CN101878098B - 制备陶瓷蜂窝结构体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种制备蜂窝结构体的方法，其中差异化改变具有第一轮廓的蜂窝坯体，从而使蜂窝坯体具有第二轮廓，且第二轮廓的第一端宽于第二端。在一个方面，改变通过除去蜂窝坯体的一部分来实现，例如采用去除工具。另一方面，改变通过将蜂窝体的不同区域暴露在不同的干燥环境中来实现。

Description

制备陶瓷蜂窝结构体的方法

相关申请

本申请要求于2007年11月30日提交的美国临时申请No.61/004851、名称为“制备陶瓷蜂窝结构体的方法”的权益。

技术领域

本发明涉及多孔陶瓷蜂窝结构体的制备，尤其涉及如基板和壁流式过滤器这些多孔陶瓷蜂窝结构体的制备。

背景技术

蜂窝结构体在发动机排气系统中被广泛用作防污染装置，比如在汽车中的催化转化器基板、以及柴油动力车中的柴油微粒过滤器。在这些应用中，陶瓷蜂窝结构体是由陶瓷网或壁的基体组成，其具有大量的隔室或隔室通道。该网基体典型地被表层所包围。在过滤器中，至少一些通道用塞子密封，以迫使废气通过陶瓷网流动。

发明内容

本文公开了一种制备蜂窝结构体的方法，该方法包括：提供一个具有在相对的第一和第二端间延伸的第一轮廓的蜂窝坯体，蜂窝坯体包括分别紧邻第一端和第二端的第一区域和第二区域；以及差异化改变第一区域和第二区域中的至少一个，以便使蜂窝坯体具有在第一端和第二端之间延伸的第二轮廓，其中第二轮廓在第一端处要比在第二端宽。在一些实施方案中，第一轮廓有一个基本不变的宽度。在一些实施方案中，第二轮廓在第一端的直径D1和在第二端的直径D2的比值在1.01到1.15之间，该比值在一些实施方案中在1.02到1.08之间，而在其他一些实施方案中在1.03到1.07之间。在一些实施方案中，锥度T定义为T＝L/(R2-R1)，其中L是蜂窝体的轴向长度，R2＝D2/2，R1＝D1/2；在这些实施方案的一些中T＞120，而在其他实施方案中T＞200，另外一些实施方案中200＜T＜1000，其它一些实施方案中300＜T＜900，其它一些实施方案中300＜T＜700，其它一些实施方案中400＜T＜600。

在一些实施方案中，蜂窝坯体通过挤出成型。在一些实施方案中，该方法还包括挤出形成陶瓷的蜂窝基体坯体挤出物，从挤出物上切割形成陶瓷的蜂窝坯体。在一些实施方案中，蜂窝坯体垂直于挤出物的轴向进行切割。

在一些实施方案中，蜂窝坯体由含有陶瓷成型组分的混合物挤出成型。在一些实施方案中，蜂窝坯体由包括生材再利用材料(材料包括由含有陶瓷形成成分的第二混合物形成的挤出物)的混合物中挤出成型的。在一些实施方案中，蜂窝坯体由陶瓷形成组分构成。一些实施方案中，最外面的一层是由基础生材再利用材料组成。

一方面，所述改变包括去除部分蜂窝体。在一些实施方案中，在改变之前，充分加热蜂窝坯体以使其干燥而不致陶瓷化。在一些实施方案中，去除之后，向蜂窝坯体施加水泥混合物外层，然后充分焙烧蜂窝坯体以使其陶瓷化，形成多孔陶瓷蜂窝结构体，其有具有宽度基本恒定的第三轮廓。在一些实施方案中，通过蜂窝坯体和去除工具的接触去除部分蜂窝坯体，如切削刀具或研磨工具。在一些实施方案中，去除工具有锥度T′。在一些实施方案中，蜂窝体在所述部分去除时同时在旋转。在一些实施方案中，在所述部分去除时，工具围绕蜂窝体旋转。在一些实施方案中，蜂窝坯体含有相互交叉的壁的基体，并且被除去的部分包含至少一些壁的至少一部分。在一些实施方案中，去除之前的蜂窝体包括周边的表层，被除去部分包括至少一些周边的表层。在一些实施方案中，去除步骤之前，周边表层与大量的壁共同挤出。在一些实施方案中，去除之前，蜂窝体包括周边的表层，被除去的部分包含至少一些表层和至少部分壁的至少一部分，在一些实施方案中，改变之前周边表层与大量的壁共同挤出。

