толстопленочный резистивный элемент

Формула изобретения

ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫЙ РЕЗИСТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, содержащий стальную подложку с последовательно размещенными на ней изолирующим и защитным стеклосодержащими слоями, между которыми расположен резистивный слой, отличающийся тем, что в качестве материала изолирующего и защитного слоя использована толстопленочная паста на основе бесщелочных стекол, причем паста для изолирующего слоя выполнена на основе бесщелочного кристаллизирующего стекла, а паста для защитного слоя содержит бесщелочное стекло с керамическим наполнителем, при этом в качестве материала резистивного слоя использована толстопленочная паста на основе порошка никеля с добавками порошка хрома или нихрома и стеклосвязующего.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при производстве толстопленочных резистивных элементов, работающих под большой токовой нагрузкой при температурах до 500^оС.

Известен резистивный элемент, содержащий металлическое основание и последовательно нанесенные на него методом плазменной дуги изолирующий, резистивный и защитный слои. В качестве материала изолирующего слоя использован материал на основе оксида алюминия, толщина изолирующего слоя 125-150 мкм; в качестве материала резистивного слоя использована смесь порошков нихрома и оксида алюминия.

Данный резистивный элемент обеспечивает возможность работы при высоких токовых нагрузках и высокой температуре, однако, плазменно-дуговой метод нанесения диэлектрического слоя принципиально не позволяет формировать однородную беспористую структуру диэлектрического слоя, что обусловливает низкое сопротивление изоляции между резистивным слоем и подложкой при высоких температурах и недостаточную электрическую прочность изоляции. Кроме того, наличие открытой пористости приводит к адсорбции влаги, что дополнительно ухудшает изоляционные характеристики слоя. Данные недостатки вносят ограничения при использовании резистивного элемента в промышленности и бытовой технике.

Наиболее близким к предлагаемому является резистивный элемент [1]

Резистивный элемент содержит стальную подложку, последовательно нанесенные на нее методом трафаретной печати два стеклосодержащих изолирующих слоя, резистор, выполненный из ленты нихрома, и защитный стеклоэмалевый слой. Стекла, используемые для формирования изолирующего и защитного слоев содержат в своем составе оксиды щелочных металлов в количестве до 19 мас.

Недостатком данного резистивного элемента является низкое качество электроизоляции при повышенных температурах вследствие того, что ионы щелочных металлов слабо связаны в структурной сетке стекла. Другой недостаток резистивного элемента обусловлен использованием в конструкции ленты из нихрома. В процессе вжигания под нихромовой лентой остаются скрытые воздушные полости, приводящие к электрическому пробою.

Цель изобретения повышение надежности толстопленочного резистивного элемента путем увеличения величины сопротивления изоляции при рабочих температурах до 500^оС.

Цель достигается тем, что в известном резистивном элементе, содержащем стальную подложку с последовательно размещенными на ней изолирующим и защитным стеклосодержащими слоями, между которыми расположен резистивный слой, в качестве материала стеклосодержащего изолирующего слоя и защитного слоя использована паста на основе бесщелочного кристаллизующего стекла и паста, содержащая бесщелочное стекло с керамическим наполнителем соответственно, а в качестве материала резистивного слоя паста на основе порошка никеля с добавками порошка хрома или нихрома и стеклосвязующего.

Использование бесщелочных стекол в составе изолирующего и защитного слоев приводит к укреплению структурной сетки стекла и улучшает электрическую изоляцию при повышенных температурах. При вжигании изолирующего слоя происходят одновременно процессы оплавления стекла и его кристаллизации. Выделение кристаллической фазы в изолирующем слое имеет следующие положительные стороны: во-первых, дополнительно снижается при повышенных температурах подвижность ионов-модификаторов, входящих в состав стекла, во-вторых, становится возможной многократная термообработка изолирующего слоя без его размягчения, что снижает процессы взаимной диффузии изолирующего и резистивных слоев.

