PL214868B1

PL214868B1 - Porowata ksztaltka z weglika krzemu i sposób jej wytwarzania

Info

Publication number: PL214868B1
Application number: PL377069A
Authority: PL
Inventors: Masahiro Furukawa; Nobuyuki Tanahashi; Kenji Morimoto; Shinji Kawasaki
Original assignee: Ngk Insulators Ltd
Priority date: 2002-11-20
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2013-09-30
Also published as: US7244685B2; JP4426459B2; WO2004046063A1; EP1568669A4; PL377069A1; EP1568669B1; JPWO2004046063A1; US20060029768A1; AU2003284416A1; KR100649476B1; EP1568669A1; KR20050083959A

Description

Opis wynalazku

Przedmiotowy wynalazek dotyczy porowatej kształtki z węglika krzemu oraz sposobu wytwarzania takiej kształtki Dokładniej, przedmiotowy wynalazek dotyczy porowatej kształtki z węglika krzemu, która ma dużą wytrzymałość mechaniczną i korzystnie nadaje się przykładowo do stosowania jako materiał na filtr, nośnik katalizatora itp. do oczyszczania spalin samochodowych, oraz sposobu jej wytwarzania.

Porowata struktura komórkowa podobna do plastra miodu jest szeroko stosowana jako filtr (filtr cząstek stałych zawartych w spalinach z silnika wysokoprężnego) do zatrzymywania/usuwania cząstek stałych zawartych w płynie zawierającym sadzę, takim jak spaliny z silnika wysokoprężnego, albo jako nośnik katalizatora do usuwania trujących substancji zawartych w spalinach. Taka struktura komórkowa podobna do plastra miodu zawiera: przegrody międzykomórkowe (żeberka), tworzące kształtkę złożoną z wielu sąsiednich komórek; oraz zewnętrzną ściankę takiej struktury komórkowej, która otacza i podtrzymuje zewnętrzne komórki usytuowane na obrzeżu takiej kształtki złożonej z komórek. Porowata kształtka z węglika krzemu, wykorzystująca ogniotrwałe cząstki z węglika krzemu, jako kruszywo jest stosowana, jako materiał tworzący taką strukturę.

Jako struktura komórkowa podobna do plastra miodu opisana została przykładowo struktura komórkowa podobna do plastra miodu w porowatym nośniku katalizatora, wykonanym z węglika krzemu i otrzymana przez zastosowanie, jako materiału wyjściowego węglika krzemu o określonym właściwym polu powierzchni zawierającego zanieczyszczenia. Materiałowi takiemu nadaje się żądany kształt, suszy się go, a następnie wypala w temperaturze 1600-2200°C (patrz np. opis zgłoszenia patentowego JP-6-182228).

W spiekanej konfiguracji (szyjkowanie) na skutek reakcji rekrystalizacji cząstek węglika krzemu w nośniku katalizatora, opisanym w opisie zgłoszenia patentowego JP-6-182228, składniki węglika krzemu parują z powierzchni cząstek węglika krzemu i skraplają się na każdej części stykowej (część szyjkowa) pomiędzy cząstkami, przy czym przez wzrost takich części szyjkowych uzyskuje się odpowiednio stan spojony. Jednakże, ponieważ do odparowania węglika krzemu potrzebna jest bardzo wysoka temperatura wypalania, powoduje to zwiększenie kosztu. Ponadto, ponieważ materiał o dużym współczynniku rozszerzalności cieplnej trzeba wypalać w wysokiej temperaturze, wadą jest to, że wydajność po wypalaniu maleje.

Ponadto, w celu wytworzenia filtra o dużej porowatości, zwłaszcza filtra o porowatości co najmniej 50%, przez opisane powyżej spiekanie przy reakcji rekrystalizacji samych cząstek węglika krzemu mechanizm spiekania nie działa wystarczająco, na skutek czego wzrost części szyjkowych zostaje powstrzymany i maleje wytrzymałość filtra, co jest niekorzystne.

Jako konwencjonalny sposób rozwiązania tych problemów opisano porowatą strukturę komórkową podobną do plastra miodu, zawierającą cząstki ogniotrwałe, które są kruszywem, zwłaszcza węglik krzemu i metaliczny krzem oraz sposób wytwarzania takiej struktury (patrz np. opis zgłoszenia patentowego JP-2002-201082). Według tego sposobu wytwarzania porowatą strukturę komórkową podobną do plastra miodu można wytwarzać tanio przy stosunkowo niskiej temperaturze wypalania, a otrzymana porowata struktura komórkowa podobna do plastra miodu ma stosunkowo dużą porowatość oraz dużą przewodność cieplną i wytrzymałość.

Obecnie, w przypadku opisanego wyżej filtra zatrzymującego cząstki stałe ze spalin z silnika wysokoprężnego jednym z ważnych problemów jest zmniejszenie w miarę możliwości spadku ciśnienia, który ma znaczny wpływ na moc silnika. Aby rozwiązać to zagadnienie filtr do zatrzymywania cząstek stałych zawartych w spalinach z silnika wysokoprężnego musi mieć większą porowatość. Oznacza to, że jako porowaty materiał na filtr trzeba zastosować materiał o większej porowatości.

Filtr zatrzymujący cząstki stałe ze spalin z silnika wysokoprężnego wyposażony w system regeneracji, w którym katalizator utleniania jest ładowany na konwencjonalny filtr zatrzymujący cząstki stałe ze spalin z silnika wysokoprężnego (filtr do regeneracji katalizatora) i może utleniać osadzone cząstki stałe do wypalenia dla ciągłej regeneracji jest przedmiotem badań.

W szczególności w filtrze cząstek stałych zawartych w spalinach z silnika wysokoprężnego z regeneracją katalizatora trzeba zmniejszyć w miarę możliwości spadek ciśnienia filtra, a ponadto pożądane jest zwiększenie porowatości, konkretnie do co najmniej 50%, a zwłaszcza do około 70%. Jednakże, kiedy porowatość porowatej kształtki z węglika krzemu jest zwiększona, maleje odpowiednio wytrzymałość. Przy porowatości wynoszącej na przykład 60% lub więcej powstaje problem polegaPL 214 868 B1 jący na tym, że trudno jest korzystnie stosować porowatą kształtkę, jako materiał na filtr, nośnik katalizatora itp., do oczyszczania spalin samochodowych.

Przedmiotowy wynalazek został opracowany ze względu na problemy związane z opisaną powyżej konwencjonalną technologią, a jego celem jest uzyskanie porowatej kształtki z węglika krzemu o dużej wytrzymałości mechanicznej i korzystnie nadającej się do stosowania na przykład, jako materiał na filtr, nośnik katalizatora itp. do oczyszczania spalin samochodowych oraz sposób wytwarzania takiej kształtki.

Przedmiotem wynalazku jest porowata kształtka z węglika krzemu zawierająca cząstki węglika krzemu, które stanowią kruszywo, oraz metaliczny krzem będący spoiwem, spojone ze sobą tak, że zachowane są pory pomiędzy cząstkami węglika krzemu i/lub pomiędzy cząstką węglika krzemu a metalicznym krzemem, a te części porów, przy których odległość pomiędzy powierzchniami cząstek węglika krzemu lub pomiędzy powierzchniami cząstki węglika krzemu a metalicznym krzemem wśród porów jest równa lub mniejsza niż 10 μm tworzą małe części porów, charakteryzująca się tym, że porowata kształtka zawiera fazę tlenkową a stosunek masowy fazy tlenkowej zawarty jest w przedziale od 1,0 do 10,0 części masowych w odniesieniu do całkowitej masy cząstek węglika krzemu i metalicznego krzemu, przy czym bezpostaciowa faza tlenkowa zawiera tlenki krzemu, glinu i strontu SrO:AI2O3:SiO2 w stosunku molowym od 1,0:0,1:1,0 do 1,0:1,0:3,0 i jest osadzona w przynajmniej niektórych małych częściach porów, a całkowita objętość porów w części obszaru małych części porów, w której faza tlenkowa nie występuje wynosi do 20% w odniesieniu do całkowitej objętości porów w części obszaru porów, w których faza tlenkowa nie występuje, włączając małe części porów.

