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关键词：蜂窝陶瓷;制备;环保;应用
1引言
蜂窝陶瓷是一种多孔性的工业用陶瓷， 其内部构造是许多贯通的平行通道，这些蜂窝体单元由不同形状的格子状的薄的间壁分割而成[1]。与一般的实心块状陶瓷相比，蜂窝陶瓷具有比表面积大、质轻、热膨胀系数低、比热容大、导热性能好、抗热震性好等优异特性[2]。最早是由美国康宁公司（Corning）进行研制，用于机动车内燃机尾气处理，并在1975年进行小型汽车尾气净化试验获得成功。在随后的几十年里，国内外对蜂窝陶瓷的研究及应用越来越广泛，成功应用于机动车、船舶以及非道路移动机械等的尾气处理用催化剂载体，臭氧抑制催化剂载体，化学工业的化学反应载体，冶金工业的热交换和金属液的过滤，石化行业、化学化工、制药业、纺织业、采矿业等行业的有毒气体净化处理，轻工业的喷涂以及建材工业的消声材料和窑炉的蓄热和隔热材料[3-6]。
2国内外蜂窝陶瓷的发展历程
2.1国外蜂窝陶瓷的发展历程
蜂窝陶瓷的诞生最早源于机动车尾气处理。国外发达国家的汽车行业起步早、发展迅速，对蜂窝陶瓷的研究也领先我国十几年的时间，特别是美国康宁公司率先在1972年进行低热膨胀系数堇青石蜂窝陶瓷车用载体的开发，并在1974年推出（孔密度cpsi/ 壁厚mil）200/12的蜂窝陶瓷载体，1976年推出300cpsi，1979年推出400cpsi 的蜂窝陶瓷载体， 成为当今世界上用于内燃机尾气处理最通用的蜂窝陶瓷载体[7]。
目前，世界上较大的蜂窝陶瓷生产厂家除了美国康宁公司以外，还有日本的碍子株式会社（NGK公司）。这二家企业所生产的蜂窝陶瓷产品占据了世界蜂窝陶瓷产品的90%以上的份额。随着环保法规日趋严格，蜂窝陶瓷趋向高孔密度、薄壁化发展，两家公司相继推出（孔密度cpsi/壁厚mil）400/6、400/4、600/3、900/2等产品，产品不断升级，始终保持着先进性和强劲竞争力。
20世纪90年代初，日本工业炉公司开始使用热钝性小的蜂窝陶瓷蓄热体取代球形蓄热体，开发出新一代蓄热式燃烧器，将余热回收与低氧燃烧集合为一体，将节能与环保结合起来，用这种蓄热式燃烧器的燃烧技术被称为高温空气燃烧技术。和传统陶瓷小球蓄热体相比，蜂窝陶瓷蓄热体有比表面积大，蓄热、放热速度快，有效通流面积大，阻力损失小等优点，在日本一些大钢铁公司应用于大型轧钢加热炉上，节能减排效果十分优异，在环保领域应用广泛，并在中国开始应用。
2.2国内蜂窝陶瓷的发展历程
中国蜂窝陶瓷产业的总体发展受国家环保政策及法律法规的影响较大，主要分为三个发展阶段：
第一阶段是蜂窝陶瓷的研发起步期（1980年一1999年），中国科研机构如中科院上海硅酸盐研究所、山东工业陶瓷研究设计院、山东省机械设计研究院、中科院环境化学研究所等单位相继开展了蜂窝陶瓷的制备与研究，为中国蜂窝陶瓷行业基础研究和产业化的推动做出巨大贡献，逐渐填补中国在蜂窝陶瓷研究方面空白。
第二阶段是市场化机制下催生的初步发展期（2000-2010年），随着国家的环保政策支持力度加大，环保市场对蜂窝陶瓷的需求量激增，促进了蜂窝陶瓷的研发与改进，但是仍然主要集中在以工业蜂窝陶瓷蓄热体、工业催化剂载体、壁流式过滤器及高温换热器等领域为为主的中低端领域。
第三阶段是国家环保标准趋严下的迅速升级发展期（2011年至今），国家汽油车及柴油车污染物排放标准由“国Ⅳ标准”、“国V标准”向“国Ⅵ标准”发展，机动车尾气污染物排放限值日益严苛，行业内产品结构由中低端蜂窝陶瓷蓄热体、工业催化剂载体等向高端蜂窝陶瓷载体发展，国家也将重型柴油车蜂窝陶瓷载体技术研发及产业化纳入863重点攻关课题，奥福环保承担该项科研课题开展核心自主研发，突破核心技术难点，构建的以“堇青石材料结构及结晶控制技术”和“高性能蜂窝陶瓷載体制备工艺技术”为核心的技术体系和生产体系，全面掌握大尺寸蜂窝陶瓷载体从原材料配方、模具制造到烧成控制等规模化生产各环节的关键核心技术，填补了国内技术空白，达到了国内领先、国际先进的水平，改变了关键核心部件依赖国外垄断厂商的被动局面，实现了关键核心技术的自主可控并实现产业化。
3蜂窝陶瓷的制备方法
蜂窝陶瓷的制备方法，主要包括挤出成型法、热压铸成型、注浆成形法、压制法等。其中，热压铸成型、注浆成形法、压制法很难制备出高孔密度、大尺寸、薄壁蜂窝陶瓷，在实际生产过程中，应用最广泛的蜂窝陶瓷的制备方法是挤压成型法
挤压成型的优点是可以制造高度或者长度比截面大得多的制品、孔大小形状均匀、壁厚一致性好、工艺相对简单容易操作可实现连续化生产，具有较高生产效率，因此挤压成型被广泛应用于蜂窝陶瓷的工业化生产过程中。挤压成型缺点是要求泥料具有较大的塑性，泥料粘结剂、塑化剂含量较高，产品的烧成收缩大、致密度小。挤压成型的质量除了受泥料可塑性的影响，还跟挤压模具的质量息息相关。
蜂窝陶瓷挤压成型的主要工艺流程包括：配料一混料一捏合一粗炼泥一陈腐一过筛一精炼泥一挤压成型一切割一干燥一烧结
（1）配料，将制备蜂窝陶瓷所需要的所有粉状原料按照特定的比例称量。
（2）混料，将配好的干粉充分混合均匀，需要保证混合足够时间，以确保蜂窝陶瓷原料被充分混合均匀，避免混合不均对蜂窝陶瓷性能产生不良影响。
（3）捏合，将水、润滑剂、塑化剂等液态物料加入混合均匀的干粉中并捏合成泥团状。
（4）粗练泥，将捏合好的散碎的泥团状物料加入到练泥机中反复多次练泥，目的是使泥料形成整体状泥段并更好的混合，并且方便进行下一步陈腐。
（5）陈腐，此过程是将粗炼后的泥段在一定温度及湿度的环境中放置一段时间，促进泥段中粉料和水、粘结剂、塑化剂、润滑剂等混合的更均匀一些，以提高泥料的均匀性和成型性。陈腐时间的长短，主要取决于工艺要求和坯料的性质，陈腐时间不宜过短或过长，陈腐时间不足起不到应有的作用，陈腐时间过长可能会导致坯料中的有机组分发酵变质或者发生其他化学反应影响坯料的成型性能。 （6）过筛，此过程是通过挤压使泥段通过特定目数的筛网除掉泥段中的大颗粒，可以防止大颗粒在挤压成型时堵塞模具，影响成型效率及成型合格率。
