導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法
【課題】簡易な工程で、電気抵抗を広い範囲内で容易に調整することが可能な導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】製造方法は、窒化珪素粉末と炭素質物質とからなり珪素と炭素のモル比が０．５〜１．５である炭化珪素生成原料、及び、骨材としての炭化珪素粉末を含む混合原料で、単一の軸方向Ｚに延びて列設された複数の隔壁１４により区画された複数のセル１５を備えるハニカム構造の成形体を成形する成形工程と、成形体を非酸化雰囲気で焼成し、導電性の基体１０とする焼成工程と、基体を、軸方向の一端から軸方向に沿って他端に至ることなく切断してスリット部１１を形成する切断工程と、スリット部を、電気絶縁性または基体より電気伝導率の小さい充填材１２で充填する充填工程とを具備する。
【解決手段】製造方法は、窒化珪素粉末と炭素質物質とからなり珪素と炭素のモル比が０．５〜１．５である炭化珪素生成原料、及び、骨材としての炭化珪素粉末を含む混合原料で、単一の軸方向Ｚに延びて列設された複数の隔壁１４により区画された複数のセル１５を備えるハニカム構造の成形体を成形する成形工程と、成形体を非酸化雰囲気で焼成し、導電性の基体１０とする焼成工程と、基体を、軸方向の一端から軸方向に沿って他端に至ることなく切断してスリット部１１を形成する切断工程と、スリット部を、電気絶縁性または基体より電気伝導率の小さい充填材１２で充填する充填工程とを具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通電により発熱させる導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素は、熱伝導率が高いことに加えて熱膨張率が小さいことから、耐熱衝撃性に優れ、高温下での使用に適している。ここで、高純度の炭化珪素は電気抵抗が大きく絶縁体に近いが、導電性が付与された炭化珪素質セラミックスのハニカム構造体は、通電して発熱させることにより、ハニカム構造のセル内を流通するガスを加熱する発熱体として用いることができる。例えば、自動車の排ガス浄化装置では、排ガス中に含まれる窒素酸化物や炭化水素を燃焼除去する温度を低下させるために触媒が用いられることがあるが、触媒担体よりガス流通の上流側にハニカム構造体を配置することにより、触媒の作用に適した温度まで排ガスの温度を上昇させることができる。或いは、ハニカム構造体に触媒を担持させれば、通電によって触媒担体自体を触媒の作用に適した温度まで昇温させることができる。
【０００３】
更に、導電性炭化珪素質ハニカム構造体を多孔質とすることにより、自己発熱型のフィルタ基体として使用することが可能である。例えば、ディーゼルエンジンから排出されるガスに含まれる粒子状物質を捕集除去するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、「ＤＰＦ」と称することがある）では、捕集された粒子状物質がある程度堆積した時点で、粒子状物質を燃焼させる再生処理が行われる。その際、通電によりフィルタ基体を自己発熱させて粒子状物質を燃焼・除去すれば、外部加熱により粒子状物質を燃焼させる場合とは異なり、バーナーやヒーター等の加熱装置が不要となる。また、外部加熱の場合は、局所的な加熱によりフィルタ基体が溶損するおそれや、大きな温度勾配によってフィルタ基体に亀裂や割れが発生するおそれがあるところ、自己発熱型のフィルタ基体の場合は、そのようなおそれが少ないという利点も有している。
【０００４】
ここで、炭化珪素に導電性を付与する方法としては、微量の不純物を添加することにより半導体とする方法が公知である。例えば、炭化珪素を除く炭化物、窒化物、ホウ化物、酸化物から選ばれる少なくとも一種の添加剤を炭化珪素に添加することにより、導電性を有すると共に粒子状物質の捕集に適した気孔を有するＤＰＦを製造する「排気ガスフィルタの製造方法」が提案されている（特許文献１参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、窒化アルミニウム、窒化チタン、二ホウ化チタンなどの添加剤を、炭化珪素１００質量部に対して５〜１５質量部と、多量に添加する必要があった。また、原料の炭化珪素粉末と添加剤とを水で混練するために、予め撥水性を有する樹脂で添加剤を被覆しておく工程が必要であり、製造工程が複雑で手間がかかるという問題があった。
【０００６】
また、特許文献１により製造された炭化珪素質ハニカム構造体の比抵抗値は１０−２〜１Ω・ｃｍと小さく、応用範囲が限定されると考えられた。これは、導電性の炭化珪素質セラミックスは、温度の上昇に伴って電気抵抗が減少するＮＴＣ特性を有するため、電気抵抗が小さい場合は、目的とする温度まで昇温させるための電流値が過大となるおそれがあるためである。
【０００７】
加えて、実用的な導電性ハニカム構造体としては、電気抵抗値がより広い範囲で調整されていることが要請される。これは、例えばＤＰＦであれば、取付け対象の車体の大きさや構造によってＤＰＦのサイズが規定されることにより、求められるフィルタ基体のサイズが極めて多種類となるためであり、これに伴い、再生処理の際に所定時間内で所定温度まで昇温させるために要請される電気抵抗値も、多様となるためである。
【０００８】
しかしながら、特許文献１の技術のように、添加剤の種類や添加量を調整することによって電気抵抗値を変化させようとすると、多種類の電気抵抗値が要請されるのに対応して、多種類の組成の原料を調製しなくてはならず、多大な労力を要すると共に経済性にも劣る。
【０００９】
そこで、本発明は、上記の実情に鑑み、簡易な工程で、電気抵抗値を広い範囲内で容易に調整することが可能な、導電性炭化珪素質ハニカム構造の製造方法の提供を、課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するため、本発明にかかる導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法は、「窒化珪素粉末と炭素質物質とからなり珪素と炭素のモル比が０．５〜１．５である炭化珪素生成原料、及び、骨材としての炭化珪素粉末を含む混合原料で、単一の軸方向に延びて列設された複数の隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造の成形体を成形する成形工程と、前記成形体を非酸化雰囲気で焼成し、導電性の基体とする焼成工程と、前記基体を、前記軸方向の一端から前記軸方向に沿って他端に至ることなく切断してスリット部を形成する切断工程と、前記スリット部を、電気絶縁性または前記基体より電気伝導率の小さい充填材で充填する充填工程と」を具備している。
【００１１】
本発明は、いわゆる“反応焼結”により炭化珪素質セラミックスの焼結体を得ること、焼成と同時に炭化珪素に導電性を付与すること、及び、ある電気抵抗値を有する単一の焼結体を基体としてスリット部を形成し、スリット部を電気絶縁性または基体より電気伝導率の小さい充填材で充填することによって電気抵抗値を調整することを特徴とする。
【００１２】
ここで、反応生成する炭化珪素の珪素源は「窒化珪素粉末」であり、炭素源は「炭素質物質」である。そして、炭化珪素の生成に際して珪素源である窒化珪素の分解により生じた窒素は、生成した炭化珪素に不純物としてドープされ、炭化珪素はｎ型半導体となる。すなわち、炭化珪素を生成させる原料である窒化珪素が、炭化珪素に導電性を付与するドーパントを兼ねている。また、得られる焼結体は、窒素が固溶した炭化珪素である。
【００１３】
また、炭化珪素の生成に伴い、炭素源である炭素質物質の消失跡には気孔が形成されるため、造孔剤を特に添加することなく、多孔質の焼結体が得られる。そのため、製造されるハニカム構造体は、フィルタ基体や触媒担体として適したものとなる。
【００１４】
上記の反応焼結では、化学量論的には珪素及び炭素のモル比（Ｓｉ／Ｃ）が１のときに過不足なく炭化珪素が生成する。ここで、Ｓｉ／Ｃが０．５より小さいと、残存する炭素分が多すぎ、粗大気孔の原因となると共に生成した炭化珪素の粒子成長が阻害される。一方、Ｓｉ／Ｃが１．５より大きい場合は、炭化珪素の反応生成量が少なく、反応焼結が不十分となる。なお、Ｓｉ／Ｃは０．８〜１．２であれば、珪素及び炭素の過剰分または不足分が少なく、より望ましい。