另一方面，改变包括使蜂窝体暴露在不同的干燥环境，例如改变通过将蜂窝体的不同区域暴露在不同的干燥环境中实现。在一些实施方案中，差异化干燥环境包括将蜂窝体的第一和第二区域暴露在不同湿度、不同气流、和/或不同电磁辐射(如不同的功率，角度，或频率，或其组合等)中。在一些实施方案中，在暴露过程中，蜂窝体立于第一端，暴露后，向蜂窝坯体施加水泥混合物外层，然后蜂窝坯体立于其第二端，对其进行充分焙烧以使其陶瓷化，形成多孔陶瓷蜂窝结构体，其具有宽度基本恒定的第三轮廓。

附图说明

图1为一个示例的蜂窝结构体的等距视图。

图2为显示图1所示蜂窝结构体的第一轮廓的侧视图。

图3为图2的蜂窝结构体经过蜂窝结构体差异化改变产生第二轮廓后的侧视图。

图4以剖视图的形式显示了施加了外层的图3所示蜂窝结构体的侧视图。

图5为图4所示蜂窝结构体经焙烧后的侧视图。

图6为蜂窝坯体和用于差异化改变蜂窝体的工具的等距视图。

图7用图解描述了通过工具去除后的蜂窝坯体的轮廓，其中显示了其每部分在不同平面上的平均直径。

图8用图解描述了图7所示轮廓化的蜂窝坯体经焙烧形成多孔蜂窝体后的轮廓。

详细描述

图1说明了示例型的由蜂窝体101构成的蜂窝结构100，该蜂窝体101包括交叉壁106的基体，其限定出大量在第一端102和第二端104之间延伸的通道108和110。塞子112在第一端和第二端102和104上排列，以便使废气流过通道108和110的多孔壁106。

图2说明了蜂窝坯体120的外形，具有在相对的第一端102和第二端104之间延伸的第一轮廓130，蜂窝坯体120包括分别紧邻第一端和第二端102和104的第一区域和第二区域124和126。蜂窝坯体120包括壁的基体，其限定出大量在蜂窝坯体的相对的第一端和第二端102和104之间延伸的隔室，坯体具有在蜂窝坯体的第一端和第二端之间延伸的外围部分128。蜂窝体120中具有置于部分隔室内的塞堵材料；例如，第一分组隔室可在第一端102塞有塞堵材料，而在第二端104是敞开的，比如说在方格图案中；第二分组隔室可在第二端104塞有塞堵材料，而在第一端102是敞开的，比如说在匹配的方格图案中，例如用于焙烧蜂窝坯体时形成多孔陶瓷过滤器，其中塞堵材料紧靠限定出各隔室的壁进行密封，焙烧时形成塞子。在一些实施方案中，蜂窝坯体120中所有隔室的大多数不包含塞堵材料，比如用于形成基板或涂层(washcoat)基板的情形。我们发现对于基体的焙烧，尤其是对于基体和未固化表层的同时焙烧，以及对于基体与塞堵材料和未固化表层的同时焙烧，可以导致焙烧过程中蜂窝坯体的轮廓改变，从而使焙烧得到的陶瓷蜂窝体从一端到另一端不具有均一的直径。

优选地，蜂窝坯体120，尤其是相互交叉的壁106构成的基体，是通过挤出成型，例如挤出包括由相互交叉的壁构成的基体的形成陶瓷的蜂窝坯体挤出物，然后从挤出物上切割形成陶瓷的蜂窝坯体；优选地，蜂窝坯体沿与挤出物轴向垂直的方向切割。蜂窝坯体120来自于含有陶瓷成型组分的混合物的挤出物。因此，该挤出物和蜂窝坯体由陶瓷形成组分组成。

可以选择地，蜂窝坯体可由包括生材再利用材料的混合物挤出成型，也就是说，材料由挤出物或几片挤出物构成，即先前挤出的材料，由含有陶瓷形成组分的第二混合物形成，这些材料已经被粉碎，或研磨，尤其是蜂窝坯体的再利用。

