CN107051561B - 一种耐高温抗氧化镍基蜂窝结构载体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种耐高温抗氧化镍基蜂窝结构载体的制备方法，属于多孔材料制备领域；本发明所述方法采用粉末增塑挤压技术制备蜂窝载体材料，主要以镍基合金粉、SiC粉为原料，将原料粉均匀混合后加入粘结剂和水进行混炼，将混炼均匀的膏料放入多孔分流挤压模具中以一定的速率进行挤压，挤压成型的蜂窝结构体，经干燥精整后，在真空中烧结，即可制成SiC/NiCrFe基耐高温抗氧化蜂窝结构材料；与现有技术相比，本发明具有工艺简单、成本低、安全性高、材料利用率高等特点，所制备的镍基蜂窝载体材料具有高温抗氧化性强、热导性好及表面附着性强的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐高温抗氧化镍基蜂窝结构载体的制备方法，属于多孔材料制备领域。
背景技术
近年来随着我国汽车保有量急剧的增加，汽车尾气污染已成为城市空气污染的主要来源之一，治理汽车尾气排放并提高排放标准成为当务之急，目前使用的载体材料已难以满足排放标准日趋严格的要求，为了提高机动车催化净化器的净化效率和使用寿命，需研究开发新一代催化载体材料。
目前汽车尾气净化器中应用最广的两类载体材料是蜂窝陶瓷载体和金属载体。
蜂窝陶瓷载体的优点是涂覆性能好、制备工艺简单成本低。缺点是陶瓷热容量大、热导率低、起燃慢，当汽车处于启动等状态时，由于尾气的温度较低，使载体上催化剂难以达到催化起活温度，故采用陶瓷载体净化汽车发动机低温状态时排放污染物的作用并不十分明显。另外,陶瓷载体还存在强度低、抗振动性差，使用过程中易破碎和使用周期短等不足。正是由于陶瓷载体的上述缺点限制了催化净化器的净化效率和使用寿命。
金属蜂窝载体的优点：（1）热容量小、热导率高、预热性能好、易于在短时间升温达到催化起活温度，故金属载体的使用可有效提高机动车在冷启动、低速、怠速状态下尾气催化净化处理的效率。（2）具有更高抗热冲击和震动的机械强度，使用周期长和安装容易。目前使用的金属蜂窝属于Fe-Cr-Al系合金材料,是一种将Fe-Cr-Al合金铸锭轧制得到厚度为0.04-0.08mm的金属箔材，再将金属箔材压制成波纹状，将平板金属箔与波纹金属箔叠合焊结，卷成蜂窝状整体型结构。缺点：（1）金属箔卷绕蜂窝载体制备工艺复杂、设备价格昂贵、成本高。（2）严重的问题是Fe-Cr-Al系合金由于某些原因使得Al2O3膜脱落，合金中的Al消耗迅速，从而导致合金过早地发生破坏性Cr、Fe氧化。由于载体在使用过程中受到排出尾气的高温冲刷、并经历温差达几百度的热循环、热疲劳和热冲击等十分恶劣条件，氧化膜容易脱落从而降低载体的使用寿命。（3）金属箔材蜂窝载体表面光滑，与催化涂层结合不牢，在使用过程中由于催化剂涂层脱落而丧失催化转化效果。
发明内容
本发明的目的是针对目前尾气净化器中陶瓷蜂窝和金属蜂窝载体所存在的性能和制备工艺等方面的问题，提供一种耐高温抗氧化镍基蜂窝结构载体的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）混料：按镍基合金粉与SiC粉的质量比为95～98:5～2的比例将镍基合金粉与SiC粉混合均匀，按镍基合金粉与SiC粉的质量总和与粘接剂和水的质量总和之比为3～4:1的比例，将混合均匀的镍基合金粉和SiC粉与粘接剂和水混炼制成挤压坯料，其中粘接剂与水的质量比为1:2～3；
（2）挤压成型：将混合均匀的挤压坯料放入挤压模具中挤压成蜂窝型结构；
（3）干燥：将挤压成型的蜂窝结构制品进行缓慢干燥处理；
