專利名稱：催化直通型快速起燃陶瓷基材及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性涉及用于車輛排氣系統(tǒng)的陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)，具體地，涉及具有快 速起燃特性的催化直通型陶瓷基材。
背景技術(shù)：
用于車輛排氣系統(tǒng)的陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)為現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域已知。這種結(jié)構(gòu)一般包括 互連壁的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(網(wǎng))，這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成形狀通常為正方形或六邊形的拉長的傳 導(dǎo)氣體的孔的矩陣?？拙仃嚤粓A柱形外層包圍，形成具有相對的進口端和出口端的 罐形結(jié)構(gòu)，用于接受和排出通過該孔矩陣的廢氣。這種陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)的一個具體應(yīng) 用是作為用于機動車排放系統(tǒng)的催化劑的負(fù)載基材。
當(dāng)這種陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)用作機動車的催化轉(zhuǎn)化器時，孔壁上涂覆含例如鉑、銠
或鈀的貴金屬催化劑。這種結(jié)構(gòu)的孔密度約為400-900孔/英寸2，以使從氣體傳導(dǎo) 孔吹過的機動車廢氣與存在于孔壁上的催化劑的接觸面積最大。為降低廢氣從蜂窩 體結(jié)構(gòu)中流過時產(chǎn)生的壓降，通常制造的壁厚為3.0-5.0密耳(mil)。使用如此厚
度的壁還能產(chǎn)生合理的短(約24秒)起燃時間(即，浸漬在壁上的催化劑開始氧化 CO為C02并有效分解NO,為&和02之前，網(wǎng)狀物達到約25(TC時所需的時間)。起燃 時間短很重要，因為裝備催化轉(zhuǎn)化器的機動車產(chǎn)生的大多數(shù)機動車污染物都是在機 動車開始啟動至壁達到要求的約25(TC的活化溫度之間的時間內(nèi)產(chǎn)生的。
為了進一步縮短起燃時間，已經(jīng)制造了具有很薄的壁(小于或等于2密耳左右) 的陶瓷基材。但是，本申請人發(fā)現(xiàn)與這種薄壁基材有關(guān)的兩個主要缺陷。第一，這 種基材的結(jié)構(gòu)強度小于常規(guī)的較厚壁的基材。因此，它們在制造過程和將它們固定 在形成機動車排放系統(tǒng)部分的金屬外殼內(nèi)的"罐裝(carming)"過程期間，很容易發(fā) 生裂紋或破碎。第二，在運作中，由于夾帶在廢氣流中的顆粒物質(zhì)的撞擊，薄壁在 沿基材進口端面很容易發(fā)生侵蝕。產(chǎn)生的"噴砂"效應(yīng)可能使已經(jīng)為脆性的結(jié)構(gòu)的強 度變得更低，但也可能侵蝕孔壁上的催化涂層，甚至壁本身，而使該基材的進口部 分對污染物的催化作用失效。為了代替通過提供薄壁來縮短這種陶瓷基材的起燃時間的辦法，還制造了具有同樣厚度但孔隙率更高的基材。但是，本申請人發(fā)現(xiàn)這 些基材存在和薄壁基材同樣的缺陷，即，機械強度不足，在靠近進口端過度侵蝕。 很清楚，需要一種改進的催化直通型陶瓷基材，這種基材的起燃時間短，機 械強度沒有明顯下降。理想地，這種基材在其進口端具有耐侵蝕性，至少與現(xiàn)有技
