專利名稱：：用于高孔隙率陶瓷體的低熱膨脹系數(shù)粘合系統(tǒng)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明一般涉及一種高孔隙率陶瓷體的粘合系統(tǒng)，特別涉及一種用于粘合相鄰纖維以形成陶瓷體的低熱膨脹系數(shù)粘合系統(tǒng)，以及制造此陶瓷體的方法。
背景技術(shù)：
：高級(jí)陶瓷材料被普遍用于處于惡劣環(huán)境中的系統(tǒng)，例如，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)(例如催化轉(zhuǎn)化器)、航空航天應(yīng)用(例如航天飛機(jī)防熱瓦)、耐火操作(例如耐火磚)和電子設(shè)備(例如電容器、絕緣器)。多孔陶瓷體特別用作這些環(huán)境中的過(guò)濾器。例如，現(xiàn)在的汽車工業(yè)采用陶瓷蜂窩基底(即一種多孔陶瓷體)作為廢氣的催化氧化和還原主體，并過(guò)濾顆粒排放物。蜂窩狀陶瓷基底為過(guò)濾提供了高比表面積，并為催化反應(yīng)提供支持，同時(shí)，它在與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境相關(guān)的高運(yùn)行溫度下能保持穩(wěn)定和非常可靠的結(jié)構(gòu)。一般說(shuō)來(lái)，目前的許多高級(jí)多孔陶瓷體是用復(fù)合陶瓷材料(即不同陶瓷材料和/或陶瓷材料的不同相的組合物)制成的。復(fù)合材料可以改變材料的特征使其適合特定用途。即，可以將兩種或多種不同材料和/或一種材料的不同相組合起來(lái)制成一種復(fù)合材料，其材料性質(zhì)可通過(guò)用于形成復(fù)合材料的各種不同材料和/或不同相的比例和位置控制。在惡劣環(huán)境中使用復(fù)合材料，例如，極端溫度環(huán)境，由于各種組合材料的熱膨脹性質(zhì)差異，可能導(dǎo)致開(kāi)裂。此外，具有高熱膨脹系數(shù)的材料也可能發(fā)生不必要的膨脹，從而使設(shè)計(jì)受限并導(dǎo)致設(shè)計(jì)失效。
發(fā)明內(nèi)容一般而言，本文所述的實(shí)施方式提供了多孔陶瓷復(fù)合材料及其制備方法。此多孔陶瓷復(fù)合材料包含大量纖維，這些纖維用一種低熱膨脹系數(shù)材料粘合。特別是，此多孔陶瓷復(fù)合材料是由大量纖維和一種粘合系統(tǒng)形成的陶瓷體，這些纖維具有第一熱膨脹系數(shù)，此粘合系統(tǒng)具有第二熱膨脹系數(shù)。第二熱膨脹系數(shù)比第一熱膨脹系數(shù)低，因此，當(dāng)纖維和粘合系統(tǒng)結(jié)合，所形成的多孔陶瓷體具有第三熱膨脹系數(shù)，此系數(shù)介于第一和第二系數(shù)之間。一般來(lái)講，粘合系統(tǒng)是在多孔陶瓷體的加工過(guò)程中形成的。即是，具有低熱膨脹系數(shù)的粘合系統(tǒng)是由兩種或多種成分發(fā)生反應(yīng)形成的。將低熱膨脹系數(shù)材料用于粘合系統(tǒng)，即可制造出一種在高溫下具有最小開(kāi)裂和最小膨脹的多孔陶瓷體。一方面，本公開(kāi)所述的實(shí)施方式針對(duì)一種多孔陶瓷體，包括一種纖維基底，此基底包含大量具有第一熱膨脹系數(shù)的纖維，和一種具有第二熱膨脹系數(shù)的粘合系統(tǒng)。第二熱膨脹系數(shù)低于第一熱膨脹系數(shù)。粘合系統(tǒng)局部粘合了此大量纖維中的至少兩個(gè)纖維，形成一種多孔陶瓷體。本發(fā)明此方面的實(shí)施方式可包含下列一項(xiàng)或多項(xiàng)特征。在一些實(shí)施方式中，多孔陶瓷體的熱膨脹系數(shù)至少比第一熱膨脹系數(shù)低約10%(例如10%、15%、20%等)。在某些實(shí)施方式中，多孔陶瓷體的熱膨脹系數(shù)至少比第一熱膨脹系數(shù)低約20%以上(例如25%、30%、40%、50%、60%、70%等)。用于多孔陶瓷體的粘合系統(tǒng)可包含一種單相材料，例如，一種玻璃、一種玻璃-陶瓷、一種陶瓷或金屬。在其他實(shí)施方式中，粘合系統(tǒng)為一種多相材料。即，粘合系統(tǒng)包含兩相或多相。用于多孔陶瓷體的纖維可為陶瓷纖維中的任何一種，包括但不限于玻璃纖維(例如E-玻璃纖維或S-玻璃纖維)、耐火陶瓷纖維(例如硅酸鋁纖維、莫來(lái)石纖維、氧化鋁纖維或碳化硅纖維)、生物可溶性纖維(例如玻璃質(zhì)硅酸鎂纖維或硅酸鈣纖維)。一般來(lái)講，纖維的縱橫比為大于l但小于或等于2，000。一般來(lái)講，纖維的直徑范圍為約100納米至約100微米。在某些實(shí)施方式中，纖維直徑范圍為約100納米至約10微米，而在一些實(shí)施方式中，纖維直徑范圍為2微米至10微米。在另一方面，本文所述的實(shí)施方案針對(duì)一種多孔陶瓷體，該陶瓷體包含大量用一種粘合系統(tǒng)粘合的纖維，此粘合系統(tǒng)的熱膨脹系數(shù)比纖維的熱膨脹系數(shù)低。此粘合系統(tǒng)粘合了此大量纖維中的至少部分相鄰纖維，形成一種多孔陶瓷體，其孔隙率約大于20%。