DE102020203154A1

DE102020203154A1 - Elektrischer heizträger, abgasreinigungsvorrichtung, verfahren zur herstellung eines elektrischen heizträgers, verbundener körper und verfahren zur herstellung eines verbundenen körpers

Info

Publication number: DE102020203154A1
Application number: DE102020203154.1A
Authority: DE
Inventors: Naoya Takase
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2020-03-11
Publication date: 2020-09-17
Also published as: US20200291840A1; JP7186643B2; US11187125B2; JP2020147482A; CN111686822A

Abstract

Ein elektrischer Heiztypträger beinhaltet: eine elektrisch leitfähige Wabenstruktur, die einen säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt beinhaltet, der aus leitfähiger Keramik zusammengesetzt ist, wobei der säulenförmige Wabenstrukturabschnitt beinhaltet: eine Außenumfangswand; und poröse Trennwände, die an einer Innenseite der Außenumfangswandangeordnet sind, wobei die porösen Trennwände eine Vielzahl von Zellen definieren, wobei jede Zelle von einer Stirnfläche zu einer anderen Stirnfläche durchdringt, um einen Flusspfad zu bilden; und ein Paar von Metallanschlüssen, die angeordnet sind, über eine Mittelachse des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts zueinander zu zeigen, wobei jeder Metallanschluss über einen geschweißten Abschnitt an eine Oberfläche der elektrisch leitfähigen Wabenstruktur gebunden ist, um einer Oberflächenform der elektrisch leitfähigen Wabenstruktur zu folgen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Heiztypträger, eine Abgasreinigungsvorrichtung, ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heiztypträgers, einen Verbundkörper und ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers. Genauer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen elektrischen Heiztypträger, eine Abgasreinigungsvorrichtung, ein Verfahren zur Herstellung des elektrischen Heiztypträgers, einen Verbundkörper und ein Verfahren zur Herstellung des Verbundkörpers, die gute Verbundzuverlässigkeit zwischen einem Metallanschluss und einer Wabenstruktur aufweisen.
Für gewöhnlich wird ein Katalysator, der auf einer säulenförmigen Wabenstruktur getragen wird, die eine Vielzahl von Trennwänden aufweist, die eine Vielzahl von Zellen definieren, die von einer Stirnfläche zu einer anderen Stirnfläche durchdringen, um Flusspfade zu bilden, verwendet, um schädliche Substanzen zu reinigen, wie HC, CO und NOx, die in einem Abgas enthalten sind, das von einem Motor eines Kraftfahrzeugs oder dergleichen ausgestoßen wird. Wenn daher das Abgas mit dem Katalysator behandelt wird, der auf der Wabenstruktur getragen wird, ist es nötig, die Temperatur des Katalysators auf seine Aktivierungstemperatur anzuheben. Jedoch erreicht zum Startzeitpunkt des Motors der Katalysator die Aktivierungstemperatur nicht. Deshalb gibt es ein Problem, dass das Abgas nicht ausreichend gereinigt wird. Insbesondere beinhaltet ein Plug-in-Hybridfahrzeug (PHEV) oder ein Hybridfahrzeug (HV), nur mit einem Motor in der Fortbewegung zu fahren, sodass es weniger Motorstartfrequenz und auch eine verringerte Katalysatortemperatur zum Startzeitpunkt des Motors aufweist, was tendenziell eine Abgasreinigungsleistung schmälert.
Um das Problem zu lösen, wurde ein elektrisch geheizter Katalysator (EHC, Electric Heating Catalyst) vorgeschlagen, in dem ein Paar von Anschlüssen mit einer säulenförmigen Wabenstruktur verbunden ist, die aus leitfähiger Keramik zusammengesetzt ist, und die Wabenstruktur selbst durch elektrische Leitung erwärmt wird, sodass die Temperatur des Katalysators auf seine Aktivierungstemperatur angehoben werden kann, bevor der Motor gestartet wird. Der EHC soll Temperaturunregelmäßigkeiten in der Wabenstruktur verringern, um eine einheitliche Temperaturverteilung aufzuweisen, damit ein ausreichender katalytischer Effekt erhalten wird.
Die Anschlüsse sind im Allgemeinen aus einem Metall zusammengesetzt, das sich von dem Material der Wabenstruktur unterscheidet, das aus Keramik zusammengesetzt ist. Deshalb müssen Anwendungen, die in einer oxidierenden Hochtemperaturatmosphäre, wie in einem Abgasrohr eines Kraftfahrzeugs, verwendet werden, mechanische und elektrische Verbundzuverlässigkeit zwischen der Wabenstruktur und den Metallanschlüssen in der Hochtemperaturatmosphäre sicherstellen.
Um solche Probleme zu lösen, offenbart Patentdokument 1 eine Technik zum Anwenden von Wärmeenergie von Metallanschlussseiten, um Metallanschlüsse mittels Schweißen an Elektrodenschichten einer Wabenstruktur zu binden. Weiter wird offenbart, dass es gemäß solch einer Struktur möglich ist, eine leitfähige Wabenstruktur mit verbesserter Verbundzuverlässigkeit zu den Metallanschlüssen bereitzustellen.
ZITIERUNGSLISTE
Patentliteratur
Patentdokument 1: japanische Patentantragsveröffentlichung Nr. 2018-172258 A
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Für gewöhnlich, wenn eine Wabenstruktur an einen Metallanschluss gebunden wird, wie in 1 gezeigt, werden zuerst eine Wabenstruktur und ein Metallanschluss 31 miteinander in Kontakt gebracht. 1 veranschaulicht eine Struktur, in der die Wabenstruktur beinhaltet: einen Wabenstrukturabschnitt 34, der aus leitfähiger Keramik zusammengesetzt ist; und eine Elektrodenschicht 33 und eine Schweißbasisschicht 32 auf dem Wabenstrukturabschnitt 34. In diesem Fall kann ein Spalt 36 zwischen der Wabenstruktur und dem Metallanschluss 31 aufgrund eines Effekts von Verarbeitungsgenauigkeit oder dergleichen erzeugt werden. Wenn Schweißen durch einen Laser 30 ausgeführt wird, während der Spalt 36 beibehalten wird, der zwischen der Wabenstruktur und dem Metallanschluss 31 gebildet ist, wird die Wärmeenergie, die auf den Metallanschluss 31 angewendet wird, nicht an die Wabenstruktur übertragen und nur der Metallanschluss 31 kann abnormal erwärmt werden. Wenn nur der Metallanschluss 31 abnormal erwärmt wird, wird nur der Metallanschluss geschmolzen, was es schwierig macht, den Metallanschluss 31 an die Wabenstruktur zu binden.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der Gegebenheiten von oben angestellt. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrischen Heiztypträger, eine Abgasreinigungsvorrichtung, ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heiztypträgers, einen Verbundkörper und ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers bereitzustellen, die gute Verbundzuverlässigkeit zwischen einem Metallanschluss und einer Wabenstruktur aufweisen.
Als ein Resultat intensiver Studien haben die vorliegenden Erfinder festgestellt, dass die Probleme von oben gelöst werden können, indem Metallanschlüsse über geschweißte Abschnitte aneinandergebunden werden, um einer Oberflächenform einer Wabenstruktur zu folgen. Daher ist die vorliegende Erfindung wie folgt spezifiziert:

(1) Elektrischer Heiztypträger, umfassend:
- eine elektrisch leitfähige Wabenstruktur, die einen säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt umfasst, der aus leitfähiger Keramik zusammengesetzt ist, wobei der säulenförmige Wabenstrukturabschnitt umfasst: eine Außenumfangswand; und poröse Trennwände, die an einer Innenseite der Außenumfangswand angeordnet sind, wobei die porösen Trennwände eine Vielzahl von Zellen definieren, wobei jede Zelle von einer Stirnfläche zu einer anderen Stirnfläche durchdringt, um einen Flusspfad zu bilden; und
- ein Paar von Metallanschlüssen, die angeordnet sind, über eine Mittelachse des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts zueinander zu zeigen, wobei jeder Metallanschluss über einen geschweißten Abschnitt an eine Oberfläche der elektrisch leitfähigen Wabenstruktur gebunden ist, um einer Oberflächenform der elektrisch leitfähigen Wabenstruktur zu folgen.
(2) Elektrischer Heiztypträger, umfassend:
- eine elektrisch leitfähige Wabenstruktur, die einen säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt umfasst, der aus leitfähiger Keramik zusammengesetzt ist, wobei der säulenförmige Wabenstrukturabschnitt umfasst: eine Außenumfangswand; und poröse Trennwände, die an einer Innenseite der Außenumfangswand angeordnet sind, wobei die porösen Trennwände eine Vielzahl von Zellen definieren, wobei jede Zelle von einer Stirnfläche zu einer anderen Stirnfläche durchdringt, um einen Flusspfad zu bilden; und
- ein Paar von Metallanschlüssen, die angeordnet sind, über eine Mittelachse des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts zueinander zu zeigen, wobei jeder Metallanschluss über einen geschweißten Abschnitt an eine Oberfläche der elektrisch leitfähigen Wabenstruktur gebunden ist,
- wobei eine Scherspannung zwischen der elektrisch leitfähigen Wabenstruktur und jedem Metallanschluss 50 N oder mehr ist.
(3) Abgasreinigungsvorrichtung, umfassend: den elektrischen Heiztypträger nach (1) oder (2); und einen Büchsenkörper zum Halten des elektrischen Heiztypträgers.
(4) Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heiztypträgers, wobei der elektrische Heiztypträger umfasst:
- eine elektrisch leitfähige Wabenstruktur, die einen säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt umfasst, der aus leitfähiger Keramik zusammengesetzt ist, wobei der säulenförmige Wabenstrukturabschnitt umfasst: eine Außenumfangswand; und poröse Trennwände, die an einer Innenseite der Außenumfangswand angeordnet sind, wobei die porösen Trennwände eine Vielzahl von Zellen definieren, wobei jede Zelle von einer Stirnfläche zu einer anderen Stirnfläche durchdringt, um einen Flusspfad zu bilden; und
- ein Paar von Metallanschlüssen, die angeordnet sind, über eine Mittelachse des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts zueinander zu zeigen,
- das Verfahren umfassend die Schritte zum:
  - Anordnen jedes der Metallanschlüsse an einer Oberfläche der elektrisch leitfähigen Wabenstruktur;
  - Anwenden einer ersten Wärmeenergie auf jeden der Metallanschlüsse, um jeden der Metallanschlüsse zu schmelzen und zu verformen; und
  - Binden jedes der Metallanschlüsse an die Oberfläche der elektrisch leitfähigen Wabenstruktur, indem eine zweite Wärmeenergie, größer als die erste Wärmeenergie, angewendet wird, nach Schmelzen und Verformen des Metallanschlusses.
(5) Verbundkörper, umfassend:
- einen Körper, der aus leitfähiger Keramik zusammengesetzt ist; und Metallanschlüsse, die jeweils über einen geschweißten Abschnitt an eine Oberfläche des Körpers gebunden sind, um einer Oberflächenform des Körpers zu folgen.
