本發(fā)明設計一種汽車尾氣凈化過濾體材料，尤其涉及一種用于汽車尾氣處理的MgCr2O4/AlN多孔復合材料及其制備方法。
背景技術：
汽車是現(xiàn)代人類重要的交通工具，人們在出行方便的同時，汽車尾氣對人類生存環(huán)境也造成了嚴重污染。汽車尾氣中的CO、NOx等，不僅嚴重污染大氣環(huán)境，也對人類的健康造成一定的危害, 汽車尾氣控制和廢氣處理已成為世界重要課題。 目前，降低汽車尾氣排放主要有：機前措施、機內措施和機后措施。 機前措施主要是提高燃油質量；機內措施是通過控制燃油蒸發(fā)、燃燒控制裝置及廢氣再循環(huán)燃燒使燃油盡可能充分燃燒；機后措施即安裝汽車尾氣催化凈化器（ 又稱三元催化器），采用催化凈化法降低尾氣污染物的排放，這被認為是控制汽車尾氣排放的最有效方法。
多孔陶瓷因其獨特的結構和優(yōu)異性能在汽車尾氣凈化領域得到廣泛應用。目前廣泛應用的堇青石蜂窩陶瓷不導電，只能靠發(fā)動機排氣和反應放熱作為催化劑的主要加熱源，存在冷啟動時催化劑起燃慢的問題。但是堇青石蜂窩陶瓷制備工藝成熟，應用廣泛，今后一段時間內仍將是汽車尾氣凈化器載體的主要材料。 降低堇青石蜂窩陶瓷的熱膨脹系數(shù)，適當提高孔密度和降低壁厚以及確保具有一定的機械強度是當前及今后一段時間內的研究重點及方向。
2014年，歐洲將正式實施歐 VI標準，尾氣凈化要達到低排放甚至零排放的目標。隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴格，這對汽車尾氣凈化提出了更高的要求。從未來發(fā)展來看，今后應關注的重點：1）探索和采用新的材料制備工藝，提高多孔陶瓷材料的氣孔率及力學特性，制備出滿足汽車尾氣處理器要求的高性能多孔陶瓷材料； 2）提高陶瓷的快速導熱能力，減少汽車在冷啟動時的廢氣排放量；3）提高多孔陶瓷的可重復使用特性，減少資源浪費；4）加強多孔陶瓷材料的應用技術研究，提高產(chǎn)業(yè)化水平。
技術實現(xiàn)要素：
為解決上述問題，本發(fā)明公開了一種用于汽車尾氣處理的MgCr2O4/AlN多孔復合材料及其制備方法。
為了達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：
一種用于汽車尾氣處理的MgCr2O4/AlN多孔復合材料，由CrCl3·6H2O、MgSO4、碳纖維、造孔劑、偶聯(lián)劑和分散劑經(jīng)過真空燒結法制得。
優(yōu)選地，所述造孔劑為聚碳硅烷、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚醚醚酮中的一種或多種，所述的造孔劑的粒徑小于60μm。
優(yōu)選地，所述偶聯(lián)劑為硬脂酸或PTMA。
優(yōu)選地，所述分散劑為聚羧酸鈉鹽型分散劑，所述聚羧酸鈉鹽型分散劑的固含量為43%。
優(yōu)選地，所述碳纖維為2mm的短切碳纖維，所述碳纖維的長徑比為30—50。
優(yōu)選地，制備方法包含以下步驟：
S1：MgCr2O4的制備
將CrCl3·6H2O和MgSO4以1：1的體積比溶解在甲醇和水的溶液中，加入1mol％過量的亞氯酸鉻以補償焙燒期間的鉻損失，在恒定攪拌下，將檸檬酸、乙二醇按照檸檬酸：乙二醇：(Cr3++Mg2+)=1:5:1的摩爾比加入到該溶液中，將溶液在90℃下連續(xù)干燥12小時，隨后在900℃下煅燒6小時；
S2：MgCr2O4/AlN多孔復合材料的制備
按摩爾比1:1稱量MgCr2O4和AlN，溶于異丙醇，超聲分散30min，向其中加入偶聯(lián)劑進行預處理，再加入碳纖維和分散劑，超聲分散4h，烘干，過篩，再加入造孔劑，以無水乙醇為介質球磨混合均勻，烘干，過篩；
S3：MgCr2O4/AlN多孔復合材料的冷壓成型
向S2所得粉體裝入模具，在60MPa下冷壓成型，保壓1min；
S4：MgCr2O4/AlN多孔復合材料的真空燒結
將S3所得胚體放入40℃烘箱干燥24小時，然后升溫進行真空燒結，隨爐冷卻。
