JP2014051402A - ハニカム構造体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】一方の端面11から他方の端面12まで延びる複数のセル2を区画形成する多孔質の隔壁1及び最外周に位置する外周壁3を有し、金属Siを含むハニカム状のセラミック体20と、セラミック体20の外周面(側面)5に接合された接合部30とを備え、接合部30が、セラミック体20の側面5側に位置する金属シリサイドを主成分とする拡散層31と、拡散層31上に形成された金属層32とを備え、金属層32が、金属成分を主成分として含み且つ熱膨張係数が5.0×10−6/℃以下の化合物が分散されたものであるハニカム構造体100。
【選択図】図2
Description
本発明のハニカム構造体の一の実施形態としては、図1に示すハニカム構造体100を挙げることができる。ハニカム構造体100は、多孔質の隔壁1及び最外周に位置する外周壁3を有し、金属Siを含むハニカム状のセラミック体20と、このセラミック体20の外周壁3に接合された接合部30とを備える。隔壁1は、流体の流路となる一方の端面11から他方の端面12まで延びる複数のセル2を区画形成するものである。接合部30は、図2に示すように、セラミック体20の外周面(側面)5側に位置する(即ち、セラミック体20の側面5に接する)金属シリサイドを主成分とする拡散層31と、この拡散層31上に形成された金属層32とを備えている。そして、金属層32は、金属成分を主成分として含み且つ熱膨張係数が5.0×10−6/℃以下の化合物が分散されたものである。図1は、本発明のハニカム構造体の一の実施形態を模式的に示す斜視図である。図2は、本発明のハニカム構造体の一の実施形態のセルの延びる方向に平行な断面を模式的に示す断面図である。
接合部30の金属層32に分散されるSiCの含有割合(金属層中のSiC含有割合)は、10〜50%であることが好ましい。上記金属層中のSiC含有割合の下限値は、15%であることが好ましく、20%であることが更に好ましい。一方、上記金属層中のSiC含有割合の上限値は、45%であることが好ましく、40%であることが更に好ましい。上記金属層中のSiC含有割合が上記範囲内であることにより、金属層の熱膨張係数が低くなる。そのため、熱応力が掛かったとしても接合部がセラミック体から剥がれ難いという利点がある。また、セラミック体と金属部材とを接合する強度(接合強度)が高くなる。また、金属層32の、外部からの衝撃に対する強度(衝撃強度)が高くなる。上記金属層中のSiC含有割合が下限値未満であると、金属層中の金属成分の含有割合が相対的に大きくなるため金属層の熱膨張係数が高くなる。その結果、焼結時における金属層の収縮の程度が大きくなるため、熱応力が大きくなる。そのため、この熱応力によってセラミック体が割れてしまうおそれがある。また、この熱応力によって接合部がセラミック体から剥がれてしまうおそれがある。一方、上限値超であると、焼結が阻害されるおそれがある。その結果、ネックが細くなるため、金属層の衝撃強度が低くなるおそれがある。
セラミック体20は、多孔質の隔壁1と最外周に位置する外周壁3とを有する筒状のハニカム構造部4と、このハニカム構造部4の側面5に配設された一対の電極部21、21とを備えている。即ち、本実施形態においては、上記ハニカム構造部4と上記一対の電極部21、21とを備えたものが「セラミック体」である。隔壁1は、流体の流路となる一方の端面11から他方の端面12まで延びる複数のセル2を区画形成するものである。
次に、本発明のハニカム構造体の製造方法について説明する。以下に、本発明のハニカム構造体の一の実施形態であるハニカム構造体100を製造する方法を示す。
まず、上記ハニカム構造部4と上記一対の電極部21、21とを備えるセラミック体20を作製する。具体的には、まず、炭化珪素粉末及び金属Si粉末に、バインダ、界面活性剤、造孔材、水等を添加して成形原料を作製する。