(6) Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers, wobei der Verbundkörper umfasst: einen Körper, der aus leitfähiger Keramik zusammengesetzt ist; und Metallanschlüsse, die jeweils über einen geschweißten Abschnitt an eine Oberfläche des Körpers gebunden sind, um einer Oberflächenform des Körpers zu folgen, das Verfahren umfassend die Schritte zum:
- Anordnen jedes der Metallanschlüsse an einer Oberfläche des Körpers und Anwenden einer ersten Wärmeenergie auf jeden der Metallanschlüsse, um jeden der Metallanschlüsse zu schmelzen und zu verformen; und
- Binden jedes der Metallanschlüsse an die Oberfläche des Körpers, indem eine zweite Wärmeenergie, die größer als die erste Wärmeenergie ist, nach Schmelzen und Verformen des Metallanschlusses angewendet wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen elektrischen Heiztypträger, eine Abgasreinigungsvorrichtung, ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heiztypträgers, einen Verbundkörper und ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers bereitzustellen, die gute Verbundzuverlässigkeit zwischen einem Metallanschluss und einer Wabenstruktur aufweisen.
Figurenliste

1 ist eine schematische Querschnittsansicht nahe einem angebundenen Abschnitt zwischen einer Wabenstruktur und einem Metallanschluss zum Zeigen eines herkömmlichen Schweißverfahrens.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines elektrischen Heiztypträgers gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, die senkrecht zu einer Zellerstreckungsrichtung ist.
3 ist eine schematische äußere Ansicht einer Wabenstruktur gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines elektrischen Heiztypträgers gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung, die senkrecht zu einer Zellerstreckungsrichtung ist.
5 ist eine schematische Querschnittsansicht eines elektrischen Heiztypträgers gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung, die senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung einer Zelle ist.
6 ist eine schematische Querschnittsansicht eines elektrischen Heiztypträgers gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung, die senkrecht zu einer Zellerstreckungsrichtung ist.
7 ist eine schematische Ansicht, die jeden Modus von Laserschweißen zeigt, der für Beispiele 1 bis 4 und vergleichendes Beispiel 1 ausgeführt wird.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Hierin nachfolgend werden Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung ausdrücklich in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es ist zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsformen begrenzt ist und verschiedene Gestaltungsmodifizierungen und Verbesserungen basierend auf durchschnittlicher Kenntnis eines Fachkundigen angestellt werden können, ohne von dem Wesen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
<Ausführungsform 1>
(Elektrischer Heiztypträger)
2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines elektrischen Heiztypträgers 20 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, die senkrecht zu einer Zellerstreckungsrichtung ist. Der elektrische Heiztypträger 20 beinhaltet eine Wabenstruktur 10 und ein Paar von Metallanschlüssen 21a, 21b.
(Wabenstruktur)
3 ist eine schematische Außenansicht der Wabenstruktur 10 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. Die Wabenstruktur 10 ist mit einem säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt 11 bereitgestellt, der beinhaltet: eine Außenumfangswand 12; und poröse Trennwände 13, die an einer Innenseite der Außenumfangswand 12 angeordnet sind und eine Vielzahl von Zellen 15 definieren, die von einer Stirnfläche zu einer anderen Stirnfläche durchdringen, um Flusspfade zu bilden.
Eine Außenform des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts 11 ist nicht besonders begrenzt, solange sie säulenförmig ist. Zum Beispiel kann der Wabenstrukturabschnitt eine Form wie eine Säulenform mit runden Stirnflächen (Rundsäulenform) und eine Säulenform mit polygonalen (quadratischen, pentagonalen, hexagonalen, pentagonalen, oktogonalen, usw.) Stirnflächen aufweisen. Der säulenförmige Wabenstrukturabschnitt 11 weist bevorzugt eine Größe von jeder Stirnfläche von 2000 bis 20000 mm² und bevorzugter von 5000 bis 15000 mm² für den Zweck auf, Wärmewiderstandsfähigkeit zu verbessern (Risse zu vermeiden, die in einer umlaufenden Richtung in die Außenumfangswand dringen).
Der säulenförmige Wabenstrukturabschnitt 11 ist aus leitfähiger Keramik zusammengesetzt. Elektrische Resistivität der Keramik ist nicht besonders begrenzt, solange die Wabenstruktur 10 Wärme durch Joule-Wärme bei elektrischer Leitung erzeugen kann. Die elektrische Resistivität ist bevorzugt von 1 bis 200 Ωcm und bevorzugter von 10 bis 100 Ωcm. In der vorliegenden Erfindung ist die elektrische Resistivität des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts 11 ein Wert, der bei 400 °C durch ein Vier-Anschluss-Verfahren gemessen ist.
Beispiele der Keramik, die den säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt 11 bildet, beinhalten, sind aber nicht begrenzt auf, Oxidkeramik wie Tonerde, Mullit, Zirkonia und Cordierit, und Nicht-Oxidkeramik wie Siliziumkarbid, Siliziumnitrid und Aluminiumnitrid. Weiter kann auch ein Siliziumkarbid-metallisches Silizium-Kompositmaterial, ein Siliziumkarbid/Graphit-Kompositmaterial oder dergleichen verwendet werden. Unter denen, aus der Sicht von Kompatibilität von Wärmewiderstandsfähigkeit und Leitfähigkeit, basiert das Material des Wabenstrukturabschnitts 11 bevorzugt hauptsächlich auf einem Silizium-Siliziumkarbid-Kompositmaterial oder Siliziumkarbid und bevorzugter ist es ein Silizium-Siliziumkarbid-Kompositmaterial oder Siliziumkarbid. Die Phrase „das Material des Wabenstrukturabschnitts 11 basiert hauptsächlich auf einem Silizium-Siliziumkarbid-Komposit“ bedeutet, dass der säulenförmige Wabenstrukturabschnitt 11 90 Masseprozent oder mehr des Silizium-Siliziumkarbid-Kompositmaterials (Gesamtmasse) enthält, basierend auf der gesamten Wabenstruktur. Hier, für das Silizium-Siliziumkarbid-Kompositmaterial, enthält es Siliziumkarbidpartikel als ein Aggregat und Silizium als ein Bondingmaterial zum Bonden der Siliziumkarbidpartikel und eine Vielzahl von Siliziumkarbidpartikel sind durch Silizium gebondet, um Poren zwischen den Siliziumkarbidpartikeln zu bilden. Die Phrase „das Material des Wabenstrukturabschnitts 10 basiert hauptsächlich auf Siliziumkarbid“ bedeutet, dass der Wabenstrukturabschnitt 11 90 Masseprozent oder mehr Siliziumkarbid (Gesamtmasse) enthält, basierend auf der gesamten Wabenstruktur.
Wenn das Material des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts 11 das Silizium-Siliziumkarbid-Kompositmaterial ist, ist ein Verhältnis einer „Masse von Silizium als ein Bondingmaterial“, die in dem säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt 11 enthalten ist, zu dem Gesamten einer „Masse von Siliziumkarbidpartikeln als ein Aggregat“, die in dem säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt 11 enthalten ist, und einer „Masse von Silizium als ein Bondingmaterial“, die in dem säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt 11 enthalten ist, bevorzugt 10 bis 40 Masseprozent und bevorzugter 15 bis 35 Masseprozent. Wenn es 10 Masseprozent oder mehr sind, wird die Stärke des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts 11 ausreichend aufrechterhalten. Wenn es 40 Masseprozent oder weniger sind, wird die Form während Brennen leicht aufrechterhalten.
Eine Form jeder Zelle in einem Querschnitt senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung der Zellen 15 ist nicht begrenzt, ist aber bevorzugt ein Quadrat, ein Hexagon, ein Oktagon oder eine Kombination davon. Unter diesen sind das Quadrat und das Hexagon bevorzugt. Solch eine Zellenform kann zu einem verringerten Druckverlust beim Fließen eines Abgases durch die Wabenstruktur 10 führen, was in Verbesserung von Reinigungsleistung des Katalysators resultiert. Das Rechteck ist besonders im Sinne von leichtem Erzielen sowohl von struktureller Stärke als auch Erwärmungseinheitlichkeit bevorzugt.
Jede der Trennwände 13, die die Zellen 15 bilden, weist bevorzugt eine Dicke von 0,1 bis 0,3 mm und bevorzugter 0,15 bis 0,25 mm auf. Die Dicke jeder Trennwand 13 von 0,1 mm oder mehr kann eine Verringerung der Stärke der Wabenstruktur unterdrücken. Die Dicke jeder Trennwand 13 von 0,3 mm oder weniger kann eine Zunahme von Druckverlust beim Fließen eines Abgases unterdrücken, wenn die Wabenstruktur als ein Katalysatorträger verwendet wird und ein Katalysator darauf getragen wird. In der vorliegenden Erfindung ist die Dicke der Trennwand 13 als eine Länge eines Abschnitts definiert, der durch die Trennwand 13 geht, unter Liniensegmenten, die Schwerpunkte der angrenzenden Zellen 15 in einem Querschnitt senkrecht zu der Erstreckungsrichtung der Zellen 15 verbinden.
Die Wabenstruktur 10 weist bevorzugt eine Zelldichte von 40 bis 150 Zellen/cm² und bevorzugter von 70 bis 100 Zellen/cm² in einem Querschnitt senkrecht zu einer Flusspfadrichtung von Zellen 15 auf. Die Zelldichte in solch einer Spanne kann die Reinigungsleistung des Katalysators erhöhen, während der Druckverlust beim Fließen eines Abgases verringert wird. Falls die Zelldichte niedriger als 40 Zellen/cm² ist, kann ein Katalysatorstützbereich abnehmen. Falls die Zelldichte höher als 150 Zellen/cm² ist, kann ein Druckverlust beim Fließen eines Abgases erhöht werden, wenn die Wabenstruktur 10 als ein Katalysatorträger verwendet wird und ein Katalysator darauf getragen wird. Die Zelldichte ist ein Wert, der erhalten wird, indem die Zahl von Zellen durch ein Gebiet einer Stirnfläche des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts 11 geteilt wird, der die Außenumfangswand 12 ausschließt.
Die Bereitstellung der Außenumfangswand 12 der Wabenstruktur 10 ist in dem Sinne nützlich, die strukturelle Stärke der Wabenstruktur 10 sicherzustellen und ein Fluid, das durch die Zellen 15 fließt, daran zu hindern, aus der Außenumfangswand 12 auszulaufen. Genauer ist die Dicke der Außenumfangswand 12 bevorzugt 0,1 mm oder mehr und bevorzugter 0,15 mm oder mehr und noch bevorzugter 0,2 mm oder mehr. Jedoch, falls die Außenumfangswand 12 zu dick ist, wird die Stärke zu hoch, sodass ein Stärkegleichgewicht zwischen der Außenumfangswand und der Trennwand 13 verloren geht, um Wärmeschockwiderstandsfähigkeit zu verringern. Deshalb ist die Dicke der Außenumfangswand 12 bevorzugt 1,0 mm oder weniger und bevorzugter 0,7 mm oder weniger und noch bevorzugter 0,5 mm oder weniger. Wie hierin verwendet, ist die Dicke der Außenumfangswand 12 als eine Dicke der Außenumfangswand 12 in einer Richtung einer Normallinie zu einer Tangentiallinie bei einem Messpunkt definiert, wenn ein Abschnitt der Außenumfangswand 12, der einer Dickenmessung zu unterziehen ist, in einem Querschnitt senkrecht zu einer Zellerstreckungsrichtung beobachtet wird.
