JP2901303B2 - 多孔質炭化珪素焼結体の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は多孔質炭化珪素焼結体の製造方法に関する。

［従来の技術及び発明が解決しようとする課題］ 例えば、ディーゼルエンジン等の内燃機関における排
気ガス浄化装置においては、排気ガス中のカーボン煤等
を濾過すると共に、これらを酸化分解する触媒を担持す
るために、ハニカム状に形成されたフィルターが設けら
れている。昨今ではこのフィルターの構成材料として、
耐熱性及び熱伝導性等に優れた多孔質炭化珪素焼結体が
利用されている。

従来、このような目的に使用される多孔質炭化珪素焼
結体は、炭化珪素微粒子のパウダーに有機樹脂バインダ
ー及び可塑剤等を配合してなる原料スラリーを押し出し
成形し、この成形体を2100〜2200℃の温度で焼成するこ
とにより、炭化珪素微粒子を粒成長させて結晶長が100
μｍ前後と粗大な板状結晶を生成させ、これらを互いに
焼結させることにより製造されていた。この板状の結晶
組織を有する多孔質体は、気孔径が15〜25μｍ、気孔率
が45〜55％であり、このように比較的大きな気孔が多数
確保されたものとすることにより、排ガスフィルターと
して使用した場合の圧力損失（又は排気抵抗）を低く抑
えていた。しかし、この多孔質炭化珪素焼結体は粗大な
板状結晶のみからなり、結晶間の結合点が少ないために
機械的強度が極めて低く、取扱いの際の振動等によって
板状結晶が脱落したり、場合によってはフィルターが崩
壊するという問題を有していた。

一方、フィルター用多孔質体の強度を向上させる方法
としては、前記成形体を1900〜2000℃の温度で焼成し、
炭化珪素微粒子の粒成長を適度に抑制して粒状結晶を生
成させ、これらを互いに焼結させることにより、結晶間
の結合点が多い粒状の結晶組織を有する多孔質体を形成
する方法がある。しかし、この多孔質体は、機械的強度
に優れるものの、その気孔径が非常に小さいため、圧力
損失が過大となり、排ガスフィルターとして使用できな
いという問題があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので
あり、その目的は、通気性に優れると共に、機械的強度
にも優れ、圧力損失の少ないフィルターとして好適な多
孔質炭化珪素焼結体を、簡便かつ確実に製造することの
できる製造方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段及び作用］ 上記課題を解決するために本発明においては、粒子表
面に予め炭素質物質を付着させた炭化珪素粒子と付着さ
せていない炭化珪素粒子との配合比が2/8〜4/6の範囲で
ある原料からなる成形体を焼成することにより、多孔質
炭化珪素焼結体を製造している。

この方法によれば、予め炭素質物質を付着させた炭化
珪素粒子と炭素質物質を付着させていない炭化珪素粒子
とは、その接触部（粒界）において炭素質物質が介在さ
れることになる。そのため、焼成時において、炭素質物
質が介在された炭化珪素粒子間の粒成長は、炭素質物質
によってある程度抑制され、このような炭化珪素粒子に
より比較的微細な粒状結晶が生成される。これに対し、
炭素質物質を付着させていない炭化珪素粒子の粒界にお
いては、炭素質物質によって粒成長が抑制されないた
め、比較的粗大な板状結晶が生成される。それ故、上記
成形体を焼成することにより、比較的微細な粒状結晶と
比較的粗大な板状結晶とが混在した状態で、それらが互
いに焼結された多孔質焼結体が得られる。

この多孔質焼結体の結晶組織は、第１図に示す如きも
のと考えられ、粗大な板状結晶が焼結体の主骨格を形成
して、それらの間隙に比較的大きな気孔が確保される。
また、微細な粒状結晶が板状結晶同士を連結する位置に
て焼結され、あるいは板状結晶同士の結合部周辺にて焼
結されて、板状結晶間の結合点を多くし、これにより板
状結晶間の結合が補強され、多孔質体全体としての機械
的強度が向上する。

このような多孔質炭化珪素焼結体をハニカム構造体と
することは好ましく、このハニカム構造体は流体の濾過
抵抗が少なく、しかも耐熱性、熱伝導性及び機械的強度
に優れたフィルターとして使用することができ、特に内
燃機関における排気ガス浄化装置の多孔性フィルターと
して極めて好適である。

本発明の原料粉末には、成形用バインダー及び必要に
応じて分散溶媒が配合されてスラリー状とされ、これを
所望形状の成形体に成形した後、焼成することにより多
孔質炭化珪素焼結体が製造されるものである。

前記原料粉末中の炭化珪素粒子としては、α型又はβ
型の炭化珪素粒子が使用され、その平均粒径は焼結によ
って得られる多孔質体において所望の気孔径を実現する
ために任意に選定される。但し、平均粒径が３μｍを超
える場合、得られた多孔質体の機械的強度を著しく低下
させるため、一般には３μｍ以下のものを使用すること
が望ましい。