優(yōu)選地，所述S1中，Mg2+的濃度為0.05mol/L，Cr3+的濃度為0.101 mol/L。
優(yōu)選地，所述S2中MgCr2O4的平均粒徑為40μm，AlN的平均粒徑為38μm，所述偶聯(lián)劑的質量分數(shù)為MgCr2O4和AlN總質量分數(shù)的1—2wt%，所述碳纖維的質量分數(shù)為MgCr2O4和AlN總質量分數(shù)的7—9wt%，所述分散劑為MgCr2O4和AlN總體積分數(shù)的20—28vol%。
優(yōu)選地，所述S3中冷壓成型為單面加壓。
優(yōu)選地，所述S4中的燒結制度為，以3℃/min的升溫速率升高到600℃，保溫2h，以5℃/min的升溫速率升高到燒結溫度為1250℃—1450℃，保溫3—4h，隨爐冷卻。
本發(fā)明的有益效果為：
1、本發(fā)明在MgCr2O4基體中生成AlN增強相，分布于多孔材料表面，有利于改善表面的孔洞結構，提高比表面積；
2、本發(fā)明的短切碳纖維有利于獲得等軸狀微孔和纖維孔組合的多孔材料，既提高過 濾效率，又提高孔隙率和氣體液體的透過性，同時也提高過濾體的強度、耐磨性等；
3、本發(fā)明的造孔劑先溶于無水乙醇再與粉料混合，有利于造孔劑與粉料均勻分散，獲得更好的蜂窩多孔結構；
4、本發(fā)明的偶聯(lián)劑能夠對MgCr2O4和AlN進行很好地預處理，使其與造孔劑相容性更好，界面缺陷更少，分散劑有利于碳纖維和粉體在溶劑中混合均勻；
5、本發(fā)明的真空燒結制度，以3℃/min的升溫速率升高到600℃，減少裂紋和變形的產(chǎn)生，保溫2h有利于球磨過程中加入的造孔劑的充分揮發(fā)。
6、本發(fā)明所制備的MgCr2O4/AlN多，孔復合材料的熱導率為253W/(m·K)，孔徑為7-12μm，孔隙率為65%—75%，孔徑為8—12μm，性能良好，且制備方法簡單實用，價格低廉，有利于產(chǎn)業(yè)化。
具體實施方式
以下將結合具體實施例對本發(fā)明提供的技術方案進行詳細說明，應理解下述具體實施方式僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。
PTMA的名稱為4-噻唑酸，分子式為C15H25N3O6PS，CAS No.為204185-34-2，其分子結構式如下：
實施例1
S1：MgCr2O4的制備
將原料CrCl3·6H2O和MgSO4以1：1的體積比溶解在甲醇和水的溶液中，加入1mol％過量的亞氯酸鉻以補償焙燒期間的鉻損失，在恒定速度攪拌下，將檸檬酸、乙二醇按照檸檬酸：乙二醇：(Cr3++Mg2+)=1:5:1的摩爾比加入到該溶液中，其中Mg2+的濃度為0.05mol/L，Cr3+的濃度為0.101 mol/L，將溶液在90℃下連續(xù)干燥12小時，隨后在900℃下煅燒6小時；
S2：MgCr2O4/AlN多孔復合材料的制備
按摩爾比1:1稱量MgCr2O4和AlN，MgCr2O4的平均粒徑為40μm，AlN的平均粒徑為38μm，溶于異丙醇，超聲分散30min，向其中加入占MgCr2O4和AlN總質量分數(shù)的1wt%的硬脂酸進行預處理，再加入2mm碳纖維和固含量為43%的聚羧酸鈉鹽型分散劑，分散劑為MgCr2O4和AlN總體積分數(shù)的20vol%，分散劑有利于碳纖維和粉體在溶劑中混合均勻，短切碳纖維的長徑比為30，短切碳纖維的質量分數(shù)為MgCr2O4和AlN總質量分數(shù)的7wt%超聲分散4h，烘干，過篩，再加入聚碳硅烷造孔劑，聚碳硅烷造孔劑的粒徑小于60μm，球磨混合均勻，烘干，過80目篩；
S3：MgCr2O4/AlN多孔復合材料的冷壓成型
向S2所得粉體裝入模具，在60MPa下冷壓成型，采用單面加壓，保壓1min；
S4：MgCr2O4/AlN多孔復合材料的真空燒結
將S3所得胚體放入40℃烘箱干燥24小時，然后升溫進行真空燒結，以3℃/min的升溫速率升高到600℃，保溫2h，以5℃/min的升溫速率升高到燒結溫度為1250℃，保溫3，隨爐冷卻，即可獲得用于汽車尾氣處理的MgCr2O4/AlN多孔復合材料。
