CN109219589A

CN109219589A - 多孔制品及其制造方法

Info

Publication number: CN109219589A
Application number: CN201780034051.8A
Authority: CN
Inventors: M·贝克豪斯-里考特; B·N·特维克夫
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2017-05-31
Publication date: 2019-01-15
Anticipated expiration: 2037-05-31
Also published as: EP3464219A1; US20200324279A1; JP2019523742A; EP3464219B1; CN109219589B; WO2017210251A9; WO2017210251A1; US11229902B2; JP7076378B2; MX2018014812A

Abstract

本公开涉及多孔陶瓷制品及其制造方法。多孔陶瓷制品具有：孔隙率(P)是约0.3至约0.7的分数；渗透性因子PQ>0.025，其中，PQ是(K_块体)/(P·d₅₀ ²)，K_块体是块体渗透率(单位是达西)，以及d₅₀是平均孔径(单位是微米，μm)；弯曲度是约1.8至3；和中值孔径直径d₅₀是约10μm至约35μm。多孔陶瓷制品可以具有互联的珠微结构，其包括珠和珠连接体，PQ与珠尺寸成正比，以及其中，在穿过多孔体的随机横截面中，珠看上去是球状部分。

Description

多孔制品及其制造方法

相关申请交叉参考

本申请根据35 U.S.C.§119，要求2016年05月31日提交的美国临时申请系列第62/343,496号的优先权。

背景技术

技术领域

本公开的示例性实施方式涉及多孔制品及其制造方法。本公开的示例性实施方式涉及具有高渗透性的多孔陶瓷制品和使用经预反应的颗粒来制造多孔陶瓷制品的方法。

背景技术的讨论

堇青石、碳化硅和基于钛酸铝的蜂窝体已经被广泛地用于各种应用，包括用于废气后处理的催化基材和过滤器。

本背景技术部分所揭示的上述信息仅是为了增强对于本公开的背景技术的理解，因此其可能含有不形成任意现有技术部分或者现有技术可能暗示本领域技术人员的信息。

发明内容

本公开的示例性实施方式提供了多孔陶瓷制品。

本公开内容的其它特征将在以下描述中指出，它们中的部分通过该描述不难理解，或者可通过实施本公开内容而了解。

一个示例性实施方式揭示了一种多孔陶瓷制品，其包括：孔隙率(P)是约0.3至约0.7的分数；渗透性因子PQ>0.025，其中，PQ是(K_块体)/(P·d₅₀ ²)，K块体是块体渗透率(单位是达西)，以及d₅₀是平均孔径(单位是微米，μm)；弯曲度是约1.8至3；和中值孔径直径d₅₀是约10μm至约25μm。

另一个示例性实施方式揭示了一种包含连接的珠微结构的多孔体，其包括：珠，其中，在穿过多孔体的随机横截面中，珠看上去是球状部分；珠连接体，其中，相邻的珠通过珠连接体相连；和小于约0.5的珠重叠，珠重叠是相邻连接珠之间的径向干扰(radialinterference)的分数，其中，珠包括的中值珠直径(D_珠)是约20μm<D_珠≤50μm，以及珠直径分布(D_宽度)小于100μm，D_宽度是((D₉₀-D₁₀)/D₅₀)。

另一个示例性实施方式揭示了一种多孔体，其包括：孔隙率(P)是约0.3至约0.4的分数；渗透率(K)大于或等于约0.017·P·d₅₀ ²，其中，d₅₀是平均孔径(单位是微米，μm)；弯曲度是约2至5；和中值孔径直径d₅₀是约10μm至约35μm(通过汞孔隙度法测得)。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是示例和说明性的，旨在对本公开进行进一步解释。

附图说明

附图用来帮助进一步理解本文，其结合在说明书中，构成该说明书的一部分，附图显示了本文的示例性实施方式，与说明书一起用来解释本文的原理。

图1显示根据本公开的示例性实施方式的示意性蜂窝体。

图2A是贯穿多孔陶瓷制品的横截面示意图，显示具有窄孔颈的常规孔隙度微结构；以及图2B是根据本公开的一个示例性实施方式的贯穿多孔陶瓷制品的横截面示意图，显示具有大孔颈的逆孔隙度微结构。

图3显示珠构建的结构，具有宽孔颈242a三角形通道，没有任何成孔剂，三角形通道和宽的六边形通道242b的混合物，随着成孔剂和大流动通道的增加，六边形通道分数增加。

图4的示意图显示随着两种孔PF1和PF2的孔重叠的增加，孔颈面积的增加，以及对应的代表性曲线。成孔剂的量的增加可以提供更多的孔重叠。

图5A显示来自连续物质的常规微结构的计算机模型的计算机生成的图像，具有球形孔和从(a)到(c)的三钟不同孔隙度的重叠球形孔的减小。图5B显示根据本公开的示例性实施方式的微结构的计算机模型的计算机生成的图像，具有由于从(a)到(c)的珠重叠的增加和对应的孔隙度减小所导致的三种不同孔隙度的重叠球。

图6A的实验结果显示源自根据比较例的反应性钛酸铝陶瓷批料的常规类型微结构的三维(3D)断层照片。图6B的实验结果显示根据具有重叠球状颗粒的本公开的示例性实施方式获得的微结构的三维(3D)断层照片。

图7A是具有源自反应性钛酸铝批料材料的常规类型微结构的比较例的断层切片。图7B是根据本公开的示例性实施方式的珠构建的(重叠球体颗粒)微结构的断层切片。

图8A是根据本公开的示例性实施方式的计算机生成的(建模的)珠构建的微结构和比较例常规微结构的穿壁渗透率图，连续的物质和重叠的球孔与孔隙度*d₅₀ ²的函数关系，采用的是建模的“汞渗透类型”孔隙度和d₅₀。图8B是图8A增加了根据本公开示例性实施方式的源自喷雾干燥颗粒的重叠球状颗粒(珠构建的)微结构的实验数据和源自反应性钛酸铝材料的常规类型微结构的图。

图9是根据具有各种珠尺寸和珠重叠的本公开的示例性实施方式的微结构，渗透率与孔隙度(P)x中值孔径(d₅₀平方)(P*d₅₀ ²)的函数关系图。

图10是根据具有各种孔隙度、珠尺寸和珠重叠的本公开的示例性实施方式，相对于孔隙度(P)x中值孔径(d₅₀)平方的渗透率(K)(K/(P*d₅₀ ²))与球直径(D)的函数关系图。

图11是根据本公开的示例性实施方式，相对于孔隙度(P)x中值孔径(d₅₀)平方的渗透率(K)(K/(P*d₅₀ ²))与珠重叠(dR)的函数关系图。

图12对比了对于本公开的示例性实施方式和比较例，对于实验材料与源自断层的汞渗透孔隙度与中值孔直径平方的乘积的函数关系所得到的穿壁(穿墙)渗透率图。

图13对比了根据本公开的示例性实施方式和比较例，从实验结构的断层照片得到的穿壁与块体渗透率之比与从断层照片得到的汞渗透孔隙度与中值孔直径平方的乘积的函数关系。

图14对比了根据本公开的示例性实施方式和比较例，作为实验结构的断层与源自断层的汞渗透孔隙度与中值孔直径平方的乘积的函数关系所得到的材料弯曲度比例的图。

图15对比了根据本公开的示例性实施方式和比较例，作为孔隙度测量与实验汞渗透孔隙度与中值孔直径的乘积的函数关系所得到的壁渗透率图。

图16的示意图显示根据一个示例性实施方式，从经过预反应的陶瓷珠制造过滤器的工艺步骤。

图17A是来自制造复合珠(其用于加工根据本公开的示例性实施方式的珠构建的微结构)的生坯喷雾干燥球体的SEM反向散射显微图。图17B是经煅烧和预反应的(例如图17A所示的)球体的SEM反向散射显微图。

