PL209724B1

PL209724B1 - Materiał porowaty na bazie węglika krzemu oraz sposób wytwarzania materiału porowatego na bazie węglika krzemu

Info

Publication number: PL209724B1
Application number: PL357873A
Authority: PL
Inventors: Takahiro Tomita; Yuichiro Tabuchi; Shuichi Ichikawa; Takashi Harada
Original assignee: Ngk Insulators Ltd
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2011-10-31
Also published as: WO2002081406A1; EP1375454A4; EP1375454B1; US20040033893A1; JP4307781B2; EP1375454A1; US7037477B2; JP2002356383A; PL357873A1; DE60235690D1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotowy wynalazek dotyczy materiału porowatego na bazie węglika krzemu, stosowanego w filtrze do oczyszczania spalin samochodowych, noś niku katalizatora itd., jak również procesu jego wytwarzania.

Porowata struktura plastra pszczelego jest szeroko stosowana jako filtr do zatrzymywania i usuwania cząstek stałych zawartych w płynie, takim jak spaliny z silnika wysokoprężnego lub jako nośnik katalizatora do umieszczania na nim katalizatora, który usuwa szkodliwe substancje występujące w spalinach. Znane jest również stosowanie cząstek ogniotrwałych, takich jak węglik krzemu (SiC), w charakterze materiału tworzącego taką strukturę plastra pszczelego. Jako specyficzną technikę związaną z tym opisano, przykładowo w JP-A-6-182228, porowaty nośnik katalizatora na bazie węglika krzemu o strukturze plastra pszczelego, otrzymany przez użycie w charakterze materiału wyjściowego sproszkowanego węglika krzemu o określonej powierzchni właściwej i zawierającego zanieczyszczenia, formowanie tego proszku w żądaną kształtkę, suszenie uformowanego materiału i wypalanie go w zakresie temperatury 1600-2200°C.

W JP-A-10-310474 opisano również materia ł ceramiczny z kompozytu SiC-Si, zawierają cy pewną ilość Ca lub związku Ca i trwałego w atmosferze gazów alkalicznych o wysokiej temperaturze.

W mechanizmie spiekania (szyjkowania) dzięki reakcji rekrystalizacji sproszkowanego wę glika krzemu, przedstawionej we wspomnianym powyżej JP-A-6-182228, węglik krzemu odparowuje z powierzchni cząstek węglika krzemu i skrapla się w obszarach kontaktu (szyjkach) pomiędzy cząstkami. Na skutek tego szyjki te rosną i powstaje struktura spojenia. Jednakże parowanie węglika krzemu wymaga bardzo wysokiej temperatury wypalania, co powoduje wysoki koszt, wymaga wysokotemperaturowego wypalania materiału o dużym współczynniku rozszerzalności cieplnej i wprowadza problem zmniejszonej wydajności procesu wypalania.

Ponadto przy wytwarzaniu materiału ceramicznego z kompozytu SiC-Si, pokazanego w JP-A-10-310474, konieczne jest wypalanie w wysokiej temperaturze 1800-2000°C. Ponadto taki materiał ceramiczny z kompozytu SiC-Si jest gęstym materiałem używanym głównie jako pojemnik do wypalania, taki jak tygiel itp., co uniemożliwia wykorzystanie tego materiału ceramicznego jako materiału na porowaty filtr.

Aby rozwiązać wymienione wyżej problemy, twórcy niniejszego wynalazku opisali w japońskim zgłoszeniu patentowym nr 2001-32699 porowatą strukturę plastra pszczelego zawierającą jako wypełniacz cząstki ogniotrwałe, zwłaszcza z węglika krzemu i metalicznego krzemu, jak również proces wytwarzania takiej struktury. W tym zgłoszeniu patentowym opisano strukturę plastra pszczelego, która może być wytwarzana tanio przy stosunkowo niskiej temperaturze wypalania, która ma dużą przewodność cieplną i jest wystarczająco porowata oraz ma dużą powierzchnię właściwą.

Nawet w przypadku procesu wytwarzania przedstawionego w japońskim zgłoszeniu patentowym nr 2001-32699 może jednak wystąpić pewien problem. Figura 4 przedstawia schematycznie stan kontaktu pomiędzy cząstkami węglika krzemu i metalicznego krzemu w mikrostrukturze konwencjonalnego materiału porowatego na bazie węglika krzemu oraz pokazuje stan, w którym metaliczny krzem 2 styka się z cząstkami 1 węglika krzemu, a powierzchnie tych dwóch materiałów są pokryte tlenkową warstewką 3. Ta tlenkowa warstewka 3 złożona jest z SiO2 itp. Kiedy wypalanie przeprowadzane jest zgodnie z powyższym procesem, zwilżalność pomiędzy roztopionym metalicznym krzemem 2, a cząstkami 1 węglika krzemu może nie być dobra i w wynikowym porowatym materiale na bazie węglika krzemu kąt θ kontaktu pomiędzy tlenkową warstewką 3 na cząstkach 1 węglika krzemu a tlenkową warstewką 3 na metalicznym krzemie 2 jest rozwarty. Oznacza to, że porowaty materiał na bazie węglika krzemu ma taką strukturę, że metaliczny krzem 2 jest odpychany przez cząstki 1 węglika krzemu, a pole powierzchni styku pomiędzy tymi dwoma materiałami może być niewielkie.

Kiedy wymienione powyżej pole powierzchni kontaktu jest małe, można oczekiwać wystąpienia takich problemów, że zmniejsza się wytrzymałość porowatego materiału na bazie węglika krzemu, a przewodność cieplna wyrobu zmniejsza się, ponieważ zwęża się jego droga przewodzenia cieplnego.

Średnica porów w porowatym materiale wytworzonym na bazie węglika krzemu zależy od średnicy cząstek węglika krzemu użytych w charakterze wypełniacza. Aby otrzymać porowaty materiał na bazie węglika krzemu o dużej średnicy porów, zwykle stosuje się cząstki węglika krzemu o większej średnicy. Użycie cząstek węglika krzemu o dużej średnicy może utrudniać formowanie. Ponadto przy wytłaczaniu kształtki plastra pszczelego itp. występuje ścieranie matrycy formującej, co może powoPL 209 724 B1 dować problemy związane ze zwiększonym kosztem produkcji itd. Oznacza to, że wybór średnicy cząstek węglika krzemu w celu kontrolowania porowatości porowatego materiału na bazie węglika krzemu i uzyskania dużej średnicy porów w tym materiale jest ograniczony przez technologię i koszt produkcji.

Niniejszy wynalazek opracowano uwzględniając powyższe problemy stanu techniki i ma on na celu uzyskanie porowatego materiału na bazie węglika krzemu, który można wytwarzać niewielkim kosztem i który ma dużą porowatość i przewodność cieplną oraz zwiększoną wytrzymałość, jak również sposobu wytwarzania takiego materiału.