Korzystnie w przekroju poprzecznym porowatej kształtki z węglika krzemu, w której występuje określona część porów pochodząca z części, w której faza tlenkowa nie jest osadzona w porze, włączając małą część porów, określona część cząstki węglika krzemu pochodząca z cząstki węglika krzemu, określona część metalicznego krzemu pochodząca z metalicznego krzemu oraz określona część fazy tlenkowej pochodząca z fazy tlenkowej, zależność całkowitej długości czyli długość styku L wyrażona w mm/mm² na jednostkę pola powierzchni mm² części, z którą część cząstki węglika krzemu, część metalicznego krzemu i część fazy tlenkowej są doprowadzone do styku w tej płaszczyźnie przekroju, od porowatości ε wyrażonej w % porowatej kształtki z węglika krzemu, jest opisana według poniższego równania 1:

L > -1,0ε + 90 ... (1)

Korzystnie stosunek całkowitego pola powierzchni części, z którymi cząstka węglika krzemu i faza tlenkowa są doprowadzone do styku, jest w zakresie 10-70% w odniesieniu do całkowitego pola powierzchni części, z którymi doprowadzone są do styku cząstka węglika krzemu, metaliczny krzem i faza tlenkowa.

Korzystnie stosunek całkowitego pola powierzchni części, z którymi cząstka węglika krzemu oraz faza tlenkowa są doprowadzone do styku, jest w zakresie 25-50% w odniesieniu do całkowitego pola powierzchni części, z którymi doprowadzone są do styku cząstka węglika krzemu, metaliczny krzem oraz faza tlenkowa.

Korzystnie jest, gdy temperatury topnienia tlenków: SrO, AI2O3, SiO2 znajdują się w zakresie 1000-1400°C.

Korzystnie lepkość fazy tlenkowej w stanie roztopionym jest mniejsza niż lepkość metalicznego krzemu.

Korzystnie jest gdy stosunek masowy fazy tlenkowej wynosi 4,0-8,0 części masowych w odniesieniu do całkowitej masy cząstki węglika krzemu i metalicznego krzemu.

Kolejnym przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania porowatej kształtki z węglika krzemu zawierającej cząstki węglika krzemu, które stanowią kruszywo, oraz metaliczny krzem będący spoiwem, spojone ze sobą tak, że zachowane są pory pomiędzy cząstkami węglika krzemu i/lub pomiędzy cząstką węglika krzemu a metalicznym krzemem, a te części porów, przy których odległość pomiędzy powierzchniami cząstek węglika krzemu lub pomiędzy powierzchniami cząstki węglika krzemu a metalicznym krzemem wśród porów jest równa lub mniejsza niż 10 μm tworzą małe części porów, charakteryzujący się tym, że do cząstek węglika krzemu i metalicznego krzemu dodaje się mieszankę zawierającą stront, glin i krzem w ilości 1,0-10,0 części masowych w przeliczeniu na tlenki: SrO, AI2O3, SiO2 w odniesieniu do 100 części masowych cząstek węglika krzemu i metalicznego krzemu, koryguje się rodzaj i/lub ilość dodawanej mieszanki zawierającej stront, glin i krzem do otrzy4

PL 214 868 B1 mania tlenków strontu, glinu i krzemu SrO:AI2O3:SiO2, obecnych w bezpostaciowej fazie tlenkowej stanowiącej co najmniej część porowatej kształtki o porowatej strukturze uzyskanej przez wypalanie, w stosunku molowym od 1,0:0,1:1,0 do 1,0:1,0:3,0 do uzyskania surowca; miesza się i zgniata surowce do konsystencji gliny, formuje się kształtkę, praży się a następnie odtłuszcza się po czym wypala otrzymaną kształtkę w temperaturze wypalania zawartej w przedziale 1410°C a 1600°C.

Korzystnie sposób charakteryzuje się tym, że ilość mieszanki dodawanej do cząstek węglika krzemu i do metalicznego krzemu, a zawierającej stront, glin i krzem przeliczone na ich odpowiednie tlenki: SrO, AI2O3, SiO2, jest w zakresie 4,0-8,0 części masowych w odniesieniu do całkowitej ilości 100 części masowych cząstek węglika krzemu i metalicznego krzemu.

Krótki opis rysunków

Fig. 1 jest przekrojem przedstawiającym schematycznie jeden przykład wykonania porowatej kształtki z węglika krzemu według przedmiotowego wynalazku; fig. 2 jest wykresem długości L styku (mm/mm²) w funkcji wartości porowatości ε (%) w porowatej kształtce z węglika krzemu według przykładu realizacji wynalazku; fig. 3 jest wykonaną pod mikroskopem elektronowym fotografią porowatej kształtki z węglika krzemu z przykładu 1 według przedmiotowego wynalazku; fig. 4 jest wykonaną pod mikroskopem elektronowym fotografią porowatej kształtki z węglika krzemu z przykładu 2 według przedmiotowego wynalazku.

Porowata kształtka z węglika krzemu oraz sposób jej wytwarzania według przedmiotowego wynalazku zostaną opisane poniżej w odniesieniu do rysunków.

Przykład wykonania porowatej kształtki z węglika krzemu według przedmiotowego wynalazku zostanie opisany na podstawie fig. 1.

Fig. 1 jest przekrojem przedstawiającym schematycznie porowatą kształtkę z węglika krzemu według przedmiotowego wynalazku.

Jak pokazano na fig. 1, w porowatej kształtce 1 z węglika krzemu według przedmiotowego przykładu wykonania, cząstki 2 węglika krzemu będące kruszywem, są spojone z metalicznym krzemem 3 będącym spoiwem tak, że pory 4 są utrzymywane pomiędzy cząstkami 2 węglika krzemu i/lub pomiędzy cząstką 2 węglika krzemu a metalicznym krzemem 3, by tworzyć porowatą kształtkę 1 z węglika krzemu. Tlenkowe fazy 5 zawierające tlenki krzemu, glinu i metalu ziem alkalicznych, są osadzone w przynajmniej niektórych małych częściach 6 porów 4, wykazujących minimalną odległość 10 μm lub mniej pomiędzy powierzchniami cząstek 2 węglika krzemu, albo pomiędzy powierzchnią cząstki 2 węglika krzemu a powierzchnią metalicznego krzemu 3 wśród porów 4. Stosunek całej objętości części (objętości małych części 6 porów 4), w których żadna faza tlenkowa 5 nie jest osadzona pomiędzy małymi częściami 6 porów 4, wynosi co najwyżej 20% w odniesieniu do całej objętości (cała objętość porów) części, w których żadna faza tlenkowa 5 nie jest osadzona pomiędzy porami 4, włączając i małe części 6 porów 4.

Zwykle wytrzymałość mechaniczna zmniejsza się w porowatej kształtce, której porowatość została zwiększona, ale, jak opisano powyżej, w porowatej kształtce 1 z węglika krzemu według przedmiotowego wykonania oprócz spojenia metalicznym krzemem 3, jest osadzona tlenkowa faza 5, aby wzmocnić przez to spojenie pomiędzy cząstkami 2 węglika krzemu i/lub pomiędzy cząstkami 2 węglika krzemu a metalicznym krzemem 3. Porowata kształtka 1 jest korzystnie wykorzystywana przykładowo, jako materiał tworzący filtr, nośnik katalizatora itp. do oczyszczania spalin samochodowych. Materiał ten może być podczas wytwarzania spiekany w niskiej temperaturze wypalania, zmniejszając koszty wytwarzania, zwiększając wydajność wytwórczą.

