Способ изготовления полупроводникового элемента запальной свечи
METHOD FOR MANUFACTURING A SEMICONDUCTOR ELEMENT OF A SPARK PLUG

Изобретение относится к области изготовления свечей поверхностного разряда, а именно к технологии получения полупроводникового элемента запальной свечи, которая может использоваться в системах зажигания газотурбинных двигателей.
2
2
3
Известен способ получения материала полупроводника для свечей поверхностного разряда, который включает подготовку компонентов с объемным соотношением 45-70% порошка SiC, 5-15% порошка ZrO, 10-30% порошка AlО и 10-30% порошка сложного оксида, которые тщательно перемешивают, пропускают через сито 200 меш и хранят для последующего использования, далее для формирования сырой керамической массы берут 8%-ный поливиниловый спирт и в соответствии с соотношением веса компонентов порошка к весу поливинилового спирта равного 95 к 5, и перемешивают вручную, после гомогенизации его пропускают через сито 80 меш. и прессуют под давлением 80 МПа, получая сырую керамическую массу, далее ее помещают в воздушную печь для спекания со скоростью нагрева 5°С/ч, нагревают до 450°С и выдерживают 12 часов; далее керамическую массу помещают в вакуумную печь для спекания, заполняют аргоном и нагревают до 1600-1800°С для спекания, время выдержки 1 до 3 часов, а скорость нагрева 5°С/мин. (Патент CN107324807B, кл. C04B 35/565; C04B 35/622; C04B 35/634; C03C 3/095; C04B 35/63; C04B 35/64 опубл. 22.05.2020.)
Недостатком данного способа является то, что для различных конструкций свечей необходимо изготавливать различные по конфигурации полупроводниковые керамические детали, что не всегда приемлемо в условиях единичного и мелкосерийного производства, т.к. каждая керамическая полупроводниковая деталь требует для производства соответствующую оснастку. Кроме того, данный процесс получения полупроводниковой керамической детали энергоемок и требует продолжительного времени нагрева с небольшой скоростью 5°С/ч до 450°С, а также продолжительного времени выдержки составляющего более 12 часов при температурах 450°С. Также недостатком является то, что процесс спекания требует наличия специализированной вакуумной печи для спекания, заполнения ее инертной атмосферой аргоном и нагрева до высоких температур 1600-1800°С, а также продолжительного времени выдержки от 1 до 3 часов при данной температуре.
2
2
2
3
о
Известен способ получения материала полупроводника для свечей применяемых, включающий приготовление шихты при следующем соотношении компонентов, мас. ТiO 28-30%, ZrO 8-10%, тугоплавкий металл Mo 10-12%, тугоплавкое стекло 48-54%, компоненты тщательно измельчают и смешивают со связующим, например, каллоксиленом, далее наносят на рабочую разрядную поверхность изолятора запальной свечи, содержащего высокоглиноземную керамику (AlO≈95%), после чего обжигают при 1620-1700С в нейтральной среде (патент РФ 2033986, кл. C04B 35/00, C22C 29/12 , H01L 29/10, опубл. 30.04.1995).
Преимуществом способа является то, что он пригоден для различных конструкций свечей, когда на рабочую разрядную поверхность изолятора запальной свечи наносится шихта, которая при обжиге приобретает свойства полупроводника, причем изолятор из корундовой керамики может быть различной конфигурации, что обеспечивает гибкость производственного процесса в условиях единичного и мелкосерийного производства.
о
Недостатком процесса является то, что он требует наличия специализированной вакуумной печи для обеспечения нейтральной атмосферы спекания шихты, и нагрева для протекания синтеза полупроводника до высоких температур 1620-1700С. Кроме того, данный состав шихты не обеспечивает требуемых свойств по термостойкости и долговечности полупроводникового элемента запальной свечи, и требуемых характеристик по омическому общему сопротивлению, сопротивлению по точкам, а также пробивному напряжению для использования в системах зажигания газотурбинных двигателей
Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления полупроводникового элемента запальной свечи, включающий приготовление шихты содержащей окись хрома и окись висмута при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
99,0…99,4
Bi<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
1,0…0,1
Нанесение ее на рабочую поверхность изолятора из корундовой керамики, обжиг при температуре от 1640°С до 1660°С в течение 8 часов, нанесение состава содержащего медь и окись хрома, вжигание при температуре от 1180°С до 1200°С в течение от 10 до 20 минут (патент РФ №2063099, кл. Н01Т 21/02, 27.06.1996).
Преимуществом способа является то, что он пригоден для различных конструкций свечей, когда изолятор из корундовой керамики может приобретать различную конфигурацию, а полупроводник синтезируется на его поверхности путем нанесения на него шихты и обжига, что обеспечивает гибкость производственного процесса  в условиях единичного и мелкосерийного производства.
