高孔隙率陶瓷的快速燒制方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】高孔隙率陶瓷的快速燒制方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C. §120要求于2013年7月26日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)系列號(hào)13/ 951802的優(yōu)先權(quán)，本文以該申請(qǐng)為基礎(chǔ)且該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用納入本文。
[0003] 背景
[0004] 領(lǐng)域
[0005] 本發(fā)明總體上涉及對(duì)陶瓷體生坯的燒制，更具體而言，涉及對(duì)堇青石陶瓷體生坯 的燒制。 技術(shù)背景
[0006] 陶瓷過(guò)濾器，特別是具有較大的正面面積的過(guò)濾器包含應(yīng)當(dāng)在燒制過(guò)程中被去除 的有機(jī)原材料。這種有機(jī)材料可包含于，例如粘合劑（甲基纖維素、聚乙烯醇等）、潤(rùn)滑劑、分 散劑、造孔劑(淀粉、石墨以及其它聚合物）中。這些材料可以在有氧氣存在的條件下在高于 這些材料的閃點(diǎn)的溫度下燒除。這些材料中的一些也作為揮發(fā)性有機(jī)化合物(V0C)在窯和/ 或例如熱氧化器等后處理裝置中燒除。這些材料的分解和/或氧化通常會(huì)放熱且經(jīng)常會(huì)對(duì) 材料的收縮或生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，這可能會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力并最終導(dǎo)致開(kāi)裂。
[0007]大型或重型陶瓷體的常規(guī)燒制方法依靠具有緩慢的加熱速率的燒制循環(huán)來(lái)進(jìn)行， 例如當(dāng)加熱至低于600°C時(shí)，加熱速率為4°C/小時(shí)~8°C/小時(shí)。這些較低的加熱速率允許原 始的有機(jī)原材料被逐步且完全地去除，從而降低了陶瓷材料中的應(yīng)力。然而，燒制循環(huán)因使 用這些較低的加熱速率而被延長(zhǎng)，因?yàn)榭赡苄枰噙_(dá)130個(gè)小時(shí)以將陶瓷體生坯加熱至600 °C，且結(jié)果是整個(gè)燒制循環(huán)可能需要140個(gè)小時(shí)~198個(gè)小時(shí)。
[0008] 因此，存在對(duì)具有提高了的加熱速率、特別是不超過(guò)600°C下的不會(huì)導(dǎo)致陶瓷體開(kāi) 裂的加熱速率的燒制循環(huán)的需求。
[0009] 發(fā)明概述
[0010] 根據(jù)一種實(shí)施方式，描述了一種燒制蜂窩陶瓷體生坯的方法，該方法包括將蜂窩 陶瓷體生坯從室溫加熱至大約300°C的第一溫度。然后以大于或等于大約90°C/小時(shí)的加熱 速率將該蜂窩陶瓷體生坯從第一溫度加熱至高于或等于大約800°C的第二溫度。該蜂窩陶 瓷體生坯的直徑可大于或等于大約4.0英寸且小于或等于大約9.0英寸，且其可包含濃度大 于或等于大約10重量％且小于或等于大約45重量％的碳基造孔劑。
[0011] 在另一種實(shí)施方式中，描述了蜂窩陶瓷體生坯的第二種燒制方法。該方法包括以 大于或等于大約90 °C/小時(shí)的加熱速率將該蜂窩陶瓷體生坯從室溫加熱至高于或等于大約 800°C的第一溫度。該蜂窩陶瓷體生坯的直徑可大于或等于大約4.0英寸且小于或等于大約 9.0英寸，且其包含濃度大于或等于大約10重量％且小于或等于大約45重量％的碳基造孔 劑。
[0012] 在每一種上述的實(shí)施方式中，可以控制窯內(nèi)的氧氣水平以改善燒制循環(huán)的運(yùn)行。 在一些實(shí)施方式中，窯內(nèi)的氧氣量可為環(huán)境水平或更高。在其它實(shí)施方式中，窯內(nèi)的氧氣量 可低于環(huán)境水平。
[0013] 在以下的詳細(xì)描述中給出了本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)，其中的部分特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì) 本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言根據(jù)所作描述即容易理解，或者通過(guò)實(shí)施包括以下詳細(xì)描述、權(quán)利 要求書(shū)以及附圖在內(nèi)的本文所述的本發(fā)明而被認(rèn)識(shí)。
