CN101687353A - 用于高孔隙率陶瓷体的低热膨胀系数粘合系统及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种多孔陶瓷体，包含大量纤维和一种粘合系统，此粘合系统局部粘合大量纤维中的至少两个纤维。此大量纤维具有第一热膨胀系数。此粘合系统具有第二热膨胀系数，此系数低于第一热膨胀系数。在一些实施方式中，当此大量纤维和此粘合系统结合，所得多孔陶瓷体具有第三热膨胀系数，此系数比第一热膨胀系数至少低约10％。

Description

用于高孔隙率陶瓷体的低热膨胀系数粘合系统及其制造方法
相关申请
本申请是于2007年5月14日递交的申请序号为11/748,306，标题为“挤出型生物可溶性陶瓷纤维基底的制备方法和设备”的申请的部分继续申请。本申请也是于2007年7月31日递交的申请序号为11/831,398，标题为“一种纤维基陶瓷基底及其制造方法”的申请的部分继续申请。申请序号为11/748,306和11/831,398的申请的全部公开内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明一般涉及一种高孔隙率陶瓷体的粘合系统，特别涉及一种用于粘合相邻纤维以形成陶瓷体的低热膨胀系数粘合系统，以及制造此陶瓷体的方法。
背景技术
高级陶瓷材料被普遍用于处于恶劣环境中的系统，例如，汽车发动机(例如催化转化器)、航空航天应用(例如航天飞机防热瓦)、耐火操作(例如耐火砖)和电子设备(例如电容器、绝缘器)。多孔陶瓷体特别用作这些环境中的过滤器。例如，现在的汽车工业采用陶瓷蜂窝基底(即一种多孔陶瓷体)作为废气的催化氧化和还原主体，并过滤颗粒排放物。蜂窝状陶瓷基底为过滤提供了高比表面积，并为催化反应提供支持，同时，它在与汽车发动机环境相关的高运行温度下能保持稳定和非常可靠的结构。
一般说来，目前的许多高级多孔陶瓷体是用复合陶瓷材料(即不同陶瓷材料和/或陶瓷材料的不同相的组合物)制成的。复合材料可以改变材料的特征使其适合特定用途。即，可以将两种或多种不同材料和/或一种材料的不同相组合起来制成一种复合材料，其材料性质可通过用于形成复合材料的各种不同材料和/或不同相的比例和位置控制。在恶劣环境中使用复合材料，例如，极端温度环境，由于各种组合材料的热膨胀性质差异，可能导致开裂。此外，具有高热膨胀系数的材料也可能发生不必要的膨胀，从而使设计受限并导致设计失效。
发明内容
一般而言，本文所述的实施方式提供了多孔陶瓷复合材料及其制备方法。此多孔陶瓷复合材料包含大量纤维，这些纤维用一种低热膨胀系数材料粘合。特别是，此多孔陶瓷复合材料是由大量纤维和一种粘合系统形成的陶瓷体，这些纤维具有第一热膨胀系数，此粘合系统具有第二热膨胀系数。第二热膨胀系数比第一热膨胀系数低，因此，当纤维和粘合系统结合，所形成的多孔陶瓷体具有第三热膨胀系数，此系数介于第一和第二系数之间。一般来讲，粘合系统是在多孔陶瓷体的加工过程中形成的。即是，具有低热膨胀系数的粘合系统是由两种或多种成分发生反应形成的。将低热膨胀系数材料用于粘合系统，即可制造出一种在高温下具有最小开裂和最小膨胀的多孔陶瓷体。
一方面，本公开所述的实施方式针对一种多孔陶瓷体，包括一种纤维基底，此基底包含大量具有第一热膨胀系数的纤维，和一种具有第二热膨胀系数的粘合系统。第二热膨胀系数低于第一热膨胀系数。粘合系统局部粘合了此大量纤维中的至少两个纤维，形成一种多孔陶瓷体。
本发明此方面的实施方式可包含下列一项或多项特征。在一些实施方式中，多孔陶瓷体的热膨胀系数至少比第一热膨胀系数低约10％(例如10％、15％、20％等)。在某些实施方式中，多孔陶瓷体的热膨胀系数至少比第一热膨胀系数低约20％以上(例如25％、30％、40％、50％、60％、70％等)。用于多孔陶瓷体的粘合系统可包含一种单相材料，例如，一种玻璃、一种玻璃-陶瓷、一种陶瓷或金属。在其他实施方式中，粘合系统为一种多相材料。即，粘合系统包含两相或多相。用于多孔陶瓷体的纤维可为陶瓷纤维中的任何一种，包括但不限于玻璃纤维(例如E-玻璃纤维或S-玻璃纤维)、耐火陶瓷纤维(例如硅酸铝纤维、莫来石纤维、氧化铝纤维或碳化硅纤维)、生物可溶性纤维(例如玻璃质硅酸镁纤维或硅酸钙纤维)。一般来讲，纤维的纵横比为大于1但小于或等于2,000。一般来讲，纤维的直径范围为约100纳米至约100微米。在某些实施方式中，纤维直径范围为约100纳米至约10微米，而在一些实施方式中，纤维直径范围为2微米至10微米。
