DE19602141A1 - Keramisches Heizelement - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein keramisches Heizelement zur Verwendung als Heizelement in einer Infrarot-Strahlungsquelle sowie in einem elektrischen Ofen.

Ein keramisches Widerstands-Heizelement wie es in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 296,833/1993 offenbart wird, ist als Beispiel des Standes der Technik in Fig. 2 gezeigt.

Gemäß Fig. 2 wird ein keramisches Heizelement 10 beispielsweise hergestellt durch Extrusion von Molybdändisilicid unter Verwendung eines wäßrigen Bindemittels, Auf­ wickeln des resultierenden Molybdändisilicids mit geringem Durchmesser in Spulenform, Trocknen und Brennen in einem Vakuumofen unter Bildung eines Heizelements. An­ schlußdrähte 12a und 12b sind mit beiden Enden des spulenförmig aufgewickelten Keramikdrahtes (Heizelements) 10 verbunden. Wenn elektrischer Strom durch den spulen­ förmig aufgewickelten Keramikdraht 10 über die Anschlußdrähte 12a und 12b fließt, erzeugt der spulenförmig aufgewickelte Keramikdraht 10 Hitze.

Der spulenförmig aufgewickelte Keramikdraht 10 ist in einem hitzebeständigen Kera­ mikrohr 16 angeordnet, z. B. in einem Aluminiumoxid-Rohr, das mit einem Bestrahlungs­ fenster 14 für Infrarot-Strahlung versehen ist. Die Verbindungen zwischen dem Keramik­ draht 10 und den Anschlußdrähten 12a und 12b sind in dem Keramikrohr 16 mit einem hitzebeständigen Kleber 18a und 18b befestigt. Wenn elektrischer Strom durch den spulenförmig aufgewickelten Keramikdraht über die Anschlußdrähte 12a und 12b fließt, treten Infrarot-Strahlen, die aus dem spulenförmig aufgewickelten Keramikdraht 10 austreten, durch das Bestrahlungsfenster 14 aus.

Nun wird MoSi₂ in Form eines Heizelements zur Verwendung in einem Hochtemperatur-Ofen (z. B. bei 1750°C) an der Luft verwendet, da es aufgrund seiner Fähigkeit zur Ausbildung eines Schutzfilms aus Siliciumdioxid eine ausgezeichnete Oxidationsbeständig­ keit zeigt. Dementsprechend hat MoSi₂ als Hochtemperatur-Strukturmaterial zur Ver­ wendung in Gasturbinen-Bauteilen und dergleichen Aufmerksamkeit auf sich gezogen und wurde als solches Material bewertet.

Da die Verwendung von MoSi₂ jedoch Probleme hinsichtlich der Brüchigkeit bei niedrigen Temperaturen und der geringen Festigkeit bei hohen Temperaturen mit sich bringt, stellten sich erfahrungsgemäß Schwierigkeiten ein, wenn dieses Material für ein Heizelement verwendet wurde. Da außerdem der spezifische Widerstand von MoSi₂, d. h. ein Wert, der ein diesem Material eigener Wert ist, nur einen niedrigen Wert von 0,0003 Ωcm hat, ist eine große Menge an elektrischem Strom erforderlich, um eine hohe Temperatur (1300°C) bei MoSi₂ aufzubauen, was das Problem des erhöhten Stromverbrauchs mit sich bringt. Außerdem entwickelt eine große Strommenge im Zustand der Erzeugung von Hitze durch MoSi₂ bei hoher Temperatur eine elektromagnetische Kraft. Anziehungs- und Abstoßungskräfte, die durch die elektromagnetischen Kräfte generiert werden, sowie thermische Spannungen, die durch den Vorgang des Aufbaus der Hitze am Hitzeerzeu­ gungs-Abschnitt des Heizelements generiert werden, an dem daher eine Dehnungsdefor­ mation auftritt, führen zu einem Reißen des Heizelements. Das aus MoSi₂ hergestellte Heizelement schließt also den Nachteil einer kurzen Haltbarkeitsdauer ein.

Was den Verbrauch an elektrischem Strom angeht, wurden verschiedene Verfahren zur Erhöhung des scheinbaren Wertes des Widerstandes von MoSi₂ vorgeschlagen. Ein beispielhaftes Verfahren aus der Gruppe dieser Verfahren ist eines, bei dem ein Draht mit einem geringen Durchmesser aus MoSi₂ gebildet wird.

