摘 要 蜂窩陶瓷作為一種功能性多孔材料已越來越受到人們的青睞，其在工業(yè)、環(huán)保方面的廣泛應(yīng)用，日益受到人們的重視。本文對蜂窩陶瓷的制備方法、工藝過程及典型應(yīng)用進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞 蜂窩陶瓷，制備，應(yīng)用

1引 言

蜂窩陶瓷作為一種功能性多孔材料[1]，早在20世紀(jì)70年代就由美國康寧(Corning)公司開始試制，并在1975年進(jìn)行了小型車尾氣凈化試驗(yàn)，取得了良好的效果。目前世界上最大的兩個(gè)蜂窩陶瓷的生產(chǎn)廠家[2]是美國康寧公司（約占世界市場的50%）和日本NGK公司（約占40%）。這兩大廠家均采用堇青石作為蜂窩載體，其原因是：（1）價(jià)格便宜；（2）原材料易取得；（3）生產(chǎn)工藝簡單易實(shí)現(xiàn)；（4）性能基本上能夠滿足使用需要。

蜂窩陶瓷具有高的比表面積和良好的物理化學(xué)穩(wěn)定性，另外還具有低密度、高滲透率、良好的能量吸收性能以及耐高溫、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性高、易于再生等諸多特點(diǎn)。近年來，隨著制備技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，應(yīng)用水平也不斷提高。蜂窩陶瓷作為一種新型材料，越來越受到人們的重視。與傳統(tǒng)的顆粒狀陶瓷載體相比，多孔狀蜂窩陶瓷載體具有壓力降小、幾何表面大、擴(kuò)展距離短、有利于反應(yīng)物的進(jìn)入和生成物的排出，并可縮小反應(yīng)器的體積等優(yōu)點(diǎn)。因此蜂窩陶瓷特別適用于汽車尾氣的處理、煙道氣的凈化、蓄熱體以及紅外輻射燃燒板等方面。本文就其制備技術(shù)與典型應(yīng)用進(jìn)行介紹。

2蜂窩陶瓷的制備技術(shù)

蜂窩陶瓷的制備工藝大體上可以分為下面幾種：擠壓、熱壓鑄、注漿及注凝成形。其中生產(chǎn)量比較大、使用比較廣泛的是擠壓和熱壓鑄兩種方法。

2.1 擠壓成形

擠壓成形是通過模具將可塑性料擠壓成形、微波干燥并燒制成多孔陶瓷的方法。形成的孔通常有幾個(gè)毫米大，小的孔可達(dá)微米級(jí)，而且是直線連通的，常見的孔外形有正方形、三角形、六邊形等。

其制備工藝流程為：原料合成→混合練泥→陳腐→擠壓成形→干燥→燒成。

制備蜂窩陶瓷的主要原料有堇青石、鈦酸鋁、鋰輝石、氧化鋁、鋯英石、碳化硅、氮化硅、莫來石等。由于蜂窩陶瓷采用擠壓成形，必須在主原料中加入各種添加劑來提高泥坯的可塑性和流動(dòng)性，這些添加劑主要有：粘結(jié)劑、增塑劑、解膠劑、潤滑劑、潤濕劑等。此外，還有保水劑、鰲合劑、靜電防止劑、膠體保護(hù)劑和表面活性劑等。目前大都采用淀粉、羧甲基纖維素、聚乙烯醇作為粘結(jié)劑；桐油、硬脂酸等作潤滑劑；甘油作增塑劑。目前我國已經(jīng)生產(chǎn)出400孔/in²模具，但是美國、日本已經(jīng)研制出了600孔/in²、900孔/in²甚至高達(dá)1100孔/in²的高密度孔蜂窩陶瓷。我國現(xiàn)在已開始了600孔/in²擠出成形模具的研究，并取得了初步成功[3]。

2.2 熱壓鑄成形

熱壓鑄成形為注漿成形的一種，采用在陶瓷泥料中加入石蠟和油酸、硬脂酸、蜂蠟等表面活性劑的方法，在一定溫度下流體化配料，再用壓縮空氣將料漿壓入模具中，在室溫下有機(jī)物硬化后成形（有機(jī)物在高溫?zé)Y(jié)時(shí)被燒掉）。實(shí)踐表明，這是目前比較常用、生產(chǎn)效率較高、質(zhì)量較好的生產(chǎn)方法。為了增加低溫強(qiáng)度，采用低溫排蠟的工藝，工藝流程如圖1所示。

