CN113710346A - 低体积密度、高几何表面积的蜂窝体 - Google Patents

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Abstract

提供了陶瓷蜂窝体及其制造方法。陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸‑1(3.66mm‑1)的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)。

Description

低体积密度、高几何表面积的蜂窝体
本申请根据35U.S.C.§119，要求2019年4月18日提交的第62/835,671号美国临时申请的优先权权益，其内容通过引用全文纳入本文。
背景
本公开一般涉及展现出高几何表面积的低体积密度的陶瓷蜂窝体及其制造和使用方法。更具体地，本公开提供了展现出高几何表面积的低体积密度的堇青石陶瓷蜂窝体，其用于催化转化器基材，例如，用于发动机排气后处理。
包含催化剂(例如氧化催化剂和三效催化剂)的陶瓷蜂窝基材用于汽油发动机排放控制中的紧密偶合应用，以使基材能够更快地升温。这进而能够使催化剂变得更快得活化，使得冷启动排放减少。汽车制造商已经通过在启动期间控制发动机运行，从而优化发动机温度和燃料使用解决了这一问题，这既复杂又不利地影响车辆的燃料经济性。移动排放催化转化器制造商通过在用于涂覆陶瓷蜂窝基材的底涂层中添加增加量的铂族金属(PGM)解决了这个问题，其效率低下且非常昂贵。
需要提供改进的陶瓷蜂窝体来解决冷启动排放问题。
发明内容
本公开的第一个方面涉及一种陶瓷蜂窝体，其包括进口面，出口面，以及多个平行、伸长的、端部开放的孔道，所述孔道由相交的孔道壁的板形成，所述孔道壁具有板厚度(tw)，所述板厚度从陶瓷蜂窝体的进口面到出口面穿过陶瓷蜂窝体，每个孔道限定了孔道周长P和孔道面积(A孔道)，端部开放的孔道被配置成具有以每平方英寸的孔道数(CPSI)计的孔道密度，并且限定了陶瓷蜂窝体的开口正面面积百分比(％OFA)，其中，％OFA＝CPSI*A孔道，相交的孔道壁包括陶瓷材料，所述陶瓷材料具有密度ρc和孔隙率体积百分比(％孔隙率)，其中，陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1(3.66mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)，以及大于0.4mm2的背压因子(BPF)。
本公开的第二个方面涉及一种制造陶瓷蜂窝体的方法，所述陶瓷蜂窝体包括进口面，出口面，以及多个平行、伸长的、端部开放的孔道，所述孔道由相交的孔道壁形成，所述孔道壁具有板厚度(tw)，所述板厚度从陶瓷蜂窝体的进口面到出口面穿过陶瓷蜂窝体，每个孔道限定了周长P和孔道面积(A孔道)，端部开放的孔道包括以每平方英寸的孔道数(CPSI)计的孔道密度，并且限定了陶瓷蜂窝体的开口正面面积百分比(％OFA)，其中，％OFA＝CPSI*A孔道，相交的孔道壁包括陶瓷材料，所述陶瓷材料具有密度ρc和孔隙率体积百分比(％孔隙率)。所述方法包括：形成起始材料的混合物，所述起始材料包括造孔剂，然后将混合物挤出成生坯蜂窝体，接着烧制生坯蜂窝体以提供成形的陶瓷蜂窝体，其包括预定的CPSI和预定的板厚度，以使得成形的陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1(3.66mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)，以及大于0.4mm2的背压因子(BPF)。
在以下的具体实施方式中给出了其他特征和优点，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具体实施方式、权利要求书以及附图在内的本文所述的各个实施方式而被认识。
应理解，前面的一般性描述和以下的具体实施方式都仅仅是示例性的，并且旨在提供用于理解权利要求的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各个实施方式的原理和操作。
附图说明
应理解，举例说明是为了描述具体的实施方式，而不是旨在将本公开或所附权利要求限于此。为了清楚和简明起见，附图不一定按比例绘制，附图的某些特征和某些视图可能按比例放大显示或以示意图方式显示。
图1是根据一个或多个实施方式所述的蜂窝体的透视图；
图2A是根据一个或多个实施方式所述的蜂窝体的矩形孔道的端视图；
图2B是根据一个或多个实施方式所述的蜂窝体的六边形孔道的端视图；
图3A和3B是根据具有正方形孔道的堇青石蜂窝体的一个实施方式，例示了参数选择的图表；
图4A和4B是根据具有正方形孔道的堇青石蜂窝体的一个实施方式，例示了参数选择的图表；
图5A和5B是根据具有正方形孔道的堇青石蜂窝体的一个实施方式，例示了参数选择的图表；
图6A和6B是根据具有正方形孔道的堇青石蜂窝体的一个实施方式，例示了参数选择的图表；
图7A和7B是根据具有正方形孔道的堇青石蜂窝体的一个实施方式，例示了参数选择的图表；
图8A和8B是根据具有正方形孔道的堇青石蜂窝体的一个实施方式，例示了参数选择的图表；
图9A和9B是根据具有正方形孔道的堇青石蜂窝体的一个实施方式，例示了参数选择的图表；
图10A和10B是根据具有六边形孔道的堇青石蜂窝体的一个实施方式，例示了参数选择的图表；
图11A和11B是根据具有六边形孔道的堇青石蜂窝体的一个实施方式，例示了参数选择的图表；
