陶瓷加热器以及具有该加热器的电热塞 【技术领域】
本发明涉及陶瓷加热器和具有陶瓷加热器的电热塞。更特别地，本发明涉及电压耐受性优良并有利于发动柴油机或类似物的陶瓷加热器，以及具有该加热器的电热塞。
背景技术
传统上，在发动柴油机或类似物时使用罩式(sheathed)加热器，其中在有底的圆柱金属罩内设置被埋置在保温粉内的发热线圈。然而，在罩式加热器中，因为发热线圈被埋置在保温粉内，所以导热性低，提升温度需要较长的时间。因此，近年来，开发出了陶瓷加热器，其提高了导热性，并且能够通过埋置有发热电阻器的结构快速增温，该发热电阻器的主要组分包括导电陶瓷，例如碳化钨或者二硅化钼，和氮化硅，其位于由氮化硅陶瓷构成并且在高温下具有优良抗腐蚀性的基体内。这种陶瓷加热器特别地用在电热塞或类似物中，其中温度高达1200℃或者更高。
在生产陶瓷加热器的发热电阻器时，稀土氧化物被添加作为导电陶瓷和氮化硅地烧结添加剂，从而在导电陶瓷晶相和氮化硅晶相之间形成晶界。当该晶界内存在熔点较低的玻璃相时，陶瓷加热器的耐久性和其他性能会恶化。随后，通常会沉淀晶相，例如二硅酸盐晶相(RE2Si2O7；RE表示稀土元素)或者单硅酸盐晶相(RE2SiO5)(例如参考JP-A No.11-214124)。
然而，在发热电阻器的整个晶界上均匀地沉淀晶相是很困难的，因此，晶相仅在部分的晶界上沉淀，并且不参与结晶的成分仍然保持玻璃相。结果会有下面的情况，其中当向陶瓷加热器施加电流时，发热电阻器内会产生电传导缺陷，发热电阻器的电阻值容易升高，从而不可能将温度提高到预定的水平。
本发明的一个目的是解决这些传统的问题，并提供一种陶瓷加热器，其能够防止发热电阻器由于施加电流导致的电传导缺陷，并具有优良的电压耐受性。
【发明内容】
根据本发明的陶瓷加热器包括绝缘陶瓷基体材料和埋置在绝缘陶瓷基体材料内的发热电阻器，其特点在于，发热电阻器的主要组分包括氮化硅，导电化合物和晶界无定形玻璃相；加热电阻器中含有的稀土元素，按其氧化物(RE2O3；RE表示稀土元素)计算，其比例小于2％摩尔；并且，当稀土元素按其氧化物计算的摩尔数用A表示，加热电阻器中含有的多余氧按二氧化硅计算的摩尔数用B表示时，从下面公式(1)计算出的R值为0.3或者更小：
R＝A/(A+B) (1)
进一步，在根据本发明的陶瓷加热器中，导电化合物可以是氮化钨或者硼化锆。
再进一步，在根据本发明的陶瓷加热器中，加热电阻器中导电化合物的体积含量为20-30％。
再进一步，在根据本发明的陶瓷加热器中，稀土元素的氧化物可以是Er2O3和/或Yb2O3。
根据本发明的电热塞的特点是，其包括根据本发明的陶瓷加热器。
该“绝缘陶瓷基体材料”能够根据目的从各种类型的绝缘陶瓷烧结体中选择。一个实例是以氮化硅为主要组分构成的绝缘陶瓷基体材料，其中氮化硅被烧结形成氮化硅烧结体。这里，前述的“以氮化硅为主要组分”的意思是，氮化硅烧结体所含所有组分中量最大的组分是氮化硅。更明确地讲，例如，当绝缘陶瓷基体材料的全部重量被定义为100％质量时，氮化硅的质量比可以是40％或者更多，优选的质量比为50％或者更多，更优选的质量比为60％或者更多，再优选的质量比为70％或者更多，特别优选的质量比为80％或者更多。氮化硅烧结体可以包括氮化硅晶体和晶界无定形玻璃相，除这些组分之外，在晶界上还可以沉淀晶相(例如，二硅酸盐晶相)。进一步，氮化硅烧结体可以含有氮化铝、氧化铝、硅铝氧氮陶瓷等。
