本申請要求2014年03月18日提交的美國申請?zhí)?4/217,629的優(yōu)先權，其全文通過引用結合于此。

背景

領域

本發(fā)明的示例性實施方式涉及蜂窩體的表皮化，具體來說，涉及具有開放圓周局部孔道的表皮化的蜂窩體，及其制造方法。

背景討論

來自內燃機的尾氣的后處理可使用負載在高表面積基材上的催化劑，且在柴油發(fā)動機和一些汽油直噴發(fā)動機的情況下，可使用催化的過濾器用于除氣碳煙炱顆粒。在這些應用中的過濾器和催化劑載體可為耐火的、耐熱沖擊的、在一定范圍的pO₂條件下是穩(wěn)定的、不與催化劑系統(tǒng)反應，并對尾氣流動提供較低的阻力。在這些應用中，可使用多孔陶瓷流穿蜂窩體基材和壁流蜂窩體過濾器(本文中統(tǒng)稱為蜂窩體)。

因為在制造過程中的干燥和燒制收縮，顆粒過濾器和基材可能難以制造到原始設備制造商(OEM)和供應鏈設定的外部尺寸要求。結果，可將陶瓷粘結劑(cement)用來形成已經加工或“輪廓化”到所需尺寸的蜂窩體的外部表皮。如本文所使用，術語“蜂窩體”包括單一蜂窩整體件，和由固定在一起的多個蜂窩片段形成的蜂窩體，例如通過使用陶瓷粘結劑來形成整體件?？蓪⑻沾烧辰Y劑混合和施加到燒制的、輪廓化的或分段的蜂窩體，且使?jié)駶櫟谋砥じ稍?。在本文中，將陶瓷粘結劑施加到蜂窩體外部的操作或過程被稱作對蜂窩體進行“表皮化”。在本文中，將上面具有設置的表皮的蜂窩體稱作“表皮化的”蜂窩體。如本文所述，輪廓化指研磨、機械加工、切割、鉆孔、芯體鉆孔等到所需尺寸。

背景部分批露的上述信息只是為了增強對本發(fā)明的背景的理解，因此它可包括不形成現(xiàn)有技術的任何部分的也不是現(xiàn)有技術可暗示本領域普通技術人員的信息。

概述

本發(fā)明的示例性實施方式提供表皮化的蜂窩體，其具有在外部圓周部分處從入口面延伸到出口面的開放局部通道。

本發(fā)明的示例性實施方式還提供一種制造表皮化的蜂窩體的方法，所述表皮化的蜂窩體具有在外部圓周部分處從入口面延伸到出口面的開放局部孔道通道。

本發(fā)明的其它特征將在以下描述中指出，它們通過該描述不難理解，或者可通過實施本發(fā)明而了解。

一種示例性實施方式披露蜂窩體。所述蜂窩體包含蜂窩芯體、從入口面延伸到出口面的外部圓周和與蜂窩芯體的外部圓周毗連的局部孔道通道,所述蜂窩芯體具有從入口面延伸到出口面且在它們之間限定孔道通道的多個通道壁,其中每一局部通道的通道壁在蜂窩芯體的外部圓周處包含缺口，且每一局部孔道通道包含由通道壁和在蜂窩芯體圓周處的缺口圍繞的從入口面到出口面的體積。陶瓷制品包含越過缺口設置在蜂窩芯體外部圓周上的表皮，從而從入口面到出口面總局部孔道通道體積中大多數(shù)是開放的。

一種示例性實施方式還披露制造蜂窩體的方法。所述方法包括在蜂窩芯體的外部圓周表面上設置片材,其中所述外部圓周表面從蜂窩芯體的第一端面延伸到第二端面,在片材上設置表皮批料,和固化表皮批料以將固化的表皮粘結到蜂窩芯體來形成蜂窩體。在所述方法中,固化包括犧牲所述片材的至少一部分，且固化的表皮形成從第一端面到第二端面開放的圓周局部孔道通道一部分的外部壁。

應理解，前面的一般性描述和以下的詳細描述都只是示例和說明性的，旨在對本發(fā)明進行進一步解釋。

附圖說明

附圖用來幫助進一步理解本發(fā)明，結合在說明書中，構成說明書的一部分，附圖顯示了本發(fā)明的示例性實施方式，與說明書一起用來解釋本發(fā)明的原理。

圖1A顯示根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的蜂窩體的示意性透視圖，所述蜂窩體包含不填充其局部孔道的在蜂窩芯體的外部圓周上的表皮。圖1B是根據(jù)本發(fā)明的這些示例性實施方式的穿過圖1A所示蜂窩體的示意性橫截面。圖1C是根據(jù)本發(fā)明的這些示例性實施方式的圖1A所示蜂窩體的示意性俯視圖。

圖2顯示在根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的方法中的在其外部圓周上包含局部孔道的蜂窩芯體的示意性透視圖。

圖3A顯示在根據(jù)本發(fā)明的這些示例性實施方式方法中，如圖2所示的在其外部圓周上包含局部孔道的蜂窩芯體的端部視圖，該蜂窩芯體具有設置在外部圓周上的片材。圖3B顯示在根據(jù)本發(fā)明的這些示例性實施方式方法中，如圖3A所示的在其外部圓周上包含局部孔道的蜂窩芯體的端部視圖，該蜂窩芯體具有設置在外部圓周上的片材和設置在該片材上的表皮批料。圖3C顯示在根據(jù)本發(fā)明的這些示例性實施方式方法中，如圖2所示的在其外部圓周上包含局部孔道的蜂窩芯體的端部視圖，該蜂窩芯體具有設置在外部圓周上的填充材料和設置在該填充材料上的表皮批料。

