Аналитический обзор композитных материалов, используемых в качестве фильтров для очистки газовых смесей от вредных веществ

РАЗДЕЛ 1.
АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В КАЧЕСТВЕ ФИЛЬТРОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ ОТ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ


1.1. Требования, предъявляемые к металлокерамическим материалам для
очистки газов
     
     
     Отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания, повсеместно используемых как энергетические установки автомобилей, тракторов, судов речного и морского транспорта и энергоснабжения, содержат до 1200 различных компонентов, включающих токсичные. Учитывая, что мировой парк только автомобилей превысил 800 млн. единиц, а каждый должен оборудоваться нейтрализатором отработавших газов, увеличился и расход благородных металлов, используемых в материалах для фильтров-нейтрализаторов [1-4]. В настоящее время для очистки отработавших газов тепловых двигателей в изделиях (сажевых фильтрах и каталитических нейтрализаторах) используется четыре ведущих типа материалов, полученных на основе металлов, неорганических соединений, органических соединений и композитов. Особенностью материалов для очистки газов является наличие комплекса физических, физико-механических и функциональных свойств [1, 5-7].
     Наблюдается тенденция развития пяти основных видов материалов для очистки отработавших газов: пористых проницаемых композитных; пористых проницаемых керамических; пористых проницаемых из вспененных металлов или соединений; на основе металлической фольги; на основе металловолокон [1, 8,  9-11].
     В мировой практике наблюдается повсеместный отказ от насыпных катализаторов, выполненных на гранулированных, кусковых, стержневых или трубчатых носителях. Это происходит по причине низкой эффективности названных видов катализаторов, недостаточной долговечности в условиях эксплуатации [12-16].
     В последнее десятилетие несомненное лидерство среди каталитических материалов для очистки отработавших газов занимает композитная металлокерамика. Поэтому в настоящей работе автор не останавливается на других видах материалов, а большое внимание уделяет расширению ресурсной базы и использованию минерального сырья для получения пористых, проницаемых каталитических материалов.
     Согласно классификации композитных материалов, предложенной А.А. Батаевым и В.А. Батаевым [10] пористые проницаемые композиты, получаемые по технологиям самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), описанным академиком А.Г. Мержановым и его научной школой [17], относятся к металлокерамическим композитным материалам. По геометрии компонентов эти материалы относятся к нульмерным (все три размера компонентов являются величинами одного порядка). По расположению компонентов пористые проницаемые материалы полученные методом СВС могут иметь одно-, двух- и трехосное армирование. По материалу матрицы мы имеем дело с металлическим композиционным составом. По геометрии армирующих элементов можно рассматривать варианты: волокнистые, тканые, стержневые, спиральные и другие. По назначению  материалы относятся к фильтрующим, каталитическим.
     Традиционная пористая металлокерамика образуется путем введения в исходную композицию различных порошковых или волокнистых композитов, которые в процессе завершения изготовления изделия выплавляются или выжигаются, образуя открытые поры. Открытая пористость достигается также при спекании свободно насыпного порошка.
     Привлекательность использования самораспространяющегося высокотемпературного синтеза  для получения пористых проницаемых каталитических материалов заключается прежде всего в том, что отпадает необходимость получения и очистки, например, редкоземельных (РЗМ) по сложным технологиям. Очистка отработавших газов относится к области техники, где РЗМ могут использоваться в виде мишметалла и ферроцерия, т.е. почти не требуется разделения их на индивидуальные элементы.
     Поскольку качество очистки отработавших газов в присутствии катализаторов зависит от их расхода, температуры и других факторов, а также состава, в первую очередь по литературным данным, на примере дизелей, изучено содержание в отработавших газах оксида углерода, оксида азота, углеводородов и твердых частиц.
     Как было отмечено выше в состав отработавших газов дизелей входит свыше 1200 компонентов. К основным все исследователи относят оксид углерод - СО, оксиды азота - NOх, углеводороды - СхНу, твердые частицы - ТЧ. Выбросы этих компонентов нормируется стандартами ЕЭК ООН и отдельных стран. Содержание основных нормируемых компонентов в отработавших газах дизелей приведено в таблице 1.1.
     