術(shù)中使用3. 0-5. 0密耳厚度的網(wǎng)狀物壁的陶瓷基材的耐侵蝕性相當(dāng)。還希望快速 起燃基材具有慢冷卻性質(zhì)，以減小在基材質(zhì)心(centroid)和外層之間的熱梯度，熱 梯度有時會因為在這些區(qū)域的熱膨脹的差異而引起碎裂。最后，希望能相對簡便和 低廉地制造這種快速起燃的基材。
發(fā)明概述
本發(fā)明是一種快速起燃的催化直通型陶瓷基材，該基材避免或至少改進了與 現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的上述缺陷。因此，本發(fā)明的陶瓷基材包括陶瓷材料的主體，該陶瓷 材料體具有軸向相對的進口端和出口端，用于分別接受和排出機動車的廢氣流，并
含有限定軸向?qū)虻闹蓖ㄐ涂椎辣诘木W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其中，靠近進口端的壁的第一軸向 區(qū)域的平均熱質(zhì)量(ATMJ小于所有壁的平均熱質(zhì)量(ATM .&)。陶瓷材料體可以包含與 第一區(qū)域鄰近的壁的第二軸向區(qū)域，在第一區(qū)域和第二區(qū)域中的壁的平均熱質(zhì)量沿 陶瓷體的軸向基本上均勻。這種實施方式中，第一軸向區(qū)域中的壁可以比第二軸向 區(qū)域中的壁更薄、更多孔，或者更薄且多孔，在第一壁區(qū)域和第二壁區(qū)域之間的界 面上，壁的厚度、孔隙率或者兩者有顯著變化。第一軸向區(qū)域可包括陶瓷體的進口 端?；蛘?，第一軸向區(qū)域與上述陶瓷體的進口端間隔很小的距離，使形成陶瓷體出 口端的壁的平均熱質(zhì)量與陶瓷基材的第二軸向區(qū)域中的壁的平均熱質(zhì)量相同。較好 地，第一軸向區(qū)域的軸向長度約為該陶瓷體的軸向長度的10-45%，第一區(qū)域的平 均熱質(zhì)量(ATM,)約為第二區(qū)域的平均熱質(zhì)量(ATM2)的20-50%。
另一個實施方式中，網(wǎng)狀物的壁厚度在出口端和進口端之間以基本恒定的比 例減小。這種實施方式中，靠近進口端的網(wǎng)狀物壁的第一軸向區(qū)域具有ATM" ATM, 比ATM2至少小20y。，該區(qū)域可能最多為陶瓷材料體的軸向長度的約50%。另外，網(wǎng) 狀物壁可以由第一中心層或芯層材料以及疊加在第一芯層兩面上的第二陶瓷材料 形成，芯層的厚度定義了陶瓷體進口端的網(wǎng)狀物壁的最小厚度，第二陶瓷材料是在 陶瓷體進口端和出口端之間平均增厚的層。
本發(fā)明的上述任一實施方式中，壁的熱質(zhì)量也沿垂直于陶瓷體軸的方向徑向 增大。網(wǎng)狀物壁的熱質(zhì)量在徑向的增加(因此，厚度增加或者孔隙率下降)會有益地提高制成的陶瓷體的強度，以及增加使網(wǎng)狀物壁冷卻所需的時間，而這又可以減小 陶瓷體內(nèi)熱梯度引起的應(yīng)力，所述應(yīng)力有時導(dǎo)致碎裂。
本發(fā)明的一種方法中，首先形成陶瓷體，該陶瓷體所有的壁沿陶瓷體的軸向 具有基本上相同的熱質(zhì)量。與陶瓷體進口端相鄰的壁的平均熱質(zhì)量可以通過減小壁 厚度或者增加其孔隙率，或者這兩者來降低。這可以通過化學(xué)蝕刻來實現(xiàn)，例如， 通過將陶瓷體的第一軸向區(qū)域浸在酸中，然后浸在堿溶液中，以化學(xué)蝕除一部分的 壁?；蛘?，可使第一軸向區(qū)域與反應(yīng)性流體如蝕刻劑氣體、或懸浮于流體中的磨料 接觸。本發(fā)明的另一種方法包括共擠出技術(shù)，用于形成本發(fā)明實施方式的壁，該壁 的厚度沿陶瓷體軸的方向變化。本發(fā)明的方法包括共擠出技術(shù)，其中，將形成壁的 中心部分的第一前體陶瓷材料以恒定的速率擠出，覆蓋第一材料的第二前體陶瓷材 料以變化的速率擠出，該變化速率從要形成的陶瓷體的出口端至進口端減小。