圖4顯示在根據(jù)本發(fā)明的這些示例性實施方式的方法中的在其外部圓周上包含局部孔道的蜂窩芯體的光學照片。

圖5顯示在其外部圓周上包含用根據(jù)比較例的表皮化材料填充的局部孔道的蜂窩體的光學照片。

圖6A顯示在根據(jù)本發(fā)明的這些示例性實施方式方法中，在其外部圓周上包含局部孔道的蜂窩芯體的光學照片，該蜂窩芯體具有設置在外部圓周上的片材。圖6B顯示在根據(jù)本發(fā)明的這些示例性實施方式方法中，在其外部圓周上包含局部孔道的蜂窩芯體的光學照片，該蜂窩芯體具有設置在外部圓周上的粗織片材。圖6C是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的包含在纏繞的粗織片材頂部上施加的表皮粘結劑材料并在100℃下干燥120分鐘之后但沒有填充其局部孔道的圖6B所示蜂窩體的光學照片。圖6D是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的包含在纏繞的片材頂部上施加的表皮粘結劑材料并在100℃下干燥120分鐘之后但沒有填充其局部孔道且在550℃下燒制60分鐘之后的圖6A所示蜂窩體的光學照片。

圖7A是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的蜂窩體的光學照片，所述蜂窩體包含不填充其局部孔道的在外部圓周上的表皮。圖7B是圖7A中所示的包含在外部圓周上不填充局部孔道的表皮的蜂窩體的更高放大倍數(shù)的光學照片。

圖8是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的用于根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的表皮化方法中的各種組成、網格尺寸和厚度的片材的光學照片。

詳述

在此將參照附圖更完整地描述本發(fā)明，附圖中給出了本發(fā)明的示例實施方式。但是，本發(fā)明可以以許多不同的方式實施，不應被解讀成限定于在此提出的示例性實施方式。相反，提供這些實施方式使得說明完整，能夠向本領域技術人員完全地展示本發(fā)明的范圍。在圖中，為了清晰起見，放大了層和區(qū)域的尺寸和相對尺寸。

應當理解，當描述一種元件或層在另一元件或層之上或者與另一元件或層“相連”或“相鄰”時，所述元件或層可直接在另一元件或層之上，所述元件或層可以直接與其他元件或層相連或相鄰，或者也可以存在中間的元件或層。相反地，當描述一種元件或層直接在另一元件或層之上或者與另一元件或層“直接相連”或“直接相鄰”時，則不存在中間的元件或層。不同附圖中的相同附圖標記表示相同的元件。應理解，出于本發(fā)明之目的，X,Y,和Z中的至少一種可構造為僅含X、僅含Y、僅含Z或者兩種或更多種項目X,Y,和Z的任意組合(例如,XYZ,XYY,YZ,ZZ)。

在這些示例性實施方式中，所揭示的制品及其制造方法提供了一個或多個優(yōu)勢特征或方面，包括例如，如下文所述。任一項權利要求所述的特征或方面一般在本發(fā)明的所有方面適用。在任一項權利要求中所述的任意單個或多個特征或方面可以結合或與任一項或多項其它權利要求中所述的任意其它特征或方面置換。

當使用術語如頂部、底部、側面、上部、下部、垂直和水平時，本發(fā)明沒有限制到這些示例性實施方式。相反，空間相對術語，例如“頂部”、“底部”、“水平”、“垂直”、“側面”、“下方”、“以下”、“之下”、“之上”、“上方”等在本文中用于方便地描述附圖中一種元素或特征與另一種元素或特征的相互關系。應當理解，空間相對術語除了附圖中所示的取向之外，包括在使用或操作時裝置的不同取向。例如，如果附圖中的裝置顛倒,之前描述為位于其他元件或特征“以下”或“之下”的元件可以描述為位于其他元件或特征“之上”。因此，示例性的術語“之下”可以同時包括之上和之下的方位。所述裝置可以以其它方式取向(旋轉90度或按照其他取向)并相應地對本文使用的空間相對描述用語進行解釋。

“包括”、“包含”或類似術語意為包括但不限于，即內含而非排它。

用來描述本發(fā)明實施方式的修飾例如組合物中成分的量、濃度、體積、過程溫度、過程時間、產量、流速、壓力、粘度等數(shù)值及它們的范圍的“約”指數(shù)量的變化，可發(fā)生在例如：制備材料、組合物、復合物、濃縮物或應用制劑的典型測定和處理步驟中；這些步驟中的無意誤差；制造、來源或用來實施所述方法的原料或成分的純度方面的差異中；以及類似考慮因素中。術語“約”還包括由于具有特定初始濃度或混合物的組合物或制劑的老化而不同的量，以及由于混合或加工具有特定初始濃度或混合物的組合物或制劑而不同的量。

除非另外說明，否則，本文所用的不定冠詞“一個”或“一種”及其相應的定冠詞“該”表示至少一(個/種)，或者一(個/種)或多(個/種)。

可采用本領域普通技術人員熟知的縮寫(例如，表示小時的“h”或“hr”，表示克的“g”或“gm”，表示毫升的“mL”，表示室溫的“RT”，表示納米的“nm”以及類似縮寫)?！?/p>

