炭化珪素ベース多孔体およびその製造方法
炭化珪素ベース多孔体およびその製造方法を提供する。炭化珪素ベース多孔体は、炭化珪素ベース粒子を焼成することにより製造され、その孔がある表面に、針状に成長されたＳｉ−Ｎ−またはＳｉ−Ｎ−Ｏ−ベースの針状粒子を有している。さらに、炭化珪素ベース多孔体の製造方法は、純度が９５〜９９％の炭化珪素ベース粒子を用いてプレ成型体を形成し、次いで、このプレ成型体を、０．５〜２気圧の分圧を有する窒素雰囲気にした焼成炉内で熱処理して、孔がある表面に針状のＳｉ−Ｎ−またはＳｉ−Ｎ−Ｏ−ベース針状体を成長させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック多孔体およびその製造方法に係り、さらに詳しくは、多孔中における孔がある表面に針状の針状粒子を有する炭化珪素ベース多孔体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン、発電機、焼却炉から発生する排気ガスには、多量の微細炭素煤煙粒子が含まれている。特に、ディーゼルエンジンの場合、コモンレール（ｃｏｍｍｏｎ ｒａｉｌ）システムを採用していると、ナノサイズの超微細粒子の排出が大きく増える。そこで、このような粒子を効果的に除くために、排気管中に多孔性フィルターを設置して微細炭素煤煙粒子を除く後処理装置が提案されている。後処理装置に用いられる多孔性フィルターとして、コーディオライト（ｃｏｒｄｉｅｒｉｔｅ）、ムライト（ｍｕｌｌｉｅｔ）、アルミナ（ａｌｕｍｉｎａ）、炭化珪素（ＳｉＣ）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの種々の材料が研究されてきた。これらのうち、高い耐熱性、高い機械的強度および高い熱伝導率を持つ炭化珪素が特に有用である。
【０００３】
特許文献１は、炭化珪素（ＳｉＣ）粒子に、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）およびアルカリ土類金属の酸化物を結合して炭化珪素（ＳｉＣ）多孔体を製造する方法を開示している。しかしながら、特許文献１に開示された方法は、孔が数十μｍと大きいため、ナノサイズの超微細炭素煤煙粒子を効率よく吸着されず、濾過性能が下ることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３５９１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、従来技術にある上述した問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、良好な耐熱衝撃性および優れた濾過特性を有する炭化珪素ベース多孔体、およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様により炭化珪素ベース多孔体が提供される。炭化珪素ベース多孔体は、純度が９５％〜９９％の炭化珪素および／またはシリコン粒子を焼成させて製造され、多孔体における孔がある表面に針状に成長されたＳｉ−Ｎ−またはＳｉ−Ｎ−Ｏ−ベースの針状体を有している。
【０００７】
本発明の他の態様によれば、炭化珪素ベース多孔体を製造する方法が提供される。この方法は、純度が９５〜９９％の炭化珪素粒子を用いてプレ成形体を形成し、このプレ成形体を０．５〜２気圧の分圧をもつ窒素雰囲気にある焼成炉内で熱処理して、多孔体における孔がある表面に針状をしたＳｉ−Ｎ−またはＳｉ−Ｎ−Ｏ−ベースの針状体を成長させることにある。このとき、熱処理は、１４００〜１６００℃の温度で２０〜６０分間行う。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、原料粒子の純度を調節し、多孔体の孔がある表面に針状体を形成させることによって、良好な耐熱衝撃性および優れた濾過特性を有する炭化珪素ベース多孔体が製造できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】主材粒子が互いに結合してなり、微細炭素煤煙粒子を濾過できる本発明に係る炭化珪素ベース多孔体を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。しかしながら、本発明はここに示した実施形態に限定されることなく、種々の実施形態でも実施できる。さらに、本発明の例は、開示された内容が当業者に完全に理解され、本発明の思想が充分よく伝えられるようにしている。
【００１１】