Jak opisano powyżej, w porowatej kształtce 1 z węglika krzemu, cząstki 2 węglika krzemu, które są kruszywem, są spojone metalicznym krzemem 3, który jest spoiwem, tak, że pory 4 są zachowane pomiędzy cząstkami 2 węglika krzemu i/lub pomiędzy cząstkami 2 węglika krzemu a metalicznym krzemem 3. Wśród porów 4, części wykazujące minimalną odległość 10 ąm lub mniej pomiędzy powierzchnią cząstek 2 węglika krzemu lub pomiędzy powierzchniami cząstek 2 węglika krzemu a metalicznym krzemem 3, są małymi częściami 6 porów 4. W przedmiotowym przykładzie wykonania tlenkowe fazy 5 są osadzone w przynajmniej niektórych z małych części 6 porów 4. Należy zauważyć, że tlenkowa faza 5 może być osadzona w taki sposób, aby uszczelniać wszystkie małe części 6 porów 4.

Objętość tej części, w której żadna tlenkowa faza 5 nie jest osadzona w porze 4, włączając małą część 6 porów 4, oraz objętość części, w której jakakolwiek tlenkowa faza 5 jest osadzona w małej części 6 porów 4, może zostać obliczona na podstawie zmierzonego rozkładu średnicy porów, np. stosując porozymetr rtęciowy itp. Przekrój porowatej kształtki 1 z węglika krzemu sfotografowano

PL 214 868 B1 za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) itp. i analizowano obrazy sfotografowane w wielu przekrojach. Objętości można obliczyć, jako wartości scałkowane.

Ponadto według przedmiotowego wynalazku, jeżeli całkowita długość części, w której cząstka 2 węglika krzemu, metaliczny krzem 3 i tlenkowa faza 5 są doprowadzone do styku, na jednostkę pola powierzchni (1 mm ) jest długością L styku (mm/mm ), to porowatość ε (%) porowatej kształtki 1 z węglika krzemu oraz opisana powyżej długość L styku (mm/mm ) korzystnie spełniają następujące równanie (1):

L > -1,0ε + 90 ... (1)

Powyższe równanie (1) opisuje, wytrzymałość spojenia pomiędzy cząstkami 2 węglika krzemu dla uprzednio określonej porowatości. Kiedy porowatość ε (%) i długość L styku (mm/mm ) spełniają zależność powyższego równania (1), stwierdza się, że porowata kształtka 1 z węglika krzemu ma lepszą wytrzymałość jako materiał, z którego wykonany jest filtr spalin z silnika wysokoprężnego. P orowatą kształtkę 1 z węglika krzemu, stanowiącą próbkę, rozcina się, aby otrzymać określoną powierzchnię cięcia. W tym czasie, aby powierzchnia cięcia była równomiernie płaska, można ją odpowiednio wypolerować. Płaski obraz otrzymany przez sfotografowanie powierzchni cięcia za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) itp. przekazywany jest do kalkulatora zawierającego komputer osobisty (PC) wykorzystujący urządzenie przechwytywania obrazu, takie jak skaner. Przez określony sposób analizowania obrazu przechwycony obraz płaski jest dzielony i wyznaczany jako określona część cząstki węglika krzemu pochodząca z cząstki 2 węglika krzemu, określona część metalicznego krzemu, pochodząca z metalicznego krzemu 3, określona część fazy tlenkowej 5, pochodzącej z fazy tlenkowej 5 oraz określona część (część porów) pochodząca z części, w której żadna tlenkowa faza 5 nie jest osadzona w porze 4, włączając i małą część 6 porów 4. Przy użyciu określonego sposobu przetwarzania obrazu w odniesieniu do granicy pomiędzy wyznaczoną cząstką 2 węglika krzemu (część cząstki węglika krzemu), metalicznym krzemem 3 (część metalicznego krzemu) i tlenkową fazą 5 (część fazy tlenkowej), wyznaczana jest linia graniczna o szerokości 1 piksela, a cała długość na jednostkę pola powierzchni (1 mm ) jest przyjmowana jako długość L styku (mm/mm ).

Ponadto w przedmiotowym przykładzie wykonania stosunek całkowitego pola powierzchni części, w których cząstka 2 węglika krzemu i tlenkowa faza 5 są doprowadzone do styku, wynosi korzystnie 10-70% całego pola powierzchni części, z którymi cząstka 2 węglika krzemu, metaliczny krzem 3 i tlenkowa faza 5 są doprowadzone do styku. Kiedy stosunek pola powierzchni części, z którymi cząstka 2 węglika krzemu i tlenkowa faza 5 są doprowadzone do styku, jest mniejszy niż 10%, wówczas w pewnym przypadku wytrzymałość mechaniczna porowatej kształtki 1 z węglika krzemu nie może być wystarczająco zwiększona. Kiedy stosunek pola powierzchni części, z którą cząstka 2 węglika krzemu i tlenkowa faza 5 są doprowadzone do styku, przewyższa 70%, istnieje obawa, że cząstka 2 węglika krzemu jest doprowadzona do styku z metalicznym krzemem 3 niewystarczająco i przewodność cieplna maleje. Należy zauważyć, że całkowite pole powierzchni części, z którymi cząstka 2 węglika krzemu, metaliczny krzem 3 i tlenkowa faza 5 są doprowadzone do styku, oraz całkowite pole powierzchni części, z którymi styka się cząstka 2 węglika krzemu i tlenkowa faza 5, można obliczyć, jako wartości scałkowane. Przykładowo polerowana powierzchnia porowatej kształtki 1 z węglika krzemu fotografowana jest przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) itp., a sfotografowane obrazy w wielu przekrojach w kierunku grubości poddawane są komputerowej analizie obrazu. Długość (długość styku) linii granicznej wyznaczana jest metodą analizy obrazu podobną do metody oceny, według której ocenia się wytrzymałość spojenia pomiędzy cząstkami 2 węglika krzemu w opisanej powyżej określonej porowatości i długość ta w przybliżeniu nadaje się do użycia. Należy zauważyć, że aby otrzymać porowatą kształtkę 1 z węglika krzemu o dużej przewodności cieplnej i dużej wytrzymałości mechanicznej, stosunek całkowitego pola powierzchni części, z którymi doprowadza się do styku cząstkę 2 węglika krzemu i tlenkową fazę 5, korzystnie wynosi 25-50% w odniesieniu do całkowitego pola powierzchni części, z którymi doprowadza się do styku cząstkę 2 węglika krzemu, metaliczny krzem 3 i tlenkową fazę 5.

W przedmiotowym przykładzie realizacji jest wymagane, że tlenkowa faza 5 jest bezpostaciowa, tlenkowa faza 5 zawiera wszystkie tlenki strontu, glinu i krzemu (SrO, AI₂O₃, SiO₂), a stosunek zawartości (SrO:AI₂O₃:SiO₂) odpowiednich tlenków strontu, glinu i krzemu w fazie tlenkowej 5 wynosi od (1,0:0,1:1,0) do (1,0:1,0:3,0) stosownie do udziału każdej z substancji (stosunek molowy).

Przy takiej budowie, odpowiednie tlenki są traktowane jako system trójskładnikowy, a punkt eutektyczny jest obniżony. Podczas wypalania łatwo jest roztapiana/usuwana warstewka tlenkowa, którą

PL 214 868 B1 powleczona jest powierzchnia cząstki 2 węglika krzemu i/lub metalicznego krzemu 3, a część spojenia służąca do wzajemnego spojenia cząstek 2 węglika krzemu, może być jeszcze pogrubiona. Należy zauważyć, że warstewka tlenkowa, którą powleczona jest cząstka 2 węglika krzemu i/lub metaliczny krzem 3, wykonana jest z SiO₂ itp. Ponadto, kiedy punkt eutektyczny jest obniżony, można zmniejszyć lepkość tlenkowej fazy 5. Dlatego, tlenkową fazę 5 można osadzić w małej części 6 porów 4, w której nie można osadzić metalicznego krzemu 3, a mechaniczną wytrzymałość porowatej kształtki 1 z węglika krzemu można zwiększyć, by wspomagać spojenie pomiędzy cząstkami 2 węglika krzemu a metalicznym krzemem 3.