在組分、成分、添加劑、時間、溫度、壓力和類似方面公開的具體和優(yōu)選數(shù)值及其范圍僅用于說明，它們不排除其他限定數(shù)值或限定范圍內的其他數(shù)值。本發(fā)明的設備和方法可包括本文所述的任何數(shù)值或數(shù)值的任何組合、具體數(shù)值、更具體的數(shù)值和優(yōu)選數(shù)值。

如本文所使用，生坯材料是未燒制的材料，其包含無機材料和/或有機材料的混合物。生坯材料可包括各種無機填料材料，無機粘合材料和/或有機粘合材料，以及液體載體?？筛稍锷鞑牧?，來除去流體含量(例如，水)。通常通過使零件過夜靜置暴露于環(huán)境大氣壓，來實現(xiàn)干燥，但是也可使用熱空氣、強制空氣、微波輻射、射頻(RF)或紅外輻射(IR)來增強干燥?？稍跐穸仁芸氐目諝庵袑崿F(xiàn)干燥。生坯材料可包括冷固化的(cold-set)粘結劑。可對干燥的生坯材料進行燒制，以形成多孔或非多孔陶瓷制品。

如本文中所用，“追加量”表示基于并相對于100重量百分比的混合物的無機組分，組分如有機粘合劑、液體載體、添加劑或成孔劑的重量百分數(shù)。

基材和過濾器制品用于汽油和柴油、輕型和重型車輛的后處理排放控制，且所述控制滿足環(huán)境規(guī)定。制備這些基材和過濾器中的步驟之一是在基材和過濾器的外部周界軸向表面上施加基于粘結劑的表皮或外部壁。

在零件(例如多孔陶瓷過濾器制品)上的表皮是零件和環(huán)境之間的界面。表皮提供多種優(yōu)選的功能，例如表皮增加零件的美感且被消費者視為高質量的指標，在制造和使用中(例如在零件加工和運輸過程中)保護零件的功能過濾器部分免受結構退化(如碎屑破壞)和環(huán)繞零件的其它危險的影響，以及增加零件的靜壓強度，這是用于現(xiàn)代零件的重要性能度量。

圖1A顯示的蜂窩結構100包含多個相交的壁110，其形成在相對的端面114,116之間軸向延伸的多個相鄰的孔道通道112。圖1B顯示穿過圖1A的蜂窩體100的示意性橫截面。圖1C顯示圖1A的蜂窩體100的示意性俯視圖。在本文中，當指在蜂窩體的橫截面相交的壁時，通常使用“孔道”，且當指在端面114,116之間延伸的孔道時通常使用“通道”?？椎篮屯ǖ酪约啊翱椎劳ǖ馈笨苫Q使用。在本文中，當指在相交壁110中具有缺口122的在輪廓化蜂窩體100(蜂窩芯體104)的外部圓周118處的孔道或通道時，使用“局部孔道”或“局部孔道通道”120。頂部面114指在圖1A中放置的蜂窩體100的第一端面且底部面116指在圖1A中放置的蜂窩體100的第二端面,否則，端面不受蜂窩體100取向的限制。頂部面114可為蜂窩體100的入口面和底部面116可為蜂窩體100的出口面，或頂部面114可為蜂窩體100的出口面和底部面116可為蜂窩體100的入口面。

孔道密度可為約100-900孔道/平方英寸(cpsi)。典型的孔道壁厚范圍可約為0.025-1.5毫米(約1-60密耳(mil))。例如,蜂窩體100幾何形貌可為具有約8密耳壁厚的400cpsi(400/8)或具有約6密耳壁厚的400cpsi(400/6)。其它幾何形貌包含例如,100/17,200/12,200/19,270/19,600/4,400/4,600/3,和900/2。如本文所使用，蜂窩體100用于包括大體上具有蜂窩結構的材料，但是并不嚴格限制于正方形結構。例如可以采用六邊形、八邊形、三角形、矩形或任何其它合適形狀的孔道形狀。此外，雖然將有孔道的蜂窩體100的橫截面描述為圓形的，但沒有這樣限定，例如橫截面可為橢圓、正方形、矩形或其它所需形狀。

所述蜂窩體100通常具有表皮124和含有外部圓周118的蜂窩芯體104。可在輪廓化操作之后，共擠出或施加表皮124。圖2顯示在輪廓化之后且在表皮化之前的蜂窩芯體104的示例性實施方式的透視圖。在輪廓化和表皮化之前，蜂窩芯體104可為生坯的(green)和干燥的或可為燒制的。在輪廓化蜂窩芯體100的最外部的圓周118處的壁110可形成局部孔道120以及孔道112。局部孔道120通常向外與孔道112相隔。然而,當形成孔道112的壁110與外部圓周118相交時，孔道112可為最外部的。局部孔道120的壁110的最外部的部分和一些孔道112的最外部的角落126形成輪廓化蜂窩芯體104的外部圓周118。

