CN117794665A - 复合结构、加热器设备、快速起燃排气后处理系统及其制造和使用方法 - Google Patents

复合结构、加热器设备、快速起燃排气后处理系统及其制造和使用方法 Download PDF

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Abstract

一种复合结构，排气后处理系统及制造方法。所述复合结构包括主体，所述主体包括相交壁的阵列，所述相交壁形成在轴向方向上延伸通过主体的多个通道，使得相邻通道位于每个壁的相对侧。所述主体的复合材料包括含玻璃或陶瓷的多孔材料的第一相。第一相包含内部互连孔隙。包含导电材料的第二相，所述第二相是至少部分填充第一相的内部互连孔隙的连续的三维互连导电相，其在壁的相对侧之间建立以垂直于轴向方向的横向方向通过至少一些壁的电路径。

Description

复合结构、加热器设备、快速起燃排气后处理系统及其制造和 使用方法
本申请根据35U.S.C.§119要求2021年7月28日提交的系列号为63/226455的美国临时申请的优先权权益，本文以该申请的内容为基础并将其通过引用全文纳入本文。
技术领域
本说明书涉及复合结构，例如用于流体后处理设备和系统，例如其中具有电加热器的排气处理系统。
背景技术
冷启动后的最初几秒可能对配备有含催化剂排气后处理部件(例如催化转化器)的发动机运行期间的总排放产生不成比例的影响。因此，排气后处理系统中的早期或快速催化起燃可以有利于减少这种冷启动排放。冷启动排放的减少对于致力于满足日益严格的环境空气质量和/或排气排放法规(例如汽车排气排放法规)可特别有用。
发明内容
在本公开的一个或多个实施方式中，提供了一种复合结构，其包括主体，所述主体包括相交壁的阵列，所述相交壁形成在轴向方向上延伸通过主体的多个通道，使得相邻通道位于每个壁的相对侧，其中，所述主体的复合材料包括：含玻璃或陶瓷的多孔材料的第一相，其中，该第一相包含内部互连孔隙；以及导电材料的第二相，其中，第二相是至少部分填充第一相的内部互连孔隙的连续的三维互连导电相，由此在壁的相对侧之间建立在垂直于轴向方向的横向方向上通过至少一些壁的电路径。
在实施方式中，第一相包括含玻璃或陶瓷的多孔材料的连续的三维互连结构，其包含内部互连孔隙，使得第一相的连续的三维互连结构与连续的三维互连导电相交错在一起。
在实施方式中，如果不存在第二相，则第一相作为含玻璃或陶瓷的多孔材料的整料蜂窝体布置。
在实施方式中，导电材料包含经烧结的金属相。
在实施方式中，第二相在垂直于主体的轴向方向的横向方向上，在主体的相对侧之间建立跨主体的电连接。
在实施方式中，第二相还在主体的相对轴向面之间建立电连接。
在实施方式中，第二相还至少部分沿着壁的外表面形成。
在实施方式中，第二相占复合结构的实体体积的大于或等于10％。
在实施方式中，第一相构成复合结构的实体体积的25％至90％，并且第二相构成复合结构的实体体积的10％至75％。
在实施方式中，第二相的导电材料是导电金属。
在实施方式中，导电金属包括：含Fe合金，含Fe、Cr和Al合金，或者含镍铬合金。
在实施方式中，第二相不完全填充第一相的内部互连孔隙，而是在壁中留下残余的开放孔隙。
在实施方式中，在壁上、在壁的开放孔隙中、或者在壁上和在壁的开放孔隙中设置有催化剂材料。
在一些实施方式中，含玻璃或陶瓷的多孔材料包含堇青石、钛酸铝、氧化铝、碳化硅、氮化硅、莫来石、蓝宝石、尖晶石、铝酸钙、磷酸锆、β-锂辉石、β-锂霞石(LiAlSiO4)、堇青石-玻璃陶瓷、熔融石英、掺杂的熔融石英或者它们的组合。
在实施方式中，复合材料包含15S/cm至300S/cm的电导率。
在实施方式中，第二相的导电材料具有小于1.2x10-6欧姆·米的电阻率。
在实施方式中，第二相以相对于复合结构的代表性体积为至少200g/L的负载水平存在于内部互连孔隙中，其中，所述代表性体积由包含内部互连孔隙的第一相的闭合正面面积乘以第一相的轴向长度确定。
在实施方式中，所述负载水平是每升复合结构的代表性体积负载至少1,200g。
在实施方式中，所述负载水平是每升复合结构的代表性体积负载至少150cm3。
在实施方式中，所述复合结构包括去除(cutout)部分，该去除部分通过将壁的部分彼此分离而形成壁阵列的蜿蜒图案。
在实施方式中，电导率为1,000S/cm至2,500S/cm。
在实施方式中，除开第二相，第一相的内部互连孔隙包括：40％至80％的内部互连孔隙的平均体积孔隙率；和5μm至40μm的中值孔径。
在实施方式中，一种排气后处理系统包括加热器组件和排气后处理部件，所述加热器组件包含被布置成电阻加热器元件的上述任一实施方式的复合结构，所述排气后处理部件邻近加热器组件定位。
在实施方式中，排气后处理部件是催化剂基材或颗粒过滤器。
在实施方式中，一种复合结构，其包括形成多个通道的相交壁的蜂窝体，其中，蜂窝体的复合材料包含：含玻璃或陶瓷的多孔材料的第一相，其中，第一相包含内部互连孔隙，其具有40％至80％的孔隙率和5μm至40μm的中值孔径；和导电材料的第二相，其中，第二相以相对于复合结构的代表性体积为至少25cm3/L的负载水平存在于内部互连孔隙中，其中，所述代表性体积由包含内部互连孔隙的第一相的闭合正面面积乘以第一相的轴向长度确定；其中，第一相构成复合结构的实体体积的25％至90％，并且第二相构成复合结构的实体体积的10％至75％。
在实施方式中，第一相包括含玻璃或陶瓷的多孔材料的连续的三维互连结构，其包含内部互连孔隙，使得第一相的连续的三维互连结构与连续的三维互连导电相交错在一起。
在实施方式中，一种制造复合结构的方法，所述方法包括：使包含多孔材料的基础结构经受含导电颗粒的浆料处理，通过使导电颗粒以相对于复合结构的代表性体积为至少200g/L的负载水平至少沉积在互连孔隙内，形成负载颗粒的主体，其中，所述代表性体积由包含内部互连孔隙的第一相的闭合正面面积乘以第一相的轴向长度确定。
在实施方式中，基础结构包括多孔材料的整料蜂窝体。
在实施方式中，所述方法包括：烧制负载颗粒的主体以将导电颗粒一起烧结成位于基础结构的互连孔隙内的连续的三维互连导电相。
在实施方式中，所述方法包括：使多个通道经受含导电颗粒的浆料处理多次，随后在所述多次中的每一次之后进行干燥，其中，所有的所述处理和干燥发生在烧制之前。
在实施方式中，含导电颗粒的浆料包含导电金属颗粒。
在一些实施方式中，导电金属颗粒的中值粒度小于或等于25μm。
在实施方式中，复合结构包含大于25S/cm的电导率，所述电导率在垂直于轴向方向的方向上，在相反的横向面之间测量。
在实施方式中，所述方法包括：在从1,200℃到1,450℃的温度下烧制负载颗粒的主体，以烧结导电颗粒。
根据本公开的这些实施方式和其他实施方式提供了多个其他特征和方面。根据以下具体实施方式、权利要求书和附图，实施方式的其他特征和方面将变得更加明显。
附图说明
采用附图以帮助进一步理解本公开内容，其纳入说明书中并构成说明书的一部分，附图显示了本公开内容的实施方式，与说明书一起用来解释本公开内容。
图1A根据本公开的一个或多个实施方式，示意性例示了可以体现为排气加热器的部分的复合结构的透视图。
图1B示意性例示了显示出图1A的体现为排气加热器的部分的复合结构的进口端面的正视图。
图1C和1D示意性例示了显示出包括本公开实施方式的蜿蜒电阻结构的替代复合结构的进口端面的正视图。
图2示意性例示了对于包括体现为排气加热器的部分的复合结构(例如如图1A-1B所示)的排气后处理系统，CO转化(％)随时间(秒)而变化的图。
图3A示意性例示了根据本公开的一个或多个实施方式所述的复合结构的截面显微结构照片，其显示出具有含玻璃或陶瓷的多孔相的亚部分，该含玻璃或陶瓷的多孔相包括内部互连孔隙和至少位于内部互连孔隙内的连续的三维互连的烧结金属相。
图3B示意性例示了根据本公开的一个或多个实施方式所述的复合结构的壁区段的放大截面显微结构照片，其示出了内部互连孔隙以及至少位于内部互连孔隙内的连续的三维互连的烧结金属相。
图3C示意性例示了根据本公开的一个或多个实施方式所述的复合结构的壁区段的放大截面显微结构照片，其示出了内部互连孔隙和连续的三维互连的烧结金属相，并且其还示出了在壁区段内的导电路径。
图4根据本公开的一个或多个实施方式，示意性例示了一种排气后处理系统的截面侧视图，该排气后处理系统包括催化剂基材和体现为加热器设备的部分的复合结构。
图5A和5B根据本文公开的一个或多个实施方式，示意性例示了被构造成使蜂窝体经受含导电颗粒的浆料处理的加工设备的截面侧视图。
图6根据本公开的一个或多个实施方式，示意性例示了包括一体复合结构的含催化剂的基材的透视图，该含催化剂的基材体现为加热器设备的部分并且包括导电相，所述导电相在其前部处提供。
