CN109311761B - 钛酸铝组合物、钛酸铝制品、及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
揭示了包含无机批料组合物的陶瓷组合物，所述无机批料组合物包含氧化镁源、氧化硅源、氧化铝源、氧化钛源、和至少一种稀土氧化物，其中，稀土氧化物包括如下粒度分布：(D90)小于5μm和中值粒度(D50)约0.4μm。揭示了包含第一晶相、第二晶相、第三晶相和稀土氧化物的陶瓷制品及其制造方法，所述第一晶相主要包括钛酸铝和二钛酸镁的固溶体，所述第二晶相包括堇青石，所述第三晶相包括多铝红柱石。
Description
相关申请
本申请要求2016年06月13日提交的美国临时申请号62/349,249的优先权，其全文通过引用结合于此。
技术领域
本公开的示例性实施方式涉及陶瓷组合物、陶瓷制品及其制造方法，更具体地，涉及：包含无机批料组合物的陶瓷组合物，所述无机批料组合物包含氧化镁源、氧化硅源、氧化铝源、氧化钛源、和至少一种稀土氧化物；包含第一晶相、第二晶相、第三晶相、和稀土氧化物的陶瓷制品，所述第一晶相主要包括钛酸铝和二钛酸镁的固溶体，所述第二晶相包括堇青石，所述第三晶相包括多铝红柱石；及其制造方法。
背景技术
可以使用负载在高表面积基材上的催化剂对有害气体进行后处理来清洁废气。此外，可以通过使用过滤器去除废气系统的灰和烟炱。可以通过俘获和碳烟炱颗粒的催化燃烧来去除烟炱。在一些情况下，所有这些操作可以在同一个过滤器中进行，其还起到催化剂支承的作用。这些过滤器是在一定范围的pO2条件下阻燃、耐热冲击、稳定的，与催化剂体系不具有反应性，以及具有低压降从而使得对于燃料效率的不利结果最小化。
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制造包括均匀分布的相的陶瓷制品的方法。
本公开的示例性实施方式还提供了包括细颗粒稀土氧化物的陶瓷批料组合物。
本公开的示例性实施方式还提供了包括均匀分布的相的陶瓷制品。
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制造陶瓷制品的方法。该方法包括：至少混合氧化镁源、氧化硅源、氧化铝源、氧化钛源、和稀土氧化物来形成无机批料组合物；将无机批料组合物与一种或多种加工助剂混合到一起来形成塑化陶瓷前体批料组合物，所述加工助剂选自：增塑剂、润滑剂、粘合剂、成孔剂、和溶剂；将塑化陶瓷前体批料组合物成形为生坯体；以及在有效地将生坯体转化为陶瓷制品的条件下烧制生坯体，所述陶瓷制品包括：铁板钛矿相(其主要包含氧化铝、氧化镁、和氧化钛)，第二相(其包含堇青石)，和第三相(其包含多铝红柱石)，其中，稀土氧化物包括以下至少一种：镧系元素氧化物和氧化钇，以及其中，稀土氧化物包括如下粒度分布，其中，粒度分布中90％的颗粒包括尺寸小于或等于5μm(D90≤5μm)和中值粒度小于或等于1.0μm(D50≤1μm)。
另一个示例性实施方式揭示了控制陶瓷制品的收缩或生长的方法。该方法包括：至少混合氧化镁源、氧化硅源、氧化铝源、氧化钛源、和稀土氧化物来形成无机批料组合物，其中，稀土氧化物包括如下粒度分布，其中，粒度分布中90％的颗粒包括尺寸小于或等于5μm(D90≤5μm)和中值粒度小于或等于1.0μm(D50≤1μm)；将无机批料组合物与一种或多种加工助剂混合到一起来形成塑化陶瓷前体批料组合物，所述加工助剂选自：增塑剂、润滑剂、粘合剂、成孔剂、和溶剂；将塑化陶瓷前体批料组合物成形为多个生坯体；以及在窑中，在有效地将生坯体(green bodies)转化为陶瓷制品(ceramic articles)的最高保温温度下烧制生坯体，所述陶瓷制品每一个分别包括：铁板钛矿相(其主要包含氧化铝、氧化镁、和氧化钛)，第二相(其包含堇青石)，和第三相(其包含多铝红柱石)，以形成陶瓷制品，其中，陶瓷制品的干燥生坯到烧制收缩范围小于或等于0.5％，所述收缩范围是陶瓷制品之间的收缩的最大差异，以及其中，窑温度差异最高至10℃。
另一个示例性实施方式揭示了包含无机批料组合物的陶瓷批料组合物，所述无机批料组合物包含氧化镁源、氧化硅源、氧化铝源、氧化钛源、和稀土氧化物，其中，稀土氧化物包括如下粒度分布：D90小于5μm和中值粒度D50小于约1μm。
另一个示例性实施方式揭示了一种组合物，以氧化物计，其表述为：a(Al2TiO5)+b(MgTi2O5)+c(2MgO.2Al2O3.5SiO2)+d(3Al2O3.2SiO2)+e(MgO.Al2O3)+f(2MgO.TiO2)+g(X)+i(Fe2O3.TiO2)+j(TiO2)+k(Al2O3)+m(SiO2)+n(MgO)，其中，a、b、c、d、e、f、g、i、j、k、m、和n是每种组分的重量分数，使得(a+b+c+d+e+f+g+i+j+k+m+n)＝1.00，其中，0.3≤a≤0.88，0.03≤b≤0.3，0.02≤c≤0.5，和0.001≤g≤0.05，其中，X是稀土氧化物，以及其中，稀土氧化物包括如下粒度分布：D90小于5μm和中值粒度D50约0.4μm。
另一个示例性实施方式揭示了一种陶瓷制品，其包含至少约50％的铁板钛矿相(其主要包含氧化铝、氧化镁、和氧化钛)；第二相(其包含堇青石)；第三相(其包含多铝红柱石)；和稀土氧化物(其包含镧系元素氧化物和氧化钇中的至少一种)；其中，陶瓷制品的微结构包括第三相在第二相中的均匀分布，以及其中，陶瓷制品包括大于55％的孔隙度和RT至800℃的低于12x10-7/℃的热膨胀系数(CTE)，以及烧结助剂少于0.75摩尔％，其中，烧结助剂的摩尔％是基于所述镧系元素氧化物和氧化钇中的至少一种的元素计算的。
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是穿过比较例蜂窝体的孔道壁的横截面的扫描电子显微镜(SEM)图像，所述比较例蜂窝体包含：约10至25重量％堇青石、约5至30重量％多铝红柱石，约50至70重量％铁板钛矿相(其主要由Al2TiO5-MgTi2O5固溶体构成)，和约1.5重量％CeO2添加。图2B和2C分别是穿过图2A的孔道壁和孔道壁边缘处的放大图。
图3A是穿过根据本公开实施方式的示例性蜂窝体的孔道壁的横截面的扫描电子显微镜(SEM)图像，所述示例性蜂窝体包含：约10至25重量％堇青石、约5至30重量％多铝红柱石，约50至70重量％铁板钛矿相(其主要由Al2TiO5-MgTi2O5固溶体构成)，和约1.0重量％CeO2添加。图3B和3C分别是穿过图3A的孔道壁和孔道壁边缘处的放大图。
图4显示氧化铈的粒度分布的测量数据图。实线表示刚接收的氧化铈(粗)的粒度分布曲线，以及虚线表示在研磨之后的氧化铈(细)的粒度分布曲线。
图5显示氧化钇的粒度分布的测量数据图。实线表示刚接收的氧化钇(粗)的粒度分布曲线，以及虚线表示在研磨之后的氧化钇(细)的粒度分布曲线。
图6显示对于根据本公开示例性实施方式制造的含1.5重量％粗氧化铈(铈氧化物)和1重量％细氧化铈(铈氧化物)的制品，从约24℃室温(RT)到约800℃的热膨胀系数(CTE)(单位是ppm/K，RT至800℃)与最高保温温度(TATS)(℃)的关系的测量数据图。
