СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ПОРИСТЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ И ИЗДЕЛИЯ, ИЗГОТОВЛЕННЫЕ ЭТИМ СПОСОБОМ Российский патент 2010 года по МПК C04B38/00 C04B41/85 C04B35/185 C04B35/565 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к улучшенным керамическим изделиям с высокой пористостью, пригодным для изготовления, например, фильтров.

Уровень техники

Пористая керамика используется в различных применениях, таких как фильтры и носители для катализатора. В последнее время более строгие стандарты выбросов частиц сгоревшего дизельного топлива предусматриваются в Соединенных Штатах и в Европе. Для достижения этих более строгих стандартов выброса частиц, как ожидается, станут необходимыми фильтры для частиц сгоревшего дизельного топлива.

Эти фильтры для частиц должны будут удовлетворять множеству противоречащих требований. Например, фильтр должен иметь достаточную пористость (как правило, пористость, большую, чем 55 процентов), в то же время, по-прежнему удерживая большую часть выбрасываемых частиц сгоревшего дизельного топлива микрометровых размеров (в целом с более чем 90 процентным захватом выбрасываемых частиц). Фильтр должен также обладать достаточной проницаемостью с тем, чтобы избыточное обратное давление не возникало слишком быстро, в то же время, по-прежнему, будучи способен нагружаться большим количеством сажи до регенерации. Фильтр должен противостоять коррозийной окружающей среде выхлопа в течение продолжительных периодов времени. Фильтр должен иметь начальную прочность для размещения в контейнере, прикрепленном к выхлопной системе.

Важнее всего, чтобы фильтр был способным противостоять термическому удару от быстрого нагрева и охлаждения, например, связанному с экспонированием для грязи при рабочей температуре и с выжиганием сажи для регенерации фильтра. По этим строгим критериям должен выбираться материал для керамических фильтров, для разработки фильтра для частиц сгоревшего дизельного топлива.

Ранее керамические фильтры из спеченного кордиерита исследовались в качестве возможных фильтров для частиц сгоревшего дизельного топлива. Кордиерит исследовался из-за его низкой стоимости и использования в качестве носителя для тройного катализатора в выхлопных системах автомобилей. К сожалению, кордиерит не продемонстрировал свойств высокой пористости, высокой проницаемости и высокой нагрузки сажи, в сочетании со стойкостью к термическому удару и неблагоприятной окружающей среде, возникающей во время регенерации и работы.

Позднее карбид кремния привлек интерес в качестве материала для фильтра, в связи с его высокой прочностью и высокой температурой плавления, по сравнению с кордиеритом. Однако карбид кремния, например, имеет тот недостаток, что спекается при высокой температуре, с использованием дорогостоящего мелкодисперсного порошка карбида кремния. Даже при этой улучшенной прочности фильтры для частиц сгоревшего дизельного топлива на основе SiC изготавливаются посредством цементирования сегментов из ячеистого (сотового) материала SiC вместе, для распределения термических напряжений, посредством осуществления преимущественного растрескивания в цементе, в противоположность самим сотам из SiC. Это цементирование приводит к увеличению сложности и представляет собой, в лучшем случае, компромиссное решение.

Для уменьшения термических напряжений, связанных с выжиганием сажи в фильтре, для уменьшения температуры, при которой выжигается сажа, должны использоваться катализаторы для сажи и протоколы работы двигателя. Даже в таком случае фильтры из SiC по-прежнему должны изготавливаться посредством цементирования вместе сегментов из ячеистого материала SiC, для распределения термических напряжений.

То, что необходимо, представляет собой фильтр, который имеет увеличенную прочность, в то же время имеющий, по меньшей мере, такую же, как раньше, или лучшую стойкость к термическому удару. Стойкость к термическому удару пропорциональна прочности изделия и обратно пропорциональна модулю упругости (то есть пропорциональна жесткости) и коэффициенту расширения. К сожалению простое увеличение прочности пористого изделия, как правило, увеличивает плотность (понижает пористость) и/или увеличивает модуль упругости, приводя, во многих случаях, к уменьшению стойкости, к термическому удару или к отсутствию ее улучшения.

Соответственно было бы желательным создание пористого керамического изделия и способа получения такого изделия, которое имеет, например, увеличенную прочность, в то же время, имея такую же или улучшенную стойкость к термическому удару, без существенного уменьшения пористости фильтра.

