專利名稱：陶瓷結(jié)構(gòu)和制造陶瓷結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陶瓷結(jié)構(gòu)以及對(duì)生坯結(jié)構(gòu)進(jìn)行燒制以制造陶瓷結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
環(huán)境方面的問(wèn)題促使全世界很多地方的人們履行對(duì)內(nèi)燃機(jī)和其他系統(tǒng)的排放要求。多孔陶瓷結(jié)構(gòu)，例如堇青石陶瓷結(jié)構(gòu)，經(jīng)常用于燃燒系統(tǒng)和其它系統(tǒng)，用來(lái)從流體中過(guò)濾和除去微粒，例如從廢氣除去煙炱和灰分。這些結(jié)構(gòu)通常使用原料的混合物制備，例如對(duì)于堇青石結(jié)構(gòu)，所述原料混合物包含能夠在燒制的時(shí)候形成堇青石的基本陶瓷材料(例如粘土和滑石)，粘合劑(例如有機(jī)纖維素醚，例如水溶性甲基纖維素(methocel，甲基纖維素)或羥丙基甲基纖維素)，以及成孔劑(例如淀粉)。將所述原料的混合物形成生坯結(jié)構(gòu)， 通常將其擠出形成構(gòu)造成使得氣體從中流過(guò)的通道或孔道的網(wǎng)絡(luò)(有時(shí)候稱作蜂窩體)。 然后對(duì)生坯結(jié)構(gòu)進(jìn)行燒制，形成最終的陶瓷產(chǎn)品，例如堇青石微粒過(guò)濾器。這些微粒過(guò)濾器可以包括，但不限于柴油機(jī)微粒過(guò)濾器，有時(shí)候按照它們的尺寸、 所使用的車輛的類型以及/或者過(guò)濾器的應(yīng)用來(lái)分類。例如，輕型柴油機(jī)(LDD)過(guò)濾器的直徑通常等于或小于7英寸，通常用于具有無(wú)法預(yù)測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)(例如苛刻工作循環(huán))的車輛，例如轎車和輕型卡車。重型(HDD)過(guò)濾器的直徑通常等于或大于9英寸，通常用于具有可預(yù)測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)的車輛，例如大的重型卡車(例如半掛車和/或其他工業(yè)拖車)。為了在制造陶瓷結(jié)構(gòu)(例如LDD、HDD以及其他種類的微粒過(guò)濾器和/或微孔陶瓷結(jié)構(gòu))時(shí)獲得提高的效率，最好縮短對(duì)生坯結(jié)構(gòu)進(jìn)行燒制以制造最終陶瓷結(jié)構(gòu)所用的時(shí)間。但是，在一些情況下，在燒制循環(huán)中過(guò)快地升高溫度會(huì)導(dǎo)致最終陶瓷結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生不良的裂紋，例如在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。因此人們按常規(guī)通過(guò)減緩燒制循環(huán)的方式來(lái)處理產(chǎn)品殘存性(例如消除裂紋)的問(wèn)題。換而言之，可以在較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)將燒制溫度升高到峰值溫度，以避免對(duì)生坯結(jié)構(gòu)加熱過(guò)快而導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。人們已采用其它的方法來(lái)消除和/或最大程度減少裂紋，這些方法包括在低氧環(huán)境中進(jìn)行燒制，改變生坯結(jié)構(gòu)的原料組成，以及/或者使用燒制添加劑等。但是這些技術(shù)可能是產(chǎn)品專有的，因此在獲得合乎需要的結(jié)果之前，可能需要進(jìn)行大量的反復(fù)試驗(yàn)。一些技術(shù)還可能因使用較貴的材料以及/或者在燒制的時(shí)候使用氣體物料而造成成本較高。因此，人們希望提供一種對(duì)生坯結(jié)構(gòu)進(jìn)行燒制以制造陶瓷結(jié)構(gòu)的方法，該方法能夠最大程度縮短燒制循環(huán)的長(zhǎng)度，同時(shí)減少和/或消除裂紋，由此為各種各樣的產(chǎn)品提高殘存性，所述產(chǎn)品包括例如較大的微孔陶瓷結(jié)構(gòu)，例如HDD。還希望提供一種對(duì)多孔陶瓷結(jié)構(gòu)進(jìn)行燒制的方法，該方法無(wú)需添加昂貴的氣體和/或燒制添加劑，同時(shí)能夠提高產(chǎn)品的殘存性。
發(fā)明概述本發(fā)明可以解決上述一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題，并且/或者能夠表明上文所述的一種或多種合乎需要的特征。通過(guò)以下的描述，可以明白其它的特征和/或優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)各種示例性的實(shí)施反式，本發(fā)明提供了一種對(duì)生坯結(jié)構(gòu)進(jìn)行燒制以制造陶瓷結(jié)構(gòu)的方法。該方法可以包括在燒制生坯結(jié)構(gòu)的第一階段期間，在第一定時(shí)溫度循環(huán)內(nèi)加熱燒制環(huán)境，所述第一定時(shí)溫度循環(huán)的平均變溫速率足以在與陶瓷結(jié)構(gòu)的芯緊鄰的粘土開(kāi)始脫水之前，基本完全燒掉有機(jī)材料。該方法還包括在燒制的第二階段期間，在第二定時(shí)溫度循環(huán)內(nèi)加熱燒制環(huán)境，所述第二定時(shí)溫度循環(huán)的平均變溫速率大于所述第一定時(shí)溫度循環(huán)的平均變溫速率。