專利名稱：燒結(jié)多孔結(jié)構(gòu)及其制作方法
燒結(jié)多孔結(jié)構(gòu)及其制作方法政府資助聲明本發(fā)明根據(jù)由美國(guó)能源部授予加利福尼亞大學(xué)董事會(huì)對(duì)于管理和操作勞倫 斯-伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的合同第DE-AC02-05CH 11231號(hào)，在政府的資助下做出。政府享有 本發(fā)明的一定權(quán)利。
背景技術(shù)：
多孔結(jié)構(gòu)在從過(guò)濾到電化學(xué)裝置的廣泛范圍的應(yīng)用中使用。諸如固體氧化物燃 料電池的固態(tài)電化學(xué)裝置由多孔層和至少一個(gè)致密層制成。舉例而言，電極層(陽(yáng)極和陰 極)是多孔的以允許流體流動(dòng)進(jìn)出多孔層，而電解質(zhì)層則是防止氣體從一側(cè)穿過(guò)到另一側(cè) 的致密的離子導(dǎo)體。其它層可包括處在致密互連物(interconnect)與多孔電極之間的致 密導(dǎo)電互連層和多孔電接觸層。用于形成這些多層結(jié)構(gòu)的一部分或全部的一種方式是通過(guò) 共燒。共燒是各個(gè)層同時(shí)進(jìn)行燒結(jié)。US6，605，316描述了共燒金屬或金屬陶瓷層與電解質(zhì) 層，使得在共燒之后金屬或金屬陶瓷層是多孔的且電解質(zhì)層是致密的。在燒結(jié)之后多孔層 的孔隙度的數(shù)量和類型會(huì)影響裝置的性能和機(jī)械性質(zhì)。作為備選，多孔層可與致密電解質(zhì) 層分開地進(jìn)行燒結(jié)且隨后組裝這些層。通過(guò)燒結(jié)而形成高度多孔結(jié)構(gòu)可能是耗時(shí)、昂貴的 過(guò)程。燒結(jié)是在低于材料熔點(diǎn)的溫度或者在混合物的情況下是低于其主要成分的熔點(diǎn) 的溫度下對(duì)材料進(jìn)行的熱處理。這通常會(huì)增加材料強(qiáng)度和使材料致密化。燒結(jié)用來(lái)通過(guò)加 熱粉末低于其熔點(diǎn)直到其粒子相互結(jié)合而由該粉末制作物體。燒結(jié)的多孔結(jié)構(gòu)常規(guī)地由可燒結(jié)的金屬、陶瓷或玻璃粉末通過(guò)添加呈聚合物、顆 粒、液體和/或氣體形式的造孔劑(pore former)來(lái)制成。造孔劑通過(guò)多種方法予以去除， 且粉末經(jīng)燒結(jié)而獲得堅(jiān)固的多孔結(jié)構(gòu)。通常，這是使制造多孔結(jié)構(gòu)成為昂貴的耗時(shí)過(guò)程的 造孔手段。舉例而言，采用溶解、分解或燒盡造孔劑是熟知的。燒盡造孔劑的難度在于所需 的高孔隙度導(dǎo)致低的生坯(green)強(qiáng)度材料。當(dāng)共燒諸如固體氧化物燃料電池多層結(jié)構(gòu) 時(shí)，例如具有低生坯強(qiáng)度材料使得處置和/或施加隨后的層(如電極/電解質(zhì))變得困難。 此外，所需大體積分率的造孔劑使得去除造孔劑耗時(shí)且潛在地成為污染源。在多孔金屬的加工中已使用可提取的顆粒如NaCl或KC1，且在燒結(jié)之前或之后去 除這些顆粒。但是，去除鹽可能很昂貴且因堿性元素造成的污染也是一顧慮。多孔結(jié)構(gòu)也可通過(guò)復(fù)型(r印lica)方法來(lái)制作，其中，多孔聚合物泡沫用陶瓷材 料浸漬，從而形成多孔聚合物泡沫的負(fù)復(fù)型。然后使用干燥和煅燒步驟來(lái)去除聚合物且使 陶瓷材料燒結(jié)。該種方法需要多個(gè)耗時(shí)的滲濾和干燥步驟。此外，聚合物的分解可導(dǎo)致有 毒氣體，且由于聚合物去除所致的缺陷而導(dǎo)致具有低密度和低強(qiáng)度的開孔海綿狀泡沫。該 種方法也限于細(xì)粉末，因?yàn)榇蟮牧Ｗ訉⒉粫?huì)粘附到多孔泡沫上。形成多孔結(jié)構(gòu)的另一方法是氣泡形成技術(shù)。該種技術(shù)是基于在液體質(zhì)量?jī)?nèi)產(chǎn)生氣 泡并使其穩(wěn)定。氣泡由生成氣體組分(包括蒸汽)的物理或化學(xué)過(guò)程產(chǎn)生。該種方法可能 涉及危險(xiǎn)的化學(xué)品且通常不能應(yīng)用于高熔點(diǎn)陶瓷和金屬。
還采用了凍結(jié)鑄造。但是這種方法很慢且需要昂貴的加工設(shè)備。絲線和薄片(flake)可燒結(jié)結(jié)合以形成高度多孔的結(jié)構(gòu)。在加工期間，絲線或薄片在接觸點(diǎn)處結(jié)合，存 在較小收縮。但是這種方法由于燒結(jié)方面的差異而并不適合于形成多層結(jié)構(gòu)，如下文所述。發(fā)明概述本發(fā)明提供產(chǎn)生高度多孔結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單、低成本方法。本方法涉及利用元件來(lái)構(gòu)筑 多孔結(jié)構(gòu)，該元件經(jīng)成形以提供多孔結(jié)構(gòu)的所希望的強(qiáng)度、孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)，且然后將元 件燒結(jié)在一起以形成該結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還提供由燒結(jié)非球形元件構(gòu)成的新型燒結(jié)多孔結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的一方面涉及制造多孔網(wǎng)狀物的方法，其包括提供多個(gè)生坯非球形元件， 其中的每一個(gè)由粒子(例如，粉末)構(gòu)成；將非球形元件布置成多孔網(wǎng)狀物的所希望的形狀 以形成生坯多孔體；以及同時(shí)將這些粒子燒結(jié)在一起以形成燒結(jié)非球形元件且將非球形元 件燒結(jié)在一起以形成多孔網(wǎng)狀物。非球形元件的實(shí)例包括星形元件，線性、折彎或盤繞股束 元件，螺旋元件，磚形元件，圖形元件，管狀元件，圓環(huán)元件，鞍形元件，盤，片材，編織元件以 及插孔形元件。在一些實(shí)施例中，所形成的生坯體具有低生坯密度，例如小于30%至45% (根據(jù)低燒結(jié)密度的需要)，同時(shí)仍具有充分的機(jī)械強(qiáng)度來(lái)支承其它層。本發(fā)明還提供制造平坦薄片材多孔網(wǎng)狀物的方法，其包括以下步驟提供多個(gè)生 坯非球形元件；將該多個(gè)非球形元件布置成具有第一主面與第二主面的平面以形成生坯多 孔體；以及將多個(gè)非球形元件燒結(jié)在一起以制造平坦薄片材多孔網(wǎng)狀物。在一些實(shí)施例中， 非球形元件由粒子構(gòu)成，該粒子可與生坯元件同時(shí)燒結(jié)。本發(fā)明的另一方面涉及燒結(jié)在一起的非球形元件的多孔網(wǎng)狀物，各個(gè)非球形元件 均由多個(gè)燒結(jié)在一起的粒子構(gòu)成。在一些實(shí)施例中，網(wǎng)狀物是平坦的和/或在網(wǎng)狀物的主表面之間限定多個(gè)流動(dòng)路 徑。根據(jù)各種實(shí)施例，網(wǎng)狀物具有高連通孔隙度，例如，至少40%、60%或90%。本發(fā)明還 提供燒結(jié)在一起的非球形元件的平坦多孔網(wǎng)狀物結(jié)構(gòu)，其具有第一主表面和第二主表面； 所述多孔網(wǎng)狀物限定從第一主表面至第二主表面的多個(gè)流動(dòng)路徑；其中，所述元件的大小 在5微米至5厘米的范圍，且其中，網(wǎng)狀物具有至少30%的連通孔隙度。本發(fā)明的其它方面涉及包括燒結(jié)非球形元件的基材的固態(tài)電化學(xué)裝置結(jié)構(gòu)和包 括非球形元件的燒結(jié)網(wǎng)狀物的薄片材流體過(guò)濾裝置結(jié)構(gòu)，以及制備這些結(jié)構(gòu)的方法。本發(fā)明的這些和其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將在下文參照相關(guān)聯(lián)的附圖更詳細(xì)地描述。


圖1是描繪產(chǎn)生根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的燒結(jié)多孔結(jié)構(gòu)的過(guò)程階段的過(guò)程流 程圖。圖2示出了產(chǎn)生根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的燒結(jié)多孔結(jié)構(gòu)的過(guò)程的操作。圖3是描繪根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的制造成形非球形元件的過(guò)程階段的過(guò)程 流程圖，該成形非球形元件用作多孔結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑塊體。圖4是描繪產(chǎn)生根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的燒結(jié)多孔結(jié)構(gòu)的過(guò)程階段的過(guò)程流 程圖。圖5描繪了具有低隨機(jī)填塞密度的蒸餾型填塞物的實(shí)例。圖6描繪了(a)隨機(jī)填塞球體和(b)隨機(jī)填塞圈的示意圖。
圖7a是描繪了燒結(jié)在一起的球體的示意圖。