Сущность изобретения

Первый аспект настоящего изобретения представляет собой способ увеличения прочности пористого керамического изделия, включающий:

(a) воздействие источника бора на пористое керамическое изделие, состоящее из керамических зерен, по существу, химически связанных вместе,

(b) нагрев пористого изделия в содержащей кислород атмосфере до температуры, достаточной для образования пористого керамического изделия, имеющего увеличенную прочность.

Способ существенно увеличивает прочность пористого изделия без уменьшения пористости изделия. В дополнение к этому способ также делает возможным получения более прочного пористого изделия без одновременного увеличения его модуля упругости и уменьшения пористости, так что, неожиданно, изделие имеет улучшенную стойкость к термическому удару.

Второй аспект настоящего изобретения представляет собой пористое керамическое изделие, состоящее из керамических зерен, которые сплавлены вместе, где, по меньшей мере, на части керамических зерен имеется фаза оксидного стекла, содержащая бор.

Подробное описание изобретения

Способ по настоящему изобретению включает воздействие источника бора на пористое керамическое изделие, состоящее из керамических зерен, по существу, химически связанных вместе. "Зерна, по существу, химически связанные вместе," означает, что зерна керамики являются, по существу, сплавленными вместе посредством керамической фазы, такой как стекло, упорядоченная или неупорядоченная кристаллическая керамическая фаза или их сочетание. Как правило, керамическое изделие изготавливают посредством нагрева до температуры, достаточной для спекания зерен вместе, посредством твердотельной диффузии или формирования жидкой керамической фазы, которая сплавляет керамические зерна вместе.

Пористое керамическое изделие может представлять собой любую соответствующую керамику, такую как те, которые известны в данной области. Примеры керамики включают окись алюминия, окись циркония, карбид кремния, нитрид кремния и нитрид алюминия, оксинитрид кремния и карбонитрид кремния, муллит, кордиерит, бета-сподумен, титанат алюминия, силикаты стронция алюминия, силикаты лития алюминия. Предпочтительные пористые керамические изделия содержат карбид кремния, кордиерит и муллит или их сочетание. Карбид кремния предпочтительно представляет собой материал, описанный в патенте США № 6669751 B1 и в публикациях заявок на Международные патенты WO EP1142619 A1, WO 2002/070106 A1. Другие пригодные для использования пористые изделия описаны в заявках на Международные патенты WO 2004/011386 A1, WO 2004/011124 A1, в патенте США 2004/0020359 A1 и в заявке на Международный патент WO 2003/051488 A1.

Муллит предпочтительно представляет собой муллит, имеющий игольчатую микроструктуру. Примеры таких игольчатых керамических пористых изделий включают те, которые описаны в патентах США №№ 5194154; 5173349; 5198007; 5098455; 5340516; 6596665 и 6306335; в публикации заявки на патент США 2001/0038810; и в публикации PCT заявки на Международный патент WO 03/082773.

Пористое керамическое изделие, как правило, имеет пористость примерно от 30% до 85%. Предпочтительно пористое керамическое изделие имеет пористость, по меньшей мере, примерно от 40%, более предпочтительно, по меньшей мере, примерно от 45%, еще более предпочтительно, по меньшей мере, примерно от 50%, и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, примерно от 55%, предпочтительно, самое большее, примерно до 80%, более предпочтительно, самое большее, примерно до 75%, и наиболее предпочтительно, самое большее, примерно до 70%.

Источник бора может присутствовать в пористом керамическом изделии до нагрева постольку, поскольку бор способен диффундировать и образовывать фазу оксидного стекла, так что пористое изделие имеет увеличенную прочность, по сравнению с тем же изделием, без нагрева в содержащей кислород атмосфере. Как правило, пористое изделие подвергают воздействию источником бора либо во время нагрева на стадии (b), либо покрытие наносится на пористую керамику до нагрева на стадии (b). Если пористое керамическое изделие подвергают воздействию во время нагрева на стадии (b), источник бора должен быть достаточно летучим при этой температуре для увеличения прочности.

Предпочтительно источник бора наносится в виде покрытия на пористое керамическое изделие перед нагревом пористого изделия. Может использоваться любой пригодный для использования способ нанесения покрытия на пористое керамическое изделие, такое как известные способы осаждения из газовой фазы, нанесения покрытия из раствора или суспензии. Особенно предпочтительным является использование способа нанесения покрытия, при котором пористое керамическое изделие покрывается однородно. Например, источник бора растворяют в жидкости, раствор вводится в пористое керамическое изделие и источник бора осаждается посредством известного способа, такого как изменение pH, температуры или добавление соли. В предпочтительном варианте осуществления источник бора также предусматривается отдельно, во время нагрева пористых изделий с нанесенным ранее покрытием, с источником бора.

