专利名称：钛酸铝镁复合陶瓷的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于形成颗粒过滤器的钛酸铝镁复合陶瓷及其生产方法，所述复合陶瓷特征在于较高孔隙率、低热膨胀效率(CTE)、以及其量度用作挠曲强度的高机械强度。
背景技术：
颗粒过滤器用于除去颗粒物质(PM)，例如压缩点火式内燃机(即，柴油机)产生的废气中的油烟和灰分。一般来讲，在将颗粒捕集在其孔内和其壁上的示例性蜂窝结构过滤器上收集的颗粒可通过再生由过滤器除去，所述再生基本上通过加热或灼热已收集在过滤器中的颗粒物质进行(通过测量过滤器上游和下游之间的不同压力并确定是否超过预定量的颗粒物质已积聚在过滤器上)。长期以来一直期望获得具有如下性能的柴油颗粒过滤器(DPF):在高于1，3000C 的温度下具有足够的抗分解性、高的抗热冲击性和高孔隙率。以下公开可涉及本发明的多个方面，并且可概括如下W02004/039747公开了具有用挠曲强度表示的优异的机械强度并具有用式(1，) 表示的铝、镁和钛的元素组成比的钛酸铝镁Al2(1_x)MgxTi(1+x)05 (1，)其中系数χ满足0. 1彡χ < 1。加入碱性长石((NayIVy)AlSi3O8，其中y满足0彡y < 1)以由于其低熔点而增强钛酸铝镁的烧结性。此类陶瓷被描述为具有低热膨胀系数以及用挠曲强度表示的更优异的机械强度。美国专利5，153，153公开了用作柴油机中的颗粒过滤器的包括具有以下组成的掺杂钛酸铝和莫来石的烧结陶瓷材料50-61.5%的Al203、36-47. 5%的钛酸盐氧化物、2. 5-5%的SiO2，这三种组分的总和合计为至多100%，并且所述烧结陶瓷材料还包括 0. 3-1%的Mg0、0.015% -0.5%的氧化铁和至多的杂质。然而，此类陶瓷材料的生产耗时且昂贵，并且在整个颗粒过滤器形成期间不可能获得所需的诸如孔隙率和抗热冲击性的特性。这是由于氧化铁组分在高温下影响钛酸铝镁陶瓷的强度。此外，期望提供一种钛酸铝镁陶瓷，所述陶瓷通过在1，400-1，700°C的温度下焙烧包括含铝化合物、含钛化合物和含镁化合物的原材料混合物并随后将所述原材料混合物碾成细粉(通常理解为平均粒度越小越好)来制备，所述陶瓷实现了用于柴油颗粒过滤器的至少30%的期望空隙率和抗热冲击性(其计算为R(抗热冲击性)=σ (陶瓷强度)(1-V)/Ea-正比于陶瓷强度且反比于热膨胀系数；其中V为泊松比，E为杨氏模量，α为以(1/°C)给出的线性热膨胀系数)同时避免了已知的钛酸铝镁陶瓷的常规限制。发明概述在第一实施方案中，本发明涉及其主要组分以经验式MgxAl2a_x)Ti(1+x)05(其中系数 X满足0 < X < 0. 1)表示的钛酸铝镁复合陶瓷，包括基于氧化物的重量百分比表示的如下的焙烧原材料36. 0-57. 0% 的 TiO2 ；41. 5-62. 0 % ^ Al2O3 ；和 0-2. 2% 的 MgO，其中这三种组分的总和合计为至多100%，以及0-10%的Si02。本发明的第二实施方案涉及制备钛酸铝镁复合陶瓷的方法，所述陶瓷的主要组分以经验式MgxAl2a_x)Ti(1+x)05(其中系数χ满足0<x彡1)表示，包括基于氧化物的重量百分比表示的如下的原材料36. 0-57. 0%的TiO2 ；41. 5-62. 0 %的Al2O3 ；和0-2. 