JP7022715B2 - 接合材及び炭化珪素系ハニカム構造体 - Google Patents

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Description

本発明は、接合材及び炭化珪素系ハニカム構造体に関する。
排ガスの集塵用フィルタ、例えば、排ガスに含まれる粒子状物質（パティキュレート）を捕捉して除去するためのディーゼルパティキュレートフィルター（ＤＰＦ）やガソリンパティキュレートフィルター（ＧＰＦ）として、ハニカム構造体が広く使用されている。
このような用途に用いられるハニカム構造体としては、例えば、複数の炭化珪素系ハニカムセグメントと、各炭化珪素系ハニカムセグメントの側面間を接合する接合層とを備える炭化珪素系ハニカム構造体が知られている。ここで、炭化珪素系ハニカム構造体とは、炭化珪素を主成分とする材質のハニカム構造体を意味し、再結晶ＳｉＣのように炭化珪素のみからなる材質や、炭化珪素と、金属珪素、ガラスなどの他の成分とが複合化した材質のハニカム構造体が包含される。接合層は、炭化珪素粉末やアルミナ粉末などの無機粉末、ムライト繊維などの無機繊維、中空粒子などの造孔剤、バインダ、分散剤などを含む接合材を用いて形成される（例えば、特許文献１）。
他方、上記のような炭化珪素系ハニカム構造体の製造では、炭化珪素系ハニカムセグメントや炭化珪素系ハニカム構造体の製造時に加工粉が発生する。加工粉としては、炭化珪素系ハニカムセグメントや炭化珪素系ハニカム構造体を研削して所定形状にする際に発生する研削粉や、炭化珪素系ハニカムセグメントや炭化珪素系ハニカム構造体の不良品などを粉砕したものなどが例示される。このような加工粉は、炭化珪素系ハニカムセグメントの製造において再利用されることがあるが、それ以外の用途での再利用はあまり進んでいない。
特開２０１７－１７８７２２号公報
炭化珪素系ハニカム構造体の接合層には、接合強度が高く且つヤング率が低いことが要求されるが、接合層の接合強度を高めると、接合層のヤング率も上昇するというトレードオフの関係がある。接合層のヤング率が高くなると、熱応力を緩和する機能が発現し難くなるため、炭化珪素系ハニカム構造体の耐久性が十分に確保されない。
そのため、炭化珪素系ハニカム構造体の接合層の形成に用いられる接合材は、接合強度が高く且つヤング率が低くなるようにすべく、使用される成分の種類や含有量が細かく規定されており、炭化珪素系ハニカムセグメントや炭化珪素系ハニカム構造体の製造時に発生する加工粉を接合材において有効利用することは難しいと考えられていた。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、炭化珪素系ハニカムセグメントや炭化珪素系ハニカム構造体の製造時に発生する加工粉を有効利用することができる接合材及び炭化珪素系ハニカム構造体を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記の問題を解決すべく鋭意研究を行った結果、炭化珪素系ハニカムセグメント及び／又は炭化珪素系ハニカム構造体の製造時に発生する加工粉の含有量及び平均粒径Ｄ５０が、接合層の接合強度及びヤング率と密接に関係していることに着目し、これらを制御することにより、当該加工粉を接合材に有効利用し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、複数の炭化珪素系ハニカムセグメントの側面を接合して炭化珪素系ハニカム構造体を製造するために用いられる接合材であって、前記炭化珪素系ハニカムセグメント及び／又は前記炭化珪素系ハニカム構造体の加工粉を０．１～５０質量％含有し、前記加工粉の平均粒径Ｄ５０が０．５～６０μｍである接合材である。
