蜂窝过滤体以及包含蜂窝过滤体的微粒过滤器的制作方法

蜂窝过滤体以及包含蜂窝过滤体的微粒过滤器
1.背景
2.本技术根据35 u.s.c.
§
119，要求2019年5月8日提交的第62/845,070号美国临时申请的优先权权益，其内容通过引用全文纳入本文。
技术领域
3.本说明书涉及蜂窝过滤体，包含蜂窝过滤体的微粒过滤器，以及制造所述蜂窝过滤体和微粒过滤器的方法。


背景技术：

4.壁流式陶瓷过滤器用于从流体排放物流移除微粒，例如，从内燃机排气中移除微粒。实例包括用于从柴油机排气中移除微粒的陶瓷烟炱过滤器，以及用于从汽油机排气中移除微粒的汽油机微粒过滤器(gpf)。对于壁流式过滤器，待过滤的排气进入进口孔道并穿过孔道壁，以经由出口通道离开过滤器，其中，随着气体穿过并接着离开过滤器，微粒被捕获在进口孔道壁之上或之内。微粒可以包含烟炱和/或烟灰。在长时间暴露于发动机排气后，在过滤器内通常可发生烟灰和/或烟炱的积聚。
5.不断地需要改进发动机排气系统的微粒过滤器，例如，汽油微粒过滤器的fe并实现更低的压降。


技术实现要素：

6.在一个方面中，一种蜂窝过滤体包括：清洁过滤器压降(p1)和清洁过滤效率(fe1)；多孔陶瓷蜂窝体，其包括第一端，第二端，以及多个壁，所述多个壁具有限定了多个内通道的壁表面，所述多孔陶瓷蜂窝体包括基础清洁过滤器压降(p0)和基础清洁过滤效率(fe0)；以及设置在多孔陶瓷蜂窝体的一个或多个壁表面上的多孔无机层；其中，蜂窝过滤体的总体性能参数定义为“x”，其根据式(i)来定义：
[0007][0008]
过滤性能定义为“f”，其根据式(ii)来定义：
[0009]
并且
[0010]
x大于或等于1.75，且f大于或等于0.25。
[0011]
在另一个方面中，一种蜂窝过滤体包括：多孔陶瓷蜂窝体，其包括第一端，第二端，以及多个壁，所述多个壁具有限定了多个内通道的壁表面；设置在多孔陶瓷蜂窝体的一个或多个壁表面上的多孔无机层，所述多孔无机层包括平均孔隙率(ε)，以微米计的平均粒度(d
p
)，以及厚度t
m
；其中，多孔无机层的形貌参数定义为“y”，其根据式(iv)来定义：
[0012]
并且
[0013]
y大于或等于0.02。
[0014]
另外的方面包括用于向蜂窝过滤体施加无机材料的方法。
[0015]
在以下的具体实施方式中给出了另外的特征和优点，其中的部分特征和优点对于本领域的技术人员而言通过所作描述是显而易见的，或者通过实施本文所述的实施方式，包括以下的具体实施方式、权利要求书以及附图在内的本文所描述的实施方式而被认识。
[0016]
应理解，前述的一般性描述和下文的具体实施方式都描述了各个实施方式且都旨在提供用于理解所要求保护的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对各个实施方式的进一步理解，附图并入本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了本文所描述的各个实施方式，并且与说明书一起用于解释所要求保护的主题的原理和操作。
附图说明
[0017]
图1根据本文公开和所述的实施方式，示意性描绘了蜂窝过滤体；
[0018]
图2根据本文公开和所述的实施方式，示意性描绘了具有烟炱负载的蜂窝过滤体；
[0019]
图3根据本文公开和所述的实施方式，示意性描绘了微粒过滤器；
[0020]
图4是图4所示的微粒过滤器的截面图；
[0021]
图5是根据一个或多个实施方式，示出了用于测试微粒过滤器的实验设置的示意图；
[0022]
图6
‑
7是实施方式的过滤效率与压降增加的关系的图表；
[0023]
图8
‑
9是实施方式的参数“x”与压降增加的关系的图表；
[0024]
图10是实施方式的参数“x”与参数“y”增加的关系的图表；并且
[0025]
图11
‑
12是实施方式的过滤效率与压降增加的关系的图表。
具体实施方式
[0026]
现将详细论述蜂窝过滤体的实施方式，所述蜂窝过滤体包括多孔蜂窝体，并且在多孔蜂窝体上具有多孔无机层，它们的实施方式在附图中例示。只要可能，在附图中使用相同的附图标记表示相同或相似的部分。在一些实施方式中，蜂窝过滤体包括多孔陶瓷蜂窝体，其包括第一端、第二端和多个壁，所述多个壁具有限定了多个内通道的壁表面；以及包括设置在蜂窝体的一个或多个壁表面上的多孔无机层。蜂窝过滤体具有清洁过滤器压降(p1)和清洁过滤效率(fe1)。不包括多孔无机层的多孔陶瓷蜂窝体具有基础清洁过滤器压降(p0)和基础清洁过滤效率(fe0)。多孔无机层包括平均孔隙率(ε)，以微米计的平均粒度(d
p
)和厚度(t
m
)。本文提到的“清洁”压降和“清洁”过滤效率意为在蜂窝过滤体或多孔陶瓷蜂窝体中未捕获任何烟炱或排气微粒的情况下，在相应的蜂窝过滤体或多孔陶瓷蜂窝体上进行的分析。
[0027]
本文的蜂窝过滤体拥有以下单独的一个或多个参数或参数组合：
[0028]
定义为“x”的蜂窝过滤体的总体性能参数，其根据式(i)来定义：
[0029][0030]
其中，x大于或等于1.75；
[0031]
定义为“f”的蜂窝过滤体的过滤性能，其根据式(ii)来定义：
[0032][0033]
其中，f大于或等于0.25；
[0034]
定义为“p”的压降性能，其根据式(iii)来定义：
[0035][0036]
其中，p小于或等于0.25；以及
[0037]
定义为“y”的多孔无机层的形貌参数，其根据式(iv)来定义：
[0038][0039]
其中，y大于或等于0.02。
[0040]
在各个实施方式中，堇青石蜂窝整料结构可用于gpf。可向堇青石蜂窝整料结构的壁施加人工膜或无机多孔层。所述层防止烟炱渗透进入到壁中，从而消除或减少因为深床烟炱渗透而导致的压降增加。所述层通过使其自身用作有效的过滤介质而使得过滤器的过滤效率性能提高。然而，由于减小了通道的水力直径和/或由于减小了过滤器的有效长度(部分膜层在进口通道的后端处形成塞物所致)，这些层可增加过滤器上的压降。优选地，所述层使得过滤效率性能增加，而因为层导致的压降损失有小的增加。在一些实施方式中，这些层仅部分覆盖通道长度。本文的蜂窝过滤体展现出高的过滤效率(尤其是在清洁或极低烟炱或烟灰负载时)，以及在该高的过滤效率下的低的压降。
[0041]
本文将具体参考附图描述蜂窝过滤体及制造所述蜂窝过滤体的方法的各个实施方式。在一些实施方式中，提供了一种微粒过滤器，所述微粒过滤器包括蜂窝体，所述蜂窝体包括堵塞的多孔陶瓷蜂窝结构，其包括多个相交的多孔壁，所述多孔壁包括多孔壁表面，该多孔壁表面限定了从结构的进口端延伸到出口端的多个通道，所述多个通道包括在出口端处或附近密封并且具有表面积的进口通道，以及在进口端处或附近密封并且具有表面积的出口通道，所述进口通道和出口通道限定了过滤区域，其中，限定了进口通道的一个或多个多孔壁表面包括基底壁部分和设置在基底壁部分上的过滤材料沉积物，其中，过滤材料沉积物被设置在基底壁部分上。
[0042]