（7）精练泥，使用真空炼泥机将陈腐好的泥段进行数次练泥的过程，其目的是减少泥段中的气泡，使泥段更加致密，减少挤压成型过程中的缺陷如粗筋、弯筋、缺筋等，同时通过多次练泥使陈腐过的泥段更加均匀，使泥段可塑性成型性增强。
（8）挤压成型，将精炼好的具有良好可塑性的陶瓷泥段加入装载特定模具的强力挤压的挤压机，动力的来源可为液压、压缩空气或机械加等，挤压成型，制得具有蜂窝状的陶瓷坯体，蜂窝陶瓷的形状、大小、孔密度、壁厚等可通过设计不同的挤压模具来控制。
（9）切割，由于挤压成型过程是连续过程，需要将挤出的泥逐通过特殊的工具如不同材质粗细的丝、线等或其它工具切割下来，长度则根据需要切取。
（10）干燥，其目的是通过不同的干燥方式除去陶瓷坯体中的水分，使其保持特定的形态并具有一定的强度。干燥工艺制度对陶瓷产品的影响较大，干燥过程中陶瓷坯体中水分蒸发不均匀会产生不同程度的收缩，产生局部应力集中，可能会导致陶瓷坯体变形或者开裂，因此需要根据陶瓷坯体的性质，选择合适的干燥工艺制度。目前常用的干燥方式为微波干燥、减压干燥、热风烘干、介电干燥、冷冻干燥等一种或多种干燥方式并用。
（11）烧结，此过程是将干燥后的陶瓷坯体进行热处理，使其烧结成为陶瓷制品的过程。烧结过程中的升温速率、窑炉温度一致性，烧结气氛及压力、烧结最高温度、烧结最高温度的保温时间、码窑方式等都会对烧结所得蜂窝陶瓷产生影响。制定烧结工艺时可参考类似产品的烧结制度，还可参考材料的DSC-TG曲线，结合实际情况并考虑其他影响因素，制定符合实际的烧结工艺制度，既能保证蜂窝陶瓷产品性能合格又能缩短烧成周期降低烧成成本。
4蜂窝陶瓷的应用
蜂窝陶瓷自问世以来，发展趋向多样化，主要材质有堇青石、钛酸铝、碳化硅、氧化锆、氮化硅、刚玉、莫来石、石英等，也可以是其中两种或多种复合而成;蜂窝陶瓷的形状有波纹状、三角形孔、四方孔、圆孔、六角孔等。多样化的蜂窝陶瓷具有不同的优异的物理特性，使蜂窝陶瓷在环保及化工等不同领域中发挥了重要作用，目前蜂窝陶瓷按照应用领域可分为蓄热体、催化剂载体、过滤材料、其它等。图1为各式各样的蜂窝陶瓷。
4.1蜂窝陶瓷蓄热体
蜂窝陶瓷蓄热体是具有节能和环保双重功效的蓄热式燃烧器的关键部件，以其耐高温、抗热冲击性好、质轻、蓄热能力高、压力损失小、使用寿命长、节能效率高、相对体积小等优点成为近年来研究的重点和热点。蜂窝陶瓷蓄热体广泛用于钢铁、发电、有色金属冶炼行业等高温窑炉中，起到高效节能减排的作用[15-18];蜂窝陶瓷蓄热体也应用于蓄热燃烧法（RTO）处理挥发性有机物VOCs，随着环保法规的加严，蜂窝陶瓷蓄热体在石化行业、电子行业、化学化工、制药业、纺织业、采矿业、垃圾焚烧、印刷、喷涂、食用油业等行业产生的各类有机废气处理中发挥了巨大的作用，在工业、环保领域拥有广阔的市场前景[19-22]。
4.1.1蜂窝陶瓷蓄热体性能要求
蜂窝陶瓷蓄热体需要在高温低温频繁交替、气流、粉尘、碳烟等复杂工况下长时间工作，因而，对蓄热体热物理性能等方面都提出了具体的要求：
（1）耐高温：在工业高温窑炉中烟气温度会达到900-1300℃，而蜂窝陶瓷蓄热体耐热性能要远远优于传统的金属换热材料，克服了金属材料不能长期在高温下工作的缺点;
（2）高抗热震性：蓄热体要在反复加热、换热、冷却的工况使用，温度波动较大，因为温度波动而破裂甚至粉碎，进而导致气流通道堵塞，压力损失增加，甚至损坏不能再用，使其使用寿命大大缩短，因此，蓄热体材料要有较高的抗热震性;
（3）结构强度高：蜂窝陶瓷通常堆砌使用，需要确保高温下底层蜂窝陶瓷需要有足够的强度承受上层的重量;
（4）蓄热能力高：作为蓄热体，最主要的是要求其具有尽可能高的蓄热能力，可以通过提高蓄热体体积密度或者提高比热容来实现;
（5）传热性能好：良好的传热性能可提高体积利用率，减少蓄热设备的体积及用材，可以通过提高蜂窝陶瓷导热系数，增加比表面积等来实现;
（6）抗侵蚀性好：蜂窝陶瓷蓄热体通常会与氧化铁粉尘、有机硅类气体、含碱金属气体等工况下使用，在高温下与蜂窝陶瓷体接触反应形成低熔点物质，粘附在孔壁上，气体流动受阻，换热效率降低，甚至会造成蓄热体堵塞;
（7）阻力损失：阻力损失小可以提高蜂窝陶瓷蓄热体工作效率。
4.1.2高性能蜂窝陶瓷蓄热体
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。常见的蜂窝陶瓷材料的性能見表1。
由表1可见，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，但是其使用温度在1100℃左右，耐热性较差。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。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。蜂窝陶瓷蓄热体的发展难点仍在于蓄热材料的耐高温、耐热冲击性、高温强度等性能，单一相的陶瓷材料很难满足要求，复相蜂窝陶瓷蓄热体成为研究的重点。
