CN102918005A - 堇青石多孔陶瓷蜂窝体制品 - Google Patents
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Abstract
本文描述了用作微粒过滤器的多孔陶瓷蜂窝体制品及其制造方法。所述多孔陶瓷蜂窝体制品包括烧制的堇青石体。所述烧制的堇青石体在接触微裂条件之前的微裂纹参数（Nb3）为约0.05-0.25。待接触微裂条件后，所述烧制的堇青石体的微裂纹参数（Nb3）与接触微裂条件之前的微裂纹参数相比至少高20％。所述烧制的堇青石体在接触微裂条件之前在约25-800℃内其热膨胀系数（CTE）为约7.0x10-7-15.0x10-7/°C，并且在接触微裂条件之后在约25-800℃内所述热膨胀系数为约1.0x10-7-10.0x10-7/°C。所述微裂纹参数可包括热循环或化学处理。
Description
要求在先提交的美国申请的权益
本申请要求2010年5月28日提交的美国专利申请第12/789,833号的优先权，其内容通过参考结合于此。
相关申请
本申请涉及2010年5月28日提交的题为“形成陶瓷蜂窝体制品的方法”（"METHODS FOR FORMING CERAMIC HONEYCOMB ARTICLES"）的美国专利申请第12/789,945号，该专利申请全文通过参考结合于此。
背景
技术领域
本发明一般涉及多孔陶瓷蜂窝体制品，更具体而言，本发明涉及用作过滤材料的堇青石多孔陶瓷蜂窝体制品。
技术背景
陶瓷蜂窝体制品广泛用作车辆排气系统中的抗污染设备，既用作汽车中的催化转化器基材，又用作柴油动力车辆中的微粒过滤器。用于这些应用的陶瓷蜂窝体制品是由薄的多孔陶瓷壁的矩阵形成，该多孔陶瓷壁限定了多个平行的气体传导通道。在用作含有汽油发动机的汽车中的催化基材的陶瓷蜂窝体制品中，气体传导通道在两端都是开放的。将催化涂料施用在所述壁的外表面。流经通道的废气在壁的表面上与催化涂层接触。这些蜂窝体制品称作流通型基材。在柴油机系统中，废气也在壁的表面上与催化涂层接触。在柴油机应用中，陶瓷蜂窝体制品还在交替的气体传导通道中具有端塞，以迫使废气通过多孔通道壁，用来在废气排放之前捕获并过滤出烟炱和灰微粒。这些陶瓷蜂窝体基材称作陶瓷壁流式微粒过滤器，更具体而言，称作柴油机微粒过滤器。用于汽车和柴油机应用中的蜂窝体制品经历的极端温度波动使得陶瓷蜂窝体制品易于发生温度诱导的开裂，其将导致蜂窝体制品的劣化。
因此，需要不易受热诱导而产生裂纹的替代多孔陶瓷蜂窝体制品以及制造该制品的替代方法。
发明内容
根据一个实施方式，多孔陶瓷蜂窝体制品包括烧制的堇青石体，所述堇青石体在接触微裂条件之前，其微裂纹参数（Nb3）为约0.05-0.25。在接触微裂条件后，所述烧制的堇青石体的微裂纹参数（Nb3）比接触微裂条件之前的堇青石体的微裂纹参数至少高20％。此类多孔陶瓷蜂窝体制品可用于过滤汽车尾气流中的微粒物质。
在另一个实施方式中，多孔陶瓷蜂窝体制品包括烧制的堇青石体，所述堇青石体在接触微裂条件之前，其微裂纹参数（Nb3）为约0.05-0.25，在约25-800℃内热膨胀系数（CTE）为约7.0x10-7-15.0x10-7/℃，且df为小于或等于约0.4，其中df=(d50-d10)/d50。在接触微裂条件后，相同的烧制的堇青石体的微裂纹参数（Nb3）比接触微裂条件之前的微裂纹参数至少高20％，在约25-800℃内热膨胀系数（CTE）为约1.0x10-7-10.0x10-7/℃，且df为小于或等于约0.4。
在另一个实施方式中，多孔陶瓷蜂窝体制品包括烧制的堇青石体，所述堇青石体在接触微裂条件之前，其微裂纹参数（Nb3）为约0.05-0.25，在约25-800℃内热膨胀系数（CTE）为约7.0x10-7-15.0x10-7/℃，且表面孔隙率为约38-45％。在接触微裂条件后，相同的烧制的堇青石体的微裂纹参数（Nb3）比接触微裂条件之前的微裂纹参数至少高20％，在约25-800℃内热膨胀系数（CTE）为约1.0x10- 7-10.0x10-7/℃，且表面孔隙率为约38-45％。
在以下的详细描述中提出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的各种实施方式而被认识。
应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述介绍了各种实施方式，用来提供理解要求保护的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对各种实施方式的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图以图示形式说明了本文所述的各种实施方式，并与说明书一起用来解释要求保护的主题的原理和操作。
附图说明
图1示意性地描述了根据本文所显示和描述的一个或多个实施方式的多孔陶瓷蜂窝体制品；
图2示意性地描述了根据本文所显示和描述的一个或多个实施方式的多孔陶瓷蜂窝体制品；
图3是根据本文所显示和描述的一个或多个实施方式的烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品在接触微裂条件之前的SEM显微图；
图4是根据本文所显示和描述的一个或多个实施方式的烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品在接触微裂条件之后的SEM显微图；
图5是根据本文所显示和描述的一个或多个实施方式的穿过烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品主体的抛光轴向截面50倍放大的SEM显微图；
图6是根据本文所显示和描述的一个或多个实施方式的穿过烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品主体的抛光轴向截面250倍放大的SEM显微图；
图7是根据本文所显示和描述的一个或多个实施方式的烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品表面50倍放大的SEM显微图；
图8是根据本文所显示和描述的一个或多个实施方式的烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品表面250倍放大的SEM显微图；
图9是根据本文所显示和描述的一个或多个实施方式的烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品表面500倍放大的SEM显微图；以及
图10图示性地描述了根据本文所显示和描述的一个或多个实施方式制造多孔陶瓷蜂窝体的示例性烧制方案。
具体实施方式
下面详细参考多孔陶瓷蜂窝体制品的各种实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。图1显示多孔陶瓷蜂窝体制品的一个实施方式的示意图。该多孔陶瓷蜂窝体制品由堇青石陶瓷材料构成，该材料的微裂纹参数Nb3较低，在烧制后和接触微裂条件之前在约25-800℃的温度范围内CTE较高，并且热冲击极限（TSL）较低。待多孔陶瓷蜂窝体制品接触微裂条件后，该多孔陶瓷蜂窝体制品的微裂纹参数提高至少20％，该多孔陶瓷蜂窝体制品的CTE在约25-800℃温度范围内降低，且该多孔陶瓷制品的TSL提高。本文所述的多孔陶瓷蜂窝体制品可在没有使用预先钝化涂层的情况下进行修补基面涂覆（washcoat）。本文将详细描述多孔陶瓷蜂窝体制品以及制造多孔陶瓷蜂窝体制品的方法。
如本文中所用，单数形式的“一个”、“一种”和“该”包括复数指代形式，除非文中另有明确说明。因此，例如当描述“二氧化硅形成源”或“氧化铝形成源”的时候，可以涉及包括两个或更多个所述形成源的方面，除非文中明确地有相反的说明。
如本文所用，除非有具体的相反表示，有机组分的“重量%”或“重量百分数”是以包含该组分的总无机物的总重量为基准的。在本文中，所有的有机加入组分，例如成孔剂和粘合剂都是以所用无机组分为100％计而额外加入的。