本發(fā)明的所有實施方式都能有益地將制成的催化直通型陶瓷基材的起燃時間 縮短10-25%，同時沒有顯著損害制成的基材的機械強度和耐久性。
附圖簡述


圖1A是現(xiàn)有技術(shù)的催化直通型陶瓷基材的透視圖。
圖1B是沿圖1A的IB-1B角取的八分圓部分的俯視圖，示出其中包含的網(wǎng)狀 物壁的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
圖1C是沿圖1A基材的1C-1C線取的部分側(cè)視剖視圖。 圖1D是圖1C中虛線圈出的網(wǎng)狀物壁的放大的剖視圖。
圖2A本發(fā)明的快速起燃、慢冷卻的陶瓷基材的剖視圖，示出靠近基材進口端 具有較薄的網(wǎng)狀物壁的軸向區(qū)域。
圖2B是圖2A中虛線圈出的區(qū)域的放大圖，示出在靠近基材進口端的軸向區(qū) 域中的薄壁與該基材的其余網(wǎng)狀物壁之間的界面。
圖2C是圖2B中所示的網(wǎng)狀物壁形成的孔沿2C-2C線的視圖。
圖3是本發(fā)明基材第二實施方式的剖視圖，示出網(wǎng)狀物薄壁的軸向區(qū)域與基 材的進口端隔開的情況。
圖4是本發(fā)明第三實施方式的快速起燃陶瓷基材的部分剖面圖，示出網(wǎng)狀物 壁沿該基材軸的方向逐漸變小、使靠近進口端的壁較薄、靠近出口端的壁較厚的情 況。圖5示出本發(fā)明的三個實施方式的任一實施方式還可以使網(wǎng)狀物壁在基材質(zhì) 心與其外層之間徑向增厚的情況。
圖6是本發(fā)明一個實施方式的示意性的剖面圖，該實施方式中結(jié)合了圖5所 示的徑向壁增厚。
圖7A和7B示意性示出制造如圖4所示的本發(fā)明的漸縮的網(wǎng)狀物壁的實施方 式的情況。
圖8是說明本發(fā)明的基材縮短使基材的至少一部分達到25(TC所需的時間量 的曲線圖，25(TC是能有效催化機動車污染物所需的溫度。
優(yōu)選實施方式的詳細描述
下面，參見圖1A-1D，本發(fā)明能應(yīng)用于可用作機動車催化轉(zhuǎn)化器的陶瓷基材1。 該基材包含壁厚通常約為2. 0-6. 0密耳的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)3，該網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)限定出許多直通 型孔道7。雖然在圖1B中所示孔道7的截面為正方形，但是該截面也可以很方便 地為八邊形、六邊形或者其他的多邊形。直通型孔道的寬度通常約為0.02-0. 05 英寸，并按照約300-900個孔/英寸2的孔密度排列?；?還包括擠出的外層9， 該外層通常是圓柱形，其厚度約為網(wǎng)狀物壁5的厚度的3-4倍。制成的基材1的圓 柱形結(jié)構(gòu)具有進口端11，出口端13，進口端和出口端沿圖1C中所示的軸A彼此相 對。在本申請中，術(shù)語"直通型孔"包括設(shè)計成將廢氣流或其他流體直接導(dǎo)入進口 端、直接沿圖1C所示的軸A流動、通過出口端流出的孔，S卩，無阻礙(unplugged) 結(jié)構(gòu)。