Таблица 1.1. Содержание основных нормируемых компонентов в отработавших газах дизелей
Компоненты
отработавших
газов дизелей
Концентрация в отработавших
газах в объемной массе г/м3
Удельные выбросы, г/(кВт·ч)

По В.И. Смайлису [22]
По данным фирмы "Bosch" [10]
По В.И. Смайлису [22]
По данным фирмы "Bosch" [10]


Режим полной мощности


Оксид углерода - СО
0,25…2,50
0,44…2,50
1,5…12,0
2,2…10,0
Оксиды азота - NОx
2,00…8,00
1,23…5,125
10,0…30,0
6,15…20,5
Углеводороды - CxHy
0,25…2,0
до 0,57
1,5…8,0
до 2,28
Твердые частицы - ТЧ
0,05…0,50
до 0,2
0,25…2,0
до 0,8
     
     Основной проблемой, возникающей при снижении вредных выбросов на рабочий процесс дизеля, является снижение топливной экономичности и увеличение выбросов продуктов неполного сгорания при определении мероприятий, направленных на снижение выбросов оксидов азота. Это отмечено в работах С.А. Батурина, И.Л. Варшавского и Р.В. Малова, В.В. Горбунова и 
Н.Н. Патрахальцева, О.И. Демочки, В.Н. Ложкина, О.И. Жегалина, П.Д. Лупачева, А.С. Лоскутова, В.А. Звонова, В.Ф. Кутенева, А.З. Филиппова, А.Л. Новоселова, В.А. Вагнера, В.И. Смайлиса, А.А. Мельберт и многих других отечественных и зарубежных исследователей [18, 19, 20, 21, 102, 23].
     Ужесточающие требования ЕВРО-стандартов к уровням дымности и токсичности дизелей привели к положению, когда стало невозможно добиваться требований ЕВРО-5 и ЕВРО-6 однозначными техническими решениями. В таблице 1.2 приведены требования ЕВРО-стандартов на примере дизельных дизелей.
     
Таблица 1.2. Динамика нормирования выбросов дизелей грузовых автотранспортных средств и автобусов, г/(кВт·ч)
Ступень
Год введения
Частицы
NОx
CxHy
СО
ЕВРО-1
1993
0,36
8,0
1,1
4,5
ЕВРО-2
1996
0,15
7,0
1,1
4,0
ЕВРО-3
2000
0,1
5,0
0,66*
2,1
ЕВРО-4
2005
0,02
3,5
0,46*
1,5
ЕВРО-5
2008
0,02
2,0
0,25*
1,5
ЕВРО-6
2013
0,4
0,4
0,13*
1,5
     * - неметановые углеводороды
     