如上述简要讨论，我们发现由本文所述的堇青石多孔陶瓷蜂窝体制品制造的过滤器在烧制后在约25-800℃的温度范围内其CTE较高且相应的热冲击极限（TSL）低。然而，在接触微裂条件后，本文所述多孔陶瓷堇青石蜂窝体制品在约25-800℃的温度范围内的CTE较低，且热冲击极限（TSL）较高。应理解，除非另有说明，本文所用的CTE是在指定的温度范围内在所述制品的至少一个方向上的热膨胀系数。在接触微裂条件后，CTE和TSL的提高是由于在接触微裂条件后微裂纹的体积增加，如接触微裂条件后微裂纹参数Nb3增加所示。更具体而言，在接触微裂条件后，多孔陶瓷蜂窝体制品的微裂纹参数Nb3至少增加20％。
所述微裂纹参数Nb3由到1200℃为止的弹性模量（Emod）加热曲线得到，并且是所述制品的微裂纹体积的间接度量参数。按照下式计算Nb3：
式中，E是在室温条件下含有微裂纹的制品的弹性模量（即接触微裂条件后），E0是在室温条件下不含微裂纹的制品的弹性模量（即接触微裂条件之前），N是微裂纹的数量，b是微裂纹的平均长度。考虑到平均裂纹长度b的三次方，所述微裂纹参数Nb3是以体积单位衡量的。
按照下式定义本文所用的热冲击极限（TSL）：
TSL=TSP+500°C
式中，TSP是下式所述的热冲击参数：
TSP=MOR/{[Emod][CTEH]}以及
Emod是在25℃条件下（即室温（RT））所述制品的弹性模量；MOR是在室温条件下的断裂强度模量，其测量单位是psi；CTEH是在500-900℃测量的高温热膨胀系数。当TSP升高时，所述制品耐受热梯度的能力也提高。MOR、Emod和CTEH都是在多孔样品上，沿着平行于通道长度的方向（本文也称作轴向）测量的。MOR是在尺寸为4x1x0.5英寸的矩形多孔棒（cellular bar）的轴向上使用四点弯曲法测量的。
现参考图1，该图描述了多孔陶瓷蜂窝体制品100的示意图。所述多孔陶瓷蜂窝体制品100可作为壁流式过滤器用于微粒物质过滤。例如，多孔陶瓷蜂窝体制品100可用于过滤汽车尾气中的微粒物质。多孔陶瓷蜂窝体制品100通常包含多孔堇青石陶瓷蜂窝体，所述蜂窝体包括在第一端102和第二端104之间延伸的多条孔通道101。所述制品100的蜂窝体结构可包括多条基本平行的孔通道101，所述孔通道由在所述第一端102和第二端104之间延伸的交叉的多孔孔道壁106（有时称为“壁板”（"webs"））形成，并且至少部分地由该壁限定。所述多孔陶瓷蜂窝体制品100还可包括外皮，所述外皮围绕所述多条孔通道形成，并包围所述多条孔通道。所述外皮可以在形成孔道壁106的过程中挤出形成，或者可以在之后的加工过程中作为后施加的外皮、通过将外皮黏结剂施加于孔道的外周边部分而形成。
在一个实施方式中，所述多孔蜂窝体结构包括多条平行的孔通道101，所述孔通道101其截面通常为正方形，并形成蜂窝体结构。然而，在另一些实施方式中，蜂窝体结构中的多条平行的孔通道可具有其它截面构型，包括矩形、圆形、椭圆形、三角形、八边形、六边形或它们的组合。另外，所述孔道的入口孔道可以比出口孔道更大，例如如美国专利第6,696,132号、美国专利第6,843,822号或美国专利第7,247,184号所述。
本文所用的术语“蜂窝体”定义为由孔道壁106形成的纵向延伸的孔道的结构，优选其中具有一般性的重复网格图案。对于在这些过滤器应用中使用的蜂窝体,某些孔道被称为入口孔道108，某些其它孔道被称为出口孔道110。此外,在多孔陶瓷蜂窝体制品100中,至少一部分的孔道可以用堵塞物112堵塞。一般来说,所述堵塞物112设置在孔通道端部处或端部附近，并且按照某种限定的图案来进行设置,例如按照图1中所示的棋盘格图案每隔一个孔道在一端部进行堵塞。入口通道108可以在第二端104处或附近进行堵塞,出口通道110可以在不对应于入口通道的通道的第一端102处或附近进行堵塞。因此，各孔道仅可在所述多孔陶瓷蜂窝体制品的一端处或附近进行堵塞。
在一个实施方式中（未显示），与外皮相邻的不完整的(被截去一部分的)孔道可以全部在一端堵塞，甚至在两端堵塞，或者甚至沿着其长度全部堵塞。在堵塞孔通道时，该堵塞物可以用组成与形成多孔陶瓷蜂窝体制品100的材料相同或类似的黏结剂糊料形成，例如如美国专利第4,329,162号、美国专利第6,809,139号或美国专利申请公开第2007/0272306号所述。堵塞过程形成的堵塞物112的深度通常约为5-20毫米,但是该深度可以变化，并且在过滤器的不同部分可包括不同的深度。例如，适合于堵塞多孔陶瓷蜂窝体制品的方法如美国专利第4,557,773号、美国专利第4,573,896号或WO 2006/068767中所述。
尽管图1一般性显示了棋盘格堵塞图案，应当理解，替代的堵塞图案可用于所述多孔陶瓷蜂窝体制品。例如，适合用于多孔陶瓷蜂窝体制品的替代堵塞图案如美国专利第6,673,414号所述。在另一个实施方式中，所述多孔陶瓷蜂窝体的一些孔通道可在所述多孔陶瓷蜂窝体端部以外的位置被堵塞，如美国专利第6,673,414号所述。
现参考图2，该图描述了多孔陶瓷蜂窝体制品200的一个替代实施方式的示意图。在该实施方式中，一些孔通道可以是流通型通道（沿着其整个长度未堵塞），而其它通道可被堵塞，因此提供了一种所谓的“部分过滤器”设计。更具体而言，图2中所示的多孔陶瓷蜂窝体制品通常包括交叉多孔壁206、在出口端204用堵塞物（未显示）堵塞的入口孔道208、在入口端用堵塞物212堵塞的出口孔道210和至少一些流通型（未堵塞的）通道214，在所述流通型通道中气流直接通过所述多孔陶瓷蜂窝体制品的主体，而不经过所述多孔孔道壁206。例如，在一个实施方式中（未显示），每隔一排中的每隔一个孔道是流通型通道。因此，在该实施方式中，少于50%的孔道可以是未被堵塞的。
尽管图1和2描述了多孔陶瓷蜂窝体制品100、200的实施方式，其中部分或全部通道是被堵塞的，应当理解，在替代的实施方式中，多孔陶瓷蜂窝体制品的所有通道可以是未被堵塞的，例如当将所述多孔陶瓷蜂窝体制品100、200作为催化流通型基材用于汽油发动机时。
在本文所述的多孔陶瓷蜂窝体制品100、200的一个实施方式中，所述孔道壁106、206的厚度可小于或等于约12密耳（305微米）。在另一个实施方式中，所述孔道壁106、206的厚度可小于或等于约10密耳（254微米）。在另一个实施方式中，所述孔道壁106、206的厚度可大于或等于约4密耳（101.6微米）。
所述多孔陶瓷蜂窝体制品100、200的孔道密度可为小于或等于约400孔道/英寸2。在另一个实施方式中，所述多孔陶瓷蜂窝体制品100、200的孔道密度可为小于或等于约300孔道/英寸2。在另一个实施方式中，所述多孔陶瓷蜂窝体制品100、200的孔道密度可为小于或等于约200孔道/英寸2且大于或等于约50孔道/英寸2。因此，在本文所述的实施方式中，应理解为，所述多孔陶瓷蜂窝体制品100、200的孔道密度可为大于或等于约50孔道/英寸2并且小于或等于约400孔道/英寸2。
本文可参考具有A/B“几何特性”的多孔陶瓷蜂窝体制品，其中A是所述多孔陶瓷蜂窝体制品的孔道密度，B是所述孔道壁的厚度。作为示例而并非限制，具有200/10几何特性的多孔陶瓷蜂窝体制品的孔道密度为200孔道/英寸2，孔道壁厚度为10密耳。
如上文所述，本文所述多孔陶瓷蜂窝体制品具有一组物理性质（即CTE、TSL、Nb3等），当所述多孔陶瓷蜂窝体制品接触微裂条件后，所述物理性质发生改变，从而产生具有改良的耐热冲击性的多孔陶瓷蜂窝体制品。
参考图3和4，本文所述多孔陶瓷蜂窝体制品由以下步骤形成：首先将堇青石前体批料组合物进行混合，由所述堇青石前体批料组合物形成生坯蜂窝体制品，将所述生坯蜂窝体制品干燥，以及在适于最初产生低微裂（LMC）多孔陶瓷蜂窝体制品的条件下烧制所述生坯蜂窝体制品。图3是显示含有极少微裂纹220（一个示于图3）的LMC多孔陶瓷蜂窝体制品的一部分的SEM显微图。然后，使所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品接触微裂条件，产生微裂程度更高的多孔陶瓷蜂窝体制品，所述制品与所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品相比，其微裂纹参数Nb3更高，CTE更低，且热冲击极限更高。图4是显示了微裂（MC）多孔陶瓷蜂窝体制品的一部分的SEM显微图，所述制品是通过使LMC多孔陶瓷蜂窝体制品接触微裂条件产生的。在接触微裂条件之后，所述现微裂（now-microcracked）多孔陶瓷蜂窝体制品的微裂纹220的数量（多个微裂纹示于图4）比所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品更多（即图4中的微裂纹220的数量比图3中的微裂纹220的数量更多）。
