JP4291348B2 - 多孔質構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、多孔質構造体の製造方法に関する。さらに詳しくは、低圧力損失が必要とされる触媒の触媒担体等に使用可能である多孔質構造体の製造方法に関する。

従来から触媒担体として金属製の多孔質構造体が使用されているが、触媒担体は低圧力損失であることが必要であるため、以下のごとき方法によって金属製の多孔質構造体を形成することが試みられている。

まず、溶媒に溶かして流動性を付与した樹脂に金属粉末を混合してスラリーを形成し、このスラリーにポリウレタンフォーム等の三次元の網目状構造を有する発泡樹脂を含浸させ、発泡樹脂の表面にスラリーを付着させる。
ついで、スラリーが付着した材料を高温で加熱し、発泡樹脂やスラリーに含まれていた樹脂を蒸発除去させるとともに、金属粉末同士も焼結させる。
すると、金属粉末は発泡樹脂の表面に付着していた状態で焼結するので、発泡樹脂と同一構造を有する金属焼結体が形成される。つまり、発泡樹脂と同等の網目状構造を有する低圧力損失の多孔質構造体を形成することができるのである（例えば、特許文献１〜９）。

ところで、内燃機関等の触媒担体には、従来ハニカム構造を有する部材等の多孔質構造を有する部材が使用されており、上述したような低圧力損失の多孔質構造体を使用することも検討されている。

従来の触媒担体は、触媒が取り付けられるケース等とは別体に形成され、最終的に触媒を収容するケース等に取り付けられるため、触媒担体はケース等の形状に合わせて製造しなければならない。
しかし、上述したような方法で形成される多孔質構造体は多孔質構造体が焼結時に収縮するので所望の形状に成形することが非常に難しく、また、焼結された多孔質構造体を加工して成形するにしても焼結品は非常に硬いので所望の形状に加工することが非常に困難である。
したがって、上記のごとき多孔質構造体を内燃機関等の触媒担体として使用することは困難である。

とくに、小型内燃機関の場合、触媒やケース等も小型化しなければならないので、触媒を収容するケース、触媒とも小さくせざるを得ないのであるが、小型化すればするほど、所望の形状の触媒担体を形成することは困難になる。

特公昭３８−１７５５４号 特開昭５０−５４１０号 特開昭５５−１２５２０２号 特開昭５８−２０４１３７号 特開平２−１９４０５号 特開平５−３３９６０５号 特開平８−１３４５０６号 特開平８−１３４５０８号 特開２００５−２７２１９２号

本発明は上記事情に鑑み、内燃機関における触媒、とくに、小型の内燃機関における触媒に使用することができる触媒担体に使用可能な多孔質構造体の製造方法を提供することを目的とする。

第１発明の多孔質構造体の製造方法は、内部に多孔質構造を有する構造体の製造方法であって、中空な収容空間を有する金属製の外殻部材と、該外殻部材の収容空間内に配設された多孔質構造を有する金属製の内部構造体と、該内部構造体の外周面と前記外殻部材の収容空間内面との間に配置された金属粉末を含有する基礎材料によって形成された収縮性を有する結合材料とからなる基礎構造体を形成し、該基礎構造体を加熱して、前記結合材料から前記基礎材料を除去して金属構造体を形成し、該金属構造体を、真空又は不活性ガス雰囲気中で加熱して、金属粉末同士、金属粉末と内部構造体、および金属粉末と外殻部材とを接合させることを特徴とする。
第２発明の多孔質構造体の製造方法は、第１発明において、前記結合材料は、網目状構造を有する基礎材料を骨格とし、該基礎材料における網目状構造の表面に金属粉末を含有するスラリーを付着させたものである
ことを特徴とする。
第３発明の多孔質構造体の製造方法は、第１発明において、前記内部構造体が、網目状構造を有する基礎材料を骨格とし該基礎材料における網目状構造の表面に金属粉末を含有するスラリーが付着したスラリー付着材料を形成し、該スラリー付着材料を加熱して前記基礎材料を除去した後、真空又は不活性ガス雰囲気中で加熱して金属粉末同士を接合させて形成されたものであることを特徴とする。
第４発明の多孔質構造体の製造方法は、第１発明において、前記結合材料が前記内部構造体の外周面に取り付けられた挿入部材を、該挿入部材の断面積が、前記外殻部材の収容空間における前記内部構造体が取り付けられる部分の断面積よりも大きくなるように形成し、該挿入部材を前記外殻部材の収容空間内に配置して基礎構造体を形成することを特徴とする。
第５発明の多孔質構造を有する構造体の製造方法は、第１発明において、前記金属粉末、前記内部構造体および前記外殻部材が、同一金属から形成されたものであることを特徴とする。
第６発明の多孔質構造体の製造方法は、第１発明において、前記金属粉末の素材が、ステンレス、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、フェライトまたはこれらの合金であることを特徴とする。

