一种车用尾气净化器及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机动车排气净化领域，尤其是一种车用尾气净化器及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着空气污染问题的日益突出和汽车数量的迅速增加，汽车排放的废气已成为城 市大气环境污染的主要污染源之一。汽车尾气中的有害物质主要有C0、NOx和HC，多环芳 烃（PAH)以及悬浮物（SPM)等。NOx和HC在大气中经过一系列的光化学反应，易生成臭氧 等多种氧化性很强的物质，形成光化学烟雾。光化学烟雾不仅严重危害人的健康，而且会对 动植物和各种材料造成严重破坏。
[0003] 车用尾气净化器，是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车 尾气排出的C0、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮 气。当高温的汽车尾气通过净化装置时，尾气净化器中的净化剂将增强CO、HC和NOx三种 气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应，其中C0在高温下氧化成为无色、无毒 的二氧化碳气体；HC化合物在高温下氧化成水（H20)和二氧化碳；NOx还原成氮气和氧气。 三种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化。
[0004] 尾气净化器包括壳体、载体和覆盖于载体表面的催化剂。早期的载体多采用颗粒 载体，但由于颗粒载体的催化剂具有堆集密度大、床层阻力大、易粉碎等缺点，不适于汽车 尾气净化。而蜂窝状整装催化剂载体由于具有纵向、连续、不受阻挡的通道，排气阻力小等 优点，在后来的研究中被广泛应用于汽车尾气的净化，目前汽车尾气催化剂多采用这类载 体。20世纪70年代初，3M公司和福特公司用烧结法生产出一种蜂窝陶瓷载体，1972年康 宁公司也开发出一种蜂窝陶瓷载体，1986年康宁公司在西德设备厂生产蜂窝陶瓷载体，以 满足欧洲汽车工业的需要，为车用催化剂的大规模推广奠定了坚实的物质基础。我国大约 在20世纪80年代中期开始生产蜂窝陶瓷载体，虽然经过了十几年的发展，但由于技术、设 备等原因，与国外的产品相比，还有一定的差距。
[0005] 陶瓷载体是目前广泛使用的汽车尾气净化催化剂载体，其中比较常见的是堇青石 质蜂窝陶瓷载体。工业化的堇青石陶瓷制备方法，多以高岭土、滑石或纯组分氧化物为原 料，采用高温固相反应合成。该方法具有生产工艺简单，生产效率高等优点；但其存在的最 大问题就是合成温度高，能源消耗大，烧结温度达1390~1400°C，且其烧结温区很窄。如引 入玻璃相，可以适当降低堇青石陶瓷的烧结温度，拓宽其烧结温区，但却提高了其热膨胀系 数，降低了抗热震和侵蚀的能力。沉淀包裹法和溶胶-凝胶法工艺要求比较严格，合成过程 复杂，原料多为有机化合物，价格昂贵，有些还对人体有害，很难满足工业应用要求。
[0006] 在利用添加助剂改善堇青石陶瓷性能方面，助剂多为单一组元，往往平均热膨胀 系数很小，但其a轴和c轴的热膨胀系数却存在较大差异，很难使"零膨胀"与各向异性热 效应相协调，从而降低了堇青石陶瓷的热性能。
[0007] 氧化铝也是一种常见的陶瓷材料，具有耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗氧化等许多优良 的性能，但是由于氧化铝自身阳离子电荷多，半径小，离子键强等特点，导致其晶格能较大， 扩散系数较低，烧结温度高，另外也由于其脆性大、热膨胀系数高的缺陷使其应用受到了一 定的限制，故亟需寻找一种可以解决上述问题的有效方法。
【发明内容】
[0008] 为解决上述问题，本发明公开了 一种车用尾气净化器及其制备方法，该尾气净化 剂的载体是以氧化铝为基质，加入烧结助剂、氮化钛、分散剂、稀土氧化物和增强材料使制 得的载体具有高抗压强度、较低的热膨胀系数和较高的导热性能和散热性能。