在一个实施方式中，待将所述生坯蜂窝体制品进行烧制以产生所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品后，在接触所述微裂条件之前，所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品可用含催化剂的修补基面涂料进行修补基面涂覆。由于所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品的微裂纹较少，在施涂所述修补基面涂料之前不需要独立的钝化涂层。
现将详细描述形成所述多孔陶瓷蜂窝体制品的方法。
在一个实施方式中，所述堇青石前体批料组合物包括适于制造陶瓷制品的组成材料的组合，所述陶瓷制品主要包括堇青石晶相。通常，所述批料组合物包括无机组分的组合，所述无机组分包括：较细的滑石、较细的二氧化硅形成源和氧化铝形成源。在其它实施方式中，所述批料组合物可包括粘土，例如高岭土。所述堇青石前体批料组合物还可包含有机组分，例如有机成孔剂。例如，所述批料组合物可包括适于用作成孔剂和/或其它加工助剂的各种淀粉。
在本文所述的实施方式中，所述无机批料组分和所述有机批料组分结合具体烧制周期选择，以获得包括堇青石主晶相和具体微结构的多孔陶瓷蜂窝体制品，这将在下文更详细地描述。然而，应理解，在烧制后，所述多孔陶瓷蜂窝体制品还可包括少量的多铝红柱石、尖晶石和/或它们的混合物。例如但不限于，在一个实施方式中，如X射线衍射所测得，所述烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品可包括至少90重量％，或甚至至少95重量％，或甚至至少98-99重量％的堇青石晶相。以氧化物重量百分数计，制得的堇青石晶相主要由以下组分组成：约49-53重量％的SiO2,约33-38重量％的Al2O3,约12-16重量％的MgO。另外，所述堇青石晶相化学计量式近似记作Mg2Al4Si5O18。可以对所述无机堇青石前体批料组合物进行适当调节，使得在所述烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品的堇青石晶相中达到上述氧化物重量。
在本文所述的一些实施方式中，所述堇青石前体批料组合物包括约35-45重量％的滑石。在其它实施方式中，所述堇青石前体批料组合物可包括约38-43重量％的滑石。所述滑石可具有较细的粒度。例如，在一些实施方式中，所述滑石的中值粒径dpt50为小于或等于10微米，或甚至dpt50为小于或等于9微米。在其它实施方式中，所述滑石的中值粒径dpt50小于8微米，或甚至dpt50小于6微米。在其它实施方式中，所述滑石的中值粒径dpt50可小于5微米。在一个示例性实施方式中，所述滑石的中值粒径dpt50在约3-10微米的范围内。在另一个示例性实施方式中，所述滑石的中值粒径dpt50在约8-10微米的范围内。本文所述的所有的粒度都是通过粒度分布(PSD)技术测定的，优选是通过麦克仪器公司（Micrometrics）的Sedigraph粒度仪测定的。
在一些实施方式中，所述堇青石前体批料组合物中的二氧化硅形成源的量为约13-24重量％。在其它实施方式中，所述堇青石前体批料组合物中的二氧化硅形成源的量可为约15-18重量％。所述二氧化硅形成源通常具有细的粒度。例如，在一些实施方式中，所述二氧化硅形成源的中值粒径dps50为小于或等于20微米，或甚至dps50为小于或等于15微米。在其它实施方式中，所述二氧化硅形成源的中值粒径dps50为小于10微米。在一个实施方式中，所述二氧化硅形成源是微晶二氧化硅，例如
A-25。然而，应理解，可使用其它二氧化硅形成源。例如，其它合适的二氧化硅形成源包括：熔凝二氧化硅；胶态二氧化硅；或晶体二氧化硅，如石英或方石英。
在一些实施方式中，所述堇青石前体批料组合物中的氧化铝形成源的量为约20-35重量％，而在其它实施方式中，所述堇青石前体批料组合物中的氧化铝形成源的量为约22-33重量％。在其它实施方式中，所述堇青石前体批料组合物中的氧化铝形成源的量为约26-29重量％。所述氧化铝形成源通常具有细的粒度。例如，在一些实施方式中，所述氧化铝形成源的中值粒径dpa50为小于或等于10微米，或甚至dpa50为小于或等于8微米。在其它实施方式中，所述二氧化硅形成源的中值粒径dpa50为小于6微米。
示例性氧化铝形成源可包括任意氧化铝或含铝化合物，所述含铝化合物在加热至足够高的温度时能基本上形成100％的氧化铝,例如α-氧化铝和/或水合氧化铝。氧化铝形成源的其它非限制性例子包括刚玉、γ-氧化铝或过渡型氧化铝。氢氧化铝可包括三水铝矿和三羟铝石、勃姆石、硬水铝石、异丙醇铝等。如果需要，氧化铝形成源还可包括可分散的氧化铝形成源。如本文所用，可分散的氧化铝形成源是至少能显著分散在溶剂或液体介质中并且可用来提供在溶剂或液体介质中的胶态悬浮液的氧化铝形成源。在一个方面，可分散的氧化铝源可以是较高表面积的氧化铝源，其比表面积至少为20米2/克，至少为50米2/克，甚至至少为100米2/克。合适的可分散的氧化铝源包括α-羟基氧化铝(aluminum oxidehydroxide)(AlOOH.x.H2O)，通常称作勃姆石、假勃姆石和一水合铝。在替代的实施方式中，可分散的氧化铝源可包括所谓的过渡或活化的氧化铝(即氧化氢氧化铝(aluminum oxyhydroxide)和χ-、η-、ρ-、ι-、κ-、γ-、δ-和θ-氧化铝)，它们可以包含各种含量的通过化学方式结合的水或者羟基官能团。
在一些实施方式中，所述堇青石前体批料组合物还可包括粘土。所述堇青石前体批料组合物中的粘土的量可为约0-20重量％。在另一个实施方式中，所述堇青石前体批料组合物中的粘土的量为约10-18重量％，或甚至为约12-16重量％。当包括在堇青石批料组合物中时，所述粘土的中值粒度dpc50通常为小于或等于10微米。在一些实施方式中，所述中值粒度dpc50为小于或等于5微米，或甚至小于或等于3微米。包括在所述堇青石前体批料组合物中的合适的粘土包括，但不限于，生高岭土、焙烧高岭土和/或它们的混合物。示例性而非限制性的粘土包括非层状高岭石生粘土和层状高岭石。
如上述所述，所述堇青石前体批料组合物还包括有机组分，例如较细的成孔剂。成孔剂是在生坯陶瓷体干燥和加热期间通过燃烧发生蒸发的短效微粒材料，与不使用成孔剂时相比能获得更大的孔隙率。在本文所述的实施方式中，所述堇青石前体批料组合物可包括约10-35重量％的有机成孔剂。在本文所述的实施方式中，所述有机成孔剂的中值粒度dpp50通常为小于或等于20微米。在一些实施方式中，所述有机成孔剂的中值粒度dpp50为小于或等于15微米，或甚至中值粒度dpp50为小于或等于10微米。所述有机成孔剂可为交联的成孔剂（即交联淀粉等）或未交联的成孔剂。合适的成孔剂的例子包括但不限于：交联玉米淀粉、交联小麦淀粉、交联马铃薯淀粉、未交联马铃薯淀粉、未交联玉米淀粉和/或其各种组合。
将上述无机和有机组分与加工助剂（例如，粘结剂和液体载剂）合并并混合在一起，形成增塑的批料混合物。这些加工助剂可改进加工性能，以及/或者减少干燥和/或烧制裂纹，以及/或者在蜂窝体制品中帮助产生所需的性质。例如，所述粘结剂可包括有机粘结剂。合适的有机粘结剂包括：水溶性纤维素醚粘结剂，例如甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素衍生物、丙烯酸羟基乙酯、聚乙烯醇和/或它们的任意组合。优选地，所述有机粘结剂作为追加物在所述组合物中的含量为无机粉末批料组合物的约0.1-10.0重量％。在另一个实施方式中，所述有机粘结剂作为追加物在所述组合物中的含量可为无机粉末批料组合物的2.0-8.0重量％。将所述有机粘结剂纳入增塑的批料组合物中使得所述增塑的批料组合物易于挤出。