また、本発明は、複数の炭化珪素系ハニカムセグメントと、複数の前記炭化珪素系ハニカムセグメントの側面間を接合する接合層とを備える炭化珪素系ハニカム構造体であって、前記接合層が、前記接合材の硬化層である炭化珪素系ハニカム構造体である。
本発明によれば、炭化珪素系ハニカムセグメントや炭化珪素系ハニカム構造体の製造時に発生する加工粉を有効利用することができる接合材及び炭化珪素系ハニカム構造体を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る炭化珪素系ハニカム構造体の斜視図及びその部分拡大図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施形態に対し変更、改良などが適宜加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。
本発明の一実施形態に係る接合材は、複数の炭化珪素系ハニカムセグメントの側面を接合して炭化珪素系ハニカム構造体を製造するために用いられる。
ここで、炭化珪素系ハニカム構造体の斜視図及びその部分拡大図を図１に示す。図１に示されるように、炭化珪素系ハニカム構造体１０は、複数の炭化珪素系ハニカムセグメント１と、複数の炭化珪素系ハニカムセグメント１の側面間を接合する接合層２とを備える。接合層２は、接合材の硬化層である。
炭化珪素系ハニカムセグメント１としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。
１つの実施態様において、炭化珪素系ハニカムセグメント１は、一方の端面から他方の端面まで延びる複数のセル３を区画形成する隔壁４を備える。炭化珪素系ハニカムセグメント１のセル３が延びる方向に垂直な断面の形状としては、特に限定されず、三角形、四角形、六角形、八角形などの各種形状であることができるが、四角形（正方形又は長方形）であることが好ましい。このような形状の炭化珪素系ハニカムセグメント１とすることにより、炭化珪素系ハニカム構造体１０の製造が容易になる。
また、炭化珪素系ハニカムセグメント１のセル３の形状（セル３が延びる方向に垂直な断面におけるセル３の形状）としては、特に限定されず、三角形、四角形、六角形、八角形、円形などの各種形状であることができるが、四角形（正方形又は長方形）であることが好ましい。
隔壁４の厚さは、特に限定されないが、好ましくは４～７０ｍｉｌ（０．０１０～０．１７７ｃｍ）、より好ましくは４．５～３０ｍｉｌ（０．０１１～０．０７６ｃｍ）、さらに好ましくは５～２０ｍｉｌ（０．０１３～０．０５０ｃｍ）である。隔壁４の厚さを４ｍｉｌ（０．０１０ｃｍ）以上とすることにより、十分な強度を確保することができる。また、隔壁４の厚さを７０ｍｉｌ（０．１７７ｃｍ）以下とすることにより、圧力損失の増大を抑制することができる。そのため、例えば、炭化珪素系ハニカム構造体１０をＤＰＦなどに用いる場合には、エンジンの出力低下を抑制することができる。
炭化珪素系ハニカムセグメント１のセル密度については、特に限定されないが、好ましくは５０～５００セル／平方インチ（７．７～７７．５セル／ｃｍ2）、より好ましくは７０～４５０セル／平方インチ（１０．８～６９．８セル／ｃｍ2）、さらに好ましくは８０～４００セル／平方インチ（１２．４～６２．０セル／ｃｍ2）である。炭化珪素系ハニカムセグメント１のセル密度を５０セル／平方インチ（７．７セル／ｃｍ2）以上とすることにより、十分な強度を確保することができる。また、炭化珪素系ハニカムセグメント１のセル密度を５００セル／平方インチ（７７．５セル／ｃｍ2）以下とすることにより、圧力損失の増大を抑制することができる。
