ES2292720T3

ES2292720T3 - Revestimiento resistivo y conductor derivado de sol-gel.

Info

Publication number: ES2292720T3
Application number: ES02704530T
Authority: ES
Inventors: Mark Barrow; David Barrow; Tim Olding
Original assignee: Datec Coating Corp
Current assignee: Datec Coating Corp
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2002-03-06
Publication date: 2008-03-16
Anticipated expiration: 2022-03-06
Also published as: EP1370497B1; CA2478142C; AU2002238337A1; WO2002072495A3; WO2002072495A2; US6736997B2; ATE370920T1; CA2478142A1; DE60221973D1; EP1370497A2; DE60221973T2; US20020145134A1

Abstract

Una composición para ser aplicada a un substrato para un revestimiento sobre él, comprendiendo dicha composición: una disolución de sol-gel en la que hasta alrededor de 90% de dicha disolución es un polvo conductor en una dispersión estable uniforme; y dicho polvo conductor en disolución es un miembro que se escoge en el grupo formado por metales, materiales cerámicos, inter-cerámicos y semi-conductores, en el que, tras cocción, dicho revestimiento es eléctricamente conductor.

Description

Revestimiento resistivo y conductor derivado de sol-gel.

Campo del invento

Este invento se refiere a revestimientos para conformar películas gruesas resistivas o conductoras para aplicaciones tales como calentamiento por resistencia y electrodos.

Antecedentes del invento

Los términos "resistivo" y "conductor" asociados a revestimientos se emplean en la presente memoria para referirse a revestimientos que dejan pasar corrientes eléctricas en contra de los que son aislantes. El hecho de que un revestimiento sea considerado resistivo o conductor depende de la libertad con la deja pasar la corriente eléctrica. Se pretende que la expresión "revestimiento eléctricamente conductor" incluya revestimientos tanto resistivos como conductores.

Los revestimientos resistivos y conductores de las películas gruesas anteriores presentaban base vítrea o epoxi. Generalmente, los revestimientos con base epoxi incluían plata, níquel o carbono como material conductor y en algunos casos cromo. Una limitación a los revestimientos con base epoxi es que el epoxi (u otro aglutinante polimérico) se encuentra limitado en cuanto a su capacidad frente a la temperatura y, por tanto, no resulta apropiado para muchas aplicaciones de elementos resistivos tales como calderas o elementos de la parte superior de estufas. Típicamente, el epoxi se degrada a una temperatura de 200ºC o inferior.

Los revestimientos resistivos o conductores de base vítrea emplean un vehículo orgánico, un aglutinante vítreo y una fase funcional. La fase funcional está formada por partículas metálicas tales como partículas de plata, plata-paladio, cobre o níquel u óxido semiconductor tales como dióxido de rutenio, rutenato de bismuto, rutenato de plomo o iridato de bismuto. Se encuentran dos limitaciones técnicas importantes en el empleo de materiales conductores y resistores para películas gruesas de base vítrea. En primer lugar, típicamente las películas se depositan en exceso a una temperatura de procesado de 800ºC, con el fin de procesar la película, impidiendo la utilización sobre materiales de substrato que requieren temperaturas más bajas. Las fritas de vidrio con bajas temperaturas de cocción se encuentran disponibles, pero típicamente contienen una cantidad importante de plomo que resulta no deseable en muchas aplicaciones debido a sus propiedades tóxicas. En segundo lugar, el coeficiente de expansión térmica de la matriz vítrea debe ser similar al del material de substrato, con el fin de obtener suficiente adhesión de película. Los coeficientes de expansión térmica desajustados dan lugar a la descamación de la película tras el enfriamiento inicial o durante su utilización posterior.

A la vista de las limitaciones de temperatura de procesado y del ajuste de los coeficientes de expansión térmica, algunos materiales de substrato tales como aluminio no resultan apropiados, debido a las limitaciones de temperatura o a la pérdida de una matriz vítrea compatible. De manera adicional, esta tecnología requiere materiales de fase particulada semi-metálica y metálica.

Otro método de aplicar revestimientos conductores y resistivos es por medio de la deposición química de vapor ("CVD") de elementos de calentamiento resistivo basados en óxido de estaño de película gruesa. Esta tecnología implica pulverizar una niebla de cloruro estánnico sobre el substrato cuando la temperatura del substrato es de 550ºC, con el fin de producir capas finas de espesor inferior a 1 micrómetro. Las películas resistivas producidas mediante esta tecnología se encuentran limitadas en cuanto a temperatura de operación (a 350ºC la resistencia aumenta), y en cuanto a los substratos sobre los que pueden depositarse. La temperatura de deposición y el bajo coeficiente de expansión térmica ("CTE") de la película resultante limitan la utilización de esta tecnología a materiales de substrato con bajo CTE. No es posible depositar esta capa sobre substratos con base de aluminio, ya que las diferencias de expansión finalmente producen micro-fisuras en la película fina. Otra limitación de esta tecnología es que únicamente puede depositarse sobre materiales con morfologías de superficie lisa.