在另一方面，本文所述的实施方案针对一种多孔陶瓷体，该陶瓷体包含大量用一种粘合系统粘合的纤维，此粘合系统的热膨胀系数比纤维的热膨胀系数低。此粘合系统粘合了此大量纤维中的至少部分相邻纤维，形成一种多孔陶瓷体，其孔隙率约大于20％。粘合系统形成陶瓷体的约10体积％至约60体积％(即占形成陶瓷体的材料体积(不包括孔)的约10％至约60％)。
本发明此方面的实施方式可包含下列一项或多项特征。在一些实施方式中，多孔陶瓷体的热膨胀系数至少比纤维的热膨胀系数低约10％。在某些实施方式中，多孔陶瓷体的热膨胀系数至少比第一热膨胀系数低约20％以上。用于多孔陶瓷体的粘合系统可包含一种单相材料，例如，一种玻璃、一种玻璃-陶瓷、一种陶瓷或一种金属。在其他实施方式中，粘合系统为一种多相材料。即，粘合系统包含两相或多相。用于多孔陶瓷体的纤维可为陶瓷纤维中的任何一种，包括但不限于玻璃纤维(例如E-玻璃纤维或S-玻璃纤维)、耐火陶瓷纤维(例如硅酸铝纤维、莫来石纤维、氧化铝纤维或碳化硅纤维)、生物可溶性纤维(例如玻璃质硅酸镁纤维或硅酸钙纤维)。一般来讲，纤维的纵横比为大于1但小于或等于2,000。一般来讲，纤维的直径范围为约100纳米至约100微米。在某些实施方式中，纤维直径范围为约100纳米至约10微米，而在一些实施方式中，纤维直径范围为2微米至10微米。在某些实施方式中，多孔陶瓷体还包含沉积于此大量纤维中的至少部分纤维上的催化涂层。
另一方面，本文描述的实施方式针对一种形成多孔体的方法。此方法包括提供一种混合物，此混合物包含大量具有第一热膨胀系数的纤维和至少两种反应成分；此混合物形成一种纤维体，至少两种反应成分发生反应形成具有第二热膨胀系数的粘合系统，第二热膨胀系数比第一热膨胀系数低。粘合系统局部粘合此大量纤维中至少两个纤维，形成多孔体。
本发明此方面的实施方式可包含下列一项或多项特征。在一些实施方式中，使用此方法形成的多孔陶瓷体具有第三热膨胀系数，此热膨胀系数至少比第一热膨胀系数低约10％。在某些实施方式中，多孔陶瓷体的热膨胀系数至少比第一热膨胀系数低约20％以上。为了形成纤维体，可使用已知的挤出方法挤出混合物。在其他实施方式中，此混合物可用模具成型或用其他方式成型。在某些实施方式中，粘合系统包含一种单相材料，例如一种玻璃、一种陶瓷、一种玻璃-陶瓷、或金属。在其他实施方式中，粘合系统可能为一种复合材料，或一种微裂纹材料。在其他实施方式中，粘合系统包含一种多相材料。本发明的此方面使用的混合物还包含一种或多种选自以下群组的添加剂：一种流体、一种粘合剂和一种造孔剂。这些添加剂可用于获得将混合物挤出或成型为纤维体所需的粘稠度。在其他实施方式中，这些添加剂中的一种或多种增大了所得多孔陶瓷体的孔隙率。在某些实施方式中，通过加热纤维体可基本除去此添加剂。
在另一方面，本文描述的实施方式针对一种多孔蜂窝体。此蜂窝体包含一系列蜂窝状壁，此壁界定了相邻壁间的通道。此壁含有大量纤维，这些纤维经粘合形成一种具有一开放孔网络的多孔结构。蜂窝体，即一系列壁，所具有的热膨胀系数比此大量纤维的热膨胀系数低。
本发明此方面的实施方式可包含下列一项或多项特征。此蜂窝体可用于形成一种过滤器，例如用于柴油废气的过滤器。在一实施方式中，此过滤器可包含一外壳，此外壳包括一个入口和一个出口，入口和出口间放置多孔蜂窝体。在一些实施方式中，此过滤器还包含至少一种沉积于壁上的大量纤维上的催化剂(例如，一种催化涂层)。
