X收稿日期:2008-07-12基金项目:重庆市科技攻关重大项目(CSTC,2005AA3012-1).作者简介:孙键(1968)),男,湖北武汉人,工程师,主要从事汽车检测研究.汽车尾气净化器载体及涂层的结构形貌X孙 键1,3,赵玮霖2,张叶成2,张毓栋4,马鸣图5(1.武汉理工大学,武汉 430070; 2.重庆工学院材料科学与工程学院,重庆 400050;3.重庆机电职业技术学院,重庆 400023; 4.柳州汽车配件三厂,广西柳州 545006;5.重庆汽车研究所,重庆 400039)摘要:介绍了汽车尾气净化器的组成及功能,结合汽车尾气净化器的工作机理,通过扫描电子显微镜-能谱仪对蜂窝型汽车尾气净化器载体和表面涂层的结构与形貌进行了综合分析.实际测试证明:自主研发的汽车、摩托车尾气净化器可以满足现行的国家尾气排放标准.关 键 词:汽车;尾气净化;蜂窝载体;涂层中图分类号:U473;TQ426 文献标识码:A文章编号:1671-0924(2008)08-0011-03Structural Images of Catalytic Support and Coatingfor Automobile Exhaust Gas Purifying SystemSUN Jian 1,3,Z HAO We-i lin 2,Z HANG Ye -cheng 2,ZHANG Yu -dong 4,MA Ming -tu 5(1.Wuhan University of T echnology,Wuhan 430070,China; 2.College of Material Science and Engineering,Chongqing Insti tute of Technology,Chongqing 400050,China; 3.Chongqing Electromechanical Vocational College,Chongqing 400023,China;4.Liuzhou No.3Auto Parts Factory,Liuzhou 545006,China;5.Chongqing Research Institute of Automobile,Chongqin g 400039,China)Abstract:The composition and function of automobile exhaust gas purifying syste m is introduced.The m-i crostructure and morphology of honeycomb Carrier and coating is analyzed with SEM -EDS according to the action mechanism of automobile exhaust gas purifying system.Tests demonstrate that autonomous re -searched purifying systems for automobile and motorcycle can meet national standard for emission.Key words:automobile;emission purification;honeyc omb carrier;coating 汽车尾气的排放已成为我国许多大中型城市大气污染的一项重要形式.地球变暖所引起的一系列温室效应,以及臭氧层破坏形成的全球性环境问题正威胁着人类的生存空间.与此同时,全世界环境保护和资源保护意识不断增强,特别是对大气污染和水质污染的排放指标控制越来越严格,因而治理汽车尾气污染问题就显得尤为重要.目前,国内外主要采用蜂窝型汽车尾气净化器降第22卷 第8期Vol.22 No.8重庆工学院学报(自然科学)Journal of Chongqing Institute of Technology(Natural Science)2008年8月Aug.2008低尾气污染物的排放,其核心技术是催化床,一般包括3个部分:载体、高比表面涂层、催化剂.催化剂在治理汽车尾气中起到质的作用,因而催化剂载体性质对净化器有着重要的影响.目前我国相关科研单位和厂家在催化剂载体的选择问题上尚未得出统一的结论[1-6].本研究以本课题组自主研发的汽车、摩托车蜂窝型陶瓷载体净化器为例,从其载体和涂层的结构和形貌的角度对该净化器进行了系统的分析和讨论.1 汽车尾气净化器的特点和工作原理汽车运行时要经过启动、加速、匀速、减速等一系列工作过程,各个阶段的尾气污染状况都不相同,因此汽车尾气净化器的工作环境十分复杂.所以催化剂载体应具备很高的热稳定性、机械强度、很低的热容量,且载体材质不含有任何可使催化剂中毒的物质,并具有适宜的物理性能[1].涂层应与基体的热膨胀系数相接近并能促进催化剂的催化作用,涂层的比表面积高且具有好的热稳定性.汽车尾气净化器主要是由载体表面的催化剂材料对汽车发动机排出废气中的污染物进行化学转化处理.催化剂是一种加速化学反应、且在反应前后自身不被消耗的物质.汽车尾气中的有害气体主要是C O,HC 和NO x .催化剂的作用就是将CO,HC 和NO x 转化为CO 2,H 2O 和N 2,实现汽车尾气低污染和无污染排放.现以蜂窝型载体为例,其作用原理如图1所示.图1 汽车尾气净化原理2 陶瓷蜂窝型载体最初用于汽车催化剂载体的材料为Al 2O 3颗粒,但由于其有强度低、易破碎、阻力大、影响汽车发动机的动力性能等缺点而逐渐被蜂窝状催化剂载体所取代[7].