炭化珪素系ハニカムセグメント１は、当該技術分野において公知の方法に準じて製造することができる。具体的には、次のようにして製造される。まず、セラミックス原料にバインダ、分散剤（界面活性剤）、造孔材、水などを添加し、混合及び混練して坏土とする。次に、この坏土を所定のハニカム形状となるように押出成形して所望の長さに切断し、次いで、マイクロ波、熱風などによって乾燥した後、焼成する。また、焼成後には、必要に応じて所定形状とするために研削などが行われる。
セラミックス原料は、セラミックス原料から形成される無機粉末及び無機繊維である。セラミックス原料としては、炭化珪素系セラミックスを主成分として含むものであれば特に限定されない。ここで、本明細書において主成分とは、全体に占める割合が５０質量％を超えることを意味する。炭化珪素系セラミックスとしては、炭化珪素又は珪素－炭化珪素系複合材料が挙げられる。その他のセラミックス原料の例としては、コージェライト化原料、コージェライト、ムライト、アルミナ、チタニア、スピネル、炭化珪素－コージェライト系複合材料、リチウムアルミニウムシリケート、チタン酸アルミニウム、鉄－クロム－アルミニウム系合金などが挙げられる。これらは、単独又は２種以上を組み合わせて用いることができる。なお、本明細書において「コージェライト化原料」とは、シリカが４２～５６質量％、アルミナが３０～４５質量％、マグネシアが１２～１６質量％の範囲に入る化学組成となるように配合されたセラミックス原料であって、焼成されてコージェライトになるものである。珪素－炭化珪素系複合材料とする場合、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末を混合したものをセラミックス原料とする。セラミックス原料の含有量は、成形原料全体に対して４０～９０質量％であることが好ましい。
バインダとしては、特に限定されないが、コロイダルシリカ（シリカゾル）、アルミナゾル、ベントナイトやモンモリロナイトのような粘土などの無機バインダ、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロポキシルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、その他の各種吸水性樹脂などの有機バインダが挙げられる。これらは、単独又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
分散剤（界面活性剤）としては、特に限定されないが、オレイン酸ＰＥＧ、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸石鹸、ポリアルコールなどが挙げられる。これらは、単独又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
造孔材としては、焼成後に気孔となるものであれば特に限定されないが、澱粉、発泡樹脂、吸水性樹脂、シリカゲル、炭素などが挙げられる。これらは、単独又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
また、炭化珪素系ハニカムセグメント１は、炭化珪素系ハニカムセグメント１の２つの端面のうちのいずれか一方の端面において、セル３の一方の端部を目封止する目封止部が形成されていてもよい。通常は、一方の端面と他方の端面とが、相補的な市松模様を呈するように、隣接するセル３を互い違いに目封止する。目封止部の構成材料は、炭化珪素系ハニカムセグメント１との熱膨張差を小さくするため、炭化珪素系ハニカムセグメント１と同じ材料を用いることが好ましい。
セル３に目封止部を形成する場合、焼成は、セル３に目封止部を形成する前に行ってもよいし、セル３に目封止部を形成した後で、目封止部の焼成と一緒に行うようにしてもよい。セル３に目封止部を形成する方法としては、当該技術分野において公知の方法を用いることができる。具体的には、炭化珪素系ハニカムセグメント１の端面にシートを貼り付けた後、当該シートの目封止しようとするセル３に対応した位置に穴を開け、このシートを貼り付けたままの状態で、目封止部の構成材料をスラリー化した目封止用スラリーに、炭化珪素系ハニカムセグメント１の端面を浸漬し、シートに開けた孔を通じて、目封止しようとするセル３の開口端部内に目封止用スラリーを充填し、それを乾燥及び／又は焼成して硬化させる。