Недостатком данного способа является его высокая длительность по времени и высокотемпературность протекания процесса синтеза полупроводникового слоя, т.к. шихту, содержащую окись хрома и  окись висмута после нанесения ее на рабочую поверхность изолятора из корундовой керамики, для прохождения синтеза, необходимо обжигать при температуре от 1640°С до 1660°С в течение 8 часов, далее следует нанести состав содержащий медь и окись хрома и вжигать его при температуре от 1180°С до 1200°С в течение от 10 до 20 минут. Кроме того, недостатком является то, что воздействие высоких температур 1640°С до 1660°С в течение высокой длительности по времени, а именно 8 часов, может приводить к дефектам в виде выгорания шихты и отслоения полупроводникового слоя. Кроме того, температуры 1640-1660°С сравнимы с температурами спекания изолятора из корундовой керамики, по сути являются для него предельными температурами термостойкости, при них происходит интенсивное  испарение стеклофазы керамики, что приводит к рыхлости поверхностного слоя керамики и уменьшает диффузию полупроводникового слоя в нее, что в итоге приводит к дефектам в виде вздутия полупроводникового слоя, его отслоения от рабочей поверхности изолятора из корундовой керамики и значительно снижают работоспособность, термостойкость и долговечность свечи в виде быстрой выработки ее ресурса. Также, сам состав полупроводникового слоя имеет невысокую проникающую способность в виде диффузии в поверхностный слой керамического изолятора, что приводит к неудовлетворительным показателям ресурса и термостойкости свечи. Кроме того, данный полупроводниковый слой показывает невысокую коррозионную стойкость при испытаниях на морской солевой туман в составе свечи, что приводит к невысоким характеристикам стойкости к эрозии, и тем самым долговечности, и термостойкости свечи при работе в данных условиях.
Задачей изобретения является создание способа изготовления полупроводникового элемента запальной свечи, пригодного для нанесения на различные по конфигурации рабочие поверхности изолятора из корундовой керамики, с составом шихты, обеспечивающим невысокие температуры протекания синтеза полупроводникового слоя, с небольшой продолжительностью процесса по времени и обеспечивающим высокую диффузию полупроводникового слоя в поверхностный слой керамического изолятора.
Технический результат заключается в повешении технологичности и уменьшении энергозатратности процесса. В способе изготовления полупроводникового элемента запальной свечи задача решается, а технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе изготовления полупроводникового элемента запальной свечи, включающем приготовление шихты, нанесение ее на рабочую поверхность изолятора из корундовой керамики и обжиг, согласно изобретению шихта содержит серебро, окись меди (II), окись марганца, молибден, окись никеля, окись хрома, окись кремния при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Ag
20
CuO
40
Окись марганца
30
Mo
2
NiO
2
Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
5,5
SiO<sub>2</sub>
0,5
Нанесение ее на рабочую поверхность изолятора из корундовой керамики проводится в два слоя с сушкой каждого слоя в течение 10…30 мин при температуре 20-27°С, далее проводится сушка при температуре 250-300°С в течение 30…35 мин, обжиг при температуре 1200±5°С в течение 10…11 мин, медленное охлаждение в муфельной печи до полного остывания, стабилизация при температуре 700±20°С в течение 10…12 мин с дальнейшим охлаждением на воздухе до полного остывания.
Преимуществом способа является то, что он пригоден для различных конструкций свечей, когда изолятор из корундовой керамики может приобретать различную конфигурацию, а полупроводник синтезируется на его поверхности путем нанесения на него шихты и обжига - это обеспечивает гибкость производственного процесса, его пригодность для единичного и мелкосерийного производства и позволяет осуществлять возможность разнообразного конструктивного оформления свечей с ориентированным искровым промежутком, что актуально для авиационной промышленности.
Благодаря подобранному составу шихты достигается не только высокая работоспособность создаваемого полупроводникового слоя, но и обеспечивается его синтез при температурах обжига 1200±5°С в течение достаточно короткого промежутка времени 10…11 мин. Благодаря данным невысоким температурам синтеза и достаточно короткому  времени выдержки его протекания, обеспечивается высокое качество создаваемого полупроводникового слоя, т.к. исключаются  условия для выгорания шихты, а именно высокие температуры и длительная выдержка. Также, невысокие температуры и короткое время выдержки не приводит к испарению стеклофазы керамики, что способствует диффузии полупроводникового слоя в рабочую поверхность изолятора, не снижая его термостойкости, и тем самым высокой работоспособности свечи.
