JP5073209B2 - ＳｉＣ系接合材 - Google Patents

Description

本発明は、ＳｉＣ粉末を含むＳｉＣ系接合材に関し、詳しくは、ＤＰＦ等のセラミックス製のハニカム構造体の製造に用いることができるＳｉＣ系接合材に関する。

内燃機関、ボイラー、化学反応機器、燃料電池用改質器等の触媒作用を利用する触媒用担体、排ガス中の微粒子（特にディーゼルエンジンからの排気ガス中の微粒子物質（ＰＭ））の捕集フィルタ（以下、ＤＰＦという）等には、セラミックス製のハニカム体が用いられている。

セラミックス製のハニカム体は、一般に、多孔質体よりなり、隔壁によって区画された流体の流路となる複数のセルを有している。そして、端面が市松模様状を呈するように、隣接するセルが互いに反対側となる一方の端部で封止された構造を有している。

このような構造のハニカム体は、被処理流体が流入孔側端面が封止されていないセル、即ち流出孔側端面で端部が封止されているセルに流入し、多孔質の隔壁を通って隣のセル、即ち、流入孔側端面で端部が封止され、流出孔側端面が封止されていないセルから排出される。この際、隔壁がフィルタとなり、例えば、ＤＰＦとして使用した場合には、ディーゼルエンジンから排出される微粒子物質（ＰＭ）等が隔壁に捕捉され隔壁上に堆積していた。

このようにＤＰＦに使用されるハニカム体は、排気ガスの急激な温度変化や局所的な発熱によってハニカム体の温度分布が不均一となり、ハニカム体にクラックを生ずる等の問題があった。特に、ＤＰＦとして使用する場合には、堆積したＰＭを燃焼させて除去し再生することが必要であり、この燃焼時に局所的な高温化がおこり、再生温度の不均一化による再生効率の低下及び大きな熱応力によるクラックが発生し易いという問題があった。

このため、ハニカム体を複数に分割した分体を接合材により接合する方法が提案されている。このような方法としては、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１には、多数のハニカム体の分体をコロイダルシリカ及び／又はコロイダルアルミナを含む接合材で接合したハニカム構造体が開示されている。

しかしながら、このハニカム構造体、特にＤＰＦに用いられるハニカム構造体においては高熱に曝されることから、高い耐熱性や熱衝撃性が求められている。これらの要求は、ハニカム構造体の分体を接合する接合材にも求められている。具体的には、ハニカム構造体が冷えた状態から排気ガスで加熱されたときに、各分体と接合材との熱膨張率の差により、両者の間で剥離が生じるという問題があった。
特開２００５−１５４２０２号公報

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、より強い接合強度をもつ接合材を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明者は耐熱性にすぐれた接合材について検討を重ねた結果、ＳｉＣ系接合材に含まれるＳｉＣ粉末の粒子の粒径を制御することで上記課題を解決できることを見出した。

すなわち、本発明のＳｉＣ系接合材は、ＳｉＣ粉末を含むＳｉＣ系接合材において、ＳｉＣ粉末は、ＳｉＣ粉末全体を１００ｗｔ％としたときに、平均粒径が５μｍ以下のＳｉＣ粉末を１５〜８５ｗｔ％の割合で含み、残部が平均粒径が５〜１００μｍのＳｉＣ粉末よりなることを特徴とする。

本発明のＳｉＣ系接合材は、粒径の小さなＳｉＣよりなる微細粒子と粒径の大きなＳｉＣよりなる粗大粒子とをもち、微細粒子がアンカー効果を発揮することで強い接着強度を得られた。

本発明のＳｉＣ系接合材は、ＳｉＣ粉末を含むＳｉＣ系接合材である。本発明のＳｉＣ系接合材において、ＳｉＣ粉末が被接合物の接合に寄与する。さらに、ＳｉＣは、耐熱性にすぐれたセラミックスとして知られており、特に高温となる使用環境で用いられるセラミックスの接合に効果を発揮する。