壁5由多孔陶瓷材料形成，例如堇青石、多鋁紅柱石、碳化硅或鈦酸鋁。如 圖1D所示，網(wǎng)狀物壁5是多孔的，包含許多微孔15，以降低壁5的密度。通常， 網(wǎng)狀物壁5的孔隙率為20-40%。參見圖1D可知，壁5上涂覆有修補基面涂層17， 該涂層不僅覆蓋壁5的外表面，而且滲透到與外表面相鄰的區(qū)域(如虛線標(biāo)注的區(qū) 域)。修補基面涂層17包含催化劑的細顆粒，所述催化劑可包含鉑、鈀或銠，或它 們的合金，細顆粒懸浮于氧化鋁漿料中。這種修補基面涂層17是真空沉積在壁5 的外表面，以滲透到壁的外表面內(nèi)，因而增加了被催化劑顆粒覆蓋的表面積。這種 真空沉積的修補基面涂層17與高密度孔道7的組合使從進口直接吹過孔道7至出 口端13的機動車廢氣的接觸面積最大，因此，使修補基面涂層在氧化一氧化碳(CO) 和分解氮氧化物(NCU為氮氣和氧氣方面的催化反應(yīng)性最大。但是，在修補基面涂 層17能有效促進這種污染物中和反應(yīng)之前，該涂層必須首先達到約25(TC的活化溫度。本發(fā)明提供的陶瓷基材達到25(TC "起燃"溫度的速度比圖1A-1D所示的現(xiàn) 有技術(shù)的基材要快。
下面參見圖2A-2C，本發(fā)明的快速起燃、慢冷卻的陶瓷基材20包括具有平均 熱質(zhì)量(ATM》的第一軸向區(qū)域22，該平均熱質(zhì)量比所有壁5的平均熱質(zhì)量(ATM總) 小10-35%，或甚至小10-30%。因此，第一軸向區(qū)域22中的壁23的熱質(zhì)量比與其 軸向相鄰的第二軸向區(qū)域24中的壁25的熱質(zhì)量小約35-55%。如圖2B所示，該熱 質(zhì)量差不僅可以通過使區(qū)域22中的壁23的厚度T,小于區(qū)域24中的壁25的厚度 T2來實現(xiàn)，而且可以通過提高壁23中的孔隙率PJ吏其大于壁25的孔隙率P2來實 現(xiàn)。但是，只通過(1)降低壁23的厚度使其小于壁25的厚度，或者通過保持壁23 和25的厚度相等(S卩，T, = T2)、但提高壁23的孔隙率&使其大于壁25的孔隙率 P2(約大35-55%),來降低第一軸向區(qū)域22中的熱質(zhì)量的做法在本發(fā)明范圍之內(nèi)是 等同的。因此，本發(fā)明包括網(wǎng)狀物壁的第一軸向區(qū)域22的熱質(zhì)量小于相鄰的第二 軸向區(qū)域24的熱質(zhì)量的任意陶瓷基材，而無論這種熱質(zhì)量減小是通過較薄的壁、 較高的孔隙率或者兩者的任意組合來實現(xiàn)的。當(dāng)這種熱質(zhì)量減小是完全或者基本上 通過在第一軸向區(qū)域中使用較薄的壁23的方式實現(xiàn)時，壁23的厚度約為1. 5-2. 5 密耳。不優(yōu)選使用網(wǎng)狀物壁的厚度小于1.5密耳的陶瓷基材20，原因是這種壁的 機械強度差，并且很難制造。在各種情況下，如2C所示，可以在孔道7的角部分 提供增強填料26，以提高形成的孔道7的強度特性。
圖3示出本發(fā)明的第二實施方式30，其中，第一軸向區(qū)域22不包含陶瓷基材 的進口端ll。而是在第一軸向區(qū)域22與進口 11之間間隔較短的進口區(qū)域32，區(qū) 域32的長度L,為陶瓷體總長度U的5-101進口區(qū)域32具有網(wǎng)狀物壁25，其厚 度和第二軸向區(qū)域24的網(wǎng)狀物壁25的厚度相同，但是長度相對較短，這種方式能 有利地為第一軸向區(qū)域22中的相對較薄的壁23提供保護，防止其發(fā)生侵蝕，而在 本發(fā)明的這一實施方式30運行時不會顯著增加由這些薄壁23提供的起燃時間的長 度。
