專利名稱：導電Ti₃AlC₂蜂窩陶瓷及其制備方法和用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及導電蜂窩陶瓷領(lǐng)域，具體為一種具有貫通四方孔結(jié)構(gòu)的導電Ti3AlC2蜂窩陶瓷及其制備方法和用途。
背景技術(shù)：
如今，汽車 數(shù)量迅速增加，導致汽車尾氣的排放量與日俱增。尾氣中的一氧化碳(CO)、碳氫化合物(CxHy)、氧氮化合物(N0X)、二氧化硫、固體顆粒及醛類等物質(zhì)有強烈刺激性的味道或有致癌作用，已經(jīng)成為重要的大氣污染源。為減少尾氣的污染，主要采用尾氣再循環(huán)、延遲點火時間等機內(nèi)凈化措施和高效催化技術(shù)等機外措施。高效催化技術(shù)是在尾氣排出氣缸進入大氣前將CO、CxHy, NOx轉(zhuǎn)化為C02、H20、N2。所采用的三元催化轉(zhuǎn)化器由外殼、載體和催化劑三部分組成。其中載體是重要的組成部分，分為顆粒載體、陶瓷載體和金屬載體。目前，大量使用的是蜂窩狀整體式陶瓷載體，其材料為堇青石、莫來石、沸石、a -Al2O3、氧化鋯、鈦酸鋁、二氧化鈦、富鋁紅柱石、透鋰長石、鋰輝石、硅鋁酸鹽及硅酸鎂等傳統(tǒng)陶瓷。除了廣泛使用的陶瓷載體外，由不銹鋼或合金材料制作的金屬箔載體逐漸進入人們的視野。與陶瓷載體相比，導電金屬箔可以電加熱，能減少汽車冷啟動時間，顯著降低了啟動時有害氣體的排放量。盡管金屬箔載體性能優(yōu)良，但成型工藝復雜，尤其是載體與催化劑活性層附著性差。目前，正在使用的催化劑載體面臨的主要問題是:傳統(tǒng)陶瓷載體不導電或?qū)щ娦圆?，不易電加熱，且抗熱震性能不好；金屬箔載體導電性好，可以電加熱，但與催化劑活性層熱膨脹系數(shù)差別大，活性層容易從載體上剝落。MAX相陶瓷(如Ti3SiC2、Ti3AlC2、Ti2AlC)含有共價鍵和金屬鍵，集成了陶瓷和金屬的優(yōu)點，如高的機械強度、優(yōu)異的抗熱震性和良好的導電性和易加工性能。這些性能恰好同時克服了傳統(tǒng)陶瓷載體和金屬箔載體的不足，使得MAX相陶瓷作為催化劑載體材料具有廣泛的應用前景。但到目前為止，國內(nèi)外尚未有MAX相蜂窩陶瓷的研究報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種制備具有貫通孔結(jié)構(gòu)的多孔導電Ti3AlC2蜂窩陶瓷及其制備方法，并提出其用途，解決傳統(tǒng)陶瓷載體不易電加熱，且抗熱震性能不好，并且，金屬箔載體與催化劑活性層熱膨脹系數(shù)差別大，活性層容易從載體上剝落等問題。本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種導電Ti3AlC2蜂窩陶瓷，該Ti3AlC2蜂窩陶瓷具有貫通孔結(jié)構(gòu)，其通孔形狀為四方孔，孔密度200-300孔/in2，壁厚0.3-0.4mm Ji3AlC2蜂窩陶瓷中，Ti3AlC2所占的重量百分比為99-100%ο所述的導電Ti3AlC2蜂窩 陶瓷的孔結(jié)構(gòu)為兩種:一種孔密度300孔/in2，壁厚0.4mm ;另一種孔密度200孔/in2，壁厚0.3_。所述導電Ti3AlC2蜂窩陶瓷的制備方法，具體步驟如下:
(I)配料按配比稱量Ti3AlC2陶瓷粉料和結(jié)合劑，結(jié)合劑為下列物質(zhì)中的一種或兩種以上物質(zhì)的混合物:淀粉、糊精、聚乙烯醇、墻紙膠粉，結(jié)合劑占陶瓷粉料重量的5-10%。其中，Ti3AlC2陶瓷粉料的粒度2-5微米。(2)濕混將混合料倒入滾筒磨或者行星磨中，加入無水乙醇為介質(zhì)進行濕混，球磨介質(zhì)為瑪瑙球或者聚氨酯球或者鋼球，混合料與無水乙醇體積比為3: 2-2: 1，球料重量比為0.5-2，濕混時間為6-12小時。(3)煉泥待混合料自然晾干后，加入去離子水、增塑劑進行手工混煉或者放入煉泥機中進行煉泥，去離子水加入量為陶瓷粉料重量的12-16%，增塑劑為甘油，加入量為陶瓷粉料重量的1_3%，均勻后加入潤滑劑，潤滑劑為下列物質(zhì)中的一種或兩種以上物質(zhì)的混合物:桐油、硬脂酸、礦物油、食用植物油，繼續(xù)混煉，最終獲得陶瓷泥坯，潤滑劑加入量為陶瓷粉料重量的 0.5-1%。(4)陳腐將陶瓷泥坯用保鮮膜包住，放在陰涼潮濕處進行陳腐(陳化)備用。(5)擠出將陳腐好的泥料通過蜂窩陶瓷真空擠出成型機擠出，擠出壓力為15_20MPa，擠出速率為5_15mm/s。(6)切割用金屬絲對擠出的蜂窩陶瓷生坯按照所需尺寸進行切割。(7)干燥將蜂窩陶瓷生坯放在干燥箱中干燥，第一階段干燥制度為60-90°C，12-48小時，第二階段干燥制度為110-150°C，12-48小時。(8)燒成將干燥后的蜂窩陶瓷生坯置入氧化鋁坩堝中，在氧化鋁管式爐內(nèi)進行高溫處理，爐內(nèi)氣氛為流動的高純氬氣(體積濃度> 99.999%)，升溫速率為2-10°C /min，燒結(jié)溫度1300-1500°C，保溫時間0.5-3小時，獲得導電Ti3AlC2蜂窩陶瓷。本發(fā)明中，Ti3AlCdt為一種典型的MAX相陶瓷，晶體結(jié)構(gòu)中含共價鍵和離子鍵，展現(xiàn)出金屬和陶瓷的雙重特性，其優(yōu)良的導電性可以直接進行電加熱，熱膨脹系數(shù)(9.0X ΙΟ^Γ1, 25-1200 0C )與催化劑活性層( Y-Al2O3)的匹配性，使得擠出成型法制備的具有貫通孔結(jié)構(gòu)的Ti3AlC2蜂窩陶瓷，用作汽車尾氣凈化用催化劑載體材料。本發(fā)明的優(yōu)點是:本發(fā)明以Ti3AlC2陶瓷粉為原料，加入一定量的結(jié)合劑和添加劑煉泥后，形成Ti3AlC2陶瓷可塑性泥料，進一步通過蜂窩陶瓷真空擠出成型機擠出成型，得到Ti3AlC2蜂窩陶瓷坯體，在氧化鋁管式氣氛爐內(nèi)無壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度1300-1500°C，燒結(jié)時間0.5-3小時。本發(fā)明制備兩種Ti3AlC2蜂窩陶瓷，其通孔形狀為四方孔，一種孔密度300孔/in2，壁厚
0.4mm ;另一種孔密度200孔/in2，壁厚0.3mm。Ti3AlC2作為一種典型的MAX相陶瓷，其優(yōu)良的導電性可以直接進行電加熱，熱膨脹系數(shù)與催化劑活性層的匹配性，使得擠出成型法制備的具有貫通孔結(jié)構(gòu)的Ti3AlC2蜂窩陶瓷，用作汽車尾氣凈化用催化劑載體材料，可以避免汽車在冷啟動時，由于溫度低而不能很好地發(fā)揮催化劑的催化性能。


圖1.孔密度300孔/in2，壁厚0.4mm的Ti3AlC2蜂窩陶瓷在1300°C氬氣氣氛中燒結(jié)后的光學照片(a)和掃描照片(b)。圖2.孔密度300孔/in2，壁厚0.4mm的Ti3AlC2蜂窩陶瓷在1300°C氬氣氣氛中燒結(jié)后的X射線衍射分析圖譜。圖3.孔密度200孔/in2，壁厚0.3mm的Ti3AlC2蜂窩陶瓷在1300°C氬氣氣氛中燒結(jié)后的光學照片。
