CN1358689A

CN1358689A - 一种堇青石基复合陶瓷材料

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Publication number: CN1358689A
Application number: CN 01145537
Authority: CN
Inventors: 史志铭
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-12-29
Filing date: 2001-12-29
Publication date: 2002-07-17
Anticipated expiration: 2021-12-29
Also published as: CN1181009C

Abstract

本发明公开了一种新型堇青石基复合陶瓷材料。该材料以堇青石为基体,以稀土氧化物、氧化钛、氧化铁和氧化锆为第二相,它们均匀分布于堇青石的基体上。该材料具有可以调节的孔隙率、热膨胀系数、机械强度以及具有实现三元催化必需的储氧功能和一定的助催化功能,它能够改善有害成份CO、C－H和NXO的催化转化效果。该复合陶瓷适于制备高温流体过滤器(微粒捕捉)和汽车尾气净化器的催化剂载体。

Description

一种堇青石基复合陶瓷材料

技术领域：

本发明涉及一种堇青石基复合陶瓷材料，属于无机材料领域，适于制备高温流体过滤器以及汽车尾气净化器的催化载体。

背景技术：

汽车排放出的大量有害气体以及可吸入固体颗粒已经对大气环境和人类健康产生了恶劣的影响。随着汽车拥有量的迅速增加，世界各国对保护环境越来越重视，纷纷制定法律、标准来限制汽车尾气中有害气体及其微粒的排放。安装尾气净化器以实现有害气体的催化转化以及微粒捕捉，被认为是较为有效的措施。它由蜂窝状堇青石陶瓷(2MgOM2Al2O3 5SiO2)载体和其上涂敷的催化剂层组成。由于尾气的温度变化幅度较大，要求载体有较高的抵抗热震的能力。

在对汽车尾气的三元催化净化中，要保证较高的转换率，所需的空燃比为14.7，但是汽车发动机的燃烧环境、控制系统以及操作水平很难保证维持这一技术指标。所以控制尾气中的氧浓度是实现三元催化净化的关键。氧化铈具有独特的储氧功能(OSC，但由于催化涂层所含的氧化铈量有限，当空燃比波动较大时，其效果变得不明显。所以即使是三元催化，也很难保证各种成分同时都有较高的转换率。另外，由于所处的工作环境极为恶劣，净化器对堇青石载体和其表面催化剂层的要求非常严格。催化剂涂层和堇青石载体必须结合牢固，而且催化剂颗粒不能在服役中长大、脱落和溶入载体。

在中国专利中涉及到堇青石陶瓷载体材料的并不多，而且仅仅起到承载催化剂的作用，不具有任何助催化的作用。CN1210835，CN1033455仅仅报道了单相堇青石陶瓷的制备方法。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种可以有效调节陶瓷的孔隙率，且几种氧化物颗粒能均匀分布于陶瓷内部以及多孔表面的，并可有效改善尾气中有害成分的催化净化效果的一种堇青石基复合陶瓷材料。

本发明的目的由如下技术方案实施：该材料以堇青石为基体，以稀土氧化物、氧化钛、氧化铁和氧化锆为第二相，堇青石与各氧化物总含量，按重量份的比例为95-50∶5-50，其中稀土氧化物、氧化钛、氧化铁和氧化锆按重量份的比例分别为40-95∶0-40∶0-30∶0-20。其中稀土氧化物中氧化铈、氧化镧、氧化镤、氧化钕的含量比为50-95∶0-40∶0-20∶0-20。

所述堇青石基复合陶瓷材料的孔隙率为5％-60％、热膨胀系数为1.5×10-6/℃-3.5×10-6/℃，弯曲强度为15MPa-60MPa，储氧量为5μmol/g-30μmol/g。

所述堇青石与各氧化物总含量的最佳值，按重量份的比例为60-90∶10-40。

所述第二相氧化物之间的比例，其中稀土氧化物、氧化钛、氧化铁和氧化锆的最佳值，按重量份的比例分别为50-95∶0-20∶0-20∶0-15。

稀土氧化物是氧化铈、氧化镧、氧化镤和氧化钕或者它们的混合物。其中氧化铈、氧化镧、氧化镤和氧化钕最佳值按重量份的比例为60-95∶1-30∶1-15∶1-15。

所述第二相颗粒尺度可以控制在几个纳米-几个微米的范围，而且大的颗粒也是由小颗粒聚集而成；这些第二相粒子均匀分布于陶瓷的内部及孔表面，或者说分布于堇青石基体的晶内和晶界上。

本发明的优点是：在堇青石-氧化物复合陶瓷材料中，第二相氧化物由于受到周围堇青石基体的约束不能长大，同时在第二相中，由于氧化铈具有储氧功能，并且在其它元素的掺杂下储氧功能进一步增强，另外绝大多数过渡金属氧化物具有催化功能和促进堇青石陶瓷烧结的功能，所以通过合理选择原料以及优化制备工艺，能使氧化物颗粒均匀分布于堇青石陶瓷的基体上。由于堇青石基复合陶瓷载体和表面涂层都含有较高的孔隙率，当气流通过孔内时，这些处于孔表面的氧化物将参与气氛中氧浓度的调节以及助催化作用，因此可有效改善尾气中有害成份CO、C-H和NXO的催化转化效果。该复合陶瓷材料适于制备高温流体过滤器(微粒捕捉)和汽车尾气净化器的催化剂载体。

