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，當前國外水平是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、機械強度高等基本性能外，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的電耗；用作汽車尾氣凈化器時，可以減少發(fā)動機功率的損失。

　　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），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）、碳氫化合物（HC）。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)?；⑿驶a(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)品早在上世紀八十年代在一些歐美發(fā)達國家開始采用，今天在發(fā)達國家已普遍使用。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，耐酸堿及有機溶劑；（2）較好的耐急熱急冷性能，工作溫度可達至1000℃；（3）抗菌性能好，不易被細菌降解，不易堵塞且易再生；（4）較強的結(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：

　?。?）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；

　?。?）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。