汽车尾气净化器载体及涂层的研究进展
摘要：
随着时代科技的发展，汽车在日常生活中起着重要的作用，但是随之而来的问题也是越来越多，交通拥挤等，但更为严重的是空气污染，温室效应。
虽然现在开始采用多种措施，但是还是避免不了有害气体的排放。
汽车尾气的污染物主要有一氧化碳( CO)、碳氢化合物( HC)、化物(NOx)、氧化硫( SO2)和微粒物质(铅化物、烟等)。
现在大多数国家和地区采用的是机内净化和机外控制两类技术，其中在汽车排气尾管安装催化转化器是被广泛采用的，催化转换器是由壳体、减震层、载体、及催化剂四部分构成的。
载体多以蜂窝陶瓷载体为主，催化剂则以尽量消除废气为目的来展开研究的。
根据多孔陶瓷材料在气体污染控制、废物处理及噪声控制等方面的应用研究现状，我们可以看到多孔陶瓷材料载体及催化剂在处理尾气方面做出的贡献。
关键字：多孔陶瓷载体、蜂窝陶瓷、γ - Al2O3 、堇青石
引言：
随着世界各国政府对汽车尾气排放日益重视且制定了严格的尾气排放标准,因而对汽车尾气净化器的要求也就越来越高，开发具有高效率尾气净化能力的催化净化装置迫在眉睫。
这个研究不仅仅实在汽车尾气方面，而且在各大工厂、研究所等废气、毒气排放方面也会有重大的社会价值。
甚至在更换催化剂后可以在更宽大的领域有作用。
以前存在的金属载体，由于其有很大的局限性。
逐渐的被社会淘汰，对于球形活性氧化铝载体，活性氧化铝主要是指γ - Al2O3，早期多采用此类载体。
但是由于活性氧化铝密度大，热容高，又是堆积式填装，易导致发动机排气阻力增大，背压大，油耗上升，功率下降而且在转化器中易磨损粉化，造成二次污染。
目前已经被整体式蜂窝状载体所代替。
蜂窝陶瓷无数相等的孔组成的各种形状，目前最大的孔数已达到了每平方厘米20~40，密度每立方厘米4～6克，吸水率最高达20%以上。
由于多孔薄壁的特点，大大增加了载体的几何表面积和改善了抗热冲击性能，目前生产的产品，其网状孔以三角和四方为主，三角比四方承受力好得多，孔数也多些，这一点作为催化载体尤其重要。
随着单位面积孔数的提高和载体孔壁厚度的减少，陶瓷载体的抗热冲击趋势是提高的，热冲击破坏的温度也是提高的。
因此蜂窝陶瓷必须要降低膨胀系数和提高单位面积的孔数。
热膨胀系数是主要性能指标。
多孔陶瓷材料在环境工程中应用的吸附、滤等机理及孔隙率、孔径、径分布等参量指标是影响多孔陶瓷材料作为环境功能材料性能的决定因素。
其韧性、性和形貌的控制及再生利用等是当前研究的热点和难点。
堇青石（MgO2Al2O3.5SiO2）是现在比较好的材料实验通过测定不同材料的性能和不同的制备方法来评测多孔陶瓷载体的用料及生产方式，来最大效率的处理尾气。
1. 制备多孔陶瓷材料的常用工艺比较
成型方法孔径
气孔率
( %) 优点缺点
应用实例
有机泡沫浸渍工艺100μm～
5mm
70～90 能制备高气孔率闭
气孔制品且强度
好
不能制备小
孔径闭气空
的制品，制品
形状受限，密
度不宜控制
金属熔体过滤
器
发泡工艺10μm～
2mm 40～90特别适于制备闭气
空孔的制品，气孔
率大，强度高
对原料的要
求高，工艺条
件不易控制
轻质建材，保温
材料
添加造孔剂工艺10μm～
1mm
≤50 可制得形状复杂及
各种气孔结构的制
品
气孔分布性
差、不适宜制
备高气孔率
的制品
一般过滤器催
化剂支持体
溶胶-凝胶工艺2nm～
10nm
≤95 适于制备微孔陶
瓷及薄膜材料，气
孔分布均匀
原料受限，生
存率低，制品
形状受限制
微孔分离膜、
吸音材料
挤压成型≥1mm ≤70 孔形状、尺寸高度
均匀可控，易大量
连续生产很难制造出
小孔径制品
汽车尾气催化
剂载体
颗粒堆积0.1μm至
几十毫米20~30 容易加工成型，强
度较高
气孔率较低部分催化膜
