CN104245630A - 包括具有晶体无机纤维材料的水泥表皮组合物的蜂窝体结构 - Google Patents

包括具有晶体无机纤维材料的水泥表皮组合物的蜂窝体结构 Download PDF

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Abstract

揭示的是一种蜂窝体支撑结构，其包括蜂窝体和由水泥形成的外层或表皮，所述水泥包括具有25℃-600℃的第一热膨胀系数的无机填料材料和具有25℃-600℃的第二热膨胀系数的晶体无机纤维材料。

Description

包括具有晶体无机纤维材料的水泥表皮组合物的蜂窝体结构
本申请根据35U.S.C.§119，要求于2012年2月24日提交的美国临时申请序列号61/602883的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
背景技术
领域
本发明总体涉及蜂窝体结构，具体来说，涉及陶瓷蜂窝体微粒过滤器和基材，其包括具有晶体无机纤维材料的外表皮。
技术背景
柴油发动机因为其具有的燃料效率，耐久性和经济方面而受到更多的关注。但是，在美国和欧洲都对柴油机排放进行攻击，研究其对环境和人类的有害作用。这样，更严格的环境规则很可能对柴油发动机提出和汽油发动机类似的标准。因此，柴油发动机制造商和排放控制机构都在尝试实现更快速、更清洁、在所有操作条件下都符合最严格的排放标准、且对于消费者成本最低的柴油发动机。
因为不可预测的干燥和烧制收缩率，目前制造的大直径的柴油微粒过滤器和基材不能符合初始设备制造商(OEM)和供应链设定的严格的尺寸要求。因此，已使用冷固化陶瓷水泥来形成堇青石整体件的外部表皮。将冷固化的陶瓷水泥混合并施涂至烧制的、成形的基材，然后允许在环境条件下干燥或通过对流或微波在升高的温度下干燥该湿的表皮。然后，干燥的部分易于接收催化剂涂层和所需的任意其它下游加工。
概述
在一种实施方式中，蜂窝体主体包括多个沿着所述蜂窝体主体的第一和第二相对端面轴向延伸的孔道，所述孔道包括交叉的多孔壁。将水泥混合物沉积在蜂窝体主体外周上，所述水泥混合物包括具有25℃-600℃的第一热膨胀系数的无机填料材料、以及具有25℃-600℃的第二热膨胀系数的晶体无机纤维材料。所述无机填料材料占水泥混合物的无机固体组分总重量的至少10％，以及所述晶体无机纤维材料占水泥混合物的无机固体组分总重量的小于25％。所述第一热膨胀系数小于所述第二热膨胀系数的50％。
在另一种实施方式中，描述了一种制备蜂窝体结构的方法，其包括挤出蜂窝体主体，所述蜂窝体主体包括多个沿着所述蜂窝体主体的第一和第二相对端面轴向延伸的孔道，所述孔道包括交叉的多孔壁。所述方法还包括成形所述蜂窝体主体，由此使绕着所述蜂窝体主体的外周的多孔壁的部分暴露。此外，所述方法包括用水泥混合物涂覆该成形的蜂窝体主体的外周。所述方法还包括干燥所述水泥混合物。所述水泥混合物包括具有25℃-600℃的第一热膨胀系数的无机填料材料、以及具有25℃-600℃的第二热膨胀系数的晶体无机纤维材料。所述无机填料材料占水泥混合物的无机固体组分总重量的至少10％，以及所述晶体无机纤维材料占水泥混合物的无机固体组分总重量的小于25％。所述第一热膨胀系数小于所述第二热膨胀系数的50％。
在另一种实施方式中，提供一种用于施涂至陶瓷基材的水泥混合物，所述水泥混合物包括具有25℃-600℃的第一热膨胀系数的无机填料材料、以及具有25℃-600℃的第二热膨胀系数的晶体无机纤维材料。所述无机填料材料占水泥混合物的无机固体组分总重量的至少10％，以及所述晶体无机纤维材料占水泥混合物的无机固体组分总重量的小于25％。所述第一热膨胀系数小于所述第二热膨胀系数的50％。
