蜂窝陶瓷是一种部结构类似于蜂窝形状的多孔结构材料，通常采用堇青石、莫来石、碳化硅、氧化锆、氮化硅等材质或以上两种或多种材质复合制备而成，其内部构造是是由许多相互平行的通道组成，孔隙率较高，平均可达到70%以上。凭借比表面积大、质轻、热膨胀系数低、导热性能好、抗热震性好等优异特性，目前蜂窝陶瓷的应用范围也已由传统的冶金、化工和建材等方面拓展到生物化学、电子工程、食品饮料工业、航空航天等许多方面，具有广阔的市场应用前景。本篇文章小编就将盘点一下蜂窝陶瓷在多种应用中在结构和材质上有什么要求。

蜂窝陶瓷的应用

蜂窝陶瓷的诞生最早源于机动车尾气处理。随着技术的发展，如今已广泛用作催化剂载体、陶瓷蓄热体、红外辐射燃烧板以及陶瓷雾化芯等。

1、汽车尾气催化剂载体

随着国民经济的高速发展，汽车使用量的增长，尾气带来的环境污染日益严重，因此满足高污染物排放标准的机动车，必须配置高性能的排气后处理系统。在排气后处理系统中，拥有大比表面积的蜂窝陶瓷可为催化剂的附着提供重要场所，通过利用催化反应可将尾气中有害成分（诸如一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物等）活化并进行化学反应，从而转化为无害的二氧化碳、水和氮气。除此之外，蜂窝陶瓷得多孔结构可用于过滤和捕集内燃机排放中的小颗粒物质，再通过定期清洗或烧结来去除积累在滤材中的颗粒物质，从而保持其捕集效率和持久性，一般来说，蜂窝陶瓷在汽车排气后处理系统的捕集效率可以高达95%以上。

 汽车尾气催化装置（来源：观研天下）及康宁公司生产的堇青石蜂窝陶瓷载体

由于在发动机运行过程中，需要承受达250-950℃高温和腐蚀性的气体的冲击以及颠簸的路面、气缸的震动等，为保证排气后处理的正常运行，通常对蜂窝陶瓷的热稳定性、热膨胀系数、耐腐蚀性和机械强度都提出了极高的要求。同时，为了保证发动机启动时，能够在短时间内使得催化剂达到工作温度，并可以尽快起到催化作用往往还要求材料具有较小的热容量。

目前，车用尾气净化催化剂载体多采用堇青石蜂窝陶瓷。堇青石除了具有其他陶瓷材料硬度大（莫氏硬度为7-7.5）、机械性能好、耐腐蚀、耐高温（最高使用温度1200℃）的优势，相比其他几种蜂窝陶瓷常用的材质，堇青石还具有低热膨胀系数（25~800℃下为1.5×10^-6℃～2.0×10^-6℃）和相对较低的热容量（0.92J/K，约为莫来石的1/5），很好地保证排气后处理系统在极端应用环境中的正常、高效运行。

2、蜂窝陶瓷过滤材料

基于表面吸附、颗粒拦截机制以及特殊的孔道结构，蜂窝陶瓷在流体通过其孔道时，实现对流体的过滤和分离，从而很好地去除流体中的杂质和颗粒物。作为过滤材料，目前蜂窝陶瓷主要应用在冶金、铸造行业的金属熔融物过滤以及冶金建材、电力、煤化工、核工业等行业的高温烟气除尘。

应用于金属熔融物的过滤时，通常采用高质高密度直孔网眼的莫来石质、堇青石质蜂窝陶瓷，莫来石、堇青石的最高使用温度分别为1500℃和1200℃，可以使产品具有很高的耐热冲击和耐高烧铸温度的特性，而直孔式设计保证了流量和强度间的平衡，当熔融金属液通过陶瓷的孔眼时可以有效地去除碎屑、杂质、渣粒和未熔化的合金等，使铸件机械性能、表面质量及产品合格率大大提高。同时蜂窝陶瓷的通道结构还可以起到整流作用，可得到平稳而快速的溶液层流，防止气泡进入，避免因湍流而使金属氧化及由溶液飞溅造成的不良影响。