本発明においては、主原料粒子として使用されるＳｉＣおよび／またはＳｉは、主原料粒子の純度を調整して、追加の酸化物を用いずに、主原料粒子中にある高温融解の不純物により、互いに結合している。さらに、ナノサイズの微細炭素煤煙粒子を効率よく吸着して濾過するために、主原料粒子の表面に多数の微細針状粒子を形成させており、これにより微細炭素煤煙粒子を吸着させ、濾過効率を高めている。
【００１２】
図１は、主原料粒子が互いに結合し、微細炭素煤煙粒子を濾過することができる本発明による炭化珪素ベース多孔体を示している。
【００１３】
図１に示すように、主原料粒子がＳｉＣおよび／またはＳｉである場合には、工業用の製品は、ＳｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｋ２ＯおよびＮａ２Ｏなどの酸化物を不純物として含んでいる。主原料粒子１の純度は、不純物の量によって決められる。主原料粒子１の純度が９５％より小さいと、不純物の量が多くなり過ぎ、高温焼成プロセスで不純物が溶融して形成される境界不純物相２が多くなって、これにより耐熱衝撃性が低下することになる。他方、純度が９９％より大きいと、不純物の含量が少なくなり過ぎ、境界不純物相２が粒子間を結合するに充分な量で形成されず、これにより耐熱衝撃性が低下することになり好ましくない。
【００１４】
ＳｉＣやＳｉなどの粒子は、窒素ガス（Ｎ２）と反応してＳｉ−Ｎ−またはＳｉ−Ｎ−Ｏ−ベースの針状体３を生成する。この針状体３は、ナノサイズの微細針状をして、主構成原料の表面、すなわち熱処理によって製造された多孔体の孔がある表面に形成される。
【００１５】
主原料粒子１の全てが針状体３になると、気孔サイズがかなり小さくなり、排気ガス５の流れが遮断される。それ故、その変換率をコントロールすることが重要である。さらに、針状体３の近傍では排気ガスの流れに乱れが生じる。このようにして、浮遊する微細炭素煤煙粒子４は、針状体３の表面に向かうように流れるようになり、微細炭素煤煙粒子４が針状体と衝突しながら針状体３に吸着される。
【００１６】
本発明による炭化珪素ベース多孔体の製造方法では、純度が９５〜９９％の炭化珪素ベース粒子を主原料粒子として用い、プレ成型品を形成し、次いで、焼成炉内で熱処理する。熱処理中に、主原料粒子の針状体３への変換は、熱処理時の雰囲気ガスとして供給される窒素ガスの分圧、および熱処理条件によって決められる。すなわち、窒素ガスの分圧が０．５気圧より低いと、主原料粒子１のＳｉ−Ｎ−またはＳｉ−Ｎ−Ｏ−ベース針状体３への変換は、分解を伴って進み、窒化反応が遅くなる。他方、分圧が２気圧より高いと、窒化反応が急速に進んで、得られた針状体３の孔が詰まり好ましくない。よって、熱処理時の窒素ガス分圧は、好ましくは０．５〜２気圧の範囲にする。さらに、熱処理時の温度が１４００℃より低い、あるいは反応時間が２０分より少ないと、針状体３を満足いくように形成するのが難しく、濾過効率が低く、主原料粒子の結合が弱く、熱衝撃性を低下させることになる。他方、熱処理時の温度が１６００℃より高い、あるいは反応時間が６０分を超えると、針状体３が急速に形成され、孔が詰まって、濾過効率が低くなり好ましくない。従って、熱処理時の温度は１４００〜１６００℃であり、熱処理時間は２０〜６０分とするのが好ましい。
【実施例】
【００１７】
本発明によって、炭化珪素ベース多孔体を、以下の実施例と比較例により製造し、それらの耐熱衝撃性および濾過性を評価した。
それぞれ所定純度のＳｉＣおよびＳｉ粒子を、バインダーと水と混合し、次いでこの混合物を押出成形してハニカム形状のプレ成型体を形成させた。このプレ成型体を１００℃で乾燥し、焼成炉内に装入して熱処理した。
【００１８】
このプロセスで製造された多孔体の耐熱衝撃性を次のようにして評価した。すなわち、多孔体を１２００℃の電気炉に装入し、３０分間保持し、これを水冷するという手順を４回繰り返した。この際、熱衝撃試験の前と後の試験片の曲げ強度を測定し、その比率を用いて試験片の耐熱衝撃性を計算した。
【００１９】
さらに、微細炭素煤煙粒子の濾過特性は次のように評価した。すなわち、製造された多孔体の全表面を、平均粒径０．１μｍの炭素粒子１容量％含有するアルゴンガスを流量２００ｍＬで３０分間流し、その後、多孔体の重量を測定し、炭素粒子の吸着による重量増加を測定することにより、濾過効率を計算した。
【００２０】
下の表１は、実施例および比較例による炭化珪素ベース多孔体の製造条件、並びに製造された多孔体の耐熱衝撃性指数および濾過指数を示している。耐熱衝撃性指数および濾過指数は、表１に示すように比較例１および比較例６の試験片の結果をそれぞれ１００として、百分率に換算している。
