[发明专利]低微裂纹的多孔陶瓷蜂窝体及其制造方法

说明书

相关发明

本申请要求于2006年8月29日提交的标题为“无微裂纹的耐热性多孔陶 瓷”的美国临时申请序列第60/840,806号；2006年6月30日提交的标题为“用 于4-通道废气处理的高孔隙率过滤器”的美国临时申请序列第60/817,722号和 于2006年8月6日提交的标题为“用于4-通道废气处理的高孔隙率过滤器”的 美国专利申请序列第11/544,271号的优先权和权益。

发明领域

本发明涉及多孔蜂窝体陶瓷及其制造方法，更具体地，涉及用于催化转化 器和微粒过滤器（如用于发动机废气的后处理）的多孔堇青石蜂窝体陶瓷。

发明背景

多孔陶瓷蜂窝体结构广泛用作催化转化器基材和/或柴油机微粒过滤器。 最早用于这些应用的堇青石陶瓷蜂窝体由反应烧结的堇青石基材构成，所述堇 青石基材通过将滑石、氧化铝和高岭土的混合物挤出制备，如US3,885,977 中所述。发现这些陶瓷蜂窝体具有适合这些应用的化学耐久性，惰性，难熔性 和耐热冲击性，并且一般能以合理成本制造。为本文描述的目的，除非特别指 出，否则只用术语“堇青石”表示正交晶系堇青石(orthorhombic  cordierite)(正交晶系Mg₂Al₄Si₅O₁₈和其固溶液)、印度石(六方晶系Mg₂Al₄Si₅O₁₈和其固溶液)，以及它们的混合物。

反应烧结的堇青石陶瓷的高耐热冲击性与陶瓷的断裂模量(MOR)与弹性 (杨氏)模量(E)的比值成正比，而与该陶瓷的热膨胀系数(CTE)成反比，这归因 于烘焙期间形成特定的微结构，特定的微结构取决于原料的适当选择以及采用 的成形和烘焙的方法。较好地，陶瓷内的堇青石结晶会优选以其靠近壁平面对 准的负膨胀z-轴取向，因此降低蜂窝体在轴向和径向方向的CTE。

此外，大的(>50μm)辐射菱形堇青石晶体的扇形“区域结构(domain)”的 形成在冷却期间产生内应力，导致在整个堇青石主体内产生微裂纹。这些微裂 纹在后续再加热期间的再闭合容纳了堇青石晶体正-CTE的x-轴和y-轴的一定 程度的膨胀，因此进一步降低堇青石主体的总CTE。人们一直认为，优选取向 和高程度微裂纹产生的极低CTE对于基材的热耐久性至关重要。

对催化转化器基材研发的技术一般也适合于陶瓷柴油机微粒过滤器 (DPF)。单块DPF可以通过以下方式由多孔陶瓷蜂窝体制备：交替堵塞相邻孔 道的端部，例如，如“跳棋盘”模式，形成具有进口孔道和出口孔道的“壁流” 过滤器。这种结构迫使进入的废气从多孔蜂窝体壁通过，穿过壁结构，因此在 内孔道壁上起到收集废气的微粒如烟炱的作用。转化器基材具有相对低的孔隙 率(25-35%)以及适合施涂和附着催化剂修补基面涂层(washcoat)的细小孔径 (中值孔径约为4微米)，相对于转化器基材，现有技术的DPF要求更高的孔隙 率和更粗大的孔径，以降低通过壁时的背压。这可以通过使用较粗大的滑石和 二氧化硅原料以及添加粗成孔剂(如石墨粉)来实现。成孔剂在烘焙期间烧尽离 开壁，因此有助于达到高孔隙率。

汽油和柴油发动机的废气后处理方面的最新趋势对转化器和DPF提出了更 多的要求。对转化器，已转向更高孔密度和更薄的壁(如，900/2)，这种转向 在满足强度和耐腐蚀性要求方面将面临许多挑战。随着对用于更快速点火以满 足排放标准的低热质量的更高孔隙率转化器的关注，为降低背压而要求低孔密 度和薄壁(如，300/4或600/3构形(cpsi/t_壁))的最新应用提出类似的挑战。

同样，在过去对DPF，45%-50%的孔隙率已足够用于各种应用，朝催化的 DPF的转向可能需要甚至更高的孔隙率和更粗大的孔径，以将催化剂容纳在多 孔壁内。正在考虑高至60%-70%的孔隙率和20-25微米的孔径。