CN111747770B - 蜂窝结构体 - Google Patents
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Abstract
本发明提供蜂窝结构体，该蜂窝结构体具有圆柱形形状的表皮部分和与该表皮部分一起形成为整体式主体的蜂窝结构部分。表皮部分和蜂窝结构部分具有多孔结构的分隔壁。单元具有布置成与表皮部分相邻的第一单元和布置成与第一单元相邻的第二单元。表皮部分、第一单元和第二单元形成外周区域。中央区域布置在外周区域的内侧。蜂窝结构体满足以下关系：外周区域的热膨胀系数大于中央区域的热膨胀系数。
Description
技术领域
本公开涉及蜂窝结构体，其由陶瓷制成并具有表皮部分和蜂窝结构部分。
背景技术
例如，从内燃机(诸如柴油发动机和汽油发动机)和热力发动机(诸如锅炉)排出的废气含有有害气体和作为悬浮在空气中的固体颗粒和液体颗粒的微粒物质(PM)，其中许多微粒物质是有害的。有害气体包括氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)等。陶瓷结构体收集含PM的废气，以净化废气中的这种有害气体。
在高温下从内燃机排出的废气流过由陶瓷制成的蜂窝结构体。通常，高温下的废气容易地流过芯部分，即中心区，多于蜂窝结构体的外周部分。这容易导致芯部分和外周部分之间的温度差。由于产生的温度差，对蜂窝结构体施加热冲击，并引入了蜂窝结构体破损的风险。
例如，专利文献1，日本专利申请公开号2001-261428公开了一种具有增强的外周壁的蜂窝结构体。具体地，该蜂窝结构体具有由第一外周壁和第二外周壁构成的增强外周壁。第二外周壁形成在第一外周壁上，以防止蜂窝结构体断裂。
然而，先前描述的蜂窝结构体不具有整体式外周壁，并且具有形成在第一外周壁和第二外周壁之间的边界区域。因为由于热冲击可能在边界区域中经常产生裂纹，所以必须改进蜂窝结构体的强度，以便减小热冲击的影响。
由于内燃机的改进，存在从内燃机排放的废气的温度增加的新趋势。进一步地，必须将蜂窝结构体布置在靠近内燃机的位置，以便改善废气净化的性能。先前描述的趋势进一步增加了在蜂窝结构体中流动的废气的温度，并且由于废气的温度增加而增加了热冲击的幅度。因此，需要改进蜂窝结构体的结构，以便降低施加到蜂窝结构体的热冲击的幅度。
发明内容
因此，期望提供一种具有优异的耐热冲击性的蜂窝结构体。
根据本公开的一个方面，提供了一种蜂窝结构体，该蜂窝结构体具有圆柱形形状的表皮部分，以及与表皮部分一起形成在整体式主体中的蜂窝结构部分。表皮部分和蜂窝结构部分具有其中形成有孔的多孔结构的分隔壁。分隔壁形成单元(cells)。单元中每一个被分隔壁围绕，并且沿蜂窝结构体的轴向方向延伸。单元具有第一单元和第二单元。第一单元被布置成与表皮部分相邻。第二单元被布置成与第一单元相邻。表皮部分、第一单元和第二单元形成外周区域。中央区域布置在蜂窝结构体中的外周区域内侧。特别地，蜂窝结构体满足如下关系：外周区域的热膨胀系数大于中央区域的热膨胀系数。
根据本公开的蜂窝结构体具有如下结构：在该结构中，表皮部分和蜂窝结构部分组装成整体式主体，并且满足PCTE＞CCTE的关系，即具有外周区域的热膨胀系数大于中央区域的热膨胀系数的结构。根据本公开的蜂窝结构体的这种改进的结构使得，即使中央区域的温度由于从内燃机排出的高温废气流而变得大于外周区域的温度，也能够抑制或降低由于中央区域与外周区域之间的温度差引起的热应力。这使得，即使高温废气正在蜂窝结构体中流动，也能够抑制蜂窝结构体中裂纹的产生。本公开提供了具有优异的耐热冲击性的蜂窝结构体。
附图说明
将参考附图通过实施例的方式描述本公开的优选的、非限制性实施方式，其中：
图1是示出了根据本公开的第一示例性实施方式的由陶瓷制成的蜂窝结构体的轮廓的透视图；
图2是示出了根据第一示例性实施方式的蜂窝结构体沿着图1所示的蜂窝结构体的轴向方向的放大的局部横截面的视图；
图3是示出了形成于根据图1所示的第一示例性实施方式的蜂窝结构体中的分隔壁的放大的局部横截面的示意图；
图4是示出了蜂窝结构体在与蜂窝结构体的轴向方向正交的方向上的横截面的视图；
图5A是在用陶瓷填料填充形成在外周部分中的孔之前，蜂窝结构体的外周部分的放大的局部横截面的示意图；
图5B是在已经用陶瓷填料填充形成在外周部分中的孔之后，蜂窝结构体的外周部分的放大的局部横截面的示意图；
图6是示出了布置在连接到内燃机的废气管中的根据第一示例性实施方式的蜂窝结构体的示意性横截面的视图；
图7是示出了蜂窝结构体的温度和热膨胀系数之间的关系的图；
图8是示出了根据本公开的第二示例性实施方式的蜂窝结构体在与蜂窝结构体的轴向方向正交的方向上的放大的局部横截面的视图；
图9是示出了图8所示的蜂窝结构体在与蜂窝结构体的轴向方向正交的方向上的端面的视图；
图10A是示出了测量样品沿着测试样品和对比样品中的每一个的径向方向的取样位置的视图；且
图10B是示出了测量样品沿着测试样品和对比样品中的每一个的轴向方向的取样位置的视图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述本公开的各种实施方式。在各种实施方式的以下描述中，贯穿若干图，相同的参考编号或附图标记指代相同或等效的组件部分。
第一示例性实施方式
将给出根据参照图1至图7的第一示例性实施方式的由陶瓷制成的蜂窝结构体1的描述。