【００１５】
「炭素質物質」としては、黒鉛、石炭、コークス、木炭、カーボンブラックなどを使用可能である。また、導電性炭化珪素質ハニカム構造体をフィルタ基体として使用する場合は、「炭素質物質」として平均粒子径５μｍ〜５０μｍという粒径のものを用いれば、その消失跡にフィルタ基体として適した大きさの気孔が形成されるため、望ましい。また、平均粒子径５μｍ〜５０μｍという、比較的大きな粒径の炭素質物質を用いることにより、炭素源が微細な粒子である場合に比べて、炭化珪素の生成反応の開始は遅くなるものの、生成した炭化珪素がネック形成できるほどに粒子成長するのが早く、強固なネックを早期に形成させることができるため、高強度の多孔質焼結体を得ることができる。
【００１６】
骨材としての炭化珪素粉末の混合原料における割合が小さ過ぎる場合は、得られる焼結体の強度が低いものとなり易く、大き過ぎる場合はその分だけ炭化珪素生成原料の割合が小さくなり、反応焼結が不十分となるおそれがある。そのため、骨材としての炭化珪素粉末の混合原料における割合は、６０〜９５質量％とすることが望ましい。
【００１７】
「焼成工程」における「非酸化雰囲気」は、アルゴンやヘリウム等の不活性ガス雰囲気、或いは、真空雰囲気とすることができる。また、「焼成工程」における焼成温度は１８００〜２３００℃とすれば、実用的な焼成時間で十分な機械的強度の焼結体を得ることができ、望ましい。これは、焼成温度が低過ぎる場合は反応焼結が不十分となるおそれがあり、２３５０℃を超えると生成した炭化珪素が昇華するおそれがあるためである。
【００１８】
上記のように、本発明では、炭化珪素を反応焼結させており、反応生成の珪素源に窒化珪素を使用しているため、導電性を付与するための添加剤を特に添加することなく、焼結体を導電性とすることができる。
【００１９】
そして、基体としての焼結体にスリット部を形成し、スリット部を充填材で充填することにより、簡易に電気抵抗値を調整することができる。すなわち、基体の外周面に一対の電極を取り付けると、導電性の基体に電気の流れが生じるが、電流の経路はスリット部によって制限される。具体的には、スリット部に充填される充填材が電気絶縁性の場合は、電流はスリット部を迂回して流れる。ここで、スリット部は基体の一端から他端に至ることなく切断されることにより形成された構成であるため、充填材が電気絶縁性であっても、電流の経路がスリット部によって遮断されてしまうことはない。一方、スリット部に充填される充填材の電気伝導率が基体より小さい場合は、スリット部を介した電気の流れも生じるものの、スリット部のない部分で基体に電気が流れやすい。従って、何れの場合も、スリット部の長さや本数等によってハニカム構造体の電気抵抗を変化させ、所望の値に調整することができる。
【００２０】
これにより、反応焼結によってある電気抵抗を有する導電性の焼結体を製造し、その後に、スリット部を形成しその内部を充填する工程を付加するのみの簡易な工程で、電気抵抗値の異なる多種類の導電性炭化珪素質ハニカム構造体を製造することができる。
【００２１】
仮に、スリット部に何も充填せず、スリット部の内部空間が空気の層である場合は、電流の経路を制限し電気抵抗を増加させることは可能であるものの、基体の強度が低下し破損しやすくなる、基体がねじれる等の変形が生じやすくなる、基体が振動しやすくなる等の不都合が生じるおそれがある。これに対し、本発明ではスリット部を充填材で充填するため、このような不都合が生じるおそれが低減される。
【００２２】
また、仮に、スリット部をセルの延びる軸方向に対して、交差する方向に形成する場合は、セルを流通するガスの流れが充填材の層によって妨げられる。これに対し、本発明ではセルの延びる軸方向にスリット部を形成するため、セル内のガス流通が充填材によって妨げられることがないものとなっている。
【００２３】
本発明にかかる導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法は、上記構成において、「前記充填材は焼成しない」ものとすることができる。
【００２４】
上記構成の本発明では、充填工程の後に、充填材が焼結する程の温度で加熱する工程は備えない。その結果、製造される導電性炭化珪素質ハニカム構造体においては、スリット部内の充填材の層は、焼結体である基体より柔軟な層となる。これにより、ハニカム構造体に通電した際に発生する熱応力を、充填材の層で緩和することができる。すなわち、スリット部の内部に充填材を充填することにより、スリット部は、電気抵抗を所望の値に調整できる作用効果に加えて、熱応力を緩和する作用効果をも奏するものとなる。
【００２５】
本発明にかかる導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法は、上記構成において、「前記切断工程では、前記軸方向の一端に開口するスリット部と、他端に開口するスリット部とを隣接して形成する」ものとすることができる。
【００２６】
このような構成とすることにより、同方向に開口する複数のスリット部を隣接させる場合に比べて、電流の経路を長くすることができ、電気抵抗値を効率的に調整することができる。
【００２７】
本発明にかかる導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法は、上記構成において、「前記焼成工程の前または後に、前記軸方向の一端に開放したセルと他端に開放したセルとが交互となるように、それぞれの前記セルの一端を封止する封止工程を具備する」ものとすることができる。
【００２８】
このような構成とすることにより、ウォールフロータイプの自己発熱型のフィルタ基体として適する、電気抵抗の異なる多種類の導電性炭化珪素質ハニカム構造体を、簡易な工程で製造することができる。
【発明の効果】
【００２９】
以上のように、本発明の効果として、簡易な工程で、電気抵抗値を広い範囲内で容易に調整することが可能な、導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本実施形態の製造方法で製造される導電性炭化珪素質ハニカム構造体の（ａ）斜視図、及び（ｂ）スリット部が存在する位置で軸方向に直交する方向に切断した断面図である。
【図２】実施例の試料Ｓ１〜Ｓ４、及び、参照試料Ｒの側面図である。
【図３】温度上昇に伴う電気抵抗値の変化を示すグラフである。
【図４】電流の経路の長さに対する電気抵抗値の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の一実施形態である導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法について説明する。ここでは、ＤＰＦの基体として使用される導電性炭化珪素質ハニカム構造体を製造する場合を例示する。本実施形態の導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法（以下、単に「製造方法」と称する）は、窒化珪素粉末と炭素質物質とからなり珪素と炭素のモル比が０．５〜１．５である炭化珪素生成原料、及び、骨材としての炭化珪素粉末を含む混合原料で、単一の軸方向に延びて列設された複数の隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造の成形体を成形する成形工程と、得られた成形体において軸方向の一端に開放したセルと他端に開放したセルとが交互となるように、それぞれのセルの一端を封止する封止工程と、成形体を非酸化雰囲気で焼成し、導電性の基体とする焼成工程と、基体を、軸方向の一端から軸方向に沿って他端に至ることなく切断してスリット部を形成する切断工程と、スリット部を、電気絶縁性または基体より電気伝導率の小さい充填材で充填する充填工程と、充填材を焼結しない温度で硬化させる熱処理工程とを具備している。
【００３２】