在以下的详细描述中给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本发明而被认识。
应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都提出了本发明的实施方式，目的是提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图图示说明了本发明的各种实施方式，并与描述一起用来说明本发明的原理和操作。
附图简要说明
图1是根据本文所述的一种实施方式的蜂窝体结构的透视图；
图2是图1所示蜂窝体主体的端面视图；
图3是可用于本文所述的实施方式的晶体无机纤维材料(硅灰石)的SEM图像；以及
图4是根据本文所述的实施方式的断裂模量随相对于无机填料材料(重量％)的纤维材料追加量(重量％)的变化。
详细描述
下面详细参考本发明的各种实施方式，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。
如本文所使用，“生坯材料”是包括无机材料和/或有机材料的混合物的未烧制的材料。生坯材料可包括各种无机填料材料，无机粘合材料和/或有机粘合材料，以及液体载体。可干燥生坯材料，来除去流体含量(例如，水)。通常通过使一部分过夜静置暴露于环境大气压，来实现干燥，但是也可使用热空气、强制空气、微波辐射或红外辐射来增强干燥。
如本文所使用，“煅烧”指将生坯材料加热至小于1000℃的温度，并保持足够的时段来烧掉容纳于材料中的有机材料，例如在600℃下加热约3小时。
如本文中所用，“追加量”表示基于并相对于100重量百分比的混合物的无机组分，如有机粘合剂、液体载体、添加剂或成孔剂的组分的重量百分数。
图1和图2显示的是根据一种实施方式的一种示例蜂窝体结构10，其包括蜂窝体主体12。蜂窝体主体12具有纵向轴线14和长度L，以及包括多个交叉孔壁16，其形成在相对面20、22之间轴线延伸的相互邻近的孔道或通道18。孔道密度可为100-900孔道/平方英寸。典型的孔道壁厚范围可约为0.025-1.5毫米。如本文所使用，术语“蜂窝体”用于包括大体上具有蜂窝结构的材料，但是并不严格限制于正方形结构。例如可以采用六边形、八边形、三角形、矩形或任何其它合适形状的形状。多孔壁内所含的典型孔径可约为0.1微米-100微米，且孔道壁孔隙率约为15％-75％，优选地约为25％-50％。
蜂窝体主体12可由陶瓷材料例如堇青石(2MgO-2Al2O3-5SiO2)形成。但是，用其它成分如Fe(铁)、Co(钴)、Ni(镍)和Mn(锰)有限地取代Mg(镁)，用Ga(钙)有限地取代Al(铝)，以及用Ge(锗)有限地取代硅是可接受的。此外，堇青石相可包括碱金属、碱土金属或稀土金属。在某些情况下，蜂窝体主体12可由其它陶瓷材料制成，例如碳化硅、钛酸铝、γ氧化铝和/或多铝红柱石，或其组合。
所述蜂窝体主体可以根据任何适合用来形成蜂窝体整体型主体的常规方法形成。例如，采用任何已知的陶瓷成形的常规方法，对增塑的形成陶瓷的批料组合物进行成形，制成生坯体，所述常规方法包括例如：挤出，注塑，粉浆浇铸，离心浇铸，加压浇铸，干压制等。所述蜂窝体结构通常是通过挤出法形成的，在此工艺中，将陶瓷材料挤出形成生坯形式，然后对生坯进行烧制，形成最终陶瓷结构。在一个示例性的实施方式中，挤出可以使用液压油缸挤出压机，或两段排气单钻挤出机或双螺杆混合机(在出料端连接有模头组件)进行。可切割挤出的材料，形成蜂窝体结构，例如成形和大小调整至满足发动机制造商需求的过滤器主体。这些挤出的生坯体可以具有任意的尺寸或形状。