2,
Кроме того, благодаря наличию в шихте окиси кремния SiOа именно кварцевого песка и двухслойному методу нанесения с предварительными сушками достигается не только высокая диффузия полупроводникового слоя в рабочую поверхность изолятора, но и на самой рабочей поверхности изолятора создается высокопрочный, композитный полупроводниковый слой. Данный композитный полупроводниковый слой, обладающий прочностью, сравнимой по прочности с прочностью поверхности изолятора из корундовой керамики и надежно сцепленный с ней за счет диффузии, обеспечивает не только высокие показатели ресурса и термостойкости свечи, но и, кроме того, имеет высокую коррозионную стойкость при испытаниях на морской солевой туман в составе свечи и высокие характеристики стойкости к эрозии и долговечности при работе в данных условиях.
Сущность изобретения поясняется примером реализации, изложенным ниже.
Способ осуществляется следующим образом.
2
3
2
1. Компоненты шихты Ag, CuO, окись марганца, Mo, NiO, CrO, SiO, подготавливаются, затем формируется шихта согласно пропорциям приведенным в таблице 1.
Таблица 1. Навеска шихты
Наименование компонентов
Содержаниев % по массе
Серебро Ag (порошок)
20
Меди (II) окись (порошок)
40
Марганца окись прокаленная (порошок)
30
Молибден Mo (порошок)
2
Никеля окись NiO (порошок)
2
Хрома окись Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (порошок)
5,5
Кремния окись SiO<sub>2</sub> кварцевый песок (порошок)
0,5
2. Шихта разводится в виде пасты из навески и связующего вещества-лака приготовляемого из лака НЦ-551 и растворителя – бутилацетата (бутиловый эфир уксусной кислоты).
3. На рабочую поверхность изолятора из корундовой керамики наносится первый слой пасты с помощью кисточки.
4. Нанесенный первый слой подвергается сушке в течение 10…30 мин при комнатной температуре 20-27°С на рабочем месте, оборудованном вытяжкой.
5. На высохший первый слой наносится второй слой пасты с помощью кисточки.
6. Нанесенный второй слой подвергается сушке в течение 10…30 мин при комнатной температуре 20-27°С.
7. Проводится визуальный контроль полупроводникового покрытия и замер его толщины.
8. В сушильном шкафу при температуре 250-300°С в течение 30…35 мин проводится предварительная сушка перед обжигом для предварительного подогрева изоляторов и удаления лака-связки, что позволяет избежать дальнейшего вздутия и отслоения от рабочей поверхности изоляторов полупроводникового покрытия.
9. Далее изоляторы помещают в печь, имеющую температуру 1200±5°С, где при выдержке в 10…11 мин производят обжиг и получают синтез полупроводника.
10. Затем изоляторы помещают в предварительно нагретую до 300°С муфельную печь и обеспечивают их плавное охлаждение вместе с печью до полного остывания.
11. Вынимают изоляторы, визуально контролируют полупроводниковое покрытие и выборочно проверяют на пробивное напряжение и сопротивление.
12. Изоляторы помещают в печь и проводят стабилизацию полупроводникового покрытия при температуре 700±20°С в течение 10…12 мин с дальнейшим охлаждением на воздухе до полного остывания.
Преимуществом данного процесса также является то, что все процессы нагрева происходят в окислительной среде печей, т.е. обеспечивая свободный доступ воздуха, что также экономит затраты и делает процесс более стабильным.
Кроме того, полупроводниковое покрытие, изготовленное по данному способу, благодаря стабильной структуре и высокой прочности имеет кратно большие показатели ресурса и долговечности, чем иные полученные  по известным технологиям.
Также необходимо отметить, что материалы, входящие в состав полупроводника, описанного выше, образуют эвтектику, которая при обжиге  синтезируется, в результате чего получается кристаллическая фаза, реагирующая с подложкой-поверхностью изолятора из корундовой керамики. Диффузионные свойства данного полупроводника напрямую связаны со стеклофазой керамического материала, при этом изолятор с покрытием приобретает необходимые электрофизические свойства с требуемыми показателями по электросопротивлению и пробивному напряжению. Обжиг и синтез проводится в окислительной среде.
Способ предлагается к внедрению, при изготовлении запальных свечей  для  систем зажигания газотурбинных двигателей, на предприятии АО «Уфимское агрегатное производственное объединение» Технодинамика.
Итак, заявленное изобретение позволяет повысить технологичность и гибкость производства, улучшить качество получаемых полупроводниковых покрытий, уменьшить энергозатратность процесса за счет снижения температур и сокращения времени выдержки, увеличить показатели ресурса и термостойкости свечи, обеспечить  высокую коррозионную стойкость при испытаниях на морской солевой туман в составе свечи, и высокие характеристики стойкости к эрозии и долговечности при работе в данных условиях.