图1是示出了根据第一示例性实施方式的由陶瓷制成的蜂窝结构体1的轮廓的透视图。图2是示出了根据第一示例性实施方式的蜂窝结构体1沿着图1所示的蜂窝结构体的轴向方向的放大的局部横截面的视图。图3是示出了形成于根据图1所示的第一示例性实施方式的蜂窝结构体1中的分隔壁12的放大的局部横截面的示意图。
如图1至图3所示，根据第一示例性实施方式的蜂窝结构体1具有表皮部分11和蜂窝结构部分10。如图1和图2所示，根据第一示例性实施方式的蜂窝结构体1具有密封构件16。密封构件16形成在蜂窝结构体1的第一端面14和其第二端面15上。稍后将解释密封构件16的形成。
由陶瓷制成的蜂窝结构体1也被称为废气净化过滤器，其捕获包含在废气G(参见图2)中的微粒物质(PM)以便净化废气。例如，废气含有有害气体和PM，PM作为悬浮在空气中的所有固体颗粒和液体颗粒的总和，它们中的许多是有害的。
例如，图1和图2中所示的表皮部分11具有圆柱形形状。表皮部分11的轴向方向Y也将被称为蜂窝结构体1的轴向方向Y。
蜂窝结构体1的表皮部分11具有不超过1000μm的厚度是优选的。该结构使得能够降低蜂窝结构体1的热容量，并且使蜂窝结构体1以快速的速率容易地加热至所需温度。例如，该结构使得能够在支持催化剂的所需温度下容易且快速地加热蜂窝结构体1，其结构将在第二示例性实施方式中详细解释。换句话说，表皮部分11的减少使得能够增加蜂窝结构体1的废气净化能力。从这个角度来看，蜂窝结构体1的表皮部分11具有不超过500μm的厚度是更优选的。表皮部分11具有不超过300μm的厚度是最优选的。此外，在充分增加整体蜂窝结构体1的强度的另一视角中，蜂窝结构体1的表皮部分11具有不小于200μm的厚度是优选的。
蜂窝结构体1具有蜂窝结构部分10和表皮部分11。在蜂窝结构体1中，蜂窝结构部分10和表皮部分11形成为整体式主体。蜂窝结构部分10布置在表皮部分11的内侧腔室中。蜂窝结构部分10具有分隔结构，在该分隔结构中，沿蜂窝结构体1的轴向方向Y形成多个单元13。即，在蜂窝结构部分10的垂直于蜂窝结构体1的轴向方向Y的横截面上，单元形成并布置成网格排列。例如，可以通过执行挤压和模制步骤来生产具有由蜂窝结构部分10和表皮部分11构成的整体式主体的蜂窝结构体1。
由蜂窝结构部分10和表皮部分11构成的整体式主体由陶瓷(即，堇青石、二氧化铈、氧化锆、二氧化铈-氧化锆固溶体、碳化硅、钛酸铝、氧化铝、莫来石等)制成。从防止蜂窝结构体1在氧化气氛(诸如废气)中被氧化的观点来看，蜂窝结构部10和表皮部分11由氧化物陶瓷(诸如堇青石、二氧化铈、氧化锆、二氧化铈-氧化锆固溶体、碳化硅、钛酸铝、氧化铝、莫来石等)制成是优选的。
进一步地，从优异的耐热冲击性的角度来看，蜂窝结构部分10和表皮部分11由堇青石制成是更优选的。
蜂窝结构部分10具有分隔壁12和单元13。也就是说，分隔壁12的布置在表皮部分11的内侧形成单元3。分隔壁12也将被称为单元壁。
分隔壁12布置成网格排列。由陶瓷制成的蜂窝结构体1具有包含孔121的多孔结构。如图3所示，孔121形成在分隔壁12中。如图2所示，蜂窝结构体1具有形成在蜂窝结构部分10的第一端面14和第二端面15中的每一个上的密封构件。密封构件交替地形成在第一端面14上以形成网格排列。类似地，密封构件交替地形成在第二端面15上以形成网格排列。更详细地，如图2所示，每个单元12的一端被密封部件16塞住，并且每个单元12的另一端未被塞住并且是开放的。废气G通过第一端面14上的单元12的开口被引入到蜂窝结构部分10的内侧，并且穿过分隔壁12到达相邻单元12的内部，并且通过第二端面15上的单元12的开口被排放到蜂窝结构体1的外部。包含在废气G中的PM被捕获在分隔壁12的表面和孔121的内侧上并被其收集。当蜂窝结构体1布置在连接到内燃机的废气管3(未示出)上时，图2中所示的箭头指示废气G的流动。
如图1和图2所示，由陶瓷制成的蜂窝结构体1具有多个单元13。单元13中的每一个被分隔壁12包围并且形成废气G的流动通道。单元13中的每一个沿着蜂窝结构体1的轴向方向Y形成。例如，蜂窝结构体1具有在150-600cpsi范围内的单元密度(单元/平方英寸)是可能的。
如图1所示，在蜂窝结构体1的垂直于轴向方向Y的横截面上，单元13中的每一个具有正方形形状。然而，本发明并不限制单元13的形状。例如，每个单元具有圆形形状和多边形形状诸如三角形形状、矩形形状、六边形形状等是可接受的。蜂窝结构体1具有由两种或更多种类型形状的组合构成的单元也是可接受的。
例如，蜂窝结构体1具有圆柱形形状。根据应用，蜂窝结构体1具有其整体尺寸是可能的。如前所述，蜂窝结构体1具有第一端面14和第二端面15。例如，在废气管(未示出)中流动的废气G通过第一端面14被引入到蜂窝结构体1的内部，并且废气G从第二端面15排放到废气管(未示出)中的蜂窝结构体1的外部。废气G通过第二端面15进入蜂窝结构体1的内部也是可接受的。
也就是说，将单元13分组成入口单元组和出口单元组。入口单元组由入口单元131组成。出口单元组由出口单元132组成。废气G通过入口单元131引入蜂窝结构体1的内部。废气通过出口单元132排放到蜂窝结构体1的外部。
如图2所示，入口单元131中的每一个在蜂窝结构体1的第一端面14上是开放的。进一步地，入口单元131中的每一个是闭合的，即，由在蜂窝结构体1的第二端面15上的密封构件16塞住。另一方面，出口单元132中的每一个是闭合的，即，由在蜂窝结构体1的第一端面14上的密封构件16塞住。进一步地，出口单元132中的每一个在蜂窝结构体1的第一端面14上是开放的。
