硅铝酸锂陶瓷制造技术

一种陶瓷制品，它主要由占氧化物重量的１０－２５％的ＳｉＯ＃－［２］、６５－８５％的Ａｌ＃－［２］Ｏ＃－［３］和２－１２％的Ｌｉ＃－［２］Ｏ构成，并包含β－锂霞石，该β－锂霞石作为具有热膨胀阴性组分和熔点Ｔｍ＃－［１］的初相，以及具有比初相的热膨胀组分高的热膨胀阳性组分和熔点Ｔｍ＃－［２］的次相，其中，Ｔｍ＃－［２］＞Ｔｍ＃－［１］，初相最多占陶瓷重量的５０％，并且陶瓷是以微裂纹为特征的。Ｔｍ＃－［２］至少为１８００℃。该陶瓷制品显示从室温到８００℃之间的热膨胀系数接近于０、高耐熔性、以及高耐热冲击性，它们使得本发明专利技术的陶瓷在高温应用中非常受欢迎，比如用作柴油机排气的过滤器。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及具有Li2O-Al2O3-SiO2(硅铝酸锂)系组合物的陶瓷体或结构体。具体地说，本专利技术涉及具有低热膨胀系数(CTE)、高热容、高耐熔性、以及高耐热冲击性的硅铝酸锂陶瓷。
技术介绍
在工业中，堇青石(2MgO-2Al2O3-5SiO2)是用于高温过滤用途，如流通和壁流过滤器的成本-效果合算材料的选择，因为在大多数操作条件下，其结合了良好的耐热冲击性、过滤效率、以及耐久性。但是，在某些情况下，堇青石过滤器易于遭到损坏，甚至灾难性的毁坏。因此，需要有适于高温过滤用途但又没有堇青石的缺点的陶瓷。本专利技术提供了这样一种陶瓷及其制造方法。
技术实现思路
本专利技术是通过发现在Li2O-Al2O3-SiO2系中占主导地位的两相陶瓷来创建的，所述陶瓷具有高耐熔性、高耐热冲击性、以及高热容性能，它们使得本专利技术的陶瓷在高温应用中非常受欢迎，如用作柴油发动机排气的过滤器。具体地说，本专利技术是一种陶瓷制品，它主要由占氧化物重量的10-25％的SiO2、65-85％的Al2O3和2-12％的Li2O构成，并且包含初相，所述初相具有从室温到1000℃的平均热膨胀系数为-5×10-7/℃的各向异性的热膨胀性能(沿晶轴的膨胀普遍不同)并且小于陶瓷制品重量的50％，以及熔点高于初相的熔点的次相。次相的熔点最好至少为1800℃。本专利技术的陶瓷结构体含32-50重量％的作为具有熔点Tm1的初相的β-锂霞石(LiAlSiO4)，以及50-68重量％的含高于初相的热膨胀组分的热膨胀阳性组分和熔点Tm2的次相，其中，Tm2＞Tm1。次相选自铝酸锂尖晶石(LiAl5O8)、铝酸锂(LiAlO2)、刚玉(Al2O3)、以及它们的组合。本专利技术的陶瓷结构体显示从室温至800℃的热膨胀系数(CTE)为-30×10-7/℃至+30×10-7/℃，最好是-20×10-7/℃至+10×10-7/℃；渗透率至少为0.5×10-12m2，最好是1.0×10-12至5.0×10-12m2；总的孔隙率为35-65％，最好是45-55％；平均尺寸为8-25微米，最好是15-20微米；以及在温度为1550-1650℃下的高耐熔性。本专利技术的陶瓷结构体适用于高温用途，如用于柴油机排气和汽车催化转化器的过滤器。特别是，本专利技术的结构体尤其适合作为具有进口端和出口端以及许多从进口端延伸到出口端的孔(这些孔具有多孔壁)的柴油机蜂窝状特殊过滤器，其中，在进口端的孔总量中的一部分，它们的部分长度是堵塞的，而在进口端开放的剩余部分的孔在出口端的部分长度是堵塞的，使得通过蜂窝的孔从进口端流向出口端的发动机废气流经过孔壁流入开放的孔中，并且通过出口端处开放的孔流出该结构体。本专利技术还是一种制造陶瓷制品的方法。将碳酸锂、氧化铝、粘土和/或沙、溶剂、任选的胶粘剂、润滑剂和增塑剂的混合物形成为增塑批料，成形为生坯，随意地干燥并在1300-1400℃焙烧足够长的时间以形成产品结构体。具体实施例方式本专利技术是主要为两相的陶瓷，它具有作为初相的低CTE相和作为次相的高熔融温度相(高温相可包括超过单一的相，如下文中进一步的描述)。此独特的相的二元性赋予本专利技术的结构体CTE近乎0的高耐熔性，这样就使之适于高温应用，如从柴油机废气流中过滤颗粒物质。本专利技术的组合物面积取决于Li2O-Al2O3-SiO2(LAS)系并且主要由占氧化物重量的约10-25％的SiO2、65-85％的Al2O3和2-20％的Li2O构成。较佳的组合物面积主要由占氧化物重量的约13-20％的SiO2、70-80％的Al2O3和3.5-10％的Li2O构成。