JP2016527174A - 多孔質セラミックスのための迅速な焼成方法 - Google Patents

Abstract

セラミックハニカム素地を、約８０℃／ｈｒ以上の少なくとも１つの加熱速度を用いて、室温から約３５０℃以下の第１の温度まで加熱するステップを含む、セラミックハニカム素地を焼成する方法。セラミックハニカム素地を、第１の温度から約８００℃以上の第２の温度まで、約９０℃／ｈｒ以上の加熱速度で加熱してよい。セラミックハニカム素地を、第２の温度から約１０００℃以上の第３の温度まで加熱してよい。セラミックハニカム素地は、チタン酸アルミニウムセラミック本体を形成するためのアルミニウム原料を含んでよい。

Description

関連出願の相互参照

本出願は、米国特許法第１２０条の下で、２０１３年７月２６日出願の米国特許出願第１３／９５１８４０号の優先権の利益を主張するものであり、上記出願の内容全体は参照によって本出願に援用される。

本開示は一般に、セラミック素地の焼成に関し、より具体的には、チタン酸アルミニウムセラミック本体の焼成に関する。

セラミックフィルタ、特に前面面積の大きいフィルタは、焼成プロセスにおいて除去するべき有機原料を含む。このような有機材料は例えば、結合剤（メトセル、ポリビニルアルコール等）、潤滑剤、分散剤、細孔形成剤（デンプン、グラファイト、及び他のポリマー類）中に含有され得る。このような材料は、酸素の存在下において、引火点超の温度で燃え尽き得る。このような材料のうちのいくつかはまた、炉及び／又は熱酸化装置等の後処理装置中で燃焼する揮発性有機化合物（ＶＯＣ）として除去される。このような材料の分解及び／又は酸化は通常熱を放出し、材料の収縮又は成長に影響を及ぼすことが多く、これは応力を発生させ得、最終的には割れにつながり得る。

大きな又は頑丈なセラミック素地のための従来の焼成プロセスは、６００℃未満の温度まで加熱する場合、４℃／ｈｒ〜８℃／ｈｒ等の穏やかな加熱速度の焼成サイクルに依存する。このような低い加熱速度により、有機原料を漸進的かつ完全に除去でき、これによってセラミック材料中の応力を低減できる。しかしながら、セラミック素地を６００℃まで加熱するのに最大１３０時間かかる場合があり、その結果、焼成サイクル全体に１４０時間〜１９８時間かかり得るため、焼成サイクルはこのような低い加熱速度を用いることにより長引く。

従って、加熱速度が増大した焼成サイクル、特にセラミック本体に割れを生じさせない６００℃までの加熱速度に対するニーズが存在する。

実施形態によると、セラミックハニカム素地を焼成する方法が開示される。この方法は、セラミックハニカム素地を室温から約３５０℃以下の第１の温度まで加熱するステップを含み、ここでセラミックハニカム素地室温から第１の温度まで加熱するステップは、約８０℃／ｈｒ以上の加熱速度を含む。セラミックハニカム素地を、第１の温度から約８００℃以上の第２の温度まで加熱してよく、セラミックハニカム素地を第１の温度から約８００℃以上の第２の温度まで加熱するステップは、約９０℃／ｈｒ以上の加熱速度で加熱するステップを含む。続いてセラミックハニカム素地を、第２の温度から１０００℃以上の第３の温度まで加熱してよい。セラミックハニカム素地は、約４．０インチ（１０．１６ｃｍ）以上〜約９．０インチ（２２．８６ｃｍ）以下の直径を有してよい。セラミックハニカム素地は、炭素系細孔形成剤を約１０重量％以上〜約４８５重量％以下の濃度で含んでよい。セラミックハニカム素地は、チタン酸アルミニウムセラミック本体を形成するためのアルミニウム原料を含んでよい。

いくつかの実施形態では、セラミックハニカム素地を、室温から第２の温度まで、又は室温から第３の温度まで、約９０℃／ｈｒ以上の単一の加熱速度で加熱してよい。

いくつかの実施形態では、セラミックハニカム素地を、室温から第１の温度まで加熱するステップは、約２００℃／ｈｒ以上の加熱速度で加熱するステップを含んでよい。

いくつかの実施形態では、セラミックハニカム素地を室温から第１の温度まで加熱するステップは、セラミックハニカム素地を室温から約９０℃〜約２００℃の温度まで、約１３０℃／ｈｒ〜約１７０℃／ｈｒの加熱速度で加熱するステップ、及びセラミックハニカム素地を約９０℃〜約２００℃の温度から第１の温度まで約１５℃／ｈｒ以下の加熱速度で加熱するステップを含む。

いくつかの実施形態では、セラミックハニカム素地を室温から第１の温度まで加熱するステップは、セラミックハニカム素地を室温から約９０℃〜約１１０℃の温度まで、約７０℃／ｈｒ〜約９０℃／ｈｒの加熱速度で加熱するステップ、セラミックハニカム素地を約９０℃〜約１１０℃の温度から約１４０℃〜約１６０℃の温度まで約４０℃／ｈｒ〜約６０℃／ｈｒの加熱速度で加熱するステップ、セラミックハニカム素地を約１４０℃〜約１６０℃の温度から約１９０℃〜約２１０℃の温度まで約１５℃／ｈｒ〜約３５℃／ｈｒの加熱速度で加熱するステップ、及びセラミックハニカム素地を約１９０℃〜約２１０℃の温度から第１の温度まで約１５℃／ｈｒ以下の加熱速度で加熱するステップを含む。

