[发明专利]陶瓷蜂蜜体的烧制方法

说明书

本申请要求Dull等在1997年12月2日提出的题目为“陶瓷蜂窝体的烧制方法”的美国专利临时申请No.60/067,154的优先权。

本发明涉及蜂窝状陶瓷体的烧制方法。更具体地说，本发明涉及会成问题的含有高浓度有机物质的蜂窝状陶瓷体的烧制方法。

发明背景

蜂窝形陶瓷产品或陶瓷蜂窝结构体(即蜂窝状陶瓷体)一直是按如下方法制备，即通过混合陶瓷材料、水和各种含碳物质(包括挤压和成形助剂)形成可塑批料，然后通过挤压可塑批料将其成形为蜂窝状陶瓷生坯，最后在预定的温度下在烧制炉中对蜂窝状陶瓷生坯进行烧制。

用于上述烧制蜂窝结构的挤压和成形助剂具体地包括有机粘合剂、增塑剂和润滑剂，如甲基纤维素、羧甲基纤维素、聚乙烯醇、硬脂酸碱金属盐等。另外，批料中也包含用作孔隙形成剂的其它含碳物质(如石墨)。

众所周知，含碳物质的释放或含碳物质的分解是释放出大量热的氧化或放热反应。开始时，放热反应发生在部件的表层即外层部分，产生起初的温差，结果陶瓷体的外层部分比内芯部分温度高。然后，外层放热反应逐渐停止，放热反应区转入物体的内部。因为常规的基体由陶瓷材料(如堇青石，它是良好的绝缘体)组成，且具有包含许多孔隙的蜂窝状结构，所以遇到如何通过传导或对流从陶瓷体内有效除热的困难。另外，由于蜂窝结构中有相当大的表面积加速了粘合剂与烧制气氛中氧气的反应，所以加剧了内部放热效应。因此，在含碳物质的释放过程中，陶瓷体中有正或负的温差，即陶瓷体内芯的温度高于或低于陶瓷体表面的温度。有机粘合剂之类含碳物质的放热反应在100-600℃温度范围内进行。如果陶瓷体例如含有石墨，这种放热反应在500-1000℃温度范围内进行。这种放热反应在部件的内部和外部之间产生明显的温差。这种部件内的温差会在陶瓷体内产生造成该部件破裂的应力。对于大型蜂窝状陶瓷部件或含有大量有机物质的部件，这种现象特别常见。

控制和抑制这种温差和裂纹产生的技术是众所周知的。一种技术是将过量的空气用于燃烧而降低燃烧器火焰温度，使火焰至部件之间的温差较低，部件的加热速度相应较慢。然而，过量的空气产生不合需要的高含氧量的气氛。氧气会与有机物质反应，从而加速其释放和加快内部放热反应。因此，必须通过很慢的烧制工艺或与炉中具体部件小心匹配的烧制工艺来达到减小有机物释放过程中所产生温差的目的。

在间歇窑中使用气氛控制来影响含碳物质的释放是众所周知的。例如参见美国专利4,404,166(Wiech，Jr.)、4,474,731(Brownlow等)、4,661,315(Wiech Jr.等)和4,927,577(Ohtaka等)。虽然现已表明这些方法能有效地用于间歇窑中，但一般认为它们不能有效地用于隧道窑中，因为有大量的环境空气(20.9％氧气)流入烧制气氛中。

现已揭示，用脉冲烧制技术代替比例烧制也是一种控制和抑制间歇窑中温度梯度的方法。脉冲烧制法仅使用高火或低火的燃烧器输出条件，能产生低的加热速度，无需用大量的过量空气(氧气)；例如参见欧洲专利申请0709638。该申请揭示了一种使用装有在高输出燃烧状态和低输出燃烧状态之间交替工作的燃烧器的窑炉烧制陶瓷成形体的方法。虽然这种烧制技术能多少有效地用于间歇窑中降低裂纹的发生率，但这种脉冲烧制技术难于用于隧道窑中。由于隧道窑的开放性，必须用其它方法控制环境空气进入窑中有机物的释放区。

因此，本发明的目的是解决上述现有技术中的问题，提供可用于隧道窑和间歇窑中烧制陶瓷蜂窝结构体的改进方法，以确保稳定生产高质量无裂纹的产品。

发明概述

本发明的目的是解决上述问题，并提供一种陶瓷蜂窝结构体的制造和烧制方法。这种方法通过在较短时间内均匀地烧制蜂窝结构体生坯的内部和外层，来生产裂纹较少、非均匀孔隙或非均匀尺寸的陶瓷蜂窝结构体。

本发明的含有有机或含碳物质的陶瓷蜂窝结构体生坯的烧制方法的特点在于改进了含碳物质的释放步骤。该步骤包括在烧制气氛中将蜂窝结构体生坯烧制到足以开始并充分释放含碳物质的温度，并烧制足够的时间，同时将含有约少于20％体积O₂的无氟气体引入所述的烧制气氛中。一旦含碳物质充分释放后，第二步是进一步加热到足以开始并将陶瓷蜂窝结构体生坯充分转变为烧制蜂窝体的温度，常规烧制足够的时间。

上述引入烧制气氛的气体较好含有氮气，引入流量应使得烧制气氛中O₂的含量约低于12％，更好约低于10％。