蜂窝陶瓷是什么及其应用

　　蜂窝陶瓷是什么

　　蜂窝陶瓷是一种多孔性的工业用陶瓷，其内部造型是许多贯通的蜂窝形状平行通道，这些蜂窝体单元由格子状的薄的间壁分割而成。与一般的块状陶瓷相比，蜂窝陶瓷具有比表面积大、压降低、阻力小、耐高温、化学稳定性好、热膨胀性低、隔热性好、重量轻、强度高等特点，因此特别适用于各种用途的催化剂载体。另外，由于流体可通过蜂窝陶瓷的间壁上的贯穿上下表面的空洞，所以可利用蜂窝陶瓷的间壁进行热交换和化学反应。目前，蜂窝陶瓷广泛应用于窑炉蓄热体、汽车尾气净化器、臭氧抑制催化剂载体、冶金工业的热交换和金属液的过滤、化学工业的化学反应载体及催化剂、采矿业的有毒气体和液体的净化处理、轻工业的喷涂以及建材工业的消声材料和窑炉的隔热材料。

　　蜂窝陶瓷可由多种材质制成。主要材质有: 堇青石、莫来石、钛酸铝、碳化硅、氧化锆、氮化硅及堇青石一莫来石、堇青石一钛酸铝等复合基质。自1973年，美国康宁公司用挤出法生产出件蜂窝陶瓷载体以来，目前全世界蜂窝陶瓷的年销售量超过100,000,000件以上，蜂窝陶瓷已成为世界上重要的陶瓷产品之一。

　　蜂窝陶瓷无数相等的孔组成的各种形状，目前较大的孔数已达到了每平方厘米120～140，密度每立方厘米0.3～0.6克，吸水率达到20%以上。由于多孔薄壁的特点，大大增加了载体的几何表面积和改善了抗热冲击性能，生产的产品，其网状孔以三角和四方为主，三角比四方承受力好得多，孔数也多些，这一点作为催化载体尤其重要。随着单位面积孔数的提高和载体孔壁厚度的减少，陶瓷载体的抗热冲击趋势是提高的，热冲击损坏的温度也是提高的。因此蜂窝陶瓷需要要降低膨胀系数和提高单位面积的孔数。热膨胀系数是主要性能指标，当前国外水平是α25－800℃≤1.0×10－6℃－1，与国内对比有着差距，不过这差距越来越小。较早生产蜂窝陶瓷的原料主要是高岭土、滑石、铝粉、粘土等，而今天已突破了，尤其是硅藻土、沸石、膨胀土以及耐火材料的应用，蜂窝陶瓷应用日益广泛，性能越来越好。

　　蜂窝陶瓷除了陶瓷产品普遍具有的耐高温、耐腐蚀、机械强度高等基本性能外，还拥有两个重要的性能，这也是蜂窝陶瓷立足的根本：

　　1、比表面积大。与传统球状、环状陶瓷产品相对，蜂窝陶瓷的比表面积要大得多。其它陶瓷产品只能通过增加花纹、打孔等工艺提高比表面积，而蜂窝陶瓷由于其自身特别的形状轻而易举的实现了较大表面积。从而在充当催化反应载体和蓄热体时，提高传质传热效率。

　　2、阻力小。蜂窝陶瓷的气孔呈直线贯通状，大且规则，当气体或液体通过时，遇到的阻力很小。从而在用作窑炉蓄热体时，提高空气流通速度，在较短时间积蓄和释放热量；用作反应塔填料时可以减少空气压缩机的电耗；用作汽车尾气净化器时，可以减少发动机功率的损失。

　　要充分发挥蜂窝陶瓷比表面积大的特点，有效的方法就是提高蜂窝陶瓷单位面积的孔数。从而蜂窝陶瓷问世之初的100目/吋2到目前广泛应用的600目/吋2，日本HONDA公司已经开发出1200目/吋2的产品（其壁厚比人的头发还细），但我国目前只能做到600目/吋2。目前，美国康宁公司和日本NGK公司、日本电装（Denso）公司三家企业的蜂窝陶瓷产品占据了世界市场90%以上的份额。