【００２１】
【表１】
【００２２】
表１から明らかなように、本発明の実施例によって製造された炭化珪素ベース多孔体は、高い濾過効率および濾過衝撃性を示した。これに対し、比較例によって製造された炭化珪素ベース多孔体は、濾過効率も耐熱衝撃性も満足なものでない。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明によれば、良好な耐熱衝撃性および優れた濾過特性を有する炭化珪素ベース多孔体が与えられることが可能とり、これにより多孔性フィルターの性能を大きく増進させる産業上の利用効果がある。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック多孔体およびその製造方法に係り、さらに詳しくは、多孔中における孔がある表面に針状の針状粒子を有する炭化珪素ベース多孔体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン、発電機、焼却炉から発生する排気ガスには、多量の微細炭素煤煙粒子が含まれている。特に、ディーゼルエンジンの場合、コモンレール（ｃｏｍｍｏｎ ｒａｉｌ）システムを採用していると、ナノサイズの超微細粒子の排出が大きく増える。そこで、このような粒子を効果的に除くために、排気管中に多孔性フィルターを設置して微細炭素煤煙粒子を除く後処理装置が提案されている。後処理装置に用いられる多孔性フィルターとして、コーディオライト（ｃｏｒｄｉｅｒｉｔｅ）、ムライト（ｍｕｌｌｉｅｔ）、アルミナ（ａｌｕｍｉｎａ）、炭化珪素（ＳｉＣ）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの種々の材料が研究されてきた。これらのうち、高い耐熱性、高い機械的強度および高い熱伝導率を持つ炭化珪素が特に有用である。
【０００３】
特許文献１は、炭化珪素（ＳｉＣ）粒子に、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）およびアルカリ土類金属の酸化物を結合して炭化珪素（ＳｉＣ）多孔体を製造する方法を開示している。しかしながら、特許文献１に開示された方法は、孔が数十μｍと大きいため、ナノサイズの超微細炭素煤煙粒子を効率よく吸着されず、濾過性能が下ることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３５９１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、従来技術にある上述した問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、良好な耐熱衝撃性および優れた濾過特性を有する炭化珪素ベース多孔体、およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様により炭化珪素ベース多孔体が提供される。炭化珪素ベース多孔体は、純度が９５％〜９９％の炭化珪素および／またはシリコン粒子を焼成させて製造され、多孔体における孔がある表面に針状に成長されたＳｉ−Ｎ−またはＳｉ−Ｎ−Ｏ−ベースの針状体を有している。
【０００７】
本発明の他の態様によれば、炭化珪素ベース多孔体を製造する方法が提供される。この方法は、純度が９５〜９９％の炭化珪素粒子を用いてプレ成形体を形成し、このプレ成形体を０．５〜２気圧の分圧をもつ窒素雰囲気にある焼成炉内で熱処理して、多孔体における孔がある表面に針状をしたＳｉ−Ｎ−またはＳｉ−Ｎ−Ｏ−ベースの針状体を成長させることにある。このとき、熱処理は、１４００〜１６００℃の温度で２０〜６０分間行う。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、原料粒子の純度を調節し、多孔体の孔がある表面に針状体を形成させることによって、良好な耐熱衝撃性および優れた濾過特性を有する炭化珪素ベース多孔体が製造できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】主材粒子が互いに結合してなり、微細炭素煤煙粒子を濾過できる本発明に係る炭化珪素ベース多孔体を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。しかしながら、本発明はここに示した実施形態に限定されることなく、種々の実施形態でも実施できる。さらに、本発明の例は、開示された内容が当業者に完全に理解され、本発明の思想が充分よく伝えられるようにしている。
