1.5. Применение керамик
Полученный комплекс результатов позволяет направленно регулировать структуру и свойства керамических материалов на основе порошков оксида алюминия различной дисперсности и получать широкий спектр керамических изделий.
Рассмотрим ряд конкретных примеров практического применения.
1.5.1. Доокисление отработанных газов двигателей внутреннего сгорания (двс).
Доокисление отработанных газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является одной из наиболее сложных и актуальных проблем защиты окружающей среды от загрязнения токсичными веществами.
К каталитическим конверторам выдвигаются жесткие требования, поэтому катализатор доокисления отработанных газов ДВС (катализатор трехкомпонентной очистки – CO/NOx/CnHm, TWC- катализатор) - это комплексная система, включающая блочный керамический носитель с нанесенным активным слоем, который обладает достаточно высокой удельной поверхностью (как правило, это метастабильные модификации оксида алюминия).
При доокислении отработанных газов ДВС одной из проблем является хрупкость керамического носителя. Обычно, носитель производят в виде блочной матрицы сотовой структуры из синтетического кордиерита (размер ячеек 1.0 х 1.0 мм, толщина стенки 0.2 мм) пористость матрицы ~ 40%. Их механическая прочность на сжатие вдоль каналов составляет 50 МПа, поперек каналов - 20 МПа .
На рис. 1.5.1.1 приведены микрофотографии излома образца керамической блочной матрицы. Образец характеризуется бимодальным распределением пористости двух видов. Изолированные поры размерами 0.5-1.0 мкм,которые расположены в крупных сочленениях зерен (рис. 1.5.1.1.a) или на прерывистой границе сопряжения зерен (рис. 1.5.1.1.б); крупные канальные поры выполняют роль транспортных пор (рис. 1.5.1.1.а).
Рис. 1.5.1.1 - Электронные микрофотографии керамических блочных матриц: а – х1000; б - х4000.
Исследования поровой структуры керамик на основе порошков оксида алюминия различной дисперсности, полученные, в рамках данной диссертационной работы показали, что разработанная нами керамика имеет схожую структуру с бимодальным распределением пор (рис. 5.2-13). Варьируя содержание плазмохимического порошка в исходной смеси порошков, можно либо увеличивать, либо уменьшать размеры каналообразующих пор (рис. 5.14), регулируя тем самым пропускную способность таких носителей катализаторов. При этом использование наноструктурного порошка оксида алюминия придает керамическому каркасу повышенную прочность (рис 6.5).
Другая проблема, возникающая при эксплуатации катализаторов, - это работа при температурах 600-900°С. Под воздействием таких температур в нанесенном на блочную керамическую матрицу активном слое происходит переход активного γ-Al2O3 в другие кристаллические модификации с меньшей удельной поверхностью.
На сегодняшний день, с целью повышения термической устойчивости, γ-Al2O3 стабилизируют легирующими добавками, такими, как: СеO2, La2O3. Однако эффективность легирующих добавок различной природы трудно предсказуема и определяется как их концентрацией, так и условиями синтеза Al2O3.
Исследования фазового состава наноструктурного плазмохимического порошка Al2O3 при различных температурах отжига, описанные в четвертом разделе диссертационной работы, показали , что при термическом воздействии переход γ→α-Al2O3 происходит в области температур 1150-1200°С и носит «взрывной» характер. Это говорит, о том, что данный порошок, возможно, использовать в качестве активного слоя4 блочной матрицы носителя катализатора, способного эффективно работать при доокислении выхлопных газов в условиях повышенных температур, без применения легирующих добавок.