一般地，当挤出陶瓷蜂窝体结构时，沿着该结构的长度提供一固体外表面。但是，在某些情况下，必须除去外表面。例如，可通过除去挤出的外表面，将挤出的生坯蜂窝体结构成形至所需的形状和尺寸。或者，可烧制生坯蜂窝体结构，然后通过除去挤出的外表面和所必需的任意部分的多孔壁以获得所需的形状和尺寸，将其研磨至所需的形状和尺寸。可以通过本领域已知的任何方法进行成形，包括切割、砂纸打磨或者研磨掉蜂窝体结构挤出的外表面，以获得所需的形状和尺寸。一旦获得所需的形状和尺寸，可将水泥材料施涂至尺寸调整的主体外周，在主体上形成新的外表面或表皮。通常，蜂窝体主体的端部没有被水泥覆盖，但如有需要，可堵塞某些通道。一旦将水泥组合物施涂至蜂窝体结构，可干燥和/或煅烧该水泥组合物。在一些实施方式中，上面施涂了水泥的蜂窝体主体包括烧制的陶瓷材料。在其他实施方式中，蜂窝体主体包括生坯体或煅烧的主体。在一些实施方式中，可在催化过程中进行煅烧的蜂窝体结构的最终烧制。
可使用各种方法来将水泥层施涂至蜂窝体主体12。例如，可使用分配装置(未显示)来将适当量的水泥混合物施涂至蜂窝体主体12的外表面。施涂表皮材料(如水泥)的方法是本技术领域所公知的，在本文中不详细讨论。例如，美国专利申请第12/231,140号描述了将水泥表皮施涂至蜂窝体主体的各种方法，该文的全部内容通过引用纳入本文。
因此，蜂窝体结构10还包括外壁24，其沉积在蜂窝体主体12的外周表面上。外壁24(下文称为表皮24)是水泥，其包括具有在25℃-600℃之间的第一热膨胀系数的无机填料材料和具有在25℃-600℃之间的第二热膨胀系数的晶体无机纤维材料。
在示例实施方式中，所述无机填料材料占水泥混合物的无机固体组分总重量的至少10％，以及晶体无机纤维材料占水泥混合物的无机固体组分总重量的小于25％。在示例实施方式中，第一热膨胀系数小于第二热膨胀系数的50％。
例如，无机填料材料可占水泥混合物的无机固体组分总重量的20％-80％,如25％-75％,以及例如30％-70％,以及又例如35％-65％,包括至少50％,至少60％,或至少70％。晶体无机纤维材料可占水泥混合物的无机固体组分总重量的3％-20％,例如5％-15％,以及例如8％-12％,包括小于10％,小于15％,或小于20％。
在一些示例实施方式中，第一热膨胀系数范围可为0.5x10-7/℃-20x10-7/℃,例如1.0x10-7/℃-10x10-7/℃，以及还例如2.0x10-7/℃-5x10-7/℃,包括小于7x10-7/℃,以及包括约2.5x10-7/℃。在一些示例实施方式中，第二热膨胀系数范围可为10x10-7/℃-100x10-7/℃,例如20x10-7/℃-90x10-7/℃,以及还例如30x10-7/℃-80x10-7/℃,包括至少50x10-7/℃以及包括约65x10-7/℃。在一些示例实施方式中，第一热膨胀系数可小于5x10-7/℃，而第二热膨胀系数可大于30x10-7/℃。在一些示例实施方式中，第一热膨胀系数可小于25％的第二热膨胀系数,例如小于20％的第二热膨胀系数，以及还例如小于15％的第二热膨胀系数,以及又例如小于10％的第二热膨胀系数,以及又例如小于5％的第二热膨胀系数,如为1％-20％的第二热膨胀系数,以及还例如为2％-10％的第二热膨胀系数。
在一些示例实施方式中，至少50重量％的晶体无机纤维材料的长径比(最长的维度除以最短的维度)是3:1-10:1,例如4:1-8:1。在一些示例实施方式中，小于10重量％的晶体无机纤维材料的长径比小于3:1。在一些示例实施方式中，小于5重量％的晶体无机纤维材料的长径比小于3:1。在一些示例实施方式中，晶体无机纤维材料的平均长径比是3:1-10:1,例如4:1-8:1,包括约5:1。除非另有说明，本文的所有长径测试比都是根据本技术领域所公知的方法使用扫描电子显微镜(SEM)来进行的。
在一些示例实施方式中，晶体无机纤维材料的平均直径为2-80微米，例如5-50微米,以及还例如10-30微米。在一些示例实施方式中，晶体无机纤维材料的平均长度是10-500微米,例如50-400微米,以及还例如100-300微米。
