[发明专利]多孔陶瓷制品及其制造方法

说明书

本申请根据35U.S.C.§119，要求2013年5月20日提交的美国临时申请系列第61/825,211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。

技术背景

技术领域

本发明的示例性实施方式涉及多孔陶瓷制品及其制造方法。本发明的示例性实施方式涉及具有微结构的多孔陶瓷制品，所述微结构包括烧结结合或反应结合的经过预反应的大颗粒以及孔状网络结构，以及采用经过预反应的颗粒来制造多孔陶瓷制品的方法。

背景技术

堇青石、碳化硅和基于钛酸铝的蜂窝体被广泛地用于各种应用，包括用于柴油和汽油发动机废气后处理的催化基材和过滤器。

为了符合对轻型和重型车辆日益严格的排放标准，基材和过滤器材料必须是高度多孔的，从而允许气体流动通过壁而不限制发动机功率，并且对排放的颗粒必须具有高过滤效率，同时预期证实具有低压降。基材和过滤器还需要能够耐受腐蚀/腐蚀性排放环境，并且经受快速加热和冷却过程中的热冲击。CO₂排放法规和增加的燃料成本驱使废气后处理系统的小型化和整合功能。可能希望减少后处理系统中的组件数量，降低它们的尺寸并执行不同组件的多功能性。例如，可能希望在柴油颗粒过滤器中整合去除NOx的催化剂和柴油氧化催化剂(DOC)。为了实现高的脱NOx效率，需要相当高的脱NOx催化剂负载以及低温下的高催化剂活性，例如Cu-沸石那种。作为趋势以及原始设备制造商(OEM)的希望，可能驱使沸石催化剂负载达到200g/L的高水平。为了符合该负载目标并保持低压降，过滤器基材可能需要高孔隙度和大孔径，例如约为60％的孔隙度以及大于或等于18μm的中值孔径。

预期实现了高的脱NOx效率的高孔隙度和大孔径不会劣化颗粒过滤效率。它们也不应降低过滤器的热机械性质。堇青石和钛酸铝都可具有低热膨胀，因此适用于需要高抗热冲击性的应用。这两种材料都显示出具有不同结晶方向的热膨胀的各向异性，展现出正向膨胀和负向膨胀。由于热膨胀中的各向异性，在不同结晶取向的颗粒之间积累了失配应变，该应变会导致微裂纹。多晶堇青石或钛酸铝陶瓷可能在热循环过程中经历更广泛的微裂化。在冷却过程中微裂纹打开，在加热过程中微裂纹闭合，有时甚至复原。这产生加热和冷却之间的热循环差异的滞后响应，这会导致可逆的微裂纹形成和闭合。作为微裂纹的结果，陶瓷的整体热膨胀系数(CTE)可能低于晶体平均CTE。

第一眼看来，微裂纹可能看上去是有益的；预期通过微裂纹，改善了材料的抗热冲击性，这与材料的强度成正比、与材料的弹性模量和热膨胀成反比。但是，随着微裂纹密度的增加，材料强度也下降。由于实现微裂纹的应力阈值所需的大的颗粒(域)尺寸和晶体热膨胀中的小差异，导致堇青石中的微裂纹密度保持相当低的程度。作为晶体膨胀中大得多的各向异性的结果，基于钛酸铝材料中的微裂纹密度要高得多，并且对陶瓷制品的强度造成明显影响。

将具有低的热膨胀、高孔隙度、低杨氏模量和高强度的多孔堇青石和基于钛酸铝的蜂窝陶瓷制品用作高性能车辆催化转化基材和柴油颗粒过滤器。对于堇青石产品，诸如氧化铝、滑石、粘土、氧化镁、氧化铝和氧化硅粉末之类的原料可以与有机粘合剂以及成孔剂混合。对于钛酸铝复合产品，诸如氧化铝、氧化钛粉末之类的原材料以及用于形成“填料”相的原材料(例如，氧化锶、氧化铝、氧化硅以形成长石(硅酸锶铝长石或“SAS”))可以与有机粘合剂、成孔剂和水混合，以形成塑料混合物。塑料混合物可以挤出或者任意其他方式成形为所需形状的生坯体，例如蜂窝体、槽干材(troughlog)或者碟式过滤器，干燥然后烧制至1350-1450℃之间的温度，这取决于原材料组合。在干燥和烧制过程中，原材料颗粒发生反应，并通过各种中间体形成最终的晶体堇青石或钛酸铝复合物。成形的生坯部件在烧制后转变为固体、耐用多孔陶瓷制品。在高温处理反应之后形成氧化物或非氧化物陶瓷的其他基材和过滤器蜂窝材料或者材料混合物可包括：金属、金属间化合物、多铝红柱石、氧化铝(Al₂O₃)、锆石、碱性和碱土铝硅酸盐、尖晶石、钙钛矿、氧化锆、二氧化铈、氮化硅(Si₃N₄)、氧氮化硅铝(SiAlON)以及沸石。