CN117279762A - 具有多孔和无孔结构的压制陶瓷射流模块 - Google Patents

具有多孔和无孔结构的压制陶瓷射流模块 Download PDF

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Abstract

一种用于形成具有集成流体分离的射流模块(150)的方法，其包括将具有曲折形状的第一流体通路(170)的第一正通路模具(115A)定位在一定体积的粘合剂涂覆的陶瓷粉末(110A)内，以及将具有曲折形状的第二流体通路(175)的第二正通路模具(115B)定位在该体积的陶瓷粉末(110A)内且与第一正通路模具(115A)分隔。所述方法还包括将粉末互连(120)定位在该体积的陶瓷粉末(110A)内邻近第一正通路模具(115A)和第二正通路模具(115B)各自的一部分、压制内部具有第一和第二正通路模具(115A、115B)和粉末互连(120)的该体积的陶瓷粉末(110A)以形成压制体(148)、加热压制体以去除第一和第二正通路模具(115A、115B)、以及烧结压制体(148)以形成闭孔陶瓷体(150)。

Description

具有多孔和无孔结构的压制陶瓷射流模块
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求于2021年3月30日提交的美国临时申请号63/167,807的优先权，其内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及具有集成孔隙的单片式陶瓷结构，更具体地涉及形成具有多孔和无孔结构的单片式陶瓷射流模块以提供集成流体分离和/或集成温度调节的方法以及由此方法形成的单片式陶瓷射流模块。
背景技术
碳化硅陶瓷(SiC)是用于流体化学生产和/或实验室工作的射流模块，以及用于其它技术用途的结构的理想材料。SiC具有相对高的热导率，其可用于进行和控制吸热或放热反应。SiC具有良好的物理耐久性和抗热冲击性。SiC还具有极好的耐化学性。但是这些特性，与高硬度和耐磨性组合，使得具有内部特征的SiC结构(例如具有曲折内部通路的SiC流动模块)的实际生产具有挑战性。
本申请人最近使用“损耗材料(lost-material)”法的变体制造了由SiC和其它陶瓷形成的流动反应器和其它结构。在这种方法中，正通路模具整合在一定体积的粘合剂涂覆的陶瓷粉末内。随后压制内部具有通路模具的陶瓷粉末以形成陶瓷体生坯，然后对陶瓷体生坯进行进一步加工，例如脱模、脱粘和烧结，以形成具有一个或多个延伸穿过其中的表面光滑的流体通路的烧结陶瓷体。
发明内容
用于形成具有集成流体分离的射流模块的示例性方法包括将具有曲折形状的第一流体通路的第一正通路模具定位在一定体积的粘合剂涂覆的陶瓷粉末内，将具有曲折形状的第二流体通路的第二正通路模具定位在所述体积的陶瓷粉末内且与所述第一正通路模具分隔，将粉末互连定位在所述体积的陶瓷粉末内邻近所述第一和第二正通路模具中每一个的一部分，压制内部具有所述第一和第二正通路模具和所述粉末互连该体积的陶瓷粉末以形成压制体，加热所述压制体以去除所述第一和第二正通路模具，并烧结所述压制体以形成闭孔陶瓷体。所述闭孔陶瓷体包括延伸穿过其中的相应第一和第二曲折流体通路，以及流体地连接所述第一和第二曲折流体通路的开孔陶瓷区域，所述开孔陶瓷区域与所述粉末互连相对应。
用于形成具有集成温度调节的射流模块的示例性方法包括将具有曲折形状的第一流体通路的第一正通路模具定位在一定体积粘的合剂涂覆的陶瓷粉末内，将具有曲折形状的第二流体通路的第二正通路模具定位在该体积的陶瓷粉末内且与所述第一正通路模具分隔，陶瓷颗粒高度地填充所述第二正通路模具的长度，压制内部具有所述第一和第二正通路模具的该体积的陶瓷粉末以形成压制体，加热所述压制体以去除所述第一和第二正通路模具并留下所述陶瓷颗粒的自支撑基质，以及烧结所述压制体以形成闭孔陶瓷体，所述闭孔陶瓷体具有延伸穿过其中的相应第一和第二曲折流体通路，所述第二曲折流体通路包括开孔陶瓷区域，所述开孔陶瓷区域沿所述长度占据所述一定体积的第二曲折流体通路。
用于流动反应器的示例性射流模块包括单片式闭孔陶瓷体，至少一个延伸穿过所述陶瓷体的曲折流体通路，和至少一个开孔陶瓷区域，所述开孔陶瓷区域限定所述至少一个曲折流体通路的一部分。
附图说明
以下是对附图中的图的描述。图不一定是按比例绘制的，并且为了清楚和简明起见，图形的某些特征和某些视图可能以放大的比例或示意地显示。
图1示出了具有无孔陶瓷粉末层的第一层的示例性压制模。
图2示出了具有设置在图1的无孔陶瓷粉末上的通道形式的示例性压制模。
图3示出了具有设置在图2的通道形式之间的多孔陶瓷粉末的示例性压制模。
图4示出了在图3的通道形式和多孔陶瓷粉末上具有无孔陶瓷粉末层的第二层的示例性压制模。
图5示出了具有用于施加压制力的冲压锤的示例性压制模。
图6示出了具有压缩的无孔陶瓷粉末、压缩的多孔陶瓷粉末和压缩的通道形式以形成压制体的示例性压制模。
图7示出了图6的压制体的示例性剖面图。
图8示出了在烧制过程之后由图7的压制体形成的具有流体通路(例如渗余物通道或渗透物通道)的射流模块的示例性剖面图。
图9示出了图8的射流模块的示例性剖面图，其示出了某些工艺流体和固体如何保留在渗余物通道中。
图10示出了示例性的未填充的通道形式，其具有填充设置于其间的多孔陶瓷粉末的模具。
图11示出了具有设置在无孔陶瓷粉末的第一层上的图10的通道形式的示例性压制模。
图12示出了示例性流体分离模块的剖面图。
图13示出了具有蛇形弯曲部的示例性流体分离模块的剖面图。
图14示出了沿流体通道的长度具有多孔材料的中间层的示例性流体分离模块的剖面图。
图15示出了采用串联构造的多层流体分离同向流传播或反向流传播的示例性流体分离模块。
图16示出了采用并联构造的多层流体分离同向流传播或反向流传播的示例性流体分离模块。
图17示出了沿工艺/反应物流体路径具有多种多孔材料以能够分离多个反应产物组分的示例性流体分离模块。
图18示出了具有布置为筛的多种多孔材料的示例性流体分离模块。
图19示出了两件式流体分离模块的示例性组件的分解视图，所述两件式流体分离模块实行定位在上射流模块部件和下射流模块部件之间的可更换膜。
图20示出了图19的示例性两件式流体分离模块的示例性组装图。
图21示出了具有示例性蛇形通道路径的示例性射流模块。
图22示出了具有集成热交换器的多层射流模块的示例性构造，该集成热交换器具有占据其一部分的开孔陶瓷区域。
图23示出了具有有助于外部加热的示例性外部热交换结构的示例性射流模块。
图24示出了具有定位在工艺/反应物通道附近的多孔热交换通道的示例性射流模块。
图25示出了示例性U形空气轴承的示例性剖面图。
图26示出了具有多孔和无孔区域的示例性U形空气轴承的示例性剖面图。
图27示出了具有多孔和无孔区域以及空气入口的示例性U形空气轴承的示例性剖面图。
图28示出了支撑熔融带的图27的示例性U形空气轴承的示例性剖面图。
图29示出了支撑熔融片材的图27-28的示例性U形空气轴承的示例性剖面图。
图30示出了具有真空区域的另一示例性U形空气轴承的示例性剖面图。
图31示出了支撑熔融带的图30的示例性U形空气轴承的示例性剖面图。
图32示出了支撑熔融片材的图30-31的示例性U形空气轴承的示例性剖面图。
图33示出了用于将加热的玻璃片材真空成型为复杂形状的示例性多孔模具的示例性剖面图。
图34示出了其上设置有玻璃片材的图33的示例性多孔模具的示例性剖面图。
图35示出了从图34的示例性多孔模具排出的示例性玻璃片材的示例性剖面图。
图36示出了具有多孔顶表面的示例性晶片载体的示例性剖面图。
图37示出了图36的示例性晶片载体排出示例性晶片的示例性剖面图。
图38示出了示例性旋转轴承的示例性剖面图。
具体实施方式