当在蜂窝结构体1的内部没有引入废气时，入口单元131和出口单元132是对称的，以对称排列而布置。入口单元131和出口单元132用于引入废气并将其排出。
密封构件16交替地形成并布置在第一端面14和第二端面15中的每一个上。例如，可以使用由陶瓷(诸如堇青石)制成的密封构件16。使用另一种材料来形成密封构件16也是可接受的。在图2所示的横截面上，密封构件16中的每一个具有塞形状。还可接受的是，每个密封构件16具有另一形状，只要每个单元的端部被完全密封即可。
还可以使分隔壁12的一部分在第一端面14和第二端面15中的每一个上变形，以便提供密封构件16。该结构允许分隔壁12和密封构件16以整体式主体形成。
入口单元131和出口单元132在轴向方向Y、垂直于轴向方向Y的横向方向X和垂直于轴向方向Y和横向方向X中的每一个的垂直方向Z上交替地布置在第一端面14和第二端面15中的每一个上。也就是说，当从蜂窝结构体1的轴向方向Y观察第一端面14和第二端面15中的每一个时，入口单元131和出口单元132以格子图案交替地布置。
如图2所示，入口单元131和出口单元132沿着蜂窝结构体1的轴向方向Y交替布置。分隔壁12将入口单元131与出口单元132分开。
如图3所示，多个孔121形成在分隔壁12中的每一个中。尽管图3示出了孔121的二维图像，但孔121被形成为在蜂窝结构体1中具有三维结构，并且孔121彼此相交。
图4是示出了蜂窝结构体1沿与其轴向方向正交的方向的横截面的视图。也就是说，图4示出了蜂窝结构体1在垂直于蜂窝结构体1的轴向方向Y的横向方向X和横向方向X上的横截面。如图4所示，蜂窝结构体1具有外周区域P和中央区域C。表皮部分11、多个第一单元13a和多个第二单元13b形成在外周区域P中。也就是说，外周区域P布置在与轴向方向Y垂直的蜂窝结构体1的向外边缘处。当蜂窝结构体1具有圆柱形形状时，垂直于轴向方向Y的该方向指示圆柱形形状的半径方向。
在图4所示的横截面中，外周区域P由黑色和白色半色调示出。中央区域C被示出为没有半色调，以被外周区域P围绕。
第一单元13a被布置成与表皮部分11相邻。也就是说，第一单元13a被表皮部分11和分隔壁12围绕。第二单元13b是不完整的单元，因为当与单元13中的每一个(即，第二单元13b和第三单元13c中的每一个)的形状相比时具有不完整的形状。如图4所示，第二单元13b和第三单元13c具有预定形状并且布置在第一单元13a内侧的位置处。由于具有预定的相同形状，第二单元13b和第三单元13c是完整的单元。稍后将解释第三单元13c。
除了第一单元13a之外，如图4所示，第二单元13b和第三单元13c中的每一个在垂直于轴向方向Y的方向上具有正方形横截面。第一单元13a中的每一个具有多边形形状，诸如正方形或三角形，其中其一侧是弯曲形状。
第二单元13b邻近于第一单元13a布置。每个第二单元13b所面向的方向，即与对应的第一单元13a相邻的方向，沿着蜂窝结构体1的径向方向布置。如图4所示，存在若干方向。在一个方向上，单元13和分隔壁12被布置。在其它方向上，单元13沿单元13的对角方向(与蜂窝结构体1的轴向方向垂直)布置在横截面上。例如，在与图1和图4所示的轴向方向Y垂直的横截面上，作为单元13的正方形单元布置在横向方向X和垂直方向Z上。单元13沿着横向方向X、垂直方向Z和对角线方向布置，该对角线方向将在横向方向X和垂直方向Z之间形成的角度分割。第二单元13b是完整的单元。
在与图4所示的蜂窝结构体1的轴向方向Y垂直的横截面上，布置在第二单元13b内侧的单元13将被称为第三单元13c。如图4所示，多个第三单元13c布置在中央区域C中。第三单元13c中的每一个是完整的单元。
进一步地，根据第一示例性实施方式的蜂窝结构体1具有改进的结构，其中外周区域P具有大于中央区域C的热膨胀系数CCTE的热膨胀系数PCTE。也就是说，蜂窝结构体1满足了PCTE＞CCTE的关系。从各测试样品的三个横截面上的几个位置提取测量块，并检测热膨胀系数PCTE及其热膨胀系数CCTE。这三个横截面位于作为蜂窝结构体1的每个测试样品中的废气G的入口侧、中间侧和废气G的出口侧。从每个测试样品中的入口侧处的横截面、中间处的横截面和出口侧处的横截面中的每一个提取三个测量块。稍后将解释该测量步骤。
当废气G流入蜂窝结构体1的内部时，如果蜂窝结构体1满足PCTE≤CCTE的关系，则中央区域C具有变得高于外周区域P的温度的温度，这通常导致蜂窝结构体1中的裂纹的产生，并且蜂窝结构体1断裂。因此，当蜂窝结构体1满足PCTE＞CCTE的关系时，可以解决该缺点。这将被详细解释。
图6是示出了布置在连接到内燃机(未示出)的废气管3中的根据第一示例性实施方式的蜂窝结构体1的示意性横截面的视图。如图6所示，蜂窝结构体1设置在废气管3的内侧。为简洁起见，将塞构件16等从图6中省略。
如图6所示，当在废气管3中流动的废气G进入蜂窝结构体1的内部并且蜂窝结构体1被高温的废气G加热时，在与蜂窝结构体1的轴向方向Y垂直的横截面上，中央区域C的温度变得高于外周区域P的温度。这容易地在中央区域C和外周区域P之间产生温度差。当废气G具有非常高的温度时，这种现象容易且经常发生。
