MXPA01006355A - Nuevo encendedor de ceramica que tiene resistencia mejorada a la oxidacion y metodo para utilizar el mismo - Google Patents

Abstract

Esta invención se refiere a una zona de soporte para encendedor de cerámica tipo pasador, la zona de cerámica comprende A1N y SiC, y preferiblemente alúmina.

Description

NUEVO ENCENDEDOR DE CERÁMICA QUE TIENE RESISTENCIA MEJORADA A LA OXIDACIÓN Y MÉTODO PARA UTILIZAR EL MISMO MEMORIA DESCRIPTIVA Los materiales de cerámica han disfrutado de gran éxito como encendedores en hornos que queman gas, estufas y secadores de ropa. Un encendedor de cerámica típicamente tiene una forma de pasador o de U que contiene porciones de extremo conductoras y una porción intermedia altamente resistiva. Cuando los extremos del encendedor están conectados a terminales electrificadas, la porción intermedia altamente resistente (o "zona caliente") se eleva en temperatura. La técnica de los encendedores de cerámica ha conocido desde hace mucho los encendedores en forma de pasador que tienen además un inserto de cerámica no conductivo eléctricamente dispuesto entre sus patas eléctricamente resistivas para soporte. JP-A-02094282 describe de manera específica un encendedor de cerámica que tiene patas resistivas de SiC/ZrB2 y un inserto aislante de AIN (o "zona de soporte") dispuesto entre las patas resistivas. JP-A-02094282 enseña además añadir BN al inserto de AIN con el fin de hacer coincidir los coeficientes de expansión térmica ("CTE") de las dos regiones. De manera similar, la patente de E.U.A. No. 5,191 ,508 ("Axelson") describe un encendedor de cerámica en forma de pasador que tiene un inserto "eléctricamente no conductivo" y enseña que el inserto se debe hacer a partir de un solo material tal como alúmina, nitruro de aluminio, óxido de berilio, cada uno de los cuales son materiales eléctricamente aislantes. La patente de E.U.A. 4,634,837 ("Ito") describe un encendedor de cerámica que tiene una zona caliente basada en Si3N4/MoS¡2 y un inserto de Si3N /Al2?3. La técnica también describe encendedores de cerámica en los cuales los filamentos conductivos están incrustados en materiales de cerámica aislantes. Por ejemplo, la patente de E.U.A. No. 4,912,305 ("Tatemasu") describe un alambre de tungsteno incrustado en un cuerpo de cerámica de SÍ3N /AI2O3/Y2O3. La patente de E.U.A. No. 4,804,823 ("Okuda") describe un encendedor de cerámica en el cual una capa de cerámica conductiva de TiN o WC (que también contiene SÍ3N4) está dispuesta dentro de un substrato de cerámica de ya sea AIN o Si3N4. Okuda también describe que el substrato puede contener además un auxiliar de concreción tal como un óxido, nitruro u oxinitruro de los grupos lia o Illa de la tabla periódica o aluminio. Consultar la columna 7, renglones 50-55. Aunque el material de inserto en los encendedores en forma de pasador es generalmente altamente aislante eléctricamente, hay ocasiones en las cuales la técnica ha descrito insertos que tienen algunos componentes eléctricamente conductivos (tales como M0S.2), y/o semiconductivos (tales como SiC). Por ejemplo, JP-A-02086 ("JP '086") provee una de tales descripciones en las cuales el constituyente principal del inserto es carburo de silicio. Sin embargo, la investigación ha mostrado que las resistividades a alta temperatura de un primer material que comprende SiC y un material conductivo tal como aluminio y un segundo material que comprende más de 99% de SiC tiende a ecualizarse a altas temperaturas. Por lo tanto sin esos materiales se utilizaran respectivamente como una zona caliente y un inserto en el mismo encendedor, sería probable que hubiesen cortos eléctricos a través del material de inserto. En otro ejemplo, la patente de E.U.A. No. 5,233,166 ("Maeda") describe un encendedor que tiene una zona caliente incrustada en un substrato de cerámica que comprende nitruro de silicio, 8-19% de óxido de tierras raras, 2-7% de sílice y 7-20% de MoS¡2. Maeda enseña evitar la producción de una fase de vidrio que tiene alúmina en una cantidad de más de 1% en peso. La patente de E.U.A. No. 5,801 ,361 (Willkens '361) describe un encendedor de cerámica diseñado para utilizarse en aplicaciones de alto voltaje (220V-240V) en el cual la zona caliente convencional en forma de pasador está soportada por material de cerámica tanto entre sus patas y por fuera de sus patas y mediante zonas de soporte. Willkens '361 también enseña que este material de zona de soporte debe ser eléctricamente aislante (es decir, debe tener una resistividad eléctrica de al menos 10d ohm-cm) y debe comprender preferiblemente al menos 90% en volumen de al menos uno de nitruro de aluminio, nitruro de boro y nitruro de silicio. Willkens '361 enseña además que este material de zona de soporte no solamente debe poseer características de expansión y densificación térmica las cuales son compatibles con la zona caliente, sino también ayudar a proteger la zona caliente de oxidación (es decir, menos de 10% de disminución de amperaje sobre 30,000 ciclos). En una publicación de WIPO que corresponde a Willkens '361 , la resistividad eléctrica sugerida del material de zona de soporte es de 108 ohm-cm. Sin embargo, aunque el encendedor de Willkens '361 alcanza las especificaciones de rendimiento requeridas para aplicaciones de voltaje, el uso continuo del encendedor reveló fallas de uso a largo plazo significantes en una zona de soporte que consiste esencialmente de nitruro de aluminio (AIN). Es decir, la resistencia de este encendedor se incrementó significativamente durante pruebas de uso extendido. Adicionalmente, se encontraron problemas de densificación (probablemente debido a desacoplamiento de expansión térmica) con esas zonas de soporte durante la fabricación. Por último Willkens '361 observó que, en una modalidad, el brillo blanco caliente de la zona caliente (la cual tiene una resistividad a temperatura ambiente de aproximadamente 0.3 ohm-cm) tiende a deslizarse hacia abajo y sugirió que este deslizamiento fue provocado por flujo de corriente a través del inserto basado en nitruro de aluminio. La patente de E.U.A. 5,786,565 (Willkens '565) describe otro encendedor de cerámica que tiene una zona de soporte (o "inserto") dispuesto entre las dos patas paralelas del encendedor. De acuerdo con Willkens '565, este inserto es referido como un "sumidero de calor eléctricamente aislante" o como un "sumidero de calor eléctricamente no conductor", preferiblemente tiene una resistividad de al menos 104 ohm-cm. Preferiblemente, la composición del inserto comprende al menos 90% en volumen de al menos uno de nitruro de aluminio, nitruro de boro y nitruro de silicio, pero más preferiblemente consiste esencialmente de al menos uno de nitruro de aluminio, nitruro de boro y nitruro de silicio. Sin embargo, aunque se encontró que los encendedores de Willkens '565 poseen velocidad impresionante, su uso a largo plazo a temperaturas de 1300°C resultó nuevamente en porcentajes significativos de fallas. Por lo tanto, existe una necesidad para una zona de soporte basada en nitruro de aluminio que no altera las características eléctricas del encendedor, no desarrolla problemas de oxidación durante el uso, y no posee problemas de densificación o de maquinación durante la fabricación. En particular, existe una necesidad para una zona de soporte que resuelve esos problemas para el encendedor que se describe en Willkens '565. En un esfuerzo por descubrir la razón para la oxidación inaceptable del material de la zona de soporte basado en AIN (o "inserto") los inventores de la presente realizaron investigaciones extensivas, y encontraron una capa extensiva e incoherente de alúmina sobre la superficie del AIN. Debido a que la alúmina tiene un CTE mucho más alto que el AIN, y la oxidación del AIN también produce una expansión de 6% en volumen, se cree que la oxidación del material de inserto de AIN (es decir, la producción de alúmina) provoca agrietamiento en el material de inserto y es la causa para las fallas en uso a largo plazo.

