相关申请的交叉参考
本申请要求2015年8月31日提交的系列号为62/211,981的美国临时申请的优先权权益，本文以该申请的内容为基础并通过参考将其全部结合入本文。
背景
本文公开的示例性实施方式涉及陶瓷蜂窝体。
背景讨论
陶瓷壁流式过滤器可用于从流体流，例如柴油、汽油或其他内燃机排气流中去除微粒污染物。存在许多种使用由多孔陶瓷形成的具有孔道的蜂窝体结构制造这类过滤器的不同方法。例如，一种方法是将密封材料形成的固化堵塞物置于这种结构的交替孔道的端部，这可阻挡流过孔道的直接流体流，并且迫使流体流先通过蜂窝体的多孔孔道壁，然后才离开过滤器。
背景部分中公开的上述信息仅用于增强对要求保护的发明的技术背景的理解，因此可能含有不构成现有技术任意部分的信息或者现有技术可能未对本领域普通技术人员产生启示的信息。
技术实现要素：
本公开的示例性实施方式提供了包含层状表层的蜂窝体。
本公开的示例性实施方式还提供了一种制造包含层状表层的蜂窝体的方法。
本公开的示例性实施方式还提供了一种挤出模头，构造该挤出模头以将陶瓷前体材料的批料挤出成包含层状表层的生坯蜂窝体。
本发明的其他特征将列于以下的说明书中，并且部分能够由说明书显见，或者可由实践所要求保护的发明而习得。
示例性实施方式公开了一种生坯蜂窝体，其包括形成孔道的交叉壁基质(matrix)，所述孔道从第一端面轴向延伸到第二端面；以及设置在基质上处于外周的层状表层，其从第一端面延伸到第二端面。层状表层的大部分截面区域包含与交叉壁基本上相同的轴向对齐的颗粒。
示例性实施方式还公开了一种多孔陶瓷蜂窝体，其包括形成孔道的交叉壁基质，所述孔道从第一端面轴向延伸到第二端面；以及设置在基质上处于外周的层状表层，所述外周从第一端面延伸到第二端面。层状表层晶体结构的大部分截面区域包含与交叉壁基本上相同的轴向对齐的织构。
示例性的实施方式还公开了一种制造多孔陶瓷蜂窝体的方法，所述多孔陶瓷蜂窝体包含形成孔道的交叉壁，所述孔道从第一端面轴向延伸到第二端面。所述方法包括使批料通过挤出模头的中心狭缝挤出以形成蜂窝基质，并且通过多个环状狭缝挤出以在蜂窝基质上形成外周表层，所述中心狭缝在多个环状狭缝的第一环状狭缝处终止。在通过中心狭缝和环状狭缝挤出期间，批料中的细长颗粒轴向对齐。
示例性的实施方式还公开了一种蜂窝挤出模头，其包括包含模头面的模头主体，所述模头面包含多个中心狭缝和设置在中心狭缝外周的表层形成区域，所述表层形成区域包含多个环状狭缝，其中中心狭缝在多个环状狭缝的第一环状狭缝处终止。
应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是示例和说明性的，并且意在对要求保护的发明提供进一步解释。
附图说明
包含的附图用于进一步理解本公开，附图纳入本说明书中并构成本说明书的一部分，附图例示了本公开的示例性实施方式，并且与说明书一起用来解释本公开的原理。
图1a示出了根据本公开的示例性实施方式的蜂窝体的透视示意图，所述蜂窝体在蜂窝芯体的外周上包含表层。图1b为根据本公开的这些示例性实施方式的穿过图1a的蜂窝体的截面示意图。图1c为根据本公开的这些示例性实施方式的图1a的蜂窝体的顶视示意图。
图2为示出了交叉中心狭缝的挤出模头的剖面等距图，所述交叉中心狭缝延伸到超过形成表层的表面的外周狭缝。
图3a为具有共挤出表层的挤出的生坯蜂窝体——例如从图2的模头中挤出并且得到烧制的陶瓷蜂窝体的取向颗粒微结构，其板状颗粒取向的截面等距示意图。图3b为通过使颗粒对齐中断区域中的热膨胀系数(cte)比相邻区域更高而形成的挤出表层中的拉伸应力示意图。
图4为根据本公开的一些示例性实施方式，示出了外周销和狭缝的在模头外周处具有表层形成结构区域的挤出模头的剖面等距图。
图5a为根据本公开的一些示例性实施方式，示出了表层形成结构的外周销和狭缝的图4的模头的详细视图。图5b例示了根据本公开的一些示例性实施方式的可变细的表层形成结构的外周销的基底。
图6为根据本公开的一些示例性实施方式，在模头外周具有表层形成区域的挤出模头的截面等距示意图，其示出了外周销和狭缝、罩和狭缝中的塑化批料，该塑化批料在接合(knitting)区域中接合在一起，并且作为层状表层挤出。
图7a为基质狭缝的模头出口面处的顶视示意图，该基质狭缝在模头外周穿过表层形成结构狭缝，可以从其中挤出非层状表层，该非层状表层具有非对齐区并且cte高于邻近的表层区域，这可导致应力集中在非对齐区或邻近的表层区域。图7b为根据本公开的一些示例性实施方式的基质狭缝的模头出口面处的顶视示意图，该基质狭缝在模头外周处的第一表层形成结构狭缝处停止并且从其中挤出的层状表层具有限制到内薄片的有所减小的非对齐区。