本開示の更なる特徴及び利点を以下の詳細な説明に示す。上記更なる特徴及び利点の一部は、当業者には以下の詳細な説明から容易に明らとなり、又は以下の詳細な説明、及び特許請求の範囲を含む本明細書に記載される実施形態を実施することによって認識されるだろう。

以上の概要及び以下の詳細な説明の両方は、様々な実施形態を記載し、請求対象の主題の性質及び特徴を理解するための概説又は枠組みを提供することを意図したものであることを理解されたい。

本開示のある実施形態によるサイクルの加熱速度を示すグラフ

これより、セラミックハニカム素地を焼成するための焼成サイクルの実施形態に対して、詳細に言及する。実施形態によると、セラミックハニカム素地を焼成する方法は、炉内でセラミックハニカム素地を４つのステージにおいて加熱するステップを含む。実施形態では、第１のステージは、セラミックハニカム素地を室温から約３５０℃以下の第１の温度まで、１つ又は複数の加熱速度で加熱するステップを含む。第２のステージでは、セラミックハニカム素地を、第１の温度から第２の温度まで約９０℃／ｈｒ以上の加熱速度で加熱してよい。第３のステージでは、セラミックハニカム素地を、第２の温度から第３の温度まで１つ又は複数の加熱速度で加熱してよい。セラミックハニカム素地を、所定の量の時間に亘って第３の温度に保持してよい。第４のステージでは、セラミックハニカム素地を最高ソーク温度まで加熱し、セラミックハニカム素地から残留炭素を除去するのに十分な時間に亘って保持してよい。第１、第２、及び第３のステージにおける加熱速度は同一であってよく、又は異なっていてよい。いくつかの実施形態では、第１及び第２のステージにおける加熱速度は、加熱されるセラミック本体のサイズ及び炉内に存在する酸素の量に応じで変動してよい。

実施形態では、セラミックハニカム素地は、アルミナ等のアルミニウム含有原料、及びルチル型チタン等のチタン含有原料を含んでよく、これらは焼成された場合にチタン酸アルミニウムを形成する。いくつかの実施形態では、チタン酸アルミニウム本体は擬板チタン石の結晶構造を有し得る。チタン酸アルミニウムの量は、セラミック本体の３０％超である。

いくつかの実施形態では、原料は、例えばタルク又はＭｇＯといったマグネシウム含有材料を含んでよい。マグネシウム含有材料を原料に添加して、チタン酸アルミニウムとの固溶体の状態のチタン酸マグネシウムを形成してよく、これによりチタン酸マグネシウムはおよそ２０％の擬板チタン石相を形成する。チタン酸アルミニウム及びチタン酸マグネシウムの量は合計で、セラミック本体の５０〜１００％である。他の実施形態では、原料は、擬板チタン石相中のチタン酸アルミニウムが擬板チタン石相の９５％超となるように、マグネシウム含有材料を含まなくてよい。

実施形態では、組成物は、約１０％〜約５５％、又は約１５％〜約５０％でさえある、押出し助剤、結合剤、及び細孔形成剤の上乗せ添加量を有し得る。形成されるセラミックハニカム本体は、高い多孔率を有してよい。実施形態では、セラミックハニカム本体の多孔率は、約４０％〜約６５％、例えば約４５％〜約６５％であってよい。いくつかの実施形態では、セラミックハニカム本体の多孔率は約５０％〜約６５％、例えば約６０％であってよい。

上記組成物は、１つ又は複数の炭素系細孔形成剤を含んでよい。実施形態では、細孔形成剤は、デンプン、グラファイト、操作されたポリマー材料、又はこれらの混合物から選択してよい。実施形態では、上記組成物に含まれる細孔形成剤の上乗せ添加の総量は、約１０重量％以上〜約５０重量％以下であってよい。いくつかの実施形態では、細孔形成剤の総量は、約２０重量％以上〜約３４重量％以下であってよい。デンプン及びグラファイトの混合物を含む実施形態では、デンプンを、組成物の約１０重量％以上〜約３０重量％以下の量で含んでよく、グラファイトを、組成物の０重量％以上〜約１６重量％以下の量で含んでよい。しかしながら、実施形態に応じて、グラファイト及びデンプンのいずれの組み合わせを用いてよいことが理解されるべきである。

