多孔導電max相陶瓷及其製備方法和用途的製作方法

2023-10-11 15:27:09 5

專利名稱：多孔導電max相陶瓷及其製備方法和用途的製作方法
技術領域：
本發明涉及多孔導電陶瓷，具體為一種具有貫通孔結構的多孔導電MAX相 (Ti3SiC2、 Ti3AlC2或Ti2AlC)陶瓷及其製備方法和用途。
背景技術：
如今，汽車數量迅速增加，導致汽車尾氣的排放量與日倶增。尾氣中的一氧化碳 (C0)、碳氫化合物((;Hy)、氧氮化合物(NO》、二氧化硫、固體顆粒及醛類等物質有強烈剌激 性的味道或有致癌作用，已經成為重要的大氣汙染源。 為減少尾氣的汙染，主要採用尾氣再循環、延遲點火時間等機內淨化措施和高效 催化技術等機外措施。高效催化技術是在尾氣排出氣缸進入大氣前將CO、 CxHy、 N0X轉化為 C02、H20、N2。所採用的三元催化轉化器由外殼、載體和催化劑三部分組成。其中載體是重 要的部分，有陶瓷載體和金屬載體兩種。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、a 41203、氧化鋯、鈦酸鋁、二氧化鈦、富鋁紅柱石、透鋰長石、鋰輝石、 矽鋁酸鹽及矽酸鎂等傳統陶瓷。除了廣泛使用的陶瓷載體外，由不鏽鋼或合金材料製作的 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。儘管金屬箔載體性能優良，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陶瓷載體不導電或導電性 差，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 熱膨脹係數差別大，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 屬的優點，如高的機械強度、優異的抗熱震性和良好的導電性和易加工性能。這些性能恰 好同時克服了傳統陶瓷載體和金屬箔載體的不足，使得MAX相陶瓷GnTi3SiC2、Ti3AlC2、 Ti2AlC)作為催化劑載體材料具有廣泛的應用前景。但到目前為止，國內外對多孔MAX相 陶瓷的研究報導十分有限。現有的製備多孔MAX相陶瓷的方法採用反應燒結的途徑(文 獻1， S. A. Firstov， E. P. Pechkovsky. Powder Metal 1. Met. Ceram. 42 :424 (2003);文獻2， Z. M. S皿，A. M訓gaiah， T. Zhen， A. G. Zhou， M. W Barso咖.Acta Mater. ， 53 :4359 (2005))。 由於在燒結的過程中有液相生成，生成的孔有大量的閉合氣孔，若用作催化劑載體材料，將 會減少催化劑活性層在載體孔壁上的有效利用面積。為獲得具有貫通孔結構的多孔MAX相 陶瓷(如Ti3SiC2、Ti3AlC2、Ti2AlC)，避免在燒結過程中出現液相是必要的。

發明內容
本發明的目的在於提供一種製備具有貫通孔結構的多孔導電MAX相(Ti3SiC2、 Ti3AlC2、Ti2AlC)陶瓷及其製備方法，並提出其用途，解決在燒結過程中出現液相，生成的孔 有大量 閉合氣孔等問題。
本發明的技術方案是
—種多孔導電MAX相陶瓷，通過無壓燒結多孔導電MAX相陶瓷具有貫通孔結構，氣 孔率在20-65%之間，開口氣孔率在85% -100%。 所述多孔導電MAX相陶瓷的製備方法，以MAX相陶瓷粉為原料，成型後，在氣氛爐 內無壓(即常壓)燒結得到多孔陶瓷，升溫速率5-2(TC /min，燒結溫度1200-1400°C，燒結 時間0. 5-3小時。從而，通過無壓燒結製備出具有貫通孔結構的多孔導電MAX相陶瓷。
所述MAX相陶瓷為Ti3SiC2、 Ti3AlC2或Ti2AlC。 所述成型為冷壓成型或冷等靜壓成型。其中，冷壓成型是在20-60MPa壓力、5-20 分鐘下成型；冷等靜壓成型是在50-200MPa壓力、5-20分鐘下成型。
所述無壓燒結在氬氣或真空氣氛中進行。 所述多孔導電MAX相陶瓷的用途，通過無壓燒結法製備的具有貫通孔結構的MAX 相導電陶瓷可用作汽車尾氣淨化用催化劑載體材料。
本發明的優點是 1 、本發明方法可製備多孔MAX相導電陶瓷。 2、本發明製備的多孔MAX相陶瓷的孔具有貫通的孔結構，開孔氣孔率在85X以 上。 3、本發明製備的多孔MAX相陶瓷，可通過優化成型壓力、燒結溫度和燒結時間精 確控制孔隙率，孔隙率在20-65%之間可調。


