Введение
В области очистки выхлопных газов автомобилей сотовая керамика очень важна в качестве носителя катализатора. Соединяя носитель катализатора с катализаторами (такими как драгоценные металлы, например, платина, родий, палладий и т.д.), т.е. создавая устройство каталитической очистки выхлопных газов, и устанавливая его на систему выпуска отработавших газов, можно активировать вредные компоненты выхлопных газов (такие как угарный газ CO, углеводород HC, оксиды азота NOx и т.д.), вступающие в химическую реакцию, и превратить их в безвредные диоксид углерода, воду и азот, тем самым устранив вредные выхлопные газы.
Благодаря хорошей тугоплавкости, низкой скорости теплового расширения и другим свойствам, кордиеритовая сотовая керамика становится основным компонентом устройств очистки выхлопных газов для дизельного топлива, бензина и природного газа, служа одновременно носителем катализатора и каналом выброса выхлопных газов для автомобилей.
Кордиеритовая керамика (рис. 1) в качестве носителя катализатора обладает следующими преимуществами:
- Сотовая структура и удельная поверхность large способствуют закреплению и диспергированию активных веществ катализатора, что значительно повышает активность катализатора.
- Хорошая термическая стабильность: Температура выхлопных газов автомобильных двигателей обычно колеблется в пределах 250-800ºC, а то и более 800ºC. Кордиерит не разлагается и не претерпевает фазовых изменений при высоких температурах, что обеспечивает активность и срок службы катализатора.
- Коэффициент теплового расширения составляет small. Автомобильный двигатель часто запускается и останавливается; низкий коэффициент теплового расширения кордиерита благоприятен для предотвращения разрыва очистительного устройства в течение длительного времени в повторяющихся условиях быстрого охлаждения и быстрого нагрева, что помогает обеспечить действие катализатора и безопасность выхлопного трубопровода.
- Кордиеритовая керамика отличается низкой удельной теплоемкостью. При холодном запуске двигателя образуется больше CO и HC; кордиерит в качестве носителя может заставить катализатор достичь рабочей температуры и играть каталитическую роль за более короткий период времени из-за его низкой удельной теплоемкости.
- Теплопроводность является подходящей. Контейнеры, грузовики large и другие дизельные транспортные средства часто должны перемещаться на большие расстояния и в течение длительного времени, поэтому теплопроводность и теплоотдача носителя катализатора очень важны.
Условия измерения
В данном примере применения образец кордиерита был протестирован на термическую стабильность и удельную теплоемкость с помощью одновременного теплового анализатора STA 449 F3 . Коэффициент теплового расширения и теплопроводность этого образца были также охарактеризованы с помощью прибора для измерения теплового расширения DIL 402 Classic и прибора для измерения теплопроводности LFA 467 HT HyperFlash. Температура испытания составляла от комнатной температуры до 800°C - диапазон температур выхлопных газов двигателя.
Результаты испытаний и обсуждение
Испытание на термостабильность и удельную теплоту
Результаты измерений STA следующие. Во-первых, из термогравиметрической (ТГА) кривой (рис. 2) видно, что образец не теряет в весе в тестовом диапазоне температур.
Из кривой ДСК (рис. 3) видно, что в тестовом диапазоне температур не наблюдается явных пиков поглощения или экзотермии, т.е. не происходит разложения или изменения фазы. Это говорит о том, что образец обладает хорошей термической стабильностью в диапазоне температур выхлопных газов двигателя. Во время испытаний в качестве стандартного образца использовался сапфир, что позволило одновременно получить удельную теплоемкость образца методом соотношения. Из результатов, представленных на рисунке, видно, что удельная теплоемкость образца увеличивается с ростом температуры, а удельная теплоемкость при 50°C и 800°C составляет 0,729 Дж/(г*К) и 0,969 Дж/(г*К), соответственно. По сравнению с обычной α-Al2O3 керамикой (удельная теплоемкость 0,823 Дж/(г*К) и 1,237 Дж/(г*К) при 50°C и 800°C, соответственно), удельная теплоемкость данного образца ниже. Чтобы убедиться в эффективности теста на удельную теплоту, для испытания использовались 190-мкл тигли PtRh с футеровкой из Al2O3.
Испытание на коэффициент теплового расширения
Результаты дилатометрического испытания показаны на рисунке 4. Видно, что образец кордиерита сжимается, а затем расширяется с увеличением температуры в диапазоне температур от комнатной до 800°C, с пиковой температурой 233,6°C. Коэффициент теплового расширения (т.е. инженерный коэффициент расширения) в диапазоне 30°C-233,8°C составляет -0,6316E-06 1/K. Коэффициент теплового расширения в диапазоне 30°C-800°C составляет 0,4138E-06 1/K, что указывает на то, что коэффициент теплового расширения образца действительно small в диапазоне температур выхлопа двигателя (керамика α-Al2O3 имеет коэффициент теплового расширения 8,03E-06 1/K в диапазоне от 25°C до 900°C). Стоит отметить, что из-за коэффициента теплового расширения образцов small для проведения испытаний держатель образца и сам образец были изготовлены из плавленого кварца.
Тест на теплопроводность
Результаты теста LFA (рис. 5) выглядят следующим образом. LFA может непосредственно измерять теплопроводность образца. Теплопроводность образца может быть получена путем перемножения теплопроводности, плотности и удельной теплоемкости. Температурный диапазон испытания LFA составляет 25°C-800°C, температурный интервал - 100 K, в каждой температурной точке проверяется три точки вспышки. Из таблицы видно, что результаты для трех точек вспышки в одной и той же температурной точке очень близки друг к другу, что свидетельствует о хорошей воспроизводимости теста. Из приведенного ниже графика видно, что тепловая диффузия и теплопроводность образца уменьшаются с повышением температуры.
Заключение
В промышленности пористая керамика из кордиерита готовится различными методами, такими как укладка частиц, вспенивание и экструзионное формование. Свойства кордиеритовой керамики, полученной различными методами приготовления и составами, имеют свои преимущества и недостатки.
В данной работе образец кордиерита был исследован методами STA, DIL и LFA с целью определения термической стабильности, удельной теплоемкости, свойств теплового расширения и теплопроводности образца.
NETZSCH компания имеет полный спектр оборудования для термического анализа и тестирования физических свойств и может предоставить полный спектр решений для термического анализа и тестирования кордиеритовой сотовой керамики и другой керамики-носителя катализатора выхлопных газов.