本發(fā)明的示例性實施方式涉及具有例如如圖2所示的蜂窩芯體104的陶瓷制品,其可由單一整體件形成或者由粘結在一起以形成整體件的多個片段形成。蜂窩芯體104包含從入口面114延伸到出口面116且在它們之間限定孔道通道112和局部孔道通道120的多個通道壁110,從入口面114延伸到出口面116的外部圓周118,其中局部孔道通道120毗鄰蜂窩芯體104的外部圓周118。表皮124設置在蜂窩芯體104的外部圓周118上，從而總局部孔道通道體積中的大多數(shù)從入口面114到出口面116是開放的(如圖1A,1B,和1C所示)以形成蜂窩體100。雖然本發(fā)明涉及施加之后的表皮，但可在共擠出的表皮上設置這種施加之后的表皮。

在這些示例性實施方式中，蜂窩芯體104可由陶瓷材料形成，例如堇青石或在其它情況下，可由其它陶瓷材料例如碳化硅、氮化硅、鈦酸鋁、氧化鋁和/或多鋁紅柱石(mullite)或其組合制成。

所述蜂窩體可以根據(jù)任何適合用來形成蜂窩體整體件體的常規(guī)方法形成。例如，采用任何已知的陶瓷成形的常規(guī)方法，對增塑的形成陶瓷的批料組合物進行成形，制成生坯，所述常規(guī)方法包括例如：擠出，注塑，粉漿澆鑄，離心澆鑄，加壓澆鑄，干壓制等。所述蜂窩體結構通常是通過擠出法形成的，在此工藝中，將陶瓷材料擠出形成生坯，然后對生坯進行燒制，形成最終陶瓷結構。在一個示例性的實施方式中，擠出可以使用液壓油缸擠出壓機，或兩段排氣單鉆擠出機，或在出料端連接模頭組件的雙螺桿混合機進行。可切割擠出的材料，形成蜂窩體結構，例如成形和大小調整至滿足發(fā)動機制造商需求的過濾器主體。擠出的材料可為連接或粘結在一起以形成蜂窩體結構的蜂窩片段。這些擠出的生坯體可以具有任意的尺寸或形狀。

通常，在擠出陶瓷蜂窩結構時，沿著結構的長度提供固體外部表面。但是，在某些情況下，必須除去外表面。例如，可通過除去擠出的外表面，將擠出的生坯蜂窩體結構成形至所需的形狀和尺寸?；蛘撸蔁粕鞣涓C體結構，然后通過除去擠出的外表面和所必需的任意部分的多孔壁結構以獲得所需的形狀和尺寸，將其研磨至所需的形狀和尺寸?？梢酝ㄟ^本領域已知的任何方法來實現(xiàn)成形，包括切割、砂紙打磨或者研磨掉蜂窩結構的外部擠出表面，從而獲得所需的形狀和尺寸。

類似地，在集成到蜂窩結構之前，可通過除去擠出的外部表面將蜂窩片段成形到所需的形狀和尺寸?；蛘?可集成蜂窩片段來形成蜂窩結構，并將形成的蜂窩結構成形到所需的形狀和尺寸。

一旦獲得所需的形狀和尺寸，可將表皮材料施加到調節(jié)尺寸的蜂窩體的外部圓周，從而在蜂窩體上形成新的外部表面或表皮。通常,沒有用表皮材料覆蓋蜂窩體的端部,但如有需要，可堵塞某些通道。在將表皮組合物施加到蜂窩結構之后，可干燥和/或煅燒表皮組合物。在一些實施方式中，可將冷固化粘結劑組合物施加到蜂窩結構。在一些實施方式中,上面施加粘結劑的蜂窩芯體包含燒制的陶瓷材料。在其它實施方式中,蜂窩芯體包含生坯體或煅燒體。在一些實施方式中，可在催化過程中進行煅燒的蜂窩體結構的最終燒制。

在這些示例性實施方式中，在獲得所需的蜂窩芯體形狀和尺寸之后,將片材設置在蜂窩芯體上，且將表皮批料設置在片材上。圖3A是蜂窩芯體104的示意性端部視圖,所述蜂窩芯體104具有設置在外部圓周118上的片材130。所述片材具有內部表面132和外部表面134。例如通過其中片材內部表面132可在重疊部分136處與片材外部表面134重疊的卷繞操作，將內部表面132設置在外部圓周118上?；蛘?片材130可為不含重疊部分的套筒形式。當片材130是套筒形式時,將片材130施加到蜂窩芯體104可包含操作，其中可在蜂窩芯體104的端面114,116上滑動片材130，從而設置在外部圓周118上。

片材130可設置在局部孔道120的壁110的最外部的部分上，且孔道112的最外部的角落126形成輪廓化蜂窩芯體104的外部圓周118。片材130提供阻擋，以防止表皮批料填充局部孔道120。圖3B顯示蜂窩芯體104的示意性端部視圖，所述蜂窩芯體104具有設置在外部圓周118上的片材130和設置在片材130外部表面134上的一層表皮批料140。該層表皮批料140具有接觸片材130外部表面134的內部表面142和形成蜂窩體100外部圓周的外部表面144。

可通過刮刀操作、軸向表皮化操作、噴涂澆鑄操作、粉漿澆鑄(tape casting)操作等，將表皮批料施加到在片材130中遮蔽的蜂窩芯體104。片材130防止該層表皮批料140填充局部孔道120,然而,表皮批料可滲透片材130來接觸局部孔道120的壁110的最外部的部分和一些孔道112的最外部的角落126，其形成輪廓化蜂窩芯體104的外部圓周118。從這層意義上來說,片材130可為多孔的，以使得表皮批料接觸蜂窩芯體壁110。當表皮批料進行固化時，接觸蜂窩芯體壁110的表皮批料將表皮批料層140粘結到蜂窩芯體104，這形成蜂窩體。固化表皮批料可包含犧牲片材130。例如,可燒制或煅燒表皮批料來形成外部表皮并燒掉片材130，使得表皮化的局部孔道通道120的一部分從入口面114到出口面116開放。