Die Trennwände 13 können porös sein. Eine Porosität der Trennwand 13 ist bevorzugt 35 bis 60 % und bevorzugter 35 bis 45 %. Die Porosität von 35 % oder mehr kann zu leichterer Unterdrückung von Verformung während Brennen führen. Die Porosität von 60 % oder weniger kann erlauben, dass die Stärke der Wabenstruktur ausreichend aufrechterhalten wird. Die Porosität ist ein Wert, der von einem Quecksilber-Porosimeter gemessen wird.
Die Trennwände 13 des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts 11 weisen bevorzugt einen Durchschnittsporendurchmesser von 2 bis 15 µm und bevorzugter von 4 bis 8 µm auf. Der Durchschnittsporendurchmesser von 2 µm oder mehr kann übermäßig hohe elektrische Resistivität verhindern. Der Durchschnittsporendurchmesser von 15 µm oder weniger kann übermäßig niedrige elektrische Resistivität verhindern. Der Durchschnittsporendurchmesser ist ein Wert, der von einem Quecksilber-Porosimeter gemessen wird.
Die Wabenstruktur 10 beinhaltet ein Paar von Elektrodenschichten 14a, 14b, die aus leitfähiger Keramik zusammengesetzt sind, die an der Oberfläche der Außenumfangswand 12 des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts 11 angeordnet sind, um über eine Mittelachse des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts 11 zueinander zu zeigen. Das Paar von Elektrodenschichten 14a und 14b beinhaltet geschweißte Abschnitte 17a beziehungsweise 17b.
Die Elektrodenschichten 14a, 14b können in einem nichtbegrenzenden Bereich gebildet sein. Im Sinne dessen, einheitliche Wärmeerzeugung des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts 11 zu verbessern, ist jede der Elektrodenschichten 14a, 14b bevorzugt bereitgestellt, um sich in einer Bandform in der umlaufenden Richtung und der Zellerstreckungsrichtung zu erstrecken. Genauer ist es wünschenswert, dass jede der Elektrodenschichten 14a, 14b sich über eine Länge von 80 % oder mehr und bevorzugt 90 % oder mehr und noch bevorzugter über die volle Länge zwischen beiden Stirnflächen des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts 11 erstreckt, aus der Sicht, dass ein Strom sich leicht in einer Achsrichtung jeder der Elektrodenschichten 14a, 14b verteilt.
Jede der Elektrodenschichten 14a, 14b weist bevorzugt eine Dicke von 0,01 bis 5 mm und bevorzugter von 0,01 bis 3 mm auf. Solch eine Spanne kann erlauben, dass einheitliche Wärmeerzeugung verbessert wird. Die Dicke jeder der Elektrodenschichten 14a, 14b von 0,01 mm oder mehr kann zu angemessener Steuerung von elektrischer Widerstandsfähigkeit führen, was in einheitlicher Wärmeerzeugung resultiert. Die Dicke jeder der Elektrodenschichten 14a, 14b von 5 mm oder weniger kann ein Bruchrisiko während Eindosen verringern. Die Dicke jeder der Elektrodenschichten 14a, 14b ist als eine Dicke in einer Richtung einer Normallinie zu einer Tangentiallinie bei einem Messpunkt an einer Außenfläche jeder der Elektrodenschichten 14a, 14b definiert, wenn der Punkt jeder Elektrodenschicht, die einer Dickenmessung zu unterziehen ist, in einem Querschnitt senkrecht zu der Zellerstreckungsrichtung beobachtet wird.
Die elektrische Resistivität jeder der Elektrodenschichten 14a, 14b ist niedriger als die elektrische Resistivität des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts 11, wodurch die Elektrizität dazu tendiert, bevorzugt zu den Elektrodenschichten zu fließen und die Elektrizität dazu tendiert, sich in der Zellflusspfadrichtung und der umlaufenden Richtung während elektrischer Leitung zu verteilen. Die elektrische Resistivität der Elektrodenschichten 14a, 14b ist bevorzugt 1/10 oder weniger und bevorzugter 1/20 oder weniger und noch bevorzugter 1/30 oder weniger der elektrischen Resistivität des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts 11. Jedoch, falls die Differenz in elektrischer Resistivität zwischen beiden zu groß wird, ist der Strom zwischen Enden der gegenüberliegenden Elektrodenschichten konzentriert, um die Wärme vorzuspannen, die in dem säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt erzeugt wird. Deshalb ist die elektrische Resistivität der Elektrodenschichten 14a, 14b bevorzugt 1/200 oder mehr und bevorzugter 1/150 oder mehr und noch bevorzugter 1/100 oder mehr der elektrischen Resistivität des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts 11. In der vorliegenden Erfindung ist die elektrische Resistivität der Elektrodenschichten 14a, 14b ein Wert, der bei 400 °C durch ein Vier-Anschluss-Verfahren gemessen wird.
Jede der Elektrodenschichten 14, 14b kann aus einem Metall und einer leitfähigen Keramik zusammengesetzt sein. Beispiele des Metalls beinhalten ein einzelnes Metall von Cr, Fe, Co, Ni, Si oder Ti oder eine Legierung, die mindestens ein Metall enthält, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus diesen Metallen. Nichtbegrenzende Beispiele der leitfähigen Keramik beinhalten Siliziumkarbid (SiC), Metallverbindungen wie Metallsilizide, wie Tantalsilizid (TaSi₂) und Chromsilizid (CrSi₂) und weiter ein Kompositmaterial (Cermet), das aus einer Kombination von einer oder mehreren der leitfähigen Keramiken und einem oder mehr der Metalle von oben besteht. Bestimmte Beispiele des Cermet beinhalten ein Kompositmaterial aus metallischem Silizium und Siliziumkarbid, ein Kompositmaterial aus metallischem Silizid, wie Tantalsilizid und Chromsilizid, metallischem Silizium und Siliziumkarbid und weiter einem Kompositmaterial, enthaltend, zusätzlich zu einem oder mehreren oben aufgezählten Metallen, eine oder mehrere isolierende Keramiken, wie Tonerde, Mullit Zirkonia, Cordierit, Siliziumnitrid und Aluminiumnitrid, im Sinne verringerter Wärmeausdehnung. Als das Material der Elektrodenschichten 14a, 14b, unter den verschiedenen Metallen und leitfähigen Keramiken wie oben beschrieben, ist eine Kombination eines Metallsilizids wie Tantalsilizid und Chromsilizid mit einem Kompositmaterial aus metallischem Silizium und Siliziumkarbid zu bevorzugen, weil sie gleichzeitig mit dem säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt gebrannt werden kann, was zur Vereinfachung der Herstellungsschritte beiträgt.
(Metallanschluss)
Das Paar von Metallanschlüssen 21a, 21b ist angeordnet, über die Mittelachse des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts 11 der Wabenstruktur 10 zueinander zu zeigen, und ist an dem Paar von Elektrodenschichten 14a beziehungsweise 14b bereitgestellt und ist elektrisch verbunden. Dementsprechend, da eine Spannung an die Metallanschlüsse 21a, 21b durch die Elektrodenschichten 14a, 14b angelegt wird, wird die Elektrizität durch die Metallanschlüsse 21a, 21b geleitet, um der Wabenstruktur 10 zu erlauben, Wärme durch Joule-Wärme zu erzeugen. Deshalb kann die Wabenstruktur 10 auch geeignet sein, als ein Heizgerät verwendet zu werden. Die angelegte Spannung ist bevorzugt 12 bis 900 V und bevorzugter 64 bis 600 V, obwohl die angelegte Spannung nach Bedarf geändert werden kann.
Das Paar von Metallanschlüssen 21a, 21b ist über geschweißte Abschnitte 17a beziehungsweise 17b an eine Oberfläche der Wabenstruktur 10 gebunden, um der Oberflächenform der Wabenstruktur 10 zu folgen. Wie hierin verwendet, bedeutet die Phrase „Paar von Metallanschlüssen 21a, 21b ist gebunden, um der Oberflächenform der Wabenstruktur 10 zu folgen“, dass es keinen Spalt an einer angebundenen Oberfläche zwischen der Oberfläche der Wabenstruktur 10 und jedem der Metallanschlüsse 21a, 21b gibt. Durch eine solche Konfiguration kann die Wärmeenergie, die an den Metallanschlüssen 21a, 21b angewendet wird, zufriedenstellend an die Wabenstruktur 10 übertragen werden, wenn die Metallanschlüsse 21a, 21b mittels Schweißen an die Oberfläche der Wabenstruktur 10 gebunden sind. Deshalb ist es möglich, nur die Metallanschlüsse 21a, 21b daran zu hindern, abnormal erwärmt und geschmolzen zu werden. Dementsprechend kann der elektrische Heiztypträger 20 erhalten werden, der gute Verbundzuverlässigkeit zwischen den Metallanschlüssen 21a, 21b und der Wabenstruktur 10 aufweist.
Eine Scherspannung zwischen der Wabenstruktur 10 und den Metallanschlüssen 21a, 21b ist 50N oder mehr. Solch eine Konfiguration kann zur Verbesserung von Verbundzuverlässigkeit zwischen den Metallanschlüssen 21a, 21b und der Wabenstruktur 10 führen. Die Scherspannung zwischen der Wabenstruktur 10 und den Metallanschlüssen 21a, 21b ist bevorzugt 50 bis 150N und bevorzugter 70 bis 130N. Zusätzlich kann die Scherspannung zwischen der Wabenstruktur 10 und den Metallanschlüssen 21a, 21b unter Verwendung eines Universalmaterialtesters 3300 (von Instron verfügbar) oder dergleichen und unter Bezug auf das Verfahren von JIS Z 2241 gemessen werden.
Das Material der Metallanschlüsse 21a, 21b ist nicht besonders begrenzt, solange es ein Metall ist, und es kann ein einzelnes Metall, eine Legierung oder dergleichen eingesetzt werden. Im Sinne von Korrosionswiderstandsfähigkeit, elektrischer Resistivität und linearem Ausdehnungskoeffizienten zum Beispiel, ist das Material bevorzugt eine Legierung, die mindestens eines enthält, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Cr, Fe, Co, Ni und Ti und bevorzugter rostfreiem Stahl und Fe-Ni-Legierungen. Die Form und Größe von jedem der Metallanschlüsse 21a, 21b sind nicht besonders begrenzt und sie können gemäß der Größe des elektrischen Heiztypträgers 20, der elektrischen Leitungsleistung und dergleichen angemessen gestaltet werden.
Die Metallanschlüsse 21a, 21b sind mit den Elektrodenschichten 14a beziehungsweise 14b über einen oder mehrere geschweißte Abschnitte 17a, 17b gebunden. Eine Verringerung eines geschweißten Gebiets von jedem der geschweißten Abschnitte 17a, 17b kann Rissbildung und Ablösen aufgrund einer Differenz von Wärmeausdehnung unterdrücken. Genauer ist das geschweißte Gebiet von jedem der geschweißten Abschnitte 17a, 17b pro Abschnitt bevorzugt 50 mm² oder weniger und bevorzugter 45 mm² oder weniger und noch bevorzugter 40 mm² oder weniger und noch bevorzugter 30 mm² oder weniger. Falls jedoch das geschweißte Gebiet von jedem der geschweißten Abschnitte 17a, 17b pro einem Abschnitt übermäßig klein ist, kann die Verbundstärke nicht sichergestellt werden. Deshalb ist es bevorzugt 2 mm² oder mehr und bevorzugter 3 mm² oder mehr und noch bevorzugter 4 mm² oder mehr.