　　蜂窝陶瓷的应用

　　蜂窝陶瓷的应用广泛，在很多领域都有成功的应用，以下是几种较典型的应用。

　　1、蓄热体

　　20世纪90年代初，日本科学家首先发明了高温空气燃烧技术（HTAC），该技术通过换向装置使两个蓄热室交替吸热放热，很大限度地回收烟气的热量，再把炉内的助燃空气和煤气加热到1000℃以上，即使低热值的劣质燃料也能实现稳定着火和燃烧。应用HTAC技术可节省燃料达40%～70%，产量提高15%以上，钢坯氧化烧损小于40%，NOX排放小于100ppm，排放的烟气温度低于150℃，大大降低了地球大气的温室效应。而应用实践表明，HTAC技术的关键是能否研制出高性能的蜂窝陶瓷蓄热体。高性能的蜂窝陶瓷蓄热体需要具有耐高温、抗腐蚀、热震稳定性好、强度高、蓄热量大、导热性能好等优点。

　　目前HTAC技术被广泛用于钢铁、机械、建材、石化、有色金属冶炼等行业的各种加热炉、热风炉、热处理炉、裂解炉、烘烤器、熔化炉、均热炉、油气锅炉等窑炉中。如果全国大多数工业窑炉都采用HTAC技术,其经济效益和社会效益不可估量，将比较大地缓解能源紧缺的状况，并改善人类的生存环境。

　　2、催化剂载体

　　交通运输业是全球主要环境污染源之一。汽车尾气中主要含有一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOX）、碳氢化合物（HC）。为了解决这一问题，目前世界各国都趋向于使用三元催化剂。三元催化净化器主要由外壳、载体和催化剂三部分组成，其中载体是基本、关键的因素。在汽车尾气催 化器采用的载体材料中，得到广泛应用的是陶瓷材料。在载体表面涂附一层催化活性组分，一般为Pt、Rh和Pd等比较昂贵的贵金属，催化剂活性组分就可以使废气中的有害成分转变为无害的CO2、H2O和N2 而排出。

　　相对传统球状载体，蜂窝陶瓷具有比表面大、气阻小等优点，涂覆特定的催化剂后，则可实现对目标反应的选择性催化，大幅度地提高通过其孔道流体的转换效率和反应速率。因此目前人们一致认为用蜂窝陶瓷制造的汽车净化器是控制汽车尾气排放的有效的方法。

　　3、蜂窝陶瓷填料

　　蜂窝陶瓷在化工行业的应用也越来越广泛。一方面为扩大生产规模，大幅提高生产效率，要求塔填料提供的化学反应比表面积更大。但我们现有的散堆型的拉西环、矩鞍环、阶梯环和球形陶瓷填料，比表面积有120~180m2/m3，整体式的组合环、波纹板也分别有200m2/m3和400~500m2/m3，已不能适应大规模化、效率化生产的需要；另一方面，出于节能减排环保的需要，用户要求填料在反应塔中堆积所形成的流体阻力减小，以大幅节约能源。由于散堆型填料堆积形成的孔隙小，孔道很不规则，气体、液体的流通阻力很大，造成空压机电耗或蒸汽消耗等能耗居高不下，无法或难以实现国家节能减排的战略任务和实施可持续发展。

　　客观环境要求我们开发出新一代的具有高比表面积和很小的流通阻力的化工陶瓷填料——蜂窝形陶瓷填料，其很简单的产品（规格60目/吋2），可提供1000m2/m3的比表面积和70%左右的气、液流通孔开孔率，从而使气阻呈数量级下降，节约石油、化工、化肥、有色冶炼等用户50%以上的能源。事实上，此种产品早在上世纪八十年代在一些欧美发达国家开始采用，今天在发达国家已普遍使用。该产品应成为我们湘东区陶瓷填料厂家高度关注和积极开发、着力推广的新产品。

　　4、过滤材料

　　蜂窝陶瓷作为过滤材料有以下优点：

　　（1）化学稳定性好，耐酸碱及有机溶剂；（2）较好的耐急热急冷性能，工作温度可达至1000℃；（3）抗菌性能好，不易被细菌降解，不易堵塞且易再生；（4）较强的结构稳定性，孔径分布狭窄，渗透率高；（5）无毒，尤其适用于食品和药物的处理。其主要在冶金行业得到应用。蜂窝陶瓷体的比表面积大，提高了过滤片吸附和捕捉细小杂质的能力，比传统多孔陶瓷过滤效果好，金属液流动平稳。

　　通过过滤可取得以下效果：

　　（1）净化金属液，去除非金属杂质和气体；（2）使金属液充型平稳，减少漩涡；

　　（3）简化浇注系统，提高工艺出品率；（4）减少铸件气孔、优化、细化金属组织；（5）提高铸件表面质量和力学性能；（6）降低铸件废品率；（7）减少加工余量和提高刀具寿命，降低铸造成本。