粘合系統(tǒng)形成陶瓷體的約10體積％至約60體積％(即占形成陶瓷體的材料體積(不包括孔)的約10%至約60%)。本發(fā)明此方面的實(shí)施方式可包含下列一項(xiàng)或多項(xiàng)特征。在一些實(shí)施方式中，多孔陶瓷體的熱膨脹系數(shù)至少比纖維的熱膨脹系數(shù)低約10%。在某些實(shí)施方式中，多孔陶瓷體的熱膨脹系數(shù)至少比第一熱膨脹系數(shù)低約20%以上。用于多孔陶瓷體的粘合系統(tǒng)可包含一種單相材料，例如，一種玻璃、一種玻璃-陶瓷、一種陶瓷或一種金屬。在其他實(shí)施方式中，粘合系統(tǒng)為一種多相材料。即，粘合系統(tǒng)包含兩相或多相。用于多孔陶瓷體的纖維可為陶瓷纖維中的任何一種，包括但不限于玻璃纖維(例如E-玻璃纖維或S-玻璃纖維)、耐火陶瓷纖維(例如硅酸鋁纖維、莫來(lái)石纖維、氧化鋁纖維或碳化硅纖維)、生物可溶性纖維(例如玻璃質(zhì)硅酸鎂纖維或硅酸鈣纖維)。一般來(lái)講，纖維的縱橫比為大于1但小于或等于2,000。一般來(lái)講，纖維的直徑范圍為約100納米至約100微米。在某些實(shí)施方式中，纖維直徑范圍為約100納米至約10微米，而在一些實(shí)施方式中，纖維直徑范圍為2微米至10微米。在某些實(shí)施方式中，多孔陶瓷體還包含沉積于此大量纖維中的至少部分纖維上的催化涂層。另一方面，本文描述的實(shí)施方式針對(duì)一種形成多孔體的方法。此方法包括提供一種混合物，此混合物包含大量具有第一熱膨脹系數(shù)的纖維和至少兩種反應(yīng)成分；此混合物形成一種纖維體，至少兩種反應(yīng)成分發(fā)生反應(yīng)形成具有第二熱膨脹系數(shù)的粘合系統(tǒng)，第二熱膨脹系數(shù)比第一熱膨脹系數(shù)低。粘合系統(tǒng)局部粘合此大量纖維中至少兩個(gè)纖維，形成多孔體。本發(fā)明此方面的實(shí)施方式可包含下列一項(xiàng)或多項(xiàng)特征。在一些實(shí)施方式中，使用此方法形成的多孔陶瓷體具有第三熱膨脹系數(shù)，此熱膨脹系數(shù)至少比第一熱膨脹系數(shù)低約10%。在某些實(shí)施方式中，多孔陶瓷體的熱膨脹系數(shù)至少比第一熱膨脹系數(shù)低約20%以上。為了形成纖維體，可使用已知的擠出方法擠出混合物。在其他實(shí)施方式中，此混合物可用模具成型或用其他方式成型。在某些實(shí)施方式中，粘合系統(tǒng)包含一種單相材料，例如一種玻璃、一種陶瓷、一種玻璃-陶瓷、或金屬。在其他實(shí)施方式中，粘合系統(tǒng)可能為一種復(fù)合材料，或一種微裂紋材料。在其他實(shí)施方式中，粘合系統(tǒng)包含一種多相材料。本發(fā)明的此方面使用的混合物還包含一種或多種選自以下群組的添加劑一種流體、一種粘合劑和一種造孔劑。這些添加劑可用于獲得將混合物擠出或成型為纖維體所需的粘稠度。在其他實(shí)施方式中，這些添加劑中的一種或多種增大了所得多孔陶瓷體的孔隙率。在某些實(shí)施方式中，通過(guò)加熱纖維體可基本除去此添加劑。在另一方面，本文描述的實(shí)施方式針對(duì)一種多孔蜂窩體。此蜂窩體包含一系列蜂窩狀壁，此壁界定了相鄰壁間的通道。此壁含有大量纖維，這些纖維經(jīng)粘合形成一種具有一開(kāi)放孔網(wǎng)絡(luò)的多孔結(jié)構(gòu)。蜂窩體，即一系列壁，所具有的熱膨脹系數(shù)比此大量纖維的熱膨脹系數(shù)低。本發(fā)明此方面的實(shí)施方式可包含下列一項(xiàng)或多項(xiàng)特征。此蜂窩體可用于形成一種過(guò)濾器，例如用于柴油廢氣的過(guò)濾器。在一實(shí)施方式中，此過(guò)濾器可包含一外殼，此外殼包括一個(gè)入口和一個(gè)出口，入口和出口間放置多孔蜂窩體。在一些實(shí)施方式中，此過(guò)濾器還包含至少一種沉積于壁上的大量纖維上的催化劑(例如，一種催化涂層)。在另一方面，本文描述的實(shí)施方式針對(duì)一種形成多孔蜂窩狀基底的方法。此方法包括將大量纖維、流體和兩種或多種反應(yīng)成分混合，形成一種可擠出混合物；將混合物擠出形成一種蜂窩狀基底；加熱蜂窩狀基底除去流體;以及使兩種或多種反應(yīng)成分反應(yīng)，在此大量纖維中的至少兩個(gè)纖維間部分形成一種粘合材料。通過(guò)反應(yīng)形成的這種粘合材料的熱膨脹系數(shù)比此大量纖維的熱膨脹系數(shù)低。在附圖中，不同視圖中相同的引用字符通常指相同部件。并且，這些附圖并不一定符合比例，其重點(diǎn)在于描述本發(fā)明的原理。圖1為符合本公開(kāi)一實(shí)施方案的一種多孔陶瓷體的剖面示意圖。圖2為符合本公開(kāi)一實(shí)施方案的一種多孔陶瓷體的形成方法示意圖。圖3A和3B分別為加熱處理前后造孔劑和粘合劑存在和不存在時(shí)的剖面示意圖。圖4為多孔陶瓷體局部放大剖面示意圖。圖5為多孔陶瓷體的其他實(shí)施方式的局部剖面示意圖。圖6為多孔陶瓷體另一實(shí)施方式的局部剖面示意圖。圖7為一個(gè)蜂窩體的透視圖。圖8為相互粘合形成一較大體的多個(gè)蜂窩體的透視圖。圖9為一種包含圖7所示蜂窩體的過(guò)濾器的剖面示意圖。圖10為符合本公開(kāi)一實(shí)施方案的一種蜂窩體的形成方法示意圖。