本實施例所得的MgCr2O4/AlN多孔復合材料的熱導率253W/(m·K)，孔徑12μm，孔隙率75%。
實施例2
S1：MgCr2O4的制備
將原料CrCl3·6H2O和MgSO4以1：1的體積比溶解在甲醇和水的溶液中，加入1mol％過量的亞氯酸鉻以補償焙燒期間的鉻損失，在恒定速度攪拌下，將檸檬酸、乙二醇按照檸檬酸：乙二醇：(Cr3++Mg2+)=1:5:1的摩爾比加入到該溶液中，其中Mg2+的濃度為0.05mol/L，Cr3+的濃度為0.101 mol/L，將溶液在90℃下連續(xù)干燥12小時，隨后在900℃下煅燒6小時；
S2：MgCr2O4/AlN多孔復合材料的制備
按摩爾比1:1稱量MgCr2O4和AlN，MgCr2O4的平均粒徑為40μm，AlN的平均粒徑為38μm，溶于異丙醇，超聲分散30min，向其中加入占MgCr2O4和AlN總質量分數(shù)的2wt%的PTMA偶聯(lián)劑進行預處理，再加入2mm碳纖維和固含量為43%的聚羧酸鈉鹽型分散劑，分散劑為MgCr2O4和AlN總體積分數(shù)的28vol%，分散劑有利于碳纖維和粉體在溶劑中混合均勻，短切碳纖維的長徑比為50，短切碳纖維的質量分數(shù)為MgCr2O4和AlN總質量分數(shù)的9wt%超聲分散4h，烘干，過篩，再加入聚對苯二甲酸乙二醇酯造孔劑，聚對苯二甲酸乙二醇酯造孔劑的粒徑小于60μm，球磨混合均勻，烘干，過80目篩；
S3：MgCr2O4/AlN多孔復合材料的冷壓成型
向S2所得粉體裝入模具，在60MPa下冷壓成型，采用單面加壓，保壓1min；
S4：MgCr2O4/AlN多孔復合材料的真空燒結
將S3所得胚體放入40℃烘箱干燥24小時，然后升溫進行真空燒結，以3℃/min的升溫速率升高到600℃，保溫2h，以5℃/min的升溫速率升高到燒結溫度為1450℃，保溫4h，隨爐冷卻，即可獲得用于汽車尾氣處理的MgCr2O4/AlN多孔復合材料。
本實施例所得的MgCr2O4/AlN多孔復合材料的熱導率為255W/(m·K)，孔徑為7μm，孔隙率為65%%。
實施例3
S1：MgCr2O4的制備
將原料CrCl3·6H2O和MgSO4以1：1的體積比溶解在甲醇和水的溶液中，加入1mol％過量的亞氯酸鉻以補償焙燒期間的鉻損失，在恒定速度攪拌下，將檸檬酸、乙二醇按照檸檬酸：乙二醇：(Cr3++Mg2+)=1:5:1的摩爾比加入到該溶液中，其中Mg2+的濃度為0.05mol/L，Cr3+的濃度為0.101 mol/L，將溶液在90℃下連續(xù)干燥12小時，隨后在900℃下煅燒6小時；
S2：MgCr2O4/AlN多孔復合材料的制備
按摩爾比1:1稱量MgCr2O4和AlN，MgCr2O4的平均粒徑為40μm，AlN的平均粒徑為38μm，溶于異丙醇，超聲分散30min，向其中加入占MgCr2O4和AlN總質量分數(shù)的1.5wt%的硬脂酸偶聯(lián)劑進行預處理，再加入2mm碳纖維和固含量為43%的聚羧酸鈉鹽型分散劑，分散劑為MgCr2O4和AlN總體積分數(shù)的24vol%，分散劑有利于碳纖維和粉體在溶劑中混合均勻，短切碳纖維的長徑比為40，短切碳纖維的質量分數(shù)為MgCr2O4和AlN總質量分數(shù)的8wt%超聲分散4h，烘干，過篩，再加入聚醚醚酮造孔劑，聚醚醚酮造孔劑的粒徑小于60μm，球磨混合均勻，烘干，過200目篩；
S3：MgCr2O4/AlN多孔復合材料的冷壓成型
向S2所得粉體裝入模具，在60MPa下冷壓成型，采用單面加壓，保壓1min；
S4：MgCr2O4/AlN多孔復合材料的真空燒結
將S3所得胚體放入40℃烘箱干燥24小時，然后升溫進行真空燒結，以3℃/min的升溫速率升高到600℃，保溫2h，以5℃/min的升溫速率升高到燒結溫度為1350℃，保溫3.5h，隨爐冷卻，即可獲得用于汽車尾氣處理的MgCr2O4/AlN多孔復合材料。
本實施例所得的MgCr2O4/AlN多孔復合材料的熱導率為254W/(m·K)，孔徑為9μm，孔隙率為70%。
實施例4
S1：MgCr2O4的制備