次に、得られたセラミック体20の側面5に接合部30を形成する。具体的には、一対の電極部21、21上に接合部30を形成する。
図3は、本発明のハニカム構造体の他の実施形態を模式的に示す斜視図である。図3に示すハニカム構造体101は、セラミック体40と、このセラミック体40の外周面(側面)5(図4参照)の全部を覆うように形成された接合部30とを備えている。接合部30は、セラミック体40に接合されている。接合部30は、図4に示すように、セラミック体40の側面5側の拡散層31とこの拡散層31上に形成された金属層32とを有している。セラミック体40は、流体の流路となる一方の端面11から他方の端面12まで延びる複数のセル2を区画形成する隔壁1と最外周に位置する外周壁3とを有する筒状のものである。即ち、本実施形態における「セラミック体」は、上述した一の実施形態とは異なり電極部を備えていないものである。また、セラミック体40は、熱伝導性を有するものである。このようなハニカム構造体101は、熱交換器の基材として使用することができる。即ち、ハニカム構造体101を、筒状の金属管に嵌め込むことによって得られたものは、熱交換器として用いることができる。このような熱交換器は、セラミック体40のセル2内に第一の流体を流通させ、ハニカム構造体101の外に第二の流体を流通させることにより、第一の流体と第二の流体の熱交換を行うことができる。図4は、本発明のハニカム構造体の他の実施形態のセルの延びる方向に平行な断面を模式的に示す断面図である。
次に、本発明のハニカム構造体の他の実施形態であるハニカム構造体101を製造する方法を示す。
まず、炭化珪素(SiC)粉末と金属珪素(金属Si)粉末とを80:20の質量割合で混合した。これに、バインダとしてヒドロキシプロピルメチルセルロース、造孔材として吸水性樹脂を添加すると共に、水を添加して成形原料とした。その後、この成形原料をニーダーを使用して混練して混練物を得た。この混練物を真空土練機に投入して板状の坏土を作製した。次に、この板状の坏土を乾燥させて板状の乾燥体を得た。その後、この乾燥体の表面に金属Siを積載した。次に、アルゴン雰囲気下で焼成温度を1500℃として2時間含浸焼成を行った。このようにして、Si含浸SiCを主成分とする板状の焼成体を作製した。板状の焼成体は、一辺が20mmの正方形で厚さが5mmであった。この板状の焼成体を、セラミック体の試験片とした。なお、セラミック体の気孔率は、30.2%であった。セラミック体の気孔率は、アルキメデス法により測定した値である。
作製した試験用構造体について0.01〜1Vの電圧を順次印加し、このときの電流値を計測する。その後、描かれる電流と電圧の関係を示すグラフが直線になっているか否かを確認する。具体的には、0.5Vにおける電流値と0.01Vにおける電流値との差を算出する。この値を「電流I1」とする。そして、0.5Vと0.01Vと差(0.5V)を電圧V1とする。これらの値から抵抗R1(R1=電圧V1÷電流I1)を求める。その後、1Vにおける電流値と0.5Vにおける電流値との差を算出する。この値を「電流I2」とする。そして、1Vと0.5Vと差(0.5V)を電圧V2とする。その後、これらの値から抵抗R2(R2=電圧V2÷電流I2)を求める。その後、「抵抗R2÷抵抗R1」を算出する。算出された値が0.95〜1.05である場合を「A」とし、この範囲外である場合を「B」とする。
まず、作製した試験用構造体を「950℃で2分間保持し、その後常温(約25℃)で2分間保持する」冷熱サイクルを1サイクルとし、この冷熱サイクルを1000サイクル行った(冷熱サイクル試験)。次に、拡大顕微鏡、金属顕微鏡およびSEMを用いて観察して、接合部の剥離、接合体及びセラミック体におけるクラックの発生を確認する。その後、以下の基準で評価を行う。上記剥離及び上記クラックの発生が認められなかった場合を「A」とする。大きな剥離又はクラックが認められた場合を「B」とする。