根據(jù)各種其它的示例性實(shí)施方式，本發(fā)明提供了通過(guò)包括以下步驟的方法制造的多孔陶瓷結(jié)構(gòu)將包含粘土材料和有機(jī)材料的原料成形為生坯結(jié)構(gòu)，以及在燒制環(huán)境中對(duì)該生坯結(jié)構(gòu)進(jìn)行燒制，其中，所述燒制包括在第一時(shí)間段內(nèi)將燒制環(huán)境加熱至小于等于第一閾值溫度，在第一時(shí)間段內(nèi)加熱足以在與所述生坯結(jié)構(gòu)的芯緊鄰的粘土材料開(kāi)始脫水之前，基本完全燒掉所述有機(jī)材料，并在第二時(shí)間段內(nèi)，將燒制環(huán)境從所述第一閾值溫度加熱至第二閾值溫度，所述第二閾值溫度高于所述第一閾值溫度，在此第二時(shí)間段加熱期間，發(fā)生粘土脫水。從第一閾值溫度到第二閾值溫度的平均變溫速率可以約為11_75°C /小時(shí)。根據(jù)各種其他示例性的實(shí)施方式，本發(fā)明提供了一種對(duì)生坯結(jié)構(gòu)進(jìn)行燒制以制造陶瓷結(jié)構(gòu)的方法。所述方法可以包括在第一時(shí)間段內(nèi)將燒制環(huán)境加熱至第一閾值溫度，所述第一時(shí)間段加熱足以在與所述與生坯結(jié)構(gòu)的芯區(qū)域緊鄰的粘土材料脫水之前，基本完全燒掉與生坯結(jié)構(gòu)的芯緊鄰的有機(jī)材料。所述方法還包括在第二時(shí)間段內(nèi)，將燒制環(huán)境從所述第一閾值溫度加熱至第二閾值溫度，所述第二閾值溫度高于第一閾值溫度，在此第二時(shí)間段加熱期間，發(fā)生生坯結(jié)構(gòu)的粘土脫水，其中從所述第一閾值溫度到第二閾值溫度的平均變溫速率約為11_75°C /小時(shí)。另外的目的和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的描述中部分陳述，并且部分由該描述而明白，或可通過(guò)實(shí)施本發(fā)明而了解。通過(guò)所附權(quán)利要求中特別指出的要素和組合將會(huì)認(rèn)識(shí)和實(shí)現(xiàn)這些目的和優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)理解，前面的一般性描述和以下的詳細(xì)描述都只是示例和說(shuō)明性的，不構(gòu)成對(duì)權(quán)利要求書的限制。附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明可單獨(dú)通過(guò)以下詳述或通過(guò)以下詳述和附圖一起理解本發(fā)明。包括的附圖提供了對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，附圖被結(jié)合在本說(shuō)明書中并構(gòu)成說(shuō)明書的一部分。附圖顯示了本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)示例性的實(shí)施方式，與描述一起用來(lái)解釋各種原理和操作。

圖1是顯示本發(fā)明的示例性的燒制循環(huán)的圖；圖2是本發(fā)明的陶瓷結(jié)構(gòu)的一個(gè)示例性實(shí)施方式的透視圖；圖3是顯示針對(duì)輕型柴油機(jī)過(guò)濾器，對(duì)于各種實(shí)驗(yàn)多天燒制循環(huán)，初始區(qū)間的第一和第二階段的圖；圖4是顯示對(duì)于圖3的3天、4天和7天的燒制循環(huán)，芯/外皮溫差(Δ T)隨外皮溫度而變化的圖；圖5是顯示針對(duì)輕型柴油機(jī)過(guò)濾器，對(duì)于各種實(shí)驗(yàn)燒制循環(huán)，初始區(qū)間的第一和第二階段的圖；圖6是顯示針對(duì)輕型柴油機(jī)過(guò)濾器，對(duì)于圖5的各種實(shí)驗(yàn)燒制循環(huán)，芯/外皮溫差 (ΔΤ)隨外皮溫度而變化的圖；圖7是顯示針對(duì)輕型柴油機(jī)過(guò)濾器，對(duì)于圖5的各種實(shí)驗(yàn)燒制循環(huán)，芯/外皮溫差 (ΔΤ)隨外皮溫度而變化的圖；圖8是顯示針對(duì)各種輕型以及重型柴油機(jī)過(guò)濾器，對(duì)于實(shí)驗(yàn)燒制循環(huán)，芯/外皮溫差(ΔΤ)隨外皮溫度而變化的圖；圖9是顯示針對(duì)重型柴油機(jī)過(guò)濾器，對(duì)于實(shí)驗(yàn)燒制循環(huán)，芯/外皮溫差(Δ Τ)隨外皮溫度而變化的圖；圖10是顯示對(duì)于圖9的燒制循環(huán)，初始區(qū)間的第一和第二階段的圖。示例件實(shí)施方式描述如圖1所示，當(dāng)由基于粘土的原料形成陶瓷結(jié)構(gòu)的時(shí)候，例如當(dāng)形成堇青石微孔陶瓷結(jié)構(gòu)的時(shí)候，存在會(huì)發(fā)生的三個(gè)一般的區(qū)間。前兩個(gè)區(qū)間包括對(duì)生坯結(jié)構(gòu)進(jìn)行燒制， 例如在燒煤氣的窯內(nèi)進(jìn)行燒制，最后一個(gè)區(qū)間包括對(duì)對(duì)形成的陶瓷結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷卻。盡管不希望受任何特定理論的限制，但是認(rèn)為在初始區(qū)間101期間(例如燒制環(huán)境溫度高達(dá)約 1000°C )，對(duì)生坯結(jié)構(gòu)的原料進(jìn)行加熱，使其各自經(jīng)歷轉(zhuǎn)變，這將在下文中進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。 