火花塞陶瓷絕緣體高溫分流電阻的研究＊

王偉強 陳 龍 洪民富

（株洲湘火炬火花塞有限公司 湖南 株洲 412002）

前言

火花塞的作用是將高壓導線送來的脈沖高壓電放電，擊穿火花塞兩電極間空氣，而產(chǎn)生電火花以引燃氣缸內(nèi)的混合氣體，使發(fā)動機運轉(zhuǎn)起來?；鸹ㄈ慕Y(jié)構(gòu)主要包括接線螺桿、絕緣體、金屬殼體、中心電極和接地側(cè)電極等。其中，火花塞絕緣體材料通常由90%～95%高氧化鋁陶瓷組成，要求材料必須具備良好的絕緣性和導熱性、較高的機械強度，且能耐受高溫熱沖擊和化學腐蝕等。

火花塞絕緣體的分流電阻是指除了通過中心電極和側(cè)電極之間的跳火間隙通路電阻之外，也會通過中心電極和金屬殼體的陶瓷絕緣體的絕緣電阻。汽車發(fā)動機啟動后，火花塞絕緣體的溫度會隨著發(fā)動機溫度的升高而逐漸升高，高溫使得氧化鋁陶瓷中某些離子的遷移性增加，產(chǎn)生的小的泄漏電流通過陶瓷（陶瓷絕緣體）使分流電阻降低?；鸹ㄈ沾山^緣體分流電阻較低會使點火電壓部分施加在陶瓷絕緣體上，從而降低火花塞點火間隙處電壓，引起不能完全有效點火，從而降低發(fā)動機的性能，長期使用時將會導致火花塞積炭、污損，甚至導致絕緣被擊穿而失效，最終影響火花塞的使用壽命。

我公司自2006年成功收購美國德爾?；鸹ㄈS全套設備和技術(shù)后，已成為世界級的火花塞生產(chǎn)企業(yè)。但在長期的生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，與世界知名品牌的火花塞相比，我公司氧化鋁陶瓷絕緣體的高溫分流電阻相對較低，從而影響其性能和使用壽命。為此，我們開展了對火花塞絕緣體高溫分流電阻的研究，已取得了一定的成果。

1 實驗

1.1 原材料

實驗用原料有：不同Na2O含量的氧化鋁、高嶺土、碳酸鈣、滑石粉、乙二醇、聚乙烯醇（PVA）、乳化蠟、茶油酸、自來水等。

1.2 漿料和粉料的制備

將氧化鋁微粉、燒結(jié)助劑、助磨劑和水按配方比例稱量后加入球磨機，球磨到所需的粒度（D50）后，添加一定比例的增塑劑和粘結(jié)劑；測試漿料各項性能，合格后經(jīng)噴霧干燥造粒制得粉料。

1.3 試樣的制備

將制得的粉料經(jīng)等靜壓壓制成形并磨削成所需火花塞絕緣體的形狀，在實驗爐中高溫燒結(jié)即制得火花塞絕緣體；制得的火花塞絕緣體與接線螺桿、金屬殼體、中心電極等組裝后制得火花塞。火花塞的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 火花塞的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 The main structure of the spark plug

1.4 性能測試

將火花塞除去接地電極后，安裝在固定件上，置于電爐中。將電爐分別加熱到500℃、600℃和700℃，保溫20min，使用3005A數(shù)字式絕緣／導通電阻測試儀（日本共立儀器公司生產(chǎn)），在火花塞接線螺桿和金屬殼體之間測試火花塞陶瓷絕緣體的高溫分流電阻。給試樣加500V的直流電壓，1min后讀取電阻測量儀上的數(shù)據(jù)并記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化鋁中Na2O含量對試樣高溫分流電阻的影響

作為火花塞絕緣體主要原材料，氧化鋁（Al2O3）微粉中Na2O的含量對陶瓷絕緣體的高溫分流電阻具有重要的影響。表1為不同Na2O含量的氧化鋁制備試樣的高溫分流電阻的測試結(jié)果。從表1可以看出，隨著氧化鋁中Na2O含量的增加，試樣各溫度下分流電阻均有不同程度的下降。我公司采用Na2O含量為0.1%（質(zhì)量百分數(shù)，下同）的氧化鋁制得的火花塞絕緣體，高溫下分流電阻可到達國外某知名品牌的水平。

表1 氧化鋁中Na2O含量對試樣高溫分流電阻的影響Tab.1 Effect of Na2O content in alumina on shunt resistance of ceramic insulator at high temperature

坂野久夫［1］認為，高溫下氧化鋁陶瓷的電阻率主要由晶界的電阻率來決定。氧化鋁陶瓷晶界處存在玻璃相，玻璃的結(jié)構(gòu)比相同組分的晶相質(zhì)點間相互作用力小，所以帶電粒子遷移需要克服的勢能低，即遷移活化能低，因而玻璃體的電阻率比同一組成的晶體低。研究認為，玻璃相中電阻率是由于堿金屬離子的遷移造成的［2］，如 Na＋，其半徑小且為一價離子，激活能低，易遷移，故隨著Na＋含量的提高，氧化鋁陶瓷的電阻率降低。研究表明，氧化鋁陶瓷中堿金屬含量的數(shù)倍增加能夠?qū)е缕潆娮杪蕯?shù)百倍的降低［3］。因此，若要獲得高分流電阻的火花塞絕緣體，應嚴格控制氧化鋁以及燒結(jié)助劑等原材料中堿金屬的含量。

