新型FeCrAl蜂窝载体材料的表面结构特性及其与催化涂层的结合机理研究

Now motor vehicle exhaust emission has become the main source of air pollution in the major and medium city. For the problems of ceramic and metal honeycomb substrate material used to purify vehicle exhaust emission, The project adopts powder extrusion - sintering new technology to manufacture FeCrAl metal honeycombs, through the adjustment of alloy composition and control of sintering process, it is expected to obtain the new high performance new carrier materials ( low specific heat capacity, high thermal conductivity, high corrosion resistance, high specific surface area, surface adhesion ) . The main research contents: (1) the growth mechanism of surface oxide for sintering FeCrAl honeycombs； (2) the effect of increasing Al content and adding active element Y on the microstructure, grain size, density, internal stress of alloy surface oxide, and the factors effecting the binding strength of surface oxide and substrate；(3) the effect of sintering process, oxidation process and alloy composition on the microstructure and characteristics of oxide layer forming on surface of sintering sample, and the effect mechanism of microstructure and characteristics of oxide layer on the bonding strength of substrate and activity coating. The project will focus on these critical theory problems, the aim to provide a new way and lay the theoretical foundation for the development of advanced FeCrAl carries.

目前机动车的尾气排放已成为大中城市空气污染的主要来源，针对机动车尾气处理所使用的陶瓷蜂窝和金属蜂窝载体材料存在的问题，项目采用粉末增塑挤压-烧结新技术直接制备FeCrAl金属蜂窝，通过调整合金成分和控制烧结工艺有望获得高性能（低比热容、高导热性、高耐腐蚀性、高比表面积、表面附着力强）的新型载体材料。主要研究内容：（1）FeCrAl烧结蜂窝表面氧化物的生长机制；（2）合金中Al含量增加和添加微量活性元素Y对合金的表层氧化物的晶体结构、晶粒大小、致密度、内应力的影响，及影响表层氧化物与基体结合强度关系的因素；（3）烧结工艺、氧化处理工艺及合金成分对蜂窝表面氧化层结构特性变化的影响，及各种结构形态对表面与催化活性涂层结合强度的影响机制。项目将围绕这些关键理论问题进行深入研究，目的是为制备所需结构和高性能的FeCrAl 金属蜂窝载体提供一条新途径，为FeCrAl蜂窝载体的开发应用奠定理论基础。

近几年来，机动车尾气排放已成为大中城市空气污染的主要来源。目前使用的尾气催化净化器是由载体和负载在载体上的催化活性涂层构成的，而载体材料是影响尾气处理效率和净化器寿命的关键因素。 蜂窝陶瓷载体与金属蜂窝载体是目前汽车尾气净化器中应用最广的两类载体，陶瓷载体缺点是热容量大、热导率低、起燃慢，处理发动机低温状态时排放污染物的效果不佳, 同时还存在抗振动性差使用过程中易破碎等不足。金属箔卷绕蜂窝载体存在的主要问题是高温耐腐蚀性不足、金属载体表面光滑与催化剂活性涂层的结合强度不佳、制备工艺复杂。针对目前所使用的陶瓷蜂窝和金属箔卷绕蜂窝载体材料存在的问题，项目采用粉末增塑挤压-烧结新技术直接制备FeCr系蜂窝，通过调整合金成分和控制烧结工艺获得了具有良好的力学性能、高耐腐蚀性、高比表面积、表面附着力强的新型FeCr系蜂窝载体材料。.主要研究内容：（1）FeCr系蜂窝材料的制备工艺优化和制品质量控制。系统研究了影响挤压金属蜂窝整体成形性的因素，烧结过程中影响烧结蜂窝收缩变形机理，获得了有效控制挤压蜂窝的成型稳定性、烧结蜂窝的变形性及制品质量的方法。（2）通过研究在不同烧结温度、气氛下对表面氧化物形核和长大过程的影响，对烧结蜂窝表面各类氧化物的形成条件和机理，氧化物形态分布有深入的了解。（3）研究合金成分变化对表面氧化物结构形态和高温抗氧化性的影响，研究表明随着Al2O3含量的增加，分布在金属晶粒周围及间隙中的Al2O3逐渐增多，Al2O3可吸附氧原子，阻碍氧原子向金属基体扩散，有利于减轻金属基体中Fe、Cr的氧化，起到保护基体的作用，提高抗高温氧化性。（4）烧结蜂窝表面结构形态及其与催化活性涂层的结合强度。研究表明随着Al2O3含量的增加，分布在金属基体上的白色颗粒和团絮状物质明显增多，且较为均匀的分布在金属基体上，使金属蜂窝的微表面呈现凹凸不平，比表面积增大。加之基体中分布的Al2O3颗粒与催化活性涂层中γ- Al2O3的结构性能相同，有利于与催化活性涂层的结合，提高催化剂在载体材料表面的附着性。综合评价所制备材料的力学性能和导热性能远优于陶瓷载体，涂层负载率是金属载体的2倍多，涂层脱落率远远低于金属载体。. 项目研究的意义在于为制备所需结构和性能的FeCr系蜂窝载体提供一条新途径，为其进一步的开发应用奠定理论基础。