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汽车尾气催化净化器载体用堇青石质蜂窝陶瓷 白佳海+纪士东 (南京工业学材料科学与：[程学院 210009) 摘要： 本文介绍了堇青石单晶的低热膨胀特点，分析其低热膨胀机理，阐述影响堇青石质蜂窝陶瓷低热膨 胀系数的主要工艺因素，指出制备超低热膨胀系数的堇青石质蜂窝陶瓷的主要途径，并介绍了堇青石质蜂 窝陶瓷的国内外发展现状。 关键词堇青石 蜂窝陶瓷超低热膨胀系数 1．前言 堇青石质蜂窝陶瓷因具有优良的抗热冲击性能、良好的吸附性能以及一定的机械强度 而得到了广泛的应用，如汽车尾气的催化净化器载体、金属液的过滤器、化学工业中的化学 反应载体等。作为汽车尾气催化净化器载体用的堇青石质蜂窝陶瓷，要求其具有低的热膨胀 系数，以满足对抗热冲击性能的要求。因此，探讨使堇青石质蜂窝陶瓷获得低热膨胀系数的 机理及影响其热膨胀系数的主要??素，可为制备高性能的堇青石质蜂窝陶瓷提供理参考。 2．堇青石质蜂窝陶瓷的超低热膨胀机理 2．1．堇青石单晶的热膨胀特点 堇青石单晶的热膨胀具有各向异性。图2为 通过固相反应合成的六方堇青石单晶各轴的热膨胀 率和温度的关系曲线(1)。如图所示，六方堇青石单 晶的c轴在室温一800℃间的热膨胀率是负值，其中 ／^、 在室温至约400℃的范围内，热膨胀率随温度的升 鲁 △ 高而降低，在400胡00℃问其热膨胀率则随温度的 e 嬲丝加埔抱8 料 4 升高而增大。a轴的热膨胀率是正值，且和温度呈 趟 线性关系，即热膨胀系数为一定值。在25～1000℃ 渣 寒i 范围内，六方堇青石单晶的c轴的热膨胀系数为．1．1 ×10击℃～， a轴的则为2．9×10曲℃‘1(孙。 q喝挖埔加∞∞∞∞∞∞∞O∞∞∞∞∞ 2．2．堇青石晶粒在蜂窝结构中的取向效应 O 400 800 1975年5月公布的美国专利3885977，最先 图2．堇青石晶体的、c轴的热膨胀曲线 实现了堇青石晶粒在蜂窝结构中的取向排列，从而 充分利用堇青石晶体热膨胀的各向异性，把堇青石质蜂窝陶瓷的热膨胀系数降低到 0．55×lO一6℃。1(RT～1000℃间)‘扪。 该专利技术的主要原理是：在挤出成型时， 轴 向 由于模具的特殊结构，片状结构高岭土的不同 -一卜————1卜 部位所受的力有所不同，从而会使片状高岭土 产生滑动和翻转，并趋向于平面取向。这样， 高岭土的c轴就会平行于蜂窝成型体间壁平面 的法线方向(参考图3、4)。则在烧成过程中， 径 通过固相反应生产的堇青石晶粒的c轴就平行 向 于蜂窝问壁平面。 图3．堇青石质蜂窝陶瓷的示意图 为了说明堇青石晶粒在蜂窝结构中理想取 向效果(即全部堇青石晶粒的c轴都平行于蜂窝陶瓷的c轴，也就是平行于挤出方向)， 24 LachmaJl．I．M等提出了两个假设条件： 1．堇青石单晶属于六方晶系。2．堇青石的c轴和一个a 轴平行于蜂窝间壁平面(如果c 轴和其中的一个a轴不平行于 间壁平面；a轴必须垂直于c 轴)。在此前提下，．通过挤压成 型制得的蜂窝陶瓷间壁的三个 方向上的理论热膨胀系数如图 4所示：蜂窝间壁在轴向和径向 ” 上的热膨胀系数是堇青石晶体 蜂窝f 的c轴和a轴的热膨胀系数的平 CTE(曲 均值，记为CTE触1；蜂窝间壁 平面的法线方向上是其中一个a 轴的所在方向，该方向的热膨胀 系数等于堇青石晶体a轴的热 膨胀系数，记为CTE㈨。由于 图4．堇青石晶粒在蜂窝结构中的理想取向效应 蜂窝陶瓷特有的蜂窝结构，使得 蜂窝间壁能够在其法线方向上自由膨胀，故对径向上的热膨胀系数的影响较小(7)。另外，由 于堇青石晶粒的取向排列而引起了蜂窝壁中热膨胀系数的各向异性，会使蜂窝壁内产生大量 的微裂纹，能够缓冲、吸收材料的热膨胀，从而可进一步降低热膨胀系数(4)。因此，理想的 堇青石质蜂窝陶瓷(晶粒完全定向排列)在轴向上的热膨胀系数CTE(cal不会高于 (CTE(。)+CTE(c1)／2=(一1．1+2．9)／2×10由℃1=0．9×10。o℃1(25℃～1000℃)。由于工艺条件 等的影响，径向上的热膨胀系数可能稍高于轴向的膨胀系数。 3．影响堇青石质蜂窝陶瓷的定向效果及热膨胀系数的若干因素 3．1原料的影响‘ 高岭土在堇青石质蜂窝陶瓷的定向技术中起着极其重要的作用。选用合适形貌(片 状、层状结构)的高岭土，是使高岭土在蜂窝结构中取向排列的必要条件。高岭土的粒度也 是影响堇青石质蜂窝陶瓷热膨胀系数的主要因素之一(5)：高岭土的平均粒径小于2um，或者 不大于滑石的平均粒径的l／3，有利于堇青石晶粒的取向排列。 滑石的形貌、粒度等对于堇青石质蜂窝陶瓷的热膨胀系数具有非常大的影响。Gregory A．Merl(