Introduction
Dans le domaine de l'épuration des gaz d'échappement des automobiles, les céramiques alvéolaires sont très importantes en tant que supports de catalyseurs. En combinant le support de catalyseur avec des catalyseurs (tels que des métaux précieux comme le platine, le rhodium, le palladium, etc.), c'est-à-dire en créant un dispositif de purification catalytique des gaz d'échappement, et en le montant sur le système d'émission des gaz d'échappement, les composants nocifs des gaz d'échappement (tels que le monoxyde de carbone CO, les hydrocarbures HC, les oxydes d'azote NOx, etc.) peuvent être activés et réagir chimiquement, et transformés en dioxyde de carbone, en eau et en azote inoffensifs, éliminant ainsi les gaz d'échappement nocifs.
En raison de leur bonne réfractarité, de leur faible taux de dilatation thermique et d'autres propriétés, les céramiques alvéolaires en cordiérite sont devenues des composants essentiels des dispositifs de purification des gaz d'échappement pour le diesel, l'essence et le gaz naturel, servant à la fois de support de catalyseur et de canal d'émission des gaz d'échappement pour les automobiles.
Les céramiques de cordiérite (figure 1) utilisées comme supports de catalyseurs présentent les avantages suivants :
- Avec une structure en nid d'abeille et une surface spécifique de large, elles sont propices à la fixation et à la dispersion des substances actives du catalyseur, ce qui améliore considérablement l'activité du catalyseur.
- Bonne stabilité thermique : La température d'échappement des moteurs automobiles varie généralement entre 250 et 800 ºC, voire plus de 800 ºC. La cordiérite ne se décompose pas et ne subit pas de changement de phase à haute température, ce qui garantit l'activité et la durée de vie du catalyseur.
- Le coefficient de dilatation thermique est de small. Le moteur automobile démarre et s'arrête fréquemment ; le faible coefficient de dilatation thermique de la cordiérite est favorable à la prévention de la rupture du dispositif d'épuration à long terme dans un environnement de travail répété de refroidissement et de chauffage rapides, ce qui contribue à garantir l'effet du catalyseur et la sécurité de la canalisation d'échappement.
- Les céramiques de cordiérite ont une faible Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique. Le moteur a tendance à produire plus de CO et de HC lors d'un démarrage à froid ; la cordiérite en tant que support peut permettre au catalyseur d'atteindre la température de travail et de jouer le rôle de catalyseur dans un laps de temps plus court en raison de sa chaleur spécifique plus faible.
- La conductivité thermique est appropriée. Les conteneurs, les camions large et les autres véhicules diesel doivent souvent voyager sur de longues distances et pendant longtemps, de sorte que la conductivité thermique et les propriétés de dissipation de la chaleur du support du catalyseur sont très importantes.
Conditions de mesure
Dans cet exemple d'application, la stabilité thermique et la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique d'un échantillon de cordiérite ont été testées à l'aide de l'analyseur thermique simultané STA 449 F3 . Le coefficient de dilatation thermique et la conductivité thermique de cet échantillon ont également été caractérisés à l'aide de l'instrument de dilatation thermique DIL 402 Classic et de l'instrument de conductivité thermique LFA 467 HT HyperFlash. La température d'essai allait de la température ambiante à 800°C, soit la plage de température des gaz d'échappement du moteur.
Résultats des tests et discussion
Stabilité thermique et test de chaleur spécifique
Les résultats des mesures de stabilité thermique sont les suivants. Premièrement, la courbe thermogravimétrique (TGA) (figure 2) montre que l'échantillon ne subit aucune perte de poids dans la plage de température d'essai.
La courbe DSC (figure 3) montre qu'il n'y a pas de pics d'absorption ou d'exothermie évidents dans la plage de température d'essai, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de décomposition ou de changement de phase. Cela indique que l'échantillon présente une bonne stabilité thermique dans la plage de température des gaz d'échappement du moteur. Pendant le test, le saphir a été utilisé comme échantillon standard, et il a été possible d'obtenir simultanément la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique de l'échantillon par la méthode du rapport. Les résultats de la figure montrent que la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique de l'échantillon augmente avec la température, et la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique à 50°C et 800°C est de 0,729 J/(g*K) et 0,969 J/(g*K), respectivement. Par rapport aux céramiques α-Al2O3 conventionnelles (valeurs de chaleur spécifique de 0,823 J/(g*K) et 1,237 J/(g*K) à 50°C et 800°C, respectivement), la chaleur spécifique de cet échantillon est plus faible. Pour garantir l'efficacité du test de chaleur spécifique, des creusets PtRh de 190-μl avec revêtement Al2O3 ont été utilisés pour le test.
Test du coefficient de dilatation thermique
Les résultats du test au dilatomètre sont présentés dans la figure 4. On constate que l'échantillon de cordiérite se rétracte puis se dilate avec l'augmentation de la température dans la plage de température allant de la température ambiante à 800°C, avec une température maximale de 233,6°C. Le coefficient d'expansion thermique (c'est-à-dire le coefficient d'expansion technique) dans la plage de 30°C-233,8°C est de -0,6316E-06 1/K. Le coefficient de dilatation thermique dans la plage 30°C-800°C est de 0,4138E-06 1/K, ce qui indique que le coefficient de dilatation thermique de l'échantillon est effectivement de small dans la plage de température d'échappement du moteur (la céramique α-Al2O3 a un coefficient de dilatation thermique de 8,03E-06 1/K dans la plage de 25°C à 900°C). Il convient de mentionner qu'en raison du coefficient de dilatation thermique des échantillons ( small ), le porte-échantillon et l'échantillon ont été fabriqués en silice fondue pour les essais.
Essai de conductivité thermique
Les résultats du test LFA (figure 5) sont les suivants. La LFA peut mesurer directement la diffusivité thermique de l'échantillon. La conductivité thermique de l'échantillon peut être obtenue en multipliant la diffusivité thermique, la densité et la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique. La plage de température du test LFA est comprise entre 25°C et 800°C, l'intervalle de température est de 100 K, et trois points d'éclair sont testés à chaque point de température. Les informations du tableau montrent que les résultats pour les trois points d'éclair au même point de température sont très proches les uns des autres, ce qui indique que l'instrument a une bonne répétabilité de test. Le graphique de tendance ci-dessous montre que la diffusivité thermique et la conductivité thermique de l'échantillon diminuent avec l'augmentation de la température.
Conclusion
Dans l'industrie, les céramiques poreuses de cordiérite sont préparées par diverses méthodes telles que l'empilage de particules, le moussage et le moulage par extrusion. Les propriétés des céramiques de cordiérite obtenues par différentes méthodes de préparation et formulations ont chacune leurs propres avantages et inconvénients.
Dans ce travail, un échantillon de cordiérite a été testé au moyen des méthodes STA, DIL et LFA afin de caractériser la stabilité thermique, la chaleur spécifique, les propriétés d'expansion thermique et la conductivité thermique de l'échantillon.
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