图12A和12B是根据具有六边形孔道的堇青石蜂窝体的一个实施方式，例示了参数选择的图表；
图13A和13B是根据具有六边形孔道的堇青石蜂窝体的一个实施方式，例示了参数选择的图表；
图14A和14B是根据具有六边形孔道的堇青石蜂窝体的一个实施方式，例示了参数选择的图表；
图15A和15B是根据具有六边形孔道的堇青石蜂窝体的一个实施方式，例示了参数选择的图表；并且
图16A和16B是根据具有六边形孔道的堇青石蜂窝体的一个实施方式，例示了参数选择的图表。
具体实施方式
在描述若干个示例性实施方式之前，应理解，本公开不限于以下公开内容所阐述的构造或工艺步骤的细节。本文提供的公开内容能够具有其他实施方式，并且能够以各种方式实施或进行。
应注意，本文可用术语“基本”和“约”表示可由任何定量比较、数值、测量或其他表示方法造成的固有不确定性的程度。在本文中还使用这些术语表示数量的表示值可以与陈述的参比值有所不同，但是不会导致论述的主题的基本功能改变。
本公开提供了陶瓷蜂窝体，其可用于制造移动催化剂，使得移动催化剂符合现行稳态排放和冷启动排放的严格要求，以及符合越来越严格的未来的排放法规。现在参考图1，蜂窝体100的一个示例性实施方式包括多个孔道壁115，其限定了多个内通道110。该多个内通道110和相交的孔道壁115在蜂窝体的第一端105与第二端135之间延伸。第一端105也可以被称为进口面，第二端135可以被称为出口面。当蜂窝体在使用中时，第一端105或进口面离发动机排气最近，排气进入基材的第一端105或进口面，并且通过第二端135或出口面离开蜂窝体100。
图2A示出了被通道壁115限制的矩形(具体为正方形)截面的孔道110的端视图，通道壁115具有板厚度tW。图2B示出了截面为六边形并且壁115具有板厚度tW的孔道110的端视图。
一个或多个实施方式涉及陶瓷蜂窝体100，其包括第一端105或进口面，第二端135或出口面，以及多个平行、伸长的、端部开放的孔道110(伸长的端部开放的孔道也可以被称为通道)，所述孔道由相交的孔道壁115的板形成，所述板具有板厚度(tw)，所述板厚度从陶瓷蜂窝体的进口面到出口面穿过陶瓷蜂窝体，每个孔道110限定了通道周长P和孔道通道面积(A孔道)，端部开放的孔道110被配置成具有以每平方英寸的孔道数(CPSI)计的孔道密度，并且限定了陶瓷蜂窝体的开口正面面积百分比(％OFA)，其中，％OFA＝CPSI*A孔道，相交的孔道壁包括陶瓷材料，所述陶瓷材料具有密度ρc和孔隙率体积百分比(％孔隙率)，其中，陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1(3.66mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)，以及大于0.4mm2的背压因子(BPF)。
蜂窝体的体积密度通过两个主要参数来控制：蜂窝体的开口正面面积和陶瓷材料的密度，蜂窝体的开口正面面积由板厚度和每平方英寸的孔道数(CPSI)控制，陶瓷材料的密度由基础材料密度和材料的孔隙％控制。几何表面积(GSA)由板厚度和每平方英寸的孔道数控制。
历史上，通过平衡板厚度和CPSI来增加GSA同时最小化体积密度。降低板厚度增加了GSA并降低了体积密度。增加CPSI增了GSA但也增加了体积密度。因此，为了全面优化GSA，板厚度需变得更薄，而更薄的板厚度对蜂窝体的机械完整性造成了风险。同样地，CPSI需变得更高，而这对部件的背压性能造成了风险。这可通过增加蜂窝体的％孔隙率来平衡，其能够使人们将体积密度与蜂窝体的机械设计过程分开。根据一个或多个实施方式，CPSI和板厚度可用于优化GSA、MIF和BPF空间，而孔隙率可用于使体积密度低于期望目标。
体积密度是蜂窝体的重量/总体积。在具有圆形截面的圆柱形蜂窝体的情况中，总体积将是圆柱体积。几何表面积(GSA)是蜂窝体的总体积内的所有表面的表面积。机械完整性因子(MIF)通过将伸长的孔道(或通道)壁的中点处或通道壁相交处的最大弯曲应力与通道壁强度相等而得出。背压因子是控制流通基材背压的方程的分量，其对应于蜂窝体的几何结构。
根据一个或多个实施方式，提供低体积密度和高GSA的蜂窝体可允许汽车制造商在满足以前无法达到的排放要求，在大大减少蜂窝体上的铂族金属(PGM)负载的情况下维持或提高当前排放能力，以及以更好的燃油经济性保持或改进当前的排放能力之间进行平衡。减少蜂窝体上的PGM负载显著节约了成本。
根据一个或多个实施方式，下文提供了用于优化蜂窝体的方程。在下述方程中：
CPSI＝每平方英寸的孔道数
tw＝板厚度(密耳)
P＝孔道的周长(英寸)
A孔道＝孔道的面积(英寸2)
ρc＝陶瓷的密度(g/cm3)
OFA＝开口正面面积
Dh＝水力直径
L＝开放通道的长度
体积密度由方程1提供。
体积密度＝[1-％OFA]*[(1-％孔隙率)*ρc] (1)
开口正面面积的百分比(％OFA)由方程2提供。
％OFA＝CPSI*A孔道 (2)
几何表面积(GSA)由方程3提供。
GSA＝CPSI*P (3)
蜂窝体的水力直径(Dh)由方程4提供。
Figure BDA0003308912280000051
背压因子(BPF)由方程5提供。
Figure BDA0003308912280000061
首先参考图2A，根据一个或多个实施方式，使用以下方程限定蜂窝体的参数来优化具有矩形孔道，尤其是正方形孔道的蜂窝体。
孔道的面积由方程6提供。
A孔道＝L2 (6)
正方形通道的周长由方程7来提供。
P＝4*L (7)
正方形通道的长度由方程8来提供。
Figure BDA0003308912280000062