图7A显示根据本公开的示例性实施方式制造的含有各种量的研磨稀土氧化物(“研磨的”)(其具有约0.4μm的中值粒度，本文称作“细”)的制品与根据比较例制造的含有未经研磨的稀土氧化物(“未”)(其具有约7-20μm的中值粒度，本文称作“粗”)的制品的平均CTE(RT至800℃，单位是10-7/℃)与在TATS持续22小时的最高保温温度(TATS)(℃)的关系的测量数据图。
图7B显示根据本公开的示例性实施方式制造的含有各种量的研磨稀土氧化物(“研磨的”)(其具有约0.4μm的中值粒度)的制品与根据比较例制造的含有未经研磨的稀土氧化物(“未”)(其具有约7-20μm的氧化铈或氧化钇的中值粒度)的制品的平均CTE(RT至800℃，单位是10-7/℃)与在TATS持续16小时的最高保温温度(TATS)(℃)的关系的测量数据图。
图7C显示根据本公开的示例性实施方式制造的含有各种量的研磨稀土氧化物(“研磨的”)(其具有约0.4μm的中值粒度)的制品与根据比较例制造的含有未经研磨的稀土氧化物(“未”)(其具有约7-20μm的氧化铈或氧化钇的中值粒度)的制品的平均CTE(RT至800℃，单位是10-7/℃)与在TATS持续10小时的最高保温温度(TATS)(℃)的关系的测量数据图。
图8A显示：根据本公开的示例性实施方式制造的含有1重量％细氧化铈的制品(靠下的实线和虚线)的干燥生坯至烧制收缩(Pred G-F)相对于TATS的实验数据的拟合图，在TATS的时间是22小时(h)(虚线)或16h(实线)，以及根据比较例制造的含有1.5重量％粗氧化铈的制品(靠上的实线和虚线)的干燥生坯至烧制收缩(Pred G-F)相对于TATS的实验数据的拟合图，在TATS的时间是22h(虚线)或16h(实线)。
图8B是图8A的收缩曲线的衍生图(Der G-F)，显示材料相对于最高保温温度(TATS)的敏感性。
图9A显示根据本公开示例性实施方式制造的含1重量％细氧化铈的制品的保温时间(h)和TATS的性质和敏感性，其中，R1表示中值孔径限值(>16.5μm)的区域，R2表示CTE(<11.5 x 10-7/℃，从RT到800℃)的限值的区域，R3表示烧制窗口的区域，以及R4表示烧制收缩敏感性(最大＝0.05％/℃)的限值的区域。
图9B显示根据比较例制造的含1.5重量％粗氧化铈的保温时间(h)和TAST的性质和敏感性。R1表示中值孔径限值(>16.5μm)的区域，R2表示CTE(<11.5 x 10-7/℃，从RT到800℃)的限值的区域，R3表示烧制窗口的区域，以及R4表示烧制收缩敏感性(最大＝0.05％/℃)的限值的区域。
图10A是图9A的图表，但是具有收缩的轮廓线，以及图10B是图9B的图表，但是具有收缩的轮廓线。
具体实施方式
如本文所述，会理解的是，以“a”结尾的氧化物是以“ium”结尾的氧化物的同义词，例如，“氧化钇(ytria)”是“钇氧化物(yttrium oxide)”的同义词，例如Y2O3、钇(III)氧化物等，以及“氧化铈(ceria)”是“铈氧化物(cerium xoide)”的同义词，也称作铈的氧化物、二氧化铈、CeO2、铈(IV)氧化物等。还会理解的是，镧系元素氧化物包括镧系元素的氧化物，包括例如氧化铈、氧化镧等。还会理解的是，出于本公开的目的，“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、XY、XZ、YZ、XXY)。
本文中，范围包括范围的给定端点和端点之间的所有值。还应理解的是，每个范围的端点值在与另一个端点值有关和与另一个端点值无关时，都是有意义的。当测量描述为“约”一个特定值或者特定范围值时，测量旨在包括机械容差、一般测量误差余量和/或其等价形式。本公开的实施方式中用来对例如组合物中成分的量、浓度、体积、过程温度、过程时间、产率、流速、压力、粘度和类似数值及其范围进行修饰的“约”是指可能发生的数值量的改变，例如，源自制备材料、组合物、复合体、浓缩物或使用制剂所用的常规测量和操作过程；源自这些过程中的偶然性误差；源自用来实施所述方法的起始材料或成分的生产、来源或纯度的差异；以及类似因素。术语“约”还包括由于具有特定初始浓度或混合物的组合物或制剂的老化而不同的量，以及由于混合或加工具有特定初始浓度或混合物的组合物或制剂而不同的量。
除非另有表述，否则都不旨在将本文所述的任意方法理解为需要使其步骤以具体顺序进行。因此，当方法权利要求实际上没有陈述为其步骤遵循一定的顺序或者其没有在权利要求书或说明书中以任意其他方式具体表示步骤限于具体的顺序，都不旨在暗示该任意特定顺序。虽然会用过渡语“包括”来公开特定实施方式的各种特征、元素或步骤，但是应理解的是，这暗示了包括可采用过渡语由“......构成”、“基本由......构成”描述在内的替代实施方式。因此，例如，对包含A+B+C的结构的隐含的替代性实施方式包括结构由A+B+C组成的实施方式和结构主要由A+B+C组成的实施方式。
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或孔道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110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、280/11、300/7、300/13、350/12、350/14、400/4、和600/4。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形状。
此外，蜂窝体100可以包括第一和第二通道，其中，第一通道具有第一水力直径Dh1，以及第二通道具有第二水力直径Dh2。在一个实施方式中，Dh1与Dh2之比是1.1至1.6。但是，在另一个实施方式中，Dh1与Dh2之比可以是1.0。每一个第一通道可以被第二通道接壤，反之亦可，或者也可以提供第一通道和第二通道的其他布置。在一些实施方式中，通道的角落可以提供嵌缝(fillets)或者斜面。在一个实施方式中，对于给定的孔道密度和闭合锋面，可以对嵌缝或斜面的尺度进行选择，从而使得较大孔道的水力直径最大化。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。通过微波辐射、或者热空气等进行干燥，当水被减少到尽可能低时(例如，小于2重量％的干燥生坯物件)，得到干燥的生坯体或干燥的生坯物件。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界表面。网络和通道包括基质。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。