图18A和18B是包含根据本公开的示例性实施方式的珠构建的微结构的经挤出的蜂窝体过滤器壁结构的SEM反向散射显微图。

图19是贯穿包含由常规反应性钛酸铝复合批料制造的微结构的经挤出的蜂窝体过滤器壁结构的横截面的SEM反向散射显微图。

图20是贯穿根据本公开的示例性实施方式的珠构建的钛酸铝复合微结构的经挤出和烧制的蜂窝体过滤器壁结构的横截面的SEM反向散射显微图。

具体实施方式

在此将参照附图更完整地描述本公开，其中，本公开的附图中给出了实施方式。但是，本公开可以以许多不同的方式实施，不应被解读成限定于在此提出的实施方式。相反，提供的这些实施方式使得本公开透彻而完整，能够向本领域技术人员完全地展示权利要求书的范围。在附图中，为了清晰起见，可能放大了层和区域的尺寸和相对尺寸。附图中相同的附图标记表示相同元素。

会理解的是，当描述元件或层位于另一元件或层“上”或者与另一元件或层“相连”时，其可以直接位于其他元件或层上或者与其他元件或层相连，或者也可以存在插入的元件或层。相反地，当描述元件或层被称作“直接位于另一元件或层上”或者“与另一元件或层直接相连”时，则不存在插入的元件或层。会理解的是，出于本公开内容的目的，“X、Y和Z中的至少一种”可解释为仅有X、仅有Y、仅有Z，或者X、Y和Z中的两个或更多个项目的任意组合(例如，XYZ、XYY、YZ、ZZ)。

本公开的示例性实施方式涉及多孔陶瓷制品及其生产。多孔陶瓷制品可以由基于钛酸铝的材料制造，例如钛酸铝固溶体(铁板钛矿)作为主相(超过50体积％)以及其他相，例如，堇青石、长石、多铝红柱石、尖晶石、氧化铝、金红石或者类似氧化物、堇青石或者其他氧化物或非氧化物陶瓷，包括金属、金属间化合物、玻璃、多铝红柱石、氧化铝(Al₂O₃)、锆石、碱性和碱土铝硅酸盐、尖晶石类、钙钛矿、氧化锆、二氧化铈、氧化钇、氧化镧、氧化硅(SiO₂)、氮化硅(Si₃N₄)、氧氮化硅铝(SiAlON)和沸石。多孔陶瓷制品的应用可包括例如，蜂窝体整合和非整合的柴油与汽油催化剂支承、基材和颗粒过滤器。本公开的示例性实施方式还涉及多孔陶瓷制品和包含经过预反应的颗粒的批料组合物，以及通过使用至少一种经过预反应的颗粒形式的批料材料来制造多孔陶瓷制品。

经过预反应的颗粒可以是选定的组成、结构、尺寸和尺寸分布，从而在多孔陶瓷制品的反应性烧制过程中赋予反应途径和微结构发展。经过预反应的颗粒在多孔陶瓷制品的烧制之前可以是经过完全反应的，并且相互仅仅通过熔合、粘结等(例如，具有反应性组分或者不具有额外的反应性组分)连接。

用经过预反应的颗粒产生的多孔陶瓷制品可具有经加工的孔分布和相分布，这在本文中可称作孔网络结构和微结构。微结构可以用固体物质内的相进行表征，以及微结构可以用物质的形状以及陶瓷制品内的孔形状进行表征。通常来说，微结构通过贯穿三维结构的随机二维横截面的孔通道和物质进行表征。由经过预反应的颗粒制造的多孔陶瓷制品可以在最终烧制的陶瓷中具有小孔颈和大的物质颈(matter neck)的“正常”孔隙度或者大孔颈和具有大孔径的小的物质颈的“逆”孔隙度。可以将孔颈视为连接了孔的通道。在具有由短效成孔剂产生的孔的微结构中，孔通常是具有小的连接通道的球形或者其他形状，其中，孔相互交叉，作为具有小的孔颈的正常孔隙度的例子。另一方面，在具有形成微结构的经过预反应的类球形颗粒的微结构中，可以在颗粒材料之间通过颗粒填塞(particlepacking)形成孔，作为具有大的孔颈的逆孔隙度的例子。在后一种情况下，孔通道更宽并且对于气体流动显示出较小的压缩。此外，短效成孔剂可以进一步打开这些颗粒间的空间。

根据本公开的一个示例性实施方式，相比于由不具有经过预反应的颗粒的粉末批料制造的多孔陶瓷制品，具有经过预反应的颗粒的多孔陶瓷制品提供了改进的柴油颗粒过滤器(DPF)、汽油颗粒过滤器(GPF)、催化剂支承、基材以及组合的基材颗粒过滤器产品性质。由具有经过预反应的颗粒的批料制造的多孔陶瓷制品展现出大孔径和高孔隙度、良好的强度和低的热膨胀系数(CTE)，这实现了较高修补基面涂覆和催化剂负载下的低压降。因此，本公开的示例性实施方式能够整合低压降下的高选择性催化还原(SCR)催化剂负载和高的脱NOx催化剂效率、高过滤效率以及良好的抗热冲击性。

图1显示根据本公开的示例性实施方式的示意性蜂窝体100。蜂窝体100具有长度L1、体积V1，并且包括第一端面102、第二端面104，具有从第一端面102延伸到第二端面104的外周表面106。根据本公开的示例性实施方式，在相对端面102、104之间形成以轴向“A”延伸的相互接合的通道110的多个交叉壁108形成了蜂窝基质。出于示意性目的，显示交叉壁112形成在端面102、104之间延伸的通道114。轴向方向用箭头“A”所示，以及垂直于轴向方向的最大横截面尺度用“D1”所示。例如，当蜂窝体100是圆柱体形状时，最大尺度“D1”可以是端面的直径。例如，当垂直于轴向方向的蜂窝体横截面是矩形形状时，最大尺度“D1”可以是端面的对角线。对于布置在图1中的蜂窝体100，顶面102指的是第一端面102，而底面104指的是的第二端面104，其他端面不受到蜂窝体100的朝向的限制。对于蜂窝体100，顶面102可以是入口面，以及底面104可以是出口面。蜂窝体100的外周表面106从第一端面102轴向延伸到第二端面104。

蜂窝体100的孔道密度可以是约70至1200个孔道每平方英寸(cpsi)(约10至190个孔道每平方厘米)。典型的孔道壁厚可以是约0.025mm至约1.5mm(约1至60密耳)。例如，蜂窝体100的几何形貌可以是400cpsi，其壁厚约为8密耳(400/8)或者其壁厚约为6密耳(400/6)。其他几何形貌包括例如，100/17、200/12、200/19、270/19、350/3、400/3、400/4、500/2、600/2、600/3、600/4、750/2、900/2、900/3、1200/2以及甚至750/1和900/1。如本文所用，蜂窝体100旨在包括大体上蜂窝结构，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的孔道形状，及其组合。此外，虽然多孔状蜂窝体100的横截面是圆形的，但是并不限于此，例如，横截面可以是椭圆形、正方形、矩形、或者其他所需形状，及其组合。

为了便于描述，示例性实施方式涉及的是蜂窝体，但是本公开不限于此，例如，本公开也包括了槽状过滤器和径向流动过滤器。

可以通过如下工艺完成多孔陶瓷蜂窝体的制造：对陶瓷粉末批料混合物进行塑化，将混合物挤出通过蜂窝挤出模具以形成蜂窝挤出体，以及对挤出体进行切割、干燥和烧制以产生高的强度和热耐久性的陶瓷蜂窝体，其具有从第一端面轴向延伸到第二端面的通道。在这种情况下，陶瓷粉末批料混合物、陶瓷前体批料、或者陶瓷批料组合物可以包含无机氧化物或氧化物前体，其当反应时形成陶瓷，以及陶瓷，其保持未反应或者反应以整体或部分形成另一种陶瓷。