图7根据本公开的一个或多个实施方式，例示了制造复合结构的方法的流程图。
图8根据本公开的一个或多个实施方式，例示了使用复合结构的方法的流程图。
图9根据本公开的一个或多个实施方式，例示了在各种烧结温度下，复合结构的电导率(S/cm)相对于金属相负载量(每升代表性体积中的负载克数)的图。
图10A-10C根据本公开的一个或多个实施方式，示意性例示了包括体现为加热器设备的部分以加热排气后处理部件的排气后处理系统的部分。
具体实施方式
电加热器和电加热催化剂系统(EHC)提供了比后处理系统更早的起燃时间的可能方法，后处理系统依靠发动机排气的热来充分升高催化剂的温度以触发起燃，因此，电加热器和电加热催化剂系统(EHC)有机会进一步减少冷启动排放和尾气管总排放。这种电加热器和EHC可以进一步应用于柴油机或其他发动机，其中发动机排气温度相比于例如汽油发动机应用中的温度低。另外，电加热器和EHC可以有益于混合动力汽车(既具有内燃机又具有电动机)，因为当汽车在电动机和内燃机之间连续来回转换时，内燃机可能经常经历冷启动状况。在这些应用中，更快速的起燃时间引起了兴趣。还感兴趣的可能是稳态应用，其中，排气被连续或周期性地加热，以增加烟炱的再生和/或增加催化剂活性，例如，当采用选择性催化还原(SCR)催化剂时。
然而，发动机排气的后处理中使用的任何部件，例如如前所述的加热器和FDM，必须能够承受得住苛刻的条件，例如极热的循环、持久的振动以及暴露于湿环境。因此，根据本文所述的一个或多个实施方式，提供了一种复合结构，其可提供高强度、高耐久性，并且耐热、耐氧化及耐腐蚀。此类复合结构可用作排气后处理系统的部分。具体地，此类复合结构例如可以体现为加热器。所述加热器可以是单独的部件，其将与单独的排气后处理部件联用，所述单独的排气后处理部件例如催化剂基材或颗粒过滤器，或者任选地，本文所述的复合结构可以一体形成为催化剂基材，或者与催化剂基材一体形成。
在一些实施方式中，复合结构包括主体，所述主体包括相交壁的阵列，所述相交壁形成多个通道，所述多个通道在主体的相对端面之间轴向延伸，例如，从进口面延伸到出口面。所述壁包括复合物，其包括多孔材料的第一相和导电材料的第二相，该第一相限定了第一相的内部互连孔隙，该第二相浸渍在第一相内并且/或者和第一相交错在一起。在一些实施方式中，导电材料的第二相至少部分填充第一相的内部互连孔隙，以在壁的相对表面之间延伸。在一些实施方式中，第一相可以首先作为独立结构或整料制造，由此在制造期间用作承载或支撑第二相的基体。
如下文进一步所述，第一相的材料一般可以不导电。在一些实施方式中，第一相的材料是多孔陶瓷、多孔玻璃陶瓷或者多孔玻璃材料(其在本文可以统称为“含玻璃或陶瓷的多孔材料”)。为了促进建立导电的第二相(下文有更详细描述)，在一些实施方式中，含玻璃或陶瓷的多孔材料具有至少40％的平均体积孔隙率，和/或至少5μm、或甚至至少10μm的中值孔径。
第一相(在没有第二相的情况下为独立或整料结构)可形成为多孔陶瓷蜂窝体，以及基本上根据多孔陶瓷蜂窝体的制造来制造，所述多孔陶瓷蜂窝体是例如用作催化剂基材或颗粒过滤器的陶瓷蜂窝体。例如，整料蜂窝体可通过将形成陶瓷的混合物(或批料)挤出成生坯体并烧制该生坯体来形成。流体(例如排气)流将沿着多孔陶瓷蜂窝体中的通道纵向(轴向)通过，并且还穿过壁的多孔陶瓷材料的内部互连孔隙。因此，第一相的内部互连孔隙提供了空间，复合物的第二相(导电材料)可被设置到该空间中以使第二相形成为连续的三维互连相。在一些实施方式中，可首先制造第一相，由此，第一相可在制造期间用作承载或支撑第二相的基材或基体。该连续的三维互连相一般可由导电材料制造，例如金属或含金属的材料(其在本文中可统称为“金属材料”)。因此，在一些实施方式中，复合结构通过用含金属的材料(第二相)浸渍或渗透多孔陶瓷蜂窝体的孔隙(第一相)来形成。
因此，第一相包括含陶瓷或玻璃的材料的第一连续三维结构(例如多孔陶瓷整料蜂窝体)，其具有内部互连孔隙，而第二相是导电材料的第二连续三维互连结构，其在第一相的内部互连孔隙中形成并且穿过该内部互连孔隙。因此，本文所述的复合结构包括所述的第一相和第二相，其各自为连续的三维结构，虽然它们是单独的相，但是它们彼此紧密交错，因为第二相在第一相的多孔结构中形成且从中通过，并因此由第一相的多孔结构限定形状。有利的是，作为连续的三维互连结构布置的第一相(例如，由多孔陶瓷材料制造的整料蜂窝体)提供了初始结构，该初始结构在渗透和烧结期间支撑第二相并限定第二相的形状，同时，其还基于第一相的内部互连孔隙的特征(例如，中值孔径、孔隙率％和孔径分布)提供了所得的复合结构的电阻/电导率的定制能力，由此促进了本文所述的复合结构的制造。另外，一旦制造，则交错的第一和第二连续的三维互连相的组合使得所得的复合结构具有高耐久性、环境抗性、强度和热循环能力。
在一些实施方式中，金属材料是经烧结的金属，例如，通过将已经沉积在第一相的内部互连孔隙内的金属颗粒烧结在一起来建立。烧结可在惰性环境中进行，例如，使部件在惰性气体，例如氮气中。具体地，导电相(第二相)至少在第一相的孔隙内提供，例如至少填充第一相的内部互连孔隙。在一些实施方式中，第二相充分填充第一相的孔隙，以在壁的相对表面之间延伸。以这种方式，第二相可用于建立通过复合结构的主体的壁的电路径(即，带电流路径)。在一些实施方式中，用于形成第二相的金属颗粒相对于总代表性体积(如本文更详述的)以至少200g/L的平均负载水平沉积。一般而言，代表性体积相当于第一相的实体物质和内部互连孔隙二者的体积。以这种方式，例如，当由独立的多孔陶瓷基础结构形成第一相时，代表性体积因此可作为基础结构的闭合正面面积乘以基础结构的轴向长度来确定。
该连续的三维互连导电相在内部互连孔隙中形成了连续的电路径，使得复合结构作为整体是导电的。如本文更详细所述，形成第二相以使得其在壁的相对表面之间延伸不仅能够在复合结构的端面之间轴向运载电流，还可以在垂直于轴向方向的方向上穿过主体横向运载电流。例如，如果复合结构具有椭圆形状，则第二相建立的电路径不仅沿着圆柱体的纵向(轴向)长度，还穿过圆柱体的圆形截面形状的直径(在垂直于轴向方向的方向上横向建立)。可以提供附接于相应的相背横向侧的电极，并且因此允许通过合适的控制系统施加电压电势，其中导电的第二相在通电时作为电阻加热元件操作。
虽然本文所述的复合结构作为加热器设备(例如，排气后处理系统中的催化剂加热器)有优异的实用性，但是这些复合结构因为其高的强度、耐久性和耐热、耐腐蚀和耐氧化性，也可以具有其他用处。例如，所述复合结构可以用于提供具有优异的压缩强度以及改善的强度重量比特性的刚性蜂窝体。例如，当在具有“300/5”或类似几何的蜂窝体的1.0英寸×1.0英寸×1.0英寸立方体上压缩测量时，所述复合结构可展现出大于50MPa的压缩强度，其中，300/5是指每平方英寸具有300个孔道(通道)(cpsi)并具有5密耳壁厚度的蜂窝体。。
这里参考图1A-10C提供含玻璃或陶瓷的复合结构，包括含玻璃或陶瓷的复合结构的排气后处理系统，体现含玻璃陶瓷的复合结构的加热器设备，以及制造和使用含上下班或陶瓷的复合结构的方法的附加论述。
现在参考图1A-1B，其示出了根据本公开的实施方式所述的复合结构100的第一实施方式。如图1A-1B所示的复合结构100体现为加热器设备101的加热元件。复合结构100包括主体102，其包括相交壁104，该相交壁104形成轴向(纵向)延伸通过主体102的多个通道106。由复合材料形成的壁104包括如本文所述的含玻璃或陶瓷的多孔材料的第一相(例如，参见图3A-3C的显微照片中的用附图标记310表示的深灰色区域，其在本文中可称为第一相310)。壁104的复合材料还包括导电材料(例如含金属的材料)的第二相(例如，参见图3A-3C的显微照片中的用附图标记312表示的浅灰色区域，其在本文中可称为第二相312)。如本文所述，第二相(同样地，图3A-3C中的浅灰色区域)至少部分填充第一相310(同样地，图3A-3C中的深灰色区域)的内部互连孔隙。如本文所述，第二相(浅灰色材料)被布置为三维互连导电相，其在本文中将有更完整描述。壁104可另外包含孔或空隙(其可以变成开放孔隙以及因为第二相的存在导致的闭合孔隙的组合)作为内部互连孔隙的剩余部分，该剩余部分未被第二相填充(例如，参见图3A-3C的显微照片中的用附图标记308表示的黑色区域)。因此，第一相310的内部互连孔隙308初始(在添加第二相312之前)包括图3A-3C中的黑色(未填充)区域以及之后被图3A-3C中的第二相312占据的浅灰色区域。