Kiedy stosunek ilości substancji (stosunek molowy) tlenku glinu (AI₂O₃) jest mniejszy niż 0,1 w opisanym powyżej stosunku ilości substancji (stosunek molowy), zdolność zwilżania metalicznego krzemu 3 (Si) maleje, a wzajemne spojenie pomiędzy cząstkami 2 węglika krzemu czasami słabnie. Niekiedy z tlenku strontu (SrO) i dwutlenku krzemu (SiO₂) zawartych w tlenkowej fazie 5 powstaje krzemian strontu (SrSiO₃). Ponieważ krzemian strontu łatwo topi się w kwasie octowym itp., stosowanym do przenoszenia katalizatora, gdy porowata kształtka 1 z węglika krzemu jest wykorzystywana jako nośnik katalizatora itp., występuje prawdopodobnie trudność polegająca na tym, że tlenkowa faza 5 eluuje przy przenoszeniu katalizatora i wytrzymałość maleje. Kiedy stosunek ilości substancji (stosunek molowy) tlenku (AI₂O₃) glinu przewyższa 1,0, na powierzchni metalicznego krzemu 3 powstaje trudno rozpuszczalna warstewka, a zwilżalność pomiędzy cząstką 2 węglika krzemu a metalicznym krzemem 3 ulega pogorszeniu, co powoduje zmniejszenie wytrzymałości w pewnych przypadkach. Kiedy stosunek ilości substancji (stosunek molowy) tlenku (SiO₂) krzemu jest mniejszy niż 1,0 lub większy niż 3,0, opisany powyżej punkt eutektyczny nie obniża się wystarczająco i w pewnych przypadkach nie można wystarczająco skutecznie zwiększyć wytrzymałości mechanicznej porowatej kształtki 1 z węglika krzemu.

Opisany powyżej „stosunek zawartości odpowiednich tlenków strontu, glinu i krzemu w tlenk owej fazie 5” można obliczyć na podstawie wartości Al, Ca itp. zawartych jako zanieczyszczenia w dodanym związku i metalicznego krzemu w przeliczeniu na tlenki oraz wartości ilości dwutlenku krzemu (SiO₂) zawartego w warstwie tlenkowej na powierzchni cząstki 2 węglika krzemu i/lub metalicznego krzemu 3 w przeliczeniu na ilość zawartego tlenu otrzymaną przez analizę chemiczną sproszkowanego materiału.

W tym przykładzie wykonania, temperatura topnienia powyżej przedstawionych tlenków (SrO, AI₂O₃, SiO₂) wynosi korzystnie 1000-1400°C. Jeśli temperatura topnienia jest mniejsza niż 1000°C, lepkość tlenkowej fazy 5 nadmiernie maleje, wskutek czego czasami tlenkowa faza 5 oddziela się w porowatej kształtce 1 z węglika krzemu. Kiedy temperatura topnienia przewyższa 1400°C, lepkość tlenkowej fazy 5 nie maleje wystarczająco i tlenkowa faza 5 nie wchodzi łatwo w pewnych przypadkach w małą część 6 porów 4.

Ponadto, w przedstawionym przykładzie wykonania lepkość topnienia tlenkowej fazy 5 jest korzystnie mniejsza niż lepkość topnienia metalicznego krzemu 3. W takim przypadku tlenkowa faza 5 łatwiej wchodzi w małą część 6 porów 4 porowatej kształtki 1 z węglika krzemu.

Ponadto w przedstawionym przykładzie wykonania stosunek masy fazy tlenkowej 5 wynosi korzystnie 1,0-10,0 części mas. w odniesieniu do całkowitej masy cząstek 2 węglika krzemu i metalicznego krzemu 3. Kiedy stosunek masy tlenkowej fazy 5 jest mniejszy niż 1,0 części mas., nie można wystarczająco skutecznie zwiększyć wytrzymałości porowatej kształtki 1 z węglika krzemu. Kiedy stosunek masy fazy tlenkowej 5 przewyższa 10,0 części mas., wówczas ilość tlenkowej fazy 5 jest nadmiernie duża, co powoduje duży skurcz przy wypalaniu i maleje porowatość porowatej kształtki i z węglika krzemu. Przykładowo, kiedy porowata kształtka jest wykorzystywana, jako filtr, taki jak filtr spalin z silnika wysokoprężnego, w pewnych przypadkach nadmiernie zwiększa się spadek ciśnienia. Należy zauważyć, że z punktu widzenia porowatej kształtki 1 z węglika krzemu o dużej porowatości i wytrzymałości mechanicznej, stosunek masy tlenkowej fazy 5 wynosi ponadto korzystnie 4,0-8,0 części mas. w odniesieniu do całkowitej masy cząstki 2 węglika krzemu i metalicznego krzemu 3.

Poniżej zostanie szczegółowo opisany jeden przykład realizacji sposobu wytwarzania porowatej kształtki z węglika krzemu według przedmiotowego wynalazku.

W sposobie wytwarzania porowatej kształtki 1 z węglika krzemu według przykładu wykonania najpierw 1,0-10,0 części mas. związku zawierającego stront, glin i krzem dodaje się do cząstek 2 węglika krzemu i metalicznego krzemu 3 w przeliczeniu na tlenki (SrO, AI₂O₃, SiO₂) w odniesieniu do całkowitej ilości 100 części mas. cząstek 2 węglika krzemu i metalicznego krzemu 3, by otrzymać surowiec. Należy zauważyć, że według przedmiotowego wynalazku związek zawierający stront, glin

PL 214 868 B1 i krzem może zawierać tylko jeden rodzaj metalu ziem alkalicznych (Mg, Ca, Sr, Ba), w tym stront, glin i krzem, albo może zawierać wiele rodzajów. Podczas dodawania można dodawać tylko jeden rodzaj związku zawierającego stront, glin i krzem, albo też można dodawać wiele rodzajów w taki sposób, że ostatecznie utworzona faza tlenkowa 5 zawiera stront, jako co najmniej jeden z rodzajów metali ziem alkalicznych, glin i krzem. Kiedy dodaje się wiele rodzajów, dodawane ilości mogą być różne lub jednakowe. W takim przypadku w razie potrzeby można dodać środka wspomagającego formowanie, takiego jak spoiwo organiczne. Należy zauważyć, że cząstka 2 węglika krzemu lub metaliczny krzem 3 czasami zawiera bardzo małą ilość zanieczyszczeń, takich jak żelazo, glin i wapń, ale może być używana bez zmian, albo też może być poddana przed zastosowaniem obróbce chemicznej, takiej jak oczyszczanie chemiczne, i rafinowana do użycia. Kiedy ilość dodawanego związku jest mniejsza niż 1,0 części mas. w przeliczeniu na odpowiednie tlenki (SrO, AI2O3, SiO2), wytrzymałość otrzymanej porowatej kształtki 1 z węglika krzemu nie może być wystarczająco skutecznie zwiększona. Kiedy ilość ta jest większa niż 10,0 części mas., ilość fazy tlenkowej 5 tworzonej przez taki związek jest zbyt duża, na skutek czego rośnie skurcz przy wypalaniu, a maleje porowatość otrzymanej porowatej kształtki 1 z węglika krzemu. Przykładowo, kiedy porowata kształtka 1 jest używana jako filtr, taki jak filtr cząstek stałych zawartych w spalinach z silnika wysokoprężnego, spadek ciśnienia nadmiernie rośnie. Stront zawarty w mieszance korzystnie jest zawarty w postaci tlenku strontu (SrO) lub węglanu strontu (SrCO₃), ponieważ faza tlenkowa 5 może być skutecznie formowana, a substancję taką można łatwo otrzymać i łatwo można się nią posługiwać. Podobnie glin jest korzystnie zawarty w postaci tlenku glinu (AI2O3) lub metalicznego glinu. Należy w tym przypadku zauważyć, że metaliczny glin może być zawarty jako zanieczyszczenie w metalicznym krzemie 3. Podobnie krzem jest korzystnie zawarty w postaci dwutlenku tlenku krzemu (SiO₂) lub w postaci koloidalnej krzemionki. Należy zauważyć, że w takim przypadku dwutlenek krzemu może być zawarty, jako tlenkowa warstewka (SiO2) i którą ma być powleczona powierzchnia cząstki 2 węglika krzemu i/lub metalicznego krzemu 3.

