JP3691536B2

JP3691536B2 - 多孔質導電性炭化珪素焼結体の製造方法

Info

Publication number: JP3691536B2
Application number: JP02038295A
Authority: JP
Inventors: 充茂小川; 保男今村
Original assignee: TYK Corp
Current assignee: TYK Corp
Priority date: 1995-02-08
Filing date: 1995-02-08
Publication date: 2005-09-07
Anticipated expiration: 2020-09-07
Also published as: JPH08217568A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ディーゼルエンジン等から排出される可燃性微粒子の補集用フィルター等に用いられる多孔質導電性炭化珪素焼結体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン等から排出される可燃性微粒子を補集するフィルターは、低熱膨張性のコーディエライトセラミックが使用されているが、一定量の微粒子を捕集すると圧力損失が増大するため、定期的に焼却し再生する必要がある。フィルターの再生は、バーナの燃焼ガスを噴射しその燃焼熱で焼却する方法やニクロム線ヒータあるいは発熱金属層を組み合わせて加熱し焼却する方法がとられている。しかし、これらの方法は外部からフィルターを加熱するため、可燃性微粒子の燃焼に伴い局所的な発熱と大きな温度勾配によってフィルターの溶損や熱応力割れが発生する問題がある。
【０００３】
このため補集した可燃性微粒子を均一に燃焼し、コンパクトで現状の装置を大きく変更することなく取り付けられる自己発熱型フィルターが検討されている。この方法で使用されるフィルターは、主に炭化珪素、珪化モリブデン、炭化チタニウムあるいはランタンクロマイトを主成分とした導電性セラミックス（特開昭58-119317,特開平2-42112 ）を用いる技術が開示されている。
【０００４】
しかしながら、ランタンクロマイトのような導電性の酸化物系セラミックスは、耐熱性が低く熱膨張率が高いため熱応力割れが発生する問題がある。一方、珪化モリブデン、炭化チタニウム等の導電性の非酸化物系セラミックスはフィルター機能を付与するために気孔率を高くすると容易に酸化し導電性が失われる問題がある。さらに、純度の高い炭化珪素セラミックは、基本的に絶縁体であるため、所望の導電性を得るためにTi、Zrのような周期律表IV_a族元素あるいはV 、NbのようなＶ_a族元素の炭化物、窒化物、ホウ化物を添加し、焼結体中に連続的な導電相を形成させることによって導電性を付与する必要がある。しかし、これら導電性物質は多量の添加が必要で、この多量添加によって大気中など酸素を含む雰囲気で容易に酸化を受け導電性が失われる問題がある。
【本発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は以上の状況に鑑がみなされたものであり、導電性付与物質を添加することなく炭化珪素の導電性を向上し、優れた耐酸化性を付与するとともに、フィルターとして最適な気孔径及び気孔率を有する多孔質導電性炭化珪素焼結体を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の多孔質導電性炭化珪素焼結体の製造方法は、平均粒子径 1 〜 50 μ m 、粒度分布の累積粒度 10% 径と 50% 径の粒径比 (D10/D50) が 0.2 以上の炭化珪素粉末、窒化珪素粉末及び炭素質物質からなる混合粉末であって、炭化珪素粉末の含有量が、 20 〜 70 重量 % であり、カーボンに対する窒化珪素を構成する金属珪素のモル比が 1.0 〜 2.0 の範囲である混合粉末を成形し、窒素を含まない非酸化性雰囲気で、 1600 〜 2300 ℃の温度で焼成することを特徴とするものである。
【０００７】
以下、さらに詳しく本発明について説明する。
本発明の製造方法においては、炭化珪素、窒化珪素及び炭素質物質からなる成形体を窒素を含まない非酸化性雰囲気で焼成することによって多孔質導電性炭化珪素焼結体を得るが、炭化珪素、窒化珪素及び炭素質物質からなる成形体は、炭化珪素粉末、窒化珪素粉末及び炭素質物質からなる混合原料を成形してもよいし、また炭化珪素粉末、金属珪素及び炭素質物質からなる混合原料を成形して窒化して得られた炭化珪素、窒化珪素及び炭素質物質からなる成形体であってもよい。
【０００８】
このようにして得られた成形体を炭化反応によって、導電性物質を添加することなく導電性が向上し、優れた耐酸化性を付与することができる。また、炭化珪素粉末の配合量及び粒径を適宜設定することにより、所望の気孔率及び気孔径を有する多孔質導電性炭化珪素焼結体を製造することができる。
【０００９】