在一些实施方式中，过滤材料沉积物优选是机械稳定的，例如，抗变位或重排，例如，由于高的气体流量通过微粒过滤器的堵塞的蜂窝结构，和/或由于机械振动所致。在一个或多个实施方式中，当暴露于水时，过渡材料沉积物是稳定的，因此，沉积物维持它们在孔道壁上的定位或位置。换言之，根据一些实施方式，过滤材料沉积物结合到多孔陶瓷基底
壁。在一些实施方式中，沉积物是化学结合的，而不仅通过物理结合来结合。例如，在一些实施方式中，火焰裂解过滤材料沉积物熔合或烧结到多孔陶瓷基底壁。此外，在一些实施方式中，火焰裂解过滤材料沉积物彼此熔合或烧结以形成多孔无机材料层。
[0043]
在本说明书和所附权利要求书中所用的单数形式“一个”、“一种”和“该”包括具有多个所指对象的实施方式，除非文中有明确的相反表示。如本说明书和所附权利要求书所用，术语“或”一般在其包括“和/或”的含义上使用，除非文中有明确的相反表示。
[0044]
如在本文中所使用的，“具有”、“具备”、“含有”、“包括”、“包含”等以其开放含义使用，通常表示“包括但不限于”。
[0045]
本文所指的“蜂窝体”包括具有相交壁的具备形状的陶瓷蜂窝结构或基体，所述相交壁形成孔道，所述孔道限定了通道。陶瓷蜂窝结构可以是通过成形、挤出或模制的，并且可以为任何形状或尺寸。例如，陶瓷蜂窝结构可以由堇青石或其他合适的陶瓷材料形成。
[0046]
本文所指的蜂窝体也可以指具备形状的陶瓷蜂窝结构，其具有表面处理物，例如至少一个层，该表面处理物被施加于蜂窝结构的壁表面，并且被构造成过滤气流中的微粒物质。可以具有施加于蜂窝结构的相同位置的不止一个层。表面处理物(例如层)可以是无机或有机的，或者二者兼而有之。例如，在一个或多个实施方式中，蜂窝体可以由堇青石或其他陶瓷材料形成，并且具有施加于堇青石蜂窝结构的表面的多孔无机层。该层可以是“过滤材料”，其用于提供增强的过滤效率，该增强的过滤效率既是就局部通过壁和壁处而言也是就通过整个蜂窝体而言。过滤材料不被认为具有催化活性，因为其不与排气流的气态混合物中的组分反应。
[0047]
除非另外规定，否则如本文所使用的“生坯”或“生坯陶瓷”可互换使用，并且指未经烧结的材料。
[0048]
一个或多个实施方式的蜂窝体可以包括蜂窝结构和设置在蜂窝结构的一个或多个壁上的层。在一些实施方式中，层被施加于蜂窝结构内所存在的壁表面，其中，所述壁具有限定了多个内通道的表面。当存在时，内通道可以具有各种截面形状，例如，圆形、卵形、三角形、正方形、五边形、六边形或者这些中的任何形状的棋盘式组合，并且例如可以以任何合适的几何构造来布置。当存在时，内通道可以是离散或相交的，并且可以从蜂窝体的第一端延伸穿过蜂窝体而到达蜂窝体的第二端，所述第二端与第一端相对。
[0049]
现在参考图1，其示出了根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的蜂窝体100。在实施方式中，蜂窝体100可以包括多个壁115，其限定了多个内通道110。该多个内通道110和相交的通道壁115在蜂窝体的第一端105与第二端135之间延伸。蜂窝体的一个或多个通道可以在第一端105和第二端135中的一者或两者上堵塞。蜂窝体的堵塞通道的图案不作限制。在一些实施方式中，在蜂窝体的一端处的堵塞和未堵塞的通道图案例如可以是棋盘图案，其中，蜂窝体一端的交替通道被堵塞。在一些实施方式中，在蜂窝体一端处的堵塞通道在另一端处具有对应的未堵塞通道，并且在蜂窝体一端处的未堵塞通道在另一端处具有对应的堵塞通道。因此，在一些实施方式中，微粒过滤器，例如汽油微粒过滤器(gpf)包括蜂窝结构，其由多孔孔道壁所界定和分离的平行通道阵列形成，其中一部分的通道被阻塞或堵塞，例如，一些通道在过滤器进口处被堵塞，而剩余的通道在过滤器出口处被堵塞。待过滤的排气因此进入未堵塞的进口通道并穿过通道壁，以经由未堵塞的出口通道离开过滤器，其中，随着气体穿过过滤器，微粒被捕获在进口通道壁之上或之内。
[0050]
在一个或多个实施方式中，蜂窝体可以由堇青石、钛酸铝、顽火辉石、莫来石、镁橄榄石、刚玉(sic)、尖晶石、蓝宝石和方镁石形成。一般而言，堇青石是具有根据式(mg,fe)2al3(si5alo
18
)所述的组成的固溶体。在一些实施方式中，可以对陶瓷材料的孔径进行控制，可以对陶瓷材料的孔隙率进行控制，以及可以对陶瓷材料的孔径分布进行控制，例如，通过改变陶瓷原料的粒度来控制。此外，在用于形成蜂窝体的陶瓷批料中可以包括造孔剂。
[0051]
在一些实施方式中，蜂窝体的壁的平均厚度可以大于或等于25μm至小于或等于250μm，例如大于或等于45μm至小于或等于230μm，大于或等于65μm至小于或等于210μm，大于或等于65μm至小于或等于190μm，或者大于或等于85μm至小于或等于170μm。蜂窝体的壁可描述为具有包含本体部分的基底壁部分(在本文中也被称为本体)和表面部分(在本文中也被称为表面)。壁的表面部分从蜂窝体的壁表面向着蜂窝体的本体部分延伸到壁中。表面部分可以从0(零)延伸到蜂窝体的壁的基底壁部分中，并且延伸到约10μm的深度。在一些实施方式中，表面部分可以延伸到壁的基底壁部分中约5μm、约7μm、或约9μm(即，深度为0(零))。蜂窝体的本体部分构成了壁减去表面部分的厚度。因此，蜂窝体的本体部分可以通过下式确定：
[0052]
t
总
–
2t
表面
[0053]
其中，t
总
是壁的总厚度，并且t
表面
是壁表面的厚度。
[0054]
在一个或多个实施方式中，蜂窝体的本体具有本体平均孔径，其大于或等于7μm至小于或等于25μm，例如，大于或等于12μm至小于或等于22μm，或者大于或等于12μm至小于或等于18μm。例如，在一些实施方式中，蜂窝体本体的本体平均孔径可以为约10μm、约11μm、约12μm、约13μm、约14μm、约15μm、约16μm、约17μm、约18μm、约19μm、或约20μm。一般而言，任何给定材料的孔径以统计分布存在。因此，术语“平均孔径”或“d
50”是指有50％的孔的孔径小于或等于该值，而剩余的50％的孔的孔径高于该值，这基于所有孔的统计分布计。陶瓷体中的孔可根据以下中的至少一种来制造：(1)无机批料粒度和粒度分布；(2)炉/热处理烧制时间和温度方案；(3)炉气氛(例如，低或高的氧和/或水含量)，以及(4)造孔剂，例如，聚合物和聚合物颗粒、淀粉、木粉、中空无机颗粒和/或石墨/碳颗粒。
[0055]
在一些实施方式中，蜂窝体的本体可以具有本体孔隙率(不考虑涂层)，其大于或等于50％至小于或等于70％，这通过压汞仪法测量。用于测量表面孔隙率的方法包括扫描电子显微镜法(sem)，该方法对于彼此独立地测量表面孔隙率和本体孔隙率来说尤其有用。在一个或多个实施方式中，所述蜂窝体的本体孔隙率例如可以小于70％、小于65％、60％、小于58％、小于56％、小于54％或小于52％。
[0056]
