高比表面不锈钢翅纤维微通道催化剂载体的成形机理及性能研究

Purification of Volatile Organic Compounds (VOCs) is a significant issue to human health and atmospheric environment. Based on technical challenges for catalyst support of catalytic combustion of VOCs, such as low adhesive strength, small specific surface area, highly efficient heat and mass transfer, low pressure drop, this project puts forward a new type of catalyst support-porous sintered support with microchannel and multi-scale microstructure made of high specific surface stainless steel fibre with fins manufactured by bifurcating chip cutting method. It is to investigate the forming mechanism of fins generated on stainless steel fibre manufactured by the bifurcating chip cutting method, sintered forming and control of surface morphology of support, thermo-mechanical properties and heat and mass transfer of the support. This work will seek forming mechanism and establish cutting model of fins generation on sides of stainless steel fibre; disclose the effect of micro fins and multi-scale microstructure on sintering forming of support and control forming of multi-scale rough surface of support; constitute stress-strain model, relation between rough surface and adhesive strength, and velocity distribution of flow field considering microchannel and multi-scale rough surface morphology. Coupling design of support considering heat and mass transfer, structure parameters and surface morphology is achieved. It will be realized to control manufacturing of stainless steel fibre with fins and sintering forming of support considering design requirements according to optimized technical process. The research achievements of this project will provide technical support for VOCs purification and contribute to sustainable development of economy, society and environment.

有机废气治理是事关人体健康和大气环境的重大问题。项目针对有机废气催化燃烧催化剂载体面临的活性组分易脱落、比表面积不足、高效传热传质、低压力降等技术挑战，提出基于多齿切削加工的高比表面不锈钢翅纤维烧结的、具有纵向微通道和多尺度微结构的新型多孔载体。围绕多齿切削加工不锈钢翅纤维微翅生成机理、载体烧结成形及表面形貌控制、载体的热机械性能以及传热传质规律开展研究。揭示不锈钢翅纤维微翅生成机理，建立微翅生成的切削模型；揭示不锈钢翅纤维多尺度微结构对载体烧结成形的影响，控制载体的多尺度粗糙形貌；建立载体的应力－应变、表面形貌与粘结强度之间的关系以及考虑微通道、多尺度粗糙形貌的流场速度分布模型。实现载体的传热传质、结构尺寸和表面形貌的耦合设计，根据优化的工艺参数按设计要求控制不锈钢翅纤维的加工和载体的烧结成形。研究成果为有机废气治理提供技术支撑，有利于经济社会和环境的可持续发展。

本项目针对目前有机废气催化燃烧催化剂载体面临的比表面积不足、高效传热传质、低压力降等技术挑战，提出基于多齿切削加工的高比表面不锈钢翅纤维烧结的、具有纵向微通道和多尺度微结构的新型多孔载体。设计了多齿刀具，对高比表面积的不锈钢翅纤维的成形机理进行了研究。采用真空固相烧结的方式，制备了具有微通道的不锈钢纤维载体，对其力学性能、压降特性及传热传质性能进行了系统的研究。具体研究工作如下：.（1）不锈钢翅纤维的成形机理.当切削速度和进给量分别在10~53 m/min和0.1~0.15 mm/r范围内，通过多齿刀具切削加工得到高比表面积的不锈钢翅纤维。微翅的成形可分为：仅由单个齿参与切削得到的分离态的不锈钢纤维；由多个细齿参与切削的未分离态的不锈钢纤维。.（2）不锈钢纤维蜂窝载体的制造.采用组合式模具，通过真空固相烧结法，获得由不锈钢纤维、三维连通网状多孔结构和复合平行的蜂窝通道构成的不锈钢纤维蜂窝载体，蜂窝通道之间彼此相互连通。纤维粗糙的表面形貌在烧结过程得以保留，并有利于形成更为粗大的烧结颈。.（3）不锈钢纤维蜂窝载体的力学性能.其拉伸断裂机理包括烧结颈的断裂和纤维本身的断裂；在压应力作用下，不锈钢纤维蜂窝载体的失效主要是由三维网状多孔结构的塑形变形引起的；三点弯曲过程中其失效由拉伸面区域纤维烧结颈的破坏和压缩面区域纤维骨架的三维网状结构的塑性变形所引起。结构参数、烧结参数和纤维类型对于其力学性能均有一定的影响。.（4）不锈钢纤维蜂窝载体的传热特性.不锈钢纤维毡的有效热导率均随着孔隙率的增大而降低，同时也随着测试热端温度的升高而增加，蜂窝式通道会降低纤维毡的稳态传热能力。蜂窝式不锈钢纤维毡的有效热导率随着通道直径的增大而增加，随着开孔率的增大而降低。.（5）不锈钢纤维蜂窝载体的压降特性.蜂窝式通道在提高纤维毡的渗透率同时会降低其惯性系数，渗透率和惯性系数几乎不受通道直径的影响。在涂覆Al2O3涂层以后，其渗透率随Al2O3涂层的涂覆率的增加而降低，但惯性系数随之增加，且对高孔隙率和高开孔率的样品作用效果越明显。