     Каталитические фильтры нейтрализаторов работают в сложных условиях на нестационарных режимах. Изменение режимов работы нейтрализаторов с изменением режимов работы дизелей по вероятностным законам. Одновременно, могут изменяться количество, состав и температура отработавших газов. Свои коррекции вносит и изменение условий теплообмена с окружающей средой, а также температура, давление и влажность воздуха на впуске, влияющие на процессы наполнения, сжатия, сгорания и выпуска дизеля и определяющие во многом состав отработавших газов [1, 23].
     Известно, что в реакторах каталитических нейтрализаторов скорости реакций определяются не только наличием катализаторов, но и составом отработавших газов, избытком окислителя, температурным режимом в зоне реакций и рядом других обстоятельств [24, 23].
     Необходимо таким образом учитывать, что в реакторах каталитических, нейтрализаторов одновременно происходит целый ряд физических, химических и механических процессов, а именно:
     - одновременно с фильтрацией ТЧ при температурах свыше 500 °С в присутствии катализаторов происходит их выгорание на поверхностях фильтров;
     - твердые частицы загрязняют поверхности фильтров, проникают в поры, создавая высокие противодавления на выпуске дизелей;
     - вместе с серным ангидридом ТЧ образуют отложения на поверхностях каталитических фильтров, дезактивируя последние;
     - выбросы оксидов азота и серы, вступая в реакции с парами воды, образуют частицы кислот, что приводит к разрушению фильтров;
     - пористые фильтры осуществляют функции глушения шума выпуска, пламягашения и искрогашения;
     - системы фильтрации отработавших газов не рассчитаны на длительную непрерывную работу и требуют периодической регенерации;
     На основании изложенного, были сформулированы основные требования, предъявляемые к каталитическим фильтрам для очистки отработавших газов дизелей от вредных веществ и твердых частиц. К ним были отнесены следующие:
     1. При фракционном составе задерживаемых твердых частиц со средним диаметром менее 1 мкм должна обеспечиваться степень очистки не менее 50 %;
     2. "Сажеёмкость" фильтра должна обеспечивать непрерывную эксплуатацию дизеля при двухсменной эксплуатации без регенерации;
     3. Подключение системы фильтрации должно быть безопасность с обеспечением переключения потока отработавших газов непосредственно в атмосферу или в параллельно установленную систему;
     4. Система фильтрации отработавших газов должна выдерживать вибрации с частотами до 150 Гц и виброускорения до 4 g;
     5. Система фильтраций и очистки должна быть оборудована устройствами, обеспечивающими регенерацию каталитических фильтров без съема с места установки и разборки;
     6. Система очистки от вредных веществ должна обеспечивать снижение выбросов:
     - оксидов азота - до 88,5 %;
     - оксидов углерода - до 78 %; 
     - углеводородов (суммарно) - до 79,5 %;
     - оксидов азота и углеводородов (суммарно) - 86 %;
     - по городскому прогретому циклу испытаний эффективность очистки регламентируется по компонентам:
     - СО-98 %;
     - СХНУ - 88 %;
     - NOх-81 % (правило 83-02 ЕЭК ООН);
     7. Системы фильтрации и очистки должны быть оборудованы системами автоматическою управления, обеспечивающими переключение потока ОГ и включение системы регенерации фильтров;
     8. Фильтрующие элементы должны обладать низким начальным газодинамическим сопротивлением, высокой пористостью, гидростойкостью, низкой стоимостью, простотой и надежностью конструкции;
     9. Срок службы систем фильтрации и очистки отработавших газов должен быть не менее моторесурса дизеля. В интервале рабочих температур в пределах 100... 900 °С.
     Изложенные требования к фильтрам для очистки отработавших газов дизелей от вредных веществ и твердых частиц не являются исчерпывающими и. в то же самое время, концентрируют внимание на основных положениях. В настоящей работе не ставилась задача выполнения всех требований представленных выше.
     
