JP2002047070A - セラミック構造体 - Google Patents
セラミック構造体Info
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Abstract
伝導率が高いため、その再生処理において、堆積したパ
ティキュレートを完全に燃焼除去することができるとと
もに、その接着強度も大きいため、振動や排気ガスの圧
力等により接着層にクラック等が生ずることがない耐久
性に優れるセラミック構造体を提供する。 【解決手段】 多数の貫通孔が隔壁を隔てて長手方向に
並設された角柱形状の多孔質セラミック部材が接着層を
介して複数個結束されてセラミックブロックを構成し、
上記貫通孔を隔てる隔壁が粒子捕集用フィルタとして機
能するように構成されたセラミック構造体であって、上
記接着層は少なくとも無機バインダー、有機バインダー
及び炭化珪素繊維を含むことを特徴とするセラミック構
造体。
Description
される排気ガス中のパティキュレート等を除去するフィ
ルタとして用いられるセラミック構造体に関する。
内燃機関から排出される排気ガス中に含有されるパティ
キュレートが環境や人体に害を及ぼすことが最近問題と
なっている。この排気ガスを多孔質セラミックを通過さ
せることにより、排気ガス中のパティキュレートを捕集
して排気ガスを浄化するセラミックフィルタが種々提案
されている。
ラミック構造体は、通常、一方向に多数の貫通孔が並設
され、貫通孔同士を隔てる隔壁がフィルタとして機能す
るようになっている。すなわち、セラミック構造体に形
成された貫通孔は、排気ガスの入り口側又は出口側の端
部のいずれかが充填材により目封じされ、一の貫通孔に
流入した排気ガスは、必ず貫通孔を隔てる隔壁を通過し
た後、他の貫通孔から流出するようになっており、排気
ガスがこの隔壁を通過する際、パティキュレートが隔壁
部分で捕捉され、排気ガスが浄化される。
ラミック構造体の貫通孔を隔てる隔壁部分には、次第に
パティキュレートが堆積し、目詰まりを起こして通気を
妨げるようになる。このため、このセラミックフィルタ
は、定期的にヒータ等の加熱手段を用いて目詰まりの原
因となっているパティキュレートを燃焼除去して再生す
る必要がある。
ック構造体の均一な加熱が難しく、パティキュレートの
燃焼に伴う局部的な発熱が発生するため、大きな熱応力
が発生する。また、通常の運転時においても、排気ガス
の急激な温度変化が与える熱衝撃等によって、セラミッ
ク構造体の内部に不均一な温度分布が生じ、熱応力が発
生する。その結果、上記セラミック構造体が単一のセラ
ミック部材から構成されている場合には、クラックが発
生し、パティキュレートの捕集に重大な支障を与えると
いった問題点があった。
9号公報には、セラミック構造体を複数個のセラミック
部材に分割することにより、セラミック構造体に作用す
る熱応力を低減させたパティキュレートトラップが開示
されている。
数個のセラミック部材を結束させた際に、各部材の間に
生じる隙間に、非接着性のシール材を介挿させ、セラミ
ック構造体の隙間から排気ガスが漏れるのを防止した微
粒子捕集フィルタが開示されている。
開示された微粒子捕集フィルタでは、熱応力に起因する
クラックの発生や破壊を防止することはできるが、各セ
ラミック部材を強固に接合することができないという問
題点があった。
を燃焼除去する再生処理においては、セラミック構造体
の中央付近の温度がその外縁部付近の温度に比べて高く
なりやすい。しかしながら、従来のセラミック構造体で
は、該セラミック構造体を構成するセラミック部材間の
熱伝導率が余り高くなかったため、その外縁部付近に堆
積したパティキュレートが燃え残り、完全に除去するこ
とが困難であるという問題もあった。
らは、先に、特開平8−28246号公報に開示されて
いるような、各セラミック部材が耐熱性の無機繊維や無
機バインダー、有機バインダー及び無機粒子等を含むシ
ール材(接着層)で接合されたセラミック構造体を開発
した。
ラミック構造体は、各セラミック部材同士を接合するシ
ール材(接着層)中の無機繊維と有機バインダー、及
び、無機繊維と無機バインダーとの絡み合いの効果によ
り、ある程度接着強度が改善されるとともに、シール材
(接着層)の熱伝導率も確保することができた。
と無機バインダーとの絡み合いを阻害し、その接着強度