第１発明によれば、内部構造体と外殻部材との間に結合材料を配置するので、内部構造体の外周面の形状と外殻部材の内面の形状とが若干一致していなくても、その誤差を結合材料によって埋めることができる。よって、外殻部材の内部に、内部構造体を、両者の間に隙間ができないように簡単かつ確実に配置することができる。しかも、結合材料中の金属粉末は、金属粉末同士で結合するだけでなく、外殻部材および内部構造体とも接合する。つまり、金属粉末によって内部構造体と外殻部材とが一体に接合されるので、両者の接合が強固になる。よって、手動工具等に使用する内燃機関の排ガス処理用触媒における触媒担体への使用も可能となる。
第２発明によれば、結合材料が存在していた部分にも網目状構造が形成されるから、外殻部材の収容空間内部全体を有効に活用することができる。
第３発明によれば、内部構造体は、金属粉末が結合した骨格が網目状に配置されており、スポンジ（海綿）状の構造を有するウレタンフォーム等と同等または同等以上の空隙率を有する部材となるから、内部構造体の通気性を高くすることができ、構造的な強度も強くすることができる。
第４発明によれば、結合材料が収縮変形できるので、内部構造体および外殻部材を損傷することなく、内部構造体を外殻部材内に配設することができる。しかも、結合部材が圧縮された状態で配設されるから、内部構造体と外殻部材とが接合されたときにおける収縮量を少なくすることができ、両者の間に隙間ができることを防ぐことができる。
第５発明によれば、同一金属から形成されているので、金属粉末と内部構造体および金属粉末と外殻部材の接合に無理がなく、内部構造体から外殻部材までの一体化が容易である。
第６発明によれば、耐熱性耐食性が高いので、反応性の高い物質を含む、例えば排ガス等を処理する触媒の触媒担体に採用しても長期間使用することが可能となる。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１（Ａ）は本実施形態の多孔質構造体１０の概略断面図であり、（Ｂ）は多孔質構造体１０における多孔質部１２の部分拡大図である。図１に示すように、本実施形態の多孔質構造体１０は、内部に中空な収容空間１１ｈを有する金属製の外殻部材１１と、この外殻部材１１の収容空間１１ｈ内に配設された多孔質部１２とから構成されている。

前記外殻部材１１は、金属製のパイプや、箱形ケース等であるが、特に限定されず、後述する多孔質部１２を内部に収容できる収容空間１１ｈを備えた構造であればよく、とくに限定されない。また、外殻部材１１を構成する金属もとくに限定されず、例えば、ステンレスやチタン、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、フェライトまたはこれらの合金等の種々の金属材料を使用することができる。

前記多孔質部１２は、例えば、ステンレスやチタン、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、フェライトまたはこれらの合金の金属粉末によって形成された多孔質部材であって、内部に金属粉末ｍ同士が接合して形成された網目状構造の骨格を有する構造体である（図１（Ｂ））。網目状構造とは、例えば、ウレタンフォーム等のようにスポンジ（海綿）状の構造であって、内部に多数の連続する空隙が形成されている構造を意味する。
そして、多孔質部１２が上記のごとき網目状構造の骨格を有していれば、ウレタンフォーム等と同程度の空隙率、具体的には、５０％以上、好ましくは、７０％以上、より好ましくは８０％以上や９０％程度の空隙率となり、通気性に非常に優れたものとなる。

しかも、多孔質部１２は、その網目状構造の骨格を形成する金属粉末ｍ同士が焼結されており、非常に強固に結合されている。そして、多孔質部１２において、前記外殻部材１１と接する金属粉末ｍは外殻部材１１とも焼結により結合されている。つまり、本実施形態の多孔質構造体１０は、外殻部材１１と多孔質部１２とが一体に焼結されており、両者が非常に強固に接合しているのである（図３（Ｃ）参照）。

以上のごとく、本実施形態の多孔質構造体１０は、内部に非常に空隙率が高い網目状構造の骨格を有しているから、内燃機関の排ガス処理用触媒における触媒担体に使用することができる。そして、外殻部材１１と多孔質部１２とが一体焼結され非常に強固に結合されているから、普通乗用車などに比べて衝撃や振動を受けやすい、二輪車や手動工具等に使用する内燃機関の排ガス処理用触媒における触媒担体にも適用することが可能である。

また小型内燃機関でも、草刈機やチェーンソー等の手動工具は軽量であることが求められており、従来触媒などを取り付けることは事実上不可能であった。しかし、パイプを外殻部材１１とする本実施形態の多孔質構造体１０を手動工具の排気系統に使用し、多孔質部１２の表面に白金やパラジューム等を付着させておけば、多孔質部１２を触媒として機能させることができる。すると、従来排気ガス対策を行うことが困難であった手動工具の排ガスを触媒によって処理すること可能となる。