可随意地存在少量的其它耐熔氧化物，如ZrO2、Cr2O3、V2O3和Ta2O5。在一个较佳的实施方式中，本专利技术的结构体包括32-50重量％的具有熔点Tm1的β-锂霞石初相，以及50-68重量％的具有比初相的热膨胀组分高的热膨胀阳性组分和熔点Tm2的次相，其中，Tm2＞Tm1。低CTE相是β-锂霞石(LiAlSiO4)，它从室温至1000℃的平均CTE约为-5×10-7/℃，并且在a-轴的高各向异性CTE(例如，沿晶轴的膨胀普遍不同)约为+80×10-7/℃、在c-轴的为-170×10-7/℃。但是，β-锂霞石还具有约为1410℃的低熔点。因此，在最终的物体内的β-锂霞石的量小于约50重量％，更好是约32-45重量％以确保最终物体的有效熔融温度不受损害。换句话说，大部分陶瓷由高温相组成。高温相具有高于β-锂霞石的熔点，最好是高于1800℃。高温相选自铝酸锂尖晶石(LiAl5O8)、铝酸锂(LiAlO2)、刚玉(Al2O3)、以及它们的组合。铝酸锂尖晶石的熔点约为1960℃。刚玉的熔点约为2020℃。LiAlO2的熔点约为1850℃。所有这三个相具有高CTE。铝酸锂尖晶石的从室温到1000℃的CTE约为85×10-7/℃，而刚玉的从室温到1000℃的CTE约为84×10-7/℃。较佳的是次高温相为铝酸锂尖晶石，因为它与固态的LiAlSiO4达到热力学平衡，并且还与接近于呈部分熔融状态的该组合物的液体结合形成网。因此，在一个特别好的实施方式中，本专利技术的陶瓷包含35重量％的β-锂霞石和65重量％的铝酸锂尖晶石。β-锂霞石相与高温相之间的大的CTE失配促进了沿β-锂霞石晶体之间，或者β-锂霞石与高温相之间晶粒边界的微裂纹，它使得在室温至800℃的温度范围内的CTE为-30×10-7/℃至30×10-7/℃，最好是-20×10-7/℃至10×10-7℃，导致本专利技术的结构体具有极好的耐热冲击性。微裂纹体会使CTE偏向最阴性的CTE组分，因为冷却时微裂纹的开口容纳普通的阳性组分。另外，本专利技术的结构体在1550-1650℃显示高耐熔性。耐熔性是当结构体暴露在高温如1500℃以上一段约10小时的持续时间时，结构体中变形的测定。本专利技术结构体中极高的耐熔性被认为是尖晶石骨架保持连续性以及富熔的β-锂霞石自身附着在尖晶石网上结果。本专利技术结构体的另一个优点是由于高的、连通的孔和大的平均孔径导致的高渗透率。渗透率至少约为0.5×10-12m2，最好是约1.0×1012-至5×10-12m2。渗透率是对流体流过多孔结构体的难易程度的测定。在恒定的温度和流体粘度下，渗透率根据％开口孔隙率、孔径和怎样较好地使孔相互连接来确定。开口孔隙率约为35-65体积％，最好是约45-55体积％。平均孔径约为8-25微米，最好是约15-20微米，以维持良好的过滤效率。所述的开口孔隙率(体积％)和描述为平均孔径(微米)的孔径用水银孔隙率测量计测定。本专利技术还涉及制造本专利技术的LAS结构体的方法。选择包括碳酸锂、氧化铝形成源、氧化硅形成源和/或高岭土的原材料以形成主要由占氧化物重量的约10-25％的SiO2、65-85％的Al2O3和2-20％的Li2O，最好是约13-20％的SiO2、70-80％的Al2O3和3.5-10％的Li2O构成的组合物来形成混合物。表1描述了本专利技术的组合物和所得相系统的例子。将原材料与包括增塑剂、润滑剂、胶粘剂和溶剂的有机组分一同混合。水也可作为溶剂随意地添加。将该混合物成形为生坯，任选地干燥，然后在一温度下焙烧足够长的时间以形成最终的产品结构体。氧化铝形成源是粉末，当在没有其它原材料、温度足够高的条件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种陶瓷，它包含作为具有热膨胀阴性组分和熔点Ｔｍ↓［１］的初相的β－锂霞石（ＬｉＡｌＳｉＯ↓［４］），以及具有比初相的热膨胀组分高的热膨胀阳性组分和熔点Ｔｍ↓［２］的次相，其中，Ｔｍ↓［２］＞Ｔｍ↓［１］，初相最多占陶瓷重量的５０％，并且陶瓷是以微裂纹为特征的。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：DM比尔，G比尔，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]