1.2. Использование материалов, включающих в свой состав редкоземельные металлы
     
     
     Использование композитных каталитических материалов для очистки отработавших газов ДВС во многом определяется исходя из понятия «цена-качество». Поэтому ведущие фирмы, производящие материалы для каталитических нейтрализаторов идут по следующим путям:
     1. Применение композитных материалов в качестве носителей и каркасов каталитических материалов;
     2. Замещение катализаторов с редкоземельными металлами  на минералы, их содержащие;
     3. Использование пенометаллов из сплавов, например, монеля;
     4. Использование новых технологий, позволяющих использовать руды редкоземельных металлов при получении пористых проницаемых каталитических материалов.
     Стоимость каталитического нейтрализатора влияет на стоимость транспортного средства в целом, поэтому необходимо в первую очередь обращать внимание на цену катализаторов и вести поиск более дешевых альтернативных. Использование платины [25] до 2 грамм на 1 кг носителя приводит к высокой цене каталитического нейтрализатора. Значительно снижает цену применение меднохромокислых [26], никель-металлических [27], керамических сотовых [31], палладиевых [32] и других катализаторов.
     В ряде работ, в том числе в [13], указывается возможность за счет состава шихты и технологических режимов получения СВС-каталитических блоков с заданными физико-геометрическими параметрами, обеспечивающими необходимые нейтрализующие свойства. Подобные работы проведены в АлтГТУ им. И.И. Ползунова [27– 32, 33, 34, 77]. Обращает на себя внимание тот факт, что всеми авторами предлагается использование дорогостоящих редкоземельных металлов и, как правило, не делается попыток на их замену эквивалентными по функциональным свойствам материалами.
     Фирмой "DaihatsuMotorCo., Ltd" (Япония) разработан катализатор, наносимый на пористый носитель в несколько слоев. Первые два слоя, примыкающие к носителю, состоят из оксида алюминия Al2O3 и оксидов церия 
Ce1-(x+y)ZrxMyO2-x (M - щелочной или редкоземельный металл, x = 0,2…0,7; 
y = 0…0,2). В состав второго слоя входят платина, родий или палладий
(? - цеолит, Ce-Zr-Y - композитный оксид, Al2O3) они наносятся на поверхность цеолита[35].
     Катализаторы, адсорбирующие углеводороды в широком диапазоне температур и обеспечивающие высокую степень очистки, предложенные фирмой "CatalerCorp", изготовлены в виде монолитов с каналами, пропускающими газ в осевом направлении, и слоя содержащего цеолит и оксид алюминия. Платина, родий, палладий наносится на поверхности оксида алюминия. При изготовлении катализатора с тремя слоями титана, диоксид циркония, диоксид кремния, их комбинации и смеси [Патент США № 6602479].
     Все указанные разработки базируются на использовании технологии спекания материалов из порошков. Здесь нет попыток применения безотходных, малоэнергоемких технологий, для получения новых каталитических материалов, для очистки газов.
     В России в ОАО «Катализатор» создан катализатор очистки газов от оксидов азота с повышенной прочностью, селективностью и термостойкостью. Катализатор представляет собой носитель ?-Al2O3, содержит соединения из группы магния, кобальта, лантана, празеодима, церия, цирконий, барий и соединения палладия в слое толщиной 200-1500 мкм на поверхности [Патент России № 2199386].
     Рассматривая состав катализаторов на носителе можно отметить, что он материалоемок и содержит стратегический металл Со, редкоземельные металлы La, Pr, Ce, благородный металл Pd.
     Фирмой «Engelhard Corp.» (США) предложен материал носителя для каталитических нейтрализаторов из смеси активированных оксидов алюминия, цинка, титана, циркония, (Al-Se, Al-Si, Al-Zr, Si-Ti, Si-Ti-Al, Si-Ti-Zr, Zr-Ti, 
Zr-Al-Ti), празеодима, родия, рутения, иридия. Сорбент оксидов азота готовится в виде смеси из частиц размером 0,001…0,2 мкм, содержит Na2O (0,1%),
MgO (1%), Fe2O3 (10…30%), SrO (0,5…15%), Y2O3 (5%), BaO (0,5…15%), Al2O3. Состав наносится на носитель, имеющий пористую металлическую или керамическую основу [36].
     При этом, в технологической цепи присутствуют операции получения носителя, приготовления состава покрытия поверхности носителя и нанесения на поверхность. Данную технологию нельзя отнести к малоэнергоемким, безотходным, а использование Ce и Th делает материал дорогостоящим.