なお、本実施形態の多孔質構造体１０の多孔質部１２を、触媒担体として使用するのであれば、外殻部材１１の素材や多孔質部１２の金属粉末ｍの素材は、ステンレスやインコネル等の金属が好ましい。かかる金属は、耐熱性耐食性が高いので、反応性の高い物質を含む、例えば排ガス等を処理する触媒の触媒担体に採用しても長期間使用することが可能となる。
さらになお、外殻部材１１を構成する金属と、多孔質部１２の金属粉末ｍの素材は必ずしも同じ金属である必要はないが、同一の金属としておけば、外殻部材１１と金属粉末ｍの接合が容易である。
一方、両者を異種金属とすれば、製造コストを下げることも可能となる。例えば、多孔質部１２に高品質の素材を使用しても、多孔質部１２に比べて体積の大きい外殻部材１１に安価な材料を使用すれば、多孔質構造体１０の品質を低下させることなく、製造コストを抑えることができる。

また、多孔質部１２の通気性つまり空隙率や、多孔質部１２の強度、また、多孔質部１２と外殻部材１１との結合強度は、金属粉末ｍの粒径の影響も受ける。そこで、本実施形態の多孔質構造体１０に使用する金属粉末ｍには、その粒径が小さい粉末、例えば、平均粒径５０μｍ以下、好ましくは、平均粒径２０μｍ以下の粉末がさらに好ましい。かかる粒径の粉末を使用して多孔質部１２の骨格を形成すれば、多孔質部１２全体の空隙率は高くなっても、骨格自体の空隙率は小さくすることができる。言い換えれば、骨格部分における金属粉末ｍ間に形成される隙間が小さくなる。すると、多孔質部１２の空隙率は高くなっても骨格自体の強度は高く維持することが可能となるから、空隙率を高くしても多孔質部１２の強度低下を防ぐことができる。同様に、多孔質部１２と外殻部材１１とが結合している部分における金属粉末ｍ間に形成される隙間が小さくなるから、多孔質部１２と外殻部材１１の結合強度も強くすることができる。つまり、多孔質部１２を構成する金属粉末ｍの粒径を上記のごとき粒径とすれば、多孔質部１２の強度向上と空隙率の向上、延いては多孔質構造体１０の強度向上と空隙率の向上を実現することが可能となる。

なお、粉末の平均粒径が５０μｍより大きくても、本発明の多孔質構造体１０の多孔質部１２を形成することは可能であるが、平均粒子の径が大きくなればなるほど多孔質部１２の強度が低下する。すると、衝撃や振動等への耐久性が低下するので、耐久性を向上させるには多孔質構造体１０自体を大型化しなければならなくなる。よって、かかる問題の発生を防ぐには、粉末の平均粒径は、好ましくは50μｍ以下、通常100μｍ以下、悪くとも平均粒径は200μｍ以下で形成することが望ましい。
さらになお、多孔質部１２は、網目状構造の骨格を有するものが好ましく、とくに上記のごとく金属粉末ｍ同士が接合して形成された網目状構造の骨格を有するものが好ましいが、通気性を有する構造であれば多孔質部１２の構造として採用することは可能である。

つぎに、本発明の多孔質構造体１０の製造方法を図２、３に基づいて説明する。なお、以下では、内部構造体２１として金属粉末ｍからなる構造体を使用した場合を説明するが、本発明の多孔質構造体１０の製造方法は、金属粉末からなる内部構造体２１を外殻部材１１内部に配置する場合に限られず、例えば、ハニカム状に形成された多孔質部材やペレット状の粉末等から形成された多孔質部材を外殻部材１１内部に配設する場合にも採用することができるのは、いうまでもない。
なお、以下では、収容空間１１ｈが略断面円形である外殻部材１１（例えば、金属パイプ等）を使用して多孔質構造体１０を製造する場合を説明するが、多孔質構造体１０における収容空間１１ｈの断面は円形に限られないのは、いうまでもない。

（結合材料形成）
図２に示すように、まず、アクリル樹脂等やブチラール等の樹脂材料Ｊをアセトンやエタノール、トルエン等の常温で蒸発する溶剤によって溶かして液体状のバインダを形成し、このバインダに金属粉末ｍを混ぜて金属粉末含有スラリーを形成する（スラリー形成工程Ｓ１）。
なお、樹脂材料Ｊは、溶剤が蒸発すると固まるが、高温（例えば100℃以上500℃以下）では燃焼、蒸発、分解するものであって、かつ、溶剤に溶けた状態において粘着性を有するものであれば、特に限定はない。そして、水溶性セルローズエーテル（ＣＭＣ）、メチルセルローズ（ＭＣ）等の水溶性の樹脂でもよく、これらの樹脂を使用する場合には溶剤として水を使用すればよい。