を充分に高く保つことができないため、振動や排気ガス
の圧力等により接着層にクラック等が生じてしまう場合
があり、このようなセラミック構造体では、そのシール
材(接着層)の接着強度と熱伝導率とを共に高いレベル
で確保するには一定の限界があった。
題を解決するためになされたもので、複数のセラミック
部材を結束する接着層の熱伝導率が高いため、その再生
処理において、堆積したパティキュレートを完全に燃焼
除去することができるとともに、その接着強度も大きい
ため、振動や排気ガスの圧力等により接着層にクラック
等が生ずることのない耐久性に優れるセラミック構造体
を提供することを目的とする。
体は、多数の貫通孔が隔壁を隔てて長手方向に並設され
た角柱形状の多孔質セラミック部材が接着層を介して複
数個結束されてセラミックブロックを構成し、上記貫通
孔を隔てる隔壁が粒子捕集用フィルタとして機能するよ
うに構成されたセラミック構造体であって、上記接着層
は少なくとも無機バインダー、有機バインダー及び炭化
珪素繊維を含むことを特徴とするものである。
の実施形態について、図面に基づいて説明する。
孔が隔壁を隔てて長手方向に並設された角柱形状の多孔
質セラミック部材が接着層を介して複数個結束されてセ
ラミックブロックを構成し、上記貫通孔を隔てる隔壁が
粒子捕集用フィルタとして機能するように構成されてお
り、この接着層は少なくとも無機バインダー、有機バイ
ンダー及び炭化珪素繊維を含むものである。
施形態を模式的に示した斜視図であり、図2は本発明の
セラミック構造体を構成する多孔質セラミック部材を模
式的に示した斜視図である。
構成する多孔質セラミック部材20には、多数の貫通孔
21が形成されており、これら貫通孔21を有する多孔
質セラミック部材20の一端部は、市松模様に充填材2
2が充填されている。また、図示しない他の端部におい
ては、一端部に充填材が充填されていない貫通孔21に
充填材が充填されている。
材20を複数個結束させたセラミック構造体10を示し
ている。また、図1においては、多孔質セラミック部材
20に形成された貫通孔21を省略している。
ラミック部材20が接着層11を介して複数個結束され
てセラミックブロック12を構成し、この接着層11
は、少なくとも無機バインダー、有機バインダー及び炭
化珪素繊維を含むものである。また、セラミックブロッ
ク12の外周部の全体に、シール材13aがコーティン
グされてセラミック構造体10が形成されている。上記
セラミック構造体の形状は特に限定されず、円柱形状で
も角柱形状でも構わないが、通常、図1に示したように
円柱形状のものがよく用いられている。
の貫通孔21は、図2に示したように、いずれか一端部
のみに充填材22が充填されているため、開口している
一の貫通孔21の一端部より流入した排気ガスは、隣接
する貫通孔21との間を隔てる多孔質の隔壁23を必ず
通過し、他の貫通孔21を通って流出する。そして、排
気ガスが隔壁23を通過する際に、排気ガス中のパティ
キュレートが捕捉されることになる。
質セラミック部材の材質は特に限定されず、種々のセラ
ミックが挙げられるが、これらのなかでは、耐熱性が大
きく、機械的特性に優れ、かつ、熱伝導率も大きい炭化
珪素が好ましい。
るものではないが、後の焼成工程で収縮が少ないものが
好ましく、例えば、0.3〜50μm程度の平均粒径を
有する粉末100重量部と0.1〜1.0μm程度の平
均粒径を有する粉末5〜65重量部とを組み合わせたも
のが好ましい。また、シール材13aを構成する材料も
特に限定されるものではないが、無機繊維、無機バイン
ダー等の耐熱性の材料を含むものが好ましい。シール材
13aは、接着層11と同じ材料により構成されていて
もよい。
ダー、有機バインダー及び炭化珪素繊維を含んでいる。
接着層11中の炭化珪素繊維と無機バインダー、及び、
炭化珪素繊維と有機バインダーとの絡み合いの効果によ
り、接着層11の接着強度が改善されるが、炭化珪素繊
維を含有させることにより、接着層11の接着強度及び
熱伝導率の両方を高いレベルで確保することができる。
その理由は、添加する炭化珪素が繊維状であるため、接
着層中でのこれら炭化珪素繊維同士の接触面積が増加す
ることで、従来添加していた炭化珪素粒子に比べ熱伝導
率が向上し、また、繊維状であるため、無機バインダー
等との絡み合いの効果を阻害することがなく、逆に共に
