PL201692B1

PL201692B1 - Kompozyt o strukturze plastra pszczelego oraz jego sposób wytwarzania

Info

Publication number: PL201692B1
Application number: PL357671A
Authority: PL
Inventors: Shuichi Ichikawa; Takahiro Tomita; Shinji Kawasaki; Hiroaki Sakai
Original assignee: Ngk Insulators Ltd
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2001-04-12
Publication date: 2009-04-30
Also published as: US7011803B2; JP2002201082A; EP1277714A4; WO2001079138A1; EP1277714B1; US20030134084A1; JP4136319B2; AU2001246903A1; PL357671A1; DE60140736D1; EP1277714A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest kompozyt o strukturze plastra pszczelego oraz sposób jego wytwarzania. Kompozyt o strukturze pla- stra pszczelego posiada wiele utworzonych przez przegrody kana lów przelotowych wzd lu z kierunku osiowego, zawiera ogniotrwa le cz astki wype lniacza i metaliczny krzem i jest porowaty. Kompozyt ten mo zna stosowa c w warunkach du zego obj eto sciowego nat ezenia przep lywu jako filtr do oczyszczania spalin samochodo- wych, przy czym nadaje si e on do usuwania z niego osadu oraz jako no snik katalizatora. PL PL PL PL PL PL PL

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 201692 (21) Numer zgłoszenia: 357671 ^{(13) B1} (22) Data zgłoszenia: 12.04.2001 ^{(51) Int.Cl.}

C04B 35/565 (2006.01) (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego:

12.04.2001, PCT/JP01/03140 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

25.10.2001, WO01/79138 PCT Gazette nr 43/01 (54) Kompozyt o strukturze plastra pszczelego oraz jego sposób wytwarzania (30) Pierwszeństwo:

14.04.2000,JP,2000-113513

06.11.2000,JP,2000-337936

08.02.2001,JP,2001-32699 (43) Zgłoszenie ogłoszono:

26.07.2004 BUP 15/04 (73) Uprawniony z patentu:

NGK INSULATORS, LTD.,Nagoya-city,JP (72) Twórca(y) wynalazku:

Shuichi Ichikawa,Nagoya-city,JP Takahiro Tomita,Nagoya-city,JP Shinji Kawasaki,Nagoya-city,JP Hiroaki Sakai,Nagoya-city,JP (45) O udzieleniu patentu ogłoszono:

30.04.2009 WUP 04/09 (74) Pełnomocnik:

Twardowska Aleksandra,

Jan Wierzchoń & Partnerzy,

Biuro Patentów i Znaków Towarowych ⁽⁵⁷⁾ Przedmiotem wynalazku jest kompozyt o strukturze plastra pszczelego oraz sposób jego wytwarzania. Kompozyt o strukturze plastra pszczelego posiada wiele utworzonych przez przegrody kanałów przelotowych wzdłuż kierunku osiowego, zawiera ogniotrwałe cząstki wypełniacza i metaliczny krzem i jest porowaty. Kompozyt ten można stosować w warunkach dużego objętościowego natężenia przepływu jako filtr do oczyszczania spalin samochodowych, przy czym nadaje się on do usuwania z niego osadu oraz jako noś nik katalizatora.

FIG.l

ZALEŻNOŚĆ POMIĘDZY ILOŚCIĄ PROSZKU METALICZNEGO Si A POROWATOŚCIĄ WYTRZYMAŁOŚCIĄ I PRZEWODNOŚCIĄ CIEPLNĄ

ILOŚĆ PROSZKU METALICZNEGO Si (% wag.)

POROWATOŚĆ (%) WYTRZYMAŁOŚĆ (MPa) PRZEW. CIEPLNA (W/mK)

PL 201 692 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest kompozyt o strukturze plastra pszczelego oraz sposób jego wytwarzania, przy czym rozwiązanie stosowane jest do filtrów i nośników katalizatorów itp. w celu oczyszczania spalin samochodowych.

Porowate kształtki o strukturze plastra pszczelego są szeroko używane jako filtry do gromadzenia i usuwania cząstek ciał stałych zawartych w płynie zawierającym pył z takich cząstek, takim jak spaliny z silników wysokoprężnych, albo też są używane jako nośniki katalizatora do wspierania składników katalitycznych, które oczyszczają spaliny. Ponadto wiadomo, że sproszkowany materiał ogniotrwały złożony z ziaren węglika krzemu (SiC) itp. jest używany jako materiał na taką kształtkę o strukturze plastra pszczelego.

Jako specyficzny związany stan techniki przykładowo w JP-A-6-182228 opisano nośnik katalizatora z porowatego węglika krzemu, który ma strukturę plastra pszczelego i otrzymany jest przez zastosowanie jako materiału wyjściowego na żądaną kształtkę proszku węglika krzemu o określonej powierzchni właściwej i określonej zawartości zanieczyszczeń, suszenie kształtki, a następnie wypalanie w temperaturze 1600-2200°C.

Z drugiej strony w JP-A-61-26550 opisano sposób wytwarzania substancji ogniotrwałej zawierającej surowiec nadający się do przeprowadzania w stan szklisty, przy czym sposób ten charakteryzuje się tym, że surowiec nadający się do przetworzenia w stan szklisty dodaje się do łatwo utlenianego surowca lub ogniotrwałego kompozytu zawierającego łatwo utleniany materiał, zaś otrzymaną mieszaninę miesza się ze spoiwem, zagniata się i formuje, a otrzymaną uformowaną kształtkę wypala się bez tygla w piecu o nieutleniającej atmosferze, natomiast w JP-A-8-165171 opisano kształtkę uformowaną z węglika krzemu z dodaniem do sproszkowanego węglika krzemu spoiwa organicznego i spoiwa nieorganicznego na bazie gliniastych minerałów, szkła i krzemianu litu.

Ponadto w opisanym powyżej JP-A-6-182228 przedstawiono również jako znany sposób wytwarzania spiekanej kształtki na bazie porowatego węglika krzemu, sposób wytwarzania, w którym spoiwo, takie jak topnik na bazie szkła lub materiał gliniasty, dodaje się do ziaren węglanowych, stanowiących wypełniacz, przy czym otrzymaną tak mieszaninę formuje się, a następnie spieka i utwardza w temperaturze, przy której spoiwo jest roztopione.

Ponadto w JP-B-61-13845 i JP-B-61-13846 opisano cząstki ogniotrwałe i określonej wielkości, zawierające piasek krzemionkowy, ceramiczne substancje sproszkowane, tlenki metali, takie jak Al2O3, TiO2, ZrO2, węglik krzemu, azotki, borki lub inne materiały ogniotrwałe oraz odpowiednią średnią wielkość ziaren materiału ogniotrwałego, rozkład wielkości ziaren materiału ogniotrwałego, porowatość rurowej kształtki, przeciętną średnicę porów rurowej kształtki, objętość porów rurowej kształtki i grubość przegrody rurowej kształtki itp. w odniesieniu do wysokotemperaturowego filtru ceramicznego wykonanego w porowatym kształcie rurowym z ogniotrwałym spoiwem, takim jak ciekłe szkło, flit, szkliwo itp.

Dodatkowo w JP-B-8-13706 opisano kompozyt z węglika krzemu i metalicznego krzemu, posiadający strukturę integralnie połączoną metalicznym krzemem oraz proces wytwarzania wymienionego kompozytu przy użyciu węglika krzemu i metalicznego krzemu, utworzonego przez obróbkę cieplną biomasy z nagromadzonym krzemem w atmosferze argonu lub azotu.

