多孔金属间化合物/陶瓷载体材料研究

论文摘要

汽车尾气净化器载体和微粒捕集器过滤体（DPF）材料主要为堇青石和金属。堇青石载体的脆性大,强度低,使用寿命低。金属载体的强度高,但耐高温性差,且制备工艺复杂,催化剂涂层附着力差。无论是堇青石载体还是金属载体,都难以满足日益严苛的汽车尾气排放法规对催化剂载体的性能要求。Ni-Al、Fe-Al等金属间化合物材料具有强度高,耐高温性好,导电、导热率高等优异性能,是理想的汽车尾气净化器载体和微粒捕集器过滤体材料。本文率先提出采用Ni-Al等元素的自蔓延高温合成反应（SHS）工艺,在原位合成NiAl及其与陶瓷的复合材料的同时,获得所需要的多孔体,将材料的合成与孔洞的制取合二为一。该制备方法具有工艺简单,产品性能可控,成本低廉等特点,可获得性能系列化的多孔材料,以满足多种机动车型及不同使用环境对催化剂载体和DPF的要求,这对推广多孔NiAl基金属间化合物及其复合材料的工业化应用,促进其它体系金属间化合物多孔材料的开发等,具有重要意义。本文研究了Ni-Al金属间化合物多孔材料的反应合成工艺,分析了反应合成过程,物相及组织结构,孔隙形成机理以及性能。首先制备了Ni-Al金属间化合物多孔材料,详细论述了这种新型多孔材料的制备过程和影响参数;在此基础上,将反应合成工艺扩展至Ni+Al+B2O3+TiO2体系,通过原位反应获得了多孔NiAl/TiB2+Al2O3复合材料,以原位形成的TiB2+Al2O3陶瓷相,强化NiAl基体,并进一步提高其耐高温性。分别制备了两类复合孔型结构的多孔材料,一是大孔加小孔加微孔、小孔加微孔的蜂窝状结构,二是直通孔加小孔加微孔的壁流式结构。通过多种分析检测技术,研究了Ni-Al多孔材料的孔结构性能,其中包括多孔材料的孔隙率、孔径和压缩强度等三个重要性能参数,探讨了粉末配比、造孔剂含量等参数对多孔Ni-Al金属间化合物材料的孔结构性能的影响规律。同时,为降低多孔材料的制备成本,简化合成工艺,探索了等离子原位反应制备TiB2+Al2O3/FeAl复合材料的工艺,并分析其组织特征。研究结果表明:Ni-Al的SHS反应可按照预期设计进行,获得产物的典型物相为NiAl、Ni3Al、TiB2和Al2O3。NiAl相组织形态单一,为粗大的枝晶;Ni3Al相则为针片状形态;TiB2相颗粒细小,大部分尺寸小于5 m,呈规则的正方六面体或者六棱柱体,以1020μm的团簇状镶嵌在块状Al2O3上,或分布在NiAl基体中;Al2O3相形态不规则,部分与NiAl基体混杂在一起,部分与TiB2簇团相伴生长。反应合成多孔材料的成孔机制包括物理机制和反应成孔机制两类。反应成孔机制可归结为Kirkendall效应,孔洞的形成源于Al元素的偏扩散,其形成的孔洞包括孔径与Al颗粒粒径相当的小孔和孔径十分细小的微孔。无外加造孔剂时,多孔材料孔隙率达到50%,孔洞为通孔,孔径尺寸为30～250 m,呈三维交错连通的网格状,孔道曲折、孔壁粗糙,具有大的比表面积,孔洞的壁面上还有相互连通的、孔径仅1.0～3.0 m的微孔,这些微孔穿通小孔的壁面,使反应合成的多孔材料的孔隙连通性更好,比表面积更大。添加尿素等造孔剂,获得了大孔材料,孔隙率高达85%,孔径范围0.2～3.0mm。在反应物粉末中加入有机粘结剂,挤出成型后,利用等离子引发原位反应,制备了具有直通孔结构的多孔NiAl材料和NiAl/TiB2+Al2O3复合材料,直通孔的壁面上同样具有微孔,孔径为0.5～2.0 m,这对满足柴油车DPF过滤体的需要尤为重要。并且反应合成的多孔材料均表现出良好的原坯形状相似性,制备工艺简单,有利于材料的批量化生产,加之具有独特的复合型孔洞结构,在过滤、环境催化等领域具有广泛的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 论文创新点摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 汽车尾气净化催化剂载体现状
• 1.1.2 柴油车微粒捕集器过滤体现状
• 1.2 多孔材料研究现状
• 1.2.1 多孔材料的成孔机理及制备方法
• 1.2.2 多孔材料的性能及应用
• 1.2.3 多孔材料的测试及表征
• 1.3 金属间化合物材料研究现状
• 1.3.1 NiAl 金属间化合物的基本特性与物相结构
• 1.3.2 NiAl 金属间化合物性能研究
• 1.4 燃烧合成技术研究现状
• 1.4.1 反应机制及影响燃烧合成的因素
• 1.4.2 燃烧合成热力学和动力学
• 1.4.3 典型的燃烧合成法
• 1.5 等离子技术研究及应用
