陶瓷结构体的制作方法_5

文档序号:8547395阅读:来源:国知局
坯蜂窝结构体的直径可通过选择具有所需尺寸和形状的挤出机模具来确定。挤 出后,将挤出体切割成适当长度的小块,以获得所需形式的生坯蜂窝结构体。用于该步骤的 合适的切割工具(例如钢丝钳)对于本领域技术人员而言是已知的。
[0164] 在烧结之前,可根据本领域已知的方法(例如微波干燥、热风干燥)来使挤出的 生坯蜂窝结构体干燥。作为另外一种选择,干燥步骤可以通过以下方式进行:在人工气候 室中,于20°C~90°C的预定温度下,将生坯蜂窝结构体暴露于湿度受控的氛围一段较长时 间,其中,以逐步减小周围空气的湿度,同时相应地升高温度。例如,一种用于本发明的生坯 蜂窝结构体的干燥程序如下:
[0165] ?在室温下保持高于约70 %的相对空气湿度2天;
[0166] ?在50°C下保持高于约60%的相对空气湿度3小时;
[0167] ?在75°C下保持高于约50%的相对空气湿度3小时;并且
[0168] ?在85°C下保持低于约50%的相对空气湿度12小时。
[0169] 然后在常规烘箱或窑炉中加热经干燥的生坯蜂窝结构体,以制备陶瓷材料。一般 而言,任何适于使被加热物经受预定温度的烘箱或窑炉都适用于本发明的方法。
[0170] 当生坯蜂窝结构体包含有机粘结剂化合物和/或有机助剂时,通常在将该结构 体加热至最终烧结温度之前,将该结构体加热至200°C~400°C、例如约200°C~300°C的 温度,并且要将该温度保持一段足以通过燃烧除去有机粘结剂和辅助化合物的时间(例如 1~3小时)。例如,一种用于制造本发明的陶瓷蜂窝结构体的加热程序如下:
[0171] ?以0. 5°C /分钟的加热速率由环境温度加热至250°C ;
[0172] ?保持250°C的温度至多约2小时;
[0173] ?以2. 0°C /分钟的加热速率加热至最终烧结温度;并且
[0174] ?保持该最终烧结温度约1小时~约4小时。
[0175] 蜂窝结构体可以在1200 °C~1700 °C、或约1250 °C~1650 °C、或约1350 °C~ 1650°C、或 1400°C ~1600°C、或约 1450°C ~1600°C、或约 1500°C ~1600°C 的温度下烧结。 在某些实施方式中,烧结步骤在约1520°C~1600°C、或约1530°C~1600°C、或约1540°C~ 1600°C、或约1550°C~1600°C的温度下进行。在某实施方式中,烧结温度低于约1575°C。
[0176] 对于陶瓷前体组合物包含较大量的莫来石形成组分/组合物和铝假板钛矿形成 组分/组合物的本发明的实施方式,例如本发明第三方面的陶瓷前体组合物,以上组分/组 合物经历化学反应,使得形成莫来石和铝假板钛矿。这些反应和所需的反应条件对于本领 域技术人员而言是已知的。W. Kollenberg(编)的教科书《Technische Keramik(技术陶 瓷)》(Vulkan-Verlag,Essen,德国,2004)中提供了综述,通过援引将其内容并入本文中。
[0177] 对于陶瓷前体组合物中已形成了至少部分莫来石和铝假板钛矿的实施方式,例如 本发明第四方面的陶瓷前体组合物,烧结过程中的竞争反应的数量降低,并且基本仅包括 一次和二次莫来石化。使用包含已形成的莫来石和铝假板钛矿的前体组合物的另一优点在 于,更好的控制这些矿物相在烧结的陶瓷组合物或蜂窝结构体中的量。
[0178] 烧结可以进行一段适当的时间并在适当的温度下进行,以使莫来石矿物相和铝假 板钛矿矿物相构成矿物相总重的至少约80 %,例如,矿物相总重的至少约85 %,或矿物相 总重的至少约90%,或矿物相总重的至少约92%,或矿物相总重的至少约94%,或至少约 96 %,或至少约97 %,或至少约98 %,或至少约99 %。
[0179] 陶瓷蜂窝结构体:
[0180] 在以上实施方式中所述的陶瓷蜂窝结构体中,最佳的孔径为5 μπι~30 μπι,或 10 μπι~25 μπι。根据陶瓷蜂窝的计划用途,特别是关于是否进一步浸渍陶瓷蜂窝结构体 (例如用催化剂浸渍)的问题,可以改变上述值。对于未浸渍的陶瓷蜂窝结构体,孔径通 常为7 μπι~15 μπι,而对于浸渍的结构体,在浸渍前该范围通常为10 μπι~25 μπι,例如, 15 μ m~25 μ m,或在浸渍前为约20 μ m~25 μ m。沉积在孔隙中的催化剂材料将导致原始 孔径减小。
[0181] 本发明的蜂窝结构体通常可包含多个沿长度方向并排排列的多个格室(cell),所 述格室被多孔隔壁分隔,并且以交替(例如呈棋盘状)的方式被封堵。在一个实施方式中, 蜂窝结构体的格室以重复的模式排列。格室可以是方形、圆、矩形、八角形、多角形或任何其 它形状,或者是适于以重复模式排列的多种形状的组合。可选的是,蜂窝结构体的一个端面 的开口面积可以不同于其另一端面的开口面积。例如,蜂窝结构体可以将一组大体积通孔 封堵以使其进气口侧的总开口面积相对较大,并将一组小体积通孔封堵以使其出气口侧的 总开口面积相对较小。
[0182] 在某些实施方式中,蜂窝结构体的格室根据W0-A-2011/117385中所述的结构排 列,通过援引将其整体内容并入本文中。
[0183] 本发明的蜂窝结构体的平均格室密度不受限制。陶瓷蜂窝结构体的格室密度可以 为6个格室/平方英寸~2000个格室/平方英寸(0. 9个格室/cm2~311个格室/cm2),或 50个格室/平方英寸~1000个格室/平方英寸(7. 8个格室/cm2~155个格室/cm2),或 100个格室/平方英寸~400个格室/平方英寸(15. 5个格室/cm2~62. 0个格室/cm 2)。
[0184] 本发明中将相邻格室分开的隔壁的厚度不受限制。隔壁的厚度可以为100微米~ 500微米,或200微米~450微米。
[0185] 此外,该结构体的外周壁优选比隔壁厚,并且其厚度可以为100微米~700微米, 或200微米~400微米。外周壁不仅可以是在成型时与隔壁一体化形成的壁,也可以是通 过将外周研磨成预定形状而形成的涂水泥壁。
[0186] 在某些实施方式中,陶瓷蜂窝结构体为模块形式,其中,根据本发明制备一系列陶 瓷蜂窝结构体,然后将其组合以形成复合陶瓷蜂窝结构体。该系列蜂窝结构体可以在烧结 之前以生坯状态组合,或者作为另外一种选择,可以单独烧结,然后组合。在某些实施方式 中,复合陶瓷蜂窝结构体可以包含一系列根据本发明制备的陶瓷蜂窝结构体和不根据本发 明制备的陶瓷蜂窝结构体。
[0187] 对于用作柴油机微粒过滤器的情况,可以通过封堵(即,使用额外的陶瓷体在预 定位置封闭蜂窝的某些开口结构)来进一步处理本发明的陶瓷蜂窝结构体或本发明的生 坯陶瓷蜂窝结构体。封堵方法因此包括:制备适当的封堵体,将封堵体施加到陶瓷或生坯蜂 窝结构体的所需位置,并对封堵的蜂窝结构体执行额外的烧结步骤,或在一个步骤中烧结 封堵的生坯蜂窝结构体,其中,封堵体被转化为具有适合用在柴油机微粒过滤器中的性质 的陶瓷封堵体。不要求陶瓷封堵体具有与蜂窝体的陶瓷体相同的组成。一般而言,可将本 领域技术人员已知的封堵方法和材料用于封堵本发明的蜂窝。
[0188] 随后可以将封堵的陶瓷蜂窝结构体固定在适于将该结构体安装在柴油发动机废 气管中的盒子中,所述柴油发动机为例如车辆(例如,汽车、卡车、货车、摩托车、挖掘机 (digger)、开凿机(excavator)、拖拉机、推土机和自卸卡车等)的柴油发动机。
[0189] 为免生疑问,本申请涉及以下编号的段落中所描述的主题:
[0190] 1. 一种陶瓷组合物,其包含:
[0191] 约25重量%~约60重量%的铝假板钛矿;
[0192] 约35重量%~约75体积%莫来石;
[0193] 约0重量%~约8重量%的氧化锆;
[0194] 约0重量%~约10重量%的钛酸锆;
[0195] 约0重量%~10重量%的非晶相;
[0196] 约0重量%~约5重量%的碱土金属氧化物;和
[0197] 约0重量%~10重量%的氧化铝(基于矿物相的总重计算);
[0198] 其中所述陶瓷组合物的孔隙率为约30%~约70% (基于矿物相和孔隙的总体积 计算)。
