堇青石鋁鎂酞酸鹽組合物及包含該組合物的陶瓷制品的制作方法
【專利說明】堇青石鋁鏌酞酸鹽組合物及包含該組合物的陶瓷制品
[0001] 本申請根據(jù)35U.S.C. § 120要求2012年11月30日提交的美國專利申請系列號 第13/690, 096號的優(yōu)先權(quán)，本文以該申請為基礎(chǔ)并將其全部內(nèi)容結(jié)合于此。
[0002] 背景
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明的示例性實(shí)施方式涉及陶瓷組合物，并且涉及包含堇青石鋁鎂酞酸鹽的復(fù) 合陶瓷組合物。
【背景技術(shù)】
[0004] 具有低熱膨脹和由此具有高耐熱沖擊性的耐火材料在使用中存在高熱梯度的應(yīng) 用中使用，所述應(yīng)用為例如催化轉(zhuǎn)化器基材和柴油機(jī)顆粒過濾器。由于其低熱膨脹、高熔點(diǎn) 和低成本，用于這些應(yīng)用的一種材料是堇青石。在柴油機(jī)顆粒過濾器領(lǐng)域中，已認(rèn)識到需要 較高的熱容來改善再生期間過濾器的耐久性。具有高體積熱容的材料降低了吸附給定量的 熱所需的材料的體積。較小的材料體積可降低排氣流的壓降，并增加灰塵儲存的開孔體積。 然而，仍然需要低熱膨脹。鈦酸鋁是一種可被制備為具有低熱膨脹的材料，并且也具有比堇 青石更高的體積熱容。
[0005] 純鈦酸鋁在約1250°C以下是亞穩(wěn)定的。當(dāng)在燒制后的冷卻期間形成微裂和粒度大 時(shí)，AT的熱膨脹是低的。這些大顆粒和微裂會(huì)使材料在機(jī)械上脆弱。微裂導(dǎo)致熱膨脹曲線 可能會(huì)有大的滯后，產(chǎn)生高的瞬時(shí)熱膨脹值，尤其是在冷卻時(shí)。AT基復(fù)合物的燒制溫度通常 較高，一般大于1400°C。最后，AT顯示具有高熱循環(huán)生長，堿金屬元素的存在放大該熱循環(huán) 生長。
[0006] 為了降低分解速度，可以在鈦酸鋁中加入添加劑，諸如多鋁紅柱石、MgTi205和 Fe2Ti05。MgTi205往往在還原條件下降低分解速度，并且僅在氧化條件下以高水平（>10%) 降低分解速度。Fe2Ti05往往在氧化條件下降低分解速度，并且在還原條件下增加分解速度。
[0007] 已在AT中加入第二相（secondphase)如多鋁紅柱石以提高復(fù)合體的強(qiáng)度，因?yàn)?在多鋁紅柱石晶體之間通常不會(huì)發(fā)生微開裂。多鋁紅柱石也具有相當(dāng)高的體積熱容。其他 第二相也已用于AT復(fù)合物，包括堿性和堿土長石。然而，多鋁紅柱石和堿性長石的熱膨脹 比最優(yōu)熱膨脹高。
[0008] 背景部分中公開的上述信息僅用于增強(qiáng)對本發(fā)明技術(shù)背景的理解，并且因此可能 含有不構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)任意部分的信息或現(xiàn)有技術(shù)對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的可能啟示。
[0009] 發(fā)明概述
[0010] 本發(fā)明的示例性實(shí)施方式提供了包含堇青石-鐵板鈦礦 (cordierite-pseudobrookite)的復(fù)合陶瓷組合物。
[0011] 本發(fā)明的示例性實(shí)施方式也提供了包含堇青石鋁鎂酞酸鹽復(fù)合組合物的柴油機(jī) 顆粒過濾器。
[0012] 本發(fā)明的示例性實(shí)施方式也提供了一種制造復(fù)合堇青石鋁鎂酞酸鹽陶瓷制品的 方法。
[0013] 本發(fā)明的其他特征將列于以下的說明書中，并且部分對于說明書而言顯而易見， 或者可由本發(fā)明的實(shí)踐而得到。
[0014] -個(gè)示例性實(shí)施方式公開了一種陶瓷制品，其包含鐵板鈦礦相；包含堇青石的第 二相；以及燒結(jié)助劑的，該鐵板鈦礦相主要包含氧化鋁、氧化鎂和二氧化鈦，該燒結(jié)助劑包 含氧化鈣和氧化鍶中的至少一種。
