JPS61423A

JPS61423A - 炭化珪素質焼結体のフイルタ−

Info

Publication number: JPS61423A
Application number: JP59064517A
Authority: JP
Inventors: Takashi Inui; 犬井　敬司; Kiyotaka Tsukada; 輝代隆塚田
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1984-03-31
Filing date: 1984-03-31
Publication date: 1986-01-06
Also published as: JPH0232003B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、炭化珪素質焼結体で構成されたフィルグーに
係り、さらに詳しくは三次元の網目構造を有する多孔質
体の両端部に電極を備えており通電により発熱口■能な
炭化珪素質焼結体のフィルターに関する。

従来、内燃機関の排ガスなどに含有される炭素等の有害
物質を除去するには高温耐熱のフィルターが必要とされ
ていた。

上記要求に応ずべ〈従来より（イ）原料調合物の押し出
し成形法によるハニカム構造を有する焼結体（に）高分
子発泡材料に泥漿を含浸させ加熱処理し高分子発泡体を
消失させてスケフレトン構造体と呼ばれるものなどがつ
くられている。

しかしながら、上記（イ）のハニカム構造体は１ｃ＋Ｉ
ｉ当り約３００〜４００個のセル（利１孔）を有してお
り、隔壁の厚さは１５０μｍ程度で精密なものではある
がセル構造が直線的なストレート構造であり、自動車の
排ガス用触媒担体や発熱体などの用途に限られている。

また上記（ロ）のスケフレトン構造体は大小のセル骨格
からなり気孔率は６０〜９０６量％と比較的高いもので
はあるが強度は１０　ｋｇ／ｃａ以下と比較的低く実用
上の欠陥がある。

Ａ　　　　　　　　他方、炭化珪素質焼結体は高耐熱高
強度で耐食性にも優れており、しかも熱伝導性がよい半
導体材料として知られており通電することにより発熱す
る性質を有するものではあるが、微細孔を有しフィルタ
ーに適する焼結体は未だつくられていない。

本発明は、このような従来技術の事情に鑑み、出発原料
としてβ型結晶の灰化珪素微粉を主成分とする焼結体を
得ることにより、従来技術では不可能であった微細孔を
有する多孔質体であって、その両端部に電極を付与して
通電により自己発熱性を有するフィルターを提供するこ
とを目的とし、前記特許請求の範囲に記載のフィルター
を提供することによって上記目的を達成するものである
。

以下、本発明の炭化珪素質焼結体のフィルターについて
詳しく説明する。

本発明によれば、前記目的に対して、出発原料がβ型結
晶の灰化珪素微粉を主成分とする焼結体とすることによ
り該焼結体中の結晶径のアスペクト比が２〜５０の板状
結晶を主体とする三次元の網目構造を有し、嵩密度が０
２〜２．０の多孔質体全得て、その結晶の交叉する空間
の微細孔がフィルターとして最適のものとして利用でき
る。このように、本発明のフィルターは出発原料として
β型炭化珪素を主成分とすることにより、これらの結晶
は約２００℃以下の低温域で安定であり、２Ｈ型ケ除＜
４Ｈ，６Ｈあるいは１５Ｒ型などの高温安定型のα型結
晶に相転位する際に三次元の網目構造を形成する板状結
晶が生成しフィルターの最適の液体や気体の流動体との
接触面積を多く有する多孔質体を得ることができる。

１だ、本発明において、前記出発原料としては少くとも
６０屯量％のβ型炭化珪素からなるものであることが重
要である。その理由はβ型炭化珪素が６０重量％よりも
少ないと、板状結晶が十分に発達せず、板状結晶の接合
面積が少くなるため、多孔質体の機械的強度が著しく低
下するためである。なかでも、少くとも７０ｉ薙％であ
ることが最も好適に使用できる条件である。

そして、前記出発原料は平均粒径が１０μｍ以下の微粉
末であることが好ましい。平均粒径が１０μｍよりも大
きい粉末は、粒子相互の接触点が比敞的少く、しかも板
状結晶の成長性に著しく欠けるため、高強度の多孔質体
を得ることが困難であるからである。なかでも、平均粒
径は５μｍ以下であることが最も好適に使用できる条件
である。

なお、本発明によれば、出発原料としてβ型結晶の炭化
珪素微粉を主成分、奸才しくけ６０重量％以上とするも
のであるが、α型結晶の４Ｈ１６Ｈあるいは１５Ｒ型な
どの高温安定型の灰化珪素微粉が混入されていてもよく
、その他有機系合成樹脂等の加熱時に焼失するバインダ
ー類、並びに工業的原材料により由来する不可避的不純
物として、Ｌｉ、　　Ｂｅ、　Ｂ、　Ｃ％Ｎ、　Ｎａ１
Ｍｇ、　ＡＩ、ＰｌＳ、ＫＳ　Ｃａ、Ｓｃ、　Ｔｉ、　
Ｖ、ＣｒＳＭｎ％　Ｆｅ。

Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ
。

Ｎｂ、Ｍｏ５Ｂａ、　Ｔａ、　Ｗ　　より選ばれるいず
れか少くとも１種の元素からなる化合物あるいは単体を
含有していることが好ましい。なかでも、Ｂ、Ｃ，Ｎ、
　ＡＩ、　Ｆｅから選ばれるいずれか少くとも１種以上
の元素であることが最も好適である。

前記不可避的不純物は炭化珪素粉末１００原子量部に対
し、各元素に対し原子量に換算した原子料の合計が００
０５〜１０原子量部含有されていることが好ましい。そ
の理由は、前記不可避的不純物が０．００５原子量部よ
りも少いと、板状結晶の成長が著しく低下し、板状結晶
が十分に発達せず、一方、１０原子量部よりも多いと炭
化珪素結晶間に前記不可避的不純物が析出し、板状結晶
接合部の強度を著しく低下するため、高強度の多孔質体
を得ることが困難となるからである。なかでも、前記不
可避的不純物は０，０１〜５原子量部を含有しているこ
とが最も好適に使用できる条件である。

なお、前記出発原料は１ｄ／１１以上の比表面積を有す
ることが好ましい。その理由は比表面積が１ｙｆｆより
も小さいと、粉末の表面が安定で板状結′　晶の成長性
に乏しいため、高強度の多孔質体を得ることが困難であ
り、なかでも、５ｙｎ／ｆ以上の比表面積を有している
ことが最適である。

本発明によれば、ｍＩ記出発原料に必要により結（晶成
長助剤が添加される。前記結晶成長助剤はＬｉ％　Ｂｅ
、　　Ｂ、　　Ｃ，Ｎ、　　Ｎａ％　Ｍｇ、　　Ａｌ、
　　Ｐ、　　Ｓ。

Ｋ％　ＣａＳ　Ｓｃ、　　Ｔｉ、　　Ｖ、　　Ｃｒ、　
　Ｍｎ、　　Ｆｅ、　　Ｃｏ１Ｎｉ、　　Ｃｕ％　Ｚｎ
％　Ｇａ、Ｇｅ、　　Ｓｒ、　　Ｙ、　　Ｚｒ、　　Ｎ
ｂ。

Ｍｏ、Ｂａ、Ｔａ、Ｗより選ばれるいずれか少くとも１
種の元素からなる化合物あるいは単体全使用することが
できる。なかでも、Ｂ、　Ｃ，Ｎ、　ＡＩ、Ｆｅから選
ばれるいずれか少くとも１種以上の元素からなる化合物
あるいは単体であることが好ましい。なかでも、酸化物
あるいは単体であることが有利である。

前記結晶成長助剤は各元素に対し原子量に換算した原子
量の合計と前記不可避的不純物の原子量の合計との和が
、炭化珪素粉末１００原子量部に対し、０００５〜１０
原子量部となるように、必要により添加せしめることが
最も好適である。

前記結晶成長助剤と出発原料との混合は、必要により乾
式あるいは湿式で混合することができるが、なかでも湿
式混合は、出発原料中に前記結晶成長助剤か均一に混合
できるため有利である。

本発明によれば、必要により前記混合物（（成形用結合
剤が添加される。前記成形用結合剤は原料粉末に配合さ
れることによって成形時における低嵩密度の炭化珪素生
成形体に強度を与え、取り扱いを容易にする。前記成形
用結合剤として良好な生成形体強度を与えるものとして
、１粉、デキストリン、アラビアゴム、カゼイン、糖蜜
、Ｎａカルポキンメチルセｌレロース、メチルセルロー
ス、ポリビニルアルコール、ポリビニルメチルエーテル
、ポリアクリル酸アミド、タンニンａ、ｉａパラフィン
、ワックスエマルション、エチルセルロース、ボ°リビ
ニルアセテ−１・、フェノールレジン、酢酸セルロース
、グリセリン、ポリエチレングリコール等が冴）す、こ
れらを１種あるいは２種以上含有させることができる。

本発明によれば、前記混合物より所望する形状を持った
成形体を得る方法として、ダイフ゛レス、静水圧プレス
、押出成形、射出成形、鋳込み成形、ドクターグレード
成形、ろくろ成形および揺動成形があり、これらを１種
または２種以上用いることができる。一般に嵩密度が小
さく、高強度の多孔質体を得るためには骨材と気泡、有
機結合剤、水分等の低温度揮発あるいは分解成分とが均
一にしかも微細に分散し、前記板状結晶が均一に成長す
ることが重要である。一方、成形の段階ではこのような
混合物が型内に均一に流れ込み均質な成形体を得ること
が重要である。このように、骨材と低温度揮発分あるい
は分解成分が均一に分散し、しかも、均質な成形体を得
る方法として押出成形、射出成形、ドクターブレード成
形、鋳込成形が有利である。