Otra aplicación particular ha sacado a la luz los defectos de los revestimientos resistivos del estado del arte en cuanto a su utilización como elementos de calentamiento. La aplicación particular se refiere a elementos de calentamiento integrados, para lo cual reciben la denominación de estufas de base vítrea "de parte superior caliente". La tecnología actual emplea una bobina resistiva o una lámpara de calor que se coloca debajo del vidrio para proporcionar calor. Se ha demostrado que los esfuerzos para sustituir este diseño por un diseño de calentamiento integrado han resultado insatisfactorios. El vidrio presenta una composición especial que tiene expansión térmica prácticamente nula y que no es posible revestir fácilmente empleando revestimientos de base vítrea, debido a las temperaturas de procesado y a los problemas de adhesión. Los revestimientos con base epoxi no son una alternativa apropiada, ya que no soportan los requerimientos de servicio que precisan temperaturas de alrededor de 400ºC.

Se han llevado a cabo intentos para utilizar un proceso de CVD con el fin de depositar un elemento resistivo sobre cerámica-vidrio. Mientras que el elemento resistivo de CVD se ha depositado de manera satisfactoria sobre este material, la cerámica-vidrio se vuelve conductora a 400ºC y por tanto, como tal, no puede satisfacer los requisitos de los estándares europeos de seguridad eléctrica para aplicaciones (inferior a 100 mA a 3,750 V de AC a la temperatura de operación durante 60 segundos). Por consiguiente, entre el vidrio y el revestimiento resistivo, se ha proporcionado una capa aislante de material compuesto de sol-gel con base de óxido de aluminio o de nitruro de aluminio. No obstante, típicamente la capa depositada tiene una rugosidad superficial mayor que el espesor de revestimiento depositado por CVD, lo que evita la formación de un elemento resistivo apropiado a partir del proceso de CVD.

Es un objeto del presente invento proporcionar un revestimiento conductor o resistivo que pueda ser aplicado fácilmente, tal como mediante deposición por pulverización, remojado, centrifugación, frotado o serigrafía, sin precisar de técnicas de deposición de vapor, que no requiere temperaturas de conformado elevadas, y que puede producirse para que posea las propiedades deseadas de expansión térmica.

Otro objeto del presente invento es proporcionar dicho revestimiento que pueda aplicarse de manera eficaz sobre un substrato poroso y que resulte relativamente insensible a la forma del substrato.

Sumario del invento

Se proporciona una composición para su aplicación sobre un substrato para conformar sobre él un revestimiento eléctricamente conductor. La composición incluye una disolución de sol-gel en la que hasta alrededor de 90% de la disolución es una mezcla de polvos conductores y aislantes en una dispersión uniforme estable. Las partículas conductoras pueden ser metálicas, cerámicas, inter-cerámicas o semi-conductoras. Las partículas aislantes pueden ser de óxido de metal o cerámicas.

Las partículas conductoras pueden ser al menos uno de carburo, nitruro, boruro, siliciuro, óxido, grafito, molibdeno, tungsteno, tántalo, níquel, cromo, plata, aleación plata-paladio, aleación hierro-níquel-cromo, aleación níquel-cromo o aleación hierro-cromo-aluminio. Preferiblemente, las partículas conductoras tienen un tamaño de partícula dentro del intervalo de 1 a 100 micrómetros, pero más preferiblemente de 2 a 20 micrómetros.

Se proporciona un proceso para producir un revestimiento resistivo o conductor sobre un substrato, que comprende las etapas de:

a.: mezclar una disolución de sol-gel con un polvo conductor que se escoge entre el grupo formado por materiales cerámicos, inter-cerámicos, semi-conductores y metales, de forma que se produce una dispersión estable uniforme;

b.: aplicar dicha dispersión estable a un substrato, con el fin de proporcionar un revestimiento sobre él; y

c.: cocer dicho substrato revestido a una temperatura suficiente para retirar los componentes orgánicos y producir una película al menos parcialmente conductora sobre dicho substrato.

Las etapas b y c pueden repetirse según sea necesario para producir un revestimiento estable de espesor deseado.