用于在压制的陶瓷射流模块中形成多孔和无孔区域的技术，其中使用具有不同性质的陶瓷粉末和/或这些粉末以通道形式的包封来产生多孔区域。该方法可用于在压制的陶瓷射流模块内部形成复杂结构，用于固/液和固/气相分离，以及过滤应用。该方法还可应用于包括多孔和无孔表面或通道的其它主体以实施特定功能，例如用于在加工期间支撑熔融玻璃片材的高温空气轴承表面，以及本公开中提供的许多其它应用。该方法也可应用于包括多孔和无孔表面或通道的陶瓷体以实施特定功能。例如，该方法可应用于，例如，空气轴承、多孔模具、晶片载体、润滑轴承、优化的机械结构、多孔燃烧器、燃料电池、金属过滤和盘式制动器等。
另外的特征和优点将在下面的详细描述中阐述，并且对于本领域的技术人员来说，根据该描述将是显而易见的，或者通过实施如在下面的描述中连同权利要求书和附图一起描述的实施方案来认识到。
如本文所用，术语“和/或”当用于两个或更多个项目的列表中时，是指可单独使用所列项目中的任一个，或可使用所列项目中的两个或更多个的任何组合。例如，如果组合物被描述为含有组分A、B和/或C，则所述组合物可含有单独的A；单独的B；单独的C；A和B的组合；A和C的组合；B和C的组合；或A、B和C的组合。
在本文中，例如第一和第二、顶部和底部等的关系术语仅用于将一个实体或动作与另一实体或动作区分开，而不必然要求或暗示这些实体或动作之间的任何实际的这种关系或顺序。
本领域技术人员以及制造或使用本公开的技术人员将想到本公开的修改。因此，应理解，附图中所示和上述的实施方案仅仅是为了说明的目的，而不旨在限制本公开的范围，如根据专利法的原理(包括等同原则)所解释的，本公开的范围由所附权利要求限定。
出于本公开的目的，术语“耦合”(以其所有形式：偶合、偶联、联接等)通常是指两个部件直接或间接地彼此接合。这种接合可以性质上是固定的或性质上是可移动的。这种接合可以通过这两个部件和任何附加的中间构件来实现，所述中间构件彼此或与该两个部件一体地形成为单一整体。除非另有说明，否则这种接合在性质上可以是永久的，或者在性质上可以是可移除的或可释放的。
如本文所用，术语“约”是指量、尺寸、配方、参数和其它量和特征不是且不需要是精确的，而是按需要可以是近似的和/或较大或较小，从而反映公差、转换因子、舍入、测量误差等，以及本领域技术人员已知的其它因素。当术语“约”用于描述值或范围的端点时，本公开应理解为包括所提及的具体值或端点。无论说明书中的数值或范围的端点是否述及“约”，数值或范围的端点旨在包括两个实施方案：一个被“约”修饰，并且一个不被“约”修饰。将进一步理解的是，每个范围的端点相对于另一端点是显著的，并且独立于另一端点。
如本文所用，术语“实质上”、“基本上”及其变体旨在指出所描述的特征等于或近似等于值或描述。例如，“基本上平坦的”表面旨在表示平坦或近似平坦的表面。此外，“基本上”旨在表示两个值相等或近似相等。在一些实施方案中，“基本上”可以表示彼此在约10％以内，例如彼此在约5％以内，或彼此在约2％以内的值。
如本文所用，方向术语—例如上、下、右、左、前、后、顶部、底部、上、下等—仅参照所绘画的图形进行，并不旨在暗示绝对定向。
如本文所用，术语“所述(the)”、“一(a)”或“一个(an)”意指“至少一个”，并且不应限于“仅一个”，除非明确地相反指示。因此，例如，提及“一个组件”包括具有两个或更多个这样的组件的实施方案，除非上下文另外明确指出。
如本文所用，“曲折的”通路是指不具有直接穿过所述通路的视线且具有至少两个不同的曲率半径的通路的路径，所述通路的路径在数学上和几何学上被定义为由在沿通路的任意紧密间隔的连续位置处截取的通路的连续最小面积平面截面(即给定平面截面的角度是在沿通路的特定位置处产生平面截面的最小面积的角度)的沿通路的连续几何中心形成的曲线。典型的基于机械加工的成型技术通常不足以形成这样的曲折通路。这样的通路可以包括通路的一次或多次分割以将通路分成子通路(具有相应的子路径)以及子通路(和相应的子路径)的一种或多种重组。
如本文所用，“单片式”陶瓷结构并不意味着陶瓷结构在所有尺度下的零不均匀性。“单片式”陶瓷结构或“单片式”陶瓷射流模块，如本文中所定义的术语“单片式”，是指具有延伸穿过其中的一个或多个曲折通路的陶瓷结构或射流模块，其中在陶瓷结构中不存在(除了通路之外)的不均匀性、开口或互连孔隙，其长度大于从所述结构或模块的外表面的一个或多个通路的平均垂直深度。对于具有其他几何形状(例如非平面或环形几何形状)的陶瓷结构或陶瓷射流模块，术语“单片”是指具有延伸穿过其中的一个或多个曲折通路的陶瓷结构或射流模块，其中在陶瓷结构中不存在(除了通路之外)的不均匀性、开口或互连孔隙，其具有大于(i)一个或多个通路P距离结构或模块的外表面的最小深度和(ii)一个或多个通路P的单独的分隔的部分彼此之间的最小间距的长度。在结构或模块中机械加工和/或模制以便有意地实现从结构或模块的外部到通道和/或通道的单独的、间隔开的部分(例如入口端口和/或出口端口)之间的流体连通的流体端口被排除在平均垂直深度、最小深度和/或最小间距的测定之外。提供这种单片式陶瓷结构或单片式陶瓷流动模块有助于确保流动反应器射流模块或类似产品的流体密封性和良好的耐压性。
所示的元件可以采用许多不同的形式，并且包括多个和/或替代的部件和设施。所示的示例性部件不旨在是限制性的。实际上，可以使用附加的或替代的部件和/或实施。此外，除非明确说明，否则所示元件不一定按比例绘制。
参考图1-9，公开了用于将多孔区域集成至无孔陶瓷体(可还包括内部通道或流体通路)的第一示例性技术，其示出了模100、柱塞105、无孔陶瓷粉末110、通道形式115和多孔陶瓷粉末120。总体参考图1-9，模100由至少一个刚性侧壁125形成，具有至少部分地与压制射流模块的陶瓷体的外部构造相匹配的内部形状。模100，也称为压制模100，包括由该至少一个刚性侧壁125限定并彼此分隔的第一开口130和第二开口135。例如，第一开口130可位于模100的顶部，第二开口135可位于模100的底部。柱塞105可插入模100的第二开口135中。可将柱塞105插入模100的第二开口135中，以允许在将材料压入陶瓷射流模块中之前，将材料(例如无孔陶瓷粉末110、多孔陶瓷粉末120和通道形式115)布置在模100内。实施方案中的无孔陶瓷粉末110包括研磨或以其它方式形成为精细粉末的无孔碳化硅(SiC)。在一些可能的方法中，无孔陶瓷粉末110是即压型(RTP)SiC粉末，其包括与之混合或涂覆在其上以便于压制的粘合剂和/或其它添加剂。这种RTP SiC粉末的实例包括来自美国纽约Buffalo的GNPGraystar；来自德国的Industriekeramik Hochrhein(IKH)GmbH的IKH 601和IKH 604；和来自德国Selb的KYOCERA Fineceramics Precision GmbH的StarCeram S alpha-SiC型SQ和RQ。通道形式115，也称为正通路模具，包括在受热时(例如在烧结过程中)熔融的模具材料。熔融的模具材料可随后被去除，从而留下对应于陶瓷体内一个或多个流体通路的开口或空隙。示出了两个通道形式115。第一通道形式115A可用于形成第一流体通路，例如图7-9所示的渗余物通道170，以及第二通道形式115B可用于形成第二流体通路，例如图7-9所示的渗透物通道175。实施方案中的多孔陶瓷粉末120包括研磨或以其它方式形成为精细粉末且具有9％至95％的孔隙率的多孔碳化硅(SiC)。在一些情况下，多孔陶瓷粉末120用作射流模块的各个通道之间的粉末互连，这将在下文中更详细地讨论。在传统的陶瓷射流模块制造方法中，模100被填充以使无孔陶瓷粉末110围绕通道形式115。然后，通过随后的加工步骤如脱模、脱粘和烧制，将无孔陶瓷粉末110转化为具有封闭孔隙的致密陶瓷材料(例如，密度超过97％)。如本文所用，“闭孔”陶瓷体是指其中陶瓷体的陶瓷材料表现出封闭的孔隙拓扑结构使得材料中的孔隙或单元是孤立的或仅与相邻孔隙或单元连接且对流体无渗透性的陶瓷体。