通道106可相互平行并且在主体102的相对端面之间通过。例如，在图1A中，通道106从进口面108到出口面110(例如，出口面110在形状和尺寸上基本类似于进口面108)轴向延伸通过主体102。在图1A中，轴向方向通过线103表示。通道106的横截面可以具有任何截面形状，例如矩形(显示的是正方形)、三角形、七边形、六边形、八边形、梯形、菱形、圆形、椭圆形、其他多边形形状、前述任何形状的组合等。角可以适当地成倒圆角或圆角，例如，用于增加强度，促进制造和/或防止任何所施加的底涂涂料汇集。所有的通道106可以具有相同的形状，或者通道106可采取两种或更多种不同的形状。类似地，主体102的外周形状可采取前述形状和/或组合中的任一种，包括具有倒圆角或圆角。主体102的外周截面形状可与通道106的大致相同(例如，在图1A和1B中示出了大致矩形的主体102，其具有大致矩形的通道106)，或者主体102和通道106可具有不同的形状。例如，在另一些实施方式中，主体102可具有圆形截面形状并具有正方形通道106。
在主体102的外周处可形成提供额外结构支撑的表层111。表层111可与第一相相同的制造过程形成(例如，根据多孔陶瓷蜂窝制造技术共挤出)，或者之后施加(例如，施加于蜂窝生坯体或者在烧制蜂窝生坯体后施加)。复合主体100的外形可以是如图所示的长方体，因此当从进口端面108观察时，包括正方形或矩形外轮廓。然而，也可采用其他外周形状，如上所述，例如，圆形、椭圆形、三角形或三叶形、多边形等。
如本文所述，在一些实施方式中，复合结构100体现为加热器组件101的部分，即，作为加热器组件101的电阻加热元件。例如，可布置连续的三维互连导电相312，以提供横向穿过主体(例如，在垂直于轴向方向的方向上)的连续三维导电路径，例如，在如图1A-1D所示的主体102的第一侧113与相对的第二侧115之间。例如，在该实施方式中，在对应于主体102的宽度W(在图1B中标记)的横向方向上形成了电连接，该横向方向垂直于轴向方向(参见图1A中的指示轴向方向的线103)。因此，电极117可附接于主体102的相应的相对侧113、115，并且主体102的壁104的复合材料的连续的三维互连导电相312可起到电阻器元件的作用。以这种方式，当在电极上施加电势(电压)时，主体102将加热。因此，遍及第一相的多孔材料的内部互连孔隙308的互连的导电相312能够使电流穿过壁104，使得复合结构100在相应的相对侧113、115之间导电。
现在参考图1C和1D，其示出了另外的实施方式，其中使用单撇号(′)和双撇号(″)符号来帮助识别与图1A-1B的实施方式中的要素或特征类似的要素或特征(它们共用相同的基本附图标记)，但同时便于相对于图1C和1D的实施方式中的特定特征进一步讨论。除非另有说明，否则附有单撇或双撇符号的基本附图标记的特征或要素通常如关于共用该基本附图标记而没有任何单撇或双撇符号的要素或特征所描述的那样来布置和起作用。例如，示出的替代性复合结构100C、100D(除非另有描述，否则如关于复合结构100所述布置，并且可根据复合结构100制造和/或使用)的进口端面108′,108″分别体现为加热器设备101C、101D(除非另有描述，否则如关于加热器101所述布置，并且可根据加热器101制造和/或使用)的部分，其一般类似于图1A-1B中的设备101的进口面108。
不同于图1A-1B的实施方式，图1C和1D的主体102′、102″是蜿蜒的电阻结构，其通过包括去除部分107(例如，其可以被称为切口或狭缝)形成。换言之，去除部分107导致壁104形成大致蜿蜒形状的主体102′、102″，其中，壁104的部分在主体102′、102″上交替地来回延伸。去除部分107可通过下述形成：首先，建立壁104的连续阵列(例如通过挤出)，然后从去除部分107的位置移除壁104的对应部分(例如，通过切割或研磨)；或者这些主体102′、102″可在制造的任何阶段中在去除部分107的区域中不设有壁104的情况下制造。去除部分107可以是空气间隙，或者完全或部分填充有电绝缘材料109，例如氧化铝。在一些实施方式中，对绝缘材料109进行选择以具有与主体102′、102″基本相等的热膨胀系数。
类似于图1A和1B的主体102，主体102′、102″的壁104形成轴向延伸通过主体102′、102″的多个通道106。还类似于图1A和1B的主体102，复合结构100C、100D的主体102′、102″的壁104可包含如本文所述的含有第一相310和第二相312的复合材料。因此，根据图1A-1B所示的实施方式以及如本文所述，复合结构100C包括连续的三维互连导电相(第二相312)，其至少设置在大致非导电的含玻璃或陶瓷的相(第一相310)的内部互连孔隙内。电极117之间的增加的带电流路径长度因为去除部分107而需在主体上来回蜿蜒，其能够使主体102′、102″的总电阻相比于不具有去除部分107的类似主体(例如，相对于图1A-1B中的主体102，其不具有去除部分107)相对更大。去除部分107的参数(例如，宽度、长度、深度和/或数目)可用于将102′、102″的总电阻调整或调节到期望或目标值(例如，当加热器设备100C、100D连接到给定电源时，能够达到期望或目标温度的电阻)。
在图1D的实施方式中，绝缘材料109可包含仅存在于每个去除部分107的开放端部处的绝缘体(例如，其可被称为狭缝分隔件)。例如，这些狭缝分隔件可包含涂覆的金属板。例如，金属板可涂覆有绝缘材料，例如氧化铝。此类绝缘材料109可仅位于直接毗邻表层111的切口开口处(例如，延伸1-4个通道106深)。其他构造也是可能的。绝缘材料109可以是非导电且环境惰性材料，可经受得住使用温度。
在一些实施方式中，在壁104中形成第一相310的含玻璃或陶瓷的材料可以是多孔陶瓷材料。例如，多孔陶瓷材料可以是堇青石、钛酸铝、氧化铝、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、莫来石、蓝宝石、尖晶石、铝酸钙、磷酸锆以及前述的陶瓷组合。也可使用其他合适的多孔陶瓷材料。
在另一些实施方式中，第一相310的含玻璃或陶瓷的材料可包含多孔玻璃陶瓷材料，例如β-锂辉石、β-锂霞石(LiAlSiO4)、堇青石-玻璃陶瓷等。也可使用其他合适的多孔玻璃陶瓷材料，包括与前述陶瓷材料的组合。
替代或附加地，在一些实施方式中，第一相310的含玻璃或陶瓷的材料可以是多孔玻璃材料。例如，第一相可包含二氧化硅玻璃的多孔玻璃蜂窝整料，例如，通过挤出玻璃料、粘结剂和液体载剂所制造的，例如，在美国专利10,370,304中所教导的，该文献的相关内容通过引用纳入本文。也可使用其他合适的多孔玻璃材料，例如掺杂的二氧化硅玻璃(例如，硼掺杂的二氧化硅玻璃)。可使用这些和其他合适的陶瓷、玻璃陶瓷和/或玻璃材料的组合。
如上所述，复合结构100还包含连续的三维互连导电相，其在本文中可称为第二相(同样地，参见例如图3A-3C中的用附图标记312表示的浅灰色区域)，其至少位于多孔壁104的(含玻璃或陶瓷的材料)的第一相的内部互连孔隙内并且/或者至少部分填充该内部互连孔隙。在一些实施方式中，连续的三维互连导电(第二)相312包含金属，例如经烧结的金属。该连续的三维互连导电相312由不同于上述第一相的材料形成。所述金属可以是导电金属。例如，导电金属可以是含Fe合金，Fe-Cr合金、Fe-Al合金、Fe-Ni合金或W-Co合金。
在一些实施方式中，铁铬合金，例如含Fe、Cr和Al的合金(例如FeCrAl合金)用于复合结构100的第二相。或者，在一些实施方式中，导电金属是含镍铬的合金，例如含镍铬的奥氏体合金。含镍铬的奥氏体合金的一个实例以名称INCONEL商购自特殊材料公司(Specialty Materials Corporation)，基于总金属重量计，其可具有约50重量％至58重量％的镍和17重量％至23重量％的铬。在一些实施方式中，Fe-Cr-Al、Fe-Cr和Fe-Al合金可以特别有用，因为它们成本低，并且/或者高度耐热、氧化和腐蚀。
可使用其他合适的耐氧化、高熔点导电金属。在一些实施方式中，含金属的材料展现出大于1,200℃、大于1,300℃或者甚至大于1,400℃的熔点。例如，这些熔点高于催化剂起燃温度(因此适用于电阻加热器组件，如上所述)，并且其还能够使金属材料承受得住发动机排气温度，以及在第二相312通过如本文所述的金属烧结过程形成的一些实施方式中，承受得住烧结温度。在一些实施方式中，第二相的含金属的材料展现出小于1.2x10-6欧姆·米、小于1.1x10-6欧姆·米或者甚至小于1.0x10-6欧姆·米的电阻率。如本文所提到的电阻率可通过题为“Standard Test Method for Resistivity of Electrical ConductorMaterials(导电材料的电阻率的标准测试方法)”的ASTM B193-20测量。