为了改善堇青石耐热性差的问题，周健儿等[23]利用钛酸铝来提高堇青石蜂窝陶瓷的性能，制备出耐高温、低膨胀、高耐热冲击的钛酸铝- 莫来石复相蜂窝陶瓷，热膨胀系数为1.5-2.5×10-7/℃，抗热冲击800℃风冷，使用温度达到1300℃以上。吴建锋等[24]采用偏铝质堇青石配方，以煅烧铝矾土、石英和滑石为主要原料，通过挤出成型经1440℃制备出堇青石- 莫来石复相蜂窝陶瓷，经30 次热震循环（RT～900 ℃，风冷）后吸水率、气孔率、体积密度、轴向抗压强度变化较小，具有良好的热稳定性及抗热震性，符合蜂窝陶瓷蓄热体国标GB/T 25994-2010 要求。 为了进一步提莫来石蜂窝陶瓷的耐热冲击性，胡定军等[25]以高铝矾土和莫来石为主原料，添加三石（红柱石、蓝晶石、硅线石）等添加剂，通过微裂纹和异相颗粒增韧机制，提高蜂窝陶瓷高温机械性能，并且降低了成本。俞浩等[ 26]以粘土、氧化铝、钛白粉、镁铝尖晶石、方石英等为主要原料制备了钛酸铝- 莫来石质蜂窝陶瓷，通过低膨胀、耐高温、耐热冲击性好的钛酸铝复相改性莫来石，获得热膨胀系数为1.79-2.18×10-6/℃，荷重软化温度>1700℃，耐压强度达到38-52.1MPa 的蜂窝陶瓷蓄热体，其性能指标远远优于莫来石、莫来石-堇青石原料制备的产品。
4.2蜂窝陶瓷载体
大气污染严重影响着人民的身体健康和生活品质，近些年来越来越受到重视，我国的大气污染主要来源于机动车排放的Nox、HC、CO等有害物质。蜂窝陶瓷具有比表面积大、热膨胀系数小等物理特性，成为汽车、船舶、非道路移动机械等内燃机尾气后处理系统的关键部件，为催化剂提供足够的涂覆表面积，将尾气中NOx、HC、CO等有害物质通过转化为无害物质，亦可通过壁流式载体本身筋壁内的微孔结构过滤机动车尾气中的碳烟颗粒（PM），见图2。
根据内燃机尾气后处理的反应或过滤原理，蜂窝陶瓷载体分为直通式载体和壁流式载体，其中直通式载体主要包括SCR载体、DOC载体、ASC载体、TWC载体;壁流式载体包括DPF和GPF。上述载体中，TWC载体和GPF用于汽油车，SCR载体、DOC载体、ASC载体和DPF用于柴油车。根据载体需求性能，直通式蜂窝陶瓷载体主要选择堇青石;壁流式蜂窝陶瓷载体选择堇青石、钛酸铝、碳化硅。
美国康宁公司和日本NGK公司长期以来垄断着蜂窝陶瓷载体的全球市场，二者合计占据全球约90%的市场，蜂窝陶瓷载体的制造技术以及产品标准的发展也成为行业标杆，随着以奥福环保、王子制陶、宜兴非金属等为代表的国内蜂窝陶瓷载体制造企业的崛起，实现技术突破，国内企业在汽油车、轻型柴油车载体市场的竞争力不断增强，但全球汽车尾气处理载体市场尤其重型柴油车用大尺寸蜂窝陶瓷载体由康宁和NGK公司主导的市场格局未发生根本改变，国内企业和研究单位还应深入研究。
4.2.1蜂窝陶瓷载体的性能要求
（1）大的比表面积：保证有害废气与催化剂的充分接触，提高转化效率，可以通过提高孔密度和减少壁厚来实现。
（2）稳定的吸水性：保证催化剂均匀牢固的涂覆在蜂窝陶瓷载体表面，保证了催化剂上载量的稳定性，确保转化效率的稳定性，又不因涂覆过厚产生浪费。
（3）暖机性：要求发动机在启动后，催化剂载体的温度能在最短的时间内提升至催化剂的活性温度。
（4）耐热冲击性：在汽车反复启动、熄火时，冷热冲击较强，要求蜂窝陶瓷载体具有較低的热膨胀系数，以提高载体的抗热冲击性。
（5）低排气背压：排气背压高会直接导致发动机燃油消耗率上升，动力不足等，因此要求载体对发动机的排气阻力很小，要求蜂窝陶瓷载体具备合适的微孑L孔径、孔分布、孔隙率。
（6）高机械强度：蜂窝陶瓷载体装配在汽车上，蜂窝陶瓷载体在行驶过程经常受到颠簸振动，因此要求载体具备较高的强度而不被外力破坏。
（7）良好的组装性：作为汽车的一个零部件，只有确保精确的尺寸，才能保证催化剂载体的装配性能。
（8）良好的捕集效率：要求满足法规对颗粒物数量（PN）、颗粒物质量（PM）排放要求，要求蜂窝陶瓷载体具备合适的微孔孔径、孔分布、孔隙率。
（9）良好的耐温性能：满足发动机排放温度和催化剂工作时的温度，一般需要满足大于1300℃。
4.2.2堇青石蜂窝陶瓷载体
堇青石蜂窝陶瓷载体具有较低的热膨胀系数和良好的耐热冲击性能，是最早被应用在汽车尾气处理行业的载体，迄今为止仍占据全球汽车尾气处理行业的主流市场，在直通式和壁流式蜂窝陶瓷载体中仍然是应用最广泛，市场占有率最大的载体。自堇青石蜂窝陶瓷应用成功后，随着各国环保法规升级，国内外研究机构和企业对堇青石蜂窝陶瓷载体从未停止，产品不断更新换代，例如在重型柴油车国四标准中，壁厚7mil、热膨胀系数≤1.25×10-6/℃的SCR 载体即可满足要求;到了国五标准，需要壁厚5-7mil、热膨胀系数≤1.00×10-6/℃的SCR 载体才能满足要求;国六标准则需达到壁厚3-5mil、热膨胀系数≤0.60×10-6/℃的SCR 载体，加装的DPF 也需要满足孔隙率和中值孔径指标。2018年12 月，工信部发布《重点新材料首批次应用示范指导目录（2018 年版）》，指导目录对高性能蜂窝陶瓷载体明确提出三类要求：热膨胀系数应≤0.60×10-6/℃;TWC 载体壁厚≤4mil，SCR/DOC 载体壁厚≤6mil;载体目数应在300-750目之间，这三类要求成为蜂窝陶瓷载体行业发展方向重要的技术参照。综合来说，为了满足更高的排放标准，蜂窝陶瓷载体需要提高尾气的处理效率，其主要的发展趋势是：高孔密度、薄壁化、低热膨胀系数，另外，DPF、GPF还需满足高孔隙率、窄孔径分布和低热膨胀系数的要求。
为了制备具有低热膨胀系数、高孔密度、薄壁化、高强度、高耐热冲击的堇青石蜂窝陶瓷载体，主要控制点如下。
（1）选择合理的化学组成。通常认为堇青石质的化学组成越靠近堇青石的理论组成，其热膨胀系数越低，但实际上堇青石材料热膨胀系数最低点不在理论组成点，而是略偏向Al2O3 和MgO 的一侧[29，30]其低膨胀的机理尚不清楚，但已被大量实践所证明。