將原料CrCl3·6H2O和MgSO4以1：1的體積比溶解在甲醇和水的溶液中，加入1mol％過量的亞氯酸鉻以補償焙燒期間的鉻損失，在恒定速度攪拌下，將檸檬酸、乙二醇按照檸檬酸：乙二醇：(Cr3++Mg2+)=1:5:1的摩爾比加入到該溶液中，其中Mg2+的濃度為0.05mol/L，Cr3+的濃度為0.101 mol/L，將溶液在90℃下連續(xù)干燥12小時，隨后在900℃下煅燒6小時；
S2：MgCr2O4/AlN多孔復合材料的制備
按摩爾比1:1稱量MgCr2O4和AlN，MgCr2O4的平均粒徑為40μm，AlN的平均粒徑為38μm，溶于異丙醇，超聲分散30min，向其中加入占MgCr2O4和AlN總質量分數(shù)的1wt%的PTMA偶聯(lián)劑進行預處理，再加入2mm碳纖維和固含量為43%的聚羧酸鈉鹽型分散劑，分散劑為MgCr2O4和AlN總體積分數(shù)的22vol%，分散劑有利于碳纖維和粉體在溶劑中混合均勻，短切碳纖維的長徑比為33，短切碳纖維的質量分數(shù)為MgCr2O4和AlN總質量分數(shù)的7wt%超聲分散4h，烘干，過篩，再加入聚對苯二甲酸乙二醇酯造孔劑，聚對苯二甲酸乙二醇酯造孔劑的粒徑小于60μm，球磨混合均勻，烘干，過120目篩；
S3：MgCr2O4/AlN多孔復合材料的冷壓成型
向S2所得粉體裝入模具，在60MPa下冷壓成型，采用單面加壓，保壓1min；
S4：MgCr2O4/AlN多孔復合材料的真空燒結
將S3所得胚體放入40℃烘箱干燥24小時，然后升溫進行真空燒結，以3℃/min的升溫速率升高到600℃，保溫2h，以5℃/min的升溫速率升高到燒結溫度為1400℃，保溫3.5h，隨爐冷卻，即可獲得用于汽車尾氣處理的MgCr2O4/AlN多孔復合材料。
本實施例所得的MgCr2O4/AlN多孔復合材料的熱導率為254W/(m·K)，孔徑為8μm，孔隙率為72%。
實施例5
S1：MgCr2O4的制備
將原料CrCl3·6H2O和MgSO4以1：1的體積比溶解在甲醇和水的溶液中，加入1mol％過量的亞氯酸鉻以補償焙燒期間的鉻損失，在恒定速度攪拌下，將檸檬酸、乙二醇按照檸檬酸：乙二醇：(Cr3++Mg2+)=1:5:1的摩爾比加入到該溶液中，其中Mg2+的濃度為0.05mol/L，Cr3+的濃度為0.101 mol/L，將溶液在90℃下連續(xù)干燥12小時，隨后在900℃下煅燒6小時；
S2：MgCr2O4/AlN多孔復合材料的制備
按摩爾比1:1稱量MgCr2O4和AlN，MgCr2O4的平均粒徑為40μm，AlN的平均粒徑為38μm，溶于異丙醇，超聲分散30min，向其中加入占MgCr2O4和AlN總質量分數(shù)的2wt%的PTMA偶聯(lián)劑進行預處理，再加入2mm碳纖維和固含量為43%的聚羧酸鈉鹽型分散劑，分散劑為MgCr2O4和AlN總體積分數(shù)的26vol%，分散劑有利于碳纖維和粉體在溶劑中混合均勻，短切碳纖維的長徑比為45，短切碳纖維的質量分數(shù)為MgCr2O4和AlN總質量分數(shù)的9wt%超聲分散4h，烘干，過篩，再加入聚醚醚酮造孔劑，聚醚醚酮造孔劑的粒徑小于60μm，球磨混合均勻，烘干，過80目篩；
S3：MgCr2O4/AlN多孔復合材料的冷壓成型
向S2所得粉體裝入模具，在60MPa下冷壓成型，采用單面加壓，保壓1min；
S4：MgCr2O4/AlN多孔復合材料的真空燒結
將S3所得胚體放入40℃烘箱干燥24小時，然后升溫進行真空燒結，以3℃/min的升溫速率升高到600℃，保溫2h，以5℃/min的升溫速率升高到燒結溫度為1300℃，保溫3h，隨爐冷卻，即可獲得用于汽車尾氣處理的MgCr2O4/AlN多孔復合材料。
本實施例所得的MgCr2O4/AlN多孔復合材料的熱導率為253W/(m·K)，孔徑為11μm，孔隙率為69%。
本發(fā)明方案所公開的技術手段不僅限于上述實施方式所公開的技術手段，還包括由以上技術特征任意組合所組成的技術方案。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發(fā)明的保護范圍。