DE102011114465A1

DE102011114465A1 - Mikrorisse aufweisende Wabenstruktur

Info

Publication number: DE102011114465A1
Application number: DE201110114465
Authority: DE
Inventors: David Pinturaud; Christophe Augier
Original assignee: Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
Current assignee: Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2012-04-05
Also published as: FR2965489A1; FR2965489B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wabenstruktur aus einem keramischen Material, welches aus gesinterten Körnern besteht, wobei die Wabenstruktur einen offenen Riss aufweist, der eine Länge Lf zwischen 3 mm und 30 mm und einer maximale Breite Imax aufweist, die kleiner als 3 mal der maximalen Größe D99,5 besagter Körner ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Wabenstruktur, insbesondere eine Wabenstruktur, die bestimmt ist für die Filtration von Auspuffgasen aus einem Verbrennungsmotor oder für einen Wärmetauscher.
Sie besteht insbesondere aus einem monolithischen Körper, einem zusammengesetzten Körper bestehend aus einer Zusammensetzung einer Vielzahl von einzelnen Blöcken, welche mittels zwischen diesen einzelnen Blöcken eingefügten Verbindungen miteinander verbunden sind, und einem einzelnen Block, welcher für die Herstellung eines solchen zusammengesetzten Körpers bestimmt ist.
Die Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur gemäß der Erfindung.
Stand der Technik
Bevor die Verbrennungsgase eines Automobils an die Umgebungsluft abgegeben werden, können sie mittels eines Filterkörpers wie diejenigen, die in den 1, 3 und 4 gezeigt werden, gereinigt werden, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.
FR 2 928 562 , FR 2 903 918 beschreiben Beispiele derartiger Filterkörper. Sie beschreiben jedoch nicht die Operation der Entbinderung.
EP 1 698 388 beschreibt eine Operation der Entbinderung, aber das Ziel der EP 1 698 388 ist es einen Filterkörper ohne Fehler und Deformationen zu erhalten, die im Stande sind insbesondere zu Rissen zu führen.
WO 2008/063738 beschreibt im Detail eine Installation, die für die Entbinderung einer Wabenvorform benutzt werden kann. Während dieser Operation wird die Gasumgebung erneuert, um den Sauerstoffgehalt zu limitieren.
Wie die Pfeile in 4 anzeigen, tritt der Fluss F der Verbrennungsgase in den Filterkörper 3 durch Eintrittsöffnungen von Eintrittkanälen ein, durchdringen die Filterwände der Kanäle, um die Austrittskanäle wieder zu erreichen, und entweicht nach aussen durch die Ausgangsöffnungen.
Nach einer gewissen Gebrauchszeit führen die Teilchen, oder „der Russ”, die sich in den Kanälen ansammeln, zu einem Druckverlust und verschlechtern so die Motorleistung. Aus disem Grund muss der Filterkörper regelmäßig regeneriert werden, z. B. alle 500 Km.
Die Regeneration oder „Dekolmation” besteht darin, den Russ zu oxidieren. Um dies zu tun ist es notwendig, diesen bis auf eine Temperatur zu erhitzen, die ihre Entflammung erlaubt. Während der Regenerationsphasen differiert die Temperatur je nach den Zonen des Filterkörpers 3 und variiert nicht gleichmäßig. In der Tat transportieren die Auspuffgase stromabwärts die Wärmeenergie, die durch die Verbrennung des Russes freigesetzt wird. Darüber hinaus setzt sich der Russ nicht gleichmäßig in die verschiedenen Kanäle, wobei sie sich z. B. vorzugsweise in der Zone des Filterkörpers anreichern, die in der Nähe seiner longitudinalen Achse ist. Die Verbrennungszonen sind daher nicht gleichmäßig im Filterkörper 3 verteilt. Die Russverbrennung verursacht somit eine Temperaturerhöhung im Herzen des Filterkörpers, die höher ist, als diejenige in den peripheren Zonen. Schließlich werden die peripheren Zonen des Filterkörpers 3 durch die Umgebungsluft durch die metallische Umhüllung 5 hindurch abgekühlt.
Die Temperaturinhomoginität im Innern des Filterkörpers 3 generiert lokale Spannungen mit großen Amplituden. Diese Spannungen können zu lokalen Brüchen oder Rissen führen, die direkt die Filtrationsleistung beeinflussen und stromabwärts des Filterkörpers (Nach-Filter) zu anormal erhöhten Emissionsniveaus führen.
Der Filterkörper 3 muss also gewechselt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Es besteht ein permanenter Bedarf an einer Wabenstruktur, die einen exzellenten thermomechanischen Widerstand darstellt, insbesondere um für die Filtration von Auspuffgasen eines Verbrennungsmotors, insbesondere Dieselmotors, benutzt werden zu können.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Bedarf zu befriedigen.
Die Erfindung schlägt eine Wabenstruktur vor, die bevorzugterweise durch ein keramisches Material gebildet ist, welches aus gesinterten Körner besteht, wobei diese Wabenstruktur einen offenen Riss mit einer Länge L_f aufweist, die zwischen 3 mm und 30 mm liegt, und eine maximale Breite I_max, die kleiner ist als die dreifache maximale Größe D_99,5 der Körner.
Ein solcher Riss wird im folgenden „Mikroriss” genannt. Die Anwesenheit von Rissen wird klassischerweise als schädlich angesehen. In der Tat führen die Risse, die während der Regenerationen auftreten, gewöhnlich zur Zerstörung der Wabenstruktur.
Im Gegensatz zu dieser Schädlichkeit haben die Erfinder entdeckt, dass überraschenderweise die Anwesenheit eines oder mehrerer Mikrorisse den thermomechanischen Widerstand der Wabenstruktur verbessern. Ohne durch diese Theorie gebunden zu sein, sind sie der Meinung, dass die Mikrorisse es erlauben, die thermomechanischen Spannungen effektiver zu absorbieren, die zu Deformationen führen, welche während der Regenerationen aus Dilatationsphänomenen resultieren, und können somit dazu beisteuern, die Lebensdauer des Filters zu erhöhen.
Mikroriss
Dieser Mikroriss kann ein oder mehrere der folgenden optionellen Merkmale aufweisen:

– Das Verhältnis zwischen der maximalen Breite des Mikrorisses und der Maximalgröße der Körner, I_max/D_99,5 ist kleiner als 2,5, kleiner als 2,0, kleiner als 1,5, kleiner als 1,2, und/oder größer als 0,1, größer als 0,5, ja sogar größer als 0,8; auf wenigstens 90% seiner Länge weist der Mikroriss eine maximale Breite I_max auf, die kleiner 90 micron, kleiner als 80 micron, kleiner als 60 micron, kleiner als 50 micron, kleiner als 40 micron, ja sogar kleiner als 30 micron ist und/oder eine minimale Breite I_min aufweist, die größer als 3 micron, ja sogar größer als 5 micron ist;
– der Mikroriss weist eine maximale Tiefe p_max auf, die bevorzugterweise kleiner als 100 micron, kleiner als 80 micron, kleiner als 60 micron, kleiner als 40 micron, kleiner als 30 micron ist und/oder größer als 10 micron, größer als 20 micron ist;
– der Mikroriss weist eine Länge L_f auf, die bevorzugterweise größer als 5 mm, bevorzugterweise größer als 7 mm und/oder bevorzugt kleiner als 40 mm, bevorzugt kleiner als 30 mm, bevorzugt kleiner als 25 mm ist;
– der Mikroriss weist eine Länge auf, die kleiner als 25%, kleiner als 20%, kleiner als 15%, kleiner als 12%, kleiner als 10%, kleiner als 8%, kleiner als 6%, kleiner als 4% und/oder größer als 1% der Länge der Wabenstruktur ist.