另一方面，当蜂窝结构体1具有满足PCTE≤CCTE的关系的结构时，即当中央区域C具有不小于外周区域P的热膨胀系数PCTE的热膨胀系数CCTE时，由于引入废气G，中央区域C具有高于外周区域P的温度的温度。这使得中央区域C扩展更多，并且外周区域P几乎不扩展。结果，由于中央区域C和外周区域P之间的热膨胀，这导致热冲击，并且通常在蜂窝结构体1中产生裂纹。
当蜂窝结构体1具有满足PCTE＞CCTE的关系的结构时，即当中央区域C具有小于外周区域P的热膨胀系数PCTE的热膨胀系数CCTE时，这使得外周区域P扩展更多并且中央区域C几乎不扩展。当中央区域C由于废气G的引入和中央区域C的温度上升而扩展时，由于外周区域P具有大的热膨胀系数PCTE，外周区域P通过小的温度上升而扩展更多。因此，该结构降低了中央区域C和外周区域P之间的热系数差，并且减小了在蜂窝结构体1中产生的热冲击的幅度。结果，该结构使得能够抑制蜂窝结构体1断裂。
进一步地，当蜂窝结构体1具有满足PCTE＞CCTE的关系的结构时，这使得，与具有其中陶瓷层堆叠在表皮部分11上以便增强表皮部分11的结构的蜂窝结构体的热容量相比，能够抑制蜂窝结构体1的热容量增加。这进一步使得能够抑制蜂窝结构体1由于热冲击而断裂。如前所述，根据第一示例性实施方式的蜂窝结构体1具有改进结构，在该改进结构中，蜂窝结构部分10和具有圆柱形形状的表皮部分11一起形成为整体式主体。在图6所示的蜂窝结构体1的改进结构中，蜂窝结构体1例如包覆有保持垫2，并且布置在废气管3的内部。保持垫2由陶瓷纤维诸如氧化铝纤维制成。
如前所述，满足PCTE/CCTE＞1.0的关系的蜂窝结构体1的结构提供了优异的耐热冲击性。除此之外，蜂窝结构体1具有PCTE/CCTE≥2.5的关系是优选的。该结构使得能够进一步减小热冲击的幅度，并且抑制蜂窝结构体1断裂。为了进一步改善耐热冲击性，蜂窝结构体1具有PCTE/CCTE＞7.5的关系是更优选的。更进一步，蜂窝结构体1具有PCTE/CCTE＞13.0的关系是最优选的。
图5A是蜂窝结构体1的外周部分P的放大的局部横截面的示意图，在该蜂窝结构体1中，在外周部分P中形成的孔没有填充任何陶瓷填料，即在用陶瓷填料来填充在外周部分P中形成的孔之前。图5B是在已经用陶瓷填料123填充形成在外周部分P中的孔之后，蜂窝结构体1的外周部分P的放大的局部横截面的示意图。
如图5B所示，表皮部分11(参见图4)和外周区域P(参见图4)中的至少一个具有填充有陶瓷填料123的孔和填充有陶瓷填料123的微裂纹122中的至少一个是优选的。具体地，蜂窝结构体1具有以下结构(a)、(b)和(c)中的至少一个是优选的。
(a)在表皮部分11中形成的孔121和微裂纹122填充有陶瓷填料123；
(b)在外周部分P的分隔壁12中形成的孔121和微裂纹122填充有陶瓷填料123；和
(c)在表皮部分11和外周部分P的分隔壁12两者中形成的微裂纹122和微裂纹122填充有陶瓷填料123。
结构(a)、(b)和(c)中的至少一个使得能够增大外周区域P的热膨胀系数PCTE大于中央区域C的热膨胀系数CCTE。
现在将给出上述现象发生的原因，解释如下。
由图5A和图5B中所示的虚线表示的区对应于外周区域P中的分隔壁12和由陶瓷制成的表皮部分11。
如图5A所示，孔121和微裂纹122形成在外周区域P中的表皮部分11和分隔壁12中的每一个中。微裂纹122具有在1-2μm的范围内的宽度。例如，在烧制由陶瓷制成的模制主体以产生蜂窝结构体1的烧制步骤期间形成这些微裂纹122。
图7是示出了蜂窝结构体的温度(℃)和蜂窝结构体的热膨胀系数(％)之间的关系的图。
如由图7所示的弯曲虚线所表示的，当蜂窝结构体1的温度从室温增加并然后逐渐增加时，其中已经形成微裂纹122的由陶瓷诸如堇青石制成的蜂窝结构体1的热膨胀系数(％)逐渐降低。这意味着形成在由堇青石制成的外周区域P中的微裂纹122是闭合的。在这些微裂纹122闭合之后，根据温度增加来扩展蜂窝结构体1。
根据蜂窝结构体1的温度增加，细孔121的行为与微裂纹122的行为相同。
另一方面，如图5B所示，在蜂窝结构体1的结构中，其中形成在外周区域P中的孔121和微裂纹122的至少一部分填充有陶瓷填料123，由于微裂纹122已经填充有陶瓷填料123并且未变形，所以蜂窝结构体1中的外周区域P难以根据增加蜂窝结构体1的温度而扩展，并且在温度升高的最初时期，蜂窝结构体1不收缩。如由图7所示的实线所指定的，该结构使得形成外周区域P的陶瓷材料(诸如堇青石)能够根据蜂窝结构体1的温度增加而平滑地扩展。换句话说，该结构使得能够抑制蜂窝结构体1在温度升高的初始阶段收缩。结果，该结构使得能够提高外周区域P的热膨胀系数PCTE，并满足PCTE＞CCTE的关系。
另外，在外周区域P中形成的孔121中的每一个的一部分用陶瓷填料123填充也是可接受的。在此结构中，因为孔121未完全变形，所以可以抑制孔121扩展，且防止外周区域P中的陶瓷填料收缩。
为了防止陶瓷填料123由于蜂窝结构体1的热扩展或膨胀和收缩的重复而与外周区域P分离，蜂窝结构体1满足PCTE/CCTE≤36的关系是优选的，满足PCTE/CCTE≤30的关系是更优选的，满足PCTE/CCTE≤25的关系是最优选的。
优选使用氧化物陶瓷作为陶瓷填料123。使用这样的氧化物陶瓷使得可以防止蜂窝结构体1在氧化物气氛(诸如废气)中劣化。这使得能够在陶瓷填料123的热膨胀系数的基础上增加外周区域P的热膨胀系数。
例如，可以使用堇青石、二氧化硅、氧化铝、二氧化铈、氧化锆、二氧化铈-氧化锆固溶体、莫来石、尖晶石、钛酸铝等作为陶瓷填料123。