接合材は、炭化珪素系ハニカムセグメント１及び／又は炭化珪素系ハニカム構造体１０の製造時に発生する加工粉を０．１～５０質量％含有する。加工粉を０．１質量％以上とすることにより、加工粉を接合材に有効利用することができる。また、加工粉を５０質量％以下とすることにより、接合強度が良好な接合層２を形成することができる。加工粉の含有量は、加工粉の有効利用の観点から、好ましくは０．５質量％以上、より好ましくは１質量％以上、さらに好ましくは３質量％以上である。また、加工粉の含有量は、接合層２の接合強度の観点から、好ましくは４８質量％以下、より好ましくは４５質量％、さらに好ましくは４３質量％以下である。
ここで、本明細書において、炭化珪素系ハニカムセグメント１の製造時に発生する加工粉とは、炭化珪素系ハニカムセグメント１を研削して所定形状にする際に発生する研削粉や、炭化珪素系ハニカムセグメント１の不良品などを粉砕したものを意味する。また、本明細書において、炭化珪素系ハニカム構造体１０の製造時に発生する加工粉とは、炭化珪素系ハニカム構造体１０を研削して所定形状にする際や、端面を研削して平滑化する際に発生する研削粉、炭化珪素系ハニカム構造体１０不良品などを粉砕したものを意味する。
加工粉は、平均粒径Ｄ５０が０．５～６０μｍである。加工粉の平均粒径Ｄ５０を当該範囲とすることにより、接合層２に要求される接合強度及びヤング率を確保することができる。加工粉の平均粒径Ｄ５０は、接合層２の接合強度及びヤング率の観点から、好ましくは０．８μｍ以上、より好ましくは１．０μｍ以上、さらに好ましくは１．５μｍ以上である。同様に、加工粉の平均粒径Ｄ５０は、接合層２の接合強度及びヤング率の観点から、好ましくは５８μｍ以下、より好ましくは５６μｍ以下、さらに好ましくは５５μｍ以下である。
ここで、本明細書において、平均粒径Ｄ５０とは、レーザー回折・散乱法によって求めた累積粒度分布（体積基準）における積算値５０％での粒径を意味する。
加工粉の平均粒径Ｄ１０は、特に限定されないが、好ましくは０．１～１０μｍ、より好ましくは０．３～９．８μｍ、さらに好ましくは０．５～９．５μｍ。このような範囲に加工粉の平均粒径Ｄ１０を制御することにより、接合強度とヤング率とのバランスが良好な接合層２が形成され易くなる。
また、加工粉の平均粒径Ｄ９０は、特に限定されないが、好ましくは４～１５０μｍ、より好ましくは５～１３０μｍ、さらに好ましくは６～１２０μｍである。このような範囲に加工粉の平均粒径Ｄ１０を制御することにより、接合強度とヤング率とのバランスが良好な接合層２が形成され易くなる。
ここで、本明細書において、平均粒径Ｄ１０及びＤ９０とは、平均粒径Ｄ５０と同様にレーザー回折・散乱法によって求めた累積粒度分布（体積基準）における積算値１０％及び９０％での粒径をそれぞれ意味する。
接合材は、上記の加工粉の他に、無機粉末、無機繊維、造孔材、バインダ及び分散剤から選択される１種以上をさらに含有することができる。
これらの成分としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。また、これらの成分は、炭化珪素系ハニカムセグメント１に用いられる成分と同一であっても異なっていてもよいが、炭化珪素系ハニカムセグメント１に用いられる成分と同一とすることにより、接合強度及びヤング率が良好な接合層２が形成され易くなる。