具體實(shí)施例方式化石燃料成本的上升以及環(huán)境問(wèn)題使提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率同時(shí)維持汽車性能的需求日益突出。由于柴油汽車(例如，柴油機(jī)轎車、柴油機(jī)卡車、柴油機(jī)公共汽車)的市場(chǎng)占有率，特別是在人口密集地區(qū)，因此改進(jìn)其效率尤為重要。將復(fù)合陶瓷纖維材料用于柴油機(jī)過(guò)濾器有助于達(dá)到這些效率。例如，比起其他材料，例如金屬，陶瓷材料的重量較輕。此外，陶瓷材料可耐受高溫惡劣環(huán)境，例如催化過(guò)濾器周圍的環(huán)境。此外，可改變復(fù)合陶瓷材料的性質(zhì)，以提供最佳材料性能。在柴油機(jī)汽車中，在催化過(guò)濾器內(nèi)使用具有高熱膨脹系數(shù)的復(fù)合陶瓷材料會(huì)減弱或降低性能和/或設(shè)計(jì)靈活性。特別是，柴油機(jī)過(guò)濾器可能會(huì)在再生過(guò)程(即用于燒除嵌在過(guò)濾器內(nèi)的顆粒的一種高溫循環(huán))中開(kāi)裂。因此，應(yīng)盡可能降低用于柴油機(jī)過(guò)濾器的復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)，這是有益的。此外，柴油機(jī)過(guò)濾器的性能隨熱震參數(shù)(TSP)值的增加而增加。熱震參數(shù)的定義如下TSP二斷裂模量(M0R)除以楊氏模量與復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)的乘積。因此，具有低熱膨脹系數(shù)的復(fù)合材料將具有更好的性能。現(xiàn)在看圖，圖1顯示了可用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的催化過(guò)濾器中的一種多孔陶瓷體100的一部分。此多孔陶瓷體100包括大量纖維110和一種粘合劑系統(tǒng)115。粘合劑系統(tǒng)115局部粘合了兩個(gè)或多個(gè)相鄰纖維(例如110a、110b和110c)，從而形成陶瓷體100的結(jié)構(gòu)。相鄰纖維，例如，110a、110b和110c，界定了陶瓷體100內(nèi)的孔120。一般來(lái)講，可將多孔陶瓷纖維體100的孔隙率選為任何值(例如超過(guò)0%但小于99%)。在某些實(shí)施方式中，陶瓷體100的孔隙率至少為約20%。在一些實(shí)施方式中，陶瓷體的孔隙率超過(guò)約20%(例如25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%等)。在某些實(shí)施方式中，陶瓷體100包含一開(kāi)放孔網(wǎng)絡(luò)。g卩，？L120形成通道，使流體(例如氣體)可以流過(guò)陶瓷體100。纖維110與粘合系統(tǒng)115相結(jié)合，形成多孔陶瓷體100(即，一種復(fù)合陶瓷體)。多孔陶瓷體100內(nèi)存在的纖維110和粘合系統(tǒng)115會(huì)影響復(fù)合材料的材料性質(zhì)。即，多孔陶瓷體100的材料性質(zhì)取決于纖維和粘合系統(tǒng)115的材料性質(zhì)和相對(duì)含量。因此，可通過(guò)選擇纖維、粘合系統(tǒng)的具體濃度，可能還要選擇纖維和粘合系統(tǒng)的尺寸、形狀、分布和方向，改變復(fù)合材料(即陶瓷體100)的材料性質(zhì)，使其適合具體應(yīng)用。例如，本發(fā)明的一實(shí)施方式的多孔陶瓷體100(即a陶瓷體)的熱膨脹系數(shù)通常定義如下陶瓷體=纖維+V粘合系統(tǒng)(粘合系統(tǒng)—纖維)其中粘合系統(tǒng)和纖維的體積分?jǐn)?shù)之和(即V粘合系統(tǒng)和V纖維)等于1(即100%)。在本發(fā)明的陶瓷體中(例如陶瓷體100)，纖維110的熱膨脹系數(shù)比粘合系統(tǒng)115的熱膨脹系數(shù)大。S卩，ff(文中也稱為第一熱膨脹系數(shù))比粘合系統(tǒng)大(文中也稱為第二熱膨脹系數(shù))。在一些實(shí)施方式中，第二熱膨脹系數(shù)至少比第一熱膨脹系數(shù)低約15%或低更多(例如20%、25%、30%等)。粘合系統(tǒng)的熱膨脹系數(shù)低于纖維時(shí)，使用此粘合系統(tǒng)制得的陶瓷體100具有的熱膨脹系數(shù)比纖維的熱膨脹系數(shù)低。此外，體積分?jǐn)?shù)介于約40%至約99%時(shí)，陶瓷體100的熱膨脹系數(shù)取決于粘合系統(tǒng)的熱膨脹系數(shù)。例如，如果纖維的熱膨脹系數(shù)為5，將此纖維與熱膨脹系數(shù)為4的粘合系統(tǒng)結(jié)合，粘合系統(tǒng)的體積分?jǐn)?shù)(V為.75，則所得復(fù)合物的熱膨脹系數(shù)為4.25，此值比纖維的熱膨脹系數(shù)低15%，但僅比粘合系統(tǒng)的熱膨脹系數(shù)高6%。也可將有微裂紋的材料用于粘合系統(tǒng)，這樣可有效降低粘合系統(tǒng)115的熱膨脹系數(shù)，降低陶瓷體100的熱膨脹系數(shù)。