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WO1998038138A1 - Keramische zusammensetzung, verfahren zu deren herstellung sowie deren verwendung - Google Patents

Keramische zusammensetzung, verfahren zu deren herstellung sowie deren verwendung Download PDF

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WO1998038138A1
WO1998038138A1 PCT/DE1998/000524 DE9800524W WO9838138A1 WO 1998038138 A1 WO1998038138 A1 WO 1998038138A1 DE 9800524 W DE9800524 W DE 9800524W WO 9838138 A1 WO9838138 A1 WO 9838138A1
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ceramic
weight
oxides
composition according
oxidic
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PCT/DE1998/000524
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Inventor
Thomas Brinz
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
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    • C03C8/00Enamels; Glazes; Fusion seal compositions being frit compositions having non-frit additions
    • C03C8/02Frit compositions, i.e. in a powdered or comminuted form
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    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4075Composition or fabrication of the electrodes and coatings thereon, e.g. catalysts

Definitions

  • the invention relates to a glass-like protective layer consisting of a ceramic composition, in particular for protecting mixed oxide electrodes of gas sensors, according to claim 1, and a method for their production.
  • Ceramic, oxidic compositions have long been in use for the production of glass-ceramic layers and protective layers, in particular in the field of semiconductor technology, for protecting electronic components and for electrodes sensitive to temperature and chemical compounds, in particular electrodes of gas sensors.
  • Protective layers used to date mostly consisting of aluminum oxide and similar oxides, which are applied using thick film printing technology or laminated on as green bodies, have the disadvantage that that this ceramic composition must be sintered at temperatures above 1500 ° C. These temperatures often damage underlying temperature-sensitive layers and components. It is also known to use glass-ceramic materials based on borosilicate glasses, which can be sintered at temperatures of less than 1000 ° in a reducing atmosphere.
  • the ceramic, oxide composition based on the oxides of the elements Ca, Si, Ti and Al has the advantage that relatively low sintering temperatures are required during processing and that by using oxides, relatively chemically inert elements such as titanium and aluminum are chemically and temperature-stable protective layers can be produced.
  • the oxidic composition according to the invention is advantageously mechanically extremely stable.
  • this protective layer has very good adhesion to the substrate on which it is applied. Through the there is also no chemical stability with underlying layers, for example perovskites or doped mixed oxides etc.
  • the ceramic, oxidic composition consists of 25 to 35% by weight of CaO, 35 to 40% by weight of SiO 2 , 8 to 12% by weight of TiO 2 and 15 to 25% by weight of Al 2 0 3 based on the total weight of the oxides.
  • An extremely high mechanical and chemical stability of the ceramic oxide composition is achieved by this composition.
  • portions of glassy carbon are added to the oxides, so that even porous, very hard and chemically stable, but at the same time gas-permeable layers and compositions are obtained in a simple manner.
  • the oxides of the elements calcium, silicon, titanium and aluminum are mixed and melted together at a temperature of 1400 to 1800 ° C. and pulverized after cooling. Glassy carbon is then added to the powder mixture.
  • the oxidic ceramic powder mixture obtained in this way is advantageously used as a screen printing paste, as a result of which glass-like protective layers can be made available for a large number of different substrates.
  • the A screen printing paste according to the invention is applied to corresponding substrates, for example metallic or cermet conductor tracks or mixed oxide electrodes, in a simple manner by known processes.
  • this oxidic ceramic composition is used as a gas-permeable protective layer for electrodes, in particular metal and mixed oxide electrodes of gas sensors, which have to have a particularly high temperature and chemical resistance.
  • a ceramic, oxidic composition according to the invention consists of the following oxidic components:
  • 20 g CaC0 3 (corresponds to 11.12 g CaO), 16.52 g Si0 2 , 4 g Ti0 2 and 7.64 g A1 2 0 3 are used and also melted in a platinum crucible at 1600 ° C .
  • the cooled melt is broken out of the crucible and ground, for example, using a ball mill. It will 10% glass carbon added.
  • the thus obtained - glass powder is placed in a so-called thick oil (Siebdruckpasten- base solution) "The thick oil consists for example of about 75% by weight of butyl carbitol (Diethylenglycolmonobutyl- ether), about 18% by weight of polyvinyl butyral, 7% by weight.
  • the glass powder is mixed with the same weight of thick oil, printed on a sensor substrate and sintered. The sintering takes place at approx. 1150 ° C. and a very hard and porous layer is then obtained on, for example, a pre-fired mixed oxide electrode of a sensor. This also makes it possible to protect sensor materials that change or decompose at high processing temperatures of over 1200 ° C.
  • the glass layer according to the invention thus obtained is harder than window glass and steel needles.
  • the electrical conductivity is very low even at high temperatures. Adhesion to finished aluminum and zirconia substrates is very good.
  • the mechanical and chemical resistance is given after long operation in corrosive burner gases.
  • oxidic composition according to the invention is all common screen printing paste approaches and slip casting offsets.
  • Next Sensor materials can also be protected from all oxidic materials that are exposed to large thermal and chemical stresses, for example resistance ceramics, etc.
  • the protective layer according to the invention does not react with the sensor layer underneath.
  • the catalytic activity towards the sample gas is low, so there is no falsified sensor signal.
  • the protective layer has a low electrical conductivity, so that no electrical interference effects occur.
  • there are no strongly diffusing ions in the glass composition according to the invention which would lead to poisoning of the sensor material.
  • the oxidic ceramic composition according to the invention has a very high sulfate resistance, so that even engine exhaust gases do not react with the oxidic glass-ceramic protective layer.