参考图1-9，公开了制造具有无孔区域的射流模块150的方法。为制造具有无孔区域的射流模块150，可将不同类型的RTP陶瓷粉末(称为多孔陶瓷粉末120)插入至压制模100的选定区域中。该粉末被设计成在上述用于获得致密陶瓷材料的相同脱模、脱粘和烧制加工之后不会实现封闭孔隙。多孔陶瓷粉末120可以各种方式配制以在陶瓷初级颗粒或团聚颗粒周围引入空隙，从而产生局部孔隙率。实例可以包括用高水平的有机粘合剂(例如，>4-8wt％)喷雾干燥、添加在烧制前烧尽的成孔剂(例如，淀粉、石墨、甲基纤维素)、通过例如减少或消除较小的陶瓷颗粒或团聚颗粒(否则其填充较大颗粒和团聚颗粒之间的间质空隙)来改变陶瓷粉末的粒度分布(PSD)，或添加不会在烧制中完全烧结在一起而形成空隙的较大的陶瓷初级颗粒(可能在与RTP陶瓷粉末的混合物中)。使用这些技术，陶瓷粉末的开放孔隙率可以工程设计以实现下文更详细描述的各种应用。该方法的一个方面是得到用于在射流模块150内的不同位置处提供不同陶瓷粉末(例如，多孔的和无孔的)的技术。
如图1和2所示，无孔陶瓷粉末110通过第一开口130插入模100中。无孔陶瓷粉末110在柱塞105上形成第一层110A。通道形式115通过第一开口130插入模100中，到无孔陶瓷粉末110的顶表面140上。
现参考图2-3，多孔陶瓷粉末120通过第一开口130倒入第一通道形式115A和第二通道形式115B之间的空隙区域145中。这样做允许多孔陶瓷粉末120在制造之后保持与通道形式115接触，从而使液体能够通过多孔陶瓷区域流动。在实施方式中，可通过在粉末填充过程期间插入壁结构(其包括例如一个或多个壁)来控制射流模块150内的多孔域。壁结构可采取插入在预定区域中(例如，空隙区域145周围)的薄金属块、纸或蜡薄片的形式。在用多孔陶瓷粉末120和无孔陶瓷粉末110填充模100之后，可去除壁结构，同时防止多孔陶瓷粉末120和无孔陶瓷粉末110的显著位移和相互混合。或者，在纸或蜡的情况下，壁结构可保留在适当位置，使得它在随后的高温加工步骤中烧尽或熔融。用于形成多孔区域的其它技术将在下一节中描述。
现参考图4，一旦多孔陶瓷粉末120位于通道形式115之间，将无孔陶瓷粉末110的第二层110B引入模100的第一开口130中。无孔陶瓷粉末110的第二层110B覆盖通道形式115、多孔陶瓷粉末120和无孔陶瓷粉末110的第一层110A的顶表面140的任何暴露部分。在实施方案中，无孔陶瓷粉末110的第二层110B比引入图1中的模100中的无孔陶瓷粉末110的第一层110A厚。
现参考图5-8，通过将冲压锤155穿过第一开口130插入至模100中并用压力F压制无孔陶瓷粉末110的第一层110A和第二层110B以及多孔陶瓷粉末120和通道形式115，形成对应于射流模块150的压制体生坯148。冲压锤155沿重力方向以垂直方向插入模100的第一开口130中。压制可导致通道形式115在水平方向上变宽，同时导致通道形式115、无孔陶瓷粉末110的第一层110A和第二层110B以及多孔陶瓷粉末120的厚度减小。
现参照图7，将压制体148从模100中去除并加热以去除通道形式115。通道形式115可通过模具移除工艺去除，包括但不限于压板脱模、气囊脱模或等静压脱模。模具去除工艺可进一步或替代地包括空气吹出方法。随着通道形式115被去除，射流模块150限定渗余物通道170和渗透物通道175。然后将压制体148去粘合以去除粉末粘合剂，然后烧制(烧结)以致密化并进一步固化压制体为对应于射流模块150的单片式陶瓷体。在2020年9月30日提交的国际申请公开号WO2021/067455A1中描述了用于压制陶瓷粉末以形成压制体148以及用于脱模、脱粘和烧制压制体148以形成射流模块150的示例性工艺参数，其公开内容通过引用整体并入本文。
射流模块150的陶瓷体或陶瓷体部分可由包括任何可压制的粉末的陶瓷材料形成，所述可压制的粉末通过粘合剂保持在一起并经过热加工以将粉末颗粒熔合在一起形成结构。在一些实施方案中，陶瓷材料包括氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、玻璃陶瓷、玻璃粉末、金属粉末和其它能够实现高密度、闭孔单片式结构的陶瓷。氧化物陶瓷是金属(例如Al、Zr、Ti、Mg)或准金属(Si)元素与氧的无机化合物。氧化物可与氮或碳结合以形成更复杂的氮氧化物或碳氧化物陶瓷。非氧化物陶瓷是无机非金属材料，且包括碳化物、氮化物、硼化物、硅化物等。可用于陶瓷体200的非氧化物陶瓷的一些实例包括碳化硼(B4C)、氮化硼(BN)、碳化钨(WC)、二硼化钛(TiB2)、二硼化锆(ZrB2)、二硅化钼(MoSi2)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)和硅铝氧氮聚合材料(氧氮化硅铝)。示例性实施方案中的陶瓷体由SiC形成。
通道形式的模具材料或正通路模具可为有机材料，例如有机热塑性材料。模具材料可包括悬浮或以其它方式分布在材料内的有机或无机颗粒，作为在加热/熔融期间减小膨胀的一种方式。通路模具的材料理想地是相对不可压缩的材料，特别是相对于压制陶瓷粉末在压缩之后的回弹，在压缩之后具有低回弹的材料。负载有颗粒的模具材料在压缩后可表现出较低的回弹。能够在压缩下进行一定程度的非弹性变形的模具材料自然也倾向于具有低回弹(例如，具有高损耗模量的材料)。例如，具有很少或没有交联的聚合物物质和/或能够在压缩时局部破裂或微破裂的具有一些局部硬度或脆性的材料可表现出低回弹。有用的模具材料可包括具有悬浮颗粒(如碳和/或无机颗粒)的蜡、含松香的蜡、高模量脆性热塑性材料，以及甚至是悬浮在有机脂肪中的有机固体(如可可脂中的可可粉)，或这些的组合。低熔点金属合金也可用作模具材料，特别是在熔融时具有低膨胀或没有膨胀的合金。
如图8所示，在使射流模块150经受烧制过程之后，渗余物通道170和渗透物通道175通过填充有由压缩和加热多孔陶瓷粉末120形成的多孔陶瓷材料的多孔区域165以及填充有由压缩和加热无孔陶瓷粉末110形成的无孔陶瓷材料190的无孔区域相连。无孔区域至少部分地围绕渗余物通道170、渗透物通道175和多孔区域165。因此，多孔区域165限定了开孔陶瓷区域，且无孔区域限定了涵盖开孔陶瓷区域的闭孔陶瓷体。在下面更详细讨论的一些情况下，射流模块150可限定入口端口、出口端口和其它通道结构(例如集成至流体分离器结构中的混合物和停留时间段)。
在操作中，可向渗余物通道170供应工艺流体，且渗余物通道170可被限定为使得工艺流体的一部分流动经过具有多孔陶瓷材料的多孔区域165并进入渗透物通道175中，如图9所示。不能通过多孔区域165的工艺流体和固体205保留在渗余物通道170中，以备随后去除。
现参考图10，用于在射流模块150中产生多孔区域165的另一方法包括制造固体主体210，例如单通道形式115，其包含或包封在烧制后是多孔的陶瓷材料。例如，陶瓷初级颗粒可与加热的模具材料混合并浇铸成多种形状以形成第三通道形式115C。第三通道形式115C(有时称为互连模具)用陶瓷材料或颗粒高度填充，使得在第三通道形式115C的一部分模具材料去除之后(例如，在如上所述的脱模和烧制/烧结之后)，保留陶瓷材料或陶瓷颗粒的自支撑基质。
在烧结之后，自支撑基质限定开孔陶瓷区域，该开孔陶瓷区域被配置成提供至少一些开放孔隙以使得流体能够传输通过其中。作为实例，当多孔自支撑基质形成流体通路的壁或壁的一部分时，开放孔隙率可以小于烧结后壁的体积的1％、小于2％或小于5％。在实施方案中，开放孔隙率可以大于，例如，烧结后壁的体积的小于10％、小于15％、小于20％或小于25％。考虑到射流模块150的材料的理论密度，如果例如需要至少97％的最小理论密度以确保壁不具有开放孔隙，则由多孔自支撑基质形成的壁的部分可具有比最小理论密度小1％、2％或5％的理论密度以提供一定开放孔隙率，同时保持机械刚性。开放孔隙率可提供通过开孔陶瓷区域的流体路径，其中由在接合的陶瓷颗粒之间形成的互连开放空隙腔或间质区域确定的流动路径的平均水力直径小于50nm、或小于100nm、或小于500nm、或小于1μm、或小于2μm、或小于5μm。如本文所用，“自支撑基质”或“多孔自支撑基质”是指陶瓷材料或陶瓷颗粒的基质相对于从初始放置经过所有加工步骤到最终烧结通道结构几何形状的闭孔陶瓷体保持其形状和位置。