W postaci wypalonej za pomocą rekrystalizacji samego proszku z węglika krzemu, opisanego w JP-A-6-182228, wę glik krzemu jest odparowywany z powierzchni cząstek wę glika krzemu, a odparowany składnik jest skraplany w częściach kontaktowych (zwężeniach) pomiędzy cząstkami, dzięki czemu przewężenia rozrastają się aż do stanu spojonego. Jednakże parowanie węglika krzemu wymaga bardzo wysokiej temperatury wypalania, co zwiększa koszt. Ponadto materiał o dużym współczynniku rozszerzalności cieplnej wymaga wypalania w wysokiej temperaturze. Stwarza to problem spadku wydajności procesu wypalania.

Ponadto wytwarzanie filtru o dużej porowatości, zwłaszcza o porowatości co najmniej 50%, przez wypalanie z rekrystalizacją samego wymienionego węglika krzemu prowadzi do rozrastania się przewężenia na skutek niewystarczającego przeprowadzenia mechanizmu spiekania, przez co powstaje problem zmniejszenia wytrzymałości filtru.

Ponadto wymieniony materiał o bardzo dużej przewodności cieplnej co najmniej 30 W/mK korzystnie zmniejsza lokalne wytwarzanie ciepła. Jednakże, przykładowo kiedy stosuje się filtr, który ma system utleniania i wypalania ziarnistego materiału z katalizatorem osadzonym na nośniku, aby ciągle przeprowadzać regenerację, potrzeba dużo czasu, by zwiększyć temperaturę nośnika, ze względu na

PL 201 692 B1 niewielką ilość zgromadzonego ziarnistego materiału i łatwą emisję ciepła. Dlatego potrzeba czasu na zwiększenie temperatury do wartości, przy której działa katalizator, co stwarza również problem wytwarzania popiołów z ziarnistego materiału, przez co maleje skuteczność regeneracji.

Spajanie surowca węglika krzemu materiałem szklanym, opisane w JP-A-61-26550 i JP-A-6-182228, może załatwiać sprawę przy zastosowaniu niskiej temperatury wypalania 1000-1400°C. Jednakże przykładowo użycie spieczonej kształtki wytworzonej tym sposobem jako materiału na filtr zatrzymujący ciała stałe ze spalin z silnika wysokoprężnego powoduje problem lokalnego wytwarzania ciepła ze względu na małą przewodność cieplną, kiedy wypala się ziarnisty materiał zebrany i zgromadzony na filtrze.

Ponadto filtry opisane w JP-B-61-13845 i JP-B-61-13846 są porowate, ale mają kształt rurowy z przegrodami o grubości 5-20 mm, a więc nie można ich stosować w warunkach dużego objętościowego natężenia przepływu, np. w filtrach do oczyszczania spalin samochodowych.

Ponadto, zgodnie z opisem kompozytu i sposobu wytwarzania go w JP-B-8-13706, kompozyt można wytwarzać tak, aby był porowaty. Jednakże nie jest łatwo zapewnić wystarczającą porowatość, kiedy kompozyt jest wykorzystywany jako filtr, a zwłaszcza trudno jest stosować go jako filtr do zbierania i usuwania materiałów ziarnistych zawartych w płynie niosącym pył, takim jak spaliny z silnika wysokoprężnego.

Przedmiotowy wynalazek powstał z uwzględnieniem tych konwencjonalnych okoliczności, a celem wynalazku jest opracowanie kompozytu o strukturze plastra pszczelego, który może być tanio wytwarzany przy stosunkowo niskiej temperaturze wypalania i zawiera cząstki ogniotrwałe, takie jak cząstki węglika krzemu, przy czym kompozyt ten jest wystarczająco porowaty, ma dużą powierzchnię właściwą i może być odpowiednio wykorzystywany jako filtr do oczyszczania spalin samochodowych w warunkach dużego objętościowego natężenia przepływu z usuwaniem zatkania, wspieraniem katalizatora itd., jak również opracowanie sposobu wytwarzania takiego kompozytu.

Przedmiotem wynalazku jest kompozyt o strukturze plastra pszczelego, mająca wiele kanałów przelotowych poprowadzonych w kierunku wzdłużnym i utworzonych przez przegrody, charakteryzujący się tym, że jest porowaty i zawiera cząstki ogniotrwałe i metaliczny krzem, przy czym cząstki ogniotrwałe są spojone przez metaliczny krzem powlekający część powierzchni cząstek ogniotrwałych, tworząc agregat.

Korzystnie, gdy przewodność cieplna struktury wynosi co najmniej 5 W/mK.

Korzystnie, gdy przewodność cieplna kompozytu odpowiada wartości z zakresu 5-30 W/mK.

Korzystnie, gdy cząstki ogniotrwałe, spojone metalicznym krzemem, zachowują kształt cząstek surowca.

Korzystnie, gdy cząstką ogniotrwałą jest cząstka węglika krzemu.

Kolejnym przedmiotem wynalazku jest kompozyt o strukturze plastra pszczelego, mający wiele kanałów przelotowych poprowadzonych w kierunku wzdłużnym i utworzonych przez przegrody, charakteryzujący się tym, że jest porowaty i zawiera cząstki ogniotrwałe i metaliczny krzem, tworząc ogniotrwały agregat, w którym cząstki ogniotrwałe są spojone za pośrednictwem metalicznego krzemu, przy czym zawartość krzemu zawarta jest w przedziale 15 do 40% wagowych w odniesieniu do całkowitej zawartości surowca cząstek ogniotrwałych i metalicznego krzemu, przy czym ich porowatość jest zawarta w przedziale 30 do 90%.

Korzystnie, gdy porowatość struktury wynosi 30 - 90%.

Korzystnie, gdy porowatość struktury wynosi 50 - 90%.

Korzystnie, gdy przeciętna średnica porów wynosi 2 - 50 μm.

Korzystnie, gdy zawartość metalicznego krzemu wynosi 5 - 50% wag. względem całej ilości surowca złożonego z cząstek ogniotrwałych i metalicznego krzemu.

Korzystnie, gdy grubość przegrody wynosi 102 - 1270 μm.

Korzystnie, gdy grubość przegrody i porowatość struktury plastra pszczelego spełniają zależność: grubość przegrody (μ^ι) > porowatość (%) x 4.

Korzystnie, gdy grubość przegrody i porowatość struktury plastra pszczelego spełniają zależność: grubość przegrody (μ^ι) > porowatość (%) x 5.

Korzystnie, gdy grubość przegrody i porowatość struktury plastra pszczelego spełniają zależność: grubość przegrody (nm) > porowatość (%) x 20.

Korzystnie, gdy gęstość komórek wynosi 0,7 - 155 komórek na cm².