（2）控制原材料中的杂质，特别是碱金属氧化物、碱土金属氧化物以及Fe2O3。由于碱金属和碱土金属的存在，会降低系统中的共熔点，堇青石烧成过程中产生过量的液相，形成大量玻璃相，是堇青石的热膨胀系数急剧升高。Lachman.I.M[30]，的研究结果表明，碱金属氧化物Na2O、K2O 的含量从0.8%降至0.2%时，堇青石蜂窝陶瓷的热膨胀系数由1.8×10-6/℃ 降为1.2×10-6/℃，当CaO 含量从0.6%降至0.4 时，热膨胀系数从1.6×10-6/℃ 降为1.4×10-6/℃。Toshiharu K et al[31]提出适量的Fe2O3 可以拓宽堇青石的烧成范围，但当Fe2O3 含量超过0.65%时，则热膨胀系数会急剧上升。 （3）选择片状原材料。研究表明，使用片状原材料可以降低堇青石的热膨胀系数。堇青石单晶的热膨胀系数为各向异性，a、b轴为正膨胀，c轴呈现为负膨胀。堇青石蜂窝陶瓷载体多采用挤出成型，采用片状原材料在挤出成型通过模具时，泥料颗粒问受相互剪切作用，使片状原料沿着蜂窝格子壁面上定向排列（见图3），堇青石的结晶在烧成时以定向排列的原料为基准生成，（即堇青石晶粒的c轴平行于蜂窝格子壁平面，见图），从而降低其热胀系数。
（4）控制原料的粒度。高空密度、薄壁化、高孔隙率帶来的影响是结构强度的下降。D.M.比尔[34]通过选取中值粒径小于2μm 的滑石、和中值粒径小于5μm 的高岭土、二氧化硅和刚玉，制备出低热膨胀高孔隙率高强度堇青石体，具有细长孔取向，含有取向垂直于施加力的细长孔的堇青石体的强度比含有无规取向的球形孔的堇青石体有提高，其原因是减少应力集中。另外，控制原材料的粒度也有利于挤出成型，可以减少模具的磨损，提高生产效率和合格率。
（5）生料工艺。熟料工艺中首先合成堇青石粉料，然后挤压成型;而生料工艺则是完全采用全生料配料，挤压成型后再通过烧结一步合成堇青石。熟料工艺预合成堇青石然后粉碎，再进行挤出成型，不能使最终的产品中堇青石定向排布，热膨胀系数高。国外多采用生料工艺，而国内早期由于技术原因，最开始使用的是熟料工艺，近些年也被生料工艺取代。
（6）模具设计和制造。蜂窝陶瓷挤压成形模具，其结构形式、设计方法已趋成熟，一件模具为两个层面，一是导泥孔层面，二是出料槽层面。模具加工的一致性影响到最终蜂窝陶瓷体的孔型孔结构一致性，在模具的表面镀上一层光洁的耐磨材料，可以提高挤出成型的效率和延长模具寿命。目前，国外的模具设计和制造水平远远优于国内。
4.2.3碳化硅蜂窝陶瓷载体
碳化硅的耐热性、耐腐蚀性、热导率均优于堇青石，但是其热膨胀系数比较高，在高温热冲击下容易产生开裂，国内外研究学者通过结构设计，采用单元块拼接成整体的方式解决了这一问题，拼接材料可以缓冲碳化硅热冲击产生的形变应力，提高了碳化硅DPF的热冲击性能。日本的IBIDEN开发的重结晶碳化硅DPF和日本NGK开发的硅结合碳化硅DPF都成功的应用在不同的车型中。
相比较而言，重结晶碳化硅DPF耐温性能更高，通过碳化硅细粉蒸发凝聚生长在粗碳化硅颗粒上，其烧成温度较高，一般为2400℃以上。硅结合碳化硅是通过金属硅熔融，把碳化硅颗粒粘接起来。金属Si的加入对碳化硅的性能产生如下影响：
（1）降低碳化硅的杨氏模量，阻止热冲击时裂纹的产生和扩展，从而具有更高的抗热冲击性能;
（2）降低碳化硅的烧结温度，硅结合碳化硅的烧结机制不同于重结晶碳化硅。
目前碳化硅DPF的市场基本由日本两大公司IBIDEN和NGK垄断。国内奥福环保、王子制陶、贵州黄帝、南京科瑞特、凯龙蓝烽等公司也开发出具有自主知识产权的碳化硅DPF，但是性能比国外还是有一定的差距，产能也不能满足国内快速增长的市场需求，提高碳化硅DPF的性能、降低成本、扩大产能成为国内相关企业和研究单位的紧迫任务。
4.3蜂窝陶瓷过滤材料
作为过滤材料，蜂窝陶瓷主要应用在冶金及铸造行业金属熔融物过滤，冶金建材、电力、煤化工、核工业等高温烟气除尘。
冶金、铸造行业金属熔融物过滤，多采用莫来石质、堇青石质蜂窝陶瓷过滤片，高质高密度直孔网眼，使产品具有很高的耐热冲击和耐高烧铸温度的特性，直孔式设计保证了流量和强度间的平衡，有效地去除杂质和渣粒等，使铸件机械性能、表面质量及产品合格率大大提高。
壁流式蜂窝陶瓷是目前净化处理高温含尘废气最为先进的技术，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。武雄晖等使用壁流式蜂窝陶瓷滤材为过滤体，用于高温废气处理，兼具高温除尘和余热回收两种性能。
4.4红外辐射燃烧板
多孔蜂窝陶瓷装在灶具及燃烧其中，由于具有较大的比表面积可以使燃气充分燃烧，由于具有红外辐射作用，起到节能环保的作用。与传统金属灶具相比，红外多孔蜂窝节能灶具有以下优点：
（1）耐高温。陶瓷红外灶采用堇青石蜂窝陶瓷材质，使用温度高达1200℃，而金属灶使用铁铬铝蜂窝体，使用温度仅为900℃，在高温下易被氧化，寿命低，且其高温强度低，在高温下容易变形弯曲。
（2）不易回火、防风性强、安全可靠。堇青石蜂窝陶瓷具有低的导热系数和热膨胀系数，使用时燃烧板上下面温差可以达到700度，不易回火。风吹时，由于燃烧紧贴于辐射板的内表面，加之陶瓷导热系数小，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，所以防风性能优越。
（3）热效率高、节能环保。陶瓷红外灶的燃烧热能主要由辐射传热和对流传热两部分组成，辐射传热的传热效率远远高于普通灶具的对流传热。实践证明红外线家用燃气灶具产品的热效率约比普通大气式灶具产品高20%左右。
5结语
国内蜂窝陶瓷理论研究、制备技术日趋完善，产业化建设逐渐加强，但是距美日等厂商仍有较大的差距，特别是车用蜂窝陶瓷载体仍主要依赖进口。随着人类环保和节能意识加强，国家环保法规排放升级和政策扶持，蜂窝陶瓷在节能和环保领域的应用也会越来越广泛，市场需求量呈现为爆发式增长，产品升级和技术迭代越来越快。国内科研机构及厂商应该抓住机遇，走在前沿，培养综合性人才，开展技术储备。在蜂窝陶瓷蓄热体领域，耐温、耐热冲击、高强度、低热膨胀系数复相材料成为研究的重点，还应集合实际应用加强传热与阻力特性研究，获得最佳使用效果;在蜂窝陶瓷载体领域，着重开发更高孔密度、薄壁化、低热膨胀系数的蜂窝陶瓷，另外，除了蜂窝陶瓷载体材料性能方面的技术研发，还应开展配套生产设备的研发，尤其是自主开发高孔密度、薄壁蜂窝陶瓷模具和自动化生产和检测设备。