     Фирмой «Rhodia Electronics and Catalysis SAS» (Франция) в качестве носителей используются композиты из оксидов церия, титана, циркония и редкоземельных металлов, а в качестве катализатора – платина. Второй вариант, используемый этой фирмой, содержит платину, калий, натрий или барий, марганец, оксиды церия, тербия, гадолиния, европия, самария, неодима или празеодима на носителе из оксида алюминия с удельной поверхностью более 20 м2/г [заявка Франции № 2850881].
     Фильтры-нейтрализаторы, разработанные фирмой «Rhodia Electronics and Catalysis SAS» обеспечивают очистку отработавших газов в соответствии с требованиями ЕВРО 5. Однако, безутилизационное включение в состав каталитических материалов Ce, Pt, Tb, Gd, Eu, Nd, Sm, Pr даже в малых количествах делает очистку газов высокозатратной. Учитывая, что методы получения РЗМ сложны, ресурсы ограничены, следует вести поиск путей использования других материалов [13].
     Двухслойное покрытие носителей катализатором предложено фирмой "DaihatsuMotorCo., Ltd" (Япония). Первый слой наносится на жаростойкую поверхность носителя и содержит сложные оксиды циркония и церия, а также платину и родий. Второй слой из оксидов Al и Ce содержит палладий.
     Фирмой "CatalerCorporation" также предложено многослойное покрытие носителей каталитических блоков. Предполагается наличие в покрытии Rh не менее 0,8 г/л объема носителя, а также Pt и Pd, кордиерита и других материалов на пористом носителе из керамики с изотропной или анизотропной структурой [48].
     Специалистами фирмы HJS изготовлены фильтрующие материалы методом порошковой металлургии, имеющие микропористую структуру [38].
     Фирмой "Toyota Jidosha K.K." в состав керамического фильтра введены золотоатталкивающие элементы: Li, Na, K, Pb, Cz, Sr, Ba. Фирмой "Ibiden Co., Ltd" (Япония) создан ячеистый материал [39], изготовленный на основе SiC для изготовления матриц нейтрализаторов (Патент США №6565630). Ячеистый кордиеритный материал с низким тепловым расширением для каталитических блоков нейтрализаторов создан фирмой "Corning Inc." (США) [Патент США 
№ 6214437].
     Отмечается использование пористого проницаемого пенометалла с керамическими покрытиями поверхностей пор.  Фирмой "Mercedes-Benz" (Германия) в нейтрализаторах используются пенометаллы, в том числе, из сплава монеля [40]. 
     Материалы для сажевых фильтров фирмы "CaterpillarInc." (США) содержат оксид алюминия и композиты оксидов, содержащие в качестве главного компонента цезий, а также другие редкоземельные и щелочноземельные металлы. К оксиду алюминия и композиту оксидов добавляют платину [36 ].
     При создании материалов для сажевых фильтров фирмой «Toyota Jidosha K.K.» (Япония) были выбраны металлы, обладающие свойствами электрического отталкивания по отношению к кальцию, содержащемуся в твердых частицах (продуктах сгорания топлив и масел). В качестве таких металлов определены литий, натрий, калий, рубидий, цезий, стронций и барий [41].
     Фирма «DaimlerChryslerAG» (Германия) разработала покрытие носителей катализаторами, обеспечивающие макро- и микроструктуру с порами 10…100 мкм и уменьшение размеров пор от поверхности в глубину в целях увеличения активной поверхности пор в слое [48].
     Технология фирмы «CorningGlass» (США) получения монолитных керамических фильтров из кордиерита с размерами пор dп = 0,5…70 мкм и удельной поверхностью 100…120 м2/г обеспечивает допустимую температуру поверхности 1300…1400 ?С. Этой же фирмой создан сажевый фильтр оригинальной системой каналов «Duratrap Advanced Cordierit» [151].
     В целях снижения расхода благородных металлов для каталитических покрытий фирма "Honda Giken KogyoK.K." (Япония) предлагает использование перовскита - минерала, содержащего сложные оксиды редкоземельных металлов 
[42].
     Фирма "International Catalyst Technology Co. Ltd" создала катализатор, состоящий из тугоплавкой трехмерной структуры, покрытой каталитически активным компонентом. Оксид циркония, содержащий церий и лантан имеет тетрагональную кристаллическую решетку оксида циркония. Весовые отношения в нем церия (в пересчете на СeO2) к цирконию  в пересчете на ZrO2) составляет от 1:8 до 1:1, а лантана (в пересчете La2O3) к цирконию (в пересчете на ZrO2) находится в пределах 1:1,5 до 1:60. 
     Использование РЗМ (церия, тория, лантана и др.) не представляется экономически целесообразным. Поэтому есть необходимость в поиске других материалов для систем каталитической очистки газов [43].
     
