DE60221973T2

DE60221973T2 - Im sol-gel-verfahren hergestellte widerstands- und leitfähige beschichtung

Info

Publication number: DE60221973T2
Application number: DE60221973T
Authority: DE
Inventors: Mark Brampton BARROW; David Milton BARROW; Tim Sydendham OLDING
Original assignee: Datec Coating Corp
Current assignee: Datec Coating Corp
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2002-03-06
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2022-03-07
Also published as: WO2002072495A3; ES2292720T3; CA2478142C; US6736997B2; ATE370920T1; EP1370497B1; CA2478142A1; EP1370497A2; DE60221973D1; US20020145134A1; AU2002238337A1; WO2002072495A2

Description

Die Erfindung betrifft Beschichtungen zur Ausbildung widerstandsbehafteter oder leitfähiger dicker Filme, beispielsweise für Widerstandsheizungen und Elektroden-Anwendungen.
Die Ausdrücke „widerstandsbehaftet" und „leitfähig" im Zusammenhang mit Beschichtungen werden im Folgenden verwendet, um auf Beschichtungen Bezug zu nehmen, welche elektrische Ströme leiten im Gegensatz zu solchen, welche isolierend wirken. Ob eine Beschichtung als widerstandsbehaftet oder leitfähig betrachtet wird, hängt davon ab, wie frei sie einen elektrischen Strom leitet. Mit dem Ausdruck „elektrisch leitende Beschichtung" ist beabsichtigt, sowohl widerstandsbehaftete als auch leitfähige Beschichtungen zu umfassen.
Bisherige leitfähige und widerstandsbehaftete Beschichtungen mit großer Schichtdicke waren entweder Epoxid-basiert oder Glas-basiert. Epoxid-basierte Beschichtungen beinhalten im Allgemeinen Silber, Nickel oder Kohlenstoff und in einigen Fällen Chrom als ein leitendes Material. Eine Beschränkung Epoxid-basierter Beschichtungen ist, dass das Epoxid (oder andere Polymer-Bindemittel) in seiner Temperatur-Tauglichkeit limitiert und daher für viele Anwendungen widerstandsbehafteter Elemente wie etwa Wasserkochern oder Herdoberteilen nicht geeignet ist. Typischerweise zeigt Epoxid bei einer Temperatur von 200 °C oder weniger einen Qualitätsverlust.
Glas-basierte leitfähige oder widerstandsbehaftete Beschichtungen umfassen einen organischen Träger, ein Glasbindemittel und eine funktionale Phase. Die funktionale Phase besteht aus Metall-Partikeln wie etwa Silber, Silber-Palladium, Kupfer oder Nickel oder halbleitenden Oxid-Partikeln wie etwa Rutheniumdioxid, Bismuthruthenat, Bleiruthenat oder Bismutiridat. Zwei signifikante technische Beschränkungen betreffen die Verwendung Glas-basierter dickschichtiger widerstandsbehafteter und leitfähiger Materialien.
Erstens werden die Schichten typischerweise bei einer Prozesstemperatur oberhalb von 800 °C aufgetragen um die Schicht auszubilden, was eine Verwendung von Substratmaterialien, welche eine niedrigere Temperatur notwendig machen, ausschließt. Zwar sind Glasurmassen mit niedrigerer Brenntemperatur verfügbar, enthalten aber typischerweise einen signifikanten Anteil an Blei, was wegen dessen giftiger Eigenschaften in vielen Anwendungen ungewünscht ist. Zweitens muss der thermische Ausdehnungskoeffizient der Glasmatrix ähnlich zu dem des Substratmaterials sein, um eine ausreichende Adhesion der Schicht zu erreichen. Ungleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten führen zu einem Abplatzen der Schicht bei einem erstmaligen Abkühlen oder in der weiteren Verwendung.
Hinsichtlich der Beschränkungen der Prozesstemperatur und des Übereinstimmens der thermischen Ausdehnungskoeffizienten sind manche Substratmaterialien wie etwa Aluminium wegen Temperaturbeschränkungen oder wegen Fehlens kompatibler Glasmatrizen nicht verwendbar. Zusätzlich macht diese Technologie teure halbmetallische oder metallische Materialien für die Partikelphase notwendig.
Ein anderes Verfahren für das Aufbringen leitfähiger oder widerstandsbehafteter Beschichtungen ist die Abscheidung aus der Gasphase (CVD) dünnschichtiger Zinnoxid-basierter widerstandsbehafteter Heizelemente. Diese Technik umfasst ein Aufsprühen eines Nebels von Zinn(IV)-Chloriden auf das Substrat bei einer Substrattemperatur von 550 °C, um dünne Schichten mit weniger als 1 μm Dicke zu erzeugen. Durch diese Technik erzeugte widerstandsbehaftete Schichten sind in ihrer Betriebstemperatur (bei 350 °C steigt der Widerstand an) und in den Substraten, auf denen sie abgeschieden werden können, beschränkt. Die Abscheidungstemperatur und der niedrige thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE) der resultierenden Schicht limitieren die Verwendung dieser Technik auf Substratmaterialien mit niedrigem CTE. Es ist nicht möglich, diese Schichten auf Aluminium-basierten Substraten abzuscheiden, da die Unterschiede in der Wärmeausdehnung schließlich zu Microrissen in der dünnen Schicht führen. Eine weitere Beschränkung dieser Technik ist, dass nur auf Materialien mit glatter Oberflächenmorphologie abgeschieden werden kann.
