Úvod
V oblasti čištění výfukových plynů automobilů je voštinová keramika velmi důležitá jako nosič katalyzátoru. Kombinací nosiče katalyzátoru s katalyzátory (jako jsou drahé kovy, např. platina, rhodium, palladium atd.), tj. vytvořením zařízení pro katalytické čištění výfukových plynů, a jeho montáží na výfukový systém lze aktivovat a chemicky zreagovat škodlivé složky výfukových plynů (např. oxid uhelnatý CO, uhlovodíky HC, oxidy dusíku NOx atd.) a přeměnit je na neškodný oxid uhličitý, vodu a dusík, a tím odstranit škodlivé výfukové plyny.
Díky své dobré lámavosti, nízké tepelné roztažnosti a dalším vlastnostem se voštinová keramika z kordieritu stává základními součástmi zařízení na čištění výfukových plynů pro motorovou naftu, benzin a zemní plyn a slouží jako nosič katalyzátoru i jako kanál pro odvod výfukových emisí u automobilů.
Kordieritová keramika (obrázek 1) jako nosič katalyzátoru má následující výhody:
- Díky voštinové struktuře a specifickému povrchu large jsou příznivé pro uchycení a rozptýlení katalyzátorových aktivních látek, což výrazně zlepšuje aktivitu katalyzátoru.
- Dobrá Tepelná stabilitaMateriál je tepelně stabilní, pokud se vlivem teploty nerozkládá. Jedním ze způsobů, jak určit tepelnou stabilitu látky, je použití termogravimetrického analyzátoru (TGA). tepelná stabilita: Teplota výfukových plynů automobilových motorů se obvykle pohybuje v rozmezí 250-800 °C nebo dokonce více než 800 °C. Kordierit se při vysokých teplotách nerozkládá ani nepodléhá fázovým změnám, což zajišťuje aktivitu a životnost katalyzátoru.
- Koeficient tepelné roztažnosti je small. Automobilový motor se často spouští a zastavuje; nízký koeficient tepelné roztažnosti kordieritu je příznivý pro dlouhodobé zabránění prasknutí čisticího zařízení v opakovaně rychle se ochlazujícím a rychle se zahřívajícím pracovním prostředí, což pomáhá zajistit účinek katalyzátoru a bezpečnost výfukového potrubí.
- Kordieritová keramika se vyznačuje nízkou měrnou tepelnou kapacitou. Motor je náchylný k produkci většího množství CO a HC při studeném startu; kordierit jako nosič může díky svému nižšímu měrnému teplu umožnit katalyzátoru dosáhnout pracovní teploty a plnit katalytickou úlohu v kratším čase.
- Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.Tepelná vodivost je vhodná. Kontejnery, large nákladní automobily a další vozidla s dieselovými motory musí často urazit dlouhé vzdálenosti a po dlouhou dobu, takže Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost a vlastnosti nosiče katalyzátoru při odvodu tepla jsou velmi důležité.
Podmínky měření
V tomto příkladu aplikace byl vzorek kordieritu testován na tepelnou stabilitu a měrnou tepelnou kapacitu pomocí Simultánního tepelného analyzátoru STA 449 F3 . Součinitel tepelné roztažnosti a Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost tohoto vzorku byly rovněž charakterizovány pomocí přístroje DIL 402 Classic Thermal Expansion Instrument a přístroje LFA 467 HT HyperFlash Thermal Conductivity Instrument. Zkušební teplota byla od pokojové teploty do 800 °C, což je rozsah teplot výfukových plynů motoru.
Výsledky testů a diskuse
Zkouška tepelné stability a měrného tepla
Výsledky testů STA jsou následující. Zaprvé, z termogravimetrické (TGA) křivky (obr. 2) je patrné, že vzorek nepodléhá žádnému úbytku hmotnosti ve zkušebním teplotním rozsahu.
Z DSC křivky (obr. 3) je patrné, že v testovaném teplotním rozsahu nevykazuje žádné zjevné absorpční ani exotermické píky, tj. nedochází k rozkladu ani k fázovým změnám. To naznačuje, že vzorek vykazuje dobrou tepelnou stabilitu v rozsahu teplot výfukových plynů motoru. Při zkoušce byl jako standardní vzorek použit safír a bylo možné současně získat měrnou tepelnou kapacitu vzorku poměrovou metodou. Z výsledků na obrázku je patrné, že Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.měrná tepelná kapacita vzorku se zvyšuje s rostoucí teplotou a Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.měrná tepelná kapacita při 50 °C a 800 °C je 0,729 J/(g*K), resp. 0,969 J/(g*K). Ve srovnání s běžnou keramikou α-Al2O3 (hodnoty měrného tepla 0,823 J/(g*K), resp. 1,237 J/(g*K) při 50 °C a 800 °C) je měrné teplo tohoto vzorku nižší. Pro zajištění účinnosti zkoušky měrného tepla byly pro zkoušku použity 190μl kelímky PtRh s vložkou z Al2O3.
Zkouška součinitele tepelné roztažnosti
Výsledky dilatační zkoušky jsou uvedeny na obrázku 4. Je vidět, že vzorek kordieritu se s rostoucí teplotou v rozsahu teplot od pokojové teploty do 800 °C smršťuje a následně rozpíná, přičemž maximální teplota je 233,6 °C. Koeficient teplotní roztažnosti (tj. inženýrský koeficient roztažnosti) v rozsahu 30 °C-233,8 °C je -0,6316E-06 1/K. Koeficient tepelné roztažnosti v rozsahu 30 °C-800 °C je 0,4138E-06 1/K, což ukazuje, že koeficient tepelné roztažnosti vzorku je skutečně small v rozsahu teplot výfukových plynů motoru (keramika α-Al2O3 má koeficient tepelné roztažnosti 8,03E-06 1/K v rozsahu 25 °C až 900 °C). Za zmínku stojí, že kvůli small koeficientu tepelné roztažnosti vzorků byly držák i vzorek pro zkoušky vyrobeny z taveného oxidu křemičitého.
Zkouška tepelné vodivosti
Výsledky zkoušky LFA (obrázek 5) jsou následující. LFA může přímo měřit tepelnou difuzivitu vzorku. Tepelnou vodivost vzorku lze získat vynásobením tepelné difuzivity, hustoty a měrné tepelné kapacity. Teplotní rozsah zkoušky LFA je 25 °C-800 °C, teplotní interval je 100 K a v každém teplotním bodě se zkouší tři body vzplanutí. Z údajů v tabulce je patrné, že výsledky pro tři body vzplanutí ve stejném teplotním bodě jsou si navzájem velmi blízké, což svědčí o tom, že přístroj má dobrou opakovatelnost zkoušky. Z níže uvedeného grafu trendu je patrné, že jak Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita, tak Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost vzorku s rostoucí teplotou klesají.
Závěr
V průmyslu se kordieritová porézní keramika připravuje různými metodami, například stohováním částic, pěněním a vytlačováním. Vlastnosti kordieritové keramiky získané různými metodami přípravy a složení mají své výhody a nevýhody.
V této práci byl vzorek kordieritu testován metodami STA, DIL a LFA s cílem charakterizovat tepelnou stabilitu, měrné teplo, tepelně roztažné vlastnosti a tepelnou vodivost vzorku.
NETZSCH má celou řadu zařízení pro termickou analýzu a testování fyzikálních vlastností a může poskytnout celou řadu řešení pro termickou analýzu a testování voštinové keramiky z kordieritu a další keramiky pro nosiče katalyzátorů výfukových plynů.