在另一方面，本文描述的实施方式针对一种形成多孔蜂窝状基底的方法。此方法包括将大量纤维、流体和两种或多种反应成分混合，形成一种可挤出混合物；将混合物挤出形成一种蜂窝状基底；加热蜂窝状基底除去流体；以及使两种或多种反应成分反应，在此大量纤维中的至少两个纤维间部分形成一种粘合材料。通过反应形成的这种粘合材料的热膨胀系数比此大量纤维的热膨胀系数低。
附图说明
在附图中，不同视图中相同的引用字符通常指相同部件。并且，这些附图并不一定符合比例，其重点在于描述本发明的原理。
图1为符合本公开一实施方案的一种多孔陶瓷体的剖面示意图。
图2为符合本公开一实施方案的一种多孔陶瓷体的形成方法示意图。
图3A和3B分别为加热处理前后造孔剂和粘合剂存在和不存在时的剖面示意图。
图4为多孔陶瓷体局部放大剖面示意图。
图5为多孔陶瓷体的其他实施方式的局部剖面示意图。
图6为多孔陶瓷体另一实施方式的局部剖面示意图。
图7为一个蜂窝体的透视图。
图8为相互粘合形成一较大体的多个蜂窝体的透视图。
图9为一种包含图7所示蜂窝体的过滤器的剖面示意图。
图10为符合本公开一实施方案的一种蜂窝体的形成方法示意图。
具体实施方式
化石燃料成本的上升以及环境问题使提高发动机效率同时维持汽车性能的需求日益突出。由于柴油汽车(例如，柴油机轿车、柴油机卡车、柴油机公共汽车)的市场占有率，特别是在人口密集地区，因此改进其效率尤为重要。将复合陶瓷纤维材料用于柴油机过滤器有助于达到这些效率。例如，比起其他材料，例如金属，陶瓷材料的重量较轻。此外，陶瓷材料可耐受高温恶劣环境，例如催化过滤器周围的环境。此外，可改变复合陶瓷材料的性质，以提供最佳材料性能。
在柴油机汽车中，在催化过滤器内使用具有高热膨胀系数的复合陶瓷材料会减弱或降低性能和/或设计灵活性。特别是，柴油机过滤器可能会在再生过程(即用于烧除嵌在过滤器内的颗粒的一种高温循环)中开裂。因此，应尽可能降低用于柴油机过滤器的复合材料的热膨胀系数，这是有益的。此外，柴油机过滤器的性能随热震参数(TSP)值的增加而增加。热震参数的定义如下：TSP＝断裂模量(MOR)除以杨氏模量与复合材料的热膨胀系数的乘积。因此，具有低热膨胀系数的复合材料将具有更好的性能。
现在看图，图1显示了可用于柴油发动机的催化过滤器中的一种多孔陶瓷体100的一部分。此多孔陶瓷体100包括大量纤维110和一种粘合剂系统115。粘合剂系统115局部粘合了两个或多个相邻纤维(例如110a、110b和110c)，从而形成陶瓷体100的结构。相邻纤维，例如，110a、110b和110c，界定了陶瓷体100内的孔120。一般来讲，可将多孔陶瓷纤维体100的孔隙率选为任何值(例如超过0％但小于99％)。在某些实施方式中，陶瓷体100的孔隙率至少为约20％。在一些实施方式中，陶瓷体的孔隙率超过约20％(例如25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％等)。在某些实施方式中，陶瓷体100包含一开放孔网络。即，孔120形成通道，使流体(例如气体)可以流过陶瓷体100。
纤维110与粘合系统115相结合，形成多孔陶瓷体100(即，一种复合陶瓷体)。多孔陶瓷体100内存在的纤维110和粘合系统115会影响复合材料的材料性质。即，多孔陶瓷体100的材料性质取决于纤维和粘合系统115的材料性质和相对含量。因此，可通过选择纤维、粘合系统的具体浓度，可能还要选择纤维和粘合系统的尺寸、形状、分布和方向，改变复合材料(即陶瓷体100)的材料性质，使其适合具体应用。例如，本发明的一实施方式的多孔陶瓷体100(即α陶瓷体)的热膨胀系数通常定义如下：
陶瓷体＝纤维+V粘合系统(粘合系统-纤维)
其中粘合系统和纤维的体积分数之和(即V粘合系统和V纤维)等于1(即100％)。