Następnie surowce otrzymane w ten sposób miesza się i zagniata, do konsystencji gliny, glinę praży się i odtłuszcza się spoiwo organiczne, by otrzymać kształtkę 1. Następnie otrzymany ukształtowany wyrób wypala się, a faza tlenkowa 5 zawierająca odpowiednie tlenki krzemu, glinu i metalu ziem rzadkich, jest osadzana w przynajmniej niektórych porach 4 powstałych pomiędzy cząstkami 2 węglika krzemu w taki sposób, że stosunek całkowitej objętości (objętość porów małej części 6 porów 4) części, w których faza tlenkowa 5 nie jest osadzona pomiędzy małymi częściami 6 porów 4, wynosi do 20% w odniesieniu do całkowitej objętości (całkowita objętość porów) części, w których faza tlenkowa 5 nie jest osadzona pomiędzy porami 4, włączając i małe części 6 porów 4, by otrzymać porowatą kształtkę 1 o porowatej strukturze.

W sposobie wytwarzania według przedmiotowego wynalazku, wymagane jest korygowanie rodzaju i/lub ilości dodawanej mieszanki zawierającej stront, glin i krzem, w taki sposób, że stosunek zawartości (SrO:AI2O3:SiO2) tlenków strontu, glinu i krzemu wynosi od (1,0:0,1:1,0) do (1,0:1,0:3,0) stosownie do udziału każdej z substancji (stosunek molowy), przy czym tlenki te są zawarte w fazie tlenkowej 5, tworzącej porowatą kształtkę 1 o porowatej strukturze, otrzymaną przez wypalenie.

Związek zawierający stront, glin i krzem, który został dodany jako surowiec, jest rozkładany lub utleniany, i jest roztapiany podczas wypalania. W takim przypadku, roztopione tlenki strontu, glinu i krzemu są traktowane jako system trójskładnikowy, punkt eutektyczny jest obniżony, a ponadto zmniejszona jest lepkość. Tlenkowa warstewka na powierzchni cząstki 2 węglika krzemu i/lub metalicznego krzemu 3 jest roztapiana/usuwana, zwilżalność metalicznego krzemu 3 do spajania cząstek 2 węglika krzemu jest ustawiana jako zadowalająca, a część spajającą, spojoną z cząstką 2 węglika krzemu, można jeszcze pogrubić. Ponieważ lepkość dodatkowej fazy tlenkowej 5 maleje, faza ta łatwo wchodzi w pory porowatej kształtki 1, zwłaszcza w małą część 6 porów 4 o małej średnicy porów. Ponieważ faza ta krzepnie w tym stanie, by wspomagać wzajemne spojenie pomiędzy cząstkami 2 węglika krzemu, zwiększa się wytrzymałość mechaniczna.

Należy zauważyć, że ze względu na wytwarzanie porowatej kształtki 1 z węglika krzemu o dużej porowatości i wytrzymałości mechanicznej, w przedmiotowym przykładzie realizacji ilość związku, jaką należy dodać do cząstek 2 węglika krzemu i metalicznego krzemu 3, który to związek zawiera stront, glin i krzem przetworzone w odpowiednie tlenki (SrO, AI₂O₃, SiO₂), jest ponadto korzystnie ustawiana w zakresie 4,0-8,0 części mas. w odniesieniu do całkowitej ilości 100 części mas. cząstek 2 węglika krzemu i metalicznego krzemu 3.

Należy zauważyć, że w tym przykładzie realizacji prażenie korzystnie przeprowadza się w temperaturze niższej niż temperatura topnienia metalicznego krzemu 3. W szczególności, ta określona

PL 214 868 B1 temperatura może być utrzymywana w zakresie 150-700°C, albo też prędkość wzrostu temperatury może być zmniejszona do 50°C/h w określonym zakresie temperatury przy przeprowadzaniu prażenia. Jeśli chodzi o sposób utrzymywania określonej temperatury, można utrzymywać tylko wartość temperatury, albo wiele wartości temperatury, zależnie od rodzaju i ilości użytego spoiwa organicznego. Ponadto, jeżeli utrzymywane jest wiele wartości temperatury, czasy utrzymywania mogą być jednakowe lub różne. Podobnie, jeśli chodzi o sposób zmniejszania prędkości wzrostu temperatury, prędkość tę można zmniejszać tylko w jednym przedziale temperatury lub w wielu przedziałach. Ponadto w wielu przedziałach prędkości mogą być jednakowe lub różne.

W celu uzyskania porowatej struktury, w której cząstki 2 węglika krzemu są spojone metalicznym krzemem 3, trzeba zmiękczyć metaliczny krzem 3 podczas wypalania. Ponieważ temperatura topnienia metalicznego krzemu 3 wynosi 1410°C, temperatura podczas wypalania wynosi korzystnie 1410°C lub więcej. Ponadto, optymalna temperatura wypalania jest określana przez mikrostrukturę lub wartość charakterystyczną. Jednakże, ponieważ parowanie metalicznego krzemu 3 przebiega w temperaturze większej niż 1600°C i spajanie metalicznym krzemem 3 jest trudne, temperatura wypalania wynosi odpowiednio 1410-1600°C, korzystnie 1420-1580°C.

P r z y k ł a d y

Wynalazek zostanie opisany poniżej szczegółowo w przykładach, które jednak nie ograniczają przedmiotowego wynalazku.

Przykłady 1 i 2, przykłady porównawcze 1-6

Cząstki 2 węglika krzemu o przeciętnej średnicy 33 ąm oraz sproszkowany metaliczny krzem 3 o przeciętnej średnicy cząstek 5 μm zmieszano w takim stosunku, aby otrzymać skład w stosunku masowym 80:20 i dodano mieszankę zawierającą tlenek strontu (SrO), tlenek glinu (AI2O3) i dwutlenek krzemu (SiO2), aby otrzymać surowiec. Do tego surowca dodano sześć części mas. metylocelulozy, 2,5 części mas. środka powierzchniowo czynnego i 24 części mas. wody, jako organiczne spoiwa w odniesieniu do całkowitej ilości 100 części mas. cząstek 2 węglika krzemu i metalicznego krzemu 3, i materiał ten równomiernie mieszano i zagniatano, aby otrzymać glinę do formowania. Z otrzymanej gliny uformowano kształtkę 1 o strukturze komórkowej podobnej do plastra miodu, posiadającą zewnętrzną średnicę 45 mm, długość 120 mm, grubość przegród 0,43 mm i gęstość komórek wynoszą₂ cą 16 komórek/cm² za pomocą wytłaczarki. Następnie, po przeprowadzeniu prażenia w temperaturze 500°C przez 5 h w celu odtłuszczenia przeprowadzono wypalanie w nieutleniającej atmosferze w temperaturze 1450°C przez 2 godziny, by otrzymać porowatą kształtkę 1 o strukturze komórkowej podobnej do plastra miodu z węglika krzemu. W otrzymanej porowatej kształtce 1 z węglika krzemu cząstki 2 węglika krzemu i metaliczny krzem 3 są spojone w takim stanie, że pory 4 są zachowane pomiędzy cząstkami 2 węglika krzemu i/lub pomiędzy cząstkami 2 węglika krzemu i metalicznym krzemem 3. Faza tlenkowa 5, zawierająca tlenki krzemu, glinu i strontu, została osadzona w przynajmniej niektórych z małych części 6 porów 4, wykazujących minimalną odległość 10 ąm lub mniej pomiędzy powierzchniami cząstek 2 węglika krzemu lub pomiędzy powierzchniami cząstki 2 węglika krzemu i metalicznego krzemu 3 wśród porów 4.

