陶瓷层复合件及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种陶瓷层复合件（１），其包括由非氧化物陶瓷制成的陶瓷基底（３）。在该陶瓷层复合件（１）的表面上含具有高比表面积的陶瓷层（７）。本发明专利技术还涉及制备陶瓷层复合件（１）的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】现有技术本专利技术涉及根据权利要求1前序部分的陶瓷层复合件。本专利技术还涉及制备陶瓷层复合件的方法。与氧化物陶瓷相比，非氧化物陶瓷的特征在于较高比例的共价健。其由于强键能而可以具有高的化学和热稳定性，提供高弹性模量和赋予高强度和硬度。但同时其有较低的延展性和相当高的脆性。特别是氮化硅陶瓷用于具有非常高的动态要求和可靠性要求的机械构件中。此外其也适合用作高温材料。氮化硅陶瓷的应用领域的例子是内燃机中的加热器塞(Glühstiftkerzen)；加热元件；用切削材料(镶入式截坯刀)进行金属加工中的产品；具有球、辊和环的滚柱轴承技术和在发动机制造和涡轮机制造中的高负荷机械部件。但在高腐蚀性介质中应用非氧化物陶瓷会出现问题。由于其脆性和敞口的孔隙度，其易发生高温氧化。通过腐蚀例如可发生材料变性、强度损失、裂纹和断裂，并由此导致构件和部件的较快磨损。为提高这种陶瓷部件的运行可靠性和改进其耐用性和寿命，必需有效地防止其受腐蚀。防腐蚀的适用措施是用其它的陶瓷层涂覆该非氧化物陶瓷。但特别是可使陶瓷相互结合的粘合化合物仅能承受有限的热负荷，因此完全不适于高温应用。为在高温应用中也达到足够的防腐蚀性，因此已知在非氧化物陶瓷上涂覆陶瓷层，该所涂的陶瓷层化学结合在非氧化物陶瓷上。该陶瓷层的涂覆是通过大气等离子溅射方法实现的。但特别是在用于加热器塞时，在将燃料喷入内燃机的燃烧腔中时由于入射的燃料束会使其经受热冲击和侵蚀。在最不利的情况下，该热冲击会导致裂纹形成或陶瓷破裂。该侵蚀通过腐蚀和腐蚀产物的剥蚀发生，这又导致进一步腐蚀。
技术实现思路
本专利技术的优点按本专利技术制成的陶瓷层复合件包括由非氧化物陶瓷制成的陶瓷基底，在该基底上涂覆陶瓷层。该陶瓷层具有大的比表面积。本专利技术中，大的比表面积意指10-350m2/g的比表面积。在内燃机中，特别是在自点火式内燃机中用陶瓷层复合件作为加热器塞时，该具有高比表面积的陶瓷层起蒸发层的作用。入射到该陶瓷层复合件上的液体在蒸发层上蒸发，并优选形成蒸气状层。在向内燃机中喷入燃料时该蒸气状层阻止冷燃料束的入射，并阻止与此有关的热冲击。该蒸气状层在此起到绝热层的作用。通过大比表面积提供了入射燃料束可在其上蒸发的大的表面，这导致较快的蒸发，由此导致与较小比表面积的加热器塞相比，该加热器塞的冷却较弱。可用于陶瓷基底的适用的非氧化物陶瓷例如是氮化硅、碳化硅和氮化铝。本专利技术中术语非氧化物陶瓷也意指可掺杂或混有一种或多种添加物的非氧化物-->陶瓷。该添加物例如可选自Al2O3、MgO、Yb2O3、Y2O3和其它稀土氧化物，其在制备时例如作为烧结添加物使用。用这类添加物可影响和改进陶瓷材料的特性。这类材料体系对高温应用也是特别适用的。作为非氧化物陶瓷，特别优选是氮化硅，因为其具有能适合最极端使用条件的多种优异材料特性的组合。氮化硅特别适合在高温下应用，如用于加热器塞。在加热器塞中该陶瓷基底通常经加热到达最高1400℃的温度。此外，氮化硅还具有温度交变稳定性，如特别是在加热器塞情况下由于入射冷燃料束所发生的温度交变。但因为氮化硅在有侵蚀介质存在下易受腐蚀，所以需保护氮化硅免受腐蚀。这可通过涂覆具有低孔隙度的陶瓷层实现，该层起防蚀层作用。该陶瓷层置于陶瓷基底和具有大比表面积的陶瓷层之间。本专利技术中的小孔隙度意指孔体积小于10％。作为防蚀层的具有低孔隙度的陶瓷层优选是化学结合的陶瓷层，其由Al2O3、AlN、稀土硅酸盐如Yb2O3*SiO2或Y2O3*SiO2、稀土氧化物、Si3N4、富铝红柱石、堇青石或铝硅酸盐构成。本专利技术中的术语化学结合意指在层之间形成离子键和/或共价键。此外，该层也可机械结合在基底上。与纯的机械结合和物理相互作用相比，该具有低孔隙度的陶瓷层的附加化学结合的优点是，在基底和具有低孔隙度的陶瓷层之间的结合的断裂需明显更高的能量，并可明显延迟陶瓷结构中的裂纹发展。该结合可优选如此形成，即在从基底表面向具有低孔隙度的陶瓷层过渡中实现热膨胀和弹性常数的连续适配。有利的是通过本专利技术产生在材料特性中的连续过渡可阻止防蚀层的剥离。这可明显改进基底的耐磨损性和延长耐用性。另外，具有低孔隙度的陶瓷层的陶瓷材料还优选如此选择，即该材料特性尽可能类似于陶瓷基底的材料特性。