[发明专利]具有与金属材料预定的热膨胀系数匹配的组合物的陶瓷材料

说明书

本发明涉及一种具有由与其紧密(stoffschlüssig)连接的金属材料预定的热膨 胀系数匹配以使热膨胀系数相一致的组合物的非导电性陶瓷材料，和其制备方 法。

使用非导电性陶瓷材料，是由于其抗电电阻高，其可大于15kV/mm，用来 分隔电势。当使用上要求分隔电势时，陶瓷材料必须与金属形成紧密连接，例 如通过粘合或焊接，因为当受热时，由于金属和陶瓷的热膨胀系数不同而会产 生应力。例如，氧化铝的热膨胀系数是7·10^-6/K，而氧化锆的热膨胀系数是 10·10^-6/K。钢的热膨胀系数，取决于其合金构成，是在9和14·10^-6/K之间，例 如常规的碳钢的热膨胀系数是13·10^-6/K，液态钢的热膨胀系数是12·10^-6/K。陶 瓷和金属的连接通常可以通过粘合或焊接方式来实现，例如采用玻璃焊接。但 粘合或焊接无法补偿受热时金属和陶瓷间出现的应力。因为金属膨胀通常大于 陶瓷，所以陶瓷会破裂或者甚至脱落。如果金属上的陶瓷层是由于破裂或剥落 而受损，那么就会由于电势平衡超过陶瓷中的缺陷而短路。

理论上，可以通过适当的合金组合物来使金属的热膨胀系数与要固定在该 金属上的陶瓷材料的热膨胀系数相互匹配。但用途和由此决定的功能或化学要 求通常不允许改变金属的材料组成，如高温燃料电池就是这样。陶瓷材料在其 抗电电阻、其密度、多孔性和耐化学和机械作用方面的特性都同样必须得以保 持。

专利DE 195 38 034C1公开了一种高温燃料电池，含有至少一层电绝缘层， 其通过火焰喷射而涂布在钢上。给出了电绝缘特性良好，但金属上的粘合性差 的陶瓷材料，以及在金属上的粘合性好，但电绝缘特性不能满足要求的其它材 料。由于该原因，如该专利所述，首先喷施一层具有良好粘合性的氧化锆层， 然后喷一层具有良好电绝缘特性的高纯度氧化铝层。不过，在氧化锆和金属之 间还需要一层增粘剂层。为了改善上述特性，以交替顺序多次喷施所述层，且 将孔用另外的涂层来封闭。这种制备方法价格昂贵。

因此，本发明的目的是发现一种陶瓷材料，其热膨胀系数和与其紧密连接 的金属材料的热膨胀系数匹配。

该目的可以利用权利要求1所要求保护的陶瓷材料，和利用权利要求15的 制备这种材料的方法来达到。本发明有利的实施方案在从属权利要求中要求保 护。

本发明陶瓷材料的基底材料的一个实例是氧化镁(MgO)。纯氧化镁的热膨胀 系数是在20-800℃范围内为14·10^-6/K。通过有目的的添加氧化锆(ZrO₂)或氧化铝 (Al₂O₃)或其混合物，或者通过添加MgAl₂O₄，可以分别组合成其热膨胀系数与 金属材料如钢的热膨胀系数相匹配的材料。当在预定温度范围内热负载时，本 发明材料的特性，如热传导性，热膨胀系数，弯曲强度或密度基本不可改变， 如由于突然形成新相。尤其是不可出现渗漏性，即连续的孔。

由于材料决定的杂质，尤其是CaO或SiO₂，或通过有目的地添加它们至最 多3重量％，会使新材料的烧结温度相对于纯MgO的降低至1400℃-1550℃。

通过每种杂质或有目的地添加氧化材料至纯MgO，也会使MgO的热膨胀 系数每掺杂1重量％降低最多0.25·10^-6/K。