JP5539815B2 - Porous silicon carbide ceramic sintered body having conductivity - Google Patents

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Description

本発明は、導電性を有する多孔質の炭化珪素質セラミックス焼結体に関するものである。   The present invention relates to an electrically conductive porous silicon carbide ceramic sintered body.

炭化珪素は、熱伝導率が高いことに加えて熱膨張率が小さいことから、耐熱衝撃性に優れるため、多孔質の炭化珪素質セラミックス焼結体は、高温下で使用されるフィルタの基体として用いられている。また、高純度の炭化珪素は電気抵抗が高く絶縁体に近いが、導電性が付与された多孔質の炭化珪素質セラミックス焼結体は、通電により発熱させる自己発熱型のフィルタ基体として使用することが可能である。   Since silicon carbide has a high thermal conductivity and a low coefficient of thermal expansion, it has excellent thermal shock resistance. Therefore, a porous silicon carbide based ceramic sintered body is used as a filter substrate used at high temperatures. It is used. High-purity silicon carbide has high electrical resistance and is close to an insulator, but a porous silicon carbide ceramic sintered body with conductivity is used as a self-heating filter base that generates heat when energized. Is possible.

例えば、ディーゼルエンジンから排出されるガスに含まれる粒子状物質を捕集除去するディーゼルパティキュレートフィルタ(以下、「DPF」と称することがある)では、捕集された粒子状物質がある程度堆積した時点で、粒子状物質を燃焼させる再生処理が行われる。その際、通電によりフィルタ基体を自己発熱させて、粒子状物質を燃焼・除去すれば、外部加熱により粒子状物質を燃焼させる場合とは異なり、バーナーやヒーター等の加熱装置が不要となる。また、外部加熱の場合は、局所的な加熱によりフィルタ基体が溶損するおそれや、大きな温度勾配によってフィルタ基体に亀裂や割れが発生するおそれがあるところ、自己発熱型のフィルタ基体の場合は、そのようなおそれが少ないという利点も有している。   For example, in a diesel particulate filter (hereinafter sometimes referred to as “DPF”) that collects and removes particulate matter contained in gas discharged from a diesel engine, the collected particulate matter is accumulated to some extent. Thus, a regeneration process for burning the particulate matter is performed. At this time, if the filter base is self-heated by energization and the particulate matter is combusted and removed, unlike the case where the particulate matter is combusted by external heating, a heating device such as a burner or a heater becomes unnecessary. In the case of external heating, the filter base may be melted by local heating, or the filter base may be cracked or cracked by a large temperature gradient. In the case of a self-heating type filter base, There is also an advantage that such a fear is small.

ここで、導電性が付与された炭化珪素としては、微量の不純物を添加することにより半導体とされた炭化珪素が公知である。また、炭化珪素を除く炭化物、窒化物、ホウ化物、酸化物から選ばれる少なくとも一種の添加剤を炭化珪素に添加する製造方法により製造され、導電性を有すると共に、粒子状物質の捕集に適した気孔を有するDPF基体としての炭化珪素が提案されている(特許文献1参照)。   Here, as silicon carbide to which conductivity is imparted, silicon carbide that is made into a semiconductor by adding a small amount of impurities is known. It is manufactured by a manufacturing method in which at least one additive selected from carbides, nitrides, borides and oxides excluding silicon carbide is added to silicon carbide, and has conductivity and is suitable for collection of particulate matter. Silicon carbide has been proposed as a DPF substrate having open pores (see Patent Document 1).

しかしながら、特許文献1の技術では、窒化アルミニウム、窒化チタン、二ホウ化チタンなどの添加剤を、炭化珪素100重量部に対して5〜15重量部と、多量に添加する必要があった。また、その製造工程においては、原料の炭化珪素粉末と添加剤とを水で混練するために、予め撥水性を有する樹脂で添加剤を被覆しておく必要があり、工程が複雑で製造に手間がかかるという問題があった。   However, in the technique of Patent Document 1, it is necessary to add a large amount of an additive such as aluminum nitride, titanium nitride, titanium diboride or the like at 5 to 15 parts by weight with respect to 100 parts by weight of silicon carbide. In addition, in the manufacturing process, in order to knead the raw material silicon carbide powder and the additive with water, it is necessary to coat the additive with a resin having water repellency in advance, which makes the process complicated and laborious. There was a problem that it took.

また、特許文献1により製造された炭化珪素質焼結体の比抵抗値は10−2〜1Ω・cmと小さく、応用範囲が限定されると考えられた。これは、導電性の炭化珪素質セラミックス焼結体は、温度の上昇に伴って電気抵抗が減少するNTC特性を有するため、比抵抗値が小さい場合は、目的とする温度まで昇温させるための電流値が過大となるおそれがあるためである。 Moreover, the specific resistance value of the silicon carbide based sintered body produced by Patent Document 1 is as small as 10 −2 to 1 Ω · cm, and it was considered that the application range is limited. This is because the conductive silicon carbide based ceramic sintered body has NTC characteristics in which the electrical resistance decreases as the temperature rises. Therefore, when the specific resistance value is small, the temperature is increased to the target temperature. This is because the current value may be excessive.

加えて、実用的な炭化珪素質セラミックス焼結体としては、比抵抗値がより広い範囲で制御されていることが要請されている。これは、例えばDPFであれば、取付け対象の車体の大きさや構造によってDPFのサイズが規定されることにより、求められるフィルタ基体のサイズが極めて多種類となるためであり、これに伴い、再生処理の際に所定時間内で所定温度まで昇温させるために要請される比抵抗値も、多様となるためである。   In addition, as a practical silicon carbide based ceramic sintered body, the specific resistance value is required to be controlled in a wider range. This is because, for example, in the case of a DPF, since the size of the DPF is defined by the size and structure of the vehicle body to be attached, the required filter base sizes become extremely various. This is because the specific resistance value required for raising the temperature to a predetermined temperature within a predetermined time at this time also varies.

そこで、本発明は、上記の実情に鑑み、導電性を有する多孔質の炭化珪素質セラミックス焼結体であって、簡易な工程で製造することができ、広い範囲内で種々の比抵抗値をとることが可能な炭化珪素質セラミックス焼結体、の提供を課題とするものである。   Therefore, in view of the above situation, the present invention is a porous silicon carbide ceramic sintered body having conductivity, which can be manufactured by a simple process, and has various specific resistance values within a wide range. An object of the present invention is to provide a silicon carbide ceramic sintered body that can be obtained.

上記の課題を解決するため、本発明にかかる炭化珪素質セラミックス焼結体は、「導電性を有する多孔質の炭化珪素質セラミックス焼結体であって、炭化珪素の周囲及び粒子間に窒素が固溶した炭化珪素が生成しているマトリクス表面に、焼結体における酸素濃度として0.4質量%〜4.8質量%の二酸化珪素層が形成されており、前記酸素濃度に対する室温の比抵抗値の関係が、前記酸素濃度が0.4質量%のときに比抵抗値が5Ω・cmであり、且つ、前記酸素濃度が4.8質量%のときに比抵抗値が20Ω・cmである一次関数で表される」ものである。
In order to solve the above-described problems, the silicon carbide based ceramic sintered body according to the present invention is “a porous silicon carbide based ceramic sintered body having conductivity, in which nitrogen is present between silicon carbide and between particles. A silicon dioxide layer having an oxygen concentration of 0.4% by mass to 4.8% by mass in the sintered body is formed on the matrix surface where the solid solution silicon carbide is generated, and the specific resistance at room temperature with respect to the oxygen concentration. When the oxygen concentration is 0.4 mass%, the specific resistance value is 5 Ω · cm, and when the oxygen concentration is 4.8 mass%, the specific resistance value is 20 Ω · cm. It is expressed by a linear function .