用于导电相312的其他合适的材料包括碳化硅(SiC)，例如，在具有1,300℃至1,500℃的元件温度和50瓦/平方英寸的峰值功率密度的情况下使用；以及二硅化钼(MoSi2)，例如在1,300℃至1,500℃的工作温度和高达几乎200瓦/平方英寸的峰值功率密度的情况下使用。用于形成导电相312的其他合适的导电材料可包含SnO2和ZrO2。
如果第二相312的导电材料是金属，则可以是完全烧结的金属，例如，在制造过程中，蜂窝体102在先经受(浸没于)含有金属颗粒的含金属浆料处理后被烧结。例如，取决于被烧结的材料，烧结温度可高于约1,200℃。例如，烧结常可通过加热到许多金属的熔点的60％-80％以内足够的时间以重整金属颗粒，从而实现颗粒的结合(互连)。以这种方式，烧结可用于提供第二相的连续连接结构。另外，烧结通过提高导电相的连接性可以有助于增加电导率，并且通过减小表面积(例如，一旦颗粒烧结在一起)而提供更好的抗氧化性。
在另一些实施方式中，复合结构100包括设置在多孔壁104的复合材料的第一相310的内部互连孔隙308内的充分高重量百分比的导电颗粒，以形成连续的三维互连导电(第二)相312。充分高重量百分比意为在这些实施方式中，导电颗粒以一定的体积百分比来提供，该体积百分比使得导电颗粒在内部孔隙内充分地堆积在一起或以其他方式彼此紧密接触，由此形成连续的三维互连导电相312，这赋予作为整体的复合材料期望的电导率。
在一些实施方式中，复合结构100的期望水平的电导率通过以一定的重量负载水平(下文有更详细描述)在第一相310的内部互连孔隙308中负载导电相312来实现，所述重量负载水平相对于复合结构的代表性体积为至少200g/L，相对于代表性体积为至少400g/L，相对于代表性体积为至少800g/L，或者甚至相对于代表性体积为至少1,200g/L。在一些实施方式中，例如，相对于复合结构的代表性体积，三维互连导电相312以大于200g/L且小于8,000g/L的负载水平存在于内部互连孔隙308中。在另外的实施方式中，相对于代表性体积，大于200g/L且小于6,000g/L的负载水平是期望的。未被包含在所述重量负载中的另外的导电材料可被负载到第一相的外表面上。
在一些实施方式中，第一相310的内部互连孔隙308中的导电相312相对于复合结构的代表性体积的体积负载水平为至少25cm3/L，相对于复合结构的代表性体积为至少50cm3/L，相对于复合结构的代表性体积为至少100cm3/L，或者甚至相对于复合结构的代表性体积为至少150cm3/L。在一些实施方式中，例如，相对于复合结构的代表性体积，三维互连导电相312以大于5cm3/L且小于1000cm3/L的负载水平存在于内部互连孔隙308中。在另外的实施方式中，相对于代表性体积，大于25cm3/L且小于750cm3/L的负载水平是期望的。未被包含在所述体积负载中的另外的导电材料可被负载到第一相的外表面上。
在本文公开的实施方式中，克(g)/升(L)的表达度量相对于复合结构的代表性体积来确定，其中，本文提到的所述代表性体积定义为复合结构100的主体102(或其代表性部分)的闭合正面面积乘以复合结构的轴向长度。例如，在可以评估具有一升体积的复合结构的代表性部分。例如，可从蜂窝体102的中心获取代表性部分。闭合正面面积包括对应于第一相(例如，在负载有第二相之前或者在第一相的外表面上除去任何第二相负载之前)的主体的基础结构的投影正面面积。由于代表性体积由闭合正面面积(投影正面面积)确定，因此复合结构的代表性体积由含玻璃或陶瓷的实体相310的体积以及第一相的内部孔隙组成。例如，代表性体积可根据壁104的闭合正面面积计算，不包括位于第一相的外表面上的任何第二相。或者，例如，如果第一相310由多孔陶瓷蜂窝基础结构(如本文所述)形成，则复合结构的代表性体积可通过第一相所形成的基础结构的闭合正面面积乘以轴向长度来确定。因此，通道106的体积不包括在复合结构100的代表性体积中。另外，如本文所提到的代表性体积排除了主体102的表层111，以及在毗邻表层111的周边处存在的任何部分孔道。
当在第一相310的互连孔隙内提供连续的三维互连导电相312并且其在壁104的相对表面之间延伸时，这提供了通过壁104的多个电连接或带电流路径。例如，这些电连接可通过第二相312的各种分支、指状物或其他长形部分形成，当导电相312形成通过第一相310的孔隙的曲折流动路径的前述三维网络时，这些分支、指状物或其他长形部分频繁地弯曲、扭转、转动、分裂、重新组合、变窄和/或变宽。
例如，图3C例示了在壁104的相对表面313和315之间，穿过壁104的电连接或带电流路径314。由于第二相312建立了三维结构，因此存在更多通过壁104的连接，但是在图3C的截面图中无法看到，因为在一些情况中，第二相312以及对应的带电流路径在垂直于截取该截面图的平面的方向上穿过。
另外，在一些实施方式中，该连续的三维互连导电(第二)相312还在沿着壁104延伸的方向上提供连续的导电连接(带电流路径)，例如，在壁104的内部之内。例如，如图3C所示，点划线路径316例示了沿着壁104的内部提供的连续的导电连接。在一些实施方式中，第二相312还位于壁104的外表面上，由此形成壁的外表面(例如表面313和315)的至少部分，以同样沿着壁104的外表面带电流。例如，如图3A所示，相当大浓度的第二相312的导电材料可存在于壁104的相交处，这可以有利于促进多个不同壁之间的电连接，例如，在两个或更多个不同方向上延伸的壁104之间的电连接。
当用作加热器设备101的部分时，可选择或确定第一相310负载的导电相312的量，以便形成复合结构100的复合材料，使得该负载的量足以赋予期望或目标电导率，例如，当连接到电源时，适合复合结构100作为电阻加热器来操作。在一些实施方式中，尤其是类似于图1A-1B的实施方式，即，主体102通过相交壁104的连续阵列形成(即，不具有去除部分107)，复合结构100作为整体的电导率小于或等于300S/cm，小于或等于200S/cm，小于或等于150S/cm，或者甚至小于或等于100S/cm。在一些实施方式中，电导率可大于或等于15S/cm。在一些实施方式中，电导率可以是包括上述值作为端点的任何范围，例如，15S/cm至300S/cm，或者15S/cm至150S/cm。
在另一些实施方式中，例如，图1C和1D所示的包含去除部分107的实施方式，沿着导电路径的单位长度的电导率可高于非蜿蜒的主体(不包含去除部分107的实施方式)。例如，在这些蜿蜒加热器中，根据带电流路径的总长度，电导率可为至少300S/cm、至少500S/cm、至少1,000S/cm或者甚至至少1,500S/cm。在蜿蜒加热器(包括去除部分107)的一些实施方式中，电导率可以是至多2,500S/cm，或者包括前述值作为端点的任何范围，包括1,000S/cm至2,500S/cm。在一些实施方式中，可期望电阻加热器的蜿蜒主体具有300S/cm和1,000S/cm之间的电导率。
在导电相312通过烧结导电颗粒来制造的情况中，对于本文所述的导电相312的许多含金属的材料，可在不同的温度(例如1,250℃至1,400℃)下烧制负载颗粒的部分，以实现不同水平的烧结，这进而得到了不同的电导率值。图9示出了对于各种烧结(烧制)温度，金属负载量与电导率之间的关系。该烧制用于将单独的颗粒之间的点接触改变成连续的单个导电相。如图9所示，烧制的程度(温度和时间)可影响电导率，其中电导率大致随着烧结程度的增加而增加。因此，将导电颗粒烧结成连续的导电相312的烧制条件提供了有用的机制，使得其可用于调整和控制本文所述的复合结构的总电导率。
在连续三维互连导电相通过导电金属颗粒渗透基础基体或结构(第一相310)的内部互连孔隙来制造的实施方式中，金属颗粒应足够地小以被容纳在互连的开放孔隙内。例如，在一些实施方式中，第一相310具有大于或等于40％的平均体积孔隙率，以及大于或等于5μm的中值孔径。可采用其他水平的平均体积孔隙率，例如约40％至约80％的平均体积孔隙率。在一些实施方式中，根据用于形成第二相312的导电颗粒的尺寸来选择第一相310的内部互连孔隙的中值孔径。例如，如果导电颗粒非常细，则可将孔造得较小且颗粒仍将渗透孔。如果导电颗粒较大，则也就当将孔径造得相对较大。在一些实施方式中，第一相310的内部互连孔隙的中值孔径至少两倍，至少三倍，至少四倍，或者甚至至少五倍大于导电颗粒的中值粒度。例如，约5μm的中值孔径可适于约0.5μm至2μm的中值粒度，而约40μm的中值孔径可适于约5μm至10μm的中值粒度，但是在另一些实施方式中，可使用其他尺寸和范围。.