Materiał porowaty na bazie węglika krzemu według wynalazku zawiera cząstki węglika krzemu jako wypełniacz i metaliczny krzem, przy czym przeciętna średnica cząstek porowatego materiału na bazie węglika krzemu wynosi co najmniej 0,25 przeciętnej średnicy cząstek węglika krzemu, natomiast kąt styku pomiędzy cząstkami węglika krzemu a metalicznym krzemem jest kątem ostrym, oraz materiał porowaty na bazie węglika krzemu zawiera bezpostaciową lub krystaliczną fazę związku krzemianowego na lub w sąsiedztwie z cząstkami węglika krzemu i/lub z metalicznym krzemem, a cząstki wę glika krzemu są spojone ze sobą metalicznym krzemem i/lub fazą związku krzemianowego, przy czym faza związku krzemianowego zawiera co najmniej jeden metaliczny pierwiastek inny niż krzem oraz dwutlenek krzemu, a zawartość tego co najmniej jednego metalicznego pierwiastka w stosunku do sumy cząstek węglika krzemu i metalicznego krzemu wynosi 0,1-10% mas. oraz co najmniej jeden metaliczny pierwiastek jest metalicznym pierwiastkiem ziem alkalicznych, przy czym zawartość metalicznego krzemu w stosunku do sumy cząstek węglika krzemu i metalicznego krzemu stanowi 5-50% mas.

Według przedmiotowego wynalazku porowaty materiał na bazie węglika krzemu zawiera bezpostaciową lub krystaliczną fazę związku krzemianowego na lub w sąsiedztwie cząstek węglika krzemu i/lub metalicznego krzemu. Figura 2 schematycznie wyjaśnia inny przykład stanu styku pomiędzy cząstkami węglika krzemu a metalicznym krzemem w mikrostrukturze porowatego materiału według przedmiotowego wynalazku na bazie węglika krzemu i pokazuje stan, w którym powierzchnie cząstki 1 węglika krzemu i metalicznego krzemu 2 są pokryte fazą 4 związku krzemianowego. Dzięki działaniu dodanego pierwiastka metalicznego zarówno warstewka tlenku na węgliku krzemu jak i warstewka tlenku na metalicznym krzemie tworzy fazę 4 związku krzemianowego, która nie ma szkodliwego wpływu na zwilżalność pomiędzy węglikiem krzemu a metalicznym krzemem. W rezultacie faza 4 związku krzemianowego służy do polepszenia zwilżalności pomiędzy cząstkami 1 węglika krzemu a metalicznym krzemem 2, a pole powierzchni styku pomię dzy tymi dwoma materiał ami jest zwię kszone. Gdy zawartość fazy 4 związku krzemianowego zwiększa się, wówczas maleje przewodność cieplna porowatego materiału na bazie węglika krzemu. Oznacza to, że porowaty materiał na bazie węglika krzemu według przedmiotowego wynalazku ma żądaną przewodność cieplną zależną od zawartości fazy związku krzemianowego, a zawartość ta może być kontrolowana według potrzeb. Porowaty materiał na bazie węglika krzemu według przedmiotowego wynalazku ma dużą porowatość i wytrzymałość, a jego właś ciwości cieplne, łącznie z przewodnością cieplną, mogą być kontrolowane według potrzeby.

Według wynalazku cząstki węglika krzemu są spojone ze sobą metalicznym krzemem i/lub fazą związku krzemianowego. Figury 9(a) - (c) wyjaśniają schematycznie mikrostrukturę porowatego materiału na bazie węglika krzemu według przedmiotowego wynalazku i przedstawiają stan, w którym cząstki 1 węglika krzemu są spojone ze sobą metalicznym krzemem 2 i/lub fazą 4 związku krzemianowego, by utworzyć pory 10. Oznacza to, że porowaty materiał na bazie węglika krzemu według przedmiotowego wynalazku może być w stanie (fig. 9(a)), w którym cząstki 1 węglika krzemu są spojone ze sobą metalicznym krzemem 2, w stanie (fig. 9(b)), w którym cząstki węglika krzemu są spojone ze sobą metalicznym krzemem 2 lub metalicznym krzemem 2 i fazą 4 związku krzemianowego, albo w stanie (fig. 9(c)), w którym cząstki 1 węglika krzemu są spojone ze sobą metalicznym krzemem 2 lub metalicznym krzemem 2 i fazą 4 związku krzemianowego, lub fazą 4 związku krzemianowego.

Posiadając taką mikrostrukturę porowaty materiał na bazie węglika krzemu według przedmiotowego wynalazku ma dużą porowatość i wytrzymałość, a jego właściwości cieplne, łącznie z przewodnością cieplną, można dowolnie regulować. Mikrostruktury pokazane na fig. 9(a)-(c) są jedynie ilustracyjne, a przedmiotowy wynalazek nie jest ograniczony tylko do tych ilustracji i porowaty materiał na bazie węglika krzemu może częściowo zawierać przykładowo takie cząstki węglika krzemu, które nie są spojone ze sobą i do których nie przywiera metaliczny krzem i/lub faza związku krzemianowego.

PL 209 724 B1

Według przedmiotowego wynalazku nie ma żadnego szczególnego ograniczenia, jeśli chodzi o górną granicę powyższej wartości. Kiedy średnica porów ma podaną wartość, wówczas średnica cząstek węglika krzemu jest korzystnie możliwie mała. Jednakże średnica porów może być poniżej wielokrotności 5,0, jeśli uwzględni się rzeczywiste warunki produkcji itd. Dalej opisano proces wytwarzania porowatego materiału na bazie węglika krzemu, posiadającego wymienione wyżej właściwości według przedmiotowego wynalazku.

Według wynalazku nie ma żadnego konkretnego ograniczenia, jeśli chodzi o górną granicę pola powierzchni styku, a pole powierzchni styku pomiędzy cząstkami węglika krzemu i metalicznym krzemem korzystnie wynosi co najmniej 95% sumy pola powierzchni styku oraz pola powierzchni metalicznego krzemu. Jednakże pole powierzchni styku może wynosić w przybliżeniu mniej niż 90%, gdy weźmie się pod uwagę rzeczywiste warunki produkcji itd. Dalej opisano sposób wytwarzania porowatego materiału na bazie węglika krzemu, posiadającego wymienione wyżej właściwości strukturalne, według przedmiotowego wynalazku.

Kiedy średnica porów jest poniżej 0,25 średnicy stosowanych cząstek węglika krzemu, wówczas średnica stosowanych cząstek węglika krzemu musi być duża, gdy celem jest zwiększenie średnicy porów, co może pogorszyć zdolność formowania. Przykładowo ścieranie matrycy stosowanej do wytłaczania kształtki o strukturze plastra pszczelego itp. może stać się wyraźne. Dlatego średnica porów poniżej 0,25 nie jest korzystna.