在本发明的陶瓷体中(例如陶瓷体100)，纤维110的热膨胀系数比粘合系统115的热膨胀系数大。即，纤维(文中也称为第一热膨胀系数)比粘合系统大(文中也称为第二热膨胀系数)。在一些实施方式中，第二热膨胀系数至少比第一热膨胀系数低约15％或低更多(例如20％、25％、30％等)。粘合系统的热膨胀系数低于纤维时，使用此粘合系统制得的陶瓷体100具有的热膨胀系数比纤维的热膨胀系数低。此外，体积分数介于约40％至约99％时，陶瓷体100的热膨胀系数取决于粘合系统的热膨胀系数。例如，如果纤维的热膨胀系数为5，将此纤维与热膨胀系数为4的粘合系统结合，粘合系统的体积分数(V粘合系统)为.75，则所得复合物的热膨胀系数为4.25，此值比纤维的热膨胀系数低15％，但仅比粘合系统的热膨胀系数高6％。
也可将有微裂纹的材料用于粘合系统，这样可有效降低粘合系统115的热膨胀系数，降低陶瓷体100的热膨胀系数。由于亚微米大小的裂缝或裂隙的存在，这些裂缝或裂隙会在材料加热膨胀时闭合，冷却时裂开，因此用作粘合系统115中的组分的微裂纹材料具有低表观热膨胀系数，可以减弱超温时聚集的应力。例如，氧化铝(Al2O3)和钛氧化物，或氧化钛(TiO2)可发生反应形成钛酸铝(Al2TiO5)，这种物质具有正交晶体结构，能够在烧结的多晶或非晶材料中形成稳定的微裂纹结构。在此例子中，钛酸铝材料可提供一种低表观热膨胀系数材料，此材料在陶瓷体100的相邻纤维110间形成陶瓷粘合。钛酸铝材料可通过添加氧化铝基组分和钛基组分通过反应形成。同样地，钛酸铝的反应形成可通过氧化铝或氧化钛基添加剂与来自纤维110组成物中的氧化铝及/或氧化钛成分反应实现，从而在二氧化硅基玻璃基体内形成微裂纹钛酸铝结构。
参阅图2，多孔体(例如，陶瓷体100)的一种形成方法，包括三个步骤，210、220和230。首先，在步骤210中，将含有大量纤维(例如纤维110)的混合物和用于形成粘合系统的成分(例如115)混合。这些成分可为颗粒、粉末、纤维或液体。此混合物可通过单独的步骤提前制备，提供给多孔体制造商。除了用来形成粘合系统的纤维和成分，也可将其他添加剂，例如造孔剂和流变改性剂(例如流体、粘合剂、增塑剂)加入混合物。造孔剂为多孔陶瓷体100提供了额外的开放空间，流变改性剂有助于混合物的成型或形成。接下来，如步骤220所示，用混合物形成纤维体。在一些实施方式中，混合物可挤出成型、通过模具成型或用其他方法成型。可加热成型物，以除去部分或全部造孔剂和流变改性剂(见图3A和3B，这两幅图分别显示了造孔剂305和粘合剂310存在和不存在时的状况)。从而减少或除去过量的水和添加剂，以实现纤维与纤维的接触。进一步加热可形成纤维间的粘合。应当认识到，可以通过多种方式形成粘合。例如，可对纤维进行加热以在两纤维相交处形成流体辅助的烧结粘合。在其他实施方式中，粘合通过存在于混合物中的无机粘合剂产生，该混合物将纤维在连接的网络中结合在一起，并且不会在步骤220中被烧除。最终，混合物内的成分反应形成粘合系统。即是，这些成分通过反应(例如成分间发生反应)形成粘合系统115，此系统的热膨胀系数比纤维110的低。在一个实施方式中，将成型物加热，启动各成分的反应。一般来讲，在步骤220中，这些成分倾向于在纤维相交处沉积，这样当发生反应时，粘合系统115就可以将相邻纤维粘合起来(例如图1中的110a、110b、110c)，从而增强成型物，得到多孔陶瓷体。反应成分示例如下表1所示：
  成分   所得粘合系统
 氧化钛+氧化铝+二氧化硅+氧化镁粉+氧化钙土   钛酸铝+玻璃
 氧化钛粉+莫来石纤维   钛酸铝+玻璃
 碳酸钡粉+胶体二氧化硅   硅酸铝钡
 锂铝氧化物粉+胶体二氧化硅   β-锂霞石
表1：反应成分及所得粘合系统示例
也对陶瓷体进行其他热处理和/或涂上其他涂层(例如催化涂层)，如可选步骤240和250所示。
粘合系统在步骤230形成，如图2所示，此系统的热膨胀系数比纤维的热膨胀系数低。由于所有用方法200生成的粘合系统均有此特性，因此粘合系统本身有许多实施方式。例如，参见图4，粘合系统415可为一种单相材料，例如一种玻璃、一种陶瓷、一种玻璃陶瓷或金属。即，这些组分发生反应形成一种单相材料，将两个或多个纤维110局部粘合起来。在另一实施方式中，如图5所示，粘合系统515可为双相材料，其中各种组分反应形成一种基体，基体中包含第一相材料517和沉积在基体内的第二相材料519。例如，在一实施方式中，第一相材料517含有一种玻璃，第二相材料含有一种玻璃-陶瓷。也可能为其他材料/相组分。例如，第一相材料517可由一种陶瓷材料构成，第二相材料519可包含一种玻璃。在另一说明性实施方式中，第一相517由第一种玻璃构成，第二相由第二种玻璃519构成。在另一实施方式中，第一相517含有一种陶瓷，第二相含有一种金属。