前述的“发热电阻器”是指导电陶瓷，其能够通过首先向氮化硅和导电化合物添加含有稀土元素的烧结添加剂，然后烧结该最终的混合物而获得。该发热电阻器的主要组分包括氮化硅、导电化合物和晶界无定形玻璃相，并且被埋置在绝缘陶瓷基体材料内。这里，前述的“主要组分”是指除了不可避免的杂质和极少的晶相之外的组分，其中杂质的含量仅为几十ppm的量级，晶相的含量少到通常不能通过X-射线检测到。
在根据本发明的陶瓷加热器中，发热电阻器中稀土元素的量按其氧化物计算小于2％摩尔，优选地为1.9％摩尔或者更少，更优选地为1.8％摩尔或者更少，再优选地为0.5-1.8％摩尔，特别优选地为0.8-1.8％摩尔。这里，前述的“稀土元素按其氧化物计算的量”是指稀土元素氧化物(RE2O3)的量，其稀土元素组分等于发热电阻器中所含的稀土元素组分。通过使发热电阻器中所含稀土元素按其氧化物的量小于2％摩尔，从而使发热电阻器的晶界具有均匀的以无定形玻璃相为主要组分的晶体结构，能够制备出具有优良电压耐受性的陶瓷加热器。进一步，为了保证电阻发热体的烧结性，优选地使稀土元素按其氧化物的量为0.5％或者更多。当发热电阻器中含有的稀土元素按其氧化物计算的量为2％或者更多时，在氮化硅和导电化合物之间的晶界内会沉淀晶相，然后有时会产生局部不均匀的晶体结构；因此，这一数量是不可取的。特别地，发热电阻器的晶界优选地只由无定形玻璃相构成。发热电阻器的晶界只由无定形玻璃相构成的状态是指，当通过使用下述测量装置和测量方法执行X-射线衍射测量时，不会出现除氮化硅和导电化合物之外的组分的X-射线衍射谱。
在发热电阻器中，晶界在氮化硅和导电化合物之间形成。当该晶界上存在熔点较低的玻璃相时，陶瓷加热器的耐久性等会恶化，因此，通常导致二硅酸盐等的晶相沉淀。然而，通常晶相仅沉淀在晶界相体积较大的位置、晶界三倍点或者多晶界处。除此之外的位置，也就是双晶界处，晶界相的厚度极小，处于几纳米的量级，使得晶相难以形成。出于这个原因，只形成部分的晶界相，而在其它部分则存在无定形玻璃相，其来自于不参与结晶的稀土元素。出于这个原因，晶界具有局部的不均匀晶体结构，其有时恶化电压耐受性。
另一方面，在根据本发明的陶瓷加热器中，通过使发热电阻器中含有的稀土元素量按其氧化物计算小于2％摩尔，从而使发热电阻器的晶界具有均匀的以无定形玻璃相为主要组分的晶体结构，能够制备出具有优良电压耐受性的陶瓷加热器。
进一步，在根据本发明的陶瓷加热器中，当稀土元素按其氧化物计算的摩尔数用A表示，加热电阻器中含有的多余氧按二氧化硅计算的摩尔数用B表示时，从前述公式(1)计算出的R值为0.3或者更小，优选地为0.25或者更小，更优选地为0.22或者更小。通过将摩尔百分数控制在上述数值，即使晶界相以无定形玻璃相为主要组分，也能够制备出具有优良电压耐受性的陶瓷加热器。当R大于0.3，通过发热电阻器提供的电流使发热电阻器局部破损形成空气隙或类似物，结果，发热电阻器的电阻值会趋向于增高，从而不可能使温度提升到预定的温度；因此，该R值是不可取的。现在，前述的“空气隙”是指，在发热电阻器中形成的孔形中空部分(见图3)。然而，当R值为0.1或者更大时，发热电阻器的烧结即可充分进行；因此，该数值是可取的。出于这个原因，R值为0.1或者更大，优选地为0.15或者更大，特别优选地为0.2或者更大。也就是说，R值的范围为0.1-0.3，更优选地为0.15-0.3。