在一个或多个实施方式中，蜂窝体的表面部分的表面中值孔径大于或等于7μm至小于或等于20μm，例如，大于或等于8μm至小于或等于15μm，或者大于或等于10μm至小于或等于14μm。例如，在一些实施方式中，蜂窝体表面的表面中值孔径可以为约8μm、约9μm、约10μm、约11μm、约12μm、约13μm、约14μm、或约15μm。
[0057]
在一些实施方式中，在施加层之前，蜂窝体表面的表面孔隙率可以大于或等于35％至小于或等于50％，这通过sem来测量。在一个或多个实施方式中，蜂窝体的表面孔隙率例如可以小于65％，例如小于60％，小于55％，小于50％，小于48％，小于46％，小于44％，小于42％，小于40％，小于48％，或者小于36％。
[0058]
现在参考图3和4，其示意性描绘了微粒过滤器300形式的蜂窝体。微粒过滤器300
可以用作壁流式过滤器以过滤排气流350中的微粒物质，所述排气流例如从汽油发动机(在这种情形中，微粒过滤器300是汽油微粒过滤器)发出的排气流。微粒过滤器300一般包括蜂窝体，其具有在进口端302与出口端404之间延伸并且限定了总长度l
a
的多个通道301或孔道。微粒过滤器300的通道301由从进口端302延伸到出口端304的多个相交的通道壁306形成，并且至少部分由其限定。微粒过滤器300还可以包括包围多个通道301的表层305。该表层305可以在通道壁306的形成期间被挤出，或者在之后的加工中作为后施加的表层来形成，例如，通过将表层化粘结剂施加于通道的外周部分来形成。
[0059]
图4示出了图3的微粒过滤器300的轴向截面。在一些实施方式中，某些通道被指定为进口通道308而某些其他通道被指定为出口通道310。在微粒过滤器300的一些实施方式中，至少第一组通道可以用塞物312堵塞。一般而言，塞物312被布置在通道301的端部(即，进口端或出口端)附近。塞物一般以预定的图案布置，例如以图3所示的棋盘图案布置，其中每隔一个通道在端部处被堵塞。进口通道308可以在出口端304处或附近被堵塞住，而出口通道310可以在不对应于进口通道的通道上的进口端302处或附近被堵塞住，如图3所示。因此，每个孔道可以仅在微粒过滤器的一端处或附近被堵塞住。
[0060]
虽然图3一般描绘了棋盘堵塞图案，但应理解，在多孔陶瓷蜂窝制品中可以使用替代性的堵塞图案。在本文所述的实施方式中，可以形成通道密度最高至约600个通道/平方英寸(cpsi)的微粒过滤器300。例如，在一些实施方式中，微粒过滤器100的通道密度可以在约100cpsi至约600cpsi的范围内。在另一些实施方式中，微粒过滤器100的通道密度可以在约100cpsi至约400cpsi的范围内，或者甚至在约200cpsi至约300cpsi的范围内。
[0061]
在本文所述的实施方式中，微粒过滤器300的通道壁306的厚度可以大于约4密耳(101.6微米)。例如，在一些实施方式中，通道壁306的厚度可以在约4密耳至最高约30密耳(762微米)的范围内。在另一些实施方式中，通道壁306的厚度可以在约7密耳(177.8微米)至约20密耳(508微米)的范围内。
[0062]
在各个实施方式中，蜂窝体被构造成过滤气流中的微粒物质。因此，考虑蜂窝体的这些过滤要求，对蜂窝体的本体和表面的中值孔径、孔隙率、几何结构和其他设计方面进行选择。作为一个实例，如图2的实施方式所示，蜂窝体200的壁210具有设置在其上的层220，优选地，其是经烧结或通过热处理结合的。层220包括颗粒225，其沉积在蜂窝体200的壁210上，并且帮助阻止微粒物质(例如，烟炱和烟灰)随着气流230离开蜂窝体，以及帮助阻止微粒物质阻塞蜂窝体200的壁210的基底壁部分。以这种方式，根据实施方式，例如相比于无这种层的常规蜂窝体，层220可用作主要的过滤部件，而蜂窝体的基底壁部分可被构造成另外最大程度地减少压降。如本文所用的压降使用差动压力传感器，以测量过滤器轴向长度上的压力下降来测量。由于层220的孔径比基底壁部分的孔径小，该层将过滤大多数尺寸更小的微粒物质，但是预计蜂窝体过滤器的壁的基底壁部分能有效地过滤一些尺寸更大的微粒物质。如本文将进一步详细所述，蜂窝体可以通过合适的方法形成，例如，火焰沉积法，其允许在蜂窝体的壁的至少一些表面上形成高度多孔的薄层。
[0063]
在一个或多个实施方式中，设置在蜂窝体的壁上的层的孔隙率通过sem测量，该孔隙率大于或等于50％，例如大于55％，例如大于60％，例如大于65％，例如大于70％，例如大于75％，例如大于80％，例如大于90％。在另一些实施方式中，设置在蜂窝体的壁上的层的孔隙率大于或等于92％，例如，大于或等于93％，或者大于或等于94％。在另一些实施方式
中，设置在蜂窝体的壁上的层的孔隙率大于或等于95％，例如，大于或等于96％，或者大于或等于97％。在各个实施方式中，设置在蜂窝体的壁上的层的孔隙率小于或等于99％，例如，小于或等于97％，小于或等于95％，小于或等于94％，或者小于或等于93％，小于或等于90％，小于或等于85％，小于或等于80％，小于或等于75％。蜂窝体的壁上的层的孔隙率允许将层施加于蜂窝体，并且相比于其上不包含层的同样的蜂窝体的压降，不会显著影响蜂窝体的压降。sem和x射线断层摄影术用于相互独立地测量表面孔隙率和本体孔隙率。通过密度计算获得孔隙率包括：测量无机层的重量及其厚度以获得层密度，并且根据以下方程计算层的孔隙率：层孔隙率＝1
‑
层密度/无机材料密度。作为一个实例，对于包括莫来石的层，“无机材料密度”是莫来石的密度。
[0064]
如上所述，相比于蜂窝体的壁的基底壁部分的厚度，在蜂窝体的壁上的层非常薄，并且该层还具有孔隙率和渗透性。如下文进一步详细论述的，蜂窝体上的层可通过允许以极薄的层的形式向蜂窝体的壁表面施加层的方法来形成。在实施方式中，蜂窝体的壁的基底壁部分上的层的平均厚度大于或等于0.5μm至小于或等于30μm，例如大于或等于0.5μm至小于或等于20μm，大于或等于0.5μm至小于或等于10μm，例如大于或等于0.5μm至小于或等于5μm，大于或等于1μm至小于或等于4.5μm，大于或等于1.5μm至小于或等于4μm，或者大于或等于2μm至小于或等于3.5μm。
[0065]
如上所述，可通过允许无机层具有小的中值孔径的方法向蜂窝体的壁施加所述层。该小的中值孔径允许所述层过滤高百分比的微粒，并且阻止微粒渗透蜂窝并沉降到蜂窝的孔中，如上文参考图2所述。根据实施方式，层的小的中值孔径增加了蜂窝体的过滤效率。在一个或多个实施方式中，蜂窝体的壁上的层的中值孔径大于或等于0.1μm至小于或等于5μm，例如，大于或等于0.5μm至小于或等于4μm，或者大于或等于0.6μm至小于或等于3μm。例如，在一些实施方式中，蜂窝体的壁上的层的中值孔径可以为约0.5μm、约0.6μm、约0.7μm、约0.8μm、约0.9μm、约1μm、约2μm、约3μm、或约4μm。
[0066]