【００１１】
本発明においては、主原料粒子として使用されるＳｉＣおよび／またはＳｉは、主原料粒子の純度を調整して、追加の酸化物を用いずに、主原料粒子中にある高温融解の不純物により、互いに結合している。さらに、ナノサイズの微細炭素煤煙粒子を効率よく吸着して濾過するために、主原料粒子の表面に多数の微細針状粒子を形成させており、これにより微細炭素煤煙粒子を吸着させ、濾過効率を高めている。
【００１２】
図１は、主原料粒子が互いに結合し、微細炭素煤煙粒子を濾過することができる本発明による炭化珪素ベース多孔体を示している。
【００１３】
図１に示すように、主原料粒子がＳｉＣおよび／またはＳｉである場合には、工業用の製品は、ＳｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｋ２ＯおよびＮａ２Ｏなどの酸化物を不純物として含んでいる。主原料粒子１の純度は、不純物の量によって決められる。主原料粒子１の純度が９５％より小さいと、不純物の量が多くなり過ぎ、高温焼成プロセスで不純物が溶融して形成される境界不純物相２が多くなって、これにより耐熱衝撃性が低下することになる。他方、純度が９９％より大きいと、不純物の含量が少なくなり過ぎ、境界不純物相２が粒子間を結合するに充分な量で形成されず、これにより耐熱衝撃性が低下することになり好ましくない。
【００１４】
ＳｉＣやＳｉなどの粒子は、窒素ガス（Ｎ２）と反応してＳｉ−Ｎ−またはＳｉ−Ｎ−Ｏ−ベースの針状体３を生成する。この針状体３は、ナノサイズの微細針状をして、主構成原料の表面、すなわち熱処理によって製造された多孔体の孔がある表面に形成される。
【００１５】
主原料粒子１の全てが針状体３になると、気孔サイズがかなり小さくなり、排気ガス５の流れが遮断される。それ故、その変換率をコントロールすることが重要である。さらに、針状体３の近傍では排気ガスの流れに乱れが生じる。このようにして、浮遊する微細炭素煤煙粒子４は、針状体３の表面に向かうように流れるようになり、微細炭素煤煙粒子４が針状体と衝突しながら針状体３に吸着される。
【００１６】
本発明による炭化珪素ベース多孔体の製造方法では、純度が９５〜９９％の炭化珪素ベース粒子を主原料粒子として用い、プレ成型品を形成し、次いで、焼成炉内で熱処理する。熱処理中に、主原料粒子の針状体３への変換は、熱処理時の雰囲気ガスとして供給される窒素ガスの分圧、および熱処理条件によって決められる。すなわち、窒素ガスの分圧が０．５気圧より低いと、主原料粒子１のＳｉ−Ｎ−またはＳｉ−Ｎ−Ｏ−ベース針状体３への変換は、分解を伴って進み、窒化反応が遅くなる。他方、分圧が２気圧より高いと、窒化反応が急速に進んで、得られた針状体３の孔が詰まり好ましくない。よって、熱処理時の窒素ガス分圧は、好ましくは０．５〜２気圧の範囲にする。さらに、熱処理時の温度が１４００℃より低い、あるいは反応時間が２０分より少ないと、針状体３を満足いくように形成するのが難しく、濾過効率が低く、主原料粒子の結合が弱く、熱衝撃性を低下させることになる。他方、熱処理時の温度が１６００℃より高い、あるいは反応時間が６０分を超えると、針状体３が急速に形成され、孔が詰まって、濾過効率が低くなり好ましくない。従って、熱処理時の温度は１４００〜１６００℃であり、熱処理時間は２０〜６０分とするのが好ましい。
【実施例】
【００１７】
本発明によって、炭化珪素ベース多孔体を、以下の実施例と比較例により製造し、それらの耐熱衝撃性および濾過性を評価した。
それぞれ所定純度のＳｉＣおよびＳｉ粒子を、バインダーと水と混合し、次いでこの混合物を押出成形してハニカム形状のプレ成型体を形成させた。このプレ成型体を１００℃で乾燥し、焼成炉内に装入して熱処理した。
【００１８】
このプロセスで製造された多孔体の耐熱衝撃性を次のようにして評価した。すなわち、多孔体を１２００℃の電気炉に装入し、３０分間保持し、これを水冷するという手順を４回繰り返した。この際、熱衝撃試験の前と後の試験片の曲げ強度を測定し、その比率を用いて試験片の耐熱衝撃性を計算した。
【００１９】
さらに、微細炭素煤煙粒子の濾過特性は次のように評価した。すなわち、製造された多孔体の全表面を、平均粒径０．１μｍの炭素粒子１容量％含有するアルゴンガスを流量２００ｍＬで３０分間流し、その後、多孔体の重量を測定し、炭素粒子の吸着による重量増加を測定することにより、濾過効率を計算した。
【００２０】
下の表１は、実施例および比較例による炭化珪素ベース多孔体の製造条件、並びに製造された多孔体の耐熱衝撃性指数および濾過指数を示している。耐熱衝撃性指数および濾過指数は、表１に示すように比較例１および比較例６の試験片の結果をそれぞれ１００として、百分率に換算している。