ついで、金属粉末含有スラリーに基礎材料を浸漬させる（スラリー含浸・乾燥工程Ｓ２）。すると、金属粉末含有スラリーが基礎材料中に浸透する。
この基礎材料は、加圧力を加えると収縮する収縮力と、加圧力を除去すると加圧前の状態に復帰する復元力とを有するものであって、その内部に金属粉末含有スラリーが浸透できるものである。例えば、ウレタンフォームやポリエチレンフォーム、ポリスチレン、ポリエステル、ポリエーテル等を採用することができる。とくに、ポリエチレンフォーム、ポリスチレン等は、その内部に網目状構造の骨格２を有し（図４（Ａ）参照）、その内部には連続する空隙Ｈが形成されており、金属粉末含有スラリーに基礎材料を浸漬すると、連続する空隙Ｈ内に金属粉末含有スラリーが侵入するので、好ましい。

なお、基礎材料は、収縮力のみを有し復元力を有しないものも使用することはできるが、復元力を有していると、後述するように結合材料２２によって内部構造体２１と外殻部材１１との間をより確実に埋めておくことができるので、好適である。
さらになお、基礎材料を形成する素材は、炭素を含有し、かつ、金属粉末含有スラリーに含まれる上記の溶剤に溶けない物質であって、高温において燃焼または蒸発、分解するものであればよく、特に限定はない。
さらになお、樹脂材料Ｊおよび基礎材料を形成する素材は、100℃以上600℃以下、好ましくは100℃以上500℃以下、さらに好ましくは、100℃以上400℃以下において燃焼、蒸発、分解するものであることが望ましいが、スラリー含浸工程Ｓ２が終了するまでに燃焼、蒸発、分解しないのであれば、100℃未満の温度で燃焼、蒸発、分解するものであってもよい。

基礎材料に十分に金属粉末含有スラリーが浸透した後、金属粉末含有スラリーから基礎材料を取り出すと、基礎材料内に浸透していた金属粉末含有スラリーは、基礎材料から排出される。このとき、金属粉末含有スラリーの一部は、基礎材料の内部構造の表面に付着したまま残留する。基礎材料が網目状構造の骨格２を有するものであれば、金属粉末含有スラリーの一部は網目状構造の骨格２表面に付着したまま残留する（図４（Ａ）参照）。
そして、金属粉末含有スラリーから取り出した基礎材料を乾燥させると、基礎材料の表面および内部に、金属粉末ｍを含有した樹脂材料Ｊの層Ｌを有する結合材料２２が形成される。とくに、基礎材料が網目状構造の骨格２を有するものであれば、金属粉末ｍを含有した樹脂材料Ｊの層Ｌが網目状構造を有する結合材料２２が形成される（図４（Ａ）参照）。

なお、基礎材料に付着した金属粉末含有スラリーが多すぎる場合には、基礎材料を加圧するなどして基礎材料に浸透していた金属粉末含有スラリーを強制的に排出させてもよい。逆に、基礎材料への金属粉末含有スラリーの付着が不十分である場合には、複数回、基礎材料を金属粉末含有スラリーに浸漬させてから乾燥させてもよい。

（基礎構造体形成）
つぎに、結合材料２２を内部構造体２１の外周面に取り付け固定して挿入部材２５を形成する（挿入部材形成工程Ｓ３、図３（Ａ））。そして、挿入部材２５を外殻部材１１の収容空間１１ｈに挿入すると基礎構造体２０が形成される（挿入部材挿入工程Ｓ４、図３（Ｂ））。内部構造体２１は、例えば、金属粉末ｍが焼結され形成された網目状構造を内部に有する多孔質部材やハニカム状に形成された多孔質部材、ペレット状の粉末等から形成された多孔質部材である。

挿入部材２５を形成するときには、挿入部材２５の外形Ｄ１が収容空間１１ｈの内径Ｄ２よりも若干大きく、しかも、結合材料２２を収縮性を失わない程度に圧縮した状態となるように結合材料２２を内部構造体２１に取り付けておく。言い換えれば、挿入部材２５の断面積が、挿入部材２５が配置される部分、つまり、内部構造体２１が取り付けられる部分における外殻部材１１の収容空間１１ｈの断面積よりも大きくなるように形成しておく。
すると、挿入部材２５を外殻部材１１の収容空間１１ｈに挿入したときに、結合材料２２が圧縮され収縮した状態で、挿入部材２５が外殻部材１１の収容空間１１ｈ内に配設される。結合材料２２は復元力を有しており、結合材料２２は内部構造体２１の外周面と外殻部材１１の内面との間で膨張しようとするから、結合材料２２によって内部構造体２１と外殻部材１１との間を両者の間に隙間ができないように埋めることができる。

なお、外殻部材１１内において、内部構造体２１を配置する位置や結合材料２２を固定する方法は特に限定されないが、結合材料２２を外殻部材１１と内部構造体２１との間に圧縮して配置したことにより発生する圧縮応力により固定したり、外殻部材１１内にストッパー等を設けて固定したりすれば、内部構造体２１の位置がズレたり、内部構造体２１から結合材料２２が外れたりすることを抑えることができる。

（バインダ・基礎材料除去工程）
基礎構造体２０が形成されると、この基礎構造体２０を真空炉等において加熱し、樹脂材料Ｊおよび基礎材料を形成する素材を除去する（バインダ・基礎材料除去工程Ｓ５）。