1引言
蜂窝陶瓷是一种多孔性的工业用陶瓷， 其内部构造是许多贯通的平行通道，这些蜂窝体单元由不同形状的格子状的薄的间壁分割而成[1]。与一般的实心块状陶瓷相比，蜂窝陶瓷具有比表面积大、质轻、热膨胀系数低、比热容大、导热性能好、抗热震性好等优异特性[2]。最早是由美国康宁公司（Corning）进行研制，用于机动车内燃机尾气处理，并在1975年进行小型汽车尾气净化试验获得成功。在随后的几十年里，国内外对蜂窝陶瓷的研究及应用越来越广泛，成功应用于机动车、船舶以及非道路移动机械等的尾气处理用催化剂载体，臭氧抑制催化剂载体，化学工业的化学反应载体，冶金工业的热交换和金属液的过滤，石化行业、化学化工、制药业、纺织业、采矿业等行业的有毒气体净化处理，轻工业的喷涂以及建材工业的消声材料和窑炉的蓄热和隔热材料[3-6]。
2国内外蜂窝陶瓷的发展历程
2.1国外蜂窝陶瓷的发展历程
蜂窝陶瓷的诞生最早源于机动车尾气处理。国外发达国家的汽车行业起步早、发展迅速，对蜂窝陶瓷的研究也领先我国十几年的时间，特别是美国康宁公司率先在1972年进行低热膨胀系数堇青石蜂窝陶瓷车用载体的开发，并在1974年推出（孔密度cpsi/ 壁厚mil）200/12的蜂窝陶瓷载体，1976年推出300cpsi，1979年推出400cpsi 的蜂窝陶瓷载体， 成为当今世界上用于内燃机尾气处理最通用的蜂窝陶瓷载体[7]。
目前，世界上较大的蜂窝陶瓷生产厂家除了美国康宁公司以外，还有日本的碍子株式会社（NGK公司）。这二家企业所生产的蜂窝陶瓷产品占据了世界蜂窝陶瓷产品的90%以上的份额。随着环保法规日趋严格，蜂窝陶瓷趋向高孔密度、薄壁化发展，两家公司相继推出（孔密度cpsi/壁厚mil）400/6、400/4、600/3、900/2等产品，产品不断升级，始终保持着先进性和强劲竞争力。
20世纪90年代初，日本工业炉公司开始使用热钝性小的蜂窝陶瓷蓄热体取代球形蓄热体，开发出新一代蓄热式燃烧器，将余热回收与低氧燃烧集合为一体，将节能与环保结合起来，用这种蓄热式燃烧器的燃烧技术被称为高温空气燃烧技术。和传统陶瓷小球蓄热体相比，蜂窝陶瓷蓄热体有比表面积大，蓄热、放热速度快，有效通流面积大，阻力损失小等优点，在日本一些大钢铁公司应用于大型轧钢加热炉上，节能减排效果十分优异，在环保领域应用广泛，并在中国开始应用。
2.2国内蜂窝陶瓷的发展历程
中国蜂窝陶瓷产业的总体发展受国家环保政策及法律法规的影响较大，主要分为三个发展阶段：
第一阶段是蜂窝陶瓷的研发起步期（1980年一1999年），中国科研机构如中科院上海硅酸盐研究所、山东工业陶瓷研究设计院、山东省机械设计研究院、中科院环境化学研究所等单位相继开展了蜂窝陶瓷的制备与研究，为中国蜂窝陶瓷行业基础研究和产业化的推动做出巨大贡献，逐渐填补中国在蜂窝陶瓷研究方面空白。
第二阶段是市场化机制下催生的初步发展期（2000-2010年），随着国家的环保政策支持力度加大，环保市场对蜂窝陶瓷的需求量激增，促进了蜂窝陶瓷的研发与改进，但是仍然主要集中在以工业蜂窝陶瓷蓄热体、工业催化剂载体、壁流式过滤器及高温换热器等领域为为主的中低端领域。
第三阶段是国家环保标准趋严下的迅速升级发展期（2011年至今），国家汽油车及柴油车污染物排放标准由“国Ⅳ标准”、“国V标准”向“国Ⅵ标准”发展，机动车尾气污染物排放限值日益严苛，行业内产品结构由中低端蜂窝陶瓷蓄热体、工业催化剂载体等向高端蜂窝陶瓷载体发展，国家也将重型柴油车蜂窝陶瓷载体技术研发及产业化纳入863重点攻关课题，奥福环保承担该项科研课题开展核心自主研发，突破核心技术难点，构建的以“堇青石材料结构及结晶控制技术”和“高性能蜂窝陶瓷載体制备工艺技术”为核心的技术体系和生产体系，全面掌握大尺寸蜂窝陶瓷载体从原材料配方、模具制造到烧成控制等规模化生产各环节的关键核心技术，填补了国内技术空白，达到了国内领先、国际先进的水平，改变了关键核心部件依赖国外垄断厂商的被动局面，实现了关键核心技术的自主可控并实现产业化。
3蜂窝陶瓷的制备方法
蜂窝陶瓷的制备方法，主要包括挤出成型法、热压铸成型、注浆成形法、压制法等。其中，热压铸成型、注浆成形法、压制法很难制备出高孔密度、大尺寸、薄壁蜂窝陶瓷，在实际生产过程中，应用最广泛的蜂窝陶瓷的制备方法是挤压成型法
挤压成型的优点是可以制造高度或者长度比截面大得多的制品、孔大小形状均匀、壁厚一致性好、工艺相对简单容易操作可实现连续化生产，具有较高生产效率，因此挤压成型被广泛应用于蜂窝陶瓷的工业化生产过程中。挤压成型缺点是要求泥料具有较大的塑性，泥料粘结剂、塑化剂含量较高，产品的烧成收缩大、致密度小。挤压成型的质量除了受泥料可塑性的影响，还跟挤压模具的质量息息相关。
蜂窝陶瓷挤压成型的主要工艺流程包括：配料一混料一捏合一粗炼泥一陈腐一过筛一精炼泥一挤压成型一切割一干燥一烧结
（1）配料，将制备蜂窝陶瓷所需要的所有粉状原料按照特定的比例称量。
（2）混料，将配好的干粉充分混合均匀，需要保证混合足够时间，以确保蜂窝陶瓷原料被充分混合均匀，避免混合不均对蜂窝陶瓷性能产生不良影响。
（3）捏合，将水、润滑剂、塑化剂等液态物料加入混合均匀的干粉中并捏合成泥团状。
（4）粗练泥，将捏合好的散碎的泥团状物料加入到练泥机中反复多次练泥，目的是使泥料形成整体状泥段并更好的混合，并且方便进行下一步陈腐。
（5）陈腐，此过程是将粗炼后的泥段在一定温度及湿度的环境中放置一段时间，促进泥段中粉料和水、粘结剂、塑化剂、润滑剂等混合的更均匀一些，以提高泥料的均匀性和成型性。陈腐时间的长短，主要取决于工艺要求和坯料的性质，陈腐时间不宜过短或过长，陈腐时间不足起不到应有的作用，陈腐时间过长可能会导致坯料中的有机组分发酵变质或者发生其他化学反应影响坯料的成型性能。 （6）过筛，此过程是通过挤压使泥段通过特定目数的筛网除掉泥段中的大颗粒，可以防止大颗粒在挤压成型时堵塞模具，影响成型效率及成型合格率。