孔121和微裂纹122用陶瓷填料123和无机粘合剂如二氧化硅溶胶、氧化铝溶胶、二氧化铈溶胶等填充也是可接受的。
现在将给出制造由堇青石作为陶瓷制成的蜂窝结构体1的方法。
粘土制备步骤制备含有堇青石原料的粘土，所述堇青石原料具有由滑石、二氧化硅、氢氧化铝等组成的堇青石组合物。进一步地，将粘合剂、润滑剂和水加入到堇青石原料中。将堇青石原料混合以产生堇青石。进一步向堇青石原料中加入氧化铝、高岭土以满足堇青石组合物是可接受的。
挤出模制步骤模制并挤出所制成的粘土以产生生坯。干燥和烧制步骤干燥并烧制所制成的生坯以产生蜂窝结构部分10。在烧制蜂窝结构部分10和表皮部分11之后或之前，塞构件16形成在蜂窝结构部分10中。具体地，第一端面14和第二端面15上的必要位置填充有塞构件16的浆料。烧制蜂窝结构部分10和表皮部分11，以便产生具有塞构件16的蜂窝结构体1。
供给步骤将陶瓷填料123供给到形成在蜂窝结构体1的外周区域P中的孔121和微裂纹122中。也就是说，在供给步骤中，用陶瓷填料123填充在外周区域P中形成的孔121和微裂纹122，以满足PCTE＞CCTE的关系。
现在将给出获得PCTE≤CCTE的关系的详细解释的说明。
当将陶瓷填料123添加到溶液中时，陶瓷填料123被分散以产生混合物溶液。将分散剂和无机粘合剂混合到混合物溶液中是可接受的。可以使用纯水和醇诸如乙醇作为溶液。从充分地将陶瓷填料123填充到微裂纹122的角度来看，孔121和微裂纹122中的陶瓷填料123具有小于1μm的平均粒度是优选的。可以使用激光衍射散射方法来检测陶瓷填料123的平均粒度。也就是说，激光衍射散射方法提供了陶瓷填料123的粒度的分布(粒度分布)。在所获得的粒度分布中处于50％的体积积分值的粒度对应于陶瓷填料123的平均粒度。
将蜂窝结构体1中的中央区域C密封，以防止混合物溶液进入中央区域C。在该密封步骤之后，执行浸渍步骤，使得外周区域P浸渍有混合物溶液。也就是说，实验使用包含陶瓷填料123的混合物溶液进行涂覆过程，使得中央区域C涂覆有作为密封蜡的混合物溶液，以便塞住形成在中央区域C中的孔121和微裂纹122。在浸渍步骤中，将蜂窝结构体1浸入混合物溶液中。将混合物溶液进料到形成在外周区域P中的孔121和微裂纹122中。混合物溶液进入形成在外周区域P中的孔121和微裂纹122中。
还可接受的是，将混合物溶液进料至表皮部分11，在表皮部分11中，调节混合物溶液的进料量以防止其进入中央区域C。该调整使得可以仅将混合物溶液供给到形成在外周区域P中的孔121和微裂纹122中，并且将陶瓷填料123的颗粒供给到孔121和微裂纹122的内部中。在该调节步骤之后，将蜂窝结构体1干燥，以从孔121和微裂纹122中的混合物溶液中除去溶液组分。
例如，通过调节混合物溶液中的陶瓷填料123的浓度或通过调节浸渍步骤和干燥步骤的重复，可以调节存在于外周区域P中的孔121和微裂纹122中的陶瓷填料123的总量。
接着，烘烤步骤烘烤嵌入外周区域P中的孔121和微裂纹122中的陶瓷填料123，以产生满足PCTE＞CCTE的关系的蜂窝结构体1，其中在外周区域P中形成的孔121和微裂纹122填充有烘烤的陶瓷填料123。在烘烤步骤期间，密封被蒸发。
如前所述，根据第一示例性实施方式的蜂窝结构体1具有塞构件16。然而，本公开的概念不限于此。蜂窝结构体1不具有塞构件是可接受的，其中全部单元在垂直于蜂窝结构体1的轴向方向Y的第一端面14和第二端面15上完全开放。可以将没有塞构件16的蜂窝结构体1应用于基座构件以支持三元催化剂。也就是说，可以使蜂窝结构体(其具有其中单元在第一端面和第二端面两者上开放的结构)具有优异的耐热冲击性，只要其满足PCTE＞CCTE的关系即可。
第二示例性实施方式
参照图8、图9、图10A和图10B的根据第二示例性实施方式，将给出蜂窝结构体的描述。
图8是示出了根据第二示例性实施方式的蜂窝结构体1在与蜂窝结构体1的轴向方向Y正交的方向上的放大的局部横截面的视图。
使用相同的附图标记和字符指代在第一示例性实施方式和第二示例性实施方式之间的相同部件，并且为了简洁省略对相同部件的解释。
如图8所示，根据第二示例性实施方式，在蜂窝结构体1中的分隔壁12上形成催化剂层17。催化剂层17含有由贵金属诸如铂(Pt)、铑(Rh)和钯构成的三元催化剂(PD)。催化剂层17进一步含有氧化铝和促进剂是可接受的。可以使用二氧化铈、氧化锆、二氧化铈-氧化锆固溶体等作为促进剂。氧化铝用作粘合剂和聚集体。催化剂层17形成在分隔壁12的孔121的多孔壁上和单元13的单元壁125上。换句话说，如图2所示，因为每个单元13被分隔壁12围绕，所以单元壁125是分隔壁12的表面。多孔壁124形成孔121。每个单元13被单元壁125围绕。
在蜂窝结构体1中形成塞构件16之前或之后，在蜂窝结构体1中形成催化剂层17。分隔壁12涂覆有由贵金属、氧化铝、促进剂等组成的催化剂浆料。加热具有催化剂层17的分隔壁12，以便在蜂窝结构体1中支持催化剂，诸如三元催化剂。可以执行抽吸催化剂浆料的抽吸步骤，以便将催化剂浆料进料至单元壁125的表面和多孔壁124的表面上。抽吸步骤使得能够容易地在单元壁125的表面和多孔壁124的表面上形成催化剂层17。