Puede incorporarse al sistema un polvo cerámico aislante con el fin de alterar la resistencia de la capa depositada. Posibles candidatos incluyen, pero se limitan a, óxido de aluminio, óxido de silicio, titanato de bario, carburo de silicio y óxido de hierro.

La disolución de sol-gel puede escogerse entre el grupo que incluye aluminatos, silicatos, titanatos, circonatos o sus combinaciones.

Se proporciona un dispositivo de calentamiento que tiene un substrato de vidrio, de metal o cerámico y una capa de calentamiento resistiva que procede de un sol-gel, revestida sobre una cara calentada del substrato.

Además se proporciona un dispositivo de calentamiento que presenta un miembro de contacto con una cara de calentamiento opuesta a la cara calentada. Se une una capa eléctricamente aislante a la cara de calentamiento y presenta una cara externa distal de la cara calentada. La capa de calentamiento resistiva que procede del sol-gel se somete a revestimiento sobre la cara externa de la capa eléctricamente aislante. La capa de calentamiento resistiva procedente del sol-gel puede estar de acuerdo con las composiciones descritas anteriormente y puede aplicarse a la capa aislante de acuerdo con el proceso también descrito anteriormente.

Descripción de los dibujos

A continuación, se describirán las realizaciones preferidas del presente invento con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

La Figura 1 es una vista en planta desde debajo del dispositivo de calentamiento de acuerdo con el presente invento; y

La Figura 2 es una vista frontal en elevación del dispositivo de la Figura 1, que muestra el dispositivo en una configuración invertida.

Descripción de las realizaciones preferidas

Como se describe en la patente de EE.UU. Re.36.573, los revestimientos cerámicos de película gruesa pueden producirse mediante disoluciones convencionales de carga de sol-gel con hasta alrededor de 90% en peso de partículas cerámicas finamente divididas. La suspensión resultante o pintura puede revestirse bien por centrifugación o por remojado o puede pulverizarse o pintarse o serigrafiarse sobre un substrato plano o no plano, a continuación someterse a cocción para retirar los materiales orgánicos y para desarrollar una estructura micro-cristalina.

De acuerdo con el presente invento, puede preparase una disolución de sol-gel apropiada para producir películas gruesas resistivas o conductoras mediante la adición de polvo al gel de sol. Se pretende que las expresiones "polvo conductor" y "partículas conductoras" abarquen materiales que conducen en parte la electricidad e incluiría polvos conductores, semi-conductores y resistivos. También pueden añadirse polvos aislantes a la mezcla de gel de sol/polvo conductor, con el fin de modificar la resistencia del revestimiento depositado.

Preferiblemente, el polvo conductor es no oxidante a las temperaturas empleadas para la deposición o durante el servicio. Por consiguiente, el grafito puede funcionar en aquellos casos en los que se requieren temperaturas de operación bajas o en los casos en los que operan en entornos no oxidantes.

Las disoluciones de sol-gel pueden mezclarse con alrededor de 90% en peso de un polvo cerámico conductor que se escoge en el grupo formado por óxidos, carburos y nitruros, con el fin de producir una dispersión estable
uniforme.

Es posible que el polvo conductor pueda ser un material cerámico, un material inter-cerámico (tal como un disiliciuro o un diboruro), un semi-conductor (tal como grafito) o un metal. Se han obtenido resultados apropiados con níquel y con plata. Se espera que las aleaciones de hierro níquel cromo (u otras) resulten apropiadas. Metales que se espera que produzcan resultados apropiados incluyen molibdeno, tungsteno, tántalo, níquel, cromo, plata y aleaciones de plata paladio, aleación de hierro-níquel-cromo, aleación de níquel cromo y aleación de hierro-cromo-aluminio.

Típicamente, el polvo conductor tiene un tamaño de partícula del orden de 20 micrómetros, no obstante en algunas aplicaciones puede resultar deseable un tamaño de partícula de hasta 100 micrómetros.

En algunos casos, puede resultar deseable variar la resistividad del revestimiento, por ejemplo, aumentar su resistencia con respecto a la resistividad que, de otra manera, procedería de la matriz de sol-gel rellena con polvo conductor. La combinación de polvos aislantes con polvos conductores aumenta la resistividad al tiempo que proporciona un revestimiento apropiado.

Se espera que en la mayoría de las aplicaciones sea deseable disponer de un revestimiento acabado que posea una resistividad que no disminuya a medida que aumenta la temperatura, con el fin de evitar problemas de control asociados a un elemento que continúa aumentando la temperatura a pesar de la entrada de polvo estabilizada. En cualquier caso, tanto si la resistencia aumenta como si disminuye al aumentar la temperatura, puede resultar deseable modificar el perfil de temperatura y resistencia para aplicaciones particulares. Es posible añadir polvos cerámicos al sistema de sol-gel/polvo conductor para modificar la resistencia frente al perfil de temperatura. Un candidato para tal modificación puede ser un material ferroeléctrico, tal como titanato de bario.