Eine besondere Anwendung hat die Schwächen der bekannten widerstandsbehafteten Beschichtungen für die Verwendung als Heizungselemente ans Licht gebracht. Diese besondere Anwendung betrifft die integrierten Heizelemente Glas-basierter Herde mit heißer Oberfläche. Die derzeitige Technik verwendet für ein Erhitzen eine widerstandsbehaftete Spule oder Wärmelampe, die unterhalb des Glases angeordnet ist. Versuche, diese Anordnung durch eine integrierte Heizanordnung zu ersetzen haben sich als nicht erfolgreich erwiesen. Das Glas besteht aus einer speziellen Zusammensetzung mit einer nahezu Null betragenden thermischen Ausdehnung und konnte wegen der Betriebstemperaturen und Adhesions-Probleme bisher nicht mit Glas-basierten Beschichtungen beschichtet werden. Epoxid-basierte Beschichtungen bilden keine geeignete Alternative, da sie nicht den durch die Betriebserfordernisse notwendigen Temperaturen von ungefähr 400 °C standhalten.
Es wurden Versuche unternommen, einen CVD-Prozess für das Abscheiden widerstandsbehafteter Elemente auf der Glaskeramik zu verwenden. Während das widerstandsbehaftete CVD-Element erfolgreich auf diesem Material abgeschieden werden konnte, wird die Glaskeramik bei 400 °C leitfähig und kann daher nicht die Erfordernisse der europäischen Elektrizitätssicherheitsstandards für Vorrichtungen (weniger als 100 mA bei 3,750 V AC bei Betriebstemperatur für 60 sek) erfüllen. Entsprechend wurde eine isolierende Schicht einer Sol-Gel Zusammensetzung basierend auf Aluminium-Oxid oder Aluminium-Nitrid zwischen dem Glas und der widerstandsbehafteten Schicht vorgesehen. Jedoch weist die abgeschiedene Schicht typischerweise eine die Dicke der abgeschiedenen CVD-Schicht übersteigende Oberflächenrauigkeit auf, was die Ausbildung eines geeigneten Widerstandselements durch den CVD-Prozess verhindert.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine leitfähige oder widerstandsbehaftete Beschichtung zu schaffen, welche einfach beispielsweise durch Sprühen, Tauchen, Schleudern, Aufstreichen oder Siebdruck abgeschieden werden kann ohne eine Abscheidung aus der Gasphase notwendig zu machen, welche keine hohen Produktionstemperaturen benötigt und die mit gewünschten thermischen Ausdehnungseigenschaften hergestellt werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine solche Beschichtung zu schaffen, welche effizient auf einem porösen Substrat aufgebracht werden kann und welche gegenüber der Gestalt des Substrats relativ unempfindlich ist.
Es wird eine Zusammensetzung für ein Auftragen auf einem Substrat zur Ausbildung einer elektrisch leitfähigen Schicht auf diesem geschaffen. Die Zusammensetzung beinhaltet eine Sol-Gel-Lösung in der bis zu etwa 90 % der Lösung aus einer Mischung aus leitfähigen und isolierenden Pulvern in einer gleichförmigen, stabilen Dispersion bestehen. Die leitfähigen Partikel können metallisch, keramisch, interkeramisch oder halbleitend sein. Die isolierenden Partikel können Metalloxide oder Keramiken sein.
Die leitfähigen Partikel können aus wenigstens einem Material sein, ausgewählt aus Carbiden, Nitriden, Boriden, Siliciden, Oxiden, Graphit, Molybän, Wolfram, Tantal, Nickel, Chrom, Silber, Silber-Palladium-Legierung, Eisen-Nickel-Chrom-Legierung, Nickel-Chrom-Legierung oder Eisen-Chrom-Alluminium-Legierung. Vorzugsweise haben die leitfähigen Partikel eine Partikelgröße in dem Bereich von 1 bis zu 100 μm, besonders bevorzugt zwischen 2 und 20 μm.
Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer widerstandsbehafteten oder leitfähigen Beschichtung auf einem Substrat geschaffen, welches die Schritte umfasst:

a. Mischen einer Sol-Gel-Lösung mit einem leitfähigen Pulver ausgewählt aus der Gruppe umfassend Keramiken, Interkeramiken, Halbleiter und Metalle, um eine gleichmäßige stabile Dispersion zu bilden;
b. Auftragen der stabilen Dispersion auf einem Substrat um eine Beschichtung darauf zu schaffen; und
c. Brennen des beschichteten Substrats bei einer Temperatur, die ausreicht, um organische Bestandteile zu entfernen und einen wenigstens teilweise leitfähigen Film auf dem Substrat zu schaffen.

Die Schritte b und c können so oft wie notwendig wiederholt werden, um eine stabile Beschichtung der angestrebten Beschichtung zu erlangen.
Ein isolierendes keramisches Pulver kann in das System eingebracht werden, um den Widerstand der abgeschiedenen Schicht zu ändern. Mögliche Kandidaten beinhalten Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Bariumtitanat, Siliziumcarbid und Eisenoxid, sind aber nicht darauf beschränkt.
Die Sol-Gel-Lösung kann aus einer Gruppe ausgewählt werden, beinhaltend, Aluminate, Silicate, Titanate, Zirconate oder Kombinationen daraus.
Eine Heizvorrichtung wird geschaffen, welche ein Substrat aus Glas, Metall oder Keramik und eine aus einem Sol-Gel erlangte widerstandsbehaftete Heizschicht, welche auf einer erhitzten Oberfläche des Substrats aufgebracht ist, umfasst.