P r z y k ł a d 3 i p o r ó w n a w c z y p r z y k ł a d 7

Porowate kształtki 1 z węglika krzemu o strukturze komórkowej podobnej do plastra miodu (przykład 3 i porównawczy przykład 7) przygotowano za pomocą operacji podobnych do stosowanych w przykładach 1 i 2, w porównawczych przykładach 1-6, opisanych powyżej, z tym wyjątkiem, że oprócz mieszanki zawierającej tlenek strontu (SrO), metalu ziemi alkalicznej, tlenek glinu (AI2O3) i dwutlenek krzemu (SiO2), dodano 10 części mas. spienionej żywicy (pęcherzyki z tworzywa sztucznego na bazie akrylonitrylu (przeciętna średnica cząstek 50 ąm)) oraz 15 części mas. organicznego środka porotwórczego (skrobia (przeciętna średnica cząstek 50 μm)).

Jeśli chodzi o odpowiednie przygotowane porowatej kształtki 1 z węglika krzemu (przykłady 1-3, porównawcze przykłady 1 i 7), obliczono procentowy stosunek (zwany mikroporowatością (%)) całkowitej objętości (objętość małych części 6 porów 4) części (posiadających średnicę co najwyżej 10 ąm), w których żadna faza tlenkowa 5 nie została osadzona pomiędzy małymi częściami 6 porów 4 o minimalnej odległości co najwyżej 10 ąm pomiędzy powierzchniami cząstek 2 węglika krzemu lub pomiędzy powierzchniami cząstek 2 węglika krzemu a metalicznym krzemem 3, w odniesieniu do całkowitej objętości (całkowita objętość porów) części, w których żadna faza tlenkowa 5 nie została osadzona pomiędzy porami 4 włącznie z opisanymi powyżej małymi częściami 6 porów 4, wykorzystując do tego celu rozkład średnicy porów 4 zmierzony porozymetrem rtęciowym. Wyniki przedstawiono w Tabeli 1.

PL 214 868 B1

T a b e l a 1

	Stosunek ilości (% mol.) tlenków	Udział mas. fazy tlenkowej (% mas.)	Mikro- porowatość (%)	Długość styku (mm/mm²)	Stosunek spojenia tlenków	Poro- watość (%)	Wytrzy- małość (MPa)
Przykład 1	1,0:0,2:2,0	1,7	17	46	11	45	25
Przykład 2	1,0:0,2:1,3	4,1	8	59	35	44	40
Przykład 3	1,0:0,2:2,1	5,8	9	48	38	59	18
Przykład porówn. 1	1,0:0,2:1,0	0,8	24	32	5	45	15
Przykład porówn. 2	1,0:0,2:2,0	15	-	-	-	32	-
Przykład porówn. 3	1,0:0,06:2,0	1,6	-	-	-	45	-
Przykład porówn. 4	1,0:1,2:2,0	2,4	-	-	-	44	18
Przykład porówn. 5	1,0:0,2:0,5	1,6	-	-	-	45	16
Przykład porówn. 6	1,0:0,2:5,0	2,2	-	-	-	45	18
Przykład porówn. 7	1,0:0,2:1,0	0,8	26	18	5	60	9

Ponadto obliczono stosunki ilości każdej substancji (stosunki molowe) (SrO:AI2O3:SiO2) tlenków strontu, glinu i krzemu w fazie tlenkowej 5 w każdej wykonanej porowatej kształtce 1 z węglika krzemu oraz stosunek (części mas.) (dalej zwany stosunkiem (części mas.) masy fazy tlenkowej) w odniesieniu do całkowitej masy cząstek 2 węglika krzemu, które stanowiły kruszywo oraz metalicznego krzemu 3, który stanowił materiał spajający. Stosunki te obliczono ze związku dodanego oraz związku zawartego, jako zanieczyszczenia w cząstkach 2 węglika krzemu lub w materiale cząstek 2 węglika krzemu. Wyniki przedstawiono w Tabeli 1. Wartości te można obliczyć przez pomiar i kwantyfikację promieniowania rentgenowskiego, charakterystycznego dla każdego pierwiastka (Sr, Al, Si, O) przez analizę punktową EDS w fazie tlenkowej 5 istniejącej w wypolerowanej powierzchni przygotowanej porowatej kształtki 1 z węglika krzemu. Alternatywnie wartości te można obliczać przez kwantyfikację za pomocą określonej analizy chemicznej itp., ale metoda pomiaru nie jest ograniczona do sposobu opisanego powyżej.

Analiza obrazu

Obraz każdej porowatej kształtki 1 z węglika krzemu analizowano za pomocą programu do analizowania obrazu (Image-Pro Plus (znak towarowy) z firmy MEDIA CYBERNETICS Co.). Najpierw porowatą kształtkę 1 z węglika krzemu, stanowiącą próbkę, cięto w celu otrzymania określonej powierzchni cięcia. Równocześnie, aby powierzchnia cięcia była równomiernie płaska, można ją odpowiednio wypolerować. Płaski obraz otrzymany przez sfotografowanie powierzchni cięcia za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) itp. przekazano następnie do kalkulatora zawierającego komputer osobisty (PC), wykorzystując środki przechwytywania obrazu, takie jak skaner. Stosując określony sposób analizowania obrazu zdjęty obraz płaszczyzny podzielono i otrzymano cząstkę 2 węglika krzemu, metaliczny krzem 3, tlenkową fazę 5 i część (część porów), w której żadna faza tlenkowa 5 nie została osadzona w porze 4, włączając małą część 6 porów 4, jak pokazano na fig. 1. Kiedy określony sposób przetwarzania obrazu zastosowano wobec granicy pomiędzy otrzymaną cząstką 2 węglika krzemu, metalicznym krzemem 3 i tlenkową fazą 5, uzyskano linię graniczną o szerokości 1 piksela, a sumę długości na jednostkę pola powierzchni (1 mm²) obliczono jako dłu₂ gość L styku (mm/mm ). Otrzymane wyniki przedstawiono w Tabeli 1. Na fig. 2 przedstawiono wykres długości L styku (mm/mm ) w funkcji wartości porowatości ε (%). Należy zauważyć, że prosta na fig. 2 została poprowadzona w oparciu o dolną wartość graniczną następującego równania (1):

L > -1,0ε + 90 . . . (1)

Ponadto, obliczono procentowy stosunek (zwany procentowym stosunkiem spojenia tlenku) całkowitego pola powierzchni części, z którymi stykają się cząstki 2 węglika krzemu i faza tlenkowa 5, w odniesieniu do całkowitego pola powierzchni części, z którymi stykają się cząstki 2 węglika krzemu, metaliczny krzem 3 i faza tlenkowa 5, wykorzystując w tym celu komputerową analizę obrazu

PL 214 868 B1 powierzchni cięcia porowatej kształtki 1 z węglika krzemu, sfotografowanego za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) itp. W przedmiotowych przykładach i przykładach porównawczych długość (długość styku) linii granicznej pomiędzy cząstką 2 węglika krzemu a metalicznym krzemem 3 oraz długość (długość styku) linii granicznej pomiędzy cząstką 2 węglika krzemu a fazą tlenkową 5 obliczono stosując metodę analizy obrazu podobną do wyżej wymienionej metody analizy obrazu. Stosunek całkowitej długości styku pomiędzy cząstką 2 węglika krzemu a fazą tlenkową 5 obliczono w odniesieniu do całkowitej długości styku cząstki 2 węglika krzemu względem metalicznego krzemu 3 i fazy tlenkowej 5, aby otrzymać stosunek spojenia fazy tlenkowej 5. Wyniki przedstawiono w Tabeli 1. Wykonaną za pomocą mikroskopu elektronowego fotografię porowatej kształtki 1 z węglika krzemu z przykładu 1 przedstawiono na fig. 3, a wykonaną za pomocą mikroskopu elektronowego fotografię porowatej kształtki 1 z węglika krzemu z przykładu 2 przedstawiono na fig. 4. Należy zauważyć, że według przedstawionego przykładu realizacji, jako program do opisanej powyżej komputerowej analizy obrazu został użyty program Image-Pro Plus (znak towarowy) pochodzący z firmy MEDIA CYBERNETICS Co., ale przedmiotowy wynalazek nie jest ograniczony do użycia tego programu.