細孔形成剤の重量百分率は、非有機固体に対する上乗せ添加として、以下の式：

によって、計算される。

以下で説明するように、セラミックハニカム本体の望ましいサイズは、３つのステージそれぞれにおける加熱速度に影響を及ぼし得る。実施形態では、比較的低い加熱速度を比較的大きなセラミックハニカム素地に対して用いてよく、比較的高い加熱速度を比較的小さなセラミックハニカム素地に対して用いてよい。いくつかの実施形態では、複数の加熱速度を第１のステージにおいて用いて、プロセスの第１のステージの間のセラミックハニカム素地の割れの最小化を補助してよい。実施形態では、セラミックハニカム本体の直径は、約４．０インチ（１０．１６ｃｍ）以上〜約９．０インチ（２２．８６ｃｍ）以下、又は約６．３インチ（１６．００２ｃｍ）以上〜約７．５インチ（１９．０５ｃｍ）以下でさえあってよい。実施形態では、セラミックハニカム本体の直径は、約５．５インチ（１３．９７ｃｍ）以上〜約６．０インチ（１５．２４ｃｍ）以下であってよい。いくつかの実施形態では、セラミックハニカム本体は、約４．６６インチ（１１．８３６４ｃｍ）の直径及び約９．０インチ（２２．８６ｃｍ）の長さ、又は約５．６６インチ（１４．３７６４ｃｍ）の直径及び約６．０インチ（１５．２４ｃｍ）の長さを有してよい。他の実施形態では、セラミックハニカム本体は、約５．６６インチ（１４．３７６４ｃｍ）の直径及び約７．５インチ（１９．０５ｃｍ）の長さ、又は約６．３インチ（１６．００２ｃｍ）の直径及び約６．５インチ（１６．５１ｃｍ）の長さを有してよい。別の実施形態では、セラミックハニカム本体は、約７．５インチ（１９．０５ｃｍ）の直径及び約６．５インチ（１６．５１ｃｍ）の長さを有してよい。

第１のステージ
実施形態では、焼成方法の第１のステージは、セラミックハニカム素地を室温から約３５０℃以下の第１の温度まで加熱するステップを含んでよい。いくつかの実施形態では、第１の温度は、約３００℃以下、又は約２８０℃以下でさえあってよい。いくつかの実施形態では、第１の温度は約２４０℃以上であってよい。本明細書において使用される場合、室温は特に制限されておらず、焼成方法の第１のステージの開始前のセラミック本体及び／又は炉のいずれの周囲温度を含んでよいことが理解されるべきである。

いくつかの実施形態によると、第１のステージは１つの加熱速度を含んでよいが、他の実施形態では、第１のステージは複数の加熱速度を含んでよい。図１は、加熱サイクルが第１のステージにおいて２つ以上の加熱速度を含む実施形態をグラフで示す。特に、図１は、温度が第１の温度に近づくにつれて低下する加熱速度を示す。しかしながら図１に示していないいくつかの実施形態は、第１のステージにおいて１つの加熱速度、又は第１のステージにおいて３つ以上の加熱速度を有してよい。図１に示していないいくつかの実施形態では、加熱速度は温度が第１の温度に近づくにつれて増加する。第１のステージにおいて用いられる少なくとも１つの加熱速度は、セラミックハニカム本体の割れを回避できるよう十分に高くてよい。実施形態では、第１のステージにおいて用いられる少なくとも１つの加熱速度は、約８０℃／ｈｒ以上であってよい。例えばいくつかの実施形態では、第１のステージにおいて用いられる加熱速度は、約９０℃／ｈｒ以上、又は約１５０℃／ｈｒ以上でさえあってよい。実施形態では、第１のステージにおいて用いられる加熱速度は、約３００℃／ｈｒ以下、又は約２００℃／ｈｒ以下でさえあってよい。いくつかの実施形態では、第１のステージにおいて用いられる加熱速度は、約８０℃／ｈｒ、約９０℃／ｈｒ、又は約１５０℃／ｈｒであってよい。いくつかの実施形態では、第１のステージにおいて用いられる加熱速度は、約２００℃／ｈｒ、又は約３００℃／ｈｒであってよい。

いくつかの実施形態によると、第１のステージにおいて２つ以上の加熱速度を用いてよい。第１のステージにおいて２つ以上の加熱速度を用いることにより、第１のステージの間のセラミックハニカム素地の温度変化のより良好な制御が可能となる。よって、第１のステージにおいて複数の加熱速度を用いることにより、セラミック本体における割れの量を低減できる。

第１のステージが２つ以上の加熱速度を含むいくつかの実施形態によると、セラミックハニカム素地を、室温から約２４５℃〜約２６５℃の温度まで加熱してよいか、又は室温から約２５０℃〜約２６０℃の温度まで加熱さえしてよい。いくつかの実施形態では、セラミックハニカム素地を、室温から約２４５℃〜約２６５℃の温度まで、約１８０℃／ｈｒ〜約２２０℃／ｈｒ、例えば約２００℃／ｈｒの加熱速度で加熱してよい。
いくつかの実施形態では、セラミックハニカム素地を、約２４５℃〜約２６５℃の温度から第１の温度まで、約１５℃／ｈｒ以下の加熱速度で加熱してよい。いくつかの実施形態では、セラミックハニカム素地を、約２４５℃〜約２６５℃の温度から第１の温度まで、約７℃／ｈｒ以下の加熱速度で、又は約５℃／ｈｒ以下の加熱速度でさえ加熱してよい。いくつかの実施形態では、第２の温度は約３５０℃以下、又は約２８０℃以下でさえあってよい。いくつかの実施形態では、第２の温度は約２７０℃以上、又は約２７５℃以上でさえあってよい。