圖4示出本發(fā)明的第三實施方式35，該實施方式的壁37沿其縱軸逐漸傾斜， 使其厚度從進口端11至出口端13逐漸增加。如圖所示，壁37各自包括由第一陶 瓷材料形成的芯部分39，其厚度T3在陶瓷體的縱軸方向優(yōu)選為均一的，以及覆蓋 在芯部分39上的第二陶瓷材料的漸縮層41。漸縮層41的厚度沿陶瓷體軸向、以 一定的角度線性變化，使第一軸向區(qū)域43的平均熱質(zhì)量(ATM》至少比所有壁37的 平均熱質(zhì)量(ATMJ小20%。在第三優(yōu)選實施方式35的實施例中，漸縮壁37在進口端11的厚度T3為2.0密耳，在出口端13的厚度T4約為4.5密耳。對這種尺寸的 壁37，平均熱質(zhì)量ATM^為3.25。因此，當(dāng)?shù)谝惠S向區(qū)域43的軸長度約為陶瓷基 材總長度的約50%時，壁37的平均熱質(zhì)量為2.625，該平均熱質(zhì)量為ATM ,& (3. 25) 的約80%。較好地，選擇漸縮層41的斜率，使第一軸向區(qū)域43的長度U為陶瓷基 材總長度"的50%或更小，以保證第一軸向區(qū)域43的起燃時間顯著小于具有同樣 熱質(zhì)量、但在進口端11和出口端13之間具有均一厚度的基材的起燃時間。
圖5示出本發(fā)明的第四實施方式45，其中，壁47的熱質(zhì)量從陶瓷基材的質(zhì)心 C開始徑向增加。網(wǎng)狀物壁47的增厚使得孔道49具有朝向基材最外區(qū)域的較小的 橫截面，從而促使廢氣流動通過最中心區(qū)域，最中心區(qū)域的壁47最薄。這種徑向 定向增厚的壁可應(yīng)用于前面討論的本發(fā)明的三個實施方式中的任一實施方式，能有 利地提高基材在其外部區(qū)域周圍的機械強度，而只需要在縮短與基材中心區(qū)域的壁 47相關(guān)的起燃時間方面略作犧牲。壁49徑向增厚的速率沿半徑基本上是線性、或 者非線性的，大部分增厚發(fā)生在靠近外層9處。此外，這種徑向增厚可沿半徑以不 連續(xù)步進的方式進行，而非在沿著半徑的各點都發(fā)生增厚。圖5示出靠近質(zhì)心C 的最薄的壁，在中間區(qū)域為較厚的壁，靠近外層9有最厚的壁。除了提高基材外 部部分的機械強度外，這種徑向增厚還有利地減慢與基材相關(guān)的冷卻，因而降低了 在突然停止熱廢氣流動通過基材時的熱應(yīng)力。
圖6示意性示出一個實施方式，其中，網(wǎng)狀物壁47的厚度如圖5所示在徑向 變化，同時壁47如圖4的實施方式所示沿著長度逐漸縮小。這一實施方式中，任 意特定橫截面部分(平行于端部ll， 13)中的最薄的壁將位于區(qū)域R內(nèi)。相反，廢 氣流沿基材45軸向在區(qū)域仏周圍的區(qū)域R2中逐漸受阻，原因是區(qū)域R2中較厚的壁 產(chǎn)生較大壓降。當(dāng)然，任選有另外的區(qū)域，這些區(qū)域中的壁厚在徑向的漸變更大。 壁47各自在軸向增大，最薄處位于進口端ll，最厚處位于出口端13。
圖7A和7B示出制造與圖4所示類似的漸縮壁的實施方式的情況。在本發(fā)明 的這一方法中，首先制造具有網(wǎng)狀物壁5的基材，該壁5沿基材軸向具有均一的厚 度。然后，使該基材處于氣流49中，該氣流是由含酸、堿或兩者的蝕刻劑氣體形 成，蝕刻氣體通過化學(xué)溶解，在網(wǎng)狀物壁5中形成漸縮部分50?；蛘撸瑲饬?9可 包含固體磨粒，磨粒通過"噴砂"效應(yīng)產(chǎn)生漸縮部分50。
本發(fā)明的另一種方法中，漸縮壁的實施方式(如圖4所示)可以通過共擠出設(shè) 備制造，這種共擠出設(shè)備由Thomas Ketchum等在公開的專利申請No. W02006/002065 A2(轉(zhuǎn)讓給康寧公司，標(biāo)題"形成蜂窩體過濾器的模組件和方法(DieAssembly and Method for Forming Honeycomb Filters)中揭示，該專禾U申請的全 文通過參考結(jié)合于本文。