まず、基礎構造体２０を、真空炉等の内部に配置し、この真空炉内を真空引きして真空度を高くする。例えば、真空炉内を1.3×１０^−２Ｐａ以下にする。
ここで、真空炉等とは、内部を高真空状態または不活性ガス雰囲気にすることができかつ内部に収容された物質を高真空状態または不活性ガス雰囲気のまま加熱できる装置のことである。また、真空引きとは、真空炉等の内部の空気を、例えば、真空ポンプなどによって吸引することをいう。
なお、真空炉等の内部を真空状態にする代わりに、真空炉等の内部をアルゴンや窒素、炭酸ガス等の不活性ガスで満たしてもよい。

ついで、真空炉内の真空度が高くなると、真空炉内を加熱し温度を上昇させる。なお、加熱中も、真空炉内の真空引きは継続する。
真空炉内の温度が、約100℃、つまり、基礎材料や樹脂材料Ｊが燃焼、分解、蒸発する温度を超えると、結合材料２２中の基礎材料や樹脂材料Ｊを構成していた有機物は分解し、有機物中に存在していた酸素や水素は気化したり、互いに結合して水蒸気となったりして真空炉内から排出される。また、有機物中に存在していた炭素も、有機物中に存在していた酸素と結合して二酸化炭素や一酸化炭素となって蒸発した後真空炉内から排出される。

このとき有機物に含まれていた炭素は、全てが酸素と結合して蒸発するのではなく、一部の炭素は遊離炭素となって金属粉末ｍの表面に残留する。すると、この遊離炭素は金属粉末ｍ同士、金属粉末ｍと内部構造体２１、および金属粉末ｍと外殻部材１１をくっつける結合剤として機能し、内部構造体２１、外殻部材１１、金属粉末ｍおよび遊離炭素とからなる金属構造体が形成される。このとき、樹脂材料Ｊの層Ｌに存在していた金属粉末ｍ同士がそのままの位置に配置された状態となる。この金属構造体において、結合材料２２が存在していた部分（以下、結合部分という）、つまり、内部構造体２１と外殻部材１１との間の部分には樹脂材料Ｊの層Ｌとほぼ同じ構造が遊離炭素と金属粉末ｍによって形成される。とくに、結合材料２２における基礎材料が網目状構造の骨格２を有するものであった場合には、結合部分は網目状構造に形成され、しかも、網目状構造の骨格は、その内部が中空になった状態となる（図４（Ｂ）参照）。

なお、バインダ・基礎材料除去工程Ｓ５において、真空炉内の温度を徐々に上昇させのであるが、これは基礎構造体２０の表面やその内部における樹脂材料Ｊや基礎材料の蒸発発散を緩やかにするためであり、蒸発発散が緩やかになることによって遊離炭素による金属粉末ｍの連結を確実に生じさせることができる。

（焼結）
金属構造体が形成された後も加熱を継続すると、真空炉内の温度はさらに上昇し、結合部分も網目状構造を維持したまま昇温される。そして、真空炉内に、例えば水素化チタン等のゲッター材を入れておけば、真空炉内の温度が600℃以上になると、ゲッター材に含まれていた水素や酸素と反応して遊離炭素がガス化し金属構造体から除去される。
なお、ゲッター材は必ずしも使用しなくてもよい。例えば、金属粉末ｍとして炭素が固溶しても強度等の低下が生じない金属を採用すれば、遊離炭素を金属粉末ｍ等に固溶させて、金属粉末ｍ間等から除去させることも可能である。

遊離炭素が金属構造体から除去されたり固溶したりすると、金属粉末ｍ同士が直接接触するようになり、接触した金属粉末ｍ同士の間で相互拡散が発生し、隣接する金属粉末ｍ同士が拡散接合する。すると、結合剤として機能していた遊離炭素が消滅しても、結合部分の金属粉末ｍだけで樹脂材料Ｊの層Ｌとほぼ同じ構造の網目状構造が維持される。
同時に、金属粉末ｍと内部構造体２１および外殻部材１１が直接接触するようになり、時間の経過ともに、金属粉末ｍ同士の間だけでなく、金属粉末ｍと内部構造体２１との間、および金属粉末ｍと外殻部材１１との間でも拡散接合が進行する。

各部分での拡散接合が進行すると、結合部分の金属粉末ｍを介して、内部構造体２１および外殻部材１１が連結される。言い換えれば、内部構造体２１から外殻部材１１まで一体焼結され、多孔質構造体１０が形成される。この多孔質構造体１０は内部構造体２１から外殻部材１１まで一体焼結されているので、非常に強固な多孔質構造体となる。
なお、金属粉末ｍと内部構造体２１および金属粉末ｍが同一金属から形成されている場合には、金属粉末ｍと内部構造体２１および金属粉末ｍと外殻部材１１の接合に無理がなく、内部構造体２１から外殻部材１１までの一体化が容易である。