进一步地，前述“多余氧”是指，从发热电阻器的总含氧量中减去稀土氧化物含氧量后剩余的氧。进一步地，前述“多余氧按其氧化物计算的量”是指，由前述多余氧的量换算成的二氧化硅(SiO2)的量。
导电化合物不仅限于任何特殊的类型，只要是具有导电性的化合物即可。这种导电化合物的实例包括：无机导电化合物例如碳化物、硼化物、硅化物和像属于4a，5a和6a族的金属，例如碳化钨和硼化锆。这些化合物可以单独使用或者任意组合地使用。碳化钨和硼化锆比氮化钛、硅化钼等具有更小的热膨胀系数。因此，当用碳化钨和硼化锆作为导电化合物时，散热电阻器和绝缘陶瓷基体材料，特别是以氮化硅为主要组份的绝缘陶瓷基体材料之间的热膨胀系数之差较小，从而能够进一步提高电压耐受性。
而且，导电化合物的体积含量优选地为20-30％，但并不仅限于此，其中发热电阻器的体积为100％。当导电化合物(heat-generatingresistor)的体积含量为20％或者更多时，发热电阻器中的导电路径增加，从而防止了电传导缺陷；因此，这个数量是可取的。当导电化合物(heat-generating resistor)的体积含量为30％或者更少时，发热电阻器中的热膨胀/收缩降低，从而绝缘陶瓷基体材料与发热电阻器热的膨胀之间的差异变小。结果，如果陶瓷加热器重复发热和冷却的循环，则在发热电阻器中不容易出现由于热疲劳导致的裂纹，从而防止了电传导缺陷；因此，这个情况是可取的。特别地，当陶瓷加热器在垂直于陶瓷加热器长度方向上的横截面积为3-20mm2，在垂直于电流供应方向上的横截面积为0.07-0.8mm2时，趋向于产生裂纹。出于这个原因，特别优选使用上述的碳化钨或者硼化锆作为导电化合物，且进一步其体积含量为20-30％。这里，“裂纹”是指横贯电阻发热体的裂纹(见图4)。
前述稀土元素既可以单独使用也可以任意组合地使用。例如，能够使用Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Er、Yb或者Lu，或者其组合。进一步，作为这些稀土元素的特殊实例，可以使用Er和/或Yb(当以其氧化物表示时，Er2O3和/或Yb2O3)。
进一步，根据本发明的陶瓷加热器能够安装用于从外部向发热电阻器供应电流的导线，其中发热电阻器被埋置在绝缘陶瓷基体材料内。此外，根据本发明的陶瓷加热器制造方法并不受任何特殊的限制，且可以选择任何方法。
【附图说明】
图1是用于解释根据本发明的电热塞的示意性剖面图，其安装有根据本发明的陶瓷加热器；
图2是用于解释根据本发明的电热塞陶瓷加热器部分的部分放大剖面图；
图3是显示在发热电阻器内产生的空气隙实例的光学显微图像副本；和
图4是显示在发热电阻器内产生的裂纹实例的光学显微图像副本。
【具体实施方式】
下面参考图1和2详细地解释根据本发明的陶瓷加热器和电热塞。
1.陶瓷加热器和电热塞的构成
如图1和2所示，根据本发明的电热塞2安装有根据本发明的陶瓷加热器，其包括沿着电热塞轴线方向延伸的圆柱形外筒12、位于外筒12的后端(图1中的上侧)并沿着其轴线方向用于固定外筒后部的圆柱形金属配件11、插在外筒12内的陶瓷加热器2、和在金属配件11的后端并沿着电热塞的轴线以绝缘状态布置的终端电极15。
外筒12用耐热材料制成，且其末端部分的外圆周面(外筒的后部)被铜焊于金属配件11前端的内圆周面上。金属配件11用碳钢制成，并且在后端沿着其轴线方向形成了用于和扳钳耦合的六角形部分14。进一步，在六角形部分14前面的外圆周面上沿着其轴线方向形成了外螺纹13，用于将电热塞通过螺纹连接固定在柴油机的燃烧室内。