一种用于为所述批料组合物提供可流动或者糊状稠度的液体载剂是水，但是应理解，可以使用对于合适的临时有机粘结剂显示溶剂作用的其它液体载剂。所述液体载剂组分的量可以变化，以便提供最佳加工性能以及与该批料组合物中其它组分的相容性。在一些实施方式中，所述液体载剂作为追加物的含量为20-50重量％，以及在其它实施方式中，其含量为20-35重量％。尽可能减少所述批料组合物中的液体组分能进一步降低干燥过程中不希望发生的干燥收缩和裂纹形成。
除了液体载剂和粘结剂，所述增塑的批料组合物可包括一种和多种任选的成形助剂或加工助剂，例如润滑剂。示例性润滑剂可包括妥尔油、硬脂酸钠或其它合适的润滑剂。润滑剂在所述增塑的批料混合物中的含量可为约0.5-10重量％。
应理解，包括在所述批料组合物中的液体载剂、成孔剂、粘结剂、润滑剂和任意其它加工助剂是以无机材料为100％的重量百分数计以追加的方式加入所述批料组合物的。
将无机批料组合物、成孔剂、粘结剂、液体载剂、润滑剂和任意其它添加剂的组合在利特福德混合机（Littleford mixer）中进行混合并捏合大约5-20分钟，产生具有所需的塑性可成形性和生坯强度的增塑的批料组合物，使得所述增塑的批料组合物可以成形制成蜂窝体制品。
然后将所得增塑的堇青石前体批料组合物通过常规的陶瓷成形方法（例如，挤出）成形制成生坯体（即生坯蜂窝体制品）。当生坯蜂窝体制品通过挤出进行成形时，所述挤出可使用液压柱塞式挤压机，或可选地，两级真空单螺旋挤出机，或在出料端连接模头组件的双螺杆混合机进行。
待增塑的堇青石前体批料组合物已成形制成生坯蜂窝体制品后，将所述生坯蜂窝体制品干燥，以从所述生坯蜂窝体制品中除去过量的液体。合适的干燥技术包括微波干燥、热空气干燥、射频干燥或其各种组合。如本文所述，待干燥后，将所述生坯蜂窝体制品置于窑或加热炉内，并在能够有效地将所述生坯蜂窝体制品转化为包含堇青石主晶相的陶瓷蜂窝体制品的条件下进行烧制。
应理解，将生坯蜂窝体转化为陶瓷蜂窝体制品所用的烧制条件可根据工艺条件（例如具体组成，生坯蜂窝体的尺寸，所用设备的特性）而变化。为此，在一个方面，本文列举的最佳烧制条件可能需要调整（即减慢烧制）以适合于（例如）非常大的堇青石结构。
用于产生具有本文所述性质的多孔陶瓷蜂窝体制品的烧制方案可从1200℃快速升温至等于或高于1420℃，或甚至等于或高于1425℃的最高保持温度。所述快速升温速率应为50℃/小时或更高。在一个实施方式中，所述升温速率为75℃/小时或更高。在一个实施方式中，所述生坯蜂窝体可在最高温度（即保温温度）下保温5-20小时。在另一个实施方式中，所述生坯蜂窝体可在保温温度下保温约10-15小时。在另一个实施方式中，所述生坯蜂窝体可在约1420-1435℃的保温温度下进行烧制。在另一个实施方式中，所述生坯体可在约1425-1435℃的保温温度下进行烧制。在一个实施方式中，所述烧制周期包括以50℃/小时或更高的快速升温速率从约1200℃开始升温，以及在约1420-1435℃的保温温度下处理足够的时间，以在所烧制的主体中形成堇青石晶相。
总烧制时间可为约40-250小时,该时间很大程度上取决于烧制的蜂窝体制品的尺寸，在此时间内达到最高保温温度，并保持上述足够的时间。在一个实施方式中，所述烧制方案包括以大于50℃/小时的速率从1200℃升温，并且在约1425-1435℃的保温温度下烧制约10-15小时。
现参考图10，用于制造具有本文所述性质的多孔陶瓷蜂窝体制品的烧制方案的一个实施方式在该图中示出。在该实施方式中，平均烧制速率可用于所述烧制方案的第一烧制部分120。在室温至约1200℃中，所述平均烧制速率为约20-70℃/小时。所述烧制方案的第一部分120可包括成孔剂烧尽阶段125，此阶段可以在成孔剂烧尽温度范围内保持温度不变或者采用较小的升温速率，以尽可能减少裂纹以及蜂窝体的外皮和芯之间的温差。在一个实施方式中，在所述烧尽阶段125后可进行中间升温阶段135至约1200℃。所述烧制方案的上方部分130包括在高于1200℃的温度下较快的升温速率。可以将上方部分130中的所述快速升温与在高于1420℃、或甚至等于或高于1425℃、优选1420-1435℃的温度下的保持部分140相结合。在该保持部分140中，形成了所述多孔蜂窝体陶瓷制品的堇青石晶相。所述烧制周期的上方部分130中的升温速率可为大于或等于50℃/小时，大于或等于75℃/小时，大于或等于100℃/小时，或甚至大于或等于120℃/小时。通过在高于约1200℃的上方部分130中采用较快的升温速率，以及采用较高的保温温度(高于1420℃),可以实现所述烧制的陶瓷体的独特的微结构特征，这将在下文更详细地描述。
具体而言，本文所述烧制周期有助于减少存在于所述烧制的陶瓷蜂窝体制品中的小于约4.0微米的细小孔隙率的相对量。我们认为所述减少机理如下：由于促进了堇青石形成组分的粘性流动，从而在堇青石相的起始形成阶段，由这些组分的粘性流填充了细小的孔。在快速升温后,蜂窝体在保温温度下保持合适的时间，例如5-20小时，以形成堇青石相。然后，在所述烧制方案的部分150中将蜂窝体制品冷却至室温。冷却速率足够缓慢，以防止裂纹产生，且该冷却速率取决于烧制部件的尺寸。
参考图3，将上述烧制方案与上述堇青石前体批料组合物相结合产生了多孔陶瓷蜂窝体制品，所述制品具有较少量的微裂纹和具体微结构特征。所述烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品在本文中也可称作低微裂（LMC）多孔陶瓷蜂窝体制品。在本文所述的实施方式中，在烧制后并且在接触微裂条件之前，所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品的微裂纹参数Nb3为约0.05-0.25。如图3中所示，约0.05-0.25范围内的低微裂纹参数通常对应于具有极少微裂纹220的多孔陶瓷蜂窝体制品。在一个实施方式中，所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品的CTE为约7.0x10-7-15x10-7/°C，或甚至约8.0x10-7-13x10-7/°C。在另一个实施方式中，所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品的CTE为约9.0x10-7-12x10-7/°C。由于微裂纹参数Nb3较低，在本文所述的LMC多孔陶瓷蜂窝体制品的实施方式中，所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品的热冲击极限（TSL）为约800-1100℃。在本文所述的实施方式中，在室温条件下，所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品的断裂模量（MOR）为大于300psi或甚至大于400psi。在一个实施方式中，所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品的MOR为大于约500psi。
在室温条件下，如本文所述制得的且具有200/10几何特性（即200孔道/英寸2，壁厚度为10密耳）的LMC多孔陶瓷蜂窝体制品的弹性模量（Emod）通常为大于或等于3.0x105psi或甚至大于4.5x105psi。在一个实施方式中，所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品的弹性模量为约3.0x105-5.5x105psi。基于MOR和Emod，所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品的实施方式的应变容差（即MOR/Emod）至少为700ppm。其它实施方式的应变容差为大于或等于800ppm，或甚至大于1000ppm。在其它实施方式中，所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品的应变容差为大于或等于1200ppm。