接合材における無機粉末の含有量は、特に限定されないが、好ましくは５０質量％以下、より好ましくは１～４８質量％、さらに好ましくは５～４６質量％である。無機粉末の含有量を当該範囲に制御することにより、接合強度とヤング率とのバランスが良好な接合層２が形成され易くなる。
接合材における無機繊維の含有量は、特に限定されないが、好ましくは２５質量％以下、より好ましくは１～２０質量％、さらに好ましくは３～１５質量％である。無機繊維の含有量を当該範囲に制御することにより、接合強度とヤング率とのバランスが良好な接合層２が形成され易くなる。
接合材における造孔材の含有量は、特に限定されないが、好ましくは１０質量％以下、より好ましくは０．１～８質量％、さらに好ましくは１～６質量％である。造孔材の含有量を当該範囲に制御することにより、炭化珪素系ハニカムセグメント１と同程度の気孔率を有し、接合強度とヤング率とのバランスが良好な接合層２が形成され易くなる。
接合材におけるバインダの含有量は、特に限定されないが、好ましくは１５質量％以下、より好ましくは１～１２質量％、さらに好ましくは３～１０質量％である。バインダの含有量を当該範囲に制御することにより、接合強度とヤング率とのバランスが良好な接合層２が形成され易くなる。
接合材における分散剤の含有量は、特に限定されないが、好ましくは３質量％以下、より好ましくは２質量％以下、さらに好ましくは０．１～１質量％である。分散剤の含有量を当該範囲に制御することにより、接合強度とヤング率とのバランスが良好な接合層２が形成され易くなる。
接合材は、上記の成分に水を添加し、ミキサーなどの混練機を使用して混合及び混練してペースト状にすることによって製造することができる。
上記のようにして得られる接合材は、炭化珪素系ハニカムセグメント１や炭化珪素系ハニカム構造体１０の製造時に発生する加工粉を有効利用することができる。また、この接合材は、接合強度が高く且つヤング率が低い接合層２を与えることができる。さらに、この接合材は、炭化珪素系ハニカムセグメント１や炭化珪素系ハニカム構造体１０の製造時に発生する加工粉を用いているため、炭化珪素系ハニカムセグメント１の色調と接合層２の色調とが近くなる。そのため、従来は、色調差が大きいために困難であった自動外観検査機を用いた炭化珪素系ハニカム構造体１０の外観不良の検査などを容易に行うことが可能になる。
炭化珪素系ハニカム構造体１０は、上記の炭化珪素系ハニカムセグメント１及び接合材を用いて製造される。その製造方法は、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法によって行うことができる。
具体的には、炭化珪素系ハニカムセグメント１の側面に接合材を塗布して炭化珪素系ハニカムセグメント１の側面間を接合した後、乾燥させることにより、接合材を硬化させて接合層２を形成することができる。乾燥条件としては、接合材の組成に応じて適宜調整すればよいが、６０～１７０℃で０．５～６．０時間乾燥させることが好ましい。また、乾燥は、外部から圧力を加えることにより、炭化珪素系ハニカムセグメント１同士を圧着させながら行ってもよい。
また、全ての炭化珪素系ハニカムセグメント１が接合層２を介して接合された接合体は、必要に応じ、外周部を研削加工するなどして、円柱状などの所望形状に加工してもよい。この場合、加工により外周壁が除去され、内部の隔壁４とセル３が露出した状態となるため、露出面をコーティング材で被覆するなどして外周コート層５を再形成することが好ましい。
炭化珪素系ハニカム構造体１０の形状は、特に限定されないが、円柱状の他、端面が楕円形の柱状、端面が正方形、長方形、三角形、五角形、六角形などの多角形の柱状などとすることができる。
炭化珪素系ハニカム構造体１０は、接合層２の接合強度（せん断強度）が、好ましくは２００～２０００ｋＰａ、より好ましくは３００～１５００ｋＰａ、さらに好ましくは４００～１２００ｋＰａである。接合層２の接合強度が当該範囲であれば、ＤＰＦやＧＰＦなどの各種用途に要求される炭化珪素系ハニカム構造体１０の接着強度を確保することができる。