Weiter wird ein Heizelement geschaffen, welches ein Kontaktelement mit einer Heizoberfläche und einer gegenüberliegenden beheizten Oberfläche umfasst. Eine elektrisch isolierende Schicht ist auf der Heizoberfläche aufgebracht und hat eine äußere, von der beheizten Oberfläche abgewandte Oberfläche. Eine aus einem Sol-Gel erlangte widerstandsbehaftete Heizfläche ist auf der äußeren Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht aufgebracht. Die aus einem Sol-Gel erhaltene, widerstandsbehaftete Heizschicht kann in Übereinstimmung mit den vorstehend beschriebenen Zusammensetzungen sein und auf der isolierenden Schicht entprechend des vorstehend beschriebenen Verfahrens aufgebracht worden sein.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren nachstehend beschrieben.
1 ist eine Untersicht auf eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung; und
2 ist eine Frontansicht der Vorrichtung aus 1, die die Vorrichtung in umgekehrter Darstellung zeigt.
Wie in US-Patent Re. 36,573 beschrieben, können dickschichtige keramische Beschichtungen durch ein Beladen herkömmlicher Sol-Gel-Lösungen mit einem Gewichtsanteil von bis zu 90% fein verteilter keramischer Partikel hergestellt werden. Der resultierende Schlicker die die resultierende Farbe können durch Schleudern oder Tauchbeschichten oder Sprühen oder Aufstreichen oder Siebdruck auf ebenen oder nicht-ebenen Substraten aufgebracht und dann für ein Entfernen organischer Materialien und zur Ausbildung einer mikrokristallinen Struktur gebrannt werden.
Erfindungsgemäß kann eine zur Herstellung dicker widerstandsbehafteter oder leitfähiger Schichten geeignete Sol-Gel-Lösung durch Hinzufügen leitfähiger Pulver zu dem Sol-Gel geschaffen werden. Die Ausdrücke „leitfähiges Pulver" und „leitfähige Partikel" sollen Materialien abdecken, welche eine gewisse Elektrizität leiten, und können leitfähige und halbleitende und widerstandsbehaftete Pulver umfassen. Isolierende Pulver können ebenso zu der Sol-Gel/leitfähigen Pulvermischung hinzugefügt werden, um den Widerstand der abgeschiedenen Beschichtung zu ändern.
Das leitfähige Pulver ist vorzugsweise ein solches, das bei der zur Abscheidung verwendeten Temperatur oder bei der Betriebstemperatur nicht oxidierend ist. Entsprechend könnte Graphit in einigen Anwendungen, welche niedrige Betriebstemperaturen benötigen oder in einer nicht-oxidierenden Umgebung betrieben werden, verwendbar sein.
Die Sol-Gel-Lösung kann mit bis zu ungefähr 90 Gewichtsprozent eines leitfähigen Keramikpulvers ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Oxiden, Carbiden und Nitriden, gemischt sein, um eine gleichförmige stabile Dispersion auszubilden.
Das leitfähige Pulver könnte vorstellbar eine Keramik, eine Inter-Keramik (wie etwa ein Silizid oder ein Bond), ein Halbleiter (wie etwa Graphit) oder ein Metall sein. Befriedigende Ergebnisse konnten mit Nickel und Silber erreicht werden. Es wird erwartet, das Eisen-Nickel-Chrom- (oder andere) Legierungen geeignet sein können. Metalle, von denen erwartet wird, dass sie zu geeigneten Ergebnissen führen, beinhalten Molybdän, Wolfram, Tantal, Nickel, Chrom, Silber und Silber-Palladium-Legierungen, Eisen-Nickel-Chrom-Legierungen, Nickel-Chrom-Legierungen und Eisen-Chrom-Alluminium-Legierungen.
Typischerweise werden die leitfähigen Pulver eine Partikelgröße in der Größenordnung von 20 Mikrometern haben, obwohl es in einigen Anwendungen erwünscht sein kann, Partikelgrößen von bis zu 100 Mikrometern zu haben.
In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, den Widerstand der Beschichtung zu verändern, beispielsweise den Widerstand über den Widerstand hinaus zu vergrößern, welcher aus der mit einem leitfähigen Pulver gefüllten Sol-Gel-Matrix resultieren würde. Eine Kombination isolierender Pulver mit leitfähigen Pulvern wird hier den Widerstand erhöhen, während eine geeignete Beschichtung beibehalten wird.
Es wird erwartet, dass es in den meisten Anwendungen wünschenswert ist, eine fertige Beschichtung zu haben, deren Widerstand mit ansteigender Temperatur nicht abfällt, um in diesem Zusammenhang Steuerungsprobleme mit einem Element, das trotz einer gegebenen Eingangsleistung seine Temperatur fortwährend erhöht, zu vermeiden. Unabhängig davon, ob der Widerstand mit steigender Temperatur ansteigt oder fällt, kann es gewünscht sein, das Widerstands-Temperatur-Profil für spezielle Anwendungen zu verändern. Es könnte möglich sein, keramische Pulver zu dem Basis-Sol-Gel/leitfähigen Pulver-System hinzuzugeben, um die Widerstand-Temperatur-Kurve zu verändern. Ein Kandidat für solche Veränderungen kann ein ferroelektrisches Material wie etwa Bariumtitanat sein.
Eine aus der mit keramischen und leitfähigen Pulvern beladenen Sol-Gel-Lösung hergestellte Beschichtung kann durch Verwendung herkömmlicher Beschichtungstechniken wie Schleudern oder Tauchen, Sprühen oder Aufstreichen oder Siebdruck, etc., aufgebracht werden und für ein Entfernen organischer Bestandteile des Sol-Gels gebrannt werden. Dies erfordert typischerweise Brenntemperaturen in der Größenordnung von 300 bis 400 °C. Jedoch können in Abhängigkeit von der Anwendung zur Ausbildung stabiler, polykristalliner keramischer Schichten auf dem Substrat, welche Schichten das keramische Pulver und das leitfähige Pulver umfassenden, Temperaturen von bis zu 800 °C verwendet werden.