近来，在市场上已经出现具有改进性能的新型催化剂，并且发现展现出与现有陶瓷过滤器和基材具有不合乎希望的化学相互作用。在存在铜的情况下，包含镁稳定化的钛酸铝以及多铝红柱石和堇青石中的至少一种的陶瓷相比于先前的不含镁组合物提供了更耐用的过滤器。但是，为了实现目标抗热冲击性和孔微结构，这些陶瓷依赖于添加昂贵的稀土氧化物烧结助剂(例如，大于1.0重量％氧化铈)。本公开的示例性实施方式提供的工艺和组合物减少了稀土氧化物烧结助剂(下文称作“稀土氧化物”或“烧结助剂”)的量，同时维持所需的物理和微结构性质。根据这些示例性实施方式中的一些，可以降低批料成本同时可以控制在最高保温温度的收缩。
一个示例性实施方式揭示了一种陶瓷制品，其包括：第一晶相(其主要包括钛酸铝和二钛酸镁的固溶体(MgTi2O5-Al2TiO5))，第二晶相(其包括堇青石)，和第三晶相(其包括多铝红柱石)，以氧化物的重量％计，该制品具有如下组成：1至10％MgO，40至61％Al2O3，23至50％TiO2，3至25％SiO2，和稀土氧化物。相对于无机批料组合物的总重计，稀土氧化物存在的范围可以是大于0.1至5重量％，例如，稀土氧化物存在的范围可以是0.3至3.0重量％、0.4至2.5重量％、0.5至1.5重量％、2.5至4.5重量％、1至4重量％、0.15至3重量％、0.2至2重量％、或者甚至0.3至1.5重量％。根据这些示例性实施方式中的一些，以氧化物的重量％计，制品可以具有如下组成：5至10％MgO，40至50％Al2O3，30至35％TiO2，10至20％SiO2。
根据示例性实施方式，稀土氧化物可以是镧系元素氧化物和氧化钇中的至少一种。稀土氧化物可以是氧化铈、氧化镧等。例如，稀土氧化物可以是以下一种：氧化铈，以及氧化钇和氧化镧中的至少一种。例如，稀土氧化物可以是：氧化铈和氧化钇，氧化铈和氧化镧，或者氧化铈、氧化钇、和氧化镧。此外，稀土氧化物可以是例如仅有氧化铈。此外，稀土氧化物可以是例如氧化钇和氧化镧中的至少一种，例如，仅有氧化钇、仅有氧化镧、或者氧化钇和氧化镧。
此外，陶瓷组合物还可任选地包含一种或多种金属氧化物添加剂。例如，金属氧化物添加剂存在的量可以是总组合物的0至5重量％，并且可以包括例如一种或多种金属氧化物，如Fe2TiO5、CaO、SrO等。在这些实施方式中的一些，来自合适铁源的铁氧化物以氧化亚铁或氧化铁或与其它氧化物的组合(如Fe2TiO5)存在时，按Fe2TiO5计算，铁氧化物量可以是0至3重量％Fe2TiO5。Fe2TiO5的存在可有利于减慢在氧化气氛中的分解。当Fe2TiO5和尖晶石相都存在于陶瓷体中时，尖晶石固溶体也可以还包含在固溶体中的亚铁和/或三价的铁。
可以提供稀土氧化物或金属氧化物来降低形成陶瓷组合物所需的烧制温度和加宽烧制窗口。
根据这些示例性实施方式，陶瓷制品可包括如下组合物，以氧化物计，其表述为：a(Al2TiO5)+b(MgTi2O5)+c(2MgO.2Al2O3.5SiO2)+d(3Al2O3.2SiO2)+e(MgO.Al2O3)+f(2MgO.TiO2)+g(X)+i(Fe2O3.TiO2)+j(TiO2)+k(Al2O3)+m(SiO2)+n(MgO)，其中，a、b、c、d、e、f、g、i、j、k、m、和n是每种组分的重量分数，使得(a+b+c+d+e+f+g+i+j+k+m+n)＝1.00，其中，X是稀土氧化物，以及其中，稀土氧化物包括如下粒度分布：D90小于5μm和中值粒度D50约0.4μm。
在这些示例性实施方式中，系数(a、b、c、d、e、f、g、i、j、k、m、和n)可以是0.3≤a≤0.88，0.03≤b≤0.3，0.02≤c≤0.5，和0.001≤g≤0.05。系数也可以是0.3≤a≤0.88，0.03≤b≤0.3，0.02≤c≤0.5，0.0≤d≤0.4，0.0≤e≤0.25，0.0≤f≤0.1，0.001≤g≤0.05，0.0≤i≤0.05，0.0≤j≤0.2，0.0≤k≤0.15，0.0≤m≤0.05，0.0≤n≤0.03。此外，系数g可以是0.002≤g≤0.03。可以认为，用于定义这些陶瓷的氧化物组成的氧化物和氧化物组合并不需要以相应的游离氧化物或晶体相存在于陶瓷体中，除非本文中特别指出这些晶体相为这些陶瓷的特征。还应认识到虽然a、b、c、d、e、f、g、i、j、k、m、和n之和是1.00，但这表达的是氧化物和氧化物组合的比例。也就是说，除了所述比例的氧化物和氧化物组合以外，复合陶瓷体可包括其它杂质。参考如下所述的实施例，这将变得显而易见。
钛酸铝和二钛酸镁的固溶体相优选地呈现铁板钛矿晶体结构。为此，铁板钛矿相的组成可取决于工艺温度以及陶瓷的总体组成(bulk composition)，因此可以由平衡条件来决定。但是，在一个实施方式中，铁板钛矿相的组成包含5重量％至35重量％的MgTi2O5。而且，虽然铁板钛矿相的总体积也可以变化，但是在另一个实施方式中，总体积优选为总陶瓷组合物的50体积％至95体积％。
任选地，复合陶瓷体还可包含选自下组的一个或多个相：假蓝宝石，氧化钛多晶型物，例如，金红石或锐钛矿，刚玉，和尖晶石固溶体(MgAl2O4-Mg2TiO4)。当存在尖晶石相时，其组成还会取决于工艺温度和总体组成。但是，在一个实施方式中，尖晶石相可以包含至少约95％MgAl2O4。
根据本公开的一个特定示例性实施方式，陶瓷体包含：约10至35重量％堇青石，约3至10重量％多铝红柱石，约50至70重量％铁板钛矿相，其主要由Al2TiO5-MgTi2O5固溶体构成，和约0.1至3.0重量％稀土氧化物添加。
在一些情况下，本公开的陶瓷体可以包含较高水平的总孔隙率。比如，可以提供总孔隙率％P为至少40％、至少45％、至少50％、或者甚至至少60％的陶瓷体，孔隙率由水银孔率计测定。
除了较高的总孔隙率外，本发明的陶瓷体还包括较窄的孔径分布，可由较细小和/或较大的孔径的尽可能小的百分率证明。为此，相对孔径分布可由孔分数表示，本文中使用的孔分数是通过汞孔隙仪测定的孔隙体积除于100的百分数。例如，d50的数值是基于孔容的中值孔径，按微米测量；因此，d50是陶瓷样品中50％的开孔中渗入汞时的孔直径。d90的数值是90％的孔容由其直径小于d90数值的孔构成时的孔直径；因此，d90还等于陶瓷中10体积％的开孔中渗入汞时的孔直径。此外，d10的数值是10％的孔容由其直径小于d10数值的孔构成时的孔直径，因此，d10等于陶瓷中90体积％开孔中渗入汞时的孔直径。d10和d90值也用微米单位表示。
在一个实施方式中，本发明陶瓷制品中存在的孔的中值孔直径d50为至少10μm，更优地至少14μm，或更优地至少16μm。在另一个实施方式中，本文陶瓷制品中存在的孔的中值孔直径d50不超过30μm，更优地不超过25μm，以及更优地不超过20μm。在另一个实施方式中，本陶瓷制品中存在的孔的中值孔径d50可以是10μm至30μm，例如，15μm至25μm，14μm至24μm，以及甚至16μm至20μm。为此，当本公开的陶瓷体被用于柴油机废气过滤应用时，上述孔隙率值和中值孔径值的组合在维持有用的过滤效率的同时，可以提供低的空载压降和烟炱负载压降。