在以轴向离开挤出机之后，批料变硬成为湿挤出物，所述湿挤出物包括轴向延伸的相交壁(网络)网，其形成轴向延伸的通道和轴向延伸的外周表面，如上文所述。布置在基质的外周界的是外周界表面。在本文中，可以将外周界表面称作共挤出的表皮、整体形成的共挤出表皮、或者表皮。挤出时在基质上具有表皮的生坯物蜂窝体或多孔陶瓷蜂窝体在本文中可以被称作挤出待成形蜂窝体。如本文所用，陶瓷蜂窝体包括陶瓷蜂窝整体件和区段式陶瓷蜂窝体。

共挤出的外表皮或后施涂的外表皮可以形成外周表面，其以轴向从陶瓷蜂窝体的第一端面延伸到第二端面。无论是整体式或者区段式，被交叉壁(网络)限定的蜂窝体的每个通道都可以在入口面或出口面堵住，以产生过滤器。当留下一些通道未被堵住时，可以产生部分过滤器。无论是整体式或者区段式，蜂窝体都可以经催化以产生基材。在本文中，通常将未堵住的蜂窝体称作基材。经催化的基材可以具有后施涂的催化剂或者可以包括挤出的催化剂。此外，过滤器和部分过滤器可以被催化以提供多种功能性。由此产生的陶瓷蜂窝体被广泛地用作催化剂支撑体、隔膜支撑体、壁流式过滤器、部分过滤器及其组合，用于清洁流体，例如对发动机废气进行净化。

图2A是贯穿多孔陶瓷制品的横截面示意图，显示具有窄孔颈的常规孔隙度微结构；以及图2B是根据本公开的一个示例性实施方式的贯穿多孔陶瓷制品的横截面示意图，显示具有大孔颈的逆孔隙度微结构。在多孔陶瓷前体批料中，可以包含成孔剂。成孔剂可以包括石墨、聚合物球体以及淀粉等。在烧制过程中，成孔剂被烧掉，在经烧制的多孔陶瓷制品中留下孔。在成孔剂的这种烧掉过程中，气体可能需要从制品逃逸，同时，一些反应物可能留下作为最终制品的固体物质的一部分。取决于脱水、烧掉以及其他转变，放热和吸热烧制事件可能需要缓慢烧制来避免制品的开裂。

图2A证实，在固体物质212之间具有窄的颈部208、220的常规孔隙度200可能导致高压降，如同对具有短效成孔剂的未经反应的粉末进行烧制可获得的那样。固体物质212可以是多相、多组分以及微裂的，或者可以是不具有微裂纹的单相。孔微结构通常与在制品的烧制过程中被烧掉的短效成孔剂的形状和布置相类似。在使用过程中气体移动通过的孔网络200由孔204和孔之间的连接构成。这些连接可称作孔颈208。当流体(例如废气)移动通过孔网络200时，可以对它们进行清洁。当流体从孔204经由孔颈208流到孔216时，孔颈208可引起流动限制。对于多孔陶瓷制品或者蜂窝过滤器，小的孔颈208可导致高压降。此外，一些孔(例如，孔210)可也能没有与孔网络互联。

相比于小或窄的孔颈208，大的孔颈220可导致较低的压降。在图2A中，大的孔颈220将孔224与孔228相连。图2A和2B是贯穿三维结构的随机横截面(二维)示意图，从而即使在二维横截面示意图中，显示材料212将孔204和216与孔224和228分隔开，但是在孔网络200中，孔204、216、224和228可以是相连的。由具有短效成孔剂的反应性批料材料制造的结构也可展现出比块体孔隙度低的表面孔隙度。

图2B证实，可以通过在具有或不具有细的低温粘合剂232的最终烧制过程中，对经过反应的球形批料颗粒(喷雾干燥的、经过预烧制的颗粒)进行烧结，从而在物质之间获得具有大孔颈的逆孔隙度。小的孔颈可限制渗透性和气体流动，并控制压降。在孔结构中具有大孔颈的材料产生改善的渗透性，从而提供低压降过滤器。图2B显示逆孔网络230微结构的随机横截面图。经过预反应的颗粒形成烧结粘结或反应粘结的多孔陶瓷制品。物质212包括大致类似于类球形的经过预反应的颗粒(珠)的形状，例如在物质颈部238处与形状246接合的形状234。图2B中的物质212包括互联珠微结构，其包括珠部分和珠连接部分，其中，通过珠连接部分连接了相邻的珠部分。在贯穿主体的随机横截面中，珠部分看上去是球状的。相比于具有由短效成孔剂形成的孔的结构，在相同孔隙度和中值孔径下，包含根据本公开的示例性实施方式的经加工的孔结构的结构展现出更高的渗透性。

在逆孔隙度微结构中，在横截面二维(2D)视图中，物质212看上去是被不规则形状的孔包围的岛屿，与图2A的微结构相反。在正常孔隙度微结构中，在2D横截面图中，孔204、216以及224、228看上去是被不规则形状的物质212包围的岛屿，如图2A所示。

在本文中被称作预反应的颗粒或珠312的烧结反应的球形批料颗粒(经过喷雾干燥的预烧制的颗粒)可以被连接到珠构建的微结构中。当以贯穿结构的随机平面界面对结构进行观察时，珠构建的微结构(互联的珠微结构)物质可以看上去是连接部分和珠部分(球状、球形、圆形、圆状、球根状、球形物、叶状部分)。互联的珠微结构包括珠部分和珠连接部分，其中，通过珠连接部分连接了相邻的珠部分。在贯穿主体的随机横截面中，珠部分看上去是球状的。球状部分是互联的。互联可以是粘合剂材料或者球状部分的融合部分。球状部分可以是圆形的或者具有表面特征的圆形。球状部分可以在连接部分处通过重叠或突出合并。球状部分可以是多叶状，融合粘结或颈粘结到相邻球状部分。

图3显示在没有任何短效成孔剂的情况下形成的珠构建的结构的互联珠微结构，具有三角形通道的宽孔颈242a，以及三角形通道242a和宽的六边形通道242b的混合物，以及随着成孔剂和大流动通道的增加，六边形通道分数增加。珠构建的结构包含互联珠的球形部分，并且当球形部分随机截面时，看上去是大致圆形部分(球状)。当成孔剂颗粒以经过预反应的球形珠无机颗粒环绘制轮廓时，显示较高孔隙度时的六边形通道。显示最靠近的六个相邻物，但是数量取决于成孔剂尺寸与珠尺寸之比。在不存在成孔剂时的渗透性会由三角形通道所决定；添加成孔剂会产生更多的孔隙度以及六边形围绕的成孔剂布置，从而六边形通道会对孔隙度做出贡献。因此，随着孔隙度/成孔剂水平增加，渗透性会从三角形与六边形通道混合物贡献过渡到仅由六边形通道得到的渗透性，并且对于甚至更高的成孔剂水平，含有的通道是由每个环具有数个成孔剂颗粒的更大环制得的。因此，渗透性曲线在对应于三角形通道的非零水平开始，并且随着较大通道的贡献快速增加。

相反地，在包含由短效成孔剂和反应性组分形成的孔的微结构的常规结构中，在不存在成孔剂或者对于低水平成孔剂的结构的渗透性是零，直到实现连续的互联孔通道。然后，渗透性随着孔颈尺寸而增加，如图4所证实，从0到由孔直径(成孔剂颗粒直径)的尺寸所得到的最大值。图4的示意图显示随着两种孔PF1和PF2的孔重叠的增加，孔颈面积的增加，以及对应的代表性曲线。成孔剂的量的增加可以提供更多的孔重叠。