いくつかの実施形態では、セラミックハニカム素地を、室温から約９０℃〜約２００℃の温度まで加熱してよい。いくつかの実施形態では、セラミックハニカム素地を、室温から約９０℃〜約１１０℃の温度、例えば約１００℃の温度まで加熱してよい。いくつかの実施形態では、セラミックハニカム素地を、室温から約１８０℃〜約２００℃の温度、例えば約１９０℃の温度まで加熱してよい。いくつかの実施形態では、セラミックハニカム素地を、室温から約９０℃〜約２００℃の温度まで、約１３０℃／ｈｒ〜約１７０℃／ｈｒの加熱速度、例えば約１５０℃／ｈｒの加熱速度で加熱してよい。

いくつかの実施形態では、セラミックハニカム素地を、約９０℃〜約１１０℃の温度から第１の温度まで約１５℃／ｈｒ以下の加熱速度で加熱してよい。いくつかの実施形態では、第１の温度は約３００℃以下、例えば約２７０℃であってよい。

いくつかの実施形態では、第１のステージは３つの加熱速度を含んでよく、セラミックハニカム素地を、室温から約１８０℃〜約２００℃、例えば約１９０℃の温度まで加熱してよい。セラミックハニカム素地を、室温から約１８０℃〜約２００℃の温度まで、約１３０℃／ｈｒ〜約１７０℃／ｈｒ、例えば約１５０℃／ｈｒの加熱速度で加熱してよい。続いてセラミックハニカム素地を、約１８０℃〜約２００℃の温度から約２００℃〜約２２０℃の温度、例えば約２１０℃の温度まで加熱してよい。セラミックハニカム素地を約１８０℃〜約２００℃の温度から約２００℃〜約２２０℃の温度まで、約１５℃／ｈｒ以下の加熱速度で加熱してよい。いくつかの実施形態によると、セラミックハニカム素地を、約２００℃〜約２２０℃の温度から第１の温度まで、約５℃／ｈｒ以下の加熱速度、例えば約３℃／ｈｒの加熱速度で加熱してよい。いくつかの実施形態では、第１の温度は約３００℃未満、又は２５０℃未満でさえあってよい。いくつかの実施形態では、第１の温度は約２４０℃以上であってよい。

いくつかの実施形態では、第１のステージは４つ以上の加熱速度を含んでよい。このような実施形態では、セラミックハニカム素地を、室温から約９０℃〜約１１０℃の温度、例えば約１００℃まで加熱してよい。セラミックハニカム素地を、約９０℃〜約１１０℃の温度まで、約７０℃／ｈｒ〜約９０℃／ｈｒの加熱速度、例えば約８０℃／ｈｒの加熱速度で加熱してよい。セラミックハニカム素地を、約９０℃〜約１１０℃の温度から約１４０℃〜約１６０℃の温度、例えば約１５０℃の温度まで加熱してよい。セラミックハニカム素地を、約１４０℃〜約１６０℃の温度まで、約４０℃／ｈｒ〜約６０℃／ｈｒの加熱速度、例えば約５０℃／ｈｒの加熱速度で加熱してよい。セラミックハニカム素地を、約１４０℃〜約１６０℃の温度から約１９０℃〜約２１０℃の温度、例えば約２００℃の温度まで加熱してよい。セラミックハニカム素地を、約１９０℃〜約２１０℃の温度まで、約１５℃／ｈｒ〜約３５℃／ｈｒの加熱速度、例えば約２５℃／ｈｒの加熱速度で加熱してよい。セラミックハニカム素地を、約１９０℃〜約２１０℃の温度から第１の温度まで、約５℃／ｈｒ〜約２０℃／ｈｒの加熱速度、例えば約１５℃／ｈｒの加熱速度で加熱してよい。第１の温度は約３３０℃〜約３５０℃であってよい。
以下の段落は、ＡＴＨＰにおける表皮の欠陥及び割れを制御することに関する詳細を開示する。本発明者らは、高温に対してＯ２レベルを制御することが表皮の欠陥を防ぐために有効であることを見出した。

「Ｆａｓｔ Ｆｉｒｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｃｅｒａｍｉｃｓ」と題された、２０１３年３月８日出願の、米国特許出願第６１／７７５０２７号明細書（この出願の内容は参照により援用される）において議論されているように、第１のステージにおける加熱速度は、焼成されるセラミックハニカム本体のサイズに左右され得る。例えば、小型のセラミックハニカム本体は高い加熱速度で加熱してよく、大きなセラミックハニカム本体はより低い加熱速度で加熱してよい。実施形態によると、比較的高い第１のステージの加熱速度は、割れのない焼成を促進できる。第１のステージにおける加熱速度は、公知の焼成方法と比較して極めて高くてよい。このような比較的高い加熱速度は、このような高い加熱速度が、増大した熱勾配により割れを引き起こす見込みがあり得るという従来の理解とは異なる。いずれの特定の理論に拘束されるものではないが、高い加熱速度を（炉における低Ｏ_２又は削減された反応時間による）低い酸素アクセスと組み合わせると、収縮につながり得る結合剤と細孔形成剤との反応を抑制できるため、このような高い熱勾配に割れを生じずに到達できる。従って、高い熱勾配の衝撃は低い収縮差により最小化され得る。更に、高い加熱速度は、素地全体に亘る均一な反応も促進し得る。比較的低い加熱速度では、素地はスキン部分のための高酸素反応経路と、コア部分のための低酸素反応経路とを示し得る。これもまた、第１のステージの間の素地内の低い収縮差に寄与し得る。第１のステージにおいて割れが回避されたとしても、これは後続のステージにおける割れに対する感受性を排除するものではない。後続のステージは、異なる加熱速度及びＯ_２レベル制御といった、より従来的な手段によって管理される必要があり得る。更に、焼成されるセラミックハニカム本体のサイズを考慮することによって、割れの制御及び加熱速度の修正を補助してよい。

