蜂窝陶瓷的制备与应用

摘 要 蜂窝陶瓷作为一种功能性多孔材料已越来越受到人们的青睐，其在工业、环保方面的广泛应用，日益受到人们的重视。本文对蜂窝陶瓷的制备方法、工艺过程及典型应用进行了介绍。

关键词 蜂窝陶瓷，制备，应用

1引 言

蜂窝陶瓷作为一种功能性多孔材料[1]，早在20世纪70年代就由美国康宁(Corning)公司开始试制，并在1975年进行了小型车尾气净化试验，取得了良好的效果。目前世界上最大的两个蜂窝陶瓷的生产厂家[2]是美国康宁公司（约占世界市场的50%）和日本NGK公司（约占40%）。这两大厂家均采用堇青石作为蜂窝载体，其原因是：（1）价格便宜；（2）原材料易取得；（3）生产工艺简单易实现；（4）性能基本上能够满足使用需要。

蜂窝陶瓷具有高的比表面积和良好的物理化学稳定性，另外还具有低密度、高渗透率、良好的能量吸收性能以及耐高温、耐腐蚀、化学稳定性和尺寸稳定性高、易于再生等诸多特点。近年来，随着制备技术的发展，其应用范围不断扩大，应用水平也不断提高。蜂窝陶瓷作为一种新型材料，越来越受到人们的重视。与传统的颗粒状陶瓷载体相比，多孔状蜂窝陶瓷载体具有压力降小、几何表面大、扩展距离短、有利于反应物的进入和生成物的排出，并可缩小反应器的体积等优点。因此蜂窝陶瓷特别适用于汽车尾气的处理、烟道气的净化、蓄热体以及红外辐射燃烧板等方面。本文就其制备技术与典型应用进行介绍。

2蜂窝陶瓷的制备技术

蜂窝陶瓷的制备工艺大体上可以分为下面几种：挤压、热压铸、注浆及注凝成形。其中生产量比较大、使用比较广泛的是挤压和热压铸两种方法。

2.1 挤压成形

挤压成形是通过模具将可塑性料挤压成形、微波干燥并烧制成多孔陶瓷的方法。形成的孔通常有几个毫米大，小的孔可达微米级，而且是直线连通的，常见的孔外形有正方形、三角形、六边形等。

其制备工艺流程为：原料合成混合练泥陈腐挤压成形干燥烧成。

制备蜂窝陶瓷的主要原料有堇青石、钛酸铝、锂辉石、氧化铝、锆英石、碳化硅、氮化硅、莫来石等。由于蜂窝陶瓷采用挤压成形，必须在主原料中加入各种添加剂来提高泥坯的可塑性和流动性，这些添加剂主要有：粘结剂、增塑剂、解胶剂、剂、润湿剂等。此外，还有保水剂、鳌合剂、静电防止剂、胶体保护剂和表面活性剂等。目前大都采用淀粉、羧甲基纤维素、聚乙烯醇作为粘结剂；桐油、硬脂酸等作剂；甘油作增塑剂。目前我国已经生产出400孔/in2模具，但是美国、日本已经研制出了600孔/in2、900孔/in2甚至高达1100孔/in2的高密度孔蜂窝陶瓷。我国现在已开始了600孔/in2挤出成形模具的研究，并取得了初步成功[3]。

2.2 热压铸成形

热压铸成形为注浆成形的一种，采用在陶瓷泥料中加入石蜡和油酸、硬脂酸、蜂蜡等表面活性剂的方法，在一定温度下流体化配料，再用压缩空气将料浆压入模具中，在室温下有机物硬化后成形（有机物在高温烧结时被烧掉）。实践表明，这是目前比较常用、生产效率较高、质量较好的生产方法。为了增加低温强度，采用低温排蜡的工艺，工艺流程如图1所示。

烧成过程采用慢升温，特别是在低温排蜡除去有机物阶段，窑内温度要均匀，以减少因有机物的大量迅速排除及温度不均匀产生开裂等缺陷。烧成设备可用电热隧道窑及燃油燃气梭式窑。烧成时应注意码坯方法，才能保证成品率及烧成质量。