蜂窝坯体120可具有周边的表层，例如，周边表层可与由相互交叉的壁形成的蜂窝基体共挤出。

蜂窝坯体120的第一轮廓130具有基本恒定的宽度，例如，恒定的直径，虽然也可利用宽度不同的第一轮廓130的蜂窝体。

如图3所示，本发明制备蜂窝结构体的方法包括差异化改变第一和第二区域124和126中的至少一个，以便使蜂窝坯体120具有在第一和第二端102和104之间延伸的第二轮廓132，其中第二轮廓132的第一端102比第二端104宽。在一些实施方案中，第二轮廓132具有锥度。在一些实施方案中，第二轮廓132第一端102的宽度、即直径D1，与第二端104的宽度、即直径D2的比值在1.01到1.15之间，在一些实施方案中，在1.02到1.08之间，在其他实施方案中在1.03到1.07之间。在一些实施方案中，锥度T定义为T＝L/(R2-R1)，其中L是蜂窝体轴向长度，R2＝D2/2，R1＝D1/2，在这些实施方案的部分中T＞120，在其他实施方案中T＞200，在其他实施方案中200＜T＜1000，在其他实施方案中300＜T＜900，在其他实施方案中300＜T＜700，在其他实施方案中400＜T＜600。

如图4所示，该方法优选进一步包括向蜂窝坯体120施加水泥混合物外层140，其中仅有外层140示于剖视图中。优选采用厚度一致的外层140，如图4所示，虽然不同厚度的水泥混合物也可以利用。

在一些实施方案中，外层140包括再利用的蜂窝坯体。大颗粒预团聚的球磨粉末的使用可以减少向批料混合物中加入的液体使用量，从而有助于消除收缩；另外，可以降低批料混合物的粘性(也就是批料混合物的流变性)，且后施加的表层或外层140的低热膨胀系数(CTE)可以得到保持。在一些实施方案中，蜂窝坯体120是从基本由生材再利用材料组成的混合物中挤出，含很少或不含其它无机粉末。例如，破碎干燥蜂窝坯体，然后磨到合适的粒径，比如通过针磨机，粉末机或粉碎机，这些材料随后可以所需的比例与水或者可选的原材料(例如，未加入到挤出批料中的无机材料)混合，然后将这些材料应用于轮廓化(第二轮廓132)的蜂窝坯体120，随后焙烧坯体。

该方法优选进一步包括充分焙烧蜂窝坯体120，以使蜂窝坯体陶瓷化形成多孔陶瓷蜂窝结构体，其有具有宽度基本恒定，或者如图5所示的直径D3的第三轮廓134。我们发现取决于所用焙烧设备(例如炉或窑)的类型，焙烧结果有所不同(不管蜂窝体上是否具有人工后施加的表层或外层)，也就是说利用周期性炉焙烧可引起蜂窝体底部区域直径收缩和顶部区域直径的扩大，而采用隧道窑焙烧可引起蜂窝体顶部区域直径收缩和底部区域直径的扩大。因此，为了能够得到具有宽度基本恒定或直径D3的第三轮廓134的多孔陶瓷蜂窝结构体，在一些实施方案中，当采用周期性炉焙烧时，蜂窝体120优选倾向于垂直取向于第一端102，在另一些实施方案中，当采用隧道窑焙烧时，蜂窝体120倾向于垂直取向于第二端104。优选同时焙烧由相互交叉的壁构成的蜂窝基体以及水泥混合物外层，例如当蜂窝体在单独的窑或炉中焙烧时。在向不同孔中插入封堵材料的实施方案中，同时焙烧封堵材料、外层以及蜂窝基体。在焙烧过程中，蜂窝体120立于第二端104上，例如在窑或炉里的水平平面上，以使原始(焙烧之初)的顶部(第一端102)比底部(第二端104)宽，但是在焙烧的过程中蜂窝体120会塌落，在焙烧结束时，蜂窝体改变形状以使顶部和底部具有基本相同的直径D3。