如图2所示，在陶瓷加热器2中，发热电阻器22和引线导线23和24被埋置在用氮化硅陶瓷制成的基体材料21内。发热电阻器22是U形的棒。
导线23和24的每一个都用直径为0.3mm的钨制成。这些导线的末端与发热电阻器22的末端相连，这些导线的另一个末端暴露在基体材料21的外圆周面上，一个在基体材料21的中间，一个在后端。进一步，用于这些导线23和24的材料可以不是钨，只要其电阻率低于发热电阻器即可。导线23和24的适当材料包括：氮化硅和碳化钨的混合物和以碳化钨、硅化钼等为主要组分的材料。
2.陶瓷加热器和电热塞的制造方法
根据下面说明的方法，制造了如下文中表1和2所示的陶瓷加热器2的样品1-15。下文中，制造了分别安装有如表1和2所示陶瓷加热器2的样品1-15的电热塞。表1和2中显示的星号“*”表示对照样品。
(1)发热电阻器生坯(unfired)的制备
称取平均粒径为0.5-1.0μm的碳化钨、硼化锆、氮化钛和二硅酸钼，平均粒径为0.5-20μm的氮化硅和平均粒径为大约1.0μm的烧结添加剂，使它们的各自比例如表1和2所示，然后在球磨机内在潮湿状态下混合40小时，借此获得混合物。对于烧结添加剂，选用Er2O3和Yb2O3。
随后，用喷雾干燥方法(spray dry method)干燥所获得的混合物，制备出颗粒状粉末。
按体积比40-60％向所获得的颗粒状粉末添加粘合剂并在揉搓机(kneader)内揉搓10小时。对于粘合剂，能够使用无规则聚丙烯、微结晶石蜡和乙烯-乙烯基醋酸盐共聚物(ethylene-vinyl acetatecopolymer)。
之后，用造球机处理最终的揉搓混合物，制造尺寸大约为3mm的晶粒。
进一步，将导线23和24布置在注射成型模(injection moldingdie)的各个预定位置，用所制造的晶粒填充成型注射设备并注入晶粒，借此形成发热电阻器生坯，其与导线23和24的末端相连。
(2)陶瓷加热器的制备
称取平均粒径为1.0μm的氮化硅、烧结添加剂和添加剂，使它们的各自比例如表1和2所示，它们在球磨机内在潮湿状态下混合在一起，向最终的混合物内添加粘合剂，并通过喷雾干燥方法获得粉末混合物。对于烧结添加剂，可使用Er2O3、V2O5、WO3、Yb2O3、SiO2和Cr2O3的组合。对于添加剂，可使用MoSi2、CrSi2和SiC的组合。
随后，将发热电阻器生坯埋置在所获得的混合粉末内并进行压力成型，借此获得烧结基体材料的形成体。之后，所获得的形成体在800℃的氮气氛下脱蜡1小时，然后，通过热压方法在1750℃的温度和24MPa的压力下烧结90小时，借此获得烧结体。在这种情况下，烧结体的冷却速度为10℃/min，直到烧结体冷却到1400℃为止。
通过打磨适当地成型所获得的烧结体，使之不仅具有直径为3.5mm的棒状形状，还使每个导线23和24的一个末端暴露在其表面上，借此获得陶瓷加热器2。
(3)电热塞的制备
在将外筒12铜焊于所获得的陶瓷加热器2的外圆周表面上之后，外筒的后部沿着金属配件11的轴线插入到金属配件的前端，然后进行银焊。进一步，通过绝缘体或螺母将末端电极15固定在金属配件11的后端，借此获得电热塞1。
3.各种分析参数的测量
对于表1和2所示发热电阻器样品1-15中的发热电阻器，测量了所含稀土元素按其氧化物的含量(摩尔百分数)、R值[(RE2O3/RE2O3+SiO2)摩尔数的比率]和导电化合物的含量(摩尔百分数)。结果如表1和2所示。
