壁流式过滤器结构及材料发展现状

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壁流式过滤器的结构：
    壁流式过滤器作为陶瓷蜂窝催化剂载体的应用，由挤压生产的大量通道的陶瓷体已是众所周知，交替堵塞通道的前端和后端，强迫气体由多孔的通道壁流过（所以称为壁流式过滤器）。通常采用每平方英寸200（或300）个方形通道，壁厚约350－400 μm的蜂房整体结构，某些情况下，在过滤器进口端采用大的蜂房以增加灰的储存能力（称为八边形蜂房或波状蜂房。
    陶瓷体的孔隙尺寸和孔隙体积稍有不同，取决于再生策略。采用燃料添加剂方式再生的陶瓷体，开孔体积约50％，平均孔径10μm的窄孔径分布。对于承载催化剂涂层的过滤器底层，孔隙率可达65％，平均孔径20μm。
    过滤器的总尺寸取决于引擎保持低背压的排气体积，对于乘用车的典型的标准是直径144mm (5.66 英寸)，长度152mm (6英寸)，容积约 2.5 升，过滤面积约1.9m2（对蜂房密度200cpsi），得到几cm/s的过滤速度。
    过滤器采用来自商业氧化催化器的标准技术封装。
    新过滤器在排气体积900 kg/h范围时的典型压降约3500－5000 Pa，大致由过滤壁、通道摩擦及收缩/扩展各占三分之一引起，工作期间压降增加，例如对于7g/L的灰聚积压降达到30,000－40,000Pa，灰负载能力为防止再生期间过滤器的损坏限制在9～12g/L（对SiC材质）。DPF的压降和需要的再生能量通常增加2～5％的燃料消耗，再生视发动机和行驶状况每500～1000km后必须进行，完成再生仅需数分钟。
壁流式过滤器材料发展现状：
蓳青石
    蓳青石是采用天然原料高岭土和滑石制成的镁铝硅酸盐化合物，蓳青石陶瓷于空气中约1250℃烧成。由于蓳青石已大规模生产用作催化剂载体，其作为DPF材料有最长的历史。1978年，Corning Inc（康宁公司）开发这种多孔陶瓷微粒过滤器用于除去柴油机排气中的微粒。蓳青石的主要优势除价格较低外，具有非常低的热膨胀系数（CTE），平行于挤出方向的CET可优化到0.4×10－6 1/K，可减少再生期间的热应力，因而可生产紧凑的整体元件，例如直径144mm（5.66英寸）。康宁公司的Duratrap Ex 80孔隙体积50％时的平均孔径12－13μm，主要用于象起重机之类的非路应用。日本NGK公司1989年开始蓳青石DPF的生产。
    DaimlerChrysler AG公司（德，斯图加特,戴姆勒-www.cartech8.com 大众）于1985和1987年在California（加利福尼亚）Mercedes（梅塞德斯）轿车投入应用，然而，蓳青石的再生和热稳定性在此不能满足，蓳青石过滤器主要的材料问题在于低导热性，材料非常低的熔点，在不利再生状况下导致热斑点。最近进行的研究已试验通过优化再生方法和热容量及最佳化过滤材料的孔径/孔隙体积，以限制这些热斑点（例如康宁公司的DuraTrap“RC”产品）。蓳青石材料的另一个问题据报告是对象含钠化合物的灰组分的抗侵蚀性有限。目前在欧洲DPF市场仅有一些少量的应用。
康宁公司非常积极的开发对蓳青石的其它可能材料的发展。除SiC外，被称为NZPs（钠－锆－磷酸盐）的材料，由于非常低的热膨胀系数和耐高温，成为有希望的候选材料。然而，NZP过滤器的生产似乎复杂并且相当昂贵。
钛酸铝
钛酸铝是众所周知用于冶金工业的材料，由于其优异的抗热震性也用于汽车工业作为催化剂载体。类似蓳青石，钛酸铝晶体的热膨胀系数，除较大范围显示高的各向异性，导致该多晶材料中的微裂纹，同时引起低的杨氏模量和低强度。最近，康宁公司已开发一种钛酸铝基过滤器材料，并宣告于2005年进入市场，特别用于轻型交通工具。其结构由约70％的钛酸铝和和钙－锶长石加莫来石组成。该产品据报告具有极好的抗热震性和化学/热耐久性，然而机械强度稍低。
碳化硅
采用不同结构和结合颗粒的碳化硅陶瓷，众所周知用于非常不同的工业应用。其中的一些象硅酸盐结合碳化硅或重结晶碳化硅，存在固有的孔隙，其它的象无压烧结碳化硅（SSiC）或低压烧结碳化硅（LPS-SiC），最初发展作为致密材料。通常所有这些材料都可以调整为可控多孔材料，用作柴油机微粒过滤器。
重结晶碳化硅（RSIC）：