在实施方案中，第三通道形式115C可与未填充的通道形式115接合，例如图10所示的第一通道形式115A和第二通道形式115B。粘结可通过成形第一通道形式115A、第二通道形式115B和第三通道形式115C以使得第一通道形式115A、第二通道形式115B和第三通道形式115C中的两个或更多个配合或锁定在一起而发生。在实施方案中，通过在接合第一通道形式115A、第二通道形式115B和第三通道形式115C中的两个或更多个之前局部加热其各自表面，或通过在接合第一通道形式115A、第二通道形式115B和第三通道形式115C中的两个或更多个之前在其各自表面施加熔融模具材料，可将第一通道形式115A、第二通道形式115B和第三通道形式115C中的两个或更多个粘结在一起。
继续参考图10-11，单通道形式115具有第一区域、第二区域和第三区域，其可用于分别限定渗余物通道170、渗透物通道175和多孔区域165。单通道形式115可通过第一开口130插入模100中，并放置在无孔陶瓷粉末110的第一层110A的顶表面140上。单通道形式115的第一区域和单通道形式115的第二区域可由未填充的模具材料形成，其是用于形成如上参照图1-9讨论的第一通道形式115A和第二通道形式115B的模具材料。单通道形式115的第三区域可由填充的通道形式115材料形成，例如用于形成如上参考图10讨论的第三通道形式115C的材料。
如图10-11所示，单通道形式115的第三区域位于单通道形式115的第一区域和第二区域之间。如上所述，可通过粘结多个通道形式115来产生单一通道形式115。在模具材料冷却之后，单通道形式115可从模具中去除，使得其可插入至模100中用于包含在射流模块150中，如图11所示。这种方法增加了射流模块150的多孔和无孔区域相对于彼此定位在期望位置的可能性。它还使得能够精确限定多孔和无孔区域，包括多孔和无孔材料之间的分级轮廓，以及在特定位置的多孔材料薄层。
在实施方案中，多孔陶瓷粉末120可被包裹或包封在诸如蜡或聚合物的涂层材料中以形成可更易于移动、操纵和定位的主体，而不是形成单通道形式115。含有多孔陶瓷材料的固体主体也可形成为片材以及被模板切割成所需通道形式形状。片材可以多种方式形成，包括如前所述由填充的模具材料浇铸、通过混合多孔陶瓷粉末原料120与其它粘合剂材料而干压制、通过混合RTP陶瓷粉末与成孔剂(如淀粉、石墨或聚合物)而干压制或在被辊压或带铸成片材之前与溶剂和粘合剂混合。在这些和其它替代性方法中，多孔区域165层可通过在压制之前将成形的片材放置在无孔陶瓷粉末110的床上而形成。
在实施方案中，适于在烧制后在射流模块150中形成多孔陶瓷区域的陶瓷材料也可与如上所述的液体、粘合剂和成孔剂混合以形成高度填充的糊剂和浆料。在将通道形式115插入压制模100之前或之后，糊剂和浆料可在特定位置(例如在未填充的通道形式115的表面上，或在通道形式115之间的空隙区域145中)注入或施加。糊剂和浆料也可直接施加到已预先插入至压制模100中的无孔陶瓷粉末110上，从而产生由周围的无孔材料界定的多孔区域165。
在压制的陶瓷射流模块150内形成的多孔区域165也可用作膜涂层的支撑。膜涂层可被载体涂覆至多孔区域165上以提供精确尺寸的空隙。多孔陶瓷的孔隙隙可工程设计成促进流体以低压降流过载体涂覆区域。催化涂层也可施加在多孔区域165上以促进在另外情况下将不可能的化学反应。
前述制造陶瓷射流模块150的方法可用于各种应用，包括化学反应器应用、空气轴承、多孔模具、晶片载体、润滑轴承、优化的机械结构、多孔燃烧器、燃料电池、金属过滤和盘式制动器等。
对于化学反应器应用，流体分离可帮助去除想要的或不想要的反应产物并增加反应选择性。连续流动化学中的分离的实例包括液/液、固/液、气/液和固/液/气。在图12的平面剖面图中示出了示例性流体分离模块150。如所示，工艺流体通过工艺流体入口端口160进入并通过渗余物通道170流动经过多孔材料区域165。工艺流体的一部分经过射流模块150内的多孔材料区域165并进入渗透物通道175中。未经过多孔材料的工艺流体(例如，如图9所示的固体或不混溶液体205)通过渗余物流体出口端口180离开射流模块150。继续参考图12，经由吹扫流体入口端口185进入的吹扫流体可帮助从多孔材料附近的渗透物通道175去除分离的渗透物，其可经由渗透物流体出口端口195离开射流模块150。可通过将膜载体涂层施加到多孔材料区域165来增强流体分离。根据流体分离操作的需要，可将其它功能(例如混合器和停留时间段)添加到相同的射流模块150。可进行多次流体分离操作以连续精制反应产物从而提高选择性。这些流体分离操作可在不同的条件下进行，例如不同的局部温度、压力或化学组成。
流体分离可沿着射流通道的长度发生，如图12所示。可沿着工艺流体通道的一侧或两侧提供多孔区域165，从而使得化学产品能够连续分离至相邻的渗透物流体通道中。渗透物通道175可平行于工艺流体/渗余物通道170延伸，或者它可与工艺流体蛇形弯曲相互交叉，如图13所示。
在上述实例中，工艺/渗余物通道170、渗透物通道175和多孔材料区域165都位于同一平面内。压制陶瓷射流模块150制造方法可选地以多层应用。在该示例性方法中，工艺/渗余物和吹扫/渗透物流体通道可定位在彼此之上，多孔材料的中间层将它们分开，如图14所示。该方法可用于增加工艺/渗余物通道170和吹扫/渗透物通道175之间的交换的表面积。杂合溶液也是可能的，其中多孔材料位于工艺/渗余物通道170的多个侧面上。例如，多孔材料可如图13所示位于与工艺/渗余物通道170相同的平面中，以及如图14所示位于不同的层中。
图15示出了采用串联构型的同向流传播或反向流传播的多层流体分离。在这种示例性方法中，可使用多层构型在射流模块150内按比例增大流体分离。如图所示，工艺/渗余物流体流方向与相邻的吹扫/渗透物流体流动方向相同(“同向传播”)，但是反向传播可在同一射流模块150中实施。图15的流体分离模块150包括吹扫流体入口端口185、工艺流体入口端口160、渗余物流体出口端口180、渗透物流体出口端口195和连接各个流体流通道的内部通孔200。多孔材料层165与多个流体流动通道中的每一个相邻。
图16示出了采用并联构型的同向流传播或反向流传播的多层流体分离。如图16所示，多层流体分离可以并联构型实施以减小通过射流模块150的压降。根据通道中流构型，多层流体分离可使用同向流传播或反向流传播来实施。通过例如改变内部通孔200与通道层相交的方式，交叉流构型也是可能的。图16的流体分离模块150包括吹扫流体入口端口185、工艺流体入口端口160、渗余物流体出口端口180、渗透物流体出口端口195和连接各个流体流动通道的内部通孔200。多孔材料层与各个流体流通道中的每一个相邻。
图17是沿着工艺/反应物流体路径具有四种不同多孔材料以能够分离多种反应产物组分的流体分离模块150的实例。图17的流体分离模块150包括工艺流体入口端口160、渗余物流体出口端口180和多个渗透物流体出口端口195。多孔材料层设置在某些流体流动通道或其部分之间。本文所公开的制造方法能够在射流模块150内的不同位置处并入多种多孔材料。例如，具有不同孔径的四种不同多孔材料可沿着如图17所示的蛇形反应路径排列。该方法可用于沿路径分离出各种不同尺寸的颗粒物。
在另一可能的实施方式中，图18示出了具有布置为筛的多个多孔材料的流体分离模块150。在该示例性方法中，多孔材料层175A-175D可在区带中串联布置，使得流动路径起到类似于筛的堆叠的作用，以去除不同的反应产物组分。如图18所示，流体分离模块150包括工艺流体入口端口160、渗余物流体出口端口180、多个渗透物流体出口端口195和多个不同孔隙率的区域。如图所示，每个流体出口端口与不同的多孔材料175A-175D相邻。虽然图18中的示例性构型示出了布置在相同平面中的不同多孔材料，但是可实施其中不同的多孔材料布置在不同的层或平面中且反应物流体流被向下引导通过各个层的类似的方法。因此，每一层提供专用的渗透物流体出口。