本発明の多孔質導電性炭化珪素焼結体の製造方法において、炭化珪素、窒化珪素及び炭素質物質から成る成形体を窒素含まない非酸化性雰囲気で焼成するが、その理由は、窒化珪素の分解によって生成した窒素元素が反応生成するβ型炭化珪素あるいは予め添加した炭化珪素に不純物として含有され、導電性を向上させるためで、ここで含有される窒素元素は粒界相または粒内に固溶あるいは単独で存在する場合もあるが、炭化珪素との反応によって化合物として存在することもある。
【００１０】
炭化珪素、窒化珪素及び炭素質物質から成る成形体を炭化珪素粉末、窒化珪素粉末及び炭素物質からなる混合原料を成形して得る場合、これら原料粉末の配合は、炭化珪素粉末の含有量が20〜70重量％であり、カーボンに対する窒化珪素を構成する金属珪素のモル比が 1.0〜 2.0の範囲とする。炭化珪素の配合量が20重量％未満では機械的強度が低下し、70重量％を越えると窒化珪素の転化によって反応生成した窒素元素を含有するβ型炭化珪素が少ないため比抵抗が高くなる。また、カーボンに対する窒化珪素を構成する金属珪素のモル比が 1.0未満では焼結体中にカーボンが残存し、焼結性を阻害するため粒界相が容易に酸化する。一方、モル比が 2.0を越えると窒化珪素の分解によって生成した金属珪素の残存量が多く耐酸化性及び機械的強度が低下する。
【００１１】
また、本発明の多孔質導電性炭化珪素焼結体の気孔特性は、気孔径 1〜40μm 、気孔率 40%以上で、ディーゼルパティキュレートフィルターとして適用する場合、気孔径 5〜40μm 、気孔率はは50〜80％の範囲がより好ましい。この理由は気孔径が 5.0μm より小さいと可燃性微粒子の目詰まりが著しく短時間で圧力損失が増大し、一方、気孔径が 40 μm を越えると、捕集効率が低下しフィルター機能を果たさなくなり、また、気孔率が50％より低いと圧力損失が増大し、80％を越えると機械的強度が低下するためである。
【００１２】
本発明の導電性多孔質炭化珪素焼結体の製造方法における気孔特性は、出発原料である炭化珪素粉末の平均粒径及び粒度分布に依存し、所望の気孔径を得るためには平均粒径が 1〜50μm 、粒度分布の累積粒度 10%径と 50%径の粒径比(D₁₀/D₅₀) が0.2 以上の粉末を使用する必要がある。一方、窒化珪素粉末の平均粒径は成形性及び炭素質物質との反応性の点から 100μm 以下が好ましい。また、Ｃ源となる炭素質物質はカーボンブラック、アセチレンブラック等の微粒子固体カーボン粉末の他、熱分解などによって炭素となるフェノール、フラン、ポリイミド等の有機系樹脂等を使用することもできる。
【００１３】
混合原料の成形方法としては、メチルセルロース、ポリビニルアルコール等の有機系バインダーを添加し、プレス成形、押出成形、射出成形あるいはスラリーを調整し所望の形状の容器に注入固化して行うことができる。
【００１４】
次に、炭化珪素、窒化珪素及び炭素質物質から成る成形体の焼成方法は、1600〜2300℃の焼成温度で、窒素を含まない非酸化性の雰囲気で焼成する。窒素を含まない非酸化性の雰囲気としては、真空、アルゴン、一酸化炭素、アンモニア、メタン、水素又はこれらの二種以上の混合ガス雰囲気が挙げられる。これらの焼成温度及び雰囲気等の条件は、窒化珪素がβ型炭化珪素に転化し、さらに耐酸化性を向上させるために必要な条件で、1600℃より低い温度では窒化珪素の炭化反応が不十分で焼結体中に窒化珪素が残存するため比抵抗が高くなる。また、窒素を含む雰囲気では窒化珪素の炭化によって反応生成した炭化珪素の粒成長を阻害するため、結晶粒が小さく耐酸化性が低下する。好ましい焼成温度は 1800 〜 2300 ℃、より好ましくは 1900 〜 2300 ℃、より好ましい雰囲気は真空中である。
【００１５】
【実施例】
以下、実施例、比較例を挙げてさらに具体的に本発明を説明する。
【００１６】
（実施例 1〜5 、比較例 1〜 9）
出発原料として表１記載の粒径（平均粒径、粒度分布粒径比）の炭化珪素粉末と、カーボンに対する金属珪素のモル比を調整した窒化珪素粉末及びカーボンブラックの混合粉末を表１に示す割合で配合した原料 100重量部に対して、水25重量部、バインダーとしてメチルセルロース10重量部を添加し、ヘンシェル混合機で10分間混合し、次いでニーダ式混練機を用いて30分混練した。得られた混練物は高圧真空押出成形機を用いて、外径寸法□50mm、セル寸法2.5mm 、リブ圧0.5mm のハニカムを成形圧力 60 kg/cm²で押出成形した。得られた成形体は、乾燥後、非酸化性の雰囲気で 450℃×1hr の脱脂を行った後、表２に示す焼成条件で焼成した。
【００１７】
得られた焼結体について以下の特性を測定し表３に示した。
(1) 気孔率：アルキメデス法。
(2) 平均気孔径: 水銀圧入法。
(3) 室温比抵抗：ハニカム構造体を□10×50mmL に切断し、銀電極を形成し４端子法で測定した
(4) 耐酸化性：大気中、温度1000℃×100 時間処理後の比抵抗を測定した。
(5) 機械的強度：ハニカム構造体を□10×10mmL に切断し、押出方向における圧縮強度を測定した。
【００１８】
【表１】

