CN114849347B - 垫片的加工工艺、蜂窝结构体及其加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及柴油机颗粒捕捉器技术领域，提供一种垫片的加工工艺、蜂窝结构体及其加工工艺，垫片的加工工艺包括步骤：选用直径为2.0‑4.0μm的陶瓷纤维，且陶瓷纤维含量为30％‑50％的陶瓷纤维棉，并将陶瓷纤维棉冲压成厚度为1‑3mm、上表面面积为12‑78mm2的块状体；将块状体放入含有20％‑40％的硅溶胶的溶液中，浸泡至少1小时后取出，得到垫片。本发明制得的垫片，具有良好的导热性能和刚性，垫片用于蜂窝结构体中，能够控制接合层的厚度，保证在蜂窝单元体拼接成蜂窝结构体的过程中接合层厚度的一致性，确保蜂窝结构体端面美观、抗热震性和背压一致性好。
Description
技术领域
本发明涉及柴油机颗粒捕捉器技术领域，尤其涉及一种垫片的加工工艺、蜂窝结构体及其加工工艺。
背景技术
蜂窝结构体是指柴油机颗粒捕捉器，简称DPF，是国六柴油机后处理中非常重要的一部分。DPF可以吸附废气中的PM(颗粒物)，以防止其排放到大气中并造成环境污染。DPF的载体材料分为堇青石和碳化硅，碳化硅耐热温度和导热系数远高于堇青石，机械强度高，能承受更恶劣的再生环境。碳化硅DPF是面向国六B阶段的主流产品，但是因碳化硅DPF的热膨胀率较高，如果体型较大，其在受到热冲击时容易出现裂纹等缺陷，热冲击主要来自再生或烧结时结构体内外部的温差。
为了解决上述问题，现有技术中是在制造蜂窝结构体之前，预先制造蜂窝单元体，通过接合材料将蜂窝单元体接合成一个大的蜂窝接合体，有4×4、5×5、7×7等不同规格，然后对接合体进行外周磨削和植皮，使其成为圆柱状的蜂窝结构体。在蜂窝结构体中两相邻蜂窝单元体的接触面是由接合材料填充形成的接合层，接合层可以有效的缓解热冲击。所以碳化硅材料的蜂窝结构体相对于堇青石材料的而言，在制造工艺上增加了接合工艺，并且接合工艺是碳化硅蜂窝结构体制造成型中非常重要的一步。
针对蜂窝单元体的接合工艺，现有技术是将蜂窝单元体的表面涂敷上糊状的接合材料，然后将蜂窝单元体按照4×4、5×5、7×7等要求的规格，整齐的放置到基准载具上，基准载具一般为L型，使用夹具对蜂窝接合体侧面施加压力，保持加压状态同时对接合材料加热直到干燥固化，完成蜂窝接合体的接合工序。接合工艺需要保证接合层厚度的一致性，因为接合层厚度过大会导致蜂窝结构体的背压升高，接合层厚度过小则起不到接合单元体和缓冲热应力的效果，容易出现裂纹等缺陷。
或者现有技术中仅通过施加压力来实现蜂窝单元体之间的接合，在施加压力过程中，压力无法实现均匀传递，从而导致接合层厚度不均匀，影响蜂窝结构体端面的美观，甚至会影响结构体的抗热震性和背压一致性。
发明内容
本发明提供一种垫片的加工工艺、蜂窝结构体及其加工工艺，用以解决现有技术中蜂窝结构体的接合层厚度不可控的缺陷，实现蜂窝结构体接合层的厚度的一致性，从而确保蜂窝结构体端面美观、抗热震性和背压一致性好。
本发明提供一种垫片的加工工艺，包括步骤：
选用直径为2.0-4.0μm的陶瓷纤维，且所述陶瓷纤维含量为30％-50％的陶瓷纤维棉；
将所述陶瓷纤维棉冲压成厚度为1-3mm、上表面面积为12-78mm2的块状体；