正方形通道的几何表面积由方程9来提供。
Figure BDA0003308912280000063
正方形通道的体积密度由方程10来提供。
Figure BDA0003308912280000064
机械完整性因子(MIF)由方程11提供。
Figure BDA0003308912280000065
正方形通道的水力直径由方程12来提供。
Figure BDA0003308912280000066
背压因子(BPF)由方程13提供。
Figure BDA0003308912280000067
现在参考图2B，根据一个或多个实施方式，使用以下方程限定蜂窝体的参数来优化具有六边形孔道的蜂窝体。
对于包含六边形通道的蜂窝基材，根据一个或多个实施方式所述的蜂窝基材的性质定义如下：
孔道的面积(A孔道)由方程14提供。
Figure BDA0003308912280000068
周长(P)由方程15提供。
Figure BDA0003308912280000071
长度(L)由方程16提供。
Figure BDA0003308912280000072
几何表面积由方程17提供。
Figure BDA0003308912280000073
体积密度由方程18提供。
Figure BDA0003308912280000074
机械完整性因子(MIF)由方程19提供。
Figure BDA0003308912280000075
水力直径由方程20来提供。
Figure BDA0003308912280000076
背压因子(BPF)由方程21提供。
Figure BDA0003308912280000077
蜂窝体的本体材料密度常不用于优化GSA和体积密度。本体材料密度由陶瓷材料的密度和陶瓷材料的％孔隙率控制。在一个或多个实施方式中，蜂窝体包括堇青石陶瓷。当陶瓷体包括堇青石时，可增加％孔隙率参数以降低体积密度但不影响GSA。因此，蜂窝体能够具有更高的孔道密度和最大GSA，以仍然维持蜂窝体具有低的体积密度。
根据一个或多个实施方式，提供蜂窝体，所述蜂窝体具有相对较高的GSA和低的体积密度，但无需诉诸于极薄的板，极薄的板可减小机械完整性因子，并因此使得制造更加困难并降低了产品的形状能力和封装性能。
本公开的第一个实施方式涉及一种陶瓷蜂窝体，其包括进口面，出口面和多个平行、伸长的、端部开放的孔道，所述孔道由相交的孔道壁的板形成，所述板具有板厚度(tw)，所述板厚度从陶瓷蜂窝体的进口面到出口面穿过陶瓷蜂窝体。每个孔道限定了孔道周长P和孔道面积(A孔道)，端部开放的孔道被配置成具有以每平方英寸的孔道数(CPSI)计的孔道密度，并且限定了陶瓷蜂窝体的开口正面面积百分比(％OFA)，其中，％OFA＝CPSI*A孔道。相交的孔道壁包括陶瓷材料，其具有密度ρc和孔隙率体积百分比(％孔隙率)。在具体的实施方式中，陶瓷材料包含堇青石，并且在一些实施方式中，陶瓷材料基本上由堇青石组成或者由堇青石组成。陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1(3.66mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)。应理解，虽然本文所述的具体的实施方式涉及具有矩形(尤其是正方形)或六边形截面的孔道，但是孔道的截面不限于矩形和六边形，只要蜂窝体在每个实施方式限定的GSA、MIF和BPF范围内即可。在一个或多个实施方式中，孔道的截面形状可以是圆形、椭圆形或其他截面形状。
在关于图3A-16B所示的一个或多个实施方式中，改变GSA、MIF和/或BPF中的一者或多者以提供经改性的蜂窝体。如果将GSA调整到低于所述实施方式的具体极限，则包含蜂窝体的催化转化器的催化性能降低，导致采用包含蜂窝体的催化转化器的发动机的排气增加。这将需要在蜂窝体上使用更高量的PGM，这在成本上并不那么节约。如果将MIF调整到低于所示实施方式的具体极限，则基材的机械耐久性将变差，这导致更多的现场故障和/或增加供应链的成本。如果将BPF调整到低于所示实施方式的具体极限，则利用该蜂窝体的车辆发动机上的背压变得更高，导致发动机性能下降和/或燃料效率降低。
在第二个实施方式中，陶瓷蜂窝体具有截面为矩形的孔道，在具体的实施方式中，截面为正方形。图3A和3B是根据具有正方形孔道的第一个实施方式，例示了参数选择的图表，但是，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于正方形孔道。图3A绘制了板厚度与CPSI的关系，并且由GSA、MIF和BPF线限制的区域限定了第一个实施方式所涵盖的板厚度和CPSI值的范围。图3B根据第一个实施方式，绘制了对于750CPSI的示例性实施方式，孔隙率相对于板厚度(以密耳计)的图，点线区域描绘了涵盖可被使用并且满足图3A所示的参数范围的％孔隙率和板厚度范围的区域。对于约1.9密耳(48.26μm)的板厚度，蜂窝体的％孔隙率可在约17％至80％的范围内，并且对于约5.5密耳(139.7μm)的板厚度，％孔隙率在约70％至约80％的范围内。