在一些实施方式中，示例性陶瓷制品的较窄的孔径分布可由小于中值孔径d50(进一步定量为孔分数)的孔径分布宽度来表示。如本文所用，小于中值孔径d50的孔径分布宽度可由“d因子”或“df”值表示，其表示了(d50-d10)/d50的量。为此，本公开的陶瓷体包括的d因子值可以不超过0.50、0.40、0.35或甚至不超过0.30。在一些优选的实施方式中，本发明陶瓷体的d因子值不超过0.25或者甚至0.20。为此，较低的df值表示低的小孔分数，当将本文所揭示的陶瓷体用于柴油机过滤应用时，低的df值有利于确保低的烟炱负载压降。
在另一个实施方式中，本文所揭示的陶瓷制品的较窄的孔径分布可由小于或大于中值孔径d50(进一步定量为孔分数)的孔径分布宽度来表示。如本文所用，小于或大于中值孔径d50的孔径分布宽度由“d宽度”或“db”值表示，其表示(d90-d10)/d50的量。为此，在一些实施方式中，本公开的陶瓷结构包括的db值小于1.50、1.25、1.10、或者甚至小于1.00。在一些特别优选的实施方式中，db值不大于0.8，更优地不大于0.7，以及甚至更优地不大于0.6。较低的db值可以为柴油机过滤应用提供较高的过滤效率和较高的强度。
在另一个实施方式中，本公开的陶瓷体可以展现处能产生优异的耐热冲击性(TSR)的低的热膨胀系数。如本领域技术人员能理解的，TSR与热膨胀系数(CTE)成反比。也就是说，热膨胀小的陶瓷体通常会具有较高的耐热冲击性，并能耐受例如在柴油机废气过滤应用中遭遇的宽范围的温度波动。因此，在一个实施方式中，本公开的陶瓷制品的特征在于：具有沿至少一个方向的较低的热膨胀系数(CTE)，用膨胀计测量法测定，其在24℃至800℃的温度范围上是小于或等于11 x 10-7/℃、小于或等于10.0 x 10-7/℃、或者甚至小于或等于8.0 x 10-7/℃。
此外，应理解的是，本公开的实施方式可以展现出上述性质的任意所需组合。例如，在一个实施方式中，优选CTE(25-800℃)不超过11 x 10-7/℃(优选不超过10 x 10-7/℃)，孔隙度％P至少55％，中值孔直径至少14μm(优选至少17μm)，以及df值不超过0.35(优选不超过0.30)。更优选地，此类示例性陶瓷体展现出的db值不超过1.0，更优地不超过0.85，更优地不超过0.75。在另一个示例性实施方式中，CTE(25-800℃)不超过18 x 10-7/℃且孔隙率％P是至少40％。例如，CTE(25-800℃)不超过18 x 10-7/℃且孔隙率％P是至少60％。在另一个例子中，CTE(25-800℃)不超过12 x 10-7/℃且孔隙率％P是至少40％。在另一个例子中，CTE(25-800℃)不超过12 x 10-7/℃且孔隙率％P是至少60％。
陶瓷制品可包括从RT到800℃(CTERT-800℃)低于12 x 10-7/℃的热膨胀系数。根据这些示例性实施方式，陶瓷制品可以包括大于55％(例如，大于56％、大于58％、大于60％、大于62％、或者甚至大于65％)的孔隙度(％P)。在这些示例性实施方式中，陶瓷制品可以包括低于10 x 10-7/℃(例如，低于9 x 10-7/℃、低于8 x 10-7/℃、或者甚至低于6 x 10-7/℃)的CTERT-800℃。在这些示例性实施方式中，陶瓷制品包括的烧结助剂的量可以小于0.75摩尔％。烧结助剂的摩尔％是基于稀土氧化物(例如，镧系元素氧化物、氧化钇，或其组合)的元素计算的。例如，Y2O3(氧化钇)具有两摩尔的钇烧结助剂。又例如，CeO2(氧化铈，镧系氧化物)具有一摩尔的铈烧结助剂。可以通过采用如本文所述的细粒度稀土氧化物，来实现烧结助剂的此类低的CTE/％P/摩尔％值。
根据这些示例性实施方式中的一些，陶瓷制品可以包括：孔隙度大于65％，CTERT-800℃低于12 x 10-7/℃，和烧结助剂少于0.75摩尔％。在这些示例性实施方式中的一些，陶瓷制品可以包括：孔隙度大于62％，CTERT-800℃低于10 x 10-7/℃，和烧结助剂少于0.75摩尔％。在这些示例性实施方式中的一些，陶瓷制品可以包括：孔隙度大于60％，CTERT-800℃低于9 x 10-7/℃，和烧结助剂少于0.75摩尔％。在这些示例性实施方式中的一些，陶瓷制品可以包括：孔隙度大于58％，CTERT-800℃低于8 x 10-7/℃，和烧结助剂少于0.75摩尔％。在这些示例性实施方式中的一些，陶瓷制品可以包括：孔隙度大于56％，CTERT-800℃低于6 x 10-7/℃，和烧结助剂少于0.75摩尔％。
在本公开的一些示例性实施方式中，陶瓷制品的微结构包括相的均匀分布。通过在制造工艺中使用细粒度稀土氧化物，实现了相的均匀分布，如下文进一步所述。图2A是穿过比较例蜂窝体的形成通道的孔道壁的横截面的扫描电子显微镜(SEM)图像，所述比较例蜂窝体包含：约10至25重量％堇青石，约5至30重量％多铝红柱石，约50至70重量％铁板钛矿相(其主要由Al2TiO5-MgTi2O5固溶体构成)，和约1.5重量％CeO2添加。图2B和2C分别是穿过图2A的孔道壁和孔道壁边缘处的放大图。图3A是穿过根据本公开实施方式的示例性蜂窝体的孔道壁的横截面的扫描电子显微镜(SEM)图像，所述示例性蜂窝体包含：约10至25重量％堇青石，约5至30重量％多铝红柱石，约50至70重量％铁板钛矿相(其主要由Al2TiO5-MgTi2O5固溶体构成)，和约1.0重量％CeO2添加。图3B和3C分别是穿过图3A的孔道壁和孔道壁边缘处的放大图。除了CeO2的添加量之外，比较例蜂窝体和根据本公开示例性实施方式的蜂窝体的组成是相同的。此外，示例性蜂窝体中的CeO2添加具有较细的粒度分布。
从图2B和2C可以看出，对于比较例蜂窝体中的给定铁板钛矿(psb)相尺寸和分布，堇青石(cord)和多铝红柱石(mu)相是较不均匀的分布。相反地，对于在制造工艺中具有较少CeO2添加但是较细的CeO2添加粒度分布的示例性蜂窝体中的给定铁板钛矿(psb)相尺寸和分布，堇青石(cord)和多铝红柱石(mu)相是更为均匀的分布，如图3B和3C所示。图3B中的圆圈和箭头显示了均匀分布的多铝红柱石和堇青石(mu+cord)的清晰可辨区域。
本公开的示例性实施方式还提供了一种从包含某些无机粉末原材料的形成陶瓷的前体批料组合物制造示例性复合堇青石、多铝红柱石和钛酸铝镁陶瓷制品的方法。一般地，该方法包括首先提供包含氧化镁源、氧化硅源、氧化铝源和氧化钛源的无机批料组合物。然后，该无机批料组合物与一种或多种加工助剂混合，所述加工助剂选自下组：增塑剂、润滑剂、粘合剂、成孔剂和溶剂，以便形成增塑的陶瓷前体批料组合物。将增塑的陶瓷前体批料组合物成形或者以其它方式形成生坯体，任选地干燥，然后在能将所述生坯体有效转化为陶瓷制品的条件下进行烧制。
氧化镁源可以选自例如以下一种或多种：MgO、Mg(OH)2、MgCO3、MgAl2O4、Mg2SiO4、MgSiO3、MgTiO3、Mg2TiO4、MgTi2O5、滑石、和经煅烧的滑石，但不限于此。或者，氧化镁源可以选自以下一种或多种：镁橄榄石、橄榄石、绿泥石、或蛇纹石。优选地，氧化镁源的中值颗粒直径没有超过35μm，优选没有超过30μm。为此，本文所涉及的所有颗粒直径都是通过激光衍射技术测量的，例如通过使用Microtrac粒度分析仪。