图8a为根据本公开的一些示例性实施方式，示出了外周销和狭缝，并且在模头外周具有径向孔几何基质和表层形成结构区域的挤出模头出口面的顶视图。图8b是图8a的挤出模头的剖面等距图。图8c是在表层形成结构区域中具有罩的图8a的挤出模头的剖面等距图。
图9为根据本公开的一些示例性实施方式，示出了外周销和狭缝的在模头外周处具有表层形成结构区域的挤出模头的剖面等距图。
图10为根据本公开的一些示例性实施方式，示出了外周销和狭缝的在模头外周处具有表层形成结构区域的挤出模头的剖面等距图。
图11是根据这些示例性实施方式中的一些实施方式，在模头外周处，在表层形成区域中具有罩的图10的挤出模头的剖面等距图。
图12为根据本公开的一些示例性实施方式，示出了外周狭缝的在模头外周处具有改进的表层形成结构的挤出模头的剖面等距图。
图13a是根据本公开的这些示例性实施方式中的一些实施方式，在模头外周处不具有改进的表层形成结构的图12的挤出模头的出口面处的顶视图。图13b是根据本公开的这些示例性实施方式中的一些实施方式，图12的改进的表层形成结构的出口面处的顶视图。图13c是根据本公开的这些示例性实施方式中的一些实施方式，图12的改进的表层形成结构的进入面处的底视图。
图14a是描述s值作为有序参数的示意图，s值用于对根据本公开的一些示例性实施方式的生坯挤出制品中的颗粒对齐进行定量。图14b为各样品的显微照片，其中左边为s＝0.8958的样品“a”的显微照片，其比右边的s＝0.7163的样品“b”具有更高的颗粒对齐程度。
图15为在基质上具有共挤出的非层状表层的蜂窝体生坯制品截面的背散射扫描电子显微照片(sem)图像，其示出了选定用于s值分析的三个区域。具有延伸到表层形成结构区域中的基质狭缝的模头(例如图2所示的)用于制造图15的蜂窝体生坯制品。
图16为根据本公开的一些示例性实施方式的在基质上具有共挤出的层状表层的另一种蜂窝体生坯制品截面的背散射sem图像。在图16中，示出了选定用于s值分析的三个区域。例如图9所示的在表层形成结构区域中具有一些径向延伸狭缝463的模头被用于制造图16的蜂窝体生坯制品。
图17为根据本公开的一些示例性实施方式的在基质上具有共挤出的层状表层的另一种蜂窝体生坯制品截面的背散射sem图像。在图17中，示出了选定用于s值分析的三个区域。例如图4所示的在表层形成结构区域中仅具有环状延伸狭缝的模头被用于制造图17的蜂窝体生坯制品。
具体实施方式
下文将参照附图更完整地描述本公开，附图中示出了本公开的示例性实施方式。但是，本公开可以以许多不同的方式实施，并且不应被解读成限制于本文提出的示例性实施方式。相反，这些实施方式使得本公开透彻，并能够向本领域技术人员完全地展示本公开的范围。附图中，为了清楚，可夸大各层和各区域的尺寸和相对尺寸。
应理解，当描述元件或层在另一元件或层“上”或与另一元件或层“连接”时，则元件或层可直接在另一元件或层上，或者与另一元件或层直接连接，或者可存在中间元件或层。相反，当描述元件或层“直接”在另一元件或层“上”或者与另一元件或层“直接连接”时，则不存在中间元件或层。应理解，出于本公开的目的，“x、y和z中的至少一个”可被解释为仅x、仅y、仅z、或两个或多个项目x、y和z的任意组合(例如，xyz、xyy、xy、yz、zz等)。
当使用术语例如顶部、底部、侧边、上方、下方、垂直和水平时，本公开并没有被限制到这些示例性的实施方式中。相反，与空间相关的术语，例如“顶部”、“底部”、“水平”、“垂直”、“侧边”、“下部”、“下面”、“下方”、“上面”、“上部”等可如图中所例示在本文中用于简化说明书从而说明一个元件或特征与另一元件(多个元件)或特征(多个特征)的关系。应理解，与空间相关的术语除了图中所示的取向之外，旨在还包括在使用或在操作的装置的不同取向。例如，如果图中的装置颠倒，之前描述为位于其他元件或特征“下面”或“下部”的元件则将被取向为位于其他元件或特征“上面”。因此，示例性的术语“下面”可涵盖上面和下面两个取向。装置可进行其他取向(旋转90度或以其他取向旋转)，并且本文中使用的与空间相关的描述可相应地解释。
“包括”、“包含”或类似术语意为包括但不限于，即内含而非排他。
在描述本公开的实施方式时，用来修饰例如组合物中成分的量、浓度、体积、工艺温度、工艺时间、产率、流速、压力、粘度、尺寸等数值及它们的范围的“约”指的是数量的变化，该数量的变化可发生在例如：制备材料、组合物、复合物、浓缩物或应用制剂的典型测定和处理步骤中；这些步骤中的无意误差；制造、来源或用来实施所述方法的原料或成分的纯度方面的差异中；以及类似考虑因素中。术语“约”还包括由于组合物或制剂的老化而与特定的初始浓度或混合物不同的量，以及由于混合或加工组合物或制剂而与特定的初始浓度或混合物不同的量。