Porowaty materiał na bazie węglika krzemu według przedmiotowego wynalazku charakteryzuje się tym, że kąt kontaktu pomiędzy cząstkami węglika krzemu a metalicznym krzemem jest kątem ostrym. Figura 1 schematycznie wyjaśnia na przykładzie stan kontaktu pomiędzy cząstkami węglika krzemu a metalicznym krzemem w mikrostrukturze porowatego materiału na bazie węglika krzemu według przedmiotowego wynalazku i przedstawia stan, w którym metaliczny krzem 2 styka się z czą stkami 1 wę glika krzemu. W porowatym materiale na bazie wę glika krzemu wedł ug przedmiotowego wynalazku kąt 9 styku pomiędzy cząstkami 1 węglika krzemu a metalicznym krzemem 2 jest kątem ostrym, a zwilżalność pomiędzy roztopionym metalicznym krzemem 2 a cząstkami 1 węglika krzemu jest polepszona. Dlatego pole powierzchni styku pomiędzy tymi dwoma materiałami jest duże i dzięki temu porowaty materiał na bazie węglika krzemu według przedmiotowego wynalazku ma właściwości takie jak większa wytrzymałość, większa przewodność cieplna itp. Dalej opisano proces wytwarzania porowatego materiału na bazie węglika krzemu, posiadającego takie właściwości strukturalne według przedmiotowego wynalazku.

Określenie kąt styku jest stosowane zwykle do oznaczenia kąta powstającego przy kontakcie pomiędzy ciałem stałym a cieczą. Według przedmiotowego wynalazku określenie to użyte jest jednak w odniesieniu do dwóch różnych ciał stałych stykających się ze sobą. To znaczy z kątów utworzonych pomiędzy styczną do metalicznego krzemu w punkcie styku pomiędzy cząstką węglika krzemu a metalicznym krzemem i powierzchnią cząstek węglika krzemu kąt θ zawierający metaliczny krzem jest nazywany kątem styku. W przypadku mikrostruktury konwencjonalnego materiału porowatego na bazie węglika krzemu, takiego jak pokazany na fig. 4, kąt θ zawierający metaliczny krzem z kątów utworzonych pomiędzy styczną do metalicznego krzemu a punkcie styku pomiędzy tlenkową warstewką 3 na cząstkach 1 węglika krzemu a tlenkową warstewką 3 na metalicznym krzemie 2 i powierzchnią tlenkowej warstwy 3 na cząstkach 1 węglika krzemu nazywany jest kątem styku.

Ponadto według przedmiotowego wynalazku ilość metalicznego krzemu w stosunku do sumy cząstek węglika krzemu i metalicznego krzemu wynosi 5-50% mas. Przy zawartości metalicznego krzemu w powyższym zakresie możliwe jest wypalanie w niskiej temperaturze w porównaniu z sytuacją, kiedy wypala się konwencjonalny porowaty materiał na bazie węglika krzemu nie zawierający metalicznego krzemu i uzyskuje się właściwości takie jak duża porowatość, duża przewodność cieplna itp. Kiedy zawartość ta jest poniżej 5% mas., właściwości metalicznego krzemu jako spoiwa nie są wystarczająco odczuwalne, spojenie metalicznym krzemem pomiędzy sąsiednimi cząstkami węglika krzemu jest niewystarczające, wynikowa przewodność cieplna jest mała, a kiedy przykładowo wytwarza się strukturę cienkościenną, taką jak struktura plastra pszczelego, trudno jest umożliwić, by struktura ta miała wytrzymałość umożliwiającą samodzielne podtrzymywanie jej, w związku z czym zawartość taka nie jest korzystna. Kiedy zawartość ta jest większa niż 50% mas., metaliczny krzem występuje w ilości większej niż potrzebna do odpowiedniego spojenia cząstek węglika krzemu ze sobą, uzyskany porowaty materiał na bazie węglika krzemu kurczy się nadmiernie podczas spiekania, a ponadto pojawiają się problemy, takie jak zmniejszona porowatość, zmniejszona średnica porów itp., a więc zawartość taka nie jest korzystna.

PL 209 724 B1

Porowaty materiał na bazie węglika krzemu według przedmiotowego wynalazku charakteryzuje się tym, że ma dużą liczbę wtórnych cząstek strukturalnych (każda wtórna cząstka strukturalna jest dalej nazywana domeną), z których każda jest utworzona przez kontakt co najmniej czterech cząstek węglika krzemu z jednym metalicznym krzemem, które są spojone ze sobą, by utworzyć porowatą strukturę. To znaczy domeny są spojone ze sobą, by utworzyć porowatą strukturę. W rezultacie spojone części są grube, a porowaty materiał na bazie węglika krzemu ma właściwości takie jak duża wytrzymałość, duża przewodność cieplna itp.

Ponadto porowaty materiał na bazie węglika krzemu zastosowany przykładowo w filtrze spalin z silnika wysokoprężnego powstrzymuje lokalny wzrost temperatury i ma lepsze właściwości również w odniesieniu do udaru cieplnego. Ponadto, ponieważ pory są utworzone przez szczeliny pomię dzy domenami, pory mają duże średnice w porównaniu z przypadkiem, w którym kąt styku pomiędzy cząstkami węglika krzemu a metalicznym krzemem jest rozwarty, a spadek ciśnienia przy zastosowaniu w charakterze filtru może być niewielki.

Ponadto według przedmiotowego wynalazku średnica porów zależy od wielkości domen. Zbędne jest zatem kontrolowanie średnicy porów przez średnicę zastosowanych cząstek węglika krzemu, a średnica porów może być duża nawet wtedy, gdy cząstki węglika krzemu mają stosunkowo małą średnicę. Dlatego nawet, gdy wytłacza się kształtkę o strukturze plastra pszczelego itp. zdolność formowania jest dobra i unika się problemów takich jak ścieranie itp. W rezultacie możliwe jest zwiększenie wydajności produkcyjnej i zmniejszenie kosztu wyposażenia. Dalej opisano sposób wytwarzania materiału porowatego na bazie węglika krzemu, posiadającego wymienione wyżej właściwości strukturalne, według przedmiotowego wynalazku.

Według wynalazku liczba cząstek węglika krzemu zawartych w jednej wtórnej cząstce strukturalnej stanowi korzystnie co najmniej 30% liczby cząstek węglika krzemu zawartych w porowatym materiale na bazie węglika krzemu. Gdy liczba ta jest mniejsza niż 30, pole powierzchni styku pomiędzy cząstkami węglika krzemu, a metalicznym krzemem jest niewystarczające i nie uzyskuje się wyraźnego polepszenia wytrzymałości, przewodności cieplnej itd., a więc liczba taka nie jest korzystna.

Ponadto korzystne jest to, że pole powierzchni sprzężenia pomiędzy cząstkami węglika krzemu a metalicznym krzemem stanowi co najmniej 50% sumy pola powierzchni sprz ężenia i pola powierzchni metalicznego krzemu.

Inną korzyść stanowi to, że faza związku krzemianowego zawiera co najmniej jeden metaliczny pierwiastek inny niż krzem oraz dwutlenek węgla, a punkt eutektyczny pomiędzy tym co najmniej jednym pierwiastkiem metalicznym a dwutlenkiem krzemu wynosi 1200-1600°C, aby uzyskać skuteczniej polepszenie zwilżalności.

