[发明专利]基本无微裂纹的高强度堇青石蜂窝体及其制造方法

说明书

相关发明

本申请要求2006年8月29日提交的标题为“高强度菁青石体”的美国专 利申请60/840,799的优先权和权益，该专利申请通过参考结合于本文。

发明领域

本发明涉及陶瓷体，更具体地，涉及多孔菁青石陶瓷体及其制造方法。

发明背景

为将低热膨胀菁青石陶瓷蜂窝体用作诸如过滤器和催化剂的载体，以对卡 车和轿车排放的废气进行处理，而对所述蜂窝体所作的开发已经持续进行了近 30年。作为高度微裂和高度取向的物体，广泛使用的这类蜂窝体的特征在于， 存在于蜂窝体中的菁青石晶体在烧制后的冷却期间发生微裂，并因蜂窝体挤出 成形过程而发生优选排列。这两个特征综合起来，明显减小了热膨胀系数并提 高了所形成的蜂窝体对热冲击损害的耐受性。

但是，随着对发动机排放的严格要求，需要进一步提高过滤器和催化剂载 体的机械性质和热性质。例如，由于构成过滤器和催化剂载体材料的菁青石相 具有高度微裂的特性，目前的蜂窝体产品的机械强度在一定程度上受到限制。 随着具有更薄蜂窝壁和/或明显更高的壁孔隙率的新型蜂窝体基材的开发，需 要提高蜂窝体的强度。

存在微裂纹还可能导致其他方面的问题。例如，用于将控制排放的催化剂 负载在这些蜂窝体上的高表面积商业氧化铝修补基面涂层(washcoating)材料 能容易地渗透通过菁青石中存在的微裂纹，在某些情况下会导致涂覆后的产品 的热膨胀系数(CTE)和弹性模量增加到不能接受的程度。此外，存在于内燃机 排放物流中的烟炱和灰粒也能穿透微裂的结构，会对热膨胀性和弹性产生类似 的影响。这些性质变化导致的最不利的结果是蜂窝体的耐热冲击性，即在经历 快速温度变化时的抗碎裂性下降。

发明概述

本发明提供了制造菁青石蜂窝体产品的方法，该产品中主菁青石相基本没 有微裂纹。所得产品具有提高的强度和相应提高的耐热冲击性，以及对由修补 基面涂层材料或通常积累在蜂窝体壁上面或里面的烟炱和/或灰沉积物导致的 热性质和机械性质变化的耐受性。

第一方面，本发明提供了具有高应变耐受性的高强度多孔菁青石体的制造 方法，该菁青石体基本上避免了微裂纹和菁青石晶体的优选取向。该方法的主 要步骤包括：第一步，将细粒度的菁青石粉末与液体载剂以及至少一种选自粘 结剂、润滑剂、表面活性剂和成孔剂的有机添加剂混合，形成塑性批料混合物。 细粒度菁青石粉末优选由氧化镁、氧化铝和氧化硅的菁青石前体源通过预反应 形成的细粉末组成。通常存在粘结剂、润滑剂、表面活性剂等，以改进批料的 塑性或其他加工特性。

然后，将这样得到的塑性批料混合物成形为蜂窝形状，并干燥除去部分或 所有液体载剂。成形通常可采用使塑性批料混合物从挤出模头通过来实现。可 采用常规的辐射加热方法来加速干燥。

最后，将这样得到的成形并干燥的蜂窝体在一定温度下烧制一定的时间， 足以将菁青石粉末烧结成高强度的整体菁青石体，但不足以形成具有优选取向 或者微裂纹的晶体特性的菁青石晶畴(crystal domain)。烧制步骤是该方法特 别重要的方面，因为该步骤必须在足以达到所需蜂窝体强度的温度下进行足够 短的时间，以避免物理或化学的相互作用，这些相互作用可在烧制后产生具有 微裂纹的结构。经过适当烧制后，该方法的产物将是主要由细晶粒的菁青石组 成的陶瓷制品，其特征是没有微裂纹和菁青石晶粒的优选取向。

上述微结构产生具有以下性质的菁青石陶瓷蜂窝体，所述性质为高耐热冲 击性、低弹性模量，以及可针对宽范围的废气过滤和催化剂载体应用进行调整 的孔隙率和孔径分布。这些蜂窝体的高耐热冲击性部分地归功于其具有的低室 温弹性模量，低室温弹性模量使烧制后的材料具有高应变耐受性，即断裂模量 (MOR)强度与室温弹性模量的比值高。

依据本发明方法提供的产品包括多孔、高强度、超薄壁的菁青石陶瓷催化 剂载体，高强度、高孔隙率的陶瓷催化剂载体(该催化剂载体适合于负载用于 对含氮氧化物的废气流进行SCR(选择性催化还原)处理的催化剂)，以及高强 度、高孔隙的壁流过滤器结构(该结构适合于从柴油发动机废气去除颗粒)。所 有这些产品都不具有微裂纹，没有菁青石晶粒的优选取向，并提供了高强度、 高应变耐受性和相应的对热冲击损害的高耐受性。