[发明专利]管式陶瓷结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种管式陶瓷结构的制备方法。

背景技术

众所周知，管式陶瓷结构能够用作与触腐蚀性液体或气体相接触的热交换器、同流换热器、催化剂载体，用作燃料电池组件，尤其是固体氧化物燃料电池（SOFC），以及其它各种应用中。

通过使用如挤出和浸渍涂覆等已知的常规技术，能够在较宽范围的长度、壁厚、横截面积、及几何形状内制备管式陶瓷结构。通常，每种用来制备管式陶瓷结构，尤其是SOFC管式组件的技术都存在某些固有的缺点和/或局限性。

在挤出的情况下，由于要求从挤出机孔口出现的管式挤出物要保持完整无缺，管直径与其壁厚的比率一般较低，例如，低于15，更普遍的低于10。该实际需求常常限制了利用挤出法来制备相对厚壁的管式陶瓷结构的有用性。然而，相对厚壁的管式阳极更有利于构造某些类型的，尤其是那些趋向于高功率输出（例如，20KW及以上）的SOFC装置。相对薄壁的管式阳极通常优选地用来构造那些低功率输出的SOFC装置，它们的低热质量支持更快的启动和/或频繁的开关循环(on-off cycling)。

对相对厚壁的挤出物的需求，只能通过使用如糊状或油灰状稠度的相当高粘度的挤出材料来实现，可见，对厚壁的挤出物的需求对使用挤出法来制备管式陶瓷结构的有用性强加了另一种限制。即，在使挤出物经受如烧尽有机物（即，残余的溶剂、分散剂、粘合剂等）和烧结处理之类的高温下游工艺前，需对该挤出物进行仔细而彻底地干燥。对挤出物进行干燥需对温度、湿度和时间等操作参数进行适当地控制。而在实施前述高温挤出后工艺中的一或两工艺之前或之后，太快地干燥和/或不充分地干燥都能导致制备得到具有机械缺陷的挤出物。

该挤出技术的另外一个局限性在于其没有容易地改变挤出管的成分的能力，例如，只能在预选的位置而不能在其它位置改变该挤出管的成分。

浸渍涂覆情况下，对于使陶瓷成型成分施加到管式基材上的要求通常将该技术限制为制备特定的结构，即，该结构中的基材成为最终产品中基本的功能性组分。对于一些能够利用浸渍涂覆技术制备的管式陶瓷产品的装置来说，对管式基材的这种要求必定会限制这些装置的类型及设计。此外，在实际中，使用浸渍涂覆技术很难得到一种带有相对薄壁的和/或均匀厚度壁的管式陶瓷结构。

有必要提供一种管式陶瓷结构的制备方法，该方法没有已知的常规挤出法和浸渍涂覆技术所存在的前述缺点和局限性中的任何一种。尤其有必要提供一种方法，该方法通过相同的设备能够在很宽的壁厚范围内，例如从非常薄至非常厚的范围内，制备管式陶瓷结构；该方法不需要过多地注意并控制干燥条件；该方法能够容易地对管式产品中限定部分的成分进行改变或改性，且不需要使用一定会成为产品中永久性组分的管式基材。

发明内容

本发明提供了一种管式陶瓷结构的制备方法，该方法包括：

a)旋转包含芯轴组件和主轴组件的芯轴-主轴组件，该芯轴组件是一种热收缩聚合物管，该芯轴组件外表面对应于待制备的管式陶瓷结构的内表面，该芯轴组件内表面设有孔，该主轴组件与该孔紧密配合，但可滑动移除地与所述孔相接触；

b）将陶瓷成型成分施加到旋转的该芯轴-主轴组件中芯轴组件的外表面，来制备管式陶瓷结构，管式陶瓷结构内表面与芯轴的外表面相接触；

c)从该芯轴的孔中移除主轴，得到芯轴-管式陶瓷结构组件，在该芯轴-管式陶瓷结构组件中，管式陶瓷结构的内表面仍然与芯轴的外表面相接触；以及，

d）对芯轴-管式陶瓷结构组件中的芯轴组件进行热收缩，使芯轴收缩至减少的尺寸。在减小尺寸的芯轴中，所述芯轴的外表面与该管式陶瓷结构的内表面分离，从而促使芯轴从该管式陶瓷结构中移除。

本发明前述的管式陶瓷结构的制备方法的主要优点和有益效果是：该方法能够提供一种陶瓷或金属陶瓷体，该陶瓷或金属陶瓷体的长度与外径的比率，以及外径与壁厚的比率处于很宽的范围内，且同时满足非常精确的预定尺寸公差。

本发明在此提供的管式陶瓷结构的制备方法的另一个优点是：该方法能够沿着该结构的长度方向容易且方便地对陶瓷成型成分进行改变或改性。在该管式陶瓷结构制备过程中，不同成分的陶瓷成型配方能够在不同的速率和/或不同的时间条件下，以一种可控的方式施加到旋转的芯轴外表面。在该管式陶瓷结构制备过程中，通过使用本领域常见的校准配料设备可仔细地控制不同陶瓷成型配方的分离度或共混度，从而得到管式陶瓷产品。与通过挤出法和浸渍涂覆等加工技术制备得到的管式产品相比，该管式陶瓷产品有加强的性能功能。

本发明的方法还可利用快干陶瓷成型成分，从而避免了需仔细实施和监控的干燥操作。