しかも、結合材料２２が存在していた部分には金属粉末ｍによって網目状構造が形成されており、内部構造体２１だけでなく結合部分にも空隙率の高い網目状構造が形成される。つまり、内部構造体２１と結合材料２２が存在していた部分がいずれも多孔質部１２となるのである。すると、多孔質構造体１０は、その外殻部材１１の収容空間１１ｈ内部全体が通気性を有することとなる。そして、この多孔質構造体１０を触媒担体として使用する場合には、内部構造体２１の部分だけでなく結合部分も触媒を担持させることも可能であり、収容空間１１ｈ内部全体を触媒として有効に活用することができる。

そして、内部構造体２１として、網目状構造を有する構造体を採用すれば、多孔質構造体１０の多孔質部１２全体を網目状構造とすることができるから、多孔質部１２の空隙率を高くできるので好適である。
とくに、内部構造体２１として、網目状構造を有する構造体であって、網目状構造の骨格が金属粉末ｍ同士の接合によって形成されたものを採用すれば、その空隙率を、ウレタンフォーム等と同程度の空隙率、具体的には、５０％以上、好ましくは、７０％以上、より好ましくは８０％以上や９０％程度の空隙率とすることができる。この内部構造体２１は、以下のごとき方法によって形成することができる。

（スラリー付着材料形成）
図５に示すように、まず、アクリル樹脂等やブチラール等の樹脂材料Ｊをアセトンやエタノール、トルエン等の常温で蒸発する溶剤によって溶かして液体状のバインダを形成し、このバインダに金属粉末ｍを混ぜて金属粉末含有スラリーを形成する（スラリー形成工程Ｓ１１）。
なお、樹脂材料Ｊは、溶剤が蒸発すると固まるが、高温（例えば100℃以上500℃以下）では燃焼、蒸発、分解するものであって、かつ、溶剤に溶けた状態において粘着性を有するものであれば、特に限定はない。そして、水溶性セルローズエーテル（ＣＭＣ）、メチルセルローズ（ＭＣ）等の水溶性の樹脂でもよく、この場合には溶剤として水を使用すればよい。

ついで、金属粉末含有スラリーに基礎材料を浸漬させる（スラリー含浸工程Ｓ１２）。この基礎材料は、ウレタンフォームやポリエチレンフォーム、ポリスチレン、ポリエステル、ポリエーテル等によって形成された網目状構造の骨格２を有するものであり（図４（Ａ））、その内部には連続する空隙Ｈが、空隙率が５０％以上、好ましくは７０％以上となるように形成されたものである。このため、金属粉末含有スラリーに基礎材料を浸漬すると、連続する空隙Ｈ内に金属粉末含有スラリーが侵入し、金属粉末含有スラリーによって基礎材料の空隙Ｈ内が満たされる。

なお、基礎材料を形成する素材は、炭素を含有し、かつ、金属粉末含有スラリーに含まれる上記の溶剤に溶けない物質であって、高温において燃焼または蒸発、分解するものであればよく、特に限定はない。
さらになお、樹脂材料Ｊおよび基礎材料を形成する素材は、100℃以上600℃以下、好ましくは100℃以上500℃以下、さらに好ましくは、100℃以上400℃以下において燃焼、蒸発、分解するものであることが望ましいが、スラリー含浸工程Ｓ２が終了するまでに燃焼、蒸発、分解しないのであれば、100℃未満の温度で燃焼、蒸発、分解するものであってもよい。

基礎材料の空隙Ｈ内に十分に金属粉末含有スラリーが侵入した後、金属粉末含有スラリーから基礎材料を取り出すと、基礎材料の空隙Ｈ内に浸入していた金属粉末含有スラリーは、基礎材料から排出される。このとき、金属粉末含有スラリーの一部は、基礎材料における網目状構造の骨格２表面に付着したまま残留する。
そして、金属粉末含有スラリーから取り出した基礎材料を乾燥させると、図４（Ａ）に示すように、金属粉末ｍを含有した樹脂材料Ｊの層Ｌが、骨格２の表面に形成される（乾燥工程Ｓ１３）。すると、金属粉末ｍを含有した樹脂材料Ｊの層Ｌも、網目状構造に形成される。

なお、基礎材料が、ウレタンフォーム等のように柔軟性を有する場合には、基礎材料を加圧するなどして、強制的に基礎材料の空隙Ｈ内に浸入していた金属粉末含有スラリーを基礎材料から排出させてもよい。
さらになお、骨格２表面への金属粉末含有スラリーの付着が不十分である場合には、複数回、基礎材料を金属粉末含有スラリーに浸漬させてから乾燥させればよい。