Kiedy punkt eutektyczny jest poniżej 1200°C, roztopiony materiał z systemu MO-(M1O-, M2O-,...) SiO2 (M, M1, M2,... oznaczają co najmniej jeden rodzaj pierwiastka metalicznego) nie pozostaje w przybliż eniu w temperaturze wypalania, w której topi się metaliczny krzem, a wymienione wy ż ej polepszenie zwilżalności i powiększenie pola powierzchni styku trudno jest uzyskać podczas wypalania, w związku z czym taki punkt eutektyczny nie jest korzystny. Kiedy natomiast punkt eutektyczny leży powyżej 1600°C, wówczas reakcja pomiędzy MO (M1O, M2O,...) i SiO2 nie przebiega wystarczająco i wymienione powyżej polepszenie zwilżalności oraz powiększenie pola powierzchni styku trudno jest uzyskać podczas wypalania, a więc taki punkt eutektyczny nie jest korzystny.

Materiał porowaty według tym wynalazku charakteryzuje się korzystnie również tym, że ten co najmniej jeden metaliczny pierwiastek zawiera ponadto pierwiastek metaliczny inny niż metaliczny pierwiastek ziem alkalicznych.

Korzystnie pierwiastkiem metalicznym ziem alkalicznych jest wapń i/lub stront.

Metalem innym niż metal ziem alkalicznych może być dowolny metal, który tworzy z metalem ziem alkalicznych system co najmniej trójskładnikowy o punkcie eutektycznym 1200-1600°C. Jako specyficzne przykłady można tu wymienić Al, Ti i Fe. Jako specyficzne przykłady systemu co najmniej trójskładnikowego można tu wymienić system Mg-Al-Si, system Sr-Al-Si, system Ba-Al-Si, system Ca-Al-Si oraz system Ca-Mg-Si. Metalem ziem alkalicznych jest korzystnie wapń i/lub stront ze względu na niski koszt, dobrą dostępność, polepszanie zwilżalności itd.

Korzystnie według wynalazku materiał porowaty ma strukturę plastra pszczelego.

Struktura plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku charakteryzuje się tym, że jest utworzona przez wymieniony wyżej porowaty materiał na bazie węglika krzemu według przedmiotowego wynalazku. Dzięki właściwościom porowatego materiału na bazie węglika krzemu jako materiału składowego taka struktura plastra pszczelego ma lepszą odporność na utlenianie, odporność na kwasy,

PL 209 724 B1 odporność na reakcję z cząstkami ciał stałych i odporność na wstrząs termiczny. Ponadto, będąc strukturą porowatą taka struktura plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku może być wykorzystywana w warunkach dużego objętościowego natężenia przepływu jako filtr do zatrzymywania i usuwania ciał stałych w spalinach z silnika wysokoprężnego, nośnik katalizatora itd.

Według przedmiotowego wynalazku opracowano również sposób wytwarzania materiału porowatego na bazie węglika krzemu zdefiniowanego powyżej polegający na tym, że dodaje się metalicznego pierwiastka lub związku zawierającego metaliczny pierwiastek i metalicznego krzemu oraz organicznego spoiwa do materiału z cząstek węglika krzemu, miesza się by otrzymać wymieszany proszek i zagniata je, po czym z uzyskanego ciasta formuje się określoną kształtkę, którą następnie praży się aż do usunięcia spoiwa organicznego, po czym wypala się wyprażony materiał w zakresie temperatury 1300-1600°C w nieutleniającej atmosferze.

Korzystnie jako pierwiastek metaliczny stosuje się metaliczny pierwiastek o punkcie eutektycznym z dwutlenkiem krzemu 1200-1600°C

Jako pierwiastek metaliczny stosuje się pierwiastek metaliczny ziem alkalicznych, korzystnie wapń i/lub stront.

Jako związek zawierający pierwiastek metaliczny można stosować fluorek, węglik, chlorek, krzemek, węglan, wodorotlenek, tlenek, sól kwasu nieorganicznego lub sól kwasu organicznego pierwiastka metalicznego albo ich mieszaninę. Jako sól kwasu nieorganicznego korzystnie stosuje się krzemian, zwłaszcza kordieryt (krzemian magnezowo-glinowy) lub anortyt (krzemian wapniowo-glinowy). Związki te są korzystne, ponieważ są niedrogie i łatwo dostępne oraz mogą dać porowaty materiał na bazie węglika krzemu, który ma dużą porowatość i wytrzymałość oraz może być kontrolowany według potrzeb pod względem właściwości cieplnych, obejmujących przewodność cieplną. Korzystne są te krzemiany, które są stabilne w powietrzu i nie tworzą toksycznego gazu itp. podczas spalania. Korzystne są również węglan, tlenek i wodorotlenek.

Korzystnie jako sól kwasu nieorganicznego stosuje się krzemian.

Wynalazek został bliżej zilustrowany na rysunkach, na których:

Figura 1 jest schematycznym rysunkiem objaśniającym przykład stanu styku pomiędzy cząstkami węglika krzemu a metalicznym krzemem w mikrostrukturze porowatego materiału na bazie węglika krzemu według wynalazku.

Figura 2 jest schematycznym rysunkiem objaśniającym inny przykład stanu styku pomiędzy cząstkami węglika krzemu a metalicznym krzemem w mikrostrukturze porowatego materiału na bazie węglika krzemu według wynalazku.

Figura 3 jest schematycznym rysunkiem objaśniającym jeszcze inny przykład stanu styku pomiędzy cząstkami węglika krzemu a metalicznym krzemem w mikrostrukturze porowatego materiału na bazie węglika krzemu według wynalazku.

Figura 4 jest schematycznym rysunkiem objaśniającym jeszcze inny przykład stanu styku pomiędzy cząstkami węglika krzemu a metalicznym krzemem w mikrostrukturze konwencjonalnego porowatego materiału na bazie węglika krzemu.

Figura 5 jest mikrofotografią przedstawiającą mikrostrukturę porowatego materiału na bazie węglika krzemu, wytworzonego w przykładzie 1.

Figura 6 jest mikrofotografią przedstawiającą mikrostrukturę porowatego materiału na bazie węglika krzemu, wytworzonego w przykładzie 2.

Figura 7 jest mikrofotografią przedstawiającą mikrostrukturę porowatego materiału na bazie węglika krzemu, wytworzonego w przykładzie 3.

Figura 8 jest mikrofotografią przedstawiającą mikrostrukturę porowatego materiału na bazie węglika krzemu, wytworzonego w przykładzie porównawczym 1.

Figury 9(a)-(c) są schematycznymi rysunkami przedstawiającymi mikrostrukturę porowatego materiału na bazie węglika krzemu według przedmiotowego wynalazku.

Wynalazek został bliżej przedstawiony w przykładach jego realizacji, przy czym wynalazek ten nie ogranicza się do poniższych przykładów realizacji i należy rozumieć, że na podstawie zwykłej wiedzy fachowców, nie wychodząc poza zakres przedmiotowego wynalazku, można wprowadzać zmiany, modyfikacje konstrukcji itd.