Zwei oder mehr geschweißte Abschnitte 17a, 17b sind bevorzugt gebildet, um den gesamten geschweißten Bereich zu erhöhen, wodurch die Verbundstärke zunimmt, obwohl sie von der Größe der Metallanschlüsse 21a, 21b abhängt. Genauer ist der gesamte geschweißte Bereich von einem oder mehr geschweißten Abschnitten pro jedem Metallanschluss bevorzugt 2 mm² oder mehr und bevorzugter 3 mm² oder mehr und noch bevorzugter 4 mm² oder mehr. Andererseits, falls der gesamte geschweißte Bereich übermäßig groß ist, tendiert die Wärmeschockwiderstandsfähigkeit dazu, schlechter zu werden. Deshalb ist, im Sinne einer Sicherstellung der Wärmeschockwiderstandsfähigkeit, der gesamte geschweißte Bereich von einem oder zwei oder mehr geschweißten Abschnitten 17a, 17b pro jedem Metallanschluss bevorzugt 120 mm² oder weniger und bevorzugter 110 mm² oder weniger und noch bevorzugter 100 mm² oder weniger.
Wenn zwei oder mehr geschweißte Abschnitte 17a, 17b für jeden Metallanschluss bereitgestellt sind, ist es bevorzugt, dass ein Abstand zwischen angrenzenden geschweißten Abschnitten im Sinne einer Erhöhung der Verbundstärke bis zu einem gewissen Grad oder mehr, abhängig von den geschweißten Bereichen der geschweißten Abschnitte, beibehalten wird, während die Wärmeschockwiderstandsfähigkeit sichergestellt wird. Es gibt kein besonderes Problem, selbst falls der Abstand zwischen den geschweißten Abschnitten größer ist, und der Abstand kann angemessen unter Berücksichtigung der Größe von jedem Metallanschluss eingestellt werden.
Es ist bevorzugt, eine Vielzahl von Positionen zu haben, wo geschweißte Tiefen tiefer als jene anderer Positionen in den geschweißten Abschnitten 17a, 17b sind. Die Verbundstärke zwischen den Metallanschlüssen 21a, 21b und der Wabenstruktur 10 ist größer, wenn die geschweißten Tiefen in den geschweißten Abschnitten 17a, 17b daher tiefer als die anderen Abschnitte sind, als wenn die geschweißten Abschnitte einheitlich sind. Als eine solche Konfiguration können zum Beispiel die Abschnitte, wo die geschweißten Tiefen tiefer als die der anderen Abschnitte sind, in einer Form gebildet sein, die tief in die geschweißten Abschnitte 17a, 17b sticht, um keilförmig zu sein. Die geschweißte Tiefe ist nicht besonders begrenzt und kann angemessen unter Berücksichtigung der Größe von jedem der Metallanschlüsse 21a, 21b und der Wabenstruktur 10 eingestellt werden.
Da der Katalysator auf dem elektrischen Heiztypträger 20 getragen wird, kann der elektrische Heiztypträger 20 als ein Katalysator verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Fluid, wie ein Abgas von einem Kraftfahrzeug, durch die Flusspfade der Vielzahl von Zellen 15 fließen. Beispiele des Katalysators beinhalten Edelmetallkatalysatoren oder andere als diese Katalysatoren. Veranschaulichende Beispiele der Edelmetallkatalysatoren beinhalten einen Dreiwegekatalysator und einen Oxidationskatalysator, die erhalten werden, indem ein Edelmetall wie Platin (Pt), Palladium (Pd) und Rhodium (Rh) an Oberflächen von Poren von Tonerde getragen werden, und beinhalten einen Co-Katalysator, wie Ceroxyd und Zirkonia, oder einen Magerstickoxidfangkatalysator (LNT-Katalysator, Lean Nitrogen oxides Trap), der ein Alkalierdmetall und Platin als Speicherkomponenten für Stickoxide (NOx) enthält. Veranschaulichende Beispiele eines Katalysators, der das Edelmetall nicht verwendet, beinhalten einen NOx-selektiven katalytischen Reduktionskatalysator (SCR-Katalysator, Selective Catalytic Reduction), der ein kupfersubstituiertes oder eisensubstituiertes Zeolith enthält, und dergleichen. Weiter können zwei oder mehr Katalysatoren ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus diesen Katalysatoren, verwendet werden. Ein Verfahren zum Tragen des Katalysators ist nicht besonders begrenzt und kann gemäß einem herkömmlichen Verfahren zum Tragen des Katalysators auf der Wabenstruktur ausgeführt werden.
(Verfahren zur Herstellung vom elektrischen Heiztypträger)
Ein Verfahren zur Herstellung des elektrischen Heiztypträgers 20 gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun veranschaulichend beschrieben. In einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren zur Herstellung des elektrischen Heiztypträgers 20 gemäß der vorliegenden Erfindung: einen Schritt A1 zum Erhalten eines ungebrannten Wabenstrukturabschnitts mit einer Elektrodenschichtbildungspaste; einen Schritt A2 zum Brennen des ungebrannten Wabenstrukturabschnitts mit der Elektrodenschichtbildungspaste, um eine Wabenstruktur zu bilden; und einen Schritt A3 zum Schweißen von Metallanschlüssen an die Wabenstruktur.
Der Schritt A1 ist, einen wabengebildeten Körper vorzubereiten, der ein Vorprodukt des Wabenstrukturabschnitts ist, und eine Elektrodenschichtbildungspaste auf eine Seitenoberfläche des wabengebildeten Körpers aufzubringen, um einen ungebrannten Wabenstrukturabschnitt mit der Elektrodenschichtbildungspaste zu erhalten. Die Vorbereitung des wabengebildeten Körpers kann in Übereinstimmung mit einem Verfahren zum Vorbereiten eines wabengebildeten Körpers in einem bekannten Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur ausgeführt werden. Zum Beispiel wird zuerst ein Bildungsmaterial vorbereitet, indem metallisches Siliziumpulver (metallisches Silizium), ein Bindemittel, (ein) Tensid(e), ein Porenbildner, Wasser und dergleichen zu Siliziumkarbidpulver (Siliziumkarbid) hinzugefügt werden. Es wird bevorzugt, dass eine Masse von metallischem Silizium von 10 bis 40 Masseprozent relativ zu der gesamten Masse von Siliziumkarbidpulver und Masse von metallischem Silizium ist. Der Durchschnittspartikeldurchmesser der Siliziumkarbidpartikel in dem Siliziumkarbidpulver ist bevorzugt 3 bis 50 µm und bevorzugter 3 bis 40 µm. Der Durchschnittspartikeldurchmesser des metallischen Siliziums (das metallische Siliziumpulver) ist bevorzugt 2 bis 35 µm. Der Durchschnittspartikeldurchmesser von jedem der Siliziumkarbidpartikel und dem metallischen Silizium (metallische Siliziumpartikel) bezieht sich auf einen arithmetischen Durchschnittsdurchmesser auf Volumenbasis, wenn Frequenzverteilung der Partikelgröße durch das Laserdiffraktionsverfahren gemessen wird. Die Siliziumkarbidpartikel sind feine Partikel von Siliziumkarbid, die das Siliziumkarbidpulver bilden, und die metallischen Siliziumpartikel sind feine Partikel von metallischem Silizium, die das metallische Siliziumpulver bilden. Es sollte festgehalten werden, dass dies eine Formulierung für Bildungsrohmaterialien in dem Fall ist, wo das Material des Wabenstrukturabschnitts das Silizium-Siliziumkarbid-Kompositmaterial ist. In dem Fall, wo das Material des Wabenstrukturabschnitts Siliziumkarbid ist, wird kein metallisches Silizium hinzugefügt.
Beispiele des Bindemittels beinhalten Methylzellulose, Hydroxypropylmethylzellulose, Hydroxypropoxylzellulose, Hydroxyethylzellulose, Carboxymethylzellulose, Polyvinylalkohol und dergleichen. Unter diesen wird bevorzugt, Methylzellulose in Kombination mit Hydroxypropoxylzellulose zu verwenden. Der Inhalt des Bindemittels ist bevorzugt 2,0 bis 10,0 Masseteile, wenn die gesamte Masse des Siliziumkarbidpulvers und des metallischen Siliziumpulvers 100 Masseteile ist.
Der Wassergehalt ist bevorzugt 20 bis 60 Masseteile, wenn die gesamte Masse des Siliziumkarbidpulvers und des metallischen Siliziumpulvers 100 Masseteile ist.
Das Tensid das verwendet werden kann, beinhaltet Ethylenglycol, Dextrin, Fettsäureseifen, Polyalkohol und dergleichen. Diese können allein oder in Kombination von zwei oder mehr verwendet werden. Der Gehalt des Tensids ist bevorzugt 0,1 bis 2,0 Masseteile, wenn die gesamte Masse des Siliziumkarbidpulvers und des metallischen Siliziumpulvers 100 Masseteile ist.
Der Porenbildner ist nicht besonders begrenzt, solange der Porenbildner selbst Poren nach Brennen bildet, beinhaltend zum Beispiel Graphit, Stärke, geschäumte Harze, wasserabsorbierende Harze, Silicagel und dergleichen. Der Gehalt des Porenbildners ist bevorzugt 0,5 bis 10,0 Masseteile, wenn die gesamte Masse des Siliziumkarbidpulvers und des metallischen Siliziumpulvers 100 Masseteile ist. Ein Durchschnittspartikeldurchmesser des Porenbildners ist bevorzugt 10 bis 30 µm. Falls der Durchschnittspartikeldurchmesser weniger als 10 µm ist, können Poren nicht ausreichend gebildet werden. Falls der Durchschnittspartikeldurchmesser mehr als 30 µm ist, kann ein Werkzeug während Bildung verstopft werden. Der Durchschnittspartikeldurchmesser des Porenbildners bezieht sich auf einen arithmetischen Durchschnittsdurchmesser auf Volumenbasis, wenn Frequenzverteilung der Partikelgröße durch das Laserdiffraktionsverfahren gemessen wird. Wenn der Porenbildner das wasserabsorbierende Harz ist, ist der Durchschnittspartikeldurchmesser des Porenbildners ein Durchschnittspartikeldurchmesser nach Wasserabsorption.
Dann werden die resultierenden Bildungsrohmaterialien geknetet, um einen Rohkörper zu bilden und der Rohkörper wird dann extrudiert, um eine Wabenstruktur vorzubereiten. Beim Extrusionsguss kann ein Werkzeug, das eine gewünschte Gesamtform, Zellform, Trennwanddicke, Zelldichte und dergleichen aufweist, verwendet werden. Bevorzugt wird die resultierende Wabenstruktur dann getrocknet. Wenn die Länge in der Mittelachsenrichtung der Wabenstruktur nicht die gewünschte Länge ist, können beide der Stirnflächen der Wabenstruktur auf die gewünschte Länge geschnitten werden. Die Wabenstruktur nach Trocknen wird als ein getrockneter Wabenkörper bezeichnet.