[0015] -種示例實(shí)施方式批露了一種制品，所述制品包括復(fù)合組合物，該復(fù)合組合物包 含鈦酸鋁和二鈦酸鎂的固溶體以及包括堇青石的第二晶體相。以氧化物為基準(zhǔn)的重量％表 示的制品組成是：4至10%MgO;40至55%Al203;25至44%Ti02;5至25%Si02，和燒結(jié)助 劑，該燒結(jié)助劑包含氧化鈣和氧化鍶中的至少一種。
[0016] -種示例實(shí)施方式還批露了一種柴油機(jī)顆粒過濾器，所述柴油機(jī)顆粒過濾器包括 復(fù)合組合物，該復(fù)合組合物包含鈦酸鋁和二鈦酸鎂的固溶體以及包括堇青石的第二晶體 相。以氧化物為基準(zhǔn)的重量％表示的顆粒過濾器組成是：4至10%Mg0 ;40至55%A1203;25 至44%Ti02;5至25%Si02，和燒結(jié)助劑，該燒結(jié)助劑包含氧化鈣和氧化鍶中的至少一種。 在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，柴油機(jī)顆粒過濾器包含具有多個(gè)軸向延伸的端部堵塞的進(jìn)口和 出口小室的蜂窩體結(jié)構(gòu)。
[0017] -個(gè)示例性實(shí)施方式也公開了一種制造復(fù)合堇青石鋁鎂酞酸鹽陶瓷制品的方法。 本發(fā)明包括：使包含氧化鎂源、二氧化硅源、氧化鋁源、二氧化鈦源和至少一種燒結(jié)助劑的 無機(jī)批料組合物混合，其中該燒結(jié)助劑包含氧化鈣和氧化鍶中的至少一種。將該無機(jī)批料 組合物與一種或多種加工助劑混合到一起以形成增塑的陶瓷前體批料組合物，該加工助劑 選自下組：增塑劑、潤滑劑、粘合劑、成孔劑和溶劑。將增塑的陶瓷前體批料組合物成形為生 坯體。所述方法包括在將生坯體有效地轉(zhuǎn)化成陶瓷制品的條件下燒制生坯體，該陶瓷制品 包含第一晶體相和第二晶體相，所述第一晶體相主要由鈦酸鋁和二鈦酸鎂的固溶體組成， 所述第二晶體相包含堇青石。
[0018] 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明性的，并且對要 求保護(hù)的發(fā)明提供進(jìn)一步解釋。
【附圖說明】
[0019] 附圖用來幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，納入說明書中，構(gòu)成說明書的一部分，附圖顯示 了本發(fā)明的實(shí)施方式，與說明書一起用來解釋本發(fā)明的原理。
[0020] 圖1示出大致穩(wěn)定的相組合沿鈦酸鋁（Al2Ti05)和堇青石（Mg2Al4Si50ls)之間的偽 二元接合點(diǎn)（pseudo-binaryjoin)隨溫度和組成的變化。
[0021] 圖2A和2B顯示了在1325°C下在四元Mg0-Al203_Ti02-Si02系統(tǒng)內(nèi)以二鈦酸鎂、鈦 酸鋁和堇青石為端點(diǎn)的偽三元剖面中的大致相關(guān)系。
[0022] 圖3顯示了對照鈦酸鋁陶瓷組合物和相圖的堇青石/多鋁紅柱石/鐵板鈦礦區(qū)域 中的組合物在1100°c下長度隨時(shí)間的變化。
[0023] 圖4證明了對照鈦酸鋁陶瓷組合物和表1的堇青石/多鋁紅柱石/鐵板鈦礦組合 物在950至1250°C的溫度下100小時(shí)后在25-1000°C中的熱膨脹系數(shù)的變化。
[0024] 圖5顯示了按照本發(fā)明的示例性實(shí)施方式制成的堇青石/多鋁紅柱石/鐵板鈦礦 壁流過濾器的壓降隨煙炱負(fù)荷變化代表性數(shù)據(jù)。
[0025] 圖6顯示具有約55克/升氧化鋁涂層（washcoat)的公開陶瓷體的示例性實(shí)施方 式的微結(jié)構(gòu)。
[0026] 圖7顯示了本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的熱膨脹系數(shù)（CTE)隨相對稀土成本（1% Y203 = 1)的變化。