稀土元素按其氧化物的量通过如下方法计算。首先，沿着一个平面将陶瓷加热器切为两半，在该平面上存在发热电阻器的横剖面，然后，用X-射线能谱仪(energy dispersive X-ray analyzer)(商品名：EX-23000BU；Nippon Denshi K.K.生产)分析暴露出的发热电阻器表面，以获得发热电阻器中稀土元素的质量比。接着，计算稀土元素按其氧化物(RE2O3)的质量比作为由所得稀土元素的质量比换算出的稀土元素氧化物的数值，借此获得稀土元素按其氧化物的量(摩尔百分数)。
进一步，前述公式(1)中的R值通过如下的方法计算而得。首先，通过刮削陶瓷加热器只获得发热电阻器本身，然后碾压并用氧氮分析仪(商品名：EMGA-650；Horiba公司制造)进行分析，借此获得发热电阻器中氧的总量。接着，沿着一个平面将与已获得含氧量的陶瓷加热器用相同的组分并在相同的条件下制备的陶瓷加热器切为两半，在该平面上存在发热电阻器的横剖面。之后，发热电阻器的暴露表面用X-射线能谱仪(商品名：EX-23000BU；Nippon Denshi K.K.生产)进行分析，从而获得发热电阻器中稀土元素的质量比。接着，计算稀土元素按其氧化物(RE2O3)的质量比作为由所得稀土元素的质量比换算出的稀土元素氧化物的数值，借此获得稀土元素按其氧化物的量(摩尔百分数)。进一步，前述的多余氧按其氧化物(SiO2)的质量比通过从发热电阻器的总含氧量中减去相应于稀土元素量的含氧量计算而得，然后，将残余氧量换算成二氧化硅(SiO2)的量。
在上述的方法中，能够计算出发热电阻器中稀土元素氧化物(RE2O3)的计算量与二氧化硅(SiO2)的计算量的质量比，然后，根据所计算的质量比，计算出发热电阻器中RE2O3和SiO2相应的摩尔数A和B。之后，根据所计算的RE2O3和SiO2的摩尔数A和B，确定公式(1)中的R值。
进一步，导电化合物的含量(体积百分数)通过下述方法计算。沿着存在发热电阻器横剖面的平面将陶瓷加热器切为两半，然后，用镜面抛光机(mirror-polishing machine)(商品名：REFINEPOLISHER；Refine Tec有限公司生产)镜面抛光暴露出的发热电阻器表面。经过镜面抛光的表面用电子束探针微分析仪(商品名：JXA8800M；Nippon Denshi K.K.生产)以X200的放大视场进行分析。特别地，计算视场中导电物质(钨、锆、钛和钼)含量较高区域的面积比，然后确定发热电阻器中导电化合物的含量(体积百分数)。
进一步，表1和2所示陶瓷加热器样品1-15中的各个发热电阻器用X-射线能谱装置在如下条件下进行分析(主要部分：商品名：ROTORFLEX；Rigaku公司生产；控制部分：商品名：RINT2000；Rigaku公司生产)：
X-射线源：CuK-α1/40kV/100mA；
叉分切口(divergence slit)：1度；
散射切口：1度；
接收切口：0.3mm；
扫描速度：10度/min；
扫描步幅：0.02度；和
2θ：10-70度。
据发现，在所有样品中，未发现除氮化硅和导电化合物之外的X-射线衍射谱，因此，晶界仅由无定形玻璃相构成。
4.电压耐受性测试
耐受性测试用如下的电热塞进行，其安装有下面表1和2中所示的陶瓷加热器样品1-15。
