FR2896079A1 - Resistance en ceramique et corps cru servant a sa fabrication - Google Patents

Resistance en ceramique et corps cru servant a sa fabrication Download PDF

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Abstract

Résistance céramique fabriquée par pyrolyse ou par frittage d'un corps en céramique crue, comportant un corps d'isolation et un chemin conducteur résistant.Pour améliorer sa solidité mécanique la résistance céramique est réalisée comme combinaison d'une céramique frittée et d'une céramique à précurseur.

Description

Domaine de l'invention La présente invention concerne une résistance en
céramique fabriquée par pyrolyse ou par frittage d'un corps en céramique crue, comportant un corps isolant et un chemin conducteur résistant.
L'invention concerne également un corps cru pour fabriquer une telle résistance ainsi qu'un dispositif de chauffage en matière céramique comportant une telle résistance. Etat de la technique Selon le document EP 412 428 B1 il est connu de fabriquer un corps composite en céramique à partir d'un polymère organosilicique par une pyrolyse appropriée. Une telle céramique est appelée céramique précurseur. Les céramiques obtenues sont toutefois très poreuses et pré-sentent souvent un retrait incontrôlable. En ajoutant des charges on peut diminuer certes de manière significative la teneur en volume du polymère mais l'effet de retrait gênant de la céramique n'est pas modifié. Le document EP 412 428 B1 propose comme charge des composants réactifs réagissant avec les produits de décomposition de la pyrolyse. Le document US 6 737 612 B2 décrit un élément chauffant en céramique comportant un isolant en forme de tige dont le volume inté- rieur comporte des conduites d'alimentation pour une couche formant une résistance de chauffage passant également dans l'isolant. A la fois l'isolant et les conduites d'alimentation ainsi que la couche formant la résistance de chauffage sont des céramiques frittées. But de l'invention La présente invention a pour but de développer une résistance en céramique présentant une conductivité électrique suffisante et constante à long terme dans le cadre d'applications à des températures élevées. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne une résistance en céramique du type défini ci-dessus, caractérisée en ce que pour améliorer sa solidité mécanique la résistance céramique est réalisée comme combinaison d'une céramique frittée et d'une céramique à précurseur. Selon d'autres caractéristiques avantageuses : le corps isolant est en céramique frittée, la céramique frittée est à base de dioxyde de zirconium, de nitrure de silicium, ou d'oxycarbonitrure de silicium aluminium bore, ou de mélanges de ceux-ci, le chemin conducteur résistant est une résistance précurseur, le corps isolant a une forme essentiellement cylindrique ou parallélépipédique et le chemin conducteur résistant est réalisé au moins par zones dans des perçages du corps d'isolation, le chemin conducteur résistant est réalisé au moins par zones dans des rainures en surface du corps isolant, la céramique précurseur est une céramique qui ne présente pratique-ment pas de retrait pendant le frittage. Il est particulièrement avantageux que la résistance en céramique combine les avantages d'une céramique frittée et ceux d'une céramique précurseur. La résistance en céramique, grâce à l'utilisation de composants en céramique à base d'une céramique frittée, offre une très grande résistance à la rupture ce qui permet d'obtenir une résistance en céramique d'utilisation fiable, par exemple comme élément chauffant 15 d'une bougie de préchauffage. Grâce à l'utilisation supplémentaire de composants en céramique à base d'une céramique précurseur, on obtient également les avantages tels que la simplicité de son traitement et la déformabilité. Ainsi, il est avantageux que le corps isolant de la résistance 20 en céramique soit en une céramique frittée car les céramiques frittées sont très isolantes électriquement et le corps isolant forme ainsi une structure mécanique stable de la résistance en céramique. Il est en outre avantageux qu'un chemin conducteur résistant de la résistance en céramique soit une céramique précurseur car le 25 mélange à la base du précurseur à l'état non pyrolysé peut recevoir facilement des additifs permettant de régler la conductivité électrique du chemin conducteur résistant et le mélange précurseur peut ainsi être introduit de manière simple, par exemple dans les cavités du corps cru en céramique frittée. 30 Il est également avantageux de choisir comme céramique précurseur une céramique ne présentant pratiquement pas de retrait pendant le frittage car de cette manière on a une liaison fiable entre la céramique précurseur et la céramique frittée de la résistance en céramique. Pour cela, le mélange précurseur contient par exemple une substance qui, 35 par traitement thermique avec dilatation volumique, réagit pour donner un oxyde ou un carbure. Cela permet de compenser le retrait de la céramique précurseur par la dilatation volumique des oxydes ou des carbures résultant du traitement thermique sans diminuer la densité de la céramique précurseur obtenue. En outre selon l'invention, le corps cru est caractérisé en ce qu' - il contient au moins une substance qui, sous l'effet d'un traitement thermique avec dilatation de volume, réagit pour donner un oxyde, un siliciure ou un carbure, au moins une zone du corps cru est formée d'un mélange comprenant