El revestimiento fabricado a partir de la disolución de sol-gel rellena con el polvo cerámico y conductor puede aplicarse empleando técnicas convencionales de revestimiento tales como revestimiento por centrifugación o remojado, pulverización, frotado o serigrafía, etc. y sometido a cocción para retirar cualesquiera componentes orgánicos del sol-gel. Típicamente, esto requeriría temperaturas de cocción del orden de 300-400ºC. No obstante, pueden utilizarse temperaturas de hasta 800ºC, dependiendo de la aplicación, para producir una película cerámica estable policristalina que contiene el polvo cerámico y el polvo conductor sobre el substrato.

Se ha comprobado que es posible aplicar una capa resistiva procedente de sol-gel tal como la descrita anteriormente a un revestimiento de óxido de aluminio procedente de sol-gel sobre una cabeza de cocción de vidrio, sin encontrar por ello problemas derivados de la rugosidad del revestimiento de óxido de aluminio, como resultaba típico al intentar aplicar una revestimiento resistivo empleando técnicas de deposición química de vapor. Pueden usarse otros materiales para la capa eléctricamente aislante, por ejemplo nitruro de aluminio o sílice.

Generalmente, una cabeza de cocción se ilustra por la referencia 10 de la Figura 1. La cabeza de cocción 10 tiene un miembro de contacto 12 que presenta una superficie de calentamiento 14 opuesta a la cara calentada 16. La superficie de calentamiento 14 es aquella sobre la que se coloca el objeto a cocer y la cara calentada 16 es aquella sobre la que se aplica calor procedente de un elemento resistivo 20. El material del miembro de contacto depende de la aplicación, pero por ejemplo puede ser vidrio u otro material cerámico o metálico.

Se une la capa eléctricamente aislante 18 a la cara calentada 16. La capa eléctricamente aislante 18 tiene una cara externa 19 distal de la cara calentada 16.

Se reviste la cara externa 19 de la capa eléctricamente aislante 18 con una capa 20 de calentamiento resistiva procedente de sol-gel de la composición tal como se ha descrito anteriormente. Pueden suministrarse los terminales eléctricos 22 y 24 para aplicar una diferencia de potencial eléctrico a los extremos opuestos de la capa 20 de calentamiento resistiva.

Se ha comprobado que es posible aplicar un revestimiento de película gruesa procedente de composiciones derivadas de sol-gel del tipo descrito anteriormente sobre un substrato de óxido de aluminio de sol-gel, para producir un elemento resistivo utilizable con buenas propiedades de adhesión y sin problemas asociados a la rugosidad superficial de la capa de óxido de aluminio.

A diferencia de las técnicas de deposición química de vapor, el revestimiento del presente caso es relativamente insensible a la geometría del substrato a revestir y resultar fácil de aplicar con un espesor uniforme. Por el contrario, la deposición química de vapor tiende a ser punto de mira, requiere una atmósfera apropiada y es difícil lograr un espesor uniforme.

La baja temperatura de cocción y la capacidad para adaptar las propiedades de la matriz de sol-gel permiten la utilización de materiales de elementos de calentamiento resistentes comunes y relativamente baratos. Las aleaciones estándar de hierro-cromo y níquel-cromo, carburo de silicio, grafito y disiliciuro de molibdeno son candidatos para el componente conductor en forma de partículas, pero únicamente constituyen ejemplos representativos, ya que otros materiales también pueden desempeñar esa función.

Las películas gruesas procedentes de material compuesto de sol-gel conductor o resistivo, como las descritas anteriormente, que combinan una fase conductora en una matriz cerámica procedente de sol-gel, proporcionan un comportamiento mejorado con respecto a otras tecnologías resistivas de película gruesa, en términos de facilidad de deposición, intervalo de temperatura de deposición y temperatura máxima de operación. Con las películas gruesas de material compuesto de sol-gel, es posible utilizar materiales de substrato que son incompatibles con las películas gruesas de base vítrea. La química de la disolución de material compuesto de sol-gel y las condiciones de procesado permiten la incorporación de combinaciones de aquellos materiales conductores, baratos y en forma de partículas comúnmente empleados para las aplicaciones de calentamiento resistivas.

