[发明专利]用于高孔隙率陶瓷体的低热膨胀系数粘合系统及其制造方法

说明书

相关申请

本申请是于2007年5月14日递交的申请序号为11/748,306，标题为“挤出型生物可溶性陶瓷纤维基底的制备方法和设备”的申请的部分继续申请。本申请也是于2007年7月31日递交的申请序号为11/831,398，标题为“一种纤维基陶瓷基底及其制造方法”的申请的部分继续申请。申请序号为11/748,306和11/831,398的申请的全部公开内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明一般涉及一种高孔隙率陶瓷体的粘合系统，特别涉及一种用于粘合相邻纤维以形成陶瓷体的低热膨胀系数粘合系统，以及制造此陶瓷体的方法。

背景技术

高级陶瓷材料被普遍用于处于恶劣环境中的系统，例如，汽车发动机(例如催化转化器)、航空航天应用(例如航天飞机防热瓦)、耐火操作(例如耐火砖)和电子设备(例如电容器、绝缘器)。多孔陶瓷体特别用作这些环境中的过滤器。例如，现在的汽车工业采用陶瓷蜂窝基底(即一种多孔陶瓷体)作为废气的催化氧化和还原主体，并过滤颗粒排放物。蜂窝状陶瓷基底为过滤提供了高比表面积，并为催化反应提供支持，同时，它在与汽车发动机环境相关的高运行温度下能保持稳定和非常可靠的结构。

一般说来，目前的许多高级多孔陶瓷体是用复合陶瓷材料(即不同陶瓷材料和/或陶瓷材料的不同相的组合物)制成的。复合材料可以改变材料的特征使其适合特定用途。即，可以将两种或多种不同材料和/或一种材料的不同相组合起来制成一种复合材料，其材料性质可通过用于形成复合材料的各种不同材料和/或不同相的比例和位置控制。在恶劣环境中使用复合材料，例如，极端温度环境，由于各种组合材料的热膨胀性质差异，可能导致开裂。此外，具有高热膨胀系数的材料也可能发生不必要的膨胀，从而使设计受限并导致设计失效。

发明内容

一般而言，本文所述的实施方式提供了多孔陶瓷复合材料及其制备方法。此多孔陶瓷复合材料包含大量纤维，这些纤维用一种低热膨胀系数材料粘合。特别是，此多孔陶瓷复合材料是由大量纤维和一种粘合系统形成的陶瓷体，这些纤维具有第一热膨胀系数，此粘合系统具有第二热膨胀系数。第二热膨胀系数比第一热膨胀系数低，因此，当纤维和粘合系统结合，所形成的多孔陶瓷体具有第三热膨胀系数，此系数介于第一和第二系数之间。一般来讲，粘合系统是在多孔陶瓷体的加工过程中形成的。即是，具有低热膨胀系数的粘合系统是由两种或多种成分发生反应形成的。将低热膨胀系数材料用于粘合系统，即可制造出一种在高温下具有最小开裂和最小膨胀的多孔陶瓷体。

一方面，本公开所述的实施方式针对一种多孔陶瓷体，包括一种纤维基底，此基底包含大量具有第一热膨胀系数的纤维，和一种具有第二热膨胀系数的粘合系统。第二热膨胀系数低于第一热膨胀系数。粘合系统局部粘合了此大量纤维中的至少两个纤维，形成一种多孔陶瓷体。

本发明此方面的实施方式可包含下列一项或多项特征。在一些实施方式中，多孔陶瓷体的热膨胀系数至少比第一热膨胀系数低约10％(例如10％、15％、20％等)。在某些实施方式中，多孔陶瓷体的热膨胀系数至少比第一热膨胀系数低约20％以上(例如25％、30％、40％、50％、60％、70％等)。用于多孔陶瓷体的粘合系统可包含一种单相材料，例如，一种玻璃、一种玻璃-陶瓷、一种陶瓷或金属。在其他实施方式中，粘合系统为一种多相材料。即，粘合系统包含两相或多相。用于多孔陶瓷体的纤维可为陶瓷纤维中的任何一种，包括但不限于玻璃纤维(例如E-玻璃纤维或S-玻璃纤维)、耐火陶瓷纤维(例如硅酸铝纤维、莫来石纤维、氧化铝纤维或碳化硅纤维)、生物可溶性纤维(例如玻璃质硅酸镁纤维或硅酸钙纤维)。一般来讲，纤维的纵横比为大于1但小于或等于2,000。一般来讲，纤维的直径范围为约100纳米至约100微米。在某些实施方式中，纤维直径范围为约100纳米至约10微米，而在一些实施方式中，纤维直径范围为2微米至10微米。

在另一方面，本文所述的实施方案针对一种多孔陶瓷体，该陶瓷体包含大量用一种粘合系统粘合的纤维，此粘合系统的热膨胀系数比纤维的热膨胀系数低。此粘合系统粘合了此大量纤维中的至少部分相邻纤维，形成一种多孔陶瓷体，其孔隙率约大于20％。粘合系统形成陶瓷体的约10体积％至约60体积％(即占形成陶瓷体的材料体积(不包括孔)的约10％至约60％)。