将所述块状体放入含有20％-40％的硅溶胶的溶液中，浸泡至少1小时后取出，得到垫片。
根据本发明提供的一种垫片的加工工艺，步骤所述选用直径为2.0-4.0μm的陶瓷纤维，且所述陶瓷纤维含量30％-50％的陶瓷纤维棉，所述陶瓷纤维的含量为35％-40％。
根据本发明提供的一种垫片的加工工艺，步骤所述选用直径为2.0-4.0μm的陶瓷纤维，且所述陶瓷纤维含量30％-50％的陶瓷纤维棉中，所述陶瓷纤维的直径为2.0-3.0μm。
根据本发明提供的一种垫片的加工工艺，步骤所述将所述陶瓷纤维棉冲压成厚度为1-3mm、上表面积为12-78mm2的块状体中，所述块状体为圆片状或长方体状。
根据本发明提供的一种垫片的加工工艺，步骤所述将所述块状体放入含有20％-40％的硅溶胶的溶液中，浸泡至少1小时后取出，得到垫片中，所述硅溶胶的浓度为25％-30％。
本发明还提供一种蜂窝结构体，包括上述垫片加工工艺所制得的垫片和多个蜂窝单元体，相邻蜂窝单元体之间设置有垫片，并且相邻所述蜂窝单元体之间通过结合材料粘接。
本发明还提供一种蜂窝结构体的加工工艺，包括步骤：
搭胚工艺：按照规格要求对蜂窝单元体进行码放搭胚，得到胚体，且确保胚体的相邻蜂窝单元体之间贴合紧密；
贴垫片工艺：在所述胚体中，相邻所述蜂窝单元体的其中一个侧面上粘贴垫片；
接合工艺：将接合材料覆盖在相邻所述蜂窝单元体的接合面上，并压住所述蜂窝单元体，使多余的接合材料从两端溢出，并将溢出的接合材料剔除，依次接合所有蜂窝单元体，得到第一蜂窝接合体；
磨削工艺：将所述第一蜂窝接合体的侧面磨削成所需形状，得到第二蜂窝接合体；
植皮工艺：在所述第二蜂窝接合体的外表面涂覆植皮材料，得到蜂窝结构体。
根据本发明提供的蜂窝结构体的加工工艺，所述步骤搭胚工艺中，仔细反复观察所述蜂窝单元体的表面，确保所述蜂窝单元体无缺陷，以保证相邻所述蜂窝单元体之间贴合紧密。
根据本发明提供的蜂窝结构体的加工工艺，所述步骤贴垫片工艺中，采用胶水或甲基纤维素将垫片粘贴到相邻所述蜂窝单元体的其中一个侧面。
根据本发明提供的蜂窝结构体的加工工艺，在所述步骤接合工艺中，用铲刀将接合材料覆盖在蜂窝单元体上的接合面上，用双手压住蜂窝单元体，使多余的接合材料从两端溢出，并用铲刀将接合材料剔除。
本发明提供的垫片的加工工艺，通过选用直径为2.0-4.0μm的陶瓷纤维，能够确保垫片良好的导热性能；通过选用陶瓷纤维含量为30％-50％的陶瓷纤维棉，既能保证较好的支撑和耐热冲击的效果；同时放入20％-40％的硅溶胶的溶液中，能够确保垫片合适的刚度。
本发明提供的蜂窝结构体及其加工工艺，通过在蜂窝单元体之间设置垫片，通过垫片能够控制接合层的厚度，从而保证蜂窝单元体拼接成蜂窝结构体时接合层厚度的一致性，目的是确保蜂窝结构体端面美观、抗热震性和背压一致性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的蜂窝单元体的结构示意图；
图2是本发明提供的蜂窝单元体序号编码示意图；
图3是本发明提供的蜂窝单元体手动接合示意图一；
图4是本发明提供的蜂窝单元体手动接合示意图二；
图5是本发明提供的第一蜂窝接合体的正视图；
图6是本发明提供的第一蜂窝接合体的等轴测图；
图7是本发明提供的蜂窝结构体的正视图；