Ponadto, procentową porowatość każdej porowatej kształtki 1 z węglika krzemu zmierzono metodą Archimedesa. Wyniki przedstawiono w Tabeli 1.

Ponadto w każdej otrzymanej porowatej kształtce 1 z węglika krzemu zmierzono wytrzymałość (wytrzymałość na zginanie w czterech punktach (MPa)) w temperaturze pokojowej zgodnie ze sposobem pomiaru opisanym w JIS R 1601. Wyniki przedstawiono w Tabeli 1.

Dodatkowo, skrystalizowany stan fazy tlenkowej 5, wchodzącej w skład każdej porowatej kształtki 1 z węglika krzemu, oznaczono za pomocą dyfrakcji promieni rentgenowskich. Wyniki przedstawiono w Tabeli 2.

T a b e l a 2

	Stosunek ilości (% mol.) tlenków (SrO:Al2Oa:SiO2)	Stan krystaliczny fazy tlenkowej	Zmniejszenie masy spowodowane przez kwas octowy
Przykład 1	1,0:0,2:2,0	Bezpostaciowa	0
Przykład 2	1,0:0,2:1,3	Bezpostaciowa	0
Przykład 3	1,0:0,2:2,1	Bezpostaciowa	0
Przykład porówn. 1	1,0:0,2:1,0	Bezpostaciowa	-
Przykład porówn. 2	1,0:0,2:2,0	Bezpostaciowa	-
Przykład porówn. 3	1,0:0,06:2,0	SrSiO3	0,8
Przykład porówn. 4	1,0:1,2:2,0	SrAl2Si2O3	-
Przykład porówn. 5	1,0:0,2:0,5	Bezpostaciowa	-
Przykład porówn. 6	1,0:0,2:5,0	Bezpostaciowa	-
Przykład porówn. 7	1,0:0,2:1,0	Bezpostaciowa	-

Ponadto każdą otrzymaną porowatą kształtkę 1 z węglika krzemu zanurzono w 10% mas. wodnym roztworze kwasu octowego na 30 min., zmierzono masę porowatej kształtki 1 z węglika krzemu przed i po zanurzeniu i obliczono stosunek zmniejszenia masy (% mas.) na skutek eluowania fazy tlenkowej 5 przez kwas octowy zgodnie z następującym równaniem (2). Wyniki przedstawiono w Tabeli 2.

Zmniejszenie masy (% mas.) przez kwas octowy = {(masa przed zanurzeniem) - (masa po zanurzeniu)}/(masa przed zanurzeniem) x 100 ... (2)

Jak pokazano w Tabeli 1, w porównawczym przykładzie 1, ponieważ stosunek masowy fazy tlenkowej 5 był mniejszy niż 0,8%, mikroporowatość 24% oznaczała, że było wiele małych części 6 porów 4, w których nie została osadzona żadna faza tlenkowa 5. Ponieważ spojenie nie zostało wystarczająco skutecznie wzmocnione pomiędzy cząstkami 2 węglika krzemu i/lub pomiędzy cząstką 2 węglika krzemu a metalicznym krzemem 3 (stosunek spojenia tlenku: 5%), wytrzymałość porowatej kształtki 1 węglika krzemu wynosiła tylko 15 MPa. Z drugiej strony, w przykładzie 1, ponieważ stosuPL 214 868 B1 nek masowy fazy tlenkowej 5 wynosił 1,7% i był za duży, mikroporowatość 17% oznaczała, że było wiele małych części 6 porów 4, w których osadzona została faza tlenkowa 5. Ponadto, ponieważ zwilżalność metalicznego krzemu 3 była zadowalająca, wytrzymałość wynosiła 25 MPa i była za duża. Ponadto w przykładzie 2, ponieważ stosunek fazy tlenkowej 5 wynosił 4,1% i był za duży, a mikroporowatość wynosiła 8%, działanie było wystarczające (stosunek spojenia tlenku: 35%), tak, że spojenie pomiędzy cząstkami 2 węglika krzemu i/lub pomiędzy cząstką 2 węglika krzemu a metalicznym krzemem 3 było wzmocnione przez fazę tlenkową 5, a wytrzymałość wynosiła 40 MPa i więcej. Jednakże w porównawczym przykładzie 2, ponieważ stosunek masowy fazy tlenkowej 5 wynosił 15,0% i był zbyt duży, skurcz przy wypalaniu zwiększył się, a porowatość zmalała.

Ponadto, jak podano w Tabeli 2, w porównawczym przykładzie 3, gdzie stosunek tlenku glinu (AI2O3) wynosił 0,06 w stosunku ilości wszystkich substancji (stosunek molowy) tlenkowych, z tlenku strontu (SrO) i z dwutlenku krzemu (SiO₂), zawartych w fazie tlenkowej 5 wytwarzany był krzemian strontu (SrSiO₃), który jest łatwo rozpuszczalny w kwasie octowym itp. i odpowiednio zwiększył się stosunek zmniejszenia masy (% mas.) pod działaniem kwasu octowego.

W przykładach 1 i 2 faza tlenkowa 5 była bezpostaciowa dzięki tlenkowi glinu (AI₂O₃) i nie mógł powstawać opisany powyżej krzemian strontu. Ponadto w przykładzie porównawczym 4, gdzie stosunek tlenku glinu (AI2O3) wynosił 1,2 w stosunku ilości wszystkich substancji (stosunek molowy) tlenkowych, zwilżalność metalicznego krzemu 3 zmniejszyła się z przyczyn, co do których nie ma pewności, a wytrzymałość wynosiła tylko 18 MPa.

Ponadto, w przykładzie porównawczym 5, gdzie stosunek dwutlenku krzemu (SiO2) wynosił 0,5 w stosunku ilości wszystkich substancji (stosunek molowy) tlenkowych, punkt eutektyczny fazy tlenkowej 5 nie mógł być wystarczająco obniżony i nie było możliwe wystarczające zmniejszenie lepkości roztopionej mieszaniny lub warstewki tlenkowej, którą pokryta była powierzchnia cząstki 2 węglika krzemu i/lub metalicznego krzemu 3. Dlatego zwilżalność metalicznego krzemu 3 była zła, a ponadto roztopiona faza tlenkowa 5 nie mogła wystarczająco wnikać pomiędzy cząstki 2 węglika krzemu i/lub pomiędzy cząstkę 2 węglika krzemu a metaliczny krzem 3 i wytrzymałość porowatej kształtki 1 z węglika krzemu wynosiła tylko 16 MPa. Podobnie w przykładzie porównawczym 6, gdzie stosunek dwutlenku krzemu (SiO2) wynosi 5,0 w stosunku ilości wszystkich substancji (stosunek molowy) tlenkowych, punkt eutektyczny fazy tlenkowej 5 nie mógł zostać wystarczająco obniżony i nie było możliwe wystarczające zmniejszenie lepkości roztopionej mieszaniny, albo tlenkowej warstewki, którą powleczona była powierzchnia cząstki 2 węglika krzemu i/lub metalicznego krzemu 3, na skutek czego wytrzymałość porowatej kształtki 1 z węglika krzemu wynosiła tylko 18 MPa.