De manera concurrente, los inventores de la presente también examinaron encendedores convencionales que poseen composiciones de zona caliente de AIN-SiC-MoSi2 convencionales que no sufren de fallas relacionadas con oxidación a largo plazo similares. Se descubrió que, después de uso a largo plazo, esas zonas calientes convencionales tienen una capa de superficie coherente que contiene una cantidad sustancial de mulita, la cual tiene una composición de 3AI2?3-2Si?2. En contraste a alúmina, la mulita tiene un CTE que es mucho más compatible con AIN, y produce solamente un cambio volumétrico pequeño cuando se produce a partir de AIN. Por lo tanto, sin desear estar limitado a la teoría, se cree que la producción de una capa de superficie de mulita es crítica para el éxito de un material de inserto basado en AIN. Al la luz del descubrimiento anterior, se cree que la capa de mulita deseada se podría producir añadiendo entre 2% en volumen y 40% en volumen de carburo de silicio al inserto basado en AIN. La fabricación y prueba subsecuente de esta composición confirmó la presencia de la capa de mulita coherente deseada. De esta manera se cree que los problemas de oxidación en insertos basados en AIN se pueden aliviar de manera significante añadiendo carburo de silicio suficiente para producir una capa coherente de mulita sobre la parte superior del inserto de AIN. El descubrimiento de la capacidad de adecuación de un material de inserto de AIN-SiC es sorprendente a la luz de las enseñanzas de la técnica con respecto a características conocidas de los sistemas aisladores convencionales. En lo que respecta a AIN, se sabía que un aislador esencialmente de AIN produjo oxidación inaceptable en Willkens '361. En relación a SiC, se sabía que una zona de soporte esencialmente de SiC produce corto eléctrico inaceptable a altas temperaturas. De acuerdo con esto, hubo serias preocupaciones de que una mezcla que contiene cantidades significantes de ambos compuestos produciría oxidación inaceptable o formación de cortos, o ambos. En cambio, se descubrió que esta nueva zona de soporte provee resistencia a la oxidación aceptable y no hay formación de cortos. Por lo tanto, de acuerdo con la presente invención, se provee un encendedor de cerámica que comprende: (a) Un par de extremos conductivos, y (b) Una zona caliente de cerámica dispuesta entre los extremos fríos, y (c) Una zona de soporte sobre la cual la zona caliente está dispuesta, caracterizada porque el soporte comprende: (a) entre 50 y aproximadamente 80% en volumen de nitruro de aluminio, y (b) entre aproximadamente 2% en volumen y aproximadamente 40% en volumen de carburo de silicio. La figura 1 es una modalidad preferida en la cual un encendedor preferido tiene una forma de pasador que comprende dos patas conductivas 9 y 13 colocadas en conexión eléctrica mediante una zona caliente resistiva 11 , las patas 11 se extienden desde la zona caliente en la misma dirección y un inserto 19 está dispuesto entre las patas conductivas 13. En general, la zona de soporte comprende entre 50% en volumen y 80% en volumen del nitruro de aluminio como una fase aislante. Si el soporte contiene menos de 50% en volumen de AIN entonces el soporte puede ser demasiado conductivo y hay peligro de formación de corto. Si el soporte contiene más de 80% en volumen de AIN entonces hay un riesgo de oxidación incrementada. En general, la zona de soporte comprende además entre 2% en volumen y 40% en volumen de un carburo de silicio. Si el soporte contiene menos de 2% en volumen del carburo de silicio, entonces hay reactivo insuficiente para formar mulita y el soporte está demasiado propenso a la oxidación. Si el soporte contiene más de 40% en volumen de esta fase, entonces hay típicamente un riesgo de formación de corto a altas temperaturas, incluso si el soporte de cerámica resultante es sólo moderadamente conductivo (es decir, un semiconductor). El carburo de silicio tiene un contenido de silicio suficiente para formar el recubrimiento de mulita deseado y no es tan conductivo como para provocar formación de corto en el material de inserto de cuerpo mixto cuando está presente en el inserto en cantidades menores de 40% en volumen. En algunas modalidades preferidas, el carburo de silicio comprende 10% en volumen y 40% en volumen en la zona de soporte, preferiblemente en una cantidad de 20% en.volumen a 40% en volumen.

