Εισαγωγή
Στον τομέα του καθαρισμού των καυσαερίων των αυτοκινήτων, τα κεραμικά με κηρήθρες είναι πολύ σημαντικά ως φορείς καταλυτών. Συνδυάζοντας τον φορέα καταλύτη με καταλύτες (όπως πολύτιμα μέταλλα όπως πλατίνα, ρόδιο, παλλάδιο κ.λπ.), δηλαδή δημιουργώντας μια συσκευή καταλυτικού καθαρισμού καυσαερίων, και τοποθετώντας την στο σύστημα εκπομπής καυσαερίων, τα επιβλαβή συστατικά των καυσαερίων (όπως μονοξείδιο του άνθρακα CO, υδρογονάνθρακες HC, οξείδια του αζώτου NOx κ.λπ.) μπορούν να ενεργοποιηθούν και να αντιδράσουν χημικά και να μετατραπούν σε αβλαβές διοξείδιο του άνθρακα, νερό και άζωτο, εξαλείφοντας έτσι τα επιβλαβή καυσαέρια.
Λόγω της καλής τους πυραντοχής, του χαμηλού ρυθμού θερμικής διαστολής και άλλων ιδιοτήτων, τα κεραμικά κηρήθρας κορδιερίτη γίνονται βασικά συστατικά των συσκευών καθαρισμού καυσαερίων για ντίζελ, βενζίνη και φυσικό αέριο, χρησιμεύοντας τόσο ως φορέας καταλύτη όσο και ως κανάλι εκπομπής καυσαερίων για τα αυτοκίνητα.
Τα κεραμικά κορδιερίτη (σχήμα 1) ως φορείς καταλυτών έχουν τα ακόλουθα πλεονεκτήματα:
- Με κυψελοειδή δομή και large ειδική επιφάνεια, ευνοούν την προσκόλληση και διασπορά των ενεργών ουσιών του καταλύτη, γεγονός που βελτιώνει σημαντικά τη δραστικότητα του καταλύτη.
- Καλή θερμική σταθερότητα: Η θερμοκρασία των καυσαερίων των κινητήρων αυτοκινήτων κυμαίνεται γενικά από 250-800ºC, ή ακόμη και πάνω από 800ºC. Ο κορδιερίτης δεν αποσυντίθεται ούτε υφίσταται αλλαγή φάσης υπό υψηλές θερμοκρασίες, γεγονός που εξασφαλίζει τη δραστικότητα και τη διάρκεια ζωής του καταλύτη.
- Ο συντελεστής θερμικής διαστολής είναι small. Ο χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής για τον κορδιερίτη είναι ευνοϊκός για την αποφυγή της ρήξης της συσκευής καθαρισμού μακροπρόθεσμα σε ένα επαναλαμβανόμενο περιβάλλον εργασίας ταχείας ψύξης και ταχείας θέρμανσης, γεγονός που συμβάλλει στην εξασφάλιση της επίδρασης του καταλύτη και της ασφάλειας του αγωγού εξάτμισης.
- Τα κεραμικά του κορδιερίτη διαθέτουν χαμηλή ειδική θερμοχωρητικότητα. Ο κινητήρας είναι επιρρεπής στην παραγωγή περισσότερων CO και HC κατά την ψυχρή εκκίνηση- ο κορδιερίτης ως φορέας μπορεί να κάνει τον καταλύτη να φτάσει στη θερμοκρασία λειτουργίας και να παίξει τον καταλυτικό ρόλο σε μικρότερο χρονικό διάστημα λόγω της χαμηλότερης ειδικής θερμότητας.
- Η θερμική αγωγιμότητα είναι κατάλληλη. Τα εμπορευματοκιβώτια, τα φορτηγά large και άλλα πετρελαιοκίνητα οχήματα πρέπει συχνά να διανύουν μεγάλες αποστάσεις και για μεγάλο χρονικό διάστημα, οπότε η θερμική αγωγιμότητα και οι ιδιότητες διάχυσης θερμότητας του φορέα καταλύτη είναι πολύ σημαντικές.
Συνθήκες μέτρησης
Σε αυτό το παράδειγμα εφαρμογής, ένα δείγμα κορδιερίτη εξετάστηκε για τη θερμική σταθερότητα και την ειδική θερμοχωρητικότητα με τη χρήση του ταυτόχρονου θερμικού αναλυτή STA 449 F3 . Ο συντελεστής θερμικής διαστολής και η θερμική αγωγιμότητα αυτού του δείγματος χαρακτηρίστηκαν επίσης με τη χρήση του οργάνου θερμικής διαστολής DIL 402 Classic και του οργάνου θερμικής αγωγιμότητας LFA 467 HT HyperFlash. Η θερμοκρασία δοκιμής ήταν από τη θερμοκρασία δωματίου έως τους 800°C, το εύρος της θερμοκρασίας εξάτμισης του κινητήρα.
Αποτελέσματα δοκιμών και συζήτηση
Δοκιμή θερμικής σταθερότητας και ειδικής θερμότητας
Τα αποτελέσματα των μετρήσεων STA έχουν ως εξής. Πρώτον, από την καμπύλη θερμοβαρυμετρίας (TGA) (σχήμα 2), φαίνεται ότι το δείγμα δεν υφίσταται καμία απώλεια βάρους στην περιοχή θερμοκρασιών δοκιμής.
