Introducción
En el campo de la purificación de los gases de escape de los automóviles, las cerámicas alveolares son muy importantes como portadoras de catalizadores. Combinando el soporte catalizador con catalizadores (como metales preciosos como platino, rodio, paladio, etc.), es decir, creando un dispositivo de purificación catalítica de gases de escape, y montándolo en el sistema de emisión de gases de escape, los componentes nocivos de los gases de escape (como monóxido de carbono CO, hidrocarburos HC, óxidos de nitrógeno NOx, etc.) pueden activarse y reaccionar químicamente, y transformarse en dióxido de carbono, agua y nitrógeno inocuos, eliminando así los gases de escape nocivos.
Debido a su buena refractariedad, su bajo índice de expansión térmica y otras propiedades, las cerámicas de panal de cordierita se convierten en componentes centrales de los dispositivos de purificación de gases de escape para gasóleo, gasolina y gas natural, sirviendo tanto de soporte del catalizador como de canal de emisión de gases de escape para automóviles.
Las cerámicas de cordierita (figura 1) como portadoras de catalizador presentan las siguientes ventajas:
- Con una estructura de panal y una superficie específica large, favorecen la fijación y dispersión de las sustancias activas del catalizador, lo que mejora enormemente la actividad del mismo.
- Buena Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica: La temperatura de escape de los motores de automóviles suele oscilar entre 250 y 800ºC, o incluso más de 800ºC. La cordierita no se descompone ni sufre cambios de fase a altas temperaturas, lo que garantiza la actividad y la vida útil del catalizador.
- El coeficiente de dilatación térmica es small. El motor del automóvil arranca y se detiene con frecuencia; el bajo coeficiente de expansión térmica de la cordierita es favorable para evitar la rotura del dispositivo de purificación a largo plazo en un entorno de trabajo repetido de enfriamiento rápido y calentamiento rápido, lo que ayuda a garantizar el efecto del catalizador y la seguridad de la tubería de escape.
- Las cerámicas de cordierita presentan una baja Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica. El motor es propenso a producir más CO y HC durante un arranque en frío; la cordierita como soporte puede hacer que el catalizador alcance la temperatura de trabajo y desempeñe la función catalítica en un período de tiempo más corto debido a su menor calor específico.
- La conductividad térmica es adecuada. Los contenedores, los camiones large y otros vehículos diesel a menudo tienen que recorrer largas distancias y durante mucho tiempo, por lo que la conductividad térmica y las propiedades de disipación del calor del portador del catalizador son muy importantes.
Condiciones de medición
En este ejemplo de aplicación, se comprobó la Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica y la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica de una muestra de cordierita utilizando el Analizador Térmico Simultáneo STA 449 F3 . El coeficiente de expansión térmica y la conductividad térmica de esta muestra también se caracterizaron utilizando el Instrumento de Expansión Térmica DIL 402 Classic y el Instrumento de Conductividad TérmicaThermal conductivity (λ with the unit W/(m•K)) describes the transport of energy – in the form of heat – through a body of mass as the result of a temperature gradient (see fig. 1). According to the second law of thermodynamics, heat always flows in the direction of the lower temperature.Conductividad Térmica LFA 467 HT HyperFlash. La temperatura de ensayo osciló entre la temperatura ambiente y 800°C, el intervalo de temperaturas de escape del motor.
Resultados de las pruebas y debate
Prueba de Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica y calor específico
Los resultados de las mediciones STA son los siguientes. En primer lugar, de la curva termogravimétrica (TGA) (figura 2) se desprende que la muestra no experimenta pérdida de peso en el intervalo de temperaturas de ensayo.
De la curva DSC (figura 3) se desprende que no presenta picos de absorción ni exotérmicos evidentes en el intervalo de temperaturas de ensayo, es decir, que no se produce descomposición ni cambio de fase. Esto indica que la muestra presenta una buena Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica en el intervalo de temperaturas de escape del motor. Durante la prueba, se utilizó zafiro como muestra patrón, y fue posible obtener simultáneamente la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica de la muestra por el método de relación. De los resultados de la figura se desprende que la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica de la muestra aumenta con el incremento de la temperatura, y que la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica a 50°C y 800°C es de 0,729 J/(g*K) y 0,969 J/(g*K), respectivamente. En comparación con las cerámicas α-Al2O3 convencionales (valores de calor específico de 0,823 J/(g*K) y 1,237 J/(g*K) a 50°C y 800°C, respectivamente), el calor específico de esta muestra es inferior. Para garantizar la eficacia de la prueba de calor específico, se utilizaron crisoles de PtRh de 190-μl con revestimiento de Al2O3 para la prueba.
Coeficiente de la prueba de dilatación térmica
Los resultados de la prueba del dilatómetro se muestran en la figura 4. Se puede observar que la muestra de cordierita se contrae y luego se expande con el aumento de la temperatura en el intervalo de temperaturas que va desde la temperatura ambiente hasta los 800°C, con una temperatura máxima de 233,6°C. El coeficiente de expansión térmica (es decir, el coeficiente de expansión de ingeniería) en el intervalo de 30°C-233,8°C es de -0,6316E-06 1/K. El coeficiente de expansión térmica en el rango de 30°C-800°C es de 0,4138E-06 1/K, lo que indica que el coeficiente de expansión térmica de la muestra es efectivamente small en el rango de temperatura de escape del motor (la cerámica α-Al2O3 tiene un coeficiente de expansión térmica de 8,03E-06 1/K en el rango de 25°C a 900°C). Cabe mencionar que, debido al coeficiente de dilatación térmica small de las muestras, tanto el portamuestras como la probeta se fabricaron con sílice fundida para los ensayos.
Prueba de conductividad térmica
Los resultados de la prueba LFA (figura 5) son los siguientes. El LFA puede medir directamente la difusividad térmica de la muestra. La conductividad térmica de la muestra puede obtenerse multiplicando la difusividad térmica, la DensidadThe mass density is defined as the ratio between mass and volume. densidad y la capacidad calorífica específica. El rango de temperatura de la prueba LFA es de 25°C-800°C, el intervalo de temperatura es de 100 K, y se prueban tres puntos de inflamación en cada punto de temperatura. De la información de la tabla se desprende que los resultados de los tres puntos de inflamación en el mismo punto de temperatura están muy próximos entre sí, lo que indica que el instrumento tiene una buena repetibilidad de la prueba. En el gráfico de tendencias que se muestra a continuación, puede observarse que tanto la difusividad térmica como la conductividad térmica de la muestra disminuyen al aumentar la temperatura.
Conclusión
En la industria, las cerámicas porosas de cordierita se preparan mediante diversos métodos, como el apilamiento de partículas, el espumado y el moldeo por extrusión. Las propiedades de las cerámicas de cordierita obtenidas por diferentes métodos de preparación y formulaciones tienen cada una sus propias ventajas e inconvenientes.
En este trabajo, se ensayó una muestra de cordierita mediante los métodos STA, DIL y LFA para caracterizar la Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica, el calor específico, las propiedades de expansión térmica y la conductividad térmica de la muestra.
NETZSCH dispone de una gama completa de equipos de análisis térmico y ensayo de propiedades físicas, y puede proporcionar una gama completa de soluciones de análisis térmico y ensayo para las cerámicas de panal de cordierita y otras cerámicas portadoras de catalizadores de gases de escape.