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Abstract

Es wird eine keramische, oxidische Zummensetzung bestehend aus den Oxiden der Elemente Ca, Si, Ti und Al vorgeschlagen, ein Verfahren zu deren Herstellung, sowie deren Verwendung als glasartige, gasdurchlässige Schutzschicht für Elektroden, insbesondere Mischoxidelektroden von Gassensoren.

Description

Keramische Zusammensetzung, Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine glasartige Schutzschicht bestehend aus einer keramischen Zusammensetzung, insbesondere zum Schutz von Mischoxidelektroden von Gassensoren, nach Anspruch 1, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Keramische, oxidische Zusammensetzungen sind seit langem in Gebrauch zur Herstellung von glaskeramischen Lagen und Schutzschichten, insbesondere im Bereich der Halbleitertechnologie, zum Schütze elektronischer Bauelemente und für temperatur- und gegen chemische Verbindungen empfindliche Elektroden, insbesondere Elektroden von Gassensoren. Bislang verwendete Schutzschichten, meist bestehend aus Aluminiumoxid und ähnlichen Oxiden, die in Dickfilmdrucktechnik aufgebracht oder als Grünkörper auflaminiert werden, haben den Nachteil, daß diese Keramikzusammensetzung bei Temperaturen von über 1500 C gesintert werden muß. Diese Temperaturen beschädigen oft darunter liegende temperaturempfindliche Schichten und Bauelemente. Es ist ebenfalls bekannt, glaskeramische Materialien auf der Basis von Borosilicatgläsern zu verwenden, die bei Temperaturen von weniger als 1000 ° in reduzierender Atmosphäre gesintert werden können. Hierbei treten jedoch Probleme mangels chemischer Inertheit oder aufgrund von Ionendiffusion in darunterliegende sensitive Schichten auf. Ebenso ist es aus der EP 0 575 813 Bl bekannt glaskeramische Mehrschichtensubstrate auf der Basis von Aluminiumoxid, Borosilicat und Magnesiumverbindungen herzustellen, die daneben noch Natriumoxid, Kaliumoxid, Titan- und Zirkoniumdioxid aufweisen. Als weiterer Stabilisator wird Cordierit zugegeben. Diese Gläser weisen relativ niedrige Sintertemperaturen auf, sind aber nicht gegen sämtliche, beispielsweise in Abgasen von Verbrennungsmotoren vorkommenden Gase chemisch resistent.
Vorteile der Erfindung
Die keramische, oxidische Zusammensetzung auf der Basis der Oxide der Elemente Ca, Si, Ti und AI hat demgegenüber den Vorteil, daß relativ niedrige Sintertemperaturen bei der Verarbeitung erforderlich sind und daß durch die Verwendung von Oxiden relativ chemisch inerter Elemente wie Titan und Aluminium chemisch und temperaturstabile Schutzschichten hergestellt werden können. Darüberhinaus ist die erfindungsgemäße oxidische Zusammensetzung vorteilhafterweise mechanisch äußerst stabil. Des weiteren weist diese Schutzschicht eine sehr gute Haftung auf dem Substrat, auf welchem sie aufgebracht wird, auf. Durch die chemische Stabilität findet auch keine Reaktion mit darunterliegenden Schichten, beispielsweise Perowskiten oder dotierten Mischoxiden etc. statt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen keramischen oxidischen Zusammensetzung sind in den Unteransprüchen aufgeführt .
In bevorzugter Ausführung besteht die keramische, oxidische Zusammensetzung aus 25 bis 35 Gew% CaO, 35 bis 40 Gew% SiÜ2, 8 bis 12 Gew% Ti02 und 15 bis 25 Gew% Al203 bezogen auf die Gesamteinwaage der Oxide. Durch diese Zusammensetzung wird eine extrem hohe mechanische und chemische Stabilität der keramischen oxidischen Zusammensetzung erreicht.
In einer besonders bevorzugten Ausführung werden den Oxiden noch Anteile von Glaskohlenstoff zugegeben, so daß auch poröse, sehr harte und chemisch stabile, jedoch gleichzeitig gasdurchlässige Schichten und Zusammensetzungen in einfacher Weise erthalten werden.
In einem vorteilhaften Verfahren werden die Oxide der Elemente Calcium, Silizium, Titan und Aluminium gemischt und bei einer Temperatur von 1400 bis 1800 °C zusammengeschmolzen, nach dem Abkühlen pulverisiert. Anschließend wird dem Pulvergemisch Glaskohlenstoff beigefügt .