2.2 配方組成對試樣高溫分流電阻的影響

通過查閱相關(guān)資料，我們對原美國德爾福公司AC陶瓷配方組成進行了改進，降低配方組成中的SiO2的含量，將CaO的含量由33%提高至40%，以期提高產(chǎn)品高溫時的分流電阻。表2為改進前后試樣高溫分流電阻的測試結(jié)果，所使用的氧化鋁原材料中Na2O含量分別為0.1%和0.3%。

表2 改進前與改進后配方組成對試樣高溫分流電阻的影響Tab.2 Effect of formula composition on shunt resistance of ceramic insulator at high temperature

圖2 SiO2－CaO－MgO相圖Fig.2 The phase diagram of SiO2－CaO－MgO

從表2可以看出，不同溫度下，配方改進后試樣的分流電阻較改進前的試樣均有2倍以上的提高。按照查哈里阿森的玻璃無規(guī)則網(wǎng)絡學說，在SiO2形成的玻璃中，引入的二價堿金屬離子，如Ca2＋，其尺寸和質(zhì)量大、電荷較高、激活能較高，不僅自己不容易移動，且能夠堵住遷移通道，抑制Na＋等堿金屬離子的遷移［4～5］。因此，陶瓷配方中CaO含量的增加能夠提高產(chǎn)品的高溫分流電阻。同時，從圖2的SiO2－CaO－MgO相圖可知，當三者比例達到一定的范圍，燒結(jié)溫度達到1 450℃時，開始形成硅灰石（CaO·MgO·2SiO2）低共熔物，并隨著溫度的升高，液相逐漸增多，能迅速填充在剛玉晶體間隙里，促進陶瓷體燒結(jié)，抑制晶粒長大。通過計算我們改進了公司現(xiàn)有的配方，適當增加了CaO的含量，經(jīng)過對比試驗，結(jié)果表明高溫分流電阻有一定程度的提高，目前已經(jīng)大批量應用于實際生產(chǎn)過程中。經(jīng)過一段時間使用驗證，改進效果良好。

2.3 燒結(jié)溫度對試樣高溫分流電阻的影響

采用改進后的陶瓷配方，將氧化鋁原材料中Na2O含量控制為0.1%，我們還研究了燒結(jié)溫度對試樣高溫分流電阻的影響，實驗結(jié)果如表3所示。

表3 燒結(jié)溫度對試樣高溫分流電阻的影響Tab.3 Effect of sintering temperature on shunt resistance of ceramic insulator at high temperature

從表3可以看出，1500℃和1540℃時試樣各溫度下的高溫分流電阻均較低；燒結(jié)溫度超過1580℃時，試樣各溫度下的高溫分流電阻數(shù)值穩(wěn)定，能夠達到國外知名品牌產(chǎn)品的水平。分析其原因為，隨著燒結(jié)溫度的提高，玻璃相逐漸填充晶界缺陷，氣孔排出使得材料致密化，有利于抑制Na＋離子的遷移，從而提高了試樣的高溫分流電阻［6］。實驗證明，對于氧化鋁含量在93%～95%的氧化鋁陶瓷，1580～1600℃是最佳的燒結(jié)溫度。

3 結(jié)論

筆者研究了氧化鋁中Na2O含量、配方組成和燒結(jié)溫度對火花塞陶瓷絕緣體高溫分流電阻的影響，得到的結(jié)論如下：

1）火花塞絕緣體的高溫分流電阻隨著氧化鋁原材料中Na2O含量的增加而逐漸降低。若氧化鋁中Na2O含量在0.1%以下時，制得火花塞絕緣體的高溫分流電阻能夠達到國外先進水平。

2）配方組成中CaO含量的增加對火花塞絕緣體的高溫分流電阻的提高具有一定的促進作用。

3）火花塞絕緣體的高溫分流電阻隨著燒結(jié)溫度的逐漸升高而增大，氧化鋁含量為93%～95%的氧化鋁陶瓷，其最佳燒結(jié)溫度為1580～1600℃。

1 坂野久夫，著.最新精密陶瓷——從材料、制法到應用［M］.歷仁玉，譯.上海：同濟大學出版社，1990

2 Weyl W A，Marboe E C.The constitution of glasses：a dynamic interpretation［M］.John Wiley and Sons，1967

3 Binns D B.The use of ceramics in valves［M］.British Ceramic Research Association Special Pubication，1965

4 賀可音.硅酸鹽物理化學［M］.武漢：武漢大學出版社，1995

5 蔣文軍，李宏杰，衛(wèi)海民.流延成形A－96瓷機電性能改進［J］.全國性科技核心期刊——陶瓷，2010（6）：33～38

6 李宏杰.燒結(jié)溫度對氧化鋁陶瓷機電性能的影響［J］.全國性科技核心期刊——陶瓷，2010（12）：11～14