图19-20示出了两件式流体分离模块150的组件，其实施定位在上射流模块部件150A和下射流模块部件150B之间的可更换膜215。在一些情况下，可能难以均匀地或用足够的材料载体涂覆多孔区域165以实现所需的分离功能。另外，一些反应物流体可通过例如堵塞、化学活性损失或中毒促进膜载体涂层的降解。可以周期性地从射流模块150去除并更换可去除的膜或另一类型的过滤基质。图19-20的流体分离模块150包括在上射流模块部件150A上的工艺流体入口端口160和渗余物流体出口端口180。上射流模块部件150A还可在工艺流体入口端口160和渗余物流体出口端口180之间限定空腔220。图19-20的射流模块150还包括下射流模块部件150B上的吹扫流体入口端口185、渗透物流体出口端口195和多孔区域165。可更换膜215位于上射流模块部件150A和下射流模块部件150B之间。膜215与下射流模块部件150B上的多孔材料区域165对准。上射流模块部件150A和下射流模块部件150B中的至少一个还可限定构造成容纳O形环225的O形环压盖。
现参考图20，两件式射流模块150可组装并使用外部夹具保持在一起。在组装时，空腔220邻近膜215。在操作中，工艺流体跨空腔220流动，并且工艺流体的一部分经过膜215和多孔支持材料进入在膜215直接下方的渗透物流体通道中。多孔支持材料支撑膜215，使得工艺/渗余物通道170能够被高度加压以增强流体分离。为了增加多孔支持材料的耐压性，吹扫/渗透物流体通道可实施为一组平行通道，其中无孔材料的中间区域充当壁或柱以支持通道顶部而防止塌陷。此外，关于化学反应器应用，应当理解，设置在单独的流体通路之间的一个或多个多孔区域165可用于提供沿反应通道的一部分或整个长度从第一流体通路(即，气体递送通路)到第二流体通路(即，反应通道)的渐进气体递送。
现参考图21，连续流动化学通常包括长停留时间反应，其包括通过射流模块150的较长反应通道路径。为了将射流模块150的整体尺寸保持为可管理的尺寸，流体通道途径可以按蛇形路线。在图21的示例中，射流模块150中的混合器230被布置成列。在这种通道造型中，一列混合器230中的温度变化(由于高度放热或吸热反应)可改变相邻列中的通道和混合器230的温度。这有时被称为热串扰，并且其也可发生在多层射流模块150中，其中不同层上的反应物通道途径彼此靠近。多层射流模块150的热串扰的一种解决方案涉及将内部热交换通道定位在反应物层之间的层上。实施内部热交换通道的一个方面是耐压的，因为它们位置接近不同层中的加压反应物通道。由于通道塌陷的风险，热交换通道不能是宽的。为了增加耐压性，可使用能够使流体流动同时提供良好机械支持的多孔材料形成热交换通道。多孔材料还可通过起到类似翅片的作用以在热交换通道的中心表面和侧壁表面之间传递热量来增强进入或离开热交换通道的热传递。虽然多孔通道比常规热交换通道更可能经历更高的压降，但压降在热交换通道中通常不太显著。可通过在无孔通道上使用流动控制值或压力调节供应来实现在多孔和无孔通道中的均匀流。
图22示出了具有集成热交换器的多层射流模块150的示例性构型。在该示例性方法中，多孔材料层位于上工艺/反应物流体层和下工艺/反应物流体层之间。更具体地，这种集成热交换器的热交换通道可包括开孔陶瓷区域，其占据沿其长度的一部分或全部的热交换通道的体积。这些具有开孔陶瓷区域的热交换通道可以，例如，如上所述使用高度填充陶瓷颗粒的正通路模具，随后将其加热以去除正通路模具并在其中留下陶瓷颗粒的自支撑基质而在制造过程中烧结。流体进入图22中的多孔材料层的一种方式是经由热交换流体入口235。一些流体可经由热交换流体出口240离开多层射流模块150。
在图23所示的另一种方法中，射流模块150可以与外部热交换结构245一起实施以促进外部加热。在这种构型中，反应物通道多层热串扰可通过以多孔材料实施的热交换通道层的整合来控制。在这种情况下，内部热交换通道可用作射流模块150的上和下段之间的热隔离屏障。为实现热隔离，热交换通道工作流体可为流动的水、流动的空气或者甚至用作绝缘体的静态空气。
多孔材料也可放置在水平平面中以沿反应路径热隔离特定段。图24提供了多孔热交换通道定位为邻近工艺/反应物通道的实例。其它构型可包括沿反应路径围绕特定区域的多孔通道，其中精确的温度控制或热隔离是重要的。多孔热交换区可位于工艺/反应物流体通道的所有侧面(即，顶、底、左和右)上，其通过无孔壁与工艺/反应物流体通道分隔开。
上述概念可在各种应用中实施，包括空气轴承、多孔模具、晶片载体、润滑轴承、机械结构、多孔燃烧器、燃料电池、金属过滤和盘式制动器等。
现参考图25-32，空气轴承250用于在空气薄层上支撑可移动材料。其有时用于可移动材料在接触机械支撑件时可能损坏的情况下。一个实例是沿组装线输送大玻璃片材。空气轴承250还可用于涉及可被机械接触损坏的软玻璃或陶瓷材料片材的高温应用。例如，低摩擦运动平台使用空气轴承250在流动空气薄层上支撑重负载。根据工艺的需要，可使用空气以外的气体，例如氮气、氦气或氩气。尽管下文的讨论涉及“空气轴承”，它也适用于具有不同气体的结构。
空气轴承250可由被挤出或机械加工成与其将支撑的材料紧密匹配的形状的多孔材料组装。一个实例是U形空气轴承250，用于在高温加工期间支撑热的陶瓷带材料。U形空气轴承250由多孔挤出陶瓷材料(例如多孔SiC)制造。在一些情况下，例如图25所示的，歧管通道255可形成在挤出U形的底部，以沿着空气轴承250的长度分配工艺气体(例如He)。由于空气轴承250用于陶瓷加工的高温炉(例如，>1400℃)中，许多传统的密封材料(包括有机和无机密封溶液)不可用于密封其外表面。这导致了来自U形空气轴承250的气体的过度损失，在不能回收和再循环的情况下增加了加工成本。
现参考图26，空气轴承250可被制造成具有多孔区域165和无孔区域190以防止或减少空气轴承气体的过度损失。例如，内部歧管通道255可在U形空气轴承250的垂直侧面上延伸，并且它还可包括盖260以防止空气轴承250工艺气体过度损失到环境中。由于这种设计防止了工艺气体通过U形侧壁的损失，因此可降低工艺气体的流速，从而降低了在使用如氦和氩的昂贵气体时的运行成本。
图27示出了具有多孔区域165、无孔区域190和空气入口265的U形空气轴承250的示例性剖面图。在一些情况下，如图27-29所示，空气入口265可集成到空气轴承250的底表面中。在使用时，如图28-29所示，工艺空气可沿着空气歧管通道270流入空气轴承250中，并通过例如U形空气轴承250的内侧底部处的多孔材料来悬浮玻璃或陶瓷材料的熔融带275。参考图29，具有多孔和无孔区域的空气轴承250也可用于在空气或工艺气体的垫子上传输熔融材料片材。在该示例性实施方案中，空气轴承250的顶表面可包括模制凹陷280，其形成用于气体在加工过程中从片材流走的通道。如上所述的损耗材料制造方法使得能够制造这些外部通道特征以及由无孔陶瓷材料190围绕的内部通道和多孔区域165。
在一些可能的实施方案中，如图30所示，空气轴承250可设置有另外的内部通道和特征，以使得实现工艺气体重捕获。例如，一个内部通道可将工艺气体供应到U形空气轴承250的多孔内侧底表面，而U形空气轴承250的垂直部分中的两个内侧通道285可在真空下操作以从U形空气轴承250的内部收集使用过的工艺气体。在该示例性方法中，U形空气轴承250的内侧垂直壁是多孔的，而外侧垂直壁是无孔的。如前所述，U形顶部上的盖260可帮助防止工艺气体的过度逸出。此外，内壁290可将加压区域295与真空区域300分开。