由上表格可见，挤压成型是如今制造汽车尾气催化剂载体的常用方法，这种制备方法制备的蜂窝陶瓷尺寸、形状、间壁厚度、孔隙率等均匀性优良，但是对材料的塑性要求很高，所以说提高材料的韧性势在必行。
2. 多孔陶瓷的强韧化
目前，广泛采用的载体是为蜂窝状的堇青石。
堇青石载体在高温成型过程中，比表面积急剧下降，约为每克几个平方米左右。
其合成见图1，在制造载体的过程中往往会加入一定量
的氧化物，比如氧化铝、氧化锆富铝红柱石等。
下面介绍一下载体加入氧化锆的情况，氧化锆会随着温度变化变化形成单斜晶、正方晶与立方晶三种结构。
在室温下单斜和正方之间相互转化，引起体积变化，可以加入Y2O3、CaO 、MgO 等氧化物固溶于氧化锆形成稳定的氧化锆，这种材料具有优异的绝热性与接近耐热合金的膨胀系数。
随着粉末合成技术的进步，部分稳定化氧化锆（PSZ ），这种材料具有高破坏韧性值，其破坏强度在蜂窝型陶瓷体具有最高值而
且有优异的耐磨损性能。
图 1 堇青石的合成 图 2 附着薄涂层后的蜂窝陶瓷
3. 催化剂表面涂层要求
蜂窝状结构的表面通常是玻璃状或者相当平滑，难以固定催化组分，因此需要在其表面涂上一层涂层。
这种涂层不仅易于固定催化剂活性组分，而且应该具有较大的表面积而使催化剂更加稳定，并能抗硫和卤素等化学毒物。
汽车已涂层只用于蜂窝状催化转化器,要求它与基体的热膨胀系数相差较小,以免发生两者的分离;还要能耐高温,不发生烧结或相变,以保持高的催化转化比表面积。
此外催化助剂往往直接加入涂层中,希望利用涂层与催化剂的强相互作用,改进催化性能,因而涂层常含有铂族贵金属,此外通常还含有催化助剂和添加剂，它的技术关键在于维持在高温服役时的高的比表面积;保持与蜂窝陶瓷载体的较好的 结合;减少涂层对载体的弱化作用。
A l2O 3的高度分散和稳定化对催化转化器的催化性能有决定性的意义（其显微结构见图2） 。
4. 涂层与载体的结合程度影响因素
调节涂层的弹性模量可以调控复合材料热膨胀系数。
对负载成分和制备条件进行优化,改善涂层的微观结构和弹性模量,使弹性模量变化于 32. 3～0GPa 之间。
当涂层的弹性模量较小时,才能使基体膨胀系数小的优点发挥作用。
实测的复合材料的热膨胀系数在 6～ 15×10- 7之间
,
故涂层的弹性模量应在0～10GPa。
这说明堇青石与 A l2O 3的结合并不完整。
这有利于耐久性的提高。
涂层后不应对蜂窝陶瓷产生有害的影响。
小心地控制涂层工艺可避免这一点。
结论：
目前在多孔陶瓷材料的研究和应用方面还存在许多问题有待解决；( 1 )多孔陶瓷特有的高脆性和低韧性；( 2)精确的孔形貌结构的控制；( 3 )低成本、高生产率、工艺成熟的工业规模的生产制备方法；( 4 )多孔陶瓷材料的二次修饰及处理；( 5 )实际应用后多孔材料的再生及回收利用；( 6 )提高催化剂载体活性的同时兼顾使用寿命等。
但是我相信随着各应用领域对多孔陶瓷需求的不断扩大及对高性能多孔陶瓷的迫切需要，特别是本世纪控制和改善环境的呼声不断高涨，将会促进多孔陶瓷技术飞速发展。
多孔陶瓷因其特殊的孔结构和陶瓷本身的特殊性能，使其成为一种性能优异，作用独特的新型陶瓷材料。
多孔陶瓷的研究和开发已经受到人们的普遍重视，多孔陶瓷在许多领域已有广泛的应用，特别是在能源、环保、化工等方面的应用已初露锋芒。
这就激励着我们的陶瓷工作者要深入涉及更广阔的领域，保持开发创新的思维方式，将我国多孔陶瓷材料的研究开发推向一个新的高度。
-参考文献：
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[2] 穆柏春等.陶瓷材料的强韧化［C］.北京：冶金工业出版社，2002.257-260.
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