au moins un précurseur d'une céramique précurseur et d'au moins une substance qui lors d'un traitement thermique avec dilatation volumique réagit pour donner un oxyde, un siliciure ou un carbure, et qui comporte au moins une autre zone formée de combinaisons servant à donner une céramique frittée, le mélange contient au moins une substance qui, lors d'un traitement 15 thermique avec dilatation volumique, réagit pour donner un oxyde ou un carbure, la teneur étant de 40 à 60 % en poids, il contient du titane, comme substance qui par traitement thermique avec dilatation volumique donne un oxyde, un siliciure ou un carbure. il contient un siliciure du chrome comme substance qui lors d'un trai- 20 terrent thermique avec dilatation volumique donne un oxyde ou un carbure, le précurseur est un polymère organosilicique à base d'un polysiloxane ou d'un polysilsesquioxane, le précurseur est un polymère organosilicique à base d'un polysilazane, 25 d'un polycarbosilane ou d'un polysilane. Enfin selon l'invention, on crée un dispositif de chauffage céramique, notamment bougie de préchauffage comportant un chemin conducteur résistant mis en contact par un branchement électrique à une source de tension caractérisé par une résistance céramique réalisée selon 30 l'une des revendications 1 à 7. Dessins La présente invention sera décrite ci-après à l'aide de deux exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans les-quels : 35 - la figure la montre un premier exemple de réalisation d'une bougie de préchauffage en coupe longitudinale, cette bougie comportant une résistance en céramique selon l'invention, - la figure lb est une section de la bougie de préchauffage de la figure la coupée selon la ligne de coupe A-A, - la figure 2a montre un second exemple de réalisation d'une bougie de préchauffage en coupe longitudinale comportant une résistance en cé- ramique selon l'invention, - la figure 2b est une section de la bougie de préchauffage de la figure 2a coupée suivant la ligne de coupe B-B. Description de modes de réalisation de l'invention La figure la est une coupe longitudinale d'un mode de réa- lisation d'une bougie de préchauffage 1 comportant une résistance en céramique selon l'invention. L'extrémité de la bougie de préchauffage 1 du côté éloigné de la chambre de combustion réalise le branchement électrique par un connecteur rond 2 séparé par un joint 3 du boîtier métallique 4 de la bougie avec une ligne d'alimentation 5, de forme cylindrique. La fixation de la ligne d'alimentation cylindrique 5 dans le boîtier 4 de la bougie se fait par une bague métallique 7 et un manchon en céramique isolante 8. La ligne d'alimentation 5 de forme cylindrique est reliée par une broche de contact 10 et un élément de contact 12 approprié, de préférence sous forme de ressort de contact, de charge de poudre électroconductrice ou de plaquettes électroconductrices à une partie de ressort élastique, de préférence en graphite pour être reliée à la broche incandescente 14 en céramique. La ligne d'alimentation 5 de forme cylindrique peut également être réunie en une seule pièce avec la broche de contact 10. L'intérieur de la bougie de préchauffage 1 est fermé de manière étanche par rapport à la chambre de combustion par l'intermédiaire d'une garniture d'étanchéité 15. La garniture d'étanchéité 15 est constituée d'une combinaison de carbone conducteur. La garniture d'étanchéité 15 peut également être en métal, en un mélange de carbone et de métal ou en un mélange de céramique et de métal.
La tige incandescente 14 réalisée comme résistance en céramique comprend une couche de chauffage 18, des lignes d'alimentation 20, 21 en céramique ainsi qu'un corps isolant 22. Les lignes d'alimentation 20, 21 sont reliées par une couche chauffante 18 et for-ment une couche conductrice avec cette couche chauffante 18. Les lignes d'alimentation 20, 21 passent de préférence dans les cavités ou les perçages du corps isolant 22 et sont ainsi protégées vis-à-vis de l'atmosphère corrosive du moteur. La disposition des lignes d'alimentation 20, 21 dans le corps isolant 22 apparaît à la figure lb.
Dans la zone de chauffage 30 de la tige incandescente 14, les lignes d'alimentation 20, 22 passent de préférence dans la direction de la surface extérieure de la tige 14 pour rejoindre la couche chauffante 18. La couche chauffante 18 sert à chauffer le mélange gazeux entourant la bougie de préchauffage 1. La couche chauffante 18 a une résistance électrique spécifique plus élevée et/ ou une surface de section relativement plus petite que les lignes d'alimentation 20, 21 du fait de la matière. Pour éviter des courants transversaux entre les composants de la couche conductrice, la résistance électrique spécifique du corps isolant 22 est de préférence significativement supérieure à la résistance de la couche chauffante 18 ou des lignes d'alimentation 20, 21. Selon un exemple de réalisation préférentiel, la résistance spécifique du corps isolant 22 dans tout le domaine de la température de fonctionnement de la bougie de préchauffage est au moins dix fois supérieure à la résistance spécifique de 15 la couche chauffante 18. La tige incandescente 14 en céramique dans le corps 4 de la bougie est isolée des autres parties de la bougie de préchauffage par une couche de verre non représentée. Pour réaliser le contact électrique entre l'élément de contact 12 et la couche d'alimentation 20, on a interrompu la 20 couche de verre aux endroits 24. Une autre interruption