さらに、ＳｉＣ自身がセラミックスであり、被接合物のセラミックスと近似した熱膨張率をもつこととなる。被接合物が接合材で接合された構造体をコールド状態から高温まで加熱した時に、構造体の熱膨張がほぼ均一となる。局部的な応力がかからない。つまり、構造物の耐熱衝撃性が向上する。被接合物と接合材の熱膨張率に大きな差が存在すると、構造物を高温まで加熱した時に、熱膨張率の差により接合材による接合部に応力が集中し、剥離を生じる。すなわち、本発明のＳｉＣ系接合材は、セラミックスの接合に用いることが好ましい。さらに、ＤＰＦ用ハニカム構造体の分体の接合に用いることが好ましい。ＤＰＦ用ハニカム構造体を形成するセラミックスの材質についても特に限定されるものではないが、コーディエライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素等のセラミックスであることが好ましい。

そして、本発明のＳｉＣ系接合材は、ＳｉＣ粉末が、ＳｉＣ粉末全体を１００ｗｔ％としたときに、平均粒径が５μｍ以下のＳｉＣ粉末を１５〜８５ｗｔ％の割合で含み、残部が平均粒径が５〜１００μｍのＳｉＣ粉末よりなる。つまり、本発明のＳｉＣ系接合材のＳｉＣ粉末は、平均粒径が５μｍ以下のＳｉＣ粒子粉末（微細粒子）と平均粒径が５〜１００μｍのＳｉＣ粒子粉末（粗大粒子）とから構成される。

本発明のＳｉＣ系接合材は、微細粒子と粗大粒子の粒径の異なる二種類のＳｉＣ粉末をもつことで、より強固に被接合物を接合できるようになる。本発明のＳｉＣ系接合材が高い接着性を発揮する理由は正確にはわからないが、以下のように推測している。本発明のＳｉＣ系接合材は、粗大粒子が骨材として機能して被接合物を接合し、微細粒子が粗大粒子同士および粗大粒子と被接合物のすき間に侵入して両者を接合するアンカー効果を発揮する。この作用により、本発明の接合材は高い接着性を発揮するようになる。

本発明のＳｉＣ系接合材において、ＳｉＣ粉末に占める微細粒子の割合は、１５〜８５ｗｔ％である。ＳｉＣ粉末に占める微細粒子の割合が１５ｗｔ％未満となると、接合材の塗布性が低下するとともに、塗布後の乾燥収縮によるクラックが発生するようになる。より好ましい微細粒子の割合は、１５〜８５ｗｔ％である。さらに好ましくは、２０〜４０ｗｔ％である。

本発明のＳｉＣ系接合材において、接合材に接合される被接合物の材質や接合材の塗布厚さなどの条件により異なる。本発明において粗大粒子の平均粒径は５〜１００μｍである。粗大粒子の平均粒径が小さくかつ微細粒子の平均粒径が大きいと、アンカー効果等の微細粒子の添加の効果が発揮されにくいことから、微細粒子と粗大粒子の平均粒径の差は大きなことが好ましい。粗大粒子の平均粒径が微細粒子の平均粒子の２倍以上であることがより好ましく、１０倍以上であることがさらに好ましい。

本発明のＳｉＣ系接合材は、ＳｉＣ粉末に占める微細粒子の割合が１５〜８５ｗｔ％であるようにＳｉＣ粉末をもつものであればよく、微細粒子と粗大粒子のように平均粒径の異なる複数のＳｉＣ粉末粉末を混合してＳｉＣ粉末を形成したことが好ましい。本発明において、ＳｉＣ粉末は、平均粒径が５μｍ以下のＳｉＣ粉末と、平均粒径が５〜１００μｍのＳｉＣ粉末と、の混合粉末であることが好ましい。

本発明のＳｉＣ系接合材は、微細粒子をもつ以外は従来公知のＳｉＣ系接合材と同様の構成とすることができる。すなわち、ＳｉＣ粉末が微細粒子と粗大粒子とをもつこと以外は、従来公知のＳｉＣ系接合材と同様な構成とすることができる。

たとえば、本発明のＳｉＣ系接合材は、微細粒子と粗大粒子とをもつＳｉＣ粉末と、コロイダルシリカと、カルボキシルメチルセルロース（ＣＭＣ）などの粘度調製材と、水等の溶媒に分散させた粘調の溶液であることが好ましい。また、本発明のＳｉＣ系接合材は、でんぷん等の造孔剤、金属Ｓｉ、無機ファイバー、有機ファイバーを添加することができる。

また、これらの成分の配合割合についても従来公知の接合材と同様とすることができる。たとえば、本発明のＳｉＣ系接合材において、全固形分に占めるＳｉＣ粉末の割合についても従来公知の接合材と同様とすることができる。