在这些示例性的实施方式中，本公开的制品和本公开的用于制造一种或多种该制品的方法提供了一个或多个优势特征或方面，包括例如下文论述的特征和方面。在任何权利要求中列出的特征或方面一般可应用于本公开的所有方面。在任一项权利要求中所述的任何单个或多个特征或方面可以结合任一项或多项其他权利要求中所述的任何其他特征或方面或与任一项或多项其他权利要求中所述的任何其他特征或方面置换。
内燃机废气的后处理可以使用大表面积基材所负载的催化剂和/或催化过滤器用于去除碳烟炱颗粒。催化剂载体可以是耐火，耐热冲击，在一系列po2条件下稳定，与催化剂体系无反应性，并且对废气流的阻力低。一般来说，多孔陶瓷流通型蜂窝基材和壁流式蜂窝过滤器(在本文中一般被称为蜂窝体)可用于这些应用中。
陶瓷水泥可以用于形成蜂窝体的外表层，该蜂窝体已经被机械加工或“将轮廓确定”到所需尺寸，或者外表层可以与蜂窝体共挤出。共挤出一般是指在形成蜂窝整体件或主体区段时使批料流动通过模头。例如，当批料流动通过模头以形成基质和表层时，该表层可被称为共挤出表层。如在本文中所使用的，共挤出一般是指批料同时流动通过模头的基质区域和表层区域。一般而言，共挤出表层可被认为是与基质一体的。如在本文中所使用的，术语“蜂窝体”包括单一的蜂窝整体件和蜂窝体区段。通过固定在一起的多个蜂窝体区段形成的各主体，例如通过使用陶瓷水泥以形成分段的整体件可被称为分段的蜂窝体。
多孔陶瓷蜂窝体的制造可通过以下方法完成：塑化陶瓷粉末批料混合物；通过蜂窝挤出模头挤出混合物以形成蜂窝状挤出物；以及切割、干燥和烧制挤出物以生产高强度和热耐久性的陶瓷蜂窝体和分段蜂窝体，该陶瓷蜂窝体和分段蜂窝体具有从第一端面轴向延伸到第二端面的孔道。
共挤出或之后施涂的外表层可以形成从陶瓷蜂窝体的第一端面轴向延伸到第二端面的外部外周表面。在一些实施方式中，无论是整体的还是分段的，由交叉壁(网状物)限定的蜂窝体的孔道可以在进口面或出口面处堵塞以形成过滤器。当在两端留下一些孔道未堵塞时，可形成部分过滤器。无论是整体的或分段的，可对蜂窝体催化以产生基材。无堵塞的蜂窝体在本文中一般被称为基材。催化的基材可具有之后施涂的催化剂或包含挤出的催化剂。另外，可对过滤器和部分过滤器进行催化以提供多功能性。由此生产的陶瓷蜂窝体可以广泛用作催化剂载体、膜支承物、壁流式过滤器、部分过滤器以及它们的组合以用于清洁流体，如纯化发动机排气或其他流体流，如空气流或气体流或者液体流或水流。
不对陶瓷蜂窝体组合物作具体限定并且其可包含主要量和少量的堇青石、钛酸铝、莫来石、β-锂辉石、碳化硅、沸石等及其组合。作为另一个实例，陶瓷蜂窝体可包含挤出的催化剂，例如挤出的沸石或其他挤出的催化剂材料或各种材料的组合。同样地，蜂窝体批料组合物可包含经过烧制形成堇青石、钛酸铝、莫来石、β-锂辉石、碳化硅、沸石等及其组合的一种或多种无机组分。
在一些实施方式中，孔密度可以在约100至900孔/平方英寸(cpsi)之间。孔壁厚度可在约0.025mm至约1.5mm(约1至20密耳)的范围内。例如，孔壁厚度可在约0.025mm至约0.30mm(约1至12密耳)的范围内。例如，蜂窝体100几何形状可以为400cpsi，同时壁厚度为约8密耳(400/8)或者壁厚度为约6密耳(400/6)。其他几何形状包括，例如，100/17、200/12、200/19、270/19、600/4、400/4、400/3、600/3、750/2、600/2和900/2，以及其他几何形状。如在本文中所使用的，蜂窝体100旨在包含总体上呈蜂窝状的结构，而非严格限制于正方形结构。例如，可以使用六边形、八边形、三角形、矩形或任意其他合适的孔形状或孔形状的组合。另外，多孔蜂窝体100的截面可以是圆形的，但是不限于此，例如，截面可以是椭圆形、正方形、矩形、其他形状或其组合。
本公开的示例性实施方式中的一些实施方式涉及在中心孔结构(基质)上具有层状一体化表层的蜂窝体，所述层状一体化表层与基质具有基本上相同的物理热膨胀性质，即，例如，它们具有基本上相同的总热膨胀系数(cte)。例如，表层cte与基质cte之差可在6至8x10-7k-1内；表层cte与基质cte之差可在3至5x10-7k-1内；或者表层cte与基质cte之差可在1至2x10-7k-1内。本公开的示例性实施方式中的一些实施方式涉及一种形成在基质上具有层状共挤出表层的蜂窝体的方法，所述层状共挤出表层与基质具有基本上相同的物理热膨胀性质。本公开的示例性实施方式中的一些实施方式涉及一种挤出模头，构造该挤出模头以形成在基质上具有层状一体化表层的蜂窝体，所述层状一体化表层与基质具有基本上相同的物理热膨胀性质。