Die Elektrodenschichtbildungspaste zum Bilden von Elektrodenschichten wird dann vorbereitet. Die Elektrodenschichtbildungspaste kann gebildet werden, indem angemessen verschiedene Additive zu Rohmaterialpulver (Metallpulver, Keramikpulver und dergleichen) hinzugefügt und geknetet werden, die gemäß benötigten Eigenschaften der Elektrodenschichten formuliert sind. Wenn jede Elektrodenschicht als eine aufgeschichtete Struktur gebildet wird, wird die Verbundstärke tendenziell zwischen jedem Metallanschluss und jeder Elektrodenschicht verbessert, indem ein Durchschnittspartikeldurchmesser des Metallpulvers in der Paste für die zweite Elektrodenschicht erhöht wird, verglichen mit einem Durchschnittspartikeldurchmesser des Metallpulvers in der Paste für die erste Elektrodenschicht. Der Durchschnittspartikeldurchmesser des Metallpulvers bezieht sich auf einen arithmetischen Durchschnittsdurchmesser auf Volumenbasis, wenn Frequenzverteilung des Partikeldurchmessers durch das Laserdiffraktionsverfahren gemessen wird.
Die resultierende Elektrodenschichtbildungspaste wird auf die Seitenoberfläche des wabengebildeten Körpers (typischerweise der getrocknete Wabenkörper) aufgebracht, um einen ungebrannten Wabenstrukturabschnitt mit einer Elektrodenschichtbildungspaste zu erhalten. Das Verfahren zum Vorbereiten der Elektrodenschichtbildungspaste und das Verfahren zum Aufbringen der Elektrodenschichtbildungspaste auf den wabengebildeten Körper können gemäß einem bekannten Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur durchgeführt werden. Jedoch, um niedrigere elektrische Resistivität zu erzielen, ist es möglich, ein Metallgehaltverhältnis zu erhöhen oder den Partikeldurchmesser der Metallpartikel verglichen mit dem Wabenstrukturabschnitt zu verringern.
Als eine Variation des Verfahrens zur Herstellung der Wabenstruktur kann in dem Schritt A1 der wabengebildete Körper vorübergehend gebrannt werden, bevor die Elektrodenschichtbildungspaste aufgebracht wird. Das heißt, in dieser Variation wird der wabengebildete Körper gebrannt, um einen gebrannten Wabenkörper herzustellen und die gebrannte Elektrodenpaste wird auf den gebrannten Wabenkörper aufgebracht.
In dem Schritt A2 wird der ungebrannte Wabenstrukturabschnitt mit der Elektrodenschichtbildungspaste gebrannt, um eine Wabenstruktur zu erhalten. Vor Brennen kann die ungebrannte Wabenstruktur mit der Elektrodenschichtbildungspaste getrocknet werden. Außerdem kann vor Brennen Entfettung ausgeführt werden, um das Bindemittel und dergleichen zu entfernen. Als die Brennbedingungen wird die ungebrannte Wabenstruktur bevorzugt in einer Inertatmosphäre, wie Stickstoff oder Argon, 1 bis 20 Stunden bei 1400 bis 1500 °C erwärmt. Nach Brennen wird eine Oxidationsbehandlung bevorzugt 1 bis 10 Stunden bei 1200 bis 1350 °C ausgeführt, um Haltbarkeit zu verbessern. Die Verfahren zum Entfetten und Brennen sind nicht besonders begrenzt und sie können unter Verwendung eines Elektroofens, eines Gasofens oder dergleichen ausgeführt werden.
In dem Schritt A3 wird ein Paar von Metallanschlüssen an die Oberflächen der Elektrodenschichten der Wabenstruktur geschweißt. Ein bevorzugtes Schweißverfahren kann Laserschweißen von der Metallanschlussseite im Sinne von Steuerung des geschweißten Gebiets und Herstellungseffizienz sein. In diesem Fall wird das Laserschweißen insgesamt zweimal ausgeführt, indem es in eine vorige Stufe und eine nachfolgende Stufe getrennt wird. Genauer wird eine erste Wärmeenergie zuerst auf die Metallanschlüsse durch einen Laser angewendet, um die Metallanschlüsse zu schmelzen und zu verformen, um der Oberflächenform der Wabenstruktur zu folgen. Beispiele des Laserschweißens beinhalten Laser-Screw-Welding und dergleichen. Gemäß dem Laser-Screw-Welding kann der Laser kreisförmig abgetastet werden, um Ablauf eines Schmelzens des Metallanschlusses zu steuern. Deshalb, selbst falls es einen Spalt bei einer Grenzfläche zwischen der Oberfläche jeder Elektrodenschicht und jedem Metallanschluss aufgrund von Verarbeitungsgenauigkeit oder dergleichen gibt, kann der Spalt komplett durch Schmelzen und Verformen der Metallanschlüsse gefüllt werden. Obwohl ein Ausmaß von Schmelzen und Verformen der Metallanschlüsse durch die erste Wärmeenergie des Lasers nicht besonders begrenzt ist, können 50 % oder weniger der Dicke von jedem Metallanschluss geschmolzen werden. Das Ausmaß von Schmelzen und Verformen der Metallanschlüsse kann angemessen gestaltet sein, wie unten veranschaulicht. Hier wird angenommen, dass es einen Spalt von 0,1 mm bei der Grenzfläche zwischen der Oberfläche jeder Elektrodenschicht und jedem Metallanschluss gibt und die Dicke von jedem Metallanschluss 0,4 mm ist. In diesem Fall wird die erste Laserenergie angewendet, um das Laserschweißen der vorigen Stufe auszuführen, sodass das Ausmaß von Schmelzen und Verformen der Metallanschlüsse etwa 25 % der Dicke ist. Dann kann ein Spalt (0,4 mm x 25 % = 0,1 mm) gefüllt werden.
Nachfolgend, nachdem die Metallanschlüsse geschmolzen und verformt sind, wird eine zweite Wärmeenergie, die größer als die erste Wärmeenergie ist, durch einen Laser angewendet, um die Metallanschlüsse an die Oberfläche der Wabenstruktur zu binden. In diesem Fall, da der Spalt bei der Grenzfläche zwischen der Oberfläche jeder Elektrodenschicht und jedem Metallanschluss bereits komplett durch das Laserschweißen der vorigen Stufe gefüllt wurde, können die Metallanschlüsse direkt ohne irgendeinen Spalt aneinandergebunden werden, d.h., um der Oberflächenform der Wabenstruktur zu folgen. Infolgedessen ist es möglich, einen elektrischen Heiztypträger bereitzustellen, der gute Verbundzuverlässigkeit zwischen jedem Metallanschluss und der Wabenstruktur aufweist.
Weiter werden gemäß solch einem Schweißverfahren die Metallanschlüsse durch das Laserschweißen der vorigen Stufe geschmolzen und verformt, um den Spalt bei der Grenzfläche zwischen der Oberfläche jeder Elektrodenschicht und jedem Metallanschluss zu füllen. Deshalb kann ungeachtet der Form der Oberfläche jeder Elektrodenschicht (die Oberfläche der Wabenstruktur) oder der Form des Spalts bei der Grenzfläche zwischen der Oberfläche jeder Elektrodenschicht und jedem Metallanschluss, der Spalt leicht gefüllt werden. Darüber hinaus können, indem einfach ein Laserausgang während des Laserschweißens gestaltet wird, die Metallanschlüsse leicht geschmolzen und verformt werden, um den Spalt bei der Grenzfläche zwischen der Oberfläche jeder Elektrodenschicht und jedem Metallanschluss zu füllen, ungeachtet der Dicke jedes Metallanschlusses.
Der Laserausgang in dem Laserschweißen von oben bei der vorigen Stufe kann zum Beispiel 20 bis 100 W/mm² sein, obwohl er von den Materialien und Dicken der Metallanschlüsse abhängt. Weiter kann der Laserausgang des Laserschweißens bei der nachfolgenden Stufe zum Beispiel 150 bis 400 W/mm² sein, obwohl er von den Materialien und Dicken der Metallanschlüsse abhängt.
<Ausführungsform 2>
4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines elektrischen Heiztypträgers 40 gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung, die senkrecht zu der Zellerstreckungsrichtung ist. Wie in 4 gezeigt, kann der elektrische Heiztypträger 40 gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung sich von dem elektrischen Heiztypträger 20 gemäß Ausführungsform 1 darin unterscheiden, dass der elektrische Heiztypträger 40 weiter ein Paar von Schweißbasisschichten 16a, 16b, die aus leitfähiger Keramik zusammengesetzt sind, zwischen den Elektrodenschichten 14a, 14b beziehungsweise den Metallanschlüssen 21a, 21b beinhaltet. Eine Schweißbasisschicht 16a des Paares von Schweißbasisschichten 16a, 16b ist bereitgestellt, um über die Mittelachse des säulenförmigen Strukturabschnitts 11 zu der anderen Schweißbasisschicht 16b zu zeigen. Das Paar von Schweißbasisschichten 16a, 16b beinhaltet die geschweißten Abschnitte 17a beziehungsweise 17b.
Die Schweißbasisschichten 16a, 16b dienen als Basen zum Laserschweißen beim Anbinden an die Metallanschlüsse 21a, 21b. Bevorzugt weisen sie eine Funktion als Spannungsrelaxationsschichten auf. Das heißt, wenn eine Differenz in einem linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Elektrodenschichten 14a, 14b und den Metallschichten 21a, 21b größer ist, kann Klappern in den Elektrodenschichten 14a, 14b aufgrund von Wärmespannung erzeugt werden. Deshalb wird bevorzugt, dass die Schweißbasisschichten 16a, 16b eine Funktion aufweisen, die Wärmespannung zu mildern, die von der Differenz des linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Elektrodenschichten 14a, 14b und den Metallanschlüssen 21a, 21b verursacht wird. Dies kann verhindern, dass es in den Elektrodenschichten 14a, 14b zum Zeitpunkt des Schweißens der Metallanschlüsse 21a, 21b an die Elektrodenschichten 14a, 14b oder aufgrund wiederholter Ermüdung des Wärmezyklus zu Rissbildung kommt.
Die Schweißbasisschichten 16a, 16b sind aus leitfähiger Keramik zusammengesetzt. Beispiele der leitfähigen Keramik beinhalten, sind aber nicht begrenzt auf, Siliziumkarbid (SiC), Metallverbindungen wie Metallsilizide, wie Tantalsilizid (TaSi₂) und Chromsilizid (CrSi₂), und Kompositmaterialien (Cermet), die eine Kombination von einer oder mehreren der leitfähigen Keramiken und einem oder mehreren der Metalle von oben enthalten. Bestimmte Beispiele des Cermet beinhalten ein Kompositmaterial von metallischem Silizium und Siliziumkarbid, ein Kompositmaterial aus metallischem Silizid, wie Tantalsilizid und Chromsilizid, metallischem Silizium und Siliziumkarbid, und ein Kompositmaterial, das zusätzlich zu dem einen oder den mehreren Metallen von oben eine oder mehrere isolierende Keramiken enthält, wie Tonerde, Mullit, Zirkonia, Cordierit, Siliziumnitrid und Aluminiumnitrid, im Sinne von Reduktion von Wärmeausdehnung. Das Material der Schweißbasisschichten 16a, 16b kann bevorzugt eine Kombination eines Metallsilizids, wie Tantalsilizid und Chromsilizid mit einem Kompositmaterial aus metallischem Silizium und Siliziumkarbid, unter den verschiedenen leitfähigen Keramiken, wie oben beschrieben, sein, da es gleichzeitiges Brennen mit dem Wabenstrukturabschnitt erlauben kann, sodass es zur Vereinfachung der Herstellungsschritte beitragen kann.