虽然蜂窝体的壁上的层在一些实施方式中可以覆盖基本上100％的限定蜂窝体的内通道的壁表面，但是在另一些实施方式中，蜂窝体的壁上的层覆盖基本上小于100％的限定蜂窝体的内通道的壁表面。例如，在一个或多个实施方式中，蜂窝体的壁上的层覆盖至少70％的限定蜂窝体的内通道的壁表面，覆盖至少75％的限定蜂窝体的内通道的壁表面，覆盖至少80％的限定蜂窝体的内通道的壁表面，覆盖至少85％的限定蜂窝体的内通道的壁表面，覆盖至少90％的限定蜂窝体的内通道的壁表面，或者覆盖至少85％的限定蜂窝体的内通道的壁表面。
[0067]
如上参考图1所述，蜂窝体可具有第一端和第二端。第一端和第二端通过轴向长度分离。在一些实施方式中，在蜂窝体的壁上的层可以延伸蜂窝体的整个轴向长度(即，沿着100％的轴向长度延伸)。然而，在另一些实施方式中，蜂窝体的壁上的层沿着至少60％的轴向长度延伸，例如，沿着至少65％的轴向长度延伸，沿着至少70％的轴向长度延伸，沿着至少75％的轴向长度延伸，沿着至少80％的轴向长度延伸，沿着至少85％的轴向长度延伸，沿着至少90％的轴向长度延伸，或者沿着至少95％的轴向长度延伸。
[0068]
在实施方式中，蜂窝体的壁上的层从蜂窝体的第一端延伸到蜂窝体的第二端。在一些实施方式中，蜂窝体的壁上的层延伸从蜂窝体的第一表面到蜂窝体的第二表面的整个距离(即，沿着从蜂窝体的第一表面到蜂窝体的第二表面的100％的距离延伸)。然而，在一
个或多个实施方式中，蜂窝体的壁上的层沿着60％的蜂窝体的第一表面与蜂窝体的第二表面之间的距离延伸，例如，沿着65％的蜂窝体的第一表面与蜂窝体的第二表面之间的距离延伸，沿着70％的蜂窝体的第一表面与蜂窝体的第二表面之间的距离延伸，沿着75％的蜂窝体的第一表面与蜂窝体的第二表面之间的距离延伸，沿着80％的蜂窝体的第一表面与蜂窝体的第二表面之间的距离延伸，沿着85％的蜂窝体的第一表面与蜂窝体的第二表面之间的距离延伸，沿着90％的蜂窝体的第一表面与蜂窝体的第二表面之间的距离延伸，或者沿着95％的蜂窝体的第一表面与蜂窝体的第二表面之间的距离延伸。
[0069]
在一个或多个实施方式中，蜂窝体的壁上的层作为连续涂层被设置在壁表面上。如本文所用的“连续涂层”是在区域中没有哪部分的区域是基本裸露或者不含层材料的区域。在一个或多个实施方式中，至少50％的层作为连续层被设置在蜂窝体的壁表面上，例如，至少60％的层作为连续层被设置在蜂窝体的壁表面上，至少70％的层作为连续层被设置在蜂窝体的壁表面上，至少80％的层作为连续层被设置在蜂窝体的壁表面上，至少90％的层作为连续层被设置在蜂窝体的壁表面上，至少92％的层作为连续层被设置在蜂窝体的壁表面上，至少94％的层作为连续层被设置在蜂窝体的壁表面上，至少96％的层作为连续层被设置在蜂窝体的壁表面上，或者至少98％的层作为连续层被设置在蜂窝体的壁表面上。在另一些实施方式中，100％的层作为连续层被设置在蜂窝体的壁表面上。
[0070]
在一个或多个实施方式中，蜂窝体的壁上的层作为离散沉积物或不连续涂层的表面处理物被设置在壁表面上。不连续涂层可以是在其中不具有层的裸露壁的离散段。总体来说，基于被每个离散段覆盖的总和计，不连续涂层可以在壁上提供共计大于或等于70％、大于或等于75％、大于或等于80％、大于或等于85％、大于或等于90％、大于或等于95％、大于或等于97.5％、大于或等于99％的覆盖率。
[0071]
如上所述并且不囿于任何特定理论，认为通过实施方式的蜂窝体实现了低的压降，因为蜂窝体上的层是蜂窝体的主要过滤部件，其允许蜂窝体的设计有更大的灵活性。根据实施方式，选择具有低压降的蜂窝体结合蜂窝体上的低厚度和孔隙率的层使得当与常规蜂窝体比较时，实施方式的蜂窝体具有低的压降。在实施方式中，所述层在蜂窝体上为0.1至30g/l。在实施方式中，所述层可以以下述范围存在：0.2至20g/l、0.3至25g/l、0.4至20g/l、1至10g/l。在一些实施方式中，相比于不具有多孔无机薄层的蜂窝体，蜂窝体上的压降(即，不具有烟炱或烟灰的清洁压降)小于或等于10％，例如，小于或等于9％，或者小于或等于8％。在另一些实施方式中，蜂窝体上的压降小于或等于7％，例如，小于或等于6％。在另一些实施方式中，蜂窝体上的压降小于或等于5％，例如，小于或等于4％，或者小于或等于3％。
[0072]
如上所述并且不囿于任何特定的理论，蜂窝体的壁上的层的小孔径允许蜂窝体具有优异的过滤效率，即便在蜂窝体中发生烟灰或烟炱积聚之前也如此。蜂窝体的过滤效率在本文中使用tandon等人，65chemical engineering science(《化学工程学》)4751
‑
60(2010)中列出的方案来测量。如本文所用的蜂窝体的初始过滤效率指的是不包括任何可测得的烟炱或烟灰负载的清洁状态的蜂窝体，例如，新的或再生的蜂窝体。在实施方式中，蜂窝体的初始过滤效率(即，清洁过滤效率)大于或等于70％，例如，大于或等于80％，或者大于或等于85％。在另一些实施方式中，蜂窝体的初始过滤效率大于90％，例如，大于或等于93％，或者大于或等于95％，或者大于或等于98％。
[0073]
根据实施方式所述的蜂窝体的壁上的层是薄的并且具有孔隙，并且在一些实施方式中，蜂窝体的壁上的层还具有优良的化学耐久性和物理稳定性。特别是如果在向蜂窝体的壁施加层材料之后固化、烧结或以其他方式结合到蜂窝体的表面，则尤其如此，如下文更详细论述。在实施方式中，在蜂窝体上的层的化学耐久性和物理稳定性可通过使蜂窝体经受包括燃烧循环和老化测试的测试循环，并且测量测试循环之前和之后的初始过滤效率来确定。例如，用于测量蜂窝体的化学耐久性和物理稳定性的一种示例性方法包括：测量蜂窝体的初始过滤效率；在模拟操作条件下，将烟炱负载到蜂窝体上；在约650℃下燃烧积聚的烟炱；在1050℃和10％湿度下使蜂窝体经受老化测试12小时；以及测量蜂窝体的过滤效率。可以进行多个烟炱积聚和燃烧循环。从测试循环之前到测试循环之后的过滤效率的小变化(δfe)指示了蜂窝体上的层的更佳的化学耐久性和物理稳定性。在一些实施方式中，δfe小于或等于5％，例如，小于或等于4％，或者小于或等于3％。在另一些实施方式中，δfe小于或等于2％，或者小于或等于1％。
[0074]
在一些实施方式中，蜂窝体的壁上的层可以包括陶瓷组分中的一种或陶瓷组分的混合物，例如，选自下组的陶瓷组分：sio2、al2o3、mgo、zro2、cao、tio2、ceo2、na2o、pt、pd、ag、cu、fe、ni及其混合物。因此，在蜂窝体的壁上的层可以包括氧化物陶瓷或硅酸铝。如下文更详细所述，根据实施方式，在蜂窝体上形成层的方法可允许针对给定应用定制层的组成。这可以是有益的，因为可以对陶瓷组分进行组合，以匹配例如蜂窝体的物理性质，例如，诸如热膨胀系数(cte)和杨氏模量等之类，这可提高蜂窝体的物理稳定性。在一些实施方式中，蜂窝体的壁上的层可以包括堇青石、钛酸铝、顽火辉石、莫来石、镁橄榄石、刚玉(sic)、尖晶石、蓝宝石和方镁石。在一些实施方式中，堇青石、钛酸铝、顽火辉石、莫来石、镁橄榄石、刚玉(sic)、尖晶石、蓝宝石和/或方镁石是合成的。在一个或多个实施方式中，无机层包括合成莫来石。莫来石是稀有硅酸铝矿物，并且根据通式结构xal2o3·