Da jedoch eine allgemeine Verfahrensweise zur Herstellung eines Heizelements aus MoSi₂ das Brennen eines MoSi₂-Pulvers umfaßt, liegt nicht nur die Bildung eines Drahtes mit kleinem Durchmesser aus diesem Material, sondern auch eine Miniaturisierung des Heizelements außerhalb der Möglichkeiten. Ein wichtiger Grund hierfür ist, daß das Brennverfahren selbst nicht zur Bildung eines Drahtes mit einem geringen Durchmesser geeignet ist. Wenn dementsprechend versucht wird, einen Draht mit geringem Durch­ messer auszubilden, wird der Durchmesser des resultierenden Drahtes in gewissem Ausmaß groß. Dadurch kann ein hoher Widerstandswert des Drahtes nicht sichergestellt werden. Folglich erfordert die Benutzung dieses Drahtes eine große Menge an elek­ trischem Strom.

Selbst wenn an einem MoSi₂-Draht nach dem Brennen eine mechanische Bearbeitung erfolgt, ist das Keramikmaterial in sich so brüchig, daß der Draht nicht zu einem Material mit einem solch geringen Durchmesser verarbeitet werden kann, daß er als Lichtquelle verwendbar ist. So wurde es als sehr schwierig angesehen, ein Hochtemperatur-Heizele­ ment aus MoSi₂ zu entwickeln, das als Infrarot-Strahlungsquellen-Element bei einer Temperatur von wenigstens 1000°C verwendbar ist.

Eine Erfindung, gemäß der Molybdändisilicid mit einer zweiten Phase aus einem Borid kombiniert wird, um die Zähigkeit und Hochtemperatur-Festigkeit von Molybdändisilicid zur Verwendung als Hochtemperatur-Strukturmaterial oder als Heizelement zu verbessern, ist in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 195,061/1985 offenbart. Eine andere Erfindung, gemäß der Molybdändisilicid mit einer zweiten Phase aus Molybdän- und Wolfram-Borid kombiniert wird, um Molybdändisilicid mit einer ausreichenden Oxidationsbestandigkeit selbst bei einer Temperatur von wenigstens 1600°C auszustatten und außerdem seine mechanischen Eigenschaften zu verbessern, ist in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 115,876/1989 offenbart.

Es kann jedoch nicht davon gesprochen werden, daß die keramischen Verbundmaterialien gemäß den vorstehend erwähnten Erfindungen zufriedenstellend für eine Verwendung als Hochtemperatur-Infrarot-Strahlungsquellen-Element sind, wie es vorstehend erwähnt wurde.

Im Hinblick auf diese Mängel des Standes der Technik war es eine Aufgabe der vor­ liegenden Erfindung, ein keramisches Heizelement zu schaffen, das mit Hochtemperatur-Festig­ keit ausgestattet ist, indem man in starkem Umfang Gebrauch von der ausgezeichne­ ten Dehnungsbeständigkeit von MoSi₂ macht, und das daher bei einer Senkung des elektrischen Energieverbrauchs und einer verlängerten Lebensdauer miniaturisiert werden kann.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt ein keramisches Heizelement, das einen Hitzeerzeugungs-Abschnitt, der aus einem keramischen Ver­ bundmaterial besteht, und Elektroden-Abschnitte umfaßt, die an beiden Enden des Hitzeer­ zeugungs-Abschnittes vorgesehen sind, worin das keramische Verbundmaterial 3 bis 40 Vol.-% an SiC-Whiskern und zum Rest eine Matrix aus im wesentlichen MoSi₂ umfaßt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein miniaturisiertes, eine lange Lebensdauer aufweisendes Keramik-Heizelement, das ausgezeichnete Hitzeerzeugungs-Eigenschaften, eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit und Deformationsbeständigkeit aufweist und den Verbrauch nur einer geringen Menge an elektrischer Energie einschließt, bei Ver­ wendung von Molybdändisilicid (MoSi₂) und Siliciumcarbid-Whiskern (SiC-Whiskern) erhalten werden.

Außerdem können Verbindungen mit einer sehr hohen Zuverlässigkeit erhalten werden, da Platindrähte an einen Molybdändisilicid-Keramik-Verbundstoff durch Schmelzen gebunden werden können, und der Schmelzpunkt der Verbindungsstellen weist einen sehr hohen Wert von beispielsweise 1000°C auf.

Die oben genannten und weitere Aufgaben, Wirkungen und Merkmale sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, zusammengenommen mit den beigefügten Zeichnungen, offensichtlich.

In den Figuren zeigen

Fig. 1 ein Aufbau-Diagramm, das ein Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 ein Aufbau-Diagramm, das eine herkömmliche Strahlungsvorrichtung für Infrarot-Strahlung zeigt; und

Fig. 3 ein erläuterndes Diagramm, das ein spezielles Beispiel des Heizelements der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

Die Erfindung wird nachfolgend zum Teil unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.