在一些示例实施方式中，晶体无机纤维材料可包括更细的纤维材料，其平均直径为2-10微米且平均长度为10-50微米。晶体无机纤维材料还可包括较粗的纤维材料，其平均直径为20-60微米且平均长度为100-300微米。晶体无机纤维材料还可包括中等粗度的纤维材料，其平均直径为10-20微米且平均长度为50-100微米。
在一些示例实施方式中，晶体无机纤维材料可以单一分布(例如，仅含较细纤维材料、较粗纤维材料和具有中等粗度纤维材料中的一种)、双峰分布(例如，含较细纤维材料、较粗纤维材料和具有中等粗度纤维材料中的两种)、三峰分布(例如，含较细纤维材料、较粗纤维材料和具有中等粗度纤维材料中的三种)存在于水泥混合物中。
申请人令人惊讶的发现，较细的纤维材料与某些示例水泥混合物中存在更少量的所述纤维材料相关，就至少一种性质而言该水泥混合物具有类似的特征。因此，一组示例实施方式包括水泥混合物，其包括占水泥混合物的无机固体组分总重量的3％-10％的晶体无机纤维材料，其中晶体无机纤维材料的平均直径是2-10微米且平均长度是10-50微米。示例实施方式包括含水泥混合物的那些，其包括占水泥混合物的无机固体组分总重量的5％-15％的晶体无机纤维材料，其中晶体无机纤维材料的平均直径是10-20微米且平均长度是50-100微米。示例实施方式包括含水泥混合物的那些，其包括占水泥混合物的无机固体组分总重量的10％-20％的晶体无机纤维材料，其中晶体无机纤维材料的平均直径是20-60微米且平均长度是100-300微米。
在一些示例实施方式中，小于5重量％，例如小于2重量％以及还例如小于1重量％的晶体无机纤维材料的直径大于250微米。在一些示例实施方式中，晶体无机纤维材料基本上不含直径大于250微米的材料。
在一些示例实施方式中，小于5重量％，例如小于2重量％以及还例如小于1重量％的晶体无机纤维材料的直径大于200微米。在一些示例实施方式中，晶体无机纤维材料基本上不含直径大于200微米的材料。
在一些示例实施方式中，小于5重量％，例如小于2重量％以及还例如小于1重量％的晶体无机纤维材料的直径大于150微米。在一些示例实施方式中，晶体无机纤维材料基本上不含直径大于150微米的材料。
在一些示例实施方式中，小于5重量％，例如小于2重量％以及还例如小于1重量％的晶体无机纤维材料的直径大于100微米。在一些示例实施方式中，晶体无机纤维材料基本上不含直径大于100微米的材料。
在一些示例实施方式中，小于5重量％，例如小于2重量％以及还例如小于1重量％的晶体无机纤维材料的直径大于50微米。在一些示例实施方式中，晶体无机纤维材料基本上不含直径大于50微米的材料。
在一些示例实施方式中，晶体无机纤维材料主要由长径比为2:1的无机纤维组成。在一些示例实施方式中，晶体无机纤维材料包括小于5重量％，例如小于2重量％以及还例如小于1重量％的丸材料或填料材料。在一些示例实施方式中，所述晶体无机纤维材料基本上不含丸材料或填料材料。
在一些示例实施方式中，至少95重量％，例如至少98重量％以及还例如至少99重量％的晶体无机纤维材料的长径比为至少2:1。在一些示例实施方式中，基本上所有的晶体无机纤维材料的长径比为至少2:1。
在一些示例实施方式中，晶体无机纤维材料包括天然形成的晶体无机纤维材料。在一些示例实施方式中，晶体无机纤维材料包括碱土金属硅酸盐，例如天然形成的碱土金属硅酸盐。合适的碱土金属硅酸盐的示例是硅灰石(CaSiO3)，例如以商标名Ultrafibe II市售的那些,可从美国纽约州威尔斯鲍罗的尼克矿物公司(NYCO Minerals Incorporated)购买。硅灰石的SEM图像显示其纤维状性质，见图3。
在一些示例实施方式中，无机填料材料包括至少一种研磨的堇青石和熔凝二氧化硅玻璃粉末。