Es hat sich herausgestellt, dass eine wie vorstehend beschriebene aus einem Sol-Gel erhaltene widerstandsbehaftete Schicht auf einer Sol-Gel-abgeleiteten Aluminiumoxid-Schicht auf einer Glaskochoberfläche aufgebracht werden kann, ohne aus der Rauhigkeit der Aluminium-Oxid-Beschichtung resultierenden Problemen zu begegnen, wie sie typischerweise auftreten, wenn versucht wird, eine widerstandsbehaftete Beschichtung unter Verwendung einer Abscheidung aus der Gasphase zu erlangen. Andere Materialien, beispielsweise Aluminiumnitrid oder Silicate können für die elektrisch isolierende Schicht verwendbar sein.
Eine typische Kochoberfläche ist in 1 allgemein mit Bezugszeichen 10 bezeichnet. Die Kochoberfläche 10 umfasst ein Kontaktelement 12 mit einer gegenüber einer beheizten Oberfläche 16 liegenden Heizfläche 14. Die Heizfläche 14 ist die diejenige, auf welcher ein zu kochender Gegenstand plaziert wird und die beheizte Fläche 16 ist diejenige, auf die Wärme durch ein widerstandsbehaftetes Element 20 aufgebracht wird. Das Material des Kontakt-Elements würde von der Anwendung abhängen, kann aber beispielsweise ein Glas oder eine andere Keramik oder ein Metall sein.
Eine elektrisch isolierende Schicht 18 ist mit der beheizten Fläche 16 verbunden. Die elektrisch isolierende Schicht 18 hat eine äußere Oberfläche 19, die von der beheizten Fläche 16 abgewandt ist.
Eine aus einem Sol-Gel abgeleitete widerstandsbehaftete Heizschicht 20 aus einer wie vorstehend beschriebenen Zusammensetzung und aufgebracht entsprechend des vorgeschriebenen Verfahrens ist auf der äußeren Fläche 19 der elektrisch isolierenden Schicht 18 aufgebracht. Elektrische Anschlüsse 22 und 24 können für ein Aufbringen einer elektrischen Potenzialdifferenz an gegenüberliegenden Enden der widerstandsbehafteten Heizschicht 20 vorgesehen sein.
Es hat sich herausgestellt, dass eine dickschichtige Beschichtung aus von einem Sol-Gel abstammenden Zusammensetzungen des vorstehend beschriebenen Typs auf einem Sol-Gel Aluminiumoxid Substrat aufgebracht werden können, um ein betriebsfertiges widerstandsbehaftetes Element mit guten Adhesionseigenschaften herzustellen, das ohne mit der Oberflächenrauhigkeit der Aluminium-Oxid-Schicht zusammenhängende Probleme auskommt.
Anders als bei Techniken zur Abscheidung aus der Gasphase ist die vorliegende Beschichtung relativ unempfindlich gegenüber der Geometrie des zu beschichtenden Substrats und einfach in gleichförmiger Dicke aufzubringen. Im Gegensatz hierzu neigt die Abscheidung aus der Gasphase dazu sichtlinienabhängig zu sein, benötigt eine geeignete Atmosphäre und es ist schwierig, eine gleichförmige Dicke zu erreichen.
Die niedrige Brenntemperatur und die Möglichkeit, die Eigenschaften der Sol-Gel-Matrix maßzuschneidern, ermöglichen die Verwendung relativ preisgünstiger, herkömmlicher Materialien für Widerstandsheizelemente. Gewöhnliche Eisen-Chrom- und Nickel-Chrom-Legierungen, Siliziumcarbide, Graphit und Molybdändisilizide sind gleichsam Kandidaten für die Komponente der leitfähigen Partikel, bilden jedoch nur repräsentative Beispiele, da andere Materialien ebenso funktionieren können.
Widerstandsbehaftete oder leitfähige, von Sol-Gel-Zusammensetzungen abstammende dicke Schichten, wie sie vorstehend beschrieben wurden und welche eine leitfähige Phase mit einer aus einem Sol-Gel-abstammenden keramischen Matrix kombinieren, bieten hinsichtlich der Einfachheit der Auftragung, der Breite der Auftragungstemperaturen und der maximalen Betriebstemperatur eine verbesserte Leistung gegenüber anderen Dickschichtwiderstandstechniken. Substrat-Materialien, welche zu Glas-basierten dicken Schichten inkompatibel sind, können mit dicken Schichten aus Sol-Gel-Zusammensetzungen verwendet werden. Die Chemie der Lösungen aus Sol-Gel-Zusammensetzungen und die Herstellungsbedingungen erlauben die Verwendung von Kombinationen preisgünstiger, leitfähiger Partikelmaterialien, welche bisher für Widerstandsheizanwendungen verwendet wurden.
Andere Anwendungen für widerstandsbehaftete oder leitfähige dicke Schichten aus Sol-Gel-Zusammensetzungen umfassen integrierte Heizelemente in Widerstandsheizanwendungen wie etwa Wasserkochern, Warmhalteplatten, Herdoberflächenelementen und beheizten Angußkanälen für das Spritzgießen. Leitfähige dicke Sol-Gel-Schichten können mehr allgemeine Anwendungen als ein Elektroden-Material auf beheizten Elementen haben.