Wenn ein Molybdändisilicid-Keramikmaterial mit SiC-Whiskern unter Bildung eines keramischen Verbundmaterials auf Molybdändisilicid-Basis gemischt wird, das mit Hoch­ temperatur-Festigkeit versehen ist, indem man zu einem sehr großen Ausmaß die exzel­ lente Dehnungsbeständigkeit des erstgenannten Materials ausnutzt, kann der Aufbau eines Heizelements miniaturisiert werden, während man eine lange Lebensdauer des Elements erhält und einen nur geringen Verbrauch dieses Elements an elektrischer Energie bewirkt. Die SiC-Whisker, die aus Sicht einer Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Heizele­ ments ausgewählt werden sollen, sind SiC-Whisker, die in sich selbst eine hohe Bruchfe­ stigkeit aufweisen und die grundsätzlich entweder in Form von α-Kristallen oder sogar in Form von β-Kristallen mit Stapelfehlern in deren Wachstumsrichtung vorliegen. Der mittlere Durchmesser und die mittlere Länge der Whisker kann auch in passender Weise im Hinblick auf die Verbesserung der Bruchzähigkeit (Zähigkeit) des Heizelements und im Hinblick auf die Wahrscheinlichkeit von inneren Defekten des Materials gewählt werden.

Andererseits kann die im wesentlichen aus MoSi₂ bestehende Matrix (nachfolgend bezeich­ net als "Matrix auf MoSi₂-Basis") mit einer verstarkenden zweiten Phase oder mit einer verstarkenden zweiten und dritten Phase kombiniert werden, die die Eigenschaften von MoSi₂ nicht verschlechtert/verschlechtern. Beispiele derartiger Materialien schließen Phasen aus den folgenden Materialien ein: Si₃N₄, TiC, ZrC, HfC, TiB, TiB₂, ZrB₂, HfB₂, ZrO₂, HfO₂, SiC, MoB, Mo₂B, Mo₂B₅, WB, W₂B, WB₂ und W₂B₅. So kann die Matrix verstärkt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Beispiele weiter erläutert.

Beispiele

Fig. 1 ist ein Aufbau-Diagramm, das ein Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. In Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 ein kurvenartiges bzw. schlangenartiges (S-förmi­ ges) Keramik-Heizelement aus einem keramischen Verbundmaterial auf Molybdändisili­ cid-(MoSi₂)-Basis, das mit Siliciumcarbid-(SiC-)Whiskern verstärkt ist. Platin-Anschlußdrähte 2a und 2b sind an beiden Enden des kurvenartigen Keramik-Heizelements 1 unter Bildung von Elektroden aufgeschweißt. Das kurvenartige Keramik-Heizelement 1 ist in einem Keramikrohr 3, das z. B. aus Aluminiumoxid hergestellt ist, mittels eines hitzebe­ ständigen Klebers 4 befestigt. Wenn also elektrischer Strom durch das kurvenförmige Keramik-Heizelement 1 durch die Anschlußdrähte 2a und 2b fließt, erzeugt das kurven­ artige Keramik-Heizelement 1 Hitze unter Abstrahlung von infraroter Strahlung.

Die Ausgangsmaterialien zur Herstellung des kurvenartigen Keramik-Heizelements 1, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden sollen, sind vorzugsweise (1) ein MoSi₂-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von höchstens 2 µm; und (2) SiC-Whisker mit einem mittleren Durchmesser von 0,2 bis 1,0 µm und einer mittleren Länge von 2 bis 50 µm, wobei die SiC-Whisker vorzugsweise die Struktur von α-Kristallen (hexagonalen Kristallen) oder eine Struktur von β-Kristallen (kubischen Kristallen) mit Stapelfehlern in deren Wachstumsrichtung aufweisen, d. h. vorzugsweise die Struktur von β-Kristallen (kubischen Kristallen) mit einem Röntgenstrahl-Beugungsmuster mit einem Peak bei 2 Θ = 33,6°, die jedoch keinen Peak bei 2 Θ = 41,4° aufweisen, was für wenigstens 50% aller vorhandenen Whisker zutrifft.

Eine Pulvermischung der Ausgangsmaterialien, d. h. aus dem MoSi₂-Pulver und den SiC-Whiskern wird bei einem Druck von 50 bis 500 kg cm² und bei einer Temperatur von 1400 bis 1850°C 10 min bis 5 h lang heißgepreßt, um den resultierenden Sinterkera­ mik-Verbundstoff so dicht wie möglich zu machen. Der gesinterte Verbundstoff wird zu einer dünnen Scheibe geschliffen, die dann in die kurvenartige Form gebracht wird, beispielsweise durch Bearbeitung mit Präzisionswerkzeugen, z. B. durch Drahtschneiden.