圖7b是描繪了燒結(jié)在一起的球形粒子的結(jié)構(gòu)的一部分和均勻截面的燒結(jié)在一起 的致密桿的薄膜多孔支承結(jié)構(gòu)的一部分的示意圖。圖7c是描繪了由磚形元件構(gòu)成的支承結(jié)構(gòu)的截面部分的示意圖。圖8示出兩個(gè)多孔片材的部段的截面圖一個(gè)具有垂直于膜平面定向的孔隙，而 一個(gè)具有平行于膜平面定向的孔隙。圖9a和圖9b示出非球形元件和有序多孔結(jié)構(gòu)排列的實(shí)例。圖9c是描繪具有雙峰孔隙分布的多孔結(jié)構(gòu)和具有分級(jí)孔隙分布的多孔結(jié)構(gòu)的截 面的示意圖。圖IOa示出根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的由長(zhǎng)形元件產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)的過(guò)程的操作。圖IOb示出根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的使用揮發(fā)性造孔劑影響填塞排列而產(chǎn)生 多孔結(jié)構(gòu)的過(guò)程的操作。圖IOc示出根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的產(chǎn)生具有壁的多孔結(jié)構(gòu)的過(guò)程的操作。圖Ila示出根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的平坦多孔結(jié)構(gòu)的截面。圖lib描繪了固態(tài)電化學(xué)裝置的平坦設(shè)計(jì)。圖12a是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例所形成的燒結(jié)多孔不銹鋼床的圖像。圖12b是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例所形成的燒結(jié)多孔陶瓷床的圖像。
具體實(shí)施例方式介紹和相關(guān)用語(yǔ)本發(fā)明涉及燒結(jié)多孔結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)生方法。它提供了形成堅(jiān)固多孔結(jié)構(gòu)的新型、高 效且低成本的方法以及新型的多孔結(jié)構(gòu)。多孔金屬、陶瓷、金屬陶瓷和聚合物結(jié)構(gòu)具有許多 應(yīng)用，包括作為催化劑沉積的支承件，用于諸如固體氧化物燃料電池或電化學(xué)泵的電化學(xué) 裝置的多孔支承結(jié)構(gòu)，用于氣體分離或過(guò)濾的多孔或致密膜片的支承結(jié)構(gòu)，用作熱氣體和 液體過(guò)濾的過(guò)濾器，用于電化學(xué)裝置的多孔接觸層，以及用作隔音或絕熱的低密度隔絕材 料。雖然存在制作多孔結(jié)構(gòu)的許多方法，但對(duì)形成多層結(jié)構(gòu)施加有額外約束。當(dāng)形成 多層結(jié)構(gòu)時(shí)，各個(gè)層的燒結(jié)性質(zhì)差異可導(dǎo)致層的翹曲或開裂。這對(duì)于多層結(jié)構(gòu)尤為困難， 其中在加工之后，至少一個(gè)層需要低密度、高連通孔隙度、高滲透率以及充分的機(jī)械強(qiáng)度來(lái) 支承其它層，且第二層需要高密度。在常規(guī)粉末加工中，生坯密度的范圍在理論密度的大約 40 %至65 %。在燒結(jié)至高密度期間，例如> 95 %的密度，如根據(jù)氣密電解質(zhì)的需要，則百分 比線性收縮率在大約12%至25%的范圍。為了獲得具有大約30%體積比孔隙度(70%的 密度)的多孔層，如根據(jù)多孔電極層的需要，多孔層的開始或生坯密度應(yīng)最大在理論密度 的大約30%至45%。對(duì)于常規(guī)粉末加工，很難得到生坯密度小于30%的生坯體，其中，獲得 小于70%的燒結(jié)密度需要小于30%的生坯密度。此外，這些常規(guī)高度多孔的多孔生坯體缺 少用以支承其它層的機(jī)械強(qiáng)度。通常優(yōu)選的是具有遠(yuǎn)大于30%體積比的最終連通孔隙度的燒結(jié)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的方 法提供形成小于理論密度的30%體積比至45%體積比的生坯多孔層的簡(jiǎn)單、低成本方法， 這樣的生坯多孔層具有良好控制的收縮率、高連通孔隙度且結(jié)果形成堅(jiān)固的燒結(jié)體。生坯多孔層具有必需的低生坯密度(高孔隙度)以獲得高連通孔隙度，且向其它層提供堅(jiān)固的 機(jī)械支承。本發(fā)明的方法包括將成形的可燒結(jié)元件燒結(jié)在一起以形成多孔結(jié)構(gòu)或網(wǎng)狀物 (network)。燒結(jié)是對(duì)結(jié)構(gòu)或材料進(jìn)行的熱處理，該熱處理通過(guò)加熱結(jié)構(gòu)或材料至低于其熔 點(diǎn)而使結(jié)構(gòu)或材料致密。燒結(jié)結(jié)構(gòu)可通過(guò)燒結(jié)該結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑塊體(例如粒子或元件)直到 它們相互結(jié)合而制成。用語(yǔ)“燒結(jié)在一起的元件”是指通過(guò)燒結(jié)而相互結(jié)合的元件。類似 的是，用語(yǔ)“燒結(jié)在一起的粒子”是指通過(guò)燒結(jié)而相互結(jié)合的粒子。根據(jù)一些實(shí)施例，多孔 網(wǎng)狀物由燒結(jié)在一起的元件制成，而燒結(jié)在一起的元件又是由燒結(jié)在一起的粒子制成。燒結(jié)的多孔結(jié)構(gòu)常規(guī)地通過(guò)向可燒結(jié)的金屬、聚合物、玻璃或陶瓷粉末添加造孔 劑來(lái)制成。造孔劑可呈聚合物、顆粒、液體和/或氣體的形式。造孔劑通過(guò)多種方法 予以去 除且然后粉末經(jīng)燒結(jié)而獲得堅(jiān)固的多孔結(jié)構(gòu)。由于造孔劑的加入、處置和去除，以此方式制 造多孔結(jié)構(gòu)可能為昂貴、耗時(shí)的過(guò)程。常規(guī)燒結(jié)結(jié)構(gòu)是海綿狀的，即具有在整個(gè)材料上均勻 分布的相當(dāng)均勻大小的孔隙，且具有大小類似于燒結(jié)粒子的空隙空間。在本文所描述的方法中，元件成形為用以給予多孔結(jié)構(gòu)所希望的特征_ 一般而言 為高度多孔的堅(jiān)固結(jié)構(gòu)。連通孔隙度的特征(形狀、大小和分布)由元件的形狀和排列決 定。通過(guò)使元件適當(dāng)?shù)爻尚魏团帕?，孔隙大小、形狀和分布的靈活度顯著大于常規(guī)方法。此 夕卜，這些方法實(shí)施起來(lái)較為簡(jiǎn)單且提供低成本地制造多孔結(jié)構(gòu)。雖然下文大部分的描述提出了有關(guān)多孔結(jié)構(gòu)或網(wǎng)狀物的薄片材以及制作薄膜多 孔結(jié)構(gòu)的方法，但本發(fā)明決不受此限制。一般而言，這些方法和結(jié)構(gòu)適用于在其中使用多孔 結(jié)構(gòu)的任何應(yīng)用并且對(duì)于該應(yīng)用可使用適當(dāng)?shù)哪＞呋蛐湍?lái)形成該多孔結(jié)構(gòu)。舉例而言， 在一些實(shí)施例中，多孔結(jié)構(gòu)形成杯形、塊形或圓錐形過(guò)濾器。在下文的描述中，列舉了許多 具體細(xì)節(jié)以便提供對(duì)本發(fā)明的透徹理解。但顯然，本發(fā)明可不限于本文所給出的一些具體 細(xì)節(jié)而予以實(shí)施。以下用語(yǔ)在整個(gè)說(shuō)明書中使用。提供描述用以幫助理解說(shuō)明書，但非必然地限制 本發(fā)明的范圍。元件是燒結(jié)多孔結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑塊體。一般而言，在本文所述的方法中使用的元件是 非球形的。元件本身通常是由更小的高表面積粒子(例如，壓制粉末)構(gòu)成。元件通常處 在5 μ m-5cm的范圍且由大小在0. 1-100 μ m之間的粒子構(gòu)成。孔隙度是由空隙空間所占據(jù)的結(jié)構(gòu)總體積(松散體積)的百分比，即，孔隙體積與 結(jié)構(gòu)總體積的比率?？偪紫抖仁怯筛綦x和連通的孔隙度構(gòu)成。連通孔隙度是指連接到結(jié)構(gòu) 外部的空隙空間。在諸如本文所述的那些多孔網(wǎng)狀物的情況下，元件之間的所有或大部分 空隙是連通的。元件本身可以是致密的或者包含隔離和/或連通的孔隙。在大多數(shù)情況下， 如果元件本身是多孔的，則這些為微孔且對(duì)于多孔網(wǎng)狀物的總的或連通孔隙度而言貢獻(xiàn)較 小。但是在一些應(yīng)用中，雙峰孔隙大小分布(例如，較大元件間孔隙和較小元件內(nèi)孔隙)是 有用的。填塞密度是由填塞在一起的固體粒子或元件所填充的網(wǎng)狀物的總體積的百分比。 網(wǎng)狀物的填塞密度部分地取決于將固體填塞在一起的方式以及固體粒子或元件的形狀。最 大填塞密度是由高度有序的填塞造成，而隨機(jī)填塞則導(dǎo)致較低的填塞密度。相同球體的最 大填塞密度是74%，當(dāng)球體填塞成面心立方(fee)晶格時(shí)獲得。隨機(jī)填塞結(jié)構(gòu)的填塞密度部分地取決于如何填塞固體，例如通過(guò)搖動(dòng)、攪動(dòng)、進(jìn)給等。