JPH03232779A - 多孔質炭化珪素焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は多孔質炭化珪素焼結体の製造方法に関する。

［従来の技術及び発明が解決しようとする課題］例えば
、ディーゼルエンジン等の内燃機関における排気ガス浄
化装置においては、排気ガス中のカーボン煤等を濾過す
ると共に、これらを酸化分解する触媒を担持するために
、ハニカム状に形成されたフィルターが設けられている
。昨今ではこのフィルターの構成材料として、耐熱性及
び熱伝導性等に優れた多孔質炭化珪素焼結体が利用され
ている。

従来、このような目的に使用される多孔質炭化珪素焼結
体は、炭化珪素微粒子のパウダーに有機樹脂バインダー
及び可塑剤等を配合してなる原料スラリーを押し出し成
形し、この成形体を２１００〜２２００℃の温度で焼成
することにより、炭化珪素微粒子を粒成長させて結晶長
が１００μｍ前後と粗大な板状結晶を生成させ、これら
を互いに焼結させることにより製造されていた。この板
状の結晶組織を有する多孔質体は、気孔径が１５〜２５
μｍ１気孔率が４５〜５５％であり、このように比較的
大きな気孔が多数確保されたものとすることにより、排
ガスフィルターとして使用した場合の圧力損失（又は排
気抵抗）を低く抑えていた。しかし、この多孔質炭化珪
素焼結体は粗大な板状結晶のみからなり、結晶間の結合
点が少ないために機械的強度が極めて低く、取扱いの際
の振動等によって板状結晶が脱落したり、場合によって
はフィルターが崩壊するという問題を有していた。

一方、フィルター用多孔質体の強度を向上させる方法と
しては、前記成形体を１９００〜２０００℃の温度で焼
成し、炭化珪素微粒子の粒成長を適度に抑制して粒状結
晶を生成させ、これらを互いに焼結させることにより、
結晶間の結合点が多い粒状の結晶組織を有する多孔質体
を形成する方法がある。しかし、この多孔質体は、機械
的強度に優れるものの、その気孔径が非常に小さいため
、圧力損失が過大となり、排ガスフィルターとして使用
できないという問題があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであ
り、その目的は、通気性に優れると共に、機械的強度に
も優れ、圧力損失の少ないフィルターとして好適な多孔
質炭化珪素焼結体を、簡便かつ確実に製造することので
きる製造方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段及び作用］上記課題を解決
するために本発明においては、粒子表面に予め炭素質物
質を付着させた炭化珪素粒子を含む原料からなる成形体
を焼成することにより、多孔質炭化珪素焼結体を製造し
ている。

この方法によれば、予め炭素質物質を付着させた炭化珪
素粒子と炭素質物質を付着させていない炭化珪素粒子と
は、その接触部（粒界）において炭素質物質が介在され
ることになる。そのため、焼成時において、炭素質物質
が介在された炭化珪素粒子間の粒成長は、炭素質物質に
よっである程度抑制され、このような炭化珪素粒子によ
り比較的微細な粒状結晶が生成される。これに対し、炭
素質物質を付着させていない炭化珪素粒子の粒界におい
ては、炭素質物質によって粒成長が抑制されないため、
比較的粗大な板状結晶が生成される。

それ故、上記成形体を焼成することにより、比較的微細
な粒状結晶と比較的粗大な板状結晶とが混在した状態で
、それらが互いに焼結された多孔質焼結体が得られる。

この多孔質焼結体の結晶組織は、第１図に示す如きもの
と考えられ、粗大な板状結晶が焼結体の主骨格を形成し
て、それらの間隙に比較的大きな気孔が確保される。ま
た、微細な粒状結晶が板状結晶同士を連結する位置にて
焼結され、あるいは板状結晶同士の結合部周辺にて焼結
されて、板状結晶間の結合点を多くし、これにより板状
結晶間の結合が補強され、多孔質焼結体としての機械的
強度が向上する。

このような多孔質炭化珪素焼結体をハニカム構造体とす
ることは好ましく、このハニカム構造体は流体の濾過抵
抗が少なく、しかも耐熱性、熱伝導性及び機械的強度に
優れたフィルターとして使用することができ、特に内燃
機関における排気ガス浄化装置の多孔性フィルターとし
て極めて好適である。

本発明の原料粉末には、成形用バインダー及び必要に応
じて分散溶媒が配合されてスラリー状とされ、これを所
望形状の成形体に成形した後、焼成することにより多孔
質炭化珪素焼結体が製造されるものである。

前記原料粉末中の炭化珪素粒子としては、α型又はβ型
の炭化珪素粒子が使用され、その平均粒径は焼結によっ
て得られる多孔質体において所望の気孔径を実現するた
めに任意に選定される。但し、平均粒径が３μｍを超え
る場合、得られた多孔質体の機械的強度を著しく低下さ
せるため、般には３μｍ以下のものを使用することが望
ましい。