3蜂窝陶瓷的应用

蜂窝陶瓷的应用已非常广泛，在很多领域都有成功的应用，下面介绍几种较典型的应用。

3.1 工业烟气处理

随着工业的发展，大气污染也越来越严重。为了控制大气污染，人们开发了多种净化技术。多孔蜂窝陶瓷因其性能优良，已被广泛用于烟道气中NOX、SO3的排除处理。例如，采用静电沉降器的电厂需选用低硫煤作为原料，以减少硫氧化物，从而防止引起酸雨。然而，低硫煤含硫量太低，又不能从锅炉中有效去除燃烧产生的灰尘。以往解决该问题的方法是在工艺过程中加入硫，此方法成本高、不方便、维护危险且影响产率。

最近， Applied陶瓷公司及相关的公司、组织已成功开发出一种新型陶瓷材料来解决该问题。该方法源于Applied陶瓷公司的蜂窝陶瓷挤压成形技术和催化剂技术。该方法能使低硫煤产生足够的SO3，无需另外添加硫。这种工艺方法需采用陶瓷材料是因为催化剂在高温环境下才能起作用，而陶瓷材料可在工艺过程中保持惰性，不会和催化剂发生反应。该方法采用熔融石英陶瓷材料挤压成形做成蜂窝陶瓷。熔融石英的优点在于具有惰性、低热膨胀特性及高热容性。这种熔融石英蜂窝陶瓷可作为催化剂载体和基底。催化剂被结合在蜂窝陶瓷表面，并通过二次浸渍工艺渗透至孔隙中，在这种蜂窝陶瓷的使用期限内，即使其表面结构在使用过程中被腐蚀掉，里面的催化剂也将持续暴露出来，这样便可维持安装时的催化效率。

这种蜂窝陶瓷催化剂结构为解决低硫煤的问题提供了一种成本低而又非常有效的方法。它的优点还包括：节省能源消耗、避免发生火灾和熔融硫储存和处理过程发生爆炸的潜在危险等。这种工艺方法将产生巨大的经济效益，减少环境污染。

3.2 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）极好的耐急热急冷性能，工作温度可高达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。这里主要介绍一下其在冶金和水质净化两个方面的应用[4]。采用挤压成形工艺，使陶瓷过滤片具有独特的正方形和三角形设计。该结构增加了陶瓷体的比表面积，提高了过滤片吸附和捕捉细小杂质的能力，比非挤压式过滤片过滤效果好，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。

水质净化方面主要以活性炭材料为主要成分制成孔径很小的蜂窝载体，装入处理设备中处理工业废水中的重金属和有机物，具有一定的效果。此种方法吸附容量大、阻力小、价廉、可再生利用，但也存在不少不足之处。研究部门和工厂正在研究开发用聚丙烯材料制成管状或蜂窝状用于水质净化，目前处于初试阶段，有着良好的前景。

3.3 催化剂载体

随着国民经济的高速发展，交通运输业所带来的环境污染日益严重。对国内外大城市大气质量的测试结果表明：汽车尾气是空气污染的主要污染源。汽车尾气中含有CO、NOX和碳氢化合物，这些成分虽然占的比例不大，但都是有害的，并有强烈的刺激性气味及致癌作用。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，其中载体是最基本、最关键的因素。在汽车尾气催化净化器采用的载体材料中，得到广泛应用的是陶瓷材料，即整体型蜂窝陶瓷载体[5]。

作为载体，其制备工艺主要采用挤压成形技术，然后在其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。催化剂活性组分可以使废气中的有害成分转变为无害的CO2、H2O和N2而排出。

蜂窝陶瓷由于其发达的比表面本身具有催化功能，而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和微粒捕捉器是控制汽车尾气排放的最有效的方法。

3.4 蓄热体

20世纪90年代初，日本科学家首先发明了高温空气贫氧燃烧技术(HTAC)，该技术被誉为21世纪最具发展潜力的技术之一。该技术的关键之一是制备高性能的蓄热体材料――蜂窝陶瓷[6]。蜂窝陶瓷蓄热体具有耐高温、抗腐蚀、热震稳定性好、强度高、蓄热量大、导热性能好等显著优点，节能效果和使用寿命大大提高。

蓄热式高温空气燃烧是一项具有巨大节能和环保双重功效的新型燃烧技术，蜂窝陶瓷蓄热体是蓄热式燃烧器的关键部件，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。该技术通过换向装置使两个蓄热室交替吸热放热，最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高效燃烧，可节省燃料达40%～70%，产量提高15%以上，钢坯氧化烧损下降40%以上，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。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，将极大地缓解能源紧缺的状况，并改善人类的生存环境。