– der Mikroriss erstreckt sich im Wesentlichen entlang der longitudinalen Richtung der Wabenstruktur. Insbesondere ist der Winkel zwischen einer senkrechten Ebene zur Hauptrichtung des Mikrorisses und einer Transversalebene (senkrechte Ebene zur longidutinalen Richtung) bevorzugterweise kleiner als 45°, kleiner als 30°, ja sogar kleiner als 20°.
– Bevorzugterweise mündet der Mikroriss auf einer Oberfläche der Wabenstruktur, die an der Aussenseite der Wabenstruktur liegt. Insbesondere ist der Mikroriss vorzugsweise auf einer Seitenfläche eines Einzelblocks angeordnet.

Mit Mikrorissen versehener Bereich
Vorzugsweise weist die Wabenstruktur eine Mehrzahl von Mikrorissen auf, wobei mehr als 50%, mehr als 70%, ja sogar mehr als 90% bzw. 95% oder sogar 100% der Mikrorisse gemäß der Erfindung ein oder mehrere der oben erwähnten optionalen Merkmale aufweisen.
Die Mikrorisse können in der Wabenstruktur homogen verteilt sein oder zu Gruppen zusammengefasst. Der Bereich des die Mikrorisse aufweisenden Blocks wird „Mikrorissbereich” genannt. Der Mikrorissbereich wird begrenzt durch die geschlossene Einhüllende mit dem kleinstmöglichen Volumen, welches die Gesamtheit der Mikrorisse der Wabenstruktur beinhaltet und begrenzt durch die Seitenfläche der Wabenstruktur und durch die beiden Querebenen.
Bevorzugterweise ist die Konzentration an Mikrorissen, die auf der Seitenfläche der Wabenstruktur münden, größer als 0,001, bevorzugt größer als 0,01 und/oder kleiner als 0,1 Mikrorisse pro cm² der Seitenfläche, die den Mikrorissbereich begrenzt. Die Erfinder haben gleichfalls entdeckt, dass sich der Mikrorissbereich bevorzugterweise nicht über die gesamte Länge der Wabenstruktur erstreckt. Bevorzugterweise erstreckt er sich über weniger als 50%, weniger als 40%, ja sogar weniger als 30% der Länge der Wabenstruktur.
Die Position des Mikrorissbereichs modifiziert gleichfalls die erreichten Leistungen. Bevorzugterweise erstreckt sich dieser Bereich gänzlich in dem Teil der Wabenstruktur, die sich von einer der Eintrittsflächen und Austrittsflächen auf 40%, 30%, sogar 20% der Länge L der Wabenstruktur erstreckt.
Eine Wabenstruktur gemäß der Erfindung kann mehr als 2, mehr als 3, mehr als 5, mehr als 10, mehr als 15, mehr als 20 Mikrorisse aufweisen.
Vorzugsweise münden mehr als 50%, mehr als 70%, ja sogar mehr als 90% der Mikrorisse auf der Aussenseite der Wabenstruktur. Vorzugsweise münden mehr als 50%, mehr als 70%, ja sogar mehr als 90% der Mikrorisse insbesondere der querlaufenden Mikrorisse, ja sogar alle Mikrorisse, insbesondere die quer verlaufenden Mikrorisse auf der Seitenfläche (oder „äusseren”) der Wabenstruktur, wobei die Seitenfläche die Aussenseite der Wabenstruktur ist, die sich zwischen der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche erstreckt.
Wabenstruktur
Im Allgemeinen ist die Länge L einer Wabenstruktur gemäß der Erfindung kleiner als 50 cm, kleiner als 40 cm, kleiner als 30 cm, kleiner als 25 cm, ja sogar kleiner als 20 cm bzw. kleiner als 15 cm.
Eine Wabenstruktur gemäß der Erfindung kann aus einem Material bestehen, welches einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten oberhalb von 1,0 × 10^–6C^–1 zwischen 20 und 1000°C aufweist. Die Erfindung wird insbesondere für die Wabenstrukturen aus einem Material angewendet, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient größer als 2,5 × 10^–6 C^–1 zwischen 20 und 1000°C ist. Sie kann insbesondere beinhalten bzw. sogar bestehen aus Siliciumcarbid SiC.
Dieses Merkmal ist insbesondere nützlich in einem zusammengesetzten Filterkörper. Während der Regeneration weisen die peripheren und zentralen Einzelblöcke in der Tat eine sehr unterschiedliche Deformation auf, die transversal sich erstreckende Spannungen (in den Querebenen) generiert und eventuell zu longitudinalen Rissen in den Verbindungen führt. Die Anwesenheit von Mikrorissen in den Einzelblöcken stellt sich besonders vorteilhaft in dieser Situation heraus.
Eine Wabenstruktur gemäß der Erfindung kann ein monolithischer Körper sein, ein zusammengesetzter Körper oder ein Einzelblock, der für die Fabrikation eines zusammengesetzten Körpers bestimmt ist. Sie kann eine Vorform oder eine gesinterte Struktur sein. Sie kann filtrierend (wobei die Kanäle an einem ihrer Ende geschlossen sind) sein oder nicht.
Vorzugszweise ist eine Wabenstruktur gemäß der Erfindung neu, d. h., dass sie niemals für die Filtration benutzt worden ist. Sie ist somit ohne jede Spur von Russ.
Vorzugszweise ist eine Wabenstruktur gemäß der Erfindung ein zusammengesetzter Körper, welcher aus einer Zusammensetzung von Einzelblöcken mit Zwischenverbindungen und zwar fortlaufend oder nicht, gebildet ist.
Die Erfindung betrifft einen zusammengesetzten Körper, wobei bemerkenswert ist, dass er aus mindestens einem Einzelblock gemäß der Erfindung besteht. Vorzugsweise wenigstens 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, vorzugsweise alle Einzelblöcke des zusammengesetzten Körpers sind gemäß der Erfindung aufgebaut.
Wenn der zusammengesetzte Körper zur Filtration von Teilchen bestimmt ist, insbesondere von Teilchen des Auspuffgases eines Verbrennungsmotors, besteht jeder Einzelblock aus einem Ensemble von einander benachbarten Kanälen, die sich zwischen der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche erstrecken und voneinander durch die Filterwände getrennt sind, wobei die Kanäle durch Stopfen verschlossen sind, die stromauf- und stromabwärts abwechselnd in der Nähe der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche angeordnet sind.
Bevorzugterweise ist jeder Einzelblock gemäß der Erfindung so angeordnet, dass sein Mikrorissbereich näher an der Austrittsfläche als an der Eintrittsfläche liegt, vorzugsweise so, dass der Bereich sich bis zu der Austrittsfläche hin erstreckt, vorzugsweise auf einer Länge, die kleiner als 30% der Länge des Einzelblocks ist.
Die thermomechanischen Spannungen, insbesondere an den Verbindungen, sind bei aus Einzelblocks zusammengesetzten asymmetrischen Körpern besonders stark, d. h., in solchen asymmetrischen Körpern, bei denen die Querschnitte der Eingangskanäle verschienden sind von denen der Ausgangskanäle. Die Anordnung des Mikrorissbereiches in der Nähe der Austrittsfläche ist besonders vorteilhaft bei dem Typ der Einzelblocks. Die Erfinder denken, dass diese besondere Anordnung es erlaubt, die thermomechanischen Spannungen in der Nähe dieser Fläche zu vermindern.