In vorteilhafter Weise wird das so erhaltene oxidische keramische Pulvergemisch als Siebdruckpaste verwendet, wodurch glasartige Schutzschichten für eine Vielzahl von verschiedenen Substraten zur Verfügung werden können. Der Auftrag einer erfindungsgemäßen Siebdruckpaste auf entsprechende Substrate, beispielsweise metallische oder Cermet Leiterbahnen oder Mischoxidelektroden erfolgt in einfacher Weise nach bekannten Verfahren.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird diese oxidische keramische Zusammensetzung als gasdurchlässige Schutzschicht für Elektroden, insbesondere Metall- und Mischoxidelektroden von Gassensoren eingesetzt, die eine besonders hohe Temperatur- und chemische Beständigkeit aufweisen müssen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Eine erfindungsgemäße keramische, oxidische Zusammensetzung besteht aus den nachfolgenden oxidischen Bestandteilen:
28,5 Gew% CaO 42 Gew% Si0 10 Gew% Ti02
19,5 Gew% A1203
Diese Oxide werden innig gemischt und in einem Platintiegel bei 1600 °C geschmolzen.
In einem weiteren speziellen Ausfuhrungsbeispiel werden 20 g CaC03 (entspricht 11,12 g CaO), 16,52 g Si02, 4 g Ti02 und 7,64 g A1203 eingesetzt und ebenfalls in einem Platintiegel bei 1600°C geschmolzen.
Die abgekühlte Schmelze wird aus dem Tiegel gebrochen und beispielsweise mittels einer Kugelmühle gemahlen. Es werden ca. 10 Gew% Glaskohlenstoff zugefügt. Das so erhaltene - Glaspulver wird in sogenanntes Dicköl (Siebdruckpasten- Basislösung) "eingebracht. Das Dicköl besteht beispielsweise aus ca. 75 Gew% Butylcarbitol (Diethylenglycolmonobutyl- ether) , ca. 18 Gew% Polyvinylbutyral , 7 Gew%
Dibutylphthalat, verdünnt mit der gleichen Menge an 2- Propanol . Zur Pastenherstellung wird das Glaspulver mit der gleichen Gewichtsmenge Dicköl versetzt, auf ein Sensorsubstrat aufgedruckt und gesintert. Das Sintern erfolgt bei ca. 1150 °C und man erhält anschließend eine sehr harte und poröse Schicht auf beispielsweise einer vorgebrannten Mischoxidelektrode eines Sensors. Dies ermöglicht auch Sensormaterialien zu schützen, die sich bei hohen Verarbeitungstemperaturen von über 1200 °C verändern oder zersetzten.
Die so erhaltene erfindungsgemäße Glasschicht ist härter als Fensterglas und Stahlnadeln. Die elektrische Leitfähigkeit ist auch bei hohen Temperaturen sehr klein. Die Haftung auf Aluminium- und Zirkondioxid-Fertigsubstraten ist sehr gut. Die mechanische und chemische Beständigkeit ist nach längerem Betrieb in korrosiven Brennerabgasen gegeben. Die Sensoreigenschaften eines Kohlenwasserstoffsensors basierend auf einer Mischoxidelektrode aus Perowskit oder Äschynit, insbesondere die Meßempfindlichkeit des Sensors und seine Ansprechzeit, auf den die erfindungsgemäße Schutzschicht aufgebracht wurde, änderte sich über einen längeren Zeitraum nicht .
Weitere Möglichkeiten der Verarbeitung der erfindungsgemäßen keramischen, oxidischen Zusammensetzung sind alle gängigen Siebdruckpastenansätze und Schlickergußversätze. Neben Sensormaterialien können auch sämtliche oxidischen Materialien geschützt werden, die großen thermischen und chemischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, beispielsweise Widerstandskeramiken etc. Die erfindungsgemäße Schutzschicht reagiert nicht mit der darunterliegenden Sensorschicht. Die katalytische Aktivität gegenüber dem Meßgas ist gering, es tritt daher auch kein verfälschtes Sensorsignal auf. Darüberhinaus besitzt die Schutzschicht eine geringe elektrische Leitfähigkeit, so daß keine elektrischen Störeffekte auftreten. Ebenfalls finden sich in der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung keine stark diffundierenden Ionen, die zu einer Vergiftung des Sensormaterials führen würden. Die erfindungsgemäße oxidische keramische Zusammensetzung weist eine sehr hohe Sulfatbeständigkeit auf, so daß auch Motorabgase mit der oxidischen glaskeramischen Schutzschicht nicht reagieren.