前記原料粉末に含まれる炭素質物質としては、焼成温度
において炭素の状態で存在するものであれば使用するこ
とができ、例えば、フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリ
ビニルアルコール、コールタールピッチ、パルプのよう
な各種有機物質、あるいはカーボンブラック、アセチレ
ンブラックのような熱分解炭素を使用することができる
。

炭素質物質はその形態に応じ、固形粉体のまま、あるい
は液体のまま使用されるが、必要に応じ、その炭素質物
質を溶解あるいは分散する適当な有機溶媒を併用するこ
とにより、取扱い易い粘度を有する液状物として使用し
てもよい。

また、炭化珪素粒子の表面に炭素質物質を付着させる場
合、気相中に浮遊する炭化珪素粉末中に、液状の炭素質
物質を噴霧することにより付着させることが好ましい。

ここで、炭化珪素粉末を気相中に浮遊させる方法として
は、例えば高速回転可能な攪拌羽根を備えた攪拌槽内に
、攪拌羽根の高速回転中に炭化珪素粉末を投入すること
により、炭化珪素粒子を攪拌槽内に浮遊させる方法があ
げられ、この方法によれば、簡便かつ確実に炭化珪素粒
子を気相中に浮遊させることができる。また、液状の炭
素質物質を噴霧させる方法としては、例えば、加圧タン
クを備えた一流体ノズルや、高圧空気による吸引を利用
した二流体ノズルを介して噴霧させる方法があげられる
。

液状の炭素質物質を使用することにより、炭素質物質は
霧状の微小液滴として、炭化珪素粒子が浮遊された気相
中に拡散される。そして、炭素質物質の微小液滴が炭化
珪素粒子に付着すると、該微小液滴は粒子表面に展開し
、粒子表面が炭素質物質によって均一に被覆される。

また、前記原料粉末中において、粒子表面に炭素質物質
を付着させた炭化珪素粒子と付着させていない炭化珪素
粒子との配合比は２／８〜４／６の範囲であることが好
ましい。この配合比が２／８より小さくなって粒子表面
に炭素質物質を付着させた炭化珪素粒子か相対的に少な
くなると、炭素質物質による原料炭化珪素粒子の粒成長
抑制が不十分となり、粗大な板状結晶が多量に生成され
る一方、粒状結晶が少なくなるため、板状結晶間の結合
点が少なくなり、焼結体の機械的強度が低下する。

一方、前記比率が４／６より大きくなって粒子表面に炭
素質物質を付着させた炭化珪素粒子が相対的に多くなっ
ても、炭素質物質による原料炭化珪素粒子の粒成長抑制
の作用に大きな変化はないが、焼成後に多孔質体中に残
留する炭素質物質の量が多くなって各結晶間の結合力を
低下させ、多孔質体の機械的強度を低下させる。また、
多量の残留炭素は、多孔質体の耐酸化性を低下させ、排
ガスフィルターとしての適性を阻害する。

前記成形用バインダーとしては、メチルセルロース、カ
ルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロー
ス等があげられる。

尚、これら成形用バインダーは、焼成温度に至るまでの
昇温中に分解して微細な炭素質へと変化するが、炭化珪
素粒子の大きさに比較して非常に小さなものとなるため
、粒子表面を被覆する効果がなく、前述した炭素質物質
のような粒成長抑制作用を発揮できない。

前記原料粉末に配合される分散溶媒としては、ベンゼン
等の有機溶剤、メタノール等のアルコール、水等が使用
でき、その配合量は原料スラリーの粘度に応じて調整さ
れる。

前記原料スラリーは、アトライター等で混合された後、
ニーダ−等で充分に混練して調製され、押し出し成形又
は射出成形によって所望形状の成形体に成形される。

前記成形体は不活性雰囲気中で、１９００〜２２００℃
の温度にて焼成されることが望ましい。

この焼成温度が１９００℃未満では、炭化珪素微粒子の
粒成長速度が極めて遅く、粒子間の接触部位における焼
結が不十分となって強度に優れた焼結体が得られない。

一方、焼成温度が２２００℃を超えると、炭化珪素粒子
が異常に粒成長して、粒子間の空隙の一部が閉塞されて
気孔径が不均一になり、焼結体の機械的強度も低くなる
。

このようにして得られた炭化珪素焼結体は、板状結晶と
粒状結晶とが混在する結晶組織から構成され、その気孔
率は４５〜５５％、平均気孔径は１５〜２５μｍと比較
的大きく、しかも機械的強度に優れた多孔質体となる。

［実施例並びに比較例１及び２］ 以下に、本発明を内燃機関の排気ガス浄化装置に使用す
るフィルターに具体化した一実施例を比較例１及び２と
対比させて説明する。尚、このフィルターは円柱形状で
その軸方向に多数の貫通孔が形成されたハニカム構造体
であり、その直径は１４０　ｍｍ、長さは１４０　ｍｍ
、貫通孔を形成する隔壁の厚みは０．３ｍｍ、貫通孔数
は１７０個／平方インチである。