第一相310的内部互连孔隙的另一期望特性是其可包括孔径分布(Db)，该孔径分布(Db)可被称为孔径分布的广度，满足Db≤1.0，或者甚至Db≤0.75，其中Db定义为Db＝d50/(d90-d10)；并且d50是中值孔径；d90是大于分布中的90％的最小孔的尺寸，而d10是大于分布中的10％的最小孔的尺寸。
在一些实施方式中，用于建立导电相312的导电颗粒具有小于或等于25μm的中值粒度，例如，在0.5μm至25μm范围内的中值粒度，或者在一些实施方式中，1μm至15μm的中值粒度。在一些实施方式中，例如，为了促进第一相的孔隙的渗透，导电颗粒可以具有窄的粒度分布(Dpb)，其中，Dpb可被称为粒度分布的广度，例如，其中，Dpb≤1.25，或者甚至Dpb≤1.0，其中Dpb定义为：Dpb＝dp50/(dp90-dp10)；并且其中d50是中值粒度；d90是大于分布中的90％的最小颗粒的尺寸；并且d10是大于分布中的10％的最小颗粒的尺寸。
在一些实施方式中，Dpb≤1.25的窄粒度分布通过减少尺寸过大的颗粒的存在并因此减少大颗粒沉积在壁104的表面上而有利于最大程度地增大总壁内沉积，尺寸过大的颗粒不能容易地渗透到孔结构中。窄的粒度分布还可以最大程度地减少极小颗粒的存在，极小颗粒可穿过第一相310的孔隙，而不是被捕获在孔隙所形成的曲折路径内的位置。
在一些实施方式中，复合结构100包括连续的三维互连导电第二相312，其体积大于或等于复合结构100的总实体体积的约10％。复合结构100的总实体体积是复合结构100的第一相310的实体部分的体积加上设置在第一相之中或之上的三维互连导电相312的体积，因此排除了任何的未填充孔隙(与如上所述的包括剩余未填充孔隙的代表性体积形成对照)。在一些实施方式中，复合结构100包括连续的三维互连导电第二相312，其量为复合结构100的实体体积的约10％至约75％。在一些实施方式中，复合结构100包括第一相310(壁104的含玻璃或陶瓷的实体部分)，其量为复合结构100的总实体体积的约25％至约90％。
在一些实施方式中，连续的三维互连导电相312不完全填充第一相310的内部互连孔隙，并且留下残余的体积孔隙(图3A-3C中的壁104内的黑色区域，用附图标记308示出)。残余的开放孔是在期望的情况下，可用于将催化剂材料锚定或添加至复合结构100的孔隙。但是，在高负载的情况中，具体地，大百分比的孔隙可以被三维互连导电相312填充，并因此为孔隙中的额外材料留下小体积。在一些实施方式中，甚至是壁104具有小的剩余开放孔隙的实施方式中，可将催化剂材料添加到壁104的表面上。
在任何情况中，可将催化剂材料设置在多孔壁104的残余开放孔隙中和/或多孔壁104的表面上，并因此可形成带催化的基材，例如用于制造催化转化器、电加热催化剂组件或其他排气后处理系统、组件或部件。催化剂材料i可以任何合适的方式施涂，例如底涂(washcoating)。例如，底涂涂料可包括微粒氧化物材料，例如氧化铝浆料或其他合适的含氧化物浆料以及一种或多种催化剂金属材料。催化剂材料可通过任何常规方法至少施涂于主体102的壁104。
催化剂材料可包括一种或多种金属材料用于例如降低排气流中的排气污染物的浓度。例如，催化剂材料包括铂族金属，例如铂、钯和/或铑。在一些实施方式中，催化剂材料可包含金、银、铜或铁。例如，催化剂材料的底涂涂料可提供三效催化剂，其能够转化氮的氧化物(NOx)、将CO(一氧化碳)氧化成危害性更小的CO2(二氧化碳)，以及将HC(未燃烧的烃)氧化成CO2(二氧化碳)和H2O(水)。
在这种三效催化剂设计中，期望引导排气流动通过含有催化剂材料的复合体100，以便发生催化反应，条件是存在足够高的温度(例如，约250℃或更高的中床温度)。催化剂底涂涂料可以具有导电金属部分(例如铂族金属的颗粒)和非导电部分(例如氧化铝颗粒)。例如，在一些实施方式中，催化剂金属材料(底涂涂料的导电部分)可以小于40g/L或者甚至小于20g/L的基于复合结构100的每单位代表性体积的重量负载水平施涂于复合结构100。由于该负载水平相比于导电相312的体积较低，其将不会显著改变复合结构100的电导率，即，底涂涂料中的导电颗粒将不会建立导电路径，因为催化剂颗粒在含催化剂的底涂涂料内是隔离的、不规则沉积的、分离的和/或以其他方式不连续的。
例如，三效催化剂(TWC)可以包括由一种或多种铂族金属(PGM)(例如铂、钯和铑)制造的催化剂金属材料，其在氧化铝和/或氧化铈-氧化锆的底涂涂料氧化物掺混材料中提供。同样地，SCR催化剂材料可以包含Cu和/或Fe，以作为含有沸石为氧化物组分的底涂涂料中的催化剂金属材料。可以类似的方式将其他类型的催化剂金属材料施涂于复合体100，例如柴油机氧化催化剂。
如图4所示，利用电压驱动器422(例如，通过电极117和电线119连接到主体102，如图1A-1D所示)，通过控制系统421可向主体102施加电势。因此，复合结构100可作为加热器设备101的部分实施，例如作为排气后处理系统400的部分的电阻加热器，并且可定位在带催化剂的基材425附近(例如，其上游或下游)。在一些实施方式中，在系统400中可包括多个加热器和/或多个带催化剂的基材。
仍然参考图4所示的排气后处理系统400，带催化剂的基材425可以是流通类型(例如，具有多孔陶瓷蜂窝结构，一般相当于如上所述的第一相310，其中气体直接流动通过类似于通道106的通道)，并且加热器设备101(例如，本文公开的任何实施方式，包括关于图1A-1D所述的)位于带催化剂的基材425附近。如上所述，加热器设备101包括复合结构100，其具有主体102，所述主体102包括相交壁104的基体或阵列。壁104的复合材料包括含玻璃或陶瓷的材料的第一相(第一相310)和导电材料的第二相(第二相312)，该第二相至少在第一相312的孔隙内形成连续的三维互连导电路径(例如，路径314)并且在壁104的相对表面之间延伸通过壁104。导电材料也可设置在壁104上。
排气后处理系统400还包含控制系统421，其连接到加热器设备101以及可连接到带催化剂的基材425的一个或多个部件。控制系统421被构造成在合适的时间向加热器设备101提供驱动电力。驱动电力可以在连接到排气后处理系统400的发动机的操作期间或之前的各种时间提供。
所施加的电势(例如电压)的时间安排、持续时间和/或大小可由控制系统421来控制。控制系统421可向发动机控制单元(ECU)423所提供的驱动器422(例如，电压驱动器)产生合适的驱动信号，以便向加热器装置101和催化基质425提供期望的热分布。热分布例如可以是减少冷启动排放所期望的任何合适的热分布。在一些实施方式中，在带催化剂的基材425中赋予的热分布可具有在发动机启动后的几秒内(例如2至10秒内)达到阈值温度(例如，根据所用的催化体系，为250℃至650℃)的目标。
加热器设备101的目标温度可确定为根据排气的流速、主体进口处的气流温度、主体与气流之间的传热系数、以及基于目标或期望的结构所施加的电力而变化。例如，一个目标可以是实现带催化剂的基材425的快速加热并因此快速起燃，以在发动机启动(点火)后迅速引发排放物转化(例如几秒内)。加热的具体目标在根据不同的使用应用中可不同，但是作为一个实例，在一些实施方式中，可以期望在小于20秒、小于15秒或者甚至小于10秒内达到250℃-450℃的中床(例如，催化剂基材425的中心)温度。中床温度可以在中床位置处直接测量，或者基于从带催化剂的蜂窝体425的上游和/或下游获得的一个或多个温度测量值来估计。例如，来自温度传感器424T的温度测量值T1可通过实验与带催化剂的基材425的物理中部处的中床温度相关联。也可使用其他合适的测量值。另外，温度传感器424T可被安装在其他位置中，并且/或者安装多个温度传感器以在气流移动通过系统400时更好地监测气流的温度。
在上述每个实例中，在发动机点火(启动)前启动加热器设备101也可影响达到50％转化效率的时间。例如，如果在发动机点火之前向加热器设备101提供约5秒的电力(例如，可以称为“预热”)，起燃时间可能降得更多。在该预热情况中，起燃时间可以减少到小于8秒，或者甚至小于6秒，或者更少，从发动机启动开始计。
热分布可在发动机的点火引发时开始，或者甚至更早。可以使用控制系统421的辅助输入，例如一个或多个氧读数(例如，来自氧传感器424O的氧读数O1和/或O2)和/或来自一个或多个温度传感器424T的温度读数。控制系统421可以实施任何合适的算法，以控制包括复合结构100或组合有催化剂材料(例如，三效催化剂或其他催化剂)的复合结构100的加热器设备101的热分布。在一些实施方式中，排气后处理系统400中的排气加热器101的一个目标是操作以有效地加热排气423的进入流，使得其充分地热而足以经历位于催化剂基材425下游内的催化反应。