Die Erfindung betrifft ausserdem eine Vorrichtung, die ausgewählt ist aus einem Wärmetauscher und einem Partikelfilter, wobei diese Vorrichtung insofern bemerkenswert ist, als sie mindestens aus einer gesinterten Wabenstruktur besteht gemäß der Erfindung. Diese Struktur ist bevorzugt neu, d. h. ohne Gebrauchsspuren und insbesondere ohne Russspuren.
In einer Ausführungsform ist die Wabenstruktur niemals in einer Auspufflinie montiert.
Die Erfindung betrifft gleichermaßen eine Auspufflinie eines Automobils, die mit einer gesinterten Wabenstruktur gemäß der Erfindung ausgerüstet ist, insbesondere eine Auspufflinie eines Dieselmotors eines Kraftfahrzeugs.
Die Erfindung betrifft gleichermaßen ein Herstellungsverfahren für eine Wabenstruktur, welches die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

a) Extrusion eines keramischen Materials durch eine Düse, um eine Vorform der Wabenstruktur zu formen,
b) Trocknung,
c) Entbinderung und Sinterung der Vorform, um eine gesinterte Wabenstruktur zu erhalten,
d) optional vor oder nach der Sinterung, Verstopfung der Kanäle der gesinterten Wabenstruktur,
e) optional Zusammenstellung der gesinterten Wabenstruktur mit anderen gesinterten Wabenstrukturen, vorzugsweise gemäß der Erfindung, derart, dass ein zusammengesetzter Körper erhalten wird (insbesondere gemäß den Schritten A) bis E) oder A') bis E').

Dieses Verfahren ist insofern bemerkenswert, dass zur Zeit der Entbinderung mindestens eine Region in einer Umgebung entwickelt wird, die geeignet ist, ein Mikroreissen zu generieren, genannt „Mikrorissumgebung” und zwar in der gesinterten Wabenvorform.
Der Mikrorisscharakter einer Umgebung ist charakterisiert durch die drei folgenden Punkte:

– Umgebungstemperatur
– Konzentration des oxidierenden Gases in der Umgebung;
– Dauer des in Kontakthaltens dieser Umgebung mit besagter Region.

Vorzugsweise ist die Temperatur unterhalb von 700°C und/oder oberhalb von 300°C, vorzugsweise oberhalb von 400°C.
Bevorzugt ist die Umgebung gasförmig und die Sauerstoffkonzentration der Umgebung ist größer als 15 Vol und bevorzugt kleiner als 25 Vol, wobei eine Konzentration von 21% passend ist. Luft kann benutz werden. Vorzugsweise wird der verbrauchte Sauerstoff erneuert, um eine solche Umgebung in Kontakt mit besagter Region zu halten, beispielsweise durch permanentes Einblasen oder nicht von mit Sauerstoff beladenem Gas.
Beispielsweise kann ein Gasdurchsatz insbesondere von Luft im Mittel zwischen 5 und 20 × 10^–2 m³/s pro m² der Oberfläche der Vorform der Wabenstruktur, die dieser Luft ausgesetzt ist (Oberfläche, die direkt diesem Luftfluss ausgesetzt ist, d. h., durch welche der Fluss zum ersten Mal in Kontakt mit der Vorform kommt) angemessen sein. Dieser Durchsatz hängt somit vom Massengehalt an organischen Verbindungen ab, um Zusätze in der Extrusionsmischung der Nabenvorformen zu zersetzen, insbesondere die Bindemittel, Plastifizierer und Schaumbildner organischer Natur. Der im Durchschnitt aufgebrachte Luftdurchsatz, wie er eben angesprochen worden ist, ist insbesondere an einen Massengehalt an organischen Verbindungen oberhalb von 10% und unterhalb von 30% angepasst.
Bevorzugt dauert die Operation der Entbinderung länger als 1 Stunde.
Einfache Versuche dürften dem Fachmann erlauben, leicht akzeptable Triplets zu bestimmen.
Vorzugsweise ist die Vorform der Wabe während der Entbinderung einer nicht einheitlichen Temperatur ausgesetzt. Vorzugsweise wird das Gas etwa entlang der Achse der Vorform indiziert. Vorzugsweise setzt man mindestens zwei Bereiche der Vorform Umgebungen aus, welche verschiedene potenzielle Oxidantien repräsentieren. Vorteilhafterweise ist es auch möglich, nur einen Teil der gesinterten Wabenstruktur mit Mikrorissen zu versehen, und insbesondere nur die Bereiche der Wabenstruktur mit Mikrorissen zu versehen, die in der gewünschten Anwendung die stärksten thermomechanischen Spannungen erleiden.
Vorzugszweise weist die extrudierte keramische Masse mehr als 5%, vorteilhafterweise mehr als 7% ja sogar mehr als 10% organischen Materials auf, beispielsweise Methylzellulose und zwar in Massenprozenten. Ein gesteigerter Gehalt an organischem Material, welches während der Entbinderung eliminiert wird, favorisiert vorteilhafterweise die Mikrorissbildung.
Die klassischerweise angewandten Umgebungen zur Entbinderung der Vorformen gemäß dem Stand der Technik erlauben es nicht eine Mikrorissbildung zu generieren. Im Gegenteil, wie beispielsweise in der WO 2008/063538 beschrieben, ist die Umgebung im allgemeinen so angepasst, dass jegliche Rissbildung ausgeschlossen ist.
Nach der Entbinderungsoperation kann die Temperatur der Wabenstruktur reduziert werden, eventuell bis auf die Umgebungstemperartur vor der Sinteroperation.
Vorzugsweise ist die Entbinderung eine von der Sinterung getrennte Operation. Insbesondere ist die Temperatur der Entbinderung klassischerweise geringer als die Sintertemperatur.
Vorzugsweise weist die Entbinderungsoperation einen Schritt auf, in dem die Temperatur unterhalb von 700°C gehalten wird, vorzugsweise unterhalb von 500°C, vorzugsweise während einer Dauer von mehr als 30 Minuten, vorzugsweise mehr als 1 Stunde.
Die Erfindung betrifft noch eine mit Mikrorissen versehene Vorform, die insbesondere nach einem Entbinderungsschriftt wie oben beschrieben erhalten wird.
Definitionen
Ein Riss wird „offen” genannt, wenn er an der Aussenseite des Materials mündet (im Gegensatz zu einem geschlossenen Riss, der ausschließlich im Inneren des Materials verläuft).
Ein Mikroriss wird als „querverlaufend” bezeichnet, wenn er eine Wand durchstößt.
Die Länge eines Mikrorisses wird auf der Oberfläche, auf der der Mikroriss mündet, dem Richtungsverlauf des Mikrorisses folgend gemessen (klassischerweise auf einem Foto dieser Oberfläche). Die Breite wird auf der Oberfläche gemessen, auf der der Mikroriss mündet, und zwar senkrecht zur Verlaufslinie.
Die Hauptrichtung eines Mikrorisses ist die Richtung, die durch die Verbindungslinie seiner beiden Enden definiert ist.