Примеры способов нанесения включают способы, описанные в патентах США №№ 4515758; 4740360; 5013705; 5063192; 5130109; 5254519; 5993762; и в публикациях заявок на патенты США 2002/0044897; 2002/0197191 и 2003/0124037; в публикациях заявок на Международные патенты WO 97/00119; WO 99/12642; WO 00/62923; WO 01/02083 и WO 03/011437 и в патенте Великобритании № 1119180.

После осаждения источника бора из жидкости на пористое керамическое изделие избыток оставшейся жидкости осушают. Эта сушка может осуществляться при температуре окружающей среды или при температуре примерно до 400°C. Время может представлять собой любое практическое время в пределах от нескольких секунд до дней. Способ нагрева может представлять собой любой пригодный для использования способ, такой как те, которые известны в данной области. Примеры включают печи с использованием сопротивления, индукции, микроволнового нагрева или их сочетание.

Источник бора может представлять собой любой пригодный для использования источник, который способен к формированию фазы оксидного стекла, содержащей бор при температуре стадии нагрева. Примеры источников бора включают оксид бора, борную кислоту, органические бораты (например, триметилборат, трифенилборат, триэтилборат), карбид бора, нитрид бора, o-карборан, аммоний пентаборат, аммоний тетрафенил борат, бориды металлов (например, диборид титана, гексаборид кальция, гексаборид кремния, бориды редкоземельных металлов и бориды алюминия), бораты металлов (например, борат кальция, борат магния, борат натрия и бораты редкоземельных металлов) или их сочетания. Предпочтительно источник бора представляет собой карбид бора, оксид бора, борную кислоту, органический борат или их сочетание. Более предпочтительно источник бора представляет собой оксид бора, борную кислоту или их сочетание.

Если источник бора должен предусматриваться отдельно, во время нагрева пористых керамических изделий, источник бора предпочтительно находится в форме порошка в огнеупорном контейнере, внутри печи. Когда источник бора создается как таковой, он предпочтительно представляет собой борную кислоту, оксид бора, карбид бора или их сочетание.

Количество источника бора может представлять собой любое количество постольку, поскольку имеется достаточное количество для получения оксидного стекла, содержащего бор, так что прочность увеличивается, но не настолько, чтобы пористость пористого керамического изделия значительно уменьшалась (то есть пористость уменьшается не более, например, чем от 65% пористости до 60% пористости). Здесь пористость обозначает то количество изделия, которое представляет собой поры по объему. Как правило, количество источника бора, воздействию которого подвергается пористое керамическое изделие, представляет собой количество, которое увеличивает количество бора, по меньшей мере, на 0,1% масс внутри пористого керамического изделия. Предпочтительно количество бора, присутствующего в пористом керамическом изделии, увеличивается на 0,5%, более предпочтительно, по меньшей мере, примерно от 2%, а наиболее предпочтительно, по меньшей мере, примерно от 4% предпочтительно, самое большее, примерно до 20%, более предпочтительно, самое большее, примерно до 10%, наиболее предпочтительно, самое большее, примерно до 6% масс от пористого керамического изделия.

Для получения пористого керамического изделия, имеющего увеличенную прочность, пористое керамическое изделие нагревается в содержащей кислород атмосфере до достаточной температуры и в течение времени, достаточного для создания фазы оксидного стекла, содержащей бор, по меньшей мере, на части керамических зерен. Как правило, температура равна, по меньшей мере, от 900°C самое большее, примерно до 1500°C. Предпочтительно температура равна, по меньшей мере, примерно от 950°C, более предпочтительно, по меньшей мере, примерно от 1000°C, а наиболее предпочтительно, по меньшей мере, примерно от 1050°C, предпочтительно, самое большее, примерно до 1450°C, более предпочтительно, самое большее, примерно до 1400°C, а наиболее предпочтительно, самое большее, примерно до 1350°C.