In dem Fall, in dem eine verstarkende zweite Phase oder eine verstarkende zweite und eine verstärkende dritte Phase, die die Eigenschaften von MoSi₂ nicht verschlechtern und deren Beispiele Phasen aus Si₃N₄, TiC, ZrC, HfC, TiB, TiB₂, ZrB₂, HfB₂, ZrO₂, HfO₂, SiC, MoB, Mo₂B, Mo₂B₅, WB, W₂B, WB₂ und W₂B₅ einschließen, der Matrix auf MoSi₂-Basis zugesetzt werden, weisen deren Ausgangsmaterial-Pulver auch eine mittlere Teilchengröße von höchstens 2 µm auf.

Wenn der mittlere Durchmesser der SiC-Whisker kleiner ist als 0,2 µm, wird die Zähig­ keit und Festigkeit des resultierenden keramischen Verbundmaterials nicht in ausreichen­ der Weise so verbessert, wie es den bevorzugten Ausführungsformen entspricht. Wenn andererseits der mittlere Durchmesser der SiC-Whisker 1,0 µm übersteigt, werden die Größe der in das resultierende keramische Verbundmaterial eingebauten Defekte groß, was zu einer schlechten Festigkeit führt, und nicht den bevorzugten Ausführungsformen entspricht.

Wenn die mittlere Länge der SiC-Whisker geringer ist als 2 µm, können die Whisker die Festigkeit des resultierenden keramischen Verbundmaterials nicht in ausreichender Weise so verbessern, wie es den bevorzugten Ausführungsformen entspricht. Wenn andererseits die mittlere Länge der SiC-Whisker 50 µm übersteigt, wird die Wahrscheinlichkeit einer Einführung von Defekten in das resultierende gesinterte Verbundmaterial so hoch, daß die Festigkeit des keramischen Verbundmaterials verringert wird, was nicht den bevorzugten Ausführungsformen entspricht.

Im Hinblick auf die vorstehend genannten Fakten ist es wünschenswert, SiC-Whisker zu verwenden, die einen mittleren Durchmesser von etwa 0,4 µm bis etwa 0,9 µm und eine mittlere Länge von etwa 10 µm bis etwa 40 µm aufweisen.

Außerdem ist es wünschenswert, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung SiC-Whisker verwendet werden, die entweder eine Struktur von b-Kristallen oder eine Struktur von β-Kristallen mit Stapelfehlern in deren Wachstumsrichtung aufweisen, d. h. eine β-Kristall­ struktur mit einem Röntgenstrahl-Beugungsmuster, das einen Peak bei 2 Θ = 33,6° aufweist, jedoch keinen Peak bei 2 Θ = 41,4° aufweist, was für wenigstens 50% aller verwendeten SiC-Whisker gilt. Wenn die Menge an SiC-Whiskern mit entweder einer β-Kristallstruktur oder einer β-Kristallstruktur mit einem Röntgenstrahl-Beugungsmuster, das einen Peak bei 2 B = 33,6° aufweist, jedoch keinen Peak bei 2 Θ = 41,4° aufweist, geringer ist als 50%, bezogen auf die Gesamtmenge der Whisker, können Verbesserun­ gen im Hinblick auf die Zähigkeit und Festigkeit des resultierenden keramischen Ver­ bundmaterials nicht wahrgenommen werden, wie es den bevorzugten Ausführungsformen entspricht. Im Hinblick auf dasselbe Ziel ist es bevorzugt, SiC-Whisker in einer Menge von wenigstens 80% zu verwenden, die entweder eine α-Kristallstruktur oder eine β-Kristallstruktur mit einem Röntgenstrahl-Beugungsmuster aufweisen, das einen Peak bei 2 Θ = 33,6° aufweist, jedoch keinen Peak bei 2 Θ = 41,4° aufweist.

Die Matrix auf MoSi₂-Basis kann dadurch verstärkt werden, daß man sie mit einer verstarkenden zweiten Phase oder mit einer verstärkenden zweiten und einer verstärkenden dritten Phase kombiniert, die die Eigenschaften von MoSi₂ nicht verschlechtert/verschlech­ tern. Beispiele derartiger Materialien schließen Phasen aus Si₃N₄, TiC, ZrC, HfC, TiB, TiB₂, ZrB₂, HfB₂, ZrO₂, HfO₂, SiC, MoB, Mo₂B, Mo₂B₅, WB, W₂B, WB₂ und W₂B₅ ein.

Es wird zusätzlich festgestellt, daß die Menge (in Vol.-%) der zweiten Phase oder der zweiten und dritten Phase wünschenswerterweise bei höchstens 30 Vol.-% liegt, bezogen auf die Matrix auf MoSi₂-Basis.

