多孔陶瓷制品及其制造方法技术

本发明专利技术涉及多孔陶瓷制品及其制造方法。多孔陶瓷制品具有烧结结合或反应结合的经过预反应的大颗粒以及展现出大孔颈的孔状网络结构的微结构。制造多孔陶瓷制品的方法涉及使用具有一个或多个相的经过预反应的颗粒。还揭示了塑料陶瓷前体组合物。组合物包括致密的类球形预反应颗粒、多孔的类球形预反应颗粒或者空心的类球形预反应颗粒中的至少一种与液体载剂的混合物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】 本申请根据35U.S.C. § 119,要求2013年5月20日提交的美国临时申请系列第 61/825, 211号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。 技术背景
本专利技术的示例性实施方式涉及。本专利技术的示例性实施 方式涉及具有微结构的多孔陶瓷制品，所述微结构包括烧结结合或反应结合的经过预反应 的大颗粒以及孔状网络结构，以及采用经过预反应的颗粒来制造多孔陶瓷制品的方法。
技术介绍
堇青石、碳化硅和基于钛酸铝的蜂窝体被广泛地用于各种应用，包括用于柴油和 汽油发动机废气后处理的催化基材和过滤器。 为了符合对轻型和重型车辆日益严格的排放标准，基材和过滤器材料必须是高度 多孔的，从而允许气体流动通过壁而不限制发动机功率，并且对排放的颗粒必须具有高过 滤效率，同时预期证实具有低压降。基材和过滤器还需要能够耐受腐蚀/腐蚀性排放环境， 并且经受快速加热和冷却过程中的热冲击。CO 2排放法规和增加的燃料成本驱使废气后处 理系统的小型化和整合功能。可能希望减少后处理系统中的组件数量，降低它们的尺寸并 执行不同组件的多功能性。例如，可能希望在柴油颗粒过滤器中整合去除NOx的催化剂和 柴油氧化催化剂（DOC)。为了实现高的脱NOx效率，需要相当高的脱NOx催化剂负载以及低 温下的高催化剂活性，例如Cu-沸石那种。作为趋势以及原始设备制造商（OEM)的希望，可 能驱使沸石催化剂负载达到200g/L的高水平。为了符合该负载目标并保持低压降，过滤器 基材可能需要高孔隙度和大孔径，例如约为60%的孔隙度以及大于或等于18 μπι的中值孔 径。 预期实现了高的脱NOx效率的高孔隙度和大孔径不会劣化颗粒过滤效率。它们也 不应降低过滤器的热机械性质。堇青石和钛酸铝都可具有低热膨胀，因此适用于需要高抗 热冲击性的应用。这两种材料都显示出具有不同结晶方向的热膨胀的各向异性，展现出正 向膨胀和负向膨胀。由于热膨胀中的各向异性，在不同结晶取向的颗粒之间积累了失配应 变，该应变会导致微裂纹。多晶堇青石或钛酸铝陶瓷可能在热循环过程中经历更广泛的微 裂化。在冷却过程中微裂纹打开，在加热过程中微裂纹闭合，有时甚至复原。这产生加热和 冷却之间的热循环差异的滞后响应，这会导致可逆的微裂纹形成和闭合。作为微裂纹的结 果，陶瓷的整体热膨胀系数（CTE)可能低于晶体平均CTE。 第一眼看来，微裂纹可能看上去是有益的；预期通过微裂纹，改善了材料的抗热冲 击性，这与材料的强度成正比、与材料的弹性模量和热膨胀成反比。但是，随着微裂纹密度 的增加，材料强度也下降。由于实现微裂纹的应力阈值所需的大的颗粒（域）尺寸和晶体 热膨胀中的小差异，导致堇青石中的微裂纹密度保持相当低的程度。作为晶体膨胀中大得 多的各向异性的结果，基于钛酸铝材料中的微裂纹密度要高得多，并且对陶瓷制品的强度 造成明显影响。 将具有低的热膨胀、高孔隙度、低杨氏模量和高强度的多孔堇青石和基于钛酸铝 的蜂窝陶瓷制品用作高性能车辆催化转化基材和柴油颗粒过滤器。对于堇青石产品，诸如 氧化铝、滑石、粘土、氧化镁、氧化铝和氧化硅粉末之类的原料可以与有机粘合剂以及成孔 剂混合。对于钛酸铝复合产品，诸如氧化铝、氧化钛粉末之类的原材料以及用于形成"填 料"相的原材料（例如，氧化锶、氧化铝、氧化硅以形成长石（硅酸锶铝长石或"SAS"））可 以与有机粘合剂、成孔剂和水混合，以形成塑料混合物。塑料混合物可以挤出或者任意其他 方式成形为所需形状的生坯体，例如蜂窝体、槽干材（trough log)或者碟式过滤器，干燥 然后烧制至1350-1450°C之间的温度，这取决于原材料组合。在干燥和烧制过程中，原材料 颗粒发生反应，并通过各种中间体形成最终的晶体堇青石或钛酸铝复合物。