ysio2可形成两种化学计量形式：3al2o3·
2sio2或2al2o3·
sio2。合成莫来石的制备包括工艺控制以达到1.5≤x/y≤2的目标，或者达到al/si质量比在2.9至3.8范围内的目标。
[0075]
在一些实施方式中，在蜂窝体的壁上的层的组成与蜂窝体的组成相同。然而，在另一些实施方式中，层的组成与蜂窝体的组成不同。
[0076]
根据一个或多个实施方式，所述层具有≥10
‑
15
m2的渗透率。在一些实施方式中，所述层具有≥10
‑
14
m2的渗透率，例如，≥10
‑
13
m2，或≥10
‑
12
m2。
[0077]
在一些实施方式中，所述层包含莫来石并且平均粒度大于或等于5nm至小于或等于3μm。在这样的实施方式中，层的厚度和孔隙率可以是根据蜂窝体的期望性质而定的厚度。
[0078]
在一些实施方式中，所述层包含氧化铝并且平均粒度大于或等于10nm至小于或等于3μm。在一些实施方式中，平均粒度大于或等于100nm至小于或等于3μm，例如，大于或等于500nm至小于或等于3μm，或者大于或等于500nm至小于或等于2μm。在这样的实施方式中，蜂窝体上的层的厚度和孔隙率可以是根据蜂窝体的期望性质而定的厚度。
[0079]
层的性质，以及进而整个蜂窝体的性质可归因于施加中值孔径相对于蜂窝体较小的多孔薄层的能力。
[0080]
根据本文公开和所述的一些实施方式，制造蜂窝体的方法包括：对层前体进行雾化、汽化或喷雾，以使得层前体可被气态载流体携带；在陶瓷蜂窝结构上沉积经雾化、汽化
或喷雾的层前体；以及将经雾化、汽化或喷雾的层前体结合到陶瓷蜂窝结构，以在陶瓷蜂窝结构上形成层。在实施方式中，气态载流体例如可以是空气、氧气或氮气。在一些实施方式中，在层前体被雾化、汽化或喷雾之前，可将层前体可与溶剂合并，所述溶剂例如选自下组：甲氧基乙醇、乙醇、水及其混合物。在一个或多个实施方式中，将层前体吹送到陶瓷蜂窝结构的内通道中。在层前体已经沉积在陶瓷蜂窝结构上后，可以通过合适的方法将层前体颗粒结合于陶瓷蜂窝结构，包括向层前体施加水分(例如，蒸气或湿气)，热，或辐射(例如，微波)。
[0081]
根据本文公开和所述的一些实施方式制造蜂窝体的方法包括：将层火焰裂解沉积到陶瓷蜂窝结构，这提供了具有孔隙率和小的中值孔径的极薄的层的沉积。在实施方式中，制造蜂窝体的方法包括：通过使层前体与汽化气体接触，对层前体进行汽化以形成经汽化的层前体(层前体可以包括前体材料和溶剂)；通过使经汽化的层前体与火焰接触，分解经汽化的层前体；在陶瓷蜂窝结构上沉积经汽化的层前体；以及烧结经汽化的层前体以形成蜂窝体，其中，蜂窝体包括涂覆陶瓷蜂窝结构的至少一部分的壁。在一个或多个实施方式中，层前体选自下组：cao、ca(oh)2、caco3、mgo、mg(oh)2、mgco3、sio2、al2o3、al(oh)3、铝酸钙、铝酸镁及其混合物。
[0082]
在一些实施方式中，形成蜂窝体的方法包括：形成或获得包含陶瓷前体材料和溶剂的层前体。层前体的陶瓷前体材料包括用作例如sio2、al2o3、tio2、mgo、zro2、cao、ceo2、na2o、pt、pd、ag、cu、fe、ni等的来源的常规陶瓷原料。例如，在一些实施方式中，陶瓷前体材料选自下组：原硅酸四乙酯、乙醇镁和三仲丁醇铝(iii)、三甲基铝、alcl3、sicl4、al(no3)3、异丙醇铝、八甲苦环四硅氧烷及其混合物。用于层前体的溶剂没有特别限制，只要其能够维持陶瓷前体材料在溶剂中为悬浮液即可，并且溶剂在小于200℃的温度下能够汽化。在实施方式中，溶剂选自下组：甲氧基乙醇、乙醇、水、二甲苯、甲醇、乙酸乙酯、苯及其混合物。
[0083]
在一些实施方式中，通过使层前体与汽化流体接触，层前体汽化以形成经汽化的层前体。在一个或多个实施方式中，汽化流体选自下组：氧气(o2)、水(水蒸气、h2o)、氮气(n2)及其混合物。汽化流体相对于层前体的流速以较高的流速流动，使得当汽化流体接触层前体时，层前体被汽化流体汽化到分子水平。例如，在实施方式中，汽化流体是以3l/min(l/分钟)至小于或等于100l/min的流速流动的气体，例如，流速大于或等于4l/min至小于或等于6.5l/min，或者大于或等于25l/min至小于或等于35l/min。在另一些实施方式中，汽化气体以大于或等于60l/min至小于或等于70l/min的流速流动。
[0084]
在实施方式中，气态的汽化流体的流速大于层前体的流速。例如，在一个或多个实施方式中，层前体以下述流速流动：大于或等于1.0ml/min至小于或等于50ml/min，例如大于或等于3ml/min至小于或等于5ml/min，或者大于或等于25ml/min至小于或等于35ml/min。可对汽化流体的流速和层前体的流速进行控制，以使得当与汽化流体接触时，层前体被汽化。
[0085]
根据一些实施方式，一旦层前体接触了汽化流体以形成经汽化的层前体，则通过经汽化的层前体与火焰接触，经汽化的层前体被分解。火焰可通过燃烧合适的燃烧气体来形成，所述燃烧气体例如氧气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、天然气或其混合物。一旦经汽化的层前体接触火焰，则来自火焰的能量造成经汽化的层前体分解成原子水平的组分，并且溶剂燃烧成为气体，例如，氢气(h2)、二氧化碳(co2)和一氧化碳(co)。这种燃烧提供了在气体中
良好分散的陶瓷前体材料的元素组分。在一个或多个实施方式中，火焰温度大于或等于800k至小于或等于2500k。这允许经汽化的层前体易于被引导并沉积在蜂窝体上。应理解，在实施方式中，可以使用一种火焰来分解层前体；但是在另一些实施方式中，可以使用两种或更多种火焰来分解层前体。在另一些实施方式中，经汽化的层前体不被火焰分解。
[0086]
在一个或多个实施方式中，良好地分散在流体中的经汽化的层前体被引导到蜂窝体，例如，通过使用风斗或差动压力来将经汽化的层前体引导到蜂窝体。由此，经汽化的层前体沉积在蜂窝体上。在一些实施方式中，在经汽化的层前体沉积于蜂窝体期间，蜂窝体的一个或多个通道在一端上可以被堵塞，例如，在蜂窝体的第一端105上被堵塞。在一些实施方式中，在层前体沉积后可以移除堵塞的通道。但是，在另一些实施方式中，通道可以保持堵塞，即使在层前体沉积后也如此。蜂窝体的堵塞通道的图案不受限制，在一些实施方式中，可以在一端堵塞蜂窝体的所有通道。在另一些实施方式中，可以在一端堵塞蜂窝体的仅一部分通道。在这样的实施方式中，在蜂窝体的一端处的堵塞和未堵塞的通道图案不作限制，例如，其可以是棋盘图案，其中，蜂窝体一端的交替通道被堵塞。通过在经汽化的层前体沉积期间在蜂窝体的一端处堵塞所有或一部分的通道，经汽化的层前体可以均匀地分布在蜂窝体100的通道110内。
[0087]
在一些实施方式中，经汽化的层前体作为非晶相沉积在蜂窝体上。例如，如上所述，陶瓷前体材料可分解成经分解的层前体中的元素水平。该元素组分在沉积于蜂窝体时可以元素水平混合在一起。例如，图3a是沉积在蜂窝体表面上的5sio2·
