高孔隙率陶瓷的快速烧制方法

文档序号:9815857阅读:655来源:国知局
高孔隙率陶瓷的快速烧制方法
【专利说明】高孔隙率陶瓷的快速烧制方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请根据35U.S.C. §120要求于2013年7月26日提交的美国专利申请系列号13/ 951802的优先权,本文以该申请为基础且该申请的全部内容通过引用纳入本文。
[0003] 背景
[0004] 领域
[0005] 本发明总体上涉及对陶瓷体生坯的烧制,更具体而言,涉及对堇青石陶瓷体生坯 的烧制。 技术背景
[0006] 陶瓷过滤器,特别是具有较大的正面面积的过滤器包含应当在烧制过程中被去除 的有机原材料。这种有机材料可包含于,例如粘合剂(甲基纤维素、聚乙烯醇等)、润滑剂、分 散剂、造孔剂(淀粉、石墨以及其它聚合物)中。这些材料可以在有氧气存在的条件下在高于 这些材料的闪点的温度下烧除。这些材料中的一些也作为挥发性有机化合物(V0C)在窑和/ 或例如热氧化器等后处理装置中烧除。这些材料的分解和/或氧化通常会放热且经常会对 材料的收缩或生长产生影响,这可能会产生应力并最终导致开裂。
[0007]大型或重型陶瓷体的常规烧制方法依靠具有缓慢的加热速率的烧制循环来进行, 例如当加热至低于600°C时,加热速率为4°C/小时~8°C/小时。这些较低的加热速率允许原 始的有机原材料被逐步且完全地去除,从而降低了陶瓷材料中的应力。然而,烧制循环因使 用这些较低的加热速率而被延长,因为可能需要多达130个小时以将陶瓷体生坯加热至600 °C,且结果是整个烧制循环可能需要140个小时~198个小时。
[0008] 因此,存在对具有提高了的加热速率、特别是不超过600°C下的不会导致陶瓷体开 裂的加热速率的烧制循环的需求。
[0009] 发明概述
[0010] 根据一种实施方式,描述了一种烧制蜂窝陶瓷体生坯的方法,该方法包括将蜂窝 陶瓷体生坯从室温加热至大约300°C的第一温度。然后以大于或等于大约90°C/小时的加热 速率将该蜂窝陶瓷体生坯从第一温度加热至高于或等于大约800°C的第二温度。该蜂窝陶 瓷体生坯的直径可大于或等于大约4.0英寸且小于或等于大约9.0英寸,且其可包含浓度大 于或等于大约10重量%且小于或等于大约45重量%的碳基造孔剂。
[0011] 在另一种实施方式中,描述了蜂窝陶瓷体生坯的第二种烧制方法。该方法包括以 大于或等于大约90 °C/小时的加热速率将该蜂窝陶瓷体生坯从室温加热至高于或等于大约 800°C的第一温度。该蜂窝陶瓷体生坯的直径可大于或等于大约4.0英寸且小于或等于大约 9.0英寸,且其包含浓度大于或等于大约10重量%且小于或等于大约45重量%的碳基造孔 剂。
[0012] 在每一种上述的实施方式中,可以控制窑内的氧气水平以改善烧制循环的运行。 在一些实施方式中,窑内的氧气量可为环境水平或更高。在其它实施方式中,窑内的氧气量 可低于环境水平。
[0013] 在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点,其中的部分特征和优点对 本领域的技术人员而言根据所作描述即容易理解,或者通过实施包括以下详细描述、权利 要求书以及附图在内的本文所述的本发明而被认识。
[0014] 应理解,前面的一般性描述和以下的详细描述都描述了各种实施方式且都旨在提 供用于理解所要求保护的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对各种 实施方式的进一步理解,附图并入本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了本文所 描述的各种实施方式,且与描述一起用于解释所要求保护的主题的原理和操作。
[0015] 附图的简要说明