前記原料粉末に含まれる炭素質物質としては、焼成温
度において炭素の状態で存在するものであれば使用する
ことができ、例えば、フェノール樹脂、フラン樹脂、ポ
リビニルアルコール、コールタールピッチ、パルプのよ
うな各種有機物質、あるいはカーボンブラック、アセチ
レンブラックのような熱分解炭素を使用することができ
る。

炭素質物質はその形態に応じ、固形粉体のまま、ある
いは液体のまま使用されるが、必要に応じ、その炭素質
物質を溶解あるいは分散する適当な有機溶媒を併用する
ことにより、取扱い易い粘度を有する液状物として使用
してもよい。

また、炭化珪素粒子の表面に炭素質物質を付着させる
場合、気相中に浮遊する炭化珪素粉末中に、液状の炭素
質物質を噴霧することにより付着させることが好まし
い。

ここで、炭化珪素粉末を気相中に浮遊させる方法とし
ては、例えば高速回転可能な攪拌羽根を備えた攪拌槽内
に、攪拌羽根の高速回転中に炭化珪素粉末を投入するこ
とにより、炭化珪素粒子を攪拌槽内に浮遊させる方法が
あげられ、この方法によれば、簡便かつ確実に炭化珪素
粒子を気相中に浮遊させることができる。また、液状の
炭素質物質を噴霧させる方法としては、例えば、加圧タ
ンクを備えた一流体ノズルや、高圧空気による吸引を利
用した二流体ノズルを介して噴霧させる方法があげられ
る。

液状の炭素質物質を使用することにより、炭素質物質
は霧状の微小液滴として、炭化珪素粒子が浮遊された気
相中に拡散される。そして、炭素質物質の微小液滴が炭
化珪素粒子に付着すると、該微小液滴は粒子表面に展開
し、粒子表面が炭素質物質によって均一に被覆される。

また、前記原料粉末中において、粒子表面に炭素質物
質を付着させた炭化珪素粒子と付着させていない炭化珪
素粒子との配合比は2/8〜4/6の範囲であることが好まし
い。この配合比が2/8より小さくなって粒子表面に炭素
質物質を付着させた炭化珪素粒子が相対的に少なくなる
と、炭素質物質による原料炭化珪素粒子の粒成長抑制が
不十分となり、粗大な板状結晶が多量に生成される一
方、粒状結晶が少なくなるため、板状結晶間の結合点が
少なくなり、焼結体の機械的強度が低下する。

一方、前記比率が4/6より大きくなって粒子表面に炭
素質物質を付着させた炭化珪素粒子が相対的に多くなっ
ても、炭素質物質による原料炭化珪素粒子の粒成長抑制
の作用に大きな変化はないが、焼成後に多孔質体中に残
留する炭素質物質の量が多くなって各結晶間の結合力を
低下させ、多孔質体の機械的強度を低下させる。また、
多量の残留炭素は、多孔質体の耐酸化性を低下させ、排
ガスフィルターとしての適性を阻害する。

前記成形用バインダーとしては、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
ース等があげられる。

尚、これら成形用バインダーは、焼成温度に至るまで
の昇温中に分解して微細な炭素質へと変化するが、炭化
珪素粒子の大きさに比較して非常に小さなものとなるた
め、粒子表面を被覆する効果がなく、前述した炭素質物
質のような粒成長抑制作用を発揮できない。

前記原料粉末に配合される分散溶媒としては、ベンゼ
ン等の有機溶剤、メタノール等のアルコール、水等が使
用でき、その配合量は原料スラリーの粘度に応じて調整
される。

前記原料スラリーは、アトライター等で混合された
後、ニーダー等で充分に混練して調製され、押し出し成
形又は射出成形によって所望形状の成形体に成形され
る。

前記成形体は不活性雰囲気中で、1900〜2200℃の温度
にて焼成されることが望ましい。この焼成温度が1900℃
未満では、炭化珪素微粒子の粒成長速度が極めて遅く、
粒子間の接触部位における焼結が不十分となって強度に
優れた焼結体が得られない。一方、焼成温度が2200℃を
超えると、炭化珪素粒子が異常に粒成長して、粒子間の
空隙の一部が閉塞されて気孔径が不均一になり、焼結体
の機械的強度も低くなる。

このようにして得られた炭化珪素焼結体は、板状結晶
と粒状結晶とが混在する結晶組織から構成され、その気
孔率は45〜55％、平均気孔径は15〜25μｍと比較的大き
く、しかも機械的強度に優れた多孔質体となる。

［実施例並びに比較例１及び２］ 以下に、本発明を内燃機関の排気ガス浄化装置に使用
するフィルターに具体化した一実施例を比較例１及び２
と対比させて説明する。尚、このフィルターは円柱形状
でその軸方向に多数の貫通孔が形成されたハニカム構造
体であり、その直径は140mm,長さは140mm,貫通孔を形成
する隔壁の厚みは0.3mm,貫通孔数は170個／平方インチ
である。