Die mittlere Teilchengröße des Ausgangsmaterial-Pulvers der Matrix, d. h. MoSi₂ entwe­ der allein oder in Mischung mit einer Substanz oder zwei Substanzen aus der Gruppe Si₃N₄, TiC, ZrC, HfC, TiB, TiB₂, ZrB₂, HfB₂, ZrO₂, HfO₂, SiC, MoB, Mo₂B, Mo₂B₅, WB, W₂B, WB₂ und W₂B₅ usw., liegt speziellerweise bei höchstens 2 µm im Hinblick auf den Erhalt eines dichten Sinter-Verbundstoffs. Wenn ein Ausgangsmaterial-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße über 2 µm verwendet wird, erfolgt vor der Verdichtung das Wachstum von Körnern, was dem Material zu einer schlechten mechanischen Festigkeit verhilft. Speziell bei MoSi₂ ist es bevorzugt, ein Ausgangsmaterial-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von höchstens 1 µm zu verwenden.

Die jeweiligen Mengen der zusammenzumischenden Komponenten sind gemäß bevorzug­ ten Ausführungsformen der Erfindung die folgenden: Wenn die Gesamtmenge an Keramik auf MoSi₂-Basis und SiC-Whiskern 100 Vol.-% beträgt, werden 3 bis 40 Vol.-% der SiC-Whisker gemischt mit der (auf 100 Vol.-% bezogenen) Restmenge des Keramikmaterials auf MoSi₂-Basis. Wenn die Menge an SiC-Whiskern geringer ist als 3 Vol.-%, werden die Zähigkeit und Festigkeit des resultierenden keramischen Verbundmaterials nicht in ausreichender Weise verbessert. Wenn andererseits die Menge der SiC-Whisker 40 Vol.-% übersteigt, werden in nachteiliger Weise Defekte in den resultierenden Sinter-Ver­ bundstoff eingebaut, was dessen Festigkeit verschlechtert.

Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Verbundmaterials aus MoSi₂ und SiC-Whiskern beschrieben.

Vorbestimmte Mengen an MoSi₂ (das im Fall des Kombinierens des Materials mit einer zweiten Phase oder einer zweiten und einer dritten Phase einen Stoff oder zwei Stoffe aus der Gruppe Si₃N₄, TiC, ZrC, HfC, TiB, TiB₂, ZrB₂, HfB₂, ZrO₂, HfO₂, SiC, MoB, Mo₂B, Mo₂B₅, WB, W₂B, WB₂ und W₂B₅ usw. enthält) und SiC-Whisker, wie sie oben spezifiziert wurden, werden als Ausgangsmaterialien aufgenommen und zusammenge­ mischt.

Es ist wünschenswert, ein ausreichendes Mischen (z. B. für eine Zeit von wenigstens 48 h) mit einer Kugelmühle oder dergleichen zu bewirken. Wenn ein Ausgangsmaterial-Pul­ ver mit einer mittleren Teilchengröße über 2 µm verwendet wird, kann das Ausgangs­ material-Pulver zuerst gut mit einer Reibemühle oder dergleichen pulverisiert werden und wird dann mit den SiC-Whiskern vermischt. Dem folgt ein Vorgang des Mischens der Materialien mit einer Kugelmühle oder dergleichen. Das resultierende Mischpulver wird getrocknet und dann in eine Form gefüllt, die eine gewünschte Form aufweist. Das Pulver wird dann bei einer Temperatur von 1400 bis 1850°C 10 min bis 5 h lang heißgepreßt, wobei man darauf einen Druck von vorzugsweise 50 bis 500 kg/cm² aufbringt.

Wenn der Vorgang des Sinterns bei einem Druck unter 50 kg/cm² bewirkt wird, wird der resultierende Sinter-Verbundstoff nicht in ausreichender Weise verdichtet, wie es den bevorzugten Ausführungsformen entspricht. So kann eine Verbesserung von dessen mechanischer Festigkeit nicht sichergestellt werden. Wenn andererseits der Vorgang des Sinterns bei einem 500 kg/cm² übersteigenden Druck bewirkt wird, kann keine spezielle Wirkung des Drucks erkannt werden. So wird die Obergrenze des Drucks speziell auf einen Wert von 500 kg/cm² festgelegt.

Wenn außerdem die Sintertemperatur unter 1400°C liegt, kann eine Verdichtung des keramischen Verbundmaterials nicht erreicht werden, wie es den bevorzugten Ausfüh­ rungsformen entspricht. Wenn andererseits die Sintertemperatur 1850°C übersteigt, reagiert MoSi₂ mit den Verunreinigungen, so daß sich der Schmelzpunkt erniedrigt, wobei ein Blasenbildungsphänomen eingeschlossen ist. So kann ein dichter Sinter-Verbundstoff nicht erhalten werden. Wenn die Sinterzeit kürzer ist als 10 min, kann eine Verdichtung des keramischen Verbundmaterials nicht gemäß der bevorzugten Ausführungsform erreicht werden. Da andererseits eine Sintertemperatur von über 5 h praktisch unbrauchbar ist, wird die Obergrenze der Sinterzeit speziell auf 5 h festgelegt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Beispiele speziell beschrieben.