相比于具有由短效成孔剂和反应性组分形成的孔的结构，在相同孔隙度和中值孔径下，包含根据本公开的示例性实施方式的经加工的孔微结构的结构展现出更高的渗透性。展现出这种改进的渗透性的结构包含的珠在它们的接触点粘结以形成三维(3D)结构并烧结。随着烧结时间和/或温度增加，珠重叠增加。珠重叠(dR，球重叠)指的是连接的相邻珠之间的径向干扰分数。例如，如图2B所示，珠234可具有半径R1，以及珠246可具有半径R2。珠重叠(dR)指的是R1与R2相互干扰的地方的物质颈238。本文以实验加工材料和计算机生成的孔结构，显示了根据示例性实施方式的此类珠构建的结构的渗透性优势。

根据本公开的示例性实施方式的这些结构以如下球体再构建：相对于具有恒定直径的完美球体，它们的纵横比偏差小于20％，单独球状体的重叠小于25％，至少90％的类球体颗粒的直径是至少20μm，以及90％的球体直径大于20μm且小于50μm。相反地，常规材料微结构无法通过具有如此窄的粒度分布、如此小的球形重叠和/或不含小球体分数进行再构建。

从输入参数(例如，珠尺寸、珠重叠、所得材料的孔隙度和中值孔径)的大幅变化得到根据示例性实施方式的计算机生成的珠构建的微结构。根据示例性实施方式的实验获得的材料的变量是：珠尺寸、珠尺寸分布的宽度和珠的重叠，这通过烧结温度、烧结时间和烧结助剂发生变化。相比于包含用短效成孔剂和反应性组分形成的孔的现有技术微结构的常规状态，计算机生成的和实验的珠构建结构的孔结构具有较大的孔颈。

通过断层照片确定实验材料的块体和穿壁渗透率，以及通过流体建模对计算机生成的(建模)结构进行评估。对于实验材料，额外测量了孔隙率(porometry)和压降。结果显示，相比于常规结构，根据示例性实施方式的珠构建的孔结构令人惊讶且出乎意料地具有明显更高的块体渗透率和表面渗透性。根据示例性实施方式的珠构建的孔结构还在实验材料的孔隙率测量中反映出更高的渗透性。在相同过滤效率下，根据示例性实施方式的珠构建的孔结构还从材料弯曲度得到更低的过滤器压降。随着珠尺寸的增加，渗透性优势增加。渗透性还随着孔隙度和中值孔径的增加而增加。根据示例性实施方式的具有上文所述的渗透性优势的珠构建的材料具有与相同孔隙度和中值孔直径的常规材料相似的弯曲度和裸过滤效率。相比于常规材料，根据示例性实施方式的负载到孔内均匀分布的修补基面涂层和不均匀分布的珠构建的微结构保留了渗透性和经涂覆情况下的压降优势。

建模的微结构

开发FORTRAN程序，以立方体体积，产生根据本公开的示例性实施方式的球形珠构建的微结构。该技术基于几何约束而不用任何物理输入。过程如下：将选定数量的珠“成核”点位随机放入限定的立方体空间中；所述珠成核点位定义为小球体。然后，通过球尺寸每次增加一个体素(voxel)(构成抽象三维空间的体积元素阵列中的每一个)，使得成核位点一次一个地“生长”，考虑球重叠和最大球尺寸；该过程重复多次，直到形成重叠珠的微结构。输入参数是：成核种的数量、可能的球重叠、和最大球直径。

图5A显示对于从(a)减小到(c)的三种不同孔隙度，具有重叠球形孔的常规微结构的计算机模型的计算机生成的图像。图5B显示根据本公开的示例性实施方式的微结构的计算机模型的计算机生成的图像，具有由于从(a)到(c)的珠重叠的增加和对应的孔隙度减小所导致的三种不同孔隙度的生成微结构的重叠球形颗粒。

实验微结构

图6A的实验结果显示源自根据比较例的反应性钛酸铝批料的常规类型微结构的三维(3D)断层照片。图6B的实验结果显示对于相同化学组成和相同相组成，根据具有重叠球状颗粒的本公开的示例性实施方式获得的微结构的三维(3D)断层照片。

对于所有的结构，不依赖于它们的来源(例如，实验材料和计算机生成结构的断层照片)，使用相同的过程来确定它们的渗透性。图6A是(康宁有限公司(CORNING INCORPORATED))钛酸铝(AT)材料的微结构的3D断层照片。图6B是珠构建的微结构的材料的3D断层照片，其是由根据本公开的示例性实施方式的经喷雾干燥、经预反应的堇青石多铝红柱石钛酸铝(CMAT)球体制造的。

断层照片和计算机流体动力学(CFD)网格生成的分析以如下方式进行。以1.4μm/体素所获得的微结构的3D断层照片包括一组约1000个灰度图像。使用商用软件包SimpleWare ScanIP和一组自行开发的工具将那组图像转化为3D网格。典型的珠构建的灰度直方图与常规微结构的灰度直方图是不同的。但是，对于所有的分析，使用相同的阈值方案来区分孔隙度和物质。

图7A是具有源自反应性钛酸铝批料材料的常规类型微结构的比较例的断层切片。图7B是根据本公开的示例性实施方式的重叠球状颗粒(珠构建)材料的微结构的断层切片。

基于生成的和基于断层照片的微结构的渗透性计算

对于过滤器壁和贯穿计算机生成的微结构的3D断层照片，诸如汞渗透孔隙度测量(MIP)、孔隙度(porometry)测量、压降测量和流动建模等技术被用于对各种人造材料和真实材料的微结构和孔结构进行表征和比较。

使用开源计算机流动动力学(CFD)软件OpenFoam来分析多孔结构中的复杂流动并确定数字化的断层照片微结构中的渗透性。网格产生器实现了对数字化的微结构孔空间进行结构网格的快速构建。在选定的微结构3D单元的相对面上，赋予压差。在模型域的其余四个边界面上规定了滑动/对称边界。采用总流速以及几何形貌、压降和粘度，来确定整个孔空间的复杂流动和速度分量。采用达西定律得到渗透率。因此，确定了施加的压力梯度的三个方向上的三个不同的渗透率值。通过对施加的压力梯度的三个方向上的这三个不同的渗透率值取平均值，来确定微结构孔空间的渗透率。取决于选定的3D微结构单元和流动方向，得到块体渗透率和穿壁渗透率。特别感兴趣的是确定了蜂窝体中的压降的穿壁渗透率。

在汞渗透过程中，以压力增加的方式将汞推入孔结构中，确定作为压力的函数的汞的渗透量。在给定压力下的汞渗透量取决于孔和孔的尺寸以及孔的互联性。在例子中，使用10mm x 20mm x 20mm的样品尺寸。采用标准算法，从渗透曲线得到孔隙度、中值孔径和块体渗透率。

在加压气体管道中，将2”x 2”x 2孔道厚板胶合到框架中，对其进行孔隙度测量，并且测量板上的压降。对于1”挤出板，将两个挤出片胶合到一起以实现所需板尺寸。将实验数据转换为渗透率。

在10mm x 10mm x 1的单壁体积上获得断层照片。使用Simpleware ScanIP软件。对于第一张断层照片，手动设定阈值，对于其他断层照片，使用相同值。

在以棋盘图案堵塞的2"直径、6"长的蜂窝部件上，测量压降。将部件安装到压降设备中，以不同气体流速测量压降。在裸部件上测量压降。还测量负载了烟炱的结构的压降。

实施例1

用于根据示例性实施方式的计算机生成的球构建(珠构建)的微结构(具有连续孔和球物质)和比较例常规微结构(具有连续的物质和球孔)的渗透性/流动性质。

表1

表1是根据本公开示例性实施方式的计算机生成的珠构建的微结构的代表性数据。表1呈现了孔网络特性，例如，孔隙度、d₅₀、穿壁渗透率、块体渗透率和弯曲度，它们全都源自这些示例性结构的模型分析。