Время при температуре нагрева может представлять собой любое практичное время, такое как от нескольких минут до нескольких дней. Как правило, время составляет, по меньшей мере, примерно от 10 минут, более предпочтительно, по меньшей мере, примерно от 20 минут, еще более предпочтительно, по меньшей мере, примерно от 30 минут, а наиболее предпочтительно, по меньшей мере, примерно от 1 часа, предпочтительно, самое большее, примерно до 2 дней, более предпочтительно, самое большее, примерно до 1 дня, еще более предпочтительно, самое большее, примерно до 8 часов, а наиболее предпочтительно, самое большее, примерно до 4 часов.

Атмосфера во время нагрева должна содержать достаточное количество кислорода с тем, чтобы образовывалась фаза оксидного стекла, содержащая бор. Например, статичные атмосферы, где кислород в атмосфере возникает из источника бора или пористого керамического изделия, могут быть достаточными. Предпочтительно атмосфера представляет собой кислород, смешанный с одним или несколькими газами, которые, по существу, не способны взаимодействовать с пористым керамическим изделием или источником бора, такими как азот и инертные газы (например, благородные газы). В предпочтительном варианте осуществления атмосфера представляет собой воздух. Давление газа может представлять собой любое пригодное для использования давление, но повышенные давления не являются необходимыми, и атмосферное давление является предпочтительным.

В дополнение к источнику бора пористое керамическое изделие может подвергаться воздействию одному или нескольким вторым соединениям для дополнительного улучшения прочности, стойкость к термическому удару или другого свойства, такого как кислотостойкость. Примеры вторых соединений включают соединения, которые образуют один или несколько редкоземельных металлов ZrO₂, SnO₂, SiC, Si₃N₄, SiO₂, Al₂O₃ или их сочетание. Преимущественно второе соединение представляет собой соединение редкоземельного элемента, который может добавляться вместе с другим соединением, которое включается в оксидное стекло, содержащее бор, при нагреве пористого керамического изделия. Предпочтительно второе соединение представляет собой SiC, ZrO₂, SiO₂, SnO₂, SiSN₄ или их сочетание. Более предпочтительно второе соединение представляет собой SiC, SiO₂, Si₃N₄ или их сочетание.

Способ по настоящему изобретению приводит к получению пористого керамического изделия, состоящего из керамических зерен, которые сплавлены вместе, где, по меньшей мере, на части керамических зерен имеется фаза оксидного стекла, содержащая бор. Фаза оксидного стекла содержит элементы иные, чем кислород и бор. Эти другие элементы могут происходить из керамического пористого изделия (например, оксид кремния или алюминий из изделия из муллита), примесей внутри керамического пористого изделия (например, примеси из глины, оксид кремния или оксид алюминия, используемые при образовании муллита) или вторых соединений, описанных выше. Источник бора, как предполагается, взаимодействует с поверхностями зерен или граничными фазами стекла пористого керамического изделия, так что он заживляет центры образования трещин, которые уменьшают прочность изделия. Он может также иметь некоторые другие неизвестные эффекты.

Как правило, количество фазы оксидного стекла, содержащего бор, присутствует в пористом керамическом изделии в некотором количестве, то есть примерно от 3%, самое большее, примерно до 40% от массы пористого керамического изделия. Предпочтительно количество фазы стекла равно, по меньшей мере, примерно от 5%, а более предпочтительно, по меньшей мере, примерно от 8%, предпочтительно, самое большее, примерно до 30%, более предпочтительно, примерно до 20%, а наиболее предпочтительно, самое большее, примерно до 15% от массы пористого керамического изделия. Количество фазы стекла может определяться посредством известных методик, таких как электронная микроскопия.

Поскольку сложно детектировать количество бора с помощью методик электронной микроскопии, в частности, при низких концентрациях, и такое детектирование зависит от материала, который анализируют, количество бора может определяться посредством вываривания в кислоте. Это может потребовать, например, измельчения и окисления части не-оксидного пористого изделия перед вывариванием в кислоте. Количество бора может определяться с использованием ядерного магнитного резонанса. Как правило, количество бора в пористом керамическом изделии составляет примерно от 0,1% примерно до 25% масс от пористого изделия. Предпочтительно количество бора составляет, по меньшей мере, примерно от 0,5%, более предпочтительно, по меньшей мере, примерно от 1%, а наиболее предпочтительно, по меньшей мере, примерно от 1,5%, предпочтительно, самое большее, примерно до 20%, более предпочтительно, самое большее, примерно до 15%, наиболее предпочтительно, самое большее, примерно до 10% от массы пористого керамического изделия.