隨機(jī)填塞的球體取決于填塞方 式而具有范圍從大約64%至68%的填塞密度。如在下文進(jìn)一步描述，實(shí)施例采用非球形元 件，其具有比用球形粒子所獲得的更低的填塞密度。平盤，舉例而言已示出為具有大約54% 的填塞密度和低至2%的在蒸餾塔中所用類型的填塞。寬泛的元件或粒子大小分布傾向于 增加填塞密度，因?yàn)楦〉牧Ｗ涌商钊接奢^大粒子所形成的空隙空間內(nèi)。生坯密度是未燒結(jié)(生坯)材料的密度。在本文所述的方法中，將非球形元件排 列成用以構(gòu)筑生坯多孔結(jié)構(gòu)，然后將其燒制以使元件燒結(jié)在一起，產(chǎn)生燒結(jié)的多孔結(jié)構(gòu)。如 本文所用，多孔結(jié)構(gòu)的生坯密度是填塞在一起的元件的密度，即填塞密度。在燒結(jié)之后，多 孔結(jié)構(gòu)具有流體可通過(guò)其流動(dòng)的連通孔隙度。連通孔隙度取決于生坯密度和燒結(jié)期間的收 縮量。舉例而言，具有45%生坯密度的多孔結(jié)構(gòu)可具有55%的燒結(jié)密度且因此45%的連通 孔隙度。結(jié)構(gòu)的生坯密度或填塞密度足夠低使得在燒結(jié)收縮和致密化之后，結(jié)構(gòu)的連通孔 隙度是合乎需要的?？赡艿氖牵诟鱾€(gè)元件內(nèi)也具有生坯密度，例如，如果元件由生坯粉末 壓塊(compact)制成或包括生坯粉末壓塊，該元件然后可經(jīng)燒制而形成燒結(jié)元件。這種元 件內(nèi)生坯密度獨(dú)立于總體多孔結(jié)構(gòu)的生坯密度。在一些實(shí)施例中，元件具有至少40%的生 坯密度以驅(qū)動(dòng)將 形成該結(jié)構(gòu)的元件燒結(jié)在一起。在燒結(jié)之后，元件可為致密的或者可保持 一定程度的孔隙度。產(chǎn)牛多孔結(jié)構(gòu)如上文所述，提供多孔結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有方法具有各種缺點(diǎn)，包括處理造孔劑和從該結(jié) 構(gòu)去除造孔劑以及定制多孔結(jié)構(gòu)的特征的難題。本發(fā)明的方法涉及制備元件，該元件成形 為用以提供所希望的多孔結(jié)構(gòu)和將這些元件燒結(jié)在一起以形成多孔結(jié)構(gòu)。這種方法產(chǎn)生的 燒結(jié)結(jié)構(gòu)具有此前僅可通過(guò)使用造孔劑或者復(fù)型方法獲得的孔隙度，用以提供主要空隙空 間。圖1至圖4給出了用于形成該結(jié)構(gòu)的過(guò)程的概述，其中，進(jìn)一步的細(xì)節(jié)在下文參看 圖5至圖lib詳細(xì)闡述。圖1是示出產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)的過(guò)程的概述的工藝流程圖。該過(guò)程始 于制備成形元件(101)。元件經(jīng)成形以獲得所希望的填塞密度、強(qiáng)度和孔隙度的最終多孔 結(jié)構(gòu)。在許多實(shí)施例中，元件經(jīng)成形而具有低填塞密度。適當(dāng)?shù)男螤钤谙挛倪M(jìn)一步討論，其 中，實(shí)例包括星形(星狀)形狀、盤繞形狀、圓環(huán)、磚形、圈、管、盤以及鞍形。元件形狀無(wú)須 相同；多孔結(jié)構(gòu)可包括多種不同類型的形狀，例如，管與鞍形。元件大小取決于特定應(yīng)用，但 通常在5ym-5cm的范圍。元件大小分布通常僅具有一個(gè)峰(為單峰的)且較窄，部分是因 為如上文所述，具有較寬的大小分布范圍可導(dǎo)致更高的填塞密度。但在一些實(shí)施例中，采用 的是寬或多峰大小分布，例如，對(duì)于分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)而言。元件可由可燒結(jié)的任何材料制成， 包括但不限于金屬、陶瓷、聚合物、玻璃、沸石等。如在下文進(jìn)一步描述，在一些實(shí)施例中，元 件包含可在燒結(jié)過(guò)程中燒盡的添加劑。圖2是形成多孔結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例的圖形描繪。在圖 2的實(shí)例中，星形元件在201制備。成形元件的制備也在下文進(jìn)一步描述，但一般而言，元件 可通過(guò)任何適當(dāng)方法制備，包括流延和切割、擠壓、注射模制、壓制等。返回至圖1，一旦制備了元件，在操作103中，將它們排列成用以構(gòu)筑多孔結(jié)構(gòu)或 網(wǎng)狀物。在一些實(shí)施例中，使用型?；蚰＞邅?lái)限定多孔結(jié)構(gòu)的邊界。元件可經(jīng)放置、搖動(dòng)、 進(jìn)給等到型?；蚰＞邇?nèi)。圖2在203示出了部分填充有星形元件的用于平坦多孔網(wǎng)狀物的 型模。組裝的結(jié)構(gòu)以205示出。根據(jù)各種實(shí)施例，組裝該結(jié)構(gòu)可包括隨機(jī)、半隨機(jī)或有序的填塞，引入其它的結(jié)構(gòu)構(gòu)件如加強(qiáng)桿，等。在這點(diǎn)，基本形式的多孔結(jié)構(gòu)骨架位于適當(dāng)位置， 但處在比最終多孔結(jié)構(gòu)更大的尺寸。如在下文進(jìn)一步討論，各種添加劑可加入到單個(gè)元件 的材料內(nèi)，用于涂覆或以其它方式添加到各個(gè)元件或組裝結(jié)構(gòu)，以便于隨后的連結(jié)和/或 燒結(jié)操作。在排列元件之后，在操作105視情況連結(jié)元件。在將元件燒結(jié)在一起之前可使元 件連結(jié)以使元件互鎖，改進(jìn)處置強(qiáng)度和/或連接元件至其它層，例如電極或電解質(zhì)層。在此 操作之后，各個(gè)元件均可化學(xué)地或機(jī)械地結(jié)合到鄰接的元件和/或單獨(dú)的層上。取決于元 件材料，此操作可采用下列中的一種或多種方法進(jìn)行處理素?zé)?、壓縮、熱處理、在溶劑中浸 泡、利用粘結(jié)劑和/或粒子進(jìn)行洗涂、經(jīng)受光或超聲，或其它已知的方法，以便將元件連結(jié) 在一起和/或連結(jié)至一或多個(gè)其它層。此操作可向用于處置的材料提供機(jī)械完整性，但并 不象燒結(jié)那樣產(chǎn)生任何顯著的尺寸變化。圖2中的星形元件在207示出為連結(jié)在一起。而 且，在此操作時(shí)或之后，可去除型?；蚰＞撸缭?07所示。返回至圖1，在構(gòu)筑了多孔結(jié)構(gòu)且(若執(zhí)行)將元件連結(jié)在一起之后，在操作107， 該結(jié)構(gòu)經(jīng)燒制而將元件燒結(jié)在一起。燒結(jié)是在不熔化的情況下通過(guò)加熱而形成粘連塊 (mass)的過(guò)程。所得結(jié)構(gòu)收縮且致密化。收縮量取決于材料、燒制時(shí)間和溫度等。燒制密 度且因此連通孔隙度的量與該結(jié)構(gòu)的生坯密度相關(guān)。根據(jù)各種實(shí)施例，燒結(jié)多孔結(jié) 構(gòu)將具 有至少30 %、40 %、50 %、60 %、70 %、80 %或90 %的連通孔隙度。通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇元件形狀 和排列該多孔結(jié)構(gòu)，獲得了所希望的連通孔隙度。如果該結(jié)構(gòu)包含添加劑(粘結(jié)劑、造孔劑 等)，這些添加劑通常通過(guò)燒制而去除。一旦該結(jié)構(gòu)經(jīng)燒結(jié)，則其還可進(jìn)一步加工或投入使 用。進(jìn)一步的加工可包括利用催化材料對(duì)其進(jìn)行涂覆、將其裝配到裝置內(nèi)，等。在一些實(shí)施例中，制備成形元件涉及使成形生坯粉末壓塊成形或形成，以及之后 燒制該壓塊以產(chǎn)生燒結(jié)元件。圖3是示出通過(guò)燒結(jié)生坯粉末壓塊而形成該元件的一個(gè)實(shí)例 的工藝流程圖。在圖3所示的實(shí)例中，在操作301，粉末經(jīng)流延并干燥至預(yù)定生坯密度。流 延是通常用于形成大、薄且平的陶瓷或金屬部件的過(guò)程。然后在操作303，將鑄造和干燥的 粉末切割成所希望的形狀，例如，切割成條帶、盤等以形成成形的生坯元件。在操作305，例 如通過(guò)素?zé)?、在溶劑中浸泡等視情況對(duì)生坯元件進(jìn)行處理。在操作307，對(duì)各個(gè)生坯元件進(jìn) 行燒制以使其燒結(jié)并形成成形的燒結(jié)元件。流延和切割只是形成成形生坯元件的方法的實(shí) 例。無(wú)論形成成形生坯元件的方法如何，生坯元件經(jīng)燒制而形成燒結(jié)元件。在其中通過(guò)諸如圖3過(guò)程中的燒結(jié)來(lái)形成元件的一些實(shí)施例中，多孔結(jié)構(gòu)和生坯 元件可同時(shí)燒結(jié)，其中，構(gòu)成各元件的粒子和構(gòu)成多孔結(jié)構(gòu)的元件燒結(jié)在一起。圖4是示出 在上文中參考圖1所討論的方法的實(shí)施例的工藝流程圖，在其中生坯元件和多孔結(jié)構(gòu)燒結(jié) 在一起。首先，在操作401制備成形的生坯元件。這可通過(guò)流延和切割、擠壓、注射模制、模 壓等進(jìn)行。在操作403，可執(zhí)行可選的處理步驟，例如，用以在隨后的搖動(dòng)、重力進(jìn)給等期間 改進(jìn)處置強(qiáng)度。素?zé)?、熱處理、?jīng)受光或超聲是處理的實(shí)例。然后在操作405，如上文關(guān)于圖 1所討論那樣來(lái)排列生坯元件。然后在操作407，如上文所討論那樣視情況將生坯元件連結(jié) 在一起。在操作409，燒結(jié)該多孔結(jié)構(gòu)和元件。結(jié)果是同時(shí)各生坯元件的粒子或粉末燒結(jié)在 一起以形成燒結(jié)元件，且元件燒結(jié)在一起以形成燒結(jié)多孔結(jié)構(gòu)或網(wǎng)狀物。元件形狀