まず、上記[接合信頼性]の試験を行う前の試験用構造体の電気抵抗を測定する。次に、上記[接合信頼性]の試験を行った後の試験用構造体の電気抵抗を測定する。その後、下記式により抵抗変化率を算出する。その後、以下の基準で評価を行う。抵抗変化率が3%未満の場合を「A」とする。抵抗変化率が3%以上で5%未満の場合を「B」とする。抵抗変化率が5%以上で100%未満の場合を「C」とする。抵抗変化率が100%以上の場合を「D」とする。
式:([接合信頼性]の試験を行った後の試験用構造体の電気抵抗/[接合信頼性]の試験を行う前の試験用構造体の電気抵抗)×100
まず、炭化珪素(SiC)粉末と金属珪素(金属Si)粉末とを80:20の質量割合で混合する。これに、バインダとしてヒドロキシプロピルメチルセルロース、造孔材として吸水性樹脂を添加すると共に、水を添加して成形原料とする。その後、この成形原料をニーダーを使用して混練して混練物を得る。この混練物を真空土練機に投入してハニカム状の坏土を作製する。次に、このハニカム状の坏土を乾燥させてハニカム状のハニカム乾燥体を得る。得られたハニカム乾燥体の端面に金属Siを積載する。次に、アルゴン雰囲気下で焼成温度を1500℃として2時間含浸焼成を行う。このようにして、Si含浸SiCを主成分とするハニカム状のハニカム焼成体を作製する。得られたハニカム焼成体は、直径が42mmであり、中心軸方向の長さが100mmであった。
表1に示す原料を用い、表1に示す配合割合で原料組成物を作製したこと以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体を作製した。その後、作製したハニカム構造体について、実施例1と同様にして、セラミック体の気孔率の測定を行った。また、拡散層の有無及び金属層の有無の確認、金属層における「SiC及びコーディエライト」の含有割合の算出を行った。更に、実施例1と同様にして、「オーミックコンタクト性」、「接合信頼性」、「電気抵抗」、及び「熱抵抗」の各評価を行った。なお、『金属層に分散した化合物の含有割合』のことを、表3中では「金属層における化合物の含有割合」と記す。
Claims (9)
- 流体の流路となる一方の端面から他方の端面まで延びる複数のセルを区画形成する隔壁及び最外周に位置する外周壁を有し、金属Siを含むハニカム状のセラミック体と、前記セラミック体の外周面に接合された接合部とを備え、
前記接合部が、前記セラミック体の前記外周面側に位置する金属シリサイドを主成分とする拡散層と、前記拡散層上に形成された金属層とを備え、
前記金属層が、金属成分を主成分として含み且つ熱膨張係数が5.0×10−6/℃以下の化合物が分散されたものであるハニカム構造体。 - 前記熱膨張係数が5.0×10−6/℃以下の化合物が、SiC及びコーディエライトの少なくとも一方である請求項1に記載のハニカム構造体。
- 前記拡散層の厚さが、0.1mm以下である請求項1または2に記載のハニカム構造体。
- 前記接合部の前記金属層に分散されるSiCの含有割合が10〜50%である請求項2または3に記載のハニカム構造体。
- 前記接合部の前記金属層に分散されるSiCの平均粒径が1〜50μmである請求項2〜4のいずれか一項に記載のハニカム構造体。
- 前記接合部の前記金属層に分散されるコーディエライトの含有割合が10〜50%である請求項2〜5のいずれか一項に記載のハニカム構造体。
- 前記接合部の前記金属層に分散されるコーディエライトの平均粒径が1〜50μmである請求項2〜6のいずれか一項に記載のハニカム構造体。
- 前記金属成分が、Cr、Fe、及びNiからなる群より選択される少なくとも1つである請求項1〜7のいずれか一項に記載のハニカム構造体。
- 前記金属シリサイドが、前記セラミック体に含まれる前記金属Siと前記接合部を形成するための原料に含まれる前記金属成分とが反応して形成される請求項1〜8のいずれか一項に記載のハニカム構造体。
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