In Ausführungsform 1 wurde der ungebrannte Wabenstrukturabschnitt mit der Elektrodenschichtbildungspaste vorbereitet und gebrannt, um die Wabenstruktur herzustellen. Zu diesem Zeitpunkt wird in Ausführungsform 2 auch eine Schweißbasisschichtbildungspaste zu demselben Zeitpunkt gebildet und ein ungebrannter Wabenstrukturabschnitt mit einer Schweißbasisschichtbildungspaste und einer Elektrodenschichtbildungspaste kann hergestellt und gebrannt werden, um eine Wabenstruktur zu bilden.
In Ausführungsform 2 wird ein Paar von Metallanschlüssen an die Oberflächen der Schweißbasisschichten der Wabenstruktur geschweißt. Das Schweißverfahren kann dasselbe wie das von Ausführungsform 1 sein und Laserschweißen wird insgesamt zweimal ausgeführt, indem es in eine vorige Stufe und eine nachfolgende Stufe getrennt wird. Genauer wird eine erste Wärmeenergie zuerst auf die Metallanschlüsse durch Laser-Screw-Welding oder dergleichen angewendet, um die Metallanschlüsse zu schmelzen und zu verformen, um der Oberflächenform jeder Schweißbasisschicht zu folgen. Nachfolgend, nach Schmelzen und Verformen der Metallanschlüsse, wird eine zweite Wärmeenergie, größer als die erste Wärmeenergie, von einem Laser angewendet, um die Metallanschlüsse an die Oberflächen der Schweißbasisschichten zu binden. In diesem Fall, da ein Spalt bei einer Grenzfläche zwischen der Oberfläche jeder Schweißbasisschicht und jedem Metallanschluss bereits durch das Laserschweißen der vorigen Stufe komplett gefüllt wurde, können die Metallanschlüsse direkt ohne irgendeinen Spalt aneinandergebunden werden, d.h., um der Oberflächenform der Wabenstruktur zu folgen. Infolgedessen ist es möglich, einen elektrischen Heiztypträger bereitzustellen, der gute Verbundzuverlässigkeit zwischen den Metallanschlüssen und der Wabenstruktur aufweist.
<Ausführungsform 3>
5 ist eine schematische Querschnittsansicht eines elektrischen Heiztypträgers 50 gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung, die senkrecht zu der Zellerstreckungsrichtung ist. Wie in 5 gezeigt, unterscheidet der elektrische Heiztypträger 50 gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung sich von dem elektrischen Heiztypträger 40 gemäß Ausführungsform 2 darin, dass der erstgenannte die Elektrodenschichten 14a, 14b nicht beinhaltet. Ein Paar von Schweißbasisschichten 16a, 16b weist geschweißte Abschnitte 17a beziehungsweise 17b auf.
Der elektrische Heiztypträger 50 gemäß Ausführungsform 3 beinhaltet keine Elektrodenschicht und die Schweißbasisschichten 16a, 16b, die an dem säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt 11 bereitgestellt sind, sind ohne irgendeinen Spalt an die Metallanschlüsse 21a beziehungsweise 21b gebunden. Das heißt, die Metallanschlüsse 21a, 21b sind aneinandergebunden, um der Oberflächenform der Wabenstruktur 10 des elektrischen Heiztypträgers 50 zu folgen.
In Ausführungsform 1 wurde die ungebrannte Wabenstruktur mit der Elektrodenschichtbildungspaste vorbereitet und gebrannt, um eine Wabenstruktur herzustellen. Zu diesem Zeitpunkt ist in Ausführungsform 3 die Elektrodenschichtbildungspaste nicht gebildet und ein ungebrannter Wabenstrukturabschnitt mit der Schweißbasisschichtbildungspaste ist vorbereitet und gebrannt, um eine Wabenstruktur herzustellen.
In Ausführungsform 3 wird ein Paar von Metallanschlüssen an die Oberflächen der Schweißbasisschichten der Wabenstruktur geschweißt. Das Schweißverfahren kann dasselbe wie das von Ausführungsform 1 sein und Laserschweißen wird insgesamt zweimal ausgeführt, indem es in eine vorige Stufe und eine nachfolgende Stufe getrennt wird. Genauer wird eine erste Wärmeenergie zuerst auf die Metallanschlüsse durch Laser-Screw-Welding angewendet, um die Metallanschlüsse zu schmelzen und zu verformen, um der Oberflächenform jeder Schweißbasisschicht zu folgen. Nachfolgend, nach Schmelzen und Verformen der Metallanschlüsse, wird eine zweite Wärmeenergie, größer als die erste Wärmeenergie, von einem Laser angewendet, um die Metallanschlüsse an die Oberflächen der Schweißbasisschichten zu binden. In diesem Fall, da ein Spalt bei einer Grenzfläche zwischen der Oberfläche jeder Schweißbasisschicht und jedem Metallanschluss bereits durch das Laserschweißen der vorigen Stufe komplett gefüllt wurde, können die Metallanschlüsse direkt ohne irgendeinen Spalt aneinandergebunden werden, d.h., um der Oberflächenform der Wabenstruktur zu folgen. Infolgedessen ist es möglich, einen elektrischen Heiztypträger bereitzustellen, der gute Verbundzuverlässigkeit zwischen den Metallanschlüssen und der Wabenstruktur aufweist.
<Ausführungsform 4>
6 ist eine schematische Querschnittansicht eins elektrischen Heiztypträgers 60 gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung, die senkrecht zu der Zellerstreckungsrichtung ist. Wie in 6 gezeigt, unterscheidet sich der elektrische Heiztypträger 60 gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung von dem elektrischen Heiztypträger 50 gemäß Ausführungsform 3 darin, dass erstgenannter die Schweißbasisschichten 16a, 16b nicht beinhaltet. Der säulenförmige Wabenstrukturabschnitt 11 beinhaltet geschweißte Abschnitte 17a, 17b.
Der elektrische Heiztypträger 60 gemäß Ausführungsform 4 beinhaltet keine Elektrodenschicht und jede Schweißbasisschicht und der säulenförmige Wabenstrukturabschnitt 11 sind ohne irgendeinen Spalt an die Metallanschlüsse 21a beziehungsweise 21b gebunden. Das heißt, die Metallanschlüsse 21a, 21b sind aneinandergebunden, um der Oberflächenform der Wabenstruktur 10 des elektrischen Heiztypträgers 60 zu folgen.
In Ausführungsform 1 wurde der ungebrannte Wabenstrukturabschnitt mit der Elektrodenschichtbildungspaste vorbereitet und gebrannt, um die Wabenstruktur herzustellen. Zu diesem Zeitpunkt ist in Ausführungsform 4 die Elektrodenschichtbildungspaste nicht gebildet und nur ein ungebrannter Wabenstrukturabschnitt ist vorbereitet und gebrannt, um eine Wabenstruktur herzustellen.
In Ausführungsform 4 wird ein Paar von Metallanschlüssen an die Oberfläche des Wabenstrukturabschnitts der Wabenstruktur geschweißt. Das Schweißverfahren kann dasselbe wie das von Ausführungsform 1 sein und Laserschweißen wird insgesamt zweimal ausgeführt, indem es in eine vorige Stufe und eine nachfolgende Stufe getrennt wird. Genauer wird eine erste Wärmeenergie zuerst auf die Metallanschlüsse durch Laser-Screw-Welding angewendet, um die Metallanschlüsse zu schmelzen und zu verformen, um der Oberflächenform der Wabenstruktur zu folgen. Nachfolgend, nach Schmelzen und Verformen der Metallanschlüsse, wird eine zweite Wärmeenergie, größer als die erste Wärmeenergie, von einem Laser angewendet, um die Metallanschlüsse an die Oberflächen der Wabenstruktur zu binden. In diesem Fall, da ein Spalt bei einer Grenzfläche zwischen der Oberfläche eines Wabenstrukturabschnitts und jedem Metallanschluss bereits durch das Laserschweißen der vorigen Stufe komplett gefüllt wurde, können die Metallanschlüsse direkt ohne irgendeinen Spalt aneinandergebunden werden, d.h., um der Oberflächenform der Wabenstruktur zu folgen. Infolgedessen ist es möglich, einen elektrischen Heiztypträger bereitzustellen, der gute Verbundzuverlässigkeit zwischen den Metallanschlüssen und der Wabenstruktur aufweist.
(Abgasreinigungsvorrichtung)
Jeder der elektrischen Heiztypträger gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung von oben kann für eine Abgasreinigungsvorrichtung verwendet werden. Die Abgasreinigungsvorrichtung beinhaltet den elektrischen Heiztypträger und einen Büchsenkörper zum Halten des elektrischen Heiztypträgers. In der Abgasvorrichtung kann der elektrische Heiztypträger in einem Abgasflusspfad installiert sein, um einem Abgas von einem Motor zu erlauben, zu fließen. Als der Büchsenkörper kann ein röhrenförmiges Metallbauteil oder dergleichen zum Beherbergen des elektrischen Heiztypträgers verwendet werden.
<Ausführungsform 5>
In Ausführungsform 5 bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Verbundkörper, der beinhaltet: einen Körper, der aus leitfähiger Keramik zusammengesetzt ist; und Metallanschlüsse, die über geschweißte Abschnitte an eine Oberfläche des Körpers gebunden sind, um einer Oberflächenform des Körpers zu folgen. Der Körper, der aus der leitfähigen Keramik zusammengesetzt ist, kann eine beliebige Form und Größe aufweisen. Als die leitfähige Keramik und die Metallanschlüsse können dieselben Materialien wie die oben beschriebenen verwendet werden.
In dem Verbundkörper gemäß Ausführungsform 5 sind die Metallanschlüsse über geschweißte Abschnitte an die Oberfläche des Körpers gebunden, um der Oberflächenform des Körpers zu folgen, der aus der leitfähigen Keramik zusammengesetzt ist, was in guter Verbundzuverlässigkeit zwischen dem Körper, der aus der leitfähigen Keramik zusammengesetzt ist, und den Metallanschlüssen resultiert.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung des Verbundkörpers gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung beschrieben. Zuerst werden Metallanschlüsse an der Oberfläche des Körpers platziert, der aus leitfähiger Keramik zusammengesetzt ist, und eine erste Wärmeenergie wird an die Metallanschlüsse durch Laserschweißen (Laserschweißen bei einer vorigen Stufe) angewendet, um die Metallanschlüsse zu schmelzen und zu verformen, um der Oberflächenform des Körpers zu folgen. Zu diesem Zeitpunkt ist ein Spalt bei einer Grenzfläche zwischen dem Körper und jedem Metallanschluss vollständig mit der Schmelze der Metallanschlüsse gefüllt. Das Laserschweißen bei der vorigen Stufe kann durch Laser-Screw-Welding oder dergleichen auf dieselbe Weise wie oben beschrieben ausgeführt werden.