圖4的漸縮壁的實施方式可以通過這種設(shè)備來制造，通過 提供第一前體陶瓷材料，在擠出設(shè)備中以均勻的速率形成壁37的芯39，同時，通 過該擠出設(shè)備以變化的速率擠出第二前體陶瓷材料，形成可變厚度的層41。按照 這種方法，首先擠出進口端ll，這時沒有共擠出或擠出少量第二前體陶瓷材料。 但是，當(dāng)形成擠出物時，隨著形成越來越多的陶瓷基材，第二前體陶瓷材料將以不 斷增加的量共擠出在芯壁39上，直到共擠出最大量的第二前體陶瓷材料，形成該 陶瓷基材的出口端13。要形成圖4所示的線性漸縮的壁，在形成擠出物期間，在 基材35的軸上，第二前體陶瓷材料的共擠出速率以基本線性的方式增加。雖然能 夠由兩種具有不同陶瓷組成的不同前體陶瓷材料形成芯部分39和外層41，但是優(yōu) 選由相同的陶瓷化合物(^7，堇青石、多鋁紅柱石、碳化硅、鈦酸鋁)形成兩種只 有粘度不同的前體陶瓷材料，形成外層41的前體陶瓷材料的粘度小于形成壁37 的芯部分39的材料的粘度。
本發(fā)明的方法還包括形成圖2A到2C以及圖3所示的本發(fā)明第一實施方式和 第二實施方式的方法。這種方法中，擠出的"坯料"具有在整個軸A方向厚度均一 的網(wǎng)狀物壁5，將該坯料干燥和切割之后，但在進行焙燒之前，使基材與能化學(xué)去 除或溶解網(wǎng)狀物壁的一部分的反應(yīng)物接觸，使壁薄化或提高孔隙率，或者同時達到 這兩個目的。這種接觸可以通過將基材部分浸入液體溶液中實現(xiàn)，或者使反應(yīng)性氣 體從基材流過來實施，與所述第一種方法的區(qū)別是，在第二軸向部分24中的壁25 被涂層掩蔽，將它們隔絕不與這種液態(tài)或者氣態(tài)的化學(xué)反應(yīng)物接觸。
或者，對"坯料"進行干燥和切割之后，但在進行焙燒之前，導(dǎo)入臭氧氣體通 過孔道7代替液態(tài)或氣態(tài)的化學(xué)劑。當(dāng)臭氧與未掩蔽的生坯基材在第一軸向區(qū)域 22中接觸時，臭氧能將前體陶瓷材料中的粘合劑氧化并除去。除去粘合劑的要求 部分后，對網(wǎng)狀物壁進行輕微磨損(通過例如，空氣中夾帶的磨粒，但是與第一方 法中專門應(yīng)用了"噴砂"的效果相比，這種輕微磨損的接觸要少得多)，從而去除這 部分已除去粘合劑的陶瓷材料，因此使網(wǎng)狀物壁23薄化。當(dāng)然，需要時，在對坯 料焙燒之后還可以進行上述的任何一種方法。能用來實施上述方法的液態(tài)化學(xué)反應(yīng) 物的一個例子是鹽酸(HCl)和氫氧化鈉(NaOH)。首先將第一軸向區(qū)域22浸在鹽酸中 或與鹽酸接觸。當(dāng)坯料是由堇青石形成時，鹽酸除去的主要只是MgO和AlA -只 去除很少量的二氧化硅(Si02)。為除去二氧化硅，之后將陶瓷基材的第一軸向區(qū)域 22的壁23浸在氫氧化鈉(Na0H)溶液中或者與氫氧化鈉溶液接觸。當(dāng)基材20的長度為4英寸時，使基材的第一個1英寸部分進行上述兩步浸析(leeching)法。這種 方法導(dǎo)致10%的重量減少，該重量減少相應(yīng)于第一軸向部分22中該1英寸長度部 分相對于余量網(wǎng)狀物壁的35%的重量減少。圖2和3中任一實施方式可任選通過 與圖4的實施方式類似的方式共擠出，通過交替和間歇地啟動和停止第二前體的流 動來形成。