Как правило, прочность пористого керамического изделия по настоящему изобретению является, по меньшей мере, примерно на 10% большей, чем у такого же пористого изделия, которое не может иметь фазу стекла, содержащую бор. Предпочтительно, прочность является, по меньшей мере, примерно на 20%, более предпочтительно, по меньшей мере, примерно на 40%, а наиболее предпочтительно, по меньшей мере, примерно на 60% большей, чем прочность у такого же пористого изделия, которое не содержит фазу стекла, содержащую бор.

Способ, в дополнение к увеличению прочности, неожиданно, также преимущественно приводит к получению пористого керамического изделия, имеющего улучшенную стойкость к термическому удару. Стойкость к термическому удару может вычисляться посредством коэффициента релаксации термических напряжений (TSF), который дается уравнением

TSF = MOR/(E·α),

где MOR представляет собой модуль разрушения, приведенный в (Па), E представляет собой модуль упругости, приведенный в (Па), и α представляет собой линейный коэффициент теплового расширения, приведенный в (1/°C). Этот фактор имеет размерность градусов °C, где чем больше значение, тем больше стойкость к термическому удару.

Как правило, коэффициент релаксации термических напряжений пористых керамических изделий по настоящему изобретению является, по меньшей мере, примерно на 10% больше, чем у такого же пористого изделия, которое не содержит фазу стекла, содержащую бор. Предпочтительно коэффициент релаксации термических напряжений, по меньшей мере, примерно на 20%, более предпочтительно, по меньшей мере, примерно на 30%, а наиболее предпочтительно, по меньшей мере, примерно на 40% больше, чем коэффициент релаксации термических напряжений у такого же пористого изделия, которое не содержит фазу стекла, содержащую бор.

Даже если фаза оксидного стекла, содержащая бор, может находиться только на части керамических зерен пористого керамического изделия, является предпочтительным, чтобы она однородно распределялась внутри пористого керамического изделия. На части керамических зерен, как правило, обозначает, что, по меньшей мере, примерно 10% зерен имеют некоторое количество фазы оксидного стекла, содержащего бор. Предпочтительно, по меньшей мере, примерно 50%, более предпочтительно, по меньшей мере, примерно 75%, еще более предпочтительно, по меньшей мере, примерно 90%, а наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 95% зерен имеют на себе некоторое количество фазы оксидного стекла, содержащей бор.

Пористые керамические изделия по настоящему изобретению являются особенно пригодными в качестве ловушки для частиц (сажи) и катализатора окисления (то есть выхлопа) для применений в энергетике средств передвижения (например, в дизельных двигателях) и в применениях для стационарной энергетики (например, в резервных энергетических установках). Пористые керамические изделия, когда используются в качестве ловушки для частиц сгоревшего дизельного топлива, могут иметь, по меньшей мере, часть керамических зерен с нанесенным покрытием из катализатора. Разумеется, пористое керамическое изделие может быть пригодным для использования в качестве ловушки для сажи само по себе, без какого-либо катализатора.

ПРИМЕРЫ

Примеры 1-5

Образцы в виде брусков для исследования прочности на изгиб, 2 ячейки на 5 ячеек по 40-75 мм, вырезают из ячеистого (сотового) материала из игольчатого муллита, номинально, 175 cpsi (ячеек на квадратный дюйм), который получают таким же способом, как описано в примере 4 WO 03/082773 A1. Ячеистый материал после формирования также подвергают термической обработке при 1400°С в течение 2 часов, как описано в примере 4 WO 03/082773 A1. Наборы из 4-6 брусков пропитывают при 90°С водным раствором В₂O₃, в пределах от 4% до 10 мас.%. Избыток раствора выдувают из каналов, и детали охлаждают до 0°С перед сушкой при комнатной температуре в потоке сухого азота. После сушки бруски нагревают на воздухе при 1400°С в течение 2 часов в поддоне из окиси алюминия с крышкой. Один набор обрабатывают дважды. Набор из 23 брусков оставляют без обработки и упоминают здесь как сравнительный пример 1. Результаты этих примеров приведены в таблице 1.

Таблица 1 Пример % увеличения массы Прочность, МПа TSF, °C Количество разрушившихся брусков Сравн. пр. 1 N/A 24,6 269 23 Пример 1 2,5 34,9 326 5 Пример 2 3,5 41,8 382 4 Пример 3 4,5 37,8 344 6 Пример 4 6,7 40,9 351 6 Пример 5^d 8,6 39,6 332 5

TSF = Коэффициент релаксации термических напряжений

N/A = не применяют

(d) = двойное нанесение B₂O₃.