2%的MgO， 其中这三种组分的总和合计为至多100%，以及0-10%的SiO2，所述方法包括在不低于 1，300°C的温度下焙烧所述原材料。本发明的另一个实施方案为包括第一组分的由焙烧包含Ti02、Al203、Mg0和 SiO2的混合物得到的陶瓷，所述第一组分用经验式MgxAl2a_x)Tia+x)05(其中系数X满足 0 ^ χ < 0. 1)表示，所述混合物被表示为基于氧化物的重量百分比36. 0-57. 0%的TiO2 ； 41. 5-62. 0% 的 Al2O3 ；和 0-2. 2% 的 MgO，其中 Ti02、Al203、Mg0 的总和合计为至多 100%，并且添加0-10%的Si02。该陶瓷已表现出具有小于3X10_6(1/K)的热膨胀系数(30-1000°C) 和按陶瓷主体的孔空间的体积计至少28%的孔隙率。此外，申请人也已根据JIS R1601示出本发明的陶瓷具有大于约SMPa的挠曲强度。优选本发明的陶瓷在1200°C -1700°C范围内的温度下焙烧。本发明的另一个实施方案为生产陶瓷的方法，所述方法包括以下步骤a)组合 TiO2, A1203、MgO和SiO2以形成混合物，所述混合物被表示为基于氧化物的重量百分比 36. 0-57. 0% 的 TiO2 ；41. 5-62. 0% 的 Al2O3 ；禾口 0-2. 2% 的 MgO，其中 TiO2, A1203> MgO 总和合计为至多100%，并且添加0-10%的SiO2 ；b)混合所述混合物；b)干燥所述混合物；C)在 12000C -1700°C范围内的温度下焙烧所述混合物。优选的是，干燥步骤是在110°C _130°C的温度下，并且混合在球磨机内以湿法进行。此外，所述混合物可包括碾磨助剂、分散剂、消泡齐U、或它们的一种或多种的组合。本发明的方法也可包括以下步骤焙烧之后碾磨陶瓷，将所述碾磨的陶瓷置于模具中，并随后在模具中焙烧所述碾磨的陶瓷以产生成型陶瓷。发明详述组成本发明的钛酸铝镁复合陶瓷主要包括基于氧化物36-57.0%的含钛化合物、 41. 5-62.0%的含铝化合物、0-2. 2%的含镁化合物，其中这三种组分的总和合计为至多 100%，以及0-10%的含硅化合物，所述复合陶瓷通过混合并焙烧所述化合物的混合物形成。本发明的钛酸铝镁复合陶瓷可任选地包括其他添加剂，例如钛酸盐氧化物；氧化铝；氧化镁；氧化硅；MgAl2O4 ；莫来石等，前提条件是它们的存在不会可觉察地或有害地增加复合陶瓷的热膨胀系数。当TiO2含量低于36. 0重量％时，热膨胀系数由于过量的Al2O3而变高。当TiO2含量超过57. 0重量％时，热膨胀系数由于过量的TiO2而变高。以类似的方式，当Al2O3含量低于41. 5重量％时，热膨胀系数由于过量的TiO2而变高，并且当Al2O3含量超过62. 0重量％ 时，热膨胀系数由于过量的Al2O3而变高。至于MgO，当MgO的含量超过2. 2重量％时，不能够获得足够高的孔隙率。此外，至于SiO2,当SiO2含量超过10重量％时，热膨胀系数变高。更优选地，本发明的钛酸铝镁复合陶瓷主要包括基于氧化物37. 5-49. 0%的含钛化合物、50. 0-61. 5%的含铝化合物、0-2. 2%的含镁化合物，其中这三种组分的总和合计为至多100%，以及0-10%的含硅化合物。