在本文所述的一些实施方式中，所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品用修补基面涂料进行修补基面涂覆。例如，微粒修补基面涂料组合物的浆液可施涂在所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品的表面（内表面和外表面）。在一些实施方式中，所述修补基面涂料浆液的主要微粒组分是氧化铝。然而，应理解，在其它实施方式中，所述修补基面涂料浆液可包括不同的主要微粒组分。在一些实施方式中，所述修补基面涂料浆液还可包括微粒催化剂，例如，作为示例而非限制，铂、钯、铑或其它催化材料和/或其各种合金。在修补基面涂料浆液不包含微粒催化剂的实施方式中，在所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品之上或之内形成的修补基面涂层可作为催化载体层。或者，当所述修补基面涂料浆液不包含独立的微粒催化剂时，所述修补基面涂层本身可作为催化层。
在一个实施方式中，在所述制品上抽真空，特别是在所述制品的壁上抽真空的同时，将所述修补基面涂料浆液引入所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品中。通过真空施加的低于大气压的压力将所述修补基面涂料组合物牵拉通过所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品的壁中的孔，从而使得所述修补基面涂料组合物沉积在所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品的壁和孔的表面上。由于所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品每单位体积包含较少微裂纹（即由于微裂纹参数Nb3为约0.05-0.25），不必在所述多孔陶瓷蜂窝体制品上施涂预先钝化涂层以防止所述基面修补涂料材料卡在微裂纹中，就像在微裂纹程度更高的制品中的情况。
尽管所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品的一些实施方式在接触微裂条件之前可用修补基面涂料进行涂覆，应理解，所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品的修补基面涂覆步骤是任选的，在其它实施方式中，所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品可在没有首先进行修补基面涂覆的情况下接触微裂条件。
如图3（接触微裂条件前）和图4（接触微裂条件后）所示，在对所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品施加修补基面涂层后，使所述制品接触微裂条件，所述微裂条件增加了所述多孔陶瓷制品中每单位体积的微裂纹数量（即所述微裂条件增大了微裂纹参数Nb3）。更具体而言，我们发现增加所述制品中每单位体积的微裂纹数量降低了该制品的CTE，同时提高了所述多孔陶瓷蜂窝体制品的热冲击极限（TSL）以及热冲击参数（TSP）。降低CTE以及提高TSL和TSP能产生在接触大的热梯度时不易开裂失效的多孔陶瓷制品，例如当用作汽车和柴油机应用中的微粒过滤器时，所述多孔陶瓷制品可能接触的大的热梯度。另外，既然多孔陶瓷制品在已经向多孔陶瓷制品上施涂修补基面涂料后发生微裂，就无需在施涂所述修补基面涂料前使用钝化涂层，这是因为可被所述修补基面涂料浆液填充的LMC多孔陶瓷蜂窝体制品的每单位体积的微裂纹数量是较少的。
在一个实施方式中，所述微裂条件是热循环。在该实施方式中，将所述LMC多孔陶瓷制品加热至峰值温度，然后快速冷却。该加热和快速冷却使得所述LMC多孔陶瓷制品膨胀和收缩，从而造成微裂纹形成生长中心并在多孔陶瓷制品中生长。在一些实施方式中，所述热循环的峰值温度为大于或等于约400℃或甚至大于或等于约600℃。通常而言，所述热循环的峰值温度在约400-800℃。在加热至峰值温度后，将所述多孔陶瓷蜂窝体制品以至少200℃/小时的速率快速冷却，与此同时微裂纹在所述多孔陶瓷蜂窝体制品的体积内形成。通过使所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品接触热循环，所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品变成微裂（MC）多孔陶瓷蜂窝体制品。
在另一个实施方式中，所述微裂条件是酸洗。在该实施方式中，将所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品浸没在酸溶液中，所述酸溶液在整个蜂窝体制品内促使微裂纹形成生长中心并生长。例如，在某些实施方式中，所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品可浸没在pH值低于6或甚至低于5的溶液中，使蜂窝体制品中进一步产生微裂纹。通过使所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品接触酸溶液，所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品变成微裂（MC）多孔陶瓷蜂窝体制品。
作为接触所述微裂条件的结果，所述MC多孔陶瓷蜂窝体制品的微裂纹参数Nb3比LMC多孔陶瓷蜂窝体制品的微裂纹参数至少提高20％，因此表明MC多孔陶瓷蜂窝体制品每单位体积的微裂纹比LMC多孔陶瓷蜂窝体制品的更多。例如，MC多孔陶瓷蜂窝体制品的微裂纹参数Nb3可为至少0.06-0.3。与所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品相比，微裂纹参数Nb3的提高伴随着所述制品的CTE的降低。例如，在约25-800℃范围内，所述MC多孔陶瓷蜂窝体制品的CTE通常为约1.0x10-7-10x10-7/°C。在一些实施方式中，在约25-800℃范围内，所述MC多孔陶瓷蜂窝体制品的CTE为小于或等于约7.0x10-7/°C，或甚至在约25-800℃范围内，小于或等于约5.0x10-7/°C。Nb3的提高伴随着所述多孔陶瓷蜂窝体制品的TSL的提高。例如，所述MC多孔陶瓷蜂窝体制品的TSL为大于或等于900℃，或甚至大于或等于1000℃。在一些实施方式中，所述MC多孔陶瓷蜂窝体制品的TSL为大于或等于1100℃。
尽管接触微裂条件后通常使得所述MC多孔陶瓷蜂窝体制品的微裂纹参数Nb3和TSL提高，每单位体积的微裂纹数量的增加通常使得室温条件下的断裂模量（MOR）以及室温条件下的弹性模量（Emod）与所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品相比降低。因此，在本文所述的实施方式中，所述MC多孔陶瓷蜂窝体制品的MOR为大于或等于约200psi，或甚至大于约300psi。对于具有200/10几何特性的MC多孔陶瓷蜂窝体制品，所述MC多孔陶瓷蜂窝体制品的Emod通常为约2.8x105-4.4x105psi。在一些实施方式中，对于200/10几何特性，所述MC多孔陶瓷蜂窝体制品的Emod可为大于或等于2.8x105psi。
现将详细描述所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品和所述MC多孔陶瓷蜂窝体制品的微结构（通称为烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品），包括以下特征：总孔隙率和表面孔隙率，以及涉及孔径分布的具体量，包括df、db、d90、d50和d10。应理解，接触微裂条件不会显著改变所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品的微结构。因此，除非本文另有说明，若述及烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品具有总孔隙率、表面孔隙率的具体值和/或涉及孔径分布的具体量df、db、d90、d50和d10，应理解为该烧制的多孔陶瓷制品在接触微裂条件之前和之后都具有这样的值。