Пример 6 B₂O₃ на ячеистом материале из игольчатого муллита (однородно)

Для создания однородного покрытия из B₂O₃ на ячеистом (сотовом) материале стенки сот из игольчатого муллита диаметром 5,66 дюйма × длиной 6 дюйм, номинально 175 cpsi, изготовленного таким же образом, как описано выше, заполняют при 90°C водным раствором 8 мас.% B₂O₃. Ячеистый материал помещают в изолированный сосуд и охлаждают до 1°C, когда его медленно сушат в течение периода 14 дней в медленном потоке сухого N₂. Затем высушенную деталь нагревают на воздухе при 1400°C в течение 2 часов. Общая масса увеличивается на 4%.

Исследование термических напряжений для ячеистого материала осуществляют посредством помещения детали в предварительно нагретой печи, давая ей возможность для термического уравновешивания, затем, удаляя из печи и позволяя ей охладиться в условиях окружающей среды, при последовательном увеличении температуры до ее механического разрушения (то есть ячеистый материал растрескивается наблюдаемым образом). Разрушение детали происходит на втором цикле при 390°C. Бруски для механических исследований, вырезанные из наружной четверти и сердцевины ячеистого материала, дают статистически эквивалентные средние значения для прочности и коэффициента релаксации термических напряжений, 56,1 МПа и 338°C и 55,4 МПа и 328°C соответственно.

Пример 7 B₂O₃ на ячеистом материале из игольчатого муллита (неоднородно)

Ячеистый материал, имеющий неоднородное покрытие из B₂O₃, получают следующим образом. Стенки сот из игольчатого муллита диаметром 5,66 дюйм x длиной 6 дюйм, номинально, 175 cpsi, изготовленных таким же образом, как описано выше, заполняют при 90°C водным раствором 8 мас.% B₂O₃. Пропитанный ячеистый материал сушат при 110°C в печи. Затем высушенную деталь нагревают на воздухе до 1400°C в течение 2 часов. Масса увеличивается на 4%. Разрушение детали происходит при исследованиях термических напряжений во время второго цикла при 390°C. Бруски для механических исследований, вырезанные из наружной четверти и сердцевины ячеистого материала, показывают средние значения прочности и коэффициента релаксации термических напряжений 56,1 МПа и 314°C, и 31,6 МПа и 209°C соответственно. Более низкие значения прочности и коэффициента релаксации термических напряжений для внутренних брусков приписываются впитыванию раствора B₂O₃ в наружной части ячеистого материала во время сушки, таким образом оставляя меньше B₂O₃ во внутренних брусках.

Пример 8 B₂O₃ на игольчатом муллите, легированным Ce

В этом примере используют ячеистый материал из игольчатого муллита, легированных оксидом церия (4 мас.% CeO₂), номинально, 175 cpsi. Легированный оксидом церия ячеистый материал изготавливают таким же способом, как описано в примере 4 WO 03/082773 A1, за исключением того, что в экструзионную смесь добавляют количество ацетата церия (III), достаточное для получения игольчатого муллита с содержанием CeO₂ 4 мас.%. Бруски для исследования прочности на изгиб изготавливают таким же способом, как описано для примеров 1-5, где водный раствор B₂O₃ 8 мас.% используют для обработки брусков для исследования прочности на изгиб. После нагрева до 1400°C в течение 2 часов масса брусков увеличивается на 2,9%. Эти бруски, обработанные B₂O₃, имеют средние значения прочности 64,0 МПа и средний TSF 344°C, в то время как необработанные бруски из того же ячеистого материала (то есть из сравнительного примера 2) имеют средние значения прочности 39,9 МПа и средний TSF 240°C.

Пример 9 Игольчатый муллит, обработанный B₂O₃ и Nd₂O₃

Образцы в виде брусков для исследования прочности на изгиб получают и обрабатывают, как описано в примерах 1-5, за исключением того, что водный раствор, содержащий 8 мас.% B₂O₃ и 6 мас.% Nd(NO₃)₃·6H₂O, используют для пропитки. Увеличение массы, измеренное после термической обработки при 1400°C в течение 2 часов, составляет 7,1%. Бруски имеют среднюю прочность 36,0 МПа и средний TSF 340°C. Бруски, которые не обрабатывали, из того же ячеистого материала (то есть сравнительный пример 3) имеют среднюю прочность 22,6 МПа и средний TSF 266°C.