在电压耐受性测试中，如下的循环重复150,000次(即150,000个循环)：供应电压从而在开放空间的室温下使陶瓷加热器2的最大温度达到1350℃，供应电流1分钟，随后停止供电30秒。在重复期间，同时测量陶瓷加热器的电阻值。当这样测得的电阻值超过大于初始电阻值的预定值时，便认为出现了电传导缺陷，然后，此时的循环数目被定义为电压耐受值。结果如表1和2所示。进一步，表1和2所示项目“＞150000”是指，经过150000个周期的发热电阻器的电阻值仍然保持在预定的范围内。再进一步，电压耐受性的判据设定如下：
OO：电传导的周期数为150000周期或者更多；
O：周期数为10000至小于150000个周期；和
X：周期数小于10000个周期。
进一步，当陶瓷加热器2的耐受性不足时，在发热电阻器22中便会产生电传导缺陷、空气隙或者裂纹，并且电阻值会增加。这样，在经过电压耐受性测试后的每个样品1-15中，沿着某平面的长度方向将陶瓷加热器2切为两半，在该平面上存在发热电阻器的横剖面，然后，抛光该横截面，之后，用光学显微镜观察被抛光的横截面，借此判断存在或者不存在电传导缺陷(存在或不存在空气隙或者裂纹)。特别地，当用光学显微镜(商品名：STEREOSCOPIC MICROSCOPESMC-1500；Nikon公司生产)观察发热电阻器的横截面时，观察是否生成图3所示的空气隙或者是否生成图4所示的横贯发热电阻器的裂纹。存在或者不存在这种电传导缺陷如表1和2所示。
表1 样品 1 2 3 *4 *5 *6 *7 基体材料重量比 Si3N4 85 Er2O3 9 V2O5 1 WO3 2 MoSi2 3 发热电阻器重量比 WC 55 63.35 67.31 60.75 61.46 61.4 60.75 Si3N4 40.05 31.21 27.42 32.71 33.1 30.6 34.25 Er2O3 4 3.94 3.75 - 4.94 6.1 4.3 Yb2O3 - - - 5.61 - - - SiO2 0.95 1.5 1.52 0.93 0.5 1.9 0.7稀土元素按其氧化物的量(mol％) 1.75 1.75 1.69 2.47 2.23 2.73 1.92值R 0.29 0.21 0.23 0.33 0.37 0.28 0.31导电化合物的量(vol％) 20.6 27.0 30.7 25.5 25.8 26.0 25.5电周期(次数) ＞150000 ＞150000 122500 4300 27300 32700 18600电压耐受性判断 OO OO O X X X X存在或不存在空气隙 不存在 不存在 不存在 存在 存在 存在 存在存在或者不存在裂纹 不存在 不存在 存在 存在 存在 存在 存在
表2 样品 8 9 *10 *11 12 13 14 *15 基体材料重量比 Si3N4 66 64 Yb2O3 21.5 24 SiO2 1.5 2 Cr2O3 1 - CrSi2 8 8 SiC 2 2 发热电阻器重量比 WC 69.4 65.24 58.03 65.09 - - - - ZrB2 - - - - 37.3 - - 40.75 TiN - - - - - 32.81 - - MoSi2 - - - - - - 40.2 - Si3N4 26.99 29.32 31.25 29.25 57.1 62.19 53.8 50.85 Yb2O3 2.89 3.94 8.93 4.72 4.2 3.95 4.5 