PL 201 692 B1

Kolejnym przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania kompozytu o strukturze plastra pszczelego, mającego wiele kanałów przelotowych poprowadzonych w kierunku wzdłużnym i utworzonych przez przegrody, który to kompozyt o strukturze plastra pszczelego jest porowaty i zawiera cząstki ogniotrwałe i metaliczny krzem, przy czym cząstki ogniotrwałe są spojone przez metaliczny krzem powlekający część powierzchni cząstek ogniotrwałych tworząc agregat, charakteryzujący się tym, że do surowca zawierającego cząstki ogniotrwałe dodaje się metaliczny krzem w ilości dostatecznej, aby ten metaliczny krzem pozostawał w wymaganej ilości nawet po wypaleniu, oraz dodaje się organiczne spoiwo, uzyskaną masę miesza się i zagniata, i formuje się kształtkę ceramiczną o strukturze plastra pszczelego, praży się otrzymaną uformowaną kształtkę, aby usunąć spoiwo organiczne obecne w uformowanej kształtce, a następnie wypala się.

Korzystnie, gdy stosuje się surowiec cząstek ogniotrwałych, którym jest surowiec zawierający cząstki węglika krzemu.

Korzystnie, gdy stosuje się surowiec cząstek ogniotrwałych o przeciętnej średnicy cząstki od 2 do 4 razy większej od przeciętnej średnicy porów wytworzonego finalnie kompozytu o strukturze plastra pszczelego. Korzystnie, gdy dodaje się metaliczny krzem w ilości 5 - 50% wag. względem całej ilości surowca cząstek ogniotrwałych i metalicznego krzemu.

Korzystnie, gdy stosuje się metaliczny krzem o przeciętnej średnicy cząstki wynoszącej co najwyżej 50% przeciętnej średnicy cząstki ogniotrwałej lub agregatu.

Korzystnie, gdy dodaje się spoiwo organiczne w ilości 2 - 30% wag. w charakterze specjalnego dodatku do całej ilości surowca cząstek ogniotrwałych i metalicznego krzemu.

Korzystnie, gdy po wytworzeniu masy ceramicznej, dodaje się środka porotwórczego w ilości 30% wag. w charakterze specjalnego dodatku do całej ilości surowca cząstek ogniotrwałych i metalicznego krzemu.

Korzystnie, gdy prażenie uformowanej kształtki przeprowadza się w temperaturze niższej od temperatury topnienia metalicznego krzemu.

Korzystnie, gdy wypalanie przeprowadza się w zakresie temperatur 1400 - 1800°C.

Rozwiązanie według wynalazku przedstawiono na rysunkach, gdzie:

Figura 1 jest wykresem porowatości (%), wytrzymałości (MPa) i przewodności cieplnej (W/mK) w funkcji ilo ś ci zawartego proszku metalicznego krzemu.

Figura 2 jest mikrofotografią struktury krystalicznej spieczonej kształtki z węglika krzemu, wytworzonej według przykładu 1.

Poniżej w przykładach przedstawiono sposób przykładowe realizacje wynalazku.

P r z y k ł a d y

Jak omówiono powyżej, struktura plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku zawiera cząstki ogniotrwałe, jak również metaliczny krzem do spajania tych cząstek ogniotrwałych i dlatego może być wypalana przy stosunkowo niskiej temperaturze podczas jej wytwarzania. Dzięki temu można zmniejszyć koszty produkcji i polepszyć wydajność. Ponadto zastosowanie metalicznego krzemu do spajania cząstek ogniotrwałych powoduje dużą przewodność cieplną w porównaniu z konwencjonalną strukturą zawierającą szklisty materiał do spajania cząstek ogniotrwałych. Przykładowo, kiedy struktura taka jest wykorzystywana w filtrze do zatrzymywania cząstek stałych ze spalin silnika wysokoprężnego, nie powstaje lokalnie ciepło powodujące uszkodzenie filtru, choćby nawet osadzone cząstki były wypalane, by umożliwić powtórne wykorzystanie filtru. Ponadto przedmiotowego wynalazku nie stanowi zamknięty dnem cylinder o cienkich ściankach, opisany w JP-B-61-13845 i JP-B-61-13846, ale jest to porowata struktura plastra pszczelego, a zatem element taki może być wykorzystywany przy dużym objętościowym natężeniu przepływu jako filtr do oczyszczania spalin samochodowych, nośnik katalizatora itp.

Dodatkowo w strukturze plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku cząstki ogniotrwałe tworzące tę strukturę korzystnie są spojone ze sobą za pomocą metalicznego krzemu na części powierzchni tych cząstek. Fig. 2 przedstawia mikrofotografię struktury plastra pszczelego według wynalazku i krystalicznej struktury spieczonej kształtki z węglika krzemu. Biała część oznacza metaliczny krzem 10, a szara część cząstki 11 węglika krzemu, zaś czarna część pory 12. Jak pokazano, cząstki 11 węglika krzemu, będące cząstkami ogniotrwałymi, są spojone ze sobą na części powierzchni cząstek przez metaliczny krzem 10. Ponadto opisany zostanie później sposób wytwarzania spieku z węglika krzemu, przedstawionego na fig. 2.

Powyższą strukturę wytwarza się bez stosowania metalicznego krzemu w ilości większej niż potrzeba, a zatem można ograniczyć zagęszczanie powodowane przez łączenie samego metalicznego

PL 201 692 B1 krzemu na skutek procesu wypalania. Zapewniona jest wystarczająca porowatość, by utrzymać mały spadek ciśnienia, gdy struktura taka jest wykorzystywana jako filtr. Ponadto struktura ta ma również dużą przewodność cieplną, a więc przykładowo, kiedy jest stosowana jako filtr spalin z silnika wysokoprężnego itp. do zbierania i usuwania cząstek zawartych w spalinach z silnika wysokoprężnego, silna porowatość jest wystarczająco zapewniona, a ponadto nie powstaje lokalnie ciepło doprowadzające do uszkodzenia filtru, ponieważ struktura taka ma dużą przewodność cieplną nawet gdy osadzone cząstki są wypalane, by zapewnić ponowne wykorzystanie filtru.

Struktura plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku korzystnie ma przewodność cieplną 5 W/mK lub większą, aby uniknąć lokalnego wytwarzania ciepła, jak to omówiono powyżej.

Ponadto struktura plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku korzystnie ma cząstki ogniotrwałe spojone ze sobą za pomocą metalicznego krzemu przy zachowaniu kształtu cząstek surowca w mikrostrukturze. Kiedy struktura plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku jest wykorzystywana jako filtr do zbierania i usuwania ziarnistego materiału zawartego w płynie przenoszącym pył, porowatość jest korzystnie w zakresie 30 - 90%. Gdy porowatość struktury plastra pszczelego jest mniejsza niż 30%, prędkość filtrowania jest niewystarczająca. Gdy porowatość jest większa niż 90%, struktura ma małą wytrzymałość. Ponadto, gdy struktura ta jest używana tam, gdzie może wpływać na spadek ciśnienia na filtrze służącym do oczyszczania spalin samochodowych itd., wówczas porowatość korzystnie wynosi co najmniej 40%.

Ponadto, gdy struktura plastra pszczelego jest wykorzystywana jako filtr stosowany z utrzymywanym małym spadkiem ciśnienia, łącznie z systemem filtrowania, który zapewnia ciągłe spalanie cząstek przy użyciu katalizatora na nośniku, porowatość korzystnie wynosi 50 - 90%, a przewodność cieplna 50 - 30 W/mK, korzystniej porowatość wynosi 50 - 80%, a przewodność cieplna 7 - 28 W/mK, zaś szczególnie korzystnie porowatość wynosi 53 - 70%, a przewodność cieplna 9 - 25 W/mK.