在此初始區(qū)間之后，在第二區(qū)間102中，將燒制環(huán)境的溫度加熱至峰值溫度，其中在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)保持溫度基本恒定，使得生坯結(jié)構(gòu)反應(yīng)，形成陶瓷結(jié)構(gòu)。另外，不希望被任何特定的理論所限制，認(rèn)為在此第二區(qū)間102期間(例如燒制環(huán)境溫度約高于或等于1000°C，最高達(dá)峰值溫度)，所述生坯結(jié)構(gòu)的材料開(kāi)始互相反應(yīng)，形成最后的陶瓷材料，例如堇青石。在最后區(qū)間103中，使得形成的陶瓷結(jié)構(gòu)由峰值燒制溫度冷卻下來(lái)。如上文所述，在初始區(qū)間101中，認(rèn)為各種材料會(huì)經(jīng)歷各種轉(zhuǎn)變。例如，在初始燒制區(qū)間101期間，各種含水材料(例如含水氧化鋁，含水粘土和滑石)會(huì)失去水，各種有機(jī)材料(例如粘合劑材料和/或成孔劑(即淀粉))會(huì)燒掉。更具體來(lái)說(shuō)，在初始燒制區(qū)間 101內(nèi)，在生坯結(jié)構(gòu)的材料在燒制環(huán)境的條件下平衡的初始啟動(dòng)階段之后，存在生坯結(jié)構(gòu)的各種材料經(jīng)歷變化的三個(gè)一般階段。以堇青石為例，在第一階段104中，在此階段期間燒制環(huán)境的溫度從約180°C升高到約425°C，含水氧化鋁失去水，甲基纖維素(或者其他粘合劑材料)燒掉，淀粉(或其它的有機(jī)成孔劑)燒掉。在第二階段105，例如在此此階段期間燒制環(huán)境的溫度從約425°C升高到約750°C，含水粘土失去水。在第三階段106，例如在此階段期間燒制環(huán)境的溫度從約750°C升高到約1000°C，滑石失去水。另外，不希望被任何特定理論限制，本發(fā)明人認(rèn)為在上文所述的初始燒制區(qū)間101 期間存在以下過(guò)程。在初始區(qū)間101期間，成孔劑發(fā)生分解。該分解是氧化反應(yīng)或放熱反應(yīng)，會(huì)釋放出大量的熱量。在開(kāi)始的時(shí)候，放熱反應(yīng)在陶瓷結(jié)構(gòu)的外皮或外部發(fā)生，造成了初始熱差，由此使得陶瓷結(jié)構(gòu)的外部部分比芯更熱。然后，外皮或外部部分內(nèi)的放熱反應(yīng)減退，放熱反應(yīng)區(qū)域移到陶瓷結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，向陶瓷結(jié)構(gòu)的芯移動(dòng)。因?yàn)樘沾?例如堇青石)是良好的絕熱體，用于這些過(guò)濾器的微孔結(jié)構(gòu)包括許多通道，因此會(huì)遇到在燒制過(guò)程中通過(guò)導(dǎo)熱或?qū)α饔行У貙崃繌乃鼋Y(jié)構(gòu)移走的困難。所述微孔結(jié)構(gòu)還提供了很大的表面積，在燒制環(huán)境中促進(jìn)粘合劑與氧氣(O2)反應(yīng)，從而提高內(nèi)部的放熱作用。因此，在有機(jī)材料燒掉(BO)的階段(上文所述的第一階段104)期間，所述結(jié)構(gòu)會(huì)顯示正的熱差或者負(fù)的熱差(也就是說(shuō)，所述芯可以顯示高于或低于在外表面或外表面附近的位置的溫度)。此種溫差會(huì)在多孔陶瓷結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生熱應(yīng)力，可能導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。大的微孔結(jié)構(gòu)或包含大量有機(jī)材料的結(jié)構(gòu)特別容易發(fā)生此種現(xiàn)象，例如堇青石微粒過(guò)濾器產(chǎn)品就是如此。由于厚壁部分(即具有較高的有機(jī)物含量)和存在成孔劑(即淀粉)，在燒制過(guò)程中，陶瓷結(jié)構(gòu)，例如堇青石微粒過(guò)濾器可顯示產(chǎn)生較大的放熱，和較大的芯/外皮溫度梯度。在沒(méi)有考慮通過(guò)適當(dāng)?shù)膶?dǎo)熱或?qū)α鲝慕Y(jié)構(gòu)的芯除去該熱量的情況下，增大燒制變溫速率(燒制環(huán)境內(nèi)的升溫速率)，則會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，最終會(huì)由于結(jié)構(gòu)的芯收縮而離開(kāi)結(jié)構(gòu)的外皮，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)部裂紋。因此，如上文所述，為了提高產(chǎn)品的殘存性，這些結(jié)構(gòu)的燒制循環(huán)在傳統(tǒng)上一直是較長(zhǎng)的，其方法是在較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)，將燒制環(huán)境的溫度緩慢升高到峰值燒制溫度。通過(guò)發(fā)現(xiàn)當(dāng)燒制變溫速率增大的時(shí)候造成內(nèi)部裂紋的原因后面的各種機(jī)理，本發(fā)明的各種示例性實(shí)施方式包括回避這些機(jī)理的對(duì)生坯結(jié)構(gòu)進(jìn)行燒制以制得陶瓷結(jié)構(gòu)的方法。