（バインダ・基礎材料除去）
つぎに、乾燥した基礎材料（以下、スラリー付着材料という）を真空炉等において加熱し、樹脂材料Ｊおよび基礎材料を形成する素材を除去する。

まず、スラリー付着材料を、真空炉等の内部に配置し、この真空炉内を真空引きして真空度を高くする。例えば、真空炉内を1.3×１０^−２Ｐａ以下にする。
ここで、真空炉等とは、内部を高真空状態または不活性ガス雰囲気にできかつ内部に収容された物質を高真空状態または不活性ガス雰囲気のまま加熱できる装置のことである。また、真空引きとは、真空炉等の内部の空気を、例えば、真空ポンプなどによって吸引することをいう。
なお、真空炉等の内部を真空状態にする代わりに、真空炉等の内部をアルゴンや炭酸ガス等の不活性ガスで満たしてもよい。

ついで、真空炉内の真空度が高くなると、真空炉内を加熱し温度を上昇させる。加熱中も、真空炉内の真空引きは継続する。
真空炉内の温度が、約100℃、つまり、基礎材料や樹脂材料Ｊが燃焼、分解、蒸発する温度を超えると、基礎材料や樹脂材料Ｊを構成していた有機物は分解し、有機物中に存在していた酸素や水素は気化したり、互いに結合して水蒸気となったりして真空炉内から排出される。また、有機物中に存在していた炭素も、有機物中に存在していた酸素と結合して二酸化炭素や一酸化炭素となって蒸発した後真空炉内から排出される（加熱除去工程Ｓ１４）。

このとき有機物に含まれていた炭素は、全てが酸素と結合して蒸発するのではなく、一部の炭素は遊離炭素となって金属粉末ｍの表面に残留する。すると、この遊離炭素は金属粉末ｍ同士をくっつける結合剤として機能するので、金属粉末ｍによって構造体が形成される。このとき、樹脂材料Ｊの層Ｌに存在していた金属粉末ｍ同士がそのままの位置に配置された状態で結合するから、この構造体は、樹脂材料Ｊの層Ｌとほぼ同じ構造となる。つまり、構造体は網目状構造に形成され、しかも、網目状構造の骨格は、その内部が中空になった状態となる（図４（Ｂ））。

なお、加熱除去工程において、真空炉内の温度を徐々に上昇させるのであるが、これはスラリー付着材料の表面やその内部における樹脂材料Ｊや基礎材料の蒸発発散を緩やかにするためであり、蒸発発散が緩やかになることによって遊離炭素による金属粉末ｍ同士の連結を確実に生じさせることができる。

（焼結）
構造体が形成された後も加熱を継続すると、真空炉内の温度はさらに上昇し、構造体も網目状構造を維持したまま昇温される。このとき、真空炉内に、例えば水素化チタン等のゲッター材を入れておけば、遊離炭素の一部はゲッター材に含まれていた水素と反応してハイドロカーボン（ＨＣ）となりガス化して構造体から除去される。
なお、ゲッター材は必ずしも使用しなくてもよい。例えば、金属粉末ｍとして炭素が固溶しても強度等の低下が生じない金属を採用すれば、遊離炭素を金属粉末ｍ等に固溶させて、金属粉末ｍ間等から除去させることも可能である。

遊離炭素が金属構造体から除去されたり固溶したりすると、金属粉末ｍ同士が直接接触するようになり、接触した金属粉末ｍ同士の間で相互拡散が発生し、隣接する金属粉末ｍ同士が拡散接合する。すると、結合剤として機能していた遊離炭素が消滅しても、金属粉末ｍだけで樹脂材料Ｊの層Ｌとほぼ同じ構造の網目状構造が維持される。そして、時間の経過ともに、金属粉末ｍの拡散接合が進行し、金属粉末ｍによって形成された網目状構造の骨格を有する強固な内部構造体２１が形成されるのである（接合工程Ｓ１５、図４（Ｃ））。

しかも、この内部構造体２１は樹脂材料Ｊの層Ｌとほぼ同じ構造の網目状構造を維持しているから、基礎材料と同程度の空隙率を有することになる。そして、基礎材料が存在していた部分も空隙となる（図４（Ｂ）参照）。つまり、骨格自体が中空な構造体となり、しかも、骨格を形成している金属粉末ｍ間に形成されるから、少なくとも基礎材料と同等以上の空隙率を有する内部構造体２１を形成することが可能である。
したがって、基礎材料として空隙率が７０％程度のものを使用しても、空隙率が７０％以上の内部構造体２１を形成することができる。そして、より好適な網目状構造を有する基礎材料と、好適な平均粒径の金属粉末ｍを使用すれば、空隙率が８０％以上、さらに空隙率が９０％程度の内部構造体２１を製造することも可能である。
なお、構造体の焼結は不活性ガス雰囲気中で行ってもよい。

また、上記の例では、内部構造体２１の周囲に結合材料２２を取りつけた挿入部材２５を外殻部材１１に挿入して、基礎構造体２０を形成している。しかし、基礎構造体を上記の方法以外の方法で形成してもよい。