かかる製造方法により、次の構成の導電性炭化珪素質ハニカム構造体が製造される。すなわち、図１（ａ），（ｂ）に例示するように、導電性炭化珪素質ハニカム構造体１は、導電性を有する炭化珪素質セラミックスの焼結体で形成され、単一の軸方向Ｚに延びて列設された複数の隔壁１４により区画された複数のセル１５を備える基体１０と、基体１０の軸方向Ｚの一端に開口し、他端に至ることなく軸方向Ｚに延びるスリット部１１と、スリット部１１の内部に充填された、電気絶縁性または基体より電気伝導率の小さい、非焼結の充填材１２とを具備している。
【００３３】
本実施形態の製造方法をより詳細に説明すると、成形工程では、窒化珪素粉末と炭素質物質とからなる炭化珪素生成原料、及び、骨材としての炭化珪素粉末の混合原料に、バインダー、分散剤等の添加剤を添加し、水と混合・混錬して混錬物とし、これを押出成形することにより、ハニカム構造の成形体を得る。なお、この成形工程の後に、成形体を乾燥する乾燥工程を行ってもよい。このような乾燥工程は、調温調湿槽内での送風乾燥、外部加熱乾燥、マイクロ波照射による内部加熱乾燥等により行うことができる。
【００３４】
次に、成形体において、それぞれのセルの一端を、軸方向の一端に開放したセルと他端に開放したセルとが交互となるように封止する。封止する材料としては、炭化珪素を主成分（例えば、封止材料の全質量における炭化珪素の割合を５０質量％以上）とすれば、セルの隔壁と封止部とで熱膨張率が近いものとなり、界面近傍で熱応力が発生しにくいため望ましい。なお、封止工程は、焼成工程の後に行うこととしても良い。
【００３５】
焼成工程では、加熱炉を非酸化雰囲気として、成形体に熱衝撃を与えない速度で昇温し、１８００〜２３００℃の所定の焼成温度で一定時間保持する。焼成時間は、成形体のサイズにもよるが、例えば、１０分〜３時間とすることができる。この焼成工程において、珪素源の窒化珪素と炭素源の炭素質物質とが反応して炭化珪素が生成し、骨材としての炭化珪素を取り囲むように反応焼結する。
【００３６】
この焼成工程では、炭化珪素の反応生成に際して、窒化珪素の分解により生じた窒素が炭化珪素中に固溶し、純度が高ければ絶縁体である炭化珪素がｎ型半導体となる。このとき、窒素は、骨材としての炭化珪素より、反応焼結によってその周囲に新たに生成された炭化珪素、及び、炭化珪素の粒子間に成長するネック部分に、主に固溶すると考えられる。
【００３７】
また、反応焼結による炭化珪素の生成に伴い、炭素源である炭素質物質の消失跡に気孔が形成される。そして、更に、ネック形成できるほどに炭化珪素の粒子が成長し、粒子間に形成されたネックが更に成長する。ここで、炭素質物質として平均粒子径が５μｍ〜５０μｍと大きいものを使用すれば、その消失跡には、炭化珪素の粒子成長及びネック成長によっても塞がることがなく、フィルタ基体として適した大きさの気孔が形成される。
【００３８】
切断工程では、電動ノコギリ等の切断工具で、基体（焼結体）の一端側から他端側に向かって、軸方向に沿って切断する。このとき、基体の一端側から開始した切断は、他端に至る前に停止し、他端側には切断されない部分を残す。ここで、スリット部の幅が広すぎる場合は、基体の強度が低下するおそれがあるため、切断刃の切り代程度の幅である０．８ｍｍ〜３ｍｍとすると望ましい。なお、上記のように、スリット部は軸方向の一端に開口し他端には至らない構成であるが、軸方向に垂直な方向については、図１に示したように基体を貫通するようにスリット部を設ける場合の他、基体の一部のみを切断するようにスリット部を設けても構わない。
【００３９】
充填工程では、スリット部の開口から充填材を充填する。充填材としては、例えば、電気絶縁性のセラミックス粉末を、コロイダルシリカ等の無機バインダー、有機バインダー、分散剤、粘度調整剤等の添加剤等と混合したものを使用することができる。ここで、電気絶縁性のセラミックス粉末としては、例えば、不純物を固溶させていない高純度の電気絶縁性の炭化珪素を主成分（例えば、充填材の全質量における炭化珪素の割合を５０％以上）とすれば、充填材の層と基体とで熱膨張率が近いものとなり、界面近傍で熱応力が発生しにくいため望ましい。
【００４０】
また、充填材に球状粒子を含有させれば、充填材の流動性が増し、細長いスリット部の内部空間に充填材を充填する作業が容易となる。なお、球状粒子は真球に近い球状であることが望ましく、粒子における最大直径と最小直径との差の平均粒子径に対する百分率で真球の度合いを表した場合、５０％以下であることが望ましく、２０％以下であればより望ましい。
【００４１】
或いは、充填材にセラミックス繊維またはセラミックウィスカを含有させれば、充填材の層の靭性が増し、基体にスリット部を形成したことに起因するハニカム構造体の機械的強度の低下を抑制することができる。ここで、「セラミックス繊維」としては、アルミナ繊維、アルミナ・シリカ繊維、シリカ繊維、ジルコニア繊維、窒化珪素繊維、炭化珪素繊維を例示することができる。また、「セラミックウィスカ」としては、ホウ酸アルミニウムウィスカ、チタン酸カリウムウィスカ、マグネシアウィスカ、ウォラストナイト、炭化珪素ウィスカ、窒化珪素ウィスカ、アルミナウィスカを例示することができる。
【００４２】
熱処理工程は、酸化雰囲気下において、６５０℃〜８５０℃で１時間〜３時間程度保持することにより行うことができる。この工程により、充填材に含有された有機成分が除去されると共に、無機バインダーによって充填材の粒子が結合され、充填材の層が硬化する。なお、焼成工程において炭化珪素の生成反応に使用されずに炭素質物質が残留していたとしても、この熱処理工程において炭素質物質も燃焼除去される。
【００４３】
以上のように本実施形態の製造方法では、電導性の焼結体を製造し、これを基体としてスリット部を形成し、スリット部内を充填材で充填する。そして、スリット部の長さ、本数、幅、位置関係、及び充填材の電気伝導率を変化させることによって、電気抵抗値の多様な導電性炭化珪素質ハニカム構造体を製造することができる。
【実施例】
【００４４】
次に、具体的な実施例について説明する。まず、表１に示す組成の混合原料に、バインダーとしてカルボキシメチルセルロース（ダイセル化学工業製、ＣＭＣダイセル）、分散剤（ユニケマ製、ＫＤ−２）を添加し、水を加えて混練して混練物を得た。この混練物を押出成形し、サイズ３５ｍｍ×３５ｍｍ×１５０ｍｍ、セル密度３００ｃｐｓｉ、隔壁の壁厚０．３ｍｍのハニカム構造の成形体を作製した（成形工程）。また、同一の混練物を封止材として、それぞれのセルの一端側を封止した（封止工程）。
【００４５】
【表１】
【００４６】
封止工程を経た成形体を乾燥させた後（乾燥工程）、非酸化雰囲気下で２３００℃，１０分間焼成することにより反応焼結させ、導電性の焼結体を得た（焼成工程）。得られた焼結体の平均気孔率を、水銀圧入法（島津製作所製ポアサイザ９３１０）により測定したところ、メディアン径は１８．８μｍであった。また、水銀の圧入量より算出された見掛け気孔率は４５．８％であった。
【００４７】
このような焼結体を基体１０とし、図２（ａ）〜（ｄ）に示すようにスリット部１１を形成し、長さ及び本数の異なるスリット部を備える４種類の試料Ｓ１〜Ｓ４を作製した（切断工程）。詳細には、試料Ｓ１では中央に一本のスリット部を形成した（図２（ａ）参照）。スリット部の長さは、電極１８の取付位置を基準とし、スリット部１１の閉端までの長さをＬ＝５０ｍｍとした。試料Ｓ２は、スリット部の本数は試料Ｓ１と同じく一本であるが、スリット部の長さを２倍（２Ｌ＝１００ｍｍ）とした（図２（ｂ）参照）。試料Ｓ３には、試料Ｓ２と同一長さのスリット部を、ほぼ等間隔で二本形成した（図２（ｃ）参照）。二本のスリット部の内、一本は基体の軸方向の一端に開口させ、もう一本は基体の他端に開口させた。試料Ｓ４には、試料Ｓ２及び試料Ｓ３と同一長さのスリット部を、ほぼ等間隔で三本形成した（図２（ｄ）参照）。三本のスリット部は、基体の軸方向の一端に開口するスリット部と基体の他端に開口するスリット部とを隣接させた。なお、何れの試料においても、スリット部の幅は１ｍｍとした。また、各試料においてスリット部１２は、図１に示した構成と同様に、軸方向に垂直な方向では基体１０を貫通するように形成した。
【００４８】