（実施例） 〈炭素質物質を付着させた炭化珪素粒子の調製〉平均粒
径が０．３μｍのβ型炭化珪素粉末２　ｋｇを高速攪拌
機に装入し、９００　ｒｐｍにて攪拌して炭化珪素粉末
を攪拌槽内に分散させた。ここへ、加熱されたコールタ
ールピッチ０．２ｋｇを加圧噴霧装置を使用して噴霧し
、３０分間攪拌を行い、炭化珪素粒子表面に炭素質物質
を付着させた。

〈多孔質炭化珪素焼結体の製造〉 上記炭素質物質を付着させた炭化珪素粒子１００重量部
に、炭素質物質を付着させていない平均粒径が０．３μ
ｍのβ型炭化珪素粒子２００重量部を配合して均一に混
合し、更にここへメチルセルロース１２重量部、及び水
８０重量部を配合して均一に混合し、原料スラリーを調
製した。そして、このスラリーを押し出し成形機に充填
し、押し出し速度２ｃｍ／ｍｉｎ、にて上記ハニカム状
成形体を成形し、熱風乾燥を施した。

この成形体をアルゴンガス雰囲気下、昇温速度５°Ｃ／
ｍｉｎ、にて加熱を開始し、２０００℃にて４時間焼成
を施し、ハニカム状の多孔質炭化珪素焼結体を作製した
。

この焼結体の一部を切り出し、水銀圧入法による平均気
孔径、気孔率、三点曲げ強度を測定すると共に、フィル
ターとして使用した場合の圧力損失を測定した。その結
果を表−１に示す。

尚、上記圧力損失は、このハニカム構造体に対し、２ｒ
ｎ”／ｍｉｎ、でエアーを流通させたときの入口側と出
口側の空気圧の差の大小によって評価される。

（比較例１） 前記実施例において調製した炭素質物質を付着させた炭
化珪素粒子１００重量部に、前記実施例において使用し
た炭素質物質を付着させていない炭化珪素粒子（平均粒
径０．３μｍ）５００重量部を配合して均一に混合し、
更にここへメチルセルロース２４重量部、及び水１２０
重量部を配合して均一に混合し、原料スラリーを調製し
た。そして、前記実施例と同様にして成形及び焼成を施
し、ハニカム状の多孔質炭化珪素焼結体を作製した。

更に、この焼結体について前記実施例と同様にして各種
物性を測定した。その結果を表−１に示す。

（比較例２） 前記実施例において調製した炭素質物質を付着させた炭
化珪素粒子１００重量部に、前記実施例において使用し
た炭素質物質を付着させていない炭化珪素粒子（平均粒
径０．３μｍ）１００重量部を配合して均一に混合し、
更にここへメチルセルロース８重量部、及び水４０重量
部を配合して均一に混合し、原料スラリーを調製した。

そして、前記実施例と同様にして成形及び焼成を施し、
ハニカム状の多孔質炭化珪素焼結体を作製した。

更に、この焼結体について前記実施例と同様にして各種
物性を測定した。その結果を表−１に示す。

表− １ （結果の考察） 表−１かられかるように、実施例の条件にて作製された
ハニカム構造体は、従来のものに比べ通気性及び機械的
強度の双方の特性に優れ、いずれの特性をも犠牲にする
ことがな（、排気ガス浄化装置のフィルターとして要求
される性能を十分に満たすものである。

これに対し、炭素質物質を付着させた炭化珪素粒子と炭
素質物質を付着させていない炭化珪素粒子との好適配合
比２／８〜４／６の範囲を外れた比較例１　（１１５）
及び比較例２　（５１５）のハニカム構造体は、実施例
のものより圧力損失が少なく通気性には優れるが、三点
曲げ強度が実施例の半分以下と低く機械的強度に劣る。

この点で、フィルターとして使用した場合に要求される
耐久性を十分に満たすことができない。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、通気性に優れると
共に、機械的強度にも優れ、圧力損失の少ないフィルタ
ーとして好適な多孔質炭化珪素焼結体を、簡便かつ確実
に製造することができるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の多孔質炭化珪素焼結体の結晶組織を概
念的に示す説明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　粒子表面に予め炭素質物質を付着させた炭化珪素粒
   子を含む原料からなる成形体を焼成することを特徴とす
   る多孔質炭化珪素焼結体の製造方法。 ２　原料中において、粒子表面に炭素質物質を付着させ
   た炭化珪素粒子と付着させていない炭化珪素粒子との配
   合比は２／８〜４／６の範囲であることを特徴とする請
   求項１記載の多孔質炭化珪素焼結体の製造方法。 ３　炭化珪素粒子表面の炭素質物質は、気相中に浮遊す
   る炭化珪素粉末中に、液状の炭素質物質を噴霧すること
   により付着させたものであることを特徴とする請求項１
   又は２記載の多孔質炭化珪素焼結体の製造方法。 ４　前記多孔質炭化珪素焼結体はハニカム構造体である
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載
   の多孔質炭化珪素焼結体の製造方法。