前記成形体の炭化珪素の占める容量は８〜７０％である
ことが好ましい。その理由は、炭化珪素の占める谷景が
８％より小さいと、原料粉末個々の距離が長くなり、板
状結晶が成長できず、また、生成形体の強度が著しく低
下し、取り扱いが極めて困難となるためである。一方、
炭化珪素の占める容量が７０％より大きいと板状結晶の
成長が著しく、アスペクト比が著しく小さな網目構造と
なり、低嵩密度で高い強度を有する多孔質体を製造する
ことが困難となるからである。なかでも、成形体に占め
る炭化珪素の容量は７〜６０％であることが最も好適の
条件である。

本発明によれば、前記成形体を焼成し、板状結晶を成長
するためには、最高焼成温度が１７００〜２２００°Ｃ
であることが好ましい。最高焼成温度が１７００°Ｃよ
り低いと、前記成形体を構成する炭化珪素微粉末が十分
に成長を起こさず、弱い板状結晶となる。一方、２８０
０°Ｃより高くしても板状結晶は発達することがなく実
用的でない。なかでも、最高焼成温度は１８００〜２２
００°Ｃの範囲であることが最適の条件である。

このようにして得られる本発明のフィルターを構成する
炭化珪素質焼結体は、次に示すような特性を有するもの
であることが好ましい。

本発明によれば、前記多孔質体はアスペクト比が２〜５
０の炭化珪素板状結晶で構成されていることが必要であ
り、その結果生成する該結晶は三次元の網目構造となっ
ていることが特徴である。

このようにアスペクト比の下限を設ける理由は、ｊ　　
　　　　　＠配板状結晶。ア、、、／＜つ、比ヵ３２よ
り少いと、炭化珪素結晶によって構成される気孔が、結
晶の占める容積に比べて小さくなるため、高い気孔率と
大きな気孔径を有することが困難となるためである。一
方、前記板状結晶のアスペクト比が５０以上になると、
板状結晶の接合部の強度が低くなるため、多孔質焼結体
の強度が著しく低いものとなるからであり、なかでも前
記板状結晶のアスペクト比は８〜３０であることがより
好適である。

・また、前記板状結晶の短軸方向の厚みは０．５〜３０
０μｍであることが好ましく、なかでも１〜２００μｍ
であることが最適の条件である。

そして、前記板状結晶は前記多孔質体１００重量部に対
し、少くとも２０重量部を占めることが重要である。そ
の理由は、２０重量％よりも少いと、結晶によって形成
される気孔が、結晶の占める容量に対して少なくなり、
また、板状結晶の接合面積が少くなるため、多孔質体の
機械的強度が著しく低下するものと考えられるからであ
る。なかでも、少くとも４０重量部であることが最も好
適に使用できる条件である。

また、前記網目構造の開放気孔径Ｉ″ｉｏ、５〜５００
μｍであることが好ましく、なかでも１〜８００μｍで
あることが最適の条件である。

そして、前記網目構造の開放完孔率は４０〜９５容量％
であることが好ましく、なかでも、５０〜９０谷量％で
あることが最適の条件である。

さらＫまた、前記網目構造の曲げ強度が２０ｋｇ／ｃＪ
以上を有することが望ましく、なかでも、４０　ｋｇ／
ｃａ以上であることが最も好適に使用できるものである
。

以上、例示したような緒特性を有する炭化珪素質焼結体
の多孔質フィルターの任意形状物の表面の少なくとも一
部、好ましくは両端部の一部を各種の方法により金属化
し電極を形成する。すなわち、本発明によれば、メタラ
イズ法、蒸着或いは溶射後にＡｇやＡｕなどのペースト
を塗布焼付けする方法により多孔質フィルターの表面の
少なくとも一部を金属化して電極を形成することができ
る。なお、本発明におけるメタライジグはＳｉＣの分解
を防止しかつ高温加熱の処理に耐え得る炭化珪素質焼結
体とするために、５ｉＣ１００重量部に対し、Ｃｏ、　
Ｎｉ、Ｆｅ、Ａ３　Ｐ＊、Ｐｄ、Ｂ　などの炭化物の少
くとも１種を４〜１０重量％、また必要によりＴｉ％Ｗ
、　Ｍｏ、　　Ｚｒ、　　Ｈｆ、　Ｔａ。