燒成過程采用慢升溫，特別是在低溫排蠟除去有機(jī)物階段，窯內(nèi)溫度要均勻，以減少因有機(jī)物的大量迅速排除及溫度不均勻產(chǎn)生開裂等缺陷。燒成設(shè)備可用電熱隧道窯及燃油燃?xì)馑笫礁G。燒成時(shí)應(yīng)注意碼坯方法，才能保證成品率及燒成質(zhì)量。

3蜂窩陶瓷的應(yīng)用

蜂窩陶瓷的應(yīng)用已非常廣泛，在很多領(lǐng)域都有成功的應(yīng)用，下面介紹幾種較典型的應(yīng)用。

3.1 工業(yè)煙氣處理

隨著工業(yè)的發(fā)展，大氣污染也越來越嚴(yán)重。為了控制大氣污染，人們開發(fā)了多種凈化技術(shù)。多孔蜂窩陶瓷因其性能優(yōu)良，已被廣泛用于煙道氣中NO_X、SO₃的排除處理。例如，采用靜電沉降器的電廠需選用低硫煤作為原料，以減少硫氧化物，從而防止引起酸雨。然而，低硫煤含硫量太低，又不能從鍋爐中有效去除燃燒產(chǎn)生的灰塵。以往解決該問題的方法是在工藝過程中加入硫，此方法成本高、不方便、維護(hù)危險(xiǎn)且影響產(chǎn)率。

最近， Applied陶瓷公司及相關(guān)的公司、組織已成功開發(fā)出一種新型陶瓷材料來解決該問題。該方法源于Applied陶瓷公司的蜂窩陶瓷擠壓成形技術(shù)和催化劑技術(shù)。該方法能使低硫煤產(chǎn)生足夠的SO₃，無需另外添加硫。這種工藝方法需采用陶瓷材料是因?yàn)榇呋瘎┰诟邷丨h(huán)境下才能起作用，而陶瓷材料可在工藝過程中保持惰性，不會(huì)和催化劑發(fā)生反應(yīng)。該方法采用熔融石英陶瓷材料擠壓成形做成蜂窩陶瓷。熔融石英的優(yōu)點(diǎn)在于具有惰性、低熱膨脹特性及高熱容性。這種熔融石英蜂窩陶瓷可作為催化劑載體和基底。催化劑被結(jié)合在蜂窩陶瓷表面，并通過二次浸漬工藝滲透至孔隙中，在這種蜂窩陶瓷的使用期限內(nèi)，即使其表面結(jié)構(gòu)在使用過程中被腐蝕掉，里面的催化劑也將持續(xù)暴露出來，這樣便可維持安裝時(shí)的催化效率。

這種蜂窩陶瓷催化劑結(jié)構(gòu)為解決低硫煤的問題提供了一種成本低而又非常有效的方法。它的優(yōu)點(diǎn)還包括：節(jié)省能源消耗、避免發(fā)生火災(zāi)和熔融硫儲(chǔ)存和處理過程發(fā)生爆炸的潛在危險(xiǎn)等。這種工藝方法將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，減少環(huán)境污染。

3.2 過濾材料

蜂窩陶瓷作為過濾材料有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸堿及有機(jī)溶劑；（2）極好的耐急熱急冷性能，工作溫度可高達(dá)1000℃；（3）抗菌性能好，不易被細(xì)菌降解，不易堵塞且易再生；（4）較強(qiáng)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。這里主要介紹一下其在冶金和水質(zhì)凈化兩個(gè)方面的應(yīng)用[4]。采用擠壓成形工藝，使陶瓷過濾片具有獨(dú)特的正方形和三角形設(shè)計(jì)。該結(jié)構(gòu)增加了陶瓷體的比表面積，提高了過濾片吸附和捕捉細(xì)小雜質(zhì)的能力，比非擠壓式過濾片過濾效果好，金屬液流動(dòng)平穩(wěn)。通過過濾可取得以下效果：（1）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；（3）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(xì)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。

水質(zhì)凈化方面主要以活性炭材料為主要成分制成孔徑很小的蜂窩載體，裝入處理設(shè)備中處理工業(yè)廢水中的重金屬和有機(jī)物，具有一定的效果。此種方法吸附容量大、阻力小、價(jià)廉、可再生利用，但也存在不少不足之處。研究部門和工廠正在研究開發(fā)用聚丙烯材料制成管狀或蜂窩狀用于水質(zhì)凈化，目前處于初試階段，有著良好的前景。