Nachfolgend, nachdem die Metallanschlüsse geschmolzen und verformt sind, wird eine zweite Wärmeenergie, größer als die erste Wärmeenergie, durch Laserschweißen (Laserschweißen bei der nachfolgenden Stufe) angewendet, um die Metallanschlüsse an die Oberfläche des Körpers zu binden. Zu diesem Zeitpunkt, da der Spalt bei der Schnittstelle zwischen der Oberfläche des Körpers und jedem Metallanschluss bereits vollständig durch das vorige Laserschweißen gefüllt wurde, können die Metallanschlüsse direkt ohne irgendeinen Spalt angebunden werden, d.h., um der Oberflächenform des Körpers zu folgen. Infolgedessen ist die Verbundzuverlässigkeit zwischen den Metallanschlüssen und dem Körper verbessert.
BEISPIELE
Hierin nachfolgend sind Beispiele zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile veranschaulicht, die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf diese Beispiele begrenzt.
<Beispiele 1-4, Vergleichendes Beispiel 1>
(Herstellung von rundsäulenförmigen Rohkörpern)
Siliziumkarbid- (SiC) Pulver und metallisches Silizium- (Si) Pulver wurden in einem Masseverhältnis von 80:20 gemischt, um ein Keramikrohmaterial vorzubereiten. Zu dem Keramikrohmaterial wurden Hydroxypropylmethylzellulose als ein Bindemittel, ein wasserabsorbierendes Harz als ein Porenbildner und Wasser hinzugefügt, um ein Rohmaterial zu bilden. Das Bildungsrohmaterial wurde dann mittels eines Vakuumrohkörperknetgeräts geknetet, um einen rundsäulenförmigen Rohkörper vorzubereiten. Der Bindemittelgehalt war 7 Masseteile, wenn das Siliziumkarbid- (SiC) Pulver und das metallische Silizium- (Si) Pulvers 100 insgesamt Masseteile waren. Der Porenbildnergehalt war 3 Masseteile, wenn das Siliziumkarbid- (SiC) -Pulver und das metallische Silizium- (Si) Pulvers insgesamt 100 Masseteile waren. Der Wassergehalt war 42 Masseteile, wenn das Siliziumkarbid- (SiC) Pulver und das metallische Silizium-(Si) Pulver insgesamt 100 Masseteile waren. Der Durchschnittspartikeldurchmesser des Siliziumkarbidpulvers war 20 µm und der Durchschnittspartikeldurchmesser des metallischen Siliziumpulvers war 6 µm. Der Durchschnittspartikeldurchmesser des Porenbildners waren 20 µm. Der Durchschnittspartikeldurchmesser jedes des Siliziumkarbidpulvers, des metallischen Siliziumpulvers und des Porenbildners bezieht sich auf einen arithmetischen Mitteldurchmesser auf Volumenbasis, wenn Frequenzverteilung der Partikelgröße durch das Laserdiffraktionsverfahren gemessen wird.
(Herstellung vom getrockneten Wabenkörper)
Der resultierende säulenförmige Rohkörper wurde unter Verwendung eines Extruders gebildet, der eine gitterstrukturähnliche Werkzeugstruktur aufweist, um einen gebildeten rundsäulenförmigen Wabenkörper zu erhalten, in dem jede Zelle eine quadratische Form in einem Querschnitt senkrecht zu der Flusspfadrichtung der Zellen aufgewiesen hat. Der gebildete Wabenkörper wurde dielektrischer Hochfrequenzerwärmung und Trocknung unterzogen und dann bei 120 °C für 2 Stunden unter Verwendung eines Heißlufttrockners getrocknet und eine vorgegebene Menge von beiden Stirnflächen wurde abgeschnitten, um einen getrockneten Wabenkörper vorzubereiten.
(Vorbereitung von Elektrodenschichtbildungspaste)
Tantalsilizid- (TaSi₂) Pulver, metallisches Silizium- (Si) Pulver, Siliziumkarbid- (SiC) Pulver, Methylzellulose, Glycerin und Wasser wurden durch einen Planetenzentrifugalmischer gemischt, um eine erste Elektrodenschichtbildungspaste vorzubereiten. Das TaSi₂-Pulver, das Si-Pulver und das SiC-Pulver wurden in einem Volumenverhältnis von TaSi₂-Pulver: Si-Pulver: SiC-Pulver = 50:30:20 vermengt. Wenn TaSi₂-Pulver, Si-Pulver und SiC-Pulver insgesamt 100 Masseteile waren, war Methylzellulose 0,5 Masseteile, Glycerin war 10 Masseteile und Wasser war 38 Masseteile. Der Durchschnittspartikeldurchmesser des Tantalsilizidpulvers war 7 µm. Der Durchschnittspartikeldurchmesser des metallischen Siliziumpulvers war 6 µm. Der Durchschnittspartikeldurchmesser des Siliziumkarbidpulvers war 35 µm. Jeder dieser Durchschnittspartikeldurchmesser bezieht sich auf einen arithmetischen Durchschnittsdurchmesser auf Volumenbasis, wenn Frequenzverteilung des Partikeldurchmessers durch das Laserdiffraktionsverfahren gemessen wird.
(Vorbereitung von Schweißbasisschichtbildungspaste)
Chromsilizid- (CrSi₂) Pulver, metallisches Silizium- (Si) Pulver, Methylzellulose, Glycerin und Wasser wurden durch einen Planetenzentrifugalmischer gemischt, um eine Schweißbasisschichtbildungspaste vorzubereiten. Hier wurden das CrSi₂-Pulver und das Si-Pulver in einem Volumenverhältnis von CrSi₂-Pulver: Si-Pulver = 90:10 vermengt. Wenn das CrSi₂-Pulver und das Si-Pulver insgesamt 100 Masseteile waren, war Methylzellulose 0,5 Masseteile, Glycerin war 10 Masseteile und Wasser war 38 Masseteile. Der Durchschnittspartikeldurchmesser des Chromsilizid-Pulvers war 7 µm. Der Durchschnittspartikeldurchmesser des metallischen Siliziumpulvers war 6 µm.
(Aufbringen von Paste)
Die Elektrodenschichtbildungspaste wie oben beschrieben wurde auf eine Außenoberfläche der Außenumfangswand des getrockneten Wabenkörpers von oben bei zwei Positionen aufgebracht, um über die Mittelachse zueinander zu zeigen. Jeder aufgebrachte Abschnitt wurde in einer Bandform über die gesamte Länge zwischen zweiten Stirnflächen des getrockneten Wabenkörpers gebildet. Die Schweißbasisschichtbildungspaste wurde nur auf Bereiche aufgebracht, die zum Schweißen der Metallanschlüsse benötigt werden, um teilweise die aufgebrachten Abschnitte der Elektrodenschichtbildungspaste abzudecken. Der getrocknete Wabenkörper wurde nach Aufbringen der Elektrodenschichtbildungspaste und der Schweißbasisschichtbildungspaste bei 120 °C getrocknet, um einen ungebrannten Wabenstrukturabschnitt mit einer Elektrodenschichtbildungspaste und einer Schweißbasisschichtbildungspaste zu erhalten.
(Brennen)
Der ungebrannte Wabenstrukturabschnitt mit der Elektrodenschichtbildungspaste und der Schweißbasisschichtbildungspaste wurde dann in einer Luftatmosphäre 3 Stunden bei 550 °C entfettet. Der entfettete ungebrannte Wabenstrukturabschnitt mit der Elektrodenschichtbildungspaste und der Schweißbasisschichtbildungspaste wurde dann gebrannt und einer Oxidationsbehandlung unterzogen, um eine Wabenstruktur herzustellen. Das Brennen wurde in einer Argonatmosphäre 2 Stunden bei 1450 °C ausgeführt. Die Oxidationsbehandlung wurde in der Atmosphäre eine Stunde bei 1300 °C ausgeführt.
Die Wabenstruktur hatte runde Stirnflächen, wobei jede einen Durchmesser von 100 mm und eine Höhe (eine Länge in der Flusspfadrichtung der Zellen) von 100 mm aufwies. Die Zelldichte war 93 Zellen/cm², die Dicke der Trennwand war 101,6 µm, die Porosität der Trennwände war 45 % und der Durchschnittsporendurchmesser der Trennwände war 8,6 µm. Die Dicke jeder Elektrodenschicht war 0,3 mm und die Dicke jeder Schweißbasisschicht war 0,2 mm. Die elektrische Resistivität bei 400 °C wurde durch ein Vier-Anschluss-Verfahren unter Verwendung von Proben gemessen, die dieselben Materialien wie die der Wabenstruktur, der Elektrodenschicht und der Schweißbasisschicht aufwiesen, was angibt, dass es 5 Ωcm, 0,01 Ωcm beziehungsweise 0,001 Ωcm waren.
(Schweißen von Metallanschlüssen)
Beispiele 1 bis 4 und vergleichendes Beispiel 1 wie unten beschrieben, wurden dann der folgenden Verarbeitung unterzogen.
[Beispiele 1 bis 4]
SUS430 plattenförmige Metallanschlüsse (jedes Ausmaß: 30 mm x 50 mm x 0.4 mm) wurden durch Laser-Screw-Welding (Laserschweißen bei der vorigen Stufe) auf die Schweißbasisschichten der Wabenstruktur geschweißt, die unter den Herstellungsbedingungen von oben erhalten worden war. Zu diesem Zeitpunkt war der Laserausgang 50 W/mm², der Laserpunktdurchmesser war 4,0 mm und der Laser wurde kreisförmig abgetastet, um eine vorgegebene Dicke jedes Metallanschlusses zu schmelzen und zu verformen. Nachfolgend wurde unter Verwendung einer Faserlaserschweißmaschine Schweißen mit dem Laser nachfolgender Stufe (zweiter Laser) bei den Positionen ausgeführt, wo Schweißen mit dem Laser voriger Stufe (erster Laser) bei einem Laserausgang von 200 W/mm² (Beispiele 1 bis 3) oder 400 W/mm² (Beispiel 4) und mit einem Laserpunktdurchmesser von 1,0 mm ausgeführt worden war. Daher wurden die SUS plattenförmigen Metallanschlüsse auf die Schweißbasisschichten der Wabenstruktur gebunden.
Wie in 7 gezeigt, wurde in Beispiel 1 das Laserschweißen durch Bestrahlen nur eines Punkts mit dem zweiten Laser bei der Mitte des Abschnitts, der durch den ersten Laser geschweißt wird, ausgeführt. In Beispiel 2 wurde das Laserschweißen durch Bestrahlen von insgesamt drei Punkten ausgeführt, wobei jeder bei einer Position ist, die eine Spitze eines gleichseitigen Dreiecks mit dem zweiten Laser bei dem Abschnitt bildet, der durch den ersten Laser geschweißt wurde. In Beispiel 3 und 4 wurde das Laserschweißen durch Bestrahlen von insgesamt vier Punkten ausgeführt, wobei jeder bei einer Position ist, die jeweils eine Spitze eines regelmäßigen Quadrats mit dem zweiten Laser bei dem Abschnitt bildet, der durch den ersten Laser geschweißt wurde.