絡み合うことにより、接着層11の接着強度が高くなる
ものと考えられる。
リカゾル、アルミナゾル等が挙げられる。これらは、単
独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これら
のなかでは、シリカゾルが好ましい。
リビニルアルコール、メチルセルロース、エチルセルロ
ース、カルボキシセルロース等が挙げられる。これら
は、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
これらのなかでは、カルボキシセルロースが好ましい。
0μmであることが好ましく、50〜200μmである
ことがより好ましい。繊維長が20μm未満であると、
その性質が粒子に近くなり接着強度の低下を招く。一
方、300μmを超えると、接着層中に均一に分散させ
ることが困難となり、やはり接着強度の低下を招く。ま
た、その繊維径は、3〜15μmであることが好まし
い。繊維径が3μm未満であると、炭化珪素繊維の強度
が低下し容易に切断されてしまうため接着強度の低下を
招く。一方、15μmを超えると、無機バインダーとの
絡み合いを阻害し、接着強度の低下を招き、また、この
ような太い炭化珪素繊維を得ること自体が困難であり原
料コストの高騰を招く。
は、固形分で、1〜40重量%が好ましく、1〜20重
量%がより好ましく、5〜15重量%がさらに好まし
い。無機バインダーの含有量が1重量%未満であると、
接着強度の低下を招き、一方、40重量%を超えると、
熱伝導率の低下を招く。
は、固形分で、0.1〜5.0重量%が好ましく、0.
2〜1.0重量%がより好ましく、0.4〜0.8重量
%がさらに好ましい。有機バインダーの含有量が0.1
重量%未満であると、接着層11のマイグレーションを
抑制するのが難しくなり、一方、5.0重量%を超える
と、接着層11が高温にさらされた場合に、有機バイン
ダーが焼失し、接着強度が低下する。
固形分で、3〜80重量%が好ましく、10〜70重量
%がより好ましく、40〜60重量%がさらに好まし
い。炭化珪素繊維の含有量が3重量%未満であると、熱
伝導率の低下を招き、一方、80重量%を超えると、接
着層11が高温にさらされた場合に、接着強度の低下を
招く。
バインダー及び炭化珪素繊維のほかに、少量の水分や溶
剤等を含んでいてもよいが、このような水分や溶剤等
は、通常、接着層ペーストを塗布した後の加熱等により
殆ど飛散する。
は、複数のセラミック部材を結束する接着層中に、無機
バインダー、有機バインダー及び炭化珪素繊維を含むも
のであるため、その熱伝導率及び接着強度の両方に優れ
たものとなる。従って、本発明のセラミック構造体は、
その再生処理において、堆積したパティキュレートを完
全に燃焼除去することができるとともに、振動や排気ガ
スの圧力等により接着層にクラックが生ずることはな
く、耐久性に優れたものとなる。
法について説明する。なお、以下の説明においては、セ
ラミック構造体を構成するセラミック部材の原料として
炭化珪素を用いることとする。
る。この工程においては、炭化珪素粉末とバインダーと
分散媒液とを混合して成形体製造用の混合組成物を調製
した後、この混合組成物の押出成形を行うことにより、
多数の貫通孔が隔壁を隔てて長手方向に並設された柱状
の炭化珪素成形体を作製し、この後、この成形体を乾燥
させることにより分散媒液を蒸発させ、炭化珪素粉末と
樹脂とを含む炭化珪素成形体を作製する。なお、この炭
化珪素成形体には、少量の分散媒液が含まれていてもよ
い。
に示した多孔質セラミック部材20とほぼ同形状である
ほか、楕円柱状や三角柱状等であってもよい。なお、本
工程では、充填材22に相当する部分は空洞となってい
る。
例えば、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロー
ス、ヒドロキシエチルセルロース、ポリエチレングリコ
ール、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等を挙げることが
できる。上記バインダーの配合量は、通常、上記炭化珪
素粉末100重量部に対して、1〜10重量部程度が好
ましい。
えば、ベンゼン等の有機溶媒;メタノール等のアルコー
ル、水等を挙げることができる。上記分散媒液は、上記