（4）烧结：将干燥后的挤压蜂窝制品放入真空中在1000℃～1200℃下，烧结时间为2～4h，获得催化剂蜂窝结构载体。
所述镍基合金粉成分为NiCrFe，其中Ni含量为42%-45%、Cr含量为20%-22%、Fe含量为35%-38%。
所述镍基合金粉粒度为300～400目，SiC粉1000～1200目。
所述粘结剂为甲基纤维素和纤维素醚的混合物。
步骤（2）中所述挤压的挤压速率为15cm/min、压力为5～8Mpa。
本发明的原理：将镍基合金粉与SiC粉混合，采用粉末增塑挤压技术，通过多孔分流模具挤压出蜂窝结构制品，再经过烧结获得具有所需力学性能和物理性能的高温抗氧化镍基蜂窝载体材料。采用该技术制备镍基蜂窝载体，兼备金属蜂窝和陶瓷蜂窝载体的优点，即不仅可保持金属蜂窝导热性好、热容量低、抗冲击、高温抗腐蚀性和振动性好的优点，又可以获得陶瓷蜂窝所具有的表面结构特性，即烧结表面微孔、高微凸凹度和高比表面积。SiC相均匀分布在NiCrFe基体中，起到增加载体材料微观比表面积，提高与催化活性涂层结合强度和催化剂活性组分的分散度，提高催化活性成分的利用率，同时还能起到一定程度强化基体的作用。
从原理上分析本发明制备得到催化剂载体与现有蜂窝陶瓷载体与金属载体相比尾气中有害气体的转化率会有很大的提高,且抗高温、热稳定性、耐腐蚀性能优良进而提升蜂窝载体使用的寿命。
本发明的优点和增益效果：
本发明制备的耐高温抗氧化镍基蜂窝载体兼具现有陶瓷蜂窝和金属蜂窝载体的优点，即不仅具有金属载体低热容、高强度、导热性好的特性、又具有陶瓷载体与催化涂层结合好的优良性能；本发明具有工艺简单、成本低、材料利用率高、易实现批量生产等特点。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种耐高温抗氧化镍基蜂窝结构载体的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）混料：按300目的镍基合金粉（其中Ni含量为42%、Cr含量为22%、Fe含量为36%）与1000目的SiC粉的质量比为95:5的比例将镍基合金粉与SiC粉混合均匀，按镍基合金粉与SiC粉的质量总和与粘接剂和水的质量总和之比为3:1的比例，将混合均匀的合金粉和SiC粉与粘接剂（甲基纤维素和纤维素醚的混合物，其中，甲基纤维素的质量百分比浓度为44%和纤维素醚的质量百分比浓度为56%）和水放入混炼机中进行混炼制成挤压坯料，其中粘接剂与水的质量比为1:2。
（2）挤压成型：将混合均匀的挤压坯料放入挤压模具中挤压成蜂窝型结构，挤压的挤压速率为15cm/min、压力为5Mpa。
（3）干燥：将挤压成型的蜂窝结构制品进行缓慢干燥处理，干燥温度为120℃，时间为3h。
（4）烧结：将干燥后的挤压蜂窝制品放入真空中在1200℃下，烧结时间为2h，获得催化剂蜂窝结构载体。
本实施例制备得到的SiC/Ni-Cr-Fe基耐高温抗氧化蜂窝结构载体材料的抗压强度和热导率远高于陶瓷载体，而与催化涂层的结合强度优于金属蜂窝载体。
实施例2
一种耐高温抗氧化镍基蜂窝结构载体的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）混料：按350目的镍基合金粉（其中Ni含量为43%、Cr含量为20%、Fe含量为37%）与1100目的SiC粉的质量比为98:2的比例将镍基合金粉与SiC粉混合均匀，按镍基合金粉与SiC粉的质量总和与粘接剂和水的质量总和之比为4:1的比例，将混合均匀的合金粉和SiC粉与粘接剂（甲基纤维素和纤维素醚的混合物，其中，甲基纤维素的质量百分比浓度为44%和纤维素醚的质量百分比浓度为56%）和水放入混炼机中进行混炼制成挤压坯料，其中粘接剂与水的质量比为1:2.5。