2al2o3·
2mgo经分解的层前体的非晶相的扫描电子显微镜(sem)图像；图3b是沉积在蜂窝体表面上的2sio2·
3al2o3经分解的层前体的非晶相的sem图像；图3c是沉积在蜂窝体表面上的2sio2·
5al2o3·
4mgo经分解的层前体的非晶相的sem图像；并且图3d是沉积在蜂窝体表面上的al2o3·
mgo经分解的层前体的非晶相的sem图像。如在图3a
‑
3d的每一者中可见到的，颗粒以元素水平分散在蜂窝体上的非晶相中。在该非晶相中，已经沉积在蜂窝体上的经分解的层前体具有孔隙率，例如根据层密度与层的无机材料密度关系所计算的，该孔隙率大于或等于95％，例如，大于或等于96％，或者大于或等于97％。在另一些实施方式中，非晶相的经分解的层前体具有大于或等于98％，或者大于或等于99％的孔隙率。
[0088]
在一些实施方式中，非晶相的经汽化的层前体以及最终在蜂窝体上的层的孔隙率和孔径可以通过经汽化的层的平均粒度来改变。经汽化的层的平均粒度可以通过层前体的流速来控制。例如，如图4a
‑
4d所示，经汽化的层前体的平均粒度随着层前体的流速增加而增加。图4a是以3ml/min的层前体流速沉积的非晶相5sio2·
2al2o3·
2mgo经分解的层前体的透射电子显微镜法(tem)图像；图4b是以1ml/min的层前体流速沉积的非晶相5sio2·
2al2o3·
2mgo经分解的层前体的tem图像；图4c是以1ml/min的层前体流速沉积的非晶相2sio2·
3al2o3经分解的层前体的tem图像；并且图4d是使用双重火焰过程并且两种火焰均具有1ml/min的层前体流速沉积的非晶相5sio2·
2al2o3·
2mgo经分解的层前体和非晶相2sio2·
3al2o3经分解的层前体的tem图像。如图4a
‑
4d所示，经分解的层前体的元素以原子水平混合，并且形成均匀的相，该均匀的相具有视层前体的流速而变的粒度。然而，在实施方式中，经汽化的层前体的平均粒度大于或等于5nm至小于或等于3μm，例如，大于或等于100nm至小于或等于3μm，或者大于或等于200nm至小于或等于1μm。在另一些实施方式中，经汽化的层前体的平均粒度大于或等于15nm至小于或等于500nm，例如，大于或等于20nm至小
于或等于200nm，或者大于或等于25nm至小于或等于100nm。
[0089]
如上所述，根据本文公开和所述的一些实施方式，可赋予蜂窝体的壁上的层化学耐久性和物理稳定性。为了改进这些性质，在一个或多个实施方式中，在沉积在蜂窝体上后，经汽化的层前体可被烧结或以其他方式结合到蜂窝体，以作为结晶相形成涂覆至少一部分蜂窝体的层。根据实施方式，烧结经汽化的层前体包括：在经汽化的层前体沉积在蜂窝体后，将经汽化的层前体加热到大于或等于950℃至小于或等于1150℃的温度，例如，大于或等于1000℃至小于或等于1100℃，大于或等于1025℃至小于或等于1075℃，或约1050℃。在一些实施方式中，烧结的持续时间大于或等于20分钟至小于或等于2.0小时，例如，大于或等于30分钟至小于或等于1.5小时，或者大于或等于45分钟至小于或等于1.0小时。在烧结经汽化的层前体以形成蜂窝体后，所述层为结晶相。例如，图5a是沉积在蜂窝体上的经烧结的结晶相的5sio2·
2al2o3·
2mgo陶瓷层的sem图像；图5b是沉积在蜂窝体上的经烧结的结晶相2sio2·
3al2o3陶瓷层的sem图像；fig.5c是沉积在蜂窝体上的经烧结的结晶相的2sio2·
5al2o3·
4mgo陶瓷层的sem图像；并且图5d是沉积在蜂窝体上的经烧结的结晶相的al2o3·
mgo陶瓷层的sem图像。根据实施方式，经烧结的结晶相层具有90％的孔隙率，孔隙率通过sem测量，例如，孔隙率大于或等于91％，或者大于或等于92％。在另一些实施方式中，经烧结的结晶相层具有大于或等于93％的孔隙率，例如，大于或等于94％，或者大于或等于95％。在另一些实施方式中，经烧结的结晶相层具有大于或等于96％的孔隙率，例如，大于或等于97％，或者大于或等于98％。
[0090]
根据本公开的一个或多个实施方式，微粒过滤器通过过滤效率来表征，过滤效率代表了微粒过滤器从进入的气流中移除某部分微粒的能力。微粒可通过它们的质量浓度或者它们的计数浓度来表征。两个值通常紧密相关。使用通用浓度c
微粒
，并且单位为微粒质量/单位体积或微粒数目/单位体积，过滤效率fe通常由以下方程获得：
[0091]
方程(1)：
[0092][0093]
过滤效率的实验测量值具有不同含义。图20示出了通用实验室设置的示意图。该通用实验室设置包括：气体供应源(例如空气)，其经过调整以限定流速；微粒发生器，例如，以某速率和浓度产生烟炱颗粒的微粒发生器；待被测试的过滤器样品；以及在过滤器样品的进口和出口处的两个微粒分析器。
[0094]
实验在受控的温度(例如室温)下进行。如本文所用的“室温”是指20℃
–
的温度。在实验期间，将气流调整到恒定流速。接着向气体添加微粒。穿过过滤器样品，某部分的微粒通过过滤而被移除，该部分的微粒作为进口颗粒浓度与出口颗粒浓度之间的差来测量。这样的实验的一个实例示于图21，对于根据本文所述的实施方式制造的两个实验样品a和b，其针对常规样品(比较)绘制图表。在所示的实例中，颗粒是在烟炱发生器上产生的烟炱颗粒，并且体积流速为21m3/h。测试在室温和大气压下进行。所绘制的是根据方程(1)由进口和出口浓度计算的过滤效率相对于实验时间的关系图。在时间t＝0s时，颗粒的配量开始，并且记录过滤效率。对于不同的过滤器样品，观察到不同的过滤效率值。
[0095]
如图21所示，在所有情况中，过滤效率随着时间而增加。其原因在于积聚的颗粒自身(在本情况中为烟炱)起到过滤介质的作用，由此增强了总体效率。为了更有效地证明这一点，有帮助的是，绘制过滤作为积聚的烟炱质量而非时间的函数的图。烟炱质量作为进入过滤器的烟炱与离开过滤器的烟炱质量的差随着时间积分来获得。图22提供了这种形式的图21的数据。
[0096]
在开始时，时间等于t＝0s或0g/l烟炱负载时的过滤效率通常称为“清洁”或“新鲜”过滤效率，并且其仅由过滤器样品的特性来确定。基于过滤理论，过滤过程基于不同的机制发生，主要是取决于颗粒的尺寸。描述过滤介质的常见模型是单元收集器组件的概念。对于通过上述实验的烟炱发生器所产生的烟炱，主要的过滤机制是基于小烟炱颗粒的布朗(brownian)运动。基于布朗运动机制的单元收集器的收集效率η
bm
可通过下式描述：
[0097]
方程(2)
[0098]
η
bm
＝4
·
(a
s1/3
/pe
i2/3
)
·
(1
‑
ε)
2/3
[0099]
a
s
是参数，其主要取决于孔隙率ε，并且pe
i
是佩克莱(peclet)数。佩克莱数与孔空间内的流体速度u
w
/ε以及收集器直径d
c
与布朗运动的扩散系数d
bm
之间的比值成正比。
[0100]
方程(3)
[0101][0102]