因此，在图4的实施方式中，提供了排气后处理系统400，其包括被构造为加热器设备101的部分的复合体100。该连续的三维互连导电相312可包含导电材料，例如，导电金属(例如，完全或部分烧结的金属)。因此，该连续的三维互连导电相312提供了通过壁104的电路径，其能够在主体102上横向(在垂直于轴向方向的方向上)承载电流，例如，在主体102的第一侧113与第二侧115之间。
类似于上述复合体100，排气加热器101可任选地包括催化剂材料(例如，铂、钯、铑或其组合)。催化剂材料可被负载在高表面积底涂涂料(例如γ-氧化铝)上。底涂涂料还可以包含储氧组分(例如，氧化铈-氧化锆等)，其被设置在壁104上，或者至少部分在壁104的剩余的未填充开放孔隙内。
如图所示，排气加热器101的外形可包括长方体(立方体或矩形棱柱)外周形状，如图1A所示。但是，也可使用其他外周形状，例如圆柱形、椭圆棱柱形、三角或三叶棱柱形、六棱柱形、椭圆棱柱形、梯形棱柱形或任何其他多边形棱柱形状或其组合，包括具有圆角的多边形形状。
当从进口侧108观看时具有矩形(例如正方形)外周轮廓的排气加热器101可通过包含形状过度区(例如图4中的430A、430B、430C)而易于集成到排气后处理系统400中，形状过渡区从圆形形状延伸，其中罐430与进口管432和出口管434接合并连接至进口管432和出口管434(仅示出了其部分)。排气加热器101和带催化剂的基材425可尽可能紧密地连接至发动机。
如应当理解的，如果排气加热器101具有矩形(例如正方形)外周轮廓并且带催化剂的基材425具有圆柱外轮廓，则管可在过渡区430A中从圆形变为矩形，从过渡区430B中从矩形变为圆形，以及在过渡区430C中从较大的圆形变化为较小的圆形，包括截圆锥。但是，图4所示的管和过渡区仅是为了讨论的目的，可使用形状、大小和尺寸的任何其他组合。
任何合适的罐装技术可用于组装排气后处理系统400，例如蛤壳式、横向焊接等。加热器设备101相对于过滤器的催化剂基材的轴向长度可以相当薄(轴向短)(例如，在轴向长度L上为约0.2英寸(5mm)至约2.0英寸(51mm)，如图4所示)。进一步地，在一些实施方式中，绝缘体118(参见图1A-1B)可用于促进电学部件(例如电极117和/或引线119)通过罐430，例如用于防止电学短路。
在一些实施方式中，围绕和/或毗邻加热器组件101可包括额外的绝缘件436，以在操作期间帮助支撑加热器，例如，由此降低暴露于振动、热循环或环境条件期间发生电学短路的可能性。例如，任何合适的缓冲或垫材料，例如常规用于支撑多孔陶瓷蜂窝体(例如催化剂基材或颗粒过滤器)的那些可用于绝缘件436以支撑排气加热器101和/或带催化剂的基材425的复合结构100。在一些实施方式中，绝缘件436可围绕加热器设备的外周和/或轴向端部(进口和出口面)缠绕，如图4所示，以在径向和/或轴向方向上提供前述缓冲和防止电学短路。
在一些实施方式中，复合结构100用作不带电的结构部件(即，不是加热器组件的部分)。金属相310可以是高屈服强度、耐腐蚀材料。例如，可使用铝、不锈钢、钛、镍或类似金属材料或其合金。在一些实施方式中，一些材料，例如拉伸时具有大于90MPa的拉伸强度的金属对于此类结构应用是期望的。
这种复合结构100可展现出优异的压缩强度以及强度重量比，并且可用于结构部件，例如，包括较大结构的子部件。例如，复合结构100在压缩时可具有例如大于50MPa的压缩强度。进一步地，复合结构100的压缩强度可以是仅由含玻璃或陶瓷的相(第一相)制造且不负载金属的蜂窝结构的1.5倍或更高，所述压缩强度在复合结构100的1.0英寸x1.0英寸x1.0英寸的立方体上测量，该复合结构100沿着轴向方向(沿着通道106的方向)压缩。
在一些实施方式中，第一相310的仅一部分结构，例如仅一个轴向端部渗透有导电颗粒，其烧结形成导电第二相312。因此，在一些实施方式中，形成了一种复合结构，其在第一轴向长度上包括如本文关于复合结构100所述的复合材料，并且在第二轴向长度上仅包括第一相310的含玻璃或陶瓷的材料(或者第一相310与除导电相312之外的材料的组合)。例如，图6示意性例示了带催化剂的基材625的一个实施方式，其包括主体602的第一端部602A(例如，使用时为上游)，该第一端部602A包括用复合结构600制造的加热器601，其与本文所述的复合结构100基本相同。带催化剂的基材625的第二端部602B(例如，在使用时为下游)包括多孔蜂窝体，其包含多孔壁604，该多孔壁604通过含催化剂(例如三效催化剂或其他合适的催化材料)的底涂涂料而带有催化作用。催化剂可作为设置在多孔壁604上的含催化剂的底涂涂料的部分，使用常规方法施涂。
类似于上述主体102，主体602包括蜂窝结构，该蜂窝结构包括相交的多孔壁604，其形成从进口端面108延伸到出口端面110的多个轴向延伸的通道606。第一端部602A的结构和材料可以与图1A-1B所示的实施方式相同，但是第二端部602B不包含第二相312的导电材料。相反，第二端部602B包括多孔陶瓷材料，例如，如关于第一相310所述，以及设置在多孔陶瓷材料之中或之上的催化剂材料。除了由第一相310和第二相312的导电材料的组合形成的复合材料之外，第一端部602A还可包括催化剂材料。例如，第一端部602A可通过将导电材料负载到第一相的互连孔隙中但不负载第二端部602B，然后烧结主体602以仅在第一端部602A中建立第二相312来形成。电引线119可以图4所示及关于图4所述的方式连接到控制系统(例如控制系统421)。
图5A和5B示意性例示了涂覆设备500的侧视示意图，其操作性地用于使第一相310的未经涂覆的基础结构502B经受含有导电材料的浆料535处理，该导电材料最终形成第二相312。如本文所述，将未经涂覆的基础结构502B浸没在浆料535中能够使第一相310的内部孔隙至少部分填充有导电颗粒以形成第二相312，例如通过使第一相310的孔隙重度负载导电颗粒和/或通过烧结导电颗粒实现。
参考图7进一步描述制造复合结构100的方法700。方法700包括：在框702中，提供未经涂覆的基础结构(例如，基础结构502B)，其包括相交的多孔壁(例如多孔陶瓷壁，通过第一相310体现)，该多孔壁包含互连孔隙(例如孔隙308)。例如，基础结构(例如，其最终形成复合结构的第一相310)可以是多孔陶瓷蜂窝体的形式。相交的多孔壁包含内部互连孔隙。基础结构可具有宏观结构，包括200cpsi至900cpsi的孔道密度，例如，在一些实施方式中，200cpsi至600cpsi的孔道密度。可如本文所述提供平均体积孔隙率(％P)和中值孔径。如本文所述的任何合适的多孔玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷材料可用于最终形成第一相310的基础结构502B。加热器设备101的基础结构502B的合适尺寸取决于目标应用，例如，发动机尺寸、发动机类型、发动机排气温度、发动机排气流速等，但是其可具有例如2mm至51mm的轴向长度L(例如参见图4)，51mm至400mm的从侧面113到侧面115的宽度W(参见图1B)，以及51mm至400mm从侧面出发的高度H。可以采用其他合适的尺寸，例如，用于感应加热应用，或者当复合体101用于结构支撑应用时。
方法700还包括：在框704中，使多个通道(例如通道106)经受含导电颗粒的浆料(例如浆料535)处理，其中，含导电颗粒的浆料被吸入其中并且导电颗粒至少沉积在基础结构的多孔壁的互连孔隙(例如孔隙308)内，由此形成负载颗粒的主体(参见图5B的负载颗粒的主体502C)。一些含导电颗粒的浆料535也可以沉积在壁104上。
使多个通道106经受含导电颗粒的浆料535处理可以通过任何合适的方法进行，例如将基础结构502B浸在含导电颗粒的浆料535中，例如，容纳在容器537中的浆料535，由此形成负载颗粒的主体502C。在一个实施方式中，含导电颗粒的浆料可包含导电金属颗粒。导电金属颗粒可具有小于或等于25μm，例如0.1μm至25μm的中值粒度，或者如本文关于用于形成第二相312的导电颗粒所述的其他中值粒度。也可使用其他中值粒度。一般来说，该中值粒度应小于基础结构502B(其形成第一相310)的孔隙(例如孔隙308)的中值孔径。
