CN103253935B - 汽车尾气过滤用Al2TiO5/SiC多孔复合材料及其制备方法 - Google Patents

汽车尾气过滤用Al2TiO5/SiC多孔复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种汽车尾气过滤用Al2TiO5/SiC多孔复合材料及其制备方法，它是以等摩尔量的Al2O3和TiO2为基本原料，添加占基本原料质量分数1～10%的SiC颗粒和SiC晶须以及占基本原料体积份数10～30%的造孔剂，通过无压烧结反应获得的等轴状微孔和纤维连通孔的多孔复合材料，该多孔复合材料孔径3～20μm，孔隙率45.3～65.8%，抗压强度为11.42～17.53Mpa。本发明利用SiC颗粒和SiC晶须提高多孔体强度，在Al2TiO5基体中生成TiC和莫来石晶须增强相，有利于改善壁面的孔洞结构，提高比表面积，又提高孔隙率、气体液体的透过性以及过滤体的强度、耐磨性等。

Description

汽车尾气过滤用Al2TiO5/SiC多孔复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种汽车尾气净化过滤体材料，尤其是壁流式柴油机汽车尾气净化过滤体材料 
背景技术
用于柴油机微粒、化工液体过滤的陶瓷多孔材料主要由碳化硅（SiC）、氮化硅（Si3N4）、堇青石（2MgO·2Al2O3·5SiO2）和钛酸铝（Al2TiO5）组成，一般采用挤压成型的方式制成蜂窝状结构。其中钛酸铝材料由于其热膨胀系数低，抗热震性能优异，此外它还有较高的热容，较强的抗酸能力和抗灰分腐蚀能力等，被视为尾气、废液的理想材料。 
中国专利公开号CN101495425（200780026833.3）公开了一种用于生产钛酸铝陶瓷壁流过滤器的堵塞材料；该过滤材料包含氧化铝、氧化硅和氧化钛、烧结助剂、有机粘结剂等。 
中国专利公开号CN1642872（申请号：03806067.1）公开了一种用于高温应用的锶长石钛酸铝，它是柴油机排气微粒过滤器用的陶瓷多孔材料，由钛酸铝和锶长石组成，孔隙率约为15～50％，孔径约为5～50μm且孔径分布均匀。 
中国专利公开号CN1684754（申请号：03822941.2）公开了一种相互连通、孔隙率高、孔径大的富铝红柱石-钛酸铝柴油机排气过滤器，该材料以钛酸铝为基体，添加富铝红柱石和氧化铁，提高了耐热性和耐热震性能。 
中国专利公开号CN1838983（申请号：200480023739.9）公开了一种除去固体粒子的排气净化蜂窝状过滤器及其制造方法，所述过滤材料主要原料是氧化铝和氧化钛，添加碱性长石和含Mg尖晶石,降低了热分解率，提高了机械强 度。 
中国专利公开号CN101671195（申请号：200910180843.3）公开了一种氮化铝/碳化硅/钛酸铝多孔陶瓷，采用氮化铝、碳化硅和钛酸铝为主要原料，添加5wt%石蜡造孔，制得孔隙率为60～80%的陶瓷。欧洲技术研究圣戈班中心专利号CN102083768A公开了以Al2O3和TiO2为原料，通过添加适当比例的MgO和ZrO2来控制钛酸铝材料的孔结构。 
上述专利或文献虽然通过不同方法、添加不同增强相制备合成Al2TiO5复合材料，并制成了具有不同孔结构和孔隙率的多孔材料或具有较高强度和韧性的致密材料。存在的缺陷是：由于纯粹的Al2TiO5陶瓷材料壁面相对光滑，过滤效果差，很难满足载体和过滤体的要求，而且制备出的多孔材料其机械强度一般比较低。所以本发明通过添加SiC颗粒和晶须制备出Al2TiO5/SiC多孔复合材料，通过控制SiC颗粒和晶须的加入量和尺度、造孔剂含量来改善Al2TiO5/SiC多孔复合材料孔洞结构和孔隙率，提高其抗压强度。 
