Introducere
În domeniul purificării gazelor de eșapament ale automobilelor, ceramica alveolată este foarte importantă ca suport de catalizatori. Prin combinarea purtătorului de catalizator cu catalizatori (cum ar fi metale prețioase precum platina, rodiul, paladiul etc.), adică prin crearea unui dispozitiv de purificare catalitică a gazelor de eșapament și montarea acestuia pe sistemul de evacuare a gazelor de eșapament, componentele nocive din gazele de eșapament (cum ar fi monoxidul de carbon CO, hidrocarburile HC, oxizii de azot NOx etc.) pot fi activate și reacționate chimic și transformate în dioxid de carbon, apă și azot inofensive, eliminând astfel gazele de eșapament nocive.
Datorită capacității lor bune de refractare, a vitezei scăzute de dilatare termică și a altor proprietăți, ceramica alveolară din cordierit devine componentă de bază a dispozitivelor de purificare a gazelor de eșapament pentru motorină, benzină și gaze naturale, servind atât ca suport al catalizatorului, cât și ca canal de evacuare a emisiilor pentru automobile.
Ceramica cordierită (figura 1) ca suport de catalizator are următoarele avantaje:
- Având o structură alveolată și o suprafață specifică de large, acestea favorizează fixarea și dispersarea substanțelor active ale catalizatorului, ceea ce îmbunătățește considerabil activitatea catalizatorului.
- Stabilitate termică bună: Temperatura de evacuare a motoarelor de automobile variază, în general, între 250-800ºC sau chiar mai mult de 800ºC. Cordieritul nu se descompune și nu suferă schimbări de fază la temperaturi ridicate, ceea ce asigură activitatea și durata de viață a catalizatorului.
- Coeficientul de dilatare termică este small. Motorul automobilului pornește și se oprește frecvent; coeficientul scăzut de dilatare termică al cordieritei este favorabil pentru prevenirea ruperii dispozitivului de purificare pe termen lung într-un mediu de lucru cu răcire și încălzire rapide repetate, ceea ce contribuie la asigurarea efectului catalizatorului și a siguranței conductei de evacuare.
- Ceramica cordierită prezintă o capacitate termică specifică scăzută. Motorul este predispus să producă mai mult CO și HC în timpul unei porniri la rece; cordierita ca suport poate face ca catalizatorul să atingă temperatura de lucru și să joace rolul catalitic într-o perioadă mai scurtă de timp datorită căldurii sale specifice mai scăzute.
- Conductivitatea termică este adecvată. Containerele, camioanele large și alte vehicule diesel trebuie adesea să parcurgă distanțe lungi și pentru o perioadă lungă de timp, astfel încât conductivitatea termică și proprietățile de disipare a căldurii ale suportului catalizatorului sunt foarte importante.
Condiții de măsurare
În acest exemplu de aplicație, o probă de cordierit a fost testată pentru stabilitatea termică și capacitatea termică specifică utilizând STA 449 F3 Analizor termic simultan. Coeficientul de expansiune termică și conductivitatea termică ale acestei probe au fost, de asemenea, caracterizate utilizând instrumentul de expansiune termică DIL 402 Classic și instrumentul de conductivitate termică LFA 467 HT HyperFlash. Temperatura de testare a fost cuprinsă între temperatura camerei și 800°C, intervalul de temperatură al gazelor de eșapament ale motorului.
Rezultatele testelor și discuții
Stabilitatea termică și testul căldurii specifice
Rezultatele măsurătorilor STA sunt următoarele. În primul rând, din curba termogravimetrică (TGA) (figura 2), se poate observa că proba nu suferă nicio pierdere în greutate în intervalul de temperatură de testare.
Din curba DSC (figura 3), se poate observa că nu prezintă nicio absorbție evidentă sau vârfuri exotermice în intervalul de temperatură de testare, adică nu are loc nicio Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere sau schimbare de fază. Acest lucru indică faptul că proba prezintă o bună stabilitate termică în intervalul de temperatură al gazelor de eșapament ale motorului. În timpul testului, safirul a fost utilizat ca probă standard și a fost posibilă obținerea simultană a capacității termice specifice a probei prin metoda raportului. Din rezultatele din figură, se poate observa că capacitatea termică specifică a probei crește odată cu creșterea temperaturii, iar capacitatea termică specifică la 50°C și 800°C este de 0,729 J/(g*K) și, respectiv, 0,969 J/(g*K). În comparație cu ceramica α-Al2O3 convențională (valori ale căldurii specifice de 0,823 J/(g*K) și 1,237 J/(g*K) la 50°C și, respectiv, 800°C), căldura specifică a acestei probe este mai scăzută. Pentru a asigura eficacitatea testului de căldură specifică, pentru test au fost utilizate creuzete PtRh de 190 μl cu căptușeală din Al2O3.
Testul coeficientului de dilatare termică
Rezultatele testului cu dilatometru sunt prezentate în figura 4. Se poate observa că proba de cordierit se micșorează și apoi se dilată odată cu creșterea temperaturii în intervalul de temperatură de la temperatura camerei la 800°C, cu o temperatură maximă de 233,6°C. Coeficientul de dilatare termică (adică coeficientul tehnic de dilatare) în intervalul 30°C-233,8°C este -0,6316E-06 1/K. Coeficientul de dilatare termică în intervalul 30°C-800°C este de 0,4138E-06 1/K, ceea ce indică faptul că coeficientul de dilatare termică al probei este într-adevăr small în intervalul de temperaturi de evacuare a motorului (ceramica α-Al2O3 are un coeficient de dilatare termică de 8,03E-06 1/K în intervalul 25°C - 900°C). Este demn de menționat faptul că, din cauza coeficientului de dilatare termică small al probelor, atât suportul de probă, cât și proba au fost realizate din silice topită pentru teste.
Testul de conductivitate termică
Rezultatele testului LFA (figura 5) sunt următoarele. LFA poate măsura direct difuzivitatea termică a probei. Conductivitatea termică a eșantionului poate fi obținută prin înmulțirea difuzivității termice, a densității și a capacității termice specifice. Intervalul de temperatură al testului LFA este de 25°C-800°C, intervalul de temperatură este de 100 K, iar trei puncte de aprindere sunt testate la fiecare punct de temperatură. Din informațiile din tabel, se poate observa că rezultatele pentru cele trei puncte de aprindere la același punct de temperatură sunt foarte apropiate între ele, ceea ce indică faptul că instrumentul are o bună repetabilitate a testului. Din graficul de tendințe de mai jos, se poate observa că atât difuzivitatea termică, cât și conductivitatea termică a probei scad odată cu creșterea temperaturii.
Concluzie
În industrie, ceramica poroasă din cordierit este preparată prin diferite metode, cum ar fi stivuirea particulelor, spumarea și turnarea prin extrudare. Proprietățile ceramicii de cordierit obținute prin diferite metode de preparare și formulări au fiecare propriile avantaje și dezavantaje.
În această lucrare, o probă de cordierită a fost testată prin metodele STA, DIL și LFA pentru a caracteriza stabilitatea termică, căldura specifică, proprietățile de dilatare termică și conductivitatea termică a probei.
NETZSCH dispune de o gamă completă de echipamente de analiză termică și de testare a proprietăților fizice și poate oferi o gamă completă de soluții de analiză termică și testare pentru ceramica alveolată din cordierit și alte ceramici purtătoare de catalizatori pentru gaze de eșapament.