图1a示出了根据本公开的示例性实施方式的蜂窝体100，其包含形成互相邻接的孔道112的多个交叉壁110，所述孔道112以方向“ao”在相对的端面114、116之间轴向延伸。图1b示出了穿过图1a的蜂窝体100的截面示意图。图1c示出了图1a的蜂窝体100的顶视示意图。当涉及蜂窝体的截面中的交叉壁时，在本文中一般使用“孔(cell)”，并且当涉及在端面114、116之间延伸的孔时，一般使用“孔道(channel)”。孔和孔道在本文中可以互换使用。顶面114是指位于图1a中的蜂窝体100的第一端面并且底面116是指第二端面，但是，各端面不受蜂窝体100的取向限制。顶面114可以为蜂窝体100的进口面并且底面116可以为出口面，或者顶面114可以为蜂窝体100的出口面并且底面116可以为进口面。
中心孔结构118在本文中也可互换地被称为蜂窝体100的“基质”或“孔基质”，其包括限定其间的孔道112的交叉壁110。基质118的外周124连接共挤出的表层126并且在其上设置有共挤出的表层126。如将在下文更加具体描述的，共挤出表层126可被认为是与基质一体的。即，随着批料通过模头挤出，共挤出的表层与基质接合。挤出物经过干燥和/或烧制后，表层126和基质118可为一体。根据示例性的实施方式，一体化表层126包括与基质118具有基本上相同的热膨胀性质的层状结构。例如，层状表层cte与基质cte之差可在约3-5x10-7k-1内。
在这些示例性实施方式的一些实施方式中，一体化表层126的厚度可大于壁110的厚度。例如，一体化表层126的厚度可大于或等于0.004英寸(0.102mm)、大于或等于0.010英寸(0.25mm)或者大于或等于0.020英寸(0.508mm)。在这些示例性实施方式的一些实施方式中，一体化表层126的热膨胀系数(cte)可大于或等于壁的cte。在这些示例性实施方式的一些实施方式中，一体化表层126的热膨胀系数(cte)可小于或等于15x10-7k-1，并且壁110的cte可小于或等于15x10-7k-1。例如，一体化表层126的热膨胀系数(cte)可小于或等于10x10-7k-1，并且壁110的cte可小于或等于10x10-7k-1，或者甚至是一体化表层126的热膨胀系数(cte)可小于或等于5x10-7k-1，并且壁110的cte可小于或等于5x10-7k-1。
在这些示例性实施方式的一些实施方式中，蜂窝体100的等静压强度可大于150psi(1.03mpa)，例如大于200psi(1.38mpa)，例如大于500psi(3.45mpa)、大于1000psi(6.9mpa)或者甚至是大于2000psi(13.8mpa)。在蜂窝体基质118上具有小的网状物影响区的一体化层状表层126比不具有一体化层状表层的蜂窝体提供了蜂窝体100的更大的等静压强度。
已经设计了形成表层的方法用于生产蜂窝基材上的一体化表层，例如如在第7,914,724号美国专利中所公开的，所述专利的全部内容通过引用纳入本文，就好像在本文中完整列出。然而，形成表层的方法一般依赖于压缩或挤压挤出的多孔基质材料以在多孔基质的顶上形成一层表层。这可通过在模头出口处使用位于基质外周的垫片和罩来完成。另外，可削下模头面上的销并与基质边缘呈一定角度远离以协助获得不撞击在基质外周上的表层，这有助于避免压缩外周处的孔。图2为挤出模头203的剖面等距图，所述挤出模头203具有模头主体207，其中进料孔在进入表面209处，并且挤出狭缝在出口表面211处。构造中心供料孔213以将批料供料到交叉的中心狭缝215，并且构造外周供料孔217以将批料供料到交叉的外周狭缝219。中心狭缝215越过表层形成结构表面221而延伸到外周狭缝219。表层形成结构表面221可形成腔体，其具有罩(未示出)，所述罩与表层形成结构表面221间隔的距离为蜂窝体基质处的共挤出表层的厚度。
在这种类型的使用模头——例如图2所示的模头，其中中心狭缝215延伸超过表层形成结构表面221到达外周狭缝219——形成表层的方法中，蜂窝体表层通过与共挤出的蜂窝体基质不同的工艺形成，从而使得到的表层的物理性质与基质的物理性质不同。例如，已经发现在表层上热膨胀系数(cte)有所变化并且发现通常高于在干燥并经烧制的陶瓷蜂窝体中的基质中测得的cte。