氧化铝源可以是例如选自如下形成氧化铝的源，例如：刚玉、Al(OH)3、勃姆石、水铝石、过渡氧化铝如γ-氧化铝或ρ-氧化铝，但不限于此。或者，氧化铝源可以是铝和其它金属氧化物的复合物(compound)，例如MgAl2O4、Al2TiO5、多铝红柱石、高岭土、煅烧的高岭土、叶蜡石(phyrophyllite)、蓝晶石等。在一个实施方式中，氧化铝源的重均中值粒度优选是10μm至60μm，更优选是20μm至45μm。在另一个实施方式中，氧化铝源可以是一种或多种形成氧化铝的源与一种或多种铝与其他金属氧化物的复合物的组合。
除了上述与镁或氧化铝的复合物以外，提供的氧化钛源可以是TiO2粉末。
可以提供SiO2粉末作为氧化硅源，例如，石英、隐晶质石英、熔合二氧化硅、硅藻二氧化硅、低碱沸石、或胶体二氧化硅。此外，提供的氧化硅源也可以是与镁和/或铝的复合物，包括比如堇青石、绿泥石等。在另一个实施方式中，氧化硅源的中值颗粒直径优选是至少5μm，更优是至少10μm，以及更优选是至少20μm。
如上文所述，可任选地向前体批料组合物添加一种或多种稀土氧化物或金属氧化物烧结助剂或添加剂，来降低形成陶瓷组合物所需的烧制温度和加宽烧制窗口。例如，存在的烧结助剂或添加剂的量可以是总组合物的0.1至5重量％，并且其可以包括例如一种或多种金属氧化物，如Fe2TiO5、CaO、SrO、Y2O3、CeO2、和La2O3。在一个实施方式中，发现当氧化钇(Y2O3)和/或镧系元素氧化物(La2O3或CeO2)以约0.1至5.0重量％的量(相对于无机批料组合物的总重计，例如，约0.2至2.0重量％的量)加入时，是特别优良的烧结添加剂。类似地，当以0至3重量％的量加入Fe2TiO5时，其可以有利于减慢氧化气氛中的分解。
出人意料地发现，研磨下降至约0.4μm中值粒度(D50)的稀土氧化物粒度在根据本公开示例性实施方式的陶瓷蜂窝体中提供了出人意料的优势，这是相比于采用约7至20μm中值粒度(D50)的稀土氧化物制造的陶瓷蜂窝体而言的。在本文中，将中值粒度约为0.4μm的经过研磨的粒度分布称作细的，以及将7至20μm中值粒度的粒度分布成为粗的或者刚接收的。虽然在本文所揭示的例子中通过研磨获得了细粒度分布，但是获得细粒度分布的其他方法也包括在本公开范围内，例如，通过煅烧、筛分、分离、过滤、从溶液沉淀等。在本公开的示例性实施方式中，可以将中值粒度小于或等于约1μm的细粒度分布视作细的。例如，细粒度分布可以具有小于或等于约0.7μm、小于或等于约0.5μm、或者甚至小于或等于约0.4μm的中值粒度。当中值粒度大于约1μm，无法实现细的稀土氧化物粒度分布的优点。
此外，根据这些示例性实施方式，细的稀土氧化物可以具有粒度分布D90小于或等于约5μm。D90是粒度分布中90％的颗粒小于D90的粒度。也就是说，颗粒的尺寸是指根据确定粒度的已知方法的颗粒的直径。例如，稀土氧化物的D90可以小于或等于约3μm，例如小于或等于约1μm。也就是说，稀土氧化物的D50可以小于或等于约1μm，以及D90可以小于或等于约5μm。例如，稀土氧化物可以是：D50小于或等于约1μm且D90小于或等于约3μm，D50小于或等于约0.7μm且D90小于或等于约5μm，D50小于或等于约0.7μm且D90小于或等于约3μm，D50小于或等于约0.7μm且D90小于或等于约1μm，或者甚至D50小于或等于约0.5μm且D90小于或等于约5μm。例如，稀土氧化物可以是：D50小于或等于约0.5μm且D90小于或等于约3μm，D50小于或等于约0.5μm且D90小于或等于约1μm，或者甚至D50小于或等于约0.4μm且D90小于或等于约5μm。例如，稀土氧化物可以是：D50小于或等于约0.4μm且D90小于或等于约3μm，或者甚至D50小于或等于约0.4μm且D90小于或等于约1μm。
细的稀土氧化物粒度分布的优点包括：从约24℃的室温(RT)到约800℃测得的较低的热膨胀系数(CTE)(CTERT-800)。作为结果，可以使用较少的稀土氧化物，这降低了原材料成本。稀土氧化物会是较为昂贵的材料，并且希望限制需求量。此外，烧制循环具有最高保温保持时间。采用细的稀土氧化物允许以较短的最高保温保持时间来实现所需的性质。在最高保温保持长时间会是能源密集且昂贵的。限制最高保温保持时间增加了窑容量并且可以降低烧制成本。
此外，根据本公开示例性实施方式的生坯体的陶瓷前体批料组合物的材料(其在烧制之后形成包含钛酸铝-二钛酸镁、堇青石和多铝红柱石的复合物)在最高保温温度是稳定的，因此存在烧制收缩没有大幅变化的大的温度范围。这在一些情况下可以被视为是有利的，但是这也意味着通过调节最高保温所可以诱发或减小的烧制收缩(生长)量几乎没有控制。也就是说，可以通过改变烧制的保温温度来调节经烧制的陶瓷产品的尺寸。例如，可以通过如下方式来确定收缩：首先测量作为挤出生坯体的样品，其中，在生坯体进入窑之前，对生坯体的至少一个尺度进行测量。之后，可以对作为多孔陶瓷制品的样品进行测量，其中，在制品离开窑之后，对制品的所述至少一个尺寸进行测量。然后，可以通过对比作为挤出生坯体的样品的所述至少一个测得尺度和作为多孔陶瓷制品的样品的所述至少一个测得尺度来确定收缩。
使得陶瓷制品的收缩(或生长)的变形性最小化的方法会着眼于对加入到初始批料组合物中的原材料(或其性质)进行控制。这些方法会包括控制批料组分的粒度分布(PSD)，因为当原材料粒度分布明显变化时，随之而来的会是高比例的收缩变化。
控制PSD的方法包括如下手段：例如用已知的粒度分布选择原材料批料组分的具体比例，将原材料批料组分煅烧或研磨至限定的粒度分布，或者控制通过研磨设备进料的原材料批料组分的速率。但是，即使将这些方法与一定程度的反馈控制机制(例如测量烧制部件的收缩并据此调节原材料进料)相结合，仍必须经常弃去大量制件，因为当确定需要调节原材料进料时，在原材料进料的下游已经有许多材料在进行加工和混合。
因此，如果收缩落在预定范围外，周期性地确定至少一个样品的收缩并调节最高保温温度对于多孔陶瓷蜂窝体的高效制造会是重要的，如美国专利申请系列第13/036,596号所述，其全文通过引用结合入本文。
收缩范围指的是陶瓷制品之间的收缩的最大差异。例如，对于窑中烧制的多个部件，收缩的差异测量的是具有最大收缩的部件与具有最小收缩的部件之间的部件直径。收缩范围可能是由于窑上的温度不均匀(窑温差异)，从而窑上的各个部件暴露于不同最高保温温度。
采用粗的中值粒度稀土氧化物制造的如本文所述的用于复合钛酸铝-二钛酸镁、堇青石和多铝红柱石产品的陶瓷前体批料组合物随着最高保温的变化，发生明显的收缩变化。由于这种收缩随着最高保温温度的高度变化，这些比较例材料的收缩控制是困难的。最高保温指的是在烧制过程中，陶瓷体在最高保温温度(陶瓷体在窑中暴露的最高温度)所保持的最高保温时间。最高保温温度本文也称作最大温度或者最大保温温度，指的是在最高保温的温度，以及最高保温时间指的是在最高保温的时间。
