一種車用尾氣凈化器及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及機動車排氣凈化領域，尤其是一種車用尾氣凈化器及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 隨著空氣污染問題的日益突出和汽車數量的迅速增加，汽車排放的廢氣已成為城 市大氣環境污染的主要污染源之一。汽車尾氣中的有害物質主要有C0、NOx和HC，多環芳 烴（PAH)以及懸浮物（SPM)等。NOx和HC在大氣中經過一系列的光化學反應，易生成臭氧 等多種氧化性很強的物質，形成光化學煙霧。光化學煙霧不僅嚴重危害人的健康，而且會對 動植物和各種材料造成嚴重破壞。
[0003] 車用尾氣凈化器，是安裝在汽車排氣系統中最重要的機外凈化裝置，它可將汽車 尾氣排出的C0、HC和NOx等有害氣體通過氧化和還原作用轉變為無害的二氧化碳、水和氮 氣。當高溫的汽車尾氣通過凈化裝置時，尾氣凈化器中的凈化劑將增強CO、HC和NOx三種 氣體的活性，促使其進行一定的氧化-還原化學反應，其中C0在高溫下氧化成為無色、無毒 的二氧化碳氣體；HC化合物在高溫下氧化成水（H20)和二氧化碳；NOx還原成氮氣和氧氣。 三種有害氣體變成無害氣體，使汽車尾氣得以凈化。
[0004] 尾氣凈化器包括殼體、載體和覆蓋于載體表面的催化劑。早期的載體多采用顆粒 載體，但由于顆粒載體的催化劑具有堆集密度大、床層阻力大、易粉碎等缺點，不適于汽車 尾氣凈化。而蜂窩狀整裝催化劑載體由于具有縱向、連續、不受阻擋的通道，排氣阻力小等 優點，在后來的研究中被廣泛應用于汽車尾氣的凈化，目前汽車尾氣催化劑多采用這類載 體。20世紀70年代初，3M公司和福特公司用燒結法生產出一種蜂窩陶瓷載體，1972年康 寧公司也開發出一種蜂窩陶瓷載體，1986年康寧公司在西德設備廠生產蜂窩陶瓷載體，以 滿足歐洲汽車工業的需要，為車用催化劑的大規模推廣奠定了堅實的物質基礎。我國大約 在20世紀80年代中期開始生產蜂窩陶瓷載體，雖然經過了十幾年的發展，但由于技術、設 備等原因，與國外的產品相比，還有一定的差距。
[0005] 陶瓷載體是目前廣泛使用的汽車尾氣凈化催化劑載體，其中比較常見的是堇青石 質蜂窩陶瓷載體。工業化的堇青石陶瓷制備方法，多以高嶺土、滑石或純組分氧化物為原 料，采用高溫固相反應合成。該方法具有生產工藝簡單，生產效率高等優點；但其存在的最 大問題就是合成溫度高，能源消耗大，燒結溫度達1390~1400°C，且其燒結溫區很窄。如引 入玻璃相，可以適當降低堇青石陶瓷的燒結溫度，拓寬其燒結溫區，但卻提高了其熱膨脹系 數，降低了抗熱震和侵蝕的能力。沉淀包裹法和溶膠-凝膠法工藝要求比較嚴格，合成過程 復雜，原料多為有機化合物，價格昂貴，有些還對人體有害，很難滿足工業應用要求。
[0006] 在利用添加助劑改善堇青石陶瓷性能方面，助劑多為單一組元，往往平均熱膨脹 系數很小，但其a軸和c軸的熱膨脹系數卻存在較大差異，很難使"零膨脹"與各向異性熱 效應相協調，從而降低了堇青石陶瓷的熱性能。
[0007] 氧化鋁也是一種常見的陶瓷材料，具有耐高溫、耐磨、耐腐蝕、抗氧化等許多優良 的性能，但是由于氧化鋁自身陽離子電荷多，半徑小，離子鍵強等特點，導致其晶格能較大， 擴散系數較低，燒結溫度高，另外也由于其脆性大、熱膨脹系數高的缺陷使其應用受到了一 定的限制，故亟需尋找一種可以解決上述問題的有效方法。

【發明內容】

[0008] 為解決上述問題，本發明公開了 一種車用尾氣凈化器及其制備方法，該尾氣凈化 劑的載體是以氧化鋁為基質，加入燒結助劑、氮化鈦、分散劑、稀土氧化物和增強材料使制 得的載體具有高抗壓強度、較低的熱膨脹系數和較高的導熱性能和散熱性能。
[0009] 本發明的技術方案是：一種車用尾氣凈化器，包括殼體和蜂窩陶瓷載體，蜂窩陶瓷 載體固定在殼體內，所述蜂窩陶瓷載體的多孔結構包括彎曲的蛇形通道和直道，直道連通 到蛇形通道上，所述蜂窩陶瓷載體的組分及其質量分數包括：燒結助劑：1〇_15%，氮化鈦： 4-10%，分散劑：2-5%，稀土氧化物：2-5%，增強纖維：1-2%，余量為氧化鋁粉體。（其中直 道連通到載體表面，蛇形通道設置在載體內部，如此設置可以降低載體表面的進氣阻力，從 而提高高速高溫尾氣進入載體進行凈化的效率）