在一些示例实施方式中，无机填料材料包括堇青石，例如研磨的堇青石。
在一些示例实施方式中，无机填料材料包括玻璃粉末，例如熔凝二氧化硅玻璃粉末。
玻璃粉末填料材料的中值粒度(D50)是10-20微米，例如最小粒度是7-75微米，且最大粒度是50-70微米。粒度测定为质量基等价的球形直径。玻璃粉末填料材料例如可占水泥的总无机组分的60重量％-80重量％。合适的二氧化硅粉末填料材料，例如以商品名Teco-Sil出售的那些，可从美国田纳西州的田纳西电子矿物公司的CE矿物公司(CE Minerals of Tennessee ElectroMinerals Incorporated)购买。除非另外说明，使用麦克卓克有限公司(Microtrac Inc.)的粒度分析设备进行本文所有的粒度测量。
在另一种实施方式中，蜂窝体结构10的表皮24可包括无定形的基于玻璃的水泥，该水泥由一种组合物形成，所述组合物包括第一(细)玻璃粉末作为低热膨胀填料材料、第二(粗)玻璃粉末作为低热膨胀填料材料、晶体无机纤维材料、粘合剂和用于携带基于玻璃的水泥的固体组分的溶剂或载体。在一些示例实施方式中，第一玻璃粉末填料材料和第二玻璃粉末填料材料的玻璃都是无定形的熔凝二氧化硅，其粒度大于约1微米。玻璃粉末填料材料的粒度分布可以是多峰的，即粒度大于约1微米的玻璃粉末填料材料的分布呈现多种模式(局部最大)的粒度。在一种实施方式中，无定形的基于玻璃的水泥具有粒度大于约1微米的无定形玻璃颗粒的双峰粒度分布。基于玻璃的水泥可包括第一玻璃粉末填料材料，其中第一玻璃粉末填料材料的中值粒度(D50)范围可约为10微米-约50微米,约为15微米-约50微米,约为20微米-约45微米或约为30微米-约45微米,且D10范围约为1微米-约10微米，D90范围约为25微米-约125微米。第二玻璃粉末填料材料的中值粒度(D50)范围约为150微米-约300微米,约为150微米-约250微米,约为170微米-约230微米,约为180微米-约220微米,D10范围约为100微米-约150微米,D90范围约为250微米-约350微米。粒度测定为质量基等价的球形直径。如本文所使用，术语“D50”表示粒度分布的中值，D10指单位为微米的粒度且10％的分布小于该粒度，以及D90指单位为微米的粒度且90％的分布小于该粒度。除非另外说明，使用麦克卓克有限公司(Microtrac Inc.)的粒度分析设备进行本文所有的粒度测量。
基于玻璃的水泥可包括例如下述范围量的第一玻璃粉末填料材料：约为20％-约60重量％的水泥的无机固体组分的总重量，约为25％-约50重量％,约为25％-约40重量％,或者约为25％-约35重量％。基于玻璃的水泥可包括例如下述范围量的第二玻璃粉末填料材料：约为10％-约40重量％水泥的无机固体组分的总重量，约为15％-约40重量％,约为20％-约35重量％。
在一种实施方式中，第一玻璃粉末填料材料的D50范围约为34微米-约40微米,且第二玻璃粉末填料材料的中值粒度范围约为190微米-约280微米。在一种实施例中，第一玻璃粉末填料材料的D10约为6.0微米,D50约为34.9微米且D90约为99微米。在另一种实施例中，第一玻璃粉末填料材料的D10约为6.7微米,D50约为39.8微米且D90约为110.9微米。还在另一种实施例中，第一玻璃粉末的D10约为2.7微米,D50约为13.8微米且D90约为37.8微米，且又在另一种实施例中，第一玻璃粉末填料材料的D10约为2.8微米,D50约为17.2微米且D90约为47.9微米。
第二玻璃粉末填料材料对第一玻璃粉末填料材料之比的范围可约为1:4-约1:1,例如约为1:3.5-约1:1,约为1:3-约1:1,约为1:2.5-约1:1,约为1.2-约1:1或者约为1:1.5-约1:1。在一示例实施方式中，第二玻璃粉末填料材料对第一玻璃粉末填料材料之比的范围可约为1:1。