炭化珪素系ハニカム構造体１０は、接合層２のヤング率が、好ましくは４～１００ＭＰａ、より好ましくは５～８０ＭＰａ、さらに好ましくは６～６０ＭＰａである。接合層２のヤング率が当該範囲であれば、ＤＰＦやＧＰＦなどの各種用途に要求される熱応力を緩和する機能を十分に確保することができる。
炭化珪素系ハニカム構造体１０は、接合層２の気孔率が、好ましくは４０～８５％、より好ましくは４５～８３％、さらに好ましくは５０～８０％である。接合層２の気孔率が当該範囲であれば、接着強度とヤング率とのバランスを確保することができる。
炭化珪素系ハニカム構造体１０は、接合層２の熱膨張係数が、好ましくは２．０×１０-6～８．０×１０-6／Ｋ、より好ましくは２．５×１０-6～７．５×１０-6／Ｋ、さらに好ましくは３．０×１０-6～７．０×１０-6／Ｋである。接合層２の熱膨張係数が当該範囲であれば、熱応力を緩和する機能を十分に確保することができる。
上記のような特徴を有する炭化珪素系ハニカム構造体１０は、炭化珪素系ハニカムセグメント１や炭化珪素系ハニカム構造体１０の製造時に発生する加工粉を有効利用しているため、製造コストを低減することができる。また、この炭化珪素系ハニカム構造体１０は、接合層２の接合強度が高く且つヤング率が低く、熱応力を緩和する機能が確保されているため耐久性が高い。また、この炭化珪素系ハニカム構造体１０は、炭化珪素系ハニカムセグメント１の色調と接合層２の色調とが近いため、自動外観検査機を用いた炭化珪素系ハニカム構造体１０の外観不良の検査などを容易に行うことも可能になる。
炭化珪素系ハニカム構造体１０は、ＤＰＦ、ＧＰＦなどの集塵用フィルタとして用いることができる。集塵用フィルタとして用いる場合、上述したように、炭化珪素系ハニカムセグメント１の２つの端面のいずれか一方の端面において、セル３の一方の端部を目封止する目封止部を形成することが好ましい。通常は、一方の端面と他方の端面とが、相補的な市松模様を呈するように、隣接するセル３を互い違いに目封止する。
このように目封止が施された炭化珪素系ハニカムセグメント１から構成される炭化珪素系ハニカム構造体１０の一端面よりスートなどのパティキュレートを含む流体を通気させると、流体は、当該一端面側において端部が目封止さていないセル３より炭化珪素系ハニカム構造体１０の内部に流入し、濾過能を有する多孔質の隔壁４を通過して、炭化珪素系ハニカム構造体１０の他端面側が目封止されていない他の流通孔に入る。そして、この隔壁４を通過する際に流体中のパティキュレートが隔壁４に補足され、パティキュレートが除去された浄化後の流体が炭化珪素系ハニカム構造体１０の他端面より排出される。
炭化珪素系ハニカム構造体１０は、隔壁４の表面や細孔内に触媒を担持させてもよい。触媒としては、特に限定されず、炭化珪素系ハニカム構造体１０の用途に応じて選択することができる。例えば、炭化珪素系ハニカム構造体１０をＤＰＦとして用いる場合には、排ガス中のススなどを酸化除去するための酸化触媒や、排ガス中に含まれるＮＯｘなどの有害物質を分解除去するためのＮＯx選択還元触媒（ＳＣＲ）やＮＯx吸蔵還元触媒などを用いることができる。触媒の担持方法は、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法を用いることができる。
以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
（炭化珪素系ハニカムセグメントの作製）
