堇青石蜂窩陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用

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1、堇青石蜂窩陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了堇青石蜂窩陶瓷在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀、堇青石蜂窩陶瓷的制備工藝、影響堇青石蜂窩陶瓷熱膨脹系數(shù)的因素，以及堇青石蜂窩陶瓷的應(yīng)用方向。隨著堇青石蜂窩陶瓷性能的提高，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。關(guān)鍵詞：堇青石；蜂窩陶瓷；熱膨脹系數(shù)；發(fā)展現(xiàn)狀；應(yīng)用1前言蜂窩陶瓷作為一種功能性多孔材料[1]，越來(lái)越受人們的重視，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，應(yīng)用水平也不斷提高。因?yàn)榉涓C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(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于汽車尾氣處理、煙道氣的凈化、蓄熱體、紅外輻射燃

2、燒板、粉末冶金的承燒板、化學(xué)反應(yīng)的載體和催化劑、窯爐的隔熱材料等領(lǐng)域[2-5]。近年來(lái)，隨著制備工藝的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)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(lái)石、碳化硅、氧化鋯、氮化硅及堇青石-莫來(lái)石等復(fù)合基質(zhì)。幾種材質(zhì)的蜂窩陶瓷的性能如表1所示。2堇青石蜂窩陶瓷的發(fā)展2.1國(guó)外堇青石蜂窩陶瓷的進(jìn)展91972年美國(guó)尾氣凈化條例的實(shí)施，推動(dòng)了汽車尾氣凈化器的發(fā)展，美國(guó)Corning公司率先通過(guò)擠壓成型技術(shù)制備了具有高性能、可滿足美國(guó)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(yīng)用到了各種車型

3、上。隨著對(duì)潔凈空氣的需求越來(lái)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(kuò)到300孔/平方英寸。在1979年，美國(guó)Corning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(biāo)準(zhǔn)）；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[6-7]。目前，美國(guó)Corning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，處于世界領(lǐng)先水平。他們采用的是一次燒成工藝，而國(guó)內(nèi)大部分研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家仍然采用20世紀(jì)80年

4、代的二次燒成工藝。2.2國(guó)內(nèi)堇青石蜂窩陶瓷的進(jìn)展在20世紀(jì)80年代，國(guó)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(jìn)展，但并沒(méi)有完全消除與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品的性能差距。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，國(guó)家逐步提高了汽車尾氣的排放標(biāo)準(zhǔn)。這就使汽車尾氣催化凈化器及其載體市場(chǎng)潛力進(jìn)一步凸顯出來(lái)。9目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)堇青石蜂窩陶瓷的主要廠家有：江蘇省宜興非金屬化工機(jī)械廠有限公司、萍鄉(xiāng)市高科陶瓷有限責(zé)任公司、山西科德技術(shù)陶瓷有限公司、宜興市光天耐火科技

5、有限公司、宜興市前錦特陶科技有限公司、萍鄉(xiāng)市鑫陶化工填料有限公司等等，他們主要生產(chǎn)400～600孔/平方英寸的薄壁蜂窩陶瓷。國(guó)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(shè)計(jì)院、中科院環(huán)境化學(xué)研究所、咸陽(yáng)陶瓷研究設(shè)計(jì)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。堇青石蜂窩陶瓷的合成方法主要有固相合成法、溶膠―凝膠合成法兩種[8]。（1）固相合成法固相合成法具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，是最常用的合成方法。又可分為干法和濕法，濕法工藝優(yōu)于干

6、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。濕法是指各原料入球磨機(jī)加水濕磨，泥漿經(jīng)壓濾機(jī)脫水制成泥餅，然后真空混練，再擠出成坯，最后干燥、燒成。（2）溶膠―凝膠法（液相法）9溶膠―凝膠法屬于濕法化學(xué)反應(yīng)方法，是以液體化學(xué)試劑（或?qū)⒎蹱钤噭┤苡谌軇┗蛉苣z為原料，反應(yīng)物在液相下均勻混合并進(jìn)行反應(yīng)，最后獲得所需要的產(chǎn)品。4影響堇青石蜂窩陶瓷熱膨脹系數(shù)的因素LachmanI.M.等人撰文指出根據(jù)MgO-Al2O3-SiO2三元相圖[9]，堇青石的理論組成點(diǎn)存在一個(gè)低膨脹區(qū)，在原料和工藝相同的條件下，富含Al2

7、O3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天然的，也可以是人工合成的，尤其在人工合成時(shí)，不同的化學(xué)條件，往往會(huì)引起堇青石化學(xué)成份在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化，這些微小的變化會(huì)對(duì)堇青石蜂窩陶瓷的性能有顯著的改變。目前，我國(guó)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、粘土等天然原料[10]。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(jìn)行研究。4.1控制堿金屬的含量9有研究發(fā)現(xiàn)，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

8、子能夠進(jìn)入到α-堇青石六元環(huán)中的通道，與六元環(huán)頂點(diǎn)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(qiáng)較小，熱振動(dòng)劇烈，且同一通道內(nèi)的堿金屬離子之間相互排斥，從而導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)變大。因此，可通過(guò)控制原料中堿金屬的含量，來(lái)降低產(chǎn)品的熱膨脹系數(shù)。4.2微觀結(jié)構(gòu)羅凌虹等人[11]利用