En algunas modalidades que se utilizan preferiblemente con el diseño de IM descrito en Willkens '565, el inserto comprende entre 20 y 35% en volumen de SiC, preferiblemente entre 25 y 35% en volumen de SiC. En algunas modalidades en la cuales el material de inserto de la presente invención se acopla con zonas conductivas tipo Washburn (frías) y zonas calientes, el coeficiente de expansión térmica del material de inserto puede ser demasiado bajo. Por ejemplo, en un experimento, se descubrió que un material de inserto que consiste esencialmente de 70% AIN y 30% SiC se agrietó cuando se puso sustancialmente en contacto con una zona conductiva que comprende 20% AIN, 60% SiC y 20% MoSi2. Se cree que esta falla fue provocada mediante un desacoplamiento de CTE entre el inserto y la zona conductiva. Cuando aproximadamente 10% de alúmina ser añadió de manera subsecuente al inserto, la densificación fue exitosa. De acuerdo con esto, en algunas modalidades, la zona de soporte puede comprender adicionalmente entre 2% en volumen y 20% en volumen de una cerámica de alto CTE que tiene un coeficiente de expansión térmica de al menos 6 x 10"6/°C. Preferiblemente, la cerámica de alto CTE es alúmina. En algunos experimentos en los cuales el inserto estuvo en contacto sustancial con una zona conductiva que contiene 20% AIN, 20% M0S.2 y 60% SiC, un número significante de los insertos que contienen 5% de alúmina aun tuvieron grietas mientras que esencialmente todos los insertos que tienen 10% de alúmina no exhibieron grietas. Por lo tanto, en algunas modalidades, el inserto contiene preferiblemente entre 5 y 15% de alúmina, preferiblemente entre 8 y 15% en volumen de alúmina. El descubrimiento de que la alúmina pueda ser benéfica para la composición de inserto es sorpresiva debido a que Maeda enseña que más de un poco por ciento de adición de alúmina al inserto provocará una fase vitrea indeseable. En algunas modalidades, en las cuales el nivel de SiC en el inserto es relativamente bajo (es decir, de menos de 25% en volumen de SiC), se descubrió que una adición adicional de disiliciuro de molibdeno al inserto ayudó a incrementar la resistencia al la oxidación. Por lo tanto, en algunas modalidades, la zona de soporte puede comprender adicionalmente entre 1 % en volumen y 4% en volumen de Mos¡2, particularmente en donde el contenido de SiC es relativamente bajo. Debido al efecto deseable que MoS¡2 tiene sobre la resistencia a la oxidación de la zona de soporte, se tiene la hipótesis de que, en algunas modalidades que contienen entre 1-4% en volumen de MoS¡2, se necesitará tan poco como 10% en volumen de SiC para producir la resistencia a la oxidación deseada. Por lo tanto, en algunas modalidades preferidas, el inserto comprende entre 10% en volumen y 25% en volumen de SiC (más preferiblemente entre 10% en volumen y 20% en volumen de SiC) y entré 1% en volumen y 4% en volumen de MoS . También se ha descubierto que la adición de MoSi2 cambia el color del inserto. Por lo tanto, si se desea un color distintivo, es preferible no utilizar MoS¡2 para hacerlo así. Además, se descubrió adicionalmente que el uso de disiliciuro de molibdeno produce un tipo diferente de capa de óxido. En particular, el óxido producido en zonas de soporte que contienen MoSi2 también contiene mulita, pero es más delgada y más coherente que la capa de óxido producida a partir de zonas de soporte de AIN-SÍC-AI2O3. Más aún, la capa producida mediante la adición de MoSi2 parece ser cualitativamente más similar a la producida mediante la zona caliente de Washburn convencional. Se cree además que el disiliciuro de tungsteno puede realizar la misma función que MoSi2. Por lo tanto, en algunas modalidades, la zona de soporte comprende además: (c) Entre 1 % en volumen y 4% en volumen de un conductor metálico seleccionado del grupo consistente de disiliciuro de molibdeno y disiliciuro de tungsteno, y mezclas de los mismos. Se cree además que algunas de las zonas de soporte de la presente invención pueden constituir nuevas composiciones. Por lo tanto, también de acuerdo con la presente invención, se provee una cerámica policristalina densificada que comprende (y preferiblemente consiste de): a) Entre 50 y 80% en volumen de nitruro de aluminio, b) Entre 25 y 35% en volumen de SiC, y c) Entre 8 y 15% en volumen de alúmina. También de acuerdo con la presente invención, se provee una cerámica policristalina densificada que comprende (y que consiste preferiblemente de): a) Entre 50 y 80% en volumen de nitruro de aluminio, b) Entre 10 y 25% en volumen de SiC, y c) Entre 8 y 15% en volumen de alúmina, y d) entre 1 y 4% en volumen de disiliciuro de molibdeno. Preferiblemente, la zona de cerámica conductiva y la zona caliente definen un pasador que tiene un par de patas, y la zona de soporte está dispuesta entre las patas apara definir una longitud de contacto, en la cual la zona de soporte hace contacto con (i) la zona conductiva sustancialmente a lo largo de las patas y (ii) la zona caliente sustancialmente en el ápice. Este es el diseño que se describe sustancialmente en Willkens 5,786,565 (la especificación de la cual está completamente incorporada por referencia a la presente), y que se refiere en general como el diseño MIM. En general, el contacto entre el soporte y la zona fría en este diseño de MIM comprende al menos 80% de la longitud de contacto. Se cree además que utilizar un diseño de encendedor de MIM de pasador también ayuda a aliviar los problemas de oxidación/formación de cortos. En sistemas de pasador/inserto convencionales, la zona caliente se extiende a una porción significante de cada región de pata del pasador y también tiene una resistividad relativamente alta en comparación al inserto dispuesto entre las regiones de zona caliente. Debido a que las resistividades relativas de esas zonas no fueron muy altas (aproximadamente 10 veces, o una década), algo de electricidad fluyó probablemente desde una zona caliente a través del aislador a la otra zona caliente. En contraste, en el diseño de MIM, una región conductiva se extiende esencialmente a cada pata total. Debido a que las resistividades relativas de esas regiones son típicamente mucho más altas (aproximadamente de 1000 veces), probablemente fluye mucho menos electricidad a través del aislador. Además, debido a que la zona caliente de un diseño de MIM está situada esencialmente solamente en el ápice del pasador, solamente una porción relativamente pequeña del inserto está expuesta a altas temperaturas, reduciendo por lo tanto las oportunidades de que se volverá susceptible a oxidación. También sin desear estar limitados por una teoría, se cree que al utilizar la composición de inserto presente en sistemas que tienen un voltaje operativo que es más bajo que el sistema de 24V utilizado por Willkens '361 se contribuye a la ausencia esencial de formación de cortos a través del inserto basado en AIN. Una caída de bajo voltaje a través del elemento encendedor ayuda a evitar la formación de corto a través el aislador debido a las resistencias relativas del aislador y la zona caliente. La zona caliente provee el calentamiento funcional para encender gas. En modalidades preferidas, se utilizan las fracciones componentes de nitruro de aluminio, disiliciuro de molibdeno y carburo de silicio descritas en la patente de E.U.A. No. 5,045, 237, la especificación de la cual está completamente incorporada por referencia a la presente. Como se indica en la patente de Washburn, el sistema de AIN-SiC-MoS^ es uno flexible que puede producir encendedores que tienen resistividades en la escala de 0.001 a 100 ohm-cm. Esas zonas calientes tienen en general una resistividad de entre 0.04 ohm-cm y 100 ohm-cm, y preferiblemente entre 0.2 ohm-cm y 100 ohm-cm en la escala de temperatura de 1000 a 1500°C. Típicamente, la zona caliente comprende: a) entre 50 y 75 % en volumen de nitruro de aluminio. b) entre 10 y 45 % en volumen de un material semiconductivo seleccionado del grupo consistente de carburo de silicio y carburo de boro, y mezclas de los mismos, y c) entre 8.5 y 14 % en volumen de un conductor metálico seleccionado del grupo consistente de disiliciuro de molibdeno, disiliciuro de tungsteno, carburo de tungsteno, nitruro de titanio, y mezclas de los mismos. En aplicaciones que involucran el encendedor MIM descrito en Willkens '565, la zona caliente comprende preferiblemente de aproximadamente 50 a 75 v/o de nitruro de aluminio, y aproximadamente 8.5- 14 v/o de MoSi2, y 10-45 v/o de SiC, y tiene una sección transversal de entre 0.009 y 0.058 cm2 y una longitud de trayectoria eléctrica de no más de 0.5 cm. Más preferiblemente, comprende aproximadamente de 60 a 70 v/o de nitruro de aluminio, y aproximadamente 10-12 v/o de MoSi2) y 20-25 v/o de SiC, y tiene una sección transversal de entre 0.019 y 0.036 cm2, y una longitud de trayectoria eléctrica de entre 0.127 y 0.508 cm. Más preferiblemente, comprende aproximadamente 64 v/o de AIN, 11 v/o de M0S.2, y 25 v/o de SyC, y tiene una sección transversal de entre 0.029 y 0.033 cm2, y una longitud de trayectoria eléctrica de entre 0.19 cm y 0.32 cm.