通過(guò)將元件燒結(jié)在一起形成多孔結(jié)構(gòu)，該元件成形以便在燒結(jié)之后形成所希望的孔隙結(jié)構(gòu)。這些元件是非球形的且根據(jù)各種實(shí)施例成形為用以提供具有一些或所有其它下 列特征的多孔結(jié)構(gòu)高孔隙度、高強(qiáng)度、具有與氣體流動(dòng)方向?qū)?zhǔn)的孔隙(垂直于膜平面)， 以及具有顯著地大于平均或中值粒子大小的平均或中值孔隙大小?？稍诒景l(fā)明的方法中使用的元件類型的非排它列表包括星形，花環(huán)形元件，線性、 折彎或盤繞股束，螺旋元件，彈簧形元件，磚形元件，圈形元件，管狀元件，圓環(huán)元件，鞍形元 件，旋繞元件，盤，片材，編織元件，弓形元件，長(zhǎng)形元件，非球形固體(例如，多面體)，插孔 形元件，莫比烏斯條(Mobius)帶，類似下列形狀的元件披薩、面條、鳥籠、鋼棉、編織墊、 氈、花生狀包裝物(packing peanut)、擴(kuò)張金屬網(wǎng)格、六角形金屬絲織網(wǎng)(chicken wire), 華夫型切口或切絲蔬菜，金屬車屑和雪片。元件可為對(duì)稱的或不對(duì)稱的。元件可具有直的 或彎曲突起。具有發(fā)散物(radiation)的元件，例如星形、花環(huán)形或插孔形元件可具有更短 或更長(zhǎng)的發(fā)散物。元件可具有單個(gè)發(fā)散物，或多個(gè)發(fā)散物如星形。發(fā)散物可為二維的或三 維的。彎曲元件包括弓形、箭頭、馬蹄形元件。固體形狀包括柏拉圖和阿基米德固體，例如 多面體，截頭多面體、多個(gè)多面體形狀等。這些形狀中的任何形狀可混合以形成所希望的空 隙圖案。長(zhǎng)形元件可為線性的、折彎的、彎曲的、螺旋的或盤繞的。股束可具有相同長(zhǎng)度或 具有不同大小。在成股重復(fù)單元的情況下，股束可與股束或其它形狀經(jīng)編織、制墊、制氈、混 合等以在最終燒結(jié)體中形成規(guī)則或不規(guī)則的空隙圖案。成股元件可螺旋纏繞、盤繞或嵌套。 螺旋元件包括圓柱形和圓錐形螺旋。在一些實(shí)施例中，非球形元件是管狀或環(huán)狀的，即在兩個(gè)相對(duì)側(cè)上端部敞開。實(shí)例 為圈、圓環(huán)、拉西(Raschig) 圈(圖5)、鮑爾(Pall) 圈以及形成蜂窩狀的元件(圖9)等。 在一些實(shí)施例中，非球形元件具有鞍形。貝爾(Berl) 鞍和英塔洛克斯(Intalox) 鞍為具體 實(shí)例。元件還可包含這些特點(diǎn)中的兩個(gè)或更多特點(diǎn)，例如，圖5所示的Intalox 圈是具有向 內(nèi)彎曲突起的環(huán)形。元件可具有平的、凹入和凸出的(非球形)表面。在一些實(shí)施例中，元 件具有這些表面中的兩種或更多種類型，例如，凸出和凹入(鞍形、管狀元件)。如上文所述，元件成形為用以提供具有各種所希望特征的多孔網(wǎng)狀物。在許多實(shí) 施例中，需要低填塞密度來(lái)形成高度多孔的結(jié)構(gòu)。為此，使用非球形元件。如在上文中簡(jiǎn)要 地討論，在面心立方體或六邊閉合填塞排列中的填塞球體具有74%的填塞密度。其它有序 球形填塞排列具有略微更低的填塞密度，包括在體心立體排列中的大約68%。球體的隨機(jī) 填塞可得到僅低至大約64%至68%的填塞密度。根據(jù)各種實(shí)施例，多孔結(jié)構(gòu)的填塞密度至多為大約70%、65%、60%、55%、 45%、40%、35%、30%、25%、20%、15%、10%、5%或2%。例如，對(duì)于蒸餾塔所用類型的 填塞，具有很低的填塞密度。圖5示出在蒸餾塔中所用形狀的實(shí)例(a) Raschig 圈， (b) Berl 鞍，(c) Intalox 圖，⑷ Intalox 鞍，(e)泰勒(Tellerettes) ,以及(f) pall
圈。如圖所示，這些填塞物的隨機(jī)填塞密度較低，即Raschig 圈具有范圍從3% -38% 的報(bào)告隨機(jī)填塞密度，Berl 鞍從30 % -40 %，Intalox 圈低至2 % -3 %，Intalox 鞍 低至 7 %，Tellerettes 低 M 7%,以及 Pall 圈低至 3 % -10 % (Perry ‘ s Chemical Engineers' Handbook, Seventh Edition(佩里化學(xué)工程師手冊(cè)(第七版)))。其它隨機(jī) 填塞物包括級(jí)聯(lián)微型圈、納特圈(Nutter ring)、VSP、三填塞圈等，它們具有低至大約2%的隨機(jī)填塞密度。
為了比較，如上文所示的球體具有至少大約64%的隨機(jī)填塞密度。圖6示出(a) 球體與(b) Raschig 圈的隨機(jī)排列的透視圖。如從圖可以看出，由燒結(jié)Raschig 圈或者 類似環(huán)形元件形成的多孔結(jié)構(gòu)具有比燒結(jié)球體的孔隙度高出許多的孔隙度。元件可設(shè)計(jì)成 以隨機(jī)排列放置在型?；蚰＞邇?nèi)，例如圖6中的圖，其設(shè)計(jì)成以非隨機(jī)的不規(guī)則或規(guī)則排 列放置，和/或成形為適合模具尺寸。根據(jù)一些實(shí)施例的粒子的另一特點(diǎn)是多孔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。例如，在其中多孔結(jié)構(gòu)是 固體氧化物燃料電池的支承件的應(yīng)用中，該結(jié)構(gòu)足夠堅(jiān)固以支承疊置的電解質(zhì)與電極層。 球形元件的燒結(jié)網(wǎng)狀物的強(qiáng)度取決于粒子間頸部大小。圖7a示出了描繪燒結(jié)球體的多孔 支承結(jié)構(gòu)的一部分的示意圖。球形粒子(701)燒結(jié)形成將粒子結(jié)合在一起的頸部(703)。 箭頭表示結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力，例如來(lái)自固體氧化物燃料電池電解質(zhì)或流動(dòng)流體。該頸部限制多 孔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和機(jī)械性質(zhì)。在一些實(shí)施例中，元件形狀經(jīng)選擇以具有受到構(gòu)成該結(jié)構(gòu)的元件而非在它們之間 形成的頸部所控制的強(qiáng)度。作為實(shí)例，圖7b示出燒結(jié)在一起的球形粒子的結(jié)構(gòu)的一部分 705，且強(qiáng)度受到頸部控制。為了比較，致密桿的多孔支承結(jié)構(gòu)的部分707具有均勻截面。由 于截面區(qū)域是均勻的，該結(jié)構(gòu)具有不受頸部厚度而是受桿厚度控制的強(qiáng)度。圖7c示出了描 繪由磚形元件制成的支承結(jié)構(gòu)的截面部分的示意圖。注意的是，磚形元件能以比球體低很 多的填塞密度接觸其它元件并燒結(jié)到其上。在這些接觸點(diǎn)的燒結(jié)增加了強(qiáng)度，且除了變得 更堅(jiān)固之外，該結(jié)構(gòu)提供比由填塞球體構(gòu)成的結(jié)構(gòu)高出許多的孔隙度。低填塞密度和較高的強(qiáng)度并不限于圖5至圖7所示的非球形元件。球形填塞密度 高部分地是因?yàn)榍蝮w的表面積相比于體積較低——在封閉給定體積的所有表面中，球體具 有最低表面積。非球形元件具有較高的表面積與體積比，且因此更大量的表面可用于結(jié)合。 具有粗糙表面和突起的元件還提供在元件之間機(jī)械互鎖的機(jī)會(huì)。結(jié)果是，如果利用粗糙或 非球形元件構(gòu)筑而不是利用球形元件構(gòu)筑，給定體積的生坯和燒結(jié)結(jié)構(gòu)可具有更大的孔隙 度和強(qiáng)度。其中可控制多孔結(jié)構(gòu)的特征的另一方式是孔隙的形狀和方位。在薄片材的實(shí)施 例中，氣體流動(dòng)通常橫向于多孔結(jié)構(gòu)平面。圖8示出了平坦多孔薄片材結(jié)構(gòu)800的小部段 820。兩種可能的孔隙結(jié)構(gòu)的截面圖以部段820的爆炸視圖820a和820b示出視圖820a 具有垂直于薄片材的平面定向且與氣體流動(dòng)方向?qū)?zhǔn)的孔隙，以及視圖820b具有平行于 該片材的平面定向的孔隙。在820a中示出的多孔結(jié)構(gòu)具有垂直于膜或片材的平面的強(qiáng)度， 例如，用以支承燃料電池或過(guò)濾裝置，而820b中孔隙的方位在平行于片材的方向給予它強(qiáng) 度。一般而言，使孔隙垂直于多孔平坦片材的平面對(duì)準(zhǔn)提供比未對(duì)準(zhǔn)孔隙或者平行于該片 材對(duì)準(zhǔn)的孔隙更大的強(qiáng)度。元件形狀也可經(jīng)選擇以實(shí)現(xiàn)所希望的氣體流動(dòng)特征。例如，在 820a中所示的結(jié)構(gòu)向氣體流動(dòng)提供更小阻力。在一些實(shí)施例中，形狀經(jīng)選擇以提供高度曲 折的氣體流動(dòng)路徑。(箭頭代表流體通過(guò)互連孔隙的流動(dòng)，盡管因?yàn)閳D8是截面示圖，但孔 隙之間的通路在圖中并不明顯)。元件也可成形為用以控制孔隙的形狀和大小。一般而言，結(jié)構(gòu)孔隙體積顯著大于 單個(gè)元件的孔隙體積(元件內(nèi)孔隙體積)。這與燒結(jié)均勻粉末不同，在燒結(jié)均勻粉末中孔隙 和粒子處于相同大小范圍。