由于亞微米大小的裂縫或裂隙的存在，這些裂縫或裂隙會(huì)在材料加熱膨脹時(shí)閉合，冷卻時(shí)裂開(kāi)，因此用作粘合系統(tǒng)115中的組分的微裂紋材料具有低表觀熱膨脹系數(shù)，可以減弱超溫時(shí)聚集的應(yīng)力。例如，氧化鋁(A1203)和鈦氧化物，或氧化鈦(Ti02)可發(fā)生反應(yīng)形成鈦酸鋁(Al2Ti05)，這種物質(zhì)具有正交晶體結(jié)構(gòu)，能夠在燒結(jié)的多晶或非晶材料中形成穩(wěn)定的微裂紋結(jié)構(gòu)。在此例子中，鈦酸鋁材料可提供一種低表觀熱膨脹系數(shù)材料，此材料在陶瓷體100的相鄰纖維110間形成陶瓷粘合。鈦酸鋁材料可通過(guò)添加氧化鋁基組分和鈦基組分通過(guò)反應(yīng)形成。同樣地，鈦酸鋁的反應(yīng)形成可通過(guò)氧化鋁或氧化鈦基添加劑與來(lái)自纖維110組成物中的氧化鋁及/或氧化鈦成分反應(yīng)實(shí)現(xiàn)，從而在二氧化硅基玻璃基體內(nèi)形成微裂紋鈦酸鋁結(jié)構(gòu)。參閱圖2，多孔體(例如，陶瓷體100)的一種形成方法，包括三個(gè)步驟，210、220和230。首先，在步驟210中，將含有大量纖維(例如纖維110)的混合物和用于形成粘合系統(tǒng)的成分(例如115)混合。這些成分可為顆粒、粉末、纖維或液體。此混合物可通過(guò)單獨(dú)的步驟提前制備，提供給多孔體制造商。除了用來(lái)形成粘合系統(tǒng)的纖維和成分，也可將其他添加劑，例如造孔劑和流變改性劑(例如流體、粘合劑、增塑劑)加入混合物。造孔劑為多孔陶瓷體100提供了額外的開(kāi)放空間，流變改性劑有助于混合物的成型或形成。接下來(lái)，如步驟220所示，用混合物形成纖維體。在一些實(shí)施方式中，混合物可擠出成型、通過(guò)模具成型或用其他方法成型?？杉訜岢尚臀?，以除去部分或全部造孔劑和流變改性劑(見(jiàn)圖3A和3B，這兩幅圖分別顯示了造孔劑305和粘合劑310存在和不存在時(shí)的狀況)。從而減少或除去過(guò)量的水和添加劑，以實(shí)現(xiàn)纖維與纖維的接觸。進(jìn)一步加熱可形成纖維間的粘合。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，可以通過(guò)多種方式形成粘合。例如，可對(duì)纖維進(jìn)行加熱以在兩纖維相交處形成流體輔助的燒結(jié)粘合。在其他實(shí)施方式中，粘合通過(guò)存在于混合物中的無(wú)機(jī)粘合劑產(chǎn)生，該混合物將纖維在連接的網(wǎng)絡(luò)中結(jié)合在一起，并且不會(huì)在步驟220中被燒除。最終，混合物內(nèi)的成分反應(yīng)形成粘合系統(tǒng)。即是，這些成分通過(guò)反應(yīng)(例如成分間發(fā)生反應(yīng))形成粘合系統(tǒng)115，此系統(tǒng)的熱膨脹系數(shù)比纖維110的低。在一個(gè)實(shí)施方式中，將成型物加熱，啟動(dòng)各成分的反應(yīng)。一般來(lái)講，在步驟220中，這些成分傾向于在纖維相交處沉積，這樣當(dāng)發(fā)生反應(yīng)時(shí)，粘合系統(tǒng)115就可以將相鄰纖維粘合起來(lái)(例如圖1中的110a、110b、110c)，從而增強(qiáng)成型物，得到多孔陶瓷體。反應(yīng)成分示例如下表1所示<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>鋰鋁氧化物粉+膠體二氧化硅J3-鋰霞石表1:反應(yīng)成分及所得粘合系統(tǒng)示例也對(duì)陶瓷體進(jìn)行其他熱處理和/或涂上其他涂層(例如催化涂層)，如可選步驟240和250所示。粘合系統(tǒng)在步驟230形成，如圖2所示，此系統(tǒng)的熱膨脹系數(shù)比纖維的熱膨脹系數(shù)低。由于所有用方法200生成的粘合系統(tǒng)均有此特性，因此粘合系統(tǒng)本身有許多實(shí)施方式。例如，參見(jiàn)圖4，粘合系統(tǒng)415可為一種單相材料，例如一種玻璃、一種陶瓷、一種玻璃陶瓷或金屬。即，這些組分發(fā)生反應(yīng)形成一種單相材料，將兩個(gè)或多個(gè)纖維110局部粘合起來(lái)。在另一實(shí)施方式中，如圖5所示，粘合系統(tǒng)515可為雙相材料，其中各種組分反應(yīng)形成一種基體，基體中包含第一相材料517和沉積在基體內(nèi)的第二相材料519。例如，在一實(shí)施方式中，第一相材料517含有一種玻璃，第二相材料含有一種玻璃-陶瓷。也可能為其他材料/相組分。例如，第一相材料517可由一種陶瓷材料構(gòu)成，第二相材料519可包含一種玻璃。在另一說(shuō)明性實(shí)施方式中，第一相517由第一種玻璃構(gòu)成，第二相由第二種玻璃519構(gòu)成。在另一實(shí)施方式中，第一相517含有一種陶瓷，第二相含有一種金屬。參閱圖6，可用于一多孔陶瓷體中的另一粘合系統(tǒng)615，包含第一相617、第二相619和第三相621。