Preferiblemente, los tamaños de partícula de los polvos de partida y los granos en la zona caliente densificada son similares a los descritos en la patente de Washburn. En algunas modalidades, el tamaño de grano promedio (d50) de los componentes de la zona caliente en el cuerpo densificado es como sigue: a) material eléctricamente aislante (es decir, AIN): entre 2 y 10 mieras; b) material semiconductivo (es decir, SiC): entre 1 y 10 mieras; c) y conductor metálico (es decir, M0SÍ2): entre 1 y 10 mieras. Los extremos conductivos 9 y 13 proveen medios para conexión eléctrica a terminales de cable. Preferiblemente, también comprenden AIN, SiC y M0SÍ2, pero tienen un porcentaje significativamente más alto de los materiales conductivos y semiconductivos (es decir SiC y MoSi2) que las composiciones de zona caliente preferidas. De acuerdo con esto, tienen típicamente mucho menos resistividad que la zona caliente y no se calientan hasta las temperaturas experimentadas por la zona caliente. La zona de cerámica conductiva comprende preferiblemente: a) entre 15 % en volumen y 60 % en volumen de nitruro de aluminio, b) entre 20 % en volumen y 65 % en volumen de un material semiconductivo seleccionado del grupo consistente de carburo de silicio y carburo de boro, y mezclas de los mismos, y c) entre 15 % en volumen y 50 % en volumen de un conductor metálico seleccionado del grupo consistente de disiliciuro de molibdeno, disiliciuro de tungsteno, carburo de tungsteno, nitruro de titanio, y mezclas de los mismos. Más preferiblemente, la zona de cerámica conductiva comprende 20 % en volumen de nitruro de aluminio, aproximadamente 60 % en volumen de carburo de silicio, y aproximadamente 20 % en volumen de disiliciuro de molibdeno. En modalidades preferidas, las dimensiones de los extremos conductivos 9 y 13 son 0.05 cm (ancho) x 4.2 cm (profundidad) x 0.1 cm (grosor). En otras modalidades, el metal conductivo se puede depositar sobre el material de sumidero de calor y la zona caliente para formar las patas conductivas. En algunas modalidades, la zona de cerámica conductiva y la zona caliente definen un pasador que tiene un par de patas, y la zona de soporte está dispuesta entre las patas para definir una longitud de contacto, en el cual la zona de soporte contacta (i) la zona conductiva sustancialmente a lo largo de las patas y (ii) la zona de calor sustancialmente en el ápice. Preferiblemente, el contacto entre el soporte y la zona fría comprende al menos 80% de la longitud de contacto. La longitud de trayectoria eléctrica de la zona caliente, que se muestra como EPL en la figura 1 , es de menos de 0.5 cm. El material de inserto 19 está provisto como un inserto para contactar la zona caliente y llenar sustancialmente el espacio restante entre las patas conductivas que se extienden desde la zona caliente 11. Cuando las terminales en par 50 y 51 están adheridas a cada uno de los extremos conductivos 9 y 13 y se aplica un voltaje a los mismos, la corriente viaja desde la primera terminal 50 a la primera pata conductiva 9, a través de la zona caliente 11 (provocando por lo tanto que la temperatura de la zona caliente se eleve), y entonces a través de la segunda pata conductiva 13 en donde sale a través de la segunda terminal 51. En modalidades preferidas, las dimensiones de los insertos son 4.0 cm (profundidad) x 0.25 cm (ancho) x 0.1 cm (grosor). El procesamiento del componente de cerámica (es decir, el procesamiento del cuerpo crudo y las condiciones de sinterización) y la preparación del encendedor a partir de la cerámica densificada se pueden hacer mediante cualquier método convencional. Típicamente, dichos métodos son llevados a cabo de acuerdo sustancialmente con la patente de Washburn. En modalidades preferidas, los laminados crudos se densifican mediante prensa isostática caliente en un medio vitreo como se describe en la patente de E.U.A. No. 5,191 ,508 ("la patente Axelson"). La densificación produce un cuerpo de cerámica cuya zona caliente tiene una densidad de al menos 95%, preferiblemente al menos 99% de densidad teórica. Los encendedores de la presente invención se pueden utilizar en muchas aplicaciones, incluyendo aplicaciones de encendido de combustible de fase de gas tales como hornos y aparatos para cocinar, calentadores de base, calentadores de agua y partes superiores de estufa. En general, se provee un método para utilizar un encendedor de superficie caliente de cerámica, que comprende los pasos de: a) proveer el encendedor de la presente invención, y b) impartir un voltaje entre los extremos de cerámica conductivos del encendedor, provocando por lo tanto el calentamiento resistivo de la zona caliente y formando una capa protectora de mulita sobre la superficie de la zona de soporte.