在一些實(shí)施例中，元件成形為用于高度有序填塞。圖9a示出兩個(gè)這樣的實(shí)施例 的實(shí)例。在一個(gè)實(shí)施例中，六角形元件901的軸向端部敞開以允許沿所示方向的流動(dòng)。六 角形元件排列成用以形成蜂窩結(jié)構(gòu)(903)。元件按有序方式放置以構(gòu)筑元件床，且可放置 成單層或多層。燒結(jié)蜂巢結(jié)構(gòu)堅(jiān)固且提供低阻力流動(dòng)路徑。在一個(gè)實(shí)例中，燒結(jié)結(jié)構(gòu)結(jié)合 到電化學(xué)裝置中的電解質(zhì)或電極層上。燒結(jié)蜂窩結(jié)構(gòu)機(jī)械地支承該層且允許通向片材的 較大進(jìn)路面積，例如用以允許電化學(xué)反應(yīng)物通過(guò)。多個(gè)層可疊置以提供所希望的孔隙結(jié) 構(gòu)，例如，在每一層中的空隙可完全或部分地與相鄰層中的空隙重疊。在另一實(shí)例中，圈形 元件(905)用于構(gòu)筑多孔燒結(jié)結(jié)構(gòu)(907)。非球形元件也可為正方形、矩形、八角形等—— 端部敞開以允許通過(guò)流動(dòng)的其它閉環(huán)形狀。這些元件可具有形成所希望的結(jié)構(gòu)所需的任 何壁厚和高度。除了端部敞開的閉環(huán)元件之外，長(zhǎng)形元件可按有序方式放置以構(gòu)筑多孔結(jié) 構(gòu)。圖9b示出兩個(gè)實(shí)例長(zhǎng)形扭結(jié)元件909用于構(gòu)筑網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，其一部分在911示出； 以及長(zhǎng)形波狀元件913用于構(gòu)筑網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，其一部分在915示出。長(zhǎng)形元件可根據(jù)需要 而具有任何深度和厚度以獲得所希望的結(jié)構(gòu)。有序元件的多孔燒結(jié)結(jié)構(gòu)可類似蜂窩、網(wǎng) 格或網(wǎng)。在一些實(shí)施例中，床可類似于在蒸餾塔中所用的單層或多層結(jié)構(gòu)化填塞物，包括 Flexi Pac 、Flexiramic 、Gempak 、Intalox 、Max-Pak 等。應(yīng)當(dāng)注意的是 上文所述的六角形、圈、長(zhǎng)形等元件也可用于制備隨機(jī)組裝的多孔結(jié)構(gòu)。
不同成形的元件可用來(lái)形成多孔結(jié)構(gòu)。大小分布通常相當(dāng)窄，但可使用雙峰或多 峰分布或分級(jí)分布來(lái)形成該結(jié)構(gòu)。圖9c的結(jié)構(gòu)917例如是具有不同元件大小分布的兩個(gè) 區(qū)域921和923的雙峰結(jié)構(gòu)。區(qū)域921由較大元件形成且具有較大孔隙，而區(qū)域923具有 較小的元件和孔隙。多峰結(jié)構(gòu)可用來(lái)例如流動(dòng)介質(zhì)的有效過(guò)濾。小孔隙大小區(qū)域提供對(duì)于 過(guò)濾介質(zhì)中污染物的最大大小截止且可類似于網(wǎng)格、網(wǎng)片、蜂窩、穿孔片材、擴(kuò)張金屬片材、 泡沫、填塞床等。如在圖9c中，在許多實(shí)施例中，希望在總介質(zhì)體積的僅小部分中使用較小 孔隙以最大限度地降低介質(zhì)中的壓降。在一些應(yīng)用中，希望較小孔隙在大小方面為單分散 性的。還可希望的是大孔隙比小孔隙更曲折。圖9c的結(jié)構(gòu)919是分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)。雖然在許多情況下不希望具有寬泛的大小分 布，因?yàn)檩^小元件占據(jù)較大元件之間的空隙，從而通過(guò)適當(dāng)?shù)嘏帕谢驑?gòu)筑該結(jié)構(gòu)而減小孔 隙度，但可能獲得分級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)。元件和孔隙大小在結(jié)構(gòu)919中從大過(guò)渡到小。這可能是 有用的，例如用于過(guò)濾裝置。在另一實(shí)施例中，孔隙結(jié)構(gòu)可從高度曲折過(guò)渡成不太曲折。制作和排列元件元件能燒結(jié)在一起且可由任何適當(dāng)材料制成，包括可燒結(jié)的金屬、陶瓷、玻璃、聚 合物、金屬陶瓷、沸石、活性炭等。為了進(jìn)行燒結(jié)，元件至少在外部上是多孔的以允許致密化 和與相鄰元件結(jié)合。在許多實(shí)施例中，元件的制造包括燒結(jié)生坯粒子壓塊。生坯粒子壓塊 可通過(guò)任何適當(dāng)方法形成，包括流延、擠壓、注射模制等。材料片材可經(jīng)撕裂且之后折彎以 制成最終形狀。元件可包括粘結(jié)劑、增塑劑、揮發(fā)性造孔劑以及可在燒結(jié)期間燒盡的其它添加劑。 在特定實(shí)例中，使用揮發(fā)性造孔劑來(lái)制造元件以獲得所希望的元件形狀和/或填塞排列。 舉例而言，成股元件可繞揮發(fā)性造孔劑體螺旋纏繞以在去除造孔劑之后形成盤繞元件。在一些實(shí)施例中，在將非球形元件排列成多孔結(jié)構(gòu)形狀之前對(duì)非球形元件進(jìn)行處 理。處理可包括素?zé)?、溶劑處理、紫外線處理、超聲處理等。元件可經(jīng)處理以改進(jìn)處置、強(qiáng)度寸。在型模或模具中排列元件可通過(guò)任何方法進(jìn)行。隨機(jī)定向的元件可由料斗或輸送 機(jī)來(lái)傾倒、搖動(dòng)、注入、重力進(jìn)給、彈射噴灑或擠壓到型?；蚰＞邇?nèi)。長(zhǎng)形元件例如可直接擠 壓成所希望的排列。填塞股束然后可燒結(jié)在一起以形成多孔結(jié)構(gòu)。諸如股束的長(zhǎng)形元件 可在放置到型?；蚰＞邇?nèi)期間進(jìn)行折彎或盤繞。圖IOa示出其中長(zhǎng)形元件1001進(jìn)給到型 模(1003)內(nèi)以適合該型模且構(gòu)筑所希望的結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例。多個(gè)股束經(jīng)進(jìn)給以組裝結(jié)構(gòu) (1005)。燒結(jié)結(jié)構(gòu)在1007示出。在一些實(shí)施例中，元件在不使用型?；蚰＞叩那闆r下進(jìn)行 排列。在另一實(shí)例中，生坯編織片材元件一個(gè)放置于另一個(gè)頂上以排列元件。生坯編織片 材然后燒結(jié)在一起以形成多孔結(jié)構(gòu)。有序元件可放置在型?；蚰＞咧小Ｔ谝恍?shí)施例中， 元件可進(jìn)給到型?；蚰＞邇?nèi)且之后搖動(dòng)直到獲得所希望程度的順序或排列。
填塞密度取決于元件形狀和在一定程度上取決于填塞方法。如上文所討論，一些 元件形狀具有很低的隨機(jī)填塞密度( Raschig 圈等)。如果元件的隨機(jī)填塞密度太高或 太低，可采用半隨機(jī)或有序填塞方法來(lái)獲得所希望的填塞密度。磚形元件例如可很緊密地 填塞(如在磚墻中)或很松散地填塞(如在τ形中)。在一些實(shí)施例中，使用揮發(fā)性造孔劑來(lái)幫助獲得所希望的填塞排列或密度。元件 利用造孔劑來(lái)制造且排列成用以形成所希望的結(jié)構(gòu)。然后將造孔劑去除。圖IOb示出使用 磚形元件的此過(guò)程的一個(gè)實(shí)例。復(fù)合磚形元件/揮發(fā)性造孔劑在1011示出。復(fù)合物包括 磚形元件1013 (其在許多實(shí)施例中在此階段為生坯粉末壓塊)和揮發(fā)性造孔劑1015。元件 1013是多孔燒結(jié)結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑塊體之一。揮發(fā)性造孔劑1015并不形成最終燒結(jié)結(jié)構(gòu)的部分， 而是存在于結(jié)構(gòu)(1017)的構(gòu)筑期間。因此，生坯粉末壓塊元件比它們?cè)跊]有造孔劑1015 的情況下更松散地填塞。例如在燒結(jié)處理或預(yù)燒結(jié)處理期間，去除揮發(fā)性造孔劑。燒結(jié)多 孔結(jié)構(gòu)1019的填塞密度低于在無(wú)揮發(fā)性造孔劑的情況下將磚形元件隨機(jī)填塞在一起將獲 得的密度。生坯粉末壓塊中的至少一些應(yīng)保持露出以在多孔結(jié)構(gòu)排列期間接觸其它元件。 全部元件或元件的一部分可利用揮發(fā)性造孔劑進(jìn)行制造。除了在去除時(shí)形成額外空隙空間 夕卜，揮發(fā)性造孔劑還可按該種方式添加以影響孔隙的形狀和方位。應(yīng)當(dāng)注意的是，如圖IOb所示的揮發(fā)性造孔劑的存在與常規(guī)多孔燒結(jié)結(jié)構(gòu)中所用 的揮發(fā)性造孔劑相當(dāng)不同。在常規(guī)多孔燒結(jié)結(jié)構(gòu)中，需要揮發(fā)性造孔劑來(lái)形成幾乎所有互 連孔隙度。這會(huì)造成生產(chǎn)難度，如上文所討論。作為非球形元件的添加劑，造孔劑增加了最 終空隙空間，但以小得多的規(guī)模，例如，揮發(fā)性造孔劑可形成最終結(jié)構(gòu)中總連通空隙空間的 百分之五十或更小。