Die erfindungsgemäße widerstandsbehaftete Beschichtung kann in einigen Anwendungen ohne eine dazwischen angeordnete elektrisch isolierende Schicht direkt auf ein Substrat aufgebracht werden. Beispielsweise wenn das Substrat selbst isolierend ist, wie beispielsweise Aluminium-Oxid, oder wenn die Anwendung eine Elektroden-Anwendung ist, kann es unnötig sein eine isolierende Grenzschicht zwischen dem widerstandsbehafteten Material und dem Substrat vorzusehen.
Ein Phosphatieren kann verwendet werden, um den Oxidationsschutz eines kohlenstoffbasierten Materials in der widerstandsbehafteten Schicht zu verbessern. Ein geeignetes Phosphat, beispielsweise Aluminiumphosphat, kann nach einem anfänglichen Erhitzungsprozess der widerstandsbehafteten Beschichtung auf der widerstandsbehafteten Beschichtung aufgebracht werden. Das Phosphat beschichtet die individuellen Partikel und reduziert die Stärke der normalerweise auftretenden Oxidation. Die am meisten von einer Phosphatierung profitierenden Beschichtungen sind solche aus Graphit oder einem der Carbide.
Alternativ kann die widerstandsbehaftete Schicht mit einer Schicht einfachen Sol-Gels überzogen werden. Mit anderen Worten, der Sol-Gel-Lösung ohne Pulverzusätze. Solch ein Überzug kann bei einer Vielzahl von Materialien, darunter Graphit, Carbide und Nitride verwendet werden. Der Effekt ist ähnlich wie bei einer Phosphatisierung die Schaffung einer Oxidationsbarriere.
Das Phosphatsystem kann von 300 bis 500 °C wärmebehandelt werden. Die Sol-Gel-Oxidationsschutzschicht würde bei 350 °C und höher bearbeitet werden.
Andere Anwendungen, die potentielle Kandidaten für widerstandsbehaftete Beschichtungen sind, beinhalten weisse Ware wie etwa Öfen, Büffet-Warmhalter/Erhitzer, Wäschetrockner, Essenswärmer, Wassererhitzer und Kaffemaschinen. Die Beschichtung kann Anwendung finden in kleinen Einrichtungen wie Raumheizgeräten, Wasserkochern, Kaffeemaschinen, Toastern/Öfen, Haartrocknern und Bodenheizungen. Mögliche automobile Anwendungen beinhalten Heizungen, Entfroster und Sitzheizungen. Industrielle Anwendungen können Reaktorbeheizungen und Rohrheizungen/Wärmer beinhalten.
Beispiel 1
15 g von 10 μm Graphit-Flocken, 15 g von 2,7 μm Aluminiumoxid-Pulver und 1 g Natriumstereat wurden mit 125 g eines mit einem Verfahren ähnlich des Yolda-Verfahrens hergestellten Aluminiumoxid-Sol-Gel vermischt. Diese widerstandsbehaftete Schicht aus Sol-Gel-Zusammensetzung wurde auf einer LAS (Lithiumalumosilicat) Glaskeramik (wie sie für Kochoberflächen verwendet wird), die mit 500 μm einer isolierenden Alumosilicat Sol-Gel Zusammensetzung beschichtet war, sprühabgeschieden. Die widerstandsbehaftete Beschichtung wurde bei 400 °C behandelt und der Schichtwiderstand der Schicht betrug 30 Ohm/Quadrat. Eine Schicht aus Aluminiumphosphat wurde auf der widerstandsbehafteten Schicht aufgebracht und bei 400 °C gebrannt, um erhöhten Oxidationsschutz zu bieten.
Stromschienen aus Dupont-Silber wurden auf jeder Seite der widerstandsbehafteten dicken Sol-Gel-Schicht angeordnet und bearbeitet, um ein Heizelement zu bilden. Das Heizelement wurde mit einer Leistung zwischen 500-1800 W betrieben und verwendet, um einen Liter kalten Leitungswassers in weniger als zwei Minuten zu kochen.
Beispiel 2
16 g von 10 μm Graphit-Flocken, 15 g von 2,7 μm Aluminiumoxid-Pulver und 1 g Natriumstereat wurden mit 125 g Aluminiumoxid-Sol-Gel gemischt. Diese widerstandsbehaftete Sol-Gel-Zusammensetzungsschicht wurde auf einer LAS (Lithiumalumosilicat) Glaskeramik, welche mit 500 μm einer isolierenden Alumosilicat Sol-Gel Zusammensetzung beschichtet war, durch Sprühabscheidung aufgetragen. Die widerstandsbehaftete Beschichtung wurde auf 400 °C erwärmt und der Flächenwiderstand der Schicht war 20-22 Ohm/Quadrat. Eine Schicht aus Aluminiumphosphat wurde auf der widerstandsbehafteten Schicht aufgebracht und bei 400 °C gebrannt, um erhöhten Oxidationsschutz zu bieten.
Diese Probe wurde bei 300 °C für 50 Tage in einem Ofen aufbewahrt, wonach der Widerstand 22-24 Ohm/Quadrat betrug.
Eine weitere entsprechend der Rezeptur hergestellte Probe mit einem 6 cm mal 9 cm großen widerstandsbehafteten Rechteck wurde mit Stromkontakten aus Dupont 7713 Silber beschichtet, was zu einem Kontakt-zu-Kontakt-Widerstand von 29 Ohm führte. Dieses Element wurde zyklisch elektrisch bei 120 V auf 300 °C (45 Minuten an und 15 Minuten aus) für 15 Tage beheizt, wonach der Kontakt-zu-Kontakt-Widerstand 29 Ohm betrug.