具體實施例方式下面通過實施例詳述本發(fā)明。實施例1以無水乙醇為介質(zhì)，將Ti3AlC2粉(粒度2-5微米)與結(jié)合劑糊精(占陶瓷粉料重量的8%)在聚氨酯球磨罐中濕混，混合料與無水乙醇體積比為3: 2，球料重量比為1.5，濕混時間為8小時。待混合粉料晾干后 ，加入塑性劑甘油與去離子水配成的溶液，進行手工混煉，去離子水加入量為陶瓷粉料重量的13%，甘油加入量為陶瓷粉料重量的2%。加入潤滑劑桐油，繼續(xù)混煉，最終獲得陶瓷泥坯，潤滑劑加入量為陶瓷粉料重量的0.8%。陳化12小時后，以30mmX30mm、400孔的模具擠出成型，擠出壓力為18MPa，擠出速率為10mm/s。用金屬絲對擠出的蜂窩陶瓷生坯按照所需尺寸進行切割，得到蜂窩陶瓷坯體。將蜂窩陶瓷生坯放在干燥箱中干燥，第一階段干燥制度為80°C，24小時，第二階段干燥制度為120°C，保溫24小時。干燥后，將坯體置入氧化鋁坩堝，在管式氣氛爐內(nèi)燒結(jié)2小時，氣氛為高純氬氣，升溫速率為3°C /min，燒結(jié)溫度1300°C。從而，獲得導電Ti3AlC2蜂窩陶瓷。該Ti3AlC2蜂窩陶瓷具有貫通孔結(jié)構(gòu)，其通孔形狀為四方孔，蜂窩陶瓷的孔密度為300孔/in2，壁厚0.4_。燒結(jié)后，蜂窩陶瓷很好地保持了坯體的外形，如圖1(a)所示。本實施例獲得的Ti3AlC2蜂窩陶瓷中，Ti3AlC2所占的重量百分比彡99%，電導率為420 Ω-1.πΓ1。實施例2以無水乙醇為介質(zhì)，將Ti3AlC2粉(粒度2-5微米)與結(jié)合劑淀粉(占陶瓷粉料重量的5%)在瑪瑙球磨罐中濕混，混合料與無水乙醇體積比為2: 1，球料重量比為0.5，濕混時間為6小時。待混合粉料晾干后，加入塑性劑甘油與去離子水配成的溶液，進行手工混煉，去離子水加入量為陶瓷粉料重量的12%，甘油加入量為陶瓷粉料重量的1%。加入潤滑劑硬脂酸，繼續(xù)混煉，最終獲得陶瓷泥坯，潤滑劑加入量為陶瓷粉料重量的0.5%。陳化12小時后，以30mmX30mm、400孔的模具擠出成型，擠出壓力為15MPa，擠出速率為5mm/s。用金屬絲對擠出的蜂窩陶瓷生坯按照所需尺寸進行切割，得到蜂窩陶瓷坯體。將蜂窩陶瓷生坯放在干燥箱中干燥，第一階段干燥制度為60°C，48小時，第二階段干燥制度為110°C，48小時。干燥后，將坯體置入管式氣氛爐(氧化鋁坩堝)內(nèi)燒結(jié)3小時，氣氛為高純氬氣，升溫速率為2°C/min，燒結(jié)溫度1400°C。從而，獲得導電Ti3AlC2蜂窩陶瓷。該Ti3AlC2蜂窩陶瓷具有貫通孔結(jié)構(gòu)，其通孔形狀為四方孔，蜂窩陶瓷的孔密度為300孔/in2，壁厚0.4_。燒結(jié)后，蜂窩陶瓷的孔壁不變形，如圖1(b)所示。本實施例獲得的Ti3AlC2蜂窩陶瓷中，Ti3AlC2所占的重量百分比彡99%，電導率為1214 Ω-1.πΓ1。實施例3以無水乙醇為介質(zhì)，將Ti3AlC2粉(粒度2-5微米)與結(jié)合劑聚乙烯醇(占陶瓷粉料重量的10%)在鋼球磨罐中濕混，混合料與無水乙醇體積比為3: 2，球料重量比為2，濕混時間為12小時。待混合粉料晾干后，加入塑性劑甘油與去離子水配成的溶液，進行手工混煉，去離子水加入量為陶瓷粉料重量的16%，甘油加入量為陶瓷粉料重量的3%。加入潤滑劑礦物油，繼續(xù)混煉，最終獲得陶瓷泥坯，礦物油加入量為陶瓷粉料重量的1%。陳化12小時后，以37mmX37mm、324孔的模具擠出成型，擠出壓力為20MPa，擠出速率為15mm/s。用金屬絲對擠出的蜂窩陶瓷生坯按照所需尺寸進行切割，得到蜂窩陶瓷坯體。