当需要较低的热膨胀系数以便关注抗热冲击性时，钛酸铝镁复合陶瓷除了包括钛酸铝镁本身之外，还尽可能多地不包括其他组分，例如氧化钛；氧化铝；氧化镁；氧化硅； MgAl2O4 ；莫来石等，所述钛酸铝镁以经验式MgxAl2(1_x)Ti(1+x)05(其中系数χ满足0<x<0. 1) 表不。陶瓷材料中含硅化合物的含量优选地在基于氧化物0-7%的范围内。并且当需要高孔隙率以便关注较低压力损失时，本发明的钛酸铝镁复合陶瓷主要包括基于氧化物38. 3-43. 9%的TiO2,55. 5-61. 5%的A1203、0_1. 0%的MgO，其中这三种组分的总和合计为至多100%，以及0-10%的Si02。钛源为作为组成钛酸铝镁的钛成分的化合物，例如，包括氧化钛。氧化钛包括例如氧化钛(IV)、氧化钛(III)、氧化钛(II)等。优选氧化钛(IV)。氧化钛(IV)的晶型包括锐钛矿型、金红石型、板钛矿型等，并且可为非晶态的。更优选锐钛矿型和金红石型。钛源包括通过在空气中单独焙烧生成二氧化钛(氧化钛)的化合物粉末。所述化合物包括例如钛盐、醇钛、氢氧化钛、氮化钛、硫化钛、金属钛等。钛盐具体地包括三氯化钛、四氯化钛、硫化钛(IV)、硫化钛(VI)、硫酸钛(IV)等。 醇钛具体地包括乙醇钛(IV)、甲醇钛(IV)、叔丁醇钛(IV)、异丁醇钛(IV)、正丙醇钛(IV)、 四异丙醇钛(IV)、和它们的螯形化合物等。钛源优选为氧化钛。混合物中的铝源为作为组成钛酸铝镁的铝成分的化合物，例如包括矾土(氧化铝)粉末。氧化铝的晶型包括Y-型、S-型、Θ-型、α-型及其他，并且可为非晶态的。 作为氧化铝，优选α-型氧化铝。铝源也包括能够在空气中单独焙烧生成氧化铝的化合物。所述化合物包括例如铝
盐、醇铝、氢氧化铝、金属铝等。铝盐可为具有无机酸的无机盐，或者具有有机酸的有机盐。具体地讲，铝无机盐包括例如硝酸铝盐，诸如硝酸铝、硝酸铵铝等；碳酸铝盐，诸如碳酸铵铝等。铝有机盐包括例如草酸铝、乙酸铝、硬脂酸铝、乳酸铝、月桂酸铝等。具体地讲，醇铝包括例如异丙醇铝、乙醇铝、仲丁醇铝、叔丁醇铝等。氢氧化铝的晶型包括例如水铝矿型、拜三水铝石型、诺三水铝石型、勃姆石型、拟薄水铝石型等，并且可为非晶态的。非晶态氢氧化铝包括例如通过水溶性铝化合物的水溶液水解获得的铝水解产物，所述铝化合物例如铝盐、醇铝等。铝源优选为矾土。镁源为作为组成钛酸铝镁的镁成分的化合物，例如包括氧化镁(镁氧化物)粉末。镁源也包括能够在空气中单独焙烧生成氧化镁的化合物。所述化合物包括例如镁
盐、醇镁、氢氧化镁、氮化镁、金属镁等。镁盐具体地包括氯化镁、高氯酸镁、磷酸镁、焦磷酸镁、草酸镁、硝酸镁、碳酸镁、乙酸镁、硫酸镁、柠檬酸镁、乳酸镁、硬脂酸镁、水杨酸镁、肉豆蔻酸镁、葡萄糖酸镁、二甲基丙烯酸镁、苯甲酸镁等。醇镁具体地包括甲醇镁、乙醇镁等。作为镁源，可利用的是同时用作镁源和铝源的化合物。所述化合物包括例如镁氧尖晶石(MgAl2O4)。
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硅源为向钛酸铝镁复合陶瓷中提供硅成分的化合物，例如，包括硅氧化物(氧化