片材130可例如用水進行潤濕，或者片材130可包含表皮124的成分。潤濕片材130可促進在蜂窩芯體104上設置片材130。潤濕和干燥片材130可將片材130收縮到蜂窩芯體104，這進一步促進后續(xù)的表皮化操作。用表皮124或表皮層140的一種或多種成分浸漬的片材103可增強將表皮124粘結到蜂窩芯體104，同時防止例如裂紋等的缺陷。一種這種成分可為無機粘合劑，例如膠體二氧化硅、膠體氧化鋁等及其組合。

在示例性實施方式中，片材130可為下述中的至少一種：多孔紡織片材、多孔無紡片材、非多孔紡織片材和非多孔無紡片材。沒有特別限定片材，且可包括天然材料和合成材料，片材可為膠粘劑支撐的或無膠粘劑支撐的。片材材料的示例包含玻璃纖維膠帶,玻璃纖維布,纖維素纖維,聚合物例如聚乙烯纖維布，尼龍纖維布,和聚酯纖維布，片材材料的其它示例包含碳纖維織物，紙張，紙張組織例如網格,天然纖維布,例如棉、絲、麻或亞麻等?？紫堵士蔀閺募{米尺度到毫米尺度。片材厚度可在相似范圍，例如,從微米到毫米。例如,片材厚度可為約50-1500微米，且孔開口可為約1微米-約1500微米。當片材130是多孔的時,表皮批料的成分可滲透片材130，并將表皮層140粘結到蜂窩芯體104。當片材130是非多孔的時,表皮層的成分可在煅燒或固化過程中滲透片材130，從而使得表皮材料層140粘結到蜂窩芯體104外部圓周118。當片材130是非多孔的時,片材130可在煅燒、燒制或固化過程中反應，從而使得表皮材料層140粘結到蜂窩芯體104外部圓周118。

作為表征片材參數(shù)的另一非限制性方法,可使用片材密度。例如,片材可具有約0.1oz/sq yd-約50oz/sq yd的密度。例如,片材材料可為約0.7oz/sq yd,約1.5oz/sq yd,約2oz/sq yd,約2.7oz/sq yd,或甚至約3.2oz/sq yd。

在替代示例性實施方式中,可在于在蜂窩芯體104上設置片材130的操作之前，將表皮批料層140設置在片材130上。在這種情況下，如上所述，可將具有設置在外部表面134上的批料層140的片材130施加到蜂窩芯體104。

于在外部圓周118上設置片材130之前，片材130可具有設置在片材內部表面132上的一層表皮批料。片材130防止設置在內部表面132上的該層表皮批料填充局部孔道120。當表皮批料進行固化時，接觸蜂窩芯體壁110的內部表面132上的表皮批料將表皮批料層140粘結到蜂窩芯體104，這形成蜂窩體100。在該示例性實施方式中,可在固化、燒制或煅燒過程中犧牲或轉換片材130，從而形成外部表皮124。當表皮批料粘結劑設置在內部表面132和外部表面134上時,批料粘結劑可在片材130內側和外側上包含相同組成或批料粘結劑可在片材內側和外側上包含不同組成。例如,為了使表皮124匹配蜂窩芯體104的所需的物理性質(彈性模量(EMOD),熱膨脹系數(shù)(CTE),斷裂模量(MOR)等),可將第一組合物施加到內部表面132，且為了所需的表皮124外部表面的物理性質例如不同MOR,EMOD,CTE,可將第二組合物施加到外部表面134。

在替代實施方式中,在施加表皮批料材料之前，可在蜂窩芯體104的外部圓周118上設置填充材料138，從而填充局部孔道120(圖3C)。可在局部孔道120中施加填充材料138并清潔掉，從而暴露局部孔道120的壁110的最外部的部分和形成輪廓化蜂窩芯體104外部圓周118的一些孔道112的最外部的角落126。這樣，當將表皮批料施加到包含填充材料138的蜂窩結構104時,表皮批料可接觸局部孔道120的壁110的最外部的部分和形成輪廓化蜂窩芯體104外部圓周118的一些孔道112的最外部的角落126。當表皮批料進行固化時，接觸蜂窩芯體壁110的表皮批料將表皮批料層粘結到蜂窩芯體104，這形成蜂窩體100。固化表皮批料可包括犧牲填充材料138。例如,可燒制或煅燒表皮批料來形成外部表皮124并燒掉填充材料138，使得表皮化的局部孔道通道120的一部分從入口面114到出口面116開放。