一方面，改变包括去除蜂窝体120的一部分。优选在改变之前，充分加热蜂窝坯体120以使蜂窝坯体干燥但不会陶瓷化。在一些实施方案中，除去一部分之后，向蜂窝坯体上施加水泥混合物外层140，然后充分焙烧蜂窝坯体以使其陶瓷化形成多孔陶瓷蜂窝结构体，其具有直径D3基本恒定的第三轮廓134。在一些实施方案中，通过使蜂窝坯体和去除工具接触来去除蜂窝坯体的一部分，如切削刀具或研磨工具；在一些实施方案中，如图6所示，去除工具140具有锥形142，并且优选具有至少一个置于工具外围146的螺旋凹槽144，以便在改变的过程中能够协助从蜂窝体带走磨掉或者切掉的坯材。在一些实施方案中，锥形142的小端148的宽度WS与锥形142的大端149的宽度WL之比在1.01和1.15之间，另一些实施方案中在1.02到1.08之间，在其他实施方案中在1.03到1.07之间。在一些实施方案中，锥形142定义为T′＝L′(RL-RS)，其中L′为工具工作面的轴的长度(在一些实施例中相当于改变的蜂窝体的轴长L)，RL＝DL/2，RS＝DS/2；在一些实施方案中T′＞200，在其它实施方案中200＜T′＜1000，在其它实施方案中300＜T′＜900，在其它实施方案中300＜T′＜700，在其它实施方案中400＜T′＜600。在一些实施方案中，去除部分蜂窝体时蜂窝体120同时在旋转。在一些实施方案中，去除部分蜂窝体时，工具140在旋转。在一些实施方案中，去除部分蜂窝体时蜂窝体120和工具140同时在旋转；在这些实施方案的一些中，蜂窝体120和工具140以相同的方向旋转(例如，去除部分蜂窝体时，同时以顺时针方向旋转，如图6所示)；在这些实施方案的一些中，去除部分蜂窝体时，蜂窝体120和工具140以相同的方向旋转，但旋转速度不同；在这些实施方案的一些中，去除部分蜂窝体时，蜂窝体和工具以相同的方向旋转，但工具的旋转速度比蜂窝体的慢；在一些实施方案中，去除部分蜂窝体时工具同时绕着蜂窝体旋转。在一些实施方案中，工具140的旋转轴垂直于顶端上的DL，如图6所示；在一些其它实施方案中，工具140的旋转轴垂直于顶端上的DS(未示出)。

在一些实施方案中，被除去的部分包含大量壁中的至少一些壁的至少一部分。在一些实施方案中，除去之前的蜂窝体包括周边的表层，除去部分包括至少部分周边的表层；在一些实施方案中，去除之前，周边表层与大量的壁共挤出。在一些实施方案中，去除之前，蜂窝体包括周边的表层，被除去的部分包含至少一些表层以及大量壁中的至少一些壁的至少一部分，在一些实施方案中，改变之前周边表层与大量壁共挤出。

另一方面，所述改变包括使蜂窝体暴露在差异化的干燥环境中，尤其是将第一和第二区域124和126暴露于差异化的干燥环境中，也就是说，将第一和第二区域124和126暴露于不同的干燥环境中。在一些实施方案中，差异化的干燥环境包括将蜂窝体的第一和第二区域124和126暴露于不同湿度、不同的气流、和/或不同的电磁辐射(如不同的功率、辐照角度、或辐射频率、或其组合等)中。在一些实施方案中，在暴露过程中，蜂窝体立于第一端102(底部)，暴露后，向蜂窝坯体施加水泥混合物最外层，然后蜂窝坯体立于第二端104，对其充分焙烧以使其陶瓷化，形成多孔陶瓷蜂窝结构体，该结构体具有宽度基本恒定的第三轮廓134。蜂窝坯体暴露于差异化的干燥环境(而不陶瓷化蜂窝坯体)中，其中紧邻第一端102的第一区域124与紧邻第二端104的第二区域126的干燥不同，因此导致蜂窝体在加热和干燥过程中向第二端104塌落，从而导致蜂窝体具有不同于第一轮廓130的第二轮廓132，其中第二轮廓132的第一端102比第二端104宽；然后蜂窝体立于第一端102(现在变窄)并焙烧，形成多孔陶瓷蜂窝结构体，其有具有宽度基本恒定的第三轮廓134。

图7显示了垂直于不同蜂窝体轴向长度的不同横向平面上的第二轮廓，其中这些轮廓是通过采用四种不同的锥形工件去除蜂窝体一部分实现的，每一个都有锥形工具尺寸L’(轴向长度)，RL＝DL/2，RS＝DS/2，其中每个L′为12英寸(305mm)，每个RL为0.75英寸(19.05mm)，RS分别为0.65英寸(16.5mm)(空心圆圈)，0.70英寸(17.8mm)(实心三角形)，0.73英寸(18.5mm)(实心正方形)，0.75英寸(19.05mm)——即零锥度(实心菱形)。对于这些工具，DL/DS(或RL/RS)分别为1.15、1.07、1.03和1.00。向蜂窝体施加均匀的水泥混合物，然后焙烧。图8显示了垂直于蜂窝体轴长的不同横向平面上的第三轮廓，这些轮廓由锥形工具切割而成，RS分别为0.65英寸(16.5mm)(空心圆圈)，0.70英寸(17.8mm)(实心三角形)，0.73英寸(18.5mm)(实心正方形)，0.75英寸(19.05mm)(实心菱形)。

