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堇青石蜂窩陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀和應用
來源:|作者:金瑞 |發(fā)布時間:2021-03-28 |次瀏覽
蜂窩陶瓷具有比表面積大、隔熱性較好、重量較輕、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐酸堿等特點，而被廣泛應用于汽車尾氣處理、煙道氣的凈化、蓄熱體、紅外輻射燃燒板、粉末冶金的承燒
蜂窩陶瓷作為一種功能性多孔材料田，越來越受人們的重視，其應用范圍不斷擴大，應用水平也不斷提高。因為蜂窩陶瓷具有比表面積大、隔熱性較好、重量較輕、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐酸堿等特點，而被廣泛應用于汽車尾氣處理、煙道氣的凈化、蓄熱體、紅外輻射燃燒板、粉末冶金的承燒板、化學反應的載體和催化劑、窯爐的隔熱材料等領域闌。近年來．隨著制備工藝的不斷發(fā)展．其應用范圍不斷擴大。蜂窩陶瓷可由多種材質(zhì)制成．主要材質(zhì)有堇青石、莫來石、碳化硅、氧化鋯、氮化硅及堇青石一莫來石等復合基質(zhì)。幾種材質(zhì)的蜂窩陶瓷的性能如表1所示。
2．1國外堇青石蜂窩陶瓷的進展
1972年美國尾氣凈化條例的實施．推動了汽車尾氣凈化器的發(fā)展，美國Comin只公司率先通過擠壓成型技術制備了具有高性能、可滿足美國尾氣凈化條例要求的堇青石蜂窩陶瓷，其制成的蜂窩陶瓷凈化器應用到了各種車型上。隨著對潔凈空氣的需求越來越高，以及蜂窩陶瓷載體迅速發(fā)展，產(chǎn)品很快從200孔／平方英寸擴到300孔／平方英寸。在1979年，美國Coming公司推出了400孔／平
方英寸，壁厚為0.165mm的蜂窩陶瓷(后成為堇青石蜂窩陶瓷的工業(yè)標準1；到1996年，日本HONDA公司就已經(jīng)生產(chǎn)出了600孔／平方英寸的產(chǎn)品鯽。
目前，美國Coming公司以及日本NGK公司已經(jīng)能生產(chǎn)900孔／平方英寸．壁厚為0．0508mm的蜂窩陶瓷。處于水平。他們采用的是一次燒成工藝。而國內(nèi)大部分研究和生產(chǎn)廠家仍然采用20世紀80年代的二次燒成工藝。
2．2國內(nèi)堇青石蜂窩陶瓷的進展
在20世紀80年代，國內(nèi)的許多科研單位就已經(jīng)開始研制低熱膨脹系數(shù)的高性能堇青石蜂窩陶瓷。從1984年開始用擠出法生產(chǎn)薄壁蜂窩陶瓷，但規(guī)模很小。盡管這些研究取得了一定的進展．但并沒有完全消除與國外先進產(chǎn)品的性能差距。進入20世紀90年代后．逐步提高了汽車尾氣的排放標準。這就使汽車尾氣催化凈化器及其載體市場潛力進一步凸顯出來。
目前，他們主要生產(chǎn)400面00孔，平方英寸的薄壁蜂窩陶瓷。國內(nèi)開展蜂窩陶瓷研制的單位有上海硅酸鹽研究所、山東工業(yè)陶瓷研究設計院、中科院環(huán)境化學研究所、咸陽陶瓷研究設計院等，這些主要是堇青石質(zhì)蜂窩陶瓷的研究。
3 堇青石蜂窩陶瓷的制備工藝
一般堇青石蜂窩陶瓷的制備工藝流程如圖1所示。主原料合成——混練——陳腐——擠出成形——干燥——燒成——檢驗包裝
圖1堇青石蜂窩陶瓷的制備工藝流程示意圖堇青石蜂窩陶瓷的合成方法主要有固相合成法、溶膠一凝膠合成法兩種嗍。
(1)固相合成法
固相合成法具有生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)效率高等點，是常用的合成方法。又可分為干法和濕法，濕法工藝于干法工藝。干法是指采用干法混料經(jīng)半干壓壓制成坯。然后再干燥、燒成。
濕法是指各原料人球磨機加水濕磨，泥漿經(jīng)壓濾機脫水制成泥餅，然后真空混練，再擠出成坯，后干燥、燒成。
(2)溶膠一凝膠法f液相法1
溶膠一凝膠法屬于濕法化學反應方法．是以液體化學試劑(或將粉狀試劑溶于溶劑)或溶膠為原料，反應物在
液相下均勻混合并進行反應，后獲得所需要的產(chǎn)品。
4 影響堇青石蜂窩陶瓷熱膨脹系數(shù)的因素
Lachman I．M．等人撰文指出根據(jù)MgO—A1203一Si02三元相圖[9】，堇青石的理論組成點存在一個低膨脹區(qū)，在原料和工藝相同的條件下，富含Al：O。和MgO的堇青石質(zhì)蜂窩陶瓷熱膨脹系數(shù)較理論組成低。堇青石的生成可以是的，也可以是人工合成的，尤其在人工合成時，不同的化學條件，往往會引起堇青石化學成份在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化．這些微小的變化會對堇青石蜂窩陶瓷的性能有顯著的改變。
目前，我國在人工合成堇青石方面作了很多的研究，并試用了綠泥石、滑石、高嶺土、高鋁礬土、粘土等原料【砌。發(fā)現(xiàn)要得到低熱膨脹系數(shù)的堇青石蜂窩陶瓷，可以從以下幾方面進行研究。
4．1控制堿金屬的含量
有．隨著堿金屬含量的增加，堇青石蜂窩陶瓷的熱膨脹系數(shù)呈指數(shù)形式上升。其原因可能是堿金屬離子能夠進入到o【一堇青石六元環(huán)中的通道．與六元環(huán)頂點上Al／Si四面體的配位氧原子鍵合。隨著溫度升高，因堿金屬離子與氧原子之間鍵強較小，熱振動劇烈，且同一通道內(nèi)的堿金屬離子之間相互排斥，從而導致熱膨脹系數(shù)變大。因此．可通過控制原料中堿金屬的含量，來降低產(chǎn)品的熱膨脹系數(shù)。
4．2微觀結構
羅凌虹等人[11俐用xRD、SEM等測試技術對NGK和國內(nèi)的堇青石蜂窩陶瓷樣品進行對比分析和研究，發(fā)現(xiàn)在微觀結構上NGK堇青石蜂窩陶瓷的斷面和端面中有微裂紋的存在．大地減小堇青石蜂窩陶瓷的熱膨脹系數(shù)，國內(nèi)的堇青石蜂窩陶瓷斷面和端面是沒有裂紋的。針對微裂紋的形成?？梢酝ㄟ^改善燒成制度、引入合適的成孔劑等方法以達到目的。
4．3堇青石蜂窩陶瓷的原料
白佳海等人列出參考資料【12】對堇青石蜂窩陶瓷的低熱膨脹分析認為：堇青石原料的粒度和形貌對其熱膨脹系數(shù)的影響非常大。在制備工藝相同的條件下．選取片狀的高嶺土可造成堇青石結晶晶粒的定向排列，有利于降低堇青石蜂窩陶瓷的熱膨脹。在一定的粒度范圍內(nèi)，粒徑較小的原料由于比表面積大、活性高、反應燒結中傳質(zhì)快，有利于降低堇青石材料的熱膨脹系數(shù)。