[Vergleichendes Beispiel 1]
Für vergleichendes Beispiel 1, wurden SUS430 plattenförmige Metallanschlüsse (jedes Ausmaß: 30 mm x 50 mm x 0,4 mm) durch einen Laser mit einer Faserlaserschweißmaschine auf die Schweißbasisschichten der Wabenstruktur geschweißt, die unter den Herstellungsbedingungen von oben erhalten wird. Das Laserschweißen wurde bei einem Laserausgang von 200 W/mm² und mit einem Laserpunktdurchmesser von 1,0 mm ausgeführt, wie in 7 gezeigt. Das heißt, wenn mit Beispielen 1 bis 4 verglichen, wurde im vergleichenden Beispiel 1 das Schweißen mit dem Laser voriger Stufe (der erste Laser) nicht ausgeführt und nur das Schweißen mit dem Laser nachfolgender Stufe (der zweite Laser) wurde ausgeführt. Daher wurden die SUS plattenförmigen Metallanschlüsse auf die Schweißbasisschichten der Wabenstruktur gebunden.
(SEM Beobachtung)
Für jedes von Beispielen 1 bis 4 und vergleichendem Beispiel 1, wo die Metallanschlüsse angebunden wurden, wurde ein Querschnitt nahe der gebundenen Grenzfläche zwischen jedem Metallanschluss und jeder Schweißbasisschicht durch eine lonenschleifeinrichtung (IM4000 von Hitachi High-Technologies Corporation) poliert. Der polierte Querschnitt wurde dann mit einem Rasterelektronenmikroskop (von JEOL, REM, JSM-6610LV verfügbar) bei einer Beschleunigungsspannung von 10 bis 20 kV beobachtet. Infolgedessen trat die Schmelze von jedem Metallanschluss in die angebundene Grenzfläche zwischen jedem Metallanschluss und jeder Schweißbasisschicht ein und es wurde kein Spalt beobachtet. Das heißt, die Metallanschlüsse wurden über die geschweißten Abschnitte an die Oberfläche der Wabenstruktur gebunden, um der Oberflächenform der Wabenstruktur zu folgen.
(Scherspannungstest)
Die Scherspannung von jeder der Proben von Beispielen 1 bis 4 und vergleichendem Beispiel 1, wo die Metallanschlüsse angebunden wurden, wurde unter Verwendung eines Universalmaterialtesters 3300 (von Instron) mit Bezug auf das Verfahren gemäß JIS Z 2241 gemessen. Tabelle 1 zeigt gemessene Werte der Scherspannung, gebrochene Positionen und Evaluierungsergebnisse, die durch den Test erhalten wurden. Die Evaluierungskriterien waren so, dass ein Fall, wo ein Bruch in der Elektrodenschicht erzeugt wurde, ermittelt wurde in gutem Verbund zu sein und wenn der Bruch in den geschweißten Abschnitten erzeugt wurde, ermittelt wurde in schlechtem Verbund zu sein.

[Tabelle 1]

	Scherspannung [N]	Zweiter Laserausgang [W/m m²]	Gebrochene Position	Evaluierung
Vergl. 1	11-17	200	Geschweißter Abschnitt	Schlechter Verbund
Beispiel 1	61-81	200	Elektrodenschicht	Guter Verbund
Beispiel 2	80-91	200	Elektrodenschicht	Guter Verbund
Beispiel 3	95-103	200	Elektrodenschicht	Guter Verbund
Beispiel 4	100-113	400	Elektrodenschicht	Guter Verbund

(Diskussion)
Wie in Tabelle 1 gezeigt, wurden in Beispiel 1 die Metallanschlüsse durch den ersten Laser verformt und der Spalt zwischen jedem Metallanschluss und jeder Schweißbasisschicht wurde beseitigt, sodass das Schmelzgebiet während Schweißen erhöht wäre und die Scherspannung erhöht wäre.
In Beispiel 2 und 3, indem eine Vielzahl von Positionen mit dem zweiten Laser bestrahlt wird, würde das Verbundgebiet während Schweißen erhöht werden und die Verbundstärke würde weiter erhöht werden.
In Beispiel 4, indem die Energie erhöht wird, falls das Schweißen in derselben Form ist, würde die Schweißtiefe erhöht werden und die Verbundstärke würde erhöht werden.
Im vergleichenden Beispiel 1 war aufgrund fehlender Bestrahlung mit dem ersten Laser ein Spalt zwischen jedem Metallanschluss und jeder Schweißbasisschicht während Bestrahlung mit dem zweiten Laser vorhanden, sodass das Schmelzgebiet während Schweißen weniger und die Scherspannung niedriger als in Beispielen 1 - 4 wäre.
BESCHREIBUNG VON BEZUGSNUMMERN

10: Wabenstruktur
11: säulenförmige Wabenstruktur
12: Außenumfangswand
13: Trennwand
14a, 14b, 33: Elektrodenschicht
15: Zelle
16a, 16b, 32: Schweißbasisschicht
17a, 17b: geschweißter Abschnitt
20, 40, 50, 60: elektrischer Heiztypträger
21a, 21b, 31: Metallanschluss
30: Laser
34: Wabenstrukturabschnitt
35: geschmolzener Metallanschluss
36: Spalt

Claims

Elektrischer Heiztypträger, umfassend: eine elektrisch leitfähige Wabenstruktur, die einen säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt umfasst, der aus leitfähiger Keramik zusammengesetzt ist, wobei der säulenförmige Wabenstrukturabschnitt umfasst: eine Außenumfangswand; und poröse Trennwände, die an einer Innenseite der Außenumfangswand angeordnet sind, wobei die porösen Trennwände eine Vielzahl von Zellen definieren, wobei jede Zelle von einer Stirnfläche zu einer anderen Stirnfläche durchdringt, um einen Flusspfad zu bilden; und ein Paar von Metallanschlüssen, die angeordnet sind, über eine Mittelachse des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts zueinander zu zeigen, wobei jeder Metallanschluss über einen geschweißten Abschnitt an eine Oberfläche der elektrisch leitfähigen Wabenstruktur gebunden ist, um einer Oberflächenform der elektrisch leitfähigen Wabenstruktur zu folgen.
Elektrischer Heiztypträger, umfassend: eine elektrisch leitfähige Wabenstruktur, die einen säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt umfasst, der aus leitfähiger Keramik zusammengesetzt ist, wobei der säulenförmige Wabenstrukturabschnitt umfasst: eine Außenumfangswand; und poröse Trennwände, die an einer Innenseite der Außenumfangswand angeordnet sind, wobei die porösen Trennwände eine Vielzahl von Zellen definieren, wobei jede Zelle von einer Stirnfläche zu einer anderen Stirnfläche durchdringt, um einen Flusspfad zu bilden; und ein Paar von Metallanschlüssen, die angeordnet sind, über eine Mittelachse des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts zueinander zu zeigen, wobei jeder Metallanschluss über einen geschweißten Abschnitt an eine Oberfläche der elektrisch leitfähigen Wabenstruktur gebunden ist, wobei eine Scherspannung zwischen der elektrisch leitfähigen Wabenstruktur und jedem Metallanschluss 50 N oder mehr ist.
Elektrischer Heiztypträger nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitfähige Wabenstruktur ein Paar von Elektrodenschichten umfasst, die aus leitfähiger Keramik zusammengesetzt sind, wobei die Elektrodenschichten an einer Oberfläche der Außenumfangswand des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts angeordnet sind, um über die Mittelachse des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts zueinander zu zeigen, und wobei das Paar von Elektrodenschichten den geschweißten Abschnitt umfasst.
Elektrischer Heiztypträger nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektrisch leitfähige Wabenstruktur ein Paar von Schweißbasisschichten umfasst, die aus leitfähiger Keramik zusammengesetzt sind, wobei jede Schweißbasisschicht an einer Oberfläche der Außenumfangswand des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts angeordnet ist, wobei eine Schweißbasisschicht des Paares von Schweißbasisschichten bereitgestellt ist, über die Mittelachse des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts zu der anderen Schweißbasisschicht des Paares von Schweißbasisschichten zu zeigen, und wobei das Paar von Schweißbasisschichten den geschweißten Abschnitt umfasst.
Elektrischer Heiztypträger nach Anspruch 4, weiter umfassend eine Elektrodenschicht, die aus leitfähiger Keramik zusammengesetzt ist, zwischen der Außenumfangswand und jeder der Schweißbasisschichten.
Elektrischer Heiztypträger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der elektrische Heiztypträger eine Vielzahl von Positionen aufweist, wo Schweißtiefen tiefer als die anderer Positionen indem geschweißten Abschnitt sind.
Elektrischer Heiztypträger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend eine Vielzahl der geschweißten Abschnitte.
Abgasreinigungsvorrichtung, umfassend: den elektrischen Heiztypträger nach einem der Ansprüche 1 bis 7; und einen Büchsenkörper zum Halten des elektrischen Heiztypträgers.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heiztypträgers, wobei der elektrische Heiztypträger umfasst: eine elektrisch leitfähige Wabenstruktur, die einen säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt umfasst, der aus leitfähiger Keramik zusammengesetzt ist, wobei der säulenförmige Wabenstrukturabschnitt umfasst: eine Außenumfangswand; und poröse Trennwände, die an einer Innenseite der Außenumfangswand angeordnet sind, wobei die porösen Trennwände eine Vielzahl von Zellen definieren, wobei jede Zelle von einer Stirnfläche zu einer anderen Stirnfläche durchdringt, um einen Flusspfad zu bilden; und ein Paar von Metallanschlüssen, die angeordnet sind, über eine Mittelachse des säulenförmigen Wabenstrukturabschnitts zueinander zu zeigen, das Verfahren umfassend die Schritte zum: Anordnen jedes der Metallanschlüsse an einer Oberfläche der elektrisch leitfähigen Wabenstruktur und Anwenden einer ersten Wärmeenergie auf jeden der Metallanschlüsse, um jeden der Metallanschlüsse zu schmelzen und zu verformen; und Binden jedes der Metallanschlüsse an die Oberfläche der elektrisch leitfähigen Wabenstruktur, indem eine zweite Wärmeenergie, größer als die erste Wärmeenergie, nach Schmelzen und Verformen des Metallanschlusses angewendet wird.
Verbundkörper, umfassend: einen Körper, der aus leitfähiger Keramik zusammengesetzt ist; und Metallanschlüsse, die jeweils über einen geschweißten Abschnitt an eine Oberfläche des Körpers gebunden sind, um einer Oberflächenform des Körpers zu folgen.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers, wobei der Verbundkörper umfasst: einen Körper, der aus leitfähiger Keramik zusammengesetzt ist; und Metallanschlüsse, die jeweils über einen geschweißten Abschnitt an eine Oberfläche des Körpers gebunden sind, um einer Oberflächenform des Körpers zu folgen, das Verfahren umfassend die Schritte zum: Anordnen jedes der Metallanschlüsse an einer Oberfläche der elektrisch leitfähigen Wabenstruktur und Anwenden einer ersten Wärmeenergie auf jeden der Metallanschlüsse, um jeden der Metallanschlüsse zu schmelzen und zu verformen; und Binden jedes der Metallanschlüsse an die Oberfläche des Körpers, indem eine zweite Wärmeenergie, die größer als die erste Wärmeenergie ist, angewendet wird, nach Schmelzen und Verformen des Metallanschlusses.