在框704的所述经受处理之后，可在框706中干燥负载颗粒的主体。干燥可涉及将经涂覆的主体502C放置在干燥设备中，例如炉或其他常规干燥设备。干燥时间和温度可基于负载颗粒的主体502C的尺寸和几何，以及用于承载导电颗粒的浆料535中的溶剂或液体载体而变化。例如，在一些实施方式中，干燥时间可在2分钟到600分钟之间不等，干燥温度可在80℃至200℃之间不等。在一些实施方式中，可使基础结构经受多次的含导电颗粒的浆料535材料，例如，在所述多次中的每一次后干燥(例如，在每次浸渍或施涂顺序事件之后)。颗粒负载和干燥可继续，直到在孔隙308内达到导电材料的期望负载(g/L)。
在框704中的所述经受处理以及随后的框706中的干燥之后，方法700可以包括：在框708中，烧制负载颗粒的主体502C，以形成连续的三维互连导电相(例如，连续的三维互连导电相312)。烧制温度可以足够地高，以将导电颗粒烧结并熔合在一起，由此在复合结构中形成连续的三维互连导电相，例如金属相。本文中关于连续的三维互连导电相312所表达的期望的重量负载是基于最终的刚烧制的主体计。在一些实施方式中，负载颗粒的主体502C得到充分的负载，使得基础结构的内部孔隙中的导电材料的最终负载水平达到相对于复合结构的代表性体积为至少200g/L，例如，在一些实施方式中，相对于复合结构的代表性体积为至少200g/L到8,000g/L。
在一些实施方式中，烧制负载颗粒的主体502C以烧结导电颗粒可在任何合适的炉或窑中发生。如果期望完全烧结，烧制温度例如可在1,200℃至1,450℃的范围。但是，在另一些实施方式中，烧制可以处于更低的温度，例如，小于1000℃，或者甚至小于700℃(例如400℃至700℃)，以例如提供颗粒的煅烧。烧制温度取决于所用的导电材料，以及期望的烧结程度。例如，如关于图9所述，烧结的程度通过烧制温度的控制来反映，其可用于改变主体102的电阻。
图9例示了1,280℃至1,400℃的烧制温度以及负载在基体之中和之上的金属的金属负载量(以g/L为单位)的影响。如图可知，烧制温度的改变可影响(例如增加)2至3倍或更大的电导率。同样地，增加金属负载(每g/L基体)也可增大电导率。例如，在一些实施方式中，将相对于代表性体积以g/L为单位的重量负载加倍可使以S/m为单位的电导率至少加倍。进一步地，复合结构100的几何或尺寸特性，例如孔道密度(cpsi)、壁厚度(μm)和平均体积孔隙率(％P)也可影响电导率。
在高温度或低温度情况中，所得到的复合结构100的电导率可以大于或等于15S/cm、大于或等于25S/cm以及在一些实施方式中，为15S/cm至2,500S/cm，15S/cm至300S/cm，或者在另一些实施方式中为15S/cm至150S/cm，所述电导率例如在主体102的相对侧面113、115之间测量。电导率可在相当宽的范围内调节，以针对不同的加热器设备应用和加热器设备设计，以不同的电导率为目标。
例如，相对较高的电导率，例如，在1,000-2,500S/cm的范围内，其可以适于图1C和1D的蜿蜒设计。另一方面，相对较低的电导率(例如，小于300S/cm、小于150S/cm或者甚至小于100S/cm)可以用于图1A-1B和6的实施方式。在一些实施方式中，可期望电导率大于300S/cm但小于1,000S/cm，以设置加热器的总电阻，从而在受给定的电源驱动时，获得目标温度或性能。
在一些实施方式中，方法700包括框710中的底涂步骤，其中，在框708中的烧制之后，在壁104上和/或剩余的开放孔隙308中提供催化剂材料，例如通过浸渍或任何常规的催化剂涂覆方法。在底涂后，可以煅烧主体1002，例如，达到400℃至700℃的温度。
在方法700的一些实施方式中，复合结构100的最终电导率是可调的。可调性可通过下述一项或多项实现：导电相的具体材料的化学组成的选择，调整复合结构的每单位体积的代表性部分的导电相的重量负载水平，以及基于调整烧制温度和/或时间调整导电相的烧结程度(例如，如关于图9所述)。类似地，调整壁104的孔道几何参数，例如壁厚度(Tw)、孔道密度(以孔道/平方英寸计，cpsi)，和/或调整用于形成第一相310的基础结构的平均体积孔隙率水平(％P)也可提供一定的可调性。
具体地，可改变导电相312的组成以向导电相提供更大或更小的电阻率，例如，通过选择本文所述的各种合金中的一种。另外，可增加导电相312的负载水平(相对于第一相310的体积，相对更大的比例)，以凭借复合结构中更高百分比的导电材料而赋予增大的电导率。还可调整多孔体102的宏观结构以改变复合体100的绝对电阻，例如，改变壁厚度(Tw)、孔道密度(以孔道/平方英寸计，cpsi)或第一相310的平均体积孔隙率(％P)，和/或关于第一相310被第二相312渗透后孔隙的未填充部分来调整。例如，增加壁厚度(Tw)同时保持恒定的金属负载可以通过增加主体102中的导电相的总量而具有降低电阻的作用(即，随着壁104变得更厚，导电相312可在三维连续构造中形成更多数目的电连接)。增加孔道密度(cpsi)可具有降低电阻的作用。例如，如图3A所示，在一些实施方式中，密集的导电相312聚集在壁104之间的相交位置处，这使得随着通道变得更小，因此在这些实施方式中相交位置处的密集的导电相靠得更近，从而能够实现更高的电导率。由于导电相312的物理结构受第一相310的孔隙内的可用空间限制，因此增加第一相310的平均体积孔隙率(％P)和/或增加第一相的中值孔径可以具有降低电阻的作用。例如，更高的孔隙率和更大的中值孔隙可促进导电相312形成截面上更粗且/或更多数目的电路径。
在一些实施方式中，如上所述，如果在主体102的壁104之中和/或之上还包括催化剂金属材料连同第二相312的导电材料，则所用的催化剂金属材料可以是铂族金属组分，例如，其选自铂、钯、铑、钌、铱及其组合。在另一些实施方式中，催化剂金属材料可以是金或银。其他氧化物催化剂材料，例如铝、沸石、氧化铈、锂、镁、钙、锰、钴、镍、铜、锌和银的氧化物可以作为催化剂底涂涂料的部分包括在内。在一些实施方式中，底涂涂料的催化剂氧化物材料可以是SOx吸附剂组分，例如Mg或MnO2。
添加导电材料之前的主体102的一个实例包括40％至80％的高的平均体积孔隙率，5μm至40μm的中值孔径，100cpsi(31个孔道/cm2)至600cpsi(186个孔道/cm2)的通道密度，以及0.002英寸(0.051mm)至0.014英寸(0.36mm)的横向壁厚度TW(参见图1B)。导电金属可以是FeCrAl合金，另一种含Fe合金，或者其他导电材料。
如图8所示，其提供了使用本文所述的复合结构作为加热器元件的方法800。方法800包括：在框802中，提供复合结构，所述复合结构包括主体，所述主体包括壁，所述壁包括含玻璃或陶瓷的材料的第一相，该第一相包含内部互连孔隙；以及包括位于内部互连孔隙内的连续的三维互连导电相。
方法800还包括：在框802中，利用连续的三维互连导电相产生热。该连续的三维互连导电相产生的热可达到例如大于250℃，或者甚至大于450℃的内部温度。例如，该热可通过在复合结构上施加电压产生，例如，在附接至复合结构的彼此横向(垂直于轴向方向)相对的电极对(例如电极117)之间施加电压。在一些实施方式中，复合结构加热到250℃至1,000℃的内部温度。
在框806中，方法800包括：使流体(例如含有一种或多种污染物的排气)流动通过多个通道106、606以加热该流体。流体可充分加热以能够在附近定位的催化剂基材(例如，图4和6所示的催化剂基材425或602B或者其他类型的催化剂基材)中快速起燃。例如，快速起燃可以在从气体流动开始起的小于20秒、小于15秒、小于10秒、小于8秒或者甚至小于5秒内实现，例如图2所示。起燃时间还可以取决于多个因素，包括何时激活加热器设备101(例如，可在发动机点火之前被预热)，加热器设备101的尺寸，电源瓦数能力，加热器设备的几何(宏观结构)特征(传热效率)，发动机热输出，催化剂基材相对于发动机排气歧管的位置(即，是否紧密连接)，以及催化剂基材的热质量。
在一些应用中，在稳态条件(例如，始终开启或间歇开启)下操作加热器设备101、101C、101D，稳态条件提供足够量的电力以帮助体现为过滤器或催化过滤器的相邻基材的再生事件，在再生事件中，烟炱被烧尽，例如在汽油或柴油颗粒过滤器应用中。
根据本文公开的实施方式，使用包含图8的复合结构的加热器组件的方法800可包括：同时进行框804中的产生热和框806中的使流体流动，以利用加热器加热流体。在一些实施方式中，框804中的热通过电阻加热产生。例如，可在复合结构100的一部分上，例如在这些实施方式中，在复合结构100的相应相对侧面113、115之间施加电势(例如，图1B和4所示的电势V)，例如12V、48V或其他电压，因此造成复合体100被加热至期望的程度和/或流体流动通过复合体100。