原料として、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末を８０：２０の質量割合で混合し、これに造孔材、バインダ、界面活性剤及び水を加えて混合及び混練して坏土とした。次に、得られた坏土を押出成形して切断し、マイクロ波及び熱風で乾燥することにより、隔壁の厚さが３００μｍ、セル密度が４６．５セル／ｃｍ2、セルが延びる方向に垂直な断面が一辺３８ｍｍの正四角形、長さが１５２ｍｍの炭化珪素系ハニカムセグメントを得た。
次に、この炭化珪素系ハニカムセグメントは、端面が市松模様を呈するように、各セルの一方の端部を目封止した。なお、セルの端部を目封止するための目封止用スラリーには、ハニカムセグメント原料と同様の材料を用いた。目封止は、充填材を乾燥させた後、炭化珪素系ハニカムセグメントを大気雰囲気中にて４００℃で脱脂した後、Ａｒ不活性雰囲気中にて１４５０℃で焼成することによって行った。
（接合材の調製）
表１に示す割合の加工粉、無機粉末、無機繊維、バインダ、造孔剤及び分散剤、並びに残部（合計で１００質量％となる割合）の水を配合して混合することによってペースト状の接合材を調整した。加工粉としては、上記の炭化珪素系ハニカムセグメントの切削粉及びその不良品の粉砕粉を使用した。
（炭化珪素系ハニカム構造体の作製）
炭化珪素系ハニカムセグメントの側面に、厚さ１ｍｍとなるように接合材を塗布し、別の炭化珪素系ハニカムセグメントの側面と接合した。この工程を繰り返して、縦４個×横４個の炭化珪素系ハニカムセグメントを接合した合計１６個の炭化珪素系ハニカムセグメント積層体を作製した。その後、外部から圧力を加えることにより、炭化珪素系ハニカムセグメント同士を圧着させながら、１２０℃で２時間乾燥させて接合体を得た。次に、得られた接合体の中心軸に垂直な方向の断面が円形となるように、接合体の外周を切削加工した。次に、その加工面に接合材と同じ組成の外周コーティング材を塗布した後、６００℃で０．５時間以上加熱することで乾燥及び硬化させて外周コート層を形成し、炭化珪素系ハニカム構造体を得た。
上記で得られた炭化珪素系ハニカム構造体について、下記の評価を行った。
（１）接合層の接着強度（せん断強度）
炭化珪素系ハニカム構造体から２本の炭化珪素系ハニカムセグメントが接合されたサンプルを切り出した。次に、このサンプルの接合層のＹ軸方向（長手方向）にせん断荷重をかけた。そして、そのときの破壊荷重と接合層の面積とを用いて下記式（１）により、せん断強度を算出した。
σ＝（Ｗ／Ｓ）×１０００ ・・・（１）
σ：せん断強度（ｋＰａ）
Ｗ：破壊荷重（Ｎ）
Ｓ：接合層の面積（ｍｍ2）
（２）接合層のヤング率
炭化珪素系ハニカム構造体から接合層部分を含む所定の寸法（直径２５．４ｍｍ、厚さ３ｍｍ）の円柱状のサンプルを切り出した。その後、このサンプルについて、Ｚ軸方向の圧縮試験を行った。ここで、「Ｚ軸方向」とは、接合層における炭化珪素系ハニカムセグメントとの接合面に垂直な方向である。なお、この試験に際し、上記サンプルには、炭化珪素系ハニカムセグメントの一部が付いていてもかまわない。Ｚ軸方向において、荷重を０～３ＭＰａまで試料に加えた時の応力－ひずみ曲線における傾きをヤング率（圧縮ヤング率）として、下記式（２）により算出した。
Ｅ＝（Ｗ／Ｓ）×（ｔ／Δｔ） ・・・（２）
Ｅ：圧縮ヤング率（ＭＰａ）
Ｗ：荷重（Ｎ）
Ｓ：サンプルの面積（ｍｍ2）
ｔ：サンプルの厚さ（ｍｍ）
Δｔ：サンプルの厚さの変化量
（３）接合層の気孔率
接合層の気孔率は、炭化珪素系ハニカム構造体から接合層部分を切り出し、水銀ポロシメータ（マイクロメリティクス社製オートポアＩＶ９５００）を用いて測定した。
（４）接合層の熱膨張係数
炭化珪素系ハニカム構造体の作製に用いた接合材から接合層のサンプルを別途作製して熱膨張係数を評価した。接合層のサンプルは、接合材を１４０℃で２時間乾燥させて得られた乾燥体を縦３ｍｍ×横３ｍｍ×長さ２０ｍｍに切り出して得た。また、熱膨張係数は、ＪＩＳ Ｒ１６１８：２００２に準拠し、サンプルの長さ方向における４０～８００℃での平均線熱膨張係数（熱膨張係数）を測定した。