EJEMPLO 1 Este ejemplo examina la capacidad de adecuación de varias composiciones para utilizarse como insertos de zonas de soporte. Las composiciones de cerámica que se muestran enseguida en el cuadro 1 se crearon mezclando los polvos seleccionados en las proporciones adecuadas y compactando la mezcla en muestras de prueba crudas. Esas muestras se densificaron entonces a al menos aproximadamente 99% de densidad teórica mediante prensa isostática caliente de vidrio encapsulado y finalmente se sometieron a chorro de arena. Hubo cuatro criterios para juzgar la capacidad de adecuación. El primero, resistividad eléctrica, se midió a 25°C. Un inserto que tiene una resistividad eléctrica alta es deseable para asegurar que la corriente eléctrica que pasa a través del pasador no desvía la ruta diseñada a través de las zonas conductivas y resistivas. Si un material fue tan resistivo que su resistividad fue de al menos 2 mega-ohm a 25°C, entonces se juzgó como "mejor". Si el material tuvo una resistividad más baja de no más de 0.5 mega- ohm a 25°C, este se juzgó como "deficiente" debido a que su uso probablemente incrementaría la oportunidad de corto circuito. El segundo criterio, resistencia a oxidación, se midió mediante prueba de oxidación estática durante 18 horas a 1425°C. Un inserto que tiene una película de óxido de no más de 30 µm se juzgó que es el "mejor", mientras que un inserto que tiene una película de óxido de al menos 80 um se juzgó que es deficiente. El tercer criterio, coeficiente de expansión térmica, se estimó para cada material mediante una regla de cálculo de mezclas. Un material que tiene un CTE de entre 5.3 x 10"6/°C y 5.5 x 10"6/°C se juzgó que es bueno debido a que probablemente no se agrietaría con el enfriamiento a partir de la densificación cuando se acopla contra una zona conductiva "Washburn" típica (la cual tiene un CTE de aproximadamente 5.4 x 10"6/°C). El cuarto criterio, igualación de color, se evaluó mediante inspección visual, en comparación a la zona resistiva Washburn típica. En algunas aplicaciones, puede ser deseable igualar el color del inserto con el de la zona resistiva, mientras que en otras puede ser deseable proveer un color contrastante de manera distintiva. El análisis del siguiente cuadro indica un número de escalas preferidas. Primero, el cuadro demuestra claramente que una adición de alúmina significante es necesaria con el fin de proveer el acoplamiento de CTE correcto con la zona conductiva tipo Washburn. Compárense los ejemplos 1-5 versus 6-10. De acuerdo con esto, se prefiere que la zona de soporte comprenda entre 2 y 20% en volumen de alúmina, más preferiblemente entre 8 y 15% en volumen de alúmina.