大部分空隙空間通過(guò)排列非球形元件而形成。處置和去除造孔劑的難 度顯著小于常規(guī)方案，在常規(guī)方案中造孔劑占生坯結(jié)構(gòu)的較高體積分率。形成多峰或分級(jí)結(jié)構(gòu)(例如上文關(guān)于圖9c所討論)可能需要特定的填塞方法。舉 例而言，在一些實(shí)施例中，元件可例如通過(guò)放置或篩選按大小順序提供給型模或模具?？赡?需要搖動(dòng)而按大小順序?qū)⒃珠_。在一些實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)的一部分通過(guò)有序方法來(lái)構(gòu)筑， 而另一部分則通過(guò)隨機(jī)填塞來(lái)構(gòu)筑。多孔結(jié)構(gòu)可包含加強(qiáng)構(gòu)件，例如桿、絲線、網(wǎng)片(web)、板、片材等。元件可繞加強(qiáng) 構(gòu)件填充，或者加強(qiáng)構(gòu)件可隨著構(gòu)筑結(jié)構(gòu)來(lái)放置或添加。舉例而言，元件可填充到桿的陣列 內(nèi)，類似于加強(qiáng)混凝土(鋼筋混凝土)，或者類似于抗扭箱的片材陣列。桿和片材保持為多 孔結(jié)構(gòu)的部分。多孔結(jié)構(gòu)可結(jié)合或包含在由與元件類似材料制成的壁或外殼中。圖IOc示出該種過(guò)程的實(shí)例。成形元件和壁在操作1021和1023中制備。元件和壁可由類似材料制 成，使得在燒結(jié)時(shí)，壁的收縮率將與元件的收縮率匹配。元件和壁可根據(jù)需要而由不同材料 制成。然后根據(jù)需要排列元件以與壁接觸(1025)。在圖IOc所示的實(shí)例中，壁是包圍元件 的敞口箱。對(duì)于薄膜結(jié)構(gòu)，這種壁在薄膜的四個(gè)副面接觸多孔結(jié)構(gòu)。在其它實(shí)施例中，壁可 在單個(gè)面或多個(gè)面上接觸該結(jié)構(gòu)，或者根據(jù)需要以任何其它排列。在一個(gè)實(shí)例中，壁在薄膜 的主面(例如，作為底板)上接觸該結(jié)構(gòu)。在構(gòu)筑該結(jié)構(gòu)之后，元件和壁視情況連結(jié)在一起 (1027)且然后燒結(jié)在一起。結(jié)果形成結(jié)合到外殼上或者包含于外殼中的多孔結(jié)構(gòu)(1029)。
壁可為多孔的或致密的，且可成形為圖、管、箱等。這種壁可賦予強(qiáng)度給多孔結(jié)構(gòu)， 包含通過(guò)的流動(dòng)介質(zhì)，改進(jìn)處置，或者提供致密邊緣用于結(jié)合或密封到額外構(gòu)架或外殼上。 在電化學(xué)裝置應(yīng)用的情況下，壁可充當(dāng)集流器。將元件連結(jié)和饒結(jié)在一起元件和/或額外層可包含一種或多種能實(shí)現(xiàn)連結(jié)操作的添加劑。舉例而言，粉末 壓塊元件可包含在連結(jié)步驟期間固化或熱固的聚合物。也可添加額外材料以增強(qiáng)在重復(fù)單 元之間的連結(jié)。舉例而言，漿料、涂料等可施加到元件彼此接觸的點(diǎn)上。材料可僅施加在接 觸點(diǎn)處，或者通過(guò)洗涂、浸泡于漿料中等而更均勻地施加。一旦組裝，則視情況在燒結(jié)之前 對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理。處理可包括素?zé)⒂萌軇┨幚?，?jīng)受紫外光輻射等。燒結(jié)涉及加熱組裝的結(jié)構(gòu)至低于熔點(diǎn)的溫度以將元件結(jié)合在一起。在燒結(jié)期間， 材料傳送到元件間頸部以建立堅(jiān)固結(jié)合。燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)力是經(jīng)燒結(jié)元件的表面自由能的減 少。材料源可處在元件表面或來(lái)自元件內(nèi)部。材料可自元件從元件中心傳送，從元件獲得 更堅(jiān)固的結(jié)合和更高的致密化。在許多實(shí)施例中，使用諸如粉末壓塊的高表面積粒子來(lái)制 作元件。也可在元件間接觸點(diǎn)向生坯結(jié)構(gòu)添加小粒子來(lái)驅(qū)動(dòng)燒結(jié)。在組裝的結(jié)構(gòu)中，各個(gè)元件結(jié)合到相鄰元件上。隨著該結(jié)構(gòu)致密化也發(fā)生收縮。溫 度取決于所用材料。在許多實(shí)施例中，成形元件是在元件燒結(jié)在一起時(shí)同時(shí)燒結(jié)的生坯粉 末壓塊。多孔結(jié)構(gòu)經(jīng)燒制以去除粘結(jié)劑、造孔劑和其它添加劑且經(jīng)燒結(jié)以生成堅(jiān)固的多孔 部件。元件可燒結(jié)至接近或全密度，提供堅(jiān)固的多孔體。元件也可在燒結(jié)之后保持為多孔 的，提供高表面積和多峰孔隙結(jié)構(gòu)。造孔劑和粘結(jié)劑也可通過(guò)諸如熔化或溶解于液體中的 其它手段來(lái)去除。在燒結(jié)之后，多孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面和/或外表面可通過(guò)添加涂層而改變。涂層可為 多孔的或致密的?？赡芟Ｍ氖翘砑油繉右愿倪M(jìn)結(jié)構(gòu)的物理、化學(xué)或機(jī)械性質(zhì)。一些實(shí)例 包括添加下面這樣的涂層其為催化性的，能進(jìn)行化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)；改變多孔結(jié)構(gòu)表面 上流動(dòng)介質(zhì)的潤(rùn)濕；從流動(dòng)介質(zhì)化學(xué)地或物理地去除污染物；以及在流動(dòng)介質(zhì)與多孔介質(zhì) 之間提供熱障(隔熱)。^M在需要流體從多孔介質(zhì)的一側(cè)轉(zhuǎn)移到另一側(cè)的應(yīng)用中，可使用多孔結(jié)構(gòu)。這些應(yīng) 用包括但不限于電化學(xué)裝置、過(guò)濾、層析和流動(dòng)控制裝置。在許多實(shí)施例中，多孔結(jié)構(gòu)是薄 的平坦片材。圖Ila示出薄的平坦多孔結(jié)構(gòu)1101的截面。片材具有兩個(gè)主面1101和1103 以及兩個(gè)副面1121和1123。主面的尺寸要比副面大許多，即大約至少10倍直至數(shù)百萬(wàn)倍。 流體流動(dòng)是從一個(gè)主面到另一個(gè)主面。多孔結(jié)構(gòu)的連通孔隙度限定流體流動(dòng)路徑。取決于 多孔結(jié)構(gòu)，流動(dòng)路徑可從直的變動(dòng)至曲折的。
在特定實(shí)施例中，多孔結(jié)構(gòu)是用于平坦固態(tài)電化學(xué)裝置的多孔支承件。固態(tài)電化 學(xué)裝置通常為電池，該電池包括兩個(gè)多孔電極(陽(yáng)極和陰極)，以及布置在電極之間的致密 固體電解質(zhì)膜片。本文所述的多孔支承結(jié)構(gòu)通常支承這些層中的一個(gè)或多個(gè)。圖lib示出 使用多孔燒結(jié)支承結(jié)構(gòu)的多層電化學(xué)裝置的一種實(shí)施方式。該圖示出在多孔基材1107上 的多孔電極層1109上的致密電解質(zhì)層1111上的多孔電極層1113。電極1109可為陽(yáng)極或 陰極；電極1113為另一極。在其中多孔燒結(jié)基材充當(dāng)電極的另一實(shí)施例(未示出)中，致 密電解質(zhì)層接觸多孔燒結(jié)基材/電極。多孔燒結(jié)基材可結(jié)合到互連物上。用于支承結(jié)構(gòu)的 典型厚度范圍在大約50 μ m至2mm。對(duì)于固體氧化物燃料電池，在陽(yáng)極提供含氫燃料而在陰極提供空氣。在電極/電 解質(zhì)界面形成的氧離子(02_)遷移通過(guò)電解質(zhì)且在燃料電極/電解質(zhì)界面起反應(yīng)以形成水， 從而釋放由互連物/集流器所收集的電能。通過(guò)跨越兩個(gè)電極施加電位，相同結(jié)構(gòu)可與電 化學(xué)泵相反地操作。在陰極由氣體形成的離子(例如，來(lái)自空氣的氧離子)將通 過(guò)電解質(zhì) (其針對(duì)所希望純氣體的離子的導(dǎo)電性來(lái)選擇)遷移以在陽(yáng)極產(chǎn)生純氣體(例如，氧氣)。 如果電解質(zhì)是質(zhì)子傳導(dǎo)薄膜而不是氧離子導(dǎo)體，則該裝置可用于從包含氫氣的混有其它雜 質(zhì)的進(jìn)給氣體分離氫氣，該進(jìn)給氣體例如通過(guò)甲烷的蒸汽重整(CH4+H20— 3H2+C0)得到。在 一個(gè)電極/薄膜界面處由H2/C0混合物形成的質(zhì)子(氫離子)由跨越電極施加的電位驅(qū)動(dòng) 遷移越過(guò)電解質(zhì)以在另一電極產(chǎn)生高純度氫氣。因此，該裝置可作為氣體發(fā)生器/純化器 來(lái)操作。上文所述的固體氧化物電化學(xué)裝置具有與多孔電極和/或多孔機(jī)械支承件接觸 的薄的致密膜。支承材料通常為金屬陶瓷、金屬或合金。在一些實(shí)施例中，該種結(jié)構(gòu)通過(guò)將 電解質(zhì)膜燒結(jié)為由非球形元件構(gòu)成的多孔體而制造。在一些實(shí)施例中，在燒結(jié)多孔支承結(jié)構(gòu)之前，生坯多孔結(jié)構(gòu)涂覆有薄的電解質(zhì)或 膜片層。電解質(zhì)/膜片材料可制備為液體介質(zhì)(例如水或異丙醇)中生坯粉末材料的懸浮 液，且可通過(guò)多種方法施加到基材層的表面上，例如，氣溶膠噴射、浸漬、電泳沉積、真空滲 濾，以及流延。