W strukturze plastra pszczelego uż ywanej jako system filtrowania, w którym wspierany jest katalizator, porowatość musi być duża, ponieważ fakt wspierania katalizatora zwiększa spadek ciśnienia. Dlatego porowatość mniejsza niż 50% nie jest korzystna, ponieważ system filtrowania powoduje zbyt duży spadek ciśnienia. Z drugiej strony, porowatość większa niż 90% nie jest korzystna, ze względu na zbyt małą wytrzymałość struktury.

Ponadto w strukturze plastra pszczelego stosowanej w filtrze wymienionego wyżej systemu trzeba ograniczyć lokalne naprężenie w filtrze powodowane przez nierównomierny rozkład temperatury na skutek lokalnego wytwarzania ciepła. Przy przewodności cieplnej mniejszej niż 5 W/mK trudno jest skutecznie tłumić lokalne powstawanie ciepła. Z drugiej strony, kiedy przewodność cieplna jest większa niż 30 W/mK, zwiększa się wpływ promieniowania cieplnego, a ilość nagromadzonych cząstek jest mała. W konsekwencji potrzeba długiego czasu, by zwiększyć temperaturę do wartości, przy której działa katalizator, a to ze względu na opory przy zwiększaniu temperatury. Ponadto wytwarzane są cząstki żużla, co zmniejsza skuteczność regeneracji filtru. Przypadek taki jest zatem niekorzystny.

Ponadto katalizatorami wspieranymi przez filtr według wynalazku są katalizatory wykorzystywane do spalania cząstek i rozkładania NOx, zwłaszcza zawierające metale szlachetne, takie jak platyna, pallad, rod, iryd i srebro lub tlenki, takie jak tlenek glinu, tlenek cyrkonu, tlenek tytanu, tlenek ceru i tlenki ż elaza, przy czym przedmiotowy wynalazek nie jest ograniczony do tych materiałów.

Podobnie, kiedy struktura plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku jest wykorzystywana jako filtr, przeciętna średnica porów takiej struktury plastra pszczelego jest korzystnie określana na podstawie zadania filtracyjnego. Przykładowo, jeśli struktura jest używana jako filtr do gromadzenia i usuwania cząstek zawartych w spalinach z silnika wysokoprężnego, przeciętna średnica porów korzystnie powinna wynosić 2 - 50. Kiedy przeciętna średnica porów jest mniejsza niż 2 μm, spadek ciśnienia wyraźnie zwiększa się nawet przy niewielkiej ilości nagromadzonych cząstek, natomiast gdy średnica ta jest powyżej 50 μm, cząstki przechodzą przez filtr bez gromadzenia ich. Przypadek taki jest zatem niekorzystny.

Odpowiednia zawartość metalicznego krzemu w strukturze plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku wynosi korzystnie 5-50% wag. w odniesieniu do całej ilości cząstek ogniotrwałych i metalicznego krzemu, chociaż zawartość ta zmienia się w zależności od wielkości cząstek i kształtu cząstek ogniotrwałych, a korzystniej jest w zakresie 15 - 40% wag. Kiedy zawartość ta jest mniejsza niż 5% wag., sąsiednie cząstki ogniotrwałe niewystarczająco są spojone ze sobą za pomocą metalicznego krzemu ze względu na brak materiału spajającego, co nie tylko prowadzi do zmniejszenia przewodności cieplnej, ale również utrudnia uzyskanie wytrzymałości pozwalającej na utrzymywanie cienkościennej struktury podobnej do struktury plastra pszczelego. Przeciwnie, jeżeli zawartość ta

PL 201 692 B1 jest większa niż 50% wag., wówczas ilość metalicznego krzemu jest większa niż potrzeba do spowodowania odpowiedniego spojenia cząstek ogniotrwałych ze sobą, co z kolei powoduje nadmierne zagęszczenie struktury plastra pszczelego (spieku) przy wypalaniu i prowadzi do szkodliwych zjawisk, takich jak zmniejszenie porowatości i zmniejszenie przeciętnej wielkości porów. Przypadek taki jest zatem niekorzystny.

Grubość przegrody tworzącej porowaty kanał (komórkę) struktury plastra pszczelego wynosi korzystnie 4 tysięczne cala lub więcej (102 μm lub więcej). Jeżeli grubość przegrody jest mniejsza niż 4 tysięczne cala (102 μm), wówczas wytrzymałość struktury jest niewystarczająca. Ponadto wytrzymałość i porowatość są ściśle ze sobą związane, a w przypadku struktury plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku, gdy grubość przegrody jest taka, że grubość ta i porowatość spełniają zależność podaną poniżej, wówczas otrzymuje się potrzebną wytrzymałość:

grubość przegrody (μ^ι) > porowatość (%) x 4.

Korzystniej jest, gdy grubość przegrody jest taka, że wraz z porowatością spełnia następującą zależność, ponieważ można wtedy otrzymać wystarczającą wytrzymałość.

grubość przegrody (nm) > porowatość (%) x 5

Z drugiej strony, kiedy struktura ta jest wykorzystywana jako filtry, takie jak filtr spalin z silnika wysokoprężnego, grubość przegrody korzystnie wynosi 50 tysięcznych cala lub mniej (co najwyżej 1270 μm). Gdy grubość przegrody jest większa niż 50 tysięcznych cala (1270 μm), pojawia się obawa o zbyt małą prędkość filtrowania i wzrost spadku ciśnienia. Ponadto jest to ściśle związane z porowatością, a przedstawione powyżej problemy można przezwyciężyć przez ustawienie grubości przegrody tak, że wraz z porowatością spełnia ona następującą zależność.

grubość przegrody (nm) > porowatość (%) x 20.

Gęstość komórek w strukturze plastra pszczelego jest korzystnie w zakresie 5-1000 komórek na cal kwadratowy (0,7-155 komórek/cm²). Kiedy gęstość komórek jest mniejsza niż 5 komórek na cal kwadratowy (0,7 komórki na cm²), wytrzymałość kształtki o strukturze plastra pszczelego staje się niewystarczająca. Gdy taka kształtka o strukturze plastra pszczelego jest wykorzystywana jako filtr, wówczas obszar filtrowania jest również za mały. Natomiast gdy gęstość jest większa niż 1000 komórek na cal kwadratowy (155 komórek/cm²), korzystnie nie ma wówczas zwiększenia spadku ciśnienia.

Teraz opisany zostanie sposób wytwarzania struktury plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku. Kiedy wytwarza się strukturę plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku, najpierw metaliczny krzem i organiczne spoiwo dodaje się do surowca z cząstek ogniotrwałych, a następnie otrzymany materiał miesza się i zagniata, by otrzymać materiał ceramiczny do formowania.

Jeśli chodzi o rodzaj sproszkowanego materiału ogniotrwałego, nie ma tu żadnych szczególnych ograniczeń, ale odpowiednie przykłady stosowania obejmują tlenki, takie jak Al2O3, ZrO2 i Y2O3, węgliki, takie jak SiC, azotki, takie jak Si3N4 i AlN i inne obejmujące mullit. Przykładowo w zastosowaniach takich jak filtry spalin z silników wysokoprężnych, gdzie często występują wysokie wartości temperatury, gdy nagromadzone cząstki są obrabiane przez spalanie, korzystnie stosuje się SiC itp., który ma dużą odporność na wysoką temperaturę. Ponadto, chociaż surowce użyte na cząstki ogniotrwałe i metaliczny krzem czasami zawierają śladowe ilości zanieczyszczeń, takich jak Fe, Al i Ca, mogą one być używane bezpośrednio, albo po oczyszczeniu chemicznym.