参考图31，位于U形空气轴承250的内侧水平和垂直表面上的多孔区域165可通过无孔区域彼此分开。这防止或减少了直接从歧管通道泄漏到工艺气体捕获通道305的工艺气体的量，从而增加了可用于使熔融带275浮起的工艺气体的量。如图32所示，还可以为用于输送熔融材料片材的空气轴承250提供工艺气体重捕获。在该示例性实施方式中，可用多孔表面区域代替表面出口通道，所述多孔表面区域连接到能够通过气体捕获通道305捕获工艺气体的内部通道。
现转向涉及多孔模具的实施方式以及图33-35，可使用上述损耗材料形成工艺得到具有精确平坦或复杂任意成形轮廓的多孔陶瓷表面。这些多孔表面可用于通过加热玻璃片材的真空成形来形成具有复杂3D形状的玻璃片材。例如，可将玻璃片材310定位在具有例如浴缸凹陷形状的加热模具上。模具包括内部空气歧管315，其可用于在顶侧多孔表面上抽真空，或向表面施加空气压力。模具外侧壁和底部可使用无孔陶瓷材料190形成。
在图34所示的多孔模具的实例中，加热的玻璃片材310可以被降低到模具的顶表面上，然后真空力可拉动玻璃片材310与模具的多孔区域165接触。这种方法不会在模制玻璃片材310中留下来自顶表面上的真空端口的伪像。而且，如果需要，模具的孔隙率可在整个顶表面上变化，从而允许在特定区域中根据需要微调真空力的大小。这可有助于在模制部分上局部地提供精细分辨率或高纵横比特征。可将多孔区域165的孔隙选择为小的(例如，微米或亚微米尺寸)以确保在模制玻璃部分上形成光滑表面。如图35所示，在模制之后，可通过向底部端口320施加空气压力来弹出玻璃片材310。
由于陶瓷模具还可包括附加的独立通道，因此可提供附加的通道或多孔区域，其有助于在模制过程中管理模具的温度。例如，可提供通道以从内部快速加热或快速冷却模具。经由引导加热的液体金属通过陶瓷体的通道可提供快速加热，而通过使空气或水流动通过通道可实现快速冷却。内部通道还可实现模具的不均匀加热，从而实现不同位置的不同玻璃粘度，以根据需要增强玻璃片材310在特定区域的变形和流动。
参考图33-35显示和描述的实例包括成形的多孔模具。然而，在其它模制应用中，多孔表面可以是平坦的。例如，U形空气轴承250的平坦底表面可交替使用，以通过供应工艺空气来支撑运输中的陶瓷带，通过例如提供拉动陶瓷带以与U形空气轴承250的平坦底表面接触的真空来模制平坦的陶瓷带等。
现参考图36-37，晶片处理器可用于半导体晶片加工，以在晶片325在各种加工设备站之间传送时支持和保持晶片325。由陶瓷材料制成的晶片处理器也非常适合于在特定的高温处理(例如快速热退火(RTA))期间支持晶片325。在RTA应用中，在短时间(例如，5-10秒)内将晶片325快速加热到高温(例如，>1000℃)。陶瓷晶片处理器可承受这样的温度。可选择具有低CTE(热膨胀系数)值的陶瓷材料，其与半导体加工中使用的硅和III-V材料晶片非常匹配。陶瓷晶片处理器还提供在大气和真空操作之间的稳定性。由塑料构建的类似晶片处理器在真空加工期间可能经历尺寸变化和形状变化，从而导致对半导体晶片325的增加的应力和可能破裂。
图36示出了基于具有多孔和无孔区域以及内部通道的压制陶瓷材料的晶片处理器的示例性剖面图。多孔材料165的顶表面可通过烧制后的研磨或者脱粘或部分烧制后的表面机械加工而被机械加工成平坦。顶表面也可开槽或提供凸起的垫以限制与晶片325的接触。在凸起垫方法中，垫的侧面可由无孔材料构造以减少真空泄漏。在底表面端口330处提供真空，其使晶片325被拉动以与顶表面处的多孔材料接触。如图37所示，为了从晶片载体中移除晶片325，在底表面端口330处施加空气。
图38示出了用于旋转轴承的示例性方法。旋转轴承通常在密封包装外壳中用润滑剂持续润滑。在高热应用中，润滑油可能无法留存。替代的解决方案可包括随时间缓慢提供润滑剂的连续更换的多孔轴承材料，或使用多孔轴承材料以在空气薄层上悬浮旋转轴的空气轴承。在低温(cryogenic temperatures)下操作的轴承使用液体润滑剂也可能有问题。在这种情况下，通过多孔材料供应的空气润滑轴承是潜在解决方案。空气润滑的轴承对于精密加工设备中旋转轴的精确中心定位也是重要的。图38示出了使用多孔和无孔材料的示例性旋转轴空气轴承。在该示例性方法中，内部空气歧管通道335将空气递送至在轴340周围分布的多孔材料区域165。在该实例中，多孔区域165设置在轴340周围的离散位置处，而在其它情况下，轴340可被多孔材料围绕。
其他特征也可并入空气润滑轴承中，例如用于加热空气轴承或保持其冷却的内部通道。空气轴承的精密内孔表面最初可通过损耗材料模制方法形成。对于精密应用，可进行额外的研磨和/或金刚石抛光步骤，以使多孔材料具有精密轮廓的极其平滑的表面。
上述概念可应用于各种机械结构。例如，梁在各种应用中用于提供机械支撑和刚度，通常同时使重量和材料的总成本最小化。梁的弯曲强度与梁的面积惯性矩成比例，并且梁的惯性矩随着梁的质量远离其旋转轴而增加。考虑设计用于抵抗绕水平轴弯曲的工字梁(I)的形状。上凸缘和下凸缘被放大并尽可能远离中线移动以使强度最大化并使重量最小化。计算的细节描述如下：对于具有XY平面中的截面积的在Z方向上延伸的梁，绕X轴的面积惯性矩计算为Ix＝∫y2 dA，而绕Y轴的面积惯性矩计算为Iy＝∫x2 dA。对于此计算，XY平面的原点以梁的质心(即，质量的面积中心)为中心。也从本质上揭示了梁的高强度构型。实例是例如人的骨骼的设计。骨骼外部周围的致密材料薄层围绕填充内部的多孔材料。该设计经过优化以支撑沿骨的轴线放置的负载：致密材料的薄表面层的厚度沿着骨的长度连续变化，并且内部多孔材料的结构被优化以在骨两端的承重区域附近提供高强度。
上述损耗材料方法提供了制造具有多孔和无孔材料的各种复合区域的固体主体的独特能力。该方法可应用于利用弯曲强度最大化和重量最小化的多种应用。实例包括陶瓷骨置换部分、用于航空航天和国防应用的镜子和镜子支撑件、以及用于高端自行车的轻质陶瓷部件。
以镜子支撑件作为实例，使用多孔和无孔材料的陶瓷镜子轻质化的实例可包括构造具有垂直网的镜子支撑件，其通过使其中心区域多孔而轻质化。该示例性实施方式中，孔隙处于网的中心，但在替代性方法中，整个网可由多孔材料制成。使用孔隙来增加镜坯件的弯曲强度意味着可在不改变网特征的宽度的情况下使用镜子。为进行比较，考虑在凸缘水平地突出的情况下宽度变化的工字梁剖面。然而，镜子中的水平突出部使得模制和释放镜子特征更加困难。薄的悬臂凸缘区域也可以容易地在机械加工中破碎，并在处理生坯镜空白部件时被损坏。形成镜子正面的材料也可通过形成为具有多孔和无孔区域来轻质化。
如上所述，复杂的内部多孔结构可通过工程设计陶瓷材料粒度分布(PSD)以及孔形成材料的尺寸和形状来形成。例如，陶瓷泡沫可通过使SiC粉末在蜡球包装在一起时形成的间质区域之间流动来制造。孔形成元件也可拉长成椭圆体和其它形状，这些形状在包装过程中自取向以产生定向的内部结构。该概念可用于使用通过固体材料的3D打印形成的复杂内部孔隙来产生复杂多孔骨结构。蜡空隙形式也可使用3D打印技术制造以产生复杂的空隙形状。关于蜡空隙形式的3D打印的一个区别是，为了产生单体的损耗蜡形式，打印的结构应当包括空隙区域之间的互连。有时，这种空隙互连自然地表现为优化过程的结果。蜡空隙形式的未填充区域稍后将用陶瓷材料填充。考虑到通过蜡空隙形式保持的内部路径的复杂性，空隙可通过例如静水压力或施加真空用陶瓷浆料填充。在压制之后，陶瓷浆料材料致密化，而在脱模之后，蜡空隙形式被去除，从而留下复杂的内部多孔网络。
另一个潜在的应用涉及多孔燃烧器。具有预混燃烧气体(例如，天然气和空气)的燃烧器利用多孔火焰屏障来防止火焰在燃烧器内向下行进到燃烧气体首次相遇的位置。一个实例是燃气灯上的布芯，其被灰化以防止火焰传播到灯内的气体混合位置。另一个实例可包括在空间加热器燃烧器中使用的多孔陶瓷板。本文描述的方法实现燃烧火焰在宽广区域上的分布，从而改进了对应被加热或照明的目标物体的直接辐射热传递。
用于燃烧器的损耗材料方法的一个优点是多孔燃烧器可由单一陶瓷体制造，其包括多孔和无孔区域以及用于气体流动、燃烧混合或二者的内部通道。这可能有助于避免异种材料的密封的问题，以及可能由于材料的热膨胀系数(CTE)不匹配和/或极端使用温度或冷起燃条件而形成的裂纹和间隙。