（実施例） 〈炭素質物質を付着させた炭化珪素粒子の調製〉 平均粒径が0.3μｍのβ型炭化珪素粉末2kgを高速攪拌
機に装入し、900rpmにて攪拌して炭化珪素粉末を攪拌槽
内に分散させた。ここへ、加熱されたコールタールピッ
チ0.2kgを加圧噴霧装置を使用して噴霧し、30分間攪拌
を行い、炭化珪素粒子表面に炭素質物質を付着させた。

〈多孔質炭化珪素焼結体の製造〉 上記炭素質物質を付着させた炭化珪素粒子100重量部
に、炭素質物質を付着させていない平均粒径が0.3μｍ
のβ型炭化珪素粒子200重量部を配合して均一に混合
し、更にここへメチルセルロース12重量部、及び水80重
量部を配合して均一に混合し、原料スラリーを調製し
た。そして、このスラリーを押し出し成形機に充填し、
押し出し速度2cm/min.にて上記ハニカム状成形体を成形
し、熱風乾燥を施した。

この成形体をアルゴンガス雰囲気下、昇温速度５℃/m
in.にて加熱を開始し、2000℃にて４時間焼成を施し、
ハニカム状の多孔質炭化珪素焼結体を作製した。

この焼結体の一部を切り出し、水銀圧入法による平均
気孔径、気孔率、三点曲げ強度を測定すると共に、フィ
ルターとして使用した場合の圧力損失を測定した。その
結果を表−１に示す。

尚、上記圧力損失は、このハニカム構造体に対し、２
m³/min.でエアーを流通させたときの入口側と出口側の
空気圧の差の大小によって評価される。

（比較例１） 前記実施例において調製した炭素質物質を付着させた
炭化珪素粒子100重量部に、前記実施例において使用し
た炭素質物質を付着させていない炭化珪素粒子（平均粒
径0.3μｍ）500重量部を配合して均一に混合し、更にこ
こへメチルセルロース24重量部、及び水120重量部を配
合して均一に混合し、原料スラリーを調製した。そし
て、前記実施例と同様にして成形及び焼成を施し、ハニ
カム状の多孔質炭化珪素焼結体を作製した。

更に、この焼結体について前記実施例と同様にして各
種物性を測定した。その結果を表−１に示す。

（比較例２） 前記実施例において調製した炭素質物質を付着させた
炭化珪素粒子100重量部に、前記実施例において使用し
た炭素質物質を付着させていない炭化珪素粒子（平均粒
径0.3μｍ）100重量部を配合して均一に混合し、更にこ
こへメチルセルロース８重量部、及び水40重量部を配合
して均一に混合し、原料スラリーを調製した。そして、
前記実施例と同様にして成形及び焼成を施し、ハニカム
状の多孔質炭化珪素焼結体を作製した。

更に、この焼結体について前記実施例と同様にして各
種物性を測定した。その結果を表−１に示す。

（結果の考察） 表−１からわかるように、実施例の条件にて作製され
たハニカム構造体は、従来のものに比べ通気性及び機械
的強度の双方の特性に優れ、いずれの特性をも犠牲にす
ることがなく、排気ガス浄化装置のフィルターとして要
求される性能を十分に満たすものである。

これに対し、炭素質物質を付着させた炭化珪素粒子と
炭素質物質を付着させていない炭化珪素粒子との好適配
合比2/8〜4/6の範囲を外れた比較例１（1/5）及び比較
例２（5/5）のハニカム構造体は、実施例のものより圧
力損失が少なく通気性には優れるが、三点曲げ強度が実
施例の半分以下と低く機械的強度に劣る。この点で、フ
ィルターとして使用した場合に要求される耐久性を十分
に満たすことができない。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、通気性に優れる
と共に、機械的強度にも優れ、圧力損失の少ないフィル
ターとして好適な多孔質炭化珪素焼結体を、簡便かつ確
実に製造することができるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の多孔質炭化珪素焼結体の結晶組織を概
念的に示す説明図である。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】粒子表面に予め炭素質物質を付着させた炭
   化珪素粒子と付着させていない炭化珪素粒子との配合比
   が2/8〜4/6の範囲である原料からなる成形体を焼成する
   ことを特徴とする多孔質炭化珪素焼結体の製造方法。
2. 【請求項２】炭化珪素粒子表面の炭素質物質は、気相中
   に浮遊する炭化珪素粉末中に、液状の炭素質物質を噴霧
   することにより付着させたものであることを特徴とする
   請求項１記載の多孔質炭化珪素焼結体の製造方法。
3. 【請求項３】前記多孔質炭化珪素焼結体はハニカム構造
   体であることを特徴とする請求項１又は２記載の多孔質
   炭化珪素焼結体の製造方法。