Die „longitudinale” Richtung oder die Richtung der Länge „einer Wabenstruktur (C-C oder D-D in den 1 bis 3) ist durch die allgemeine Fließrichtung des Fluids durch diese Wabenstruktur definiert. Klassischerweise erstrecken sich alle Kanäle einer Wabenstruktur parallel zur longitudinalen Richtung. In einer zusammengesetzten Wabenstruktur sind die einzelnen Blocks allgemein so zusammengesetzt, dass die Verbindungsflächen, zwischen denen sich eine Verbindung erstreckt, wenigstens lokal in etwa parallel zur longitudinalen Richtung sein sollen und bevorzugterweise parallel zueinander.
Eine „longitudinale” Fläche ist eine Fläche, die parallel zur longitudinalen Richtung der Wabenstruktur verläuft.
Eine „transversale” Ebene ist eine Ebene, die senkrecht auf der longidutinalen Richtung steht. In einer Wabenstruktur, deren Kanäle alle zueinander parallel sind, ist eine transversale Ebene eine Ebene senkrecht zur Richtung dieser Kanäle.
In einem Partikelpulver nennt man die „Größe” eines Teilchens den Mittelwert zwischen seiner größten und seiner kleinsten Dimension. Die Prozentangaben oder „Zentillen” 10 (D₁₀), 50 (D₅₀), 90 (D₉₀) und 99,5 (D_99,5) einer Partikelmenge in einem Pulver sind die Größen dieser Partikel entsprechend den Volumenprozenten von 10%, 50%, 90% und 99,5% auf der kummulierten Verteilungskurve der Größen der Partikel, wobei die Größen nach ihrer zunehmenden Größe klassifiziert werden. Beispielsweise haben 10 Vol% von Teilchen eine Größe kleiner als D₁₀ und 90% der Teilchen im Volumen haben eine Größe größer oder gleich D₁₀.
In einem gesinterten Material spricht man von der „Größe” eines Korns in einem Materialschnitt als dem Mittel zwischen seiner größten und seiner kleinsten Dimension. Die Größe wird klassischerweise mit einem Elektronenmikroskop gemessen.
Für eine Gesamtheit von Körnern in einem gesinterten Material sind die Zentillen 10 (D₁₀), 50 (D₅₀), 90 (D₉₀) und 99,5 (D_99,5) die Größen dieser Körner in einer Schnittebene entsprechend den Prozenten von Kornzahlen von 10%, 50%, 90% und 99,5% über die kummulierte Größenverteilungskurve der Körner, wobei die Größen in aufsteigender Ordnung klassifiziert sind. Beispielsweise haben 10% der Anzahl von Körnern eine Größe die kleiner ist als D₁₀ und 90% der Anzahl der Körner eine Größe die größer oder gleich D₁₀. Die Zentillen können mit Hilfe einer geeigneten Logik durch Bildanalyse eines metallographischen Schnitts des verwendeten Materials mit einem Elektronenmikroskop bestimmt werden. Bei einem in etwa homogenen gesinterten Material hängt die kummulierte Größenverteilungskurve der Körner nicht unbedingt von der betrachteten Schnittebene ab.
Klassischerweise nennt man die Zentille „D₅₀” „die mittlere Größe” und die Zentille „D_99,5” die „maximale Größe”.
Die „Entbinderung” ist eine thermische Behandlung, die es erlaubt, die Bindemittel und die temporären Schaumbildner zu eliminieren. Klassischerweise sind diese Bindemittel organische Bindemittel. Die schaumbildenden Zuschläge sind insbesondere solche vom Zellulosetyp wie Polyethylen, Polystyren, Amidon und Graphit. Sie sind beispielsweise in den Anmeldungen JP 08-281036 oder EP 1 541 538 beschrieben. Klassischerweise wird eine Entbinderung bei einer Maximaltemperatur oberhalb von 300°C bewirkt, vorzugsweise oberhalb von 400°C und/oder unterhalb von 700°C ja sogar unterhalb von 500°C, vorzugsweise bei einer Dauer von mehr als 1 Stunde und weniger von 15 Stunden. Ohne gegenteilige Angaben versteht man „bestehend aus einem” oder „darstellend einen” „bestehend aus mindestens einem” oder „darstellend mindestens einen”.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die folgende Beschreibung, die sich auf die angehängten Zeichnungen bezieht, erlaubt es, die Vorteile der Erfindung besser zu verstehen und zu beurteilen.
In diesen Zeichnungen:
zeigt die 1 schematisch in Perpektive einen zusammgesetzten Filterkörper;
die 2 schematisch in Perspektive einen Einzelblock des zusammengesetzten Filterkörpers wie er in 1 dargestellt ist;
die 3 schematisch in Perspektive einen monolithschen Filterkörper;
die 4 schematisch einen longitudinalen Schnitt durch die Mitte folgend der Schnittebene P, wobei der zusammengesetzte Filterkörper, wie er in 1 dargestellt ist, nach der Einfügung in seine Hülse dargestellt ist;
die 5 bis 8 Fotos von Mikrorissen;
die 9 eine Entbinderungsanlage, die es erlaubt, Mikrorisse in Einzelblocks zu erhalten und
die 10 schematisch einen Mikroriss auf einem Einzelblock.
Auf diesen nicht einschränkenden Figuren werden die verschiedenen Elemente nicht notwendigerweise mit dem gleichen Maßstab dargestellt.
Insbesondere aus Gründen der Klarheit ist der Mikroriss 120 in der 10 nicht maßstabsgetreu dargestellt.
Identische Bezugszeichen werden auf den verschiedenen Figuren zur Bezeichnung identischer oder ähnlicher Elemente verwendet.
Um die Klarheit der Figuren zu verbessern, ist die Zahl der dargestellten Kanäle sehr viel kleiner als die der Einzelblocks oder der klassischen kommerziellen Filterkörper.
Detaillierte Beschreibung
Wabenstruktur
Ein Partikelfilter 1 besteht klassischerweise aus mindestens einem Filterkörper 3, welcher im allgemeinen zylindrisch mit der longitudinalen Achse C-C ausgebildet ist, mit einer Länge L, die typischerweise zwischen 10 und 50 cm liegt, und der in eine metallische Einhüllung oder Hülse 5 eingeführt ist, auch „eindosen” genannt (4).
Der Filterkörper 3 kann ein monolithischer Körper sein, d. h. aus einem einzigen Stück, ohne Verbindung, wie in der 3 dargestellt.
Um seinen thermomechanischen Widerstand zu verbessern, im besonderen während der Regenerationsphasen, ist es daher vorteilhaft, dass er aus einer Zusammenstellung einer Mehrzahl von Einzelblocks 11 mittels Verbindungen 12 besteht.
Der Filterkörper ist somit ein „zusammengesetzter Körper” wie in den 1 und 4 dargestellt.
Ein Einzelblock 11 (2) hat klassischerweise die Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds, mit der Achse D-D mit einer Länge „L”, einer Breite „I” und einer Höhe „h” wie in 2 dargestellt. Die Breite „I” und die Höhe „h” einer Seitenoberfläche 14a–d eines solchen Einzelblocks finden sich typischerweise zwischen 30 mm und 100 mm. Die Gesamtheit der Seitenflächen 14a–d des Einzelblocks bilden seine „Seitenoberfläche”.
Ein monolithischer Körper und ein Einzelblock 11 sind Beispiele von Wabenstrukturen, wobei eine Konfiguration „Wabe” mit der Anwesenheit einer Gesamtheit von Kanälen 18 oder „Leitungen” korrespondiert, die benachbart zueinander angeordnet sind, in der Weise, dass sie im Schnitt ein regelmäßiges Motiv bilden, beispielsweise in Form eines Schachbretts.