现参考图5和图6中所示的根据本文所述方法制造的烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品的轴向截面的SEM显微图，所述烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品通常具有较高的总孔隙率（％P）。本文所述的烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品的实施方式中，用水银孔隙率法测定的总孔隙率％P为大于或等于约50％，且小于或等于约70％。如图5和图6中所示，烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品的孔在堇青石陶瓷的通道状结构域内高度连接，显示出互穿网络结构。在本文所述的实施方式中，堇青石区域尺寸通常为大于或等于约20微米，或甚至40微米。在一些实施方式中，所述堇青石区域尺寸为大于60微米。在其它实施方式中，所述多孔陶瓷蜂窝体制品内的堇青石区域尺寸为约20-80微米。
现参考图7-9中的SEM显微图，它们显示了不同放大倍数下根据本文所述的方法制造的烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品的表面的表面孔隙。所述烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品的实施方式的每平方厘米的孔的数量通常很大。在一些实施方式中，孔的数量为约3000-6000个孔/厘米3，且没有大于50微米的孔。如图7-9中所示，初烧制的表面孔形貌与图5-6中所示的轴向截面的孔形貌类似。更具体而言，所述孔通常在通道内连接良好。因此，表面孔隙的形貌结合总体孔隙的形貌可以定义为双连续形貌（bi-continuous morphology）。
参考图7-9，通过SEM显微图的图像分析测定的所述烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品的表面孔隙率通常为大于或等于30％，或甚至大于或等于35％。在一些实施方式中，所述烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品的表面孔隙率为大于或等于38％，并且可为约38-45％。当用作汽车和/或柴油机应用中的微粒过滤器时，较高的表面孔隙率使得烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品具有较高的渗透性和相应较低的背压降（backpressure drop）。基于表面孔隙率和总孔隙率，所述烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品的实施方式的表面孔隙率与总孔隙率之比为大于或等于0.5，或甚至大于或等于0.6。在一些实施方式中，表面孔隙率与总孔隙率之比为大于或等于0.7。
使用本文所述的堇青石前体批料组合物结合上述烧制方案获得的烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品的中值孔径d50为约7-16微米，或甚至约8-14微米。在一些实施方式中，所述烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品的中值孔径d50为约10-13微米。控制孔隙率从而使得中值孔径d50在这些范围内，这限制了极小的孔的量，并因而最大程度减小了所述烧制的多孔陶瓷制品的修补基面涂覆的背压。
在本文所述的实施方式中，所述烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品的孔径分布的d10值为大于或等于5微米，或甚至大于或等于8微米。本文所用的量值d10是10%的孔体积由直径小于该d10数值的孔构成时的孔径；因此，使用水银孔隙率技术测定孔隙率，d10等于在孔隙率测量过程中陶瓷的90体积％的开放孔隙渗入水银时的孔径。
如本文所用，df是孔径小于中值孔径d50的孔在孔径分布中的相对宽度的表征。如本文所用，df由下式定义：
d f=(d50-d10)/d50
式中，d50和d10由上文定义。在本文所述的实施方式中，所述烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品的多孔壁的开放互连孔隙的孔径分布较窄,满足df≤0.4、df≤0.35、df≤0.3、df≤0.25，或甚至df≤0.2。在一些实施方式中，所述烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品的孔径分布满足df≤0.19。
在本文所述的实施方式中，所述烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品的孔径分布的d90值为小于或等于25微米，或甚至小于或等于20微米。所述烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品的一些实施方式的孔径分布的d90值为小于或等于18微米。本文所用的量值d90是90%的孔体积由直径小于该d90数值的孔构成时的孔径；因此，使用水银孔隙率技术测定孔隙率，d90等于在孔隙率测量过程中陶瓷的10体积％的开放孔隙渗入水银时的孔径。
还通过比中值孔径d50更细和更粗的孔径的分布宽度db表征所述烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品的超窄的孔径分布。如本文所用，db由下式定义：
db=(d90-d10)/d50，
式中，d10、d50和d90由上文定义。本文所述的烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品可具有db≤1.5，或甚至db≤1.2的孔径分布。在一些实施方式中，所述烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品具有db≤1.0的孔径分布。在所述烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品的超窄孔径分布实施方式中，db≤0.8。
在本文所述的实施方式中，总孔隙率、表面孔隙率、中值孔径d50和d因子df这些性质综合起来通常为烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品提供了较高的初始过滤效率（FE0），所述初始过滤效率大于或等于50％，或甚至大于或等于60％。在本文所述烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品的一些实施方式中，初始过滤效率（FE0）大于或等于70％，或甚至大于或等于90％。
实施例
为了进一步说明本文所述的微裂多孔陶瓷蜂窝体制品的原理，提供以下实施例以说明上述微裂多孔陶瓷蜂窝体制品及其制造方法的具体实施方式。应理解，以下实施例仅出于说明的目的，而不是为了限制要求保护的主题的范围。
使用以下组成材料的各种组合制备了微裂多孔陶瓷蜂窝体制品的许多示例性实施方式，所述组成材料包括：滑石、高岭土、氧化铝形成源、二氧化硅形成源和加工助剂，所述加工助剂包括但不限于粘结剂、成孔剂、液体载剂和润滑剂。各种示例性实施方式的组合物如表1中所示。所述组合物的相应LMC性质如表2所示。一些代表性实施例的微裂后的性质如表3中所示。
应理解，本文所述多孔陶瓷蜂窝体制品的实施方式总体上背离了堇青石多孔陶瓷蜂窝体制品的一般研发方向。具体而言，本文所述的实施方式最初形成并烧制以产生多孔陶瓷蜂窝体制品，所述制品最初具有极少的微裂纹（即所述制品的微裂纹参数Nb3低）和较高的CTE。然后，所述多孔陶瓷蜂窝体制品可用修补基面涂料进行涂覆，涂覆后使所述多孔陶瓷蜂窝体制品接触微裂条件，以有意增加微裂纹的量（即所述制品的微裂纹参数Nb3提高），从而所述多孔陶瓷蜂窝体制品的CTE降低，且所述制品耐受热冲击的能力提高。
另外，本文所述的多孔陶瓷蜂窝体制品具有较高的孔隙率和较低的中值孔径且具有极窄的孔径分布，这将使得在清洁和负载烟炱的条件下都具有较低的背压降。而且，本文所述的多孔陶瓷制品具有高过滤效率，特别是较高的初始过滤效率。
具体而言，所述烧制的多孔陶瓷蜂窝体制品包括主要的堇青石组合物，所述组合物由以下组分组成：由X射线衍射所测得，以氧化物重量百分数计，约49-53重量％的SiO2，约33-38重量％的Al2O3，以及约12-16重量％的MgO。