セラミックハニカム本体の表面とセラミックハニカム本体のコアとの間の大きな温度差（ΔＴ）は、応力を増大させ得、従ってセラミックハニカム本体が割れる可能性を増大させ得ることが理解されるべきである。セラミックハニカム本体中の高い応力は、ΔＴが最大となる炉温度において発生し得る。しかしながら、セラミックハニカム本体中の応力は、セラミックハニカム本体を焼成する方法の第１のステージにおいては有意に大きくない場合があり、従って、最終的に本体に割れを生じ得る多量の応力を導入することなく、高い加熱速度及び熱勾配を、焼成方法の第１のステージにおいて用いることができる。

ハニカムセラミック本体がマグネシウム含有材料を含むいくつかの実施形態では、第１のステージは１つの加熱速度又は２つ以上の加熱速度を含んでよい。ハニカムセラミック本体がマグネシウム含有材料を含まないいくつかの実施形態では、第１のステージは１つの加熱速度、２つの加熱速度、又は３つ以上の加熱速度を含んでよい。第１のステージの間の炉内の雰囲気の酸素レベルは、低いままであってよい。理論的には、第１のステージにおいて高い加熱速度を用いることにより、セラミックハニカム本体のための従来の焼成プロセスと比較して、本明細書に記載される焼成方法の第１のステージにおいて、より高い量の酸素を存在させることができる。実施形態による第１のステージにおけるセラミックハニカム素地の急速な加熱により、セラミックハニカム素地の温度が第２又は第３のステージの温度に到達する前に、酸素がセラミックハニカム素地中の残留元素と反応できなくなり得る。いくつかの実施形態では、第１のステージにおける炉の雰囲気中の酸素の量は、約１体積％〜約１３体積％、又は約３体積％〜約１０体積％でさえあってよい。第１のステージにおける炉の雰囲気中の酸素の量は一般に、セラミックハニカム本体のための従来の焼成プロセスにおいて使用される酸素の量よりも低い。

炉の雰囲気中の酸素レベルは、いずれの好適な手段によって制御してよい。実施形態では、炉の雰囲気中の酸素のレベルは、炉内に酸素を注入することによって修正してよい。他の実施形態では、炉の雰囲気中の酸素のレベルは、異なるタイプの設定器を用いて修正してよい。例えば、実施形態では、設定器は炭化ケイ素からなってよい。他の実施形態では、設定器は、焼成されるセラミックハニカム素地と同一の材料からなってよい。設定器の幾何学的形状はまた、炉の雰囲気中の酸素レベルに寄与し得る。例えば、いくつかの実施形態では、設定器はいずれの好適な厚さを有する中実プレートであってよい。他の実施形態では、設定器は、孔が形成されたプレートであってよく、上記孔はいずれの好適な個数又はいずれの好適な幾何学的形状で存在してよい。更に他の実施形態では、設定器はリング形状であってよい。本開示の範囲から逸脱することなく、他の設定器構成及び幾何学的形状を用いてよいことが理解されるべきである。

第２のステージ
実施形態では、焼成方法の第２のステージは、セラミックハニカム素地を、第１のステージにおいて到達した最高温度から約８００℃以上の第２の温度まで加熱するステップを含んでよい。いくつかの実施形態では、本焼成方法の第２の温度は、約１０００℃以下であってよい。セラミックハニカム素地がマグネシウム含有材料を含むいくつかの実施形態では、第１のステージは約８００℃において終了してよい。セラミックハニカム素地がマグネシウム含有材料を含まないいくつかの実施形態では、第１のステージは約１０００℃において終了してよい。

第２のステージにおける加熱速度は、焼成されるセラミックハニカム本体のサイズに左右され得る。上で議論したように、同一の加熱速度で、比較的大きなセラミックハニカム本体は比較的大きなΔＴを有する傾向があり得、比較的小さなセラミックハニカム本体は比較的小さなΔＴを有する傾向があり得る。セラミックハニカム本体中の応力及びΔＴは第１のステージにおいてよりも第２のステージにおいてより高くてよいが、第２のステージにおける応力及びΔＴは有意に大きくならない場合があり、従って実施形態によると、特に小型のセラミックハニカム本体が焼成される場合に、焼成方法の第２のステージにおいて比較的高い加熱速度を依然として用いてよい。いくつかの実施形態では、第２のステージにおける加熱速度は、約９０℃／ｈｒ以上、又は約１５０℃／ｈｒ以上でさえあってよい。いくつかの実施形態では、第２のステージにおける加熱速度は、約３００℃／ｈｒ以下、又は約２００℃／ｈｒ以下でさえあってよい。いくつかの実施形態では、第２のステージにおける加熱速度は、約１８０℃／ｈｒ〜約２２０℃／ｈｒ、例えば約２００℃／ｈｒであってよい。