硅)，例如二氧化硅、一氧化硅等。硅源也包括能够通过在空气中单独焙烧生成硅的化合物。所述化合物包括例如硅酸、碳化硅、氮化硅、硫化硅、四氯化硅、乙酸硅、硅酸钠、原硅酸钠、玻璃料等。出于工业效用考虑，优选玻璃料等。作为硅源，也可利用的是另外用作铝源的化合物。例如，所述化合物包括包含选自钠、钾和钙的至少一种元素且包含硅和铝的硅铝酸盐。当所述化合物的元素组成用组成式 (2)(C1Na2O, Cl1K2O, e^aO) · y，Al2O3 · ZSiO4(2)，表示时，其中系数(^、屯和ei满足CAd^e1 = 1，系数y’满足0.4彡y’彡1.2(优选地0. 6彡y’ < 1. 1)，并且系数ζ满足6 < ζ < 12，优选地7彡ζ < 11。硅铝酸盐名为长石，长石可为天然物质或合成产物，并且合成产物为工业上可容易获得的。此外，作为硅源，也可用的为另外用作钛源、铝源和镁源的化合物。此类化合物的实例包括在其表面上涂覆有硅源的钛源、铝源和/或镁源中的任何一种。牛产方法铝源、镁源和钛源一般作为粉末使用。例如，所述混合物可通过混合铝源、镁源和钛源获得。所述混合可通过干法或者通过湿法获得。例如，在混合中，铝源、镁源和钛源可优选地在碾磨容器中与碾磨介质一起利用搅拌和碾磨混合，以制备具有均勻组成的钛酸铝镁复合陶瓷。在混合原料时，可将添加剂加入其中，所述添加剂诸如碾磨助剂、反絮凝剂或分散齐U、消泡剂(将理解为是指用于减少起泡的物质的消泡剂)等。如本文所用，术语“分散剂” 或“分散试剂”意味着加入到悬浮介质中以促进通常极细小颗粒的均勻分散或分离的表面活性剂。适用于本发明用途的分散剂可选自任何阴离子分散剂、阳离子分散剂或非离子分散剂，或它们的组合。合适的分散剂的实例为异丁烯马来酸共聚物钠盐，以商品名Orotan 731由Rohm and Haas出售。常规的“消泡剂”的实例将由本领域的技术人员理解为属于本发明。合适的消泡剂为改性脂肪醇与聚硅氧烷的共混物，所述共混物以商品名Dehydran 1620 由 Cognis Corp.出售。碾磨助剂包括例如醇，诸如甲醇、乙醇、丙醇等；二元醇，诸如丙二醇、聚丙二醇、 乙二醇等；胺，诸如三乙醇胺等；高级脂肪酸，诸如棕榈酸、硬脂酸、油酸等；碳材料，诸如炭黑、石墨等。这些中的一种或多种可单独使用或组合使用。通过焙烧所述混合物，可获得本发明的钛酸铝镁复合陶瓷。就焙烧而言，所述混合物可在粉末状时焙烧，或者可在成型后焙烧。粉末状混合物可根据例如压制方法等成型。出于钛酸铝镁的易于生产考虑，焙烧温度可一般为1200°C -1700°C，并且出于可行性，优选为1400°C -1600°C。达到焙烧温度的加热速率可一般为10°C /hr_500°C /hr。焙烧一般可在空气中完成；但是取决于要利用的原料(铝源、镁源、钛源及任选地硅源)的类型和共混比率，焙烧可在诸如氮气、氩气等的惰性气体中完成，或者可在诸如一氧化碳气体、氢气等的还原气体中完成。焙烧期间，气氛中的水蒸汽压可降低。
一般来讲，焙烧利用常见的焙烧炉完成，所述焙烧炉诸如管式电炉、箱式电炉、隧道炉、远红外炉、微波加热炉、竖炉、反射炉、旋转炉、辊底炉等。焙烧可通过批量方法或连续方法完成，并且可以静态模式或流动化模式完成。焙烧所需的时间可为足以由混合物制备钛酸铝镁的时间，并且可根据所用混合物的量、焙烧炉的类型、焙烧温度、焙烧气氛及其他改变，但是一般可为10分钟至24小时。一般来讲，焙烧温度为至少1，200°C。碾磨和分类可通过常用方法进行，例如球磨机、介质磨机、辊磨机、锤磨机、针磨针、喷磨机、行星式磨机、振动式磨机、用手或用研钵碾磨。所得碾磨的钛酸铝镁粉末可通过一般的分类方法进行分类。钛酸铝镁复合陶瓷粉末的平均粒度(D50)为约10-60微米。更优选地15_45微米。复合陶瓷可具有小于3X 10_6(1/K)的热膨胀系数(RT30-1000 °C )。 CTE (30-1000°C )可在-3\10—-3\10-6(1/1()的范围内。