例えば、焼結前の内部構造体２１、つまり、上述したスラリー付着材料を外殻部材１１の収容空間１１ｈに配置して基礎構造体を形成することも可能である。この場合も、基礎構造体を焼結すれば、スラリー付着材料が存在していた部分に金属粉末ｍによって形成された網目状構造の骨格を有し、かつ、外殻部材１１と一体に焼結された多孔質部を有する多孔質構造体を形成することができる。この方法を採用する場合には、スラリー付着材料の断面積が、スラリー付着材料が配置される部分、つまり、多孔質部を設ける部分における外殻部材１１の収容空間１１ｈの断面積よりも大きくなるように形成しておけば、スラリー付着材料が圧縮され収縮した状態で外殻部材１１の収容空間１１ｈ内に配設されるので、両者の間に隙間ができないようにすることができ、しかも、スラリー付着材料の位置がズレたりすることを抑えることができる。

また、焼結した内部構造体２１を外殻部材１１の収容空間１１ｈに圧入して基礎構造体を形成することも可能である。つまり、結合材料２２を取り付けていない内部構造体２１を、そのまま外殻部材１１の収容空間１１ｈに圧入して基礎構造体を形成することも可能である。この場合も、基礎構造体を焼結すれば、内部構造体２１と外殻部材１１とが一体に焼結された多孔質部を有する多孔質構造体を形成することができる。そして、この方法を採用する場合には、内部構造体２１の断面積が、内部構造体２１が配置される部分、つまり、多孔質部を設ける部分における外殻部材１１の収容空間１１ｈの断面積よりも大きくなるように形成しておけば、両者の間に隙間ができないようにすることができ、しかも、スラリー付着材料の位置がズレたりすることを抑えることができる。

本発明の製造方法により製造される多孔質材料は、通気性が必要であり、かつ、構造的な強度も要求される内燃機関用触媒担体やディーゼル車のＤＰＦ等に適している。

（Ａ）は本実施形態の多孔質構造体１０の概略断面図であり、（Ｂ）は多孔質構造体１０における多孔質部１２の部分拡大図である。 本発明の多孔質材料１０の製造方法のフローチャートである。 （Ａ）は挿入部材２５の概略断面説明図であり、（Ｂ）は基礎構造体２０の概略断面説明図であり、（Ｃ）は多孔質構造体１０の概略断面説明図である。 （Ａ）は樹脂材料Ｊの層Ｌが形成された基礎材料２の概略説明図であり、（Ｂ）は基礎材料２が除去されたチタン構造体の部分拡大断面図であり、（Ｃ）は内部構造体２１の部分拡大断面図である。 内部構造体２１の製造方法のフローチャートである。

符号の説明

１０ 多孔質部材
１１ 外殻部材
１２ 多孔質部
２０ 基礎構造体
２１ 内部構造体
２２ 結合部材
２５ 挿入部材
ｍ 金属粉末
Ｈ 空隙
Ｊ 樹脂材料
Ｌ 樹脂材料Ｊの層

Claims (6)

1. 内部に多孔質構造を有する構造体の製造方法であって、
   中空な収容空間を有する金属製の外殻部材と、該外殻部材の収容空間内に配設された多孔質構造を有する金属製の内部構造体と、該内部構造体の外周面と前記外殻部材の収容空間内面との間に配置された金属粉末を含有する基礎材料によって形成された収縮性を有する結合材料とからなる基礎構造体を形成し、
   該基礎構造体を加熱して、前記結合材料から前記基礎材料を除去して金属構造体を形成し、
   該金属構造体を、真空又は不活性ガス雰囲気中で加熱して、金属粉末同士、金属粉末と内部構造体、および金属粉末と外殻部材とを接合させる
   ことを特徴とする多孔質構造体の製造方法。
2. 前記結合材料は、
   網目状構造を有する基礎材料を骨格とし、該基礎材料における網目状構造の表面に金属粉末を含有するスラリーを付着させたものである
   ことを特徴とする請求項１記載の多孔質構造体の製造方法。
3. 前記内部構造体が、
   網目状構造を有する基礎材料を骨格とし該基礎材料における網目状構造の表面に金属粉末を含有するスラリーが付着したスラリー付着材料を形成し、
   該スラリー付着材料を加熱して前記基礎材料を除去した後、真空又は不活性ガス雰囲気中で加熱して金属粉末同士を接合させて形成されたものである
   ことを特徴とする請求項１記載の多孔質構造体の製造方法。
4. 前記結合材料が前記内部構造体の外周面に取り付けられた挿入部材を、該挿入部材の断面積が、前記外殻部材の収容空間における前記内部構造体が取り付けられる部分の断面積よりも大きくなるように形成し、
   該挿入部材を前記外殻部材の収容空間内に配置して基礎構造体を形成する
   ことを特徴とする請求項１記載の多孔質構造体の製造方法。
5. 前記金属粉末、前記内部構造体および前記外殻部材が、同一金属から形成されたものである
   ことを特徴とする請求項１記載の多孔質構造を有する構造体の製造方法。
6. 前記金属粉末の素材が、ステンレス、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、フェライトまたはこれらの合金である
   ことを特徴とする請求項１記載の多孔質構造体の製造方法。

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