第２のステージにおける加熱速度は、第１のステージにおける最大加熱速度以上であってよい。例えば、図１にグラフで示されたこの実施形態は、第１のステージにおける最大加熱速度におおよそ等しい加熱速度を示す。よって第１のステージにおいて加熱速度を１つしか有さない実施形態では、第２のステージにおける加熱速度は、第１のステージにおける加熱速度と同一であってよい。従っていくつかの実施形態では、セラミックハニカム本体を、室温から第２の温度まで単一の加熱速度で加熱してよい。他の実施形態では、第２の加熱速度は、第１のステージにおける最大加熱速度を上回ってよい。

第２のステージの間の炉の雰囲気中の酸素の量は特に制限されず、周囲条件に設定してよい。いくつかの実施形態では、第２のステージにおける炉の雰囲気中の酸素の量は、約３体積％〜約１５体積％、又は約６体積％〜約１２体積％でさえあってよい。いくつかの実施形態では、第２のステージの間の炉の雰囲気中の酸素の量は、約７体積％〜約１０体積％であってよい。酸素のレベルは、第２のステージの間に上昇してよい。例えばいくつかの実施形態では、炉内の雰囲気中の酸素レベルは、第２のステージの開始時において（例えば第１の温度において）約３体積％、又は約６体積％でさえあってよい。続いて酸素を加熱中の炉内に投入してよく、これにより炉内の温度が約６００℃に到達するとき、炉の雰囲気中の酸素レベルは、約１０体積％〜約１５体積％、例えば約１２体積％となり得る。 第３のステージ
実施形態では、本明細書に記載される焼成方法の第３のステージは、セラミックハニカム素地を、第２のステージにおいて到達した第２の温度から第３の温度まで加熱するステップを含んでよい。第３の温度は、１０００℃以上であってよい。いくつかの実施形態では、第３の温度は約１２００℃以下であってよい。

セラミックハニカム本体中の最高応力及び最高ΔＴは、第３のステージの温度範囲内で起こり得る。よって実施形態では、第３のステージにおける加熱速度は、第１及び第２のステージにおける加熱速度よりも十分に低くてよく、これによりΔＴの変化率を低下させ、従ってセラミックハニカム本体の割れを引き起こし得る応力を低減する。しかしながら他の実施形態では、第３のステージにおいて使用される加熱速度は、第２のステージにおいて使用される加熱速度と同一であってよい。従って、第１のステージ及び第２のステージが同一の加熱速度を用いる実施形態では、セラミックハニカム本体を、室温から第３の温度まで単一の加熱速度で加熱してよい。

第３のステージにおける加熱速度は、セラミックハニカム素地が第２の温度まで加熱された後に、セラミックハニカム素地中に残っている炭素質材料を除去するのに十分なものであってよい。実施形態では、第３のステージにおいて用いられる加熱速度は、第１及び第２のステージにおいて用いられる加熱速度未満であってよい。例えば、図１にグラフで示されている実施形態では、第３のステージにおける加熱速度は、第１のステージ及び第２のステージの両方における最大加熱速度未満である。実施形態では、第３のステージにおける加熱速度は、約１５０℃／ｈｒ以下、又は約９０℃／ｈｒ以下でさえあってよい。いくつかの実施形態では、第３のステージにおける加熱速度は、約１５℃／ｈｒ以下であってよい。いくつかの実施形態では、第３のステージにおける加熱速度は、約５℃／ｈｒ以上、又は約７℃／ｈｒ以上でさえあってよい。いくつかの他の実施形態では、第３のステージにおける加熱速度は、約１５０℃／ｈｒ、約９０℃／ｈｒ、又は約７℃／ｈｒであってよい。

セラミックハニカム本体がマグネシウム含有材料を含む実施形態では、第３のステージにおける加熱速度は、第１の段階における最大加熱速度未満であってよく、また第３のステージにおける加熱速度は、第１のステージにおける最小加熱速度以上であってよい。セラミックハニカム本体がマグネシウム含有材料を含む実施形態では、第３のステージにおける加熱速度は、約１５℃／ｈｒ以下、例えば７℃／ｈｒであってよい。セラミックハニカム本体がマグネシウム含有材料を含まないいくつかの実施形態では、第３のステージにおける加熱速度は、約９０℃／ｈｒ以上かつ約１５０℃／ｈｒ以下であってよく、後に＞１０００℃の温度において、炭素質材料を燃やし尽くすために低下する。

セラミックハニカム本体のサイズは、第３のステージにおける加熱速度に必ずしも影響を及ぼさず、従ってあらゆるサイズのセラミックハニカム本体を、第３のステージの間、同一の加熱速度で加熱してよい。しかしながら、第３のステージにおける加熱速度は、比較的小さなセラミックハニカム本体に関してよりも、比較的大きなセラミックハニカム本体に関して低くてよく、これにより、上で議論したように大きなセラミックハニカム本体に関してより大きくなり得るΔＴの変化率を低下させる。例えば、約７．５インチ（１９．０５ｃｍ）以上の長さを有するセラミック本体のための第３のステージにおける最大加熱速度は、約９０℃／ｈｒであってよい。セラミック本体の長さが約７．５インチ（１９．０５ｃｍ）未満である実施形態では、第３のステージにおける最大加熱速度は、約１５０℃／ｈｒ以下であってよい。

