摘要：近年来，SiC材料作为一种新型的柴油车尾气颗粒物过滤材料获得了迅速发展，正逐步取代目前广泛应用的堇青石多孔陶瓷材料。结合堇青石和SiC过滤材料的性能特点，重点概述了2种SiC改性过滤材料(重结晶SiC，RSiC和硅
结合SiC，Si．SiC)的研究和应用进展，并介绍了SiC颗粒物过滤器的市场现状和发展前景。
关键词：柴油车尾气净化 颗粒物过滤器 SiC
中图分类号TK421．5 文献标识码A 文章编号1673-9108(2007)05-0134-05
近年来，柴油车凭借在经济性、动力性和温室气体排放等方面优势得以迅猛发展。2005年世界柴油车产量已达1850万辆，占汽车总产量的28％ 。但柴油车的尾气颗粒物排放污染已成为制约其进一步发展的瓶颈因素。颗粒物过滤器(diesel particulatefilter，DPF)是目前公认最有效的后处理技术之一。预计到2015年，DPF将普遍应用于柴油动力装置⋯ 。DPF采用特定结构的耐高温材料，截留排气中的颗粒物，并适时进行过滤器再生，从而降低颗粒物排放。其中过滤材料是制约过滤器整体性能(如过滤效率、排气压力和耐久性能等)的关键因素。
近年来，SiC材料凭借其优异的耐热、耐腐蚀和导热性能受到广泛青睐。有望替代堇青石成为新型的柴油车尾气颗粒物过滤材料。
1 颗粒物过滤材料的要求
DPF的工作环境，包括路况和发动机工况变化引起的机械振动，含腐蚀成分气体的热冲击，燃烧再生时产生的高温及再生不均匀引起的热应力等。因此，过滤材料需要具备以下性能 ：
(1)高效的颗粒物捕集性能，且产生的排气压力不影响车辆动力性能，不引起过多的燃油消耗；
(2)良好的抗高温氧化和耐热冲击性能，以适应燃烧再生时的高温和温度变化；
(3)良好的耐腐蚀性能，以抵抗排气成分和颗粒物上吸附的金属氧化物等物质的侵蚀；
(4)优良的机械强度和抗振动性能，以便车辆搭载运行和适应路况变化；
(5)适用于某种再生形式，如催化再生、燃油添加剂再生或电加热再生等；
(6)低廉的生产成本，以便大规模市场应用。
目前尚无某一种材料可以具备上述所有性能。近20多年来，各种金属、陶瓷等材料被制成泡沫式、蜂窝式、壁流式及纤维毡等多种结构，先后应用于柴油车尾气颗粒物过滤领域。其中堇青石、SiC等多孑L陶瓷材料凭借其优良的耐热性能和可调的空隙结构成为目前首选的颗粒物过滤材料。
2 堇青石与SiC过滤材料性能比较
堇青石是一种镁铝硅酸盐，主要成分为2MgO· 2A1 O ·5SiO ，一般由高岭石和云母烧结而成。与SiC过滤材料相比(表1)，堇青石具有低廉的成本、一定的耐热性能、较低的热膨胀系数和良好的抗热冲击性能等优点，是目前应用最广泛的颗粒物过滤和催化载体材料。1978年美国康宁公司率先制成整体蜂窝式堇青石颗粒物过滤器，1985年德国戴姆勒一克莱斯勒公司将堇青石DPF成功应用于客车
上，1989年日本NGK公司开始批量生产商业化应用的堇青石DPF 。堇青石材料的主要问题是耐热性能和耐化学腐蚀性能较差，而且由于其热导率较低，再生时易产生热斑 。
与堇青石相比，SiC具有更优异的耐热、耐蚀性能和导热性能。SiC的耐热温度和导热系数远高于堇青石，机械强度也大幅度提高，能够承受更加恶劣的再生环境⋯ 。而且SiC的空隙结构具有更佳的可调性，可以制备更高孑L隙率和更均匀孑L径分布的过滤材料。高孑L隙率、强热扩散能力的优点，可使过滤器内的温度场分布更为均匀，在相同积碳量再生时，过滤器内部的最大温度远低于堇青石，可确保良好的再生安全性能。近年来13本Ibiden和NGK公司开发的碳化硅颗粒过滤器(SiC DPF)已成功进入日本和欧洲市场，被众多汽车厂商所采用，并取得了良好的实用效果。但SiC材料面临一些问题，如热膨胀系数较大，容易在高温热冲击下开裂，而且在高温下SiC可能被活化氧化，产生白斑等 。经过相关企业和研究学者在SiC材料烧结工艺和结构设计方面进行的不断努力，这些问题正日趋得到解决。
3 SiC过滤材料的研究进展
3．1 结构设计优化
SiC过滤材料的主要问题是抗热冲击性能较差，在燃烧再生时产生的高温冲击下容易裂开。为此，SiC—DPF不是制成堇青石一样的整体蜂窝式结构，而是被分割成块，再用有一定弹性的陶瓷纤维粘结成整体，如图1所示。这种分割式结构可以显著提高SiC—DPF的抗热冲击性能，但会产生略高的排气压力。通过提高蜂窝密度，增大过滤面积和增大孑L径，平均分布孑L径等调节孑L隙结构的方法，可有效降低排气压力，获得满意的通过性能¨ 。
3．2 SiC改性过滤材料
为进一步提高SiC材料的抗热冲击性能和耐热性能，2种SiC改性过滤材料：重结晶碳化硅(re—crystallized SiC，RSiC)和硅结合碳化硅(SiC bondedby Si—metal，Si—SiC)分别由日本Ibiden公司和NGK公司成功研发，并获得良好的实用效果。
3．2．1 重结晶碳化硅(RSiC)
RSiC材料是把SiC在2200℃ 高温及氦气等惰性气氛下，经蒸发，重结晶等过程制成。由于其100％ 的高纯度，RSiC具有更优良的耐热性能、抗高温疲劳性能和更高的热导率。1993年日本Ibiden公司率先研发出壁流蜂窝式RSiC—DPF，并于2000一年生产出空隙率>50％ 、孑L径<10／．tm的RSiC材料作为尾气过滤材料和催化剂载体投入市场应用。
2000年，Ibiden公司与PSA、Bosch公司联合开发了一系列的铈基燃油添加剂辅助再生的壁流式RSiC— DPF，经发动机恶劣运转情况考核，寿命可达8万km，并可保持95％ 以上的过滤效率¨ 。
但RSiC也具有在热应力较大的情况下易产生裂纹的缺点。为此，Ibiden公司对烧结工艺进行了不断改进。RSiC烧结时，在大尺寸SiC晶粒之间加人细小SiC颗粒，并通过改变烧结温度和气氛来调节RSiC的颗粒尺寸分布，可适当降低弹性模量，而提高抗热冲击性能，阻止再生时的微裂纹可扩展。
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