3.3 催化劑載體

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，交通運(yùn)輸業(yè)所帶來的環(huán)境污染日益嚴(yán)重。對國內(nèi)外大城市大氣質(zhì)量的測試結(jié)果表明：汽車尾氣是空氣污染的主要污染源。汽車尾氣中含有CO、NO_X和碳?xì)浠衔?，這些成分雖然占的比例不大，但都是有害的，并有強(qiáng)烈的刺激性氣味及致癌作用。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，其中載體是最基本、最關(guān)鍵的因素。在汽車尾氣催化凈化器采用的載體材料中，得到廣泛應(yīng)用的是陶瓷材料，即整體型蜂窩陶瓷載體[5]。

作為載體，其制備工藝主要采用擠壓成形技術(shù)，然后在其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。

蜂窩陶瓷由于其發(fā)達(dá)的比表面本身具有催化功能，而涂覆特定的催化劑后，則可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)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(rèn)為用蜂窩陶瓷制造的汽車凈化器和微粒捕捉器是控制汽車尾氣排放的最有效的方法。

3.4 蓄熱體

20世紀(jì)90年代初，日本科學(xué)家首先發(fā)明了高溫空氣貧氧燃燒技術(shù)(HTAC)，該技術(shù)被譽(yù)為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。該技術(shù)的關(guān)鍵之一是制備高性能的蓄熱體材料——蜂窩陶瓷[6]。蜂窩陶瓷蓄熱體具有耐高溫、抗腐蝕、熱震穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、蓄熱量大、導(dǎo)熱性能好等顯著優(yōu)點(diǎn)，節(jié)能效果和使用壽命大大提高。

蓄熱式高溫空氣燃燒是一項(xiàng)具有巨大節(jié)能和環(huán)保雙重功效的新型燃燒技術(shù)，蜂窩陶瓷蓄熱體是蓄熱式燃燒器的關(guān)鍵部件，廣泛用于鋼鐵、機(jī)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。該技術(shù)通過換向裝置使兩個(gè)蓄熱室交替吸熱放熱，最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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火和高效燃燒，可節(jié)省燃料達(dá)40%～70%，產(chǎn)量提高15%以上，鋼坯氧化燒損下降40%以上，NO_X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)。如果全國大多數(shù)工業(yè)窯爐都采用HTAC技術(shù)，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益不可估量，將極大地緩解能源緊缺的狀況，并改善人類的生存環(huán)境。

3.5 紅外輻射燃燒板

把蜂窩陶瓷裝載在灶具及燃燒器上面，憑借其高開孔率的優(yōu)勢可以起到充分燃燒的效果。另外，由于其具有輻射作用可起到節(jié)能環(huán)保的效果。天然液化石油氣和煤氣會(huì)產(chǎn)生碳?xì)浠衔锖虲O等有害氣體，嚴(yán)重污染室內(nèi)空氣，而采用蜂窩陶瓷時(shí)則可以凈化燃燒。廣州紅日燃具公司生產(chǎn)出了具有圓孔和方孔狀耐高溫陶瓷片，此種陶瓷片可裝在灶具和燃燒器上（見圖2），使用時(shí)燃燒可以輻射出紅外線，使液化氣經(jīng)催化、氧化而充分燃燒，碳?xì)浠衔?、CO等轉(zhuǎn)化率均在95%以上。通過應(yīng)用該技術(shù)，紅外線燃?xì)庠罹吲c普通大氣式灶具相比，具有以下幾方面顯著的優(yōu)點(diǎn)：

（1） 高效節(jié)能：熱效率高，節(jié)約燃?xì)?，是一種具有顯著節(jié)能效果的燃具。紅外線家用燃?xì)庠罹弋a(chǎn)品的燃燒熱能主要由輻射傳熱和對流傳熱兩部分組成，輻射能約占50%～60%；大氣式灶具產(chǎn)品的燃燒熱能主要是對流傳熱，輻射傳熱僅占極少的一部分。由于輻射傳熱具有傳熱效率高的特點(diǎn)，對于被加熱物質(zhì)（如水），具有很強(qiáng)的穿透性，其熱量很容易被加熱物體所吸收，故具有熱效率高、節(jié)約能源的優(yōu)點(diǎn)。而對流傳熱是通過對流熱（熱空氣、火焰）與被加熱物體間的溫差、加熱時(shí)間來進(jìn)行的，由于其停留時(shí)間短，對流熱有大量被耗廢掉，使得器具所接收的熱量大為減少，熱效率低。實(shí)踐證明，紅外線家用燃?xì)庠罹弋a(chǎn)品的熱效率約比普通大氣式灶具產(chǎn)品高20%，即節(jié)能約20%左右。