作为焙烧陶瓷的孔空间的体积百分比的量度，复合陶瓷可具有按体积计至少 28%，具体地讲至少30%的孔隙率。体积百分比可在按体积计25% -60%的范围内。复合陶瓷可具有根据JIS R1601大于约SMPa的挠曲强度。挠曲强度可在 6MPa-40MPa的范围内。测试方法用于获得表1-3中结果的测试方法与标准包括如下孔隙率针对由第二烧结的成型陶瓷切割的3mmX4mmX40mm的矩形样品的孔隙率(按体积计的百分比)如下计算(样品体积_(样品重量/绝对比重=3.8g/cm3)/样品体积)X 100%。热膨胀系数(CTE)针对由烧结的成型陶瓷切割的3_X4mmX约20_的矩形样品的热膨胀系数利用热分析测量装置测量，所述测量装置诸如可从Rigaku Corporation商购获得的Thermo Plus Evo。在空气条件下将样品由室温(22-25°C )以20°C/min加热到至多1300°C。由30和1000°C之间的热膨胀曲线的斜率计算热膨胀系数。挠曲强度利用JIS R1601对由根据本发明的材料制成的第二烧结的陶瓷主体的 3mmX4mmX 40mm样品进行三点法测量。每种材料的平均粒度(D5tl) =D50利用诸如可从Horiba Ltd.商购获得的LA-920的激光衍射技术测量；利用JIS R16222和1629计算。
实施例参考以下实施例详细地描述本发明。然而，本发明并不局限于这些实施例。应用实施例1，2和比较实施例1和2 将以下组分放入到带有铝球(直径15mm)的碾磨容器中并在球磨机内以湿法搅拌混合5小时，所述组分为其组成示于表1中的氧化钛粉、α -氧化铝粉和氧化镁，这三种组分的总和合计为至多100%，按质量计5份的二氧化硅粉末，按质量计1. 5份的作为Orotan 731(由Rohm & Haas出售)(10%水溶液)分散剂的异丁烯马来酸共聚物钠盐，按质量计0.2 份的作为消泡剂的改性脂肪醇与聚硅氧烷的共混物，由Cognis Corp以商品名Dehydran 出售(10%水溶液)，以及按质量计100份的水。随后将混合物在120°C干燥约12小时以得到原材料混合物。α -氧化铝粉Α1203，Sumitomo Chemical，“AES-12”氧化钛粉Ti02，DuPont,“R-900，，。氧化镁MgO，KonoshimaKagaku K. K.，商品名 “StarMagL，，。二氧化硅粉末Fukushima feldspar分散剂=Orotan (商标)731 (10%水溶液)，异丁烯马来酸共聚物钠盐，可从Rohm & Hass商购获得。消泡剂=Dehydran TM 1620，改性的脂肪醇与聚硅氧烷的共混物，得自Cognis Corp. , Ambler, PA。将所得原材料混合物放入铝箱中，并且在箱式电炉中以如下操作特征在空气中焙烧。将烧结的材料冷却至室温后，获得钛酸铝镁复合陶瓷。室温(RT) -14500C，其中RT为室温(约20_25°C )持续3O小时保持在1450°C4小时1450 0C -室温保持冷却将所得烧结的材料碾磨并分类以得到具有约24微米的平均晶粒尺寸的碾磨粉末。取出IOg所得碾磨粉末，并且放入具有10mmX10mmX50mm尺寸的矩形模具中，在 120kgf/cm2的成型压力下压制，从而提供成型陶瓷。将成型陶瓷再次在箱式电炉中以表1 中所示的焙烧温度和时间在空气中焙烧，从而提供第二烧结的成型陶瓷。