Пример 10 B₂O₃ на SiC

Образцы в виде брусков для исследования прочности на изгиб получают и обрабатывают, как описано для примеров 1-5, за исключением того, что используют фильтр для частиц сгоревшего дизельного топлива, из карбида кремния, номинально, 200 cpsi, доступный от Ibiden Co., LTD, Ogaki-shi, Japan и водный раствор 8 мас.% B₂O₃. Бруски, обработанные B₂O₃, имеют среднюю прочность 90,6 МПа и средний TSF 176°C, в то время как необработанные бруски из того же ячеистого материала (сравнительный пример 4) имеют среднюю прочность 59,8 МПа и средний TSF 128°C.

Пример 11 B₂O₃ на кордиерите

Образцы в виде брусков для исследования прочности на изгиб получают и обрабатывают, как описано для примеров 1-5, за исключением того, что используют фильтр для частиц сгоревшего дизельного топлива, из кордиерита, номинально 200 cpsi (Corning Incorporated, Corning, NY), и водный раствор 10 мас.% B₂O₃. Бруски, обработанные B₂O₃, имеют среднюю прочность 17,8 МПа и средний TSF 703°C, в то время как необработанные бруски (сравнительный пример 5) из того же ячеистого материала имеют среднюю прочность 9,2 МПа и средний TSF 671°C.

Пример 12 B₂O₃ и SiC на игольчатом муллите

Бруски для исследования прочности на изгиб получают, как описано для примеров 1-5, и наносят на них покрытие из полимерного предшественника SiC (аллилгидридополикарбосилана) (Starfire Systems Inc., Watervliet, NY, SP-Matrix Polymer) посредством погружения каждого бруска в предшественник, сдувания избытка, затем сушки при 110°C. Высушенные бруски медленно нагревают в атмосфере азота до 1000°C в течение одного часа, затем охлаждают при 5°C/мин до комнатной температуры. Способ приводит к получению покрытия из SiC, с которым масса брусков, каждого, увеличивается примерно на 8%. Затем бруски с покрытием из SiC пропитывают при 90°C, водным раствором 8 мас.% B₂O₃, охлаждают, сушат и подвергают термической обработке на воздухе, как описано для примеров 1-5. Общая масса брусков увеличивается примерно на 11,6%, после обработки SiC и B₂O₃. Бруски имеют среднюю прочность 58,3 МПа и средний TSF 314°C.

Изобретение относится к упрочненным керамическим изделиям с высокой пористостью, пригодным для изготовления фильтров. Пористое керамическое изделие формируется посредством воздействия источника бора на спеченное пористое керамическое изделие и нагрева его до достаточной температуры в содержащей кислород атмосфере. Указанное спеченное изделие представляет собой оксид алюминия, оксид циркония, карбид кремния, нитрид кремния, муллит, кордиерит, бета-сподумен, титанат алюминия и т.п. керамику. После обработки источником бора пористое керамическое изделие имеет фазу оксидного стекла, содержащую бор, по меньшей мере, на части керамических зерен, и имеет прочность по крайней мере на 10% больше и коэффициент релаксации термических напряжений по крайней мере на 20% больше, чем у сходного керамического изделия при отсутствии фазы оксидного стекла, содержащего бор. 3 н. и 25 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ увеличения прочности пористого керамического изделия, включающий:
(a) воздействие источника бора на пористое керамическое изделие, состоящее из керамических зерен, по существу химически связанных вместе,
(b) нагрев пористого изделия в содержащей кислород атмосфере до температуры, достаточной для формирования пористого керамического изделия, имеющего увеличенную прочность, где по меньшей мере на части керамических зерен, сплавленных между собой, имеется фаза оксидного стекла, содержащая бор, так что пористое керамическое изделие имеет прочность, которая по крайней мере на 10% больше, чем у сходного пористого керамического изделия, где нет фазы оксидного стекла, содержащей бор,
причем пористое керамическое изделие представляет собой окись алюминия, окись циркония, карбид кремния, нитрид кремния, нитрид алюминия, оксинитрид кремния, карбонитрид кремния, муллит, кордиерит, бета-сподумен, титанат алюминия, силикаты стронция алюминия, силикаты лития алюминия или их сочетания.

2. Способ по п.1, в котором пористое керамическое изделие подвергают воздействию источником бора посредством пропитки жидкостью, содержащей растворенный в ней источник бора, и удаления жидкости, так что источник бора осаждается по меньшей мере на части керамических зерен пористого керамического изделия.