[0014] 應(yīng)理解，前面的一般性描述和以下的詳細(xì)描述都描述了各種實(shí)施方式且都旨在提 供用于理解所要求保護(hù)的主題的性質(zhì)和特性的總體評(píng)述或框架。包括的附圖提供了對(duì)各種 實(shí)施方式的進(jìn)一步理解，附圖并入本說(shuō)明書(shū)中并構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分。附圖例示了本文所 描述的各種實(shí)施方式，且與描述一起用于解釋所要求保護(hù)的主題的原理和操作。
[0015] 附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0016] 圖1圖示了四種根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的循環(huán)的加熱速率。
[0017]發(fā)明詳述
[0018] 下面將詳細(xì)參考用于燒制蜂窩陶瓷體生坯的燒制循環(huán)的實(shí)施方式。根據(jù)一些實(shí)施 方式，一種燒制蜂窩陶瓷體生坯的方法包括按照四個(gè)階段在窯內(nèi)對(duì)蜂窩陶瓷體生坯進(jìn)行加 熱。在一些實(shí)施方式中，第一階段包括以一種或多種加熱速率將蜂窩陶瓷體生坯從室溫加 熱至大約300°C的第一溫度。在第二階段中，以大于或等于大約90°C/小時(shí)的加熱速率將蜂 窩陶瓷體生坯從第一溫度加熱至第二溫度。在第三階段中，以第三加熱速率將蜂窩陶瓷體 生坯從第二溫度加熱至第三溫度。在第四階段中，可將蜂窩陶瓷體生坯加熱至最高均熱溫 度并保溫一段時(shí)間，這段時(shí)間的保溫足以去除蜂窩陶瓷體生坯上的殘留碳。第一、第二和第 三階段中的加熱速率可以相同或不同。在一些實(shí)施方式中，可以在第一階段中使用超過(guò)一 種加熱速率。在一些實(shí)施方式中，第一和第二階段中的加熱速率可根據(jù)被加熱的陶瓷體的 尺寸和窯內(nèi)的氧氣量變化。下面將特別參照附圖對(duì)用于燒制蜂窩陶瓷體生坯的燒制循環(huán)的 各種實(shí)施方式進(jìn)行描述。
[0019] 在一些實(shí)施方式中，陶瓷體的堇青石可以是堇青石類(lèi)的相，其近似具有化學(xué)計(jì)量 式Mg2Al4Si 5〇18。在某些實(shí)施方式中，堇青石的熱膨脹系數(shù)(25°C~800°C)可小于大約15X 10_7/°C。在某些實(shí)施方式中，陶瓷體可具有40%~70%的孔隙率。然而應(yīng)當(dāng)理解的是，本文 所述的方法的實(shí)施方式可用于燒制任何堇青石材料。
[0020] 在一些實(shí)施方式中，堇青石組合物可具有大約10%~大約55%或甚至為大約15% ~大約50%的擠出助劑、粘合劑和造孔劑作為追加組分。不對(duì)所形成的陶瓷體的孔隙率作 特別限定。在一些實(shí)施方式中，所形成的陶瓷體的孔隙率可為大約40%~大約70%，或甚至 為大約55%~大約65%。在一些實(shí)施方式中，所形成的陶瓷體的孔隙率可為大約63%。
[0021] 該組合物中可包含一種或多種碳基造孔劑。在一些實(shí)施方式中，造孔劑可選自淀 粉、石墨、經(jīng)過(guò)加工的聚合物材料或它們的混合物。在一些實(shí)施方式中，包含于組合物中的 造孔劑追加組分的總量可大于或等于組合物的大約10重量％且小于或等于組合物的大約 45重量％。在一些實(shí)施方式中，造孔劑的總量可大于或等于組合物的大約20重量％且小于 或等于組合物的大約35重量％。在包含淀粉和石墨的實(shí)施方式中，組合物中淀粉的量可大 于或等于組合物的大約10重量％且小于或等于組合物的大約30重量％，而所包含的石墨的 量可大于或等于組合物的0重量％且小于或等于組合物的大約20重量％。然而應(yīng)當(dāng)理解的 是，根據(jù)實(shí)施方式，可以使用石墨和淀粉的任意組合。
[0022] 相對(duì)于非有機(jī)固體的作為追加組分的造孔劑的重量百分?jǐn)?shù)是按照下式計(jì)算得到 的： Γ ? 逾遺雜龜靈顧'
[0024]如下面將要闡述的，蜂窩陶瓷體的所需尺寸可能會(huì)對(duì)三個(gè)階段中的每一個(gè)階段的 加熱速率產(chǎn)生影響。在一些實(shí)施方式中，可對(duì)更大的蜂窩陶瓷體生坯使用更低的加熱速率， 而對(duì)更小的蜂窩陶瓷體生坯使用更高的加熱速率。在一些實(shí)施方式中，可以在第一階段中 使用多種加熱速率以防止蜂窩陶瓷體生坯在處理的第一階段開(kāi)裂。在一些實(shí)施方式中，蜂 窩陶瓷體的直徑可大于或等于大約4.0英寸且小于或等于大約9.0英寸，或甚至大于或等于 大約5.0英寸且小于或等于大約7.0英寸。在一些實(shí)施方式中，經(jīng)過(guò)燒制的蜂窩陶瓷體可具 有大約4.5英寸的直徑和大約5.0英寸的長(zhǎng)度，或甚至具有大約4.5英寸的直徑和大約7.0英 寸的長(zhǎng)度。在其它實(shí)施方式中，經(jīng)過(guò)燒制的蜂窩陶瓷體可具有大約5.5英寸的直徑和大約 7.0英寸的長(zhǎng)度，或甚至具有大約6.4英寸的直徑和大約7.0英寸的長(zhǎng)度。在另一種實(shí)施方式 中，經(jīng)過(guò)燒制的蜂窩陶瓷體可具有大約8.0英寸的直徑和大約7.0英寸的長(zhǎng)度。
[0025]第一階段
[0026]