通过利用以上获得的第二烧结的成型陶瓷，切割3mmX4mmX40mm和 3mmX4mmX 20mm的矩形样品。如上所述进行孔隙率、热膨胀系数和挠性测量。结果总结于表1中。如表1所示，0-2重量％的MgO含量的应用实施例1和2实现了低于2 X 10_6/K的低热膨胀系数和按体积计约30%的高孔隙率。另一方面，约5重量％的MgO含量的比较实施例1表现出约4Χ 10_6/Κ的高热膨胀系数同时保持30%的孔隙率。此外，比较实施例2表现出按体积计约19%的低孔隙率同时其表现出低热膨胀系数，比较实施例2具有与比较实施例1相同的组成，不同的是焙烧时间为10小时。因此，当MgO含量较高时，高孔隙率与低热膨胀系数不相容。因此，优选0至约2 重量％ WMgO含量。表 权利要求
1.包括第一组分的由焙烧包含Ti02、Al203、Mg0和SiO2的混合物得到的陶瓷，所述第一组分用经验式MgxAl2a_x)Ti(1+x)05(其中系数χ满足0彡x<0. 1)表示，所述混合物被表示为基于氧化物的重量百分比36. 0-57. 0%的TiO2 ；41. 5-62. 0%的Al2O3 ；以及0-2. 2%的MgO， 其中所述Ti02、A1203、MgO的总和合计为至多100%，并且添加0-10%的Si02。
2.权利要求1的陶瓷，所述陶瓷具有小于3X10_6 (1/K)的热膨胀系数(30-1000°C)。
3.根据权利要求1的陶瓷，所述陶瓷具有按所述陶瓷主体的孔空间的体积计至少28% 的孔隙率。
4.根据权利要求1的陶瓷，所述陶瓷具有根据JISR1601大于约SMPa的挠曲强度。
5.根据权利要求1的陶瓷，其中所述焙烧是在1200°C-1700°C范围内的温度下。
6.用于生产陶瓷的方法，所述方法包括以下步骤a)混合Ti02、Al203、Mg0和SiO2以形成混合物，所述混合物被表示为基于氧化物的重量百分比36. 0-57. 0%的TiO2 ；41. 5-62. 0%的Al2O3 ；以及0-2. 2%的氧化镁，其中所述TiO2, Al203、Mg0的总和合计为至多100%，并且添加0-10%的SiO2 ；b)混合所述混合物；b)干燥所述混合物；c)在1200°C-1700°C范围内的温度下焙烧所述混合物。
7.权利要求6的方法，其中所述干燥在110°C_130°C的温度下发生。
8.权利要求6的方法，其中所述混合在球磨机内以湿法进行。
9.权利要求6的方法，其中所述混合物还包括碾磨助剂、分散剂、消泡剂、或它们的一种或多种的组合。
10.权利要求6的方法，其中所述陶瓷在焙烧之后碾磨以制备碾磨的陶瓷，将所述碾磨的陶瓷置于模具中，并随后在所述模具中焙烧所述碾磨的陶瓷以产生成型陶瓷。
全文摘要
本发明公开了包括焙烧原材料的钛酸铝镁复合陶瓷，所述原材料被表示为基于氧化物的重量百分比36.0-57.0％的TiO2；41.5-62.0％的Al2O3；和0-2.2％的MgO，这三种组分的总和合计为至多100％，和0-10％的SiO2，所述复合陶瓷用于形成颗粒过滤器，并具有较高孔隙率、低热膨胀系数(CTE)和机械强度。
文档编号C04B35/573GK102471170SQ201080032227
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月15日 优先权日2009年7月15日
发明者R·亚马纳卡, S·伊瓦托 申请人:纳幕尔杜邦公司