Ein MoSi₂-Pulver einer Reinheit von 99% und einer mittleren Teilchengröße von 0,8 µm wurde mit SiC-Whiskern eines mittleren Durchmessers von 0,5 µm und einer mittleren Länge von 30 µm und mit einem Mengenanteil von 85% an b-Kristallen zur Gesamt­ menge an α-Kristallen und β-Kristallen [α/(α + β)] in einer solchen Weise vermischt, daß die Menge an dem erstgenannten Material 75 Vol.-% betrug, und die Menge an dem zweitgenannten Material 25 Vol.-% betrug. Das resultierende Mischpulver wurde einem Vorgang des Naßmischens in einer Kugelmühle für die Zeit von 72 h unterworfen, und das Material wurde anschließend getrocknet. Das resultierende getrocknete Mischpulver wurde in einem Argon-Gasstrom bei 1700°C 1 h lang heißgepreßt, während man darauf einen Druck von 300 kg/cm² aufbrachte. So wurde eine gesinterte Scheibe mit den Maßen 50 mm ⌀×5 µm Dicke erhalten.

Teststücke einer Größe von 3 mm×4 mm×40 mm und Teststücke einer Größe von 1,5 µm×4 mm×25 mm wurden aus der so erhaltenen Scheibe ausgeschnitten. Ein Drei­ punkt-Biegetest (Spanne: 30 mm; Querhaupt-Geschwindigkeit: 0,5 mm/min) und ein Bruchzähigkeitstest (Einkerbungsmethode in Übereinstimmung mit der Niihara-Formel) wurden unter Verwendung der Teststücke mit der Größe 3 mm×4 mm×40 mm durch­ geführt, während ein Vierpunkt-Biegetest (obere Spanne: 10 mm; untere Spanne: 20 mm; Querhaupt-Geschwindigkeit: 0,03 mm/min) bei Raumtemperatur, bei 1000°C und bei 1300°C unter Verwendung der 1,5 mm×4 mm×25 mm großen Teststücke und eines Spannungs-Meßgerätes (Untergrenze der meßbaren Spannung: 0,1 µm) durchgeführt wurden. Aus den Ergebnissen ließen sich Kurven der jeweiligen Versetzung unter Bela­ stung zeichnen. Aus diesen Ergebnissen wurden Werte der Versetzung unter einer Bela­ stung von 5 N und jeweilige Werte des Young-Moduls berechnet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.

Tabelle 1

Die Ergebnisse der Untersuchung der Festigkeit, Bruchzähigkeit, der Versetzung und des Young-Moduls für einen Sinterkörper, der erhalten worden war durch Heißpressen ausschließlich eines MoSi₂-Pulvers einer Reinheit von 99% und einer mittleren Teilchen­ größe von 0,8 µm in derselben Weise wie dies vorstehend beschrieben wurde, sind ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt. Es ergab sich, daß das gesinterte Verbundmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung eine Festigkeit aufwies, die etwa zweimal so hoch war wie die des Sinterkörpers aus MoSi₂ allein, wie sich offensichtlich aus Tabelle 1 ergibt.

Darüber hinaus wurde ein kurvenartiges Keramik-Heizelement gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch hergestellt, daß man eine Sinterscheibe mit den Maßen 50 mm ⌀×5 mm Dicke, die in derselben Weise hergestellt worden war, wie dies oben beschrieben ist, schliff und das resultierende dünne plattenförmige Material (Dicke: z. B. 1 mm) in die gewünschte Form brachte, indem man es mit hoher Präzision bearbeitete, beispielsweise unter elektrischen Entladungen zu einem Draht verarbeitete.

Ein spezielles Beispiel des Heizelements ist in Fig. 3 gezeigt.

Was die Maße des Heizelements anging, so hatte dieses einen Wert a = 0,25 mm, einen Wert b = 0,3 mm, einen Wert h = 18 mm, einen Wert L = 3,5 mm und einen Wert t = 0,3 mm. Wenn ein derartiges Heizelement zur Hitzeerzeugung bei 1300°C verwendet wurde, betrug dessen Verbrauch an elektrischer Energie 12 bis 14 W. Da die Dicke des scheibenartigen Materials verringert werden kann und das Material dann zu einem Minia­ tur-Heizelement geformt werden kann, kann das Heizelement einen hohen Wert des Widerstandes aufweisen und kann damit als Infrarot-Strahlungsquelle bei hoher Tempera­ tur und mit geringem Verbrauch an elektrischer Energie verwendet werden.