用于形成所述多孔陶瓷蜂窝体制品的堇青石前体批料组合物列于表1中。实施例1中所用的氧化铝形成源的平均粒径大约为7微米。实施例2、3和5中所用的氧化铝形成源的平均粒径大约为4微米，且其粒度分布与实施例1中所用的氧化铝形成源相比较窄。实施例4包含平均粒径大约为4.5微米的氧化铝形成源。所有示例性堇青石前体批料组合物采用交联玉米淀粉作为成孔剂。
将下表1中包含的堇青石前体批料组合物进行烧制以产生具有上述微结构和性质的初始低微裂多孔陶瓷蜂窝体制品。具体而言，通过在加热炉内以20-70°C/小时的升温速率将生坯蜂窝体制品从室温加热至约1200℃来对所述堇青石前体批料组合物进行烧制。然后，以75°C/小时的升温速率将所述生坯蜂窝体制品从1200°C快速加热至1425°C的保温温度。将所述生坯蜂窝体制品在保温温度下保温10小时，以产生上述主要的堇青石晶相。待烧制后，所述多孔陶瓷蜂窝体制品具有低Nb3参数，并因此被称作低微裂（LMC）多孔陶瓷蜂窝体制品。
然后对所得LMC多孔陶瓷蜂窝体制品进行评价，确定其以下物理性质，包括：CTE、孔隙率（总孔隙率和表面孔隙率）、孔径分布（包括d10、d50、d90和df）、室温条件下的断裂模量（MOR）、室温条件下的弹性模量（Emod）、应变容差（MOR/Emod）、热冲击极限（TSL）和热冲击参数（TSP）。通过膨胀测定法，在轴向(平行于孔通道)测定CTE。对孔微结构的所有测定都通过水银孔隙率法，使用麦克仪器公司的Autopore IV 9520进行。弹性模量是用声波共振技术在轴向上测量多孔棒（cellular bar）得到的。MOR是在尺寸为4x1x0.5英寸的矩形多孔棒的轴向上使用四点弯曲法测量的。测试结果示于下表2中。
表1：堇青石前体批料组合物
| 实施例 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 |
| 滑石(%) | 41.54 | 41.54 | 41.54 | 41.54 | 41.54 |
| 二氧化硅(%) | 16.59 | 16.59 | 22.41 | 16.59 | 16.59 |
| 粘土(%) | 13.85 | 13.85 | 0 | 13.85 | 13.85 |
| 氧化铝(%) | 27.93 | 27.93 | 34.15 | 27.93 | 27.93 |
| 成孔剂(%) | 20 | 20 | 20 | 25 | 25 |
| 粘结剂(%) | 7 | 7 | 7 | 7 | 7 |
| 润滑剂(%) | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
表2：低微裂（LMC）性质
| 实施例 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 |
| 孔道几何特性 | 200/10 | 200/10 | 200/10 | 200/10 | 200/10 |
| 总孔隙率(%P) | 55.1 | 56.3 | 54.5 | 55.2 | 58.1 |
| 表面孔隙率(%P) | 37.0 | 37.4 | 33.2 | 41.9 | 38.9 |
| 表面孔隙率/总孔隙率 | 0.67 | 0.66 | 0.61 | 0.76 | 0.67 |
| d50(微米) | 13.3 | 10.4 | 9.3 | 9.5 | 11.3 |
| d10(微米) | 10.2 | 7.8 | 7.1 | 7.7 | 8.7 |
| d90(微米) | 23.2 | 13.8 | 14.8 | 12.8 | 15.8 |
| df | 0.23 | 0.25 | 0.23 | 0.19 | 0.23 |
| CTE(x10-7/°C) | 14.1 | 12.0 | 11.0 | 13.0 | 12.3 |
| MOR(psi) | 439 | 466 | 439 | 579 | 509 |
| Emod(Mpsi) | 0.39 | 0.45 | 0.46 | 0.49 | 0.42 |
| Nb3 | 0.12 | 0.14 | 0.14 | 0.11 | 0.08 |
| 应变容差-室温(%) | 0.113 | 0.104 | 0.095 | 0.118 | 0.121 |
| TSL(°C) | 1047 | 1030 | 1024 | 1092 | 1081 |
烧制后，使一些LMC多孔陶瓷蜂窝体制品接触微裂条件。更具体而言，使所述LMC多孔陶瓷蜂窝体制品接触热循环，所述热循环包括：将LMC多孔陶瓷蜂窝体制品加热至600℃的峰值温度，并以至少200℃的速率使所述制品冷却至室温，产生微裂（MC）多孔陶瓷蜂窝体制品。
然后对所得MC多孔陶瓷蜂窝体制品进行评价，确定其以下物理性质，包括：CTE、室温条件下的断裂模量（MOR）、室温条件下的弹性模量（Emod）、应变容差（MOR/Emod）和热冲击极限（TSL）。通过膨胀测定法，在轴向(平行于孔通道)测定CTE。弹性模量是用声波共振技术在轴向上测量多孔棒得到的。MOR是在尺寸为4x1x0.5英寸的矩形多孔棒的轴向上使用四点弯曲法测量的。测试结果示于下表3中。
表3：微裂后的性质
| 实施例 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 |
| 孔道几何特性 | 200/10 | 200/10 | 200/10 | 200/10 | 200/10 |
| CTE(x10-7/°C) | 8.0 | 6.5 | 6.0 | 7.5 | 6.2 |
| MOR(psi) | 250 | 280 | 250 | 344 | 290 |
| Emod(Mpsi) | 0.29 | 0.33 | 0.33 | 0.35 | 0.31 |
| Nb3 | 0.25 | 0.30 | 0.26 | 0.22 | 0.16 |
| 应变容差-室温(%) | 0.086 | 0.085 | 0.076 | 0.098 | 0.094 |
| TSL(°C) | 1120 | 1130 | 1100 | 1160 | 1180 |
表3中包含的数据表明，接触微裂条件后，示例性MC多孔陶瓷蜂窝体制品实施方式具有较低的CTE，其在约25-800℃内为约1.0x10-7-10.0x10-7/°C。数据还表明，示例性多孔陶瓷蜂窝体制品的微裂纹参数Nb3与相应的LMC多孔陶瓷蜂窝体制品相比通常至少大20％。接触微裂条件后，MC多孔陶瓷蜂窝体制品的TSL为大于或等于1100℃，其与相应的LMC多孔陶瓷蜂窝体制品相比更高。数据还表明，示例性多孔陶瓷蜂窝体制品的MOR在接触微裂条件后通常大于约200psi。数据进一步表明，在接触微裂条件后，具有200/10几何特性的多孔陶瓷蜂窝体制品的Emod通常大于约0.29Mpsi。
表2和表3包含的数据还表明，表1的堇青石前体批料组合物可用于制备具有本文所述的微结构性质的独特组合的多孔陶瓷蜂窝体制品。更具体而言，本文所述示例性多孔陶瓷蜂窝体制品具有较高的孔隙率、较低的中值孔径和较窄的孔径分布，由此产生的多孔陶瓷蜂窝体制品在负载或未负载的条件下都具有较低的背压降。相应的MC多孔陶瓷蜂窝体制品具有类似的微结构特征。
本领域的技术人员显而易见的是，可以在不偏离要求专利权的主题的精神和范围的情况下，对本文所述的实施方式进行各种修改和变动。因此，本说明书旨在涵盖本文所述的各种实施方式的修改和变化形式，只要这些修改和变化形式落在所附权利要求及其等同内容的范围之内。
Claims (29)
1.一种多孔陶瓷蜂窝体制品，其包括：
烧制的堇青石体，所述堇青石体在接触微裂条件之前，其微裂纹参数（Nb3）为约0.05-0.25；
在接触微裂条件后，所述烧制的堇青石体的微裂纹参数（Nb3）与接触微裂条件之前的微裂纹参数相比至少高20％。
2.如权利要求1所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，所述微裂条件包括热循环。
3.如权利要求2所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，在热循环过程中，所述烧制的堇青石体达到至少为400℃的峰值温度。