形成されたスリット部のそれぞれに、組成Ａの充填材を充填した（充填工程）。ここで、組成Ａの充填材は、炭化珪素粉末（平均粒子径３０μｍ）４９質量％、炭化珪素粉末（平均粒子径１．５μｍ）３９質量％、及び、ウォラストナイト（平均粒子長さ３０μｍ）１２質量％に、有機バインダーとしてのカルボキシメチルセルロース（ダイセル化学工業製、ＣＭＣダイセル）、無機バインダーとしてのコロイダルシリカ（日産化学工業製、スノーテックス３０）、及び、分散剤（ユニケマ製、ＫＤ−２）を添加し、水を加えて混合したものである。
【００４９】
その後、空気雰囲気下において８５０℃で１時間加熱し、充填材に含まれる有機成分を除去すると共に、充填材を硬化させた（熱処理工程）。形成された充填材の層は、電気絶縁性である。
【００５０】
上記の工程を経て得られた各試料において、軸方向の端部近傍の外周面に、１０ｍｍ幅に銀ペーストを焼き付けて電極１８とした。ここで、それぞれの試料において、電流の経路が最長となるように一対の電極を設けた。具体的には、試料Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４では、軸方向における同一の端部側に、一対の電極を対向させて設けた。また、試料Ｓ３では、一対の電極それぞれを、軸方向における異なる端部の対向する面に設けた。なお、図２では電極１８の厚さを誇張して図示している。
【００５１】
また、図２（ｅ）に示すように、上記と同一の焼結体を基体１０としスリット部が形成されていない試料を対照試料Ｒとし、同一軸方向の両端に１００ｍｍの間隔をあけて電極１８を設けた。
【００５２】
試料Ｓ１〜Ｓ４、及び、対照試料Ｒについて、昇温に伴う電気抵抗値の変化を測定した。電気抵抗値の測定は、一対の電極を介して各試料に通電し、熱電対の指示温度が所定の温度に達した時点で、電圧及び電流を測定することにより行った。表２〜表５に、それぞれ試料Ｓ１〜Ｓ４に関する測定結果を示し、表６に参照試料Ｒに関する測定結果を示す。
【００５３】
【表２】
【００５４】
【表３】
【００５５】
【表４】
【００５６】
【表５】
【００５７】
【表６】
【００５８】
上記の測定結果をもとに、各試料について、温度上昇に伴う電気抵抗値の変化をグラフ化して図３に示す。図３から明らかなように、何れの温度においても、参照試料Ｒ、試料Ｓ１、試料Ｓ２、試料Ｓ３、試料Ｓ４の順に電気抵抗値が大きい。また、温度の上昇に伴い各試料間の電気抵抗値の差は小さくなるものの、温度が３００℃に達しても各試料の電気抵抗値には有意な差がみられる。このことから、ＮＴＣ特性を有する炭化珪素についても、電気絶縁性の充填材が充填されたスリット部の形成、及び、その長さや本数を変化させることにより、高温下での電気抵抗値を調整できることが確認された。
【００５９】
また、本実施例では、スリット部には電気絶縁性の充填材が充填されているため、各試料における電流の経路の長さは一対の電極間の距離に相当すると考えられる。その長さはおよそ次のようである。
試料Ｓ１：１３５ｍｍ
試料Ｓ２：２３５ｍｍ
試料Ｓ３：３２５ｍｍ
試料Ｓ４：４２５ｍｍ
そこで、上記の測定結果をもとに、電流の経路の長さに対する電気抵抗値の変化をグラフ化して図４に示す。なお、上記の電極間距離は、軸方向の距離と軸方向に垂直な方向の距離とを合計した距離であるため、電極間の最短距離は上記の距離より若干短くなる。
【００６０】
図４から明らかなように、何れの温度においても、電流の経路の長さの増加に伴い、電気抵抗値はやや下向きに凸となる緩やかな曲線を描くように上昇した。従って、電流の経路の長さに対する電気抵抗値の変化の近似曲線を、このように予め実験的に取得しておけば、所定の温度で所定の電気抵抗値を示すハニカム構造体が要請される場合に、この近似曲線をもとに電流の経路の長さを決定しスリット部を形成することにより、所望の電気抵抗値に調整することができると考えられた。
【００６１】
また、上記の実施例では、スリット部内の充填材は焼成されていない。これにより、充填材の層は焼結体である基体より柔軟であり、スリット部で電気抵抗値を調整できることに加え、通電時の温度上昇より発生する熱応力をスリット部で緩和することができる。
【００６２】
更に、上記の実施例では、充填材にウォラストナイトを含有させているため、充填材の層の靭性が高いものとなり、スリット部を形成することに起因するハニカム構造体の機械的強度の低下が抑制されている。
【００６３】
なお、上記に例示した組成Ａの充填材に替えて、球状粒子を含有する充填材をスリット部に充填することもできる。球状粒子としては、シリカまたはアルミナの球状粒子を使用することができ、次に例示する組成Ｂのように、充填材の骨材となる粒子より平均粒子径の小さい球状粒子とすれば好適である。ここで、組成Ｂの充填材は、炭化珪素粉末（平均粒子径３０μｍ）５０〜７０質量％、及び、シリカの球状粒子（平均粒子径１．２μｍ、アドマテック製，アドマファインＳＯ−Ｃ５）３０〜５０質量％に、有機バインダーとしてのカルボキシメチルセルロース（ダイセル化学工業製、ＣＭＣダイセル）、無機バインダーとしてのコロイダルシリカ（日産化学工業製、スノーテックス３０）、及び、分散剤（ユニケマ製、ＫＤ−２）を添加し、水を加えて混合することにより調整される。
【００６４】
充填材をこのような組成とすることにより、球状粒子がコロのように作用して炭化珪素粒子が移動しやすいものとなり、充填材の流動性が良く、スリット部に充填材を充填する作業性が良好なものとなる。なお、球状粒子によるコロの作用を十分に得るために、球状粒子の平均粒子径は、小さ過ぎず大き過ぎない範囲として、骨材としての粒子の平均粒子径に対して１％〜２５％とすると望ましい。
【００６５】
また、上記の組成Ａ及び組成Ｂの充填材は、何れも炭化珪素粒子を５０質量％以上含有するため、炭化珪素質セラミックスである基体との熱膨張率が近い。そのため、通電により温度が上昇しても、基体と充填材の層との界面に熱応力が発生しにくいという利点を有している。
【００６６】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。
【００６７】
例えば、上記ではディーゼルエンジンから排出されるガスを浄化するＤＰＦの基体として使用される導電性炭化珪素質ハニカム構造体を製造する場合を例示したが、これに限定されない。本発明の製造方法により製造される導電性炭化珪素質ハニカム構造体は、その他の内燃機関や蒸気タービン等で排ガスの浄化に使用される自己発熱型フィルタの基体、加熱により触媒を活性化させる触媒担体、或いは、セル内を流通させる流体を加熱する加熱装置の基体として、使用することが可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１ 導電性炭化珪素質ハニカム構造体
１０ 基体
１１ スリット部
１２ 充填材
１４ 隔壁
１５ セル
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６９】
【特許文献１】特許第３４３１６７０号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通電により発熱させる導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素は、熱伝導率が高いことに加えて熱膨張率が小さいことから、耐熱衝撃性に優れ、高温下での使用に適している。ここで、高純度の炭化珪素は電気抵抗が大きく絶縁体に近いが、導電性が付与された炭化珪素質セラミックスのハニカム構造体は、通電して発熱させることにより、ハニカム構造のセル内を流通するガスを加熱する発熱体として用いることができる。例えば、自動車の排ガス浄化装置では、排ガス中に含まれる窒素酸化物や炭化水素を燃焼除去する温度を低下させるために触媒が用いられることがあるが、触媒担体よりガス流通の上流側にハニカム構造体を配置することにより、触媒の作用に適した温度まで排ガスの温度を上昇させることができる。或いは、ハニカム構造体に触媒を担持させれば、通電によって触媒担体自体を触媒の作用に適した温度まで昇温させることができる。
【０００３】