图8是本发明提供的蜂窝结构体的等轴测图；
附图标记：
1：蜂窝单元体；2：垫片；3：接合层；4：蜂窝接合体；41：侧面；42：端面；5：蜂窝结构体。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施例在于公开一种垫片的加工工艺，包括步骤：
S1：选用直径为2.0-4.0μm的陶瓷纤维，且陶瓷纤维含量为30％-50％的陶瓷纤维棉；
S2：将陶瓷纤维棉冲压成厚度为1-3mm、上表面面积为12-78mm2的块状体；
S2：放入含有20％-40％的硅溶胶的溶液中，浸泡至少1小时后取出，得到垫片。
其中，块状体可以为圆片状或长方体状。
更进一步，陶瓷纤维的含量优选为35％-40％，陶瓷纤维又称硅酸铝纤维，主要成分之一是氧化铝，因氧化铝是瓷器的主要成分，所以又叫陶瓷纤维。陶瓷纤维是一种纤维状轻质耐火材料，具有耐高温、热稳定好、耐机械震动性能好的优点。陶瓷纤维含量过低，起不到较好的支撑和耐热冲击的效果；陶瓷纤维含量过高，垫片与蜂窝单元体表面无法粘连，导致垫片位置无法相对固定。
垫片导热性能由陶瓷纤维粗细决定，陶瓷纤维越粗，其导热性能越差，但对蜂窝结构体的支撑性越好；陶瓷纤维越细，其导热性能越好，但支撑性越差；故陶瓷纤维直径优选2.0-3.0um。如果垫片导热性能过差，会影响蜂窝结构体的热导率。蜂窝结构体的导热率决定了蜂窝结构体在面对剧烈高温时的散热能力，如果散热能力较差会导致局部高温，从而使蜂窝结构体开裂。
垫片刚性通过添加硅溶胶调节，硅溶胶含量越高时，垫片刚性越大，硅溶胶含量越低时，垫片刚性越小，故硅溶胶含量优选为25％-30％。如果垫片刚性过大，在接合过程中会损伤蜂窝单元体表面，如果垫片刚性过小，则起不到控制接合层宽度的效果。
垫片厚度为1-3mm，更优选为1-2mm。如果垫片过厚，会直接造成接合层过厚，从而导致蜂窝结构体的背压升高，车辆能耗增高，同时也会影响蜂窝结构体的颗粒捕集效率；如果垫片过薄，直接造成接合层过薄甚至消失，起不到缓冲热应力的作用。
垫片面积为12-78mm2，更优选为28-50mm2。如果垫片直径过小，会造成接触面积小，起不到较好的支撑效果，在施加压力过程中会出现两个相邻蜂窝单元体的滑移；如果垫片直径过大，会占据接合材料的体积，影响蜂窝结构体的抗热震性能，虽然垫片材料是陶瓷纤维，但相对于接合层中的接合材料而言仍被视作异物存在。
垫片数量优选为4-8个，更优选为4个。如果垫片数量过多，会影响两个蜂窝单元体之间的接合强度，因为垫片只与其中一个蜂窝单元体固定连接，与另外一个蜂窝单元体存在相对滑移的风险，甚至还会影响接合层缓冲热冲击的能力；如果垫片数量过少，则两个蜂窝单元体之间起不到较好的支撑效果，在施加压力过程中会出现两个相邻蜂窝单元体的滑移。
垫片位置优选为蜂窝单元体表面的四角，这样可以起到最佳的支撑效果。垫片形状没有特别限制，可以是方形，优选为圆形。垫片与蜂窝单元体表面的连接方式没有特别限定，可以是通过粘性物质粘接、例如胶水等；也可以在垫片中添加甲基纤维素等有机材料，甲基纤维素含量优选为0.1％-0.3％，更优选为0.15％-0.2％。垫片与蜂窝单元体之间的粘接没有特别限制，可以人工粘接，也可以机器粘接。
