绿色材料设计

《绿色材料设计》课程报告

论文题目：《用于船舶尾气处理的多孔碳化硅蜂窝陶瓷设计》姓名：

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用于船舶尾气处理的多孔碳化硅蜂窝陶瓷设计

关键词：船舶尾气、多孔陶瓷、碳化硅、酵母造孔、增韧、导电

一、目的与意义

目前汽车尾气都已经采用了尾气净化器来进行处理。但数量巨大燃料为柴油的的船舶产生的尾气却是直接排放到环境中。船舶尾气中的柴油机微粒主要由三种成分组成:固态的未燃碳颗粒的聚合物、可溶性有机物(SOF)和无机盐类，另外还有其它一些聚合物，直接排放会引起严重的大气污染，船舶尾气的处理成为了一个亟待解决的问题。结合汽车尾气处理经验，目前处理尾气污染问题有燃油内加入消烟剂等添加剂，以降低燃油中的有害成分；改变发动机结构，使燃料充分燃烧或部分废气再燃烧，如采用电控燃油喷射；使用汽车尾气净化器，降低有害物质排放等三种措施。而尾气净化器中催化剂的载体的性能尤为重要，而且一些出海的船舶所处的海上空气盐分高，对载体的耐盐碱要求更高。目前都以多孔陶瓷作为催化剂的载体。目前市场上尾气净化器常见材质是堇青石（2MgO·2Al2O3·5SiO 2），堇青石具有低膨胀、烧成温度比较低的特点，但是烧成范围窄、热导率低、表面平滑难以固化催化剂，对含钠化合物的灰分抗侵蚀性有限。SiC较其它材料具有强度高、耐高温、耐腐蚀、热导率高等优点，是作为蜂窝陶瓷载体的良好材料。因此研究多孔碳化硅蜂窝陶瓷对解决船舶尾气污染具有重要意义。本文采用一种新型的造孔剂酵母粉来制备碳化硅多孔陶瓷。

二、国内外研究现状

蜂窝多孔陶瓷最先用于汽车尾气处理中。国外发达国家的汽车工业起步早、发展快、对蜂窝陶瓷的研究也比我国早10-20年。在这一领域，美国康宁（Corning）公司代表着世界范围的最高水平.目前蜂

窝陶瓷载体的主要材质是堇青石(2MgO.2Al2O3.5SiO2).采用塑性连续挤出成型，连续化微波干燥，高温烧成（1420ºC）工艺。这种载体孔密度高(400 孔/in²),壁薄(0.15mm),表面积的70%左右为贯通孔状结构.相比之下,这种载体具有排气阻力小,反应区域大,热膨胀系数低的特点,又加之世界堇青石资源十分丰富,目前已广泛用于汽车尾气净化催化剂载体,在国外95%的新车均采用这类载体。堇青石具有低膨胀、烧成温度比较低的特点，但是烧成范围窄、热导率低、表面平滑难以固化催化剂，对含钠化合物的灰分抗侵蚀性有限。SiC 较其它材料具有强度高、耐高温、耐腐蚀、热导率高等优点，因此成为研发热点，目前已有多个跨国公司申请了 SiC 材质蜂窝陶瓷体专利，如日本碍子株式会社、日本揖斐电株式会社、美国康宁股份有限公司等。国内碳化硅多孔蜂窝陶瓷的发展水平仍然有限，很大程度上受到国外的专利封锁。

三、设计原理

对于船舶的尾气处理的基本思路也是要在排气管处安放带有陶瓷催化剂载体的尾气处理器。对于催化剂载体，目前广泛使用的是多孔蜂窝陶瓷体，呈圆柱形，如图 1 所示，具有平行的通道，这些通道交替在圆柱体上表面或下表面塞住，尾气通过其中，PM 被通道的壁挡住，留在蜂窝陶瓷体中，过滤后的尾气穿过壁进入相邻通道，通过排气管排出。

要考虑到其抗盐碱腐蚀能力。此外，柴油燃烧煤油汽油充分，其尾气中含有大量的碳灰且温度不能使其充分燃烧，所以催化剂载体要可以导电加热以借助高温除去碳灰并提高温度使催化剂更好地发挥催化活性。而碳化硅多孔蜂窝陶瓷正是理想的材料。

碳化硅蜂窝陶瓷不仅具有优良的常温力学性能，如高的抗弯强度、优良的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦系数，

而且高温力学性能(强度、抗蠕变性等)是已知陶瓷材料中最佳的。热压烧结、无压烧结、热等静压烧结的材料，其高温强度可一直维持到1600℃，是陶瓷材料中高温强度最好的材料。抗氧化性也是所有非氧化物陶瓷中最好的。碳化硅蜂窝陶瓷的缺点是断裂韧性较低，即脆性较大，为此要对碳化硅蜂窝陶瓷进行纤维增韧，改善单体材料的韧性和强度。故采用在碳化硅中加入Al 2O 3作为烧结助剂进行固相烧结添

加剂增韧。

四、工艺流程

制备碳化硅多孔陶瓷有多种工艺方法，包括添加造孔剂工艺,发泡工艺,有机泡沫浸渍工艺 ,溶胶-凝胶工艺等。其中添加造孔剂法是在烧结过程中,造孔剂挥发或分解离开基体留下气孔来制备多孔陶瓷的工艺方法。造孔剂的种类有无机和有机两大类。无机造孔剂主要有碳酸氢氨、碳粉等 ,有机造孔剂有淀粉、 聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛等。不过 ,这些有机造孔剂主要是简单的有机化合物或聚合物 ,而对于采用微生物来制备多孔陶瓷却很少见报道。酵母粉就是一种微生物,它的主要化学成分是C ，H ，O ，N ，P ， S 等元素。这里采用酵母粉作为造孔剂来制备碳化硅多孔陶瓷。

五、原材料选择

基料：SiC 粉,ρ= 3.18 g/cm

3,d 50 = 21.4μm ,纯度

97%；

Al 2O 3粉，ρ = 3. 97 g/cm 3,d 50 =15.0μm ,纯度 99 % ; 粘土,d 50 = 5 μm 。

添加剂：Al 2O 3粉（助烧剂），乙醇（分散剂）、甘油（增塑稳定剂）、

硅溶胶、聚乙烯醇、甲基纤维素（MC ）

造孔剂：酵母粉

六、材料的预处理、合成、制备、后处理及回收再利用

1.材料预处理

（1）球磨混料：采用湿法球磨混料，将所有原料放入塑料瓶中,分散介质选用乙醇,甘油为稳定剂。研磨球是 Al2O3球，料粉∶Al2O3球 =1∶2(质量比)，混合12 h. 然后, 将粒径 350～ 450 μm 的酵母粉加入到浆料中混合30 min.

（2）干燥：本试验中采用自然干燥和烘箱干燥相结合的干燥工艺。自然干燥是为了让挤制出的生坯保持一定的形状；烘箱干燥是让生坯具有一定强度，以致水分从内向外蒸发时不出现裂纹；自然干燥 3~5 小时之后，将样品放入烘箱干燥，干燥曲线如图-2所示。干燥制度为50℃1小时，70℃1小时，100℃1.5小时。缓慢升温，升温速率为0.8℃/min，加热至 100℃，保温 1.5h 之后，取出样品。此时样品已经具有较高的强度，由于干燥后产生收缩，比较容易脱模。