Man nennt „äußere Wand” die periphere Wand einer Wabenstruktur, die die Seitenoberfläche definiert.
Die Wabenstruktur kann aus einem porösem Material sein, welches mehr als 30%, sogar mehr als 40% und/oder weniger als 65%, insbesondere weniger als 50% offener Porosität aufweist.
In einer Ausführungsform ist die Wabenstruktur aus einem Material, welches bei einer Temperatur, die zwischen 20°C und 600°C liegt, eine thermische Leitfähigkeit unterhalb von 60 W/m°C, insbesondere unterhalb von 40 W/m°C, und/oder oberhalb von 1 W/m°C, insbesondere oberhalb von 10 W/m°C aufweist.
Die Wabenstruktur kann aus einem Material bestehen, das einen Ausdehnungskoeffizienten oberhalb von 2,5·10^–6°C^–1 zwischen 20 und 1000°C aufweist, für den die Erfindung besonders brauchbar ist.
Vorzugsweise ist die Wabenstruktur aus einem gesinterten Material und ebenfalls bevorzugt, beinhaltet es mehr als 50%, mehr als 80%, sogar mehr als 95% oder sogar mehr als 98% bzw. 100% einer SiC-Masse, die bevorzugterweise rekristallisiert ist.
Das Siliciumcarbid (SiC) kann gesintert sein und/oder durch Silicium gebunden sein.
Die Wabenstruktur kann gleicherweise aus einem Material bestehen, welche wenigstens 50% Aluminiumtitanat und/oder Mullit und/oder Cordierit (Mg₂Al₄Si₂O₁₈) und/oder aus Siliciumnitrat und/oder gesinterten Metallen.
In einem zusammengesetzten Körper können alle Einzelblocks aus identischem Material bestehen.
Kanäle
Vor allem bei einer Anwendung zur Filtration sind die Kanäle 18, die jeweils durch eine Seitenwand 22 begrenzt sind, im allgemeinen geradlinig und verlaufen parallel einer zum anderen entlang der Länge L. Die Dicke der Seitenwände (oder „Filtrierwände”) können insbesondere zwischen 180 und 500 micron sein.
Der Querschnitt der Kanäle, der bevorzugt entlang der Länge konstant ist, kann insbesondere zwischen 0,4 und 9 mm² betragen.
Jeder Kanal mündet nach aussen über eine stromaufwärts liegenden Öffnung 24e auf einer Eintrittsfläche 26e und durch eine stromabwärts liegende Öffnung 24s auf einer Austrittsfläche 26s.
In einer Filtrieranwendung ist die Anzahl der Kanäle der Wabenstruktur typischerweise zwischen 7,75 und 62 pro cm² der Eintrittsfläche, bevorzugterweise zwischen 150 bis 400 cpsi.
Klassischerweise extrudiert man eine keramische Masse durch eine geeignete Düse, um eine Wabenstruktur herzustellen. Die Extrusionsdüse ist so ausgebildet, dass die Vorform die Form eines Zylinders mit einem kreisförmigen oder elipsiodalen Querschnitt aufweist, um einen monolithischen Körper herzustellen, oder aus einem Zylinder mit polygonalem Querschnitt, beispielsweise quadratisch, hexagonal oder rechteckig, um einen Einzelblock herzustellen.
Verschlusskappen
Die Kanäle einer Wabenstruktur, die zur Fabrikation eines Filterskörpers bestimmt ist, werden schließlich auf der Eintrittsfläche 26e oder auf der Austrittsfläche 26s durch stromaufwärts liegende Stopfen 30s und stromabwärts liegende Stopfen 30e verschlossen, wie es bereits bekannt ist, um Kanäle zu bilden, genannt „Austrittskanäle” 18s und „Eintrittskanäle” 18e (siehe 4). Auf diese Weise erhält man eine „filtrierende” Wabenstruktur.
Weiterhin bevorzugt erstrecken sich die stromaufwärts und stromabwärts liegenden Stopfen jeweils entlang der Eintrittsfläche und entlang der Austrittsfläche.
Somit definieren die Eintritts- und Austrittskanäle Eintritts- und Austrittskammern 34e und 34s, welche jeweils durch eine Seitenwand 22, einen Verschlussstopfen und eine nach aussen mündende Öffnung begrenzt sind. Zwei benachbarte Eintritts- und Austrittskanäle sind fließmäßig durch ihre gemeinsame Seitenwand verbunden.
In einer Ausführungsform sind die Eintrittskanäle 18e und die Austrittskanäle 18s einander benachbart und die einen im Verhältnis zu den anderen so angeordnet, dass die Gesamtheit des durch einen Eingangskanal filtrierten Gases in die benachbarten Ausgangskanäle des Eintrittskanals gelangt. Somit existieren keine Zonen eines oder mehrerer Eintrittskanäle, die in einen anderen Eintrittskanal münden, also Zonen, die nicht für die Filtration geeignet sind. Die Filteroberfläche (d. h. die benutzte Oberfläche der Wände der Eintrittskanäle), die für ein bestimmtes Volumen der Wabenstruktur verfügbar ist, ist hierdurch optimiert.
Vorzugszweise sind die Gesamtheiten der Eintritts- und der Austrittskanäle so ineinander verschachtelt, dass im Querschnitt ein Schachbrettmuster gebildet wird, wo besagte Eintrittskanäle mit besagten Austrittskanälen einander abwechseln.
Die Eintrittskanäle haben bevorzugterweise einen Querschnitt, der größer als der der Austrittskanäle ist, um das für das Speichern von Rückständen verfügbare Volumen zu vergrößern. Vorteilhafterweise sind die Reinigungsfrequenz des Filters und der Druckverlust reduziert. Zu diesem Zweck sind die Kanalwände „deformiert”, um das Gesamtvolumen der Eintrittskanäle auf Kosten desjenigen der Austrittskanäle zu vergrößern. Beispielsweise können die Wände konkav zur Seite eines Eintrittskanals und konvex zur Seite eines Austrittskanals sein, die einander benachbart sind.
Die Zwischenwände, die zwei Linien oder zwei Kolonnen von Kanälen voneinander trennen, können insbesondere einen Querschnitt in Wellenform aufweisen („wavy” im englischen), wobei die Zwischenwand sich in etwa mit einer halben Wellenlänge über die Breite eines Kanals erstreckt. Man nennt „Wellenlänge” die Distanz, die zwei Punkte auf dieser Welle voneinander trennt, die auf der gleichen Höhe angeordnet sind mit gleicher Steigungsrichtung. Im Fall einer periodischen Welle nennt man „Länge” der Welle „Periode”. Vorzugsweise ist die Welle periodisch, die Amplitude der Wellen kann jedoch konstant oder auch variabel sein. Vorzugszweise ist diese Amplitude konstant. Weiterhin vorzugsweise stellt die Welle eine Sinuskurve dar, deren Halbperiode gleich ist dem Schritt „p” des Kanalnetzes, oder eine Folge von aneinander gereihter Kreisbögen, wobei jeder Bogen eine Länge aufweist, die gleich dem Schritt „p” ist.
Schließlich weisen bevorzugt alle die Zwischenwände, die sich zwischen zwei Linien und/oder zwischen zwei Kolonnen von Kanälen erstrecken, im Querschnitt eine Welle von identischer Form auf.