Stosunek pola powierzchni styku pomiędzy cząstkami węglika krzemu a metalicznym krzemem do sumy powyższego pola powierzchni styku i pola powierzchni metalicznego krzemu, zwany według przedmiotowego wynalazku po prostu stosunkiem powierzchni styku, jest obliczany następującym sposobem. Najpierw porowaty materiał na bazie węglika krzemu jest jako obiekt zanurzany w żywicy

PL 209 724 B1 i polerowany, by otrzymać jego przekrój wewnę trzny. Przekrój ten obserwuje się pod skaningowym mikroskopem elektronowym i zdejmuje się mikrofotografię, którą następnie poddaje się analizie obrazu. Stosując fotografię analityczną przeprowadza się pomiary długości krzywej styku pomiędzy cząstkami węglika krzemu a metalicznym krzemem i długości krzywej powierzchni metalicznego krzemu oraz określa się stosunek długości krzywej styku do sumy długości krzywej styku i długości krzywej powierzchni metalicznego krzemu jako stosunek pola powierzchni styku.

Poniżej opisano sposób wytwarzania porowatego materiału na bazie węglika krzemu według przedmiotowego wynalazku. Przy wytwarzaniu porowatego materiału na bazie węglika krzemu według przedmiotowego wynalazku najpierw metaliczny krzem i organiczne spoiwo dodaje się do materiału z czą stek wę glika krzemu i miesza się , by otrzymać wymieszany proszek. Przy wytwarzaniu porowatego materiału, takiego jak struktura plastra pszczelego, możliwe jest również dodawanie metalicznego krzemu i organicznego spoiwa do materiału z cząstek węglika krzemu i mieszanie oraz zagniatanie w celu uzyskania ciasta. Materiały na cząstki węglika krzemu i metaliczny krzem mogą zawierać niewielką ilość zanieczyszczeń, takich jak Fe, Al itp., jednakże mogą być one stosowane w stanie bez zmian lub po poddaniu obróbce chemicznej, takiej jak oczyszczanie chemiczne itp., w celu oczyszczenia. Kiedy strukturę plastra pszczelego wykorzystuje się jako filtr, wówczas materiał porotwórczy można dodać podczas przygotowywania ciasta w celu uzyskania dużej porowatości.

Powyższy wymieszany proszek lub ciasto formuje się w żądaną kształtkę, taką jak kształtka plastra pszczelego itp. Otrzymany uformowany materiał praży się w celu usunięcia (odłączenia) zawartego w nim spoiwa organicznego. Następnie wyprażony materiał wypala się w atmosferze obojętnego gazu pod zmniejszonym ciśnieniem, by wytworzyć porowaty materiał na bazie węglika krzemu, mający żądany kształt. Według przedmiotowego wynalazku, ponieważ wypalanie przeprowadza się w atmosferze pod zmniejszonym ciśnieniem, można otrzymać porowaty materiał z wę glika krzemu, taki jak przedstawiono na fig. 1, gdzie warstewka tlenkowa (np. SiO2), która była na powierzchniach cząstek 1 węglika krzemu i na metalicznym krzemie, została odparowana i znikła.

Ponieważ warstewka tlenkowa zmniejsza zwilżalność pomiędzy cząstkami węglika krzemu a metalicznym krzemem, odparowanie i usunięcie jej moż e zwię kszyć pole powierzchni styku pomię dzy cząstkami węglika krzemu a metalicznym krzemem. W rezultacie można uzyskać porowaty materiał na bazie węglika krzemu o lepszej wytrzymałości i przewodności cieplnej.

Wymieniona wyżej atmosfera o zmniejszonym ciśnieniu może być atmosferą posiadającą takie zmniejszone ciśnienie, by umożliwić odparowanie i zniknięcie tlenkowej warstewki (np. SiO2), kiedy przeprowadzane jest wypalanie. W szczególności, korzystne jest ciśnienie 0,1-10 hPa, a jeszcze korzystniej 0,5-5 hPa. Zmniejszone ciśnienie poniżej 0,1 hPa trudno jest uzyskać ze względu na koszt sprzętu, a zmniejszone ciśnienie większe niż 10 hPa nie jest korzystne, ponieważ odparowanie warstwy tlenkowej jest niewystarczające. Nie ma żadnego szczególnego ograniczenia, jeśli chodzi o rodzaj obojętnego gazu potrzebnego do przygotowania nie utleniającej atmosfery. Jednakże korzystne jest zastosowanie Ar ze względu na dostępność, łatwość manipulowania itd.

Poniżej opisano inny przykład realizacji procesu wytwarzania porowatego materiału na bazie węglika krzemu według przedmiotowego wynalazku. Wymieniony wyżej zmieszany proszek lub ciasto formuje się w żądaną kształtkę, taką jak kształtka plastra pszczelego itp. Otrzymany uformowany materiał praży się w celu usunięcia (odłączenia) organicznego spoiwa zawartego w nim. Następnie wyprażony materiał wypala się w atmosferze redukcyjnej zawierającej wodór, aby wytworzyć porowaty materiał na bazie węglika krzemu o żądanym kształcie.

Figura 3 schematycznie objaśnia jeszcze inny przykład stanu kontaktu pomiędzy cząstkami węglika krzemu a metalicznym krzemem w mikrostrukturze porowatego materiału na bazie węglika krzemu według przedmiotowego wynalazku. Warstewka tlenkowa (np. SiO₂) na powierzchniach cząstek 1 węglika krzemu i metalicznego krzemu 2 jest zmniejszana i usuwana, to znaczy SiO₂ jest redukowany do Si i przetwarzany w świeży metaliczny krzem (zredukowany metaliczny krzem 5). W rezultacie uzyskuje się lepszą zwilżalność pomiędzy cząstkami 1 węglika krzemu a metalicznym krzemem 2, większe pole powierzchni styku pomiędzy cząstkami 1 węglika krzemu a metalicznym krzemem 2 i można wytworzyć porowaty materiał na bazie węglika krzemu o lepszej wytrzymałości i przewodności cieplnej.

Według przedmiotowego wynalazku nie ma żadnego konkretnego ograniczenia, jeśli chodzi o zawartość wodoru podczas wypalania. Jednakże może być taka zawartość wodoru, aby umożliwiała redukcję i usuwanie warstewki tlenkowej (np. SiO2) przy wypalaniu. W szczególności korzystna jest zawartość 0,5-10% obj., a jeszcze korzystniej 1-4% obj. Kiedy zawartość wodoru jest poniżej 0,5%

PL 209 724 B1 obj., redukcyjne usuwanie warstewki tlenkowej jest niewystarczające. Kiedy zawartość wodoru jest powyżej 10% obj., manipulowanie gazem zawierającym wodór jest trudne. Dlatego takie zawartości wodoru nie są korzystne.