为了提供本发明的水泥组合物，可用合适的有机和/或无机粘合剂材料，将含任意上述无机粉末的无机粉末和任意任选的无机添加剂组分混合到一起。有机粘合剂材料可包括一种或更多种有机材料，例如纤维素醚、甲基纤维素、乙基纤维素、聚乙烯醇、聚环氧乙烷等，或者在一些实施方式中是胶状材料例如黄原胶或胶乳。例如，A4Methocel是一种合适的有机粘合剂。Methocel A4是一种水溶性甲基纤维素聚合物粘合剂，可从陶氏化学公司(DowChemical)购买。例如，有机粘合剂材料可以0.1％-10重量％,例如0.2％-5％,以及还例如0.5％-2％的量存在于水泥组合物中。
合适的无机粘合剂可包括胶体二氧化硅或氧化铝，其包括悬浮于合适的液体如水中的纳米尺度的二氧化硅或氧化铝颗粒。例如，无机粘合剂材料可以小于约2％-35％存在于水泥的无机固体的总重量的量存在于水泥组合物中，且在一些实施方式中，无机粘合剂以5％-30％的量存在，且在一些其它实施方式中，无机粘合剂以10％-25％的量存在。合适的胶体二氧化硅粘合剂材料是W.R.格蕾丝公司(W.R.Grace)生产的Ludox HS-40。典型的胶体粘合剂材料可包括大约40重量％的固体材料，作为在去离子水载体中的悬浮液。
通常，用于提供可流动的或膏状稠度的优选的液体载体或溶剂包括水，例如去离子(DI)水，但也可使用其它材料。液体载体含量可作为追加量存在，其量小于或等于约30％的水泥混合物的无机组分的总重量，例如范围约为10％-约25％的水泥混合物的无机组分的总重量。但是，通常调节液体载体，以获得适于容易施涂水泥的粘度。
在一些实施方式中，水泥还可任选地包括有机改性剂，例如用于增强水泥和蜂窝体之间的粘附的粘附促进剂。例如，已发现Michem 4983适于这个目的。
在一些示例实施方式中，水泥混合物在小于1000℃的温度，例如小于800℃的温度，以及例如小于600℃的温度，以及又小于400℃的温度，以及还又例如小于200℃的温度下固化。在一些示例实施方式中，水泥混合物能在室温下固化(即，在约25℃下)。
下文的表1列出了用于不同水泥混合物(不含水)的四种不同的批料，第一种是比较性的，第二、第三和第四种对应于本文所述的实施方式，各水泥混合物包括：(i)无定形熔凝二氧化硅填料材料，其粒度大于1微米且从25℃到600℃的热膨胀系数小于5x10-7/℃；以及(ii)晶体无机纤维材料(硅灰石)，其平均长径比为4:1-8:1且热膨胀系数大于50x10-7/℃；其中第一二氧化硅粉末填料材料和晶体无机纤维材料的重量百分数表示为水泥的总无机组分的百分数。
表1
将批料1-4的水泥混合物与适当量的水混合，制备浆料，然后后续地浇铸成板材。用根据ASTM C158即通过挠曲测定玻璃强度的标准测试方法(断裂模量测定)(Standard Test Methods for Strength of Glass by Flexure(Determination of Modulus of Rupture))的四点挠曲测定浇铸的(未煅烧的)片材的断裂模量。图4显示了用于批料1-4的所测断裂模量。
在一些示例实施方式中，水泥混合物的未煅烧的断裂模量为至少500psi，例如至少550psi，以及还例如至少600psi,以及还又例如至少650psi,以及还又例如至少700psi,以及甚至还又例如至少750psi。
在一些示例实施方式中，水泥混合物的未煅烧的断裂模量为至少500psi，而晶体无机纤维材料占水泥混合物的无机固体组分总重量的小于20％。在一些示例实施方式中，水泥混合物的未煅烧的断裂模量为500-800psi，而晶体无机纤维材料占水泥混合物的无机固体组分总重量的3％-20％。在一些示例实施方式中，水泥混合物的未煅烧的断裂模量为500-800psi，而晶体无机纤维材料占水泥混合物的无机固体组分总重量的5％-15％。