本発明者らは、炭化珪素質セラミックス焼結体を、粒子表面に二酸化珪素層を備える構成とすれば、その二酸化珪素層の形成量によって種々の比抵抗値をとることを見出し、本発明に至ったものである。ここで、粒子表面に二酸化珪素層を備える炭化珪素質セラミックス焼結体は、所定の加熱温度で所定の加熱時間にわたり、焼結体を酸化雰囲気下で加熱する酸化処理を施すことにより製造することができる。また、かかる製造方法において、酸化雰囲気が同一であれば、後述のように、加熱温度及び加熱時間の一方または双方を変化させることによって、比抵抗値を制御可能である。   The present inventors have found that if the silicon carbide based ceramic sintered body has a silicon dioxide layer on the particle surface, it takes various specific resistance values depending on the amount of silicon dioxide layer formed. It has come. Here, a silicon carbide based ceramic sintered body having a silicon dioxide layer on the particle surface is manufactured by performing an oxidation treatment in which the sintered body is heated in an oxidizing atmosphere at a predetermined heating temperature for a predetermined heating time. Can do. In this manufacturing method, if the oxidizing atmosphere is the same, the specific resistance value can be controlled by changing one or both of the heating temperature and the heating time, as will be described later.

従って、上記構成の炭化珪素質セラミックス焼結体は、窒化物、酸化物などの添加剤を粒子内部に含有しておらず、二酸化珪素層を粒子表面にのみ備える簡易な構成である。   Therefore, the silicon carbide based ceramic sintered body having the above-described configuration has a simple configuration in which an additive such as a nitride or an oxide is not contained in the particle and a silicon dioxide layer is provided only on the particle surface.

ここで、従来技術のように、原料粉末に添加する添加剤の種類や添加量を調整することによって、比抵抗値の異なる炭化珪素質セラミックス焼結体を製造しようとすると、多種類の比抵抗値を有する炭化珪素質セラミックス焼結体が要請されるのに対応して、多種類の組成の原料を調製しなくてはならず、多大な労力を要すると共に経済性にも劣る。これに対し、本発明の炭化珪素質セラミックス焼結体は、同一組成の原料から製造された、ある比抵抗値を有する単一の焼結体に対し、上記のように付加的に酸化処理を施す製造方法によって、簡易に製造することが可能である。   Here, as in the prior art, by adjusting the type and amount of additive added to the raw material powder, an attempt is made to produce silicon carbide ceramic sintered bodies having different specific resistance values. In response to the demand for a silicon carbide ceramic sintered body having a value, raw materials having various kinds of compositions must be prepared, which requires much labor and is inferior in economic efficiency. On the other hand, the silicon carbide based ceramic sintered body of the present invention is additionally subjected to an oxidation treatment as described above for a single sintered body having a specific resistance value manufactured from a raw material having the same composition. It is possible to manufacture easily by the manufacturing method to apply.

上記構成の本発明では、酸素濃度として0.4質量%〜4.8質量%の二酸化珪素層を備えることにより、後述のように、通電により発熱させるフィルタ基体や加熱によって触媒を活性化させる触媒担体等として、実用的な範囲の比抵抗値を有する。   In the present invention having the above-described configuration, by providing a silicon dioxide layer having an oxygen concentration of 0.4% by mass to 4.8% by mass, a filter base that generates heat by energization or a catalyst that activates the catalyst by heating as described later. As a carrier or the like, it has a specific resistance value within a practical range.

本発明にかかる炭化珪素質セラミックス焼結体は、上記構成において、「単一の方向に延びて列設された隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造に形成されている」ものとすることができる。   The silicon carbide based ceramic sintered body according to the present invention has the above-described configuration, “formed in a honeycomb structure including a plurality of cells partitioned by partition walls extending in a single direction”. be able to.

上記のようなハニカム構造とすることにより、通電により発熱させることによって、セルを流通する流体を効率よく加熱できる構成となり、加熱によって触媒を活性化させる触媒担体や、流体を加熱する加熱装置の基体として適した構成となる。また、一端側が封止されたセルと他端側が封止されたセルとが交互となるようにセルを封止すれば、ディーゼルエンジンから排出された排ガスをセルの開端側から導入して隔壁を通過させ、排ガス中から粒子状物質を補習・除去するディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)など、自己発熱型のフィルタの基体として適した構成となる。   By adopting the honeycomb structure as described above, the fluid flowing through the cells can be efficiently heated by generating heat by energization, and the catalyst carrier that activates the catalyst by heating and the base of the heating device that heats the fluid It becomes a suitable structure. In addition, if the cells are sealed so that the cells sealed at one end and the cells sealed at the other end are alternated, the exhaust gas discharged from the diesel engine is introduced from the open end side of the cell to form a partition wall. The structure is suitable as a base of a self-heating type filter such as a diesel particulate filter (DPF) that passes and supplements and removes particulate matter from the exhaust gas.

以上のように、本発明の効果として、導電性を有する多孔質の炭化珪素質セラミックス焼結体であって、簡易な工程で製造することができ、広い範囲内で種々の比抵抗値をとることが可能な炭化珪素質セラミックス焼結体を提供することができる。   As described above, as an effect of the present invention, a porous silicon carbide ceramic sintered body having conductivity, which can be manufactured by a simple process, has various specific resistance values within a wide range. It is possible to provide a silicon carbide based ceramic sintered body that can be used.

酸化処理工程における条件(加熱温度、加熱時間)と酸素濃度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the conditions (heating temperature, heating time) in an oxidation treatment process, and oxygen concentration. 酸素濃度と室温における比抵抗値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between oxygen concentration and the specific resistance value in room temperature. 温度を上昇させた際の電気抵抗値の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the electrical resistance value at the time of raising temperature. 温度が異なる場合について、酸素濃度に対する比抵抗値の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of the specific resistance value with respect to oxygen concentration about the case where temperature differs. 酸素濃度と三点曲げ強度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between oxygen concentration and three-point bending strength. (a)試料14の試料表面、及び、(b)対照試料の試料表面の、SEM観察像及びEDX画像である。(A) SEM observation image and EDX image of sample surface of sample 14 and (b) sample surface of control sample. 試料14の破断面のSEM観察像及びEDX画像である。It is the SEM observation image and EDX image of the torn surface of the sample 14.

以下、本発明の一実施形態である炭化珪素質セラミックス焼結体、及び、その製造方法について説明する。本実施形態の炭化珪素質セラミックス焼結体は、導電性を有する多孔質の炭化珪素質セラミックス焼結体であって、粒子表面に、酸素濃度として0.4質量%〜4.8質量%の二酸化珪素層が形成されているものである。また、本実施形態の炭化珪素質セラミックス焼結体は、単一の方向に延びて列設された隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造に形成されている。   Hereinafter, a silicon carbide based ceramic sintered body according to an embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described. The silicon carbide based ceramic sintered body of the present embodiment is a porous silicon carbide based ceramic sintered body having conductivity, and has an oxygen concentration of 0.4% by mass to 4.8% by mass on the particle surface. A silicon dioxide layer is formed. Further, the silicon carbide based ceramic sintered body of the present embodiment is formed in a honeycomb structure including a plurality of cells partitioned by partition walls extending in a single direction.