Otras aplicaciones para películas gruesas de material compuesto de sol-gel resistivas o conductoras incluyen elementos de calentamiento integrados en aplicaciones de calentadores de resistencia tales como calderas, planchas calientes, elementos de la parte superior de estufas y rotores calientes para moldeo por inyección. Las películas gruesas de sol-gel conductoras pueden tener aplicación más genérica como material de electrodo sobre componentes calentados.

El revestimiento resistivo del presente invento, en algunas aplicaciones, puede aplicarse directamente a un substrato ausente de una capa eléctricamente aislante intercalada entre medias. Por ejemplo, si el substrato fuese aislante en sí mismo, tal como óxido de aluminio, o si la aplicación fuese una aplicación de electrodo, puede no resultar necesario disponer una barrera aislante entre el material resistivo y el substrato.

Puede emplearse la fosfatación para mejorar la resistencia a la oxidación de materiales basados en carbono en las películas resistivas. Puede depositarse un fosfato apropiado, tal como fosfato de aluminio, sobre el revestimiento resistivo, tras el procesado en caliente inicial del revestimiento resistivo. El fosfato reviste las partículas individuales y reduce la cantidad de oxidación que tendría lugar normalmente. Los revestimientos que más se benefician de la fosfatación son grafito y cualquiera de los carburos.

De manera alternativa, la película resistiva puede revestirse con una capa rectilínea de sol-gel. En otras palabras, la disolución de sol-gel sin aditivos de polvo. Tal revestimiento puede usarse sobre una variedad de materiales que incluyen grafito, carburos y nitruros. El efecto es similar al de la fosfatación ya que proporciona una barrera frente a la oxidación.

El sistema de fosfato puede ser tratado térmicamente entre 300 y 500ºC. Los revestimientos de sol-gel de barrera frente a la oxidación se procesan a 350ºC y temperaturas superiores.

Otras aplicaciones que son candidatos potenciales para los revestimientos resistivos incluyen otros productos de línea blanca tales como hornos, calentadores/radiadores para buffet, secadores para ropa, calentadores de alimentos, calentadores de agua y cafeteras. El revestimiento puede encontrar aplicación en pequeños dispositivos tales como estufas, calderas, cafeteras, tostadoras/hornos, secadores de pelo y calentadores de suelo. Aplicaciones potenciales para automóvil incluyen calentadores, eliminadores de hielo y calentadores para asientos. Aplicaciones industriales pueden incluir calentadores para reactores y radiadores/calentadores para tuberías.

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Ejemplo 1

Se mezclaron 15 g de partículas de grafito de 10 \mum, 15 g de polvo de alúmina de 2,7 \mum y 1 g de estearato de sodio con 125 g de sol-gel de alúmina preparado mediante un método similar al de Yoldas^{1}. Esta película resistiva de material compuesto de sol-gel se depositó por pulverización sobre una cerámica vítrea LAS (aluminosilicato de litio) (del tipo de las empleadas para cabezas de cocción) revestida con un material compuesto aislante de sol-gel de alúmina-sílice de 500 \mum. Se procesó el revestimiento resistivo a 400ºC y la resistencia laminar de la película fue de 30 Ohmios/cuadrado. Se depositó una capa de fosfato de aluminio sobre la película resistiva y a continuación se coció a 400ºC para proporcionar una mayor protección frente a la oxidación.

Se depositaron barras colectoras de plata de Dupont sobre cada lado de la película resistiva gruesa de sol gel y se procesaron para formar un elemento de calentamiento. El elemento de calentamiento se operó entre 500-1800 W y se utilizó para cocer un litro de agua fría del grifo en menos de 2 minutos.

Ejemplo 2

Se mezclaron 16 g de partículas de grafito de 10 \mum, 15 g de polvo de alúmina de 2,7 \mum y 1 g de estearato de sodio con 125 g de sol-gel de alúmina. Esta película resistiva de material compuesto de sol-gel se depositó mediante pulverización sobre una cerámica vítrea de LAS (aluminosilicato de litio) revestida con un material compuesto aislante de sol-gel de alúmina de 500 \mum. El revestimiento resistivo se procesó a 400ºC y la resistencia laminar de la película fue de 20-22 Ohmios/cuadrado. Se depositó una capa de fosfato de aluminio sobre la película resistiva y a continuación se coció a 400ºC para proporcionar una mejor protección frente a la oxidación.

La muestra se colocó en un horno a 300ºC durante 50 días, después de lo cual la resistencia fue de 22-24
Ohmios/cuadrado.

Se sometió a revestimiento otra muestra preparada de acuerdo con esta formulación con un cuadrado resistivo de 6 cm por 9 cm, empleando para ello barras colectoras de plata de Dupont 7713, dando lugar a una resistencia entre colectores de 29 Ohmios. Se cicló eléctricamente este elemento a 120 V hasta 300ºC (45 minutos en operación y 15 minutos fuera de operación) durante 15 días, después de lo cual la resistencia entre colectores fue de 29 Ohmios.