在第三个实施方式中，陶瓷蜂窝体包括正方形孔道，以及小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1(3.66mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.4％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于正方形孔道。图4A和4B是根据第三个实施方式例示了参数选择的图表。图4A绘制了板厚度与CPSI的关系，并且由GSA、MIF和BPF线限制的区域限定了第三实施方式所涵盖的板厚度和CPSI值的范围。图4B根据第三个实施方式，绘制了对于750CPSI的示例性实施方式，孔隙率相对于板厚度(以密耳计)的图，点线区域描绘了涵盖可被使用并且满足图4A所示的参数范围的％孔隙率和板厚度范围的区域。对于约2.25密耳的板厚度，蜂窝体的％孔隙率可在约30％至80％的范围内，并且对于约5.5密耳(139.7μm)的板厚度，％孔隙率在约70％至约80％的范围内。
在第四个实施方式中，陶瓷蜂窝体包括正方形孔道，以及小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1(3.66mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.5％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于正方形孔道。图5A绘制了板厚度与CPSI的关系，并且由GSA、MIF和BPF线限制的区域限定了第四个实施方式所涵盖的板厚度和CPSI值的范围。图5B根据第四个实施方式，绘制了对于750CPSI的示例性实施方式，孔隙率相对于板厚度(以密耳计)的图，并且点线区域描绘了涵盖可被使用并且满足图5A所示的参数范围的％孔隙率和板厚度范围的区域。对于约2.5密耳的板厚度，蜂窝体的％孔隙率可在约37％至80％的范围内，并且对于约5.5密耳(139.7μm)的板厚度，％孔隙率在约70％至约80％的范围内。
在第五个实施方式中，陶瓷蜂窝体包括正方形孔道，以及小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1(3.66mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.45mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于正方形孔道。图6A绘制了板厚度与CPSI的关系，并且由GSA、MIF和BPF线限制的区域限定了第五个实施方式所涵盖的板厚度和CPSI值的范围。图6B根据第五个实施方式，绘制了对于750CPSI的示例性实施方式，孔隙率相对于板厚度(以密耳计)的图，点线区域描绘了涵盖可被使用并且满足图6A所示的参数范围的％孔隙率和板厚度范围的区域。对于约1.9密耳(48.26μm)的板厚度，蜂窝体的％孔隙率可在约17％至80％的范围内，并且对于约5.5密耳(139.7μm)的板厚度，％孔隙率在约70％至约80％的范围内。
在第六个实施方式中，陶瓷蜂窝体包括正方形孔道，以及小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1(3.66mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.5mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于正方形孔道。图7A绘制了板厚度与CPSI的关系，并且由GSA、MIF和BPF线限制的区域限定了第六个实施方式所涵盖的板厚度和CPSI值的范围。图7B根据第六个实施方式，绘制了对于750CPSI的示例性实施方式，孔隙率相对于板厚度(以密耳计)的图，点线区域描绘了涵盖可被使用并且满足图7A所示的参数范围的％孔隙率和板厚度范围的区域。对于约1.8密耳(45.72μm)的板厚度，蜂窝体的％孔隙率可在约14％至80％的范围内，并且对于约4.6密耳(116.84μm)的板厚度，％孔隙率在约65％至约80％的范围内。
在第七个实施方式中，陶瓷蜂窝体包括正方形孔道，以及小于210g/L的体积密度，大于95英寸-1的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于正方形孔道。图8A绘制了板厚度与CPSI的关系，并且由GSA、MIF和BPF线限制的区域限定了第七个实施方式所涵盖的板厚度和CPSI值的范围。图8B根据第七个实施方式，绘制了对于750CPSI的示例性实施方式，孔隙率相对于板厚度(以密耳计)的图，点线区域描绘了涵盖可被使用并且满足图8A所示的参数范围的％孔隙率和板厚度范围的区域。对于约1.9密耳(48.26μm)的板厚度，蜂窝体的％孔隙率可在约17％至80％的范围内，并且对于约4.8密耳(121.92)的板厚度，％孔隙率在约66％至约80％的范围内。
在第八个实施方式中，陶瓷蜂窝体包括正方形孔道，以及小于210g/L的体积密度，大于97英寸-1(3.82mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于正方形孔道。图9A绘制了板厚度与CPSI的关系，并且由GSA、MIF和BPF线限制的区域限定了第八个实施方式所涵盖的板厚度和CPSI值的范围。图9B根据第八个实施方式，绘制了对于750CPSI的示例性实施方式，孔隙率相对于板厚度(以密耳计)的图，点线区域描绘了涵盖可被使用并且满足图9A所示的参数范围的％孔隙率和板厚度范围。对于约1.9密耳(48.26μm)的板厚度，蜂窝体的％孔隙率可在约17％至80％的范围内，并且对于约4.2密耳(106.88μm)的板厚度，％孔隙率在约61％至约80％的范围内。
在第九个实施方式中，孔道的截面为六边形，并且陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1(3.66mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于六边形孔道。