上記構成の炭化珪素質セラミックス焼結体は、次のような製造方法により製造することができる。すなわち、本実施形態の炭化珪素質セラミックス焼結体を製造する製造方法(以下、単に「製造方法」と称することがある)は、焼結体を所定の加熱温度で所定の加熱時間にわたり酸化雰囲気下で加熱し、炭化珪素質粒子の表面に二酸化珪素層を形成させる酸化処理工程を具備し、酸化処理工程における加熱温度及び/または加熱時間を変化させることにより異なる比抵抗値の炭化珪素質セラミックス焼結体を製造するものである。また、酸化処理工程では、加熱温度を900℃〜1300℃の範囲内、加熱時間を5時間〜40時間の範囲内で変化させることにより、比抵抗値を制御するものである。   The silicon carbide ceramic sintered body having the above-described configuration can be manufactured by the following manufacturing method. That is, in the manufacturing method for manufacturing the silicon carbide based ceramic sintered body of the present embodiment (hereinafter, simply referred to as “manufacturing method”), the sintered body is oxidized at a predetermined heating temperature for a predetermined heating time. Silicon carbide ceramics having a specific resistance value by changing the heating temperature and / or the heating time in the oxidation treatment step, comprising an oxidation treatment step of heating under and forming a silicon dioxide layer on the surface of the silicon carbide particles A sintered body is manufactured. In the oxidation treatment step, the specific resistance value is controlled by changing the heating temperature within the range of 900 ° C. to 1300 ° C. and the heating time within the range of 5 hours to 40 hours.

上記の製造方法において、焼結体としては、窒化珪素粉末と炭素質物質とからなり珪素と炭素のモル比が0.5〜1.5である炭化珪素生成原料、及び、骨材としての炭化珪素粉末を含む混合原料を成形する成形工程と、成形工程で得られた成形体を1800〜2300℃の非酸化雰囲気下で焼成する焼成工程とを経て製造されるものを使用する。   In the above manufacturing method, the sintered body includes a silicon carbide forming raw material composed of silicon nitride powder and a carbonaceous material and having a silicon to carbon molar ratio of 0.5 to 1.5, and carbonization as an aggregate. What is manufactured through a molding step of molding a mixed raw material containing silicon powder and a firing step of firing the molded body obtained in the molding step in a non-oxidizing atmosphere at 1800 to 2300 ° C. are used.

より詳細に説明すると、成形工程では、窒化珪素粉末と炭素質物質とからなる炭化珪素生成原料、及び、骨材としての炭化珪素粉末の混合原料から成形体を成形する。成形方法は特に限定されず、例えば、押出成形、乾式加圧成形、鋳込成形とすることができる。   More specifically, in the molding step, a molded body is molded from a silicon carbide production raw material made of silicon nitride powder and a carbonaceous material, and a mixed raw material of silicon carbide powder as an aggregate. The molding method is not particularly limited, and for example, extrusion molding, dry pressure molding, and cast molding can be used.

得られた成形体を焼成して得られる焼結体は、いわゆる反応焼結により生成した炭化珪素質セラミックスである。ここで、反応生成させる炭化珪素の珪素源は「窒化珪素粉末」であり、炭素源は「炭素質物質」である。従って、化学量論的には珪素及び炭素のモル比(Si/C)が1のときに過不足なく炭化珪素が生成する。ここで、Si/Cが0.5より小さいと、残存する炭素分が多すぎ、粗大気孔の原因となると共に生成した炭化珪素の粒子成長が阻害される。一方、Si/Cが1.5より大きい場合は、炭化珪素の反応生成量が少なく、反応焼結が不十分となる。なお、Si/Cは0.8〜1.2であれば、珪素及び炭素の過剰分または不足分が少なく、より望ましい。   A sintered body obtained by firing the obtained molded body is a silicon carbide ceramic produced by so-called reactive sintering. Here, the silicon source of silicon carbide to be generated by reaction is “silicon nitride powder”, and the carbon source is “carbonaceous material”. Therefore, in terms of stoichiometry, when the molar ratio of silicon and carbon (Si / C) is 1, silicon carbide is generated without excess or deficiency. Here, if Si / C is smaller than 0.5, the remaining carbon content is too much, which causes coarse atmospheric pores and inhibits the growth of the generated silicon carbide particles. On the other hand, when Si / C is larger than 1.5, the reaction generation amount of silicon carbide is small, and the reaction sintering becomes insufficient. In addition, if Si / C is 0.8-1.2, there are few excess or deficiencies of silicon and carbon, and it is more desirable.

炭素質物質としては、黒鉛、石炭、コークス、木炭、カーボンブラックなどを使用可能である。また、炭化珪素質セラミックス焼結体をフィルタ基体として使用する場合は、炭素質物質として平均粒子径10μm〜50μmという粒径のものを用いれば、その消失跡にフィルタ基体として適した大きさの気孔が形成され、望ましい。また、平均粒子径10μm〜50μmという比較的大きな粒径の炭素質物質を用いることにより、炭素源が微細な粒子である場合に比べて、炭化珪素の生成反応の開始は遅くなるものの、生成した炭化珪素がネック形成できるほどに粒子成長するのが早く、強固なネックを早期に形成させることができるため、高強度の多孔質焼結体を得ることができる。   As the carbonaceous material, graphite, coal, coke, charcoal, carbon black and the like can be used. In addition, when using a silicon carbide ceramic sintered body as a filter base, if a carbonaceous substance having an average particle diameter of 10 μm to 50 μm is used, pores having a size suitable as a filter base for the disappearance trace Is desirable. In addition, by using a carbonaceous material having a relatively large particle size of 10 μm to 50 μm in average particle size, the carbon carbide generation reaction was delayed compared to the case where the carbon source was fine particles, but the carbon carbide was generated. Since the particle growth is fast enough to form a neck of silicon carbide, and a strong neck can be formed at an early stage, a high-strength porous sintered body can be obtained.

骨材としての炭化珪素粉末の混合原料における割合は、小さ過ぎる場合は得られる焼結体の強度が低いものとなり易く、大き過ぎる場合はその分炭化珪素生成原料の割合が小さくなり、反応焼結が不十分となるおそれがある。そのため、骨材としての炭化珪素粉末の混合原料における割合は、60〜95質量%とすることが望ましい。   If the proportion of the silicon carbide powder as an aggregate in the mixed raw material is too small, the strength of the resulting sintered body tends to be low, and if it is too large, the proportion of the silicon carbide forming raw material is reduced accordingly, and reaction sintering May become insufficient. Therefore, the ratio of the silicon carbide powder as the aggregate in the mixed raw material is desirably 60 to 95% by mass.

ここでは、成形方法として押出成形を例示し、上記の混合原料にメチルセルロース等の有機バインダー等の添加剤を添加し、水と混合・混錬して混錬物としたものを、押出成形することにより、ハニカム構造の成形体を得る。   Here, extrusion molding is exemplified as a molding method, and additives such as an organic binder such as methylcellulose are added to the above mixed raw material, and the mixture is mixed and kneaded to form a kneaded product. Thus, a formed article having a honeycomb structure is obtained.