Claims

Ansprüche
1. Keramische, oxidische Zusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, daß Oxide der Elemente Ca, Si, Ti und AI enthalten sind.
2. Keramische, oxidische Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 25 bis 35 Gew% CaO, 35 bis 40
Gew% Si02, 8 bis 12 Gew% Ti02 und 15 bis 25 Gew% Al203 bezogen auf die Gesamteinwaage der Oxide enthalten sind.
3. Keramische, oxidische Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich
Glaskohlenstoff enthalten ist.
4. Verfahren zur Herstellung der keramischen, oxidischen Zusammensetzung nach Anspruch 1, 2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxide der Elemente Ca, Si, Ti und AI gemischt werden, anschließend bei einer Temperatur von 1400 bis 1800 °C zusammengeschmolzen und nach dem Abkühlen pulverisiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Pulvergemisch Glaskohlenstoff zugesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß 5 bis 20 Gew% Glaskohlenstoff bezogen auf die Gesamteinwaage der Oxide zugesetzt wird.
7. Verwendung der keramischen, oxidischen Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 als Siebdruckpaste.
8. Verwendung der keramischen, oxidischen Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 als gasdurchlässige Schutzschicht für Elektroden, insbesondere Mischoxidelektroden von Gassensoren.
PCT/DE1998/000524 1997-02-28 1998-02-21 Keramische zusammensetzung, verfahren zu deren herstellung sowie deren verwendung WO1998038138A1 (de)

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