專利名稱：陶瓷結構體的制作方法
技術領域：
本發明涉及用多塊繞結陶瓷材料塊結成整體的陶瓷結構體。
由插入陶瓷塊之間的密封劑之類所形成的熱沖擊消除區5，從消除熱沖擊的觀點看來，它在斷面方向上的寬度應盡可能地寬。但是，當熱沖擊消除區的寬度W變大后，用于指定目的的陶瓷結構體的有效斷面面積就相應地變小，其結果是結構體的總的性能和效率就會降低，再加結構體的總強度也會降低。其間，若熱沖擊消除區5的寬度W設計較小，則所受到的熱沖擊就很難充分釋放，而招致熱沖擊消除區5本身或陶瓷塊3受損。
熱沖擊消除區的寬度W優選設定在適當的大小，以平衡上述兩個互相矛盾的特性。但在實際上要平衡這兩個特性是困難的，而所受到的熱沖擊的大小也會因陶瓷塊3的材料、插入熱沖擊消除區的密封劑材料、以及陶瓷結構體的用途不同而不同，因此，過去存在著這樣的問題，就是說，即使熱沖擊消除區的寬度W已經最佳化，但它的實際適用范圍很窄。
鑒于上述情況，本發明已完成了預定的目標，即提供出一種陶瓷結構，它能充分地釋放所受到的熱沖擊，而不會顯著降低降低結構體的有效斷面面積以及陶瓷結構體的整體強度，而且作為陶瓷結構體，在材料上和用途上都富有廣泛性。
圖2示出本發明陶瓷結構體的另一個實施方案的斷面圖。
圖3示出傳統的由多塊陶瓷塊構成的陶瓷結構體的斷面圖。
圖4(a)至4(c)示出實施例1所用陶瓷結構體的斷面圖。
圖5(a)至5(d)示出實施例2所用陶瓷結構體的斷面圖。


圖1示出本發明陶瓷結構體的斷面圖，其中斷面尺寸大的燒結陶瓷材料塊3a和斷面尺寸小的燒結陶瓷材料塊是隨機布置并結成整體的。由于這樣的構造，就使寬度小的熱沖擊消除區5a在燒結陶瓷塊3a之間形成，而寬度大的熱沖擊消除區5b就在燒結陶瓷塊3a和3b之間形成。
圖2示出本發明陶瓷結構體另一實施方案的斷面圖，其中斷面尺寸小的燒結陶瓷材料塊3b被集中放在陶瓷結構體的斷面中央，而斷面尺寸大的燒結陶瓷材料塊3a則圍繞陶瓷塊3b安放。這樣放置的結果是，斷面最外部的燒結陶瓷材料塊3a之間，形成了寬度最小的熱沖擊消除區；在最外部陶瓷決3a內側的燒結陶瓷材料塊3a和3b之間，形成了較大寬度的熱沖擊消除區；在斷面中央的燒結陶瓷材料塊3b之間，則形成了最大寬度的熱沖擊消除區。
當在陶瓷結構體的一個斷面上局部地安置大寬度和小寬度的熱沖擊消除區，則該陶瓷結構體的特征(例如強度)就相應地是不均勻的；因此，優選的是，大寬度和小寬度的消除區應以某種交叉方式出現，如圖1所示。可根據陶瓷結構體的用途采用這樣的技術，即在熱沖擊集中的地點正好安排有較大寬度的熱沖擊消除區。例如，當陶瓷結構體被布置在管道中部而熱沖擊集中于結構體斷面的中央時，就優選也在斷面中央做成很多大寬度的熱沖擊消除區，并在斷面的外部做成很多小寬度的熱沖擊消除區，如圖2所示。
本發明的這種陶瓷結構體包括有多種寬度的熱沖擊消除區，因此，在用途上就有高度的廣泛性，能適當地應付斷面方向上的熱沖擊分布，相比之下，傳統的陶瓷結構體卻不能這樣，它的熱沖擊消除區的最佳寬度是根據燒結陶瓷材料塊使用的材料、插入熱沖擊消除區的密封劑等所用的材料、以及陶瓷結構體的用途來確定的，全部熱沖擊消除區都是按該確定的寬度統一聯結(整合)的。在本發明的陶瓷結構體中，熱沖擊消除區的寬度是在斷面方向上規定的。當把本發明的陶瓷結構體用于廢氣通道中，例如作為廢氣凈化的一個部件時，稍后將會提到，此時也會存在氣流方向上的熱沖擊分布，因此，我們也可采用在氣流方向上的不同熱沖擊消除區寬度作為特性，這與在斷面方向上的理論根據是相同的。
