[發明專利]增強多孔陶瓷體的強度的方法和由其形成的陶瓷體

有效

• 申請號: 200910161860.2
• 申請日: 2005-04-19
• 公開（公告）號: CN101628824A
• 公開（公告）日: 2010-01-20
• 發明（設計）人: R·T·尼爾森;R·P·齊巴斯
• 申請（專利權）人: 陶氏環球技術公司
• 主分類號: C04B38/00
• 分類號: C04B38/00;B01D39/20
• 代理公司: 北京戈程知識產權代理有限公司
• 代理人: 程 偉

本案是申請號為200580011866.1，申請日為2005年4月19日， 發明名稱為“增強多孔陶瓷體的強度的方法和由其形成的陶瓷體”的 中國專利申請的分案申請。

發明領域

本發明涉及用于制備例如過濾器的改進的高度多孔陶瓷體。

發明背景

多孔陶瓷用于各種應用如過濾器和催化劑基材。近來更嚴格的柴 油粒子排放標準已經在美國和歐洲公布。為達到這些更嚴格的柴油粒 子排放標準，期望柴油微粒過濾器是必須的。

這些微粒過濾器必須滿足多個矛盾的現有要求。例如，過濾器必 須具有足夠的孔隙率(通常大于55％孔隙率)同時仍然保留大多數排出 的微米尺寸柴油微粒(通常捕集大于90％的排出微粒)。過濾器必須也具 有足夠的滲透性使得過量的背壓不快速發生，同時仍然能夠在再生之 前加載大量煤煙。過濾器必須能夠長期地承受腐蝕性排氣環境。過濾 器必須具有初始強度以放入連接到排氣系統的容器。

最重要地，過濾器必須能夠承受來自快速加熱和冷卻的熱沖擊， 例如，由于在操作溫度下曝露于膠土和為再生過濾器而燃燒煤煙。根 據這些嚴格的標準，陶瓷過濾器是開發柴油微粒過濾器的材料選擇。

早先，已開發燒結堇青石的陶瓷過濾器作為可能的柴油微粒過濾 器。開發堇青石是由于它的低成本和在汽車排氣系統中作為三向催化 劑載體的用途。不幸的是，與耐熱沖擊性和再生和操作期間經歷的濫 用環境結合，堇青石沒有顯示高孔隙率、高滲透性和高煤煙加載的能 力。

更近來，與堇青石相比，碳化硅由于其高強度和高熔點作為過濾 器材料更有益處。然而，碳化硅的缺點是例如必須在高溫下使用昂貴 的細碳化硅粉末燒結。盡管具有此改進的強度，SiC柴油微粒過濾器 通過將SiC蜂窩的片段膠合在一起制備以通過在膠接劑中優先引起開 裂來控制熱應力，這與SiC蜂窩自身相反。此膠合增加了復雜性和最 多是暫時解決方案。

為減輕與過濾器中煤煙燃燒相關的熱應力，已使用煤煙催化劑和 發動機控制方案來減輕煤煙燃燒時的溫度。雖然如此SiC過濾器仍然 必須通過將SiC蜂窩的片段膠合一起來控制熱應力。

需要具有增強的強度同時至少具有相同或改進耐熱沖擊性的過濾 器。耐熱沖擊性與主體的強度成比例和與彈性模量(即，剛度)和膨脹系 數成反比例。遺憾的是，簡單地增加多孔體的強度典型地增加了密度(降 低了孔隙率)和/或增加了彈性模量，在許多情況下導致耐熱沖擊性的降 低或無改進。

因此，需要提供多孔陶瓷體和形成這樣陶瓷體的方法，該陶瓷體 例如，具有增加的強度同時具有相同或改進的耐熱沖擊性，而不會顯 著地減少過濾器的孔隙率。

發明概述

本發明的第一方面是一種增強多孔陶瓷體的強度的方法，該方法 包括：

(a)將由基本化學結合在一起的陶瓷顆粒組成的多孔陶瓷體曝露于 硼源和

(b)在含氧氣氛中加熱多孔體到足以形成具有增加的強度的多孔陶 瓷體的溫度。

該方法顯著增加多孔體的強度而不降低陶瓷體的孔隙率。此外， 方法也允許形成更強的多孔體，而不會同時增加它的彈性模量和降低 孔隙率，因此令人驚奇地使得陶瓷體可具有改進的耐熱沖擊性。

本發明的第二方面是由熔合在一起的陶瓷顆粒組成的多孔陶瓷 體，其中在至少一部分陶瓷顆粒上，存在含硼的氧化物玻璃相。

發明詳述

本發明的方法包括將由基本化學結合在一起的陶瓷顆粒組成的多 孔陶瓷體曝露于硼源。基本化學結合在一起的顆粒表示陶瓷顆粒由陶 瓷相如玻璃、有序或無序結晶陶瓷相或其組合基本熔合在一起。典型 地，陶瓷體由如下方式制備：加熱到足以由固態擴散或形成液體陶瓷 相將顆粒燒結在一起，該液體陶瓷相將陶瓷顆粒熔合在一起。

多孔陶瓷體可以是任何合適的陶瓷，如本領域已知的那些。例示 的陶瓷包括氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硅和氮化鋁、氧氮化硅和 碳氮化硅、莫來石、堇青石、β鋰輝石、鈦酸鋁、硅酸鍶鋁、硅酸鋰鋁。 優選的多孔陶瓷體包括碳化硅、堇青石和莫來石或其組合。碳化硅優 選是U.S.專利No.US?6,669,751B1和WO公開EP1142619A1、WO 2002/070106A1中描述的碳化硅。其它合適的多孔體由WO 2004/011386A1、WO?2004/011124A1、US2004/0020359A1和WO 2003/051488A1描述。