[发明专利]包括非化学计量的堇青石纤维的低热膨胀系数材料及其制造方法

说明书

技术领域

本发明大体来说涉及纤维陶瓷材料，且更具体来说，涉及包括多个非化学计量的堇青石纤维的低热膨胀系数纤维材料和制造所述纤维材料的方法。 

背景技术

先进陶瓷材料通常用于位于恶劣环境中的系统中，诸如汽车引擎(例如催化转化器)、航空航天应用(例如航天飞机的贴砖)、耐火操作(例如耐火砖)和电子设备(例如电容器、绝缘体)中。多孔陶瓷体具有在这些环境中作为过滤器的特殊用途。举例来说，当今汽车工业使用陶瓷蜂巢状基材(即，多孔陶瓷体)来支持废气的催化氧化及还原和过滤颗粒排放物。陶瓷蜂巢状基材提供高的过滤比表面积并为催化反应提供支持，同时，陶瓷蜂巢状基材在与汽车引擎环境有关的高工作温度下是稳定且实质上结构可靠的。 

一般来说，例如堇青石等陶瓷材料是在高温环境下性能优良的惰性物质。然而，陶瓷材料并非不受热应力(诸如周围温度与高温应用之间的循环变化所产生的应力)影响。因此，已知陶瓷过滤器会劣化，从而使其效率低下且无法有效地用于当今的应用。 

发明内容

一般来说，本文所述的实施例涉及一种可用于各种应用的纤维陶瓷材料，包括作为汽车引擎环境中的过滤器。所述纤维陶瓷材料包括多个非化学计量的堇青石纤维(即，具有R_xMg₂Al_4+2xSi_5-xO₁₈或R_xMg_2-xAl₄Si₅O₁₈组成结构的纤维，其中x大于0且R为除Mg、Al、Si或O以外的元素)。本文所述的实施例还涉及制造所述纤维陶瓷材料的方法。具体来说，在一个实施例中，经由两种或两种以上前驱体材料之间的反应形成 R_xMg₂Al_4+2xSi_5-xO₁₈或R_xMg_2-xAl₄Si₅O₁₈纤维来制备纤维陶瓷材料，其中所述两种或两种以上前驱体材料中至少一者是呈纤维的形式。挤压由反应制备的多个R_xMg₂Al_4+2xSi_5-xO₁₈或R_xMg_2-xAl₄Si₅O₁₈纤维，或以其他方式将其成形为纤维体。挤压或成形期间，据信发生纤维排列，从而使得纤维体至少一个方向上的热膨胀系数(CTE)减小。由于CTE减小，可形成在高温下破裂最小且膨胀最小的多孔纤维陶瓷体。另外，在某些实施例中，可进一步通过改变纤维的组成结构来降低CTE。举例来说，通过自化学计量形式改变堇青石的组成结构，可操纵纤维材料的晶格，从而根据CTE的值产生方向变化。 

在一个方面，本发明所述的实施例是针对一种制造纤维材料的方法，其中纤维材料中所有纤维的至少约5％具有R_xMg₂Al_4+2xSi_5-xO₁₈或R_xMg_2-xAl₄Si₅O₁₈组成结构。所述方法包括混合至少两种R_xMg₂Al_4+2xSi_5-xO₁₈或R_xMg_2-xAl₄Si₅O₁₈前驱体材料以形成混合物(所述至少两种R_xMg₂Al_4+2xSi_5-xO₁₈或R_xMg_2-xAl₄Si₅O₁₈前驱体材料的一者或多者是呈纤维的形式)；挤压所述混合物以形成纤维体；以及热处理所述纤维体以形成纤维材料。