圖8示出當(dāng)4英寸長的陶瓷蜂窩體中只有第一個1英寸部分的平均熱質(zhì)量ATM, 減小至顯著低于所有網(wǎng)狀物壁的平均熱質(zhì)量ATM ,&時，含堇青石的薄壁直通型催化 基材的起燃時間顯著縮短，該基材具有900個孔/英寸，壁厚度為2.5密耳。在這 種特定實例中，ATMi比基材的其余網(wǎng)狀物壁的ATM2小45X。由該圖可以知道，在 長度x上測量時，在1英寸長的第一軸向區(qū)域22中的平均熱質(zhì)量的減小使起燃時 間從24秒減少到18秒(圖中量52)，其中x:L/7， L是基材的總長度。因此，與 沒有減少熱質(zhì)量的同類基材相比，至275'C的起燃時間減少的量大于l(m，甚至大 于20%或超過更多。因為由具有催化轉(zhuǎn)化器的發(fā)動機產(chǎn)生的機動車污染物絕大多 數(shù)都在是起燃期間產(chǎn)生的，圖8曲線中20+%的時間縮短表明減少約20+%的污染物 排放。此外，通過本發(fā)明，可實現(xiàn)顯著降低污染物排放，同時制成的蜂窩體的機械 強度沒有明顯下降。
雖然參照一些優(yōu)選實施方式描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明的各種添加、修改和 變動對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。所有這些變動和添加都包含在本發(fā)明的 范圍之內(nèi)，本發(fā)明的范圍僅受所附權(quán)利要求及其等同項的限制。
權(quán)利要求
1. 一種特別適合用作催化轉(zhuǎn)化器的直通型陶瓷基材，該基材包含陶瓷材料體，該陶瓷材料體具有軸向相對的進口端和出口端，分別用于接受和排出氣流，并含有壁的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所述壁限定出軸向取向的孔道，其中，與所述進口端相鄰的壁的第一軸向區(qū)域的平均熱質(zhì)量(ATM1)小于所有壁的平均熱質(zhì)量(ATM總)。
2. 如權(quán)利要求1所述的陶瓷基材，其特征在于，ATM,比ATM總至少小20X。
3. 如權(quán)利要求l所述的陶瓷基材，其特征在于，所述壁的平均熱質(zhì)量從所 述出口端向所述進口端沿所述軸向基本上逐點減小。
4. 如權(quán)利要求l所述的陶瓷基材，其特征在于，該陶瓷基材還包括與所述 第一軸向區(qū)域相鄰的所述壁的第二軸向區(qū)域，所述第一軸向區(qū)域和第二軸向區(qū) 域的壁的平均熱質(zhì)量(ATM,, ATM2)沿所述軸向為基本上均一的，且ATM, < ATM2。
5. 如權(quán)利要求l所述的陶瓷基材，其特征在于，所述陶瓷體的至少一部分的熱質(zhì)量也從所述陶瓷體的質(zhì)心向著該陶瓷體的周邊徑向增加。
6. 如權(quán)利要求1所述的陶瓷基材，其特征在于，在所述第一軸向區(qū)域的壁 的平均厚度小于所有所述壁的平均厚度。
7. 如權(quán)利要求l所述的陶瓷基材，其特征在于，在所述第一軸向區(qū)域的壁 的平均孔隙率大于所有所述壁的平均孔隙率。
8. 如權(quán)利要求7所述的陶瓷基材，其特征在于，在所述第一軸向區(qū)域的所 述平均孔隙率約為25-60%。
9. 如權(quán)利要求l所述的陶瓷基材，其特征在于，所述第一軸向區(qū)域與所述 進口端隔開。
10. 如權(quán)利要求1所述的陶瓷基材，其特征在于，所述軸向取向的孔道的 橫向孔密度為約300-900個孔/英寸2。
11. 如權(quán)利要求1所述的陶瓷基材，其特征在于，該陶瓷基材還包括與所 述第一軸向區(qū)域相鄰的所述壁的第二軸向區(qū)域，所述第一軸向區(qū)域的平均熱質(zhì) 量(ATM》比第二軸向區(qū)域的平均熱質(zhì)量(ATM2)小約30-40% 。
12. 如權(quán)利要求1所述的陶瓷基材，其特征在于，所述壁涂覆有催化劑， 該催化劑能促進一氧化碳氧化和氮氧化物(NOx)的分解。