Ejemplo 3

Empleando la formulación del ejemplo 2, se depositó mediante pulverización una película resistiva de material compuesto de sol-gel sobre acero de la serie 304 de 1,6 mm de espesor (alrededor de 1/16'') revestido con 200 \mum de material compuesto aislante de sol-gel de alúmina-sílice. La resistencia de pantalla medida de película de 1 mil de espesor fue de 20 Ohmios/cuadrado. Este elemento se fijó en una cuba de caldera, se operó a 2,9 kW y se utilizó para cocer 1L de agua fría del grifo en 1 minuto y 55 segundos.

Ejemplo 4

Empleando la formulación del ejemplo 2, se depositó mediante pulverización una película resistiva de material compuesto de sol-gel sobre aluminio de 2 mm de espesor (alrededor de 0,080'') revestido con 150 \mum de material compuesto aislante de sol-gel de alúmina-sílice. La resistencia de pantalla medida de la película fue de 28 Ohmios/cuadrado

Ejemplo 5

Se mezclaron 25 g de partículas de grafito de 20 \mum y 85 g de un gel de sol de sílice. Esta formulación se depositó mediante pulverización sobre mica para producir una película resistiva de 0,025 mm de espesor (alrededor de 1 mil) con una resistencia de 35 Ohmios/cuadrado.

Ejemplo 6

Se mezclaron una formulación resistiva de sol gel de grafito revestido con 15 g de boro (de malla -325), 15 g de polvo de alúmina de 2,7 \mum y 1 g de metil celulosa con 125 g de sol-gel de alúmina. Esta película resistiva de material compuesto de sol-gel se serigrafió (malla de 110) sobre una cerámica vítrea LAS (aluminosilicato de litio) revestida con 500 \mum de un material compuesto aislante de sol-gel de alúmina-sílice. El revestimiento resistivo se procesó a 400ºC y la resistencia laminar de la película de 0,025 mm de espesor (alrededor de 1 mil) fue de 58 Ohmios/cuadrado.

Ejemplo 7

Se mezclaron una formulación conductora de sol gel de 155 g de polvo de plata (tamaño de partícula de 1-5 \mum) y 1,9 g de éter de celulosa con 100 g de sol-gel de alúmina. Esta película conductora de material compuesto se serigrafió sobre una cerámica vítrea LAS (aluminosilicato de litio) revestida con 500 \mum de un material compuesto aislante de sol-gel de alúmina-sílice, para producir un revestimiento de 0,025 mm de espesor (alrededor de 1 mil). El revestimiento se procesó a 400ºC y después de la cocción presentó una resistencia de 0,4 Ohmios/cuadrado.

Ejemplo 8

Empleando la formulación del ejemplo 6, se serigrafió una película resistiva de material compuesto de sol-gel de 6'' x 9'' sobre una cerámica vítrea LAS (aluminosilicato de litio) revestida con 500 \mum de material compuesto aislante de sol-gel de alúmina-sílice. Se empleó la formulación de plata descrita en el Ejemplo 7 anterior para depositar barras colectoras de plata sobre cada lado de esta película resistiva, dando lugar a una resistencia entre colectores de 40 Ohmios. Se cicló eléctricamente este elemento a 120 V hasta 300ºC (45 minutos en operación y 15 minutos fuera de operación) durante 4 días, después de lo cual la resistencia entre colectores fue de 40 Ohmios.

Ejemplo 9

Se mezclaron 55 g de óxido de estaño corregido con antimonio de 0,3 \mum y 100 g de sol gel de alúmina. Se depositó esta formulación mediante pulverización sobre acero de la serie 304 de 1,6 mm de espesor (alrededor de 1/16'') revestido con 200 \mum de material compuesto aislante de sol-gel de alúmina-sílice. La resistencia de pantalla medida de la película de 1 mil de espesor fue de 189-204 Ohmios/cuadrado. La muestra se colocó en un horno a 300ºC durante 50 días, después de lo cual la resistencia fue de 189-204 Ohmios/cuadrado.

Ejemplo 10

Se mezclaron 25 g de polvo de níquel (1-5 micrómetros) y 100 g de alúmina. Se depositó esta película resistiva de material compuesto de sol-gel mediante pulverización sobre acero de la serie 304 de 1,6 mm de espesor (alrededor de 1/16'') revestido con 200 \mum de material compuesto aislante de sol-gel de alúmina-sílice. Se procesó el revestimiento resistivo a 400ºC y la resistencia laminar de la película gruesa fue de 2 Ohmios/cuadrado.