Opisano również jeszcze inny przykład realizacji procesu wytwarzania materiału porowatego na bazie węglika krzemu według przedmiotowego wynalazku. Do materiału z cząstek węglika krzemu dodaje się metalicznego krzemu, organicznego spoiwa i pierwiastka metalicznego lub związku zawierającego pierwiastek metaliczny. Następnie miesza się je, by otrzymać wymieszany proszek. Ten wymieszany proszek lub ciasto formuje się w żądaną kształtkę, taką jak kształtka o strukturze plastra pszczelego itp. Uformowany materiał praży się w celu usunięcia (odłączenia) organicznego spoiwa zawartego w nim, a wyprażony materiał wypala się w atmosferze nie utleniającej, by wytworzyć porowaty materiał na bazie węglika krzemu o żądanym kształcie. Według przedmiotowego wynalazku, ponieważ pierwiastek metaliczny lub związek zawierający pierwiastek metaliczny jest dodany do materiałów, takich jak cząstki węglika krzemu itp., skład i stan warstewki tlenkowej są zmienione. Dlatego, jak pokazano na fig. 3, powierzchnie cząstek 1 węglika krzemu i metalicznego krzemu 2 są pokryte fazą 4 związku krzemianowego. W rezultacie zwilżalność pomiędzy cząstkami 1 węglika krzemu a metalicznym krzemem 2 jest lepsza i można wytworzyć porowaty materiał na bazie węglika krzemu o lepszej wytrzymałości i przewodności cieplnej.

Poniżej objaśniono wynik uzyskiwany wtedy, gdy według przedmiotowego wynalazku pierwiastek metaliczny lub związek zawierający pierwiastek metaliczny dodaje się do materiałów takich jak cząstki węglika krzemu itp. Warstewka tlenkowa na cząstkach węglika krzemu itd. przemieszcza się podczas wypalania z powierzchni międzyfazowej pomiędzy cząstkami węglika krzemu a metalicznym krzemem do odpowiednich powierzchni. Równocześnie warstewka tlenkowa, to znaczy SiO2, reaguje z pierwiastkiem metalicznym tworząc związek systemu Mo- (M1O-, M2O-, ...) SiO2 (M, M1, M2, ... oznaczają co najmniej jeden rodzaj pierwiastka metalicznego) i następuje utrwalenie w stanie krystalicznym lub szklistym (bezpostaciowym) w fazie różniącej się od SiO2.

Pierwiastek metaliczny korzystnie ma punkt eutektyczny wobec SiO2 1200-1600°C, korzystniej 1300-1550°C, jeszcze korzystniej 1350-1500°C. Kiedy punkt eutektyczny jest poniżej 1200°C, roztopiony system MO- (M1O-, M2O-,...) SiO2 nie pozostaje trwały przy temperaturze zbliżonej do temperatury wypalania, gdy roztapia się metaliczny krzem i trudno jest uzyskać podczas wypalania wymienione wyżej polepszenie zwilżalności i powiększenie pola powierzchni styku. Dlatego taki punkt eutektyczny nie jest korzystny. Kiedy punkt eutektyczny jest powyżej 1600°C, reakcja pomiędzy MO (M1O, M2O, ...) a SiO2 nie przebiega wystarczająco podczas wypalania i trudno jest uzyskać wymienione wyżej polepszenie zwilżalności i powiększenie pola powierzchni styku, a więc taki punkt eutektyczny nie jest korzystny.

Nie ma żadnego szczególnego ograniczenia, jeśli chodzi o postać pierwiastka metalicznego lub związku zawierającego pierwiastek metaliczny i może on mieć postać proszku lub roztworu. Jako pierwiastek metaliczny korzystnie stosowany jest metal ziem alkalicznych, a jako metal ziem alkalicznych szczególnie korzystnie stosuje się wapń i/lub stront, aby uzyskać lepszą zwilżalność i większe pole powierzchni styku. Wapń i/lub stront jest szczególnie korzystny również ze względu na łatwe manipulowanie nim i dobrą dostępność.

W procesie wytwarzania porowatego materiału na bazie węglika krzemu według przedmiotowego wynalazku prażenie przeprowadza się korzystnie w temperaturze niższej niż temperatura topnienia metalicznego krzemu. W szczególności prażenie można przeprowadzać przetrzymując materiał przeznaczony do prażenia w określonej temperaturze 150-700°C lub stosując niewielką prędkość podwyższania temperatury 50°C/h lub mniejszą w danym zakresie temperatury. Przy prażeniu polegającym na trzymaniu prażonego materiału w określonej temperaturze możliwe jest utrzymywanie materiału tylko w jednej temperaturze lub w wielu wartościach temperatury zależnie od rodzaju i ilości zastosowanego spoiwa organicznego. Jeśli materiał trzyma się w wielu poziomach temperatury, wówczas czasy przetrzymywania mogą być takie same lub różne. Podobnie przy prażeniu z zastosowaniem niewielkiej prędkości podwyższania temperatury ta prędkość może być użyta tylko w jednym zakresie temperatury lub w wielu zakresach temperatury. Kiedy niewielka prędkość podwyższania temperatury stosowana jest w wielu zakresach temperatury, wówczas prędkości te mogą być takie same lub różne.

Aby otrzymać pewną strukturę, w której cząstki ogniotrwałe są spojone metalicznym krzemem, trzeba zmiękczyć metaliczny krzem. Ponieważ temperatura topnienia metalicznego krzemu wynosi 1410°C, wypalanie przeprowadza się korzystnie w temperaturze co najmniej 1410°C, aby otrzymać strukturę spojoną tylko metalicznym krzemem. W celu uzyskania struktury spojonej również fazą

PL 209 724 B1 związku krzemianowego wypalanie przeprowadza się korzystnie co najmniej 1300°C. Optymalna temperatura wypalania jest określona również przez mikrostrukturę i właściwości tworzonej struktury. Jednakże przy temperaturze wypalania wyższej niż 1600°C następuje parowanie metalicznego krzemu i spajanie metalicznym krzemem jest trudne. Dlatego temperatura wypalania wynosi 1300-1600°C, korzystnie 1350-1550°C.

W wymienionym wyżej procesie produkcyjnym z użyciem rekrystalizacji, opisanym w JP-A-6-182228, spajanie odbywa się pomiędzy cząstkami węglika krzemu i w rezultacie otrzymuje się spiek o dużej przewodności cieplnej. Jednakże, jak opisano poprzednio, ponieważ spiekanie przeprowadzane jest przez mechanizm parowania i skraplania, do parowania węglika krzemu potrzebna jest temperatura wypalania wyższa niż wymagana przy wytwarzaniu struktury plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku, a w celu otrzymania porowatego materiału na bazie węglika krzemu, umożliwiającego praktyczne zastosowanie, wypalanie musi być prowadzone w wysokiej temperaturze co najmniej 1800°C, zwykle co najmniej 2000°C.

Przedmiotowy wynalazek jest opisany poniżej bardziej szczegółowo w przykładach. Jednakże przedmiotowy wynalazek w żaden sposób nie jest ograniczony do tych przykładów.