根據(jù)此實(shí)施方式的一說(shuō)明性粘合系統(tǒng)包含玻璃形成的第一相617、玻璃-陶瓷形成的第二相619和陶瓷形成的第三相621。也可能為其他三相粘合系統(tǒng)實(shí)施方式。此外，還應(yīng)了解，可使用任何數(shù)量的相/材料(例如，一、二、三、四、五等)形成粘合系統(tǒng)。即，方法200中的步驟210和230所述的反應(yīng)成分形成的粘合系統(tǒng)可以包含任何數(shù)量的材料和/或相，只要粘合系統(tǒng)的熱膨脹系數(shù)比纖維的熱膨脹系數(shù)低。本發(fā)明的陶瓷體主要由纖維構(gòu)成，使粘合系統(tǒng)，作為一單相或多相組分，通常導(dǎo)致總體積分?jǐn)?shù)約為5%至49%。用于形成粘合系統(tǒng)的玻璃的一說(shuō)明性列表包括二氧化硅玻璃、硼硅酸鹽玻璃、Ti02-Si02、二硅酸釔(Y203-Si02)、硅酸鈰(Ce02-Si02)、Cu20-Al203_Si02和磷酸鹽玻璃。用于形成粘合系統(tǒng)的玻璃-陶瓷的一說(shuō)明性列表包括堇青石、鋁酸鈣、P-鋰輝石、P-鋰霞石、Zr2P209、綠玉石(Be3Al2S:U018)、硅酸鋁鋇(BaAl2Si208)、硅酸鋁鍶(SrAl2Si208)、磷酸鋯鈉(NaZr2(P04)3)、磷酸鈦轉(zhuǎn)鋯(CaZr4Pfi024)和鴇酸鋯(ZrW207，或ZrV207)。用于形成粘合系統(tǒng)的陶瓷的一說(shuō)明性列表包括鈦酸鋁、氧化鋯鈦(ZrTi04)、鈦酸鉿(HfTi04)、碳化硅、氮化硅、氮化鋁和鈮酸鎂鉛(PMN)。多孔陶瓷體(例如圖1中所示的體100)中使用的纖維IIO為陶瓷纖維。這些纖維的縱橫比(即纖維長(zhǎng)度除以纖維直徑的比率)大于一。纖維這種材料的長(zhǎng)度大于直徑，例如，縱橫比超過(guò)一，或超過(guò)三，纖維不包含單晶結(jié)構(gòu)，例如晶須，或自然生成的細(xì)長(zhǎng)或非球狀顆粒，也不是顆粒的聚集體，這種聚集體的形狀可能不為通常的球形。纖維，可自然生成，也可人工合成，是本領(lǐng)域中已知的，常用于耐火制品，例如用作毯子、墊子和障礙物的隔熱層。如本文所用，出于簡(jiǎn)便考慮，在確定纖維"直徑"時(shí)假定纖維橫截面的形狀為圓形；這種簡(jiǎn)化假定在應(yīng)用于纖維時(shí)不考慮其實(shí)際的橫截面形狀(例如方形、矩形等)。在某些實(shí)施方式中，纖維的縱橫比小于或等于2,000。即，在某些實(shí)施方式中，纖維的直徑為微米或亞微米級(jí)(例如1微米)，纖維的長(zhǎng)度則為幾毫米(例如2毫米)。一般來(lái)講，纖維的直徑范圍為約100納米至約100微米。但是，在某些實(shí)施方式中，纖維的直徑為約100納米至約10微米，而在一些實(shí)施方式中，纖維的直徑為約2微米至約10微米。纖維可由任何類型的陶瓷材料形成，例如耐火陶瓷材料(例如硅酸鋁纖維)。在一些實(shí)施方式中，纖維為生物可溶性，即纖維可在人體或生物體內(nèi)溶解。用于方法200中的陶瓷纖維的一說(shuō)明性列表包括但不限于，氧化鋁、二氧化硅、氧化鋯、氧化鈦、硅酸鋁、莫來(lái)石、硅酸硼鋁、碳化硅、氮化硅、氮化鋁、氮氧化硅、碳氮化硅、堇青石、e-鋰輝石、羥基磷灰石、釔鋁石榴石、氧化鋁增強(qiáng)熱障、氧化鋁二氧化硅氧化鋯、氧化鋁二氧化硅氧化鉻、硅酸鎂、硅酸鍶鎂、硅酸鍶鈣鎂、硅酸鋁鍶、硅酸鋁鋰、鈦酸鋁、鈦酸鍶、碳化鈦、硅酸鋁鈣、"IS0FRAX"(—種生物可溶性玻璃質(zhì)硅酸鎂纖維，來(lái)自UnifraxCorporation,NiagraFalls,NY)和"SUPERW00L"(一種生物可溶性產(chǎn)品家族，來(lái)自ThermalCeramics,AugustaGA)。參閱圖7，圖中顯示了一多孔蜂窩體710。蜂窩體710具有一系列壁715，這些壁界定了相鄰壁715間的通道720。壁715包含上文所述的多孔陶瓷體(例如體100)。g卩，壁715包含大量纖維，這些纖維用一種具有低熱膨脹系數(shù)的粘合系統(tǒng)粘合，形成一種具有開(kāi)放孔網(wǎng)絡(luò)的多孔結(jié)構(gòu)。由于粘合系統(tǒng)的熱膨脹系數(shù)較低，壁的熱膨脹系數(shù)比此大量纖維的低。蜂窩體710可制成多種形狀，例如，圓柱體(如圖7所示)、扇形或接近圓柱體、長(zhǎng)方形(如圖8所示)，或菱形?？蓪⑦@些蜂窩體710粘起來(lái)形成一分段體，如圖8所示。通過(guò)將這些體粘合起來(lái)，可制得任何大小、形狀或尺寸的蜂窩形式。由于采用了低熱膨脹系數(shù)的多孔復(fù)合材料，因此不必用低楊氏模量的膠/粘合劑粘合較小部件以形成較大形狀，即可擠出或形成寬度較大(例如直徑為5.66英寸至14英寸)的形狀(例如圓柱體)。擠出或形成較大寬度的能力提供了生產(chǎn)工藝上的靈活性，并可能降低批量生產(chǎn)的成本。圖9描繪了用圖7的多孔蜂窩體710制成的過(guò)濾器900的剖面圖。過(guò)濾器900包含一個(gè)外殼920，此外殼包在多孔陶瓷體710夕卜。外殼包含一個(gè)入口905和一個(gè)出口907，供氣體(例如廢氣)穿過(guò)。