具体实施方式：

实施例1：当复合陶瓷体中堇青石与各氧化物总含量的比例为95∶5，第二相氧化物中稀土氧化物、氧化钛、氧化铁和氧化锆的比例为50∶30∶10∶10，其中稀土氧化物中氧化铈、氧化镧、氧化镤、氧化钕的含量比为60∶20∶10∶10，孔隙率为9％时。该陶瓷的热膨胀系数为1.72×10-6/℃，弯曲强度为55MPa，储氧量为6.3μmol/g。

实施例2：当复合陶瓷体中堇青石与各氧化物总含量的比例为90∶10，第二相氧化物中稀土氧化物、氧化钛、氧化铁和氧化锆的比例为55∶20∶15∶10，其中稀土氧化物中氧化铈、氧化镧、氧化镤、氧化钕的含量比为65∶15∶10∶10，孔隙率为20％时，该陶瓷的热膨胀系数为2.87×10-6/℃，弯曲强度为42MPa，储氧量为10.5μmol/g。

实施例3：当复合陶瓷体中堇青石与各氧化物总含量的比例为80∶20，第二相氧化物中稀土氧化物、氧化钛、氧化铁和氧化锆的比例为55∶30∶10∶5，其中稀土氧化物中氧化铈、氧化镧、氧化镤、氧化钕的含量比为70∶15∶10∶5，孔隙率为35％时，该陶瓷的热膨胀系数为2.57×10-6/℃，弯曲强度为35MPa，储氧量为13.5μmol/g。

实施例4：当复合陶瓷体中堇青石与各氧化物总含量的比例为70∶30，第二相氧化物中稀土氧化物、氧化钛、氧化铁和氧化锆的比例为60∶20∶10∶10，其中稀土氧化物中氧化铈、氧化镧、氧化镤、氧化钕的含量比为75∶15∶5∶5，孔隙率为45％的复合陶瓷体。该陶瓷的热膨胀系数为2.37×10-6/℃，弯曲强度为30MPa，储氧量为19.5μmol/g。

实例5：当复合陶瓷体中堇青石与各氧化物总含量的比例为70∶30，第二相氧化物中稀土氧化物、氧化钛、氧化铁和氧化锆的比例为70∶20∶5∶5，其中稀土氧化物中氧化铈、氧化镧、氧化镤、氧化钕的含量比为90∶5∶3∶2，孔隙率为50％，该陶瓷的热膨胀系数为2.67×10-6/℃，弯曲强度为28MPa，储氧量为24.5μmol/g。

实例6：当复合陶瓷体中堇青石与各氧化物总含量的比例为65∶35，第二相氧化物中稀土氧化物、氧化钛、氧化铁和氧化锆的比例为85∶5∶5∶5，其中稀土氧化物中氧化铈、氧化镧、氧化镤、氧化钕的含量比为95∶3∶1∶1，孔隙率为55％的复合陶瓷体。该陶瓷的热膨胀系数为3.2×10-6/℃，弯曲强度为20MPa，储氧量为26.5μmol/g。

实例7：当复合陶瓷体中堇青石与各氧化物总含量的比例为50∶50，第二相氧化物中稀土氧化物、氧化钛、氧化铁和氧化锆的比例为95∶3∶1∶1，其中稀土氧化物中氧化铈、氧化镧、氧化镤、氧化钕的含量比为95∶5∶0∶0，孔隙率为40％的复合陶瓷体。该陶瓷的热膨胀系数为3.0×10-6/℃，弯曲强度为24MPa，储氧量为20.5μmol/g。

Claims

1、一种堇青石基复合陶瓷材料，其特征在于该材料以堇青石为基体，以稀土氧化物、氧化钛、氧化铁和氧化锆为第二相，堇青石与各氧化物总含量的比例为95-50∶5-50，其中稀土氧化物、氧化钛、氧化铁和氧化锆按重量份的比例分别为40-95∶0-40∶0-30∶0-20。其中稀土氧化物中氧化铈、氧化镧、氧化镤、氧化钕的含量比为50-95∶0-40∶0-20∶0-20。

2、根据权利要求1所述的一种堇青石基复合陶瓷材料，其特征在于，所述堇青石基复合陶瓷材料的孔隙率为5％-60％、热膨胀系数为1.510-6/℃-3.5×10-6/℃，弯曲强度为15MPa-60MPa，储氧量为5μmol/g-30μmol/g。

3、根据权利要求1所述的一种堇青石基复合陶瓷材料，其特征在于，所述堇青石与各氧化物总含量的比例的最佳值为60-90∶10-40。

4、根据权利要求1所述的一种堇青石基复合陶瓷材料，其特征在于，所述第二相氧化物之间的比例其中稀土氧化物、氧化钛、氧化铁和氧化锆的最佳值分别为50-95∶0-20∶0-20∶0-15。

5、根据权利要求1、4所述的一种堇青石基复合陶瓷材料，其特征在于，所述第二相颗粒尺度可以控制在几个纳米-几个微米的范围，这些第二相粒子均匀分布于陶瓷的内部及孔表面，或者说分布于堇青石基体的晶内和晶界上。

6、根据权利要求1、4、5所述的一种堇青石基复合陶瓷材料，其特征在于，稀土氧化物是氧化铈、氧化镧、氧化镤和氧化钕或者它们的混合物，其中稀土氧化物中氧化铈、氧化镧、氧化镤和氧化钕的含量分别是50-95∶0-40∶0-20∶0-20，最佳值按重量份的比例为60-95∶1-30∶1-15∶1-15。