Przykład porównawczy 1

Surowiec w postaci sproszkowanego SiC, posiadającego przeciętną średnicę cząstek 32,6 μm oraz proszek Si o przeciętnej średnicy cząstek 4 μm zmieszano w stosunku masowym 80 : 20. Do 100 części mas. uzyskanego proszku dodano 6 części mas. metylocelulozy jako spoiwa organicznego, 2,5 części mas. środka powierzchniowo czynnego i 24 części mas. wody, po czym zmieszano i zagnieciono równomiernie w celu otrzymania ciasta. Z ciasta tego za pomocą wytłaczarki uformowano kształtkę o strukturze plastra pszczelego, mającą zewnętrzną średnicę 45 mm, długość 120 mm, grubość ścianki 0,43 mm i gęstość komórek 100 komórek/cal² (16 komórek/cm²).

Materiał uformowany w strukturę plastra pszczelego prażono w celu rozłączenia w atmosferze o małej zawartości tlenu w temperaturze 550°C przez 3h, a następnie wypalano w atmosferze argonu przy ciśnieniu 2 hPa w temperaturze 1450°C przez 2h, aby otrzymać porowaty materiał na bazie węglika krzemu, z którego zbudowana jest struktura plastra pszczelego. Na fig. 5 przedstawiono mikrofotografię mikrostruktury tego porowatego materiału na bazie węglika krzemu. Na fig. 5 szare części są cząstkami węglika krzemu, białe części są metalicznym krzemem, a czarne części są porami. To samo odnosi się do mikrofotografii wymienionych poniżej.

Przykład porównawczy 2

Aż do prażenia postępowano tak samo jak w przykładzie 1. Otrzymany wyprażony materiał wypalano w atmosferze argonu, zawierającej 4% wodoru, w temperaturze 1450°C przez 2 h, aby otrzymać porowaty materiał na bazie węglika krzemu, tworzący strukturę plastra pszczelego. Na fig. 6 przedstawiono mikrofotografię mikrostruktury tego porowatego materiału na bazie węglika krzemu.

P r z y k ł a d 3

Surowiec w postaci sproszkowanego SiC o przeciętnej średnicy cząstek 32,6 μm i proszek Si o przeciętnej średnicy cząstek 4 μm zmieszano w stosunku masowym 80 : 20.

Do 100 części mas. uzyskanego proszku dodano 1% mas. (0,4% mas. w przeliczeniu na wapń) węglanu wapnia i składniki te zmieszano ze sobą. Do 100 części mas. uzyskanego proszku dodano 6 części mas. metylocelulozy jako spoiwa organicznego, 2,5 części mas. środka powierzchniowo czynnego i 24 części mas. wody, po czym zmieszano i równomiernie zagnieciono, by otrzymać ciasto. Z ciasta tego za pomocą wytłaczarki uformowano kształtkę struktury plastra pszczelego o zewnętrznej średnicy 45 mm, długości 120 mm, grubości przegrody 0,43 mm i gęstości komórek 100 komórek/cal²(16 komórek/cm²).

Materiał uformowany w strukturę plastra pszczelego prażono w celu rozłączenia w atmosferze o małej zawartości tlenu w temperaturze 550°C przez 3h, a następnie wypalano w atmosferze argonu w temperaturze 1450°C przez 2 h, by otrzymać porowaty materiał na bazie węglika krzemu o strukturze plastra pszczelego. Na fig. 7 przedstawiono mikrofotografię mikrostruktury tego porowatego materiału na bazie węglika krzemu.

P r z y k ł a d 4

Porowaty materiał na bazie węglika krzemu o strukturze plastra pszczelego wytworzono w taki sam sposób jak w przykładzie 3 z tym wyjątkiem, że dodatek 1% mas. (0,4% mas. w przeliczeniu na wapń) węglanu wapnia zastąpiono przez 1% mas. (0,6% mas. w przeliczeniu na stront) węglanu strontu.

PL 209 724 B1

P r z y k ł a d 5

Porowaty materiał na bazie węglika krzemu o strukturze plastra pszczelego wytworzono w taki sam sposób jak w przykładzie 3 z tym wyjątkiem, że zestaw złożony z proszku SiC i proszku Si w stosunku masowym 80 : 20 zastą piono zestawem złożonym z proszku SiC, proszku Si i sproszkowanego kordierytu (krzemian magnezowo-glinowy) w stosunku masowym 80 : 10 : 10.

Przykład porównawczy 3

Aż do prażenia postępowano jak w przykładzie 1. Otrzymany prażony materiał wypalano w atmosferze argonu pod ciśnieniem normalnym w temperaturze 1450°C przez 2h, aby otrzymać porowaty materiał na bazie węglika krzemu o strukturze plastra pszczelego. Na fig. 8 przedstawiono mikrofotografię mikrostruktury tego porowatego materiału na bazie węglika krzemu.

Każdy z materiałów porowatych na bazie węglika krzemu, otrzymanych w przykładach 1-3 i w porównawczym przykł adzie 3 mierzono pod wzglę dem przecię tnej ś rednicy porów za pomocą porozymetru rtęciowego, jak również pod względem porowatości metodą Archimedesa. Z każdego porowatego materiału wycięto próbki i badano wytrzymałość w temperaturze pokojowej w próbie 3-punktowego zginania za pomocą urządzenia do badań materiałowych, a ponadto mierzono przewodność cieplną metodą błysku laserowego. Wyniki przedstawiono w tabeli 1.

T a b e l a 1

	Przeciętna średnica porów (μιτι)	Porowatość (%)	Wytrzymałość (MPa)	Przewodność cieplna (W/mK)
Przykład 1	15	53	13	21
Przykład 2	15	51	19	17
Przykład 3	14	50	23	16
Przykład 4	13	49	27	16
Przykład 5	15	48	34	8
Przykład porównawczy 3	7	42	11	14

Jak podano w tabeli 1, porowate materiały na bazie węglika krzemu z przykładów 1-5 w porównaniu z porowatym materiałem na bazie węglika krzemu z przykładu porównawczego 3 mają dużą przeciętną średnicę porów i dużą porowatość. Ponadto porowate materiały na bazie węglika krzemu z przykładów 1-4 w porównaniu z porowatym materiałem na bazie węglika krzemu z porównawczego przykładu 3 mają dużą wytrzymałość i przewodność cieplną oraz odpowiednio większą odporność na wstrząs termiczny i można stwierdzić korzystny wpływ przedmiotowego wynalazku.

Porowaty materiał na bazie węglika krzemu z przykładu 5 ma w przybliżeniu taką samą przeciętną średnicę porów, porowatość i wytrzymałość jak porowate materiały na bazie węglika krzemu z przykł adów 1-4, ale ma małą przewodność cieplną . Uważ a się , ż e porowaty materiał na bazie wę glika krzemu z przykładu 5 ma mniejszą przewodność cieplną, ponieważ zawiera kordieryt, który jest krzemianem magnezowo-glinowym. Wynika z tego, że przez kontrolowanie użytych materiałów i ich składu uzyskany porowaty materiał na bazie węglika krzemu może mieć właściwości dotyczące porów (np. przeciętną średnicę cząstek i porowatość), właściwości mechaniczne (np. wytrzymałość) i właściwości cieplne (np. przewodność cieplną) odpowiednio kontrolowane, by dopasować go do zastosowania.