Ｎｂ、　Ｕ、　Ｃｒ、　Ｖの中から選ばれる元素或いは
この元素を含有する各種の化合物を添加した組成物を使
用することが有利である。

このような各種の物質を含有させた炭化珪素系組成分は
、特に密着性、耐熱性、耐熱衝撃性及び接合性が極めて
優れたメタライズ層を形成することができるものである
。その理由は、前記ＣｏやＮｉなどの元素の炭化物は分
解反応により原子状の極めて活性なｃ’ｌ容易に生成し
、　ＳｉＣと強固な結合を形成し易いためと考えられる
からである。

また、本発明によれば炭化珪素質焼結体の表面には、任
意の位置に発熱部を形成するための電極を必要とするが
、そのためには、ＮｉＣｒ　　Ａｕや銀バラシューム等
のペーストを印刷焼成することもできる。

以上のように本発明のフィルターは、気孔率が４０〜９
０′８量％で、従来の多孔質焼結体のいずれよりも微細
孔を有し、気体や液体などの通過流動体との接触面積が
最も大きく、かつ高温加熱に十分耐え得ると共に各種の
化学薬品等の耐食性を有し、さらには通電により自己発
熱するので加温濾過や殺菌濾過に最適で、自己浄化能力
が極めて高い各種用途に使用できるものである。

以下、本発明の最も代表的な実施例について説明する。

実施例この実施例の原料バッチに対して、８０重量％がβ型結
晶および５重量％の６Ｈ型、１０重量％の４Ｈ型α型結
晶からなる出発原料を用いた。この出発原料には不純物
としてＢが０．０１、Ｃが０．５、ＡＩが２１０、Ｎが
０．２、Ｆｅが０．０８原子量部、その他の元素は痕跡
量台まれており、これら不純物総量は２．９１原子量部
であった。また、この出発原料の平均粒径はＯ，Ｓμｍ
１　比表面積は、　　　　　５．２　ｖｆ／ｆ！　’Ｃ
ｈ　°ｆｃ・ａｔｔＪｃｆｆ＊Ｊｌｌ’ｌＪ　ｈ　Ｉ、
−Ｃ％チルセルフロースを１５重量部添加し、ボ１−／
Ｌ／ミルにより水を分散媒として混合した後乾燥した。

この混合物を５００　ｋｆｌ／ｃ！の圧力で押出成形し
たところその成形体に占める灰化珪素質は２６容量％で
あった。この成形体をＡｌ蒸寅８原子量部を含んｆｅｙ
’ｌレゴンガヌ、０．５ａ浦中で、室温〜５００°ｃｔ
で８°Ｃ／ｖｎの昇温条件で前記結合剤を熱分解した後
、５００〜２１００°Ｃまで５°Ｃ／馴で昇温し、最高
温度で４時間保持した。この焼結体は第３図に示す構造
を有しており、板状結晶のアスペクト比７〜１５、短軸
方向厚みが４０〜１５０μｍであり、板状結晶の占める
割合が膨化珪素質１００重量部に対して９８１量部であ
る嵩密度０．７１ｆ／Ｊの網目構造を有した多孔質体で
あった。この多孔質体の開放気孔径は８０〜８５０μｍ
で、開放気孔率は７８容量であり、曲げ強度は１７０ｋ
ｇ、に（の高強度であった。

このようにして得られた焼結体ｒ板の厚さが８龍で半径
が約１５０１１ｊｌの円板状のフィルターに切削加工し
た後、この表面の一部にメタライジングによりＮ、極を
形成し、この電極に導体リード線を付けたものを得た。

Claims

【特許請求の範囲】１、出発原料の主成分がβ型炭化珪素よりなる炭化珪素
質焼結体であって、該焼結体のアスペクト比が２〜５０
の板状結晶を主体とした三次元の網目構造を有する多孔
質体の少なくとも一部に電極を備え成る炭化珪素質焼結
体のフィルター。２、前記β型炭化珪素の平均粒径が１０μｍ以下の微粉
であって、該微粉粒の比表面積が１ｍ＾２／ｇ以下であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のフィル
ター。３、前記β型炭化珪素が出発原料１００重量部に対し少
なくとも６０重量％含有されたものであることを特徴と
する特許請求の範囲第１項又は第２項記載のフィルター
。４、前記板状結晶の短軸方向が０．５〜３００μｍであ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第３項記載
のフィルター。５、前記網目構造の開放気孔径が０．５〜５００μｍで
あることを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第４項記
載のフィルター。６、前記網目構造の開放気孔率が４０〜９５容量％であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第５項記載
のフィルター。７、前記多孔質体の嵩密度が０．２〜２．０ｇ／ｃｍ＾
３であることを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第６
項記載のフィルター。８、前記電極は炭化珪素質焼結体表面の少なくとも一部
を金属化して形成されたものであることを特徴とする特
許請求の範囲第１項〜第７項記載のフィルター。