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燒制環(huán)境過(guò)快加熱的時(shí)候(例如在較短的定時(shí)溫度循環(huán)中加熱，或者變溫速率增大)，通常環(huán)境內(nèi)存在的氧氣(O2)可能不足以在進(jìn)行下一材料轉(zhuǎn)變過(guò)程之前，及時(shí)燃盡生坯結(jié)構(gòu)芯內(nèi)的有機(jī)材料(即粘合劑(例如甲基纖維素)和成孔劑(例如淀粉))。因此，與芯緊鄰的有機(jī)材料直到比所希望的更晚、更高溫度下才會(huì)被燒掉，由此在結(jié)構(gòu)的芯內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部裂紋。換而言之，可能由于燒制環(huán)境溫度過(guò)快升高延遲了結(jié)構(gòu)的芯內(nèi)的有機(jī)材料燒盡(也稱作“芯的點(diǎn)火”)所引起的放熱反應(yīng)，造成放熱燒盡過(guò)程與隨后的吸熱的粘土脫水過(guò)程重疊。因此，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，由于此種放熱反應(yīng)的延遲，在初始燒制區(qū)間的第二階段中產(chǎn)生內(nèi)部裂紋，這又會(huì)造成與結(jié)構(gòu)的芯緊鄰的有機(jī)材料燒盡和粘土脫水的重疊。本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)例如在初始燒制區(qū)間的第一階段內(nèi)控制定時(shí)溫度循環(huán)，可以防止此種裂紋產(chǎn)生。還發(fā)現(xiàn)在初始燒制區(qū)間的第二個(gè)階段(例如粘土階段)內(nèi)，結(jié)構(gòu)的芯和結(jié)構(gòu)的外皮之間的最大溫差(ΔΤ)，或者最大芯/外皮溫差也會(huì)影響內(nèi)部開(kāi)裂。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，生坯結(jié)構(gòu)可以耐受很大的負(fù)的芯/外皮溫差(例如當(dāng)生坯結(jié)構(gòu)的中間的芯部分附近的溫度低于生坯結(jié)構(gòu)頂部外皮部分附近的溫度)，但是顯示當(dāng)經(jīng)受很大的正的芯/外皮溫差(例如當(dāng)生坯結(jié)構(gòu)的中部芯部分附近的溫度高于生坯結(jié)構(gòu)的頂部外皮部分附近的溫度)時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生裂紋。在燒制的粘土階段的大的正的芯/外皮溫差(例如正的最大溫差(ΔΤ))可能表明芯內(nèi)的放熱的有機(jī)物燒盡反應(yīng)被延遲，因此放熱的燒盡與吸熱的粘土脫水相重疊。與之相反的是，燒制的粘土階段的負(fù)的芯/外皮溫差(例如負(fù)的最大溫差(ΔΤ))可能表明避免了上述重疊。本發(fā)明考慮了一種對(duì)生坯結(jié)構(gòu)進(jìn)行燒制的方法，通過(guò)避免了陶瓷結(jié)構(gòu)芯附近的有機(jī)材料的燒盡和粘土脫水轉(zhuǎn)變過(guò)程的重疊，減少和/或消除了燒制過(guò)程中內(nèi)部開(kāi)裂。本發(fā)明還考慮了在減少和/或消除內(nèi)部開(kāi)裂的同時(shí)，最大程度減少結(jié)構(gòu)的燒制循環(huán)長(zhǎng)度。換而言之，本發(fā)明的各種實(shí)示例性施方式考慮了將上述兩個(gè)發(fā)現(xiàn)相結(jié)合的燒制方法，即在初始燒制區(qū)間的第一階段期間，在第一定時(shí)溫度循中對(duì)燒制環(huán)境進(jìn)行加熱，所述第一定時(shí)溫度循環(huán)的平均變溫速率足以在與所述陶瓷結(jié)構(gòu)的芯緊鄰的粘土開(kāi)始脫水之前，基本完全燒掉有機(jī)材料(例如，在BO階段花費(fèi)足夠的時(shí)間，以防止有機(jī)物燒盡與粘土脫水重疊)，在初始
7燒制區(qū)間的第二階段期間，在第二更快的定時(shí)溫度循環(huán)內(nèi)對(duì)燒制環(huán)境進(jìn)行加熱(例如在粘土脫水階段使用增大的平均變溫速率，以補(bǔ)償?shù)谝浑A段期間較慢燒制的時(shí)間)。本發(fā)明還考慮了一些燒制生坯結(jié)構(gòu)的方法，該方法能夠通過(guò)在初始燒制區(qū)間的第二階段(即粘土脫水階段)期間避免大的正的芯/外皮溫差(例如在與生坯結(jié)構(gòu)的中間芯部分附近的溫度高于在與生坯結(jié)構(gòu)的頂部外皮部分附近的溫度)，從而在燒制的過(guò)程中減少和/或消除內(nèi)部裂紋。本發(fā)明提供了對(duì)生坯結(jié)構(gòu)進(jìn)行燒制以制造陶瓷結(jié)構(gòu)的方法，該方法便于縮短陶瓷結(jié)構(gòu)燒制循環(huán)的時(shí)間長(zhǎng)度，同時(shí)防止內(nèi)部開(kāi)裂，由此在無(wú)需向批料中加入昂貴的氣體和/ 或其他燒制添加劑的情況下，提高各種各樣種類的產(chǎn)品的殘存性。例如，在本發(fā)明的各種示例性實(shí)施方式中，揭示了堇青石柴油機(jī)過(guò)濾器產(chǎn)品的燒制循環(huán)，例如通常用于柴油機(jī)微粒過(guò)濾器(DPF)系統(tǒng)的輕型柴油機(jī)(LDD)過(guò)濾器和重型柴油機(jī)(HDD)過(guò)濾器。盡管本文揭示了各種堇青石輕型柴油機(jī)過(guò)濾器和堇青石重型柴油機(jī)過(guò)濾器的具體的燒制階段、定時(shí)溫度循環(huán)和燒制循環(huán)，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠理解，本發(fā)明可以適用于任意的基于粘土的陶瓷結(jié)構(gòu)，包括但不限于任意的基于粘土的堇青石結(jié)構(gòu)。