本发明的另一方面的实施例还公开了一种蜂窝结构体，包括上述垫片的加工工艺制得的垫片和多个蜂窝单元体，相邻蜂窝单元体之间设置有垫片，并且相邻所述蜂窝单元体之间通过接合材料粘接。
本发明该实施例提供的蜂窝结构体，包含上述垫片，通过在蜂窝单元体接合层中使用垫片来控制接合层的厚度，从而保证蜂窝单元体拼接成的蜂窝结构体的过程中接合层厚度的一致性，目的是确保蜂窝结构体端面美观、抗热震性和背压一致性好。
本发明另一方面实施例还公开了一种蜂窝结构体的加工工艺，包括步骤：
搭胚工艺：按照规格要求对蜂窝单元体进行码放搭胚，得到胚体，且确保胚体的相邻蜂窝单元体之间贴合紧密；如图1所示，蜂窝单元体经过成型工艺后形成，成型工艺包括混料、练泥、挤出、干燥、脱脂、氧化烧结，蜂窝单元体要求垂直度和一致性较好，然后按照规格要求对蜂窝单元体进行码放搭胚。这里以4×4的规格为例，将4根蜂窝单元体成一行放置，自下而上进行搭胚，直到搭完四行为止，搭胚过程中需要仔细反复观察，要求蜂窝单元体无任何缺陷，蜂窝单元体与相邻蜂窝单元体之间贴合紧密。
贴垫片工艺：在胚体中，相邻所述蜂窝单元体的其中一个侧面上粘贴垫片；蜂窝单元体粘贴垫片后存在三种样式，一种是仅有一侧粘贴，一种是相邻两侧粘贴，另一种是不粘贴。准备好第一步搭建完成的4×4胚体，将4×4胚体中蜂窝单元体需粘贴垫片的表面进行标记，如图2所示。准备好成型后的垫片，在垫片的一侧沾上胶水，使其能够牢固粘贴在蜂窝单元体的表面，同时将垫片分别粘贴在蜂窝单元体表面的对角位置，如图1所示，且垫片与蜂窝单元体表面最近的两条边线距离优选8-12mm，更优选为10-11mm。其中，针对壁流式的蜂窝结构体，需要在蜂窝单元体的端面粘贴胶带，防止溢出的接合材料进入到蜂窝单元体内部。
接合工艺：将接合材料覆盖在相邻所述蜂窝单元体的接合面上，并压住所述蜂窝单元体，使多余的接合材料从两端溢出，并将溢出的接合材料剔除，依次接合所有蜂窝单元体，得到第一蜂窝接合体；准备好接合材料，接合材料可以使用该领域熟知的配方制作，使用铲刀将接合材料覆盖在蜂窝单元体的接合面上，用双手压住蜂窝单元条，使多余接合材料从两端溢出，用铲刀将溢出的接合材料剔除；如图3所示为蜂窝单元体的接合顺序，以4×4的规格为例，首先依次完成4个蜂窝单元体的接合，共4组，然后再将4组蜂窝单元体按照自下而上的顺序依次接合，以此完成4行4列蜂窝接合体的接合。也可以先将涂覆接合材料的蜂窝单元条拼成4×4的胚体，将其放置到一个直角平台上，如图4所示，使用机器按压胚体两侧，使多余接合材料从端头溢出。最后将接合好的胚体放入烘箱中进行烘干定型后取出，烘箱温度优选90-120℃，更优选为100-110℃，烘干时间优选10-15h，更优选为11-12h，从而形成蜂窝接合体4，如图5、6所示，蜂窝接合体4包括侧面41和端面42。
磨削工艺：将第一蜂窝接合体的侧面磨削成所需形状，可以将第一蜂窝接合体放置于外圆磨削机上，调整磨削机参数，将4×4的蜂窝接合体的侧面磨削成直径符合标准的圆柱状或椭圆面，然后将蜂窝接合体的两端面进行磨削，使蜂窝接合体的两端面平直，同时长度符合标准，得到第二蜂窝接合体。
植皮工艺：在第二蜂窝接合体的外表面涂覆植皮材料，得到蜂窝结构体。植皮材料可以选用该领域熟知的配方制作，将植皮材料通过人工或机器的方式涂覆到已经磨削好的第二蜂窝接合体的侧面上，植皮厚度优选1.5-2mm，更优选为1.6-1.8mm，经过烘干后形成如图7、8所示的蜂窝结构体。