虽然不希望囿于理论，但是cte的可变性是包含挤出的网状物的颗粒取向中断的结果。参考图2、3a和3b，板状滑石和粘土颗粒331通常用于生产陶瓷(例如堇青石)蜂窝体333。随着这些板状颗粒331在挤出过程期间通过模头203的狭缝215、219，它们变得有所取向并且在挤出的生坯部位中保持取向。经过烧制，高度取向产生了具有堇青石晶体的堇青石体，所述堇青石晶体优选取向为(对齐为)其低膨胀c轴335在壁337的平面内。这一取向在本文中被称为“轴向对齐构造”。如果晶体相对于网状物的平面随机取向，这会导致比预期更低的热膨胀系数。由于这些类型的形成表层的方法依赖于通过交叉外周狭缝219的挤出网状物的压缩而产生表层339，因此，网状物的压缩动作产生的颗粒微结构比相邻的基质壁337取向程度显著更低或者更加随机取向(非对齐)341。
基质壁337中的有所取向的颗粒微结构与表层339中的非对齐颗粒微结构之间的对比在表层中不存在与表层339平行的基质壁337的点处最显著。这发生在除90°处以外的任何地方。另外，在外周上的90°点处，表层339已经由通过狭缝219挤出的材料产生，所述狭缝219与表层339平行且垂直。因此，曾经垂直于表层取向的形成表层的网状物的部分需压缩下来以变成表层339的部分。这导致颗粒不对齐，即使是在90°处的表层343的区域中。这一表层形成的结果是由于表层-基质界面处的热膨胀错配，在使用期间，在加热和冷却下在该界面处产生了应力345。非对齐的颗粒微结构343的表层339的区域在本文中被称为“网状物影响区”并且可具有比基质壁337更高的cte以及比邻近表层339更高的cte，结果产生拉伸应力和开裂区347。这一情况存在于大多数的孔几何形状中，包括正方形、圆形、六边形、矩形等。
径向孔陶瓷蜂窝设计公开于第7,575,793号美国专利，其全部内容通过引用纳入，就好像在本文中完整列出。径向孔陶瓷蜂窝设计的一个特征在于孔结构包含从中心位置发散出来的径向壁和与径向壁交叉的一系列同心圈壁。用于生产径向孔陶瓷蜂窝结构的模头的形成表层的部分含有始终与表层平行的网状物壁。这可有助于使所提及的基质与表层物理性质之间的错配最小化。然而，使用常规形成表层的硬件仍然依赖于同心圈与垂直的径向网状物的压缩。令人惊奇的是，本发明人发现了如本文所公开的一种产生表层的方法，该表层主要或完全包含的材料在形成同心圈的狭缝中产生，通过在形成表层的区域中去除径向狭缝，在生坯制品中所具有的颗粒以及在经过烧制的陶瓷制品中的微粒微结构基本以相同的方式取向并且与内部网状物具有基本上相同的方向。根据本文公开的示例性实施方式所述的这一新发现导致一体化表层的物理热膨胀性质与基质的基本上相同。
根据本公开的示例性实施方式，在中心孔结构上具有层状一体化表层的蜂窝体，所述层状一体化表层与基质具有基本上相同的物理热膨胀性质；一种形成具有层状一体化表层的蜂窝体的方法；以及构造用于形成具有层状一体化表层的蜂窝体的挤出模头，上述三者减小了网状物影响区，并且克服了由于表层与基质的物理热膨胀性质错配所导致的应力和开裂。
图4为根据本公开的一些示例性实施方式，示出了外周销和狭缝的在模头外周处具有表层形成结构区域的挤出模头的剖面等距图。挤出模头403具有模头主体407，其中进料孔在进入表面409处，并且挤出狭缝在出口表面(模头面)411处。构造中心供料孔413以将批料以方向“ao”从批料腔体轴向供料到交叉的中心狭缝415，并且构造外周供料孔417以将批料从批料腔体供料到基质外周处的表层形成结构区域419中的狭缝中。图5a为根据本公开的这些示例性实施方式，示出了表层形成结构的外周销和狭缝的图4的模头的详细视图。图5b例示了根据本公开的一些示例性实施方式的可变细的表层形成结构的环状圈的基底。表层形成结构区域419可形成具有罩的腔体。
参考图4、5a和5b，交叉的中心狭缝415限定了中心基质销421并且不延伸超过表层形成区域419中的第一环状圈423。在基质外周处的基质销421通过第一环状狭缝425与第一环状圈423间隔开。第二环状圈427可通过第二环状狭缝429与第一环状圈423间隔开。任选地，在第一和第二环状圈423、427外可同样设置一个或多个另外的环状圈以形成一个或多个另外的狭缝。
外周供料孔417可延伸到环状圈423、427中以形成储器434而将批料供料到径向狭缝425、429中，如图4、5a和5b所例示。或者或另外，根据这些示例性实施方式中的一些实施方式，径向狭缝425、429可包括变细的基底436以将批料供料到径向狭缝425、429，如图5b所例示。
第一和第二环状圈423、427可分别具有出口表面431、433，它们远离模头主体407的中心而呈一定的角度，并且可将罩(未示出)置于表层形成结构区域419中的模头403的顶上以产生孔道用于使挤出的表层接触并结合于基质挤出物。在这种类型的使用模头——例如图4、5a和5b所示的模头，其中中心狭缝415在外周不延伸超过表层形成结构区域419中的第一环状圈423——形成表层的方法中，蜂窝体表层通过与共挤出时的蜂窝体基质类似的工艺形成，从而使得到的表层的物理热膨胀性质与基质的物理热膨胀性质基本上相同。