参阅图6，可用于一多孔陶瓷体中的另一粘合系统615，包含第一相617、第二相619和第三相621。根据此实施方式的一说明性粘合系统包含玻璃形成的第一相617、玻璃-陶瓷形成的第二相619和陶瓷形成的第三相621。也可能为其他三相粘合系统实施方式。此外，还应了解，可使用任何数量的相/材料(例如，一、二、三、四、五等)形成粘合系统。即，方法200中的步骤210和230所述的反应成分形成的粘合系统可以包含任何数量的材料和/或相，只要粘合系统的热膨胀系数比纤维的热膨胀系数低。本发明的陶瓷体主要由纤维构成，使粘合系统，作为一单相或多相组分，通常导致总体积分数约为5％至49％。
用于形成粘合系统的玻璃的一说明性列表包括：二氧化硅玻璃、硼硅酸盐玻璃、TiO2-SiO2、二硅酸钇(Y2O3-SiO2)、硅酸铈(CeO2-SiO2)、Cu2O-Al2O3-SiO2和磷酸盐玻璃。用于形成粘合系统的玻璃-陶瓷的一说明性列表包括：堇青石、铝酸钙、β-锂辉石、β-锂霞石、Zr2P2O9、绿玉石(Be3Al2Si6O18)、硅酸铝钡(BaAl2Si2O8)、硅酸铝锶(SrAl2Si2O8)、磷酸锆钠(NaZr2(PO4)3)、磷酸钛钙锆(CaZr4P6O24)和钨酸锆(ZrW2O7，或ZrV2O7)。用于形成粘合系统的陶瓷的一说明性列表包括：钛酸铝、氧化锆钛(ZrTiO4)、钛酸铪(HfTiO4)、碳化硅、氮化硅、氮化铝和铌酸镁铅(PMN)。
多孔陶瓷体(例如图1中所示的体100)中使用的纤维110为陶瓷纤维。这些纤维的纵横比(即纤维长度除以纤维直径的比率)大于一。纤维这种材料的长度大于直径，例如，纵横比超过一，或超过三，纤维不包含单晶结构，例如晶须，或自然生成的细长或非球状颗粒，也不是颗粒的聚集体，这种聚集体的形状可能不为通常的球形。纤维，可自然生成，也可人工合成，是本领域中已知的，常用于耐火制品，例如用作毯子、垫子和障碍物的隔热层。如本文所用，出于简便考虑，在确定纤维“直径”时假定纤维横截面的形状为圆形；这种简化假定在应用于纤维时不考虑其实际的横截面形状(例如方形、矩形等)。在某些实施方式中，纤维的纵横比小于或等于2,000。即，在某些实施方式中，纤维的直径为微米或亚微米级(例如1微米)，纤维的长度则为几毫米(例如2毫米)。一般来讲，纤维的直径范围为约100纳米至约100微米。但是，在某些实施方式中，纤维的直径为约100纳米至约10微米，而在一些实施方式中，纤维的直径为约2微米至约10微米。纤维可由任何类型的陶瓷材料形成，例如耐火陶瓷材料(例如硅酸铝纤维)。在一些实施方式中，纤维为生物可溶性，即纤维可在人体或生物体内溶解。用于方法200中的陶瓷纤维的一说明性列表包括但不限于，氧化铝、二氧化硅、氧化锆、氧化钛、硅酸铝、莫来石、硅酸硼铝、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氮氧化硅、碳氮化硅、堇青石、β-锂辉石、羟基磷灰石、钇铝石榴石、氧化铝增强热障、氧化铝二氧化硅氧化锆、氧化铝二氧化硅氧化铬、硅酸镁、硅酸锶镁、硅酸锶钙镁、硅酸铝锶、硅酸铝锂、钛酸铝、钛酸锶、碳化钛、硅酸铝钙、“ISOFRAX”(一种生物可溶性玻璃质硅酸镁纤维，来自Unifrax Corporation，Niagra Falls，NY)和“SUPERWOOL”(一种生物可溶性产品家族，来自Thermal Ceramics，Augusta GA)。