下面列举了蜂窝结构体的加工工艺的实施例1-实施例15：
第一步：挑选出完好无损、平直度较好的蜂窝单元体，然后对蜂窝单元体进行搭胚工艺，搭成4×4的胚体，并对蜂窝单元体需要粘贴垫片的表面进行标记。
第二步：使用含有30％、40％、50％陶瓷纤维的陶瓷纤维绵，将其冲压成圆片状，直径2mm、8mm、12mm，厚度0.5mm、1mm、3mm，将其放入含有20％、30％、40％硅溶胶的溶液中浸泡1h，此时垫片具备了一定的刚性。使用甲基纤维素将垫片粘贴到蜂窝单元体表面，在100℃烘箱中干燥3分钟，使垫片牢固的粘贴到蜂窝单元体表面。
第三步：制备接合材料，将接合材料涂覆到蜂窝单元体表面后搭成4×4的胚体，使用压头对胚体两侧进行挤压，使多余的接合材料从端头溢出，使用铲刀剔除多余的接合材料，将蜂窝接合体放入100℃烘箱中干燥12h后取出。
第四步：将蜂窝接合体的侧面和端面进行磨削，制成直径163mm、长度177.3mm的蜂窝结构体，制备植皮材料，采用人工的方法对蜂窝结构体进行植皮，植皮厚度2mm，将植皮后的蜂窝结构体进行烘干。
实施例16
实施例16的制作过程与实施例14基本相同，唯一的区别在于实施例16使用的是面积相同但形状不同的垫片，形状为方形。
对比例1
对比例的制作过程与实施例基本相同，唯一的区别在于对比例没有粘贴含有陶瓷纤维的垫片。
将实施例和对比例做如下测试：
测试1：接合层宽度
测试方法：采用游标卡尺依次测量相邻蜂窝单元体之间的接合层宽度，共21个位置点，记录数值，并取测定值和偏差值的平均值。
测试2：抗热震性
测试方法：将蜂窝结构体放入450℃的高温环境下0.5h后取出，急速冷却至室温，重复3次，采用工业级CT设备扫描蜂窝单元体及接合层内外部是否出现开裂。目测蜂窝结构体的开裂情况，由ABCD从优到差四个等级评定。
表1
表2
在表1中，从实施例1-3可以看出，当陶瓷纤维含量过低时，接合层厚度过小且偏差过大，无法保证接合层厚度，降低了缓冲热应力的能力，抗热震性能差；陶瓷纤维含量过高时，垫片与蜂窝单元体粘结性不好。
从实施例4-6可以看出，当陶瓷纤维直径过粗时，导热性不好，会导致蜂窝结构体在热震试验下开裂；当陶瓷纤维直径过细时，支撑性不好，接合层厚度过小，无法起到较好的缓冲热应力的效果。
从实施例7-9可以看出，当硅溶胶含量过低时，垫片刚性不足，导致接合层宽度过小，无法实现较好的缓冲热应力能力，造成开裂；当硅溶胶含量过高时，垫片刚性过大，导致蜂窝单元体表面受压破损。
从实施例10-12可以看出，当垫片厚度过小，即接合层宽度过小时，无法有效缓冲热应力，造成开裂；如果垫片厚度过大，会影响蜂窝结构体的背压特性和捕集效率。
从实施例13-15可以看出，当垫片面积过大时，接合材料在接合层中的体积减少，造成热应力缓冲效果不佳，结构体开裂。从实施例可以看出，垫片面积不变，仅改变垫片形状，并不会影响接合层宽度和蜂窝结构体性能。
从表2中可以发现，对比例中的蜂窝结构体的接合层宽度非常不均匀，偏差值比较大，且在抗热震实验中非常容易出现开裂的情况。