令人惊讶地发现，对于根据本公开示例性实施方式，采用如本文所述的细的中值粒度稀土氧化物制造的复合钛酸铝-二钛酸镁、堇青石和多铝红柱石陶瓷体，稀土氧化物的细的中值粒度的优势包括提供对于随着最高保温变化的更多的收缩控制。
此外，陶瓷前体批料组合物还可包含其他添加剂，例如表面活性剂、润滑油和成孔材料。可用作成形助剂的表面活性剂的非限制性例子包含C8-C22脂肪酸和/或它们的衍生物。可以与这些脂肪酸一起使用的额外的表面活性剂组分是C8-C22脂肪酯、C8-C22脂肪醇，及其组合。示例性的表面活性剂是硬脂酸、月桂酸、肉豆蔻酸、油酸、亚油酸、棕榈酸及其衍生物，妥尔油(tall oil)，硬脂酸与月桂基硫酸铵的组合以及所有这些化合物的组合。在一个示例性实施方式中，表面活性剂可以是月桂酸、硬脂酸、油酸、妥尔油及这些的组合。在一些实施方式中，表面活性剂的量是约0.25重量％至约2重量％。
用作成形助剂的润滑油的非限制性例子包括轻质矿物油、玉米油、高分子量聚丁烯、多元醇酯、轻质矿物油和蜡乳液的掺混物、玉米油中的石蜡掺混物，及其组合。在一些实施方式中，润滑油的量是约1重量％至约10重量％。在一个示例性实施方式中，润滑油存在的量是约3重量％至约6重量％。
如果需要的话，对于具体应用，前体组合物可以含有成孔剂，以调节烧制体中的孔隙率和孔径分布。成孔剂是能够通过对生坯体干燥或加热期间的燃烧发生蒸发或汽化，以获得所需的通常较高的孔隙率和/或较大的中值孔径的易变化物质。一种合适的成孔剂可以包括但不限于：碳；石墨；淀粉(例如，豌豆或土豆)；木材、壳类或坚果粉；聚合物(聚乙烯珠)；蜡等。当使用颗粒成孔剂时，它的中值颗粒直径是10μm至70μm，以及更优选15μm至50μm。
形成陶瓷的无机批料组分以及烧结助剂和/或成孔剂可初始与液体载剂和成形助剂密切掺混，当成形成为体时这向原料提供塑性可成形性和生坯强度。当通过挤出来实施成形时，纤维素醚粘合剂，诸如甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素衍生物和/或其任意组合可作为临时有机粘合剂，以及硬脂酸钠可作为润滑剂。成形助剂的相对量可以依据如所用原料的特性和量等因素变化。比如，成形助剂的量可以是约2重量％至约10重量％，优选约3重量％至约6重量％甲基纤维素，和约0.5重量％至约1重量％，优选约0.6重量％硬脂酸钠、硬脂酸、油酸或妥尔油。原材料和成形助剂可以以干形式混合在一起，然后与作为载剂的水混合。水的用量可随批料而变化，因此可以通过预先测试具体批料的可挤出性来确定。
液体载剂组分可依据使用的材料的类型变化，以对加工性以及与陶瓷批料混合物中的其他组分的相容性进行部分最佳化。液体载剂含量可以是增塑的组合物的10重量％至50重量％。在一些实施方式中，液体载剂组分可包括水。在其他实施方式中，根据陶瓷批料组合物的组分，应该理解，可以使用有机溶剂，诸如甲醇、乙醇或它们的混合物作为液体载剂。
可以通过例如，陶瓷制造技术，例如单轴或等静压制、挤出、粉浆浇铸和注塑，完成从增塑的前体组合物形成或成形生坯体。当陶瓷制品具有蜂窝状几何结构，比如催化转化器流通载体或柴油机微粒壁流过滤器时，优选采用挤出。所得生坯体可以任选地干燥，随后在能有效地将所述生坯体转化为陶瓷制品条件下在燃气窑炉或电窑炉中烧制。例如，有效地将生坯体转化为陶瓷制品的烧制条件可以包括：在1250℃至1450℃(例如，1300℃至1350℃或者1330℃至1380℃)的最大保温温度下加热生坯体，以及维持最大保温温度足够长的时间以便使生坯体转化为陶瓷制品，然后以不足以对烧结的制品造成热冲击的速率冷却。例如，维持最大保温温度可以包括维持最大保温温度持续约10小时(h)至约22h，足以将生坯体转化为陶瓷制品。
在这些示例性实施方式中，当1250℃至1450℃范围内的最大保温温度增加约20℃时，陶瓷制品的热膨胀系数(CTERT-800)会从约9.5 x 10-7/℃变化至小于约7.5 x 10-7/℃。在这些示例性实施方式中，当1250℃至1450℃范围内的最大保温温度增加约20℃时，CTERT-800变化约2 x 10-7/℃RT至800℃。
在这些条件下的这些示例性实施方式中，对于本文所述采用细的中值粒度稀土氧化物制造的用于复合钛酸铝-二钛酸镁、堇青石和多铝红柱石产品的陶瓷前体批料组合物，当最大保温温度是1250℃至1450℃时，干燥生坯至经烧制的烧制收缩敏感度可以大于约0.01％/℃。优选地，当最大保温温度是1250℃至1450℃，干燥生坯至经烧制的烧制收缩敏感度可以小于约0.05％/℃。更优选地，当最大保温温度是1250℃至1450℃时，干燥生坯至经烧制的烧制收缩敏感度小于约0.03％/℃。在所揭示的这些范围内的烧制收缩敏感度可以为温差最高至10℃的窑中的多个制品的收缩变化量提供控制。
实施例
以下实施例并不旨在限制本文。如本文所揭示，实验显示，对刚接收的稀土氧化物(例如，镧系氧化物，特别是氧化铈和/或氧化镧、和氧化钇)的尺寸进行研磨，所述刚接收的稀土氧化物用于如本文所述采用细中值粒度稀土氧化物制造复合钛酸铝-二钛酸镁、堇青石和多铝红柱石产品的陶瓷前体批料组合物，这可以导致使用较少的原材料，同时实现批料组合物中相同水平的稀土氧化物的益处，但是具有较低的原材料成本。
图4显示刚接收的氧化铈(粗)相比于研磨之后(细)的粒度分布的测量数据图。实线表示刚接收的颗粒。虚线表示研磨(2英寸(5.1cm)研磨机上喷射研磨)之后的颗粒。细氧化铈的D50是0.33μm，细氧化铈的D90是1.7μm，粗氧化铈的D50是5.8μm，粗氧化铈的D90是11.1μm。图5显示氧化钇的粒度分布的测量数据图。实线表示刚接收的氧化钇(粗)的粒度分布曲线，以及虚线表示在研磨之后的氧化钇(细)的粒度分布曲线。细氧化钇的D50是0.52μm，细氧化钇的D90是1.0μm，粗氧化钇的D50是5.7μm，粗氧化钇的D90是12.6μm。图4和5的横坐标是对数刻度。纵坐标是任意单位。图4和5显示中值粒度从5-10μm明显降低到亚微米水平，具体来说，对于氧化铈，从约6μm降低到0.4μm，和对于氧化钇，从约6μm降低到0.5μm。
下表1和2提供了对于比较例(粗)和示例性实施例(细)，(在烧制之后形成包含钛酸铝-二钛酸镁(铁板钛矿)、堇青石和多铝红柱石的复合物)的陶瓷前体批料组合物中的不同水平的稀土氧化物(烧结助剂)的组成和性质。
表1
表2
实施例3(比较例，粗，刚接收)具有0.32重量％稀土氧化物(Y2O3)，D50是约5.7μm，以及实施例4(示例性实施例，细，经研磨)具有0.32重量％稀土氧化物(Y2O3)，D50是0.52μm。实施例5(比较例)具有0.5重量％稀土氧化物(CeO2)，D50是约5.8μm，以及实施例6(示例性实施例)具有0.5重量％稀土氧化物(CeO2)，D50是0.33μm。比较例7和8分别具有1.0重量％和1.5重量％稀土氧化物(CeO2)，D50是约5.8μm。本发明实施例9和10分别具有1.0重量％和1.5重量％稀土氧化物(CeO2)，D50是约0.33μm。表2和3中的数据表明对于包含根据本公开示例性实施方式的细的稀土氧化物的组合物，CTERT-800具有明显优势。示例性实施例的CTERT-800比比较例低了约7％。即使当对孔隙度和稀土氧化物烧结助剂的摩尔数进行标准化时，示例性实施例的CTERT-800也是较低的。