Ejemplo 11

Se mezclaron 160 g de carburo de tungsteno de 1 \mum y 100 g de sol gel de alúmina. Se depositó este material compuesto de sol-gel mediante pulverización sobre acero de la serie 304 de 1,6 mm de espesor (alrededor de 1/16'') revestido con 200 \mum de material compuesto aislante de sol-gel de alúmina-sílice. Se procesó el revestimiento resistivo a 400ºC y la resistencia laminar de la película fue de 28 Ohmios/cuadrado.

Ejemplo 12

Se mezclaron 12 g de partículas de grafito de 10 \mum, 18 g de polvo de alúmina de 2,7 \mum, 2 g de estearato de sodio y 125 g de sol gel de alúmina. Se revistió mediante pulverización esta formulación sobre un tubo SS hueco de 10,2 cm
(4'') de diámetro y 30,5 cm (12'') de longitud, revestido con 250 \mum de material compuesto aislante de sol gel de alúmina-sílice. Se depositaron barras colectoras de plata de Dupont 7713 sobre cada extremo del tubo. La resistencia entre colectores resultante fue de 27 Ohmios.

La descripción anterior se interpreta en sentido ilustrativo más que en sentido restrictivo. Variaciones en los materiales, técnicas de procesado y aplicaciones pueden resultar evidentes para los expertos en la técnica relevante, sin alejarse por ello del espíritu y alcance del invento como se define en las siguientes reivindicaciones adjuntas.

Claims

1. Una composición para ser aplicada a un substrato para un revestimiento sobre él, comprendiendo dicha composición:

: una disolución de sol-gel en la que hasta alrededor de 90% de dicha disolución es un polvo conductor en una dispersión estable uniforme; y

: dicho polvo conductor en disolución es un miembro que se escoge en el grupo formado por metales, materiales cerámicos, inter-cerámicos y semi-conductores,

: en el que, tras cocción, dicho revestimiento es eléctricamente conductor.

2. La composición de la reivindicación 1, en la que:

: dicho polvo conductor tiene un tamaño de partícula dentro del intervalo de 1 a 100 micrómetros; y,

: dicho polvo conductor incluye al menos uno de carburo, nitruro, boruro, siliciuro, óxido, grafito, molibdeno, tungsteno, tántalo, níquel, cromo, plata, aleación de plata, aleación de hierro-níquel-cromo, aleación de níquel-cromo y aleación de hierro-cromo-aluminio.

3. La composición de la reivindicación 2, en la que:

: dicho polvo conductor tiene un tamaño de partícula de 1 a 20 micrómetros.

4. La composición de la reivindicación 1, 2 ó 3, en la que:

: dicha composición además incluye un polvo cerámico aislante para modificar la resistencia del revestimiento.

5. La composición de la reivindicación 4, en la que:

: dicha disolución de sol-gel se escoge en el grupo formado por aluminatos, silicatos, titanatos, circonatos y sus combinaciones.

6. La composición de la reivindicación 1, 2 ó 3, en la que:

: dicho substrato es al menos uno de vidrio, vidrio-cerámica, metal y cerámica.

7. La composición de la reivindicación 4, en la que:

8. Un proceso para producir un revestimiento resistivo o conductor sobre un substrato, que comprende las etapas de:

(a): mezclar una disolución de sol-gel con hasta alrededor de 90% en peso de dicha disolución de un polvo conductor en una dispersión estable uniforme, escogiéndose dicho polvo conductor entre el grupo formado por materiales cerámicos, inter-cerámicos, metales y semi-conductores;

(b): aplicar dicha dispersión estable a un substrato con el fin de proporcionar un revestimiento sobre él; y

(c): cocer dicho substrato revestido a una temperatura suficiente para retirar los componentes orgánicos y producir una película al menos parcialmente conductora sobre dicho sustrato.

9. El proceso de la reivindicación 8, en el que:

: dicho polvo conductor presenta un tamaño de partícula dentro del intervalo de 1 a 100 micrómetros; y

: dicho polvo conductor es al menos un miembro que se escoge en el grupo formado por un carburo, nitruro, boruro, siliciuro, óxido, grafito, molibdeno, tungsteno, tántalo, níquel, cromo, plata, aleación de plata, aleación de hierro-níquel-cromo, aleación de níquel cromo y aleación de hierro-cromo-aluminio.

10. El proceso de la reivindicación 9, en el que:

: dicho polvo conductor presenta un tamaño de partícula de 1 a 20 micrómetros.