CUADRO 1 Segunda, el cuadro muestra que una adición de disiliciuro de molibdeno es buena no solamente para color, sino también para lograr la mejor resistencia a la oxidación. Compárense los ejemplos 9-10 versus 1-8. Sin embargo, también es claro que las adiciones de más de 4% en volumen pueden incrementar de manera indeseable la característica aislante eléctrica del inserto. Por lo tanto, en algunas modalidades, se prefiere que el inserto tenga entre 1 y 4% en volumen de disiliciuro de molibdeno. Con relación a SiC, el cuadro demuestra una intercambio entre resistividad eléctrica y resistencia a la oxidación. La resistencia a la oxidación del inserto es generalmente buena cuando hay al menos 20-30% en volumen de SiC (lo que sugiere la habilidad de SiC para formar mulita) pero la resistividad eléctrica es generalmente buena cuando se utiliza menos de 40% SiC. Por lo tanto, en la mayoría de las modalidades, una fracción de SiC de entre 20-35% en volumen es deseable, preferiblemente entre 25% en volumen y 35% en volumen, especialmente si el inserto consiste esencialmente de esos tres componentes. El cuadro también muestra que proveer una pequeña cantidad de disiliciuro de molibdeno tiene un efecto dramático y benéfico sobre la resistencia a la oxidación del inserto, permitiendo por lo tanto que el nivel de SiC se disminuya a niveles más bajos y provea el color distintivo deseable al inserto. Por lo tanto, en sistemas que contienen AIN-SiC-MoSi en los cuales el nivel de SiC no es de más de 25% (preferiblemente entre 10 y 25% en volumen), la fracción de MoS?'2 es preferiblemente de entre 1 y 3% en volumen.