de la couche de verre à l'endroit 26 permet un contact électrique entre la couche d'alimentation 21 et le corps 4 de la bougie par la garniture d'étanchéité 15. Le corps isolant 22 est de préférence en une céramique 25 frittée. Il s'agit d'une céramique obtenue par le frittage d'une dispersion de particules en céramique. Les céramiques frittées se caractérisent par une densité élevée et une grande solidité mécanique. Leur utilisation comme corps isolants 22 pour la résistance en céramique se traduit par une résistance mécanique prononcée de la résistance en céramique vis-à-vis des 30 effets mécaniques. La céramique frittée du corps isolant 22 est réalisée par exemple à partir de dioxyde de zirconium fritté de manière dense, de nitrure de silicium comprimé de manière isostatique à chaud ou d'oxycarbonitrure de silicium, aluminium, bore. Pour fabriquer la résistance en céramique, on réalise tout 35 d'abord le corps isolant 22 en céramique frittée et on procède au frittage. Puis on réalise les lignes d'alimentation 20, 21 ou la couche chauffante 18 avec un mélange de départ d'une céramique précurseur appropriée. La céramique précurseur désigne dans le présent contexte des céramiques obtenues par thermolyse d'un mélange de départ contenant au moins une substance non céramique et qui au cours de la thermolyse consécutive, subit une transformation pour donner des composants céramiques. L'application du mélange de départ de la céramique précurseur se fait par exemple par injection au moins par un procédé analogue à une injection. La couche chauffante 18 ainsi que les lignes d'alimentation 20, 21 sont réalisées de préférence sous la forme d'une céramique précurseur électroconductrice à forte résistance électrique. La céramique précurseur est obtenue à partir d'un mélange de charge comportant des polymères silico-organiques comme par exemple un polysiloxane ou un polysilsesquioxane. Comme polysiloxane on utilise par exemple un polyalkoxysiloxane réticulé par condensation ou un polysiloxane réticulé par addition comme par exemple du méthyl-phényl-vinyl-polysiloxane. Aux polysiloxanes utilisés on peut ajouter d'autres polymères comme par exemple des polycarbosilanes et des polysilanes. Ces polymères peuvent être dissous dans un solvant approprié comme par exemple de l'acétone ou du tétrahydrofurane et être combinés à différentes charges. Le choix et les quantités d'une ou plusieurs charges appropriées permettent de régler de manière précise la résistance électrique de la céramique à obtenir. Les charges appropriées sont par exemple le disiliciure de molybdène, le disiliciure de chrome, de la poudre de fer, du nitrure de silicium, de la poudre de silicium, du siliciure de titane, du céroxide, de l'oxyde de bismuth, de l'oxyde baryum, du carbure de silicium, du carbure de bore, du nitrure de bore ou du graphite ainsi que le cas échéant également des nano-tubes de carbone ou d'oxyde d'aluminium. Il est particulièrement avantageux pour une résistance en céramique de combiner les composants d'une céramique frittée et ceux à base d'une céramique précurseur en ce que les composants de céramique frittée améliorent la solidité mécanique de la résistance en céramique alors que les composants à base d'une céramique précurseur se traitent facile-ment en fabrication et le mélange de départ qui aboutit à de telles céramiques peut recevoir de manière simple une forte teneur en charge qui influence de manière précise les propriétés de la céramique précurseur résultante.
Suivant la composition de la céramique précurseur on peut rencontrer des problèmes de fabrication de la résistance en céramique si par exemple la céramique précurseur subit un fort retrait pendant la thermolyse. Il est avantageux que la céramique précurseur, au passage du mélange de départ en céramique proprement dite pendant la thermolyse, présente un retrait aussi faible que possible ou un retrait nul. Cela peut s'obtenir par exemple si la céramique précurseur contient au moins une substance à base du mélange de départ qui subit une conversion pendant la thermolyse produisant une augmentation de volume. Cela peut se faire par exemple avec une substance appropriée qui pendant la thermolyse engendre des oxydes, des carbures ou des siliciures ayant un volume plus important que le mélange de départ. Comme substance appropriée qui augmente de volume pendant la thermolyse pour donner des oxydes, des io carbures ou des siliciures, il y a par exemple le titane et le siliciure de chrome. Ces matières peuvent représenter un pourcentage allant de 40 à 60 % en poids dans la céramique précurseur. La figure 2a montre un autre exemple d'une bougie de pré-chauffage comportant une résistance en céramique selon l'invention. Dans 15 cette figure on a utilisé les mêmes références que celles des composants de la figure la. A la figure 2a, la bougie à incandescence comprend une résistance en céramique sous la forme d'une tige incandescente 14 avec des lignes d'alimentation 20, 21 sur le côté extérieur du corps isolant 22. Pour 20 la protection mécanique des lignes d'alimentation 20, 21, la surface extérieure du corps isolant 22 comporte des rainures recevant les lignes d'alimentation 20, 21 comme cela apparaît à la figure 2b. La résistance en céramique selon l'invention peut s'utiliser par exemple comme élément chauffant de bougie à incandescence, de 25 bougie à flamme ou d'élément de capteur céramique ainsi que pour les applications à températures élevées. 30