將蜂窩陶瓷生坯放在干燥箱中干燥，第一階段干燥制度為90°C，12小時，第二階段干燥制度為150°C，12小時。干燥后，將坯體置入管式氣氛爐(氧化鋁坩堝)內(nèi)燒結(jié)2.5小時，氣氛為高純氬氣，升溫速率為5°C/min，燒結(jié)溫度1400°C。從而，獲得導電的MAX相蜂窩陶瓷。該Ti3AlC2蜂窩陶瓷具有貫通孔結(jié)構(gòu)，其通孔形狀為四方孔，蜂窩陶瓷的孔密度為200孔/in2，壁厚0.3mm。煉泥所加的結(jié)合劑、增塑劑和潤滑劑在干燥以及燒結(jié)階段都揮發(fā)除掉，蜂窩陶瓷中以Ti3AlC2為主相,如圖2所示。本實施例獲得的Ti3AlC2蜂窩陶瓷中，Ti3AlC2所占的重量百分比彡99%，電導率為851 Ω 1^m1O實施例4
以無水乙醇為介質(zhì)，將Ti3AlC2粉(粒度2-5微米)與結(jié)合劑墻紙膠粉(占陶瓷粉料重量的6%)在聚氨酯球磨罐中濕混，混合料與無水乙醇體積比為2: 1，球料重量比為1.8，濕混時間為8小時。待混合粉料晾干后，加入塑性劑甘油與去離子水配成的溶液，進行手工混煉,去離子水加入量為陶瓷粉料重量的15%，甘油加入量為陶瓷粉料重量的2%。加入潤滑劑食用植物油，繼續(xù)混煉，最終獲得陶瓷泥坯，潤滑劑加入量為陶瓷粉料重量的0.6%。陳化12小時后，以37mmX 37mm、324孔的模具擠出成型，擠出壓力為16MPa，擠出速率為12mm/
S。用金屬絲對擠出的蜂窩陶瓷生坯進行切割，得到蜂窩陶瓷坯體。將蜂窩陶瓷生坯放在干燥箱中干燥，第一階段干燥制度為70°C，36小時，第二階段干燥制度為130°C，36小時。干燥后，將坯體置入管式氣氛爐(氧化鋁坩堝)內(nèi)燒結(jié)1.5小時，氣氛為高純氬氣，升溫速率為4°C/min，燒結(jié)溫度1300°C。從而，獲得導電Ti3AlC2蜂窩陶瓷。該Ti3AlC2蜂窩陶瓷具有貫通孔結(jié)構(gòu)，其通孔形狀為四方孔，蜂窩陶瓷的孔密度為200孔/in2，壁厚0.3mm。燒結(jié)后，蜂窩陶瓷很好地保持了坯體的外形，如圖3所示。本實施例獲得的Ti3AlC2蜂窩陶瓷中，Ti3AlC2所占的重量百分比彡99%，電導率為348 Ω-1.πΓ1。實施例結(jié)果表明，本發(fā)明可以根據(jù)需要使用不同模具，制備不同孔密度、不同壁厚的具有貫通孔結(jié)構(gòu)的導電Ti3AlC2蜂窩陶瓷。Ti3AlC2作為一種典型的MAX相陶瓷，其優(yōu)良的導電性可以直接進行電加熱，熱膨脹系數(shù)與催化劑活性層的匹配性，使得擠出成型法制備的具有貫通孔結(jié)構(gòu)的Ti3AlC2蜂窩陶瓷，用作汽車尾氣凈化用催化劑載體材料。
權(quán)利要求
1.一種導電Ti3AlC2蜂窩陶瓷，其特征在于:該Ti3AlC2蜂窩陶瓷具有貫通孔結(jié)構(gòu)，其通孔形狀為四方孔，孔密度200-300孔/in2，壁厚0.3-0.4mm Ji3AlC2蜂窩陶瓷中，Ti3AlC2所占的重量百分比為99-100%。
2.按照權(quán)利要求1所述的導電11#1(:2蜂窩陶瓷，其特征在于:導電Ti3AlC2蜂窩陶瓷的孔結(jié)構(gòu)為兩種:一種孔密度300孔/in2，壁厚0.4mm ;另一種孔密度200孔/in2，壁厚0.3mm。