いくつかの実施形態では、第３のステージにおける加熱速度は低いレベル（即ち第１のステージにおける加熱速度又はこれ未満）であってよく、従って第３のステージにおける炉の雰囲気中の酸素レベルは特に制限されず、周囲レベルであってよい。従って、実施形態では、第３のステージの間の炉の雰囲気中の酸素の量は、約８体積％〜約２１体積％、例えば約１３体積％であってよい。

いくつかの実施形態では、第３のステージは、第３の温度におけるセラミックハニカム本体の等温保持を含んでよい。いくつかの実施形態では、ハニカムセラミック本体は、約８時間〜約１４時間、例えば約１１時間に亘って第３の温度に保持されてよい。

いくつかの実施形態では、第３のステージは、セラミックハニカム本体を、第３の温度から約１１００℃以上の温度〜約１２００℃以下の温度、例えば約１１５０℃の温度まで加熱するステップを含んでよい。セラミックハニカム本体を約１１００℃以上の温度から約１２００℃以下の温度まで、約７℃／ｈｒ以上〜約１２℃／ｈｒ以下の加熱速度、例えば約９℃／ｈｒの加熱速度で加熱してよい。

第４のステージ
実施形態では、焼成方法の第４のステージは、セラミックハニカム本体を、第３のステージにおける最高温度から最高ソーク温度まで加熱するステップを含む。いくつかの実施形態では、最高ソーク温度は、約１２００℃超、又は約１３００℃超でさえあってよい。いくつかの実施形態では、最高ソーク温度は、約１５００℃以下、又は約１４００℃以下でさえあってよい。セラミックハニカム本体を、所定の長さの時間に亘って、最高ソーク温度に保持してよい。最高ソーク温度に保持する期間は特に制限されず、適切な特性を形成するのに必要な長さであってよい。セラミックハニカム本体が最高ソーク温度まで加熱された後、セラミックハニカム本体を周囲条件において室温まで冷却してよい。この冷却は、加熱装置からセラミックハニカム本体を取り外すことによって、又は周囲空気が炉内に流入する及び／若しくは炉を通って流れることができるようにすることによって実施してよい。

本明細書において実施形態を説明及び定義する目的で、用語「略（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」及び「約（ａｂｏｕｔ）」は、本明細書において、いずれの量的比較、値、測定値又は他の表現に起因し得る、固有の不確実度を表すために利用されていることに留意されたい。用語「略（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」及び「約（ａｂｏｕｔ）」はまた、本明細書において、問題となる主題の基本的機能に変化をもたらすことなく、量的表現が、明記されている基準値から変化し得る程度を表すために利用されている。

本明細書において使用される場合、インチでの測定値が対象となる場合、用語「約」は、少なくとも明記されている測定値±０．２５インチ（０．６３５ｃｍ）を含んでよい。

本明細書における温度及び加熱速度に対する言及は、加熱装置内の気温を指す。本明細書において使用される場合、温度が対象となる場合、用語「約」は少なくとも明記されている温度±１０℃を含んでよい。

本明細書において使用される場合、加熱速度が対象となる場合、用語「約」は、少なくとも明記されている加熱速度±１０％を含んでよい。

本明細書において使用される場合、百分率が対象となる場合、用語「約」は、少なくとも明記されている百分率±３％を含んでよい。

実施形態を以下の実施例によって更に明確にする。

実施例１〜１６
以下の実施例では、以下の表１に示した直径及び長さを有する円筒形セラミックハニカム本体を、炉内において図１に示した加熱速度で加熱した。更に、各ステージにおいて使用される酸素の量、及び使用される細孔形成剤の量を表１に列挙する。各実施例１〜５を、マグネシウム含有材料を含まないアルミニウム含有原料を用いて形成した。実施例６〜１６を、タルク、マグネシウム含有材料を含むアルミニウム含有原料を用いて形成した。ハニカムセラミック本体は、２０１１年７月１２日に公表された米国特許第７，９７６，７６８号明細書（この出願はその全体が参照により援用される）に記載されるようなチタン酸アルミニウム組成物を用いた。

上の表１に示したパラメータに従って形成された各セラミックハニカム本体は、有意な割れを生じることなく、迅速な焼成率で焼成された。

請求対象の主題の精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書に記載した実施形態に、様々な修正例及び変形例を行ってよいことは、当業者には明らかであろう。従って、本明細書は、上記修正例及び変形例が添付の請求の範囲及びその均等物の範囲内にある場合、
本明細書に記載される様々な実施形態の修正例及び変形例を包含することが意図されている。

Claims (10)