Przeciętna średnica cząstek surowców proszku ogniotrwałego jest korzystnie 2-4 razy większa od przeciętnej średnicy porów struktury plastra pszczelego (spiekanej kształtki) otrzymywanej w końcu niniejszym sposobem wytwarzania. Struktura plastra pszczelego, otrzymana tym sposobem, wykazuje stosunkowo niską temperaturę wypalania, a więc kształt i średnica cząstek są utrzymywane aż do końca wypalania. Jeżeli zatem wspomniany powyżej stosunek jest mniejszy niż dwa, średnica cząstek jest zbyt mała wobec średnicy porów. Na skutek tego grupy ogniotrwałych cząstek są spajane w długi i wąski kształt przez metaliczny krzem, by utworzyć duże pory, a zatem nie można zapewnić dużej wytrzymałości wystarczającej do utrzymywania takiej cienkościennej struktury plastra pszczelego.

Ponadto, jeśli cząstką ogniotrwałą jest cząstka z SiC, to zrekrystalizowany SiC stosowany na konwencjonalną porowatą strukturę plastra pszczelego wymaga średnicy cząstki surowca wypełniacza prawie równoważnej żądanej średnicy porów, natomiast w przypadku cząstek SiC spojonych przez metaliczny krzem, jak w przypadku plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku, wielkość cząstki może być dwukrotnie większa od średnicy porów, a więc jeśli ma być uzyskana taka sama średnica porów, można stosować surowiec na zrekrystalizowany SiC, to znaczy tani materiał, co prowadzi też do znacznego zmniejszenia kosztów.

PL 201 692 B1

Z drugiej strony, kiedy wymieniony wyżej stosunek przewyższy cztery, ś rednica uż ytej cząstki ogniotrwałej jest za duża dla żądanej średnicy porów, a zatem trudno jest otrzymać żądane pory, nawet jeśli cząstki ogniotrwałe są zagęszczane w etapie formowania. Ponadto powoduje to zmniejszenie porowatości przy zastosowaniu w charakterze filtru. Przypadek taki nie jest zatem korzystny.

Metaliczny krzem topi się podczas wypalania zwilżając powierzchnię ogniotrwałych cząstek i służy do spajania tych cząstek ze sobą. Należy dodać odpowiednią ilość cząstek, chociaż zależnie od średnicy cząstek i od kształtu ogniotrwałych cząstek ilość ta korzystnie jest w zakresie 5 - 50% wag. w stosunku do całej ilości ogniotrwałych cząstek i metalicznego krzemu. Kiedy zawartość jest mniejsza niż 5% wag., wówczas jest za mała i trudno jest uzyskać wytrzymałość pozwalającą na utrzymanie cienkościennej struktury, takiej jak struktura plastra pszczelego. Odwrotnie, jeśli zawartość ta przewyższy 50% wag., wówczas metalicznego krzemu jest więcej niż potrzeba do spowodowania spojenia ogniotrwałych cząstek ze sobą, co prowadzi do szkodliwych zjawisk, takich jak zmniejszenie porowatości i średniej wielkości porów.

Przeciętna średnica metalicznego krzemu jest korzystnie równa 50% lub mniej przeciętnej średnicy ogniotrwałej cząstki. Metaliczny krzem roztapia się przy wypalaniu i gromadzi się oraz przemieszcza przy sklejaniu z cząstkami ogniotrwałymi, a więc kiedy średnica cząstek przewyższa 50% średnicy cząstek ogniotrwałych, przestrzeń zajmowana przez cząstki metalicznego krzemu staje się dużą pustą przestrzenią podczas formowania i pozostaje, co prowadzi do zmniejszenia wytrzymałości lub powoduje zmniejszenie skuteczności filtru (przepuszczanie przez filtr), kiedy struktura taka jest wykorzystywana jako filtr.

Ponadto zwykle podczas wytłaczania struktury plastra pszczelego mieszanie 2 lub więcej rodzajów proszków surowca o różnych wielkościach cząstek prowadzi raczej do gładkiego wytłaczania. Aby uzyskać odpowiednią strukturę porowatej kształtki, przeciętna średnica cząstek metalicznego krzemu korzystnie wynosi 50% lub mniej przeciętnej średnicy cząstek ogniotrwałych.

Aby gładko wytłaczać kształtkę o strukturze plastra pszczelego z ceramiki zawierającej metaliczny krzem i w razie potrzeby środek porotwórczy itd. z zastosowaniem cząstek ogniotrwałych jako wypełniacza, co najmniej jeden rodzaj spoiwa organicznego dodaje się korzystnie jako środek wspomagający formowanie w ilości 2% wag. lub więcej jako dodatek specjalny do całej ilości podstawowych surowców (cząstki ogniotrwałe i metaliczny krzem). Jednakże dodanie więcej niż 30% wag. nie jest korzystne, ponieważ powoduje zbyt dużą porowatość po prażeniu i na skutek tego brak wytrzymałości.

Ponadto, kiedy wytłaczana jest struktura plastra pszczelego z grubością przegród 20 tys. cala (508 jirm) lub mniej, środek wspomagający formowanie dodawany jest w ilości 4 - 20% wag. Ilość tego dodatku 4% wag. lub mniej powoduje trudniejsze wytłaczanie takich cienkich ścianek, natomiast ilość większa niż 20% wag. utrudnia utrzymywanie kształtu po wytłoczeniu.

Kiedy strukturę plastra pszczelego wykorzystuje się jako filtr, środek porotwórczy można dodawać podczas wytwarzania kształtki ceramicznej, by zwiększyć porowatość. Ilość dodawanego środka porotwórczego wynosi korzystnie 30% wag. lub mniej w charakterze dodatku specjalnego do całej ilości podstawowych surowców (cząstki ogniotrwałe i metaliczny krzem). Ilość dodatku powyżej 30% wag. powoduje brak wytrzymałości, ponieważ porowatość jest bardzo duża.

Ponadto, nawet kiedy uzyskuje się strukturę plastra pszczelego o dużej porowatości 50% lub większej, korzystnie dodaje się środka porotwórczego. W takim przypadku odpowiedni wybór rodzaju i przeciętnej średnicy cząstek stosowanego środka porotwórczego umożliwia wytwarzanie struktury plastra pszczelego o dużej porowatości z kontrolowaniem rozkładu wielkości porów. Kiedy puste przestrzenie pomiędzy cząstkami ogniotrwałymi lub cząstkami wypełniacza stają się porami według przedmiotowego wynalazku, dodawanie odpowiedniej ilości środka porotwórczego o średnicy cząstek 1,2 - 4 razy większej od przeciętnej średnicy cząstek ogniotrwałych może prowadzić do wytwarzania struktury plastra pszczelego o dużej porowatości, posiadającego rozkład wielkości porów z rozkładem wielkości pustych przestrzeni pomiędzy cząstkami ogniotrwałymi i z rozkładem wielkości wypalonych śladów po środku porotwórczym. Dlatego odpowiedni wybór średnic cząstek ogniotrwałych i środka porotwórczego umożliwia projektowanie giętkiego materiału z potrzebnym rozkładem wielkości porów.