图9是示出了图8所示的蜂窝结构体1在与蜂窝结构体1的轴向方向Y正交的方向上的端面的视图。如图9所示，在根据第二示例性实施方式的蜂窝结构体1的结构中，布置成与表皮部分11相邻的第一单元13a被塞部件16塞住是优选的。也就是说，蜂窝结构体1具有在第一端面14侧和第二端面15侧二者处的第一单元13a被塞构件16塞住的结构是优选的。这种结构使得能够防止第一单元13a被催化剂层17完全密封。第一单元13a在先前描述的催化剂层形成步骤期间容易被催化剂浆料密封，因为第一单元13a中的每一个在垂直于蜂窝结构体1的轴向方向Y的方向具有小于其他单元13(诸如第二单元13b和第三单元13c)的横截面面积。由催化剂浆料密封或闭合的第一单元13a不净化废气G。用催化剂浆料密封的第一单元13a的形成增加了蜂窝结构体1的生产成本，因为第一单元13a消耗过量的或不必要量的催化剂浆料，并且催化剂浆料包含昂贵的贵金属。如前所述，塞构件16形成在第一单元13a中的每一个中的第一端面14侧和第二端面15侧。因为在形成催化剂层17之前塞住第一单元13a中的每一个的两个端部(在第一端面14侧和第二端面15侧处)，所以可以防止催化剂层17形成在第一单元13a中的每一个中，并且防止第一单元13a中的每一个被催化剂层17塞住。这使得能够抑制蜂窝结构体1的生产成本增加，同时保持废气净化能力。
<实验结果>
将给出对作为具有不同的PCTE/CTE关系的蜂窝结构体的第一至第七测试样品TS1至TS7的耐热冲击性的评估和实验结果的描述。
类似于先前描述的第一示例性实施方式中的粘土制备步骤，制备具有堇青石组合物的粘土，该组合物例如由滑石、二氧化硅、氢氧化铝等组成。进一步地，将粘合剂、润滑剂和水加入到堇青石原料中。挤出模制步骤模制并挤出所制成的粘土以产生多个生坯。干燥和烧制步骤干燥并烧制所制成的生坯，以产生作为蜂窝结构部分的测试样品。在此之后，将塞构件添加到第一至第七测试样品TS1至TS7中的每一个中，每个测试样品具有表皮部分11、蜂窝结构部分10和塞构件16。类似于第一示例性实施方式，陶瓷填料123形成在测试样品中的每一个的外周部分P中。表1示出了作为蜂窝结构体的第一至第七测试样品TS1至TS7中的每一个的结构。该实验进一步在不使用陶瓷填料的情况下制备对比样品CS1。
该实验使用由二氧化硅、堇青石、氧化铝和氧化锆或镁橄榄石构成的陶瓷填料123。分散在混合物溶液中的陶瓷填料123具有小于1μm的粒度。混合物溶液的溶剂是纯水。
溶解在混合物溶液中的陶瓷填料123是10g/升，其也将被称为基础浓度。第一测试样品TS1使用为基础浓度的一半的浓度。通过执行浸渍步骤和干燥步骤的重复三次来制备第三测试样品TS3。如前所述，在浸渍步骤中，将第三测试样品3的外周部分P浸入混合物溶液中。
通过使用含有作为无机粘合剂的在混合物溶液中浓度为1.0g/L的二氧化硅溶胶的混合物溶液来制备第四测试样品TS4至第七测试样品TS7。将第四测试样品TS4至第七测试样品TS7在1000℃的温度下烧制30分钟。
(从第一至第七测试样品TS1至TS7和对比样品CS1中的每一个提取测量样品)
实验通过从作为蜂窝结构体的第一至第七测试样品TS1至TS7和对比样品CS1中的每一个提取它们来制备多个测量样品。实验检测了测量样品中的每一个的热膨胀系数。
图10A是示出了沿着测试样品TS1至TS7和对比样品CS1中的每一个的径向方向提取的测量样品的取样位置的视图。图10B是示出了沿着第一至第七测试样品TS1至TS7和对比样品CS1中的每一个的轴向方向Y的测量样品的取样位置的视图。
如图10A和图10B所示，实验从第一至第七测试样品TS1至TS7和对比样品CS1中的每一个的中央区域C中的九个位置C1a、C1b、C1c、C2a、C2b、C2c、C3a、C3b和C3c提取测量样品，并且进一步从外周区域P中的九个位置P1a、P1b、P1c、P2a、P2b、P2c、P3a、P3b和P3c提取测量样品。
图10A是示出了沿图10B中所示的线Xa-Xa的包括中央区域C和外周区域P的横截面的示意图。
具体地，如图10A所示，在第一至第七测试样品TS1至TS7和对比样品CS1中的每一个的中间位置处的在轴向方向Y上的横截面上，从三个位置提取测量样品，即在中心位置C1a、第一位置C1b和第二位置C1c处。如图10A所示，第一位置C1b和第二位置C1c沿垂直方向Z从中心位置C1a径向地隔开±Φ/4。
如图10A和图10B所示，实验进一步在轴向方向Y上从在第一端面14上形成的塞构件16内部的位置C2a、C2b和C2c提取其它测量样品，位置C2a、C2b和C2c在位置上对应于中心位置C1a以及第一和第二位置C1b和C1c。如前所述，中心位置C1a以及第一和第二位置C1b和C1c位于每个测试样品和对比样品CS1中间处的横截面上。
实验进一步在轴向方向Y上从在第二端面15上形成的塞构件16内部的位置C3a、C3b和C3c提取其它测量样品，位置C3a、C3b和C3c在位置上对应于中心位置C1a以及第一和第二位置C1b和C1c。
如前所述，实验从第一至第七测试样品TS1至TS7和对比样品CS1的每一个中的中央区域C中的位置C1a、C1b、C1c、C2a、C2b、C2c、C3a、C3b和C3c提取九个测量样品。在下文中，从位置C1a、C1b、C1c、C2a、C2b、C2c、C3a、C3b和C3c提取的测量样品将被称为测量样品C1a、C1b、C1c、C2a、C2b、C2c、C3a、C3b和C3c。
