陶瓷加工烧制制造技术

一种生产蜂窝陶瓷制品的方法，该方法包括提供生坯蜂窝体，所述生坯蜂窝体包含形成陶瓷的材料以及有机成孔材料，并使得所述生坯蜂窝体在窑中进行烧制循环，其中，向窑气氛中加入蒸汽，蒸汽的加入量约为10-100体积%。还提供了通过所述方法生产的陶瓷制品。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】陶瓷加工烧制相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C.§ 119，要求2010年11月30日提交的美国临时申请第 61/418，181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。背景本申请一般地涉及生产陶瓷制品，更具体地涉及采用蒸汽辅助的烧制步骤来生产陶瓷制品。常规方法制造的陶瓷由许多有机成分组成，包括加工助剂和润滑剂(烷烃、烯烃、 石蜡、脂肪酸等)、作为粘合剂的成形剂(甲基纤维素、PVOH等)以及作为成孔剂的结构剂(碳基和经基材料，例如淀粉、石墨、合成聚合物等)。当批料组成中涉及闻水平的有机粘合剂、 润滑剂和成孔剂时，对具有大尺寸、复杂形状的陶瓷产品进行烧制/加工是非常困难的。这是由于烧掉这些化学品是剧烈放热反应，其中，当用氧气(空气)将含碳化合物和/或烃类化合物转化成二氧化碳和水时，产生大量的热量。通常来说，在对陶瓷部件烧制时发生的非均匀燃尽过程产生温度差以及膨胀或收缩差，这引起了部件上的内部应力。这是导致烧制裂纹和变形的主要原因。为了改善烧制产率并消除燃尽过程中的温度尖峰，现有的多孔陶瓷制造工艺需要通过降低大气中的氧含量来降低氧化速率(放热)，例如通过使用大量氮气来稀释空气，和/ 或在反应范围过程中(150-800°C)用非常低的升温速度(<10°C/h)来延长燃尽阶段。因此， 有机物的慢速燃尽使得制造多孔陶瓷的材料成本和能源成本都明显增加。例如，采用常规方法，会占据约200小时来烧制生坯(例如，10%成孔剂+5%粘合剂和润滑剂)中有机物含量约为15% (通过追加加入)的大锋面(LFA)部件(例如> 10”直径xl3”高)。此外，采用现有生产工艺来烧制具有超过25%的成孔剂的任意LFA部件都是极端困难的。因此，希望有一种缩短烧制步骤时间的陶瓷制造方法。``
技术实现思路
`本专利技术的一个方面包括生产蜂窝陶瓷制品的方法，所述方法包括在烧制循环中向烧制气氛加入蒸汽。在整个烧制循环中，加入气氛的蒸汽量可以约为10-100体积％。在另一个方面，本专利技术包括一种堇青石陶瓷制品，该堇青石陶瓷制品是通过如下方法生产的:提供形成堇青石陶瓷的成分、基于纤维素的粘合剂、水基溶剂和成孔剂，混合所述形成堇青石陶瓷的成分、粘合剂、溶剂和成孔剂以形成前体批料，将所述前体批料成形为生坯蜂窝体，并烧制所述生坯蜂窝体以产生堇青石陶瓷制品，其中，在烧制循环的最高保温温度过程中，向窑气氛加入蒸汽。所述堇青石陶瓷制品的正交晶系堇青石与六边形堇青石的比例约为约大于7:1，约大于9:1，约大于15:1，或者甚至约大于17:1。从烧制循环的最高保温温度的快速冷却速率(例如大于约50°C /小时或者甚至大于约100°C /小时)可以实现所述正交晶系堇青石与六边形堇青石的高比例。在另一个方面，本专利技术包括一种钛酸铝陶瓷制品，该钛酸铝陶瓷制品是通过如下方法生产的:提供形成钛酸铝的成分、基于纤维素的粘合剂、水基溶剂和成孔剂，混合所述形成钛酸铝陶瓷的成分、粘合剂、溶剂和成孔剂以形成前体批料，将所述前体批料成形为生坯蜂窝体，并烧制所述生坯蜂窝体以产生钛酸铝陶瓷制品，其中，在烧制循环的最高保温温度过程中，向窑气氛加入蒸汽。在另一个方面，本专利技术包括一种多铝红柱石陶瓷制品，该多铝红柱石陶瓷制品是通过如下方法生产的:提供形成多铝红柱石的成分、基于纤维素的粘合剂、水基溶剂和成孔剂，混合所述形成多铝红柱石陶瓷的成分、粘合剂、溶剂和成孔剂以形成前体批料，将所述前体批料成形为生坯蜂窝体，并烧制所述生坯蜂窝体以产生堇青石陶瓷制品，其中，在烧制循环的最高保温温度过程中，向窑气氛加入蒸汽。在以下详细描述中给出了要求保护的本专利技术的其他特征和优点，其中部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，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专利技术而被认识。应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是呈现本专利技术的实施方式，用来提供理解要求保护的本专利技术的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本专利技术的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图举例说明了本专利技术的各种实施方式，并与描述一起用来解释所要求保护的本专利技术的原理和操作。附图简要说明图1A是输入气氛中不加入蒸汽的烧制循环的烧制室的示意图。图1B是蒸汽辅助烧制循环的烧制室的示意图。图2A和2B分别显示了不向气氛中加入蒸汽以及向气氛中加入蒸汽的烧制循环过程中的部件内的温差。图3是用于证实蒸汽辅助烧制循环的影响的示例性烧制循环。图4A和4B显示了在不向气氛加入蒸汽的整个烧制循环中氧气浓度对于部件温度的影响。图5显示了 2%氧气 气氛中的蒸汽辅助烧制循环的影响。图6显示了 4%氧气气氛中的蒸汽辅助烧制循环的影响。