Από την καμπύλη DSC (σχήμα 3), φαίνεται ότι δεν παρουσιάζει εμφανείς απορροφητικές ή εξώθερμες κορυφές στην περιοχή θερμοκρασιών δοκιμής, δηλαδή δεν υπάρχει αποσύνθεση ή αλλαγή φάσης. Αυτό δείχνει ότι το δείγμα διαθέτει καλή θερμική σταθερότητα στην περιοχή θερμοκρασιών εξάτμισης του κινητήρα. Κατά τη διάρκεια της δοκιμής χρησιμοποιήθηκε ζαφείρι ως πρότυπο δείγμα και ήταν δυνατή η ταυτόχρονη λήψη της ειδικής θερμοχωρητικότητας του δείγματος με τη μέθοδο αναλογίας. Από τα αποτελέσματα του σχήματος φαίνεται ότι η ειδική θερμοχωρητικότητα του δείγματος αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και η ειδική θερμοχωρητικότητα στους 50°C και 800°C είναι 0,729 J/(g*K) και 0,969 J/(g*K), αντίστοιχα. Σε σύγκριση με τα συμβατικά κεραμικά α-Al2O3 (τιμές ειδικής θερμοχωρητικότητας 0,823 J/(g*K) και 1,237 J/(g*K) στους 50°C και 800°C, αντίστοιχα), η ειδική θερμοχωρητικότητα αυτού του δείγματος είναι χαμηλότερη. Για να εξασφαλιστεί η αποτελεσματικότητα της δοκιμής ειδικής θερμότητας, χρησιμοποιήθηκαν για τη δοκιμή χωνευτήρια PtRh 190 μl με επένδυση Al2O3.
Συντελεστής της δοκιμής θερμικής διαστολής
Τα αποτελέσματα της δοκιμής διαστομέτρου παρουσιάζονται στο σχήμα 4. Φαίνεται ότι το δείγμα κορδιερίτη συρρικνώνεται και στη συνέχεια διαστέλλεται με την αύξηση της θερμοκρασίας στο εύρος θερμοκρασιών από τη θερμοκρασία δωματίου έως τους 800°C, με μέγιστη θερμοκρασία 233,6°C. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής (δηλ. ο μηχανικός συντελεστής διαστολής) στην περιοχή από 30°C-233,8°C είναι -0,6316E-06 1/K. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής στην περιοχή από 30°C-800°C είναι 0,4138E-06 1/K, γεγονός που υποδηλώνει ότι ο συντελεστής θερμικής διαστολής του δείγματος είναι πράγματι small στην περιοχή θερμοκρασιών εξάτμισης του κινητήρα (το κεραμικό α-Al2O3 έχει συντελεστή θερμικής διαστολής 8,03E-06 1/K στην περιοχή από 25°C έως 900°C). Αξίζει να αναφερθεί ότι λόγω του συντελεστή θερμικής διαστολής small των δειγμάτων, τόσο η υποδοχή του δείγματος όσο και το δοκίμιο κατασκευάστηκαν για τις δοκιμές από λιωμένο διοξείδιο του πυριτίου.
Δοκιμή θερμικής αγωγιμότητας
Τα αποτελέσματα της δοκιμής LFA (σχήμα 5) έχουν ως εξής. Η LFA μπορεί να μετρήσει άμεσα τη θερμική διαπερατότητα του δείγματος. Η θερμική αγωγιμότητα του δείγματος μπορεί να προκύψει από τον πολλαπλασιασμό της θερμικής διαχυτικότητας, της πυκνότητας και της ειδικής θερμοχωρητικότητας. Το εύρος θερμοκρασίας της δοκιμής LFA είναι 25°C-800°C, το θερμοκρασιακό διάστημα είναι 100 K και σε κάθε σημείο θερμοκρασίας δοκιμάζονται τρία σημεία ανάφλεξης. Από τις πληροφορίες του πίνακα φαίνεται ότι τα αποτελέσματα για τα τρία σημεία ανάφλεξης στο ίδιο σημείο θερμοκρασίας είναι πολύ κοντά μεταξύ τους, γεγονός που υποδηλώνει ότι το όργανο έχει καλή επαναληψιμότητα δοκιμής. Από το παρακάτω γράφημα τάσης, φαίνεται ότι τόσο η θερμική διάχυση όσο και η θερμική αγωγιμότητα του δείγματος μειώνονται με την αύξηση της θερμοκρασίας.
Συμπέρασμα
Στη βιομηχανία, τα πορώδη κεραμικά κορδιερίτη παρασκευάζονται με διάφορες μεθόδους, όπως η στοίβαξη σωματιδίων, ο αφρισμός και η χύτευση με εξώθηση. Οι ιδιότητες των κεραμικών κορδιερίτη που λαμβάνονται με διαφορετικές μεθόδους παρασκευής και συνθέσεις έχουν το καθένα τα δικά του πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.
Στην παρούσα εργασία, ένα δείγμα κορδιερίτη εξετάστηκε μέσω των μεθόδων STA, DIL και LFA προκειμένου να χαρακτηριστούν η θερμική σταθερότητα, η ειδική θερμότητα, οι ιδιότητες θερμικής διαστολής και η θερμική αγωγιμότητα του δείγματος.
NETZSCH διαθέτει ένα πλήρες φάσμα εξοπλισμού θερμικής ανάλυσης και δοκιμών φυσικών ιδιοτήτων και μπορεί να παρέχει ένα πλήρες φάσμα λύσεων θερμικής ανάλυσης και δοκιμών για κεραμικά κηρήθρας κορδιερίτη και άλλα κεραμικά φορέων καταλυτών καυσαερίων.