3. Способ по п.2, в котором источник бора осаждается из жидкости, и жидкость впоследствии удаляется.

4. Способ по п.3, в котором источник бора осаждается посредством изменения рН, температуры или их сочетания.

5. Способ по п.1, в котором источник бора представляет собой оксид бора, борную кислоту, органический борат, карбид бора, нитрид бора, о-карборан, аммоний пентаборат, аммоний тетрафенил борат, борид металла, борат металла или их сочетание.

6. Способ по п.5, в котором источник бора представляет собой карбид бора, оксид бора, борную кислоту, органический борат или их сочетание.

7. Способ по п.1, в котором пористое керамическое изделие подвергают воздействию источником бора посредством нагрева, одновременно, предусматриваемого отдельно источника бора вместе с пористым керамическим изделием.

8. Способ по п.1, в котором нагрев осуществляется на воздухе.

9. Способ по п.1, в котором нагрев осуществляется до температуры по меньшей мере примерно от 1000°С, самое большее, примерно до 1450°С.

10. Способ по п.1, в котором пористое керамическое изделие представляет собой нитрид кремния, титанат алюминия, карбид кремния, кордиерит и муллит или их сочетание.

11. Способ по п.10, в котором пористое керамическое изделие представляет собой карбид кремния, кордиерит и муллит или их сочетание.

12. Способ по п.11, в котором пористое керамическое изделие представляет собой муллит.

13. Способ по п.12, в котором пористое керамическое изделие представляет собой игольчатый муллит.

14. Способ по п.1, в котором пористое керамическое изделие представляет собой фильтр для частиц сгоревшего дизельного топлива.

15. Пористое керамическое изделие, состоящее из керамических зерен, которые сплавлены вместе, в котором по меньшей мере на части керамических зерен имеется фаза оксидного стекла, содержащая бор, так что пористое керамическое изделие имеет прочность, которая по меньшей мере на 10% больше, чем у сходного пористого керамического изделия, где нет фазы оксидного стекла, содержащей бор, причем пористое керамическое изделие представляет собой окись алюминия, окись циркония, карбид кремния, нитрид кремния, нитрид алюминия, оксинитрид кремния, карбонитрид кремния, муллит, кордиерит, бета-сподумен, титанат алюминия, силикаты стронция алюминия, силикаты лития алюминия или их сочетания.

16. Пористое керамическое изделие по п.15, в котором пористое керамическое изделие представляет собой муллит, карбид кремния, кордиерит, титанат алюминия или их сочетание.

17. Пористое керамическое изделие по п.16, в котором керамическое изделие представляет собой муллит или карбид кремния.

18. Пористое керамическое изделие по п.17, в котором пористое керамическое изделие представляет собой муллит.

19. Пористое керамическое изделие по п.18, в котором керамическое изделие представляет собой игольчатый муллит.

20. Пористое керамическое изделие по п.15, в котором фаза оксидного стекла, содержащая бор, состоит из редкоземельного металла, Zr, Hf, Sn, Si, N, С, Аl или их сочетания.

21. Пористое керамическое изделие по п.20, в котором фаза оксидного стекла, содержащая бор, состоит из Nd, Се, Zr, Sn, Si, N, С, Аl или их сочетания.

22. Пористое керамическое изделие по п.15, в котором пористое керамическое изделие имеет коэффициент релаксации термических напряжений, который по меньшей мере примерно на 20% больше, чем у сходного пористого керамического изделия, у которого нет фазы оксидного стекла, содержащей бор.

23. Пористое керамическое изделие по п.15, в котором пористое керамическое изделие содержит бор в количестве по меньшей мере примерно 0,01 мас.% от пористого керамического изделия.

24. Пористое керамическое изделие по п.23, в котором пористое керамическое изделие представляет собой муллит.

25. Фильтр, состоящий из пористого керамического изделия по п.15.

26. Фильтр по п.25, в котором фильтр представляет собой фильтр для частиц сгоревшего дизельного топлива.

27. Фильтр по п.26, в котором фильтр имеет на себе катализатор.

28. Пористое керамическое изделие по п.15, в котором пористое керамическое изделие имеет коэффициент релаксации термических напряжений, который по меньшей мере примерно на 10% больше, чем у сходного пористого керамического изделия, у которого нет фазы оксидного стекла, содержащей бор.