この成形工程の後に、成形体を乾燥する乾燥工程を行ってもよい。このような乾燥工程は、調温調湿槽内での送風乾燥、外部加熱乾燥、マイクロ波照射による内部加熱乾燥等により行うことができる。なお、炭化珪素質セラミックス焼結体を、DPFの基体として使用する場合は、ハニカム構造の成形体において、一方向に開放したセルと他方向に開放したセルとが交互となるようにセルの一端を封止する封止工程を設ける。この封止工程は、成形工程と乾燥工程との間、或いは乾燥工程の後に設けることができる。   You may perform the drying process which dries a molded object after this shaping | molding process. Such a drying process can be performed by air drying in a temperature-controlled humidity control tank, external heating drying, internal heating drying by microwave irradiation, or the like. When the silicon carbide based ceramic sintered body is used as the DPF substrate, one end of the cell is formed so that the cells opened in one direction and the cells opened in the other direction alternate in the honeycomb structure formed body. A sealing step for sealing is provided. This sealing step can be provided between the molding step and the drying step or after the drying step.

焼成工程では、加熱炉を非酸化雰囲気として、成形体に熱衝撃を与えない速度で昇温し、1800〜2300℃の所定の焼成温度で一定時間保持する。ここで、焼成温度が低いと反応焼結が不十分となるおそれがあり、2350℃を超えると、生成した炭化珪素が昇華するおそれがあるところ、1800〜2300℃とすることにより、実用的な焼成時間で、十分な機械的強度の焼結体を得ることができる。   In the firing step, the heating furnace is set to a non-oxidizing atmosphere, the temperature is raised at a speed that does not give a thermal shock to the molded body, and the temperature is maintained at a predetermined firing temperature of 1800 to 2300 ° C. for a certain period of time. Here, if the firing temperature is low, reactive sintering may be insufficient, and if it exceeds 2350 ° C, the generated silicon carbide may be sublimated. A sintered body having sufficient mechanical strength can be obtained within the firing time.

また、非酸化雰囲気は、アルゴンやヘリウム等の不活性ガス雰囲気、或いは、真空雰囲気とすることができる。更に焼成時間は、成形体のサイズにもよるが、例えば、10分〜3時間とすることができる。この焼成工程において、珪素源の窒化珪素と炭素源の炭素質物質とが反応して炭化珪素が生成し、骨材としての炭化珪素を取り囲むように反応焼結する。   The non-oxidizing atmosphere can be an inert gas atmosphere such as argon or helium, or a vacuum atmosphere. Furthermore, although baking time is based also on the size of a molded object, it can be made into 10 minutes-3 hours, for example. In this firing step, silicon nitride as a silicon source and a carbonaceous material as a carbon source react to form silicon carbide, and reactive sintering is performed so as to surround the silicon carbide as an aggregate.

これと同時に、炭化珪素の生成反応に使用された炭素質物質の消失跡に、気孔が形成される。そして、更に、ネック形成できるほどに炭化珪素の粒子が成長し、粒子間に形成されたネックが更に成長する。ここでは平均粒子径が10μm〜50μmと大きい炭素質物質を使用しているため、その消失跡に形成された気孔は、炭化珪素の粒子成長及びネック成長によっても塞がることがなく、フィルタ基体として適した大きさの気孔が形成される。   At the same time, pores are formed in the disappearance trace of the carbonaceous material used in the reaction for generating silicon carbide. Further, silicon carbide particles grow to such an extent that necks can be formed, and necks formed between the particles further grow. Here, since a carbonaceous material having a large average particle diameter of 10 μm to 50 μm is used, pores formed in the disappearance trace are not blocked by silicon carbide particle growth and neck growth, and are suitable as a filter substrate. Pores of different sizes are formed.

また、焼成工程では、炭化珪素の反応焼結、及び気孔の形成と同時に、窒化珪素の分解により生じた窒素が炭化珪素中に固溶し、純度が高ければ絶縁体である炭化珪素がn型半導体となる。このとき窒素は、骨材としての炭化珪素より、反応焼結によってその周囲に新たに生成された炭化珪素、及び、炭化珪素の粒子間に成長するネック部分に、主に固溶すると考えられる。所定の焼成温度で所定時間保持した後は、熱衝撃を与えない速度で降温する。   Further, in the firing step, simultaneously with reactive sintering of silicon carbide and formation of pores, nitrogen generated by decomposition of silicon nitride is dissolved in silicon carbide, and if the purity is high, silicon carbide which is an insulator is n-type. Become a semiconductor. At this time, it is considered that nitrogen is mainly dissolved in silicon carbide as an aggregate, in silicon carbide newly generated around it by reaction sintering, and in a neck portion that grows between silicon carbide particles. After holding at a predetermined firing temperature for a predetermined time, the temperature is lowered at a speed that does not give a thermal shock.

酸化処理工程は、焼成工程を経て得られた焼結体について行う。この酸化処理工程では、空気雰囲気など酸素ガスを含む酸化雰囲気とした加熱炉に焼結体を収容し、所定の加熱温度で所定の加熱時間にわたり保持する。ここで、加熱温度及び加熱時間は、炭化珪素質セラミックス焼結体の用途やサイズ等により要請される比抵抗値に応じて調整し、加熱温度は900℃〜1300℃の範囲で、加熱時間は5時間〜40時間の範囲で変化させる。ここで、加熱温度が900℃より低い場合は、酸化反応が起こりにくく二酸化珪素層が形成されにくい。一方、加熱温度が1300℃より高くなると、酸化反応が急速に進行し、比抵抗値の制御が困難となる。また、酸化時間が5時間より短いと、比抵抗値に影響を及ぼすほど十分な二酸化珪素層が形成されにくい。一方、酸化時間が40時間より長いと、炭化珪素質セラミックス焼結体の製造効率が低く、経済性にも劣るため、実用的ではない。   An oxidation treatment process is performed about the sintered compact obtained through the baking process. In this oxidation treatment step, the sintered body is accommodated in a heating furnace having an oxidizing atmosphere containing oxygen gas such as an air atmosphere and held at a predetermined heating temperature for a predetermined heating time. Here, the heating temperature and the heating time are adjusted according to the specific resistance value required depending on the use and size of the silicon carbide ceramic sintered body, the heating temperature is in the range of 900 ° C. to 1300 ° C., and the heating time is Change in the range of 5 to 40 hours. Here, when the heating temperature is lower than 900 ° C., the oxidation reaction hardly occurs and the silicon dioxide layer is hardly formed. On the other hand, when the heating temperature is higher than 1300 ° C., the oxidation reaction proceeds rapidly, making it difficult to control the specific resistance value. If the oxidation time is shorter than 5 hours, it is difficult to form a silicon dioxide layer sufficient to affect the specific resistance value. On the other hand, if the oxidation time is longer than 40 hours, the production efficiency of the silicon carbide ceramic sintered body is low and the economy is inferior, which is not practical.

かかる酸化処理工程において、炭化珪素の粒子の表面では、以下のように炭化珪素が酸素と反応して、二酸化珪素層が生成する。その結果、導電性の炭化珪素における導電経路が二酸化珪素層によって制限され、比抵抗値が増加すると考えられる。
SiC + 2O → SiO + CO
In such an oxidation treatment step, silicon carbide reacts with oxygen on the surface of the silicon carbide particles to form a silicon dioxide layer as follows. As a result, it is considered that the conductive path in the conductive silicon carbide is limited by the silicon dioxide layer, and the specific resistance value increases.
SiC + 2O 2 → SiO 2 + CO 2

なお、酸化処理工程の前に、焼成工程において炭化珪素の生成反応に使用されずに残留するおそれのある炭素質物質を燃焼除去する目的で、脱炭工程を設けることができる。この脱炭工程は、酸化雰囲気下において650℃〜850℃で1時間〜3時間程度保持することにより行うことができる。この程度の温度及び保持時間であれば、脱炭工程では炭化珪素の酸化はほとんど生じない。   In addition, before the oxidation treatment step, a decarburization step can be provided for the purpose of burning and removing carbonaceous substances that may remain without being used in the silicon carbide formation reaction in the firing step. This decarburization process can be performed by holding at 650 ° C. to 850 ° C. for about 1 hour to 3 hours in an oxidizing atmosphere. If the temperature and the holding time are about this level, silicon carbide is hardly oxidized in the decarburization step.