• 1.5.1 等离子束表面冶金
• 1.5.2 等离子点火
• 1.6 课题的提出及主要研究内容
• 第二章 试验方法
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验设备
• 2.3 工艺路线及实验步骤
• 2.4 实验方案
• 2.5 多孔材料的分析检测及性能表征
• 2.5.1 差示热分析（DSC）
• 2.5.2 X 射线衍射（XRD）物相分析
• 2.5.3 金相显微组织观察
• 2.5.4 扫描电镜显微组织观察及电子探针成分分析
• 2.5.5 能谱分析（EDS）
• 2.5.6 相对密度及孔隙率测定
• 2.5.7 抗压强度测定
• 2+Al₂O₃复合材料'>第三章 反应合成多孔Ni-Al 及NiAl/TiB₂+Al₂O₃复合材料
• 2+Al₂O₃ 复合材料'>3.1 反应合成小孔径多孔Ni-Al 及NiAl/TiB₂+Al₂O₃复合材料
• 3.1.1 小孔径多孔材料的制备工艺
• 3.1.2 小孔径多孔材料样品
• 3.1.3 小孔径多孔材料的孔洞形貌
• 2+Al₂O₃ 复合材料'>3.2 反应合成制备大孔径多孔NiAl/TiB₂+Al₂O₃复合材料
• 3.2.1 大孔径多孔材料的制备工艺
• 3.2.2 大孔径多孔材料的孔洞形貌
• 2+Al₂O₃ 复合材料'>3.3 反应合成制备直通孔NiAl/TiB₂+Al₂O₃复合材料
• 3.3.1 直通孔材料的制备工艺
• 3.3.2 直通孔材料的孔洞形貌
• 3.4 本章小结
• 2+Al₂O₃物相及组织结构分析'>第四章 多孔Ni-Al 及NiAl/TiB₂+Al₂O₃物相及组织结构分析
• 4.1 实验过程
• 4.2 多孔Ni-Al 金属间化合物组织结构及形成过程分析
• 4.2.1 多孔Ni-Al 相组成分析
• 4.2.2 Ni-Al 组织结构分析
• 3Al 组织形成过程分析'>4.2.3 NiAl+ Ni₃Al 组织形成过程分析
• 2+Al₂O₃ 组织结构及形成过程分析'>4.3 多孔NiAl/TiB₂+Al₂O₃组织结构及形成过程分析
• 2+Al₂O₃ 相组成分析'>4.3.1 多孔NiAl/TiB₂+Al₂O₃相组成分析
• 2+Al₂O₃ 组织结构分析'>4.3.2 NiAl/TiB₂+Al₂O₃组织结构分析
• 2+ Al₂O₃ 典型组织形成过程分析'>4.3.3 NiAl/ TiB₂+ Al₂O₃典型组织形成过程分析
• 2+Al₂O₃/FeAl 复合材料'>4.4 等离子原位反应合成Ni-Al 及TiB₂+Al₂O₃/FeAl 复合材料
• 4.4.1 等离子原位反应合成点火过程分析
• 4.4.2 等离子原位反应合成Ni-Al 金属间化合物材料
• 2+Al₂O₃/FeAl 复合材料'>4.4.3 等离子原位反应合成TiB₂+Al₂O₃/FeAl 复合材料
• 4.5 本章小结
• 2+Al₂O₃复合材料反应过程及孔洞形成机理'>第五章 多孔Ni-Al 及NiAl/TiB₂+Al₂O₃复合材料反应过程及孔洞形成机理
• 5.1 反应过程分析
• 5.1.1 Ni-Al 体系反应过程分析
• 5.1.2 Al-8203-Ti02 体系反应过程分析
• 5.1.3 Ni-Al-8203-Ti02 体系反应过程分析
• 5.2 孔洞形成机理
• 5.2.1 孔洞形成的物理机制
• 5.2.2 反应成孔机制
• 5.3 本章小结
• 2+Al₂O₃复合材料的性能'>第六章 多孔Ni-Al 及NiAl/TiB₂+Al₂O₃复合材料的性能
• 2+Al₂O₃ 复合材料的孔隙率'>6.1 多孔Ni-Al 及NiAl/TiB₂+Al₂O₃复合材料的孔隙率
• 6.1.1 小孔径多孔材料的孔隙率
• 6.1.2 大孔径多孔材料的孔隙率
• 2+Al₂O₃ 复合材料的压缩性能'>6.2 多孔NiAl 及NiAl/TiB₂+Al₂O₃复合材料的压缩性能
• 6.2.1 多孔材料单向压缩形变模型
• 2+Al₂O₃ 复合材料单向压缩形变特征'>6.2.2 多孔NiAl 及NiAl/TiB₂+Al₂O₃复合材料单向压缩形变特征
• 2+Al₂O₃）复合材料抗压强度的因素'>6.2.3 影响多孔NiAl 及NiAl/（TiB₂+Al₂O₃）复合材料抗压强度的因素
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论
• 下一步的工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 作者简介