（7）精练泥，使用真空炼泥机将陈腐好的泥段进行数次练泥的过程，其目的是减少泥段中的气泡，使泥段更加致密，减少挤压成型过程中的缺陷如粗筋、弯筋、缺筋等，同时通过多次练泥使陈腐过的泥段更加均匀，使泥段可塑性成型性增强。
（8）挤压成型，将精炼好的具有良好可塑性的陶瓷泥段加入装载特定模具的强力挤压的挤压机，动力的来源可为液压、压缩空气或机械加等，挤压成型，制得具有蜂窝状的陶瓷坯体，蜂窝陶瓷的形状、大小、孔密度、壁厚等可通过设计不同的挤压模具来控制。
（9）切割，由于挤压成型过程是连续过程，需要将挤出的泥逐通过特殊的工具如不同材质粗细的丝、线等或其它工具切割下来，长度则根据需要切取。
（10）干燥，其目的是通过不同的干燥方式除去陶瓷坯体中的水分，使其保持特定的形态并具有一定的强度。干燥工艺制度对陶瓷产品的影响较大，干燥过程中陶瓷坯体中水分蒸发不均匀会产生不同程度的收缩，产生局部应力集中，可能会导致陶瓷坯体变形或者开裂，因此需要根据陶瓷坯体的性质，选择合适的干燥工艺制度。目前常用的干燥方式为微波干燥、减压干燥、热风烘干、介电干燥、冷冻干燥等一种或多种干燥方式并用。
（11）烧结，此过程是将干燥后的陶瓷坯体进行热处理，使其烧结成为陶瓷制品的过程。烧结过程中的升温速率、窑炉温度一致性，烧结气氛及压力、烧结最高温度、烧结最高温度的保温时间、码窑方式等都会对烧结所得蜂窝陶瓷产生影响。制定烧结工艺时可参考类似产品的烧结制度，还可参考材料的DSC-TG曲线，结合实际情况并考虑其他影响因素，制定符合实际的烧结工艺制度，既能保证蜂窝陶瓷产品性能合格又能缩短烧成周期降低烧成成本。
4蜂窝陶瓷的应用
蜂窝陶瓷自问世以来，发展趋向多样化，主要材质有堇青石、钛酸铝、碳化硅、氧化锆、氮化硅、刚玉、莫来石、石英等，也可以是其中两种或多种复合而成;蜂窝陶瓷的形状有波纹状、三角形孔、四方孔、圆孔、六角孔等。多样化的蜂窝陶瓷具有不同的优异的物理特性，使蜂窝陶瓷在环保及化工等不同领域中发挥了重要作用，目前蜂窝陶瓷按照应用领域可分为蓄热体、催化剂载体、过滤材料、其它等。图1为各式各样的蜂窝陶瓷。
4.1蜂窝陶瓷蓄热体
蜂窝陶瓷蓄热体是具有节能和环保双重功效的蓄热式燃烧器的关键部件，以其耐高温、抗热冲击性好、质轻、蓄热能力高、压力损失小、使用寿命长、节能效率高、相对体积小等优点成为近年来研究的重点和热点。蜂窝陶瓷蓄热体广泛用于钢铁、发电、有色金属冶炼行业等高温窑炉中，起到高效节能减排的作用[15-18];蜂窝陶瓷蓄热体也应用于蓄热燃烧法（RTO）处理挥发性有机物VOCs，随着环保法规的加严，蜂窝陶瓷蓄热体在石化行业、电子行业、化学化工、制药业、纺织业、采矿业、垃圾焚烧、印刷、喷涂、食用油业等行业产生的各类有机废气处理中发挥了巨大的作用，在工业、环保领域拥有广阔的市场前景[19-22]。
4.1.1蜂窝陶瓷蓄热体性能要求
蜂窝陶瓷蓄热体需要在高温低温频繁交替、气流、粉尘、碳烟等复杂工况下长时间工作，因而，对蓄热体热物理性能等方面都提出了具体的要求：
（1）耐高温：在工业高温窑炉中烟气温度会达到900-1300℃，而蜂窝陶瓷蓄热体耐热性能要远远优于传统的金属换热材料，克服了金属材料不能长期在高温下工作的缺点;
（2）高抗热震性：蓄热体要在反复加热、换热、冷却的工况使用，温度波动较大，因为温度波动而破裂甚至粉碎，进而导致气流通道堵塞，压力损失增加，甚至损坏不能再用，使其使用寿命大大缩短，因此，蓄热体材料要有较高的抗热震性;
（3）结构强度高：蜂窝陶瓷通常堆砌使用，需要确保高温下底层蜂窝陶瓷需要有足够的强度承受上层的重量;
（4）蓄热能力高：作为蓄热体，最主要的是要求其具有尽可能高的蓄热能力，可以通过提高蓄热体体积密度或者提高比热容来实现;
（5）传热性能好：良好的传热性能可提高体积利用率，减少蓄热设备的体积及用材，可以通过提高蜂窝陶瓷导热系数，增加比表面积等来实现;
（6）抗侵蚀性好：蜂窝陶瓷蓄热体通常会与氧化铁粉尘、有机硅类气体、含碱金属气体等工况下使用，在高温下与蜂窝陶瓷体接触反应形成低熔点物质，粘附在孔壁上，气体流动受阻，换热效率降低，甚至会造成蓄热体堵塞;
（7）阻力损失：阻力损失小可以提高蜂窝陶瓷蓄热体工作效率。
4.1.2高性能蜂窝陶瓷蓄热体
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。常见的蜂窝陶瓷材料的性能見表1。
由表1可见，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，但是其使用温度在1100℃左右，耐热性较差。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。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。蜂窝陶瓷蓄热体的发展难点仍在于蓄热材料的耐高温、耐热冲击性、高温强度等性能，单一相的陶瓷材料很难满足要求，复相蜂窝陶瓷蓄热体成为研究的重点。
为了改善堇青石耐热性差的问题，周健儿等[23]利用钛酸铝来提高堇青石蜂窝陶瓷的性能，制备出耐高温、低膨胀、高耐热冲击的钛酸铝- 莫来石复相蜂窝陶瓷，热膨胀系数为1.5-2.5×10-7/℃，抗热冲击800℃风冷，使用温度达到1300℃以上。吴建锋等[24]采用偏铝质堇青石配方，以煅烧铝矾土、石英和滑石为主要原料，通过挤出成型经1440℃制备出堇青石- 莫来石复相蜂窝陶瓷，经30 次热震循环（RT～900 ℃，风冷）后吸水率、气孔率、体积密度、轴向抗压强度变化较小，具有良好的热稳定性及抗热震性，符合蜂窝陶瓷蓄热体国标GB/T 25994-2010 要求。 为了进一步提莫来石蜂窝陶瓷的耐热冲击性，胡定军等[25]以高铝矾土和莫来石为主原料，添加三石（红柱石、蓝晶石、硅线石）等添加剂，通过微裂纹和异相颗粒增韧机制，提高蜂窝陶瓷高温机械性能，并且降低了成本。俞浩等[ 26]以粘土、氧化铝、钛白粉、镁铝尖晶石、方石英等为主要原料制备了钛酸铝- 莫来石质蜂窝陶瓷，通过低膨胀、耐高温、耐热冲击性好的钛酸铝复相改性莫来石，获得热膨胀系数为1.79-2.18×10-6/℃，荷重软化温度>1700℃，耐压强度达到38-52.1MPa 的蜂窝陶瓷蓄热体，其性能指标远远优于莫来石、莫来石-堇青石原料制备的产品。