Beispiel 3
Unter Verwendung der Rezeptur aus Beispiel 2 wurde eine widerstandsbehaftete Schicht aus Sol-Gel Zusammensetzung auf eine 1,6 mm (ungefähr 1/16'') dicke 304-Stahl-Schicht, welche mit 200 μm isolierender Alumosilicat Sol-Gel Zusammensetzung beschichtet war, durch Sprühabscheidung aufgebracht. Der gemessene Flächenwiderstand der 1 Millizoll dicken Schicht war 20 Ohm/Quadrat. Dieses Element wurde in dem Gehäuse eines Wasserkochers befestigt und mit 2,9 kW betrieben und verwendet, um einen Liter kalten Leitungswassers in einer Minute und 55 Sekunden zu kochen.
Beispiel 4
Unter Verwendung der Rezeptur aus Beispiel 2 wurde eine aus einer Sol-Gel-Zusammensetzung bestehende widerstandsbehaftete Schicht auf einer 2 mm (ungefähr 0,08'') dicken Aluminium-Schicht, welche mit 150 μm einer isolierenden Alumosilicat Sol-Gel Zusammensetzung beschichtet war, mittels Sprühabscheidung aufgebracht. Der gemessene Flächenwiderstand der Schicht war 28 Ohm/Quadrat.
Beispiel 5
25 g von 20 μm Graphit-Flocken und 85 g Silizium-Sol-Gel wurden gemischt. Diese Rezeptur wurde durch Sprühabscheidung auf Glimmer zur Herstellung einer 0,025 mm (ungefähr 1 Millizoll) dicken widerstandsbehafteten Schicht mit einem Widerstand von 35 Ohm/Quadrat aufgebracht.
Beispiel 6
Eine widerstandsbehaftete Sol-Gel-Rezeptur aus 15 g borbeschichtetem Graphit (–325 Mesh), 15 g von 2,7 μm Aluminiumoxid-Pulver und 1 g Methylzellulose wurde mit 125 g Aluminiumoxid-Sol-Gel gemischt. Diese widerstandsbehaftete Schicht aus Sol-Gel-Zusammensetzung wurde durch Siebdruck (110 Mesh) auf einer LAS (Lithiumalumosilicat) Glaskeramik, welche mit 500 μm isolierender Alumosilicat Sol-Gel-Zusammensetzung beschichtet war, aufgebracht. Die widerstandsbehaftete Schicht wurde auf 400 C erwärmt und der Flächenwiderstand der 0,025 mm (ungefähr ein Millizoll) dicken Schicht war 58 Ohm/Quadrat.
Beispiel 7
Eine leitfähige Sol-Gel-Rezeptur aus 155 g Silber-Pulver (1-5 μm Partikel-Größe) und 1,9 g Zellulose wurden jeweils mit 100 g Aluminiumoxid Sol-Gel gemischt. Diese leitfähige Schicht aus der Zusammensetzung wurde mittels Siebdruck auf einer LAS (Lithiumalumosilicat) Glaskeramik, welche mit 500 μm isolierender Alumosilicat Sol-Gel-Zusammensetzung beschichtet war, aufgebracht, um eine 0,025 mm (ungefähr 1 Millizoll) dicke Beschichtung herzustellen. Die Beschichtung wurde bei 400 °C behandelt und hatte nach dem Brennen einen Widerstand von 0,4 Ohm/Quadrat.
Beispiel 8
Unter Verwendung der Rezeptur aus Beispiel 6 wurde eine 6'' mal 9'' große widerstandsbehaftete Schicht aus einer Sol-Gel-Zusammensetzung durch Siebdruck auf einer LAS (Lithiumalumosilicat) Glaskeramik, welche mit 500 μm einer isolierenden Alumosilicat Sol-Gel-Zusammensetzung beschichtet war, aufgebracht. Die vorstehend in Beispiel 7 beschriebene Silber-Rezeptur wurde verwendet, um elelktrische Kontakte aus Silber auf jeder Seite der widerstandsbehafteten Schicht anzubringen, was zu einem Kontakt-zu-Kontakt-Widerstand von 40 Ohm führte. Dieses Element wurde zyklisch elektrisch bei 120 V auf 300 °C (45 Minuten an und 15 Minuten aus) für 4 Tage erhitzt, wonach der Kontakt-zu-Kontakt-Widerstand 40 Ohm betrug.
Beispiel 9
55 g von 0,3 μm Antimon-dotierten Zinnoxids und 100 g eines Aluminiumoxid Sol-Gels wurden gemischt. Diese Rezeptur wurde auf 1,6 mm (ungefähr 1/16'') dickem 304-Stahl, welcher mit 200 μm isolierender Alumosilicat Sol-Gel-Zusammensetzung beschichtet war, durch Sprühabscheidung aufgebracht. Der gemessene Flächenwiderstand des einen Millizoll dicken Schicht war 189-204 Ohm/Quadrat. Die Probe wurde bei 300 °C für 50 Tage in einem Ofen aufbewahrt, wonach der Widerstand 189-204 Ohm/Quadrat war.
Beispiel 10
25 g Nickelpulver (1-5 μm) und 1 g Aluminiumoxid wurden gemischt. Diese widerstandsbehaftete Schicht aus Sol-Gel-Zusammensetzung wurde auf 1,6 mm (ungefähr 1/16'') dickem 304-Stahl, welcher mit 200 μm isolierender Alumosilicat Sol-Gel-Zusammensetzung beschichtet war, durch Sprühabscheidung aufgebracht. Die widerstandsbehaftete Beschichtung wurde bei 400 °C behandelt und der Flächenwiderstand der dicken Schicht war 2 Ohm/Quadrat.