在本文中，術(shù)語(yǔ)“陶瓷結(jié)構(gòu)”或“結(jié)構(gòu)”表示通過(guò)將包含粘土材料和有機(jī)材料(即粘合劑材料和成孔劑)的原料成形為生坯結(jié)構(gòu)并燒制而制得的陶瓷制品。示例性的陶瓷結(jié)構(gòu)包括例如多孔的微孔陶瓷結(jié)構(gòu)，包括但不限于例如微粒過(guò)濾器結(jié)構(gòu)，工業(yè)液體過(guò)濾器結(jié)構(gòu)和催化劑基材結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的微粒過(guò)濾器結(jié)構(gòu)能夠從過(guò)濾器(例如 LDD和HDD過(guò)濾器)通道內(nèi)通過(guò)的流體流中除去微粒物質(zhì)。本發(fā)明示例性的微粒過(guò)濾器可以應(yīng)用于從任意的流體流除去任意的微粒物質(zhì)，所述流體流可以是氣體或液體的形式。氣體或液體還可包含另一相，例如在氣流或液流中的固體微粒，或者在氣流中的液滴。非限制性示例性流體流包括內(nèi)燃機(jī)，例如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢氣，，水性液流，煤氣化工藝產(chǎn)生的燃煤煙道氣。因此，盡管在各種示例性實(shí)施方式中描述了 LDD和HDD微粒過(guò)濾器，但是本發(fā)明適用于用來(lái)過(guò)濾流體流的其它的多孔陶瓷結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)包括但不限于用于汞和其他有毒元素的去除以及工業(yè)液體過(guò)濾應(yīng)用的多孔陶瓷結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的陶瓷結(jié)構(gòu)可具有適合于微粒應(yīng)用的任意形狀或幾何結(jié)構(gòu)，以及各種構(gòu)造和設(shè)計(jì)，包括但不限于例如壁流式整體型結(jié)構(gòu)，流通式整體型結(jié)構(gòu)，或部分流通式整體型結(jié)構(gòu)(即壁流式整體型結(jié)構(gòu)和流通式整體型結(jié)構(gòu)的任意組合)。示例性的壁流式整體件包括例如任何整體型結(jié)構(gòu)，其包括通道或多孔網(wǎng)絡(luò)或者其它的通路，其中在結(jié)構(gòu)的相反的端部， 各條通路敞開(kāi)和堵塞，由此在流體從一端流到另一端的時(shí)候，促進(jìn)流體流流過(guò)整體件的通道壁。示例性的流通式整體件包括例如具有以下性質(zhì)的任意整體型結(jié)構(gòu)其包括通道或多孔網(wǎng)絡(luò)或者其它的通路，各條通路在兩端開(kāi)放，從而允許流體流從一端到相反端流過(guò)該整體件的通路。示例性的部分流通式整體件包括例如部分壁流式和部分流通式的任意整體型結(jié)構(gòu)。圖2顯示本發(fā)明的陶瓷結(jié)構(gòu)的一個(gè)示例性實(shí)施方式。所述陶瓷結(jié)構(gòu)200具有入口端202、出口端204、以及從所述入口端202延伸到出口端204的多個(gè)通道208，210。所述通道208，210由交叉的多孔壁206限定，從而形成一般微孔的構(gòu)造(本領(lǐng)域普通技術(shù)人員有時(shí)候?qū)⑵浞Q作蜂窩體構(gòu)造)。盡管圖中顯示陶瓷結(jié)構(gòu)200的通道截面(即在垂直于結(jié)構(gòu) 200縱軸的平面上)基本為正方形，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠理解，在不偏離本發(fā)明的
8范圍的情況下，通道208，210可以具有各種其它的幾何形狀，例如截面為圓形、正方形、三角形、矩形、六邊形、正弦曲線形或其任意組合。另外，盡管顯示陶瓷結(jié)構(gòu)200為圓柱形，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，此種形狀僅僅是示例性的，本發(fā)明制造的陶瓷結(jié)構(gòu)可以具有各種形狀，包括但不限于塊狀、立方體形狀、四面體形狀等。所述陶瓷結(jié)構(gòu)200可以由任意合適的基于粘土的材料制備。示例性的材料包括各種基于粘土的陶瓷材料，包括但不限于堇青石、碳化硅、氮化硅、鈦酸鋁和富鋁紅柱石。在各種示例性的實(shí)施方式中，所述陶瓷結(jié)構(gòu)200可以例如通過(guò)將原料擠出和/或模塑為生坯結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行燒制，從而形成整體型結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟悉用來(lái)擠出和/或模塑這些生坯整體型結(jié)構(gòu)的各種技術(shù)。各種示例性實(shí)施方式的陶瓷結(jié)構(gòu)還可包括外皮，例如外皮214，形成所述結(jié)構(gòu)的外周側(cè)表面。所述外皮可以由與多孔壁相同或不同的材料制造，在各種實(shí)施方式中，其厚度可以大于多孔壁。在各種示例性的實(shí)施方式中，所述外皮可以與生坯結(jié)構(gòu)的其他部分一起擠出和/或模塑。在各種其它的示例性實(shí)施方式中，所述外皮可以是包在通道網(wǎng)絡(luò)的外部部分周圍的獨(dú)立結(jié)構(gòu)，與通道網(wǎng)絡(luò)一起進(jìn)行燒制，以形成陶瓷結(jié)構(gòu)。