В предлагаемом толстопленочном резистивном элементе в качестве материала резистивного слоя использована паста на основе порошка никеля с добавками порошка хрома или нихрома и стеклосвязующего. Использование композиционной толстопленочной пасты позволяет сформировать резистивный слой, не препятствующий удалению воздушных включений из-под резистивного слоя, вследствие чего улучшается электрическая прочность изоляции. Кроме того, спай двух слоев изолирующего и резистивного, полученных по единой технологии композиционных толстопленочных материалов, повышает устойчивость толстопленочного резистивного элемента к циклической смене температур.

Варьирование соотношения никеля и хрома или никеля и нихрома в проводящей фазе позволяет изменять в широких пределах удельное сопротивление резистивного слоя. Дополнительное изменение удельного сопротивления резистивного слоя достигается при изменении соотношения проводящей фазы и стеклосвязующего.

Использование в качестве материала стеклосодержащего защитного слоя бесщелочного стекла с керамическим наполнителем позволяет повысить надежность толстопленочного резистивного элемента как за счет отсутствия ионов щелочных металлов, так и за счет снижения подвижности ионов других элементов в присутствии керамического наполнителя.

Толстопленочный резистивный элемент изготавливают следующим образом.

Первоначально изготавливают диэлектрическую, резистивную и защитную пасты. Пасты изготавливают по известной технологии: производят помол основной функциональной части пасты до величины частиц 3-15 мкм, смешивают полученный порошок с органическим связующим до получения гомогенной массы, после чего пасту тщательно перетирают на валковой пастотерке.

В качестве подложки толстопленочного резистивного элемента берут жаропрочную сталь марок 15х25Т или 20х13.

Перед нанесением изолирующего слоя поверхность подложки протравливают в соляной кислоте или подвергают пескоструйной обработке, тщательно промывают и сушат. На подготовленную таким образом стальную подложку наносят диэлектрическую пасту методом трафаретной печати. Пасту сушат в сушильном шкафу при температуре 130-160^оС в течение 10-15 мин. После сушки пасту вжигают в конвейерной печи при температуре 800-820^оС. Длительность цикла вжигания составляет 55-70 мин, время нахождения при максимальной температуре 10-15 мин. Для обеспечения надежной электрической изоляции стеклосодержащий изолирующий слой наносят в 3-4 слоя до толщины 130-150 мкм.

После завершения формирования изолирующего слоя наносят резистивную пасту по заданной технологии. Нанесенную резистивную пасту сушат в сушильном шкафу при температуре 130-160^оС в течение 10-15 мин. Резистивный слой наносят толщиной 30-70 мкм. Для обеспечения заданной толщины нанесение проводят за один или два цикла трафаретной печати с промежуточной сушкой по указанному режиму, после чего проводят совместное вжигание. Вжигание резистивного слоя проводят в конвейерной печи в атмосфере азота при температуре 800-820^оС. Длительность цикла вжигания составляет 25-30 мкм, время нахождения при максимальной температуре 5-7 мин.

Защитную пасту наносят в один слой толщиной 30-70 мкм, сушат в сушильном шкафу при температуре 130-160^оС в течение 10-15 мин и вжигают в конвейерной печи на воздухе. Максимальная температура вжигания зависит от типа используемого в защитной пасте стекла (см. табл. 4) и находится в диапазоне 590-800^оС. Длительность цикла вжигания 45-60 мин, время нахождения при максимальной температуре 10-15 мин.

Для формирования изолирующего слоя используют преимущественно стекла бариевомагниевоборосиликатной системы. В табл. 1 представлены составы кристаллизующихся стекол для стеклосодержащего изолирующего слоя и составы диэлектрических паст.

В табл. 2 представлены составы паст для формирования резистивного слоя и их параметры.

В табл. 3 представлены составы стекол для защитных паст.

В табл. 4 представлены составы защитных паст и соответствующие им температуры вжигания защитного слоя.

В табл. 5 представлены сравнительные данные по величине сопротивления изоляции предлагаемого толстопленочного резистивного элемента и прототипа.

Таким образом, предлагаемое техническое решение существенно превосходит известное по величине сопротивления изоляции при температуре 500^оС и отвечает требованиям международных стандартов по электробезопасности.