重结晶碳化硅是一种纯的碳化硅材料，通过由双峰分布的碳化硅粉组成的混合料，在保护气氛下（氩气）超过2200℃的温度生产。小的碳化硅晶粒升华及凝结的结果使晶粒生长，残余的粗粒骨架被结合。Ibiden Co.Ltd（ 日 揖斐公司）在1985年开始用于过滤目的的高孔隙RSiC的研制，采用特别的添加剂得到片晶结构，其蜂窝陶瓷DPF在1993年首次报告，2000年开始应用的最初系列，采用50％孔隙率及10μm的窄孔径分布，如今也用在涂载催化剂的粗糙版本。最近，报道在尝试通过细颗粒改进RSiC的结合颈部或采用添加剂提高颈部强度及材料的韧性。               
    碳化硅过滤器通常分割成横断面约35mm×35mm的蜂窝体块，用含有硅酸铝纤维、碳化硅粉和二氧化硅结合剂的低模数粘结剂粘结成总体，以满足在不均匀再生期间，由于碳化硅的热膨胀系数高于蓳青石，而产生的应力保持较低。
    丹麦的Stobbe Tech Ceramics公司，随后Notox 公司及LiqTech公司于1993年开始生产一种粗糙的40μm孔径及1mm壁厚的重结晶蜂窝陶瓷DPF，同时聚焦于宽范围孔隙率/孔径的小规模应用。Notox 公司和LiqTech公司均在其蜂窝体采用粗糙的和圆周分割，同时发明了一种特别的堵孔技术，在一些场合使用。
    德国的Thomas Josef Heimbach GmbH & Co.公司采用初始的硅和碳添加剂的反应结合的重结晶工艺。由于Heimbach过滤器用于直接电加热再生的目的，加入其它的添加剂如采用硼，以调节碳化硅的导电率。【30】该系统特别设计用于固定柴油引擎和机车、船舶的应用。Heimbach公司于2003年末关闭其在陶瓷过滤器的机构。
硅结合碳化硅（Si-SiC）
NGK公司最初聚焦于蓳青石过滤器，于2000年开始研制Si-SiC过滤器材料。由于硅的热机械特性与碳化硅非常相似，据报道多孔Si-SiC与重结晶碳化硅比较具有相似强度和耐久性。硅结合的热稳定性和抗化学性低于纯碳化硅，另外Si-SiC导热率由于SiC-Si晶界存在热屏障，比RSiC低一点。然而，到此为止广泛的耐久性测试已证实其成功的性能。
其它碳化硅基材料
硅酸盐结合碳化硅过滤器材料，已较好的确定用于加压流化床燃媒装置（PFBC）的高温气体净化直至850℃。采用相似的碳化硅陶瓷，作为DPF的不分割设计蜂窝体也进行了尝试，然而耐腐蚀和耐热性未得到充分提供的数据。由于这种材料可以在空气中，相对低的温度约1350℃烧成，相比低的价格是有利的。另一种多孔碳化硅材料采用所谓的液相结合，由于具有较好的可控制烧结及孔径分布，也成为候选材料，可是至今未在商业DPF应用中使用。
氮化硅
氮化硅也是用于DPF的候选陶瓷材料之一。与碳化硅相比，氮化硅陶瓷呈现较高的强度，稍低的热膨胀系数，但是中等的导热率，若采用氮化硅粉作原料价格较高。2003年，Asahi Glass Co., Ltd（日 旭硝子公司）报道一种采用硅原料氮化生产的氮化硅过滤器。旭硝子公司采用众所周知的反应结合技术（RBSN）用于氮化硅，提供一个高孔隙率（孔径10μm，孔隙率60％）和不分割蜂窝体测试的详细说明，据报道是具有好的抗热震性和高的机械强度，表面晶粒呈晶须状的材料，该晶须设想产生低填充灰饼，从而具有低压降，然而，晶须如释放到外界，将引起健康的危险。
莫来石
由于其低的热膨胀系数同时耐高温及对腐蚀的耐久性，莫来石同样作为DPF的一种候选材料，但是缺乏满意的导热性。遗憾的是，常规的烧结技术，仅在存在相当高的玻璃相时，才能生产出具有针状结晶结构的高强度莫来石，但其热稳定性由此降低。Dow Global Technologies Inc（陶氏公司）采用一种不同的方法，用粘土和氧化铝制成的预烧结蜂窝体，通过在氟气中进行催化气相合成反应处理，由此导致针状莫来石结晶的生长，形成一个多孔互锁网络构造。
另外还有纤维制造的过滤器、开孔泡沫制造的过滤器、烧结金属材料过滤器（略）。

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壁流式过滤器作为当前热门的排气净化技术，其结构设计与材料选择至关重要。结构上，壁流式过滤器采用独特的通道设计，有效捕捉颗粒物，提高净化效率。材料方面，当前壁流式过滤器主要采用陶瓷和金属材质，具有耐高温、耐腐蚀的特性。随着技术进步，新型材料如碳纳米管等被应用于壁流设计，提高了过滤效率和寿命。目前，壁流式过滤器正朝着更高效、更轻量、更可靠的方向发展。其广泛应用前景广阔，尤其在柴油车尾气处理领域具有巨大潜力。