如图10A所示，在第一至第七测试样品TS1至TS7和对比样品CS1中的每一个的在轴向方向Y上的横截面上，实验从表皮部分11中的三个位置P1a、P1b和P1c提取测量样品，该三个位置在位置上与中心位置C1a隔开Φ/2，45°和90°。在下文中，从三个位置P1a、P1b和P1c提取的测量样品将被称为测量样品P1a、P1b和P1c。
如图10A和图10B所示，实验进一步从第一至第七测试样品TS1至TS7和对比样品CS1中的每一个的在轴向方向Y上形成在第一端面14上的塞构件16内部的三个位置P2a、P2b和P2c提取。三个位置P2a、P2b和P2c对应于三个位置P1a、P1b和P1c。在下文中，从三个位置P2a、P2b和P2c提取的测量样品将被称为测量样品P2a、P2b和P2c。
此外，如图10A和图10B所示，实验进一步从第一至第七测试样品TS1至TS7和对比样品CS1中的每一个的在轴向方向Y上形成在第二端面15上的塞构件16内部的三个位置P3a、P3b和P3c提取。三个位置P3a、P3b和P3c对应于三个位置P1a、P1b和P1c。在下文中，从三个位置P3a、P3b和P3c提取的测量样品将被称为测量样品P3a、P3b和P3c。
如前所述，实验从第一至第七测试样品TS1至TS7和对比样品CS1中的每一个的中央区域C提取九个测量样品C1a、C1b、C1c、C2a、C2b、C2c、C3a、C3b和C3c，并且进一步从外周区域P提取九个测量样品P1a、P1b、P1c、P2a、P2b、P2c、P3a、P3b和P3c。
实验使用取芯钻在每个测量样品的纵向方向上提取具有5mm直径和20mm长度的测量样品中的每一个。也就是说，每个测量样品的纵向方向对应于取芯钻的延伸方向和作为每个测试样品的蜂窝结构体1的轴向方向Y。
从中央区域C提取的测量样品C1a、C1b、C1c、C2a、C2b、C2c、C3a、C3b和C3c中的每一个具有圆柱形形状。另一方面，虽然从外周区域P提取的测量样品P1a、P1b、P1c、P2a、P2b、P2c、P3a、P3b和P3c中的每一个具有不同于圆柱形形状的形状，但是该结构在正确地测量从外周区域P中提取的测量样品P1a、P1b、P1c、P2a、P2b、P2c、P3a、P3b和P3c中的每一个的热膨胀系数中没有问题。
如先前所描述的，实验从外周区域P中的位置处提取测量样品，所述位置与中央区域隔开Φ/2。只要所提取的测量样品基本上具有圆柱形形状，从外周区域P中的位置内部的与中央区域分隔开Φ/2的任何位置提取测量样品是可接受的。
在没有任何塞构件16的蜂窝结构体的情况下，在蜂窝结构体的轴向方向Y上从第一端面14或第二端面15内部的位置提取测量样品是可接受的。
(热膨胀系数的测量)
实验检测在25℃(作为室温)至800℃的温度范围内的测量样品中的每一个的热膨胀系数的行为。
实验使用热化学分析仪(TMA)来测量测量样品中的每一个的热膨胀系数的行为。实验将Shimadzu Corporation制造的TMA-60用作TMA。实验使用石英作为标准样品。
实验检测在25℃至800℃的温度范围内的每个测量样品的热膨胀系数。例如，实验测量从中央区域C提取的九个测量样品C1a、C1b、C1c、C2a、C2b、C2c、C3a、C3b和C3c中的每一个以及从外周区域P提取的九个测量样品P1a、P1b、P1c、P2a、P2b、P2c、P3a、P3b和P3c中的每一个在轴向方向Y上的长度延伸。
在第一至第七测试样品TS1至TS7和对比样品CS1的每一个中，每个测量样品的中央区域C的热膨胀系数CCTE指示九个测量样品C1a、C1b、C1c、C2a、C2b、C2c、C3a、C3b和C3c的热膨胀系数的平均值。每个测量样品的外周区域P的热膨胀系数PCTE指示九个测量样品P1a、P1b、P1c、P2a、P2b、P2c、P3a、P3b和P3c的热膨胀系数的平均值。
表1示出了第一至第七测试样品TS1至TS7和对比样品CS1中的每一个的热膨胀系数的实验结果。
(耐热冲击性的评价)
实验评估第一至第七测试样品TS1至TS7和对比样品CS1中的每一个的耐热冲击性。实验将从内燃机(未示出)排放的废气G供给到布置在废气管3(见图6)中的第一至第七测试样品TS1至TS7和对比样品CS1中的每一个。
实验在与第一至第七测试样品TS1至TS7和对比样品CS1中的每一个的第一端面14隔开10mm的上游侧位置处使废气G的温度在从小于100℃至1000℃的范围内变化两分钟。接下来，实验将废气G的温度快速地改变到小于100℃的低温持续两分钟。该实验将该温度上升和冷却的循环重复5次。此后，进行目视检查以检测第一至第七测试样品TS1至TS7和对比样品CS1中的每一个中的裂纹的存在。
实验沿着从第一端面14或第二端面15测量的轴向方向Y每隔20mm的间隔将第一至第七测试样品TS1至TS7和对比样品CS1中的每一个切割成几个块。在实验中，对切割块中的每一个进行目视检查，以检测每个切割块内部和外部裂纹的存在。如果在其中没有产生裂纹，则评估结果指示完美。另一方面，如果一个或多个裂纹在其内部和外部中的至少一个处发生，则评估结果指示缺陷。表1示出了实验结果。
表1
CS1：对比样品CS1，
TSn：测试样品n(n＝TS1至TS7)，
CCTE：中央区域C中的热膨胀系数CCTE，以及
PCTE：外周区域P中的热膨胀系数PCTE。
如从表1中所示的实验结果可以理解的，当与对比样品CS1相比时，第一至第七测试样品TS1至TS7(作为蜂窝结构体)具有优异的耐热冲击性，因为在第一至第七测试样品TS1至TS7中外周区域P的耐热冲击性PCTE大于中央区域C的耐热冲击性CCTE。例如，第一至第七测试样品TS1至TS7具有在1.5至38.5范围内的比率PCTE/CCTE，并且其评估结果指示完美。