3.按照權(quán)利要求1所述的導電Ti3AlC2蜂窩陶瓷的制備方法，其特征在于，該制備方法的具體步驟如下: (1)配料 按配比稱量Ti3AlC2陶瓷粉料和結(jié)合劑，結(jié)合劑為下列物質(zhì)中的一種或兩種以上物質(zhì)的混合物:淀粉、糊精、聚乙烯醇、墻紙膠粉，結(jié)合劑占陶瓷粉料重量的5-10% ； (2)濕混 將混合料倒入滾筒磨或者行星磨中，加入無水乙醇為介質(zhì)進行濕混，球磨介質(zhì)為瑪瑙球或者聚氨酯球或者鋼球，混合料與無水乙醇體積比為3: 2-2: 1，球料重量比為0.5-2，混料時間為6-12小時； (3)煉泥 待混合料自然晾干后，加入去離子水、增塑劑進行手工混煉或者放入煉泥機中進行煉泥，去離子水加入量為陶瓷粉料重量的12-16%，增塑劑為甘油，加入量為陶瓷粉料重量的1-3%，均勻后加入潤滑劑，潤滑劑為下列物質(zhì)中的一種或兩種以上物質(zhì)的混合物:桐油、硬脂酸、礦物油、食用植物油，繼續(xù)混煉，最終獲得陶瓷泥坯，潤滑劑加入量為陶瓷粉料重量的0.5-1% ； (4)陳腐 將陶瓷泥坯用保鮮膜包住，放在陰涼潮濕處進行陳腐備用； (5)擠出 將陳腐好的泥料通過蜂窩陶瓷真空擠出成型機擠出，擠出壓力為15-20MPa，擠出速率為 5-15mm/s ; (6)切割 用金屬絲對擠出的蜂窩陶瓷生坯按照所需尺寸進行切割； (7)干燥 將蜂窩陶瓷生坯放在干燥箱中干燥，第一階段干燥制度為60-90°C，12-48小時，第二階段干燥制度為110-150°C，12-48小時； (8)燒成 將干燥后的蜂窩陶瓷生坯置入氧化鋁坩堝中，在氧化鋁管式爐內(nèi)進行高溫處理，爐內(nèi)氣氛為流動的高純氬氣，其體積濃度> 99.999%，升溫速率為2-10°C /min，燒結(jié)溫度1300-1500°C，保溫時間0.5-3小時，結(jié)合劑、增塑劑、潤滑劑在該階段揮發(fā)除掉，獲得導電Ti3AlC2蜂窩陶瓷。
4.按照權(quán)利要求3所述的導電Ti3AlC2蜂窩陶瓷的制備方法，其特征在于，Ti3AlC2陶瓷粉料的粒度2-5微米。
5.按照權(quán)利要求1所述的導電Ti3AlC2蜂窩陶瓷的用途，其特征在于，Ti3AlC2作為一種典型的MAX相陶瓷， 利用其優(yōu)良的導電性直接進行電加熱，熱膨脹系數(shù)與催化劑活性層的匹配性，使得 擠出成型法制備的具有貫通孔結(jié)構(gòu)的Ti3AlC2蜂窩陶瓷，可用作汽車尾氣凈化用催化劑載體材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及導電蜂窩陶瓷領(lǐng)域，具體為一種具有貫通四方孔結(jié)構(gòu)的導電Ti3AlC2蜂窩陶瓷及其制備方法和用途。以Ti3AlC2陶瓷粉為原料，加入一定量的結(jié)合劑和添加劑煉泥后，通過蜂窩陶瓷真空擠出成型機擠出成型，得到Ti3AlC2蜂窩陶瓷坯體，在氧化鋁管式氣氛爐內(nèi)無壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度1300-1500℃，燒結(jié)時間0.5-3小時。本發(fā)明制備兩種Ti3AlC2蜂窩陶瓷，其通孔形狀為四方孔，一種孔密度300孔/in2(平方英寸，下同)，壁厚0.4mm；另一種孔密度200孔/in2，壁厚0.3mm。Ti3AlC2作為一種典型的MAX相陶瓷，其優(yōu)良的導電性可以直接進行電加熱，熱膨脹系數(shù)與催化劑活性層的匹配性，使得擠出成型法制備的具有貫通孔結(jié)構(gòu)的Ti3AlC2蜂窩陶瓷可用作汽車尾氣凈化用催化劑載體材料。
文檔編號B01J27/22GK103086742SQ201310027920
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月24日
發(fā)明者王曉輝, 方選明, 周延春 申請人:中國科學院金屬研究所