Da außerdem das Material ein keramisches Verbundmaterial aus MoSi₂ ist, das Whisker enthält, die die Eigenschaften des MoSi₂ nicht verschlechtern, kann die mechanische Festigkeit des Heizelements erhöht und die Deformationsbeständigkeit verbessert werden, ohne die Eigenschaften des MoSi₂ zu beeinträchtigen, einschließlich der exzellenten Oxidationsbeständigkeit und der Fähigkeit des Hitzeaufbaus auf einen Wert um 1600°C unter Bereitstellung einer langlebigen Infrarot-Strahlungsquelle.

Da außerdem das keramische Verbundmaterial einer Präzisionsbearbeitung wie beispiels­ weise einer maschinellen Bearbeitung unter elektrischer Entladung unterworfen werden kann, kann in einfacher Weise ein Miniatur-Heizelement mit einer komplizierten Form aus diesem Material hergestellt werden.

Bei dem Heizelement gemäß Fig. 1 wird Silicium (Si) in dem SiC-Whisker enthaltenden MoSi₂-Keramik-Verbundstoff als Material des Heizelements mit Platin (Pt) unter Bildung von Anschluß-Abschnitten aus Platinsilicid umgesetzt, wenn die Elektroden 2a und 2b, die auf dem Heizelement vorgesehen werden, an Platindrähten durch Schmelzen gebunden werden. Da der Schmelzpunkt von Platinsilicid sehr hoch ist (1000°C), weisen die Anschluß-Abschnitte des Widerstands-Heizelements in vorteilhafter Weise eine sehr hohe Zuverlässigkeit auf.

Beispiel 2

In Beispiel 2 wurde ein keramisches Verbundmaterial in im wesentlichen derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß SiC-Whisker mit einem mittleren Durchmesser von 0,8 µm, einer mittleren Länge von 20 µm und einer β-Kristallstruktur mit einem Röntgenstrahl-Beugungsmuster mit einem Peak bei 2 Θ = 33,6°, jedoch ohne Peak bei 2 Θ = 41,40°, verwendet wurden.

Dieses keramische Verbundmaterial wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 unter­ sucht, und zwar im Hinblick auf Festigkeit, Bruchzähigkeit, Versetzung und Young-Modul. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.

Tabelle 2

Beispiel 3

In Beispiel 3 wurden mit SiC-Whiskern verstärkte keramische Verbundmaterialien mit einer Matrix auf MoSi₂-Basis hergestellt, die mit darin dispergierten Teilchen verstärkt waren. Die Materialien wurden jeweils hergestellt unter Verwendung eines MoB-Pulvers einer Reinheit von 98% mit einer mittleren Teilchengröße von 1,2 µm oder unter Ver­ wendung eines WB-Pulvers mit einer Reinheit von 99% und einer mittleren Teilchen­ größe von 0,9 µm. Dies geschah im wesentlichen in derselben Weise wie in Beispiel 1 Im vorliegenden Beispiel war die Menge an zugemischtem MoB oder WB 10 Vol.-%, und die Menge an SiC-Whiskern betrug 25 Vol.-%. So lag die Menge an MoSi₂ bei 65 Vol.-%.

Die keramischen Verbundstoffe wurden in derselben Weise wie in Beispiel 1 auf ihre Eigenschaften untersucht, d. h. Festigkeit, Bruchzähigkeit, Versetzung und Young-Modul.

Zum Vergleich wurden keramische Verbundstoffe auch auf MoSi₂-Basis, die mit darin dispergierten Teilchen verstärkt waren, jeweils in im wesentlichen derselben Weise wie oben beschrieben hergestellt, mit der Ausnahme, daß keine SiC-Whisker eingemischt wurden. Auch diese Materialien wurden anschließend in derselben Weise wie in Beispiel 1 untersucht.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.

Beispiel 4

Keramische Verbundstoffe auf der Basis von MoSi₂ und MoB mit SiC-Whiskern wurden jeweils in im wesentlichen derselben Weise wie in Beispiel 3 hergestellt, mit der Aus­ nahme, daß SiC-Whisker mit einem mittleren Durchmesser, wie er in Tabelle 4 gezeigt ist, und einem Anteil der unterschiedlichen Kristallformen (α-Kristalle und β-Kristalle), wie er in Tabelle 4 gezeigt ist, in einer Menge eingemischt wurden, wie dies in Tabelle 4 gezeigt ist. Die so erhaltenen keramischen Verbundstoffe wurden jeweils demselben Dreipunkt-Biegetest und Test zur Ermittlung der Bruchzähigkeit unterworfen wie in Beispiel 1. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt.

Beispiel 5

Außerdem wurden keramische Verbundmaterialien (mit derselben Zusammensetzung wie in Beispiel 1) jeweils in im wesentlichen derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Heißpreßbedingungen geändert wurden. Die so erhaltenen kerami­ schen Verbundmaterialien wurden jeweils demselben Dreipunkt-Biegetest und demselben Test zur Ermittlung der Bruchzähigkeit unterworfen wie in Beispiel 1.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt.