次に、具体的な実施例について説明する。表1に示す組成の混合原料に、バインダーとしてメチルセルロース、潤滑剤としてオレイン酸、ポリオキシアルキレン系化合物(日油製、ユニルーブ(登録商標))を添加し、水を加えて混練して混練物を得た。この混練物を押出成形し、サイズ35mm×35mm×高さ150mm、セル密度300cpsi、隔壁の壁厚0.25mmのハニカム構造の成形体を作製した(成形工程)。   Next, specific examples will be described. To the mixed raw material having the composition shown in Table 1, methyl cellulose as a binder, oleic acid and a polyoxyalkylene compound (manufactured by NOF Corporation, Unilube (registered trademark)) as a lubricant are added, and kneaded by adding water and kneading. Obtained. This kneaded product was extrusion-molded to produce a formed body having a honeycomb structure having a size of 35 mm × 35 mm × height of 150 mm, a cell density of 300 cpsi, and a partition wall thickness of 0.25 mm (molding step).

Figure 0005539815
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得られた成形体を乾燥させた後(乾燥工程)、非酸化雰囲気下で2100℃,10分間焼成することにより反応焼結させ、ハニカム構造の焼結体(導電性を有する多孔質の炭化珪素質セラミックス焼結体)を得た(焼成工程)。その後、空気雰囲気下において850℃で1時間加熱し、未反応分として残存するおそれのある炭素質物質の除去を行った(脱炭工程)。   After drying the obtained molded body (drying step), it was subjected to reactive sintering by firing at 2100 ° C. for 10 minutes in a non-oxidizing atmosphere to obtain a honeycomb-structured sintered body (porous silicon carbide having conductivity) Sintered ceramic) was obtained (firing step). Then, it heated at 850 degreeC in the air atmosphere for 1 hour, and the carbonaceous substance which may remain | survive as an unreacted part was removed (decarburization process).

上記の工程を経た焼結体の試料1〜試料14について、表2に示す加熱温度及び加熱時間で、空気雰囲気下で酸化処理を行った(酸化処理工程)。各試料について酸化処理の前後で質量を測定し、酸化処理により増加した焼結体の質量((酸化処理後の焼結体の質量)−(酸化処理前の焼結体の質量))から、酸化処理により増加した酸素濃度(質量%)を以下のように算出した。
酸化処理により増加した酸素濃度(質量%)=(酸化処理により増加した酸素の質量)/(酸化処理後の焼結体の質量)×100
ここで、(酸化処理により増加した酸素の質量)=(酸化処理により増加した焼結体の質量)×(酸素の分子量/((二酸化珪素の分子量)−(炭化珪素の分子量))
About the sintered compact sample 1-sample 14 which passed through said process, the oxidation process was performed in the air atmosphere with the heating temperature and the heating time which are shown in Table 2 (oxidation process process). For each sample, the mass was measured before and after the oxidation treatment, and the mass of the sintered body ((mass of the sintered body after the oxidation treatment) − (mass of the sintered body before the oxidation treatment)) increased by the oxidation treatment, The oxygen concentration (mass%) increased by the oxidation treatment was calculated as follows.
Oxygen concentration increased by oxidation treatment (mass%) = (mass of oxygen increased by oxidation treatment) / (mass of sintered body after oxidation treatment) × 100
Here, (mass of oxygen increased by oxidation treatment) = (mass of sintered body increased by oxidation treatment) × (molecular weight of oxygen / ((molecular weight of silicon dioxide) − (molecular weight of silicon carbide))

また、酸化処理を行っていない焼結体における酸素濃度を、JIS R1616の酸素定量方法(不活性ガス融解−赤外線吸収法)に則り測定したところ、0.3質量%であった。そこで、酸化処理後の焼結体における酸素濃度(質量%)を以下のように算出した。
酸化処理後の焼結体における酸素濃度(質量%)=((酸化処理により増加した酸素の質量)+(酸化処理前の焼結体の質量)×0.3/100)/(酸化処理後の焼結体の質量)×100
なお、実施例における「酸化処理後の焼結体」が、本発明の「粒子表面に二酸化珪素層が形成されている炭化珪素質セラミックス焼結体」に相当する。
Further, the oxygen concentration in the sintered body not subjected to the oxidation treatment was measured in accordance with the oxygen determination method (inert gas melting-infrared absorption method) of JIS R1616 and found to be 0.3% by mass. Therefore, the oxygen concentration (mass%) in the sintered body after the oxidation treatment was calculated as follows.
Oxygen concentration (mass%) in the sintered body after oxidation treatment = ((mass of oxygen increased by oxidation treatment) + (mass of sintered body before oxidation treatment) × 0.3 / 100) / (after oxidation treatment) Mass of sintered body) × 100
The “sintered body after oxidation treatment” in the examples corresponds to “a silicon carbide ceramic sintered body in which a silicon dioxide layer is formed on the particle surface” of the present invention.

更に、酸化処理後の各試料の両端に、長軸方向に10cmの距離をあけて1cm幅に銀ペーストを焼き付けて電極とし、二つの電極間の電気抵抗をテスターで測定して、室温における比抵抗値を求めた。   Further, a silver paste was baked to a width of 1 cm at a distance of 10 cm in the major axis direction at both ends of each sample after the oxidation treatment to form an electrode, and the electrical resistance between the two electrodes was measured with a tester to compare the ratio at room temperature. The resistance value was determined.

各試料について、酸化処理前後の焼結体の質量、酸化処理により増加した酸素濃度(質量%)、酸化処理後の焼結体における酸素濃度(質量%)、及び、室温における比抵抗値(Ω・cm)を、表2にまとめて示す。   For each sample, the mass of the sintered body before and after the oxidation treatment, the oxygen concentration (mass%) increased by the oxidation treatment, the oxygen concentration (mass%) in the sintered body after the oxidation treatment, and the resistivity at room temperature (Ω) Cm) are summarized in Table 2.

Figure 0005539815
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上記の結果をもとに、酸化処理工程における加熱温度に対して、酸化処理により増加した酸素濃度(質量%)をプロットしたグラフを図1に示す。なお、図1では、第二Y軸を、酸化処理後の焼結体における酸素濃度(質量%)としている。以下では、酸化処理により増加した酸素濃度(質量%)、及び、酸化処理後の焼結体における酸素濃度(質量%)を区別する必要がない場合は、単に「酸素濃度」と称することがある。また、酸化処理後の焼結体が、本発明の「二酸化珪素層が形成されている炭化珪素質セラミックス焼結体」に相当する。   Based on the above results, a graph in which the oxygen concentration (mass%) increased by the oxidation treatment is plotted with respect to the heating temperature in the oxidation treatment step is shown in FIG. In FIG. 1, the second Y axis is the oxygen concentration (mass%) in the sintered body after the oxidation treatment. Below, when it is not necessary to distinguish the oxygen concentration (mass%) increased by the oxidation treatment and the oxygen concentration (mass%) in the sintered body after the oxidation treatment, they may be simply referred to as “oxygen concentration”. . Further, the sintered body after the oxidation treatment corresponds to “a silicon carbide ceramic sintered body on which a silicon dioxide layer is formed” of the present invention.