图10A绘制了板厚度与CPSI的关系，并且由GSA、MIF和BPF线限制的区域限定了第九个实施方式所涵盖的板厚度和CPSI值的范围。图10B根据第九个实施方式，绘制了对于750CPSI的示例性实施方式，孔隙率相对于板厚度(以密耳计)的图，点线区域描绘了涵盖可被使用并且满足图10A所示的参数范围的％孔隙率和板厚度范围。对于约2.0密耳的板厚度，蜂窝体的％孔隙率可在约17％至80％的范围内，并且对于约3.4密耳的板厚度，％孔隙率在约50％至约80％的范围内。
在第10个实施方式中，孔道的截面为六边形，并且陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1(3.66mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.4％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于六边形孔道。图11A绘制了板厚度与CPSI的关系，并且由GSA、MIF和BPF线限制的区域限定了第十个实施方式所涵盖的板厚度和CPSI值的范围。图11B根据第十个实施方式绘制了对于750CPSI的示例性实施方式，孔隙率相对于板厚度(以密耳计)的图，点线区域描绘了涵盖可被使用并且满足图11A所示的参数范围的％孔隙率和板厚度范围的区域。对于约2.4密耳(60.96μm)的板厚度，蜂窝体的％孔隙率可在约30％至80％的范围内，并且对于约3.4密耳(86.36μm)的板厚度，％孔隙率在约50％至约80％的范围内。
在第十一个实施方式中，孔道的截面为六边形，并且陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1(3.66mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.5％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于六边形孔道。图12A绘制了板厚度与CPSI的关系，并且由GSA、MIF和BPF线限制的区域限定了第十一个实施方式所涵盖的板厚度和CPSI值的范围。图12B根据第十一个实施方式绘制了对于750CPSI的示例性实施方式，孔隙率相对于板厚度(以密耳计)的图，点线区域描绘了涵盖可被使用并且满足图12A所示的参数范围的％孔隙率和板厚度范围。对于约2.7密耳(68.58μm)的板厚度，蜂窝体的％孔隙率可在约37％至80％的范围内，并且对于约3.4密耳(86.36μm)的板厚度，％孔隙率在约50％至约80％的范围内。
在第十二个实施方式中，孔道的截面为六边形，并且陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1(3.66mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.45mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于六边形孔道。图13A绘制了板厚度与CPSI的关系，并且由GSA、MIF和BPF线限制的区域限定了第十二个实施方式所涵盖的板厚度和CPSI值的范围。图13B根据第十二个实施方式，绘制了对于750CPSI的示例性实施方式，孔隙率相对于板厚度(以密耳计)的图，点线区域描绘了涵盖可被使用并且满足图13A所示的参数范围的％孔隙率和板厚度范围的区域。对于约2.0密耳(50.8μm)的板厚度，蜂窝体的％孔隙率可在约17％至80％的范围内，并且对于约3.4密耳(86.36μm)的板厚度，％孔隙率在约50％至约80％的范围内。
在第十三个实施方式中，孔道的截面为六边形，并且陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1(3.66mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.5mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于六边形孔道。图14A绘制了板厚度与CPSI的关系，并且由GSA、MIF和BPF线限制的区域限定了第十三个实施方式所涵盖的板厚度和CPSI值的范围。图14B根据第十三个实施方式，绘制了对于750CPSI的示例性实施方式，孔隙率相对于板厚度(以密耳计)的图，点线区域描绘了涵盖可被使用并且满足图14A所示的参数范围的％孔隙率和板厚度范围的区域。对于约2.0密耳(50.8μm)的板厚度，蜂窝体的％孔隙率可在约17％至80％的范围内，并且对于约3.4密耳(86.36μm)的板厚度，％孔隙率在约50％至约80％的范围内。
在第十四个实施方式中，孔道的截面为六边形，并且陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于95英寸-1(3.74mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于六边形孔道。图15A绘制了板厚度与CPSI的关系，并且由GSA、MIF和BPF线限制的区域限定了第十四个实施方式所涵盖的板厚度和CPSI值的范围。图15B根据第十四个实施方式，绘制了对于750CPSI的示例性实施方式，孔隙率相对于板厚度(以密耳计)的图，并且点线区域描绘的区域涵盖了可被使用并且满足图15A所示的参数范围的％孔隙率和板厚度范围的区域。对于约2.0密耳(50.8μm)的板厚度，蜂窝体的％孔隙率可在约17％至80％的范围内，并且对于约2.7密耳(68.58μm)的板厚度，％孔隙率在约36％至约80％的范围内。