另一方面，对比样品CS1的具有为1.0的比率PCTE/CCTE。在对比例CS1中，外周区域P的耐热冲击性PCTE与中央区域C的耐热冲击性CCTE基本上相等。对比例CS1的评价结果被判定为缺陷。
通常，存在这样的趋势：在蜂窝结构体中，中央区域C和外周区域P具有基本相同的热膨胀系数，或者中央区域C的热膨胀系数大于外周区域P的热膨胀系数，在该蜂窝结构体中，表皮部分11和蜂窝结构部分10一起形成和烧制为整体式主体。这意味着，由于在烧制步骤中热能从表皮部分11传导到蜂窝结构部分10的内部，因此陶瓷填料在外周区域P中比在中央区域C中结晶更多。因此，由陶瓷制成的陶瓷蜂窝结构体(其中表皮部分11和蜂窝结构部分10一起形成为整体式主体)具有特定的结构，在该结构中，表皮部分11具有基本上等于或小于中央区域C的热膨胀系数的热膨胀系数。
从表1所示的实验结果可以理解，当通过将外周区域P浸渍到包含陶瓷填料的混合物溶液中来制造每个测试样品时，第一至第七测试样品TS1至TS7中的每一个具有PCTE＞CCTE的关系，并且每个测试样品的耐热冲击性得到改善。也就是说，这使得每个测试样品具有优异的耐热冲击性。
在上述耐热冲击性的评估步骤之后，实验检测了在第一至第七测试样品TS1至TS7和对比样品CS1中的每一个中的外周区域P的热膨胀系数。结果，第一至第六测试样品TS1至TS6中的每一个的外周区域P具有等于表1中所示的热膨胀系数PCTE的热膨胀系数。另一方面，第七测试样品TS7中的外周区域P具有7.4×10-6/℃的热膨胀系数，该热膨胀系数小于表1中所示的7.7的热膨胀系数PCTE。这意味着陶瓷填料123已经从第七测试样品TS7中的外周区域P的表面剥离。具体地，如表1所示，第七测试样品TS7具有大热膨胀系数PCTE的外周区域P和比第一至第六测试样品TS1至TS6中的每一个都大的比率PCTE/CCTE。由于在废气管3(参见图6)中流动的废气G的温度变化，这使第七测试样品TS7中的外周区域P的扩展或收缩的差增大。结果，由于在废气管3中流动的废气G的温度变化，通过外周区域P的扩展和收缩的重复，陶瓷填料123从第七测试样品TS7的外周区域P的孔121和微裂纹122脱离。
因此，蜂窝结构体满足不大于36的比率PCTE/CCTE(PCTE/CCTE≤36)是优选的。第一至第六测试样品TS1至TS6满足不大于36的PCTE/CCTE比率(PCTE/CCTE≤36)。第一至第六测试样品TS1至TS6的结构可以抑制陶瓷填料123从外周区域P和中央区域C脱离，并且在长的时间段提供稳定的耐热冲击性。
本公开的概念不限于前述的第一和第二示例性实施方式。本公开可以具有各种修改。例如，可以将根据本发明的蜂窝结构体应用于内燃机(诸如柴油发动机、汽油发动机)，以及应用于热力发动机(诸如锅炉)，以净化从这些柴油发动机、汽油发动机和锅炉排放的废气。
尽管已经详细描述了本公开的具体实施方式，但是本领域技术人员将理解，可以根据本公开的整体教导来开发对那些细节的各种修改和替代。因此，所公开的特定布置仅意图是说明性的，并且不是限制本公开的范围，本公开的范围将由以下权利要求及其所有等同形式在完整范围内给出。
Claims (9)
1.一种蜂窝结构体，包括：
具有圆柱形形状的表皮部分；和
与所述表皮部分一起形成为整体式主体的蜂窝结构部分，
其中
所述表皮部分和所述蜂窝结构部分包括分隔壁，该分隔壁具有其中形成有孔的多孔结构，所述分隔壁形成单元，所述单元中的每一个被所述分隔壁围绕并在所述蜂窝结构体的轴向方向上延伸，
所述单元包括第一单元和第二单元，所述第一单元布置成与所述表皮部分相邻，且所述第二单元布置成与所述第一单元相邻，
其中
所述表皮部分、所述第一单元和所述第二单元形成外周区域，并且中央区域布置在所述蜂窝结构体中的所述外周区域内侧，且
所述蜂窝结构体满足以下关系：所述外周区域的热膨胀系数(PCTE)大于所述中央区域的热膨胀系数(CCTE)。
2.根据权利要求1所述的蜂窝结构体，其中，所述表皮部分和所述外周区域中至少一个的所述分隔壁包括孔和微裂纹，并且所述孔和所述微裂纹中至少一个填充有陶瓷填料。
3.根据权利要求2所述的蜂窝结构体，其中，所述陶瓷填料由氧化物陶瓷构成。
4.根据权利要求3所述的蜂窝结构体，其中，所述蜂窝结构体满足1.0<PCTE/CCTE≤36的关系，其中PCTE是所述外周区域的热膨胀系数，且CCTE是所述中央区域的热膨胀系数。
5.根据权利要求3所述的蜂窝结构体，其中，所述单元中每一个的一端被塞构件塞住。
6.根据权利要求2所述的蜂窝结构体，其中，所述蜂窝结构体满足1.0<PCTE/CCTE≤36的关系，其中PCTE是所述外周区域的热膨胀系数，且CCTE是所述中央区域的热膨胀系数。
7.根据权利要求2所述的蜂窝结构体，其中，所述单元中每一个的一端被塞构件塞住。
8.根据权利要求1所述的蜂窝结构体，其中，所述蜂窝结构体满足1.0<PCTE/CCTE≤36的关系，其中PCTE是所述外周区域的热膨胀系数，且CCTE是所述中央区域的热膨胀系数。
9.根据权利要求1所述的蜂窝结构体，其中，所述单元中每一个的一端被塞构件塞住。
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