如上文所討論，所述陶瓷結(jié)構(gòu)芯內(nèi)有機(jī)材料燒盡(放熱過(guò)程)和粘土脫水(吸熱過(guò)程)的重疊可能產(chǎn)生內(nèi)熱引起的應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的內(nèi)部開(kāi)裂。在下文中將會(huì)更詳細(xì)地描述，本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)以下方式避免此種重疊；由此提高產(chǎn)品的殘存性在等于和/ 或低于閾值溫度的溫度下花預(yù)定量的時(shí)間(例如預(yù)定的最短時(shí)間段)，從而使得粘土開(kāi)始脫水之前有機(jī)材料基本完全燒盡。在一個(gè)示例性的實(shí)施方式中，本發(fā)明考慮了通過(guò)以下方式來(lái)防止所述重疊在初始燒制區(qū)間的第一階段期間，以較慢的第一定時(shí)溫度循環(huán)對(duì)燒制環(huán)境進(jìn)行加熱，從而使得在與生坯結(jié)構(gòu)的芯緊鄰的粘土開(kāi)始脫水之前有機(jī)材料基本完全燒盡，然后通過(guò)在初始燒制區(qū)間的第二階段期間，以較快的定時(shí)溫度循環(huán)對(duì)燒制環(huán)境進(jìn)行加熱而升溫。在另一個(gè)示例性的實(shí)施方式中，本發(fā)明考慮了通過(guò)以下方式避免所述重疊首先在初始加熱區(qū)間的第一階段期間以較快的定時(shí)溫度循環(huán)對(duì)燒制環(huán)境進(jìn)行加熱，將燒制環(huán)境在閾值溫度保持一段時(shí)間，從而使得在與芯緊鄰的粘土開(kāi)始脫水之前有機(jī)材料基本完全燒盡，然后在初始燒制區(qū)間的第二階段期間以較快的定時(shí)溫度循環(huán)重新開(kāi)始對(duì)燒制環(huán)境進(jìn)行加熱。不管在初始燒制區(qū)間的第一燒制階段和第二燒制階段選擇的具體的定時(shí)溫度循環(huán)，本發(fā)明認(rèn)為通過(guò)選擇定時(shí)溫度循環(huán)來(lái)避免在與生坯結(jié)構(gòu)的芯緊鄰處發(fā)生的有機(jī)材料燒盡與粘土脫水的過(guò)程重疊，同時(shí)使得完成初始燒制區(qū)間的總體時(shí)間縮短(例如最大程度減少)，由此縮短了(例如最大程度減少)總體的燒制循環(huán)時(shí)間。在本文中，術(shù)語(yǔ)“燒制循環(huán)”表示從初始燒制區(qū)間直到完全冷卻下來(lái)制得陶瓷結(jié)構(gòu)的完全的時(shí)間-溫度分布曲線。換而言之，術(shù)語(yǔ)“燒制循環(huán)”包括在結(jié)構(gòu)形成過(guò)程中發(fā)生的全部三個(gè)一般的區(qū)間(例如圖1中的101，102和103)，可以包括任意數(shù)量的不同的定時(shí)溫度循環(huán)。在本文中，術(shù)語(yǔ)“定時(shí)溫度循環(huán)”表示在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，燒制環(huán)境溫度的變化，包括例如在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)平均的可變速率的溫度升高(即可變變溫速率)，恒定的溫度升高(即恒定的變溫速率)，溫度保持(即在特定溫度保持恒定)以及/或者這些情況的任意組合。 在本文中，術(shù)語(yǔ)“平均變溫速率足以在與所述陶瓷結(jié)構(gòu)的芯緊鄰的粘土開(kāi)始脫水之前，基本完全燒盡有機(jī)材料的第一定時(shí)溫度周期”表示一種定時(shí)溫度循環(huán)，其能夠在與所述結(jié)構(gòu)的芯緊鄰的粘土脫水的吸熱過(guò)程開(kāi)始之前，使得約等于或大于90%的與所述陶瓷結(jié)構(gòu)的芯緊鄰的有機(jī)材料失重以及/或者放熱反應(yīng)完成，例如結(jié)果是在約等于或高于400°C，例如在約等于或高于425°C的溫度下，產(chǎn)生的熱量可忽略。對(duì)于特定的定時(shí)的溫度循環(huán)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠理解如何確定在粘土開(kāi)始脫水之前，有機(jī)材料是否基本完全燒盡，其方法是繪制陶瓷結(jié)構(gòu)的芯/外皮溫差(ΔΤ)(通過(guò)用計(jì)算得到)相對(duì)于陶瓷結(jié)構(gòu)外皮溫度的曲線圖(例如見(jiàn)圖4)，尋找是否存在對(duì)應(yīng)于粘土脫水階段的外皮溫度范圍內(nèi)(例如約400-600°C )的大的正的ΔΤ值 (例如正的峰)。在粘土脫水階段的任何部分的正的ΔΤ值約大于30°C都可表明有機(jī)材料燒盡和粘土脫水重疊。換而言之，當(dāng)繪制Δ T-外皮溫度曲線的時(shí)候，如果對(duì)應(yīng)于初始燒制區(qū)間的粘土脫水階段的外皮溫度范圍內(nèi)的ΔΤ約小于30°C，則在與陶瓷結(jié)構(gòu)的芯緊鄰的粘土開(kāi)始脫水之前，就發(fā)生了有機(jī)材料基本完全燒盡。如上文所討論，本發(fā)明揭示了發(fā)明人發(fā)現(xiàn)的理論，即為何在生坯結(jié)構(gòu)的一些燒制循環(huán)(例如在整個(gè)循環(huán)中采用較高燒制變溫速率的循環(huán))內(nèi)，陶瓷結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生內(nèi)部開(kāi)裂。 