在第十五个实施方式中，孔道的截面为六边形，并且陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于97英寸-1(3.74mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于六边形孔道。图16A绘制了板厚度与CPSI的关系，并且由GSA、MIF和BPF线限制的区域限定了第十五个实施方式所涵盖的板厚度和CPSI值的范围。图16B根据第十五个实施方式，绘制了对于900CPSI的示例性实施方式，孔隙率相对于板厚度(以密耳计)的图，点线区域描绘了涵盖可被使用并且满足图16A所示的参数范围的％孔隙率和板厚度范围。对于约1.9密耳(48.26μm)的板厚度，蜂窝体的％孔隙率可在约17％至80％的范围内，并且对于约4.7密耳(119.38μm)的板厚度，％孔隙率在约66％至约80％的范围内。
本公开的第十六个实施方式涉及一种制造陶瓷蜂窝体的方法，所述陶瓷蜂窝体包括进口面，出口面和多个平行、伸长的、端部开放的孔道，所述孔道由相交的孔道壁形成，所述孔道壁具有板厚度(tw)，板厚度从陶瓷蜂窝体的进口面到出口面穿过陶瓷蜂窝体。每个孔道限定了周长P和孔道面积(A孔道)，端部开放的孔道包括以每平方英寸的孔道数(CPSI)计的孔道密度，并且限定了陶瓷蜂窝体的开口正面面积百分比(％OFA)，其中，％OFA＝CPSI*A孔道，并且相交的孔道壁包括陶瓷材料，其具有密度ρc和孔隙体积百分比(％孔隙率)。在具体的实施方式中，陶瓷材料包括堇青石。在另一些实施方式中，陶瓷材料基本上由堇青石组成或者包括堇青石。所述方法还包括：形成起始材料的混合物，所述起始材料包括造孔剂，然后将混合物挤出成生坯蜂窝体，接着烧制生坯蜂窝体以提供成形的陶瓷蜂窝体，其包括预定的CPSI和预定的板厚度，以使得成形的陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1(3.66mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)，以及大于0.4mm2的背压因子(BPF)。
在第十七个方法实施方式中，孔道的截面为矩形。在第十八个实施方式中，孔道的截面为矩形，并且陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1(3.66mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.4％的机械完整性因子(MIF)和大于0.5mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于矩形孔道。
在第十九个方法实施方式中，孔道的截面为矩形，并且陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1(3.66mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.5％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)。在第二十个方法实施方式中，孔道的截面为矩形，并且陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1(3.66mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.45mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于矩形孔道。
在第二十一个方法实施方式中，孔道的截面为矩形，并且陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1(3.66mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.5mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于矩形孔道。
在第二十二个方法实施方式中，孔道的截面为矩形，并且陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于95英寸-1(3.74mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于矩形孔道。
在第二十三个方法实施方式中，孔道的截面为矩形，并且陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于97英寸-1(3.82mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于矩形孔道。
在第二十四个方法实施方式中，孔道的截面为六边形，并且成形的陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1(3.66mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于六边形孔道。