通过布朗扩散系数d
bm
～(t/d
s2
)引入这一收集机制的粒度d
s
与温度t依赖性。将取决于过滤介质的微结构的所有参数合并成单个变量k
微结构
，方程(2)可重写成方程(4)：
[0103]
方程(4)
[0104]
流体速度u
w
根据体积流速除以截面积或过滤面积来确定。因此，除了微结构特性外，给定流速和粒度下的过滤性能与过滤器的过滤面积成比例。因此，为了比较具有不同微结构的材料，通过过滤面积来对过滤效率进行归一化。对于具有交替堵塞通道的壁流式蜂窝过滤器，以m2计的过滤表面积fsa可根据方程(5)获得：
[0105]
方程(5)：
[0106][0107]
在方程(5)中，gsa是每过滤器体积的几何表面积，并且v
过滤器
是过滤器样品的体积。因数1/2源自仅一半的通道代表进口通道，气体通过该进口通道进入，然后流动穿过多孔过滤器壁这一事实。过滤面积(或总过滤)将是进口孔道总面积 出口孔道总面积＝总面积。换而言之，在方程(5)中，如果进口孔道总面积＝出口孔道总面积，则进口孔道总面积可通过总面积除以2来计算。然而，如果进口孔道总面积不等于出口孔道总面积，则需要改变方程中的分母以反映该情况。
[0108]
除了过滤性能过滤器之外，过滤器常通过它们的流动阻力来表征，流动阻力通常指在给定体积气体流速下，样品上的压降。通常，更高的过滤性能与增加的压降或流动阻力吻合。从应用的角度来看，通常期望尽可能低的压降，因为压降通常意味着泵送损失。在机动车辆应用中，这导致可用于推动车辆的功率减少或燃料效率降低。
[0109]
过滤器样品的压降属性通常通过在给定体积流速下测量过滤器样品上游和下游的压力差来评估。在实验室测量中，这可在室温和不同的流速下进行。
[0110]
根据一个或多个实施方式，根据本文所述实施方式制备的微粒过滤器有利地展现出归一化到进口通道过滤面积的高过滤效率。因此，根据一个或多个实施方式，本文所述的微粒过滤器在汽车制造商的工厂中被安装在车辆中之后，随即在新鲜(新)状态下提供了高的过滤效率。在一些实施方式中，这一高的过滤效率配备有低的压降。
[0111]
虽然本公开的权利要求不受特定理论限制，但是认为微粒过滤器的压降由五个主要因素组成。这些因素包括在过滤器的进口和出口处的气流收缩和膨胀，气流沿着进口和出口通道的摩擦损耗，以及气流穿过多孔通道壁上的压降。
[0112]
一般而言，过滤器上的压降受宏观几何参数影响，例如，部件直径、长度、通道的水力直径和开口正面面积，以及受多孔过滤器壁的渗透率影响。渗透率是唯一的材料特性，并且由微结构限定，例如，孔隙率、有效孔径和孔连通性。由于通过孔的气流是层流，因此穿过壁的摩擦损耗由穿过多孔壁的整个路径决定。
[0113]
压降的进口和出口贡献可通过下式描述：
[0114]
方程(7)：
[0115][0116]
其中，δp为压降，ρ
g
为气体密度，q为体积流速，v
过滤器
为过滤器体积，l为过滤器长度，ofa为过滤器的开口正面面积，并且ζ
进
和ζ
出
分别为收缩和膨胀经验系数。
[0117]
对于过滤器内的压降，可采用sae技术论文2003
‑
01
‑
0842中的方程(26)，在本文中表示为方程(8)。
[0118]
方程(8)：
[0119][0120]
其中，新的变量μ为动态粘度，q
有效
为有效体积流速，d
h
为通道水力直径，t
w
为壁厚度，f为摩擦因子(对于正方形通道，f＝28.45)，并且κ
有效
为壁的有效渗透率。有效体积流速与总流速的区别在于考虑了沿着进口和出口通道的流速分布。根据经验发现，q
有效
＝1.32*q更好地描述了实验结果。
[0121]
如在实验中测量的总压降将是通过方程(7)和方程(8)描述的贡献之和。在方程(7)和(8)中，除壁材料的有效渗透率之外，所有的参数是已知且容易确定的。
[0122]
有效渗透率κ
有效
可使用方程(7)和(8)从实验数据中提取。为此，从实验压降值减去由于进口收缩和出口膨胀导致的压降贡献方程(7)，并且提供方程(9)
[0123]
方程(9)：δp
(2,3,4)
＝δp
实验
–
δp
(1,5)
[0124]
将方程(9)和方程(8)合并，并且得到有效壁渗透率κ
有效
的解：
[0125]
方程(10)：
[0126][0127]
挤出的蜂窝体的多孔壁的渗透率κ0通常可通过孔隙率ε与有效中值孔径d
50
的平方的乘积除以66.7来合理地描述，孔隙率ε和有效中值孔径d
50
均通过压汞仪法来确定：
[0128]
方程(11):
[0129][0130]
如果涂层或其他改性物被施加于具有渗透率κ0的“刚挤出时”的多孔壁的基底壁部分，则渗透率变为新的有效渗透率值κ
有效
，其例如可使用方程(10)，由实验压降值来确定。渗透率相对于刚挤出时的蜂窝壁的基底壁部分的这一改变也可通过“归一化渗透率值(npv)”来描述，其描绘了有效渗透率与未改性的原始微结构的渗透率的比值：
[0131]
方程(12)
ꢀꢀꢀ
npv＝κ
有效
/(εd
502
/66.7)
裸
[0132]
用于确定过滤器样品的δp
实验
的实验压降测量值可通过在给定体积流速下测量过滤器样品上游和下游的压力差来评估。在实验室测量中，这可在室温和不同的流速下进行。
[0133]
如上所述，微粒过滤器通过过滤效率来表征，过滤效率代表了微粒过滤器从进入的气流中移除某部分微粒的能力。微粒可通过它们的质量浓度或者它们的计数浓度来表征。两个值通常紧密相关。使用通用浓度c
微粒
，并且单位为微粒质量/单位体积或微粒数目/单位体积，过滤效率fe通常根据上文方程(1)获得。
[0134]
使用图20所示的通用实验室设置的示意图，在室温、恒定流速下测试微粒过滤器，然后向气体添加微粒。穿过过滤器样品，某部分的微粒通过过滤而被移除，该部分的微粒作为进口颗粒浓度与出口颗粒浓度之间的差来测量。
[0135]
如上所述，在开始时，时间等于t＝0s或0g/l烟炱负载时的过滤效率通常称为“清洁”或“新鲜”过滤效率，并且其仅由过滤器样品的特性来确定。基于过滤理论，过滤过程基于不同的机制发生，主要是取决于颗粒的尺寸。描述过滤介质的常见模型是单元收集器组件的概念。对于通过上述实验的烟炱发生器所产生的烟炱，主要的过滤机制是基于小烟炱颗粒的布朗运动。基于布朗运动机制的单元收集器的收集效率η
bm
可通过方程(2)描述。如上所述，佩克莱数与孔空间内的流体速度u
w
/ε以及收集器直径d
c
与布朗运动的扩散系数d
bm
之间的比值成正比，如上文方程(3)所示。
[0136]
sae技术论文2012
‑
01
‑
0363解释了对于具有“随机”多孔微结构的未涂覆的挤出的过滤器，清洁过滤效率可与过滤特征参数a
过滤
相关，该过滤特征参数a
过滤
与微结构以及宏观过滤器性质成比例，方程(13)：
[0137]
方程(13)
[0138]
作为新变量，方程(13)具有作为过滤器结构的孔道密度的cpsi。可将清洁过滤效
率与该过滤特征参数(a
过滤
)之间的相关性绘制在图表上，其中，清洁过滤效率在y轴上，而过滤特征参数(a
过滤
