[發明專利]用于過濾器和基材的分散體增韌的堇青石

有效

• 申請號: 200980115766.1
• 申請日: 2009-02-26
• 公開（公告）號: CN102015574A
• 公開（公告）日: 2011-04-13
• 發明（設計）人: M·貝克豪斯-瑞考爾特;C·R·格羅斯
• 申請（專利權）人: 康寧股份有限公司
• 主分類號: C04B35/195
• 分類號: C04B35/195;C04B38/00
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 樊云飛;王穎

相關申請交叉參考

本申請要求于2008年2月29日提交的美國申請第12/072948號的優先權。

發明領域

本發明涉及用于過濾器和基材如蜂窩體的高孔性堇青石基陶瓷制品。本發明具體涉及用于制備分散體增韌的堇青石蜂窩體材料的方法和批料組合物。

背景

基于堇青石和鈦酸鋁的基材通常為蜂窩體形式，一直用于諸如催化基材和柴油機微粒排放控制所用過濾器的各種應用。為了應對日益嚴格的對輕型和重型機車的排放標準，基材必須是高孔的，能使氣體流過壁，而不會限制發動機的功率，必須具有高微粒過濾效率，同時最大程度地降低壓降。這種基材還必須能夠承受腐蝕性環境，并能經受快速加熱和冷卻時的熱沖擊。堇青石的熱膨脹較低，因此適合用于要求高抗熱沖擊性的應用。堇青石晶體顯示出各向異性的熱膨脹性，在其晶體c軸上具有負的熱膨脹系數，在其晶體a軸和b軸上具有正的熱膨脹系數，由此造成在熱循環過程中，在多晶堇青石材料中發生局部應力的積聚。對于非常大的晶粒或晶疇尺寸，例如具有類似取向的晶體團塊，這些應力在冷卻過程中導致微裂。微結構中的以下幾個特征引起應力，導致堇青石陶瓷中產生微裂紋：織構，例如晶粒/晶疇尺寸，以及對a/c晶體方向上的取向錯誤傾斜(misorientational?tilt)有最大影響的局部取向錯誤，或者存在具有不同膨脹性質的第二相晶粒間玻璃膜或沉淀物。可商購的出廠堇青石蜂窩體基材的微裂紋網密度在很寬的范圍內變化。

微裂紋在冷卻過程中形成和打開，在加熱過程中再次閉合。在熱循環過程中，微裂紋循環地形成、打開和閉合；在理想情況中，材料的該微結構不進一步發展。但是，實際上許多堇青石陶瓷隨著熱循環次數的增多，它們的微結構發生變化，特別是它們的微裂紋密度。熱沖擊不僅引起可逆的微裂紋形成和開放，而且導致已有微裂紋進一步延伸。在加熱過程中，較大的微裂紋越來越難以完全閉合，特別是如果溫度不夠高并且在該溫度的保持時間不夠長，以致于不能愈合裂紋時，在汽車運行過程中過濾器常常遭遇這種情況。因此，在熱循環過程中，微裂紋網可能生長。在運行過程中，由于形成微裂紋并且它們在蜂窩體部件內延伸，導致蜂窩體部件失效。對于出現微裂紋的陶瓷，這種微裂紋最有可能是由于微裂紋的相互連接和生長造成的。因此，循環過程中微裂紋網的不穩定性限制了蜂窩體基材或過濾器在反復經歷熱循環的運行過程中的耐久性；微裂紋網的延伸將降低部件的應變耐受性，最終導致部件破裂并失效。

微裂不僅有助于降低堇青石陶瓷的熱膨脹，通常從未微裂的多孔堇青石的CTE＝17x10^-7K^-1降低到1-5x10^-7K^-1，微裂還降低了陶瓷的強度。微裂的堇青石基材料的初始抗熱沖擊性常常利用因子TS，根據材料的應變耐受性和熱膨脹性來評價，TS因子定義為TS＝500+σ/E-mod*CTE^{500℃-900℃}，其中σ是強度，E-mod是彈性或楊氏模量，CTE^{500℃-900℃}是500℃-900℃的平均熱膨脹系數。TS因子是蜂窩體部件預計能承受的熱沖擊溫度(℃)的指標。對于許多堇青石蜂窩體材料，該因子在TS＝900℃和TS＝1100℃之間，暗示由這些材料制備的過濾器能承受的熱沖擊最高達約900℃-1100℃。但是，(裸)蜂窩體部件的熱循環實驗不總是與出廠材料的TS因子的預測一致。

在熱循環過程中或汽車上的過濾器運行的過程中，微裂紋密度可能增大，具體取決于材料。這種增大很大程度上由陶瓷材料決定。一些材料不發生任何明顯的微裂紋網密度增大，但是其它一些材料在強烈的熱循環過程中表現出明顯的增大。初始微裂紋密度低并不一定保證獲得良好的長期性能。具有極低初始微裂紋密度和高初始應變耐受性的材料，可能在熱循環過程中由于廣泛的微裂紋形成和發展，其機械性能明顯下降，而具有較高初始微裂紋密度的材料可能具有穩定的微裂紋網，從而在嚴酷的循環中保持其初始抗熱沖擊性。這些例子僅僅用來說明材料的初始熱機械性能在熱循環過程中可能下降，并不足以作為材料在熱循環過程中的長期性能的指標。為了過濾器在熱循環應用中的高耐久性，需要材料具有高斷裂韌性。高斷裂韌性限制(或在最佳情況中甚至抑制)在熱機械應力下的裂紋形成和微裂紋延伸，避免嚴重的微裂紋生長，有助于保持過濾器的初始熱機械性能。

盡管微裂紋網在熱循環過程中的穩定性對于陶瓷過濾器和基材在汽車廢氣排放裝置中的耐久性非常重要，但是對基材和過濾器材料開發的重點很少放在斷裂韌性方面。