schenkeln gebildeten kühleren Zone vermindert. Bei richtiger Ausbildung hat ein Widerstandselement den gewünschten geringeren Stromverbrauch, die erforderliche Temperatur in der Hochtemperaturzone und verhältnismäßig kühle Kontaktstellen. Der im Querschnitt verringerte Teil der dargestellten Widerstandselemente arbeitet als Hochtemperaturzone, da diese Zone den gleichen elektrischen Strom wie die Schenkel oder kühleren Teile des Elementes führen muß.diminished zone 2. It is convenient to use the high temperature zone to limit in order to keep the current strength required for heating as low as possible. This can be achieved by that the surface of the silicon carbide in the high temperature zone relative to that formed by the legs is cooler Zone diminished. When properly trained, has a resistance element the desired lower power consumption, the required temperature in the high temperature zone and relatively cool contact points. The part of the resistor elements shown with a reduced cross-section works as a high-temperature zone, since this zone must carry the same electrical current as the legs or cooler parts of the element.
In Fig. 3 sind die Temperatur-Widerstandskennlinien zweier Beispiele von Elementen gemäß der Erfindung dargestellt. Kurve 1 stammt von einem dotierten elektrischen Widerstandselement, das gemäß der Erfindung siliziert worden ist, während Kurve 2 zu einem Widerstandselement gehört, das sowohl siliziert als auch in Stickstoffatmosphäre bei 2400 0C nachgebrannt worden ist. Die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften, die mit dem Verfahren der Erfindung erzielt werden können, dürften in dieser Figur klar zum Ausdruck kommen.3 shows the temperature-resistance characteristics of two examples of elements according to the invention. Curve 1 is derived from a doped electrical resistance element of the invention has been siliconized invention, while curve 2 is one of a resistance element, the siliconized both as has been post-baked in nitrogen atmosphere at 2400 0 C. The different electrical properties that can be achieved with the method of the invention should be clearly reflected in this figure.
Anhand der folgenden Beispiele wird die Erfindung weiter veranschaulicht. The invention is illustrated further by means of the following examples.
Ein Blatt aus biegsamem, im wesentlichen bindemittelfreiem Graphit, wie vorstehend beschrieben und von der Union Carbide Company unter dem Warenzeichen GRAFOIL erhältlich, wurde vor dem Silizieren auf die gewünschte Form geschnitten. Das StückA sheet of pliable, substantially binder-free graphite as described above and available from Union Carbide Company under the trademark GRAFOIL was cut to the desired shape prior to siliconization. The piece
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hatte die in Fig. 2 dargestellte Form mit einem im Querschnitt verringerten Mittelteil. Die Breite des Stücks betrug am · Schenkelteil 6,35 mm und an der im Querschnitt verminderten Hochtemperaturzone 3,2 mm; die Länge betrug 51 mm. Dicke des Bandes 0,38 mm. Die Silizierungsmischung hatte folgende Zusammensetzung :had the shape shown in Fig. 2 with a in cross section reduced middle section. The width of the piece was on Leg part 6.35 mm and on the reduced cross-section High temperature zone 3.2 mm; the length was 51 mm. Thickness of the band 0.38 mm. The siliconizing mixture had the following composition :
Silicium 75 Gew.-% Silicon-75 wt -.%
Graphit 14 Gew.-^Graphite 14 wt .- ^
Kunstharzbinder 11 Gew.-^Synthetic resin binder 11 wt .- ^
Aluminium ^l Gew.-% Aluminum ^ l wt -.%
Das Bindemittel bestand aus einem Phenolharz, das unter der Bezeichnung Varcum 8121, B-I78 von der Varcum Ine. erhältlich ist. Das Werkstück wurde in einem Graphittiegel auf eine Schicht der Silizierungsmischung gelegt und mit weiterer Silizierungsmischung bedeckt. Tiegel und Inhalt wurden dann in einem gebräuchlichen Vakuumofen bei einem Unterdruck von 10 mbar etwa 1/2 Stunde auf etwa 650 0C erhitzt. Das silizierte Werkstück, das nun im wesentlichen aus Siliciumcarbid bestand, wurde im Vakuum auf Raumtemperatur abkühlen gelassen und nach Ausgleich des Unterdrucks gereinigt. Das so erhaltene Widerstandselement hatte eine Dichte von etwa 95$ der theoretischen Dichte, eine Porosität von etwa 1 bis 5$ und enthielt weniger als 10$ freies Silicium sowie weniger als \% freien Kohlenstoff. Mit Hilfe von Klemmen wurde das Element mit einer Stromquelle verbunden und als Zündeinrichtung für gebräuchliches Brenngas geprüft. Die Anfangsspannung von 18,28 V stieg bei 1300 0C auf 22,79 V, und die Stromstärke betrug 3,4 A. Zeitspanne bis zur zündung: 6 Sekunden.The binder consisted of a phenolic resin sold under the name Varcum 8121, B-I78 from Varcum Ine. is available. The workpiece was placed on a layer of the siliconizing mixture in a graphite crucible and covered with further siliconizing mixture. The crucible and contents were then heated to about 650 ° C. for about 1/2 hour at a vacuum of 10 mbar in a customary vacuum oven. The siliconized workpiece, which now essentially consisted of silicon carbide, was allowed to cool to room temperature in a vacuum and cleaned after the negative pressure had been equalized. The resistor element thus obtained had a density of about $ 95 of theoretical density, a porosity of about $ 1 to $ 5, and contained less than $ 10 free silicon and less than \% free carbon. With the help of clamps, the element was connected to a power source and tested as an ignition device for common fuel gas. The initial voltage of 18.28 V rose at 1300 0 C to 22.79 V, and the current was 3.4 A. time-to-ignition: 6 seconds.