[0027] 圖8顯示了表示最高（第一次保持）溫度82、低（第二次保持）溫84和中間（第 三次保持）溫度86的時(shí)間-溫度（t-T)圖80的示例性實(shí)施方式的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 應(yīng)理解，出于本發(fā)明的目的，"X、Y和Z中的至少一個(gè)"可表示僅X，僅Y，僅Z，或X、 Υ和Ζ中兩項(xiàng)或多項(xiàng)的任意組合（例如，ΧΥΖ、ΧΥΥ、ΥΖ、ΖΖ)。
[0029] 在提供具有改善的強(qiáng)度同時(shí)保持低CTE的復(fù)合AT陶瓷體的努力中，以堇青石作為 第二相是比多鋁紅柱石更好的選擇，因?yàn)檩狼嗍臒崤蛎浵禂?shù)比多鋁紅柱石更小。然而，堇 青石和純鈦酸鋁在任何溫度下都不處于熱力學(xué)平衡。提供具有低CTE、高強(qiáng)度和良好的熱穩(wěn) 定性的堇青石和AT基復(fù)合陶瓷代表了對現(xiàn)有技術(shù)的進(jìn)步。
[0030] 本發(fā)明的一個(gè)不例性實(shí)施方式提供一種包含第一晶體相和第二晶體相的復(fù)合陶 瓷體，該第一晶體相主要包含鈦酸鋁和二鈦酸鎂的固溶體（MgTi205-A12Ti05)，且該第二晶 體相包含堇青石。陶瓷體的組成的特征在于包含，以氧化物為基準(zhǔn)的重量％計(jì)：4至10% MgO;40 至 55 %Al203;25 至 42 %TiO2;5 至 25 %SiO2,0 至 5 %Ce02，以及 0· 15 至 1 %CaO 和0. 1至2%SrO中的至少一種。在這些或其他示例性實(shí)施方式中，本發(fā)明的陶瓷體組合 物以氧化物的重量分?jǐn)?shù)表示，并且氧化物組合包含，以氧化物為基準(zhǔn)，a(Al2Ti05)+b(MgTi20 5)+c(2Mg0. 2A1203. 5Si02)+d(3A1203. 2Si02)+e(MgO.A1203)+f(2Mg0.Ti02)+g(CaO)+h(SrO)+i (X) +j(Fe203.Ti02)+k(Ti02) +1 (A1203)，其中X可以是Ce02、Y203和La203中的至少一種，并且 a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k和 1 是各組分的重量分?jǐn)?shù)使得（a+b+c+d+e+f+g+h+i+j+k+1)= 1. 00。為此，各組分的重量分?jǐn)?shù)可以是以下的相應(yīng)范圍：0. 3 <a< 0. 75,0. 075 <b< 0. 3， 0· 02 彡c彡 0· 5,0· 0 彡d彡 0· 4,0· 0 彡e彡 0· 25,0· 0 彡f彡 0· 1，0· 0 彡g彡 0· 01， 0· 0 彡h彡 0· 02,0· 0015 彡（g+h)，0· 0 彡i彡 0· 05,0· 0 彡j彡 0· 05,0· 0 彡k彡 0· 20,和 0. 0 < 1 < 0. 10。會(huì)認(rèn)識到用于限定這些陶瓷的氧化物組合的氧化物和氧化物組合不必以 相應(yīng)的游離氧化物或晶體相存在于陶瓷體中，除非這些晶體相在本發(fā)明中專門鑒定為這些 陶瓷的特征。也會(huì)認(rèn)識到雖然a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k和1的總和是1. 00,但是其表示 氧化物和氧化物組合的比例。即，除了表示的氧化物和氧化物組合的比例以外，復(fù)合陶瓷體 可包含其他雜質(zhì)。這將在以下公開的實(shí)施例中是顯而易見的。
[0031] 固溶體鈦酸鋁和二鈦酸鎂相優(yōu)選顯示鐵板鈦礦晶體結(jié)構(gòu)。為此，鐵板鈦礦相的組 成可取決于加工溫度和陶瓷的總體批料組成以及，如此可由平衡條件確定。然而，在示例性 實(shí)施方式中，鐵板鈦礦相的組成包含約15重量％至35重量％的1%11 205。另外，雖然鐵板 鈦礦相的總體積也可能變化，在另一個(gè)示例性實(shí)施方式中，總體積的范圍可以是總陶瓷組 合物的約50至95體積％。
[0032] 任選地，復(fù)合陶瓷體還可包含一種或多種選自下組的相：多鋁紅柱石、假藍(lán)寶石、 二氧化鈦多晶型物如金紅石