根据这些示例性实施方式中的一些实施方式，中心狭缝415可包含的厚度为大于或等于0.001英寸(0.0254mm)且小于或等于0.014英寸(0.356mm)，并且环状狭缝425、429可包含的厚度为大于或等于0.001英寸(0.0254mm)且小于或等于0.014英寸(0.356mm)。根据这些示例性实施方式中的一些实施方式，第一和第二环状圈423、427的出口表面431、433分别可远离模头主体407的中心而呈一定角度，所述角度为从平行于模头出口表面起大于或等于0度且从平行于模头出口表面起小于或等于60度。根据这些示例性实施方式中的一些实施方式，不对环状狭缝的数目作具体限制并且其可包括2至7个狭缝。例如，环状狭缝的数目可以包括2个环状狭缝，可以包括3个环状狭缝，可以包括4个环状狭缝或者可以包括5个环状狭缝。由于网状物影响区被大大地限制于与基质狭缝相邻的第一环状狭缝，因此，增加环状狭缝将网状物影响区限制于表层厚度方向上的更窄的表层部分。
图6为根据本公开的一些示例性实施方式，在模头外周具有表层形成区域的挤出模头的截面等距示意图，其示出了外周销和狭缝、罩和狭缝中的塑化批料，该塑化批料在接合区域中接合在一起，并且作为层状表层挤出。在图6中，在各基质销421之间具有狭缝415，所述各基质销421包括最外的销435，其通过第一环状狭缝425与第一环状圈423间隔开。环状圈423、427可被认为是销，但不是传统意义上的销，而是圈。如本文中所使用的圈是指包围基质的形状并且不旨在限于任意特定形状，但是其可包括圆形、椭圆形、不对称形状、直的和弯曲区段的组合以及蜂窝体截面的其他形状。图6示出了通过狭缝供料给表层的批料流动模式的示意图。还示出了批料流动通过狭缝从而以虚线所绘供料给基质。批料以不同的阴影(a、b、c和d)示出以区分流动通过表层形成结构区域和基质中不同流动路径的批料。
示于图6的表层451在本文中被称为层状，这是因为如上所述，在挤出工艺期间通过模头403的狭缝413和425而变成有所取向的批料中的板状颗粒，它们在网状物影响区中变成不对齐。然而，在挤出工艺期间通过模头403的外部环状狭缝429和439而变成有所取向的批料中的板状颗粒，它们几乎不变为不对齐，并且在挤出的生坯部位449中保持有所取向。网状物影响区几乎不从形成表层451外层的外部环状狭缝429、439延伸到批料。使批料颗粒取向的多个环状狭缝425、429、439提供了层状表层451。经过烧制，高度取向产生了具有陶瓷晶体的陶瓷体，所述陶瓷晶体优选地在外部表层中取向(对齐)为其低膨胀轴在表层的平面中，因为网状物壁的陶瓷晶体的低膨胀轴的取向为其低膨胀轴在壁的平面中。然而，烧制的陶瓷表层一般不再是层状，陶瓷晶体优选取向(对齐)为将减少的网状物影响区限制于通过外部表层中的第一环状狭缝挤出的表层厚度。这一烧制的陶瓷表层在本文中被称为均匀表层。
根据图6所示的示例性实施方式，形成表层的圈423、427在基质销421、435的出口表面下面凹陷并且出口表面431、433以某一角度远离模头403的表面和中心。在垫片443上的表层形成结构区域中描绘了罩441用于调整表层形成结构区域中的批料流动。将罩441和表层形成狭缝425、429、439设置成允许批料在如图的中心部分中所示的表层形成间隙457中形成分层结构。与最外部的销435相邻的罩445、447的边缘向销435变细以便于对批料a、b、c的各层进行压缩和接合而在表层形成间隙457中形成表层451。朝向出口表面的罩边缘447的一部分可具有小的角度以在接合区域437中将分层的表层结构接合到基质453。
基质的挤出的生坯蜂窝体壁453以虚线示出并且在各最外部的基质销435之间以及在最外部的基质销435与第一环状圈423之间的狭缝415处接触挤出的层状表层。因此，可将批料颗粒中的任意取向中断限制在表层厚度的小区域。例如，当使用两个表层形成狭缝时，可将网状物影响区限制在不超过表层厚度的约一半厚度，并且当使用三个表层形成狭缝时，可将网状物影响区限制在不超过表层厚度的约三分之一厚度。例如，当使用四个表层形成狭缝时，可将网状物影响区限制在不超过表层厚度的约四分之一厚度；当使用五个表层形成狭缝时，可将网状物影响区限制在不超过表层厚度的约五分之一厚度；以及当使用六个表层形成狭缝时，可将网状物影响区限制在不超过表层厚度的约六分之一厚度。
当使用两个或更多个环状表层形成狭缝时，一体化层状表层可比基质网状物更厚以改进蜂窝体的强度。厚的层状表层仍然可与薄的网状物具有基本上相同的物理热膨胀性质，从而避免原本在加工期间(例如烧制)和使用期间(例如在汽车排气处理中)可形成的辐射状(spider)裂纹和裂隙。