Beispiel 11
160 g von 1 μm Wolframcarbid und 100 g Aluminiumoxid-Sol-Gel wurden gemischt. Diese widerstandsbehaftete Schicht aus Sol-Gel-Zusammensetzung wurde auf 1,6 mm (ungefähr 1/16'') dickem 304-Stahl, welcher mit 200 μm isolierender Alumosilicat Sol-Gel-Zusammensetzung beschichtet war, mittels Sprühabscheidung aufgebracht. Die widerstandsbehaftete Beschichtung wurde bei 400 °C behandelt und der Flächenwiderstand der Schicht war 28 Ohm/Quadrat.
Beispiel 12
12 g von 10 μm Graphit-Flocken, 18 g von 2,7 μm Aluminiumoxidpulver, 2 g Natrium-Stereat und 125 g von Aluminiumoxid-Sol-Gel wurden gemischt. Diese Rezeptur wurde auf einem hohlen Rohr aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 10,2 cm (4'') und einer Länge von 30,5 cm (12''), das mittels 250 μm einer isolierenden Alumosilicat-Sol-Gel-Zusammensetzung beschichtet war, durch Sprühabscheidung aufgebracht. Stromkontakte aus Dupont 7713-Silber wurden an jedem Ende des Rohrs angebracht. Der resultierende Kontakt-zu-Kontakt-Widerstand war 27 Ohm.
Die vorstehende Beschreibung ist beispielhaft und nicht beschränkenden Charakters. Änderungen in den Materialien, Verfahrenstechniken und Anwendungen können dem Fachmann auf dem betreffenden Gebiet offenkundig sein, ohne den Geist oder Bereich der Erfindung wie er durch die nachstehenden Patentansprüche definiert ist, zu verlassen.

Claims

Eine Zusammensetzung zum Auftrag auf ein Substrat zur Bildung einer Beschichtung darauf, wobei besagte Zusammensetzung aus Folgendem besteht: einer Sol-Gel-Lösung, die sich bis zu etwa 90 % aus einem leitfähigen Pulver in einer gleichmäßigen stabilen Dispersion zusammensetzt; wobei besagtes leitfähiges Pulver der Lösung ein ausgewähltes Element aus der Gruppe von Metallen, Keramiken, Interkeramiken und Halbleitern ist und wobei die besagte Beschichtung mit dem Brennvorgang elektrisch leitend wird.
Eine Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, wobei: die Partikelgröße des besagten leitfähigen Pulvers im Bereich von 1 bis 100 μm liegt und wobei besagtes leitfähiges Pulver mindestens eines der Folgenden Elemente enthält: Carbid, Nitrid, Bond, Silizid, Oxid, Graphit, Molybdän, Wolfram, Tantal, Nickel, Chrom, Silber, Silberlegierung, Eisen-Nickel-Chrom-Legierung, Nickel-Chrom-Legierung oder Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung.
Eine Zusammensetzung gemäß Anspruch 2, wobei: die Partikelgröße des besagten leitfähigen Pulvers im Bereich von 1 bis 20 μm liegt.
Eine Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei: besagte Zusammensetzung außerdem ein isolierendes Keramikpulver enthält, um den Widerstand der Beschichtung zu verändern.
Eine Zusammensetzung gemäß Anspruch 4, wobei: besagte Sol-Gel-Lösung aus einer Gruppe von Aluminaten, Silicaten, Titanaten, Zirkonaten oder Kombinationen davon ausgesucht wird.
Eine Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei: besagtes Substrat mindestens eines der folgenden Elemente beinhaltet: Glas, Glaskeramik, Metall oder Keramik.
Eine Zusammensetzung gemäß Anspruch 4, wobei: besagtes Substrat mindestens eines der folgenden Elemente beinhaltet: Glas, Glaskeramik, Metall oder Keramik.
Ein Verfahren zur Herstellung einer widerstandsbehafteten bzw. leitfähigen Beschichtung auf einem Substrat, welches die folgenden Schritte umfasst: (a) Mischung einer Sol-Gel-Lösung, die sich aus einem Masseanteil von bis zu etwa 90 % eines leitfähigen Pulvers in einer gleichmäßigen stabilen Dispersion zusammensetzt; wobei besagtes leitfähiges Pulver der Lösung ein ausgewähltes Element aus der Gruppe von Metallen, Keramiken, Interkeramiken und Halbleitern ist; (b) Auftrag der besagten stabilen Dispersion auf ein Substrat, um eine Beschichtung darauf zu bilden; und (c) Brennen des beschichteten Substrats bei einer Temperatur, die ausreicht, um die organischen Bestandteile zu entfernen und um einen zumindest teilweise leitfähigen Film auf dem besagten Substrat zu hinterlassen.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei: die Partikelgröße des besagten leitfähigen Pulvers im Bereich von 1 bis 100 μm liegt und wobei besagtes leitfähiges Pulver mindestens eines der Folgenden Elemente enthält: Carbid, Nitrid, Bond, Silizid, Oxid, Graphit, Molybdän, Wolfram, Tantal, Nickel, Chrom, Silber, Silberlegierung, Eisen-Nickel-Chrom-Legierung, Nickel-Chrom-Legierung oder Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei: die Partikelgröße des besagten leitfähigen Pulvers im Bereich von 1 bis 20 μm liegt.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 8, 9 oder 10, wobei: besagte Zusammensetzung außerdem ein isolierendes Keramikpulver enthält, um den Widerstand der Beschichtung zu verändern.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei: besagte Sol-Gel-Lösung aus einer Gruppe von Aluminaten, Silicaten, Tinanaten, Zirkonaten oder Kombinationen davon ausgesucht wird.