     
1.3. Использование материалов, не включающих в свой состав редкоземельные металлы
     
     Томским государственным политехническим университетом и институтом катализа СО РАН проведены работы по получению пористой фильтрующей керамики из силикатного сырья Сибири [20]. Использованная волластенит содержащая порода содержала 64,8 % волластенита и 26,6 % диоксида кремния с 3,8 % кварца, 3,5 % кальценита и 1,3 % магнезита. Создание и регулирование строения порового пространства в материале происходит при добавлении выгорающей добавки - лигнина. Разработанная пористая керамика на основе волластонитовых и цеолитовых пород имеет пористость 30-40 % и размер пор от 80…100 до 20…40 мкм.
     В Казанском государственном технологическом университете создан катализатор для очистки газообразных выбросов от оксида углерода. Он содержит следующие компоненты в процентах по массе: оксид хрома – 41,0…58,0%; оксид железа – 25…31%; оксид цинка – 16,5…27,5%; оксид кремния – 0,3…0,4%; оксид кобальта – 0,1…0,2% (Патент России № 2211728).
     В Саратовском государственном университете проведены физико-химические исследования многокомпонентной алюмо-никель-медной системы, не содержащей благородных металлов и отличающейся высокой активностью в процессе очистки газов от оксида углерода и оксидов азота. Материал катализатора получен в условиях электрогидравлического удара [45].
     Обращает на себя внимание тот факт, что в основу получения новых каталитических материалов  автора закладывают технологии, разработанные в тех организациях, где они работают. В тоже самое время опускаются вопросы материаловедения: формирование структуры и эксплуатационных свойств материалов, строения, получения и применения материалов, свойств материалов, эксплуатационных свойств.
     Отсутствие цепи от сырьевой базы до утилизации изделий приводит к тому, что при изготовлении пористых проницаемых каталитических материалов необоснованно используется энергоемкие технологии, дорогостоящие благородные и редкоземельные металлы. Попытки состоят только в использовании готовых технологий, оборудования, производств.
     Процесс, открытый академиком А.Г. Мержановым [77] и его научной школой, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, является эффективной основой для получения продуктов различных классов, в том числе композиционных материалов для носителей катализаторов с заданными свойствами [13].Большой вклад в развитие СВС внесли работы Ю.М. Максимова [46]. Получение пористых проницаемых композиционных носителей получило дальнейшее развитие в научной школе В.В. Евстигнеева [47] и в настоящей работе. Фильтры, полученные с применением СВС-технологии, обладают преимуществами пористых керамических фильтров, но более технологичны. Технология их изготовления является безотходной, ресурсосберегающей. В производстве используется окалина легированной стали - отходы, не перерабатываемые на производствах [48].
     Пористые проницаемые блоки для фильтров отработавших газов в составе отработавших газов дизелей имеют каркасную структуру определенной степени упорядоченности, и их основные параметры регулируются составом шихты и технологическими процессами ее подготовки и горения.
     Концепция обобщенной технологии производства СВС-материалов развита В.В. Евстигнеевым, Б.М. Вольпе, Д.А. Гарколь [47]и основана на том, что после прохождения синтеза образуется готовое изделие из отходов производства: оксидов железа, меди, чугуна, алюминия и др.
     С другой стороны, не определены зависимости некоторых физико-механических свойств от пористости материала и других факторов, влияющих на эксплуатационные свойства сажевых фильтров.
     Опыт применения для очистки горячих газов пористой керамики в России незначителен и в основном ограничивается испытанием опытных образцов из порошков [49]. В то же время мировой опыт показывает, что использование пористых проницаемых керамических материалов для изготовления фильтрующих элементов систем очистки горячих газов перспективно.
     Фильтрующие элементы из пористой проницаемой керамики имеют ряд преимуществ перед фильтрами из других материалов [50]:
     - высокая температура эксплуатации и термостойкость [51];
     - повышенная эрозийная и коррозионная стойкость [20];
     - стойкость к вибрационным и акустическим нагрузкам;
     - возможность проведения одновременной очистки газа от твердых частиц и оксидов азота [19];
     - пористые проницаемые керамические материалы, которые могут быть использованы для изготовления фильтрующих элементов, - особый класс керамических материалов с искусственно создаваемой специальными технологическими приемами повышенной проницаемой пористостью, а также регулируемым размером пор и распределением их по размерам.
     Для изготовления пористых материалов для каталитических блоков обычно применяются сферические и несферические порошки металлов и сплавов и металлические волокна. Порошки со сферической формой частиц изготавливают методом распыления расплавленного металла, их применение обеспечивает наиболее высокие показатели по проницаемости пористых перегородок. Применение несферических порошков с развитой поверхностью обеспечивает более высокую степень очистки и более высокую механическую прочность тела фильтров.


1.4.Пористые проницаемые металлокерамические фильтрующие материалы, полученные с использованием процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза
     