7.4 SiO2 0.72 1.5 1.79 0.94 1.4 1.35 1.5 1稀土元素按其氧化物的量(mol％) 1.29 1.71 3.92 2.08 1.37 0.99 1.65 2.45R值 0.28 0.22 0.35 0.31 0.22 0.21 0.23 0.39导电化合物的量(vol％) 32.6 28.8 24.2 29.0 24.5 22.6 23.5 28.1电周期(次数) 147500 ＞150000 10000 83700 ＞150000 121400 105300 2850电压耐受性评估 O OO X X OO O O X空气隙 不存在 不存在 存在 存在 不存在 不存在 不存在 存在裂纹 存在 不存在 不存在 不存在 不存在 存在 存在 存在
5.电压耐受性测试结果
如表1和2所示，在样品1-3、8-10和12-14中每个样品的陶瓷加热器中，其中发热电阻器中所含稀土元素按其氧化物的量小于2％摩尔，且前述的R值为0.3或者更小，发热电阻器尽管经过了100000次甚至更多的电周期，但其电阻值仍然保持在允许的范围内，没有观察到空气隙。根据这些发现，认为根据本发明的陶瓷加热器在电热塞的通常使用周期内不产生电传导缺陷，因此电压耐受性优良。特别地，在样品1、2、9和12的陶瓷加热器中，其中发热电阻器所含的导电化合物是碳化钨或者硼化锆，且其体积含量为20-30％，据发现，尽管陶瓷加热器经过了150000次电周期，但其电阻值仍然保持在允许的范围内，显示该陶瓷加热器具有优良的电压耐受性。
另一方面，样品4-7、10、11和15的陶瓷加热器在达到10000次电周期之前就陷入了电路受损状态。进一步，在观察发热电阻器的横截面时，观察到了空气隙，因此，它显然出现了电传导缺陷。
根据这些发现，对于如下的陶瓷加热器，其中所埋置的发热电阻器由氮化硅和碳化钨或者硼化锆的混合材料构成并且具有导电性，认为使发热电阻器中稀土元素的含量较小，从而不仅使晶界相具有由无定形玻璃相构成的均匀晶体结构，而且将前述的R值控制在特定的范围内或者更小是很重要的。
对于为什么当前述的R值处于特定的范围内时，尽管晶界相为无定形玻璃相但陶瓷加热器仍具有优良的电压耐受性的原因，猜测如下。
稀土离子存在于网络结构的晶界无定形玻璃相内，当供应电流时，发热电阻器开始具有高温，然后稀土离子开始处于能够沿着晶界无定形玻璃相的电场方向移动的状态。当稀土离子的数量较大时，那么稀土离子会局部凝结，并会产生许多不能够维持电中性的区域。这样，在局部产生绝缘性破坏和不正常电流。该不正常电流导致发热电阻器破损，借此导致电传导缺陷。
另一方面，当稀土离子的数目较小时，晶界无定形玻璃相结合被破坏的区域数目变小，从而稀土离子不会过多聚积。因此不会产生局部绝缘破坏，从而电压耐受性优良。
进一步，应当理解，本发明并不仅限于前述的特殊实施例，且根据目的和应用加以修改的实施例也包括在本发明的范围之内。
工业应用
根据本发明的陶瓷加热器，发热电阻器以氮化硅、导电化合物和晶界无定形玻璃相为主要组分，那么，通过使该发热电阻器中含有的稀土元素按其氧化物的量和该发热电阻器中含有的稀土元素和多余氧的摩尔数处于由相关公式确定的范围内，其中公式按其各自氧化物的量加以表示，能够防止发热电阻器由于供应电流导致的电传导缺陷，从而陶瓷加热器具有优良的电压耐受性。
进一步，根据本发明的电热塞，通过安装前述的陶瓷加热器，该陶瓷加热器也具有优良的电压耐受性。