13. 如權(quán)利要求l所述的陶瓷基材，其特征在于，所述壁的厚度都小于0.010英寸。
14. 一種由陶瓷材料體制造快速起燃、慢冷卻的直通型陶瓷基材的方法， 該陶瓷基材具有軸向相對的進口端和出口端，并含有確定了軸向取向的氣體傳 導(dǎo)孔的壁的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該方法包括使壁的熱質(zhì)量沿陶瓷體的軸向變化，使與所述陶瓷體進口端相鄰的第一軸 向區(qū)域中的壁的平均熱質(zhì)量小于所有所述壁的平均熱質(zhì)量(ATM總)。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述變化步驟中，形成的所述壁具有基本上相同的熱質(zhì)量，所述方法還包括降低所述第一軸向區(qū)域中的壁 的平均熱質(zhì)量的步驟。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述降低步驟是通過對所述第一軸向區(qū)域中的壁進行化學(xué)蝕刻使其比其余的所述壁更薄和具有更高的孔 隙率來實現(xiàn)的。
17. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述降低步驟是通過使所述 第一軸向區(qū)域中的壁與懸浮于流體中的磨料接觸、使接觸之后的壁比其余的壁 更薄來實現(xiàn)的。
18. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述降低步驟是通過使壁與反應(yīng)性流體接觸來實現(xiàn)的。
19. 如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述陶瓷體是通過軸向擠出陶瓷前體材料形成，使得首先形成所述陶瓷體的出口端，通過在與所述進口端 相鄰的所屬陶瓷體的所述第一軸向區(qū)域擠出較少的陶瓷前體材料，改變所述壁 的熱質(zhì)量。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述擠出陶瓷前體材料的步 驟是通過共擠出第一和第二材料來實現(xiàn)的，所述第一和第二材料合并形成所述 壁，通過沿陶瓷體軸向減少與第一材料共擠出的第二材料的量來改變所述壁的 熱質(zhì)量。
全文摘要
提供一種特別適合用作催化轉(zhuǎn)化器的快速起燃直通型陶瓷基材。該基材是由陶瓷材料體形成，具有軸向相對的進口端和出口端，用于分別接受和排出機動車的廢氣流。該陶瓷體含有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所述網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的壁上涂覆有催化劑，所述壁限定了軸向取向的直通型孔道。與所述進口端相鄰的壁的第一軸向區(qū)域的平均熱質(zhì)量(ATM₁)比所有壁的平均熱質(zhì)量(ATM_總)至少小20％。在第一軸向區(qū)域較低的平均熱質(zhì)量有益地縮短了基材內(nèi)的催化劑有效中和機動車污染物的起燃時間。只在壁的第一軸向區(qū)域減小平均熱質(zhì)量有利地保持了制成的陶瓷材料體的強度，并增加了陶瓷體的冷卻時間。
文檔編號B01J35/00GK101437599SQ200780015942
公開日2009年5月20日 申請日期2007年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月31日
發(fā)明者D·W·蘭伯特, K·L·豪斯, M·菲希爾, T·D·凱查姆, X·R·傅 申請人:康寧股份有限公司