图8A是根据本公开的示例性实施方式的计算机生成的珠构建的微结构和比较例常规微结构的块体(和穿壁)渗透率图，含重叠球形孔的连续物质与孔隙度*d₅₀ ²的函数关系，采用的是建模的“汞渗透类型”孔隙度和d₅₀。图8B是图8A增加了根据本公开示例性实施方式的具有珠构建微结构的实验加工材料(其是从钛酸铝复合物的经烧结反应的陶瓷类球体颗粒加工得到的)和源自反应性钛酸铝批料材料的比较例常规类型微结构的实验数据。根据本公开的示例性实施方式的源自喷雾干燥的颗粒的微结构的块体和穿壁渗透率与根据示例性实施方式的建模的珠构建结构非常相似。

钛酸铝复合物在本文中被用于指代含有钛酸铝的复合物，其包括例如：钛酸铝和钛酸铝的固溶体，例如，具有Mg、Fe等并且以铁板钛矿相结晶的钛酸铝。复合物的其他相可以是堇青石、多铝红柱石、尖晶石、长石、玻璃、金刚砂、金红石等。例如，钛酸铝复合物可以包含如美国专利第8,394,167(B2)号所述的堇青石多铝红柱石钛酸铝(CMAT)和钛酸铝组合物，其通过引用全文结合入本文。

图8A和8B显示根据示例性实施方式的计算机生成的珠构建的微结构和常规微结构的穿壁渗透率，重叠球形孔与孔隙度*d₅₀ ²的函数关系，采用的是建模的“汞渗透类型”孔隙度和d₅₀。具有球形孔和各种孔尺寸、孔尺寸分布和孔重叠的常规微结构显示为黑色实心圆圈，并且符合共同趋势线(未示出)。在同一趋势线上，可以看到根据示例性实施方式的逆孔隙度的珠构建的结构(空心菱形)。对于根据示例性实施方式的逆孔隙度的珠构建的结构，已经颠倒了珠构建的结构的孔隙度和物质。根据示例性实施方式的所有计算机生成的珠构建的微结构全都显示出比比较例常规微结构高得多的渗透性。

用不同输入参数设定产生数种材料。对于与渗透性符合与孔隙度乘以中值孔直径的平方呈平方关系的趋势线对齐的独特珠尺寸14μm(灰色打叉)、16μm(空心黑色三角形)、20μm(空心黑色菱形和星号)和24μm(黑色空心圆圈)，对具有不同珠重叠的单峰珠构建结构进行比较。这些趋势线的斜率随着珠尺寸的增加而增加。对于相同的孔隙度和d₅₀，当从14μm珠尺寸(不连续的趋势线)移动到16μm尺寸(连续线)时，渗透性观察到(几乎100％的)大幅增加，并且当进一步移动到20μm珠尺寸时，又增加了20％。具有较宽的珠尺寸分布(14-24μm，灰色水平线符号)或者甚至更宽的珠尺寸分布(14-50μm)所产生的微结构围绕16μm单峰微结构线成簇。分布越宽，当改变珠重叠时渗透性范围的跨度越大。图证实了约为所需中值孔直径的珠尺寸对于产生珠构建的结构的高渗透性不是有效的。渗透性随着珠尺寸而增加，较大的珠尺寸和窄的粒度分布产生最高渗透性。如图8B所示是由球形的经过反应的陶瓷球状体制造的实验材料的断层分析所得到的实验数据(黑色正方形)。

实施例2

具有不同球尺寸和球重叠的计算机生成的球构建的微结构。

渗透性优势(本文也称作渗透性因子，PQ)表述为渗透率/(孔隙率*d50²)或者(K_块体)/(P·d₅₀ ²)，K_块体是块体渗透率(单位是，达西)，以及d₅₀是平均孔径(单位是微米，μm)。具有球形孔结构的材料的渗透性与(孔隙率*d50²)成比例，具有固定的比例因子，以及根据示例性实施方式的球构建(珠构建)结构的优势显示为更大的比例因子。因此，清楚地显示了根据示例性实施方式的珠构建结构的各种参数对于渗透性因子PQ的影响。

为了研究根据示例性实施方式的此类珠构建的微结构中的珠尺寸和珠重叠的作用，以不同珠尺寸和以不同珠重叠产生了另一组计算机生成的珠构建的微结构。计算机生成的珠构建结构包括：40％至60％的孔隙度，12至20μm直径的球(珠)尺寸，和变化的球重叠。在2μm体素分辨率的计算机分辨率中，珠重叠<0.1是在体素分辨率的误差范围内。

表2

图9是根据具有各种珠尺寸和珠重叠的本公开的示例性实施方式的微结构，渗透率与孔隙度(P)x中值孔径(d₅₀平方)(P*d₅₀ ²)的函数关系图。珠指的是连接或融合到一起以限定微结构的球状颗粒(大致球形)。

从上述尝试产生的根据本公开示例性实施方式的微结构显示渗透性随着孔隙度和d50²增加，在宽范围的孔隙度和d₅₀上符合一定趋势。以不同珠尺寸和不同珠重叠构建微结构，其具有不同孔隙度和d₅₀。可以通过相对于趋势线的偏差来理解球尺寸和球重叠的影响。因此，将等同于渗透性因子(PQ)的渗透率/(孔隙度*d₅₀ ²)视作块体材料的渗透性的微结构品质因子，这是通过真实材料断层照片获得的3D微观结构的流动评估所确定的。

图10是渗透性(K)除以孔隙度(P)x中值孔径(d₅₀)的平方(K/(P*d₅₀ ²))与球直径(D)的函数关系，显示对于具有从40％至60％的各种孔隙度、从12到20μm直径的球尺寸、和变化的球重叠的计算机生成的珠构建的结构，珠构建结构的渗透性优势(表述为渗透性因子(PQ)＝K/(P*d₅₀ ²))对于具有相同孔隙度或相同珠重叠的单个子组是随着珠尺寸的增加而增加，并且大致趋势如图10所示。

图11是渗透率(K)除以孔隙度(P)x中值孔径(d₅₀)平方的(K/(P*d₅₀ ²))与珠重叠(dR)的函数关系图。珠重叠(dR，球重叠)指的是连接的相邻珠之间的径向干扰分数。图11显示，对于具有从40％至60％的各种孔隙度、从12到20μm直径的球尺寸、和变化的珠重叠的计算机生成的珠构建的结构，珠构建结构的渗透性优势(表述为渗透性因子(PQ)＝K/(P*d₅₀ ²))对于具有相同珠尺寸的单个子组是随着珠重叠的增加而降低，以及显示了大致趋势。

实施例4

来自经加工的材料的断层照片的流动性质。

将根据示例性实施方式的从经过预反应的陶瓷类球形珠作为批料材料加工的材料的渗透性与从烧结物质加工得到的具有球形孔的比较例材料进行对比。渗透性和弯曲度源自这些材料的断层照片。此外，得到了穿壁渗透率和壁内渗透性。

表3

表3提供了源自断层照片的具有重叠球形孔的常规钛酸铝(AT)材料的数据的特性。表3含有孔隙度、中值孔直径、穿壁渗透率、块体渗透率、穿壁渗透率与块体渗透率之比、和弯曲度。

表4

表4提供了源自断层照片的由具有成孔剂的反应性批料制造的堇青石多铝红柱石钛酸铝(CMAT)的基于钛酸铝的常规复合材料的数据的特性。表4含有孔隙度、中值孔直径、穿壁渗透率、块体渗透率、穿壁渗透率与块体渗透率之比、和弯曲度。