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Ein ähnliches werkstück wie dasjenige des Beispiels 1 wurde in folgende Silizierungsmischung eingesetzt:A workpiece similar to that of Example 1 was shown in the following siliconizing mixture is used:
Silicium 77 Gew.-% Silicon-77 wt -.%
Graphit 12 Gew.-% Graphite 12 wt -.%
Maissirup 11 Gew.-% Corn syrup 11 wt -.%
Aluminium < 1 Gew. -% Aluminum <1 wt -.%
Der als Bindemittel verwendete Maissirup ist im Handel als KARO-Sirup erhältlich. Das Element wurde in einem Röhrenofen etwa 14 bis 15 Minuten in Argonatmosphäre auf eine Temperatur von 2000 0C erhitzt, abkühlen gelassen und 15 Minuten in Argon bei 25OO 0C nachgebrannt. Mit Klemmen wurde das Element wiederum mit einer Stromquelle verbunden. Die elektrischen Eigenschaften des Gesamtelementes ließen es als Zündeinrichtung geeignet erscheinen. Die Anfangsspannung von 38,3 V stieg bei einer Temperatur von 1070 0C auf 29,9 V, und die Stromstärke betrug 4,8 A. Zeitspanne bis zur zündung: 29 Sekunden.The corn syrup used as a binding agent is commercially available as KARO syrup. The element was heated in a tube furnace about 14 to 15 minutes in an argon atmosphere to a temperature of 2000 0 C, allowed to cool and post-baked for 15 minutes in argon at 0 C 25OO. The element was in turn connected to a power source with clamps. The electrical properties of the entire element made it appear suitable as an ignition device. The initial voltage of 38.3 V rose at a temperature of 1070 0 C to 29.9 V, and the current was 4.8 A. period of time until the ignition time: 29 seconds.
Aus einem Band aus diskontinuierlichem, bindemittelfreiem Lamellengraphit mit einer Dicke von 0,38 mm wurde eine Anzahl Widerstandselemente der in Fig. 1 dargestellten Form hergestellt. An jedes der Elemente wurden elektrische Kontakte entweder durch Flammspritzen von Aluminium und Nickel oder durch exothermes Flammspritzen einer Mischung aus 80^ Nickel, \K% Chrom und 6% Aluminium aufgebracht. Die verschiedenen Behandlungsbedingungen und der Einfluß verschiedener Dotierungselemente sind in Tabelle I wiedergegeben.A number of resistance elements of the form shown in FIG. 1 were produced from a strip of discontinuous, binder-free lamellar graphite with a thickness of 0.38 mm. Electrical contacts were applied to each of the elements either by flame spraying aluminum and nickel or by exothermic flame spraying a mixture of 80 ^ nickel, \ K% chromium and 6% aluminum. The various treatment conditions and the influence of various doping elements are shown in Table I.
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ArgonatmosphäreTube furnace,
Argon atmosphere
StickstoffatmosphäreTube furnace,
Nitrogen atmosphere
ArgonatmosphäreTube furnace,
Argon atmosphere
StickstoffatmosphäreTube furnace,
Nitrogen atmosphere
ArgonatmosphäreTube furnace,
Argon atmosphere
Nachbrennbedingungen
keine
keine Afterburning conditions
no
no
keineno
Röhrenofen,
StickstoffatmosphäreTube furnace,
Nitrogen atmosphere
Röhrenofen,
StickstoffatmosphäreTube furnace,
Nitrogen atmosphere
Vakuumvacuum
Röhrenofen,
ArgonatmosphäreTube furnace,
Argon atmosphere
Widerstand bei Raumtemperatur (Ohm) Resistance at room temperature (ohms)
8 188 18
230 130230 130
OO CO -P--OO CO -P--
Nach dem Verfahren des Beispiels 2 wurde ein Widerstandselement der in Fig. 1 dargestellten Form hergestellt. Nach dem zweiten Brennen in Argon bei 23OO 0C wurde das Element erneut nachgebrannt, diesmal weitere 15 Minuten bei 2400 0C in Stickstoffatmosphäre. An den Grundteilen des Elementes wurden Klemmen angebracht, und das Element wurde mit einer Stromquelle verbunden. Bei der Prüfung zeigte das Element folgende Eigenschaften· Bei 1000 0C betrug die Spannung 23,8 V und die Stromstärke 1,42 A; bei 1200 0C und 32,3 V wurde eine Stromstärke von 1,53 A gemessen. Der Stromverbrauch des Elementes betrug somit bei 1000 0C 33,8 W und bei 1200. 0C 49,4 W.Following the procedure of Example 2, a resistor element of the shape shown in Fig. 1 was prepared. After the second firing in argon at 23OO 0 C, the element was postbaked again, this time an additional 15 minutes at 2400 0 C in a nitrogen atmosphere. Clamps were attached to the base of the element and the element was connected to a power source. During the test, the element showed the following properties: At 1000 ° C., the voltage was 23.8 V and the current was 1.42 A; at 1200 ° C. and 32.3 V, a current strength of 1.53 A was measured. The power consumption of the element was thus at 1000 0 C 33.8 W and 1200 W. 0 C 49.4
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