EJEMPLO II Este ejemplo demuestra la resistencia a la oxidación superior del encendedor de la presente invención. Un laminado crudo se construyó sustancialmente de acuerdo con el diseño que se muestra en la figura 5 de Willkens '565. Un polvo compuesto que comprende una mezcla de polvo de zona caliente de 70.8 v/o AIN, 20 v/o SiC, y 9.2 v/o MoS¡ tendido junto a una mezcla de polvo de sumidero de calor aislante eléctricamente de 60 v/o AIN, 30 v/o SiC, y 10 v/o AI2O3 se prensó en caliente para forma una muestra que después se rebanó para formar una teja cruda 24 de esa figura 5. La porción de zona caliente del cuerpo crudo prensado en caliente tuvo una densidad de aproximadamente 65% de la densidad teórica, mientras que la porción de AIN tuvo una densidad de aproximadamente 65% de la densidad teórica. Las tejas crudas que representan los extremos conductivos se hicieron mediante presión en caliente de mezclas de polvo que contienen 20 v/o de AIN, 60 v/o de SiC, y 20 v/o de MoSi2 para formar una muestra que tiene una densidad de aproximadamente 63% de densidad teórica, a partir de la cual se cortaron las tejas 21 y 32 de la figura 5. Las tejas crudas se laminaron como en la figura 5, y después se densificaron mediante presión isostática en caliente de vidrio encapsulado a aproximadamente 1800°C durante 1 hora para formar un bloque de cerámica que tiene una segunda sección resistiva formada in situ. El bloque se cortó entonces a través de su ancho para producir una pluralidad de elementos de superficie caliente que miden 3.81 cm x 0.381 cm x 0.076 cm. La zona caliente resultante comprende una primera sección resistiva que tiene una profundidad de 0.125 cm, y una segunda sección resistiva formada in situ que tiene una profundidad de 0.05 cm. La longitud de la zona caliente (EPL) y el grosor fueron de 0.25 cm y 0.076 cm, respectivamente. Las terminales adecuadas se adhirieron a las porciones conductivas del elemento de superficie caliente y se aplicó un voltaje de 30 V.

La zona caliente logró una temperatura de 1300°C en menos de dos segundos. Para probar la resistencia a la oxidación de la nueva zona de soporte, el encendedor se sometió a 20,000 ciclos de energía de 18 V en los cuales cada ciclo consistió de una fase de 30 segundos de "encendido" y una fase de 30 segundos de "apagado". Después de esta prueba, la superficie de la zona de soporte se analizó para oxidación midiendo el grosor del óxido. Se encontró que el grosor del óxido fue de 50 µm. Esta cantidad es 7-10 veces más delgada que los grosores de óxido medidos sobre la zona de soporte descrita en Willkens '565.

EJEMPLO COMPARATIVO I Se preparó una zona de soporte que comprende 9 % en volumen de nitruro de silicio, 10 % en volumen alúmina y 81 % en volumen de nitruro de aluminio. Sin embargo, la teja de encendedor que contiene esta zona y una zona conductiva adyacente se partieron durante la densificación. Se cree que esta partición de teja es debido a desacoplamiento de CTE entre la zona de soporte y la zona conductiva adyacente. Debido a que el nitruro de silicio tuvo un CTE muy bajo (3.4 x 10-6/°C), se concluyó que su uso en la zona de soporte disminuye el CTE total de la zona de soporte a un nivel indeseable.

EJEMPLO COMPARATIVO II Se preparó una zona de soporte que comprende aproximadamente 96 % en volumen AIN y 4 % en volumen alúmina. Sin embargo, se descubrió que esta zona tuvo resistencia a la oxidación inaceptable.

Claims (28)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un encendedor de cerámica que comprende: (a) un par de extremos de cerámica conductivos, y (b) una zona caliente de cerámica dispuesta entre los extremos de cerámica conductivos, y (c) una zona de soporte sobre la cual está dispuesta la zona caliente, en el cual la zona de soporte comprende: (i) entre 50 % en volumen y 80 % en volumen de nitruro de aluminio, y (ii) entre 2 % en volumen y 40 % en volumen de carburo de silicio.

2.- El encendedor de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el carburo de silicio comprende entre 10 % en volumen y 40 % en volumen de la zona de soporte.

3.- El encendedor de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque el carburo de silicio comprende entre 20 % en volumen y 40 % en volumen de la zona de soporte.

4.- El encendedor de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque el carburo de silicio comprende 20-35 % en volumen de la zona de soporte.

5.- El encendedor de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque la zona de soporte comprende además entre 2 % en volumen y 20 % en volumen de una cerámica de alto CTE que tiene un coeficiente de expansión térmica de al menos 6x10"6/°C.

6.- El encendedor de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque la cerámica de alto CTE es alúmina.

7.- El encendedor de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque la alúmina comprende 5-15 % en volumen de la zona de soporte.

8.- El encendedor de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque la alúmina comprende 8-15 % en volumen de la zona de soporte.

9.- El encendedor de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque la zona de cerámica conductiva y la zona caliente definen un pasador que tiene un par de patas, y la zona de soporte está dispuesta entre las patas para definir una longitud de contacto, en la cual la zona de soporte contacta (i) la zona conductiva sustancialmente a lo largo de las patas y (ii) la zona caliente sustancialmente en el ápice.

10.- El encendedor de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque el contacto entre el soporte y la zona fría comprende al menos 80% de la longitud de contacto.

11.- El encendedor de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque la zona de cerámica conductiva comprende: (a) entre 15 % en volumen y 60 % en volumen de nitruro de aluminio, (b) entre 20 % en volumen y 65 % en volumen de un material semiconductivo seleccionado del grupo consistente de carburo de silicio y carburo de boro, y mezclas de los mismos, y (c) entre 15 % en volumen y 50 % en volumen de un conductor metálico seleccionado del grupo consistente de disiliciuro de molibdeno, disiliciuro de tungsteno, carburo de tungsteno, nitruro de titanio, y mezclas de los mismos.