図1から明らかなように、加熱時間が5時間及び40時間の何れにおいても、加熱温度が高いほど酸素濃度は増加し、その増加曲線は、滑らかに湾曲し下向きに凸となる曲線を描いた。また、加熱時間が40時間の場合は、加熱温度が同一であっても加熱時間が5時間の場合より酸素濃度が高く、その差は加熱温度が高くなるほど大きくなった。また、これらの結果から、5時間と40時間との間の加熱時間の場合は、加熱時間が5時間の曲線と加熱時間が40時間の曲線との間で、同様な曲線を描くように加熱温度に伴って酸素濃度が増加すると考えられた。   As is apparent from FIG. 1, the oxygen concentration increases as the heating temperature is higher at both the heating time of 5 hours and 40 hours, and the increase curve draws a curve that curves smoothly and convex downward. . In addition, when the heating time was 40 hours, the oxygen concentration was higher than when the heating time was 5 hours even when the heating temperature was the same, and the difference became larger as the heating temperature was higher. Also, from these results, in the case of a heating time between 5 hours and 40 hours, heating is performed so that a similar curve is drawn between the curve with a heating time of 5 hours and the curve with a heating time of 40 hours. It was thought that oxygen concentration increased with temperature.

そして、酸化処理工程において加熱温度を900℃〜1300℃、加熱時間を5時間〜40時間の間で変化させることにより、酸素濃度を0.1質量%〜4.5質量%の範囲で増加させることができ、酸化処理後の焼結体における酸素濃度として0.4質量%〜4.8質量%の範囲で酸素濃度を調整することができる。この場合、加熱時間を一定として加熱温度を変化させることにより、或いは、加熱温度を一定として加熱時間を変化させることにより、また或いは、加熱時間と加熱温度の双方を変化させることにより、酸素濃度を上記範囲内の所望の値に調整可能であると考えられた。   In the oxidation treatment step, the oxygen concentration is increased in the range of 0.1% by mass to 4.5% by mass by changing the heating temperature from 900 ° C. to 1300 ° C. and the heating time from 5 hours to 40 hours. The oxygen concentration in the sintered body after the oxidation treatment can be adjusted in the range of 0.4% by mass to 4.8% by mass. In this case, the oxygen concentration can be changed by changing the heating temperature with a constant heating time, by changing the heating time with a constant heating temperature, or by changing both the heating time and the heating temperature. It was thought that it could be adjusted to a desired value within the above range.

次に、酸化処理により増加した酸素濃度(質量%)に対して、室温における比抵抗値(Ω・cm)をプロットしたグラフを図2に示す。なお、図2では、第二X軸を、酸化処理後の焼結体における酸素濃度(質量%)としている。図2から明らかなように、室温における比抵抗値は、酸素濃度の増加に伴って直線を描くように増加した。そして、上記の酸素濃度の範囲で比抵抗値は5Ω・cm〜20Ω・cmの範囲であり、通電により発熱させるフィルタ基体等に使用する炭化珪素質セラミックス焼結体として実用的な値であった。   Next, FIG. 2 shows a graph in which the specific resistance value (Ω · cm) at room temperature is plotted against the oxygen concentration (mass%) increased by the oxidation treatment. In FIG. 2, the second X axis is the oxygen concentration (mass%) in the sintered body after the oxidation treatment. As is clear from FIG. 2, the specific resistance value at room temperature increased in a straight line as the oxygen concentration increased. The specific resistance value in the above oxygen concentration range is in the range of 5 Ω · cm to 20 Ω · cm, which is a practical value as a silicon carbide based ceramic sintered body used for a filter base that generates heat when energized. .

以上の結果より、焼結体における酸素濃度を変化させることにより、室温における比抵抗値を酸素濃度の一次関数として変化させることができ、焼結体における酸素濃度は、酸化処理工程における加熱温度及び/または加熱時間によって調整することができる。すなわち、酸化処理工程の条件設定によって、酸化処理後の焼結体における酸素濃度を0.4質量%〜4.8質量%の範囲とすることにより、炭化珪素質セラミックス焼結体の比抵抗値を、5Ω・cm〜20Ω・cmという広い範囲内で制御することができる。   From the above results, by changing the oxygen concentration in the sintered body, the specific resistance value at room temperature can be changed as a linear function of the oxygen concentration. The oxygen concentration in the sintered body is determined by the heating temperature and the oxidation treatment step. / Or can be adjusted by the heating time. That is, the specific resistance value of the silicon carbide based ceramic sintered body is obtained by setting the oxygen concentration in the sintered body after the oxidation treatment in the range of 0.4 mass% to 4.8 mass% by setting the conditions of the oxidation treatment process. Can be controlled within a wide range of 5 Ω · cm to 20 Ω · cm.

次に、酸素濃度の異なる試料5,13,14について、昇温に伴う比抵抗値の変化を測定した結果を図3に示す。測定は、上記の二つの電極を使用して各試料に通電し、熱電対の指示温度が所定の温度に達した時点で、電圧及び電流を測定することにより行った。図3から、何れの試料においても、温度上昇に伴って滑らかに湾曲し下向きに凸となる曲線を描くように、比抵抗値は低下した。また、比抵抗値が減少する度合いは酸化濃度が高いほど大きいものであった。すなわち、各試料間の比抵抗値の差は温度上昇に伴って小さくなるが、温度が400℃近くに達するまでは各試料間の比抵抗値に差があることが分かる。一般的に、炭化珪素質セラミックス焼結体を揮発性有機化合物(VOC)分解装置の発熱体、或いは、加熱により触媒を活性化させる触媒担体として使用する場合は、200〜300℃まで加熱させる。従って、酸化処理によって二酸化珪素層を形成させる上記の製造方法により製造される、約400℃に上昇するまでの比抵抗値が種々となる本実施形態の炭化珪素質セラミックス焼結体は、かかる用途の炭化珪素質セラミックス焼結体として実用的である。   Next, FIG. 3 shows the result of measuring the change in specific resistance value with the temperature rise for samples 5, 13, and 14 having different oxygen concentrations. The measurement was performed by energizing each sample using the two electrodes described above, and measuring the voltage and current when the indicated temperature of the thermocouple reached a predetermined temperature. From FIG. 3, the specific resistance value decreased for all the samples so as to draw a curve that smoothly curved and convex downward with increasing temperature. Further, the degree of decrease in the specific resistance value was greater as the oxidation concentration was higher. That is, the difference in specific resistance value between samples decreases with increasing temperature, but it can be seen that there is a difference in specific resistance value between samples until the temperature reaches nearly 400 ° C. In general, when a silicon carbide ceramic sintered body is used as a heating element of a volatile organic compound (VOC) decomposition apparatus or a catalyst carrier for activating a catalyst by heating, the sintered body is heated to 200 to 300 ° C. Accordingly, the silicon carbide based ceramic sintered body according to the present embodiment, which is manufactured by the above-described manufacturing method for forming a silicon dioxide layer by oxidation treatment and has various specific resistance values up to about 400 ° C., is used in such applications. It is practical as a silicon carbide ceramic sintered body.