在第二十五个方法实施方式中，孔道的截面为六边形，并且陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1(3.66mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.4％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于六边形孔道。
在第二十六个方法实施方式中，孔道的截面为六边形，并且陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1(3.66mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.5％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于六边形孔道。
在第二十七个方法实施方式中，孔道的截面为六边形，并且陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1(3.66mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.45mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于六边形孔道。
在第二十八个方法实施方式中，孔道的截面为六边形，并且陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1(3.66mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.5mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于六边形孔道。
在第二十九个方法实施方式中，孔道的截面为六边形，并且陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于95英寸-1(3.74mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于六边形孔道。
在第三十个方法实施方式中，孔道的截面为六边形，并且陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于97英寸-1(3.82mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)，然而，在替代性实施方式中，孔道的形状不限于六边形孔道。
实施例
实施例例示了具有孔道并且孔道具有正方形和六边形截面形状的蜂窝体，但是本公开不限于具有特定截面形状的孔道。
下表1示出了目前可商购的常见蜂窝体。
表1
Figure BDA0003308912280000151
表2中示出了来自表1的孔道截面为正方形的蜂窝体的计算值。
表2
Figure BDA0003308912280000152
Figure BDA0003308912280000161
表3中示出了来自表1的孔道截面为六边形的蜂窝体的计算值。
表3
Figure BDA0003308912280000162
注意，目前没有产品满足本发明制品的所有四个目标，包括体积密度<210g/L并且GSA>93英寸-1，同时维持MIF>0.28％且BPF>0.4mm2。
表4包括通过提高孔隙率而符合本发明制品的产品。
表4
Figure BDA0003308912280000163
表5包含了来自表4的孔道截面为正方形的蜂窝体的计算值。
表5
Figure BDA0003308912280000164
表6包含了来自表4的孔道截面为六边形的蜂窝体的计算值。
表6
Figure BDA0003308912280000171
实施例17：优化的正方形孔道蜂窝体
如果板厚度固定在不薄于2.5密耳(63.5μm)，则孔道密度需大于746CPSI且小于938CPSI，以便维持GSA>95英寸-1(3.74mm-1)，MIF>0.5且BPF>0.5mm2。如果陶瓷制品由堇青石制造，则孔隙率需从39.6％(746CPSI)增加到45.9％(938CPSI)，以满足体积密度要求。
实施例18：优化的正方形孔道
如果板厚度固定在不薄于3.5密耳(88.9μm)，则孔道密度需大于684CPSI且小于840CPSI，以便维持GSA>95英寸-1(3.74mm-1)，MIF>0.5且BPF>0.5mm2。如果陶瓷制品由堇青石制造，则孔隙率需从54.4％(684CPSI)增加到58.7％(840CPSI)，以满足体积密度要求。
实施例19：优化的六边形孔道蜂窝体
如果板厚度固定在不薄于2.5密耳(63.5μm)，则孔道密度需大于861CPSI且小于1083CPSI，以便维持GSA>95英寸-1(3.74mm-1)，MIF>0.5且BPF>0.5mm2。如果陶瓷制品由堇青石制造，则孔隙率需从39.6％(861CPSI)增加到45.9％(1083CPSI)，以满足体积密度要求。
实施例20：优化的六边形孔道蜂窝体
如果板厚度固定在不薄于3.5密耳(88.9μm)，则孔道密度需大于790CPSI且小于971CPSI，以便维持GSA>95英寸-1(3.74mm-1)，MIF>0.5且BPF>0.5mm2。如果陶瓷制品由堇青石制造，则孔隙率需从54.4％(790CPSI)增加到58.7％(971CPSI)，以满足体积密度要求。

Claims (18)

1.一种陶瓷蜂窝体，其包括：