表5

表5呈现了根据本公开的示例性实施方式，从球形预反应的珠制造的CMAT材料(钛酸铝复合物)的源自断层照片数据的特性。表5含有孔隙度、中值孔直径、穿壁渗透率、块体渗透率、穿壁渗透率与块体渗透率之比、和弯曲度。

表6

表6呈现了根据本公开的示例性实施方式，从经过预反应材料的研磨碎片制造的CMAT材料的源自断层照片数据的特性。表6含有孔隙度、中值孔直径、穿壁渗透率、块体渗透率、后者之比、和弯曲度。

图12对比了实验材料的从断层照片得到的穿壁渗透率与从断层照片得到的汞渗透孔隙度与中值孔直径的乘积的函数关系图。图12总结了表3-6的数据。根据本公开示例性实施方式的包含由喷雾干燥的预反应堇青石多铝红柱石钛酸铝(CMAT)珠制造的珠构建的微结构显示为实心球形，以及非珠构建的微结构材料显示为空心符号。空心三角形表示由常规反应性CMAT批料制造的结构(11-19)，空心菱形表示具有重叠球孔的结构(1-7)，以及星号表示由经过预反应且研磨成碎片的材料制造的CMAT结构(22)。令人惊讶地发现，根据本公开示例性实施方式制造的珠构建的结构具有明显更好的渗透性，如图12所证实。即使是对于相同组成和相似的中值粒度，珠构建的结构仍然相比于碎片构建的结构具有优势。碎片指的是包含凹或凸的表面或面部分的颗粒，例如，长条、尖片、小片、碎裂片、以及薄片等。通过对过烧制的珠团聚体进行碾磨和研磨，来获得碎片。

图13对比了从实验结构的断层照片得到的穿壁与块体渗透率之比与从断层照片得到的汞渗透孔隙度与中值孔直径平方的乘积P*d₅₀ ²的函数关系图。根据本公开示例性实施方式的包含由喷雾干燥的预反应CMAT珠制造的结构显示为实心球形，以及非珠构建的微结构材料显示为空心符号。空心三角形表示由常规反应性CMAT批料制造的结构(11-19)，空心菱形表示具有重叠球孔的结构(1-7)，以及星号表示由经过预反应至块状物然后研磨成碎片的材料制造的CMAT结构(22)。图13显示，对于大多数根据本公开示例性实施方式的珠构建的结构，穿壁(穿墙)渗透性(K_TW)和壁内渗透性(块体渗透率)(K_块体)是非常相似的(比值＝1)，表明对于这些珠构建的结构，表面孔隙度与块体孔隙度非常相似。

在常规材料中，表面孔隙度通常较小，在许多情况下，甚至远小于块体孔隙度，从而限制了穿壁流动。根据本公开示例性实施方式的材料当在低温和/或以短时间烧制时，不含此类缺点，从而珠重叠最小化。较少的比值<1的珠构建的材料在较高温度下进行有效烧制，经受更多的烧结，其产生较大的珠重叠。

图14对比了从实验结构的断层照片得到的材料弯曲度与从断层照片得到的汞渗透孔隙度与中值孔直径平方的乘积P*d₅₀ ²的函数关系图。根据本公开示例性实施方式的包含由喷雾干燥的预反应CMAT珠制造的结构显示为实心球形，以及非珠构建的微结构材料显示为空心符号。空心三角形表示由常规反应性CMAT批料制造的结构(11-19)，空心菱形表示具有重叠球孔的结构(1-7)，以及星号表示由经过预反应且研磨成碎片的材料制造的CMAT结构(22)。图14显示对于高的P*d₅₀ ²，弯曲度保持高于1.5，表明过滤效率(FE)没有明显下降。可以看出，对于大多数中等孔隙度和高孔隙度的珠构建的结构，弯曲度与常规材料在相同范围内。即使对于非常高的孔隙度和大的d₅₀，弯曲度仍然保持接近2。

实施例5

通过孔隙度测量得到的材料的渗透性。

表7

表8

表7和8呈现的是比较例反应性批料CMAT材料和由根据本公开示例性实施方式的经预反应的CMAT珠制造的材料的孔隙度测量总结。

图15是从孔隙度测量得到的穿壁渗透率与实验的汞渗透孔隙度与中值孔直径平方的乘积(P*d₅₀ ²)的函数关系图。根据本公开示例性实施方式的包含由喷雾干燥的预反应CMAT珠制造的珠构建的微结构显示为实心球形，以及非珠构建的微结构显示为空心符号。令人惊讶且出乎意料的是，相比于非珠构建的微结构材料，许多珠构建的结构显示出优异的渗透性。较高的珠尺寸实现了相对更高的渗透性。在这类孔隙度测量中，一些珠构建的结构显示较低的渗透性。原因是过度烧结的大的珠重叠或者1英寸(2.54cm)直径的蜂窝体的测量假象，其中，将数块片材胶合到一起用于孔隙度测量，使得结构足够大到进行测量，以及作为结果，一部分的横截面被胶渗透阻挡住了流动通过。

对于2英寸(5.08cm)直径(300/14)的经挤出和烧制的珠构建的微结构的珠构建蜂窝体过滤器，测量了压降。用豌豆淀粉和石墨作为成孔剂，产生了根据本公开示例性实施方式的实施例SBS，以及用土豆淀粉和石墨作为成孔剂，产生了根据本公开示例性实施方式的实施例SBT。高孔隙度(HP)AT反应性烧结批料的比较例(比较例SBR)在相同条件下以相同时间挤出，并烧制。常规的HP AT材料会具有75％的孔隙度和约17-18μm的中值孔直径。取决于烧制条件，实施例SBS具有60-65％的孔隙度和约14.0-15.5μm的d₅₀。实施例SBT具有约59-62％的孔隙度和约14.5-15.5μm的中值孔直径。以棋盘图案堵住蜂窝体，并测量干净的裸部件和负载了烟炱的部件的压降。结果表明，对于(300/14)2英寸(5.08cm)直径/6英寸(15.24cm)长度的过滤器，尽管中值孔直径要小得多，来自根据示例性实施方式的喷雾干燥的经过预反应的CMAT批料的实施例SBS和实施例SBT过滤器显示出与比较例SBR非常类似的裸的、干净压降。但是，预期实施例SBS和实施例SBT过滤器的壁要比比较例SBR更厚，从而预期对于根据本公开示例性实施方式的实施例SBS和实施例SBT过滤器，最终经校正的压降应该更低。

对于由珠构建的HP AT(喷雾干燥/经预反应批料)的根据本公开示例性实施方式的实施例SBS和SBT，以及由HP AT的常规反应性批料制造的比较例SBR过滤器，比较了裸过滤器的压降与过滤器的烟炱负载的函数关系。蜂窝体是(300/14)2英寸(5.08cm)直径/6英寸(15.24cm)长度的过滤器。数据显示，尽管来自喷雾干燥的经预反应的HP AT批料的实施例SBS和SBT过滤器的中值孔直径要小得多，但是裸压降和烟炱负载压降与比较例SBR非常相似。对于高孔隙度过滤器所预期的拐点可忽略不计。但是，预期实施例SBS和实施例SBT过滤器的壁要比比较例SBR更厚，从而预期对于根据本公开示例性实施方式的实施例SBS和实施例SBT过滤器，最终经校正的烟炱负载压降应该更低。

实施例6

随着球重叠的增加，根据本公开示例性实施方式的经加工的材料中的渗透性下降。

在从根据本公开示例性实施方式的经过预反应的无机球体作为批料材料加工的材料中，材料在烧制过程中是相当稳定的，以及在蜂窝体的短暂和/或低温烧制过程中，单个球体得到良好的保留。但是，延长和/或高温烧制导致烧结，其中，球重叠增加并且渗透性下降，因为经烧结的珠微结构更为朝向常规微结构发生演变。尽管尚未完全理解烧结过程中的球重叠演变背后的理论，但是在实验上观察到了球重叠的增加，并且可以被描述为渗透性相对于烧制温度和/或时间的演变。