在此階段，多孔支承結(jié)構(gòu)和電解質(zhì)膜片材料二者為生坯。該組件在足以使基 材燒結(jié)和電介質(zhì)致密的溫度下燒制。燒制的雙層隨著材料燒結(jié)而收縮。在一些實(shí)施例中， 可在施加電解質(zhì)涂層之前向支承件添加薄的電極層。對(duì)于這種方法的一個(gè)考慮是在施加生 坯支承結(jié)構(gòu)中，有用的是用陶瓷材料來(lái)橋接多孔結(jié)構(gòu)的未燒結(jié)元件之間的間隙。在一些實(shí) 施例中，可使用分級(jí)或多峰孔隙結(jié)構(gòu)(例如圖9c所示)以通過(guò)將更小元件放置在待涂覆表 面上而獲得電解質(zhì)的均勻涂層。由于孔隙在該表面更小，粉末或懸浮液能橋接元件之間的 間隙。這適用于其中用材料涂覆多孔結(jié)構(gòu)的任何應(yīng)用。在另一實(shí)施例中，非球形元件床放置成與電解質(zhì)或電極層接觸。一旦燒結(jié)，則床結(jié) 合到電解質(zhì)或電極層上，提供機(jī)械支承。電解質(zhì)和電極層優(yōu)選地使用低成本方法如流延、氣 溶膠沉積、浸涂等來(lái)產(chǎn)生。電解質(zhì)和電極層中的一個(gè)或兩者優(yōu)選地是自立的。因此可將這些 層放置于表面上，之后加載于非球形元件上，或者這些層可備選地放置于預(yù)制的多孔床上。 根據(jù)此實(shí)施例適于使用的多孔結(jié)構(gòu)的實(shí)例在圖9a中以903和907示出。電極或電解質(zhì)材 料的片材與非球形元件床接觸。元件以有序方式放置且可作為單層或多層放置。因此，連 續(xù)片材與床接觸，該床提供有序的結(jié)構(gòu)支承件以及通向該片材的較大進(jìn)路區(qū)域，例如用以 允許電化學(xué)反應(yīng)物通過(guò)。由于在此實(shí)施例中在電解質(zhì)層上構(gòu)筑多孔結(jié)構(gòu)，對(duì)于橋接元件之間的間隙的電解質(zhì)涂層而言并沒有困難。其中可使用多孔燒結(jié)結(jié)構(gòu)的另一應(yīng)用是在混合物分離中，包括過(guò)濾和層析。在過(guò)濾中，過(guò)濾器接觸流體_固體混合物。一般而言，多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成用以允許流體通過(guò)同時(shí)截 留或保留固體。多孔結(jié)構(gòu)可用于熔融金屬過(guò)濾、水過(guò)濾、空氣過(guò)濾等。熔融金屬過(guò)濾器常常 由陶瓷和高溫玻璃(例如，石英)構(gòu)成，其可耐受高溫和從熔融金屬濾出雜質(zhì)所需的加工條 件。提供流體流動(dòng)的非曲折路徑的蜂窩或網(wǎng)格過(guò)濾器(例如在上文中關(guān)于圖9a所述)可 特別適用于金屬過(guò)濾?？諝膺^(guò)濾器通常由玻璃或沸石材料制成，而水過(guò)濾器由活性炭形成。 在許多實(shí)施例中，過(guò)濾器是分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，例如上文在圖9c所示?？紫洞笮】衫鐝捻敳?向底部逐漸增加，其中，頂部區(qū)域物理去除粒子而下部區(qū)域提供支承和高效排放。多孔結(jié)構(gòu)可直接形成于漿料室或者待過(guò)濾流體所源自的其它結(jié)構(gòu)上。同樣，多孔 結(jié)構(gòu)可直接形成在將包含濾液的容器或結(jié)構(gòu)上。在其它實(shí)施例中，過(guò)濾器可形成為自立結(jié) 構(gòu)。多孔結(jié)構(gòu)也可形成在如上文關(guān)于圖IOc所述的外殼或構(gòu)架內(nèi)，以易于放置在過(guò)濾組件 中。同樣，過(guò)濾器可形成為可移除的盒。^m下文的實(shí)例意圖說(shuō)明本發(fā)明的各個(gè)方面，且決非以任何方式限制本發(fā)明。多孔不銹鋼床制造的是不銹鋼圓柱形套筒元件的燒結(jié)自立床。填塞床制作如下。不銹鋼 434(38-45微米粒度)粉末與丙烯酸粘結(jié)劑(15%重量的水溶液)、聚乙二醇6000和聚甲 基丙烯酸甲酯造孔劑球(53-76微米直徑)以重量比10 3 0.5 1. 5混合。混合物 經(jīng)加熱和干燥，研磨并篩分至< 150微米。通過(guò)以20kpsi進(jìn)行冷等靜壓將所得粉末形成 為管。管經(jīng)切割以形成大約Icm直徑和Icm高的套筒。這些套筒在空氣中以在525°C脫粘 (debind)且然后在還原氣氛(氬中4%H2)中以1000°C素?zé)?小時(shí)。然后將套筒填塞到氧 化鋁舟形物(alumina boat)中且在還原氣氛中以1300°C燒結(jié)4小時(shí)。在燒結(jié)后，自立單體 床易于從舟形物去除。在圖12a中提供燒結(jié)結(jié)構(gòu)的圖像。注意的是，套筒形狀提供為具有 大約Icm孔隙大小的填塞床。套筒壁也是多孔的，且孔隙大小處在20-100微米的范圍。注 意的是也可通過(guò)去除造孔劑球體和選擇適當(dāng)金屬粒度和燒結(jié)溫度將壁制成致密的。多孔陶瓷床制造的是包括氧化鋁圈元件的燒結(jié)自立床。在圖12b中提供圖像。單個(gè)圈具有大 約Icm的直徑。床的隨機(jī)填塞提供很高孔隙度，而每個(gè)圈的多個(gè)接觸點(diǎn)則提供良好強(qiáng)度。填塞床制作如下。氧化鋁粉末(1微米粒度)與丙烯酸粘結(jié)劑(42%重量的水溶 液)的混合物在平底塑料容器中混合且允許干燥。從容器去除所得片材且切割成條帶。然 后用手將條帶端部壓在一起而將條帶制成圈，允許充分的時(shí)間使每一端中的丙烯酸粘結(jié)劑 黏在一起。然后在各個(gè)方位將圈相繼地一個(gè)疊置在另一個(gè)之上。在每個(gè)新圈與先前放置的 圈床之間的接觸點(diǎn)之間添加少量濕氧化鋁粉末/丙烯酸粘結(jié)劑混合物。這在燒結(jié)期間在圈 單元之間形成堅(jiān)固結(jié)合。該組件在空氣中以1400°C燒結(jié)4小時(shí)。在此實(shí)例中，燒結(jié)結(jié)構(gòu)的 圈壁是多孔的，但可通過(guò)調(diào)整氧化鋁與丙烯酸比例、氧化鋁粒度、燒結(jié)溫度等來(lái)制作致密圈 壁。Mrk雖然為了清楚理解起見而在一定詳細(xì)程度上描述了前述發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解在不偏離本發(fā)明的范圍和精神的情況下可以構(gòu)造前文描述的優(yōu)選實(shí)施例的各種變 化和修改。此外，所描述的本發(fā)明的加工分布和分類引擎特征可一起或獨(dú)立地實(shí)施。因此， 所描述的實(shí)施例應(yīng)理解為是說(shuō)明性的而非限制性的，且本發(fā)明不應(yīng)限于本文所給出的細(xì)節(jié) 而是應(yīng)由下文的權(quán)利要求書及其等效物的全部范圍限定。
權(quán)利要求
一種用于制作多孔網(wǎng)狀物的方法，所述方法包括提供多個(gè)生坯非球形元件，其中，各個(gè)非球形元件包括粒子；將所述非球形元件排列成所希望的網(wǎng)狀物形狀以形成生坯多孔體；以及，同時(shí)將所述粒子燒結(jié)在一起以形成燒結(jié)非球形元件以及將所述非球形元件燒結(jié)在一起以形成所述多孔網(wǎng)狀物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述非球形元件在燒結(jié)在一起之前連結(jié) 到一起。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，將所述非球形元件連結(jié)在一起包括下列 中的至少一種方式素?zé)龇乔蛐卧?，壓縮所述非球形元件，利用粘結(jié)劑或粒子洗涂或 漿涂所述元件，以及使所述非球形元件經(jīng)受熱、溶劑、光和超聲波中的至少一個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，非球形元件包括聚合物，以及將所述非球 形元件連結(jié)在一起包括使所述聚合物固化或熱固。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法還包括向排列的非 球形元件施加添加劑以增強(qiáng)在所述非球形元件之間的結(jié)合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，排列所述非球形元件包括通 過(guò)注入、重力進(jìn)給、彈射噴灑和擠壓中的一種方式將所述非球形元件插入型?；蚰＞邇?nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，排列所述非球形元件包括在 型模或模具中隨機(jī)填塞所述非球形元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述非球形元件包括粘結(jié) 劑、增塑劑和揮發(fā)性造孔劑中的至少一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法還包括通過(guò)流延粉 末、注射模制粉末和擠壓粉末中的至少一種來(lái)形成所述非球形元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，非球形元件包括選自金屬、 陶瓷、金屬陶瓷、聚合物、玻璃、活性炭和沸石的材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述生坯多孔體具有小于 大約45%的密度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述生坯多孔體具有小于 大約30%的密度。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述多孔網(wǎng)狀物具有至少 30%的連通孔隙度。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述多孔網(wǎng)狀物具有至少 40%的連通孔隙度。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述多孔網(wǎng)狀物具有至少 60%的連通孔隙度。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述多孔網(wǎng)狀物具有至少 90%的連通孔隙度。