[0010] 作為一種優選，所述蜂窩陶瓷載體的開口氣孔率為70-80 %。開口氣孔率對蜂窩陶 瓷載體的導熱性能有較大的影響，高開孔率蜂窩陶瓷的當量直徑大于低開孔率蜂窩陶瓷當 量直徑，這樣，相同體積下，具有70-80%的開口氣孔率的蜂窩陶瓷具有更大的孔內面積，溫 度較高的時候，輻射傳熱增加更快，使有效導熱系數快速升高。
[0011] 作為一種優選，所述直道和蛇形通道的氣孔體積比為（7-8): (4-5)。在陶瓷載 體內部設置部分彎曲的蛇形通道，并與直道連通，使得尾氣氣流在經過連通處時形成渦流 或者湍流而發生不規則混合，起到攪拌的作用，同時蛇形通道也增加了尾氣與通道表面催 化劑的接觸面積以及接觸壓力，有效提高催化效率。當直道和蛇形通道的氣孔體積比為 (7-8) : (4-5)時，控制直道體積大于蛇形通道體積，尾氣的進氣阻力不會太大，與孔壁的接 觸壓力也不會超過開裂限度，有利于尾氣凈化的順利進行。
[0012] 作為一種優選，氧化鋁粉體粒徑為150-200nm。普通氧化鋁質陶瓷材料往往需要較 高的燒結溫度而增加了其在尾氣凈化器中的應用成本。由于燒結是通過表面張力來實現物 質的迀移，故需要較高的活化能，而細化的氧化鋁陶瓷顆粒粒徑小、比表面積大、表面活性 高，顆粒間擴散的距離短，只需要較低的燒結活化能和燒結溫度，能夠明顯改善陶瓷體的物 理性能，顯示出優良的力學性能。
[0013] 作為一種優選，燒結助劑為MgO、CaO、Si02、V20 5、Fe203、Ti02中的至少兩種。多種 燒結助劑的加入能有效降低氧化鋁陶瓷材料的熱膨脹系數和燒結溫度，提高燒結性能，由 于氧化鋁納米粉體顆粒的表面能較大，高溫燒結致密化的過程中晶粒容易迅速生長影響材 料力學性能，而在氧化鋁陶瓷涂料中加入燒結助劑，一方面可抑制其晶粒在高溫時長大，另 一方面，還可降低其燒結溫度。
[0014] 添加2-5%的稀土氧化物，例如氧化鑭、氧化鈰、氧化鐠，均可明顯改善氧化鋁陶瓷 材料的顯微結構和性能，其中鑭、鈰、鐠元素是表面活性元素，當其氧化物顆粒與基體顆粒 相遇時，傾向于分布在基體顆粒表面，吸附晶界處的雜質，凈化晶界。另外稀土氧化物顆粒 與氧化鋁顆粒接觸反應形成低熔點液相，可明顯降低陶瓷的燒結溫度。當稀土氧化物含量 低于2%時，燒結溫度降低不明顯，影響凈化器的表面活性，而含量高于5%時，會導致孔隙 率大大降低，并不利于增加陶瓷材料的比表面積，故其含量沒有必要大于5%。
[0015] 作為一種優選，氮化鈦與稀土氧化物的質量比為（3-5) : 2。氮化鈦在本發明的蜂窩 陶瓷材料中起到較好的導熱作用，較高的導熱性能在較大的區域內把熱能散開來，避免因 熱應力而產生缺陷，受熱后散熱速度也會特別快；在車用尾氣凈化器的實際應用中，導熱性 較好的蜂窩陶瓷載體在受到尾氣沖擊時，能夠較快地吸收并傳遞尾氣的熱量，均勻地給載 體提供活化催化劑所需的充分的熱量，尤其是在低溫的情況下，載體表面的催化劑可較快 地啟動催化機制。在燒結助劑與稀土氧化物的共同作用下，氮化鈦的熔點可明顯降低；當氮 化鈦與稀土氧化物的質量比為（3-5):2時，陶瓷材料的導熱系數可大大提高。這是由于氮 化鈦與稀土氧化物在高溫易于在陶瓷晶界處形成熔融相，把氧雜質吸附在晶界上，減少了 氧雜質進入晶格的可能性，晶格內部的氧也會因為晶界處的氧濃度大大降低而自發擴散到 晶界處，使陶瓷晶格的氧含量降低，陶瓷結構缺陷的數量和種類減少，從而降低聲子散射幾 率，增加聲子的平均自由程，提升熱導率。
[0016] 作為一種優選，分散劑包括硅酸鈉、甘油、羧甲基纖維素、硬脂酸。在陶瓷基體中 加入分散劑可使陶瓷基體粉料與其他添加物均勻混合不分離，由硅酸鈉、甘油、羧甲基纖維 素、硬脂酸形成的分散劑與陶瓷粉體潤濕角小，具有良好的親和性。其中甘油能產生較好的 流動特性，可以很好地潤濕粉體，硅酸鈉對陶瓷粉體有效好的粘附作用。為了改善分散劑的 潤濕性能，故加入了硬脂酸和羧甲基纖維素，它