（2）挤压成型：将混合均匀的挤压坯料放入挤压模具中挤压成蜂窝型结构，挤压的挤压速率为15cm/min、压力为6Mpa。
（3）干燥：将挤压成型的蜂窝结构制品进行缓慢干燥处理，干燥温度为120℃，时间为3h。
（4）烧结：将干燥后的挤压蜂窝制品放入真空中在1100℃下，烧结时间为3h，获得催化剂蜂窝结构载体。
本实施例制备得到的SiC/NiCrFe基耐高温抗氧化蜂窝结构载体材料的抗压强度和热导率远高于陶瓷载体，耐高温抗氧化明显高于金属蜂窝载体，且与催化涂层的结合强度优于金属蜂窝载体。
实施例3
一种耐高温抗氧化镍基蜂窝结构载体的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）混料：按400目的镍基合金粉（其中Ni含量为45%、Cr含量为20%、Fe含量为35%）与1200目的SiC粉的质量比为97:3的比例将镍基合金粉与SiC粉混合均匀，按镍基合金粉与SiC粉的质量总和与粘接剂和水的质量总和之比为3.5:1的比例，将混合均匀的合金粉和SiC粉与粘接剂（甲基纤维素和纤维素醚的混合物，其中，甲基纤维素的质量百分比浓度为44%和纤维素醚的质量百分比浓度为56%）和水放入混炼机中进行混炼制成挤压坯料，其中粘接剂与水的质量比为1:3。
（2）挤压成型：将混合均匀的挤压坯料放入挤压模具中挤压成蜂窝型结构，挤压的挤压速率为15cm/min、压力为8Mpa。
（3）干燥：将挤压成型的蜂窝结构制品进行缓慢干燥处理，干燥温度为120℃，时间为3h。
（4）烧结：将干燥后的挤压蜂窝制品放入真空中在1000℃下，烧结时间为4h，获得催化剂蜂窝结构载体。
本实施例制备得到的SiC/NiCrFe基耐高温抗氧化蜂窝结构载体材料的抗压强度和热导率远高于陶瓷载体，耐高温抗氧化明显高于金属蜂窝载体，且与催化涂层的结合强度优于金属蜂窝载体。
将实施例1、实施例2和实施例3的蜂窝材料置于950℃氧化后的结果，并且与同条件下的铁基蜂窝进行对比（如表1）：
表1 蜂窝高温氧化后的增重
Claims (3)
1.一种耐高温抗氧化镍基蜂窝结构载体的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）混料：按镍基合金粉与SiC粉的质量比为95～98:5～2的比例将镍基合金粉与SiC粉混合均匀，按镍基合金粉与SiC粉的质量总和与粘接剂和水的质量总和之比为3～4:1的比例，将混合均匀的镍基合金粉和SiC粉与粘接剂和水混炼制成挤压坯料，其中粘接剂与水的质量比为1:2～3；所述粘结剂为甲基纤维素和纤维素醚的混合物；
（2）挤压成型：将混合均匀的挤压坯料放入挤压模具中挤压成蜂窝型结构；
（3）干燥：将挤压成型的蜂窝结构制品进行干燥处理；
（4）烧结：将干燥后的挤压蜂窝制品放入真空烧结炉中在1000～1200℃下，烧结时间为2～4h，获得催化剂蜂窝结构载体；
所述镍基合金粉成分为NiCrFe，其中Ni含量为42%-45%、Cr含量为20%-22%、Fe含量为35%-38%。
2.根据权利要求1所述耐高温抗氧化镍基蜂窝结构载体的制备方法，其特征在于：所述镍基合金粉粒度为300～400目，SiC粉1000～1200目。
3.根据权利要求1所述耐高温抗氧化镍基蜂窝结构载体的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述挤压的挤压速率为15cm/min、压力为5～8Mpa。
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