在室温下，采用四点方法(0.75英寸负载跨度和2.0英寸支撑跨度)，在3英寸长的棒上测量断裂模量。在室温下，采用超声振荡技术，测量某些实施例的杨氏弹性模量(Emod)值。通过粉末X射线衍射法并对数据应用里特沃尔德(Rietveld)分析，确定经烧制的陶瓷中所有晶相的重量百分比。还通过扫描电子显微镜对选定的样品进行检查，以及通过电子探针微分析确定铁板钛矿、堇青石和多铝红柱石相的组成。
下表3提供了用于采用粗中值粒度稀土氧化物(比较例)和细中值粒度稀土氧化物(示例性)制造的如本文所述的复合钛酸铝-二钛酸镁、堇青石和多铝红柱石体的比较例和示例性前体批料组合物的组成和性质。稀土氧化物被称作烧结助剂。
表3
实施例1(比较例，粗，刚接收)具有1.5重量％稀土氧化物(CeO2)，D50是约5.8μm，以及实施例2(示例性实施例，细，经研磨)具有1.0重量％稀土氧化物(CeO2)，D50是0.33μm。表3中的数据表明，尽管示例性实施例中的稀土氧化物少了33.3％，但是比较例和示例性实施例之间的CTERT-800、孔隙度、和中值孔直径(MPD，d50)几乎没有差别。表3中记录的断裂模量(MOR，单位是磅每平方英寸(psi))表明示例性实施例相比于比较例的MOR明显增加。弹性模量(EMod，单位是psi x 105)表明示例性实施例的Emod中等增加，这也具有更好的烧制收缩敏感性。MOR/固体分数之比的增加表明示例性实施例具有更高的相对于孔隙度进行标准化的MOR。
图6显示对于根据本公开示例性实施方式制造的含1.5重量％粗氧化铈(铈氧化物)和1重量％细氧化铈(铈氧化物)的制品，从约24℃室温(RT)到约800℃的热膨胀系数(CTE)(单位是ppm/K，RT至800℃)与最高保温温度(TATS)(℃)的关系的测量数据图。对于包含1重量％细氧化铈的制品和包含1.5重量％粗氧化铈的制品，作为最高保温温度的函数的CTERT-800是相似的。换言之，包含1.5重量％粗氧化铈的制品性能与包含1重量％细氧化铈的制品性能是相似的，但是对于包含1重量％细氧化铈的制品，原材料成本较低。图6还显示对于相同的氧化铈量，相比于包含粗氧化铈的制品，包含细氧化铈的制品在最高保温温度变化上具有较低的CTERT-800。
图7A显示根据本公开的示例性实施方式制造的含有各种量的研磨氧化铈或氧化钇(“研磨的”，本文称作“细”)的制品(氧化铈的中值粒度是约0.4μm，氧化钇的中值粒度是约0.5μm)与根据比较例制造的含有未经研磨的稀土氧化物(“未”)(其具有约5-10μm的中值粒度，本文称作“粗”的氧化铈或氧化钇(钇氧化物))的制品的平均CTERT-800(10-7/℃)与在TATS持续22小时的最高保温温度(TATS)(℃)的关系的测量数据图。图7B显示根据本公开的示例性实施方式制造的含有各种量的研磨氧化铈或氧化钇(“研磨的”，本文称作“细”)的制品(氧化铈的中值粒度是约0.4μm，氧化钇的中值粒度是约0.5μm)与根据比较例制造的含有未经研磨的稀土氧化物(“未”)(其具有约5-10μm的中值粒度的氧化铈或氧化钇)的制品的平均CTERT-800(10-7/℃)与在TATS持续16小时的最高保温时间的TATS(℃)的关系的测量数据图。图7C显示根据本公开的示例性实施方式制造的含有各种量的研磨氧化铈或氧化钇(“研磨的”，本文称作“细”)的制品(氧化铈的中值粒度是约0.4μm，氧化钇的中值粒度是约0.5μm)与根据比较例制造的含有未经研磨的稀土氧化物(“未”)(其具有约5-10μm的中值粒度的氧化铈或氧化钇)的制品的平均CTERT-800(10-7/℃)与在TATS持续10小时的最高保温时间的TATS(℃)的关系的测量数据图。
图7A、7B、和7C证实了：在这些最高保温温度和最高保温时间，相比于包含粗稀土氧化物的制品，包含细稀土氧化物的制品的CTERT-800降低。类似地，在这些最高保温温度和最高保温时间，包含较少细稀土氧化物的制品的CTERT-800与包含较多粗稀土氧化物的制品是相当的。
图8A显示：根据本公开的示例性实施方式制造的含有1重量％细氧化铈的制品(靠下的实线和虚线)的干燥生坯至烧制收缩(Pred G-F)相对于TATS的实验数据的拟合图，在TATS的时间是22小时(h)(虚线)或16h(实线)，以及根据比较例制造的含有1.5重量％粗氧化铈的制品(靠上的实线和虚线)的干燥生坯至烧制收缩(Pred G-F)相对于TATS的实验数据的拟合图，在TATS的时间是22h(虚线)或16h(实线)。
图8B是图8A的收缩曲线的衍生图(Der G-F)，显示材料相对于最高保温温度(TATS)的敏感性。为了采用最高保温调节来控制收缩，材料(干燥生坯至烧制后)应该具有>0.01％/℃(例如，0.03％/℃)的百分比收缩每最高保温温度变化(烧制收缩敏感性)。具有>0.05％/℃的敏感性导致物件会在控制温差最高至10℃的窑中太小或太大。
图9A显示根据本公开示例性实施方式制造的含1重量％细氧化铈的制品的保温时间(h)和TATS的性质和敏感性，其中，R1表示中值孔径限值(>16.5μm)的区域，R2表示CTE(<11.5 x 10-7/℃，从RT到800℃)的限值的区域，R3表示烧制窗口的区域，以及R4表示烧制收缩敏感性(最大＝0.05％/℃)的限值的区域。在图表的顶部上标出了12，11.5，10.5和10(x10-7/℃)的CTERT-800的界线。在图表的顶部上还标出了0.02，0.04，0.06，0.08和0.1％每℃的烧制收缩敏感性的界线。孔径的界线显示在16.5，17，18，18.5和19μm处。图表的底部标出了16.5，17，18，和18.5μm的孔径界线，以及图表的顶部标出了19μm。
图9B显示根据比较例制造的含1.5重量％粗氧化铈的保温时间(h)和TAST的性质和敏感性。R1表示中值孔径限值(>16.5μm)的区域，R2表示CTE(<11.5 x 10-7/℃，从RT到800℃)的限值的区域，R3表示烧制窗口的区域，以及R4表示烧制收缩敏感性(最大＝0.05％/℃)的限值的区域。在图表顶部从左下角到右上角标出了11.5，10.5和10(x 10-7/℃)的CTERT-800的界线。在图表的底部上标出了0.02，0.03，0.04，0.05，0.06，和0.07％每℃的烧制收缩敏感性的界线。17，17.5，和18μm孔径的界线在图表的左侧从底部到顶部表示，18.5和19μm在图表的右下方表示。