Tabelle 5

Es ist ergänzend zum Vorstehenden anzufügen, daß trotz der Tatsache, daß die vor­ angehende Beschreibung vornehmlich im Hinblick auf eine Infrarot-Strahlungsquelle erfolgte, das Heizelement der vorliegenden Erfindung nicht auf ein solches beschränkt ist und beispielsweise auch als Heizelement in einem elektrischen Ofen verwendet werden kann. Genauer gesagt mußte bisher ein elektrischer Ofen, der mit einer oxidierenden Atmosphäre betrieben werden kann, im Hinblick auf die Größe des darin verwendeten Heizelements in gewissem Maße recht groß sein, während ein Ultraminiatur-Elektroofen unter Verwendung des keramischen Heizelements der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann.

Die vorliegende Erfindung wurde vorangehend im einzelnen unter Berücksichtigung ihrer verschiedenen Ausführungsformen beschrieben. Es ist aus der vorangehenden Beschrei­ bung Fachleuten in diesem Bereich der Technik offensichtlich, daß Änderungen und Modifikationen erfolgen können, ohne von der Erfindung in ihren breitest angelegten Aspekten abzuweichen. Es ist daher beabsichtigt, daß die Erfindung in den nachfolgenden Patentansprüchen alle derartigen Änderungen und Modifikationen als unter den Umfang der vorliegenden Erfindung fallend umfaßt.

Claims (9)

1. Keramisches Heizelement, umfassend einen Hitzeerzeugungs-Abschnitt, der aus einem keramischen Verbundmaterial besteht, und Elektroden-Abschnitte, die an beiden Enden des Hitzeerzeugungs-Abschnittes vorgesehen sind, worin das keramische Verbundmaterial 3 bis 40 Vol.-% SiC-Whisker und zum Rest eine Matrix aus im wesentlichen MoSi₂ umfaßt.

2. Keramisches Heizelement nach Anspruch 1, worin die SiC-Whisker einen mittleren Durchmesser von 0,2 bis 1,0 µm und eine mittlere Länge von 2 bis 50 µm aufweisen und wenigstens 50% Whisker umfassen, die eine α-Kristallstruktur oder eine β-Kristall­ struktur mit Stapelfehlern von deren Wachstumsrichtung aufweisen, d. h. eine β-Kristall­ struktur mit einem Röntgenstrahl-Beugungsmuster mit einem Peak bei 2 Θ = 33,6°, jedoch ohne einen Peak bei 2 Θ = 41,4°.

3. Keramisches Heizelement nach Anspruch 1 und 2, worin die SiC-Whisker einen mittleren Durchmesser von 0,4 bis 0,9 µm und eine mittlere Länge von 10 bis 40 µm aufweisen.

4. Keramisches Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die SiC-Whisker wenigstens 80% Whisker umfassen, die eine α-Kristallstruktur oder eine β-Kristall­ struktur mit Stapelfehlern in deren Wachstumsrichtung aufweisen, d. h. eine β-Kristall­ struktur mit einem Röntgenstrahl-Beugungsmuster mit einem Peak bei 2 Θ = 33,6°, jedoch ohne einen Peak bei 2 Θ = 41,4°.

5. Keramisches Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Matrix aus im wesentlichen MoSi₂ mit einer zweiten Phase oder mit einer zweiten Phase und einer dritten Phase verstärkt ist die darin dispergiert ist/sind und gewählt ist/sind aus der Gruppe, die besteht aus Phasen aus Si₃N₄, TiC, ZrC, HfC, TiB, TiB₂, ZrB₂, HfB₂, ZrO₂, HfO₂, SiC, MoB, Mo₂B, Mo₂B₅, WB, W₂B, WB₂ und W₂B₅.

6. Keramisches Heizelement nach Anspruch 5, worin die Menge an der zweiten Phase oder die Gesamtmenge an der zweiten und der dritten Phase höchstens 30 Vol.-% ist, bezogen auf die Matrix aus im wesentlichen MoSi₂, die mit dieser/diesen Phase(n) verstärkt ist oder diese Phase(n) darin dispergiert enthält.

7. Keramisches Heizelement nach Anspruch 5 oder 6, worin die zweite Phase, die in der Matrix dispergiert ist und mit der die Matrix verstärkt ist, eine MoB oder eine WB-Phase ist.

8. Keramisches Heizelement nach Anspruch 7, worin die Menge an MoB-Phase oder WB-Phase als zweite Phase, die in der Matrix dispergiert ist und mit der die Matrix verstärkt ist, 10 Vol.-% beträgt, bezogen auf die Gesamtmenge der Matrix und der SiC-Whisker und der zweiten Phase.

9. Keramisches Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin die Elektroden-Ab­ schnitte an beiden Enden des Heizelements durch Schmelzen an die Platindrähte gebunden sind.