[发明专利]具有提高的强度的多孔堇青石陶瓷蜂窝体制品及其制造方法

说明书

发明的技术领域

本发明涉及一种多孔多孔堇青石陶瓷蜂窝体制品及其制造方法。更具体来说，本发明涉及具有改进的强度和抗热冲击性的堇青石蜂窝体制品。

发明背景

相对于汽油发动机，柴油发动机能够产生较少的排放物，提高燃料燃料经济性，但是柴油发动机的废气排放带来了环境问题。目前人们配制柴油机颗粒过滤器控制柴油动力设备(例如卡车、公交车、柴油电力机车和柴油发电机)的颗粒排放。具体来说，柴油机颗粒过滤器通过将颗粒物理俘获在其结构中而控制颗粒排放。柴油颗粒过滤器优选构建成壁流整体料形式，其允许废气流过它们多孔的陶瓷壁，废气中包含的任意颗粒都被收集在壁的上游侧。一旦满足预定的条件，可以通过再生循环对过滤器进行清洁，在此过程中废气的温度足够高，足以引燃并烧尽任意的颗粒烟灰。该再生循环减小了邻近该新过滤器的柴油机颗粒过滤器的背压。所述壁的表面或者壁多孔的内部可包含催化剂外涂层，所述外涂层包含铂(Pt)、钯(Pd)、铁(Fe)、锶(Sr)或稀土元素(例如铈(Ce))以降低过滤器再生所需的温度，将废气中的烃类和一氧化碳转化为无害的水蒸气和二氧化碳。

一种优选的制造高温部件的材料是堇青石(Mg₂Al₄Si₅O₁₈)，一种硅酸铝镁，其经常包含少量的铁或其它杂质。堇青石因为较为廉价而成为制造柴油机颗粒过滤器和其它高温制品(例如催化转化器、NOx吸附器基材、催化剂基材、以及蜂窝体(honeycomb)制品)所需的材料。堇青石材料通常是通过混合包含滑石、氧化铝、氢氧化铝、高岭土和二氧化硅的原料批料而制备的。然后将所述批料于粘合剂(例如甲基纤维素)和润滑剂(例如硬脂酸钠)混合形成塑料混合物。然后该塑料混合物成形制成生坯，然后进行煅烧。康宁有限公司在美国专利第6,864,198号(其全文参考结合入本文中)揭示了一种 形成堇青石蜂窝体结构的方法。

在堇青石DPF再生过程中，对芯区的加热在过滤器的半径上产生了很大的热梯度，例如芯可为800-1000℃，外皮附近的外围区域为400-500℃。由于堇青石在400-1000℃范围内正的热膨胀系数CTE，所述过滤器的芯沿轴向膨胀的程度大于过滤器外壳的膨胀。因此在外皮和芯之间产生应变，湿的芯受到压缩，外皮受到张力。如果应力足够大，外皮可能会破裂，沿着垂直于轴向的方向，产生部分或完全围绕过滤器圆周的一条或更多条裂纹。类似地，沿过滤器长度的轴向热梯度会造成过滤器的面(进口端或出口端)的温度低于过滤器内部。在这样的情况下，面会受到张力作用，可能会产生面裂纹。任意种类的破裂都可能会降低过滤器的机械整体性，或者过滤效率。因此，人们非常需要对这种裂纹的形成具有更高耐受性的堇青石过滤器制品。

可以通过在累积大量烟灰之前更频繁地对过滤器进行再生，从而减小最高内部温度和热梯度，以减小热应力。但是，如果提高了提供能量以升高进入过滤器的废气的温度、从而引发再生的频率。却会造成燃料效率较低。因此，人们非常需要提高过滤器本身的耐热应力性，从而减小再生循环的频率。

因此，人们在极力寻求具有提高的强度(以获得更高的机械耐久性)以及更高的抗热冲击性的堇青石蜂窝体制品。但是，这种强度和抗热冲击性的提高不能降低其它重要的性质，例如清洁(clean)压降和过滤效率。因此，人们需要具有提高的强度和在经受热循环时的耐久性的堇青石制品。

发明内容

本发明提供了一种改进的多孔陶瓷堇青石蜂窝体制品，对于特定的孔隙百分数、孔径分布和热膨胀系数，所述制品具有提高的机械强度和抗热冲击性。本文还揭示了本发明多孔陶瓷堇青石蜂窝体制品及其制造方法。

较佳的是，本发明包括减少的微裂，同时增大负-CTE晶体“c轴在蜂窝体壁的平面内对齐的堇青石晶体的体积分数，减小正-CTE晶体“a-轴或b-轴”在蜂窝体壁的平面内对齐的堇青石晶体的体积分数。因此，人们希望增大蜂窝体制品的强度，以减少微裂，同时通过提高堇青石晶体的取向性，更多地使得其“c轴”平行于壁平面地取向，从而保持低CTE。

因此，本发明提供了以下性质的独特组合，从而在提高强度的同时，保持高的热冲击参数TSP：孔隙率、孔径分布、热膨胀系数、在制品壁内的晶体取向。具体来说，本发明的发明人发现，当多孔堇青石陶瓷蜂窝体制品的孔隙率、孔径分布、CTE以及在壁内的晶体取向满足以下关系的时候，所述制品具有改进的强度和高的热冲击参数TSP：