提供了从经过反应的无机球体挤出的材料的数个例子，显示渗透性随着烧制时间和/或温度而下降的趋势。表9呈现的数据显示，在从经过预反应的无机球体作为批料材料加工的材料中，材料在烧制过程中是相当稳定的，以及在蜂窝体的短暂和/或低温烧制过程中，单个球体得到良好的保留。但是，延长和/或高温烧制会导致烧结，其中，球重叠增加。表9以蓝色总结了从以经过预反应的球体作为无机批料制造的材料的数个例子，并且还包括常规材料用于对比。可以看出，在根据本公开示例性实施方式的材料中，渗透性随着烧制时间和/或温度的增加而降低，从而渗透性随着珠重叠的增加而降低。

表9

表9(续)

根据本公开示例性实施方式所呈现的材料加工和实验材料微结构。

图16的示意图显示根据一个示例性实施方式，从经过预反应的CMAT珠制造过滤器的工艺步骤。例如，在操作中，通过如下方式制造CMAT珠：喷雾干燥25％固体负载的用于氧化硅、氧化铝、氧化钛和氧化物以及烧结助剂和有机粘结剂封装的低成本无机源材料的水性浆料。制造具有窄的粒度分布和20至50微米的中值粒度的生坯固体球体。球体煅烧直到通过固态反应完成形成CMAT复合物。在一个例子中，在1250至1350℃持续1小时至10小时，进行煅烧至完全反应。在一个例子中，制造了作为堇青石、多铝红柱石和Mg取代的钛酸铝或者含有低水平的玻璃和钛酸铈的Mg稳定化的钛酸铝的复合物陶瓷珠。

然后将经过预反应的球体CMAT颗粒用作批料材料进行蜂窝挤出，具有低水平的无机粘合剂、纤维素粘合剂、成孔剂、水、和有机挤出助剂。在一个例子中，在柱塞式挤出机上挤出陶瓷挤出糊料，作为1"或2"(300/13)或(300/14)蜂窝体。蜂窝体在例如空气或者微波炉中进行干燥。

经过挤出和干燥的蜂窝体在高温烧制较短的时间，以实现经过预反应的珠的粘结。在一个例子中，蜂窝体在低于用于珠预反应温度的温度(例如，1280-1350℃)烧制1小时至6小时。虽然出于示意性和示例性目的在本文中使用和描述的是CMAT，但是也可以使用其他材料并且可以相应地调节工艺。

在本公开的示例性实施方式中，经过预反应的球形颗粒(珠)可以包含反应烧结的无机氧化物，其包含至少一个或多个主晶相，例如，具有3个主相的CMAT、具有两个主相的钛酸铝(AT)-长石、具有两个主相的AT-多铝红柱石、具有两个主相的AT-堇青石等，具有或不具有玻璃。例如，珠可以包括CMAT、AT-长石、AT-多铝红柱石、或者AT-堇青石，具有或不具有玻璃，具有或不具有如下未反应的源：铝、钛、硅、镁、钙等，具有或不具有烧结助剂，例如：稀土氧化物，例如氧化铈、氧化钇、氧化镧、其他镧系氧化物等，硼，以及其他相，例如，金刚砂、尖晶石等，或其组合。作为其他例子，珠可以包括单相堇青石、多铝红柱石AT等，具有或不具有玻璃，具有或不具有铝、钛、硅、镁、钙等的未反应源，具有或不具有烧结助剂，例如稀土氧化物，例如氧化铈、氧化钇、氧化镧、其他镧系氧化物和硼等。

图17A是制造复合珠(其用于加工根据本公开的示例性实施方式的珠构建的微结构)的生坯喷雾干燥球体的SEM反向散射显微图。图17B是经煅烧和预反应的(例如图17A所示的)球体的SEM反向散射显微图。图17A所示的珠的组成是具有氧化铈的CMAT前体材料。图17B所示的经煅烧和经预反应的珠的组成是具有玻璃和氧化铈-钛酸盐的CMAT。

图18A和18B是包含根据本公开的示例性实施方式的珠构建的微结构的经挤出的蜂窝体过滤器壁结构的SEM反向散射显微图。蜂窝体微结构包括珠，例如如图17B所示布置成3D支架，具有非常少的珠重叠和高孔隙度证据。相邻珠之间的连接也证实了球状部分。

图19是贯穿包含由常规反应性CMAT批料制造的微结构的经挤出的蜂窝体过滤器壁结构的横截面的SEM反向散射显微图。可以看出，微结构不包含物质的球状部分。

图20是贯穿根据本公开的示例性实施方式的珠构建的微结构的经挤出和烧制的蜂窝体过滤器壁结构的随机横截面的SEM反向散射显微图。球状部分呈现为相邻珠之间的连接的物质的圆形部分。例如，连接可以是诸如扩散粘结之类的粘结或者珠的熔合部分以及无机粘合剂材料。

根据示例性实施方式，多孔体包括：孔隙率(P)是约0.3至约0.7的分数；渗透性因子PQ>0.025，其中，PQ是(K_块体)/(P·d₅₀ ²)，K_块体是块体渗透率(单位是达西)，以及d₅₀是平均孔径(单位是微米，μm)；弯曲度是约1.8至3；和中值孔径直径d₅₀是约10μm至约25μm。例如，多孔体可以包括渗透性因子PQ>0.03、PQ>0.04、PQ>0.046、或者甚至PQ>0.05。

根据这些示例性实施方式，多孔体还可包括连接的珠微结构，其包含珠和珠连接体，其中，相邻的珠通过珠连接体相连，其中，PQ与珠尺寸成正比，以及其中，在贯穿多孔体的随机横截面中，珠看上去是球状部分。在这些示例性实施方式中，球状部分指的是物质具有弯曲边界，例如，近乎圆形、或者椭圆形等。

根据这些示例性实施方式，多孔体的穿壁渗透率K_TW与块体渗透率K_块体的比例大于0.9(K_TW/K_块体>0.9)。例如，K_TW/K_块体>0.95，或者甚至K_TW/K_块体>0.99。根据这些示例性实施方式，多孔体的孔隙度(％P)是约30％至约40％。根据这些示例性实施方式，多孔体的孔隙度(％P)是约40％至约70％。

根据这些示例性实施方式，多孔体还包括连接的珠微结构，其包含珠、珠连接体，其中，相邻珠通过珠连接体相邻；以及其中，珠重叠小于约0.5，珠重叠是相邻的连接珠之间的径向干扰分数。在这些示例性实施方式中，珠包括经反应烧结的无机球体，以及在贯穿多孔体的随机横截面中，珠看上去是球状部分。

根据这些示例性实施方式，经反应烧结的无机球体包括氧化物，其包含至少一个晶相和玻璃状相。根据这些示例性实施方式，晶相包括以下至少一种：铁板钛矿、堇青石、多铝红柱石、尖晶石、锶、铝长石、β-锂辉石、和β-锂霞石。

根据这些示例性实施方式，多孔体、经反应烧结的无机球体包括以下至少一种：氧化铝、氧化钛、氧化硅、稀土物质、SiC、SiN、和碱土氧化物。根据这些示例性实施方式，珠连接体在每个珠表面的小于50％上包含粘合剂，以及珠微结构还包括孔。根据这些示例性实施方式，珠微结构还包括珠的表面之间的孔。

根据这些示例性实施方式，珠重叠小于约0.2，例如，小于约0.05。根据这些示例性实施方式，中值珠直径(D_珠)约为14μm<D_珠≤50μm。例如，D_珠是约为20μm<D_珠≤45μm，或者甚至D_珠是约为30μm<D_珠≤40μm。