在蜂窝单元体接合层中采用本发明提出的垫片，可以有效控制接合层的宽度，并提高良品率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种蜂窝结构体，其特征在于，包括垫片和多个蜂窝单元体，且相邻所述蜂窝单元体之间设置有所述垫片，并且相邻所述蜂窝单元体之间通过接合材料粘接;其中，所述垫片的加工工艺为：选用直径为2.0-4.0μm的陶瓷纤维，且所述陶瓷纤维含量为30%-50%的陶瓷纤维棉；
将所述陶瓷纤维棉冲压成厚度为1-3mm、上表面积为12-78mm²的块状体；
将所述块状体放入含有浓度为20%-40%的硅溶胶的溶液中，浸泡至少1小时后取出，得到垫片。
2.一种蜂窝结构体的加工工艺，用于加工权利要求1所述的蜂窝结构体，其特征在于，包括步骤：
搭胚工艺：按照规格要求对蜂窝单元体进行码放搭胚，得到胚体，且确保胚体的相邻蜂窝单元体之间贴合紧密；
贴垫片工艺：在所述胚体中，相邻所述蜂窝单元体的其中一个侧面上粘贴垫片；其中，所述垫片的加工工艺为：选用直径为2.0-4.0μm的陶瓷纤维，且所述陶瓷纤维含量为30%-50%的陶瓷纤维棉；
将所述陶瓷纤维棉冲压成厚度为1-3mm、上表面积为12-78mm²的块状体；
将所述块状体放入含有浓度20%-40%的硅溶胶的溶液中，浸泡至少1小时后取出，得到垫片；
接合工艺：将接合材料覆盖在相邻所述蜂窝单元体的接合面上，并压住所述蜂窝单元体，使多余的接合材料从两端溢出，并将溢出的接合材料剔除，依次接合所有蜂窝单元体，得到第一蜂窝接合体；
磨削工艺：将所述第一蜂窝接合体的侧面磨削成所需形状，得到第二蜂窝接合体；
植皮工艺：在所述第二蜂窝接合体的外表面涂覆植皮材料，得到蜂窝结构体。
3.根据权利要求2所述的蜂窝结构体的加工工艺，其特征在于，步骤所述选用直径为2.0-4.0μm的陶瓷纤维，且所述陶瓷纤维含量30%-50%的陶瓷纤维棉中，所述陶瓷纤维的含量为35%-40%。
4.根据权利要求2所述的蜂窝结构体的加工工艺，其特征在于，步骤所述选用直径为2.0-4.0μm的陶瓷纤维，且所述陶瓷纤维含量30%-50%的陶瓷纤维棉中，所述陶瓷纤维的直径为2.0-3.0μm。
5.根据权利要求2所述的蜂窝结构体的加工工艺，其特征在于，步骤所述将所述陶瓷纤维棉冲压成厚度为1-3mm、上表面积为12-78mm²的块状体中，所述块状体为圆片状或长方体状。
6.根据权利要求2所述的蜂窝结构体的加工工艺，其特征在于，步骤所述将所述块状体放入含有浓度20%-40%的硅溶胶的溶液中，浸泡至少1小时后取出，得到垫片中，所述硅溶胶的浓度为25%-30%。
7.根据权利要求2所述的蜂窝结构体的加工工艺，其特征在于，所述步骤搭胚工艺中，仔细反复观察所述蜂窝单元体的表面，确保所述蜂窝单元体无缺陷，以保证相邻所述蜂窝单元体之间贴合紧密。
8.根据权利要求2所述的蜂窝结构体的加工工艺，其特征在于，所述步骤贴垫片工艺中，采用胶水或甲基纤维素将垫片粘贴到相邻所述蜂窝单元体的其中一个侧面。
9.根据权利要求2所述的蜂窝结构体的加工工艺，其特征在于，在所述步骤接合工艺中，用铲刀将接合材料覆盖在蜂窝单元体上的接合面上，用双手压住蜂窝单元体，使多余的接合材料从两端溢出，并用铲刀将接合材料剔除。
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