Z drugiej strony, aby wytworzyć strukturę plastra pszczelego o dużych porach, kształtkę ceramiczną można gładko wytłaczać dodając odpowiednią ilość środka porotwórczego o średnicy cząstek co najmniej równej 0,5 przeciętnej średnicy cząstki ogniotrwałej, nawet jeśli stosuje się cząstki ogniotrwałe o dużej średnicy lub metaliczny krzem. Dlatego struktura plastra pszczelego o dużej porowatości może być wytwarzana bez pogorszenia możliwości formowania.

PL 201 692 B1

Rodzaj stosowanego środka porotwórczego nie jest szczególnie ograniczony, a bardziej specyficzne przykłady obejmują grafit, mąkę pszenną, skrobię, żywicę fenolową, polimetakrylan metylu, polietylen i politereftalan etylenu. Środek porotwórczy można stosować w połączeniu rodzajów, albo dwóch lub więcej rodzajów, zależnie od przeznaczenia.

Bryła ceramiczna otrzymana przez domieszanie i zagniecenie wymienionego surowca przy zastosowaniu zwykłego sposobu jest formowana w żądany kształt o strukturze plastra pszczelego przez wytłaczanie. Następnie uformowaną kształtkę tak otrzymaną praży się, by usunąć spoiwo organiczne (odtłuścić) zawarte w uformowanej kształtce i następnie wypalane. Prażenie korzystnie przeprowadza się w temperaturze niższej niż temperatura, przy której topi się metaliczny krzem. Dokładniej można tymczasowo trzymać kształtkę w specyficznej temperaturze 150 - 700°C, albo można to przeprowadzać przez umożliwienie wzrostu temperatury z prędkością 50°C/h lub mniej w danym zakresie temperatury.

Sposób tymczasowego utrzymywania określonej wartości temperatury może wybierać utrzymywanie jednej wartości temperatury lub wielu wartości temperatury. W przypadku utrzymywania wielu wartości temperatury czas przebywania może być taki sam lub inny za każdym razem. Ponadto sposób zmniejszania prędkości wzrostu temperatury może również wybierać zmniejszany tylko w danym zakresie temperatury lub w wielu zakresach temperatury. Ponadto dla wielu zakresów temperatury prędkości są takie same lub różnią się od siebie.

Atmosfera prażenia może być atmosferą utleniającą, ale kiedy w uformowanej kształtce zawarte są znaczne ilości spoiw organicznych, czasami spalają się one energicznie z tlenem powodując gwałtowny wzrost temperatury uformowanej kształtki. Sposób ten jest również korzystny z tego względu, że ogranicza nienormalny wzrost temperatury uformowanej kształtki przez przeprowadzanie prażenia w oboję tnej atmosferze N2, Ar itd. Tł umienie takiego nienormalnego wzrostu temperatury jest wa ż ne, kiedy stosuje się surowiec o dużym współczynniku rozszerzalności cieplnej (słaby przy udarze termicznym). Kiedy dodaje się spoiw organicznych, przykładowo w ilości 20% wag. lub większej, w charakterze specjalnego dodatku do ilości podstawowych surowców, korzystne jest prażenie w wymienionej obojętnej atmosferze. Ponadto, poza przypadkiem, gdy cząstka ogniotrwała jest cząstką SiC, nawet kiedy utlenianie może następować przy wysokiej temperaturze, korzystne jest ograniczanie utleniania uformowanej kształtki przez przeprowadzanie prażenia w wymienionej atmosferze obojętnej przynajmniej przy temperaturze, przy której rozpoczyna się utlenianie, albo przy wyższej temperaturze.

Wypalanie po prażeniu można przeprowadzać w tym samym piecu lub w oddzielnym piecu jako oddzielny etap, lub też w tym samym piecu jako etap ciągły. Kiedy prażenie i wypalanie przeprowadza się w innych atmosferach, chociaż poprzedni sposób jest również korzystny, ten ostatni sposób jest korzystny z punktu widzenia całego czasu wypalania jak również kosztu działania pieca.

Aby uzyskać strukturę, w której cząstki ogniotrwałe są spojone przez metaliczny krzem, ten metaliczny krzem musi być zmiękczony. Ponieważ temperatura topnienia metalicznego krzemu wynosi 1410°C, temperatura wypalania podczas wypalania jest korzystnie 1400°C lub większa. Ponadto odpowiednią temperaturę wypalania określa się na podstawie mikrostruktury i wartości charakterystycznych. Należy zauważyć, że temperatura wypalania jest w przybliżeniu 1400 - 1800°C, ponieważ spajanie metalicznym krzemem staje się trudniejsze przy temperaturze przewyższającej 1800°C ze względu na parowanie metalicznego krzemu.

Ponadto sposób wytwarzania przy zastosowaniu sposobu rekrystalizacji, opisanego w JP-A-6182228 może dawać spieczoną kształtkę o dużej przewodności cieplnej, ponieważ cząstki węglika krzemu zostają spojone ze sobą. Jednakże ponieważ spiekanie jest przeprowadzane przez mechanizm parowania/skraplania, jak omówiono powyżej, aby odparować węglik krzemu, potrzebna jest temperatura wypalania wyższa niż w przypadku sposobu wytwarzania według przedmiotowego wynalazku, a wysoka temperatura co najmniej 1800°C, zwykle 2000°C lub wyższa, jest potrzebna w celu otrzymania praktycznie użytecznej wypalanej kształtki z węglika krzemu.

Atmosfera wypalania jest korzystnie wybrana w zależności od rodzaju cząstki ogniotrwałej. Przykładowo cząstki węglików, zawierające SiC, cząstki azotków, zawierające Si3N4 i AlN, które muszą być utleniane w podwyższonej temperaturze, korzystnie umieszcza się w atmosferach nieutleniających, takich jak N2 i Ar, przynajmniej w zakresie temperatury, w którym rozpoczyna się utlenianie, albo powyżej.

Poniżej niniejszy wynalazek zostanie omówiony bardziej szczegółowo na podstawie przykładów, ale nie ograniczają one w żadnej mierze wynalazku.

PL 201 692 B1

P r z y k ł a d 1-13, przykłady porównawcze 1-2

Proszkowy surowiec SiC o przeciętnej wielkości cząstek i sproszkowany metaliczny krzem o przeciętnej wielkości cząstek 4 μm, jak podano w tablicy 1, sformułowano na podstawie składów podanych w tablicy i dodano 100 części wag. wynikowego proszku, 6 części wag. metylocelulozy jako spoiwa organicznego, 2,5 części wag. środka powierzchniowo czynnego i 24 części wag. wody, a następnie równomiernie zmieszano i zagnieciono, aby otrzymać bryłę ceramiki do formowania. Otrzymaną ceramiczną bryłę formowano za pomocą wytłaczarki w kształtkę o strukturze plastra pszczelego o zewnętrznej średnicy 45 mm, długości 120 mm, grubości przegrody 0,43 mm i gęstości komórek 100 komórek na cal kwadratowy (16 komórek na cm²). Taką kształtkę o strukturze plastra pszczelego prażono w temperaturze 550°C przez 3 h w celu odtłuszczenia, a następnie wypalano przez 2 h w atmosferze nieutleniającej w temperaturze podanej w tablicy 1, aby przygotować wypaloną kształtkę z węglika krzemu o strukturze plastra pszczelego. Taką wypaloną kształtkę poddawano pomiarom przeciętnej średnicy porów i porowatości za pomocą rtęciowego porozymetru, przewodności cieplnej metodą błysku laserowego oraz wytrzymałości na zginanie w 4 punktach. Wyniki przedstawiono w tablicy 1. Ponadto na fig. 2 pokazano mikrofotografię struktury krystalicznej spieku z węglika krzemu wytworzonego w przykładzie 1. Ponadto na fig. 1 przedstawiono wykres porowatości (%), wytrzymałości (MPa) i przewodności cieplnej w funkcji ilości zawartego sproszkowanego metalicznego krzemu (% wag). Dodatkowo dyfrakcja rentgenowska stwierdziła istnienie fazy krystalicznej i potwierdziła, że złożona jest ona z SiC oraz Si.