構成本發明的陶瓷結構體的燒結陶瓷材料塊的熱膨脹系數為3.0×10-6/℃或其以上。其原因是用熱膨脹系數小于3.0×10-6/℃的燒結陶瓷材料塊構成的陶瓷結構體，幾乎不會發生大的熱沖擊，例如引起損壞(例如開裂)的沖擊。本陶瓷結構體當它是用熱膨脹系數為4.0×10-6/℃或以上的燒結陶瓷材料塊構成的，會更加有效。
燒結陶瓷材料塊所含有的作為晶相的，優選為選自下列材料中的一種富鋁紅柱石、礬土、氮化硅和碳化硅。高導熱系數的碳化硅是特別優選的，因為它能輕易地釋放所受的熱量。
熱沖擊消除區可在陶瓷塊間的空隙中填入密封劑、墊塊等來形成，也可留出不加填充的空隙。但是，當本陶瓷結構體被用作廢氣凈化的一個部件(例如催化劑載體)時，后面將會講到，陶瓷塊之間的空隙最好是用密封劑、墊塊等填充起來，以防廢氣直通過去，更優選是用能把燒結陶瓷材料塊互相粘結起來的密封劑，因為這樣做出的陶瓷結構體還可具有很高的的強度。
作為密封劑，特別優選的是具有熱阻的陶瓷纖維或陶瓷粉、水泥等。它們可以單獨使用或取兩種或兩種以上混合使用。需要時，也可優選使用有機粘結劑、無機粘結劑等，因為它們會作出預兆反應，有利于進一步改善粘接。
在本陶瓷結構體中，在一定的斷面上，熱沖擊消除區的最大寬度，優選為熱沖擊消除區最小寬度的兩倍或兩倍以上。當最大寬度小于最小寬度的兩倍時，就不可能取得充分的效果，亦即充分地釋放所受到的熱沖擊而不顯著地損害陶瓷結構體的有效斷面面積或結構體的整體強度。三倍或三倍以上的最大寬度會發揮最高的效力，因而是更優選的。
熱沖擊消除區的最小寬度優選為0.1mm或其以上，或者是陶瓷塊斷面最長邊(當陶瓷塊斷面為長方形時為較長邊)長度的0.5％或其以上。當最小寬度小于此數時，陶瓷結構體就會有熱沖擊應付能力過弱的部分(即使這些部分周圍有較大寬度的熱沖擊區也是這樣)。
熱沖擊消除區的最大寬度優選為15.0mm或其以下，或者是陶瓷塊斷面最短邊(當陶瓷塊斷面為長方形時為較短邊)長度的50％或其以下。當最大寬度大于此數時(即使有較小寬度的熱沖擊消除區圍繞著該最大寬度)，陶瓷結構體的有效斷面面積就會顯著地減小，而結構體的整體強度就會顯著降低。
本發明的陶瓷結構體的有代表性的用途有用作廢氣凈化的部件如廢氣凈化催化劑載體；用作捕獲柴油機廢氣中的顆粒用的過濾器或稱柴油顆粒過濾器(以下稱為DPF)等。在生產本發明用于這些用途的陶瓷結構體時，所用的燒結陶瓷材料塊，是具有蜂窩結構的燒結的多孔陶瓷材料，把多塊這樣的陶瓷塊結成整體以取得要求的蜂窩結構體。在此，“蜂窩結構體”是指具有由間壁分開的大量通孔(微孔)的結構體。
當陶瓷結構體是用作廢氣凈化用催化劑載體或DPF的蜂窩結構體時，其熱沖擊的分布是出現在斷面方向上，其理由如次(1)廢氣的速度分布通常是在蜂窩結構體的斷面方向上，因此廢氣的熱量也會在蜂窩結構體的斷面方向上產生出溫度分布。
(2)當蜂窩結構體被用作催化劑載體時，進入蜂窩結構體的廢氣組分，會引起各種各樣的反應、包括燃燒，借此，上述在斷面方向上的溫度分布就增強了。
(3)當蜂窩結構體被用作DPF而沉積在蜂窩結構體間壁上的顆粒物被定期燃燒以再生DPF時，則沉積的顆粒物的數量分布會與廢氣速度的分布相相應。顆粒物數量較大的部分在再生燃燒時所發生的熱自然也較多。
當本發明的陶瓷結構體用作廢氣凈化用的催化劑載體時，有可能催化劑組分是被裝入蜂窩結構體的單個多孔燒結陶瓷材料塊中，然后再把裝填催化劑的單個陶瓷塊聯結起來(在此情況下，催化劑組分只裝入多孔燒結陶瓷材料塊中)，也有可能先把單個多孔燒結陶瓷材料塊聯結起來，然后再往聯結好的陶瓷塊中裝填催化劑組分(在此情況下，當在陶瓷塊之間插入填充物以形成熱沖擊消除區時，則催化劑就不但裝入多孔燒結陶瓷材料塊，同時也裝入填充物中)。