Der „Asymmetrie-Grad” einer „wavy”-Struktur bezeichnet das Verhältnis von der Amplitude „h_w” und der Halblänge besagter Welle, d. h., im Falle einer periodischen Welle das Verhältnis zwischen der Amplitude „h_w” und der Halbperiode. Vorzugsweise ist der Asymmetrie-Grad kleiner als 40%, bevorzugt kleiner als 30%, bevorzugt kleiner als 20% und in einer besonders bevorzugten Form kleiner oder gleich 10% und/oder größer als 2%, bevorzugt größer als 5%. Vorteilhafterweise ist der Druckverlust, der durch die Ansammlung von Russ durch den Block induziert wird, stark reduziert, und die Regenerationsfrequenz des Filterkörpers ist somit beschränkt.
Mit dieser asymmetrischen Kanalkonfiguration ist das totale Volumen der Eingangskanäle größer als das der Ausgangskanäle und die Gesamtoberfläche der Öffnungen der Eingangskanäle auf der Eintrittsfläche, d. h. die Summe der Flächen dieser Öffnungen, ist größer als die der Öffnungen der Ausgangskanäle auf der Austrittsfläche. Für eine optimale Wirkung ist das Verhältnis r des Totalvolumens Ve der Eingangskanäle zum Totalvolumen Vs der Ausgangskanäle oder das Verhältnis r' der Gesamtinnenfläche der Eingangskanäle zur Gesamtinnenfläche der Ausgangskanäle vorzugsweise größer als 1,03, größer als 1,10, größer als 1,15 und/oder kleiner als 3, kleiner als 2,5 bevorzugt kleiner als 2.
Nach dem Verschließen werden die Wabenstrukturen gesintert.
Der Sinterung kann ein Entbinderungsschritt vorgeschaltet sein. Üblicherweise werden die Wabenstrukturen in einen Ofen gegeben und einer thermischen Entbinderungsbehandlung bei einer Temperatur unterworfen, die allgemein zwischen 300 und 700°C liegt.
Nach der Entbinderung können die Wabenstrukturen auf eine Temperatur oberhalb von 1600°C, sogar oberhalb von 1800°C, bevorzugt zwischen 1900°C und 2400°C, bevorzugt zwischen 2000°C und 2300°C ja sogar oberhalb von 2100°C gebracht werden, bevorzugt während einer typischen Dauer zwischen 2 und 10 Stunden, bevorzugt zwischen 4 und 6 Stunden, um gesintert zu werden.
Um einen zusammengesetzten Körper herzustellen, setzt man die Einzelblocks wie im Beispiel unten beschrieben zusammen.
Allgemein wird die Seitenfläche 38 des monolithischen Filterkörpers oder des zusammengesetzten Filterkörpers mit einer Umfangsbeschichtung 36 abgedeckt, auch „äussere Beschichtung” oder „coating” genannt, mit einem Beschichtungszement, welcher thermisch isolierend ist und für die Auspuffgase undurchlässig, wie beispielsweise in de EP 1 142 619 oder EP 1 632 657 beschrieben. Diese Umfangsbeschichtung kann mittels eines Zements hergestellt werden, der identisch ist demjenigen, der für die Verbindungen benützt wird.
Die Dichtheit des Beschichtungszements ermöglicht die Herbeiführung von querverlaufenden Mikrorissen in der Dicke der Aussenwand des Filterkörpers ohne nachteiligen Effekt auf die Filterwirksamkeit (indem man diesen Zement derart aufbringt, dass die Öffnungen dieser Mikrorisse abgedeckt sind).
Der Filterkörper 3, zusammengesetzt oder monolithisch, kann auch in eine Hülse 5 eingesetzt werden, wobei eine Umfangsverbindung 40, welche für die Auspuffgase undurchlässig ist, zwischen der Seitenfläche 38 des Filterkörpers und der Hülse 5 angeordnet ist.
Beispiele von Filterkörpern sind insbesondere in den Patentanmeldungen EP 816 065 , EP 1 142 619 , EP 1 455 923 oder WO 2004/065088 beschrieben, auf denen man bezüglich ihrer Struktur oder ihrer Herstellung nähere Angaben erhalten kann.
Zusammengesetzter Körper
Ein Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten Körpers beinhaltet klassischerweise folgende Verfahrensschritte:

A) Herstellung einer Vielzahl von gesinterten Einzelblöcken 11;
B) Präparation eines Montagezements für die Zusammensetzung;
C) Zusammenkleben der Einzelblocks mittels des frischen Montagezements;
D) Härtung des frischen Montagezements derart, das Verbindungen 12 zwischen den Verbindungsflächen gebildet werden;
E) Optional eine thermische Behandlung.

Im Schritt A können die Einzelblöcke wie oben beschrieben hergestellt werden.
Im Schritt B wird der frische Montagezement im Hinblick auf die gewünschten Eigenschaften für die Verbindungen zubereitet.
Die beiden Flächen der Verbindung, zwischen denen sich eine Verbindung erstreckt, können im allgemeinen von ebener Form sein.
Der Montagezement, der die Verbindungen bildet, besteht im allgemeinen aus Siliciumdioxid und/oder aus Siliciumcarbid oder Aluminiumnitrat. Vorzugszweise ist der Montagezement im wesentlichen für die zu filternden Auspuffgase undurchlässig. Der Montagezement kann bei einer Temperartur zwischen 20°C und 600°C eine thermische Leitfähigkeit von oberhalb von 0,1 W/mK aufweisen, und vorzugsweise kleiner als 5 W/mK, sogar kleiner als 1 W/mK, um die thermomechanischen Spannungen zu begrenzen. Typischerweise ist die mittlere Dicke einer Verbindung 12 zwischen 0,3 und 4 mm.
Die totale Porosität des Montagezements der Verbindungen kann oberhalb von 5% und kleiner von 90% sein, vorzugsweise oberhalb von 30% und/oder unterhalb von 85%. Der Montagezement kann vorteilhafterweise mehr als 0,05% und weniger als 5% eines hitzebeständigen Kunststoffs aufweisen in Prozenten im Verhältnis zur Masse des trockenen mineralischen Materials.
Der Montagezement kann aus einem mineralischen Pulver erhalten werden, welches in Massenprozent im Verhältnis zur mineralischen Masse weniger als 5% von Teilchen aufweist, dessen mittlere Größe zwischen 0,1 und 10 micron, vorzugsweise zwischen 0,3 und 5 micron ist. Vorzugsweise stellen das Siliciumcarbid (SiC), das Aluminat (Al₂O₃) das Zirkon (ZrO₂), das Titanoxyd (TiO₂), das Magnesiumoxyd, das Silicat (SiO₂) und die Mischungen aus diesen Oxyden, wie das Titanat von Aluminium, das Mullit oder das Zirkon insgesamt mehr als 85% der Masse des trockenen Mineralmaterials des Montagezements dar. Der Montagezement kann einen Gehalt an Kalk (CaO) unterhalb von 0,5% in Masseprozent im Verhältnis zum trockenen Mineralmaterial aufweisen. Der Montagezement kann ein Komposit-Material sein, welches Körner aus einem anorganischen Material aufweist, die durch eine geopolymere Matrix verbunden sind.
Der Montagezement kann mehr als 30%, mehr als 50%, mehr als 60%, sogar mehr als 75% Siliciumcarbid enthalten, und zwar in Masseprozent bezogen auf das trockene Mineralmaterial, insbesondere um eine erhöhte thermische Leitfähigkeit zu erhalten. Vorzugsweise ist das Siliciumcarbid in Form von Teilchen vorhanden, deren mittlere Größe unterhalb von 200 micron liegt.