Ponadto, jak podano w Tabeli 1, w przykładzie porównawczym 7, gdzie zastosowano środek porotwórczy w celu zmniejszenia spadku ciśnienia, porowatość jest zwiększona, ale wytrzymałość znacznie zmalała (9 MPa) i trudno było wykorzystać ten przykład przykładowo, jako materiał tworzący filtr, nośnik katalizatora itp. do oczyszczania spalin samochodowych. Z drugiej strony, w przykładzie 3, gdzie porowatość została podobnie zwiększona, w porównaniu z przykładem 7 stosunek fazy tlenkowej 5 wynosił 5,8% i był bardzo duży, a mikroporowatość wynosiła 9%.

Działanie okazało się wystarczające (stosunek spojenia tlenku: 38%), zostało wzmocnione spojenie pomiędzy cząstkami 2 węglika krzemu i/lub pomiędzy cząstką 2 węglika krzemu a metalicznym krzemem 3 dzięki użyciu fazy tlenkowej 5. Porowatość wynosiła 59% i była bardzo duża, wytrzymałość wynosiła 18 MPa i była znacznie zwiększona, a przykład ten nadawał się do użycia przykładowo w charakterze materiału na filtr, nośnik katalizatora itp. do oczyszczania spalin samochodowych.

Dodatkowo, jak pokazano na fig. 2, przykłady 1-3 mają większą wytrzymałość, jako materiały na filtr cząstek stałych zawartych w spalinach z silnika wysokoprężnego, by zadowalająco spełniać równanie (1).

Jak opisano powyżej, porowata kształtka z węglika krzemu według przedmiotowego ma dużą wytrzymałość mechaniczną i jest korzystnie stosowana, jako materiał na filtr, nośnik katalizatora itp. do oczyszczania spalin samochodowych. Sposób wytwarzania takiej porowatej kształtki z węglika krzemu według przedmiotowego wynalazku nadaje się do łatwego i taniego wytwarzania porowatej kształtki z węglika krzemu.

Claims

1. Porowata kształtka z węglika krzemu zawierająca cząstki węglika krzemu, które stanowią kruszywo, oraz metaliczny krzem będący spoiwem, spojone ze sobą tak, że zachowane są pory pomiędzy cząstkami węglika krzemu i/lub pomiędzy cząstką węglika krzemu a metalicznym krzemem, a te części porów, przy których odległość pomiędzy powierzchniami cząstek węglika krzemu lub pomiędzy powierzchniami cząstki węglika krzemu a metalicznym krzemem wśród porów jest równa lub mniejsza niż 10 gm tworzą małe części porów, znamienna tym, że porowata kształtka 1 zawiera fazę tlenkową 5 a stosunek masowy fazy tlenkowej 5 zawarty jest w przedziale od 1,0 do 10,0 części masowych w odniesieniu do całkowitej masy cząstek węglika krzemu 2 i metalicznego krzemu 3, przy czym bezpostaciowa faza tlenkowa 5 zawiera tlenki krzemu, glinu i strontu SrO:AI₂O₃:SiO₂ w stosunku molowym od 1,0:0,1:1,0 do 1,0:1,0:3,0 i jest osadzona w przynajmniej niektórych małych częściach 6 porów 4; a całkowita objętość porów 4 w części obszaru małych części 6 porów 4; w której faza tlenkowa 5 nie występuje wynosi do 20% w odniesieniu do całkowitej objętości porów 4 w części obszaru porów 4, w których faza tlenkowa 5 nie występuje, włączając małe części 6 porów 4.

2. Porowata kształtka według zastrz. 1, znamienna tym, że w przekroju poprzecznym porowatej kształtki 1 z węglika krzemu w której występuje określona część porów 4 pochodząca z części, w której faza tlenkowa 5 nie jest osadzona w porze 4, włączając małą część 6 porów 4, określona część cząstki 2 węglika krzemu pochodząca z cząstki 2 węglika krzemu, określona część metalicznego krzemu 3 pochodząca z metalicznego krzemu 3 oraz określona część fazy tlenkowej 5 pochodząca z fazy tlenkowej 5, zależność całkowitej długości czyli długość styku L wyrażona w mm/mm na jednostkę pola powierzchni 1 mm części, z którą część cząstki 2 węglika krzemu, część metalicznego krzemu 3 i część fazy tlenkowej 5 są doprowadzone do styku w tej płaszczyźnie przekroju, od porowatości ε wyrażonej w % porowatej kształtki 1 z węglika krzemu, jest opisana według poniższego równania 1:

L > -1,0ε + 90 ... (1)

3. Porowata kształtka według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że stosunek całkowitego pola powierzchni części, z którymi cząstka 2 węglika krzemu i faza tlenkowa 5 są doprowadzone do styku, jest w zakresie 10-70% w odniesieniu do całkowitego pola powierzchni części, z którymi doprowadzone są do styku cząstka 2 węglika krzemu, metaliczny krzem 3 i faza tlenkowa 5.

4. Porowata kształtka według zastrz. 3, znamienna tym, że stosunek całkowitego pola powierzchni części, z którymi cząstka 2 węglika krzemu oraz faza tlenkowa 5 są doprowadzone do styku, jest w zakresie 25-50% w odniesieniu do całkowitego pola powierzchni części, z którymi doprowadzone są do styku cząstka 2 węglika krzemu, metaliczny krzem 3 oraz faza tlenkowa 5.

5. Porowata kształtka według zastrz. 1, znamienna tym, że temperatury topnienia tlenków: SrO, AI2O3, SiO2 znajdują się w zakresie 1000-1400°C.

6. Porowata kształtka według zastrz. 1, znamienna tym, że lepkość fazy tlenkowej 5 w stanie roztopionym jest mniejsza niż lepkość metalicznego krzemu 3.

7. Porowata kształtka według zastrz. 1, znamienna tym, że stosunek masowy fazy tlenkowej 5 wynosi 4,0-8,0 części masowych w odniesieniu do całkowitej masy cząstki 2 węglika krzemu i metalicznego krzemu 3.

8. Sposób wytwarzania porowatej kształtki z węglika krzemu zawierającej cząstki węglika krzemu, które stanowią kruszywo, oraz metaliczny krzem będący spoiwem, spojone ze sobą tak, że zachowane są pory pomiędzy cząstkami węglika krzemu i/lub pomiędzy cząstką węglika krzemu a metalicznym krzemem, a te części porów, przy których odległość pomiędzy powierzchniami cząstek węglika krzemu lub pomiędzy powierzchniami cząstki węglika krzemu a metalicznym krzemem wśród porów jest równa lub mniejsza niż 10 gm tworzą małe części porów, znamienny tym, że do cząstek 2 węglika krzemu i metalicznego krzemu 3 dodaje się mieszankę zawierającą stront, glin i krzem w ilości 1,0-10,0 części masowych w przeliczeniu na tlenki: SrO, AI₂O₃, SiO₂ w odniesieniu do 100 części masowych cząstek 2 węglika krzemu i metalicznego krzemu 3 koryguje się rodzaj i/lub ilość dodawanej mieszanki zawierającej stront, glin i krzem do otrzymania tlenków strontu, glinu i krzemu SrO:AI₂O₃:SiO₂, obecnych w bezpostaciowej fazie tlenkowej 5 stanowiącej co najmniej część porowatej kształtki 1 o porowatej strukturze uzyskanej przez wypalanie, w stosunku molowym od 1,0:0,1:1,0 do 1,0:1,0:3,0 do uzyskania surowca; miesza się i zgniata surowce do konsystencji gliny, formuje się

PL 214 868 B1 kształtkę, praży się a następnie odtłuszcza się po czym wypala otrzymaną kształtkę w temperaturze wypalania zawartej w przedziale 1410°C a 1600°C.

9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że ilość mieszanki dodawanej do cząstek 2 węglika krzemu i do metalicznego krzemu 3 a zawierającej stront, glin i krzem przeliczone na ich odpowiednie tlenki: SrO, AI₂O₃, SiO₂, jest w zakresie 4,0-8,0 części masowych w odniesieniu do całkowitej ilości 100 części masowych cząstek 2 węglika krzemu i metalicznego krzemu 3.