更に、導電性炭化珪素質ハニカム構造体を多孔質とすることにより、自己発熱型のフィルタ基体として使用することが可能である。例えば、ディーゼルエンジンから排出されるガスに含まれる粒子状物質を捕集除去するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、「ＤＰＦ」と称することがある）では、捕集された粒子状物質がある程度堆積した時点で、粒子状物質を燃焼させる再生処理が行われる。その際、通電によりフィルタ基体を自己発熱させて粒子状物質を燃焼・除去すれば、外部加熱により粒子状物質を燃焼させる場合とは異なり、バーナーやヒーター等の加熱装置が不要となる。また、外部加熱の場合は、局所的な加熱によりフィルタ基体が溶損するおそれや、大きな温度勾配によってフィルタ基体に亀裂や割れが発生するおそれがあるところ、自己発熱型のフィルタ基体の場合は、そのようなおそれが少ないという利点も有している。
【０００４】
ここで、炭化珪素に導電性を付与する方法としては、微量の不純物を添加することにより半導体とする方法が公知である。例えば、炭化珪素を除く炭化物、窒化物、ホウ化物、酸化物から選ばれる少なくとも一種の添加剤を炭化珪素に添加することにより、導電性を有すると共に粒子状物質の捕集に適した気孔を有するＤＰＦを製造する「排気ガスフィルタの製造方法」が提案されている（特許文献１参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、窒化アルミニウム、窒化チタン、二ホウ化チタンなどの添加剤を、炭化珪素１００質量部に対して５〜１５質量部と、多量に添加する必要があった。また、原料の炭化珪素粉末と添加剤とを水で混練するために、予め撥水性を有する樹脂で添加剤を被覆しておく工程が必要であり、製造工程が複雑で手間がかかるという問題があった。
【０００６】
また、特許文献１により製造された炭化珪素質ハニカム構造体の比抵抗値は１０−２〜１Ω・ｃｍと小さく、応用範囲が限定されると考えられた。これは、導電性の炭化珪素質セラミックスは、温度の上昇に伴って電気抵抗が減少するＮＴＣ特性を有するため、電気抵抗が小さい場合は、目的とする温度まで昇温させるための電流値が過大となるおそれがあるためである。
【０００７】
加えて、実用的な導電性ハニカム構造体としては、電気抵抗値がより広い範囲で調整されていることが要請される。これは、例えばＤＰＦであれば、取付け対象の車体の大きさや構造によってＤＰＦのサイズが規定されることにより、求められるフィルタ基体のサイズが極めて多種類となるためであり、これに伴い、再生処理の際に所定時間内で所定温度まで昇温させるために要請される電気抵抗値も、多様となるためである。
【０００８】
しかしながら、特許文献１の技術のように、添加剤の種類や添加量を調整することによって電気抵抗値を変化させようとすると、多種類の電気抵抗値が要請されるのに対応して、多種類の組成の原料を調製しなくてはならず、多大な労力を要すると共に経済性にも劣る。
【０００９】
そこで、本発明は、上記の実情に鑑み、簡易な工程で、電気抵抗値を広い範囲内で容易に調整することが可能な、導電性炭化珪素質ハニカム構造の製造方法の提供を、課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するため、本発明にかかる導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法は、「窒化珪素粉末と炭素質物質とからなり珪素と炭素のモル比が０．５〜１．５である炭化珪素生成原料、及び、骨材としての炭化珪素粉末を含む混合原料で、単一の軸方向に延びて列設された複数の隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造の成形体を成形する成形工程と、前記成形体を非酸化雰囲気で焼成し、導電性の基体とする焼成工程と、前記基体を、前記軸方向の一端から前記軸方向に沿って他端に至ることなく切断してスリット部を形成する切断工程と、前記スリット部を、電気絶縁性または前記基体より電気伝導率の小さい充填材で充填する充填工程と」を具備している。
【００１１】
本発明は、いわゆる“反応焼結”により炭化珪素質セラミックスの焼結体を得ること、焼成と同時に炭化珪素に導電性を付与すること、及び、ある電気抵抗値を有する単一の焼結体を基体としてスリット部を形成し、スリット部を電気絶縁性または基体より電気伝導率の小さい充填材で充填することによって電気抵抗値を調整することを特徴とする。
【００１２】
ここで、反応生成する炭化珪素の珪素源は「窒化珪素粉末」であり、炭素源は「炭素質物質」である。そして、炭化珪素の生成に際して珪素源である窒化珪素の分解により生じた窒素は、生成した炭化珪素に不純物としてドープされ、炭化珪素はｎ型半導体となる。すなわち、炭化珪素を生成させる原料である窒化珪素が、炭化珪素に導電性を付与するドーパントを兼ねている。また、得られる焼結体は、窒素が固溶した炭化珪素である。
【００１３】
また、炭化珪素の生成に伴い、炭素源である炭素質物質の消失跡には気孔が形成されるため、造孔剤を特に添加することなく、多孔質の焼結体が得られる。そのため、製造されるハニカム構造体は、フィルタ基体や触媒担体として適したものとなる。
【００１４】
上記の反応焼結では、化学量論的には珪素及び炭素のモル比（Ｓｉ／Ｃ）が１のときに過不足なく炭化珪素が生成する。ここで、Ｓｉ／Ｃが０．５より小さいと、残存する炭素分が多すぎ、粗大気孔の原因となると共に生成した炭化珪素の粒子成長が阻害される。一方、Ｓｉ／Ｃが１．５より大きい場合は、炭化珪素の反応生成量が少なく、反応焼結が不十分となる。なお、Ｓｉ／Ｃは０．８〜１．２であれば、珪素及び炭素の過剰分または不足分が少なく、より望ましい。
【００１５】
「炭素質物質」としては、黒鉛、石炭、コークス、木炭、カーボンブラックなどを使用可能である。また、導電性炭化珪素質ハニカム構造体をフィルタ基体として使用する場合は、「炭素質物質」として平均粒子径５μｍ〜５０μｍという粒径のものを用いれば、その消失跡にフィルタ基体として適した大きさの気孔が形成されるため、望ましい。また、平均粒子径５μｍ〜５０μｍという、比較的大きな粒径の炭素質物質を用いることにより、炭素源が微細な粒子である場合に比べて、炭化珪素の生成反応の開始は遅くなるものの、生成した炭化珪素がネック形成できるほどに粒子成長するのが早く、強固なネックを早期に形成させることができるため、高強度の多孔質焼結体を得ることができる。
【００１６】
骨材としての炭化珪素粉末の混合原料における割合が小さ過ぎる場合は、得られる焼結体の強度が低いものとなり易く、大き過ぎる場合はその分だけ炭化珪素生成原料の割合が小さくなり、反応焼結が不十分となるおそれがある。そのため、骨材としての炭化珪素粉末の混合原料における割合は、６０〜９５質量％とすることが望ましい。
【００１７】
「焼成工程」における「非酸化雰囲気」は、アルゴンやヘリウム等の不活性ガス雰囲気、或いは、真空雰囲気とすることができる。また、「焼成工程」における焼成温度は１８００〜２３００℃とすれば、実用的な焼成時間で十分な機械的強度の焼結体を得ることができ、望ましい。これは、焼成温度が低過ぎる場合は反応焼結が不十分となるおそれがあり、２３５０℃を超えると生成した炭化珪素が昇華するおそれがあるためである。
【００１８】
上記のように、本発明では、炭化珪素を反応焼結させており、反応生成の珪素源に窒化珪素を使用しているため、導電性を付与するための添加剤を特に添加することなく、焼結体を導電性とすることができる。
【００１９】
そして、基体としての焼結体にスリット部を形成し、スリット部を充填材で充填することにより、簡易に電気抵抗値を調整することができる。すなわち、基体の外周面に一対の電極を取り付けると、導電性の基体に電気の流れが生じるが、電流の経路はスリット部によって制限される。具体的には、スリット部に充填される充填材が電気絶縁性の場合は、電流はスリット部を迂回して流れる。ここで、スリット部は基体の一端から他端に至ることなく切断されることにより形成された構成であるため、充填材が電気絶縁性であっても、電流の経路がスリット部によって遮断されてしまうことはない。一方、スリット部に充填される充填材の電気伝導率が基体より小さい場合は、スリット部を介した電気の流れも生じるものの、スリット部のない部分で基体に電気が流れやすい。従って、何れの場合も、スリット部の長さや本数等によってハニカム構造体の電気抵抗を変化させ、所望の値に調整することができる。