本文所述的水泥组合物可呈现非常适于在蜂窝体主体上形成外表皮的粘度。例如，根据本文的实施方式的组合物的无穷剪切粘度可小于或等于约12帕斯卡-秒(Pascal-seconds)(Pa·s.),小于或等于约5Pa·s.,或者小于或等于约4Pa·s。对于10s-1的剪切速率，剪切粘度可为例如小于或等于约400Pa·s,小于或等于约350Pa·s或者小于或等于约300Pa·s。通过平行板粘度计测量粘度。
本文所述的水泥组合物的煅烧可在箱式炉中进行，在3小时内线性升温至600℃，然后在600℃下保温3小时，然后在超过3小时的时间内降温回到室温。在商业应用中，可用催化剂外涂(wash coated)陶瓷制品，然后通过热处理除去有机材料。还可用垫材料包装陶瓷制品，该垫材料也可需要热处理来除去有机材料。煅烧工艺模拟陶瓷制品所经历的工作条件。
本文所述的煅烧的水泥组合物可呈现的弹性模量小于或等于约1x106,小于或等于约7x105Pa,小于或等于约5x105Pa或者小于或等于约4x105Pa。在一些示例实施方式中，弹性模量范围是约为2x105Pa-约6x105Pa。
使用下文所述的方法，本文所述的煅烧的水泥组合物可呈现的平均热冲击最终通过温度为至少600℃。首先，将烘箱预热到第一温度并稳定。然后，将室温制品(即，23℃)例如含陶瓷表皮的蜂窝体主体(例如本文所述的实施方式)插入热的烘箱并保持30分钟。在30分钟时段后，从烘箱中取出热的制品并风冷回到室温，没有强制冷却(例如，吹冷风等)。所述制品在低热质量陶瓷安置器(堇青石多孔陶瓷的1英寸立方体)上从热位置转移到冷位置。使用包括肉眼检查(借助10倍放大辅助)、透射光和超声波脉冲-回声的非破坏性方法观察制品在表皮和蜂窝体主体中的裂纹。当在蜂窝体主体或陶瓷表皮检测到裂纹时，认为制品失效。当制品存活时，将烘箱设定到更高的温度并重复所述步骤。通过的最终温度和失效的第一温度评定了制品的性能。在本文所述的数据的情况下，第一温度是500℃，且各连续步骤的增量是50℃。报道了最后存活的温度。没有使用超过1100℃的温度。
因此，在一些实施方式中，当在600℃的温度下加热30分钟然后非强制冷却到23℃时，在10倍放大下陶瓷结构的煅烧的水泥表皮没有呈现可见的裂纹。在一些其它实施方式中，当在1000℃的温度下加热30分钟然后非强制冷却到23℃时，在10倍放大下陶瓷结构的煅烧的水泥表皮没有呈现可见的裂纹。
虽然本文所述的水泥混合物组合物用于表皮应用，但还设想了它们可用于涉及蜂窝体主体和陶瓷颗粒过滤器的其它应用，包括堵塞至少一些蜂窝体主体的通道的端部，或者将蜂窝体主体的片段粘附到一起。
对本领域技术人员显而易见的是，可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下对本发明作出各种修改和变化。因此，本发明人的意图是本发明覆盖本发明的修改和变动，只要这些修改和变动在所附权利要求书和其等同内容的范围之内。

Claims (20)

1.一种蜂窝体结构，该结构包括：
蜂窝体主体，其包括多个沿着所述蜂窝体主体的第一和第二相对端面轴向延伸的孔道，所述孔道包括交叉的多孔壁；
沉积在蜂窝体主体外周上的水泥混合物，所述水泥混合物包括具有25℃-600℃的第一热膨胀系数的无机填料材料以及具有25℃-600℃的第二热膨胀系数的晶体无机纤维材料，其中：
所述无机填料材料占水泥混合物的无机固体组分总重量的至少10％，以及所述晶体无机纤维材料占水泥混合物的无机固体组分总重量的小于25％；以及
所述第一热膨胀系数小于所述第二热膨胀系数的50％。
2.如权利要求1所述的蜂窝体结构，其特征在于，所述水泥混合物在小于1000℃的温度下固化。