當本發明的陶瓷結構體被用作DPF時，應將燒結陶瓷材料塊中鄰接的通孔(微孔)交替地互相相反地閉塞其一端，以使閉塞后每塊陶瓷塊的兩個端面呈現出棋盤格狀。
當柴油機廢氣從一端被通入這種陶瓷塊的陶瓷結構體時，廢氣會從該端未閉塞的通孔進入該結構體，然后穿越每塊陶瓷塊的多孔間壁而進入該端閉塞而另一端未閉塞的通孔中。在穿越間壁的這一過程中，廢氣中的顆粒物即被間壁捕獲，而已除去顆粒物的廢氣被凈化后即被從陶瓷結構體的另一端排出。
隨著顆粒物在間壁上不斷沉積，間壁就會產生堵塞并降低其過濾作用。因此要定期地借助于加熱器等工具，對陶瓷結構體進行加熱來燒掉積存的顆粒物，以恢復間壁的過濾作用。為在再生時助長積存顆粒物的燃燒，可在陶瓷結構體中裝入催化組分。
當燒結陶瓷材料塊是蜂窩結構體時，其微孔密度優選為6～1500孔/平方英寸(0.9～233孔/cm2)，更優選為50～400孔/平方英寸(7.8～62孔/cm2)。當微孔密度小于6孔/平方英寸(0.9孔/cm2)時，該蜂窩結構體在強度和GSA(有效幾何表面積)上是不足的；當微孔密度大于1500孔/平方英寸(233孔/cm2)時，該蜂窩結構體在氣體穿越時就會顯示出過大的壓力損失。
當燒結陶瓷材料塊是蜂窩結構體時，其間壁的厚度優選為50～2000μm，更優選為200～800μm。若間壁厚度小于50μm，該蜂窩結構體的強度就不足；若間壁厚度大于2000μm，則該蜂窩結構體的有效GSA就太低，而在氣體穿越時就會顯示出過大的壓力損失。
下面本發明將參照實施例作更詳細的描述。但本發明決不限于這些實施例。實施例1將兩種尺寸不同的礬土制的蜂窩陶瓷塊(A型50mm□×50mmL，B型48mm□×50mmL)以3×3＝9塊聯結起來，如圖4(a)至4(c)所示，然后用粘接劑整合成結構體a至c。圖中，A和B示出所用蜂窩陶瓷塊的類型。
如圖中所示，結構體a系單由A型蜂窩塊構成；結構體B系由6塊A型蜂窩塊和3塊B型蜂窩塊構成；結構體C系單由B型蜂窩塊構成。在各結構體中，每個由A型蜂窩塊之間形成的熱沖擊消除區的寬度W1為0.2mm；每個由A型蜂窩塊與B型蜂窩塊之間形成的熱沖擊消除區的寬度W2為1.2mm；每個由B型蜂窩塊之間形成的熱沖擊消除區的寬度W3為2.2mm。粘接劑也涂在每個結構體的各面，厚度為0.2mm(在B型情況下為1.2mm)，以此使每個結構體具有150.8mm□的外部尺寸。每一個樣品都是從A型和B型蜂窩陶瓷塊本身剪切下來，并經在氣流方向上的熱膨脹系數測定，其值為8.0×10-6/℃。
結構體a至c都經受了耐熱沖擊性試驗。試驗進行方式如下。每個結構體都被插入加熱至700℃～900℃的電爐，在此停留30分鐘，然后在室溫下快速冷卻；這一操作(一次循環)重復30次(30次循環)；然后目視觀察該結構體有無裂隙。目測結構示于表1中，同時還示出結構體蜂窩部分的有效斷面面積。
表1

*在蜂窩和粘接劑中出現裂隙。
如表1所示，本發明一個實施方案的結構體b，其蜂窩部分的有效斷面面積損失較小而顯示出很好的抗熱沖擊性。
如圖所示，結構體d是單由A’型蜂窩陶瓷塊構成的；結構體e是由20塊A’型蜂窩陶瓷塊與5塊B’型蜂窩陶瓷塊隨機安排構成的；結構體f是安排5塊B’型蜂窩陶瓷塊在中央部位、并安排20塊A’型蜂窩陶瓷塊圍繞著B’型蜂窩陶瓷塊構成的；以及結構體g是單由B’型蜂窩陶瓷塊構成的。在各結構體中，各個在A’型蜂窩陶瓷塊之間形成的熱沖擊消除區的寬度W4為0.3mm；各個在A’型蜂窩陶瓷塊與B’型蜂窩陶瓷塊之間形成的熱沖擊消除區的寬度W5為2.3mm；而各個在B’型蜂窩陶瓷塊之間形成的熱沖擊消除區的寬度W6為4.3mm。粘接劑也涂在每個結構體的各面，厚度為0.3mm(在B’型情況下為2.3mm)，以此使每個結構體具有151.8mm□的外部尺寸。每一個樣品都是從A’型和B’型蜂窩陶瓷塊本身剪切下來并經在氣流方向上的熱膨脹系數測定，其值為4.5×10-6/℃。