填充材料138可包含蠟、萘等。填充材料138在室溫下可為漿料，且在高溫例如干燥溫度、固化溫度、煅燒溫度或燒制溫度下可揮發(fā)。

一旦將表皮材料以本文所述的方式施涂到蜂窩體結構上的片材130或填充材料138上，可任選地干燥和/或燒制表皮材料。任選的干燥步驟可包括首先在濕度受控的氣氛中，在一定溫度下將表皮材料加熱足以至少基本上除去在表皮材料中存在的任何液體載體的時間。如本文所使用，至少基本上除去任何液體載體包括在燒制之前，除去表皮材料中存在的至少95％,至少98％,至少99％,或甚至至少99.9％的液體載體。適用于除去液體載體的示例性和非限制性干燥條件包含在下述溫度下加熱表皮材料：至少50℃,至少60℃,至少70℃,至少80℃,至少90℃,至少100℃,至少110℃,至少120℃,至少130℃,至少140℃,至少150℃,至少160℃,至少170℃,至少180℃,至少190℃,或甚至至少200℃。在一個實施方式中,所述能夠有效地至少基本除去液體載劑的條件包括在60-120℃范圍的溫度下在濕度受控的氣氛(例如空氣中)加熱表皮材料。此外，可通過任何已知的常規(guī)方法來提供加熱，包括例如在濕度受控的氣氛中的熱空氣干燥、RF和/或微波干燥。

任選的燒制步驟可包括適用于將表皮材料轉化成主晶相陶瓷組合物的條件，包括將具有施加的表皮材料的蜂窩體加熱到大于800℃,900℃,和甚至大于1,000℃的最高溫度。在加熱時，可使用約120℃/小時的升溫速率，然后在最高溫度下保持約3小時，然后以約240℃/小時的速率冷卻。

本文所述的表皮材料可包括在下述溫度下固化的那些：小于200℃,例如小于100℃的溫度，和還例如小于50℃的溫度,包含可適用于表皮化過程并使用“冷固化”表皮的粘結劑材料。在冷固化表皮化中,只需要干燥表皮化混合物，來形成蜂窩體的通道壁的密封。當采用冷固化表皮化過程時，把表皮化的蜂窩體加熱到35-110℃的溫度范圍可用于加速干燥。在一些冷固化表皮化過程中，期望最終表皮固結，包括去除殘留的臨時粘合劑副產物(例如片材130)和強化密封件，可在后續(xù)的加工步驟進程中(例如在催化或灌裝(canning)進程中)或者在首次使用中(例如，在排氣系統(tǒng)中)進行。

例如,其中可使用冷固化表皮化的示例性組合物包括含膠凝的無機粘合劑(例如膠凝的膠體二氧化硅)以及耐火填料的那些，所述填料包含至少一種無機粉末,例如鈦酸鋁、堇青石、熔凝石英、多鋁紅柱石(mullite)和氧化鋁中的至少一種,無機粉末具有15-50微米的雙峰或單峰尺寸的中值粒度(D₅₀),例如用于單一尺寸的30-40微米以及額外的用于雙峰尺寸組合物中第二粒度的約150微米-約300微米如約150微米-約250微米的中值粒度。可在配批料之前(例如作為與膠凝化無機粘合劑的預混合物)或者在配批料之時，添加至少一種膠凝劑,例如鹽酸、硫酸、硝酸、檸檬酸、乙酸、氫氧化銨、氫氧化鈉和三乙醇胺(下文稱為"TEA")中的至少一種，從而膠凝化無機粘合劑。或者，可使用未膠凝的組合物。這種組合物可提供在下述溫度下在多孔陶瓷蜂窩體中固化的表皮(并由此永久密封到通道壁)：小于200℃,例如小于100℃,還例如小于50℃,包括約25℃。用于表皮化的粘結劑組合物的其它非限制性示例性實施方式如下所述。

表皮組合物參見美國臨時專利申請?zhí)?1/602,883和美國專利申請?zhí)?3/302,262，以上各文的全部內容通過引用納入本文。根據(jù)示例性實施方式，表皮組合物可為單一玻璃粉末組合物，其包含粘結劑(所述粘結劑包含玻璃粉末作為低熱膨脹填料材料),粘合劑(binder)和用于攜帶玻璃基粘結劑的固體成分的溶劑或載體。玻璃粉末填料材料的玻璃可為無定形熔凝石英(SiO₂)、研磨的堇青石、AT團塊(grog)或二氧化硅煙炱。填料材料的玻璃粉末可具有10-20μm的中值粒度(D50),且最小粒度是7μm-75μm，最大粒度是50μm-70μm。粒度測定為基于質量的當量球形直徑。玻璃粉末填料材料例如可占粘結劑的總無機組分的60重量％-80重量％。合適的二氧化硅粉末填料材料，例如以商品名Teco-Sil出售的那些，可從美國田納西州的田納西電子礦物公司的CE礦物公司(CE Minerals of Tennessee Electro Minerals Incorporated)購買。除非另外說明，使用麥克特瑞克有限公司(Microtrac Inc.)的粒度分析設備進行本文所有的粒度測量。