Das Siliciumcarbid weist somit einen Ausdehnungskoeffizienten auf, der relativ erhöht ist. Der Gehalt an Siliciumcarbid muss daher begrenzt sein, um einen thermomechanischen Widerstand sicherzustellen, der an die Anwendung auf Partikelfilter angepasst ist. Ein Gehalt an Silicumcarbid zwischen 30 und 90%, vorzugsweise zwischen 55 und 75% ist besonders geeignet.
Der Montagezement weist vorzugsweise weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 5%, vorzugsweise weniger als 1% mineralischer Fasern auf, insbesondere keramische in Massenprozent auf der Basis des trockenen Mineralmaterials.
Vorzugszweise weist der Montagezement keine solche Fasern auf.
Vorzugsweise weist der Montagezement eine anorganische und/oder organische Verbindung auf.
Klassischerweise ist der Montagezement für das filtrierte Gas undurchlässig. Die Dichtheit des Montagezements bietet somit vorteilhafterweise die Möglichkeit, in der Dicke der äusseren Wand eines Einzelblocks die Erzeugung von quer verlaufenden Mikrorissen ahne nennenswerte Wirkung auf die Filtrationswirkung vorzusehen (indem man diesen Zement so anordnet, dass er die Öffnungen der Mikrorisse abdeckt).
In Schritt C werden zwei benachbarte Einzelblocks aneinander geklebt, indem man sie einander gegenüberstellt, vorzugsweise parallel zueinander und zwar jeweils mit den Seitenflächen 14a–14d, wonach frischer Montagezement zwischen diesen sich einander gegenüberstehenden Seitenwänden aufgetragen wird (genannt Verbindungsflächen).
In Schritt D wird, nachdem er zwischen die Verbindungsflächen der Einzelblocks angeordnet worden ist, der frische Montagezement getrocknet, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 100°C und 200°C, vorzugsweise in Luft oder einer Atmosphäre mit geregelter Feuchte, vorzugsweise derart, dass die Restfeuchte zwischen 0 und 20% liegen. Vorzugsweise liegt die Dauer der Trockung zwischen einigen Sekunden und 10 Stunden, insbesondere als Funktion des Verbindungsformats und des zusammengesetzten keramischen Körpers.
Die Einzelblocks werden vorzugsweise in Position gehalten, um eine Expansion des frischen Montagezements währen der Aushärtung zu vermeiden, beispielsweise durch Festklemmen mit Hilfe von Abstandshaltern, wie es beispielsweise in der EP 1 435 348 beschrieben wird, und Umbinden der so festgeklemmten Einzelblocks.
In Schritt E kann eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur, die ausreichend ist, um eventuelle Partikel und/oder organische Fasern zu eliminieren, bewirkt werden, um sie zu eleminieren und so die Markroporosität (geschlossene Porosität) zu schaffen, was vorteilhaft ist, um die thermische Leitfähigkeit zu reduzieren.
Die Wärmebehandlung wird vorteilhafterweise unter einer oxidierenden Atmosphäre realisiert, vorzugsweise bei Atmosphärendruck, bei einer Temperatur zwischen 300°C bis 1200°C. Die Wärmebehandlung führt zu der Polymerisation des eventuell vorhandenen wärmehärtbaren Kunststoffs zur Aushärtung der eventuell vorhandenen anorganischen Verbindung, zur Elimination der eventuell vorhandenen organischen Komponenten, sogar zu einer mehr oder weniger vollständigen Sinterung des Montagezements, wenn die Temperatur über 700°C hinausgeht. Diese Wärmebehandlung geht im allgemeinen mit einer Verbesserung des mechanischen Widerstandes einher.
Seine Dauer liegt vorzugsweise ungefähr zwischen 1 und 20 Stunden vom Aufheizen bis Abkühlen und ist variabel als Funktion der Materialien aber auch der Größe und der Form der Verbindungen.
Die Wärmebehandlung kann gleichermaßen auch in situ bewirkt werden. Insbesondere in dem Fall, dass zusammengesetzte Filterkörper zur Filterung in Automobilen bestimmt sind, können die Filterkörper in das Automobil eingebaut werden, vor der Elimination organischer Komponenten des Montagezements, wobei die Regenerationstemperatur ausreichend ist, um sie zu eliminieren. Beispielsweise ist die Verbrennungstemperatur der Zellulosefasern ungefähr 200°C, während die Regenerationstemperatur typischerweise ungefähr 500°C beträgt, sogar noch höher.
Der so aufgebaute zusammengesetzte Körper kann danach benutzt werden, um eine Form zu erhalten, die an die Hülse 5 angepasst ist, beispielsweise um einen zylindrischen Körper mit kreisförmigen Querschnitt herzustellen.
Alternativ zum gerade beschriebenen Verfahren kann ein Verfahren gemäß der Erfindung auch folgende Schritte aufweisen:

A') Herstellung einer Vielzahl von Einzelblocks 11, die nicht gesintert sind;
B') Zubereitung eines frischen Montagezements;
C') Verkleben der Einzelblöcke mittels des frischen Montagezements;
D') Aushärtung des frischen Montagezements, um Verbindungen 12 zwischen den Verbindungsflächen zu bilden;
E') Wärmebehandlung durch Sintern, derart, dass die Einzelblocks und der Montagezement gesintert werden und die Einzelblocks mit Mikrorissen versehen werden.

Verfahren zur Herstellung von Mikrorissen
Eine Wabenstruktur gemäß der Erfindung kann unter Anwendung aller aktuellen Verfahren hergestellt werden, vorausgesetzt, dass dieser Prozess geeignet ist, zur Erzeugung von Mikrorissen zu führen, insbesondere, in dem man den Entbinderungs-Schritt anpasst.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Herstellungsprozess zur Herstellung einer Wabenstruktur, welcher die Schritte a) bis d) aufweist, wie sie oben beschrieben sind.
Vorzugsweise kann in Schritt b) die Trocknung durch eine Wärmebehandlung erfolgen und/oder unter Verwendung von Mikrowellen, und zwar während einer Zeit und einer Temperatur, die ausreichen, um den Gehalt an nicht chemisch gebundenem Wasser auf unter 1% in der Masse zu bringen. Wohlverstanden können auch andere äquivalente und bekannte Mittel berücksichtigt werden ohne den Kern der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
In Schritt c) wird die Elimination der Bindung (oder Entbinderung) vorzugsweise unter einer oxidierenden Atmosphäre, insbesondere unter Luft bewirkt, und zwar bei einer Temperatur vorzugsweise unterhalb von 700°C, um einen ausreichenden mechanischen Gehalt sicherzustellen vor der Sinterung und eine unkrontollierte Oxidation auszuschließen, insbesondere des eventuell vorhandenen Siliciumcarbids. Eine Entbinderung kann unter einer weniger oxidierenden Atmosphäre als Luft bewirkt werden, um einer zu wesentlichen Oxidation des eventuell vorhanden Siliciumcarbids vorzubeugen, dann ist der Entbinderungs-Schritt jedoch länger.
Methoden und Vorrichtungen zur Entbinderung sind beispielsweise in EP 1 541 538 , EP 1 902 766 , US 2007 054229 und WO2008/063538 beschrieben.
Das Sintern wird bei einer Temperatur oberhalb von 1600°C realisiert sogar oberhalb von 1800°C, bevorzugt oberhalb von 2000°C, noch bevorzugter oberhalb von 2100°C. Vorzugsweise ist diese Temperatur unterhalb von 2400°C. Vorzugsweise wird das Sintern unter einer nichtoxidierenden Atmosphäre, beispielsweise in einer Argonatmosphäre durchgeführt.