11. El proceso de la reivindicación 8, 9 ó 10, en el que:

12. El proceso de la reivindicación 11, en el que:

13. El proceso de la reivindicación 11, en el que:

: las etapas (b) y (c) se repiten según sea necesario para producir un revestimiento estable de espesor deseado; y dicho substrato es al menos uno de vidrio, vidrio-cerámica, metal y cerámica.

14. Un dispositivo de calentamiento que comprende:

: un substrato de un material que es un miembro del grupo formado por vidrio, metal y cerámica; y

: una capa de calentamiento resistiva procedente de sol-gel revestida sobre la cara calentada de dicho substrato.

15. Un dispositivo de calentamiento que comprende:

: un miembro de contacto que tiene una cara de calentamiento opuesta a la cara calentada;

: una capa eléctricamente aislante unida a dicha cara calentada y presentando una cara externa distal de dicha cara calentada; y

: una capa de calentamiento resistiva procedente de sol-gel revestida sobre dicha cara externa de dicha capa eléctricamente aislante.

16. El dispositivo de calentamiento de la reivindicación 15, en el que:

: dicha capa eléctricamente aislante es un material compuesto de sol-gel.

17. El dispositivo de calentamiento de la reivindicación 14, 15 ó 16, en el que:

: dicha capa de calentamiento resistiva está formada a partir de una disolución de sol-gel depositada, en la que hasta alrededor de 90% de dicha disolución es un polvo conductor en una dispersión uniforme estable; y

: dicho polvo conductor es un miembro escogido en el grupo formado por metales, cerámicas, inter-cerámicas y semi-conductores.

18. El dispositivo de calentamiento de la reivindicación 17, en el que:

: dicho polvo conductor presenta un tamaño de partícula de 1 a 100 micrómetros; y

: dicho polvo conductor incluye al menos uno de carburo, nitruro, boruro, siliciuro, óxido, grafito, molibdeno, tungsteno, tántalo, níquel, cromo, plata, aleación de plata-paladio, aleación de hierro-níquel-cromo, aleación de níquel cromo y aleación de hierro-cromo-aluminio.

19. El dispositivo de calentamiento de la reivindicación 18, en el que:

20. La composición de la reivindicación 19, en la que:

21. El dispositivo de calentamiento de la reivindicación 14, 15 ó 16 que además comprende:

: una capa de barrera frente a la oxidación sobre dicha capa de calentamiento resistiva para proteger dicha capa de calentamiento resistiva frente a la oxidación.

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22. El dispositivo de calentamiento de la reivindicación 21, en el que:

: dicha capa de barrera frente a la oxidación es un miembro que se escoge en el grupo formado por un fosfato y una disolución de sol-gel compatible con dicha capa resistiva.

23. El proceso de la reivindicación 8, 9 ó 10, que además incluye las etapas de:

(d): aplicar un revestimiento a dicha película tras la etapa (c) para proteger dicha película frente a la oxidación; y

(e): calentar dicho revestimiento para depositar dicho revestimiento y formar una capa barrera frente a la oxidación de dicha película conductora.

24. El proceso de la reivindicación 23, en el que:

: dicho polvo conductor es un miembro que se escoge en el grupo formado por grafito, carburos y nitruros;

: dicho revestimiento es un miembro que se escoge en el grupo formado por fosfatos y dicha disolución de sol-gel empleada en la etapa (a) en ausencia de dicho polvo conductor; y

: dicha etapa de tratamiento (e) se lleva a cabo a una temperatura de 300 a 500ºC para revestimientos de fosfato y por encima de 350ºC para revestimientos de sol-gel.

25. La composición de la reivindicación 1, en la que:

: dicha disolución de sol-gel está formada por éter de celulosa mezclado con sol-gel de alúmina; y

: dicho polvo conductor es plata.

26. La composición de la reivindicación 25, en la que:

: dicho polvo de plata presenta un tamaño de partícula de 1 a 5 micrómetros; y

: dicho polvo de plata, éter de celulosa y sol-gel de alúmina están presentes en las proporciones de 155 gramos de polvo de plata a 1,9 gramos de éter de celulosa hasta 100 gramos de sol-gel de alúmina.

27. El dispositivo de calentamiento de la reivindicación 17, que además incluye barras colectoras de plata sobre cada lado de dicha capa de calentamiento resistiva, procediendo dichas barras colectoras de plata de una formulación conductora de sol-gel que contiene polvo de plata de tamaño de partícula de 1 a 5 micrómetros, éter de celulosa y sol-gel de alúmina en las proporciones de 155 gramos de polvo de plata a 1,9 gramos de éter de celulosa hasta 100 gramos de sol-gel de alúmina.