PL 201 692 B1

Tablica 1

Przewodność cieplna (W/mk)

Ol

20

25

26

Ol

20

<r.

20

to Ol

23

28

30

(fi

Cfi Ol

1 **

5 . % ad

p cd o ,—. c ω cd cd

n‘ o ’3 2 fc £7? 3 c S

O

tO

to

00

o

©

O

o

00

O

(fi

©

(fi

co

Ol

*Sb N

1 Cd 5 -o o

O

o

O

o

._.

«-ΪΛ 'ν®

O.

fi*

tO

Ol

Ό

σ\

Ό

o-

(fi

Ol

o

rn

o

to

o '

fi·

fi-

fi“

fi-

fi

fi-

fi

fi-

Ol

Cu

iętna nica ów n)

©

O

<o

O

'O

νγ

o

o.

©.

©_

©

©^

O -rr Lm 3 ω Έ O 3. N ϋ CU F* 'Crt CL

CN

o'

Ol T-m

Cfi

—l

<fi

oC

O\

cn

oi

fi

co

\d

ώ cd cd & 3 J .2 □

o

©

o

tO

o

Ό

o

tO

o

Ό

tO

X5

to

tO

to

tfi

S p- £ O O cd

fi

<5

fi

fi*

nt

fi^-

fi-

— £

O

O W) — ^k<Zl *1 L> .

o 3 tc -l

€ n n ·- 2 d * 7 [Λ £

O

Ό

O

o

O

to

O

o

tfi

(fi

iO

Ol

(fi

Ol

*—¹

¹

Ol

(fi

fi-

iO

ί u-. cd x°

cd o. -ł—· 3^λ N 2

ε

zeciętna nica cząmetaliczproszku Si (μπι)

fi·

fi-

fi

Ol

30

fi

fi-

fi

fi-

fi

<- 3? 44 O ®- ii y bO

W w ϋ

E

Ό

o 3 w)

£ N O g cd w? · - £ > O <ZI „ > l—l X?

O

5^.

to

o

tO

o

©

tO

o

to

00

Ό

00

co

c\

00

o

tfi

Os

fi-

cd o, N

cd _

B 3 s ε ,J> ·ρ <D di.

Ό

LO

©

Ό

o

©

Ό

<O

o © & 2

Ol

oi

Ol

o

Ol

Ot

Ol

oi

CJ X .p On N K N t 3 £ ^Λ

(fi

ΓΤ

(fi

tO

10

(fi

en

(fi

co

Ol

(fi

fi

Ό

©

r-

00

Os

o

-

Ol

m

Td > ś

— £ 3

fi

O

Td

T3

-fi

T3

©

*fi

©

2

cd

Λ

cd

E N

P N

3

33

3

£ ©

ί ©

>,

>.

>,

>.

>,

Ł-L

<o Ł-L

N

G K

i-

u

s—

w

Um

(m

u.

Um

u.

Um

©

Pu

PU

Pu

©

Ph

CU

Pu

P-

Pu

©

PL 201 692 B1

Omówienie

Stwierdzono zmniejszenie wytrzymałości i przewodności cieplnej w porównawczym przykładzie 1 oraz zmniejszenie porowatości w porównawczym przykładzie 2. Z drugiej strony przykłady 1-13 dotyczące przedmiotowego wynalazku oznaczają przykładowo wystarczające liczbowo wartości porowatości, wytrzymałości i przewodności cieplnej wymagane przy stosowaniu struktury na przykład w charakterze filtru spalin z silnika wysokoprężnego w celu gromadzenia i usuwania cząstek stałych zawartych w spalinach. Ponadto wykres przedstawiony na fig. 1 pokazuje, że odpowiednia ilość dodawanego sproszkowanego metalicznego krzemu jest w zakresie 5-50% wag. w odniesieniu do całkowitej ilości sproszkowanego surowca SiC i sproszkowanego metalicznego krzemu. Wyniki te potwierdziły doskonały wynik przedmiotowego wynalazku.

P r z y k ł a d y 14-20

Sproszkowany surowiec SiC i sproszkowany metaliczny krzem o przeciętnej wielkości cząstek jak podano w tablicy 2 sformułowano na podstawie składów podanych w tablicy, a ponadto dodano 100 części wag. wynikowego proszku, podaną w tablicy ilość (części wag.) polimetakrylanu metylu jako środka porotwórczego, 8 części wag. metylocelulozy w charakterze organicznego spoiwa, 2,5 części wag. środka powierzchniowo czynnego i 28 części wag. wody, a następnie wytworzono sposobem podobnym jak w przykładach 1-13 spiekaną kształtkę z węglika krzemu o strukturze plastra pszczelego. Ponadto w każdym przypadku zastosowano temperaturę wypalania 1450°C. Spiekaną kształtkę mierzono pod względem przeciętnej średnicy porów i porowatości za pomocą porozymetru rtęciowego i pod względem przewodności cieplnej metodą błysku laserowego.

PL 201 692 B1

Tablica 2

Przewodność cieplna (W/mk)	Ν’	25	CN		CC	o	O
Przeciętna średnica porów (pm)	21,0	13,0	O co	15,0	30,0	40,0	o un cq
Porowa- tość (%)	58,0	53,0	60,0	58,0	55,0	66,0	70,0
Zawartość czynnika poro- twórczego (%)	20	Ν’	20	20	20	25	30
Przeciętna średnica cząstek czynnika porotwórczego (μιη)	09	CN		CN	30	60	60
Zawartość proszku metalicznego Si (% wag.) i	20	25		20	u-ł	O	20
Przeciętna średnica cząstek metalicznego proszku Si (pm)	Ν'	N^-	cq	CN	CN	CN	Ν’
j 5 oh rt ·υ -S r j nj S α « ~ £ 5 2 o co ς N Ł g.	80	75	85	80	85	06	08
Przeciętna średnica ziaren proszku SiC (pm)	32,6	32,6	47,0	47,0	68,0	68,0	32,6
	Przykład 14	Przykład 15	Przykład 16	Przykład 17	Przykład 18	Przykład 19	Przykład 20

PL 201 692 B1

Omówienie

Tablica 2 pokazuje, że struktura plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku przykładowo wykazuje wystarczające liczbowe wartości porowatości, przewodności cieplnej i przeciętnej średnicy porów, potrzebne, gdy struktura taka jest używana jako filtr z katalizatorem itp. do oczyszczania spalin samochodowych. Ponadto, nawet kiedy średnica cząstek proszku SiC lub wypełniacza jest większa (przykłady 16-19), struktura plastra pszczelego była z powodzeniem wytwarzana bez wad formowania z regulacją średnicy cząstek i ilości środka porotwórczego. Potwierdza to doskonały wynik przedmiotowego wynalazku.