[0199] 2.如段落1所述的陶瓷组合物,其包含至少约40重量%的铝假板钛矿。
[0200] 3.如段落2所述的陶瓷组合物,其包含约45重量%~约55重量%的铝假板钛矿, 例如约45重量%~约50重量%的铝假板钛矿,或例如约50重量%~约55重量%的铝假 板钛矿。
[0201] 4.如前述编号的段落中任一段落所述的陶瓷组合物,其包含约40重量%~约60 重量%的莫来石。
[0202] 5.如段落4所述的陶瓷组合物,其包含约45重量%~约55重量%的莫来石,例如 约45重量%~约50重量%的莫来石,或例如约50重量%~约55重量%的莫来石。
[0203] 6.如前述编号的段落中任一段落所述的陶瓷组合物,其包含等于或小于约5. 0重 量%的所述非晶相,例如等于或小于约3. 0重量%,或等于或小于约2. 0重量%,或等于或 小于约1. 0重量%的所述非晶相。
[0204] 7.如前述编号的段落中任一段落所述的陶瓷组合物,其包含等于或小于约7重 量%的氧化铝,例如等于或小于约5重量%的氧化铝,或等于或小于约4重量%的氧化铝。
[0205] 8.如前述编号的段落中任一段落所述的陶瓷组合物,其包含不大于约5重量%的 氧化锆,例如不大于约3重量%的氧化锆,或不大于约2重量%的氧化锆,或不大于约1重 量%的氧化锆。
[0206] 9.如前述编号的段落中任一段落所述的陶瓷组合物,其中所述组合物具有约 35 %~约65%的孔隙率。
[0207] 10.如段落10所述的陶瓷组合物,其中所述组合物具有约35%~约45%的孔隙 率,例如约35%~约40%或约40%~约45%的孔隙率。
[0208] 11.如前述编号的段落中任一段落所述的陶瓷组合物,其中所述组合物具有至少 约I. 5MPa的破裂模量(MOR)和/或等于或小于约3. 5X 10_6°C H的热膨胀系数(CTE)。
[0209] 12.如前述编号的段落中任一段落所述的陶瓷组合物,其中所述组合物具有至少 约3. OMPa的MOR和/或等于或小于约3. OX 1(T6°C η的CTE。
[0210] 13.如前述编号的段落中任一段落所述的陶瓷组合物,其中所述组合物具有至少 约3. 5MPa的MOR和/或等于或小于约2· 5X 1(T6°C η的CTE。
[0211] 14.如前述编号的段落中任一段落所述的陶瓷组合物,其中所述组合物具有至少 约4. OMPa的MOR和/或等于或小于约2. OX 1(T6°C η的CTE。
[0212] 15.如编号的段落11~14中任一段落所述的陶瓷组合物,其中所述组合物的 M0R/CTE 之比大于约 9X10nPa. °C,例如大于约 I. 3X1012Pa. °C,或大于约 I. 5X1012Pa. °C。
[0213] 16.如前述编号的段落中任一段落所述的陶瓷组合物,其为蜂窝结构体的形式。
[0214] 17. -种适于烧结以形成如编号的段落1所述的陶瓷组合物的陶瓷前体组合物, 所述前体组合物包含:
[0215] 约20重量%~约55重量%的硅酸铝;
[0216] 约15重量%~约35重量%的二氧化钛和/或二氧化钛前体;
[0217] 约25重量%~约45重量%的氧化铝(Al2O3);
[0218] 0重量%~约5重量%的碱土金属氧化物和/或碱土金属氧化物前体;和
[0219] 0重量%~约15重量%的氧化锆和/或氧化锆前体。
[0220] 18.如编号的段落17所述的陶瓷前体组合物,其包含:
[0221] 约28重量%~约50重量%的硅酸铝;和/或
[0222] 约20重量%~约30重量%的二氧化钛和/或二氧化钛前体;和/或
[0223] 约38重量%~约45重量%的氧化铝;和/或
[0224] 约1重量%~约3重量%的碱土金属氧化物和/或碱土金属氧化物前体;和/或
[0225] 约1重量%~约4重量%的氧化锆或氧化锆前体。
[0226] 19.如编号的段落17或18所述的陶瓷前体组合物
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