发明内容
为了克服现有汽车尾气净化过滤体材料过滤效果差和机械强度低的技术缺陷，本发明提供一种Al2TiO5/SiC过滤体。 
为达到上述目的，本发明的Al2TiO5/SiC多孔复合材料，是以等摩尔量的Al2O3和TiO2为基本原料，添加占基本原料质量分数1～10%的SiC颗粒和SiC晶须以及占基本原料体积份数10～30%的造孔剂，通过下述无压烧结反应获得的等轴状微孔和纤维连通孔的多孔复合材料，该多孔复合材料孔径3～20μm，孔隙率45.3～65.8%，抗压强度为11.42～17.53Mpa；无压烧结反应式如下： 
（1）Al2O3+TiO2→Al2TiO5
（2）TiO2+SiC→TiC+SiO2
（3）3Al2O3+2SiO2→3Al2O3·2SiO2
本发明Al2TiO5/SiC多孔复合材料的制备方法如下： 
第一步：原料的制备 
取化学纯Al2O3和TiO2粉末，以及SiC颗粒、晶须原料，取玉米淀粉为造孔剂，其中Al2O3、TiO2粉末和SiC颗粒尺寸在38～50μm之间，SiC晶须直径为1～10μm，长径比为10～30，淀粉粒径为0.1～1μm； 
第二步：Al2TiO5/SiC多孔复合材料粉体的制备 
按照摩尔比Al2O3:TiO2=1:1称量Al2O3、TiO2粉末，以此为反应基本物料,分别在反应基本物料中，加入占基本物料质量分数为1～10%的SiC颗粒、SiC晶须，再加入占基本物料体积分数为10～30vol%的淀粉；将Al2O3、TiO2粉末、SiC颗粒、SiC晶须及造孔剂淀粉球磨混合均匀，球磨时间1小时； 
第三步：Al2TiO5/SiC多孔复合材料的压制成型 
向上述粉体中加入适量纯度为5%wt的聚乙烯醇和酒精，均匀混合后装入模具中，采用模压成型方法，在80MPa压力下，保压时间5min压制成型； 
第四步：烧结合成Al2TiO5/SiC多孔复合材料 
将压制成型的坯体放入干燥箱中在50℃下干燥12小时，然后升温进行无压烧结，在温度为1300℃～1500℃，烧结保温2小时； 
上述升温加热要求：从室温至500℃升温速率是4℃/min，以减少变形和裂纹；升温至500℃时保温1小时以挥发掉成型时加入的造孔剂；升温至500℃～1000℃升温速率是8℃/min，升温至1000℃以上升温速率是5℃/min； 
第五步：烧结完毕后，多孔体随炉冷却至500℃出炉空冷。 
经检测：通过上述方法制备的Al2TiO5/SiC多孔复合材料孔径3～20μm，孔隙率45.31～65.84%，抗压强度为11.42～17.53Mpa。 
本发明多孔材料的孔隙率和抗压强度的检测方法分别依据国标GB/T1966-1996、GB/T1964-1996。 
本发明的有益效果为： 
①本发明利用SiC颗粒和SiC晶须提高多孔体强度，在Al2TiO5基体中生成TiC和莫来石晶须增强相，这些物相分布于多孔材料表面，有利于改善壁面的孔洞结构，提高比表面积，SiC晶须和莫来石晶须也有利于获得等轴状微孔和纤维孔组合的多孔材料，既提高过滤效率，又提高孔隙率和气体液体的透过性，同时也提高过滤体的强度、耐磨性等。 
②本发明Al2TiO5/SiC多孔复合材料所用的原料主要是Al2O3、TiO2粉末、SiC颗粒及SiC晶须，价格低廉；本发明采用模压法成型，无压烧结，制备工艺简单； 