图7显示了 6%氧气气氛中的蒸汽辅助烧制循环的影响。图8显示了 12%氧气气氛中的蒸汽辅助烧制循环的影响。图9显示了氧气和蒸汽浓度对于碳去除时间的影响。图10显示了氧气和蒸汽浓度对于烧制过程中部件的顶表皮与中心芯位置之间的温差的影响。图1lA和IlB比较了向气氛中输入蒸汽和不输入蒸汽烧制的堇青石结构的物理性质。图12A和12B显示了蒸汽和氧气浓度对于堇青石热膨胀系数的影响。图13显示了蒸汽辅助烧制对于堇青石结构的Esfod的影响。图14A、14B和14C显示了蒸汽和氧气浓度对于堇青石平均孔径和孔径分布的影响。【具体实施方式】宽泛地来说，本专利技术提供了生产陶瓷制品的方法，所述方法包括在存在蒸汽的情况下烧制陶瓷制品的步骤。除了使用氧气之外或者代替使用氧气之外，使用水(蒸汽)作为氧化剂，在整个燃尽过程中消耗生坯体中的部分或全部的有机物和碳。因此，避免或降低了高度放热的氧化反应，因为采用了吸热水煤气反应和低放热的水煤气变换反应来去除含碳化合物。此外，本文所述的方法以非常快速的加热和冷却升温速度烧制循环提供了高孔隙率陶瓷制品，加热和冷却速率在50_100°C /小时或者更高的范围内，对于一些实施方式，烧制循环的总烧制循环时间约为30小时。实验数据显示蒸汽辅助烧制过程中产生的热通量相比O2的正常氧化反应大大降低。作为结果，蒸汽辅助烧制过程对于现有产品和新产品可以产生高得多的制造能力，并且成本明显降低。还相信本文所述方法的烧制步骤利用蒸汽辅助烧制提供了更完全的陶瓷成形，能够缩短常规的长时间和高温烧制循环。作为非限制性例子，本文所述方法利用蒸汽辅助烧制，可以使得常规烧制过程中超过200小时的烧制循环下降到小于60小时，或者甚至小于 50小时。本文所述方法相对于利用空气(O2)的常规烧制方法具有许多优点。如下文实施例中所证实的那样，蒸汽中的有机物氧化的低反应焓(AH)使得烧制速度明显增加，降低了部件的芯和表皮之间的温差，并改善了如此形成的陶瓷体的产率和产量。固体有机物在气态蒸汽中的较慢反应速度降低了水煤气(WS)反应(H20+C — H2+C0,其发生在高于约600°C的温度)和水煤气变化(WGS)反应(H2CHCO — H2+C02)中产生的热通量。这还有利于(例如增加) 烧制速度并改善烧制过程的产率和产量。由于蒸汽在较低温度(例如<250°C)是惰性气体， 这也会改善产率和产量。通过热吸收会将较低沸点的有机物从生坯体物理蒸馏掉，而不是通过氧化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生产蜂窝陶瓷制品的方法，所述方法包括：提供包含形成陶瓷的无机材料和有机成孔材料的生坯蜂窝体；使所述生坯蜂窝体在窑中进行烧制循环，其中，向窑气氛中加入蒸汽，蒸汽的加入量约为10?100体积%。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种生产蜂窝陶瓷制品的方法，所述方法包括:提供包含形成陶瓷的无机材料和有机成孔材料的生坯蜂窝体；使所述生坯蜂窝体在窑中进行烧制循环，其中，向窑气氛中加入蒸汽，蒸汽的加入量约为IO-1OO体积％。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少在烧制循环低于约1000°C部分的期间向窑气氛加入蒸汽。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当进行烧制循环时，所述形成陶瓷的无机材料产生堇青石、多铝红柱石、钛酸铝、碳化硅或氧化铝中的至少一种。4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在烧制循环最高保温部分期间向窑气氛加入蒸汽。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蒸汽与空气、氧气、氮气或者它们的混合物进行混合。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以约为50-100°C/小时的速率将窑温度从室温增加到至少约800°C。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在烧制循环过程中，窑温度以大于约50°C/ 小时的速率从最高保温温度下降。8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在烧制循环过程中，窑温度以大于约100°C/ 小时的速率从最高保温温度下降。9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烧制循环时长小于约100小时。10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烧制循环时长小于约65小时。11.如权利要求1所述的方法，其`特征在于，所述成孔有机材料占大于约20重量％的追加量。12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成孔有机材料包含石墨和淀粉的至少一种。13.通过权利要求1所述的方法生...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·M·比尔，D·C·布克宾德，J·王，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：
国别省市：