Zastosowanie przemysłowe

Jak opisano powyżej, struktura plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku, chociaż zawiera cząstki ogniotrwałe, takie jak cząstki węglika krzemu, może być spiekana w stosunkowo niskiej temperaturze wypalania podczas produkcji. Dzięki temu koszt produkcji można zmniejszyć i polepszyć wydajność, to znaczy można wytwarzać tańszy produkt. Ponadto struktura taka ma dużą przewodność cieplną w porównaniu z konwencjonalną strukturą, w której cząstki ogniotrwałe są spojone przez zastosowanie materiału szklanego itp., a więc, nawet jeśli struktura taka jest stosowana w filtrze spalin z silnika wysokoprężnego, albo jeś li nawet nagromadzone czą stki są wypalane w celu zregenerowania filtru, nie występuje lokalne powstawanie ciepła, które uszkadzałoby filtr. Ponadto struktura ta ma porowatość i przewodność cieplną w specyficznych zakresach i jest porowatą strukturą plastra pszczelego o małym spadku ciśnienia, dzięki czemu może być odpowiednio stosowana jako filtr posiadający katalizator osadzony na nośniku itp. do oczyszczania spalin samochodowych nawet w warunkach silnego objętościowego natężenia przepływu.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Kompozyt o strukturze plastra pszczelego, mający wiele kanałów przelotowych poprowadzonych w kierunku wzdłużnym i utworzonych przez przegrody, znamienny tym, że jest porowaty i zawiera czą stki ogniotrwał e i metaliczny krzem, przy czym czą stki ogniotrwał e są spojone przez metaliczny krzem powlekający część powierzchni cząstek ogniotrwałych, tworząc agregat.
2. Kompozyt według zastrz. 1, znamienny tym, że przewodność cieplna struktury wynosi co najmniej 5 W/mK.
3. Kompozyt wedł ug zastrz. 2, znamienny tym, ż e przewodność cieplna kompozytu odpowiada wartości z zakresu 5-30 W/mK.
4. Kompozyt według zastrz. 1, znamienny tym, że cząstki ogniotrwałe, spojone metalicznym krzemem, zachowują kształt cząstek surowca.
5. Kompozyt wedł ug zastrz. 1, znamienny tym, ż e czą stką ogniotrwałą jest czą stka wę glika krzemu.
6. Kompozyt o strukturze plastra pszczelego, mający wiele kanałów przelotowych poprowadzonych w kierunku wzdłużnym i utworzonych przez przegrody, znamienny tym, że jest porowaty i zawiera czą stki ogniotrwał e i metaliczny krzem, tworzą c ogniotrwał y agregat, w którym czą stki ogniotrwałe są spojone za pośrednictwem metalicznego krzemu, przy czym zawartość krzemu zawarta jest w przedziale 15 do 40% wagowych w odniesieniu do cał kowitej zawartoś ci surowca czą stek ogniotrwałych i metalicznego krzemu, przy czym ich porowatość jest zawarta w przedziale 30 do 90%.
7. Kompozyt według zastrz. 1, znamienny tym, ż e porowatość struktury wynosi 30 - 90%.
8. Kompozyt wedł ug zastrz. 7, znamienny tym, ż e porowatość struktury wynosi 50 - 90%.
9. Kompozyt według zastrz. 1, znamienny tym, że przeciętna średnica porów wynosi 2 - 50 μm.
10. Kompozyt według zastrz. 1, znamienny tym, że zawartość metalicznego krzemu wynosi 5 - 50% wag. względem całej ilości surowca złożonego z cząstek ogniotrwałych i metalicznego krzemu.
11. Kompozyt według zastrz. 1, znamienny tym, że grubość przegrody wynosi 102 - 1270 μm.
12. Kompozyt według zastrz. 1, znamienny tym, że grubość przegrody i porowatość struktury plastra pszczelego spełniają zależność:

grubość przegrody (μ^ι) > porowatość (%) x 4.
13. Kompozyt według zastrz. 1, znamienny tym, że grubość przegrody i porowatość struktury plastra pszczelego spełniają zależność:

grubość przegrody (μ^ι) > porowatość (%) x 5.

PL 201 692 B1
14. Kompozyt według zastrz. 1, znamienny tym, że grubość przegrody i porowatość struktury plastra pszczelego spełniają zależność:

grubość przegrody (..m) > porowatość (%) x 20.

₂
15. Kompozyt według zastrz. 1, znamienny tym, że gęstość komórek wynosi 0,7 - 155 komórek na cm².
16. Sposób wytwarzania kompozytu o strukturze plastra pszczelego, mającego wiele kanałów przelotowych poprowadzonych w kierunku wzdłużnym i utworzonych przez przegrody, który to kompozyt o strukturze plastra pszczelego jest porowaty i zawiera cząstki ogniotrwałe i metaliczny krzem, przy czym cząstki ogniotrwałe są spojone przez metaliczny krzem powlekający część powierzchni cząstek ogniotrwałych tworząc agregat, znamienny tym, że do surowca zawierającego cząstki ogniotrwałe dodaje się metaliczny krzem w ilości dostatecznej, aby ten metaliczny krzem pozostawał w wymaganej ilości nawet po wypaleniu, oraz dodaje się organiczne spoiwo, uzyskaną masę miesza się i zagniata, i formuje się kształtkę ceramiczną o strukturze plastra pszczelego, praży się otrzymaną uformowaną kształtkę, aby usunąć spoiwo organiczne obecne w uformowanej kształtce, a następnie wypala się.
17. Sposób według zastrz. 16, znamienny tym, że stosuje się surowiec cząstek ogniotrwałych, którym jest surowiec zawierający cząstki węglika krzemu.
18. Sposób według zastrz. 16, znamienny tym, że stosuje się surowiec cząstek ogniotrwałych o przeciętnej średnicy cząstki od 2 do 4 razy większej od przeciętnej średnicy porów wytworzonego finalnie kompozytu o strukturze plastra pszczelego.
19. Sposób według zastrz. 16, znamienny tym, że dodaje się metaliczny krzem w ilości 5 - 50% wagowych względem całej ilości surowca cząstek ogniotrwałych i metalicznego krzemu.
20. Sposób według zastrz. 16, znamienny tym, że stosuje się metaliczny krzem o przeciętnej średnicy cząstki wynoszącej co najwyżej 50% przeciętnej średnicy cząstki ogniotrwałej lub agregatu.
21. Sposób według zastrz. 16, znamienny tym, że dodaje się spoiwo organiczne w ilości 2 - 30% wagowych w charakterze specjalnego dodatku do całej ilości surowca cząstek ogniotrwałych i metalicznego krzemu.
22. Sposób według zastrz. 16, znamienny tym, że po wytworzeniu masy ceramicznej, dodaje się środka porotwórczego w ilości 30% wagowych w charakterze specjalnego dodatku do całej ilości surowca cząstek ogniotrwałych i metalicznego krzemu.
23. Sposób według zastrz. 16, znamienny tym, że prażenie uformowanej kształtki przeprowadza się w temperaturze niższej od temperatury topnienia metalicznego krzemu.
24. Sposób według zastrz. 16, znamienny tym, że wypalanie przeprowadza się w zakresie temperatur 1400 - 1800°C.