【００２１】
【表１】
【００２２】
表１から明らかなように、本発明の実施例によって製造された炭化珪素ベース多孔体は、高い濾過効率および濾過衝撃性を示した。これに対し、比較例によって製造された炭化珪素ベース多孔体は、濾過効率も耐熱衝撃性も満足なものでない。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明によれば、良好な耐熱衝撃性および優れた濾過特性を有する炭化珪素ベース多孔体が与えられることが可能とり、これにより多孔性フィルターの性能を大きく増進させる産業上の利用効果がある。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
純度が９５〜９９％の炭化珪素ベース粒子を焼成することにより製造され、孔がある表面に針状に成長されたＳｉ−Ｎ−またはＳｉ−Ｎ−Ｏ−ベースの針状粒子を有する炭化珪素ベース多孔体。
【請求項２】
前記炭化珪素ベース粒子が、ＳｉＣおよび／またはＳｉ粒子であることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素ベース多孔体。
【請求項３】
純度が９５〜９９％の炭化珪素ベース粒子を用いてプレ成型体を形成し、次いで、前記プレ成型体を、０．５〜２気圧の分圧を有する窒素雰囲気にある焼成炉内で熱処理して、孔がある表面に針状のＳｉ−Ｎ−またはＳｉ−Ｎ−Ｏ−ベースの針状粒子を成長させることを特徴とする炭化珪素ベース多孔体の製造方法。
【請求項４】
前記炭化珪素ベース粒子が、ＳｉＣおよび／またはＳｉ粒子であることを特徴とする請求項３に記載の炭化珪素ベース多孔体の製造方法。
【請求項５】
前記熱処理が、１４００〜１６００℃の温度で、２０〜６０分間行うことを特徴とする請求項３に記載の炭化珪素ベース多孔体の製造方法。
【請求項１】
純度が９５〜９９％の炭化珪素ベース粒子を焼成することにより製造され、孔がある表面に針状に成長されたＳｉ−Ｎ−またはＳｉ−Ｎ−Ｏ−ベースの針状粒子を有する炭化珪素ベース多孔体。
【請求項２】
前記炭化珪素ベース粒子が、ＳｉＣおよび／またはＳｉ粒子であることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素ベース多孔体。
【請求項３】
純度が９５〜９９％の炭化珪素ベース粒子を用いてプレ成型体を形成し、次いで、前記プレ成型体を、０．５〜２気圧の分圧を有する窒素雰囲気にある焼成炉内で熱処理して、孔がある表面に針状のＳｉ−Ｎ−またはＳｉ−Ｎ−Ｏ−ベースの針状粒子を成長させることを特徴とする炭化珪素ベース多孔体の製造方法。
【請求項４】
前記炭化珪素ベース粒子が、ＳｉＣおよび／またはＳｉ粒子であることを特徴とする請求項３に記載の炭化珪素ベース多孔体の製造方法。
【請求項５】
前記熱処理が、１４００〜１６００℃の温度で、２０〜６０分間行うことを特徴とする請求項３に記載の炭化珪素ベース多孔体の製造方法。
【図１】
【公表番号】特表２０１０−５２１４０４（Ｐ２０１０−５２１４０４Ａ）
【公表日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５５４４２８（Ｐ２００９−５５４４２８）
【出願日】平成１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２００７／００１３９６
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１１４８９５
【国際公開日】平成２０年９月２５日（２００８．９．２５）
【出願人】（５０２２５８４１７）ポスコ (73)
【出願人】（５０１２６５５９３）リサーチ インスティチュート オブ インダストリアル サイエンス アンド テクノロジー (7)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２００７／００１３９６
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１１４８９５
【国際公開日】平成２０年９月２５日（２００８．９．２５）
【出願人】（５０２２５８４１７）ポスコ (73)
【出願人】（５０１２６５５９３）リサーチ インスティチュート オブ インダストリアル サイエンス アンド テクノロジー (7)
【Ｆターム（参考）】
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