③本发明通过向钛酸铝中添加不同粒径的SiC颗粒，通过反应TiO2+SiC→TiC+SiO2和3Al2O3+2SiO2→3Al2O3·2SiO2生成TiC和莫来石晶须增强相，也使钛酸铝颗粒直径变细，不同直径和长径比的SiC晶须，通过桥连，裂纹偏转、晶须拔出等增韧使得多孔材料的抗压强度大大提高； 
④本发明获得的等轴状微孔和纤维孔组合孔型，有利于增大多孔材料的比表面积，提高过滤效率。 
附图说明
图1为本发明多孔材料断口形貌图； 
图2为本发明多孔材料物相组成图； 
图3为本发明多孔材料的X射线衍射图谱。 
具体实施方式
下面通过附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案 
实施例一 
所述的具有等轴状微孔和纤维孔组合的多孔材料的制备方法包括以下步骤： 
第一步：Al2TiO5/SiC多孔复合材料原料的制备 
制备化学纯Al2O3、TiO2粉末和SiC颗粒和晶须原料，造孔剂淀粉，其中Al2O3、TiO2粉末和SiC颗粒尺寸在38～50μm之间，SiC晶须直径为1～10μm，长径比为10～30，淀粉粒径为0.1～1μm； 
第二步：Al2TiO5/SiC多孔复合材料粉体的制备 
按照摩尔比Al2O3:TiO2=1:1称量Al2O3、TiO2粉末，以此为反应基本物料，分别在反应基本物料中，加入质量分数为1%的SiC颗粒、SiC晶须，再加入体积为10vol%的淀粉，将Al2O3、TiO2粉末、SiC颗粒、SiC晶须及造孔剂淀粉球磨混合均匀，球磨时间1小时； 
第三步：Al2TiO5/SiC多孔复合材料的压制成型 
向上述粉体中加入纯度为5%wt的聚乙烯醇和酒精，均匀混合后装入模具中，采用模压成型方法，在80MPa压力下，保压时间5min压制成型； 
第四步：烧结合成Al2TiO5/SiC多孔复合材料 
将压制成型的坯体放入干燥箱中50℃下干燥12小时，然后升温进行无压烧结，在1300℃温度下保温烧结时间2小时； 
升温加热时要在500℃时保温1小时挥发掉成型时加入的造孔剂，室温 ～500℃升温速率是4℃/min，以减少变形和裂纹，500℃～1000℃升温速率是8℃/min，1000℃以上升温速率是5℃/min。 
第五步：烧结完毕后，多孔体随炉冷却至500℃出炉空冷即可。 
制备出来的多孔复合材料的断口形貌图、物相组成图和XRD图谱分别见图1、图2和图3。从图1可以看出：本发明是一种等轴状微孔和纤维孔组合的孔状结构，有利于增大多孔材料的比表面积，提高过滤效率。 
经检测，实施例一制备的Al2TiO5/SiC多孔复合材料孔径3～20μm，孔隙率45.31%，抗压强度为17.53Mpa；孔隙率和抗压强度的检测方法分别依据国标GB/T1966-1996、GB/T1964-1996。 
实施例二 
与实施例一不同的是分别在反应基本物料中，加入质量分数为3%的SiC颗粒和SiC晶须，再加入体积为20vol%的淀粉，烧结温度为1400℃；烧结完毕后，检验反应烧结产物的孔隙率49.83%，抗压强度为14.54Mpa。 
实施例三 
与实施例一不同的是分别在反应基本物料中，加入质量分数为7%的SiC颗粒、SiC晶须，再加入体积为30vol%的淀粉，烧结温度为1400℃。烧结完毕后，检验反应烧结产物的孔径3～20μm，孔隙率57.32%，抗压强度为13.47Mpa。 
实施例四 