また、炭化珪素質セラミックス焼結体をDPFの基体として使用する場合、堆積した粒子状物質を燃焼除去する再生処理に際しては、通常は500〜700℃まで加熱する必要があるが、触媒を担持させれば加熱温度を400〜500℃程度まで低下させることが可能である。従って、酸化処理によって二酸化珪素層を形成させる上記の製造方法により製造される、約400℃に上昇するまでの比抵抗値が種々となる本実施形態の炭化珪素質セラミックス焼結体は、自己発熱型のDPFの基体としての炭化珪素質セラミックス焼結体としても有用である。   In addition, when a silicon carbide ceramic sintered body is used as a DPF substrate, it is usually necessary to heat up to 500 to 700 ° C. during the regeneration treatment for removing the deposited particulate matter by combustion. If it is possible, the heating temperature can be lowered to about 400-500 ° C. Therefore, the silicon carbide based ceramic sintered body of the present embodiment, which is manufactured by the above-described manufacturing method of forming a silicon dioxide layer by oxidation treatment and has various specific resistance values up to about 400 ° C., is self-heating. It is also useful as a silicon carbide ceramic sintered body as a base of a type DPF.

具体的には、導電性の制御された炭化珪素質セラミックス焼結体は、次のように製造することができる。まず、上記で図3を用いて説明した測定結果において、酸素濃度の異なる試料それぞれについて、温度上昇に伴う比抵抗値の変化を示す曲線の近似式を求める。求めた近似式を図3のグラフ内に示す。この近似式を用いて、ある温度のときの比抵抗値を計算することができる。そして、酸素濃度の異なる試料について、同一温度のときの比抵抗値を算出することにより、図4に示すように、ある温度のときの酸素濃度に対する比抵抗値の関係を知ることができる。   Specifically, the silicon carbide ceramic sintered body with controlled conductivity can be manufactured as follows. First, in the measurement results described above with reference to FIG. 3, an approximate expression of a curve indicating a change in specific resistance value accompanying a temperature rise is obtained for each sample having a different oxygen concentration. The obtained approximate expression is shown in the graph of FIG. Using this approximate expression, the specific resistance value at a certain temperature can be calculated. Then, by calculating the specific resistance value at the same temperature for samples having different oxygen concentrations, the relationship of the specific resistance value to the oxygen concentration at a certain temperature can be known as shown in FIG.

そこで、例えば、温度100℃のときの比抵抗値が0.3Ω・cmである導電性炭化珪素質多孔体を製造したい場合は、図4に一点鎖線で示したように、酸化処理によって酸化濃度を2.5質量%増加させ、酸化処理後の焼結体の酸素濃度を2.8質量%とすればよいことが分かる。そして、そのために必要な酸化処理条件は、図1で例示した酸化処理工程における条件(加熱温度、加熱時間)と酸素濃度との関係を示すグラフから読み取ることができる。すなわち、図1から、一点鎖線で示すように、酸化処理によって酸化濃度を2.5質量%増加させて酸化処理後の焼結体の酸素濃度を2.8質量%とするには、加熱時間が40時間の場合は加熱温度を1100℃とすればよく、加熱時間が5時間の場合は加熱温度を1300℃とすればよいことが分かる。   Therefore, for example, when it is desired to manufacture a conductive silicon carbide based porous material having a specific resistance value of 0.3 Ω · cm at a temperature of 100 ° C., as shown by a one-dot chain line in FIG. Is increased by 2.5 mass%, and the oxygen concentration of the sintered body after the oxidation treatment is 2.8 mass%. And the oxidation process conditions required for that can be read from the graph which shows the relationship between the conditions (heating temperature, heating time) in the oxidation process illustrated in FIG. 1, and oxygen concentration. That is, as shown by a one-dot chain line from FIG. 1, the heating time is required to increase the oxidation concentration by 2.5% by mass by the oxidation treatment so that the oxygen concentration of the sintered body after the oxidation treatment is 2.8% by mass. When the heating time is 40 hours, the heating temperature may be 1100 ° C., and when the heating time is 5 hours, the heating temperature may be 1300 ° C.

なお、一般的に抵抗発熱させるセラミックス発熱体は、抵抗値が初期値の4倍に達したときが使用限界であると言われている。炭化珪素の場合は、例示した用途における使用温度範囲では、上述したように温度の上昇に伴って電気抵抗が減少するNTC特性を有するため、より高い抵抗値まで使用可能である。しかしながら、使用に伴って酸化反応は徐々に粒子内部まで進行して、比抵抗値は増加する。そのため、炭化珪素質セラミックス焼結体の使用期間の長期化を主眼とする場合は、使用前の初期状態の酸素濃度をある程度に留めておくことが望ましく、例えば、室温における比抵抗値の初期値が、酸化処理を行わない焼結体の室温における比抵抗値の4倍を超えない範囲とする。本実施例の試料と酸化処理を行わない以外は同一の方法で製造された焼結体の室温における比抵抗値は、平均値で約4Ω・cmであった。従って、炭化珪素質セラミックス焼結体の使用期間の長期化を主眼とする場合は、炭化珪素質セラミックス焼結体の室温における比抵抗値の初期値を16Ω・cmを超えない範囲とするのが望ましい。そして、比抵抗値をこの範囲とするためには、酸化処理によって増加させる酸素濃度を3.4質量%を超えない範囲とし、炭化珪素質セラミックス焼結体における最終的な酸素濃度を3.7質量%を超えない範囲とすればよいことを、図2(二点鎖線)から読み取ることができる。   In general, it is said that a ceramic heating element that generates heat by resistance has a use limit when the resistance value reaches four times the initial value. In the case of silicon carbide, the use temperature range in the exemplified application has NTC characteristics in which the electrical resistance decreases as the temperature rises as described above, and thus can be used up to a higher resistance value. However, with use, the oxidation reaction gradually proceeds to the inside of the particles, and the specific resistance value increases. Therefore, when the main purpose is to extend the period of use of the silicon carbide ceramic sintered body, it is desirable to keep the oxygen concentration in the initial state before use to some extent, for example, the initial value of the specific resistance value at room temperature. However, it is set as the range which does not exceed 4 times the specific resistance value in room temperature of the sintered compact which does not oxidize. The specific resistance value at room temperature of the sintered body produced by the same method except that the oxidation treatment of the sample of this example was not performed was about 4 Ω · cm on average. Therefore, when the main purpose is to extend the period of use of the silicon carbide ceramic sintered body, the initial value of the specific resistance value at room temperature of the silicon carbide ceramic sintered body should be in a range not exceeding 16 Ω · cm. desirable. In order to set the specific resistance value within this range, the oxygen concentration increased by the oxidation treatment is set not to exceed 3.4 mass%, and the final oxygen concentration in the silicon carbide based ceramic sintered body is set to 3.7. It can be read from FIG. 2 (two-dot chain line) that the mass range is not exceeded.

試料1〜4,7〜10,12について、三点曲げ強度を測定した結果を図5に示す。ここで、三点曲げ強度の測定には、上述の焼結体(サイズ35mm×35mm×高さ150mm、セル密度300cpsi、隔壁の壁厚0.25mmの成形体を2100℃,10分間焼成したもの)を、切断することなく一つの試験片として使用した。また、測定方法は、JIS R1601に準拠し、支点間距離10cm、クロスヘッドスピード1mm/minの条件下で、室温にて測定した。図5から分かるように、比抵抗値を制御する目的で酸素濃度を増加させることにより、三点曲げ強度が増加する効果を、付随的に得ることができる。   The results of measuring the three-point bending strength for Samples 1 to 4, 7 to 10 and 12 are shown in FIG. Here, for the measurement of the three-point bending strength, the above-mentioned sintered body (size 35 mm × 35 mm × height 150 mm, cell density 300 cpsi, partition wall thickness 0.25 mm molded body fired at 2100 ° C. for 10 minutes. ) Was used as one specimen without cutting. Moreover, the measuring method was based on JISR1601, and measured at room temperature on the conditions of the distance between fulcrums of 10 cm, and the crosshead speed of 1 mm / min. As can be seen from FIG. 5, the effect of increasing the three-point bending strength can be incidentally obtained by increasing the oxygen concentration for the purpose of controlling the specific resistance value.