3.5 红外辐射燃烧板

把蜂窝陶瓷装载在灶具及燃烧器上面，凭借其高开孔率的优势可以起到充分燃烧的效果。另外，由于其具有辐射作用可起到节能环保的效果。天然液化石油气和煤气会产生碳氢化合物和CO等有害气体，严重污染室内空气，而采用蜂窝陶瓷时则可以净化燃烧。广州红日燃具公司生产出了具有圆孔和方孔状耐高温陶瓷片，此种陶瓷片可装在灶具和燃烧器上（见图2），使用时燃烧可以辐射出红外线，使液化气经催化、氧化而充分燃烧，碳氢化合物、CO等转化率均在95%以上。通过应用该技术，红外线燃气灶具与普通大气式灶具相比，具有以下几方面显著的优点：

（1） 高效节能：热效率高，节约燃气，是一种具有显著节能效果的燃具。红外线家用燃气灶具产品的燃烧热能主要由辐射传热和对流传热两部分组成，辐射能约占50%～60%；大气式灶具产品的燃烧热能主要是对流传热，辐射传热仅占极少的一部分。由于辐射传热具有传热效率高的特点，对于被加热物质（如水），具有很强的穿透性，其热量很容易被加热物体所吸收，故具有热效率高、节约能源的优点。而对流传热是通过对流热（热空气、火焰）与被加热物体间的温差、加热时间来进行的，由于其停留时间短，对流热有大量被耗废掉，使得器具所接收的热量大为减少，热效率低。实践证明，红外线家用燃气灶具产品的热效率约比普通大气式灶具产品高20%，即节能约20%左右。

（2） 环保健康：燃烧完全，燃烧后烟气中的有害物质含量明显降低。由于红外线家用燃气灶具燃烧器采用完全一次空气预混燃烧方式，燃烧所需的空气完全来自引射的一次空气，一次空气的比例大，其燃烧完全，燃烧烟气中的一氧化碳含量很低。同时由于其火孔热强度远低于大气式燃烧方式，燃烧火焰的局部温度低，不利于热氮氧化物的产生，其燃烧烟气中的氮氧化物含量很低。

（3） 卫生洁净，不熏锅。由于红外线燃气燃烧器的燃烧在辐射板的表面进行，无可见火焰，在加热物体时无燃烧火焰接触被加热器具，不会出现大气式灶具火焰遇冷而出现的析碳现象，即不会出现熏黑锅的现象，可保持对厨房和被加热器具的干净，是绿色的燃具。

（4） 安全可靠、抗风吹熄。安全性能好，不易被风吹熄，不易被雨淋熄。由于红外线燃气燃烧器燃烧辐射板面积大、火孔多，其燃烧紧贴于辐射板的内表面，当风吹过时无火焰可被吹脱离，而且灼热的辐射板表面可使燃气重新点燃，具有优越的抗风性能，其抵抗风速的能力是大气式灶具的三倍或以上。红外线燃烧器的火孔数是大气式灶具的一百倍左右，远比大气式多，当出现被汤水所淋的情况时，其大的燃烧面不易被全部淋熄，而灼热的燃烧面又可迅速恢复燃烧，确保其燃烧的正常进行。

4结语

蜂窝陶瓷在近几年来得到了很大的发展，其制备方法不断完善，应用领域也不断扩宽。对其制备工艺的研究正在走向系统化、理论化并逐渐转入实用开发阶段。虽然蜂窝陶瓷具有诸多优良的技术性能，并得到了广泛应用，但是在广泛应用的同时，其缺点也在不断暴露出来。蜂窝陶瓷日前发展需要解决的是如何降低膨胀系数、提高单位面积的孔数及提高其机械强度等问题。

参考文献

1 曾令可,王慧.多功能陶瓷制备与应用[M].化学工业出版社,2006.7

2 高陇桥.蜂窝陶瓷的应用与进展[J].真空电子技术,2003（3）：70～71.

3 邓重宁.600孔/in2蜂窝陶瓷载体挤出成形模具[J].陶瓷,2001,152（4）：40～41.

4 王耀明，蔡伟庆.多孔陶瓷过滤材料[J].江苏陶瓷,2003,36(1):19～28.

5 周 燕,徐晓虹,陈 虹.堇青石质蜂窝陶瓷载体[J].陶瓷研究, 2002,17(1):9～12

6 宋希文,胡定军,陈义胜等.工业窑炉蓄热式换热器用莫来石质蜂窝陶瓷的研制[J].耐火材料，2003,37(4):203～204,210