进口面，出口面，以及多个平行、伸长的、端部开放的孔道，所述孔道由相交的孔道壁的板形成，所述孔道壁具有板厚度(tw)，所述板厚度从陶瓷蜂窝体的进口面到出口面穿过陶瓷蜂窝体，每个孔道限定了孔道周长P和孔道面积(A孔道)，端部开放的孔道被配置成具有以每平方英寸的孔道数(CPSI)计的孔道密度，并且限定了陶瓷蜂窝体的开口正面面积百分比(％OFA)，其中，％OFA＝CPSI*A孔道，相交的孔道壁包括陶瓷材料，所述陶瓷材料具有密度ρc和孔隙率体积百分比(％孔隙率)，其中，陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)，以及大于0.4mm2的背压因子(BPF)。
2.如权利要求1所述的陶瓷蜂窝体，其中，所述陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1的几何表面积(GSA)，大于0.4％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)。
3.如权利要求1所述的陶瓷蜂窝体，其中，所述陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1的几何表面积(GSA)，大于0.5％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)。
4.如权利要求1所述的陶瓷蜂窝体，其中，所述陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.45mm2的背压因子(BPF)。
5.如权利要求1所述的陶瓷蜂窝体，其中，所述陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.5mm2的背压因子(BPF)。
6.如权利要求1所述的陶瓷蜂窝体，其中，所述陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于95英寸-1的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)。
7.如权利要求1所述的陶瓷蜂窝体，其中，所述陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于97英寸-1的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)。
8.如权利要求1-7中任一项所述的陶瓷蜂窝体，其中，孔道的截面是矩形。
9.如权利要求1-7中任一项所述的陶瓷蜂窝体，其中，孔道的截面是六边形。
10.一种制造陶瓷蜂窝体的方法，所述陶瓷蜂窝体包括进口面，出口面，以及多个平行、伸长的、端部开放的孔道，所述孔道由相交的孔道壁形成，所述孔道壁具有板厚度(tw)，其从陶瓷蜂窝体的进口面到出口面穿过陶瓷蜂窝体，每个孔道限定了周长P和孔道面积(A孔道)，端部开放的孔道包括以每平方英寸的孔道(CPSI)计的孔道密度，并且限定了陶瓷蜂窝体的开口正面面积百分比(％OFA)，其中，％OFA＝CPSI*A孔道，相交的孔道壁包括陶瓷材料，所述陶瓷材料具有密度ρc和孔隙率体积百分比(％孔隙率)，
其中，所述方法包括：形成起始材料的混合物，所述起始材料包括造孔剂，然后将混合物挤出成生坯蜂窝体，接着烧制生坯蜂窝体以提供成形的陶瓷蜂窝体，其包括预定的CPSI和预定的板厚度，以使得成形的陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1(3.66mm-1)的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1的几何表面积(GSA)，大于0.4％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)。
12.如权利要求10所述的方法，其中，所述陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1的几何表面积(GSA)，大于0.5％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)。
13.如权利要求10所述的方法，其中，所述陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.45mm2的背压因子(BPF)。
14.如权利要求10所述的方法，其中，所述陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于93英寸-1的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.5mm2的背压因子(BPF)。
15.如权利要求10所述的方法，其中，所述陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于95英寸-1的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)。
16.如权利要求10所述的方法，其中，所述陶瓷蜂窝体包括小于210g/L的体积密度，大于97英寸-1的几何表面积(GSA)，大于0.28％的机械完整性因子(MIF)和大于0.4mm2的背压因子(BPF)。
17.如权利要求10-16中任一项所述的方法，其中，孔道的截面是矩形。
18.如权利要求10-16中任一项所述的方法，其中，孔道的截面是六边形。
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