12.- El encendedor de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizado además porque la zona caliente comprende: (a) entre 50 y 75 % en volumen de nitruro de aluminio; (b) entre 10 y 45 % en volumen de un material semiconductivo seleccionado del grupo consistente de carburo de silicio y carburo de boro, y mezclas de los mismos, y (c) entre 8.5 y 14 % en volumen de un conductor metálico seleccionado del grupo consistente de disiliciuro de molibdeno, disiliciuro de tungsteno, carburo de tungsteno, nitruro de titanio, y mezclas de los mismos.

13.- El encendedor de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque la zona de soporte comprende además entre 1 y 4 % en volumen de disiliciuro de molibdeno.

14.- El encendedor de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la zona caliente comprende: (a) entre 50 y 75 % en volumen de nitruro de aluminio, (b) entre 10 y 45 % en volumen de un material semiconductivo seleccionado del grupo consistente de carburo de silicio y carburo de boro, y mezclas de los mismos, y (c) entre 8.5 y 14 % en volumen de un conductor metálico seleccionado del grupo consistente de disiliciuro de molibdeno, disiliciuro de tungsteno, carburo de tungsteno, nitruro de titanio, y mezclas de los mismos.

15.- El encendedor de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque la zona caliente comprende: a) entre 50 y 75 % en volumen de nitruro de aluminio, b) entre 10 y 45 % en volumen de carburo de silicio, y c) entre 8.5 y 14 % en volumen de disiliciuro de molibdeno.

16.- El encendedor de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado además porque la zona de soporte comprende entre 10 % en volumen y 40 % en volumen de SiC.

17.- El encendedor de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado además porque la zona de soporte comprende además entre 2 % en volumen y 20 % en volumen de una cerámica de alto CTE que tiene un coeficiente de expansión térmica de al menos 6 x 10"6 /°C.

18.- El encendedor de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado además porque la cerámica de alto CTE es alúmina.

19.- El encendedor de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado además porque la alúmina comprende entre 8 y 15 % en volumen de la zona de soporte.

20.- El encendedor de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque la zona de soporte comprende adicionalmente: c) entre 1 % en volumen y 4 % en volumen de un conductor metálico seleccionado del grupo consistente de disiliciuro de molibdeno y disiliciuro de tungsteno, y mezclas de ios mismos.

21.- El encendedor de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado además porque el conductor metálico de la zona de soporte es disiliciuro de molibdeno en la cantidad de entre 1 % en volumen y 4 % en volumen de la zona de soporte.

22.- El encendedor de conformidad con la reivindicación 21 , caracterizado además porque la cerámica que contiene silicio comprende carburo de silicio, y el carburo de silicio está presente en una cantidad de entre 10 y 2 % en volumen de la zona de soporte.

23.- El encendedor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque la zona de cerámica conductiva comprende: a) entre 15 % en volumen y 60 % en volumen de nitruro de aluminio, b) entre 20 % en volumen y 65 % en volumen de un material semi conductivo seleccionado de grupo consistente de carburo de silicio y carburo de boro y mezclas de los mismos, y c) entre 15 % en volumen y 50 % en volumen de un conductor metálico seleccionado del grupo consistente de disiliciuro de molibdeno, disiliciuro de tungsteno, carburo de tungsteno, nitruro de titanio, y mezcla de los mismos.

24.- El encendedor de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado además porque la zona de cerámica conductiva comprende: a) 20 % en volumen de nitruro de aluminio, b) 60 % en volumen de carburo de silicio, y c) 20 % en volumen de disiliciuro de molibdeno.

25.- Un método para utilizar un encendedor de superficie caliente de cerámica que comprende los pasos de: a) proveer un encendedor de cerámica que comprende: (i) un par de extremos de cerámica conductiva, y (ii) una zona caliente de cerámica dispuesta entre los extremos de cerámica conductiva, y (iii) una zona de soporte sobre la cual está dispuesta la zona caliente, en la cual la zona de soporte comprende entre 50 % en volumen y 80 % en volumen de nitruro de aluminio y entre 2 % en volumen y 40 % en volumen de carburo de silicio, y b) impartir un voltaje entre los extremos de cerámica conductiva del encendedor, provocando por lo tanto el calentamiento resistivo de la zona caliente y formando una capa protectiva de mulita sobre la superficie de la zona de soporte.

26.- Una cerámica policristalina densificada que comprende: a) entre 50 y 80 % en volumen de nitruro de aluminio, b) entre 25 y 35 % en volumen de SiC, y c) entre 8 y 15 % en volumen de alúmina.

27.- La cerámica de conformidad con la reivindicación 26, que consiste esencialmente de: a) entre 50 y 80 % en volumen de nitruro de aluminio, b) entre 25 y 35 % en volumen de SiC, y c) 8 y 15 % en volumen de alúmina.

28.- Una cerámica policristalina densificada que comprende: a) entre 50 y 80 % en volumen de nitruro de aluminio, b) entre 10 y 25 % en volumen de SiC, c) entre 8 y 15 % en volumen y d) entre 1 y 4 % en volumen de disiliciuro de molibdeno.