     
     Разработка современной техники ДВС тесно связана с разработкой в качестве фильтров-нейтрализаторов новых пористых металлокерамических материалов, которые составляют основу различных устройств и агрегатов. Применение керамики обосновано ее особыми физико-химическими характеристиками, где сочетаются высокая прочность, термическая и химическая стойкость, стабильность свойств. Многообразие конструкционных решений и условий эксплуатации ПММ предполагает наличие разных типов материалов этого класса, ориентированных на оптимальное с технической и экономической точек зрения использование их для конкретных задач.
     Существующие в настоящее время методы получения ПММ являются далекими от совершенства. Они характеризуются значительными энергетическими и материальными затратами, а также малой производительностью. Открытый академиком Мержановым А.Г. и Боровинской И.П. процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и создание на его основе технологии позволили разработать новый класс ПММ. Большой вклад в развитие СВС-технологии внесли школы профессоров Левашова Е.А., Максимова Ю.М., Амосова А.П. и Юхвида В.И.
     Отличительной особенностью СВС как физико-химического процесса, определяющего структуру получаемых продуктов, заключается в потенциале, которым обладает СВС как технологический подход, обеспечивающий возможность получения целого ряда продуктов с уникальными комплексами эксплуатационных свойств. Эти предпосылки позволяют использовать экономичную и простую технологию получения пористых изделий.
     Исследователи процесса СВС [31, 53] подчеркивают уникальность условий самого процесса и, прежде всего, высокие градиенты температур во фронте волны горения (102–105 Кс–1) и малые характерные времена (10–2 с) развития процессов. При этом составной частью макрокинетики являются процессы массо- и теплопереноса.
     Типичная порошковая СВС-система в исходном состоянии представляет собой пористую гетерогенную среду с масштабом гетерогенности ~ 1-100 мкм. Из этого следует, что при описании, например, процессов теплопередачи в волне СВС необходимо учитывать особенности теплопереноса в пористых средах [42, 74]. Прежде всего, такие среды отличаются многообразием механизмов теплопередачи, включая кондуктивные (твердо- и газофазные) [35], конвективные и лучистые (радиационные) [25, 56–58]. Последнее может быть важным для высокотемпературных (2000-4000 К) СВС-систем [68]. Лучистый теплоперенос тесно связан с особенностями распространения излучения в порошковой среде [54]. Проблема усложняется, так как микроструктурные характеристики среды в ходе процесса горения могут меняться в широких пределах, например, от исходной твердофазной с относительной пористостью 50% до жидкофазной и безпористой во фронте волны [55], что может приводить к смене управляющего механизма теплопереноса.
     Существенным для СВС-процесса является то, что в конечном итоге не управление температурой и скоростью волны горения, а также ее удельным импульсом (что важно, например, при горении твердых топлив), а получение микроструктуры конечного продукта, определяющей его свойства, является целью процесса [21, 23, 68].
     Создание промышленных пористых материалов изготовленных методом СВС являлось следствием исследований научных школ Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (ИСМАН), Московского государственного института стали и сплавов (технологический университет), Самарского государственного технического университета, Сибирского отделения ИСМАН (г. Томск) и АлтГТУ (г. Барнаул).
     В качестве сырья для изготовления пористых материалов фильтрового назначения применяются сферические и несферические порошки металлов и сплавов и металлические волокна. Порошки со сферической формой частиц изготавливают методом распыления расплавленного металла, их применение обеспечивает наиболее высокие показатели по проницаемости пористых перегородок. Применение несферических порошков с развитой поверхностью обеспечивает более высокую механическую прочность тела фильтров.
     Главные этапы операции изготовления пористых материалов – подготовка шихты, формирование будущего изделия и спекание. Обычно первой операцией подготовки исходного сырья является отжиг порошков или волокон в восстановительных средах  (водород, конвертированный, вакуум) для удаления оксидов или других загрязнений. Однако эта операция не во всех случаях обязательна, так как высокая пористость изготавливаемых материалов обеспечивает протекание восстановительных реакций непосредственно при спекании в результате легкого проникновения восстановительных газов сквозь толщу изделия.
     Равномерность пористости во всех частях изделий большое значение имеет равномерность фракционного состава применяемого порошка. Поэтому исходные порошки обычно подвергают рассеву на фракции, отбирая для изготовления изделий ту фракцию, которая обеспечивает получение заданного размера пор и, следовательно, заданных проницаемости фильтра и его очистительной способности.
     Отработавшие газы ДВС в виде дисперсного потока в объеме фильтрующего материала многократно дробятся на мелкие струйки, непрерывно они смыкаются, обтекая эти элементы, что способствует приближению частиц к поверхности элементов и их осаждению. Процесс фильтрации характеризуется взаимодействием взвешенных частиц дисперсной среды ОГ с элементами пористого материала.
     Частицы, улавливаемые в фильтрах, накапливаются в порах или образуют слой осадка на поверхности перегородки. По мере накопления частиц размер пор и общая пористость фильтров неизбежно уменьшается, а сопротивление движению газов возрастает, поэтому в определенный момент появляется необходимость разрушения и удаления слоя осадка (для снижения перепада давления и сохранения начальной скорости фильтрации).
     Иногда требуется замена забитого твердыми частицами фильтра или переснаряжение его новыми фильтрующими материалами. Таким образом, процесс фильтрации в большинстве случаев предусматривает периодическую регенерацию фильтров [23].
     Основными технологическими свойствами пористых проницаемых материалов являются проницаемость по газу или жидкость и тонкость очистки. Эти свойства определяются пористостью и размером пор, а также толщиной самой фильтрующей перегородки. В зависимости от диаметра исходных порошков и условий изготовления, величина пор и пористость изменяются в широких пределах:
     Диаметр пор      0,5-200 мкм
     Плотность          4800-6000 кг/м3
     При увеличении размеров пор примерно в 10 раз, проницаемость возрастает в 50 раз. Так как на жесткой поверхности образуется однородный слой осадка, то эффективность улавливания в этих фильтрах, даже субмикронных частиц, очень высокая.
     Благодаря широкому спектру характеристик фильтрующих элементов из пористой металлокерамики, можно легко подобрать тот или иной ее тип для очистки загрязненной среды в соответствии с режимом работы и способом регенерации фильтра.
     Основные параметры, определяющие качество пористых металлокерамических перегородок контролируются. К этим качествам относится общая пористость (плотность), проницаемость по воздуху, размер пор, тонкость фильтрации и прочности.
     Общую пористость определяют по объему фильтра и его массе в сравнении с плотностью безпористого материала.
     Проницаемость (производительность) фильтра q определяется по количеству протекающего через фильтр в единицу времени газа или жидкости, подаваемых под определенным давлением и выражают в л/(мин ? см2):