3.如权利要求1或2所述的蜂窝体结构，其特征在于，至少50重量％的所述晶体无机纤维材料具有3:1-10:1的长径比。
4.如权利要求1-3中任一项所述的蜂窝体结构，其特征在于，小于5重量％的所述晶体无机纤维材料的直径大于250微米。
5.如权利要求1-4中任一项所述的蜂窝体结构，其特征在于，所述无机填料材料占水泥混合物的无机固体组分总重量的20％-80％，所述晶体无机纤维材料占水泥混合物的无机固体组分总重量的3％-20％，所述第一热膨胀系数范围是0.5x10-7/℃-20x10-7/℃，且所述第二热膨胀系数范围是10x10-7/℃-100x10-7/℃。
6.如权利要求1-5中任一项所述的蜂窝体结构，其特征在于，所述水泥混合物在固化后的未煅烧的断裂模量为至少500psi。
7.如权利要求1-6中任一项所述的蜂窝体结构，其特征在于，所述晶体无机纤维材料包括碱土金属硅酸盐。
8.如权利要求1-7中任一项所述的蜂窝体结构，其特征在于，所述晶体无机纤维材料包括硅灰石(CaSiO3)。
9.如权利要求1-8中任一项所述的蜂窝体结构，其特征在于，所述无机填料材料包括选自下组的材料：熔凝二氧化硅玻璃粉末和研磨的堇青石。
10.如权利要求1-9中任一项所述的蜂窝体结构，其特征在于，所述水泥混合物还包括有机粘合剂、无机粘合剂和液体载体。
11.一种制备蜂窝体结构的方法，其包括：
挤出蜂窝体主体，所述蜂窝体主体包括多个沿着所述蜂窝体主体的第一和第二相对端面轴向延伸的孔道，所述孔道包括交叉的多孔壁；
成形所述蜂窝体主体，由此使绕着所述蜂窝体主体的外周的多孔壁的部分暴露；
用水泥混合物涂覆该成形的蜂窝体主体的外周；以及
干燥所述水泥混合物；
其中，所述水泥混合物包括具有25℃-600℃的第一热膨胀系数的无机填料材料以及具有25℃-600℃的第二热膨胀系数的晶体无机纤维材料，以及其中：
所述无机填料材料占水泥混合物的无机固体组分总重量的至少10％，以及所述晶体无机纤维材料占水泥混合物的无机固体组分总重量的小于25％；以及
所述第一热膨胀系数小于所述第二热膨胀系数的50％。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，至少50重量％的所述晶体无机纤维材料具有3:1-10:1的长径比。
13.如权利要求11或12中所述的方法，其特征在于，小于5重量％的所述晶体无机纤维材料的直径大于250微米。
14.如权利要求11-13中任一项所述的方法，其特征在于，所述水泥混合物在固化后的未煅烧的断裂模量为至少500psi。
15.如权利要求11-14中任一项所述的方法，其特征在于，所述晶体无机纤维材料包括硅灰石(CaSiO3)。
16.一种用于施涂至陶瓷基材的水泥混合物，所述水泥混合物包括具有25℃-600℃的第一热膨胀系数的无机填料材料以及具有25℃-600℃的第二热膨胀系数的晶体无机纤维材料，其中：
所述无机填料材料占水泥混合物的无机固体组分总重量的至少10％，以及所述晶体无机纤维材料占水泥混合物的无机固体组分总重量的小于25％；以及
所述第一热膨胀系数小于所述第二热膨胀系数的50％。
17.如权利要求16所述的水泥混合物，其特征在于，至少50重量％的所述晶体无机纤维材料具有3:1-10:1的长径比。
18.如权利要求16或17所述的水泥混合物，其特征在于，小于5重量％的所述晶体无机纤维材料的直径大于250微米。
19.如权利要求16-18中任一项所述的水泥混合物，其特征在于，所述水泥混合物在固化后的未煅烧的断裂模量为至少500psi。
20.如权利要求16-19中任一项所述的水泥混合物，其特征在于，所述晶体无机纤维材料包括硅灰石(CaSiO3)。
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