蜂窩陶瓷是什么及其應(yīng)用

　　蜂窩陶瓷是什么

　　蜂窩陶瓷是一種多孔性的工業(yè)用陶瓷，其內(nèi)部造型是許多貫通的蜂窩形狀平行通道，這些蜂窩體單元由格子狀的薄的間壁分割而成。與一般的塊狀陶瓷相比，蜂窩陶瓷具有比表面積大、壓降低、阻力小、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱膨脹性低、隔熱性好、重量輕、強(qiáng)度高等特點，因此特別適用于各種用途的催化劑載體。另外，由于流體可通過蜂窩陶瓷的間壁上的貫穿上下表面的空洞，所以可利用蜂窩陶瓷的間壁進(jìn)行熱交換和化學(xué)反應(yīng)。目前，蜂窩陶瓷廣泛應(yīng)用于窯爐蓄熱體、汽車尾氣凈化器、臭氧抑制催化劑載體、冶金工業(yè)的熱交換和金屬液的過濾、化學(xué)工業(yè)的化學(xué)反應(yīng)載體及催化劑、采礦業(yè)的有毒氣體和液體的凈化處理、輕工業(yè)的噴涂以及建材工業(yè)的消聲材料和窯爐的隔熱材料。

　　蜂窩陶瓷可由多種材質(zhì)制成。主要材質(zhì)有: 堇青石、莫來石、鈦酸鋁、碳化硅、氧化鋯、氮化硅及堇青石一莫來石、堇青石一鈦酸鋁等復(fù)合基質(zhì)。自1973年，美國康寧公司用擠出法生產(chǎn)出件蜂窩陶瓷載體以來，目前全世界蜂窩陶瓷的年銷售量超過100,000,000件以上，蜂窩陶瓷已成為世界上重要的陶瓷產(chǎn)品之一。

　　蜂窩陶瓷無數(shù)相等的孔組成的各種形狀，目前較大的孔數(shù)已達(dá)到了每平方厘米120～140，密度每立方厘米0.3～0.6克，吸水率達(dá)到20%以上。由于多孔薄壁的特點，大大增加了載體的幾何表面積和改善了抗熱沖擊性能，生產(chǎn)的產(chǎn)品，其網(wǎng)狀孔以三角和四方為主，三角比四方承受力好得多，孔數(shù)也多些，這一點作為催化載體尤其重要。隨著單位面積孔數(shù)的提高和載體孔壁厚度的減少，陶瓷載體的抗熱沖擊趨勢是提高的，熱沖擊損壞的溫度也是提高的。因此蜂窩陶瓷需要要降低膨脹系數(shù)和提高單位面積的孔數(shù)。熱膨脹系數(shù)是主要性能指標(biāo)，當(dāng)前國外水平是α25－800℃≤1.0×10－6℃－1，與國內(nèi)對比有著差距，不過這差距越來越小。較早生產(chǎn)蜂窩陶瓷的原料主要是高嶺土、滑石、鋁粉、粘土等，而今天已突破了，尤其是硅藻土、沸石、膨脹土以及耐火材料的應(yīng)用，蜂窩陶瓷應(yīng)用日益廣泛，性能越來越好。

　　蜂窩陶瓷除了陶瓷產(chǎn)品普遍具有的耐高溫、耐腐蝕、機(jī)械強(qiáng)度高等基本性能外，還擁有兩個重要的性能，這也是蜂窩陶瓷立足的根本：

　　1、比表面積大。與傳統(tǒng)球狀、環(huán)狀陶瓷產(chǎn)品相對，蜂窩陶瓷的比表面積要大得多。其它陶瓷產(chǎn)品只能通過增加花紋、打孔等工藝提高比表面積，而蜂窩陶瓷由于其自身特別的形狀輕而易舉的實現(xiàn)了較大表面積。從而在充當(dāng)催化反應(yīng)載體和蓄熱體時，提高傳質(zhì)傳熱效率。

　　2、阻力小。蜂窩陶瓷的氣孔呈直線貫通狀，大且規(guī)則，當(dāng)氣體或液體通過時，遇到的阻力很小。從而在用作窯爐蓄熱體時，提高空氣流通速度，在較短時間積蓄和釋放熱量；用作反應(yīng)塔填料時可以減少空氣壓縮機(jī)的電耗；用作汽車尾氣凈化器時，可以減少發(fā)動機(jī)功率的損失。

　　要充分發(fā)揮蜂窩陶瓷比表面積大的特點，有效的方法就是提高蜂窩陶瓷單位面積的孔數(shù)。從而蜂窩陶瓷問世之初的100目/吋2到目前廣泛應(yīng)用的600目/吋2，日本HONDA公司已經(jīng)開發(fā)出1200目/吋2的產(chǎn)品（其壁厚比人的頭發(fā)還細(xì)），但我國目前只能做到600目/吋2。目前，美國康寧公司和日本NGK公司、日本電裝（Denso）公司三家企業(yè)的蜂窩陶瓷產(chǎn)品占據(jù)了世界市場90%以上的份額。