q = V / (Fx?),					(1.1)
     
     где V(л)– количество профильтрованной жидкости или газа за время ? (мин) при площади фильтрации F см2.
     
     Коэффициент проницаемости пористых тел зависит от пористости, формы и размера частиц порошка, из которого изготовлена пористая перегородка, состояния поверхности пор. Равномерность проницаемости по площади пористой перегородки зависит от равномерности распределения пор. Для оценки этого показателя из различных участков перегородки вырезают контрольные образцы или проводят промывку (продувку) пористого образца в различных участках с помощью специального приспособления, позволяющего определить местный расход жидкости или газа.
     Наиболее распространенным методом измерения размера пор является метод максимального давления газовых пузырьков. Он основан на измерении давления, необходимого для обеспечения проникновения пузырьков газа через пористую перегородку, предварительно пропитанную жидкостью, величина поверхностного натяжения которого известна. Жидкость удерживается в порах силами поверхностного натяжения, поэтому для удаления ее из пор, необходимо приложить некоторое давление.
     Радиус пор определяют из выражения:
         
					(1.2)
         
     где ?ж – поверхностное натяжение, Па; ? – краевой угол, град, P – давление газа, Па.

     Получение СВС-материалов из составных элементов являются реакциями экзотермичными [3–5]. Различают две основные формы экзотермических превращений – в режиме теплового взрыва и в режиме послойного горения [5, 7]. Режим теплового взрыва характеризуется протеканием реакции во всем объеме реакционной системы при достижении критических условий [5, 7]. В режиме горения химическая реакция после ее локального инициирования самопроизвольно перемещается по веществу в виде узкой зоны.
     При определении условий горения реализуют два подхода – термодинамический и макрокинетический. Макрокинетический подход основан на детальном рассмотрении механизма процесса с учетом всей совокупности физико-химических факторов. Этот подход [2] дает ответ на вопрос о возможности синтеза и реальных путей его проведения, но он связан с очень большими трудностями описания реальных систем. При термодинамическом подходе удается рассчитать адиабатическую температуру горения [5, 12].
     Многие смеси оксидов металлов с восстановителем и неметаллом способны гореть. Продуктами их горения являются карбиды, простые и композиционные окислы, твердые сплавы. Для смесей, у которых тепловой эффект более 4,5 кДж/г, температура горения превышает температуру плавления продуктов горения, и поэтому после кристаллизации они получаются в литом виде. Химическую схему получения литых тугоплавких соединений и твердых сплавов можно представить в виде:
     
	(1.3)

     где Ai – исходные окислы (WO3, CrO3, TiO2, NiO, MoO3, FeO, CuO  и другие);
     Bi – металлы-восстановител.......................