图10为锥形工具的一个实施方案的示意图。工具的旋转轴与工具的主轴或夹持器一致。优选工具的轴向长度等于成型蜂窝体的长度，或者更优选大于成型蜂窝体的长度。优选工具表面至少有一个螺纹凹槽，以便于输送从蜂窝体上去除的材料。在一些实施方案中，至少工具的表面由耐磨材料构成，如碳化物；在一些实施方案中，在没有耐磨材料如碳化物的情况下至少有一个螺纹凹槽，其中螺纹凹槽的表面光滑，至少要与剩余锥形表面相当。

另一方面，本发明公开了一种制备蜂窝结构体的方法，该方法包括：提供包括大量壁的蜂窝坯体，该壁限定出大量在蜂窝坯体相对的第一端和第二端之间延伸的隔室；坯体还具有在第一端和第二端之间延伸的外围部分，该蜂窝体具有第一轮廓；将蜂窝坯体立于第一端；将蜂窝坯体暴露于差异化的干燥环境中(不使蜂窝坯体陶瓷化)，其中紧邻第一端的第一区域和紧邻第二端的第二区域的干燥情况不同，从而导致蜂窝体在加热过程中向第二端塌落，从而使蜂窝体具有不同于第一轮廓的第二轮廓，其中第二轮廓第一端的宽度比第二端宽；向外围部分施加水泥混合物最外层；将蜂窝体立于第二端；充分焙烧蜂窝坯体以使其陶瓷化形成多孔陶瓷蜂窝结构体，其从第一端到第二端都具有基本恒定的宽度。在一些实施方案中，差异化干燥环境包括将蜂窝体的第一区域和第二区域暴露于不同湿度、不同的气流、和/或不同的电磁辐射(如不同的功率、角度、或频率、或其组合等)中。

另一方面，公开了一种制备蜂窝结构体的方法，该方法包括：提供包括大量壁的蜂窝坯体，该壁限定出大量在蜂窝坯体相对的第一端和第二端之间延伸的隔室；坯体具有在第一端和第二端之间延伸的外围部分，外围部分限定出第一轮廓；除去蜂窝体外围部分的一部分，其中外围部分的剩余部分限定出不同于第一轮廓的第二轮廓，其中第二轮廓第一端的宽度比第二端宽。在一些实施方案中，该方法进一步包括：去除之前，充分加热蜂窝坯体以使其干燥但不陶瓷化。在一些实施方案中，该方法进一步包括：除去之后，将水泥混合物外层添加到外围部分。在一些实施方案中，该方法进一步包括使蜂窝体立于第二端。在一些实施方案中，该方法进一步包括充分焙烧蜂窝坯体以使蜂窝坯体和外层陶瓷化，形成多孔陶瓷蜂窝结构体，且其从第一端到第二端都具有基本恒定的宽度。在一些实施方案中，焙烧使最外层陶瓷化形成焙烧过的最外层。在一些实施方案中，该方法进一步包括将蜂窝体的第二端与一个水平表面接触。在一些实施方案中，蜂窝体的第二端放置于一个水平表面，使得蜂窝体在焙烧过程中保持垂直；焙烧过的最外层限定了焙烧的轮廓；优选焙烧的轮廓具有基本恒定的宽度，即在最外层表面上从第一端到第二端上的所有点上具有基本恒定的宽度。

Claims (4)

1.一种制备蜂窝结构体的方法，该方法包括：

提供蜂窝坯体，其具有在相对的第一端和第二端之间延伸的第一轮廓，蜂窝坯体包括分别紧邻第一端和第二端的第一区域和第二区域，

差异化改变第一区域和第二区域中的至少一个，以使蜂窝坯体具有在第一端和第二端之间延伸的第二轮廓，其中第二轮廓在第一端处宽于第二端处，并且对于第二轮廓，第一端处与第二端处的宽度之比在1.01到1.15之间。

2.根据权利要求1所述的方法，其中第一轮廓具有基本恒定的宽度。

3.根据权利要求1所述的方法，其中第二轮廓具有介于200和1000之间的锥度T。

4.根据权利要求1所述的方法，其中改变包括去除蜂窝坯体的一部分。 

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