外殼920和蜂窩體710間為墊子930，起到支持和形成外殼920和蜂窩體710間的氣密層的作用。通過(guò)用出口封堵塊960和入口封堵塊970有選擇地封堵相間通道，形成大量入口通道940和出口通道950，使蜂窩體710具有一種壁流結(jié)構(gòu)。在此實(shí)施方式中，壁715內(nèi)的開(kāi)放孔網(wǎng)絡(luò)提供了足夠的孔隙率和滲透率，可以允許通過(guò)入口和出口通道940、950間的壁715。因此，顆粒狀物質(zhì)可以在入口通道壁940上聚集，并通過(guò)過(guò)濾器900的氣流將其除去。涂層，例如催化涂層或其他反應(yīng)涂層，可以在壁715表面或內(nèi)部沉積，以提高壁715捕獲的顆粒的氧化率。例如，對(duì)于用于柴油機(jī)汽車環(huán)境中的過(guò)濾器，壁715上可涂上催化涂層，以促進(jìn)聚集的煙塵的氧化，并加快廢氣向危害性較小的成分的轉(zhuǎn)化。必須涂上洗涂層和催化劑涂層，以防它們破壞粘合系統(tǒng)基體組分的化學(xué)性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)?？墒褂闷渌呋瘎?，例如膜型洗涂層和可用于在膜/流體接口進(jìn)行物理和/或化學(xué)分離的催化劑。將復(fù)合基體結(jié)構(gòu)和微裂紋結(jié)構(gòu)涂上涂層的工藝是本領(lǐng)域廣為人知的工藝。圖10描述了形成蜂窩體的一種方法，例如圖7所示的蜂窩體710。首先，如步驟1010所述，將大量纖維、流體和兩種或多種反應(yīng)成分混合，形成可擠出混合物。混合物中添加的流體可包含流變改性劑，以實(shí)現(xiàn)混合物的有效擠出。獲得所需的粘稠度后，將混合物擠出形成蜂窩體(步驟1020)，然后加熱除去過(guò)量流體(步驟1030)。最后，加熱或用另一種催化劑使兩種或多種反應(yīng)成分反應(yīng)，在纖維間形成粘合材料(步驟1040)。所得粘合材料的熱膨脹系數(shù)比纖維的熱膨脹系數(shù)低。在將蜂窩體用于過(guò)濾器的實(shí)施方式中，插入入口和出口封堵塊(例如圖9中的940、950)，形成穿過(guò)過(guò)濾器的流動(dòng)通道(可選步驟1050)，或者，將蜂窩體改造成橫流過(guò)濾器，其中濾液被迫流入蜂窩體，并從蜂窩體中抽出。此外，可將一個(gè)催化涂層用于過(guò)濾器，使過(guò)濾器在其預(yù)期應(yīng)用中具有反應(yīng)功能，例如，促進(jìn)柴油機(jī)顆粒過(guò)濾器中捕獲的煙塵的氧化反應(yīng)(可選步驟1060)。本文所述的對(duì)本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)的改變、修改或其他應(yīng)用不偏離本發(fā)明的宗旨，也在本發(fā)明范圍內(nèi)。例如，當(dāng)一些多孔陶瓷體的實(shí)施方式被描述為過(guò)濾器，特別為柴油機(jī)過(guò)濾器時(shí)，此多孔陶瓷體也可用于需要低熱膨脹系數(shù)的任何應(yīng)用，例如，用于航空航天工業(yè)、液體過(guò)濾、橫流過(guò)濾、熔融金屬過(guò)濾、固定床化學(xué)反應(yīng)器、蜂窩狀大表面積吸附劑和高溫反應(yīng)器。實(shí)例下列實(shí)例對(duì)本公開(kāi)進(jìn)行了進(jìn)一步描述，以便于理解本公開(kāi)。這些具體實(shí)例旨在說(shuō)明本公開(kāi)，不對(duì)其進(jìn)行限制。在第一個(gè)說(shuō)明性實(shí)例中，將氧化鈦(二氧化鈦，Ti02)用作一種與莫來(lái)石纖維(用作第二反應(yīng)成分和形成纖維體的纖維)反應(yīng)的成分，用20.88重量％多晶莫來(lái)石纖維和11.90重量％氧化鈦粉制備一種可擠出混合物。在此示例性實(shí)施方式中，6.68重量％羥丙基甲基纖維素(HPMC)被用作一種有機(jī)粘合劑和流變改性劑，27.14重量％碳粒(-325目級(jí))和33.40重量％去離子水被用作一種混合流體。這些材料混合成可擠出混合物，并通過(guò)擠出形成1英寸直徑蜂窩狀基底。用射頻(RF)干燥設(shè)備干燥此基底，并除去有機(jī)化合物，然后在1，500。C下燒結(jié)兩小時(shí)，形成多孔蜂窩狀結(jié)構(gòu)。在此實(shí)施方式中，經(jīng)測(cè)定，多孔陶瓷體的熱膨脹系數(shù)為1.2x10—7°C，比莫來(lái)石纖維的熱膨脹系數(shù)(5x10—7°C)低約76%。在第二個(gè)說(shuō)明性實(shí)例中，將氧化鈦和膨潤(rùn)土(膨潤(rùn)土中至少含有硅酸鋁、氧化鎂和氧化鈣，獲自SouthernClayProducts,Gonzales,TX)用作與莫來(lái)石纖維反應(yīng)的成分，用22.62重量％多晶莫來(lái)石纖維、4.07重量％膨潤(rùn)土粉和4.52重量％氧化鈦粉制備一種可擠出混合物，膨潤(rùn)土粉和氧化鈦粉作為反應(yīng)成分。在此示例性實(shí)施方式中，7.24重量％羥丙基甲基纖維素(HPMC)被用作一種有機(jī)粘合劑和流變改性劑，29.41重量％碳粒(-325目級(jí))和32.13重量％去離子水被用作一種混合流體。