在该示例性实施方式中，燃烧器面可包括具有不同燃烧和机械支撑功能的多个层。如上所述，这些层可在具有由所使用的特定材料和通道形式115确定的不同材料特性(例如，孔隙率、强度、常规三轴压缩(CTC)等)的单片式主体中实施。具有用于集成冷却和护罩气体递送的多个内部通道的更复杂的燃烧器设计也可使用前述方法来实施。在这种情况下，特征可使用损耗材料方法及其在陶瓷体内产生多孔和无孔区域的能力在单片式燃烧器中制造。
这种燃烧器可包括多孔烧结燃烧器板/柱塞，其可以青铜或不锈钢提供。多孔烧结柱塞的直径可为6cm，并且可包含用于水/冷却剂流的阿基米德螺旋冷却回路(Archimedeanspiral cooling circuit)。冷却回路可使径向温度梯度最小化。此外，水冷多孔板可被压入不锈钢壳体中，不锈钢壳体随后被旋入主体中。同轴烧结青铜护罩可固定在主体上的外壳上。燃料混合物(其可包括预混合的氧化剂和燃料)可通过1/4英寸的压制配件引入壳体的底部中，并通过烧结的基质柱塞均匀地分布。燃料流中的压力涌动可在位于壳体内的烧结柱塞下方的空腔中标准化。同样，护罩环的惰性气体可通过1/4英寸的压制配件引入主体中的腔室中。
在一些情况下，燃烧气体可在燃烧器面处混合以产生延伸到应被加热的区域中的长而大的火焰。实例包括用于在大型玻璃熔融槽中加热玻璃的氧-燃料燃烧器，其中火焰投射到玻璃表面上，以及浸没的燃烧熔融，其中燃烧器从下方喷射到玻璃熔融槽中。浸没的燃烧熔融在浸没的火焰射流和熔融槽玻璃之间提供强烈的热传递和混合。虽然在燃烧器面提供混合的燃烧器不一定需要多孔区域，但是其可被添加以帮助管理燃烧器面的热梯度，或者作为防止火焰或异物体侵入燃烧器中的附加防护。
在燃烧反应器中，气体在外壳内混合并燃烧以捕获热量和/或产生特定的化学副产物。示例性反应是通过蒸汽重整(通常以甲烷蒸汽重整(MSR)实施)对氢气进行部分氧化。在一种可能的实施方式中，燃烧气体被引入到基部空腔中，在那里进行初始混合。当气体流动通过中心混合器的侧孔口开口和流过多孔火焰屏障时，混合增强。在反应器内产生火焰，并且热量传递到与其周边隔离的附近的陶瓷套筒。反应腔室侧面上的端口使得能够引入其它反应物(例如蒸汽)。该反应器的特征可使用上述公开的损耗材料方法在单片式陶瓷体中制造，其包括多孔和无孔内部区域和用于引入反应物、将其引导通过反应器及将其从反应器中移除的内部通道。使用损耗材料方法，成品反应器没有可能泄漏的内部接头，或可能因CTE不匹配和/或热梯度而导致裂缝和泄漏的异种材料间的接合部
多孔燃烧器也可用于包括内部热交换和反应物气体预热的燃烧反应器中。在一个实例中，燃烧室包括多孔火焰屏障和集成热交换。在另一实例中，螺旋通道构造使得当反应物气体螺旋进入中心燃烧腔室时，能够使用来自燃烧室自热化学反应螺旋向外的燃烧产物的过多热量来预热反应物气体。该反应器的特征可使用损耗材料方法在单片式陶瓷体中制造，其包括多孔和无孔内部区域和用于引入反应物、将其引导通过反应器及将其从反应器中移除的内部通道。不同于由异种材料制造反应器，所有特征可在单一主体中形成，从而消除了在操作中易于泄漏的机械接口(当火焰蔓延至未设计用于此的反应器部分时，通常带来灾难性的结果)。
也可使用前述方法制造的燃料电池面临着独特的陶瓷包装挑战，因为它们在高温环境中集成化学反应和导电材料，而该环境经历宽的温度波动和热梯度。燃料电池通常通过多种金属和陶瓷材料的杂合集成来构造。损耗材料方法可用于在燃料电池组件的一部分或全部的制造过程中产生具有内部通道和局部多孔区域的致密陶瓷体。
金属过滤是受益于前述损耗材料方法的另一概念。在金属铸造之前立即进行金属过滤以确保成品铸件不含可能导致缺陷和产品故障的颗粒杂质。金属过滤器通常由挤出的金属蜂窝体制造。损耗材料方法可产生具有受控孔孔隙率的精细特征，其能够实现过滤并能够实现结合其它功能(例如，在铸造之前立即进行合金的金属混合)和热交换的集成解决方案。
损耗材料方法的另一用途包括盘式制动器的制造。盘式制动器经受高热情况，且应该保持刚性和平坦以充分发挥作用。某些车辆(特别是高端跑车和赛车)的盘式制动器转子应耐受极高热的应用，同时保持轻质。陶瓷制动器转子由于其的强度-重量比和耐受高温的能力而具吸引力。损耗材料方法可产生具有用于通风的内部多孔通道或层的陶瓷转子，以降低盘式制动器的操作温度并限制制动片上的磨损。这些多孔通道比中空通通更坚固，并减少了转子的形状形变，从而延长其使用寿命和有效性。
本公开的第一方面涉及一种形成具有集成的流体分离的射流模块的方法，其包括：将具有曲折形状的第一流体通路的第一正通路模具定位在一定体积的粘合剂涂覆的陶瓷粉末内；将具有曲折形状的第二流体通路的第二正通路模具定位在所述体积的陶瓷粉末内且与所述第一正通路模具分隔；将粉末互连定位在所述体积的陶瓷粉末内邻近所述第一和第二正通路模具中每一个的一部分；压制内部具有所述第一和第二正通路模具和所述粉末互连的所述体积的陶瓷粉末以形成压制体；加热所述压制体以去除所述第一和第二正通路模具；以及烧结所述压制体以形成闭孔陶瓷体。所述闭孔陶瓷体包括延伸穿过其中的相应第一和第二曲折流体通路，以及流体地连接所述第一和第二曲折流体通路的开孔陶瓷区域，所述开孔陶瓷区域与所述粉末互连相对应。
本发明的第二方面包括如第一方面的方法，其中将粉末互连定位邻近所述第一和第二正通路模具的部分包括在压制之前在所述第一和第二正通路模具之间沉积一定体积的多孔陶瓷粉末。
本公开的第三方面包括如第一方面的方法，其还包括在沉积所述体积的多孔陶瓷粉末之前插入壁结构，所述壁结构被构造为将所述沉积体积的多孔陶瓷粉末保持在预定区域中，以及在沉积所述体积的多孔陶瓷粉末之后移除所述壁结构。
本公开的第四方面包括如第三方面的方法，其中移除所述壁结构包括加热所述压制体和烧结所述压制体中的一种或多种。
本公开的第五方面包括如第一方面的方法，其中将粉末互连定位邻近所述第一和第二正通路模具的部分包括在压制之前将互连模具定位在所述第一和第二正通路模具之间，所述互连模具用陶瓷颗粒高度填充。
本公开的第六方面包括如第五方面的方法，其中加热所述压制体包括去除所述互连模具的模具材料部分并留下所述陶瓷颗粒的自支撑基质。
本公开的第七方面包括如第五方面的方法，其中所述互连模具在定位在所述体积的陶瓷粉末内之前接合至所述第一和第二正通路模具中的至少一个。
本公开的第八方面包括如第七方面的方法，其中所述互连模具通过局部加热相应的待接合表面而接合至所述第一和第二正通路模具中的至少一个。
本公开的第九方面包括如第七方面的方法，其中所述互连模具通过在所述模具中形成相应的连接特征而接合至所述第一和第二正通路模具中的至少一个。
本公开的第十方面包括如第五方面的方法，其中所述互连模具在定位在所述体积的陶瓷粉末内之前与所述第一和第二正通路模具中的至少一个同时模制。
本公开的第十一方面包括如第一方面的方法，其中将粉末互连定位邻近所述第一和第二正通路模具的部分包括在压制之前在所述第一和第二正通路模具之间应用互连糊剂，所述互连糊剂用陶瓷颗粒高度填充。
本公开的第十二方面包括如第一方面的方法，其中将粉末互连定位为邻近所述第一和第二正通路模具的部分包括在压制之前将多个粉末互连定位在所述第一和第二正通路模具之间，所述粉末互连中的每一个被构造为在烧结之后形成不同的开孔陶瓷区域。
本公开的第十三方面涉及一种用于形成具有集成温度调节的射流模块的方法，其包括：将具有曲折形状的第一流体通路的第一正通路模具定位在一定体积的粘合剂涂覆的陶瓷粉末内；将具有曲折形状的第二流体通路的第二正通路模具定位在所述体积的陶瓷粉末内且与所述第一正通路模具分隔，陶瓷颗粒高度地填充所述第二正通路模具的长度；压制内部具有所述第一和第二正通路模具的所述体积的陶瓷粉末以形成压制体；加热所述压制体以去除所述第一和第二正通路模具并留下所述陶瓷颗粒的自支撑基质；以及烧结所述压制体以形成闭孔陶瓷体，所述闭孔陶瓷体具有延伸穿过其中的相应第一和第二曲折流体通路，所述第二曲折流体通路包括开孔陶瓷区域，所述开孔陶瓷区域占据沿所述长度的所述第二曲折流体通路的体积。