Bin Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei: die Schritte (b) und (c) so oft wie nötig wiederholt werden, um eine stabile Beschichtung der gewünschten Dicke herzustellen; und wobei besagtes Substrat mindestens eines der folgenden Elemente beinhaltet: Glas, Glaskeramik, Metall oder Keramik.
Eine Heizvorrichtung, bestehend aus: einem Substrat eines Materials, das ein Element aus der folgenden Gruppe ist: Glas, Metall oder Keramik; und einer Sol-Gel-abgeleiteten widerstandsbehafteten Heizschicht, die auf einer Heizfläche des besagten Substrats aufgebracht wird.
Eine Heizvorrichtung, bestehend aus: einem Kontaktelement mit einer Heizfläche und einer beheizten Fläche, die sich gegenüberliegen; einer elektrisch isolierten Schicht, die auf die besagte beheizte Fläche aufgebracht wird und deren Außenseite von der besagten beheizten Fläche weg zeigt; und einer Sol-Gel-abgeleiteten widerstandsbehafteten Heizschicht, die auf der besagten Außenseite der elektrisch isolierten Schicht aufgebracht wird.
Eine Heizvorrichtung gemäß Anspruch 15, wobei: besagte elektrisch isolierte Schicht aus einem Sol-Gel-Gemisch besteht.
Eine Heizvorrichtung gemäß Anspruch 14, 15 oder 16, wobei: besagte widerstandsbehaftete Heizschicht aus einer abgelagerten Sol-Gel-Lösung besteht, die sich bis zu etwa 90 % aus einem leitfähigen Pulver in einer gleichmäßigen stabilen Dispersion zusammensetzt; und wobei besagtes leitfähiges Pulver der Lösung ein ausgewähltes Element aus der Gruppe von Metallen, Keramiken, Interkeramiken und Halbleitern ist.
Eine Heizvorrichtung gemäß Anspruch 17, wobei: die Partikelgröße des besagten leitfähigen Pulvers im Bereich von 1 bis 100 μm liegt und besagtes leitfähiges Pulver mindestens eines der Folgenden Elemente enthält: Carbid, Nitrid, Bond, Silizid, Oxid, Graphit, Molybdän, Wolfram, Tantal, Nickel, Chrom, Silber, Silber-Palladium-Legierung, Eisen-Nickel-Chrom-Legierung, Nickel-Chrom-Legierung oder Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung.
Eine Heizvorrichtung gemäß Anspruch 18, wobei: die Partikelgröße des besagten leitfähigen Pulvers im Bereich von 1 bis 20 μm liegt.
Eine Zusammensetzung gemäß Anspruch 19, wobei: besagte Zusammensetzung außerdem ein isolierendes Keramikpulver enthält, um den Widerstand der Beschichtung zu verändern.
Eine Heizvorrichtung gemäß Anspruch 14, 15 oder 16, die außerdem Folgendes enthält: eine Oxidationssperrschicht über besagter widerstandsbehafteter Heizschicht zum Schutz der besagten widerstandsbehafteten Heizschicht vor Oxidation.
Eine Heizvorrichtung gemäß Anspruch 21, wobei: besagte Oxidationssperrschicht ein ausgewähltes Element der Gruppe bestehend aus einem Phosphat und einer mit der widerstandsbehafteten Schicht kompatiblen Sol-Gel-Lösung ist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 8, 9 oder 10 einschließlich der folgenden Schritte: (d) Auftrag einer Beschichtung auf besagten Film nach Schritt (c), um besagten Film vor der Oxidation zu schützen; und (e) Erhitzen der besagten Beschichtung, um die besagte Beschichtung einzubrennen und eine Oxidationssperrschicht auf dem besagten leitfähigen Film zu bilden.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei: besagtes leitfähiges Pulver ein Element aus der Gruppe von Graphiten, Carbiden und Nitriden ist; besagte Beschichtung ein ausgewähltes Element der Gruppe bestehend aus Phosphaten und der in Schritt (a) verwendeten Sol-Gel-Lösung ohne das besagte leitfähige Pulver ist; und wobei besagte Wärmebehandlung in Schritt (e) bei einer Temperatur von 300 bis 500 °C für Phosphatbeschichtungen und bei einer Temperatur von mehr als 350 °C für Sol-Gel-Beschichtungen erfolgt.
Eine Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, wobei: besagte Sol-Gel-Lösung aus Zelluloseether, gemischt mit Aluminiumoxid-Sol-Gel, besteht und es sich bei dem besagten leitfähigen Pulver um Silber handelt.
sEine Zusammensetzung gemäß Anspruch 25, wobei: die Partikelgröße des besagten Silberpulvers im Bereich von 1 bis 5 μm liegt; und wobei besagtes Silberpulver, Zelluloseether und Aluminiumoxid-Sol-Gel im Verhältnis von 155 Gramm Silberpulver auf 1,9 Gramm Zelluloseether und auf 100 Gramm Aluminiumoxid-Sol-Gel vorliegen.
Eine Heizvorrichtung gemäß Anspruch 17 einschließlich silberner Sammelschienen auf beiden Seiten der besagten widerstandsbehafteten Heizschicht, wobei besagte silberne Sammelschienen aus einer leitfähigen Sol-Gel-Formel abgeleitet werden, die Silberpulver einer Partikelgröße zwischen 1 und 5 μm sowie Zelluloseether und Aluminiumoxid-Sol-Gel im Verhältnis von 155 Gramm Silberpulver auf 1,9 Gramm Zelluloseether und auf 100 Gramm Aluminiumoxid-Sol-Gel enthält.