每種上述的結構體都被裝入馬口鐵罐中。罐體蓋住每個結構體的四邊；罐的斷面形狀在蓋住結構體的部分是正方形，而兩端是管形(直徑60mm)，亦即中部的正方形部分連續地漸變為管形的前端和后端，以此使罐體能與下述的在作耐熱沖擊性試驗時所用的碳黑發生器相配合。結構體g因偶然的原因沒有做耐熱沖擊性試驗，這是由于它在被裝入罐中時從粘接部件開裂了。
結構體d至f每塊都做了耐熱沖擊性試驗。在試驗中，首先把結構體d至f每塊都裝配到碳黑發生器上，而使碳黑(細粒)在結構體內部積聚35g。然后，將預熱到600℃的空氣導入使積聚的碳黑燃燒。此時，為測量溫度，往位于每塊蜂窩陶瓷塊的中央部位或其附近的微孔(積聚碳黑的微孔)中裝入熱電偶，其位置為從結構體前端起170mm處(從結構體后端起30mm處)，該微孔在后端是被閉塞的；結果是，從d至f每塊結構體中心部位的蜂窩陶瓷塊都顯示升溫最高，達到1400℃。在試驗后，目測了結構體d至f，其結果是，結構體d在粘接部位和蜂窩陶瓷塊上出現了裂隙。結果示于表2。
表2

*1在蜂窩部和粘接劑部出現裂隙。
*2在裝入罐中時破裂。
如表2所示，結構體e和f(這些是本發明的實施方案)，其蜂窩部分的有效斷面面積損失較小，保持有抗裝罐的強度，并顯示出良好的抗熱沖擊性。
工業適用性如上所述，本發明的陶瓷結構體能充分地釋放所受到的熱沖擊，而不會顯著降低結構體的有效斷面面積或結構體的總體強度，并具有能適應各種用途和各種材料的通用性。
權利要求
1.一種陶瓷結構體，系由多塊燒結的陶瓷材料塊聯結使之整體化而成，陶瓷材料的熱膨脹系數為3.0×10-6/℃或其以上，在該陶瓷結構體中，在陶瓷塊之間設有能釋放所加熱沖擊的熱沖擊消除區，該熱沖擊消除區在陶瓷結構體斷面方向上的寬度是多種多樣的。
2.權利要求1的陶瓷結構體，其中，燒結的陶瓷材料塊的熱膨脹系數為4.0×10-6/℃或其以上。
3.權利要求1的陶瓷結構體，其中，燒結的陶瓷材料塊中含有選自富鋁紅柱石、礬土、氮化硅和碳化硅之一作為主晶相。
4.權利要求1的陶瓷結構體，其中，熱沖擊消除區是借助于在燒結陶瓷材料塊之間，填入能將它們相互之間粘結起來的密封劑而制成的。
5.權利要求1的陶瓷結構體，其中，在陶瓷結構體的一定斷面上，熱沖擊消除區的最大寬度應至少為熱沖擊消除區最小寬度的兩倍。
6.權利要求1的陶瓷結構體，其中，熱沖擊消除區的寬度為在0.1～15.0mm的范圍內。
7.權利要求1的陶瓷結構體，其中，燒結的陶瓷材料塊是用具有蜂窩結構的多孔燒結陶瓷材料制造的。
8.權利要求7的陶瓷結構體，它是被用作廢氣凈化部件的。
9.權利要求7的陶瓷結構體，它是被用作廢氣凈化催化劑載體的。
10.權利要求7的陶瓷結構體，它是被用作捕獲柴油機廢氣中含有的顆粒物的過濾器的。
11.權利要求10的陶瓷結構體，它具有裝入其中的催化劑組分。
全文摘要
一種陶瓷結構體,系由多塊燒結的陶瓷材料塊(3a,3b)聯結使之整體化而成,陶瓷材料的熱膨脹系數為3.0×10
文檔編號B01D53/94GK1365346SQ01800634
公開日2002年8月21日 申請日期2001年1月18日 優先權日2000年1月24日
發明者野田直美, 山本良則, 原田節 申請人:日本礙子株式會社