【００１９】
【表２】

【００２０】
表１〜２から明らかなように、実施例１〜５で得られた導電性多孔質炭化珪素焼結体は、好適な気孔率及び平均気孔径を有し、室温比抵抗が低く優れた導電性を示すとともに、優れた圧縮強度、耐酸化性を示し、導電性ディーゼルパティキュレートフィルター等として優れた特性を有する。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の導電性炭化珪素焼結体の製造方法によれば、導電性付与材を添加することなく、導電性、耐酸化性に優れ、フィルターとして最適な気孔率及び気孔径を有する多孔質導電性炭化珪素焼結体が提供される。また、本発明の多孔質導電性炭化珪素焼結体の用途は、特に、ディーゼルエンジンから排出される微粒子を捕集し燃焼焼却するヒーター性能を有する導電性ディーゼルパティキュレートフィルターとして、さらに、発熱面積が大きく熱効率を高められる観点から、ダクトヒーター、大型ドライヤーの熱源に使用される熱風発生機用ヒーターとして最適である。また、暖房機器、調理機器、乾燥機器、焼成炉等に使用されるヒーターとしても適している。

Claims

平均粒子径 1〜 50 μm 、粒度分布の累積粒度 10%径と 50%径の粒径比(D10/D50) が 0.2以上の炭化珪素粉末、窒化珪素粉末及び炭素質物質からなる混合粉末であって、炭化珪素粉末の含有量が20〜70重量% であり、カーボンに対する窒化珪素を構成する金属珪素のモル比が 1.0〜 2.0の範囲である混合粉末を成形し、窒素を含まない非酸化性雰囲気で、1600〜2300℃の温度で焼成することを特徴とする多孔質導電性炭化珪素焼結体の製造方法。