17.一種多孔網(wǎng)狀物，包括多個(gè)燒結(jié)在一起的非球形元件，其中，各個(gè)非球形元件包括 多個(gè)燒結(jié)在一起的粒子。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的多孔網(wǎng)狀物，其特征在于，所述網(wǎng)狀物是大致平坦的。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的多孔網(wǎng)狀物，其特征在于，所述網(wǎng)狀物限定處在所述網(wǎng)狀 物的主表面之間的多個(gè)流動(dòng)路徑。
20.根據(jù)權(quán)利要求17至19中任一項(xiàng)所述的多孔網(wǎng)狀物，其特征在于，所述非球形元件 選自由下列構(gòu)成的組星形元件，線性、折彎或盤繞股束元件，螺旋元件、磚形元件、圖形元 件，管狀元件，圓環(huán)元件，鞍形元件，盤，片材，編織元件以及插孔形元件。
21.根據(jù)權(quán)利要求17至19中任一項(xiàng)所述的多孔網(wǎng)狀物，其特征在于，所述非球形元件 是股束元件。
22.根據(jù)權(quán)利要求17至19中任一項(xiàng)所述的多孔網(wǎng)狀物，其特征在于，所述非球形元件 具有至少一個(gè)平的表面。
23.根據(jù)權(quán)利要求17至19中任一項(xiàng)所述的多孔網(wǎng)狀物，其特征在于，所述非球形元件 具有至少一個(gè)凹入表面。
24.根據(jù)權(quán)利要求17至19中任一項(xiàng)所述的多孔網(wǎng)狀物，其特征在于，所述非球形元件 具有下列中的至少兩個(gè)凸出表面、凹入表面和平的表面。
25.根據(jù)權(quán)利要求17至24中任一項(xiàng)所述的多孔網(wǎng)狀物，其特征在于，所述非球形元件 包括選自金屬、陶瓷、金屬陶瓷、聚合物、玻璃、活性炭和沸石的材料。
26.根據(jù)權(quán)利要求17至24中任一項(xiàng)所述的多孔網(wǎng)狀物，其特征在于，所述網(wǎng)狀物具有 至少40%的連通孔隙度。
27.根據(jù)權(quán)利要求17至24中任一項(xiàng)所述的多孔網(wǎng)狀物，其特征在于，所述網(wǎng)狀物具有 至少60%的連通孔隙度。
28.根據(jù)權(quán)利要求17至24中任一項(xiàng)所述的多孔網(wǎng)狀物，其特征在于，所述網(wǎng)狀物具有 至少90%的連通孔隙度。
29.根據(jù)權(quán)利要求17至28中任一項(xiàng)所述的多孔網(wǎng)狀物，其特征在于，所述元件的大小 處在5微米至5厘米的范圍。
30.根據(jù)權(quán)利要求17至29中任一項(xiàng)所述的多孔網(wǎng)狀物，其特征在于，所述非球形元件 的大小是大致均勻的。
31.根據(jù)權(quán)利要求17至29中任一項(xiàng)所述的多孔網(wǎng)狀物，其特征在于，所述元件的大小 分布是雙峰的。
32.根據(jù)權(quán)利要求17至31中任一項(xiàng)所述的多孔網(wǎng)狀物，其特征在于，所述非球形元件 是多孔的。
33.根據(jù)權(quán)利要求17至31中任一項(xiàng)所述的多孔網(wǎng)狀物，其特征在于，所述非球形元件 是致密的。
34.根據(jù)權(quán)利要求17至29中任一項(xiàng)所述的多孔網(wǎng)狀物，其特征在于，所述多孔網(wǎng)狀物 的大小和孔隙度在其整個(gè)本體上是均勻的。
35.根據(jù)權(quán)利要求17至29中任一項(xiàng)所述的多孔網(wǎng)狀物，其特征在于，所述多孔網(wǎng)狀物 具有分級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)。
36.根據(jù)權(quán)利要求17至35中任一項(xiàng)所述的多孔網(wǎng)狀物，其特征在于，所述多孔網(wǎng)狀物 還包括布置在所述多孔網(wǎng)狀物上的多孔電極。
37.一種結(jié)構(gòu)，包括燒結(jié)在一起的非球形元件的平坦多孔網(wǎng)狀物，具有第一主表面與第二主表面；所述多孔網(wǎng)狀物限定從所述第一主表面至所述第二主表面的多個(gè)流動(dòng)路徑； 其中，所述元件的大小處在5微米至5厘米的范圍，以及其中，所述網(wǎng)狀物具有至少 30%的連通孔隙度。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述非球形元件包括燒結(jié)在一起的粒子。
39.一種制造多孔網(wǎng)狀物的方法，所述方法包括 提供多個(gè)生坯非球形元件；將所述多個(gè)非球形元件排列在具有第一主面與第二主面的平面中以形成生坯多孔體； 以及，將所述多個(gè)非球形元件燒結(jié)在一起以制作所述多孔網(wǎng)狀物。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其特征在于，所述非球形元件各自包括粒子。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于，所述方法還包括燒結(jié)所述粒子以形成 燒結(jié)的非球形元件。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，所述粒子和所述非球形元件同時(shí)燒結(jié)。
43.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其特征在于，所述網(wǎng)狀物是平坦的薄片材多孔網(wǎng)狀物。
44.一種流體過(guò)濾裝置，包括燒結(jié)非球形元件的燒結(jié)多孔網(wǎng)狀物，其中，所述元件的大 小在大約5微米至5厘米，以及所述多孔網(wǎng)狀物具有至少30%的連通孔隙度。
45.根據(jù)權(quán)利要求46所述的流體過(guò)濾裝置，其特征在于，所述網(wǎng)狀物為大致平坦的，以 及所述網(wǎng)狀物限定處在所述平坦網(wǎng)狀物的主表面之間的多個(gè)流動(dòng)路徑。
46.根據(jù)權(quán)利要求46和47中任一項(xiàng)所述的流體過(guò)濾裝置，其特征在于，各個(gè)非球形元 件包括多個(gè)燒結(jié)在一起的粒子。
47.一種固態(tài)電化學(xué)裝置，包括燒結(jié)在一起的非球形元件的燒結(jié)多孔基材，所述基材具 有至少30%的連通孔隙度；固體電解質(zhì)；以及多孔的第二電極。
48.根據(jù)權(quán)利要求478所述的固態(tài)電化學(xué)裝置，其特征在于，各個(gè)非球形元件包括多個(gè) 燒結(jié)在一起的粒子。
49.根據(jù)權(quán)利要求47至48中任一項(xiàng)所述的固態(tài)電化學(xué)裝置，其特征在于，所述固體電 解質(zhì)燒結(jié)至所述基材上。
50.根據(jù)權(quán)利要求47至49中任一項(xiàng)所述的固態(tài)電化學(xué)裝置，其特征在于，所述固態(tài)電 化學(xué)裝置還包括多孔的第一電極層。
全文摘要
提供的是產(chǎn)生高度多孔結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單、低成本方法。該方法涉及利用元件來(lái)構(gòu)筑多孔結(jié)構(gòu)，該元件成形為用以提供多孔結(jié)構(gòu)所希望的強(qiáng)度、孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)，且然后將這些元件燒結(jié)在一起以形成該結(jié)構(gòu)。還提供的是由燒結(jié)非球形元件所構(gòu)成的新型燒結(jié)多孔結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，成形的生坯元件和多孔結(jié)構(gòu)同時(shí)燒結(jié)。還提供的是由燒結(jié)非球形元件構(gòu)成的新型燒結(jié)多孔結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)B29C65/00GK101945751SQ200780102367
公開日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2007年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月20日
發(fā)明者C·P·雅各布森, M·C·塔克, S·J·維斯科 申請(qǐng)人:加州大學(xué)評(píng)議會(huì)