而应用于净化处理高温含尘废气时，通常则采用堇青石、钛酸铝、碳化硅材质的壁流式蜂窝陶瓷，该结构是在直通式结构上交替堵孔，利用本身筋壁内的微孔结构，使气体通过而截留捕捉粉尘颗粒。由于具有耐高温、耐腐蚀、粉尘捕集效率高、占地面积小、易安装及维修、使用寿命长等优点，解决了传统过滤材料纤维滤袋、耐高温金属、管状陶瓷滤材耐温低、易腐蚀、易损坏、占地面积大、寿命低等缺点，可以满足不同工况的除尘要求。

壁流式蜂窝陶瓷载体过滤原理及其毛细孔道微观结构SEM照片[1]

3、陶瓷蓄热体

在高温窑炉中，热损失的很大部分是排烟的热量损失。当烟气温度为900～1300℃时，烟气余热占炉子总能耗的50%～70%。因此，积极采用先进的烟气余热回收技术，在工业窑炉燃烧系统中安装换热器（蓄热体），将烟气的余热回收用于预热助燃空气，可以从根本上提高工业炉的能源利用率，达到节能降耗的目的。

蜂窝陶瓷蓄热体的耐高温性克服了常规金属换热器不能在高温下长期工作，而采取直流式结构可以使得气流阻力损失很小，克服了陶瓷蓄热球热效率低的弱点，具有体积小，质量轻，比表面积大，耐火度高，传热能力大的优点，因此成为了蓄热节能技术中的关键材料。

蜂窝陶瓷蓄热燃烧室（来源：路博环保）

目前蜂窝陶瓷蓄热体主要用于蜂窝陶瓷蓄热体材料通常有堇青石、钛酸铝、氧化铝、碳化硅、莫来石、刚玉等。堇青石蜂窝陶瓷的热膨胀系数较低，抗热震性比较好，且原材料价格便宜，但是其比热容较低，且满足不了1200℃以上工况的要求。钛酸铝蜂窝陶瓷热膨胀系数较低，抗热震性比较好，但是在高温下易分解。而碳化硅、氧化铝、莫来石蜂窝陶瓷耐高温、机械强度高，但是脆性大，抗热震性一般。因此单一相的陶瓷材料已经很难满足要求越来越复杂的使用工况，复相蜂窝陶瓷蓄热体成为研究的重点。

4、红外辐射燃烧板

红外燃烧器通常以完全预混燃烧技术，使燃气在金属纤维网、陶瓷板等内燃烧，实现灼热介质将热量以一定波长的红外线二次向外辐射，具有低污染排放、高加热效率等特点，其热效率约比普通大气式灶具产品高20%左右。同时因火孔外火焰极短甚至无火焰，又称无焰燃烧器。具备在开放环境中定向加热的特性，在高密度小空间传热方面得到广泛应用。

（来源：萍乡市米奥填料有限公司）

一般来说，为了增强红外辐射，通常采用铁铬铝或陶瓷材质的蜂窝结构，而相比使用温度仅为900℃的铁铬铝蜂窝体，陶瓷红外灶通常采用堇青石蜂窝陶瓷材质，在使用温度高达1200℃时不易氧化和变形，同时其低热膨胀系数和较低的导热系数使得使用时燃烧板上下面温差可以达到700度，不易回火，上板面燃烧温度高且热量损失速度慢，陶瓷板降温速度慢，可以起到稳定燃烧的作用，防风性能优越。

5、蜂窝陶瓷雾化芯

雾化技术广泛应用在医疗、电子烟等领域，而雾化技术的实现主要是依靠雾化器中的雾化芯通电加热使物料雾化。由于雾化后的物料会被人体吸收，因此通常需要制备过程中尽可能少添加有机物，并采用对人体友好的材料制备。蜂窝陶瓷具有良好的吸附性、透气性、耐腐蚀性、环境相容性、生物相容性等，同时其内部微孔孔径可在几个微米到几十个微米范围内调节且为定向直通结构，可有效保证物料雾化通畅，对于高粘稠度烟油传导表现尤其优异，另外此类陶瓷还可以添加造孔剂对直通孔壁进行造孔保证物料可是实现横向的传导路径，供料更均匀，非常适用于制作雾化芯，尤其是应用于电子烟、精油雾化器。

蜂窝陶瓷雾化芯

参考来源：

1、郝立苗,黄妃慧,王勇伟,等.蜂窝陶瓷的研究现状及应用[J].佛山陶瓷.

2、杨宝刚,冯良,彭伟,等.高强度红外燃烧器的研究[J].煤气与热力.

粉体圈Corange整理