【００２０】
これにより、反応焼結によってある電気抵抗を有する導電性の焼結体を製造し、その後に、スリット部を形成しその内部を充填する工程を付加するのみの簡易な工程で、電気抵抗値の異なる多種類の導電性炭化珪素質ハニカム構造体を製造することができる。
【００２１】
仮に、スリット部に何も充填せず、スリット部の内部空間が空気の層である場合は、電流の経路を制限し電気抵抗を増加させることは可能であるものの、基体の強度が低下し破損しやすくなる、基体がねじれる等の変形が生じやすくなる、基体が振動しやすくなる等の不都合が生じるおそれがある。これに対し、本発明ではスリット部を充填材で充填するため、このような不都合が生じるおそれが低減される。
【００２２】
また、仮に、スリット部をセルの延びる軸方向に対して、交差する方向に形成する場合は、セルを流通するガスの流れが充填材の層によって妨げられる。これに対し、本発明ではセルの延びる軸方向にスリット部を形成するため、セル内のガス流通が充填材によって妨げられることがないものとなっている。
【００２３】
本発明にかかる導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法は、上記構成において、「前記充填材は焼成しない」ものとすることができる。
【００２４】
上記構成の本発明では、充填工程の後に、充填材が焼結する程の温度で加熱する工程は備えない。その結果、製造される導電性炭化珪素質ハニカム構造体においては、スリット部内の充填材の層は、焼結体である基体より柔軟な層となる。これにより、ハニカム構造体に通電した際に発生する熱応力を、充填材の層で緩和することができる。すなわち、スリット部の内部に充填材を充填することにより、スリット部は、電気抵抗を所望の値に調整できる作用効果に加えて、熱応力を緩和する作用効果をも奏するものとなる。
【００２５】
本発明にかかる導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法は、上記構成において、「前記切断工程では、前記軸方向の一端に開口するスリット部と、他端に開口するスリット部とを隣接して形成する」ものとすることができる。
【００２６】
このような構成とすることにより、同方向に開口する複数のスリット部を隣接させる場合に比べて、電流の経路を長くすることができ、電気抵抗値を効率的に調整することができる。
【００２７】
本発明にかかる導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法は、上記構成において、「前記焼成工程の前または後に、前記軸方向の一端に開放したセルと他端に開放したセルとが交互となるように、それぞれの前記セルの一端を封止する封止工程を具備する」ものとすることができる。
【００２８】
このような構成とすることにより、ウォールフロータイプの自己発熱型のフィルタ基体として適する、電気抵抗の異なる多種類の導電性炭化珪素質ハニカム構造体を、簡易な工程で製造することができる。
【発明の効果】
【００２９】
以上のように、本発明の効果として、簡易な工程で、電気抵抗値を広い範囲内で容易に調整することが可能な、導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本実施形態の製造方法で製造される導電性炭化珪素質ハニカム構造体の（ａ）斜視図、及び（ｂ）スリット部が存在する位置で軸方向に直交する方向に切断した断面図である。
【図２】実施例の試料Ｓ１〜Ｓ４、及び、参照試料Ｒの側面図である。
【図３】温度上昇に伴う電気抵抗値の変化を示すグラフである。
【図４】電流の経路の長さに対する電気抵抗値の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の一実施形態である導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法について説明する。ここでは、ＤＰＦの基体として使用される導電性炭化珪素質ハニカム構造体を製造する場合を例示する。本実施形態の導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法（以下、単に「製造方法」と称する）は、窒化珪素粉末と炭素質物質とからなり珪素と炭素のモル比が０．５〜１．５である炭化珪素生成原料、及び、骨材としての炭化珪素粉末を含む混合原料で、単一の軸方向に延びて列設された複数の隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造の成形体を成形する成形工程と、得られた成形体において軸方向の一端に開放したセルと他端に開放したセルとが交互となるように、それぞれのセルの一端を封止する封止工程と、成形体を非酸化雰囲気で焼成し、導電性の基体とする焼成工程と、基体を、軸方向の一端から軸方向に沿って他端に至ることなく切断してスリット部を形成する切断工程と、スリット部を、電気絶縁性または基体より電気伝導率の小さい充填材で充填する充填工程と、充填材を焼結しない温度で硬化させる熱処理工程とを具備している。
【００３２】
かかる製造方法により、次の構成の導電性炭化珪素質ハニカム構造体が製造される。すなわち、図１（ａ），（ｂ）に例示するように、導電性炭化珪素質ハニカム構造体１は、導電性を有する炭化珪素質セラミックスの焼結体で形成され、単一の軸方向Ｚに延びて列設された複数の隔壁１４により区画された複数のセル１５を備える基体１０と、基体１０の軸方向Ｚの一端に開口し、他端に至ることなく軸方向Ｚに延びるスリット部１１と、スリット部１１の内部に充填された、電気絶縁性または基体より電気伝導率の小さい、非焼結の充填材１２とを具備している。
【００３３】
本実施形態の製造方法をより詳細に説明すると、成形工程では、窒化珪素粉末と炭素質物質とからなる炭化珪素生成原料、及び、骨材としての炭化珪素粉末の混合原料に、バインダー、分散剤等の添加剤を添加し、水と混合・混錬して混錬物とし、これを押出成形することにより、ハニカム構造の成形体を得る。なお、この成形工程の後に、成形体を乾燥する乾燥工程を行ってもよい。このような乾燥工程は、調温調湿槽内での送風乾燥、外部加熱乾燥、マイクロ波照射による内部加熱乾燥等により行うことができる。
【００３４】
次に、成形体において、それぞれのセルの一端を、軸方向の一端に開放したセルと他端に開放したセルとが交互となるように封止する。封止する材料としては、炭化珪素を主成分（例えば、封止材料の全質量における炭化珪素の割合を５０質量％以上）とすれば、セルの隔壁と封止部とで熱膨張率が近いものとなり、界面近傍で熱応力が発生しにくいため望ましい。なお、封止工程は、焼成工程の後に行うこととしても良い。
【００３５】
焼成工程では、加熱炉を非酸化雰囲気として、成形体に熱衝撃を与えない速度で昇温し、１８００〜２３００℃の所定の焼成温度で一定時間保持する。焼成時間は、成形体のサイズにもよるが、例えば、１０分〜３時間とすることができる。この焼成工程において、珪素源の窒化珪素と炭素源の炭素質物質とが反応して炭化珪素が生成し、骨材としての炭化珪素を取り囲むように反応焼結する。
【００３６】
この焼成工程では、炭化珪素の反応生成に際して、窒化珪素の分解により生じた窒素が炭化珪素中に固溶し、純度が高ければ絶縁体である炭化珪素がｎ型半導体となる。このとき、窒素は、骨材としての炭化珪素より、反応焼結によってその周囲に新たに生成された炭化珪素、及び、炭化珪素の粒子間に成長するネック部分に、主に固溶すると考えられる。
【００３７】
また、反応焼結による炭化珪素の生成に伴い、炭素源である炭素質物質の消失跡に気孔が形成される。そして、更に、ネック形成できるほどに炭化珪素の粒子が成長し、粒子間に形成されたネックが更に成長する。ここで、炭素質物質として平均粒子径が５μｍ〜５０μｍと大きいものを使用すれば、その消失跡には、炭化珪素の粒子成長及びネック成長によっても塞がることがなく、フィルタ基体として適した大きさの気孔が形成される。
【００３８】