参阅图7，图中显示了一多孔蜂窝体710。蜂窝体710具有一系列壁715，这些壁界定了相邻壁715间的通道720。壁715包含上文所述的多孔陶瓷体(例如体100)。即，壁715包含大量纤维，这些纤维用一种具有低热膨胀系数的粘合系统粘合，形成一种具有开放孔网络的多孔结构。由于粘合系统的热膨胀系数较低，壁的热膨胀系数比此大量纤维的低。蜂窝体710可制成多种形状，例如，圆柱体(如图7所示)、扇形或接近圆柱体、长方形(如图8所示)，或菱形。可将这些蜂窝体710粘起来形成一分段体，如图8所示。通过将这些体粘合起来，可制得任何大小、形状或尺寸的蜂窝形式。由于采用了低热膨胀系数的多孔复合材料，因此不必用低杨氏模量的胶/粘合剂粘合较小部件以形成较大形状，即可挤出或形成宽度较大(例如直径为5.66英寸至14英寸)的形状(例如圆柱体)。挤出或形成较大宽度的能力提供了生产工艺上的灵活性，并可能降低批量生产的成本。
图9描绘了用图7的多孔蜂窝体710制成的过滤器900的剖面图。过滤器900包含一个外壳920，此外壳包在多孔陶瓷体710外。外壳包含一个入口905和一个出口907，供气体(例如废气)穿过。外壳920和蜂窝体710间为垫子930，起到支持和形成外壳920和蜂窝体710间的气密层的作用。通过用出口封堵块960和入口封堵块970有选择地封堵相间通道，形成大量入口通道940和出口通道950，使蜂窝体710具有一种壁流结构。在此实施方式中，壁715内的开放孔网络提供了足够的孔隙率和渗透率，可以允许通过入口和出口通道940、950间的壁715。因此，颗粒状物质可以在入口通道壁940上聚集，并通过过滤器900的气流将其除去。涂层，例如催化涂层或其他反应涂层，可以在壁715表面或内部沉积，以提高壁715捕获的颗粒的氧化率。例如，对于用于柴油机汽车环境中的过滤器，壁715上可涂上催化涂层，以促进聚集的烟尘的氧化，并加快废气向危害性较小的成分的转化。必须涂上洗涂层和催化剂涂层，以防它们破坏粘合系统基体组分的化学性质和微观结构。可使用其他催化剂，例如膜型洗涂层和可用于在膜/流体接口进行物理和/或化学分离的催化剂。将复合基体结构和微裂纹结构涂上涂层的工艺是本领域广为人知的工艺。
图10描述了形成蜂窝体的一种方法，例如图7所示的蜂窝体710。首先，如步骤1010所述，将大量纤维、流体和两种或多种反应成分混合，形成可挤出混合物。混合物中添加的流体可包含流变改性剂，以实现混合物的有效挤出。获得所需的粘稠度后，将混合物挤出形成蜂窝体(步骤1020)，然后加热除去过量流体(步骤1030)。最后，加热或用另一种催化剂使两种或多种反应成分反应，在纤维间形成粘合材料(步骤1040)。所得粘合材料的热膨胀系数比纤维的热膨胀系数低。在将蜂窝体用于过滤器的实施方式中，插入入口和出口封堵块(例如图9中的940、950)，形成穿过过滤器的流动通道(可选步骤1050)，或者，将蜂窝体改造成横流过滤器，其中滤液被迫流入蜂窝体，并从蜂窝体中抽出。此外，可将一个催化涂层用于过滤器，使过滤器在其预期应用中具有反应功能，例如，促进柴油机颗粒过滤器中捕获的烟尘的氧化反应(可选步骤1060)。
本文所述的对本领域常规技术的改变、修改或其他应用不偏离本发明的宗旨，也在本发明范围内。例如，当一些多孔陶瓷体的实施方式被描述为过滤器，特别为柴油机过滤器时，此多孔陶瓷体也可用于需要低热膨胀系数的任何应用，例如，用于航空航天工业、液体过滤、横流过滤、熔融金属过滤、固定床化学反应器、蜂窝状大表面积吸附剂和高温反应器。
实例
下列实例对本公开进行了进一步描述，以便于理解本公开。这些具体实例旨在说明本公开，不对其进行限制。
在第一个说明性实例中，将氧化钛(二氧化钛，TiO2)用作一种与莫来石纤维(用作第二反应成分和形成纤维体的纤维)反应的成分，用20.88重量％多晶莫来石纤维和11.90重量％氧化钛粉制备一种可挤出混合物。在此示例性实施方式中，6.68重量％羟丙基甲基纤维素(HPMC)被用作一种有机粘合剂和流变改性剂，27.14重量％碳粒(-325目级)和33.40重量％去离子水被用作一种混合流体。这些材料混合成可挤出混合物，并通过挤出形成1英寸直径蜂窝状基底。用射频(RF)干燥设备干燥此基底，并除去有机化合物，然后在1,500℃下烧结两小时，形成多孔蜂窝状结构。在此实施方式中，经测定，多孔陶瓷体的热膨胀系数为1.2×10-6/℃，比莫来石纤维的热膨胀系数(5×10-6/℃)低约76％。