Claims (7)

REVENDICATIONS
1 ) Résistance en céramique fabriquée par pyrolyse ou par frittage d'un corps en céramique crue, comportant un corps isolant et un chemin conducteur résistant, caractérisée en ce que pour améliorer sa solidité mécanique la résistance céramique est réalisée comme combinaison d'une céramique frittée et d'une céramique à précurseur.
2 ) Résistance en céramique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps isolant (22) est en céramique frittée.
3 ) Résistance en céramique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la céramique frittée est à base de dioxyde de zirconium, de nitrure de silicium, ou d'oxycarbonitrure de silicium aluminium bore, ou de mélanges de ceux-ci.
4 ) Résistance en céramique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le chemin conducteur résistant (18, 20, 21) est une céramique précurseur.
5 ) Résistance en céramique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps isolant (22) a une forme essentiellement cylindrique ou parallélépipédique et le chemin conducteur résistant (20, 21) est réalisé au moins par zones dans des perçages du corps d'isolation.
6 ) Résistance en céramique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le chemin conducteur résistant (20, 21) est réalisé au moins par zones dans des rainures en surface du corps isolant (22).
7 ) Résistance en céramique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la céramique précurseur est une céramique qui ne présente pratiquement pas de retrait pendant le frittage.8 ) Corps cru pour la fabrication d'une résistance céramique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu' il contient au moins une substance qui, sous l'effet d'un traitement ther-5 mique avec dilatation de volume, réagit pour donner un oxyde, un siliciure ou un carbure. 9 ) Corps cru selon la revendication 8, caractérisé en ce qu' 10 au moins une zone du corps cru est formée d'un mélange comprenant au moins un précurseur d'une céramique précurseur et d'au moins une substance qui lors d'un traitement thermique avec dilatation volumique réagit pour donner un oxyde, un siliciure ou un carbure, et qui comporte au moins une autre zone formée de combinaisons servant à donner une 15 céramique frittée. 10 ) Corps cru selon la revendication 9, caractérisé en ce que le mélange contient au moins une substance qui, lors d'un traitement 20 thermique avec dilatation volumique, réagit pour donner un oxyde ou un carbure, la teneur étant de 40 à 60 % en poids. 11 ) Corps cru selon la revendication 8, caractérisé en ce qu' 25 il contient du titane, comme substance qui par traitement thermique avec dilatation volumique donne un oxyde, un siliciure ou un carbure. 12 ) Corps cru selon la revendication 8, caractérisé en ce qu' 30 il contient un siliciure du chrome substance qui lors d'un traitement thermique avec dilatation volumique donne un oxyde ou un carbure. 13 ) Corps cru selon la revendication 8, caractérisé en ce que 35 le précurseur est un polymère organosilicique à base d'un polysiloxane ou d'un polysilsesquioxane. 14 ) Corps cru selon la revendication 8, 2896079 io caractérisé en ce que le précurseur est un polymère organosilicique à base d'un polysilazane, d'un polycarbosilane ou d'un polysilane. 15 ) Dispositif de chauffage céramique, notamment bougie de préchauffage comportant un chemin conducteur résistant mis en contact par un branchement électrique à une source de tension, caractérisé par une résistance céramique réalisée selon l'une des revendications 1 à 7. io
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