图10A是图9A的图表，但是具有收缩的轮廓线，以及图10B是图9B的图表，但是具有收缩的轮廓线。可以看出，虽然制造含1.5重量％粗氧化铈的制品的时间/温度窗口较大，但是其收缩窗口小于用于制造根据本公开示例性实施方式的含1重量％细氧化铈的制品。根据本公开示例性实施方式的1重量％细氧化铈制品的收缩窗口范围是从1.75％到2.25％(0.45％范围)，而1.5重量％粗氧化铈制品的范围是1.6％到1.9％(0.3％范围)。在低于约1345℃时，没有完全形成钛酸铝(AT)相。因此，根据本公开的示例性实施方式，包含1重量％细氧化铈的制品相比于包含1.5重量％粗氧化铈的制品提供更多的收缩控制。
氧化铈和氧化铈是当制造钛酸铝时可以用作烧结助剂的材料的一些例子。已经发现，这些材料被研磨至较细粒度时(图4和5)，可以实现所需的性质(例如，较低的CTE)。图6、7A、7B、和7C显示随着稀土氧化物粒度减小，CTERT-800减小。此外，通过根据本公开示例性实施方式的较细的稀土氧化物，增加了收缩控制的烧制窗口，从图10A和10B可以看出，对于包含刚接收的(粗)氧化铈1.5重量％的陶瓷体，可接受的性质和烧制条件具有0.3％的收缩窗口，而对于包含经研磨(细)氧化铈1重量％的陶瓷体，具有0.45％的收缩窗口。令人惊讶的是，对于根据本公开的示例性实施方式的组合物，通过改变最高保温，产品的最终尺寸可以在比比较例更宽范围上变化，同时维持所需的性质(例如，CTE、孔隙度、孔径、烧制收缩敏感性等)。
根据本公开的示例性实施方式，相比于等量的粗稀土氧化物(氧化钇或镧系元素)所能实现的情况，细稀土氧化物(氧化钇或细的镧系元素，具体来说，细氧化铈)提供较低的热膨胀系数和较高的耐热冲击性，从而允许实现给定CTERT-800所需的稀土氧化物原材料的量明显减少，以及制造陶瓷体的原材料组分成本的降低。
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，考虑所附权利要求书覆盖了本文的修改和变化形式，只要它们落在所附权利要求及其等同方式的范围之内。
Claims (22)
1.一种制造陶瓷制品的方法，该方法包括：
至少混合氧化镁源、氧化硅源、氧化铝源、氧化钛源和稀土氧化物以形成无机批料组合物；
将所述无机批料组合物与一种或多种加工助剂混合到一起，所述加工助剂选自下组：增塑剂、润滑剂、粘合剂、成孔剂和溶剂，以便形成增塑的陶瓷前体批料组合物；
将所述增塑的陶瓷前体批料组合物成形为生坯体；以及
在有效地将生坯体转化为陶瓷制品的烧制条件下烧制生坯体，所述陶瓷制品包括：铁板钛矿相，其主要包含氧化铝、氧化镁和氧化钛；第二相，其包含堇青石；和第三相，其包含多铝红柱石，
其中，稀土氧化物包括镧系氧化物和氧化钇中的至少一种，以及
其中，稀土氧化物包括这样的粒度分布，其中，粒度分布中90%的颗粒包括小于或等于5µm的尺寸，即D90≤ 5 µm；和中值粒度小于或等于0.7 µm，即 D50≤ 0.7 µm。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，稀土氧化物包括0.33 µm ≤ D50≤ 0.7 µm。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，稀土氧化物包括D90≤ 3 µm和D50≤ 0.7 µm。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，稀土氧化物包括D90≤ 3 µm和D50≤ 0.4 µm。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，稀土氧化物包括D90≤ 1 µm和D50≤ 0.7 µm。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，镧系氧化物包括氧化铈。
7.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，相对于无机批料组合物的总重量，以氧化物的重量%计，稀土氧化物存在的量是大于0.1至5重量%。
8.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，通过挤出来成形所述增塑的陶瓷前体批料组合物。
9.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，当烧制条件的最大保温温度在1250°C至1450°C范围内增加20°C时，陶瓷制品的热膨胀系数CTE从9.5 × 10-7/°C变化至小于7.5 × 10-7/°C。
10.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，对于1250°C至1450°C范围内的烧制条件的最大保温温度，烧制收缩敏感性小于0.05%/°C。
11.一种陶瓷前体批料组合物，其包含：
无机批料组合物，其包含氧化镁源、氧化硅源、氧化铝源、氧化钛源和稀土氧化物，
其中，稀土氧化物包括粒度分布D90小于5 µm和中值粒度D50小于或等于0.7 µm；稀土氧化物包括：镧系氧化物和氧化钇中的至少一种。
12.如权利要求11所述的批料组合物，其特征在于，稀土氧化物包括0.33 µm ≤ D50≤0.7 µm。
13.如权利要求11所述的批料组合物，其特征在于，稀土氧化物包括：氧化铈，以及氧化钇和氧化镧中的至少一种。
14.一种生坯体，其包含权利要求11-13中任一项所述的批料组合物。
15.一种陶瓷制品，其包括：
至少50重量%铁板钛矿相，其主要包含氧化铝、氧化镁和氧化钛；
第二相，其包含堇青石；
第三相，其包含多铝红柱石；和
稀土氧化物，其包含镧系氧化物和氧化钇中的至少一种，其中，稀土氧化物包括中值粒度D50小于或等于0.7 µm；
其中，陶瓷制品的微结构包括所述第三相在所述第二相中的均匀分布，以及
其中，陶瓷制品包括：孔隙度大于55%，从RT到800°C的热膨胀系数CTERT-800°C低于12 ×10-7/°C和小于0.75摩尔%烧结助剂，其中，烧结助剂的摩尔%是基于所述镧系元素氧化物和氧化钇中的至少一种的元素计算的。
16.如权利要求15所述的陶瓷制品，其特征在于，稀土氧化物包括0.33 µm ≤ D50≤0.7 µm。
17.如权利要求15所述的陶瓷制品，其特征在于，陶瓷制品包括孔隙度大于65%。
18. 如权利要求15所述的陶瓷制品，其特征在于，陶瓷制品包括从RT到800°C的热膨胀系数CTERT-800°C低于6 × 10-7 /°C。
19.如权利要求15-18中任一项所述的陶瓷制品，其特征在于，稀土氧化物存在的量大于0.5摩尔%。
20.如权利要求15-18中任一项所述的陶瓷制品，以氧化物的重量%计，其具有如下组成：1至10% MgO，40至61% Al2O3，23至50% TiO2和3至25% SiO2。
21.如权利要求15-18中任一项所述的陶瓷制品，其包括15 μm至25 μm的中值孔径d50。
22.一种基材或过滤器，其包括如权利要求15-18中任一项所述的陶瓷制品，其还包括具有多个轴向延伸的入口和出口孔道的蜂窝结构。
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