這些材料混合成可擠出混合物，并通過(guò)擠出形成1英寸直徑蜂窩狀基底。用射頻(RF)干燥設(shè)備干燥此基底，并除去有機(jī)化合物，然后在1，500°C下燒結(jié)兩小時(shí)，形成多孔蜂窩狀結(jié)構(gòu)。在此實(shí)施方式中，經(jīng)測(cè)定，多孔陶瓷體的熱膨脹系數(shù)為2.5x10—7°C，比莫來(lái)石纖維的熱膨脹系數(shù)(5x10—7°C)低約50%。在第三個(gè)說(shuō)明性實(shí)例中，用碳酸鋇和二氧化硅作為與莫來(lái)石纖維反應(yīng)的成分制成BAS(硅酸鋁鋇)粘合相，用38.02重量％莫來(lái)石纖維、18.63重量％碳酸鋇粉(亞微米級(jí)顆粒尺寸)和1.52重量％膠體二氧化硅(水中含有50%的固體)制備一種可擠出混合物，碳酸鋇粉和膠體二氧化硅作為反應(yīng)成分。在此示例性實(shí)施方式中，6.08重量％羥丙基甲基纖維素(HPMC)被用作一種有機(jī)粘合劑和流變改性劑，7.60重量％碳粒(-325目級(jí))和28.14重量％去離子水被用作一種混合流體。這些材料混合成可擠出混合物，并通過(guò)擠出形成1英寸直徑蜂窩狀基底。用射頻(RF)干燥設(shè)備干燥此基底，并除去有機(jī)化合物，然后在1500°C下燒結(jié)一小時(shí)，形成多孔蜂窩狀結(jié)構(gòu)。在此實(shí)施方式中，經(jīng)測(cè)定，多孔陶瓷體的熱膨脹系數(shù)為3.8x10—7°C，比莫來(lái)石纖維的熱膨脹系數(shù)(5x10—7°C)低24%。在第四個(gè)說(shuō)明性實(shí)例中，用鋰鋁氧化物和二氧化硅作為與莫來(lái)石纖維反應(yīng)的成分制成e-鋰霞石粘合相，用39.06重量％莫來(lái)石纖維、16.41重量％鋰鋁氧化物粉和1.56重量％膠體二氧化硅(水中含有50%的固體)制備一種可擠出混合物，鋰鋁氧化物粉和膠體二氧化硅作為反應(yīng)成分。在此示例性實(shí)施方式中，6.25重量％羥丙基甲基纖維素(HPMC)被用作一種有機(jī)粘合劑和流變改性劑，7.81重量％碳粒(-325目級(jí))和29.91重量％去離子水被用作一種混合流體。這些材料混合成可擠出混合物，并通過(guò)擠出形成l英寸直徑蜂窩狀基底。用射頻(RF)干燥設(shè)備干燥此基底，并除去有機(jī)化合物，然后在1500。C下燒結(jié)一小時(shí)，形成多孔蜂窩狀結(jié)構(gòu)。在此實(shí)施方式中，經(jīng)測(cè)定，多孔陶瓷體的熱膨脹系數(shù)為3.0x10—7°C，比莫來(lái)石纖維的熱膨脹系數(shù)(5x10—7°C)低40%。在第五個(gè)說(shuō)明性實(shí)例中，將莫來(lái)石纖維用作一種反應(yīng)成分，碳化硅纖維用作另一種反應(yīng)成分，用25.51重量％莫來(lái)石纖維與20.41重量％碳化硅纖維制備一種可擠出混合物。在此示例性實(shí)施方式中，8.16重量％羥丙基甲基纖維素(HPMC)被用作一種有機(jī)粘合劑和流變改性劑，10.20重量％碳粒(-325目級(jí))和35.71重量％去離子水被用作一種混合流體。這些材料混合成可擠出混合物，并通過(guò)擠出形成1英寸直徑蜂窩狀基底。用射頻(RF)干燥設(shè)備干燥此基底，并除去有機(jī)化合物，然后在1，500。C在惰性環(huán)境(例如真空或充滿氮?dú)獾臓t中)下燒結(jié)一小時(shí)，形成多孔蜂窩狀結(jié)構(gòu)。在此實(shí)施方式中，經(jīng)測(cè)定，多孔陶瓷體的熱膨脹系數(shù)為4.5x10—7°C，比莫來(lái)石纖維的熱膨脹系數(shù)(5x10—7°C)低10%。權(quán)利要求1.一種形成多孔體的方法，包括提供一混合物，包含大量具有第一熱膨脹系數(shù)的纖維和至少兩種反應(yīng)成分；由所述混合物形成纖維體；和使所述至少兩種反應(yīng)成分發(fā)生反應(yīng)形成一具有一第二熱膨脹系數(shù)的粘合系統(tǒng)，其熱膨脹系數(shù)比所述第一熱膨脹系數(shù)低，所述粘合系統(tǒng)局部粘合所述大量纖維中的至少兩個(gè)纖維，從而形成所述多孔體。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述多孔體具有一第三熱膨脹系數(shù)，比所述第一熱膨脹系數(shù)至少低約10%。3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述多孔體具有第三熱膨脹系數(shù)，比所述第一熱膨脹系數(shù)低約20%以上。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中形成一纖維體包括擠出所述混合物。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述粘合系統(tǒng)包含一選自以下群組的單相材料一玻璃、一陶瓷和一玻璃-陶瓷。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述粘合系統(tǒng)包含一多相材料。