（2） 環(huán)保健康：燃燒完全，燃燒后煙氣中的有害物質(zhì)含量明顯降低。由于紅外線家用燃?xì)庠罹呷紵鞑捎猛耆淮慰諝忸A(yù)混燃燒方式，燃燒所需的空氣完全來自引射的一次空氣，一次空氣的比例大，其燃燒完全，燃燒煙氣中的一氧化碳含量很低。同時(shí)由于其火孔熱強(qiáng)度遠(yuǎn)低于大氣式燃燒方式，燃燒火焰的局部溫度低，不利于熱氮氧化物的產(chǎn)生，其燃燒煙氣中的氮氧化物含量很低。

（3） 衛(wèi)生潔凈，不熏鍋。由于紅外線燃?xì)馊紵鞯娜紵谳椛浒宓谋砻孢M(jìn)行，無可見火焰，在加熱物體時(shí)無燃燒火焰接觸被加熱器具，不會(huì)出現(xiàn)大氣式灶具火焰遇冷而出現(xiàn)的析碳現(xiàn)象，即不會(huì)出現(xiàn)熏黑鍋的現(xiàn)象，可保持對廚房和被加熱器具的干凈，是綠色的燃具。

（4） 安全可靠、抗風(fēng)吹熄。安全性能好，不易被風(fēng)吹熄，不易被雨淋熄。由于紅外線燃?xì)馊紵魅紵椛浒迕娣e大、火孔多，其燃燒緊貼于輻射板的內(nèi)表面，當(dāng)風(fēng)吹過時(shí)無火焰可被吹脫離，而且灼熱的輻射板表面可使燃?xì)庵匦曼c(diǎn)燃，具有優(yōu)越的抗風(fēng)性能，其抵抗風(fēng)速的能力是大氣式灶具的三倍或以上。紅外線燃燒器的火孔數(shù)是大氣式灶具的一百倍左右，遠(yuǎn)比大氣式多，當(dāng)出現(xiàn)被湯水所淋的情況時(shí)，其大的燃燒面不易被全部淋熄，而灼熱的燃燒面又可迅速恢復(fù)燃燒，確保其燃燒的正常進(jìn)行。

4結(jié)語

蜂窩陶瓷在近幾年來得到了很大的發(fā)展，其制備方法不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)寬。對其制備工藝的研究正在走向系統(tǒng)化、理論化并逐漸轉(zhuǎn)入實(shí)用開發(fā)階段。雖然蜂窩陶瓷具有諸多優(yōu)良的技術(shù)性能，并得到了廣泛應(yīng)用，但是在廣泛應(yīng)用的同時(shí)，其缺點(diǎn)也在不斷暴露出來。蜂窩陶瓷日前發(fā)展需要解決的是如何降低膨脹系數(shù)、提高單位面積的孔數(shù)及提高其機(jī)械強(qiáng)度等問題。

參考文獻(xiàn)

1 曾令可，王慧.多功能陶瓷制備與應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2006.7

2 高隴橋.蜂窩陶瓷的應(yīng)用與進(jìn)展[J].真空電子技術(shù)，2003（3）：70～71.

3 鄧重寧.600孔/in2蜂窩陶瓷載體擠出成形模具[J].陶瓷，2001，152（4）：40～41.

4 王耀明，蔡偉慶.多孔陶瓷過濾材料[J].江蘇陶瓷，2003，36(1):19～28.

5 周 燕，徐曉虹，陳 虹.堇青石質(zhì)蜂窩陶瓷載體[J].陶瓷研究， 2002，17(1):9～12

6 宋希文，胡定軍，陳義勝等.工業(yè)窯爐蓄熱式換熱器用莫來石質(zhì)蜂窩陶瓷的研制[J].耐火材料，2003，37(4):203～204，210