与实施例一不同的是分别在反应基本物料中，加入质量分数为10%的SiC颗粒、SiC晶须，再加入体积为30vol%的淀粉，烧结温度为1500℃。烧结完毕后，检验反应烧结产物的孔径3～20μm，孔隙率65.84%，抗压强度为11.42Mpa。 

Claims (2)

1.一种汽车尾气Al2TiO5/SiC多孔复合材料，其特征在于，它是以等摩尔量的Al2O3和TiO2为基本原料，添加占基本原料质量分数1～10%的SiC颗粒和SiC晶须以及占基本原料体积份数10～30%的造孔剂，通过下述无压烧结反应获得的等轴状微孔和纤维连通孔的多孔复合材料，该多孔复合材料孔径3～20μm，孔隙率45.3～65.8%，抗压强度为11.42～17.53Mpa；无压烧结反应式如下：
Al2O3+TiO2→Al2TiO5
TiO2+SiC→TiC+SiO2
3Al2O3+2SiO2→3Al2O3·2SiO2；
这种多孔复合材料的制备方法是：
第一步：原料的制备
取化学纯Al2O3和TiO2粉末，以及SiC颗粒、晶须原料，取玉米淀粉为造孔剂，其中Al2O3、TiO2粉末和SiC颗粒尺寸在38～50μm之间，SiC晶须直径为1～10μm，长径比为10～30，淀粉粒径为0.1～1μm；
第二步：Al2TiO5/SiC多孔复合材料粉体的制备
按照摩尔比Al2O3:TiO2=1:1称量Al2O3、TiO2粉末，以此为反应基本物料,分别在反应基本物料中，加入占基本物料质量分数为1～10%的SiC颗粒、SiC晶须，再加入占基本物料体积分数为10～30vol%的淀粉；将Al2O3、TiO2粉末、SiC颗粒、SiC晶须及造孔剂淀粉球磨混合均匀，球磨时间1小时；
第三步：Al2TiO5/SiC多孔复合材料的压制成型
向上述粉体中加入适量纯度为5wt%的聚乙烯醇和酒精，均匀混合后装入模具中，采用模压成型方法，在80MPa压力下，保压时间5min压制成型；
第四步：烧结合成Al2TiO5/SiC多孔复合材料
将压制成型的坯体放入干燥箱中在50℃下干燥12小时，然后升温进行无压烧结，在温度为1300℃～1500℃，烧结保温2小时；
上述升温加热要求：从室温至500℃升温速率是4℃/min，以减少变形和裂纹；升温至500℃时保温1小时以挥发掉成型时加入的造孔剂；升温至500℃～1000℃升温速率是8℃/min，升温至1000℃以上升温速率是5℃/min；
第五步：烧结完毕后，随炉冷却至500℃出炉空冷。
2.一种如权利要求1所述的多孔复合材料的制备方法，其特征在于，
第一步：原料的制备
取化学纯Al2O3和TiO2粉末，以及SiC颗粒、晶须原料，取玉米淀粉为造孔剂，其中Al2O3、TiO2粉末和SiC颗粒尺寸在38～50μm之间，SiC晶须直径为1～10μm，长径比为10～30，淀粉粒径为0.1～1μm；
第二步：Al2TiO5/SiC多孔复合材料粉体的制备
按照摩尔比Al2O3:TiO2=1:1称量Al2O3、TiO2粉末，以此为反应基本物料,分别在反应基本物料中，加入占基本物料质量分数为1～10%的SiC颗粒、SiC晶须，再加入占基本物料体积分数为10～30vol%的淀粉；将Al2O3、TiO2粉末、SiC颗粒、SiC晶须及造孔剂淀粉球磨混合均匀，球磨时间1小时；
第三步：Al2TiO5/SiC多孔复合材料的压制成型
向上述粉体中加入适量纯度为5wt%的聚乙烯醇和酒精，均匀混合后装入模具中，采用模压成型方法，在80MPa压力下，保压时间5min压制成型；
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