图10A示意性例示了排气后处理系统1000A，其包括复合结构(例如，体现为加热器设备(H)101的部分的复合结构100，其位于带催化剂的基材(CS)425的上游)，该排气后处理系统1000A可作为运载工具的排气后处理系统的部分包括。此类排气后处理系统1000A例如可有助于提供快速起燃时间以减少排气的一种或多种成分，例如CO、HC、NOX或SOX，如本文所述。
图10B示意性例示了排气后处理系统1000B，其包括复合体，该复合体体现为基材上游的加热器设备(H)101，该基材体现为壁流式颗粒过滤器(PF)1045(例如具有交替堵塞的通道)，该排气后处理系统1000B可作为运载工具的排气后处理系统的部分包括。此类排气后处理系统1000B例如可有助于改善沉积在本文所述的颗粒过滤器1045的壁之中或之上的烟炱的再生。
图10C示意性例示了排气后处理系统1000C，其包括复合体，该复合体体现为催化壁流式颗粒过滤器(CPF)1050上游的加热器设备(H)101，该排气后处理系统1000C可作为运载工具的排气后处理系统的部分包括。此类排气后处理系统1000C例如可有助于改善沉积在催化颗粒过滤器1050中的烟炱的再生和/或提高催化活性和快速起燃，如本文所述。
虽然已经以实例的形式公开了本公开的实施方式，但是可在其中进行多种修改、增加和删减而不会偏离本公开的范围，如在权利要求及其等同形式中所述。

Claims (35)

1.一种复合结构，包括：
主体，所述主体包括相交壁的阵列，所述相交壁形成在轴向方向上延伸通过主体的多个通道，使得相邻通道位于每个壁的相对侧，其中，所述主体的复合材料包括：
含玻璃或陶瓷的多孔材料的第一相，其中，第一相包含内部互连孔隙；和
导电材料的第二相，其中，第二相是至少部分填充第一相的内部互连孔隙的连续的三维互连导电相，由此在壁的相对侧之间建立以垂直于轴向方向的横向方向通过至少一些壁的电路径。
2.如权利要求1所述的复合结构，其中，第一相包括含玻璃或陶瓷的多孔材料的连续的三维互连结构，其包含内部互连孔隙，使得第一相的连续的三维互连结构与连续的三维互连导电相交错在一起。
3.如权利要求1-2中任一项所述的复合结构，其中，除开第二相，第一相作为含玻璃或陶瓷的多孔材料的整料蜂窝体布置。
4.如权利要求1-3中任一项所述的复合结构，其中，导电材料包含经烧结的金属相。
5.如权利要求1-4中任一项所述的复合结构，其中，第二相在垂直于主体的轴向方向的横向方向上，在主体的相对侧之间建立跨主体的电连接。
6.如权利要求5所述的复合结构，其中，第二相还在主体的相对轴向面之间建立电连接。
7.如权利要求1-6中任一项所述的复合结构，其中，第二相还至少部分沿着壁的外表面形成。
8.如权利要求1-7中任一项所述的复合结构，其中，第二相占复合结构的实体体积的大于或等于10％。
9.如权利要求1-8中任一项所述的复合结构，其中，第一相构成复合结构的实体体积的25％至90％，并且第二相构成复合结构的实体体积的10％至75％。
10.如权利要求1-9中任一项所述的复合结构，其中，第二相的导电材料包含导电金属。
11.如权利要求1-10中任一项所述的复合结构，其中，导电金属包括：含Fe合金，含Fe、Cr和Al合金，或者含镍铬合金。
12.如权利要求1-11中任一项所述的复合结构，其中，第二相不完全填充第一相的内部互连孔隙，而是在壁中留下残余的开放孔隙。
13.如权利要求1-12中任一项所述的复合结构，其中，在壁上、在壁的开放孔隙中、或者在壁上和在壁的开放孔隙中设置有催化剂材料。
14.如权利要求1-13中任一项所述的复合结构，其中，含玻璃或陶瓷的多孔材料包含堇青石、钛酸铝、氧化铝、碳化硅、氮化硅、莫来石、蓝宝石、尖晶石、铝酸钙、磷酸锆、β-锂辉石、β-锂霞石(LiAlSiO4)、堇青石-玻璃陶瓷、熔融石英、掺杂的熔融石英或者它们的组合。
15.如权利要求1-14中任一项所述的复合结构，其中，复合材料包含15S/cm至300S/cm的电导率。
16.如权利要求1-15中任一项所述的复合结构，其中，第二相的导电材料具有小于1.2x10-6欧姆·米的电阻率。
17.如权利要求1-16中任一项所述的复合结构，其中，第二相以相对于复合结构的代表性体积为至少200g/L的负载水平存在于内部互连孔隙中，其中，所述代表性体积由包括内部互连孔隙在内的第一相的闭合正面面积乘以第一相的轴向长度确定。
18.如权利要求17所述的复合结构，其中，所述负载水平是每升复合结构的代表性体积负载至少1,200g。
19.如权利要求17所述的复合结构，其中，所述负载水平是每升复合结构的代表性体积负载至少150cm3。
20.如权利要求1-19中任一项所述的复合结构，其包括去除部分，该去除部分通过将壁的部分彼此分离而形成壁阵列的蜿蜒图案。
21.如权利要求20所述的复合结构，其中，电导率为1,000S/cm至2,500S/cm。
22.如权利要求1-21中任一项所述的复合结构，其中，除开第二相，第一相的内部互连孔隙包含：
内部互连孔隙的40％至80％的平均体积孔隙率；和
5μm至40μm的中值孔径。
23.一种排气后处理系统，包括加热器组件和排气后处理部件，所述加热器组件包含被布置成电阻加热器元件的权利要求1-22中任一项所述的复合结构，所述排气后处理部件邻近加热器组件定位。
24.如权利要求21所述的排气后处理系统，其中，排气后处理部件是带催化剂的基材或颗粒过滤器。
25.一种复合结构，包括：
形成多个通道的相交壁的蜂窝体，其中，蜂窝体的复合材料包含：
含玻璃或陶瓷的多孔材料的第一相，其中，第一相包含内部互连孔隙，其具有40％至80％的孔隙率和5μm至40μm的中值孔径；以及
导电材料的第二相，其中，第二相以相对于复合结构的代表性体积为至少25cm3/L的负载水平存在于内部互连孔隙中，其中，所述代表性体积由包括内部互连孔隙在内的第一相的闭合正面面积乘以第一相的轴向长度确定；
其中，第一相构成复合结构的实体体积的25％至90％，并且第二相构成复合结构的实体体积的10％至75％。
26.如权利要求1所述的复合结构，其中，第一相包括含玻璃或陶瓷的多孔材料的连续的三维互连结构，其包含内部互连孔隙，使得第一相的连续的三维互连结构与连续的三维互连导电相交错在一起。
27.一种制造复合结构的方法，所述方法包括：
使包括含多孔玻璃或陶瓷的多孔材料的基础结构经受含导电颗粒的浆料处理，通过使导电颗粒以相对于复合结构的代表性体积为至少200g/L的负载水平至少沉积在互连孔隙内，形成负载颗粒的主体，其中，所述代表性体积由基础结构的闭合正面面积乘以基础结构的轴向长度确定。
28.如权利要求27所述的制造方法，其中，基础结构包括多孔材料的整料蜂窝体。
29.如权利要求28所述的制造方法，其中，整料蜂窝体通过将形成陶瓷的混合物挤出成生坯体并烧制该生坯体来形成。
30.如权利要求27-29中任一项所述的制造方法，其还包括：烧制负载颗粒的主体以将导电颗粒一起烧结成位于基础结构的互连孔隙内的连续的三维互连导电相。
31.如权利要求30所述的制造方法，其还包括：使多个通道经受含导电颗粒的浆料处理多次，随后在所述多次中的每一次之后进行干燥，其中，所有的所述处理和干燥发生在烧制之前。
32.如权利要求24-31中任一项所述的制造方法，其中，含导电颗粒的浆料包含导电金属颗粒。
33.如权利要求32所述的制造方法，其中，导电金属颗粒的中值粒度小于或等于25μm。
34.如权利要求24-33中任一项所述的制造方法，其中，复合结构包含大于25S/cm的电导率，所述电导率在垂直于轴向方向的方向上，在相反的横向侧之间测量。
35.如权利要求24-34中任一项所述的制造方法，其还包括：在从1,200℃到1,450℃的温度下烧制负载颗粒的主体，以烧结导电颗粒。
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WO2012132837A1 (ja) * 2011-03-28 2012-10-04 日本碍子株式会社 ハニカム構造体の製造方法、Ｓｉ－ＳｉＣ系複合材料の製造方法、及びハニカム構造体
US10370304B2 (en) 2012-11-29 2019-08-06 Corning Incorporated Fused silica based cellular structures
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