1. セラミックハニカム素地を焼成する方法であって、
   前記セラミックハニカム素地を室温から約３５０℃以下の第１の温度まで加熱するステップであって、前記セラミックハニカム素地を室温から前記第１の温度まで加熱する前記ステップは、約８０℃／ｈｒ以上の加熱速度を含む、ステップ；
   前記セラミックハニカム素地を、前記第１の温度から約８００℃以上の第２の温度まで加熱するステップであって、前記セラミックハニカム素地を前記第１の温度から前記第２の温度まで加熱する前記ステップは、約９０℃／ｈｒ以上の加熱速度を含む、ステップ；及び
   前記セラミックハニカム素地を、前記第２の温度から約１０００℃以上の第３の温度まで加熱するステップ
   を有してなり、
   前記セラミックハニカム素地は、約４．０インチ（１０．１６ｃｍ）以上〜約９．０インチ（２２．８６ｃｍ）以下の直径を有し、
   前記セラミックハニカム素地は、炭素系細孔形成剤を約１０重量％以上〜約４８重量％以下の濃度で含み、
   前記セラミックハニカム素地は、チタン酸アルミニウムセラミック本体を形成するためのアルミニウム原料を含む、方法。
2. 前記セラミックハニカム素地を室温から前記第２の温度まで加熱する前記ステップは、前記セラミックハニカム素地を、約９０℃／ｈｒ以上、例えば約９０℃／ｈｒ〜約３００℃／ｈｒの単一の加熱速度で加熱するステップを含み、
   前記セラミックハニカム素地を前記第２の温度から前記第３の温度まで加熱する前記ステップは、前記セラミックハニカム素地を、約１５０℃／ｈｒ以下の加熱速度で加熱するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記セラミックハニカム素地を室温から前記第１の温度まで加熱する前記ステップは：
   前記セラミックハニカム素地を約２４５℃〜約２６５℃の温度まで、約１８０℃／ｈｒ〜約２２０℃／ｈｒの加熱速度で加熱するステップ；及び
   前記セラミックハニカム素地を、前記約２４５℃〜約２６５℃の温度から前記第１の温度まで、約１５℃／ｈｒ以下の加熱速度で加熱するステップ
   を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記セラミックハニカム素地を室温から前記第１の温度まで加熱する前記ステップは：
   前記セラミックハニカム素地を室温から約９０℃〜約２００℃の温度まで、約１３０℃／ｈｒ〜約１７０℃／ｈｒの加熱速度で加熱するステップ；及び
   前記セラミックハニカム素地を約９０℃〜約２００℃の温度から前記第１の温度まで、約１５℃／ｈｒ以下の加熱速度で加熱するステップ
   を含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記セラミックハニカム素地を、前記第１の温度から前記第２の温度まで加熱する前記ステップは、約１８０℃／ｈｒ〜約２２０℃／ｈｒの加熱速度で加熱するステップを含み、
   前記セラミックハニカム素地を、前記第２の温度から前記第３の温度まで加熱する前記ステップは、約１５℃／ｈｒ以下の加熱速度で加熱するステップを含む、
   請求項３又は４に記載の方法。
6. 前記セラミックハニカム素地を室温から前記第１の温度まで加熱する前記ステップは：
   前記セラミックハニカム素地を、室温から約９０℃〜約１１０℃の温度まで、約１３０℃／ｈｒ〜約１７０℃／ｈｒの加熱速度で加熱するステップ；及び
   前記セラミックハニカム素地を、前記約９０℃〜約１１０℃の温度から前記第１の温度まで、約１５℃／ｈｒ以下の加熱速度で加熱するステップ
   を含む、請求項３に記載の方法。
7. 前記セラミックハニカム素地を室温から前記第１の温度まで加熱する前記ステップは：
   前記セラミックハニカム素地を、室温から約１８０℃〜約２００℃の温度まで、約１３０℃／ｈｒ〜約１７０℃／ｈｒの加熱速度で加熱するステップ；
   前記セラミックハニカム素地を、前記約１８０℃〜約２００℃の温度から約２００℃〜約２２０℃の温度まで、約１５℃／ｈｒ以下の加熱速度で加熱するステップ；及び
   前記セラミックハニカム素地を、前記約２００℃〜約２２０℃の温度から前記第１の温度まで、約５℃／ｈｒ以下の加熱速度で加熱するステップ
   を含む、請求項３に記載の方法。
8. 前記セラミックハニカム素地を室温から前記第１の温度まで加熱する前記ステップは：
   前記セラミックハニカム素地を、室温から約９０℃〜約１１０℃の温度まで、約７０℃／ｈｒ〜約９０℃／ｈｒの加熱速度で加熱するステップ；
   前記セラミックハニカム素地を、前記約９０℃〜約１１０℃の温度から約１４０℃〜約１６０℃の温度まで、約４０℃／ｈｒ〜約６０℃／ｈｒの加熱速度で加熱するステップ；
   前記セラミックハニカム素地を、前記約１４０℃〜約１６０℃の温度から約１９０℃〜約２１０℃の温度まで、約１５℃／ｈｒ〜約３５℃／ｈｒの加熱速度で加熱するステップ；及び
   前記セラミックハニカム素地を、前記約１９０℃〜約２１０℃の温度から前記第１の温度まで、約１５℃／ｈｒ以下の加熱速度で加熱するステップ
   を含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記セラミックハニカム素地は、上乗せ添加によって、炭素系細孔形成剤を約１０重量％以上〜約４５重量％以下の濃度で含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 炉の雰囲気は、焼成の間、約３体積％〜約１５体積％の酸素を含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。

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