切断工程では、電動ノコギリ等の切断工具で、基体（焼結体）の一端側から他端側に向かって、軸方向に沿って切断する。このとき、基体の一端側から開始した切断は、他端に至る前に停止し、他端側には切断されない部分を残す。ここで、スリット部の幅が広すぎる場合は、基体の強度が低下するおそれがあるため、切断刃の切り代程度の幅である０．８ｍｍ〜３ｍｍとすると望ましい。なお、上記のように、スリット部は軸方向の一端に開口し他端には至らない構成であるが、軸方向に垂直な方向については、図１に示したように基体を貫通するようにスリット部を設ける場合の他、基体の一部のみを切断するようにスリット部を設けても構わない。
【００３９】
充填工程では、スリット部の開口から充填材を充填する。充填材としては、例えば、電気絶縁性のセラミックス粉末を、コロイダルシリカ等の無機バインダー、有機バインダー、分散剤、粘度調整剤等の添加剤等と混合したものを使用することができる。ここで、電気絶縁性のセラミックス粉末としては、例えば、不純物を固溶させていない高純度の電気絶縁性の炭化珪素を主成分（例えば、充填材の全質量における炭化珪素の割合を５０％以上）とすれば、充填材の層と基体とで熱膨張率が近いものとなり、界面近傍で熱応力が発生しにくいため望ましい。
【００４０】
また、充填材に球状粒子を含有させれば、充填材の流動性が増し、細長いスリット部の内部空間に充填材を充填する作業が容易となる。なお、球状粒子は真球に近い球状であることが望ましく、粒子における最大直径と最小直径との差の平均粒子径に対する百分率で真球の度合いを表した場合、５０％以下であることが望ましく、２０％以下であればより望ましい。
【００４１】
或いは、充填材にセラミックス繊維またはセラミックウィスカを含有させれば、充填材の層の靭性が増し、基体にスリット部を形成したことに起因するハニカム構造体の機械的強度の低下を抑制することができる。ここで、「セラミックス繊維」としては、アルミナ繊維、アルミナ・シリカ繊維、シリカ繊維、ジルコニア繊維、窒化珪素繊維、炭化珪素繊維を例示することができる。また、「セラミックウィスカ」としては、ホウ酸アルミニウムウィスカ、チタン酸カリウムウィスカ、マグネシアウィスカ、ウォラストナイト、炭化珪素ウィスカ、窒化珪素ウィスカ、アルミナウィスカを例示することができる。
【００４２】
熱処理工程は、酸化雰囲気下において、６５０℃〜８５０℃で１時間〜３時間程度保持することにより行うことができる。この工程により、充填材に含有された有機成分が除去されると共に、無機バインダーによって充填材の粒子が結合され、充填材の層が硬化する。なお、焼成工程において炭化珪素の生成反応に使用されずに炭素質物質が残留していたとしても、この熱処理工程において炭素質物質も燃焼除去される。
【００４３】
以上のように本実施形態の製造方法では、電導性の焼結体を製造し、これを基体としてスリット部を形成し、スリット部内を充填材で充填する。そして、スリット部の長さ、本数、幅、位置関係、及び充填材の電気伝導率を変化させることによって、電気抵抗値の多様な導電性炭化珪素質ハニカム構造体を製造することができる。
【実施例】
【００４４】
次に、具体的な実施例について説明する。まず、表１に示す組成の混合原料に、バインダーとしてカルボキシメチルセルロース（ダイセル化学工業製、ＣＭＣダイセル）、分散剤（ユニケマ製、ＫＤ−２）を添加し、水を加えて混練して混練物を得た。この混練物を押出成形し、サイズ３５ｍｍ×３５ｍｍ×１５０ｍｍ、セル密度３００ｃｐｓｉ、隔壁の壁厚０．３ｍｍのハニカム構造の成形体を作製した（成形工程）。また、同一の混練物を封止材として、それぞれのセルの一端側を封止した（封止工程）。
【００４５】
【表１】
【００４６】
封止工程を経た成形体を乾燥させた後（乾燥工程）、非酸化雰囲気下で２３００℃，１０分間焼成することにより反応焼結させ、導電性の焼結体を得た（焼成工程）。得られた焼結体の平均気孔率を、水銀圧入法（島津製作所製ポアサイザ９３１０）により測定したところ、メディアン径は１８．８μｍであった。また、水銀の圧入量より算出された見掛け気孔率は４５．８％であった。
【００４７】
このような焼結体を基体１０とし、図２（ａ）〜（ｄ）に示すようにスリット部１１を形成し、長さ及び本数の異なるスリット部を備える４種類の試料Ｓ１〜Ｓ４を作製した（切断工程）。詳細には、試料Ｓ１では中央に一本のスリット部を形成した（図２（ａ）参照）。スリット部の長さは、電極１８の取付位置を基準とし、スリット部１１の閉端までの長さをＬ＝５０ｍｍとした。試料Ｓ２は、スリット部の本数は試料Ｓ１と同じく一本であるが、スリット部の長さを２倍（２Ｌ＝１００ｍｍ）とした（図２（ｂ）参照）。試料Ｓ３には、試料Ｓ２と同一長さのスリット部を、ほぼ等間隔で二本形成した（図２（ｃ）参照）。二本のスリット部の内、一本は基体の軸方向の一端に開口させ、もう一本は基体の他端に開口させた。試料Ｓ４には、試料Ｓ２及び試料Ｓ３と同一長さのスリット部を、ほぼ等間隔で三本形成した（図２（ｄ）参照）。三本のスリット部は、基体の軸方向の一端に開口するスリット部と基体の他端に開口するスリット部とを隣接させた。なお、何れの試料においても、スリット部の幅は１ｍｍとした。また、各試料においてスリット部１２は、図１に示した構成と同様に、軸方向に垂直な方向では基体１０を貫通するように形成した。
【００４８】
形成されたスリット部のそれぞれに、組成Ａの充填材を充填した（充填工程）。ここで、組成Ａの充填材は、炭化珪素粉末（平均粒子径３０μｍ）４９質量％、炭化珪素粉末（平均粒子径１．５μｍ）３９質量％、及び、ウォラストナイト（平均粒子長さ３０μｍ）１２質量％に、有機バインダーとしてのカルボキシメチルセルロース（ダイセル化学工業製、ＣＭＣダイセル）、無機バインダーとしてのコロイダルシリカ（日産化学工業製、スノーテックス３０）、及び、分散剤（ユニケマ製、ＫＤ−２）を添加し、水を加えて混合したものである。
【００４９】
その後、空気雰囲気下において８５０℃で１時間加熱し、充填材に含まれる有機成分を除去すると共に、充填材を硬化させた（熱処理工程）。形成された充填材の層は、電気絶縁性である。
【００５０】
上記の工程を経て得られた各試料において、軸方向の端部近傍の外周面に、１０ｍｍ幅に銀ペーストを焼き付けて電極１８とした。ここで、それぞれの試料において、電流の経路が最長となるように一対の電極を設けた。具体的には、試料Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４では、軸方向における同一の端部側に、一対の電極を対向させて設けた。また、試料Ｓ３では、一対の電極それぞれを、軸方向における異なる端部の対向する面に設けた。なお、図２では電極１８の厚さを誇張して図示している。
【００５１】
また、図２（ｅ）に示すように、上記と同一の焼結体を基体１０としスリット部が形成されていない試料を対照試料Ｒとし、同一軸方向の両端に１００ｍｍの間隔をあけて電極１８を設けた。
【００５２】
試料Ｓ１〜Ｓ４、及び、対照試料Ｒについて、昇温に伴う電気抵抗値の変化を測定した。電気抵抗値の測定は、一対の電極を介して各試料に通電し、熱電対の指示温度が所定の温度に達した時点で、電圧及び電流を測定することにより行った。表２〜表５に、それぞれ試料Ｓ１〜Ｓ４に関する測定結果を示し、表６に参照試料Ｒに関する測定結果を示す。
【００５３】
【表２】
【００５４】
【表３】
【００５５】
【表４】
【００５６】
【表５】
【００５７】
【表６】
【００５８】
上記の測定結果をもとに、各試料について、温度上昇に伴う電気抵抗値の変化をグラフ化して図３に示す。図３から明らかなように、何れの温度においても、参照試料Ｒ、試料Ｓ１、試料Ｓ２、試料Ｓ３、試料Ｓ４の順に電気抵抗値が大きい。また、温度の上昇に伴い各試料間の電気抵抗値の差は小さくなるものの、温度が３００℃に達しても各試料の電気抵抗値には有意な差がみられる。このことから、ＮＴＣ特性を有する炭化珪素についても、電気絶縁性の充填材が充填されたスリット部の形成、及び、その長さや本数を変化させることにより、高温下での電気抵抗値を調整できることが確認された。
【００５９】
また、本実施例では、スリット部には電気絶縁性の充填材が充填されているため、各試料における電流の経路の長さは一対の電極間の距離に相当すると考えられる。その長さはおよそ次のようである。
試料Ｓ１：１３５ｍｍ