4.2蜂窝陶瓷载体
大气污染严重影响着人民的身体健康和生活品质，近些年来越来越受到重视，我国的大气污染主要来源于机动车排放的Nox、HC、CO等有害物质。蜂窝陶瓷具有比表面积大、热膨胀系数小等物理特性，成为汽车、船舶、非道路移动机械等内燃机尾气后处理系统的关键部件，为催化剂提供足够的涂覆表面积，将尾气中NOx、HC、CO等有害物质通过转化为无害物质，亦可通过壁流式载体本身筋壁内的微孔结构过滤机动车尾气中的碳烟颗粒（PM），见图2。
根据内燃机尾气后处理的反应或过滤原理，蜂窝陶瓷载体分为直通式载体和壁流式载体，其中直通式载体主要包括SCR载体、DOC载体、ASC载体、TWC载体;壁流式载体包括DPF和GPF。上述载体中，TWC载体和GPF用于汽油车，SCR载体、DOC载体、ASC载体和DPF用于柴油车。根据载体需求性能，直通式蜂窝陶瓷载体主要选择堇青石;壁流式蜂窝陶瓷载体选择堇青石、钛酸铝、碳化硅。
美国康宁公司和日本NGK公司长期以来垄断着蜂窝陶瓷载体的全球市场，二者合计占据全球约90%的市场，蜂窝陶瓷载体的制造技术以及产品标准的发展也成为行业标杆，随着以奥福环保、王子制陶、宜兴非金属等为代表的国内蜂窝陶瓷载体制造企业的崛起，实现技术突破，国内企业在汽油车、轻型柴油车载体市场的竞争力不断增强，但全球汽车尾气处理载体市场尤其重型柴油车用大尺寸蜂窝陶瓷载体由康宁和NGK公司主导的市场格局未发生根本改变，国内企业和研究单位还应深入研究。
4.2.1蜂窝陶瓷载体的性能要求
（1）大的比表面积：保证有害废气与催化剂的充分接触，提高转化效率，可以通过提高孔密度和减少壁厚来实现。
（2）稳定的吸水性：保证催化剂均匀牢固的涂覆在蜂窝陶瓷载体表面，保证了催化剂上载量的稳定性，确保转化效率的稳定性，又不因涂覆过厚产生浪费。
（3）暖机性：要求发动机在启动后，催化剂载体的温度能在最短的时间内提升至催化剂的活性温度。
（4）耐热冲击性：在汽车反复启动、熄火时，冷热冲击较强，要求蜂窝陶瓷载体具有較低的热膨胀系数，以提高载体的抗热冲击性。
（5）低排气背压：排气背压高会直接导致发动机燃油消耗率上升，动力不足等，因此要求载体对发动机的排气阻力很小，要求蜂窝陶瓷载体具备合适的微孑L孔径、孔分布、孔隙率。
（6）高机械强度：蜂窝陶瓷载体装配在汽车上，蜂窝陶瓷载体在行驶过程经常受到颠簸振动，因此要求载体具备较高的强度而不被外力破坏。
（7）良好的组装性：作为汽车的一个零部件，只有确保精确的尺寸，才能保证催化剂载体的装配性能。
（8）良好的捕集效率：要求满足法规对颗粒物数量（PN）、颗粒物质量（PM）排放要求，要求蜂窝陶瓷载体具备合适的微孔孔径、孔分布、孔隙率。
（9）良好的耐温性能：满足发动机排放温度和催化剂工作时的温度，一般需要满足大于1300℃。
4.2.2堇青石蜂窝陶瓷载体
堇青石蜂窝陶瓷载体具有较低的热膨胀系数和良好的耐热冲击性能，是最早被应用在汽车尾气处理行业的载体，迄今为止仍占据全球汽车尾气处理行业的主流市场，在直通式和壁流式蜂窝陶瓷载体中仍然是应用最广泛，市场占有率最大的载体。自堇青石蜂窝陶瓷应用成功后，随着各国环保法规升级，国内外研究机构和企业对堇青石蜂窝陶瓷载体从未停止，产品不断更新换代，例如在重型柴油车国四标准中，壁厚7mil、热膨胀系数≤1.25×10-6/℃的SCR 载体即可满足要求;到了国五标准，需要壁厚5-7mil、热膨胀系数≤1.00×10-6/℃的SCR 载体才能满足要求;国六标准则需达到壁厚3-5mil、热膨胀系数≤0.60×10-6/℃的SCR 载体，加装的DPF 也需要满足孔隙率和中值孔径指标。2018年12 月，工信部发布《重点新材料首批次应用示范指导目录（2018 年版）》，指导目录对高性能蜂窝陶瓷载体明确提出三类要求：热膨胀系数应≤0.60×10-6/℃;TWC 载体壁厚≤4mil，SCR/DOC 载体壁厚≤6mil;载体目数应在300-750目之间，这三类要求成为蜂窝陶瓷载体行业发展方向重要的技术参照。综合来说，为了满足更高的排放标准，蜂窝陶瓷载体需要提高尾气的处理效率，其主要的发展趋势是：高孔密度、薄壁化、低热膨胀系数，另外，DPF、GPF还需满足高孔隙率、窄孔径分布和低热膨胀系数的要求。
为了制备具有低热膨胀系数、高孔密度、薄壁化、高强度、高耐热冲击的堇青石蜂窝陶瓷载体，主要控制点如下。
（1）选择合理的化学组成。通常认为堇青石质的化学组成越靠近堇青石的理论组成，其热膨胀系数越低，但实际上堇青石材料热膨胀系数最低点不在理论组成点，而是略偏向Al2O3 和MgO 的一侧[29，30]其低膨胀的机理尚不清楚，但已被大量实践所证明。