图2为本课题组自主研发的蜂窝型尾气净化器.该蜂窝载体的网格形状比较均匀,网格的平均长度约为1.6mm,其孔板壁厚(已附有涂层)150~200L m,均已达到相关蜂窝载体的性能指标(孔数/inch 2:200;壁厚/mm:0.3[1]).之后所发展起来的金属合金蜂窝载体虽然在一定程度上弥补了陶瓷蜂窝载体的机械强度低、热容量小等缺点,但由于金属合金蜂窝载体生产成本较高,大量生产的技术尚未确定,提高比表面积的涂层工艺还不完善,因而尚未得到广泛的应用.表1[4]对比了400孔/inch 2的陶瓷载体和金属载体的一些特点.图2 蜂窝型催化剂载体实物表1 陶瓷和金属载体的对比载体种类陶瓷金属材料董青石铁素体耐热不锈钢孔板厚度/L m 17050比热/(kJ/kg #k)1.00.5热传导率/(W/m #K)114前部开口率/%7590几何学表面积/m 22.7@10-53.2@10-3目前在汽车尾气净化器中应用较为广泛的载体材料是董青石,其原因是:¹价格便宜;º原材12重庆工学院学报料易于取得;»生产工艺简单易行;¼性能基本满足使用需要[2].蜂窝陶瓷目前发展的趋势是降低膨胀系数和提高单位面积的孔数.由于汽车尾气净化时,载体存在着较大的热畸变,因此要求陶瓷膨胀系数尽量小,以使长期使用过程中陶瓷载体不开裂.董青石是在MgO-Al 2O 3-SiO 2体系中高温合成的,最终的组成为2MgO #2Al 2O 3#5SiO 2,其焙烧温度为1400~1420e[3].为了有效的提高催化效果,必须在载体上涂覆一层比表面积大的涂层材料,以分散和稳定催化活性组分,扩大催化活性组分的有效催化面积.目前氧化铝涂层浆液的制备方法主要有3种:¹以硝酸铝或氯化铝为原料,采用溶胶一凝胶法制备铝溶胶;º以活性氧化铝粉体为原料制备涂层浆液;»以拟薄水铝石为原料制备铝溶胶,然后在载体上涂覆以形成氧化铝涂层的溶胶)凝胶方法.因活性氧化铝粉体容易加工,价格相对便宜,为此本研究中采用第2种方法在载体内部涂覆高比表面积的C -Al 2O 3涂层.图3为涂有C -Al 2O 3涂层的董青石表面的微观形貌.由图3可以看出,该涂层具有多颗粒、多孔隙、比表面积大的特点.众所周知,处于固体表面上的原子与固体内部的原子不同,内部原子所受的力是对称的,但表面原子在垂直于表面方向的力并未饱和,而处在力的不平衡状态.这种不平衡力场与气体或液体分子产生的力场相互作用就会产生吸引力.另一方面,由于表面原子所受合力的方向是向着团体内部的,如果将内部原子迁移到表面,就需要克服吸力做功,这种功就将转化成固体本身的能量.由此可见,表面原子的能量比内部原子的能量大.将单位质量的固体分散得越细,其表面积越大,表面能也就越大.因此,这种表面原子的不饱和性和表面能的存在,能使固体表面产生吸附现象.如果外来分子被吸附在固体表面上,则表面分子所受来自内部分子一侧的引力就会部分被抵消,这样,吸附外来分子时就降低了表面能.因而大的比表面积可以使贵金属活性组分充分填充在表面的空隙中,以长期充分发挥催化剂的作用,从而可以大大提高净化器的工作效率和使用年限.图3 涂层表面形貌3 催化剂在汽车催化剂开发的初始阶段,曾对除贵金属以外的5000种元素、化合物进行筛选,但是能够满足净化性能与耐久性能的材料只有贵金属[4],特别是三元催化剂中以铂与铑相结合的催化剂具有优异的性能.目前使用较为广泛的是以贵金属(Pt 、Rh 、Pd)为活性组分,与稳定剂和辅助催化剂(一般使用Ce O 2)一起通过浸渍,分散在高比表面积的C -Al 2O 3涂层中.净化器中的金属Rh 是还原反应的催化剂,主要是分解排气中的NO X ,促使其转化成无害的N 2和O 2;Pt 则是氧化反应的催化剂,利用还原反应生成的及周边气氛中含有的O 2去进一步氧化排气中的HC 和C O.这样过氧化还原的综合作用减少了汽车尾气中有害气体的排放.对经过三效催化剂浸渍的蜂窝型载体涂层进行能谱分析(见图4),在随意选择的微小区域内含量较多的元素为O,Al,这正是载体和涂层的主要组成元素;Si 则是董青石的组成元素;催化剂元素Pd 、d 则证明了该涂层中已均匀吸附了催化剂.Ce 元素是本课题组为节约贵金属而添加的稀土元素.4 结论1)通过对某汽车尾气净化器的载体进行宏观及微观测量,得出该蜂窝型载体在形状、网格尺寸方面均达到使用标准.2)对涂层的微观形貌进行观察,说明该涂层具有多颗粒、多孔隙、比表面积大等优点.可以很均匀地吸附和储存催化剂,为达到理想的净化效果创造了条件.3)利用能谱仪对经过催化剂浸渍的涂层进行测试,发现了在催化剂中含有对尾(下转第177页)13孙 键,等:汽车尾气净化器载体及涂层的结构形貌7 结束语运用ANP 算法对高校图书馆评估模型求解,核心工作在于超矩阵构造及权重计算.具体的判断矩阵等求解过程非常浩大复杂,借助于Matlab7.0软件能够使计算程序化.本研究对于高校图书馆评估模型的ANP 算法作了具体分析和详细解答,其结果说明了ANP 方法在高校图书馆评估中的可行性与合理性.参考文献:[1] 袁国英.高校图书馆绩效评估指标体系及方法[J].图书馆学刊,2005(5):24-26.[2] 徐兴余.图书馆评估中的序数排列方法[J].图书馆理论与实践,2006(3):68,102.[3] 魏铁进.图书馆评估中的AHP 方法研究[J].中国图书馆学报.2002(4):86-89.[4] 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