（５）接合層の乾燥クラック
乾燥クラックは、炭化珪素系ハニカム構造体の端面における接合層を目視観察することで行った。乾燥クラックが全く発見されなかったものを「Ａ」、長さが５ｍｍ以下の微小な乾燥クラックのみが発見されたものを「Ｂ」、長さが５ｍｍを超える乾燥クラックが発見されたものを「Ｃ」と表す。
（６）接合層の接合幅
接合層の接合幅は、炭化珪素系ハニカム構造体の端面における接合層の接合幅を測定することによって行った。接合幅が１．５ｍｍ以下であったものを「Ａ」、接合幅が１．５ｍｍ超過３．０ｍｍ未満であったものを「Ｂ」、接合幅が３．０ｍｍ以上であったものを「Ｃ」と表す。
上記の各評価結果を表１に示す。
Figure 0007022715000001
表１に示されるように、加工粉を含む接合材を用いて作製された実施例１～１５の炭化珪素系ハニカム構造体は、加工粉を含まない接合材を用いて作製された比較例１の炭化珪素系ハニカム構造体に比べて遜色のない接合強度及びヤング率を有しており、接合材に加工粉を有効利用することができることがわかった。
また、表１に示されるように、加工粉の含有量及び平均粒径Ｄ５０を所定の範囲に制御した接合材を用いて作製された実施例１～１５の炭化珪素系ハニカム構造体は、加工粉の含有量が所定の範囲外の接合材又は加工粉の平均粒径Ｄ５０が所定の範囲外の接合材を用いて作製された比較例２～４の炭化珪素系ハニカム構造体に比べて接合層の接合強度が高くなった。なお、実施例１～１５の炭化珪素系ハニカム構造体は、比較例２～４の炭化珪素系ハニカム構造体に比べて接合層のヤング率が高くなったものの、使用可能なレベルであった。
以上の結果からわかるように、本発明によれば、炭化珪素系ハニカムセグメントや炭化珪素系ハニカム構造体の製造時に発生する加工粉を有効利用することができる接合材及び炭化珪素系ハニカム構造体を提供することができる。
１ 炭化珪素系ハニカムセグメント
２ 接合層
３ セル
４ 隔壁
５ 外周コート層
１０ 炭化珪素系ハニカム構造体

Claims (9)

  1. 複数の炭化珪素系ハニカムセグメントの側面を接合して炭化珪素系ハニカム構造体を製造するために用いられる接合材であって、
    前記炭化珪素系ハニカムセグメント及び／又は前記炭化珪素系ハニカム構造体の加工粉を０．１～５０質量％含有し、
    前記加工粉の平均粒径Ｄ５０が０．５～６０μｍである接合材。
  2. 前記加工粉のＤ１０が０．１～１０μｍである、請求項１に記載の接合材。
  3. 前記加工粉のＤ９０が４～１５０μｍである、請求項１又は２に記載の接合材。
  4. 無機粉末、無機繊維、造孔材、バインダ及び分散剤から選択される１種以上をさらに含有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の接合材。
  5. 複数の炭化珪素系ハニカムセグメントと、複数の前記炭化珪素系ハニカムセグメントの側面間を接合する接合層とを備える炭化珪素系ハニカム構造体であって、
    前記接合層が、請求項１～４のいずれか一項に記載の接合材の硬化層である炭化珪素系ハニカム構造体。
  6. 前記接合層の接合強度が２００～２０００ｋＰａである、請求項５に記載の炭化珪素系ハニカム構造体。
  7. 前記接合層のヤング率が４～１００ＭＰａである、請求項５又は６に記載の炭化珪素系ハニカム構造体。
  8. 前記接合層の気孔率が４０～８５％である、請求項５～７のいずれか一項に記載の炭化珪素系ハニカム構造体。
  9. 前記接合層の熱膨張係数が２．０×１０-6～８．０×１０-6／Ｋである、請求項５～８のいずれか一項に記載の炭化珪素系ハニカム構造体。
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