在第二个说明性实例中，将氧化钛和膨润土(膨润土中至少含有硅酸铝、氧化镁和氧化钙，获自Southern Clay Products，Gonzales，TX)用作与莫来石纤维反应的成分，用22.62重量％多晶莫来石纤维、4.07重量％膨润土粉和4.52重量％氧化钛粉制备一种可挤出混合物，膨润土粉和氧化钛粉作为反应成分。在此示例性实施方式中，7.24重量％羟丙基甲基纤维素(HPMC)被用作一种有机粘合剂和流变改性剂，29.41重量％碳粒(-325目级)和32.13重量％去离子水被用作一种混合流体。这些材料混合成可挤出混合物，并通过挤出形成1英寸直径蜂窝状基底。用射频(RF)干燥设备干燥此基底，并除去有机化合物，然后在1,500℃下烧结两小时，形成多孔蜂窝状结构。在此实施方式中，经测定，多孔陶瓷体的热膨胀系数为2.5×10-6/℃，比莫来石纤维的热膨胀系数(5×10-6/℃)低约50％。
在第三个说明性实例中，用碳酸钡和二氧化硅作为与莫来石纤维反应的成分制成BAS(硅酸铝钡)粘合相，用38.02重量％莫来石纤维、18.63重量％碳酸钡粉(亚微米级颗粒尺寸)和1.52重量％胶体二氧化硅(水中含有50％的固体)制备一种可挤出混合物，碳酸钡粉和胶体二氧化硅作为反应成分。在此示例性实施方式中，6.08重量％羟丙基甲基纤维素(HPMC)被用作一种有机粘合剂和流变改性剂，7.60重量％碳粒(-325目级)和28.14重量％去离子水被用作一种混合流体。这些材料混合成可挤出混合物，并通过挤出形成1英寸直径蜂窝状基底。用射频(RF)干燥设备干燥此基底，并除去有机化合物，然后在1500℃下烧结一小时，形成多孔蜂窝状结构。在此实施方式中，经测定，多孔陶瓷体的热膨胀系数为3.8×10-6/℃，比莫来石纤维的热膨胀系数(5×10-6/℃)低24％。
在第四个说明性实例中，用锂铝氧化物和二氧化硅作为与莫来石纤维反应的成分制成β-锂霞石粘合相，用39.06重量％莫来石纤维、16.41重量％锂铝氧化物粉和1.56重量％胶体二氧化硅(水中含有50％的固体)制备一种可挤出混合物，锂铝氧化物粉和胶体二氧化硅作为反应成分。在此示例性实施方式中，6.25重量％羟丙基甲基纤维素(HPMC)被用作一种有机粘合剂和流变改性剂，7.81重量％碳粒(-325目级)和29.91重量％去离子水被用作一种混合流体。这些材料混合成可挤出混合物，并通过挤出形成1英寸直径蜂窝状基底。用射频(RF)干燥设备干燥此基底，并除去有机化合物，然后在1500℃下烧结一小时，形成多孔蜂窝状结构。在此实施方式中，经测定，多孔陶瓷体的热膨胀系数为3.0×10-6/℃，比莫来石纤维的热膨胀系数(5×10-6/℃)低40％。
在第五个说明性实例中，将莫来石纤维用作一种反应成分，碳化硅纤维用作另一种反应成分，用25.51重量％莫来石纤维与20.41重量％碳化硅纤维制备一种可挤出混合物。在此示例性实施方式中，8.16重量％羟丙基甲基纤维素(HPMC)被用作一种有机粘合剂和流变改性剂，10.20重量％碳粒(-325目级)和35.71重量％去离子水被用作一种混合流体。这些材料混合成可挤出混合物，并通过挤出形成1英寸直径蜂窝状基底。用射频(RF)干燥设备干燥此基底，并除去有机化合物，然后在1,500℃在惰性环境(例如真空或充满氮气的炉中)下烧结一小时，形成多孔蜂窝状结构。在此实施方式中，经测定，多孔陶瓷体的热膨胀系数为4.5×10-6/℃，比莫来石纤维的热膨胀系数(5×10-6/℃)低10％。

Claims (25)

1.一种形成多孔体的方法，包括：
提供一混合物，包含大量具有第一热膨胀系数的纤维和至少两种反应成分；
由所述混合物形成纤维体；和