[0016] 图1图示了四种根据本发明的实施方式的循环的加热速率。
[0017]发明详述
[0018] 下面将详细参考用于烧制蜂窝陶瓷体生坯的烧制循环的实施方式。根据一些实施 方式,一种烧制蜂窝陶瓷体生坯的方法包括按照四个阶段在窑内对蜂窝陶瓷体生坯进行加 热。在一些实施方式中,第一阶段包括以一种或多种加热速率将蜂窝陶瓷体生坯从室温加 热至大约300°C的第一温度。在第二阶段中,以大于或等于大约90°C/小时的加热速率将蜂 窝陶瓷体生坯从第一温度加热至第二温度。在第三阶段中,以第三加热速率将蜂窝陶瓷体 生坯从第二温度加热至第三温度。在第四阶段中,可将蜂窝陶瓷体生坯加热至最高均热温 度并保温一段时间,这段时间的保温足以去除蜂窝陶瓷体生坯上的残留碳。第一、第二和第 三阶段中的加热速率可以相同或不同。在一些实施方式中,可以在第一阶段中使用超过一 种加热速率。在一些实施方式中,第一和第二阶段中的加热速率可根据被加热的陶瓷体的 尺寸和窑内的氧气量变化。下面将特别参照附图对用于烧制蜂窝陶瓷体生坯的烧制循环的 各种实施方式进行描述。
[0019] 在一些实施方式中,陶瓷体的堇青石可以是堇青石类的相,其近似具有化学计量 式Mg2Al4Si 5〇18。在某些实施方式中,堇青石的热膨胀系数(25°C~800°C)可小于大约15X 10_7/°C。在某些实施方式中,陶瓷体可具有40%~70%的孔隙率。然而应当理解的是,本文 所述的方法的实施方式可用于烧制任何堇青石材料。
[0020] 在一些实施方式中,堇青石组合物可具有大约10%~大约55%或甚至为大约15% ~大约50%的挤出助剂、粘合剂和造孔剂作为追加组分。不对所形成的陶瓷体的孔隙率作 特别限定。在一些实施方式中,所形成的陶瓷体的孔隙率可为大约40%~大约70%,或甚至 为大约55%~大约65%。在一些实施方式中,所形成的陶瓷体的孔隙率可为大约63%。
[0021] 该组合物中可包含一种或多种碳基造孔剂。在一些实施方式中,造孔剂可选自淀 粉、石墨、经过加工的聚合物材料或它们的混合物。在一些实施方式中,包含于组合物中的 造孔剂追加组分的总量可大于或等于组合物的大约10重量%且小于或等于组合物的大约 45重量%。在一些实施方式中,造孔剂的总量可大于或等于组合物的大约20重量%且小于 或等于组合物的大约35重量%。在包含淀粉和石墨的实施方式中,组合物中淀粉的量可大 于或等于组合物的大约10重量%且小于或等于组合物的大约30重量%,而所包含的石墨的 量可大于或等于组合物的0重量%且小于或等于组合物的大约20重量%。然而应当理解的 是,根据实施方式,可以使用石墨和淀粉的任意组合。
[0022] 相对于非有机固体的作为追加组分的造孔剂的重量百分数是按照下式计算得到 的: Γ ? 逾遗雜龜靈顧'
[0024]如下面将要阐述的,蜂窝陶瓷体的所需尺寸可能会对三个阶段中的每一个阶段的 加热速率产生影响。在一些实施方式中,可对更大的蜂窝陶瓷体生坯使用更低的加热速率, 而对更小的蜂窝陶瓷体生坯使用更高的加热速率。在一些实施方式中,可以在第一阶段中 使用多种加热速率以防止蜂窝陶瓷体生坯在处理的第一阶段开裂。在一些实施方式中,蜂 窝陶瓷体的直径可大于或等于大约4.0英寸且小于或等于大约9.0英寸,或甚至大于或等于 大约5.0英寸且小于或等于大约7.0英寸。在一些实施方式中,经过烧制的蜂窝陶瓷体可具 有大约4.5英寸的直径和大约5.0英寸的长度,或甚至具有大约4.5英寸的直径和大约7.0英 寸的长度。在其它实施方式中,经过烧制的蜂窝陶瓷体可具有大约5.5英寸的直径和大约 7.0英寸的长度,或甚至具有大约6.4英寸的直径和大约7.0英寸的长度。在另一种实施方式 中,经过烧制的蜂窝陶瓷体可具有大约8.0英寸的直径和大约7.0英寸的长度。
[0025]第一阶段
[0026]
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