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述混合物還包含一種或多種選自以下群組的添加劑一流體、一粘合劑和一造孔劑。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述一種或多種添加劑通過(guò)加熱所述纖維體而被基本上除去。9.一種多孔陶瓷體，包括一多孔基底，包含大量具有一第一熱膨脹系數(shù)的纖維；和一粘合系統(tǒng)，具有一第二熱膨脹系數(shù)，其比所述第一熱膨脹系數(shù)低，所述粘合系統(tǒng)局部粘合所述大量纖維中的至少兩個(gè)纖維，從而形成一多孔陶瓷體。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多孔陶瓷體，其中所述多孔陶瓷體具有第三熱膨脹系數(shù)，比所述第一熱膨脹系數(shù)至少低約10%。11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多孔陶瓷體，其中所述粘合系統(tǒng)為一單相材料。12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多孔陶瓷體，其中所述粘合系統(tǒng)為一多相材料。13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多孔陶瓷體，其中所述大量纖維為生物可溶性的。14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多孔陶瓷體，其中所述大量纖維的縱橫比大于1，且小于或等于2,000。15.—種多孔陶瓷體，包括大量纖維，由一粘合系統(tǒng)粘合起來(lái)，其熱膨脹系數(shù)低于所述纖維的熱膨脹系數(shù)，所述粘合系統(tǒng)粘合所述大量纖維中的至少部分相鄰纖維，所述多孔陶瓷體的孔隙率超過(guò)約20%，所述粘合系統(tǒng)形成所述多孔陶瓷體的約10體積％至約60體積％。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的多孔陶瓷體，其中所述多孔體具有一熱膨脹系數(shù)，比所述纖維的熱膨脹系數(shù)至少低約10%。17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的多孔陶瓷體，其中所述粘合系統(tǒng)為一單相材料。18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的多孔陶瓷體，其中所述粘合系統(tǒng)為一多相材料。19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的多孔陶瓷體，其中所述大量纖維為生物可溶性的。20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的多孔陶瓷體，其中所述大量纖維的縱橫比大于l且小于或等于2,000。21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的多孔陶瓷體，還包含在所述大量纖維上的催化劑涂層。22.—種多孔蜂窩體，包括一系列蜂窩狀壁，所述壁界定了相鄰壁間的通道；所述壁包含大量纖維，所述纖維經(jīng)粘合形成一具有開(kāi)放孔網(wǎng)絡(luò)的多孔結(jié)構(gòu)，所述壁的熱膨脹系數(shù)比所述大量纖維低。23.—種過(guò)濾器，包括一外殼，包含一入口和一出口；和根據(jù)權(quán)利要求22所述的多孔蜂窩體，所述多孔蜂窩體是置于所述入口和所述出口之間。24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的過(guò)濾器，還包含至少一沉積在所述壁上的所述大量纖維上的催化劑。25.—種形成多孔蜂窩狀基底的方法，所述方法包括混合大量纖維、流體和兩種或多種反應(yīng)成分，以形成一可擠出混合物；擠出所述可擠出混合物形成蜂窩狀基底；加熱所述蜂窩狀基底以除去所述流體；和使所述兩種或多種反應(yīng)成分反應(yīng)，在所述大量纖維內(nèi)的至少兩個(gè)纖維的局部之間形成一粘合材料，所述粘合材料的熱膨脹系數(shù)比所述大量纖維低。全文摘要一種多孔陶瓷體，包含大量纖維和一種粘合系統(tǒng)，此粘合系統(tǒng)局部粘合大量纖維中的至少兩個(gè)纖維。此大量纖維具有第一熱膨脹系數(shù)。此粘合系統(tǒng)具有第二熱膨脹系數(shù)，此系數(shù)低于第一熱膨脹系數(shù)。在一些實(shí)施方式中，當(dāng)此大量纖維和此粘合系統(tǒng)結(jié)合，所得多孔陶瓷體具有第三熱膨脹系數(shù)，此系數(shù)比第一熱膨脹系數(shù)至少低約10％。文檔編號(hào)B32B37/00GK101687353SQ200880016116公開(kāi)日2010年3月31日申請(qǐng)日期2008年5月13日優(yōu)先權(quán)日2007年5月14日發(fā)明者B·祖貝里,J·J·劉申請(qǐng)人:美商績(jī)優(yōu)圖科技股份有限公司