[發(fā)明專(zhuān)利]用作火花塞絕緣件且具有改進(jìn)的高溫電性能的陶瓷

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200780051491.0
• 申請(qǐng)日: 2007-11-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101616878A
• 公開(kāi)（公告）日: 2009-12-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 威廉·約翰·沃克;約翰·威廉·霍夫曼
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 費(fèi)德羅-莫格爾公司
• 主分類(lèi)號(hào): C04B35/10
• 分類(lèi)號(hào): C04B35/10;H01T13/20
• 代理公司: 上海智信專(zhuān)利代理有限公司
• 代理人: 鄧 琪

相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2004年11月9日的第10/984,135號(hào)美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)的部分繼續(xù)申請(qǐng)，所述美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)要求申請(qǐng)日為2003年11月12日的第60/519,395號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，這些申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用結(jié)合在本文中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及陶瓷材料。特別是，涉及用于火花塞絕緣件中的陶瓷材料。

背景技術(shù)

火花塞、電熱塞以及用于內(nèi)燃機(jī)的其他類(lèi)似裝置要承受約1000℃的高溫環(huán)境。一般地，火花塞是延伸進(jìn)內(nèi)燃機(jī)的燃燒室并產(chǎn)生火花以點(diǎn)燃其中的空氣燃料易燃混合物的裝置。具體地，火花塞典型地包括圓柱狀金屬殼體，該金屬殼體具有可旋入內(nèi)燃機(jī)一部分的外螺紋以及連接至火花塞點(diǎn)火端的鉤狀接地電極。圓柱狀絕緣件部分設(shè)于金屬殼體中，并朝向點(diǎn)火端以及末端軸向延伸出該金屬殼體。導(dǎo)電端子設(shè)于圓柱狀絕緣件中，位于與點(diǎn)火端相對(duì)的火花塞末端。在該點(diǎn)火端，圓柱狀中心電極設(shè)于絕緣件內(nèi)，朝向接地電極軸向突伸出該絕緣件，從而在電極之間形成火花塞間隙。

運(yùn)行過(guò)程中，高達(dá)約40,000伏特的點(diǎn)火電壓脈沖通過(guò)火花塞作用于中心電極，從而產(chǎn)生跳過(guò)中心電極和接地電極之間的間隙的火花。該火花點(diǎn)燃燃燒室中的空氣與燃料混合物，以產(chǎn)生高溫燃燒從而啟動(dòng)內(nèi)燃機(jī)。不幸地是，燃燒室中的高壓高溫環(huán)境會(huì)令火花塞元件退化。火花塞開(kāi)始退化時(shí)，點(diǎn)火脈沖的強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生變化，導(dǎo)致火花品質(zhì)下降。穿過(guò)絕緣件的絕緣擊穿會(huì)令火花塞退化，該絕緣件建立一個(gè)非傳統(tǒng)的電路徑，使得火花不能很可靠地跳過(guò)中心電極與接地電極之間的間隙。火花品質(zhì)影響空氣與燃料混合物的點(diǎn)火(也就是，燃燒效率，燃燒溫度，燃燒產(chǎn)品)，因此，功率輸出、內(nèi)燃機(jī)的燃料效率性能以及空氣和燃料燃燒所產(chǎn)生的排放物會(huì)受到不利影響。由于越來(lái)越重視規(guī)定機(jī)動(dòng)車(chē)排放、燃料價(jià)格上漲以及新的性能要求上的，故需要保持高品質(zhì)火花，以保證穩(wěn)定的發(fā)動(dòng)機(jī)性能以及排放質(zhì)量。火花塞的使用壽命，包括火花品質(zhì)，由幾個(gè)因素決定，其中包括陶瓷絕緣件材料的組成。

用于絕緣件的陶瓷絕緣件材料是介電材料。材料的介電強(qiáng)度通常定義為可作用于該材料而不會(huì)導(dǎo)致其擊穿或電擊穿的最大電場(chǎng)。通常火花塞的介電強(qiáng)度以千伏/密耳(kV/mil)為單位進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于一給定的火花塞設(shè)計(jì)，絕緣件尺寸是固定的，因此，介電強(qiáng)度常表達(dá)為以kV而不是kV/mil為單位的擊穿電壓。許多應(yīng)用領(lǐng)域中所采用的標(biāo)準(zhǔn)火花塞的火花塞介電強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值類(lèi)似為室溫下約40kV。火花塞中所采用的絕緣件的介電強(qiáng)度同樣是由溫度來(lái)決定的。高溫會(huì)導(dǎo)致某些離子遷移率增加，令電流更容易經(jīng)陶瓷泄漏。電流的任何泄漏都將導(dǎo)致局部生熱，從而逐漸降低材料的抗介電擊穿性能。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于在外加電場(chǎng)作用下循環(huán)施加于火花塞上的熱應(yīng)力以及伴隨的熱電疲勞的存在，絕緣件的抗介電擊穿性能會(huì)降低火花塞使用壽命。雖然無(wú)法完全理解微觀結(jié)構(gòu)和/成分變化的確切性質(zhì)，但我們相信其是與局部加熱至足夠高的溫度從而導(dǎo)致陶瓷材料部分熔化有關(guān)。

分流電阻，對(duì)于陶瓷，特別是對(duì)于那些用于火花塞的陶瓷而言，是其另一個(gè)可測(cè)特性，也是通常以兆歐為測(cè)量單位的材料的電阻的量度。火花塞分流電阻的標(biāo)準(zhǔn)值近似為在約1000華氏度的工作溫度下約75-125兆歐。分流電阻典型的測(cè)量方法是，在火花塞上作為火花塞中心電極與金屬殼之間的陶瓷絕緣件的電阻來(lái)進(jìn)行測(cè)量。因此，分流電阻指示經(jīng)中心電極與金屬殼或外殼之間陶瓷絕緣件的電流泄漏的量。然而介電擊穿往往是突發(fā)事件，分流電阻則常為電能持續(xù)的寄生損失(parasitic?loss)。當(dāng)然，分流電阻越小，火花塞產(chǎn)生災(zāi)難性介電失效的可能性約高。

介電強(qiáng)度和/或分流電阻中的擊穿最終導(dǎo)致產(chǎn)生這樣的火花塞，其除穿過(guò)中心電極與接地電極之間火花間隙的路徑之外，還具有中心電極和金屬殼體之間的電并聯(lián)路徑。火花塞分流的情形如下：除了穿過(guò)中心電極與接地電極之間火花間隙的路徑之外，在中心電極和金屬殼體之間建立不希望有的并聯(lián)導(dǎo)電路徑。然而，在分流電阻降低或不足而產(chǎn)生分流的情況下，其影響僅僅是降低火花性能。即使非常小，該附加路徑也會(huì)對(duì)火花塞產(chǎn)生的火花質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。然而該并聯(lián)電路徑通常是由于介電擊穿而產(chǎn)生的，其影響通常是災(zāi)難性的，在很多情況下，會(huì)明顯減小或完全消除中心電極與接地電極之間的火花。降低或不足的分流電阻降低了火花塞的性能，從而降低了內(nèi)燃機(jī)的性能，特別是火花塞使用壽命。根據(jù)以上所述，經(jīng)過(guò)多次擊穿，由于介電損失，降低的分流電阻最終導(dǎo)致災(zāi)難性故障。