[0009] 本发明的技术方案是：一种车用尾气净化器，包括壳体和蜂窝陶瓷载体，蜂窝陶瓷 载体固定在壳体内，所述蜂窝陶瓷载体的多孔结构包括弯曲的蛇形通道和直道，直道连通 到蛇形通道上，所述蜂窝陶瓷载体的组分及其质量分数包括：烧结助剂：1〇_15%，氮化钛： 4-10%，分散剂：2-5%，稀土氧化物：2-5%，增强纤维：1-2%，余量为氧化铝粉体。（其中直 道连通到载体表面，蛇形通道设置在载体内部，如此设置可以降低载体表面的进气阻力，从 而提高高速高温尾气进入载体进行净化的效率）
[0010] 作为一种优选，所述蜂窝陶瓷载体的开口气孔率为70-80 %。开口气孔率对蜂窝陶 瓷载体的导热性能有较大的影响，高开孔率蜂窝陶瓷的当量直径大于低开孔率蜂窝陶瓷当 量直径，这样，相同体积下，具有70-80%的开口气孔率的蜂窝陶瓷具有更大的孔内面积，温 度较高的时候，辐射传热增加更快，使有效导热系数快速升高。
[0011] 作为一种优选，所述直道和蛇形通道的气孔体积比为（7-8): (4-5)。在陶瓷载 体内部设置部分弯曲的蛇形通道，并与直道连通，使得尾气气流在经过连通处时形成涡流 或者湍流而发生不规则混合，起到搅拌的作用，同时蛇形通道也增加了尾气与通道表面催 化剂的接触面积以及接触压力，有效提高催化效率。当直道和蛇形通道的气孔体积比为 (7-8) : (4-5)时，控制直道体积大于蛇形通道体积，尾气的进气阻力不会太大，与孔壁的接 触压力也不会超过开裂限度，有利于尾气净化的顺利进行。
[0012] 作为一种优选，氧化铝粉体粒径为150-200nm。普通氧化铝质陶瓷材料往往需要较 高的烧结温度而增加了其在尾气净化器中的应用成本。由于烧结是通过表面张力来实现物 质的迀移，故需要较高的活化能，而细化的氧化铝陶瓷颗粒粒径小、比表面积大、表面活性 高，颗粒间扩散的距离短，只需要较低的烧结活化能和烧结温度，能够明显改善陶瓷体的物 理性能，显示出优良的力学性能。
[0013] 作为一种优选，烧结助剂为MgO、CaO、Si02、V20 5、Fe203、Ti02中的至少两种。多种 烧结助剂的加入能有效降低氧化铝陶瓷材料的热膨胀系数和烧结温度，提高烧结性能，由 于氧化铝纳米粉体颗粒的表面能较大，高温烧结致密化的过程中晶粒容易迅速生长影响材 料力学性能，而在氧化铝陶瓷涂料中加入烧结助剂，一方面可抑制其晶粒在高温时长大，另 一方面，还可降低其烧结温度。
[0014] 添加2-5%的稀土氧化物，例如氧化镧、氧化铈、氧化镨，均可明显改善氧化铝陶瓷 材料的显微结构和性能，其中镧、铈、镨元素是表面活性元素，当其氧化物颗粒与基体颗粒 相遇时，倾向于分布在基体颗粒表面，吸附晶界处的杂质，净化晶界。另外稀土氧化物颗粒 与氧化铝颗粒接触反应形成低熔点液相，可明显降低陶瓷的烧结温度。当稀土氧化物含量 低于2%时，烧结温度降低不明显，影响净化器的表面活性，而含量高于5%时，会导致孔隙 率大大降低，并不利于增加陶瓷材料的比表面积，故其含量没有必要大于5%。
[0015] 作为一种优选，氮化钛与稀土氧化物的质量比为（3-5) : 2。氮化钛在本发明的蜂窝 陶瓷材料中起到较好的导热作用，较高的导热性能在较大的区域内把热能散开来，避免因 热应力而产生缺陷，受热后散热速度也会特别快；在车用尾气净化器的实际应用中，导热性 较好的蜂窝陶瓷载体在受到尾气冲击时，能够较快地吸收并传递尾气的热量，均匀地给载 体提供活化催化剂所需的充分的热量，尤其是在低温的情况下，载体表面的催化剂可较快 地启动催化机制。在烧结助剂与稀土氧化物的共同作用下，氮化钛的熔点可明显降低；当氮 化钛与稀土氧化物的质量比为（3-5):2时，陶瓷材料的导热系数可大大提高。这是由于氮 化钛与稀土氧化物在高温易于在陶瓷晶界处形成熔融相，把氧杂质吸附在晶界上，减少了 氧杂质进入晶格的可能性，晶格内部的氧也会因为晶界处的氧浓度大大降低而自发扩散到 晶界处，使陶瓷晶格的氧含量降低，陶瓷结构缺陷的数量和种类减少，从而降低声子散射几 率，增加声子的平均自由程，提升热导率。
[0016] 作为一种优选，分散剂包括硅酸钠、甘油、羧甲基纤维素、硬脂酸。在陶瓷基体中 加入分散剂可使陶瓷基体粉料与其他添加物均匀混合不分离，由硅酸钠、甘油、羧甲基纤维 素、硬脂酸形成的分散剂与陶瓷粉体润湿角小，具有良好的亲和性。其中甘油能产生较好的 流动特性，可以很好地润湿粉体，硅酸钠对陶瓷粉体有效好的粘附作用。为了改善分散剂的 润湿性能，故加入了硬脂酸和羧甲基纤维素，它