以下、実施例を用いて本発明を説明する。

本発明の実施例としてＳｉＣ系接合材を製造した。

（実施例１）
平均粒径が１．５μｍのＳｉＣ粉末（信濃電気精錬製）４５重量部、平均粒径が３０μｍのＳｉＣ粉末（（株）フジミインコーポレーテッド製）３０重量部、シリカゾル（日産化学製、商品名スノーテックス）１０重量部、ＣＭＣ（ダイセル化学工業製、商品名１１９０）０．２重量部、を秤量し、１４．８重量部の水に均一に分散させて粘調な溶液よりなる本実施例の接合材を調製した。なお、本実施例の接合材において、ＳｉＣ粉末全体を１００ｗｔ％としたときに１．５μｍのＳｉＣ粉末の占める割合は２０ｗｔ％であった。

（実施例２）
平均粒径が０．６μｍのＳｉＣ粉末４５重量部、平均粒径が２０μｍのＳｉＣ粉末３０重量部、実施例１と同様なシリカゾル１０重量部、実施例１と同様なＣＭＣ０．２重量部、を秤量し、１４．８重量部の水に均一に分散させて粘調な溶液よりなる本実施例の接合材を調製した。なお、本実施例の接合材において、ＳｉＣ粉末全体を１００ｗｔ％としたときに０．６μｍのＳｉＣ粉末の占める割合は２５ｗｔ％であった。

（比較例）
平均粒径が２５μｍのＳｉＣ粉末７５重量部、実施例１と同様なシリカゾル１０重量部、実施例１と同様なＣＭＣ０．２重量部、を秤量し、１４．８重量部の水に均一に分散させて粘調な溶液よりなる本実施例の接合材を調製した。

（評価）
各実施例の接合材の評価として、セラミックスを接合した試験片を製造し、曲げ試験を行い、接合強度を測定した。

まず、試験片を製造した。試験片は、ＳｉＣからなるハニカム構造体の端面に接合材を塗布し、接合部の厚みがおよそ１ｍｍとなるように構造体同士をすりあわせて製造した。

つづいて、製造された試験片にＪＩＳ Ｒ−１６２４「ファインセラミックス接合の曲げ強さ試験方法」に記載された試験方法で曲げ強度（接合強度）を測定した。測定結果を表１に示した。

表１に示したように、実施例の接合材は比較例よりもはるかに高い接着強度をもつことがわかる。このことは、平均粒径が５μｍを超えるＳｉＣ粉末よりなる粗大粒子が骨材として機能してセラミックスを接合し、平均粒径が５μｍ以下のＳｉＣ粉末よりなる微細粒子が粗大粒子同士および粗大粒子とセラミックスのすき間に侵入して両者を接合するアンカー効果を発揮したことによると考えられる。

実施例の接合材は、強い接着性と高い耐熱性とを備えることから、ＤＰＦ用ハニカム構造体の製造に用いることができる。たとえば、以下に示した方法でＤＰＦ用ハニカム構造体を製造することができる。

まず、１０×１０×３０ｍｍの柱状のＤＰＦ用ハニカムパーツを製造し、厚さが１．５〜２．０ｍｍとなるように接合材を塗布した。その後、別のＤＰＦ用ハニカムパーツをすりあわせて接合した。この接合物をもう一組作成し、接合物同士を同様にして接合材で接合した。これにより、４つのＤＰＦ用ハニカムパーツが接合してなる角柱状のハニカム基材が製造された。

その後、８０℃で乾燥した後に７５０℃で加熱して接合材を固化させた。そして、外周を切削して円柱形状に整形した後に、再び接合材を外周面に塗布した。

これにより、ＤＰＦ用ハニカム体が製造できた。

Claims (2)

1. ＳｉＣ粉末を含むＳｉＣ系接合材において、
   ＳｉＣ粉末は、該ＳｉＣ粉末全体を１００ｗｔ％としたときに、平均粒径が５μｍ以下のＳｉＣ粉末を１５〜８５ｗｔ％の割合で含み、残部が平均粒径が５〜１００μｍのＳｉＣ粉末よりなることを特徴とするＳｉＣ系接合材。
2. 前記ＳｉＣ粉末は、前記平均粒径が５μｍ以下のＳｉＣ粉末と、前記平均粒径が５〜１００μｍのＳｉＣ粉末と、の混合粉末である請求項１に記載のＳｉＣ系接合材。