成形的生坯部 件在烧制后转变为固体、耐用多孔陶瓷制品。在高温处理反应之后形成氧化物或非氧化物 陶瓷的其他基材和过滤器蜂窝材料或者材料混合物可包括：金属、金属间化合物、多铝红柱 石、氧化铝（Al 2O3)、锆石、碱性和碱土铝硅酸盐、尖晶石、钙钛矿、氧化锆、二氧化铈、氮化硅 (Si 3N4)、氧氮化硅铝（SiAlON)以及沸石。 可以通过如下方式从蜂窝多孔陶瓷获得柴油颗粒过滤器（DPF)和汽油颗粒过滤 器（GPF):在一端，以棋盘式样堵塞住通道，在另一端堵塞住余下通道，从而形成具有入口 和出口通道的过滤器。废气流入开放入口通道，通过蜂窝壁（贯壁流动）（这是因为入口通 道在另一端被堵住），并从在入口端被堵住的出口通道流出。在废气通过多孔蜂窝壁的过程 中，来自废气的小颗粒沉积到孔表面上或者作为烟炱层沉积到壁表面上，从而提供了废气 过滤。可以在再生循环中定期地烧掉沉积颗粒的烟炱饼，或者在被动再生过程中连续地烧 掉，从而使得DPF或GPF具有类似于车辆的使用寿命。可以采用替代过滤器设计，例如径向 槽过滤器或者径向碟过滤器，其相比于具有长且窄的气体流动通道的蜂窝设计，对于气体 流动可展现出更宽的气体流动通道和更大的径向分量，但是共享了当通过多孔陶瓷薄壁时 相同的气体颗粒过滤，并通过在壁孔隙度和/或通道壁上结合合适的催化剂来提供相同的 脱NOx可能性的机会。 变严格的废气法规可能要求更高的颗粒过滤效率，特别是对于小的粒度而言，并 且要求更高的NOx过滤效率，不仅是现有建立的测试循环，也是不断的现实驱使。OV法规 可能要求使用较少的燃料，OEM要求较低的压降，这都是要求多孔陶瓷蜂窝基材改善的抗热 冲击性和延长的寿命的情况下。为了符合这些要求，可能需要具有比目前使用更高的孔隙 度、更大的孔径和更薄的蜂窝壁的基材和过滤器。 该
技术介绍
部分所揭示的上述信息仅是为了增强对于所要求的本专利技术的背景技 术的理解，因此其可能含有不形成任意现有技术部分或者现有技术可能暗示本领域技术人 员的信息。
技术实现思路
本专利技术的示例性实施方式提供了具有微结构的多孔陶瓷制品，该微结构通过烧结 结合或反应结合的经加工的类球形颗粒和孔隙网络进行表征。 本专利技术的示例性实施方式还提供了采用烧结结合或反应结合的经加工的类球形 颗粒来制造多孔陶瓷制品的方法。 本专利技术的示例性实施方式还提供了用于制造具有微结构的多孔陶瓷制品的塑料 陶瓷前体批料组合物，该微结构通过烧结结合或反应结合的经加工的类球形颗粒和孔隙网 络进行表征。 本专利技术的其它特征将在以下描述中指出，它们通过该描述不难理解，或者可通过 实施本专利技术而了解。 一个示例性实施方式揭示了制造多孔陶瓷制品的方法。该方法包括形成直径至少 为10 μ m的生坯颗粒，对生坯颗粒进行煅烧以形成经过预反应的颗粒，将经过预反应的颗 粒与液体载剂混合以形成糊料，以及将糊料形成为湿的生坯体。经过预反应的颗粒包括致 密、多孔或空心的类球形颗粒中的至少一种，并且经过预反应的颗粒包括一个或多个相。方 法包括对湿的生坯体进行干燥，以形成干燥生坯体，并对干燥生坯体进行烧制以形成多孔 陶fe制品。 -个示例性实施方式还揭示了制造具有逆孔隙度（inverse porosity)孔结构的 多孔陶瓷制品的方法。该方法包括形成直径至少为10 μ m的生坯颗粒，对生坯颗粒进行煅 烧以形成经过预反应的颗粒，将经过预反应的颗粒与液体载剂混合以形成糊料。经过预反 应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造包含经过预反应的颗粒的多孔陶瓷制品的方法，所述方法包括：形成直径至少10μm的生坯颗粒；对所述生坯颗粒进行煅烧以形成经过预反应的颗粒；混合所述经过预反应的颗粒和液体载剂，以形成糊料；将所述糊料形成为湿的生坯体；对所述湿的生坯体进行干燥以形成经过干燥的生坯体；以及对所述经过干燥的生坯体进行烧制以形成所述多孔陶瓷制品，其中所述经过预反应的颗粒包括以下至少一种：致密类球形颗粒、多孔类球形颗粒或者空心类球形颗粒，以及所述经过预反应的颗粒包括一个或多个相。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·贝克豪斯瑞考尔特，C·R·格罗斯，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US