更具體來(lái)說(shuō)，由于延遲的放熱反應(yīng)在初始燒制區(qū)間的第二階段(例如在粘土脫水階段)發(fā)生的內(nèi)部開(kāi)裂也會(huì)使得有機(jī)材料燒盡和與結(jié)構(gòu)的芯緊鄰的粘土脫水重疊。為了完全理解這個(gè)問(wèn)題，本發(fā)明人使用實(shí)驗(yàn)燒制循環(huán)將各種示例性堇青石輕型柴油機(jī)過(guò)濾器的這些臨界定時(shí)溫度循環(huán)分離，如以下參照?qǐng)D2-7所示和所述。為了確定堇青石輕型柴油機(jī)過(guò)濾器的近似的最小燒制循環(huán)長(zhǎng)度(例如快速燒制的極限)，對(duì)各種多日的燒制循環(huán)(6天、5天、4天和3天)進(jìn)行了測(cè)試，初始燒制區(qū)間的第一階段和第二階段的結(jié)果繪制在圖3中。在各個(gè)燒制循環(huán)中，從繪制在圖3中的7天循環(huán)表示的80小時(shí)周期循環(huán)的基線，對(duì)初始燒制區(qū)間變溫速率(即從約180°C到約750°C的燒制環(huán)境溫度范圍的變溫速率)進(jìn)行變化。也就是說(shuō)，在基線循環(huán)中，初始燒制區(qū)間的第二階段在約80小時(shí)之后完成。下表總結(jié)了直徑5. 66 英寸X長(zhǎng)6英寸(5.66”x 6”)的堇青石輕型柴油機(jī)過(guò)濾器以及直徑7英寸X長(zhǎng)6英寸 (7”x 6”)的堇青石輕型柴油機(jī)過(guò)濾器在圖3所示的燒制循環(huán)的開(kāi)裂結(jié)果。對(duì)于本文所述的各種結(jié)果，通過(guò)對(duì)各被測(cè)過(guò)濾器的垂直截面和/或水平截面進(jìn)行觀察，來(lái)確定開(kāi)裂情況。表1 圖3所示的燒制循環(huán)的開(kāi)裂結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種對(duì)生坯結(jié)構(gòu)進(jìn)行燒制以制造陶瓷結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括在燒制生坯結(jié)構(gòu)的第一階段期間，在第一定時(shí)溫度循環(huán)內(nèi)加熱燒制環(huán)境，所述第一定時(shí)溫度循環(huán)的平均升溫速率足以在與陶瓷結(jié)構(gòu)的芯緊鄰的粘土開(kāi)始脫水之前，基本完全燒掉有機(jī)材料；在燒制的第二階段期間，在第二定時(shí)溫度循環(huán)內(nèi)加熱燒制環(huán)境，所述第二定時(shí)溫度循環(huán)的平均變溫速率大于所述第一定時(shí)溫度循環(huán)的平均變溫速率。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一階段期間對(duì)燒制環(huán)境進(jìn)行加熱包括將燒制環(huán)境從約180°C加熱至約425°C。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述在第一階段期間對(duì)燒制環(huán)境進(jìn)行加熱包括在第一定時(shí)溫度循環(huán)內(nèi)加熱所述燒制環(huán)境，所述第一定時(shí)溫度循環(huán)的平均變溫速率約小于或等于12°C/小時(shí)。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述在第一階段期間對(duì)燒制環(huán)境進(jìn)行加熱包括以約小于或等于25V /小時(shí)的平均變溫速率將所述燒制環(huán)境從約180°C加熱至約 ;350°C。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述在第一階段期間對(duì)燒制環(huán)境進(jìn)行加熱包括以約小于或等于25V /小時(shí)的平均變溫速率將所述燒制環(huán)境從約350°C加熱至約 425 "C。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述在第二階段期間對(duì)燒制環(huán)境進(jìn)行加熱包括將燒制環(huán)境從約425°C加熱至約750°C。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述在第二階段期間對(duì)燒制環(huán)境進(jìn)行加熱包括在第二定時(shí)溫度循環(huán)內(nèi)加熱所述燒制環(huán)境，所述第二定時(shí)溫度循環(huán)的平均變溫速率約小于或等于75°C/小時(shí)。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，從第一階段開(kāi)始到第二階段完成的時(shí)間約小于或等于62小時(shí)。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述燒制的第二階段期間，在與生坯結(jié)構(gòu)的芯緊鄰的位置和與生坯結(jié)構(gòu)的頂部外皮部分緊鄰的位置的最大溫差約小于或等于30°C。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述燒制的第二階段期間，在與生坯結(jié)構(gòu)的芯緊鄰的位置和與生坯結(jié)構(gòu)的頂部外皮部分緊鄰的位置的最大溫差約小于或等于o°c。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述在第一階段期間，在第一定時(shí)溫度循環(huán)內(nèi)對(duì)燒制環(huán)境進(jìn)行加熱包括將燒制環(huán)境加熱至低于或等于閾值溫度至少一段預(yù)定的最短時(shí)間段。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述閾值溫度約為400-425°C，所述預(yù)定的最短時(shí)間段約為24-46小時(shí)。
