催化转换器用堇青石

堇青石视角

堇青石是从沉积岩中产生的。在斯里兰卡、印度、缅甸、马达加斯加、美国和加拿大都可以找到矿床。它具有很高的热阻，是一种相对坚固的材料。然而，它具有较高的热膨胀系数(CTE)和相对较低的密度。堇青石是一种通过低成本挤压或染料压制工艺生产的大批量产品。它被用于电气绝缘领域，高性能电阻，燃烧器管，当然还有排气催化剂，支架和过滤器。

堇青石陶瓷蜂窝基催化转换器

堇青石在汽车工业中的首次应用是在七十年代中期催化转换器中使用堇青石陶瓷。这些催化转换器是通过化学反应器的墙，这是集成在排气管．在某些特殊情况下，它们被用来转化CO、HC和NOx等污染物。

催化转化器是如何工作的?

催化转化器由基板、洗衣、催化剂、垫和罐组成。

所述衬底为陶瓷蜂窝状，为催化剂提供表面积，并在其中沉积洗涤液。洗涤液是增加基材有效面积的沉淀物。由于其性质，它有助于控制催化作用，并有利于催化剂在表面的沉积。催化剂一般是一种贵金属，它能催化污染物转化为无害气体。它是通过化学过程应用到洗涂基材上的。衬垫包裹在衬底上，提供隔热，防止机械冲击和车辆振动。该罐是一个金属包装，包装基材及其垫。

空气污染控制催化剂基板

用于转换器的陶瓷整体具有孔隙结构(约3至4微米的孔隙)，允许与洗涤涂层的机械和化学链接。它提供了一个像Al一样的高表面积的洗衣衣沉积物₂O_3.并且可以进一步浸渍催化成分，如铂。

关键制造要素

制造过程如下:

1.原材料加工

材料由卡车运送到生产现场。由制造实验室进行称重和检验。然后材料混合成一批，与水混合，输送到挤压。

2.成型和干燥

电池的几何形状是由批材料挤压形成的。细胞密度、形状和壁厚在这里形成。然后用微波炉烘干。

3.切割和装载

切成合适的尺寸并清洗。在这一步执行过程控制以确保零件的一致性。然后将工件装入窑中(保温室)。

4.发射

烧制是根据精确的时间-温度循环进行的。

5.整理和运输

然后将堇青石衬底包装并运送到客户的组装现场。

宏单元设计和性能数据

整体多孔陶瓷作为空气污染控制的催化剂基质

整体材料的主要优点是，与颗粒状催化剂相比，它提供了相对较低的背压。这是重要的燃油经济的观点，因为发动机将需要更少的工作来疏散燃烧的气体。

然后，它提供了比传统的颗粒状催化剂更高的表面积。这使得有更多的洗衣面积，然后更好的转换效率。因此，整体性能可以根据最佳催化剂和反应器性能进行调整:

衬底几何因素

主要几何特征定义如下:细胞密度通常定义为每平方英寸的细胞(cpsi)和壁厚在10^ 3英寸。基板的典型尺寸定义为N/w，如400/4或900/2。具有较高的细胞密度和较低的壁厚可以更好地转换污染物和降低起灯温度:

为了测试不同基材的效率，制造商对相应的循环进行车辆测试。为此，选择标准发动机作为废气发生器。引擎在给定的周期内运行(例如FTP周期)。测试的衬底安装在排气管道中，涂有等量的铂族金属(PGM)。然后，进行3次过夜浸泡和冷启动。进行了连续测量和袋采样并进行了分析。典型的分析结果是表示不同衬底累积HC随时间变化的图形:

热冲击和侵蚀的考虑

热致应力

热应力是指温度的突然变化。当热应力超过身体的强度时，就会发生骨折。

热应力是由热膨胀引起的，热膨胀由相对于机体初始长度增加的长度(∆L/L)来定义。温度越高的部位会比温度较低的部位膨胀得更厉害。这种膨胀的差异被称为热应变，并将在较冷的区域引起应力:

由于热膨胀开裂存在两种类型。第一种叫做环裂，发生在衬底中心温度高于表面温度的时候。因此，中心比皮肤在轴向上扩张得更大。后者随后处于张力中，如果张力超过轴向强度，则在圆周周围出现环裂。

第二种热裂纹是表面热裂纹。它出现在中心比端面热的时候。热中心在径向上的膨胀大于端面。然后面处于张力中，如果张力超过径向强度，面就会出现裂纹。

为了估计破坏时的热应力和温度，考虑了几个物理值，如CTE曲线(热膨胀系数)、E(弹性模量)、T1、T2和MOR(破裂模量)。让我们把催化剂的蜂巢近似为无限长的实心圆柱体，其中内部温度等于T2，表面温度等于T1。应力方程的简化处理为:

轴向应力≈E_T1(∆L / L_T2——∆L / L_T1)，相当于:

轴向应力≈E_T1(CTE_T1到T2) (T2-T1)

一旦预测轴向应力计算出来，“应力参数”被定义，以评估DPF在高温再生过程中的热耐久性，例如:

SP≡E_500°C(∆L / L_{500 - 900°C}）

这个应力参数可以通过考虑断裂模量(MOR)来估计在这种条件下的生存概率。事实上，SP/MOR的比值与基质的存活概率成正比。以同样的方式，当MOR等于应力时，就会发生失效。

侵蚀

腐蚀现象主要是由于废气中存在微粒。由于衬底MOR在较高温度(>400°C)下增加，它随着温度的升高而减小。

为了评估侵蚀现象，在实验室用100g SiC颗粒对基底正面进行喷砂处理。其目的是确定侵蚀留下的足迹和碳化硅颗粒堵塞的电池数量。如果颗粒比通道小，流动分布将是均匀的，侵蚀足迹只取决于流动分布(左)。而如果颗粒比通道大，则会出现电池堵塞，侵蚀不均匀，导致流动分布不均匀(右)。

结论

通过控制关键宏观结构(设计)属性的过程灵活性，宏元产品的实用性得到了进一步增强。关键属性是抗应力和侵蚀，这代表了基材的耐久性，然后是催化剂或过滤器的耐久性。

来源:康宁

Romain Nicolas的观点:

堇青石基质是一种非常有效的过滤装置，而且价格便宜。然而，与碳化硅(SiC)衬底相比，它的熔化温度相对较低，这在它面临不受控制的再生时可能是一个问题。您认为制造商在选择堇青石或SiC衬底时，如何在成本和熔化风险之间进行权衡?关于后处理基质，您是否预见到任何技术突破?