[发明专利]钛酸铝质陶瓷蜂窝状结构体、其制造方法及用于制造其的原料粉末

说明书

技术领域

本发明涉及钛酸铝质陶瓷蜂窝状结构体、其制造方法及用于制造其的原料粉末。其中涉及优选用于净化由柴油发动机等排出的包含PM的废气中所使用的陶瓷蜂窝状过滤器的钛酸铝质陶瓷蜂窝状结构体、其制造方法及用于制造其的原料粉末。

背景技术

柴油发动机的废气中包含有以由碳质组成的煤和由高沸点烃成分组成的SOF成分(Soluble Organic Fraction：可溶性有机成分)为主成分的PM(Particulate Matter：粒状物质)，当其被排放到大气中时，有给人体和环境带来不良影响的危险。因此，以往，在柴油发动机的排气管的中间安装用于捕集PM的陶瓷蜂窝状过滤器(以下将陶瓷蜂窝状过滤器简称为“蜂窝状过滤器”)。将捕集、净化废气中的PM的蜂窝状过滤器的一例示于图1(a)及图1(b)。蜂窝状过滤器10由陶瓷蜂窝状结构体(以下有时也简称为蜂窝状结构体)和上游侧密封部6a、下游侧密封部6c组成，所述陶瓷蜂窝状结构体由形成多个流出侧密封通路3及流入侧密封通路4的多孔间壁2和外周壁1组成，所述上游侧密封部6a和下游侧密封部6c将流出侧密封通路3及流入侧密封通路4的废气流入侧端面8及废气流出侧端面9交替地密封成方格花纹。

对于该蜂窝状过滤器而言，要求其在使用中以高效率捕集废气所含的微粒，降低压力损失而减少对发动机施加的负荷，但当所捕集的微粒变多时，由于间壁的细孔堵塞从而压力损失增大，因此需要燃烧除去所捕集的微粒来使蜂窝状过滤器再生。这样，由于蜂窝状过滤器被反复暴露在燃烧微粒时的高温中，因此要求高耐热性和高耐热冲击性，作为以往的构成多孔间壁的材料，一般使用堇青石(5SiO₂·2AlO₂·2MgO)或碳化硅(SiC)。

在使用堇青石构成间壁的情况下，由于热膨胀系数低，为10×10^-7/℃左右，因此难以产生因热冲击引起的龟裂，耐热冲击性能优异，但在堆积有大量微粒的状态下燃烧时，有时蜂窝状过滤器的温度升得过高从而间壁会部分溶损。因此，为了不使燃烧温度过度上升，需要进行严格的控制，存在废气净化装置的制造成本或运转费用增大这样的问题。

在使用碳化硅构成间壁的情况下，虽然耐热性优异，但由于热膨胀系数大，为40×10^-7/℃，因此有时因热冲击应力蜂窝状结构体产生龟裂而破损。为了缓和热应力，有将分割成的蜂窝状结构体粘贴在一起作为一个整体使用的方法，但具有其效果不够充分、因分割及粘贴而成本升高这样的问题。

为了解决上述问题，最近提案有使用钛酸铝(Al₂TiO₅)作为构成蜂窝状结构体的材料。钛酸铝具有超过1700℃的耐热性和热膨胀系数小而优异的耐热性冲击性。但是，存在这样的问题：钛酸铝的小热膨胀系数是由于存在因钛酸铝结晶的热膨胀系数各向异性而在烧结过程中产生的微细裂缝引起的，另一方面，由于该微细裂缝的存在，存在蜂窝状结构体的机械强度下降这样的问题。即，现有的钛酸铝存在小膨胀系数和高强度相反这样的问题。另外，由于现有的钛酸铝通常在800～1280℃的温度范围具有分解区域，因此还存在如下的问题：不能长期稳定地在这样的温度范围下使用。为了解决这样的现有的钛酸铝的课题，公开有以下的技术。

WO05/105704中公开有一种钛酸铝镁结晶结构物及其制造方法，所述钛酸铝镁结晶结构物由在组成式Mg_xAl_2(1-x)Ti_(1+x)O₅(式中，0.1≤x＜1)表示的钛酸铝镁结晶的至少表面层的Al原子的一部分被Si原子取代的固溶体组成，具有-6×10^-6～6×10^-6(1/K)的热膨胀系数，且在1100℃的大气中保持300小时时的钛酸铝镁的剩余率为50％以上，其中，记载：所述结构物具有钛酸铝固有的耐热性和极小的热膨胀系数，耐热冲击性优异，同时具有高热分解性及大机械强度。然而，近年来已开始要求更高性能的蜂窝状过滤器，WO05/105704号中记载的蜂窝状过滤器从兼顾低热膨胀系数和高强度这样的观点考虑是不充分的，特别是就其压力损失特性而言，并未达到令人满意的程度。因而，WO05/105704号中记载的方法中，难以得到将耐热冲击性、强度、在高温下的稳定性、压力损失性能同时提高到实用上没有问题的水平的蜂窝状过滤器。