13.一種多孔陶瓷結(jié)構(gòu)，其通過(guò)包括以下步驟的方法制備將包含粘土材料和有機(jī)材料的原料成形為生坯結(jié)構(gòu)；以及在燒制環(huán)境中對(duì)所述生坯結(jié)構(gòu)進(jìn)行燒制，其中，所述燒制包括在第一時(shí)間段內(nèi)將所述燒制環(huán)境加熱至低于或等于第一閾值溫度，所述第一時(shí)間段內(nèi)加熱足以在與所述生坯結(jié)構(gòu)的芯緊鄰的粘土材料開(kāi)始脫水之前，基本完全燒掉有機(jī)材料，以及在第二時(shí)間段內(nèi)將所述燒制環(huán)境從所述第一閾值溫度加熱至第二閾值溫度，所述第二閾值溫度高于第一閾值溫度，在此第二時(shí)間段加熱期間，發(fā)生粘土脫水，其中，從第一閾值溫度到第二閾值溫度的平均變溫速率可以約為11-75°C /小時(shí)。
14.如權(quán)利要求13所述的陶瓷結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述有機(jī)材料包括粘合劑和淀粉。
15.如權(quán)利要求13所述的陶瓷結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述陶瓷結(jié)構(gòu)包括微粒過(guò)濾器。
16.如權(quán)利要求15所述的陶瓷結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述陶瓷結(jié)構(gòu)包括輕型和重型柴油機(jī)微粒過(guò)濾器中的一種。
17.如權(quán)利要求13所述的陶瓷結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一時(shí)間段和第二時(shí)間段總共約等于或小于62小時(shí)。
18.如權(quán)利要求13所述的陶瓷結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一閾值溫度約為425°C。
19.如權(quán)利要求18所述的陶瓷結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述在第一時(shí)間段內(nèi)將燒制環(huán)境加熱至等于或低于第一閾值溫度包括以約小于或等于12°C /小時(shí)的平均變溫速率對(duì)燒制環(huán)境進(jìn)行加熱。
20.如權(quán)利要求13所述的陶瓷結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二閾值溫度約為750°C。
21.如權(quán)利要求13所述的陶瓷結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述在第一時(shí)間段內(nèi)將燒制環(huán)境加熱至等于或低于第一閾值溫度包括將燒制環(huán)境加熱至低于或等于所述第一閾值溫度至少一段預(yù)定的最短時(shí)間段。
22.如權(quán)利要求21所述的陶瓷結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一閾值溫度約為400-425°C， 所述預(yù)定的最短時(shí)間段約為M-46小時(shí)。
23.—種對(duì)生坯結(jié)構(gòu)進(jìn)行燒制以形成陶瓷結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括在第一時(shí)間段內(nèi)將燒制環(huán)境加熱至第一閾值溫度，所述第一時(shí)間段加熱足以在與所述生坯結(jié)構(gòu)的芯區(qū)域緊鄰的粘土材料開(kāi)始脫水之前，基本完全燒掉與生坯結(jié)構(gòu)的芯緊鄰的有機(jī)材料；在第二時(shí)間段內(nèi)將所述燒制環(huán)境從所述第一閾值溫度加熱至第二閾值溫度，所述第二閾值溫度高于第一閾值溫度，在此第二時(shí)間段加熱期間，發(fā)生所述生坯結(jié)構(gòu)的粘土脫水，其中，從第一閾值溫度到第二閾值溫度的平均變溫速率約為11_75°C /小時(shí)。
全文摘要
一種燒制生坯結(jié)構(gòu)以制造陶瓷結(jié)構(gòu)的方法，該方法可以包括在燒制生坯結(jié)構(gòu)的第一階段期間，在第一定時(shí)溫度循環(huán)內(nèi)加熱燒制環(huán)境，所述第一定時(shí)溫度循環(huán)的平均變溫速率足以在與陶瓷結(jié)構(gòu)的芯緊鄰的粘土開(kāi)始脫水之前，基本完全燒掉有機(jī)材料。該方法還包括在燒制的第二階段期間，在第二定時(shí)溫度循環(huán)內(nèi)加熱燒制環(huán)境，所述第二定時(shí)溫度循環(huán)的平均升溫速率大于所述第一定時(shí)溫度循環(huán)的平均升溫速率。
文檔編號(hào)C04B35/195GK102414145SQ201080019240
公開(kāi)日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2010年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月27日
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