（2）控制原材料中的杂质，特别是碱金属氧化物、碱土金属氧化物以及Fe2O3。由于碱金属和碱土金属的存在，会降低系统中的共熔点，堇青石烧成过程中产生过量的液相，形成大量玻璃相，是堇青石的热膨胀系数急剧升高。Lachman.I.M[30]，的研究结果表明，碱金属氧化物Na2O、K2O 的含量从0.8%降至0.2%时，堇青石蜂窝陶瓷的热膨胀系数由1.8×10-6/℃ 降为1.2×10-6/℃，当CaO 含量从0.6%降至0.4 时，热膨胀系数从1.6×10-6/℃ 降为1.4×10-6/℃。Toshiharu K et al[31]提出适量的Fe2O3 可以拓宽堇青石的烧成范围，但当Fe2O3 含量超过0.65%时，则热膨胀系数会急剧上升。 （3）选择片状原材料。研究表明，使用片状原材料可以降低堇青石的热膨胀系数。堇青石单晶的热膨胀系数为各向异性，a、b轴为正膨胀，c轴呈现为负膨胀。堇青石蜂窝陶瓷载体多采用挤出成型，采用片状原材料在挤出成型通过模具时，泥料颗粒问受相互剪切作用，使片状原料沿着蜂窝格子壁面上定向排列（见图3），堇青石的结晶在烧成时以定向排列的原料为基准生成，（即堇青石晶粒的c轴平行于蜂窝格子壁平面，见图），从而降低其热胀系数。
（4）控制原料的粒度。高空密度、薄壁化、高孔隙率帶来的影响是结构强度的下降。D.M.比尔[34]通过选取中值粒径小于2μm 的滑石、和中值粒径小于5μm 的高岭土、二氧化硅和刚玉，制备出低热膨胀高孔隙率高强度堇青石体，具有细长孔取向，含有取向垂直于施加力的细长孔的堇青石体的强度比含有无规取向的球形孔的堇青石体有提高，其原因是减少应力集中。另外，控制原材料的粒度也有利于挤出成型，可以减少模具的磨损，提高生产效率和合格率。
（5）生料工艺。熟料工艺中首先合成堇青石粉料，然后挤压成型;而生料工艺则是完全采用全生料配料，挤压成型后再通过烧结一步合成堇青石。熟料工艺预合成堇青石然后粉碎，再进行挤出成型，不能使最终的产品中堇青石定向排布，热膨胀系数高。国外多采用生料工艺，而国内早期由于技术原因，最开始使用的是熟料工艺，近些年也被生料工艺取代。
（6）模具设计和制造。蜂窝陶瓷挤压成形模具，其结构形式、设计方法已趋成熟，一件模具为两个层面，一是导泥孔层面，二是出料槽层面。模具加工的一致性影响到最终蜂窝陶瓷体的孔型孔结构一致性，在模具的表面镀上一层光洁的耐磨材料，可以提高挤出成型的效率和延长模具寿命。目前，国外的模具设计和制造水平远远优于国内。
4.2.3碳化硅蜂窝陶瓷载体
碳化硅的耐热性、耐腐蚀性、热导率均优于堇青石，但是其热膨胀系数比较高，在高温热冲击下容易产生开裂，国内外研究学者通过结构设计，采用单元块拼接成整体的方式解决了这一问题，拼接材料可以缓冲碳化硅热冲击产生的形变应力，提高了碳化硅DPF的热冲击性能。日本的IBIDEN开发的重结晶碳化硅DPF和日本NGK开发的硅结合碳化硅DPF都成功的应用在不同的车型中。
相比较而言，重结晶碳化硅DPF耐温性能更高，通过碳化硅细粉蒸发凝聚生长在粗碳化硅颗粒上，其烧成温度较高，一般为2400℃以上。硅结合碳化硅是通过金属硅熔融，把碳化硅颗粒粘接起来。金属Si的加入对碳化硅的性能产生如下影响：
（1）降低碳化硅的杨氏模量，阻止热冲击时裂纹的产生和扩展，从而具有更高的抗热冲击性能;
（2）降低碳化硅的烧结温度，硅结合碳化硅的烧结机制不同于重结晶碳化硅。
目前碳化硅DPF的市场基本由日本两大公司IBIDEN和NGK垄断。国内奥福环保、王子制陶、贵州黄帝、南京科瑞特、凯龙蓝烽等公司也开发出具有自主知识产权的碳化硅DPF，但是性能比国外还是有一定的差距，产能也不能满足国内快速增长的市场需求，提高碳化硅DPF的性能、降低成本、扩大产能成为国内相关企业和研究单位的紧迫任务。
4.3蜂窝陶瓷过滤材料
作为过滤材料，蜂窝陶瓷主要应用在冶金及铸造行业金属熔融物过滤，冶金建材、电力、煤化工、核工业等高温烟气除尘。
冶金、铸造行业金属熔融物过滤，多采用莫来石质、堇青石质蜂窝陶瓷过滤片，高质高密度直孔网眼，使产品具有很高的耐热冲击和耐高烧铸温度的特性，直孔式设计保证了流量和强度间的平衡，有效地去除杂质和渣粒等，使铸件机械性能、表面质量及产品合格率大大提高。
壁流式蜂窝陶瓷是目前净化处理高温含尘废气最为先进的技术，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。武雄晖等使用壁流式蜂窝陶瓷滤材为过滤体，用于高温废气处理，兼具高温除尘和余热回收两种性能。
4.4红外辐射燃烧板
多孔蜂窝陶瓷装在灶具及燃烧其中，由于具有较大的比表面积可以使燃气充分燃烧，由于具有红外辐射作用，起到节能环保的作用。与传统金属灶具相比，红外多孔蜂窝节能灶具有以下优点：
（1）耐高温。陶瓷红外灶采用堇青石蜂窝陶瓷材质，使用温度高达1200℃，而金属灶使用铁铬铝蜂窝体，使用温度仅为900℃，在高温下易被氧化，寿命低，且其高温强度低，在高温下容易变形弯曲。
（2）不易回火、防风性强、安全可靠。堇青石蜂窝陶瓷具有低的导热系数和热膨胀系数，使用时燃烧板上下面温差可以达到700度，不易回火。风吹时，由于燃烧紧贴于辐射板的内表面，加之陶瓷导热系数小，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，所以防风性能优越。
（3）热效率高、节能环保。陶瓷红外灶的燃烧热能主要由辐射传热和对流传热两部分组成，辐射传热的传热效率远远高于普通灶具的对流传热。实践证明红外线家用燃气灶具产品的热效率约比普通大气式灶具产品高20%左右。
5结语
国内蜂窝陶瓷理论研究、制备技术日趋完善，产业化建设逐渐加强，但是距美日等厂商仍有较大的差距，特别是车用蜂窝陶瓷载体仍主要依赖进口。随着人类环保和节能意识加强，国家环保法规排放升级和政策扶持，蜂窝陶瓷在节能和环保领域的应用也会越来越广泛，市场需求量呈现为爆发式增长，产品升级和技术迭代越来越快。国内科研机构及厂商应该抓住机遇，走在前沿，培养综合性人才，开展技术储备。在蜂窝陶瓷蓄热体领域，耐温、耐热冲击、高强度、低热膨胀系数复相材料成为研究的重点，还应集合实际应用加强传热与阻力特性研究，获得最佳使用效果;在蜂窝陶瓷载体领域，着重开发更高孔密度、薄壁化、低热膨胀系数的蜂窝陶瓷，另外，除了蜂窝陶瓷载体材料性能方面的技术研发，还应开展配套生产设备的研发，尤其是自主开发高孔密度、薄壁蜂窝陶瓷模具和自动化生产和检测设备。