根据这些示例性实施方式，多孔体包括陶瓷体，其包含以下至少一种：钛酸铝铁板钛矿、堇青石、长石、玻璃、和多铝红柱石。根据这些示例性实施方式，多孔体还包括：多个多孔陶瓷通道壁，其以轴向从相对的第一和第二端面延伸，在其间限定了孔道通道；以及以轴向延伸的外周表面。根据这些示例性实施方式，多孔体还包括布置在一部分的孔道通道中的堵塞物，形成微粒过滤器和部分微粒过滤器中的至少一种。根据这些示例性实施方式，多孔体还包括布置在通道壁中的催化剂涂层和布置在通道壁上的催化剂涂层中的至少一种。

根据示例性实施方式，多孔体包含连接的珠微结构，其包括：珠，其中，在穿过多孔体的随机横截面中，珠看上去是球状部分；珠连接体，其中，相邻的珠通过珠连接体相连；和小于约0.5的珠重叠，珠重叠是相邻连接的珠之间的径向干扰(radial interference)的分数，其中，珠包括的中值珠直径(D_珠)是约20μm<D_珠≤50μm，以及珠直径分布(D_宽度)小于100μm，D_宽度是((D₉₀-D₁₀)/D₅₀)。

根据示例性实施方式，多孔体包括：孔隙率(P)是约0.3至约0.4的分数；渗透性(K)大于或等于约0.017·P·d₅₀ ²，其中，d₅₀是平均孔径(单位是微米，μm)；弯曲度是约2至5；和中值孔径直径d₅₀是约10μm至约35μm。

对本领域的技术人员显而易见的是，可以在不偏离本公开的精神或范围的情况下对本公开进行各种修改和变化。因此，本公开内容应涵盖对本公开内容的这些修改和变动，只要这些修改和变动在所附权利要求及其等同方案的范围之内。

Claims

1.一种多孔陶瓷体，其包括：

孔隙率(P)是约0.3至约0.7的分数；

渗透性因子PQ>0.025，其中，PQ是(K_块体)/(P·d₅₀ ²)，K_块体是块体渗透率，其单位是达西，以及d₅₀是平均孔径，其单位是微米(μm)；

弯曲度是约1.8至3；和

中值孔径直径d₅₀是约10μm至约25μm。

2.如权利要求1所述的多孔陶瓷体，其特征在于，PQ>0.03。

3.如权利要求1所述的多孔陶瓷体，其特征在于，PQ>0.04。

4.如权利要求1所述的多孔陶瓷体，其特征在于，PQ>0.046。

5.如权利要求1所述的多孔陶瓷体，其特征在于，PQ>0.05。

6.如权利要求1-5中任一项所述的多孔陶瓷体，其还包括互联的珠微结构，其包含珠部分和珠连接部分，其中，通过珠连接部分连接了相邻的珠部分，

其中，PQ与珠尺寸成正比，

其中，在穿过多孔陶瓷体的随机横截面中，珠部分看上去是球状的。

7.如权利要求1-6中任一项所述的多孔陶瓷体，其还包括互联的珠微结构，其包含珠部分和珠连接部分，其中，通过珠连接部分连接了相邻的珠部分，

其中，PQ与珠重叠成反比，珠重叠是相邻连接的珠部分之间的径向干扰的分数，

8.如权利要求1-7中任一项所述的多孔陶瓷体，其特征在于，穿壁渗透率K_TW与块体渗透率K_块体的比例大于0.9(K_TW/K_块体>0.9)。

9.如权利要求8所述的多孔陶瓷体，其特征在于，K_TW/K_块体>0.95。

10.如权利要求8所述的多孔陶瓷体，其特征在于，K_TW/K_块体>0.99。

11.如权利要求1-10中任一项所述的多孔陶瓷体，其特征在于，孔隙度(％P)是约30％至约40％。

12.如权利要求1-11中任一项所述的多孔陶瓷体，其特征在于，孔隙度(％P)是约40％至约70％。

13.如权利要求1-12中任一项所述的多孔陶瓷体，其还包括：

互联的珠微结构，其包含：

珠部分；

珠连接部分，其中，相邻的珠部分通过珠连接部分相连；以及

小于约0.5的珠重叠，珠重叠是相邻的连接珠部分之间的径向干扰的分数，

其中，珠部分包括经反应烧结的无机球体，以及

14.如权利要求1-13中任一项所述的多孔陶瓷体，其特征在于，经反应烧结的无机球体包括氧化物，其包含至少一个晶相和玻璃状相。

15.如权利要求14所述的多孔陶瓷体，其特征在于，晶相包括以下至少一种：铁板钛矿、堇青石、多铝红柱石、尖晶石、锶、铝长石、β-锂辉石、和β-锂霞石。

16.如权利要求1-15中任一项所述的多孔陶瓷体，其特征在于，经反应烧结的无机球体包括以下至少一种：氧化铝、氧化钛、氧化硅、稀土物质、SiC、SiN、和碱土氧化物。

17.如权利要求1-16中任一项所述的多孔陶瓷体，其特征在于，珠连接部分在每个珠部分表面的小于50％上包含粘合剂，以及珠微结构还包括孔。

18.如权利要求1-17中任一项所述的多孔陶瓷体，其特征在于，珠微结构还包括珠部分的表面之间的孔。

19.如权利要求1-18中任一项所述的多孔陶瓷体，其特征在于，珠重叠小于约0.2。

20.如权利要求1-19中任一项所述的多孔陶瓷体，其特征在于，珠重叠小于约0.05。

21.如权利要求1-20中任一项所述的多孔陶瓷体，其特征在于，珠部分的中值直径(D_珠)约为14μm<D_珠≤50μm。

22.如权利要求1-21中任一项所述的多孔陶瓷体，其特征在于，珠部分的中值直径(D_珠)约为20μm<D_珠≤45μm。

23.如权利要求1-22中任一项所述的多孔陶瓷体，其特征在于，珠部分的中值直径(D_珠)约为30μm<D_珠≤40μm。

24.如权利要求1-23中任一项所述的多孔陶瓷体，其包括钛酸铝铁板钛矿、堇青石、长石、玻璃、和多铝红柱石中的至少一种。

25.如权利要求1-24中任一项所述的多孔陶瓷体，其还包括：

多个多孔陶瓷通道壁，其以轴向从相对的第一和第二端面延伸，在其间限定了孔道通道；和

以轴向延伸的外周表面。

26.如权利要求1-25中任一项所述的多孔陶瓷体，其还包括布置在一部分的孔道通道中的堵塞物，形成微粒过滤器和部分微粒过滤器中的至少一种。

27.如权利要求1-26中任一项所述的多孔陶瓷体，其还包括布置在通道壁中的催化剂涂层和布置在通道壁上的催化剂涂层中的至少一种。

28.一种多孔体，其包括：

连接的珠微结构，其包含：

珠，其中，在穿过多孔体的随机横截面中，珠看上去是球状部分；

珠连接体，其中，相邻的珠通过珠连接体相连；以及

小于约0.5的珠重叠，珠重叠是相邻的连接珠之间的径向干扰的分数，

其中，珠包括的中值珠直径(D_珠)约为20μm<D_珠≤50μm，以及

珠直径分布(D_宽度)小于100μm，D_宽度是((D₉₀-D₁₀)/D₅₀)。

29.一种多孔体，其包括：

孔隙率(P)是约0.3至约0.4的分数；

渗透率(K)大于或等于约0.017·P·d₅₀ ²，其中，d₅₀是平均孔径；

弯曲度是约2至5；和

通过汞孔隙度法测得的中值孔径直径d₅₀是约10μm至约35μm。