Ponadto porowate materiały na bazie węglika krzemu z przykładów 1-3, jak pokazano na fig. 5-7, mają ostry kąt styku pomiędzy cząstkami węglika krzemu a metalicznym krzemem i duże pole powierzchni styku. Ponadto pory są utworzone przez szczeliny pomiędzy domenami i można stwierdzić pory o dużej średnicy w porównaniu z przykładem z fig. 8, gdzie kąt styku pomiędzy cząstkami węglika krzemu a metalicznym krzemem jest kątem rozwartym.

Jak opisano powyżej, porowaty materiał na bazie węglika krzemu i struktura plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku zawierają ogniotrwałe cząstki, takie jak cząstki węglika krzemu, a jednak podczas ich wytwarzania mogą być spiekane w stosunkowo niskiej temperaturze wypalania, dzięki czemu można je uzyskać przy niskim koszcie produkcji, dużej wydajności i niskiej cenie produktu. Ponadto porowaty materiał na bazie węglika krzemu ma żądaną mikrostrukturę i odpowiednie właściwości, takie jak duża porowatość, duża przewodność cieplna i duża wytrzymałość. W zastosowaniu

PL 209 724 B1 np. w filtrze spalin z silnika wysokoprężnego, gdy osadzone na nim cząstki są wypalane w celu regeneracji filtru, nie ma takiego lokalnego wytwarzania ciepła, by filtr został uszkodzony. Ponieważ ma on strukturę porowatego plastra pszczelego, materiał taki może być odpowiednio stosowany, nawet w warunkach dużego objętościowego natężenia przepływu, jako filtr do oczyszczania spalin samochodowych, nośnik katalizatora itd.

Ponadto w procesie wytwarzania porowatego materiału na bazie węglika krzemu według przedmiotowego wynalazku porowaty materiał na bazie węglika krzemu o dużej porowatości i dużej przewodności cieplnej oraz o lepszej wytrzymałości może być wytwarzany niedrogo w przedstawionych etapach i warunkach.

Claims

1. Materiał porowaty na bazie węglika krzemu, zawierający cząstki węglika krzemu jako wypełniacz i metaliczny krzem, znamienny tym, że przeciętna średnica cząstek porowatego materiału na bazie węglika krzemu wynosi co najmniej 0,25 przeciętnej średnicy cząstek węglika krzemu, przy czym kąt styku pomiędzy cząstkami węglika krzemu a metalicznym krzemem jest kątem ostrym, natomiast materiał porowaty na bazie węglika krzemu zawiera bezpostaciową lub krystaliczną fazę związku krzemianowego na lub w sąsiedztwie z cząstkami węglika krzemu i/lub z metalicznym krzemem, a cząstki węglika krzemu są spojone ze sobą metalicznym krzemem i/lub fazą związku krzemianowego, przy czym faza związku krzemianowego zawiera co najmniej jeden metaliczny pierwiastek inny niż krzem oraz dwutlenek krzemu, a zawartość tego co najmniej jednego metalicznego pierwiastka w stosunku do sumy cząstek węglika krzemu i metalicznego krzemu wynosi 0,1-10% mas. oraz co najmniej jeden metaliczny pierwiastek jest metalicznym pierwiastkiem ziem alkalicznych, przy czym zawartość metalicznego krzemu w stosunku do sumy cząstek węglika krzemu i metalicznego krzemu stanowi 5-50% mas.

2. Materiał porowaty wedł ug zastrz. 1, znamienny tym, ż e wszystkie wtórne czą stki strukturalne uformowane przez kontakt co najmniej czterech cząstek węglika krzemu z jednym metalicznym krzemem są spojone ze sobą metalicznym krzemem, aby utworzyć porowatą strukturę.

3. Materiał porowaty według zastrz. 2, znamienny tym, że liczba cząstek węglika krzemu zawartych w jednej wtórnej cząstce strukturalnej stanowi co najmniej 30% liczby cząstek węglika krzemu zawartych w porowatym materiale na bazie węglika krzemu.

4. Materiał porowaty według zastrz. 1, znamienny tym, że pole powierzchni sprzężenia pomiędzy cząstkami węglika krzemu a metalicznym krzemem stanowi co najmniej 50% sumy pola powierzchni sprzężenia i pola powierzchni metalicznego krzemu.

5. Materiał porowaty wedł ug zastrz. 1, znamienny tym, ż e faza zwią zku krzemianowego zawiera co najmniej jeden metaliczny pierwiastek inny niż krzem oraz dwutlenek węgla, a punkt eutektyczny pomiędzy tym co najmniej jednym pierwiastkiem metalicznym a dwutlenkiem krzemu wynosi 1200-1600°C.

6. Materiał porowaty wedł ug zastrz. 1, znamienny tym, ż e ten co najmniej jeden metaliczny pierwiastek zawiera ponadto pierwiastek metaliczny inny niż metaliczny pierwiastek ziem alkalicznych.

7. Materiał porowaty według zastrz. 1 albo 6, znamienny tym, że pierwiastkiem metalicznym ziem alkalicznych jest wapń i/lub stront.

8. Materiał porowaty według zastrz. od 1 do 7, znamienny tym, ż e ma strukturę plastra pszczelego.

9. Sposób wytwarzania materiał u porowatego na bazie wę glika krzemu zdefiniowanego jak w zastrz. 1, znamienny tym, że dodaje się metalicznego pierwiastka lub związku zawierającego metaliczny pierwiastek i metalicznego krzemu oraz organicznego spoiwa do materiału z cząstek węglika krzemu, miesza się i zagniata je, po czym z uzyskanego ciasta formuje się określoną kształtkę, którą następnie praży się aż do usunięcia spoiwa organicznego, po czym wypala się wyprażony materiał w zakresie temperatury 1300-1600°C w nieutleniają cej atmosferze.

10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że jako pierwiastek metaliczny stosuje się metaliczny pierwiastek o punkcie eutektycznym z dwutlenkiem krzemu 1200-1600°C.

11. Sposób według zastrz. 9 lub 10, znamienny tym, że jako pierwiastek metaliczny stosuje się pierwiastek metaliczny ziem alkalicznych.

12. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że jako pierwiastek metaliczny ziem alkalicznych stosuje się wapń i/lub stront.

PL 209 724 B1

13. Sposób według zastrz. od 9 do 12, znamienny tym, że jako związek zawierający pierwiastek metaliczny stosuje się co najmniej jeden rodzaj wybrany z grupy złożonej z fluorków, węglików, chlorków, krzemków, węglanów, wodorotlenków, tlenków, soli kwasów nieorganicznych i soli kwasów organicznych.

14. Sposób według zastrz. 13, znamienny tym, że jako sól kwasu nieorganicznego stosuje się krzemian.

15. Sposób według zastrz. od 9 do 14, znamienny tym, że z ciasta kształtuje się kształtkę o strukturze plastra pszczelego.