根據(jù)示例性實施方式，表皮組合物可包含粘合劑、用于攜帶玻璃基粘結劑的固體成分的溶劑或載體、以及無定形玻璃基粘結劑,所述粘結劑由雙重玻璃粉末組合物形成，其包含第一種(精細)玻璃粉末作為低熱膨脹填料材料,第二種(粗)玻璃粉末作為低熱膨脹填料材料。第一玻璃粉末填料材料和第二玻璃粉末填料材料的玻璃都可為無定形的熔凝石英，其粒度大于約1微米。玻璃粉末填料材料的粒度分布可以是多峰的，即粒度大于約1微米的玻璃粉末填料材料的分布呈現(xiàn)多種模式(局部最大)的粒度。在一種實施方式中，無定形的玻璃基粘結劑包括粒度大于約1微米的無定形玻璃顆粒的雙峰粒度分布。玻璃基水泥可包括第一種玻璃粉末填料材料，其中第一種玻璃粉末填料材料的中值粒度(D50)范圍可約為10微米-約50微米,約為15微米-約50微米,約為20微米-約45微米或約為30微米-約45微米,且D10范圍約為1微米-約10微米，D90范圍約為25微米-約125微米。第二種玻璃粉末填料材料的中值(D50)粒度可為約150微米-約300微米,約150微米-約250微米,約170微米-約230微米,約180微米-約220微米,且D10可為約100微米-約150微米,和D90可為約250微米-約350微米。粒度測定為基于質量的當量球形直徑。如本文所使用，術語“D50”表示粒度分布的中值，D10指單位為微米的粒度且10％的分布小于該粒度，以及D90指單位為微米的粒度且90％的分布小于該粒度。雙重玻璃基粘結劑可包含例如下述量的第一種玻璃粉末填料材料：粘結劑的無機固體組分的總重量的約20-約60重量％,約25重量％-約50重量％,約25重量％-約40重量％,或約25重量％-約35重量％。玻璃基粘結劑可包含例如下述量的第二種玻璃粉末填料材料：粘結劑的無機固體組分的總重量的約10重量％-約40重量％,約15重量％-約40重量％,約20重量％-約35重量％。

在一種示例性實施方式,第一種玻璃粉末填料材料的D50可為約34微米-約40微米,第二種玻璃粉末填料材料的中值粒度是約190微米-約280微米。在一例子中,第一種玻璃粉末填料材料具有約6.0微米的D10,約34.9微米的D50和約99微米的D90。在另一例子中,第一種玻璃粉末填料材料具有約6.7微米的D10,約39.8微米的D50,和約110.9微米的D90。又在另一例子中,第一種玻璃粉末具有約2.7微米的D10,約13.8微米的D50和約37.8微米的D90,且作為又一例子，第一種玻璃粉末填料材料具有約2.8微米的D10,約17.2微米的D50和約47.9微米的D90。

第二種玻璃粉末填料材料和第一種玻璃粉末填料材料的比例可為約1:4-約1:1,例如約1:3.5-約1:1,約1:3-約1:1,約1:2.5-約1:1,約1.2-約1:1或約1:1.5-約1:1。在一種示例性實施方式,第二種玻璃粉末填料材料和第一種玻璃粉末填料材料的比例是1:1。

為了提供本發(fā)明的粘結劑組合物，可將包含上述無機粉末中的任一種的無機粉末和任意任選的無機添加劑組分與合適的有機和/或無機粘合劑材料混合在一起。有機粘合劑材料可包含一種或多種有機材料,例如纖維素醚、甲基纖維素、乙基纖維素、聚乙烯醇、聚環(huán)氧乙烷等，或在一些實施方式中，膠狀材料例如黃原膠(xanthan gum)或膠乳。例如,A4 Methocel(甲基纖維素)是一種合適的有機粘合劑。Methocel A4是水溶性甲基纖維素聚合物粘合劑，可從陶氏化學(Dow Chemical)購買。合適的無機粘合劑可包含膠體二氧化硅或氧化鋁，其包含懸浮在合適液體(例如水)中的納米尺度的二氧化硅或氧化鋁顆粒。當考慮有機粘合劑的流體部分時(其中除去流體部分的重量貢獻)，無機粘合劑材料可以下述量存在于粘結劑組合物中：粘結劑中存在的無機固體總重量的小于約10％,且在一些示例性實施方式中，無機粘合劑以等于或小于約5重量％的量存在,且在一些其它示例性實施方式中，以約2重量％-約4重量％的量存在。合適的膠體二氧化硅粘合劑材料是W.R.格蕾絲公司(W.R.Grace)生產的Ludox HS40。典型的膠體粘合劑材料可包括大約40重量％的固體材料，作為在去離子水載體中的懸浮液。

在一些示例性實施方式中,如上所述的單一和雙重玻璃粉末粘結劑還可包含無機纖維狀增強材料。例如,可將鋁硅酸鹽纖維添加到粘結劑混合物來在施加表皮之后強化蜂窩結構。例如,粘結劑可包含粘結劑的無機固體組分的總重量的約25-約50重量％、約30-約50重量％的無機纖維狀材料,在一些實施方式中粘結劑的無機固體組分的總重量的約35-約45重量％的無機纖維狀材料。在一些其它實施方式中,纖維狀無機增強材料可以下述量存在：作為粘結劑組合物無機固體的總重量百分比的約36重量％-約43重量％。一種合適的無機纖維狀增強材料是Fiberfrax QF 180,可購自Unifrax公司，但是可使用任何高長徑比耐火顆粒。

通常,用于提供可流動的或漿狀稠度的液體載體或溶劑包括水(例如去離子(DI)水)，但可使用其它材料。液體載體含量可作為追加量以下述量存在：粘結劑混合物的無機組分的等于或小于約30重量％,可為粘結劑混合物的無機組分的約10重量％-約25重量％。但是，通常調節(jié)液體載體，以獲得適于容易施加粘結劑的粘度。

在一些實施方式中，粘結劑可任選地還包含有機改性劑，例如用于增強粘結劑和蜂窩體之間粘合的粘附促進劑。例如，已發(fā)現(xiàn)Michem 4983適于這個目的。