樹脂の粘度が一定範囲内となるように、適量配合され
る。
素成形体の上記貫通孔を充填ペーストにより封口パター
ン状に封口する工程を行う。この際には、炭化珪素成形
体の貫通孔に、封口パターン状に開孔が形成されたマス
クを当接し、充填ペーストを上記マスクの開孔から上記
貫通孔に侵入させることにより、充填ペーストで一部の
貫通孔を封口する。
形体の製造の際に使用した混合組成物と同様のものか、
又は、上記混合組成物にさらに分散媒を添加したものが
好ましい。
製された炭化珪素成形体中の樹脂を熱分解する工程を行
う。この脱脂工程では、通常、上記炭化珪素成形体を脱
脂用治具上に載置した後、脱脂炉に搬入し、酸素含有雰
囲気下、400〜650℃に加熱する。これにより、バ
インダー等の樹脂成分が揮散するとともに、分解、消失
し、ほぼ炭化珪素粉末のみが残留する。
成形体を、焼成用治具上に載置して焼成する工程を行
う。この焼成工程では、窒素、アルゴン等の不活性ガス
雰囲気下、2000〜2200℃で脱脂した炭化珪素成
形体を加熱し、炭化珪素粉末を焼結させることにより、
多数の貫通孔が隔壁を隔てて長手方向に並設された柱状
の炭化珪素焼結体を製造する。
工程では、焼成用治具上に上記炭化珪素成形体を載せ、
そのまま、脱脂工程及び焼成工程を行うことが好まし
い。脱脂工程及び焼成工程を効率的に行うことができ、
また、載せ代え等において、炭化珪素成形体が傷つくの
を防止することができるからである。
てて長手方向に並設され、上記隔壁がフィルタとして機
能するように構成された多孔質炭化珪素焼結体を製造し
た後、この多孔質炭化珪素焼結体の結束工程として、多
孔質炭化珪素焼結体の外壁部分に上述した接着層を形成
し、所定の大きさになるように上記多孔質炭化珪素焼結
体を複数個結束してセラミックブロックを作製する。
100℃、1時間の条件で加熱して乾燥、硬化させ、そ
の後、例えば、ダイヤモンドカッター等を用いて、その
外周部を図1に示したセラミック構造体10とほぼ同様
に切削した後、その外周部にシール材13aを形成する
ことにより、本発明のセラミック構造体の製造を終了す
る。
伝導率が高く、各セラミック部材の接着強度にも優れた
セラミック構造体を製造することができる。
明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるもの
ではない。
粒径0.7μmのβ型炭化珪素粉末30重量部、メチル
セルロース5重量部、分散剤4重量部、水20重量部を
配合して均一に混合することにより、原料の混合組成物
を調製した。この混合組成物を押出成形機に充填し、押
出速度2cm/分にてハニカム形状の生成形体を作製し
た。この生成形体は、図2に示した多孔質セラミック部
材20とほぼ同様であり、その大きさは33mm×33
mm×300mmで、平均気孔径が1〜40μm、貫通
孔の数が31/cm2 で、隔壁の厚さが0.35mmで
あった。
と同成分の充填剤ペーストを用いて、炭化珪素焼結体の
貫通孔の所定箇所に充填剤を充填した後、450℃で脱
脂し、さらに、2200℃で加熱焼成することで多孔質
炭化珪素部材を製造した。
(ゾル中のSiO2 の含有量:30重量%)15重量
%、有機バインダーとしてカルボキシメチルセルロース
0.65重量%、繊維長100〜200μm、繊維径3
〜15μmの炭化珪素繊維44.2重量%、及び、水4
0.15重量%を混合、混練して接着層用ペーストを調
製した。
外周面に上記接着層用ペーストを貼着し、接着層を形成
した。そして、この接着層の上に他の多孔質炭化珪素部
材を載置した後、100℃、1時間で乾燥、硬化させ、
2つの多孔質炭化珪素部材が結合した多孔質炭化珪素部
材の結合体を作製した。
含有量:30重量%)9重量%、有機バインダーとして
カルボキシメチルセルロース0.6重量%、繊維長10
0〜200μm、繊維径3〜15μmの炭化珪素繊維6
0重量%、及び、水30.4重量%を用いたほかは、実
施例1と同様にして多孔質炭化珪素部材の結合体を作製
した。
含有量:30重量%)9重量%、有機バインダーとして
カルボキシメチルセルロース0.6重量%、繊維長10
0〜200μm、繊維径3〜15μmの炭化珪素繊維4
4.2重量%、及び、水46.2重量%を用いたほか
は、実施例1と同様にして多孔質炭化珪素部材の結合体
を作製した。
イバー(ショット含有率:2.7%、繊維長:30〜1