圖1. Ti3SiC2在120(TC燒結後的照片。
圖2. Ti3SiC2在130(TC燒結後的照片。
具體實施例方式
下面通過實施例詳述本發明。
實施例1. Ti^i(^粉(粒度2-5微米)在行星球磨罐中溼磨2小時，在室溫晾乾，然後在 25MPa壓力下冷壓5分鐘成型。冷壓成型後的坯體放入氣氛爐內燒結2小時。氣氛為氬氣， 升溫速率l(TC /min，燒結溫度1200°C。從而，獲得多孔導電的MAX相陶瓷，燒結後孔隙率 54%，開孔氣孔率98%。燒結後，多孔陶瓷較好地保持了坯體的外形，如圖l所示。
實施例2. Ti3AlC2粉(粒度2-5微米)在行星球磨罐中溼磨10小時，在室溫晾乾，然後在 200MPa壓力下冷等靜壓20分鐘成型。冷等靜壓成型後的坯體放入氣氛爐內燒結0. 5小時。 氣氛為氬氣，升溫速率10°C /min，燒結溫度1400°C。從而，獲得多孔導電的MAX相陶瓷，燒 結後孔隙率20 % ，開孔氣孔率85 % 。
實施例3. TkAlC粉(粒度2-5微米)在行星球磨罐中溼磨5小時，在室溫晾乾，然後在20MPa 壓力下冷壓10分鐘成型。冷壓成型後的坯體放入氣氛爐內燒結0.5小時。氣氛為真空(真 空度為10—乍a)，升溫速率5。C /min，燒結溫度1200°C。從而，獲得多孔導電的MAX相陶瓷， 燒結後孔隙率60 % ，開孔氣孔率98 % 。
實施例4. Ti^i(^粉(粒度2-5微米)在行星球磨罐中溼磨2小時，在室溫晾乾，然後在 25MPa壓力下冷壓20分鐘成型。冷壓成型後的坯體放入氣氛爐內燒結2小時。氣氛為氬 氣，升溫速率l(TC /min，燒結溫度1300°C。從而，獲得多孔導電的MAX相陶瓷，燒結後孔隙 率46%，開孔氣孔率95%。燒結後，多孔陶瓷很好地保持了坯體的外形，如圖2所示。
實施例5. 11^化2粉(粒度2-5微米)在行星球磨罐中溼磨1小時，在室溫晾乾，然後在 40MPa壓力下冷壓15分鐘成型。冷壓成型後的坯體放入氣氛爐內燒結3小時。氣氛為氬 氣，升溫速率15°C /min，燒結溫度1350°C。從而，獲得多孔導電的MAX相陶瓷，燒結後孔隙 率36%，開孔氣孔率92%。
實施例6. TkAlC粉(粒度2-5微米)在行星球磨罐中溼磨5小時，在室溫晾乾，然後在30MPa 壓力下冷壓5分鐘成型。冷壓成型後的坯體放入氣氛爐內燒結l小時。氣氛為氬氣，升溫 速率2(TC /min，燒結溫度1300°C。從而，獲得多孔導電的MAX相陶瓷，燒結後孔隙率45% ， 開孔氣孔率95%。 實施例結果表明，本發明可以通過優化成型壓力、燒結溫度和時間精確控制孔隙 率，通過無壓燒結法製備的具有貫通孔結構的MAX相導電陶瓷可用作汽車尾氣淨化用催化 劑載體材料。
權利要求
一種多孔導電MAX相陶瓷，其特徵在於通過無壓燒結多孔導電MAX相陶瓷具有貫通孔結構，氣孔率在20-65％之間，開口氣孔率在85％-100％。
2. 按照權利要求1所述的多孔導電MAX相陶瓷的製備方法，其特徵在於所述MAX相陶瓷為Ti3SiC2、 Ti3AlC2或Ti2AlC。
3. 按照權利要求1所述的多孔導電MAX相陶瓷的製備方法，其特徵在於以MAX相陶瓷粉為原料，成型後，在氣氛爐內無壓燒結得到多孔陶瓷，升溫速率5-20°C /min，燒結溫度1200-140(TC，燒結時間0. 5-3小時；從而，通過無壓燒結製備出具有貫通孔結構的多孔導電MAX相陶瓷。
4. 按照權利要求3所述的多孔導電MAX相陶瓷的製備方法，其特徵在於所述成型為冷壓成型或冷等靜壓成型。
5. 按照權利要求4所述的多孔導電MAX相陶瓷的製備方法，其特徵在於冷壓成型是在20-60MPa壓力、5-20分鐘下成型；冷等靜壓成型是在50_200MPa壓力、5_20分鐘下成型。
6. 按照權利要求3所述的多孔導電MAX相陶瓷的製備方法，其特徵在於所述無壓燒結在氬氣或真空氣氛中進行。
7. 按照權利要求1所述的多孔導電MAX相陶瓷的用途，其特徵在於通過無壓燒結法製備的具有貫通孔結構的MAX相導電陶瓷可用作汽車尾氣淨化用催化劑載體材料。
全文摘要
本發明涉及多孔導電陶瓷，具體為一種具有貫通孔結構的多孔導電MAX相(Ti3SiC2、Ti3AlC2或Ti2AlC)陶瓷及其製備方法和用途。多孔陶瓷孔隙率在20-65％之間可調，且該類陶瓷具有貫通的孔結構，開口氣孔率在85％以上。製備方法以MAX相陶瓷粉為原料，成型後，在氣氛爐內無壓燒結得到多孔陶瓷，燒結溫度1200-1400℃，燒結時間0.5-3小時。無壓燒結法製備的具有貫通孔結構的MAX相導電陶瓷可用作汽車尾氣淨化用催化劑載體材料。本發明可以通過優化成型壓力、燒結溫度和時間精確控制孔隙率，解決在燒結過程中出現液相，生成的孔有大量的閉合氣孔等問題。
文檔編號B01J35/00GK101747075SQ20081022951
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月10日 優先權日2008年12月10日
發明者周延春, 張小文, 王曉輝, 陳繼新 申請人:中國科學院金屬研究所