[发明专利]包括经修饰的铝硅酸盐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，涉及包括多个经修饰的铝硅酸盐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，例如以铝硅酸盐为基质的陶瓷的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经修饰的铝硅酸盐纤维(即，具有x(RO)·y(Al₂O₃)·z(SiO₂)组成结构的纤维，其中x大于0且RO为选自由BaO、SrO、Li₂O及K₂O组成的群组的氧化物)。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经修饰的铝硅酸盐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。一般相信，可通过改变铝硅酸盐纤维的化学组成来达成较低的热膨胀系数(CTE)。也就是说，通过改变x、y、z及R来改变化学组成及晶体结构。组成及结构改变的结果是，材料的CTE值可被配合修改为用于特定用途(例如，可于一个或多个晶格方向上降低CTE值)。由于CTE降低，故可产生在高温下具有最低碎裂及最低膨胀的多孔纤维陶瓷体。

在一些实施例中，纤维陶瓷材料的CTE值可因纤维的定向而进一步降低。由反应制造出的多个经修饰的铝硅酸盐纤维可被挤压或以其它方式成形为纤维体。在挤压或成形期间，一般相信会发生纤维排列，导致所述纤维体的热膨胀系数(CTE)在至少一个方向上降低。

在本发明的一个方面，本文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x(RO)·y(Al₂O₃)·z(SiO₂)组成结构，且R是选自由Ba、Sr、Li及K组成的群组。所述方法包括混合至少两种x(RO)·y(Al₂O₃)·z(SiO₂)前驱体材料以形成混合物(所述至少两种x(RO)·y(Al₂O₃)·z(SiO₂)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。

这一方面的实施例可包括以下特征中的一或多者。在一些实施例中，在热处理所述纤维体后，其中所有纤维的至少约25％具有x(RO)·y(Al₂O₃)·z(SiO₂)组成结构。也就是说，约25％(例如30％、35％、45％、55％、65％或65％以上)的前驱体纤维反应形成x(RO)·y(Al₂O₃)·z(SiO₂)纤维。在某些实施例中，所述前驱体材料可选自由以下组成的群组：莫来石纤维、铝硅酸盐纤维、Li₂O颗粒、胶体氧化硅及SrCO₃颗粒。在一些实施例中，混合物可进一步包括一或多种选自由以下组成的群组的添加剂：流体、粘合剂和孔生成剂。所述一或多种添加剂可实质上通过加热纤维体而移除。