4.如权利要求3所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，待所述烧制的堇青石体达到所述峰值温度后，以至少200°C/小时的速率使所述烧制的堇青石体冷却。
5.如权利要求2所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，在向所述烧制的堇青石体施涂修补基面涂料后进行所述热循环。
6.如权利要求1所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，所述烧制的堇青石体还具有热膨胀系数（CTE），所述热膨胀系数在接触微裂条件之前在约25-800℃内为约7.0x10-7-15.0x10-7/°C，并且所述热膨胀系数在接触微裂条件之后在约25-800℃内为约1.0x10-7-10.0x10-7/°C。
7.如权利要求1所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，所述烧制的堇青石体还具有df，所述df在接触微裂条件之前和之后均为小于或等于约0.4，其中df=(d50-d10)/d50。
8.如权利要求1所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，所述烧制的堇青石体还具有表面孔隙率，所述表面孔隙率在接触微裂条件之前和之后均为约38-45％。
9.如权利要求1所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，所述烧制的堇青石体由无机组分的批料制得，所述无机组分的批料包括：dpt50≤10微米的滑石、dps50≤20微米的二氧化硅形成源、中值粒径dpa50小于或等于10.0微米的氧化铝形成源和dpp50≤20μm的成孔剂；其中dpp50是成孔剂的中值粒径，dps50是二氧化硅形成源的中值粒径，dpa50是氧化铝形成源的中值粒径，以及dpt50是滑石的中值粒径。
10.一种多孔陶瓷蜂窝体制品，其包括：
烧制的堇青石体，所述堇青石体在接触微裂条件之前，其微裂纹参数（Nb3）为约0.05-0.25，在约25-800℃热膨胀系数（CTE）为约7.0x10-7-15.0x10-7/℃，且df为小于或等于约0.4，其中df＝(d50-d10)/d50；
在接触微裂条件后，所述烧制的堇青石体的微裂纹参数（Nb3）比接触微裂条件之前的微裂纹参数至少高20％，在约25-800℃热膨胀系数（CTE）为约1.0x10-7-10.0x10-7/℃，且df为小于或等于约0.4。
11.如权利要求10所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，所述微裂条件包括热循环。
12.如权利要求11所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，在热循环过程中，所述烧制的堇青石体达到至少为400℃的峰值温度。
13.如权利要求12所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，待所述烧制的堇青石体达到所述峰值温度后，以至少200°C/小时的速率使所述烧制的堇青石体冷却。
14.如权利要求11所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，在向所述烧制的堇青石体施涂修补基面涂料后进行所述热循环。
15.如权利要求10所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，所述烧制的堇青石体还具有df，所述df在接触微裂条件之前和之后均为小于或等于约0.3。
16.如权利要求10所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，所述烧制的堇青石体还具有df，所述df在接触微裂条件之前和之后均为小于或等于约0.2。
17.如权利要求10所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，所述烧制的堇青石体还具有表面孔隙率，所述表面孔隙率在接触微裂条件之前和之后均为约38-45％。
18.如权利要求10所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，所述烧制的堇青石体还具有总孔隙率（％P），所述总孔隙率在接触微裂条件之前和之后均为约50-70％。
19.如权利要求10所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，所述烧制的堇青石体还具有表面孔隙率/总孔隙率比，所述表面孔隙率/总孔隙率比在接触微裂条件之前和之后均为大于约0.5。
20.如权利要求10所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，所述烧制的堇青石体还具有平均孔径（d50），所述平均孔径在接触微裂条件之前和之后均为约7-16微米。
21.如权利要求10所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，所述烧制的堇青石体在接触微裂条件之后还具有大于1000℃的热冲击极限。
22.如权利要求10所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，所述烧制的堇青石体具有200/10的几何特性，并且还具有断裂模量MOR，所述断裂模量在接触微裂条件之前为大于约300psi，所述断裂模量在接触微裂条件之后为大于约200psi。
23.如权利要求10所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，所述烧制的堇青石体具有200/10的几何特性，并且还具有弹性模量EMod，所述弹性模量在接触微裂条件之前为大于约3.0x105psi，所述弹性模量在接触微裂条件之后为大于约2.0x105psi。
24.如权利要求10所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，所述烧制的堇青石体由无机组分的批料制得，所述无机组分批料包括：dpt50≤10微米的滑石、dps50≤20微米的二氧化硅形成源、中值粒径dpa50小于或等于10.0微米的氧化铝形成源和dpp50≤20μm的成孔剂；其中dpp50是成孔剂的中值粒径，dps50是二氧化硅形成源的中值粒径，dpa50是氧化铝形成源的中值粒径，以及dpt50是滑石的中值粒径。
25.一种多孔陶瓷蜂窝体制品，其包括：
烧制的堇青石体，所述堇青石体在接触微裂条件之前，其微裂纹参数（Nb3）为约0.05-0.25，在约25-800℃热膨胀系数（CTE）为约7.0x10-7-15.0x10-7/℃，且表面孔隙率为约38-45％；
在接触微裂条件后，所述烧制的堇青石体的微裂纹参数（Nb3）比接触微裂条件之前的微裂纹参数至少高20％，在约25-800℃热膨胀系数（CTE）为约1.0x10-7-10.0x10-7/℃，且表面孔隙率为约38-45％。
26.如权利要求25所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，所述微裂条件包括热循环。
27.如权利要求26所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，在热循环过程中，所述烧制的堇青石体达到至少为400℃的峰值温度。
28.如权利要求27所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，待所述烧制的堇青石体达到所述峰值温度后，以至少200°C/小时的速率使所述烧制的堇青石体冷却。
29.如权利要求26所述的多孔陶瓷蜂窝体制品，其特征在于，在向所述烧制的堇青石体施涂修补基面涂料后进行所述热循环。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20130206 |