)在x轴上。
[0139]
可将微结构参数、孔隙率和中值孔径的贡献组合成有效微结构因子emf。对于有效孔隙率和中值孔径未知的材料，该新参数可用于表征微结构的有效性质。该变量还允许考虑在真实的微结构中，过滤不一定在过滤器壁上沿着孔的整个长度发生，而是在更大程度上局部发生在有利于颗粒收集和沉积的位置，例如具有狭窄开口的通道(“孔颈”)处。一旦收集了一些颗粒，则这些颗粒使该孔颈进一步变窄，这进一步加速了过滤过程。因此，新的参数允许考虑不均匀并且不具有随机孔设计的微结构。
[0140]
与已经对压降所做的类似，还有用的是，不仅考虑新的微结构参数emf，而且针对具有随机微结构的挤出的过滤体的基底壁部分的基底微结构的性质，对压降进行归一化。对于后者，emf作为孔隙率ε
0.43
除以中值孔径d
50
的5/3幂的比值来获得。通过这一归一化，获得了新的归一化的微结构过滤值，nmfv，其将微结构的过滤特性描述为：方程(14):nmfv＝emf/(ε
0.43
/d
505/3
)
基底壁性质
。
[0141]
根据一个或多个实施方式，提供了微粒过滤器，其得了有利的(例如高的)归一化渗透率值(npv)，同时，增加了归一化的微结构过滤值(nmfv)，例如，提供了低(变化)压降与增加的清洁过滤的组合的材料。
[0142]
在各种各样的过滤器样品上测试如上所述的过滤效率和压降性能，并且针对根据本公开制造的多个样品来测试，其中，多孔壁表面的复合微结构限定了进口通道，即，进口通道包括如根据本文一个或多个实施方式所述的过滤材料沉积物。对于过滤，以％为单位的初始或清洁过滤效率被认为流速为21m3/h。在室温和357m3/h的最高流速下评估压降。
[0143]
本文已经描述了蜂窝体及制造蜂窝体的方法。在实施方式中，蜂窝体包括在蜂窝体的至少一个表面上的层。在实施方式中，该层具有结晶结构、孔隙率，例如大于或等于50％的孔隙率，并且该层作为薄层来施加，例如，厚度大于或等于0.5μm至小于或等于10μm。应理解，在上文所述的各个实施方式中，“蜂窝体”可以是陶瓷“蜂窝体”，并且“层”可以是陶瓷“层”。
[0144]
现在提供如本文公开和所述的有限实施方式。
[0145]
实施例
[0146]
通过以下的实施例对实施方式做进一步阐述。
[0147]
实施例1
[0148]
提出了实现高过滤效率和低压降的微粒过滤器中的多孔无机层特性。定义p0和fe0为下方的多孔陶瓷蜂窝体(不存在多孔无机层)的清洁压降和清洁过滤效率；并且p1和fe1为清洁蜂窝过滤体的清洁压降和清洁过滤效率，所述清洁蜂窝过滤体包括多孔陶瓷蜂窝体和多孔无机层，层对过滤器性能的影响通过参数x＝(fe
‑
fe0)p0/(p
‑
p0)/fe0来表征。在定义参数x时，微粒过滤器的清洁状态代表了烟炱负载接近零的状态。在一些实施方式中，具有层的微粒过滤器的性能描述为x>2。在另一些实施方式中，具有层的微粒过滤器的性能描述为x>3。在另一些实施方式中，具有层的微粒过滤器的性能描述为x>4。在另一些实施方式中，具有层的微粒过滤器的性能描述为x>5。在一些实施方式中，由于层导致的微粒过滤器压降的增加小于25％。在另一些实施方式中，由于层导致的微粒过滤器压降的增加小于20％。在另一些实施方式中，由于层导致的微粒过滤器压降的增加小于10％。定义多孔无机层形貌
参数y为y＝(层孔隙率^(6.5/sqrt(层粒度)))*(1
‑
层孔隙率)/sqrt(层粒度)，显示出层形貌参数y与具有层性能参数x的微粒过滤器之间具有很好的相关性。基于这些结果，在一些实施方式中，层形貌参数y大于0.03。在另一些实施方式中，层形貌参数y大于0.04。在另一些实施方式中，层形貌参数y大于0.05。
[0149]
表1列出了通过建模进行分析的实施方式。表1的实施方式代表了具有孔隙率、孔径和层厚度的不同组合的汽油微粒过滤器，其针对的是直径为5.66”且长度为6”的汽油微粒过滤器，并且cpsi为200，壁厚度为8.5微米，壁孔隙率为56％，壁平均孔径为13微米。在100kg/hr的排气流速和450℃下评估过滤效率和压降性能。
[0150]
表1
[0151]
[0152][0153]
在图6
‑
7中，提供了表1的实施方式的过滤效率与压降增加的图表。图7示出了图6压降增加高至50％。
[0154]
图8
‑
9是表1的实施方式的参数“x”与压降的关系的图表。具有膜的微粒过滤器的性能通过性能参数x来表征，所述性能参数x定义为x＝(fe
‑
fe0)*p0/fe0/(p
‑
p0)。图9示出了图8压降增加高至50％。
[0155]
图10是表1的实施方式的膜形貌参数y＝(膜孔隙率^(6.5/sqrt(膜粒度)))*(1
‑
膜孔隙率)/sqrt(膜粒度)与微粒过滤器性能参数x＝(fe1‑
fe0)*p0/fe0/(p1‑
p0)之间的相关性。
[0156]
实施例2
[0157]
提出了微粒过滤器中的多孔无机层特性，该多孔无机层部分覆盖过滤器通道并且实现高过滤效率和低压降。定义p0和fe0为下方的多孔陶瓷蜂窝体(不存在多孔无机层)的清洁压降和过滤效率性能；并且p1和fe1为清洁蜂窝过滤体的清洁压降和清洁过滤效率性能，所述清洁蜂窝过滤体包括多孔陶瓷蜂窝体和多孔无机层，层对微粒过滤器性能的影响通过参数x＝(fe
‑
fe0)p0/(p
‑
p0)/fe0来表征。在定义参数x时，微粒过滤器的清洁状态代表了烟炱负载接近零的状态。在一些实施方式中，具有层的微粒过滤器的性能描述为x>1.7。在另一些实施方式中，具有层的微粒过滤器的性能描述为x>2。在另一些实施方式中，具有层的微粒过滤器的性能描述为x>3。在另一些实施方式中，具有层的微粒过滤器的性能描述为x>4。在一些实施方式中，由于层导致的微粒过滤器压降的增加小于25％。在另一些实施方式中，由于层导致的微粒过滤器压降的增加小于20％。在另一些实施方式中，由于层导致的微粒过滤器压降的增加小于10％。在一些实施方式中，通道壁的多孔无机层覆盖率大于70％。在另一些实施方式中，通道壁的多孔无机层覆盖率大于80％。在另一些实施方式中，通道壁的多孔无机层覆盖率大于90％。
[0158]
表2列出了通过建模进行分析的实施方式。表2的实施方式代表了具有层覆盖率、孔隙率、孔径和层厚度的不同组合的汽油微粒过滤器，其针对的是直径为5.66”且长度为6”的汽油微粒过滤器，并且cpsi为200，壁厚度为8.5微米，壁孔隙率为56％，壁平均孔径为13微米。在100kg/hr的排气流速和450℃下评估过滤效率和压降性能。
[0159]
在图11
‑
12中，提供了表2的实施方式的过滤效率与压降增加的图表。图12示出了图11压降增加高至50％。
[0160]
表2
[0161]
[0162]
[0163]
[0164][0165]
对本领域的技术人员显而易见的是，可以对本文所述的实施方式进行各种修改和变动而不偏离要求保护的主题的精神和范围。因此，本说明书旨在覆盖本文所述的各个实施方式的修改和变动，只要这些修改和变动在所附权利要求书及其等同内容的范围之内。