次に、試料14(加熱温度1200℃,加熱時間40時間)について、走査型電子顕微鏡(日本電子株式会社製、JXA−840型)による観察(SEM観察)、及び、エネルギー分散型X線分析装置(日本電子株式会社製,JED−2200型)による元素分析(EDX分析)を行った結果を、酸化処理を行わない対照試料と対比して図6及び図7に示す。ここで、元素分析については、図6では酸素についての結果を、図7では珪素及び酸素についての結果を示す。   Next, with respect to the sample 14 (heating temperature 1200 ° C., heating time 40 hours), observation (SEM observation) with a scanning electron microscope (manufactured by JEOL Ltd., JXA-840 type), and energy dispersive X-ray analyzer The results of elemental analysis (EDX analysis) by JEOL Ltd. (JED-2200 type) are shown in FIGS. 6 and 7 in comparison with a control sample that is not subjected to oxidation treatment. Here, regarding elemental analysis, FIG. 6 shows the results for oxygen, and FIG. 7 shows the results for silicon and oxygen.

試料表面のSEM観察像及びEDX画像を、試料14(図6(a))と対照試料(図6(b))とで比較すると、試料14では粒子の形状に一致して酸素が分布しているのが明らかであるのに対し、対照試料のEDX画像では酸素元素の分布は見られない。このことより、酸化処理工程を経ることによって、二酸化珪素層が生成していることが分かる。   When the SEM observation image and EDX image of the sample surface are compared between the sample 14 (FIG. 6 (a)) and the control sample (FIG. 6 (b)), oxygen is distributed in the sample 14 in accordance with the particle shape. It is clear that there is no oxygen element distribution in the EDX image of the control sample. From this, it can be seen that the silicon dioxide layer is formed through the oxidation treatment step.

また、試料14の破断面について、SEM観察像及びEDX画像を図7に示す。図7より、破断面に表れる粒子の内部には酸素は存在せず、酸素は粒子の表面に沿ってのみ分布していることが明らかである。従って、酸化処理によって、二酸化珪素層は炭化珪素質粒子の表面に生成していることが確認された。   Further, an SEM observation image and an EDX image of the fracture surface of the sample 14 are shown in FIG. From FIG. 7, it is clear that oxygen does not exist inside the particles appearing on the fracture surface, and oxygen is distributed only along the surface of the particles. Therefore, it was confirmed that the silicon dioxide layer was formed on the surface of the silicon carbide particles by the oxidation treatment.

以上のように、本実施形態の炭化珪素質セラミックス焼結体は、炭化珪素質粒子の表面に二酸化珪素層が形成されており、その二酸化珪素層の量(酸素濃度)に応じて、種々の比抵抗値をとる。また、二酸化珪素層の量を酸素濃度として0.4質量%〜4.8質量%の範囲で変化させることにより、室温における比抵抗値を5〜20Ω・cmという広い範囲で制御することが可能である。   As described above, in the silicon carbide based ceramic sintered body of the present embodiment, the silicon dioxide layer is formed on the surface of the silicon carbide particles, and there are various types according to the amount (oxygen concentration) of the silicon dioxide layer. Take the resistivity value. In addition, by changing the amount of the silicon dioxide layer in the range of 0.4 mass% to 4.8 mass% as the oxygen concentration, the specific resistance value at room temperature can be controlled in a wide range of 5 to 20 Ω · cm. It is.

また、本実施形態では、二酸化珪素層を形成させる元となる焼結体(酸化処理前の焼結体)として、窒化珪素を窒素源として炭素源と反応焼結させた炭化珪素質焼結体を使用している。そのため、もともと導電性を付与するために、炭化珪素に添加剤が添加されておらず、簡易な構成であることに加えて、粒子表面にのみ二酸化珪素層を備えさせることにより、比抵抗値を事後的に変化させることが可能な構成であるため、極めて簡易な製造方法で製造することが可能である。   In the present embodiment, as a sintered body (sintered body before oxidation treatment) for forming the silicon dioxide layer, a silicon carbide sintered body obtained by reactive sintering with a carbon source using silicon nitride as a nitrogen source Is used. Therefore, in order to impart conductivity to the silicon carbide, no additive is added to silicon carbide. In addition to having a simple configuration, a specific resistance value can be obtained by providing a silicon dioxide layer only on the particle surface. Since the structure can be changed after the fact, it can be manufactured by an extremely simple manufacturing method.

以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。   The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various improvements can be made without departing from the scope of the present invention as described below. And design changes are possible.

例えば、本発明の導電性を有する多孔質の炭化珪素質セラミックスの焼結体は、ディーゼルエンジンから排出されるガスを浄化する自己発熱型のDPFの基体として使用できる他、その他の内燃機関や蒸気タービン等で排ガスの浄化に使用される自己発熱型フィルタの基体、加熱により触媒を活性化させる触媒担体、或いは、ハニカム構造とした場合のセルまたは連続気孔中を流通する流体を加熱する加熱装置の基体として、使用することが可能である。   For example, the conductive porous silicon carbide ceramic sintered body of the present invention can be used as a base of a self-heating DPF that purifies gas discharged from a diesel engine, as well as other internal combustion engines and steam. A self-heating filter base used for purifying exhaust gas in a turbine, a catalyst carrier that activates a catalyst by heating, or a heating device that heats a fluid flowing through cells or continuous pores in a honeycomb structure It can be used as a substrate.

特許第3431670号公報Japanese Patent No. 3431670

Claims (2)

導電性を有する多孔質の炭化珪素質セラミックス焼結体であって、
炭化珪素の周囲及び粒子間に窒素が固溶した炭化珪素が生成しているマトリクス表面に、焼結体における酸素濃度として0.4質量%〜4.8質量%の二酸化珪素層が形成されており、前記酸素濃度に対する室温の比抵抗値の関係が、前記酸素濃度が0.4質量%のときに比抵抗値が5Ω・cmであり、且つ、前記酸素濃度が4.8質量%のときに比抵抗値が20Ω・cmである一次関数で表される
ことを特徴とする炭化珪素質セラミックス焼結体。
A porous silicon carbide based ceramic sintered body having conductivity,
A silicon dioxide layer having an oxygen concentration of 0.4 mass% to 4.8 mass% in the sintered body is formed around the silicon carbide and on the matrix surface where silicon carbide in which nitrogen is dissolved between particles is formed. When the oxygen concentration is 0.4 mass%, the specific resistance value is 5 Ω · cm, and the oxygen concentration is 4.8 mass%. The silicon carbide based ceramic sintered body is characterized by being expressed by a linear function having a specific resistance value of 20 Ω · cm .
単一の方向に延びて列設された隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造に形成されている
ことを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素質セラミックス焼結体。
The silicon carbide based ceramic sintered body according to claim 1, wherein the sintered body is made of a honeycomb structure including a plurality of cells partitioned by partition walls extending in a single direction. .
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