图7a为基质狭缝215的模头出口面处的顶视示意图，该基质狭缝215在模头外周223穿过表层形成结构狭缝219，可以从其中挤出非层状表层339，该非层状表层339具有非对齐区343并且cte高于邻近的表层区域，这可导致应力集中在非对齐区343或邻近的表层区域。图7b为根据本公开的一些示例性实施方式的基质狭缝415的模头出口面411处的顶视示意图，该基质狭缝在模头外周459处的第一表层形成结构狭缝425处停止并且从其中挤出的层状表层126具有基本限制到内薄片的有所减小的非对齐区。
图8a为根据本公开的一些示例性实施方式，示出了外周销423、427和狭缝425、429、439，并且在模头外周具有狭缝415和销421的径向孔几何基质和表层形成结构区域的挤出模头800出口面411的顶视图。图8b是图8a的挤出模头800的剖面等距图。图8c是在表层形成结构区域中具有罩441的图8a的挤出模头800的剖面等距图。挤出模头800的外周销423、427不具有径向狭缝。挤出模头800具有模头主体407，其在进入表面409处具有开放的腔体供料处。构造中心开放腔体442以将批料从批料腔体轴向供料到交叉的中心狭缝415，并且构造外周开放腔体444以将批料从批料腔体供料到基质外周处的表层形成结构区域419中的狭缝中。
图9为根据本公开的一些示例性实施方式，示出了外周销467、469和狭缝425、429的在模头外周处具有表层形成结构区域的挤出模头900的剖面等距图。表层形成销467、469具有径向狭缝463以增强表层的薄片之间的接合。为了保持层状表层中颗粒的良好取向，径向狭缝463的出现率小于第一表层形成狭缝425处的基质狭缝的出现率。如在本文中所使用的，狭缝的出现率是指在第一环状狭缝425处，每单位长度的狭缝数目。例如，如果基质狭缝415与第一环状狭缝425交叉，则可以在给定的距离内具有十个基质狭缝415，并且在相同的距离内可以具有四个径向狭缝463。由于基质的几何结构，基质狭缝415在给定距离内可以不均匀分布。径向狭缝463在图9中例示为均匀分布，但是无需限于此。例如，对于正方形销421基质来说，表层形成销467、469在45°取向时可比90°取向时具有更少的径向狭缝463，或者，对于六边形销421基质来说，表层形成销467、469在30°取向时可以比60°取向时具有更少的径向狭缝463。表层形成销467、469在本文中也被称为圈，并且径向狭缝463可具有各种深度465以增强表层的薄片之间的接合。
图10为根据本公开的一些示例性实施方式，示出了外周销467、469和狭缝425、429的在模头外周处具有表层形成结构区域的挤出模头903的剖面等距图。挤出模头903与挤出模头900相似，但是挤出模头903具有六边形基质销421。虽然在图10中未示出，但是最外部的基质销435还可具有面向第一环状圈425的侧边部分，其类似于图2中的表层形成结构表面221远离模头903的中心而呈一定角度，并且最外部的基质销435还可具有出口表面431、433以允许层状表层与基质接合。
图11是根据这些示例性实施方式中的一些实施方式，在模头外周处，在表层形成区域中具有罩441的图10的挤出模头903的剖面等距图。罩441以透明形式示出，这仅是为了说明在表层形成结构区域419中的位于下方的模头903结构。
图12为根据本公开的一些示例性实施方式，示出了外周狭缝913、915、917、919、921的在模头外周处具有改进的表层形成结构911的挤出模头905的剖面等距图。改进的表层形成结构911具有环状圈923、925、927、929以限定环状狭缝913、915、917、919、921用于类似于前文参考图4和5所述的实施方式形成层状表层。另外，改进的表层形成结构911具有供料孔931、933，构造该供料孔931、933以向环状狭缝913、915、917、919、921提供批料。
改进的表层形成结构911可具有第一表面935用于接触模头主体939上的对应表面937。改进的表层形成结构911可具有第二表面941用于接触模头主体939上的对应表面943。以这种方式，改进的表层形成结构911可紧密地装配于模头主体939，同时使供料孔417与供料孔931、933流体连通。夹具、栓等(未示出)可用于将改进的表层形成结构911固定于模头主体939以避免批料泄漏。模头主体939在表面937中可具有室945以接收来自模头供料孔417的批料并将批料供给改进的表层形成结构供料孔931、933。