試料Ｓ２：２３５ｍｍ
試料Ｓ３：３２５ｍｍ
試料Ｓ４：４２５ｍｍ
そこで、上記の測定結果をもとに、電流の経路の長さに対する電気抵抗値の変化をグラフ化して図４に示す。なお、上記の電極間距離は、軸方向の距離と軸方向に垂直な方向の距離とを合計した距離であるため、電極間の最短距離は上記の距離より若干短くなる。
【００６０】
図４から明らかなように、何れの温度においても、電流の経路の長さの増加に伴い、電気抵抗値はやや下向きに凸となる緩やかな曲線を描くように上昇した。従って、電流の経路の長さに対する電気抵抗値の変化の近似曲線を、このように予め実験的に取得しておけば、所定の温度で所定の電気抵抗値を示すハニカム構造体が要請される場合に、この近似曲線をもとに電流の経路の長さを決定しスリット部を形成することにより、所望の電気抵抗値に調整することができると考えられた。
【００６１】
また、上記の実施例では、スリット部内の充填材は焼成されていない。これにより、充填材の層は焼結体である基体より柔軟であり、スリット部で電気抵抗値を調整できることに加え、通電時の温度上昇より発生する熱応力をスリット部で緩和することができる。
【００６２】
更に、上記の実施例では、充填材にウォラストナイトを含有させているため、充填材の層の靭性が高いものとなり、スリット部を形成することに起因するハニカム構造体の機械的強度の低下が抑制されている。
【００６３】
なお、上記に例示した組成Ａの充填材に替えて、球状粒子を含有する充填材をスリット部に充填することもできる。球状粒子としては、シリカまたはアルミナの球状粒子を使用することができ、次に例示する組成Ｂのように、充填材の骨材となる粒子より平均粒子径の小さい球状粒子とすれば好適である。ここで、組成Ｂの充填材は、炭化珪素粉末（平均粒子径３０μｍ）５０〜７０質量％、及び、シリカの球状粒子（平均粒子径１．２μｍ、アドマテック製，アドマファインＳＯ−Ｃ５）３０〜５０質量％に、有機バインダーとしてのカルボキシメチルセルロース（ダイセル化学工業製、ＣＭＣダイセル）、無機バインダーとしてのコロイダルシリカ（日産化学工業製、スノーテックス３０）、及び、分散剤（ユニケマ製、ＫＤ−２）を添加し、水を加えて混合することにより調整される。
【００６４】
充填材をこのような組成とすることにより、球状粒子がコロのように作用して炭化珪素粒子が移動しやすいものとなり、充填材の流動性が良く、スリット部に充填材を充填する作業性が良好なものとなる。なお、球状粒子によるコロの作用を十分に得るために、球状粒子の平均粒子径は、小さ過ぎず大き過ぎない範囲として、骨材としての粒子の平均粒子径に対して１％〜２５％とすると望ましい。
【００６５】
また、上記の組成Ａ及び組成Ｂの充填材は、何れも炭化珪素粒子を５０質量％以上含有するため、炭化珪素質セラミックスである基体との熱膨張率が近い。そのため、通電により温度が上昇しても、基体と充填材の層との界面に熱応力が発生しにくいという利点を有している。
【００６６】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。
【００６７】
例えば、上記ではディーゼルエンジンから排出されるガスを浄化するＤＰＦの基体として使用される導電性炭化珪素質ハニカム構造体を製造する場合を例示したが、これに限定されない。本発明の製造方法により製造される導電性炭化珪素質ハニカム構造体は、その他の内燃機関や蒸気タービン等で排ガスの浄化に使用される自己発熱型フィルタの基体、加熱により触媒を活性化させる触媒担体、或いは、セル内を流通させる流体を加熱する加熱装置の基体として、使用することが可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１ 導電性炭化珪素質ハニカム構造体
１０ 基体
１１ スリット部
１２ 充填材
１４ 隔壁
１５ セル
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６９】
【特許文献１】特許第３４３１６７０号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素粉末と炭素質物質とからなり珪素と炭素のモル比が０．５〜１．５である炭化珪素生成原料、及び、骨材としての炭化珪素粉末を含む混合原料で、単一の軸方向に延びて列設された複数の隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造の成形体を成形する成形工程と、
前記成形体を非酸化雰囲気で焼成し、導電性の基体とする焼成工程と、
前記基体を、前記軸方向の一端から前記軸方向に沿って他端に至ることなく切断してスリット部を形成する切断工程と、
前記スリット部を、電気絶縁性または前記基体より電気伝導率の小さい充填材で充填する充填工程と
を具備することを特徴とする導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法。
【請求項２】
前記充填材は焼成しない
ことを特徴とする請求項１に記載の導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法。
【請求項３】
前記切断工程では、前記軸方向の一端に開口するスリット部と、他端に開口するスリット部とを隣接して形成する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法。
【請求項４】
前記焼成工程の前または後に、前記軸方向の一端に開放したセルと他端に開放したセルとが交互となるように、それぞれの前記セルの一端を封止する封止工程を具備する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法。
【請求項１】
窒化珪素粉末と炭素質物質とからなり珪素と炭素のモル比が０．５〜１．５である炭化珪素生成原料、及び、骨材としての炭化珪素粉末を含む混合原料で、単一の軸方向に延びて列設された複数の隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造の成形体を成形する成形工程と、
前記成形体を非酸化雰囲気で焼成し、導電性の基体とする焼成工程と、
前記基体を、前記軸方向の一端から前記軸方向に沿って他端に至ることなく切断してスリット部を形成する切断工程と、
前記スリット部を、電気絶縁性または前記基体より電気伝導率の小さい充填材で充填する充填工程と
を具備することを特徴とする導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法。
【請求項２】
前記充填材は焼成しない
ことを特徴とする請求項１に記載の導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法。
【請求項３】
前記切断工程では、前記軸方向の一端に開口するスリット部と、他端に開口するスリット部とを隣接して形成する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法。
【請求項４】
前記焼成工程の前または後に、前記軸方向の一端に開放したセルと他端に開放したセルとが交互となるように、それぞれの前記セルの一端を封止する封止工程を具備する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の導電性炭化珪素質ハニカム構造体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−７２０４２（Ｐ２０１２−７２０４２Ａ）
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２０２８０（Ｐ２０１０−２２０２８０）
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（０００２２０７６７）東京窯業株式会社 (211)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（０００２２０７６７）東京窯業株式会社 (211)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]