使所述至少两种反应成分发生反应形成一具有一第二热膨胀系数的粘合系统，其热膨胀系数比所述第一热膨胀系数低，所述粘合系统局部粘合所述大量纤维中的至少两个纤维，从而形成所述多孔体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述多孔体具有一第三热膨胀系数，比所述第一热膨胀系数至少低约10％。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述多孔体具有第三热膨胀系数，比所述第一热膨胀系数低约20％以上。
4.根据权利要求1所述的方法，其中形成一纤维体包括挤出所述混合物。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述粘合系统包含一选自以下群组的单相材料：一玻璃、一陶瓷和一玻璃-陶瓷。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述粘合系统包含一多相材料。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述混合物还包含一种或多种选自以下群组的添加剂：一流体、一粘合剂和一造孔剂。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述一种或多种添加剂通过加热所述纤维体而被基本上除去。
9.一种多孔陶瓷体，包括：
一多孔基底，包含大量具有一第一热膨胀系数的纤维；和
一粘合系统，具有一第二热膨胀系数，其比所述第一热膨胀系数低，所述粘合系统局部粘合所述大量纤维中的至少两个纤维，从而形成一多孔陶瓷体。
10.根据权利要求9所述的多孔陶瓷体，其中所述多孔陶瓷体具有第三热膨胀系数，比所述第一热膨胀系数至少低约10％。
11.根据权利要求9所述的多孔陶瓷体，其中所述粘合系统为一单相材料。
12.根据权利要求9所述的多孔陶瓷体，其中所述粘合系统为一多相材料。
13.根据权利要求9所述的多孔陶瓷体，其中所述大量纤维为生物可溶性的。
14.根据权利要求8所述的多孔陶瓷体，其中所述大量纤维的纵横比大于1，且小于或等于2,000。
15.一种多孔陶瓷体，包括：
大量纤维，由一粘合系统粘合起来，其热膨胀系数低于所述纤维的热膨胀系数，所述粘合系统粘合所述大量纤维中的至少部分相邻纤维，所述多孔陶瓷体的孔隙率超过约20％，所述粘合系统形成所述多孔陶瓷体的约10体积％至约60体积％。
16.根据权利要求15所述的多孔陶瓷体，其中所述多孔体具有一热膨胀系数，比所述纤维的热膨胀系数至少低约10％。
17.根据权利要求15所述的多孔陶瓷体，其中所述粘合系统为一单相材料。
18.根据权利要求15所述的多孔陶瓷体，其中所述粘合系统为一多相材料。
19.根据权利要求15所述的多孔陶瓷体，其中所述大量纤维为生物可溶性的。
20.根据权利要求15所述的多孔陶瓷体，其中所述大量纤维的纵横比大于1且小于或等于2,000。
21.根据权利要求15所述的多孔陶瓷体，还包含在所述大量纤维上的催化剂涂层。
22.一种多孔蜂窝体，包括：
一系列蜂窝状壁，所述壁界定了相邻壁间的通道；
所述壁包含大量纤维，所述纤维经粘合形成一具有开放孔网络的多孔结构，所述壁的热膨胀系数比所述大量纤维低。
23.一种过滤器，包括：
一外壳，包含一入口和一出口；和
根据权利要求22所述的多孔蜂窝体，所述多孔蜂窝体是置于所述入口和所述出口之间。
24.根据权利要求23所述的过滤器，还包含至少一沉积在所述壁上的所述大量纤维上的催化剂。
25.一种形成多孔蜂窝状基底的方法，所述方法包括：
混合大量纤维、流体和两种或多种反应成分，以形成一可挤出混合物；
挤出所述可挤出混合物形成蜂窝状基底；
加热所述蜂窝状基底以除去所述流体；和
使所述两种或多种反应成分反应，在所述大量纤维内的至少两个纤维的局部之间形成一粘合材料，所述粘合材料的热膨胀系数比所述大量纤维低。
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