图13a是根据本公开这些示例性实施方式中的一些实施方式，在模头外周处不具有改进的表层形成结构911的图12的挤出模头905的出口面411处的顶视图。图13b是根据本公开的这些示例性实施方式中的一些实施方式，图12的改进的表层形成结构911的出口面处的顶视图。构造由第二表面941限定的开口947以围绕模头905的基质装配。图13c是根据本公开的这些示例性实施方式中的一些实施方式，图12的改进的表层形成结构911的进入面处的底视图。
实施例
图14a是描述s值作为有序参数的示意图，s值用于对根据本公开的一些示例性实施方式的生坯挤出制品中的颗粒对齐进行定量。为了对材料(生坯挤出基材材料)中存在的有序程度进行定量，有序参数(s)在本文中是指如下
s＝(1/2)<3cos2θ-1>方程(1)
其中θ(西塔)是确定的方向与每个分子的长轴之间的角。括号表示样品中所有分子的平均值。在各向同性液体中，余弦项的平均值为零，因此有序参数等于零，这表明分子完全随机取向。对于完美晶体(所有分子在相同方向上对齐)，有序参数求值为1。图14b为各样品的显微照片，其中左边为s＝0.8958的样品“a1”的显微照片，其比右边的s＝0.7163的样品“a2”具有更高的颗粒对齐程度。
图15为在基质上具有共挤出的非层状表层的蜂窝体生坯制品截面的背散射扫描电子显微照片(sem)图像，其示出了选定用于s值分析的三个区域。具有延伸到表层形成结构区域中的基质狭缝的模头(例如图2所示的)用于制造图15的蜂窝体生坯制品。
图16为根据本公开的一些示例性实施方式的在基质上具有共挤出的层状表层的另一种蜂窝体生坯制品截面的背散射sem图像。在图16中，示出了选定用于s值分析的三个区域。例如图9所示的在表层形成结构区域中具有一些径向延伸狭缝的模头被用于制造图16的蜂窝体生坯制品。
图17为根据本公开的一些示例性实施方式的在基质上具有共挤出的层状表层的另一种蜂窝体生坯制品截面的背散射sem图像。在图17中，示出了选定用于s值分析的三个区域。例如图4所示的在表层形成结构区域中仅具有环状延伸狭缝的模头被用于制造图17的蜂窝体生坯制品。
由在200℃下干燥4小时的部件制备抛光的截面以有助于对其进行进一步干燥并去除一些油状物以有助于环氧树脂浸渍工艺。切割并抛光样品以由每个样品产生单独的试样。在部件的开口面的横截面上抛光试样。图15所示的对比样品(cs)的抛光截面以及图16(es1)和图17(es2)所示的示例性样品(es)的抛光截面由蒸发到样品上的导电碳涂层制备以减少充电。然后使用
使用oxfordinstrumentsazteceds
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对比样品(cs)的s值结果示于下表1，示例性样品1(es1)的s值结果示于下表2，以及示例性样品2(es2)的s值结果示于下表3。s值越低，颗粒对齐更加地无序。
表1
表2
表3
发现各样品之间的颗粒对齐程度存在一些差异。层状表层在从表层远离到网状物界面的区域中提供了改进的取向。还发现在部件的长轴或挤出方向上颗粒更加对齐，而在部件的截面中不那么对齐。显微照片中的大的黑色裂纹是用于制造实施例所使用的低压实验模头造成的。然而，图15的cs区域1和2中的这些裂纹的形状表明了大的网状物影响区。相反，针对es1和es2的图16和17分别示出了较少的裂纹，并且裂纹与表层表面平行，根据本文列出的本公开的示例性实施方式的描述，这表明有显著更少的网状物影响区。
根据这些示例性实施方式中的一些实施方式，大于表层壁厚度的50％的有序参数s可大于或等于0.4，例如大于或等于0.45，或者甚至是大于或等于0.5。另外，大于表层壁厚度的60％的有序参数s可大于或等于0.4，例如大于或等于0.45，或者甚至是大于或等于0.5。甚至更进一步，大于表层壁厚度的70％的有序参数s可大于或等于0.4，例如大于或等于0.45，或者甚至是大于或等于0.5。
根据本公开的示例性实施方式，通过具有环状圈以限定环状狭缝来形成表层的模头所生产的表层能够减少或消除先前由于在使用陶瓷蜂窝体期间在加热和冷却时基质与表层间的物理热膨胀性质错配所导致的应力。陶瓷蜂窝体在加热炉热冲击测试中失效一般发生于表层，因此，如本文所公开的设置在基质上的并且颗粒如在基质中有所取向的一体化层状表层可提高加热炉热冲击测试中的失效温度。改进表层与基质之间的热膨胀系数匹配可改进蜂窝体的抗热冲击性。此外，本文公开的方法在基质上设置了一体化层状表层，该一体化层状表层具有与基质一样的颗粒取向，所述方法可改进表层厚度均匀性并改进蜂窝体等静压强度。
本领域的技术人员显而易见的是，可以对公开的示例性实施方式进行各种修改和变动而不偏离本公开的精神或范围的情况。因此，所附权利要求书旨在覆盖对本公开的这些修改和变动，只要这些修改和变动在所附权利要求书及其等同方案的范围之内。