在一些示例性實施方式中,粘結劑混合物在小于1000℃的溫度下固化,例如小于800℃的溫度,還例如小于600℃的溫度,又例如小于400℃的溫度,以及又例如小于200℃的溫度。在一些示例性實施方式,粘結劑混合物能在室溫下(即,在約23℃下)固化。

本文所述的粘結劑組合物可呈現(xiàn)非常適于在蜂窩芯體上的片材之上形成外部表皮的粘度。例如,根據(jù)本文所述的實施方式的組合物可具有等于或小于約12帕斯卡-秒(Pa·s.),等于或小于約5Pa·s.,或等于或小于約4Pa·s的極限剪切粘度。對于10s^-1的剪切速率,剪切粘度可為例如等于或小于約400Pa·s,等于或小于約350Pa·s或小于或等于約300Pa·s。使用平板粘度計來測量粘度。

本文所述的粘結劑組合物的煅燒可在箱式爐中進行，在3小時內線性升溫至600℃，然后在600℃下保溫3小時，然后在超過3小時的時間段內降溫回到室溫。在商業(yè)應用中，可用催化劑對陶瓷制品進行外涂覆(wash coated)，然后進行熱處理來除去有機材料。還可用墊材料包裝陶瓷制品，該墊材料也可需要熱處理來除去有機材料。煅燒工藝模擬陶瓷制品所經歷的工作條件。

沒有特別限定表皮粘結劑的組成，且其可包含例如下述的表皮粘結劑：單一玻璃粉末組合物,雙重玻璃粉末組合物,具有纖維狀增強材料組成的單一玻璃粉末,具有纖維狀增強材料組成的雙重玻璃粉末,無機填料和晶體無機纖維狀材料組合物,和雙重玻璃粉末和晶體無機纖維狀材料組合物。

實施例

下文將參考某些示例性和具體實施方式來進一步描述本發(fā)明的示例性實施方式，其只是說明性的且無意于限制。根據(jù)一些實施方式,制備了具有200cpsi和12密耳壁(200/12)幾何形貌的2英寸(5cm)直徑堇青石蜂窩芯體。從5.7英寸(14.5cm)x6英寸(15.3cm)零件輪廓化2英寸(5cm)蜂窩芯體。堇青石蜂窩芯體如圖4所示。因為輪廓化，在具有開口或缺口的外部圓周處，局部通道是可見的。

實施例中所用的表皮粘結劑的化學組成參見表1。

表1

比較例

圖5顯示從圖4所示的5.7英寸(14.5cm)x6英寸(15.3cm)零件輪廓化的2英寸(5cm)蜂窩芯體的光學照片，其具有根據(jù)比較性樣品施加的表皮。通過不使用片材，比較性過程中的表皮化過程填充幾乎全部的局部孔道。因此,降低蜂窩體的正面開口面積。阻塞局部孔道可不利地影響壓力降性能。

示例性實施方式

圖6A顯示從圖4所示的5.7英寸(14.5cm)x6英寸(15.3cm)零件輪廓化的2英寸(5cm)蜂窩芯體的光學照片，其具有根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式施加的片材。所述片材包含膠體氧化鋁淤漿處理的濾布。濾布可防止表皮粘結劑材料進入局部孔道，且膠體氧化鋁淤漿可用作蜂窩芯體上表皮粘結劑漿料的粘合材料，以形成蜂窩體。濾布包含多孔材料。

圖6B是從圖6A的5.7英寸(14.5cm)x6英寸(15.3cm)零件輪廓化且在100℃下干燥120分鐘之后的2英寸(5cm)蜂窩芯體的光學照片，其具有在纏繞的濾布頂部上的施加的表皮粘結劑材料。表皮粘結劑漿料良好地粘附到濾布。圖6C顯示在550℃下燒制60分鐘之后的圖6B的示例性樣品。纏繞的濾布被燒掉，且表皮粘結劑良好地粘附到蜂窩芯體。圖6D顯示在裁剪正面之后的圖6C的示例性樣品，從而顯示在施加表皮之后保留局部孔道通道。

圖7A是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的圖6C的蜂窩體的光學照片，所述蜂窩體包含不填充其局部孔道的在外部圓周上的表皮。圖7B是圖7A中所示的包含在外部圓周上不填充局部孔道的表皮的蜂窩體的更高放大倍數(shù)的光學照片。

圖8是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的用于根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的表皮化方法中的各種組成、網格尺寸和厚度的片材的光學照片。實施例“AA”是具有約360微米厚度相隔約1020-1100微米的小股的玻璃纖維篩網。實施例“BB”是具有約550微米厚度的相隔約920-1020微米中等股的玻璃纖維篩網。實施例“CC”是玻璃纖維布，其具有約190-200微米的厚度和約190-335微米的孔開口尺寸。實施例“DD”是尼龍纖維布，其具有約3150微米的大六連(hex)開口且具有約80微米的厚度。實施例“EE”是尼龍纖維布，其具有約544微米的小六連開口且具有約180微米的厚度。實施例“FF”是具有約250微米-約275微米厚度的綿纖維布，且實施例“GG”是具有約450-500微米厚度的聚酯布抹布。通過光學顯微鏡千分尺，來進行這些厚度測量。

對本領域的技術人員顯而易見的是，可以在不偏離本發(fā)明的精神或范圍的情況下對本發(fā)明進行各種修改和變化。因此，所附權利要求應涵蓋對本公開內容的這些修改和變動，只要這些修改和變動在所附權利要求及其等同方案的范圍之內。