00mm)44.2重量%、無機バインダーとしてシリ
カゾル(ゾル中のSiO2 の含有量:30重量%)1
3.3重量%および水42.5重量%を用いたほかは、
実施例1と同様にして多孔質炭化珪素部材の結合体を作
製した。本比較例1においては、接着層の乾燥を行って
いる際、接着層を構成するバインダーや部材のマイグレ
ーションが発生し、接着層が不均一になってしてしまっ
た。
ファイバー(ショット含有率:3%、繊維長:0.1〜
100mm)23.3重量%、無機バインダーとしてシ
リカゾル(ゾル中のSiO2 の含有量:30重量%)7
重量%、有機バインダーとしてカルボキシメチルセルロ
ース0.5重量%、平均粒径0.3μmの炭化珪素粉末
30.2重量%、及び、水39重量%を用いたほかは、
実施例1と同様にして多孔質炭化珪素部材の結合体を作
製した。
多孔質炭化珪素部材の結合体の性能評価を以下に示す方
法にて測定した。
し、続いて、上記結合体を、両端の多孔質炭化珪素部材
が上記三角柱状部材の上に載るように載置し、中心の接
着層部分に荷重をかけ、接着層に剥がれが生じた時の荷
重を測定した。また、実際の使用では、室温〜900℃
程度までの急熱、急冷が予想されるため、室温〜900
℃のヒートサイクル試験(100回)を行った後のもの
についても同様の評価を行った。その結果を下記の表1
に示す。
素部材を積み重ねるように載置した後、その外周を断熱
材30で囲い、ヒータ31の上に設置して600℃で3
0分間加熱することにより、上部の温度T1と下部の温
度T2との温度差を測定した。その結果を表1に示す。
施例1〜3に係る多孔質炭化珪素部材の結合体の接着層
の代表的な接着強度は2.80〜3.30MPaであ
り、その上端と下端との温度差は23〜31℃である
が、比較例1〜2に係る多孔質炭化珪素部材の結合体の
接着層の代表的な接着強度は2.14〜2.42MP
a、その温度差は50〜80℃といずれも、実施例に係
る多孔質炭化珪素部材の結合体よりも劣ったものであっ
た。なお、本実施例及び比較例においては、多孔質炭化
珪素部材を2個だけ結合したものを使用して、その接着
強度及び熱伝導率を測定したが、実際のセラミック構造
体には、多数の多孔質炭化珪素部材を結合するため、接
着強度及び熱伝導率の値の差はさらに顕著なものとな
る。
りであるので、その再生処理において、堆積したパティ
キュレートを完全に燃焼除去することができるととも
に、振動や排気ガスの圧力等によって接着層にクラック
が生ずることがなく耐久性に優れたものとなる。
的に示した斜視図である。
ラミック部材を模式的に示した斜視図である。
Claims (1)
- 【請求項1】 多数の貫通孔が隔壁を隔てて長手方向に
並設された角柱形状の多孔質セラミック部材が接着層を
介して複数個結束されてセラミックブロックを構成し、
前記貫通孔を隔てる隔壁が粒子捕集用フィルタとして機
能するように構成されたセラミック構造体であって、前
記接着層は少なくとも無機バインダー、有機バインダー
及び炭化珪素繊維を含むことを特徴とするセラミック構
造体。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000231536A JP2002047070A (ja) | 2000-07-31 | 2000-07-31 | セラミック構造体 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000231536A JP2002047070A (ja) | 2000-07-31 | 2000-07-31 | セラミック構造体 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2002047070A true JP2002047070A (ja) | 2002-02-12 |
Family
ID=18724362
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000231536A Pending JP2002047070A (ja) | 2000-07-31 | 2000-07-31 | セラミック構造体 |
Country Status (1)
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