特别是该基底材料的热膨胀系数与该具有低孔隙度的陶瓷层的膨胀系数优选是在彼此很接近的范围内。通过这一选择可防止层间出现大的应力，特别是在经常的和极端的热交变负荷的情况下。以此方法可制备具有高强度和优异的热交变稳定性的梯度陶瓷复合件体系。具有低孔隙度的陶瓷层的厚度宜为2μm-1mm，特别优选2μm-100μm。在本专利技术的一个实施方案中，基底表面和具有低孔隙度的陶瓷层之间含至少另一层陶瓷层。该含于基底表面和具有低孔隙度的陶瓷层之间的另一层陶瓷层也优选与各自下面的陶瓷层化学结合。同时也可机械结合在其下面的层上。该至少一层置于基底表面和具有低孔隙度的陶瓷层之间的陶瓷层可由相同于具有低孔隙度的陶瓷层的陶瓷材料或另一种陶瓷材料构成。在一个优选实施方案中，所述另一层陶瓷层可在陶瓷基底和具有低孔隙度的陶瓷层之间起粘附促进层的作用。通过所述另一层陶瓷层可进一步明显提高基底的耐蚀性。该至少另一层陶瓷层的厚度可为2μm-1mm，特别优选20μm-100μm。在一个实施方案中，该具有高比表面积的陶瓷层可比第一陶瓷层厚。该至少另一层陶瓷层也优选起防蚀层的作用。从基底到具有高比表面积的陶瓷层的层序宜如此选择，即在层过渡时在材料特性特别是热膨胀系数中总产生最佳梯度。通过在材料特性中的连续过渡可防止或至少减少陶瓷层之间的应力和各陶瓷层的剥离。由此该陶瓷层复合件具有优异的耐蚀性和耐磨性。-->材料特性中的连续过渡例如可如此实现，即该具有低孔隙度的陶瓷层和具有高比表面积的陶瓷层由同一陶瓷制成。在此情况下优选的是在涂覆该陶瓷时工艺性质如此变化，即使得该层首先具有小孔隙度，然后改变参数，使比表面积渐渐增大。为此，等离子体溅射工艺特别适用。在一个优选实施方案中，该具有高比表面积的陶瓷层用与具有低孔隙度的陶瓷层相同的陶瓷制成。对于具有低孔隙度的陶瓷层和具有高比表面积的陶瓷层应用相同陶瓷的优点在于，它们具有相同的材料特性，特别是具有相同的热膨胀系数。适于具有高比表面积的陶瓷层的陶瓷例如是富铝红柱石、稀土硅酸盐如Y2O3*SiO2或Yb2O3*SiO2、堇青石、铝硅酸盐、氮化铝或它们的混合物。具有高比表面积的陶瓷层的优选材料是富铝红柱石或稀土硅酸盐。为产生大比表面积，优选陶瓷层是多孔的。优选这样调节层的孔隙度，即使得陶瓷层复合件用在加热器塞中时能使该入射燃料的成分达最佳蒸发。孔隙度的调节通常是通过在待涂的表面上有目的地沉积陶瓷或通过加入例如聚合物颗粒(在陶瓷涂覆后烧去该颗粒)而进行的。或者，也可能的是该具有高比表面积的陶瓷层在其表面上含有凹穴或呈微结构状涂覆。通过表面上的凹穴或所涂覆的微结构也可增大比表面积。该凹穴或微结构例如通过激光处理产生。此外，本专利技术还涉及一种用于制备陶瓷层复合件的方法。其中该具有高比表面积的陶瓷层通过等离子体溅射法、悬浮等离子体法、CVD(化学气相沉积)法或PVD(物理气相沉积)法或通过涂覆溶胶-凝胶悬浮物和接着进行热处理而涂覆。该等离子体溅射法、悬浮等离子体法、CVD法或PVD法本文档来自技高网...

【技术保护点】
陶瓷层复合件，其包括由非氧化物陶瓷制成的陶瓷基底（３），在该基底上涂有陶瓷层（７），其特征在于，该陶瓷层（７）具有高的比表面积。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】DE 2007-10-5 102007047590.11.陶瓷层复合件，其包括由非氧化物陶瓷制成的陶瓷基底(3)，在该基底上涂有陶瓷层(7)，其特征在于，该陶瓷层(7)具有高的比表面积。2.权利要求1的陶瓷层复合件，其特征在于，在陶瓷基底(3)和具有高比表面积的陶瓷层(7)之间涂有另一层具有低孔隙度的陶瓷层(5)。3.权利要求2的陶瓷层复合件，其特征在于，在陶瓷基底(3)和具有低孔隙度的陶瓷层(5)之间含至少另一层陶瓷层。4.权利要求2或3的陶瓷层复合件，其特征在于，所述具有低孔隙度的陶瓷层(5)和具有高比表面积的陶瓷层(7)由相同的陶瓷制成。5.权利要求1-4之一的陶瓷层复合件，其特征在于，所述具有高比表面积的陶瓷层(7)含富铝红柱石、稀土硅酸盐、堇青石、铝硅酸盐、氮化铝、氧化铝或它们的混合物，优选含富铝红柱石或稀土硅酸盐。6.权利要求1-5之一的陶瓷层复合件，其特征在于，所述具有高比表面积的陶瓷层(7)是多孔的。7.权利要求1-5之一的陶瓷层复合件，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：S利默斯多夫，
申请(专利权)人：罗伯特博世有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]