　　蜂窩陶瓷的應(yīng)用

　　蜂窩陶瓷的應(yīng)用廣泛，在很多領(lǐng)域都有成功的應(yīng)用，以下是幾種較典型的應(yīng)用。

　　1、蓄熱體

　　20世紀(jì)90年代初，日本科學(xué)家首先發(fā)明了高溫空氣燃燒技術(shù)（HTAC），該技術(shù)通過換向裝置使兩個蓄熱室交替吸熱放熱，很大限度地回收煙氣的熱量，再把爐內(nèi)的助燃空氣和煤氣加熱到1000℃以上，即使低熱值的劣質(zhì)燃料也能實現(xiàn)穩(wěn)定著火和燃燒。應(yīng)用HTAC技術(shù)可節(jié)省燃料達(dá)40%～70%，產(chǎn)量提高15%以上，鋼坯氧化燒損小于40%，NOX排放小于100ppm，排放的煙氣溫度低于150℃，大大降低了地球大氣的溫室效應(yīng)。而應(yīng)用實踐表明，HTAC技術(shù)的關(guān)鍵是能否研制出高性能的蜂窩陶瓷蓄熱體。高性能的蜂窩陶瓷蓄熱體需要具有耐高溫、抗腐蝕、熱震穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、蓄熱量大、導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點。

　　目前HTAC技術(shù)被廣泛用于鋼鐵、機(jī)械、建材、石化、有色金屬冶煉等行業(yè)的各種加熱爐、熱風(fēng)爐、熱處理爐、裂解爐、烘烤器、熔化爐、均熱爐、油氣鍋爐等窯爐中。如果全國大多數(shù)工業(yè)窯爐都采用HTAC技術(shù),其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益不可估量，將比較大地緩解能源緊缺的狀況，并改善人類的生存環(huán)境。

　　2、催化劑載體

　　交通運(yùn)輸業(yè)是全球主要環(huán)境污染源之一。汽車尾氣中主要含有一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOX）、碳?xì)浠衔铮℉C）。為了解決這一問題，目前世界各國都趨向于使用三元催化劑。三元催化凈化器主要由外殼、載體和催化劑三部分組成，其中載體是基本、關(guān)鍵的因素。在汽車尾氣催 化器采用的載體材料中，得到廣泛應(yīng)用的是陶瓷材料。在載體表面涂附一層催化活性組分，一般為Pt、Rh和Pd等比較昂貴的貴金屬，催化劑活性組分就可以使廢氣中的有害成分轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的CO2、H2O和N2 而排出。

　　相對傳統(tǒng)球狀載體，蜂窩陶瓷具有比表面大、氣阻小等優(yōu)點，涂覆特定的催化劑后，則可實現(xiàn)對目標(biāo)反應(yīng)的選擇性催化，大幅度地提高通過其孔道流體的轉(zhuǎn)換效率和反應(yīng)速率。因此目前人們一致認(rèn)為用蜂窩陶瓷制造的汽車凈化器是控制汽車尾氣排放的有效的方法。

　　3、蜂窩陶瓷填料

　　蜂窩陶瓷在化工行業(yè)的應(yīng)用也越來越廣泛。一方面為擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，大幅提高生產(chǎn)效率，要求塔填料提供的化學(xué)反應(yīng)比表面積更大。但我們現(xiàn)有的散堆型的拉西環(huán)、矩鞍環(huán)、階梯環(huán)和球形陶瓷填料，比表面積有120~180m2/m3，整體式的組合環(huán)、波紋板也分別有200m2/m3和400~500m2/m3，已不能適應(yīng)大規(guī)模化、效率化生產(chǎn)的需要；另一方面，出于節(jié)能減排環(huán)保的需要，用戶要求填料在反應(yīng)塔中堆積所形成的流體阻力減小，以大幅節(jié)約能源。由于散堆型填料堆積形成的孔隙小，孔道很不規(guī)則，氣體、液體的流通阻力很大，造成空壓機(jī)電耗或蒸汽消耗等能耗居高不下，無法或難以實現(xiàn)國家節(jié)能減排的戰(zhàn)略任務(wù)和實施可持續(xù)發(fā)展。

　　客觀環(huán)境要求我們開發(fā)出新一代的具有高比表面積和很小的流通阻力的化工陶瓷填料——蜂窩形陶瓷填料，其很簡單的產(chǎn)品（規(guī)格60目/吋2），可提供1000m2/m3的比表面積和70%左右的氣、液流通孔開孔率，從而使氣阻呈數(shù)量級下降，節(jié)約石油、化工、化肥、有色冶煉等用戶50%以上的能源。事實上，此種產(chǎn)品早在上世紀(jì)八十年代在一些歐美發(fā)達(dá)國家開始采用，今天在發(fā)達(dá)國家已普遍使用。該產(chǎn)品應(yīng)成為我們湘東區(qū)陶瓷填料廠家高度關(guān)注和積極開發(fā)、著力推廣的新產(chǎn)品。

　　4、過濾材料

　　蜂窩陶瓷作為過濾材料有以下優(yōu)點：

　　（1）化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸堿及有機(jī)溶劑；（2）較好的耐急熱急冷性能，工作溫度可達(dá)至1000℃；（3）抗菌性能好，不易被細(xì)菌降解，不易堵塞且易再生；（4）較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，孔徑分布狹窄，滲透率高；（5）無毒，尤其適用于食品和藥物的處理。其主要在冶金行業(yè)得到應(yīng)用。蜂窩陶瓷體的比表面積大，提高了過濾片吸附和捕捉細(xì)小雜質(zhì)的能力，比傳統(tǒng)多孔陶瓷過濾效果好，金屬液流動平穩(wěn)。

　　通過過濾可取得以下效果：

　　（1）凈化金屬液，去除非金屬雜質(zhì)和氣體；（2）使金屬液充型平穩(wěn)，減少漩渦；

　　（3）簡化澆注系統(tǒng)，提高工藝出品率；（4）減少鑄件氣孔、優(yōu)化、細(xì)化金屬組織；（5）提高鑄件表面質(zhì)量和力學(xué)性能；（6）降低鑄件廢品率；（7）減少加工余量和提高刀具壽命，降低鑄造成本。