本公开的第十四方面涉及一种用于流动反应器的射流模块，其包括单片式闭孔陶瓷体，至少一个延伸穿过所述陶瓷体的曲折流体通路和至少一个开孔陶瓷区域，所述开孔陶瓷区域限定所述至少一个曲折流体通路的一部分。
本公开的第十五方面包括如第十四方面的射流模块，其中所述至少一个曲折流体通路包括至少两个延伸穿过所述陶瓷体且彼此分隔的曲折流体通路，所述开孔陶瓷区域沿所述第二曲折流体通路的长度占据所述第二曲折流体通路的体积。
本公开的第十六方面包括如第十四方面的射流模块，其中所述至少一个曲折流体通路包括至少两个延伸穿过所述陶瓷体且彼此分隔的曲折流体通路，所述至少一个开孔陶瓷区域限定所述第一和第二曲折流体通路中每一个的相应内表面部分。
本公开的第十七方面包括如第十六方面的射流模块，其中所述至少两个曲折流体通路的相应路径基本上位于平行于所述陶瓷体的相对主表面定向的平面内。
本公开的第十八方面包括如第十七方面的射流模块，其中所述曲折流体通路中的至少一个在所述平面内与所述曲折流体通路中的另一个的每一侧分隔，所述至少一个开孔陶瓷区域限定该另一个所述曲折流体通路的相对侧向内表面部分。
本公开的第十九方面包括如第十六方面的射流模块，其中所述至少两个曲折流体通路的相应路径基本上位于在垂直于所述陶瓷体的相对主表面的方向上分隔的相应平面内。
本公开的第二十方面包括如第十六方面的射流模块，其中所述至少两个曲折流体通路包括第一曲折流体通路和多个第二曲折流体通路，每个第二曲折流体通路与所述第一曲折流体通路分隔，并且所述至少一个开孔陶瓷区域包括多个开孔陶瓷区域，每个所述开孔陶瓷区域限定所述第一曲折流体通路的内表面部分和所述多个第二曲折流体通路的相应内表面部分。
本公开的第二十一方面包括如第十六方面的射流模块，其中所述至少一个开孔陶瓷区域包括串联布置在所述至少两个曲折流体通路之间的多个开孔陶瓷区域，每个开孔陶瓷区域限定不同的孔隙率特征。
虽然已经出于说明的目的阐述了示例性实施方案和实施例，但是前述描述不旨在以任何方式限制公开内容和所附权利要求的范围。因此，在实质上不脱离本公开的精神和各种原理的情况下，可以对上述实施方案和示例进行变化和修改。所有这些修改和变化旨在包括在本公开的范围内，并由所附权利要求保护。

Claims (21)

1.一种用于形成具有集成流体分离的射流模块的方法，其包括：
将具有曲折形状的第一流体通路的第一正通路模具定位在一定体积的粘合剂涂覆的陶瓷粉末内；
将具有曲折形状的第二流体通路的第二正通路模具定位在所述体积的陶瓷粉末内且与所述第一正通路模具分隔；
将粉末互连定位在所述体积的陶瓷粉末内邻近所述第一和第二正通路模具中每一个的一部分；
压制内部具有所述第一和第二正通路模具和所述粉末互连的所述体积的陶瓷粉末以形成压制体；
加热所述压制体以去除所述第一和第二正通路模具；以及
烧结所述压制体以形成闭孔陶瓷体，其具有：
延伸穿过其中的相应的第一和第二曲折流体通路，以及
流体地连接所述第一和第二曲折流体通路的开孔陶瓷区域，所述开孔陶瓷区域与所述粉末互连件相对应。
2.如权利要求1所述的方法，其中将粉末互连定位为邻近所述第一和第二正通路模具的部分包括在压制之前在所述第一和第二正通路模具之间沉积一定体积的多孔陶瓷粉末。
3.如权利要求2所述的方法，其还包括：
在沉积所述体积的多孔陶瓷粉末之前插入壁结构，所述壁结构被构造为将所述沉积体积的多孔陶瓷粉末保持在预定区域中；以及
在沉积所述体积的多孔陶瓷粉末之后移除所述壁结构。
4.如权利要求3所述的方法，其中移除所述壁结构包括加热所述压制体和烧结所述压制体中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的方法，其中将粉末互连定位为邻近所述第一和第二正通路模具的部分包括在压制之前将互连模具定位在所述第一和第二正通路模具之间，所述互连模具用陶瓷颗粒高度填充。
6.如权利要求5所述的方法，其中加热所述压制体包括去除所述互连模具的模具材料部分并留下所述陶瓷颗粒的自支撑基质。
7.如权利要求5所述的方法，其中所述互连模具在定位在所述体积的陶瓷粉末内之前接合至所述第一和第二正通路模具中的至少一个。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述互连模具通过局部加热相应的待接合表面而接合至所述第一和第二正通路模具中的该至少一个。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述互连模具通过在所述模具中形成相应的连接特征而接合至所述第一和第二正通路模具中的该至少一个。
10.如权利要求5所述的方法，其中所述互连模具在定位在所述体积的陶瓷粉末内之前与所述第一和第二正通路模具中的至少一个同时模制。
11.如权利要求1所述的方法，其中将粉末互连定位为邻近所述第一和第二正通路模具的部分包括在压制之前在所述第一和第二正通路模具之间应用互连糊剂，所述互连糊剂用陶瓷颗粒高度填充。
12.如权利要求1所述的方法，其中将粉末互连定位为邻近所述第一和第二正通路模具的部分包括在压制之前将多个粉末互连定位在所述第一和第二正通路模具之间，所述粉末互连中的每一个被构造为在烧结之后形成不同的开孔陶瓷区域。
13.一种用于形成具有集成温度调节的射流模块的方法，其包括：
将具有曲折形状的第一流体通路的第一正通路模具定位在一定体积的粘合剂涂覆的陶瓷粉末内；
将具有曲折形状的第二流体通路的第二正通路模具定位在所述体积的陶瓷粉末内且与所述第一正通路模具分隔，陶瓷颗粒高度地填充所述第二正通路模具的长度；
压制内部具有所述第一和第二正通路模具的所述体积的陶瓷粉末以形成压制体；
加热所述压制体以移除所述第一和第二正通路模具并留下所述陶瓷颗粒的自支撑基质；以及
烧结所述压制体以形成闭孔陶瓷体，所述闭孔陶瓷体具有延伸穿过其中的相应的第一和第二曲折流体通路，所述第二曲折流体通路包括开孔陶瓷区域，所述开孔陶瓷区域沿所述长度占据一定体积的所述第二曲折流体通路。
14.一种用于流动反应器的射流模块，其包括：
单片式闭孔陶瓷体；
至少一个延伸穿过所述陶瓷体的曲折流体通路；和
至少一个开孔陶瓷区域，所述开孔陶瓷区域限定所述至少一个曲折流体通路的一部分。
15.如权利要求14所述的射流模块，其中所述至少一个曲折流体通路包括至少两个延伸穿过所述陶瓷体且彼此分隔的曲折流体通路，所述开孔陶瓷区域沿所述第二曲折流体通路的长度占据一定体积的所述第二曲折流体通路。
16.如权利要求14所述的射流模块，其中所述至少一个曲折流体通路包括至少两个延伸穿过所述陶瓷体且彼此分隔的曲折流体通路，所述至少一个开孔陶瓷区域限定所述第一和第二曲折流体通路中每一个的相应内表面部分。
17.如权利要求16所述的射流模块，其中所述至少两个曲折流体通路的相应路径基本上位于平行于所述陶瓷体的相对主表面定向的平面内。
18.如权利要求17所述的射流模块，其中所述曲折流体通路中的至少一个在所述平面内与所述曲折流体通路中的另一个的每一侧分隔，所述至少一个开孔陶瓷区域限定所述曲折流体通路中的另一个的相对侧向内表面部分。
19.如权利要求16所述的射流模块，其中所述至少两个曲折流体通路的相应路径基本上位于在垂直于所述陶瓷体的相对主表面的方向上分隔的相应平面内。
20.如权利要求16所述的射流模块，其中：
所述至少两个曲折流体通路包括第一曲折流体通路和多个第二曲折流体通路，每个所述第二曲折流体通路与所述第一曲折流体通路分隔，并且
所述至少一个开孔陶瓷区域包括多个开孔陶瓷区域，每个所述开孔陶瓷区域限定所述第一曲折流体通路的内表面部分和所述多个第二曲折流体通路的相应内表面部分。
21.如权利要求16所述的射流模块，其中所述至少一个开孔陶瓷区域包括串联布置在所述至少两个曲折流体通路之间的多个开孔陶瓷区域，每个开孔陶瓷区域限定不同的孔隙率特征。
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