Gemäß diesem Verfahren sind die in Schritt c) angegebenen Bedingungen so angepasst, dass die gesinterte Wabenstruktur mit Mikrorissen versehen wird. Insbesondere können Mikrorisse im Laufe eines Entbinderungsschritts auftreten, welcher unter Luft in den oben angegebenen Bedingungen bewirkt wird.
Um die Umgebung, in der Mikrorisse entstehen sollen, beherrschen zu können, ist es möglich, eine Injektionsvorrichtung für oxidierendes Gas, insbesondere Luft vorzusehen, welche calibrierte Mündungen aufweist, die so orientiert sind, dass das oxidierende Gas in Kontakt mit der Region, in der die Mikrorisse entstehen sollen, erneuert wird.
Es ist auch möglich, lokal einen Bereich einer Wabenstruktur, insbesondere die Eintrittsfläche oder die Austrittsfläche lokal einem variablen Strom von oxidierendem Gas und/oder einem oxidierenden Gas auszusetzen, welches eine Sauerstoffkonzentration aufweist, die mehr oder weniger erhöht ist. Die Entbinderung provoziert eine Reaktion, die um so mehr exothermisch ist, als die Konzentration von Sauerstoff im oxidierenden Gas und der Strom des oxidierenden Gases erhöht sind. Je größer nun diese Freisetzung von Wärme ist, desto mehr Auftreten von Mikrorissen ist möglich.
Vorzugsweise ist die Injektionsvorrichtung so gewählt, dass in der Wabenstruktur Mikrorisse lokal erzeugt werden, insbesondere um ausschließlich Mikrorisse auf der äusseren Wand der Wabenstruktur zu erzeugen.
Insbesondere kann es von Vorteil sein, das oxidierende Gas durch die Kanäle der Wabenstruktur einzublasen.
Um den mit Mikrorissen versehenen Bereich besser einzugrenzen, wird die Vorform vorteilhafterweise in einer „Gazette” plaziert.
Wie in 9 dargestellt, ist eine „Gazette” 100 eine Platte, im allgemeinen aus Metall. Diese Platte weist einen Boden 102 auf, auf dem die Wabenstrukturen plaziert sind, beispielsweise gesinterte Einzelblocks 11, welche Filterblocks bilden, mit den Dimensionen 25,4 × 3,6 × 3,6 cm³, Seitenwände 104 und 106 und durch die Seitenwände 104 und 106 verbunden eine Vorderwand 108 und eine Rückwand 110. Die „Gazetten” werden übereinander aufgestapelt, derart, dass während der Entbinderung die Einzelblocks 11 zwischen dem Boden 102 der „Gazette” 100, auf der sie positioniert sind, und dem Boden 103 der darüber befindlichen „Gazette” 100' eingeschlossen sind, gestrichelt dargestellt und aufgesetzt auf der Gazette 100. Die Länge L₁₀₀ und die Breite I₁₀₀ können beispielsweise zwischen 20 und 40 cm liegen, beispielsweise 30 cm und die Höhe h₁₀₀ beispielsweise ungefähr 5 cm.
In der bevorzugten Ausführungsform sind die Einzelblocks 11 ungefähr parallel zueinander angeordnet, in etwa entlang der Richtung der Länge L₁₀₀, in einem Abstand δ voneinander von beispielsweise von ungefähr 1 cm. Weiterhin vorteilhaft ist die in Stromrichtung vorne liegende Wand 108 mit Injektionsöffnungen 112 versehen, die beispielsweise einen Durchmesser zwischen 1 und 5 mm, beispielsweise ungefähr 2 mm aufweisen. Vorzugsweise ist jeder Einzelblock 11 vor einer Injektionsöffnung 112 angeordnet, vorzugszweise so, dass eine Achse D-D mit der der entsprechenden Injektionsöffnung 112 korrespondiert. Vorzugsweise weist die in Stromrichtung vorne liegende Fläche 108 eine Injektionsöffnung auf, die nicht der Einströmfläche oder der Ausströmfläche eines Einzelblocks 11 gegenüberliegt.
Weiterhin bevorzugt ist, dass ein Einzelblock 11 mit seiner Eintrittsfläche 26e einer Injektionsöffnung 112 gegenüber liegt. Im Fall, wo die Struktur asymmetrisch ist, ist die Gesamtmasse der Stopfen auf der Eintrittsfläche 26e größer als die Gesamtmasse der Stopfen auf der Austrittsfläche 26s.
Die in Stromrichtung hintere Wand weist eine Austrittsöffnung 114 auf, die sich in etwa über die gesamte Höhe und die gesamte Breite der Rückwand 110 erstreckt, beispielsweise rechtwinklig, beispielsweise über eine Fläche von ungefähr 100 bis 150 cm².
Der Gazettenstapel wird in einen Ofen eingefahren, der auf der Entbinderungstemperatur gehalten wird, beispielsweise bei 450°C.
Ein oxidierendes Gas G, beispielsweise Luft, vorzugszweise auf Entbinderungstemperatur, wird dann durch die Injektionsöffnungen 112 beispielsweise mittels einer Sprüh- oder Ventilationsvorrichtung eingeblasen. Das oxidierende Gas G ist somit in Richtung auf die Einströmfläche 26e eines Einzelblocks 11 gerichtet, durchläuft das Äussere des Einzelblocks etwa parallel zu den Seitenflächen des Einzelblocks 11 folgend seiner Achse D-D und strömt durch die Austrittsöffnung 114 aus. Die Einzelblocks werden in dieser Mikroriss erzeugenden Umgebung für mehr als 1 Stunde gehalten, beispielsweise für 2 Stunden.
Die Temperatur, die Zirkulation des oxidierenden Gases und die Orientierung der Einzelblocks führen zu einer Mikrorissbildung der Einzelblocks, insbesondere wenn die Einzelblocks asymmetrisch sind.
Tpischerweise erscheinen mit einer Luftstrommenge durch die Injektionsöffnung 112, die der Eintrittsfläche 26e eines Einzelblocks gegenüberliegt mit zwischen 5 und 20·10^–2 m³/s pro m² der Oberfläche besagter Eintrittsfläche 26e (die Oberfläche, die direkt der durch die Injektionsöffnung 112 eintretenden Luft ausgesetzt ist), auf der seitlichen Fläche des Einzelblocks 11 Mikrorisse, insbesondere in der Nähe seiner Austrittsfläche 26s. Im allgemeinen sind die mit der oben beschriebenen Vorrichtung erhaltenen Mikrorisse nicht verzweigt.
Wie in 10 dargestellt kann sich ein Mikroriss 120 insbesondere auf der oberen Seitenflächen 14c des Einzelblocks 11 erstrecken, welche der Seitenfläche 14b gegenüber liegt, mit welcher der Einzelblock 11 auf dem Boden 102 der Gazette 100 aufliegt. Der Mikroriss 120 kann sich insbesondere von der Austrittsfläche 26s ausgehend erstrecken. Die Hauptrichtung D₁₂₀, die die beiden Enden 122 und 124 des Mikrorisses 120 miteinander verbindet, ist im wesentlichen longitudinal, wobei der Winkel α zwischen einer Querebene P₁₁ und einer Ebene P₁₂₀, die senkrecht ist zur Hauptrichtung D₁₂₀ vorzugsweise kleiner als 45° kleiner als 30°, ja sogar kleiner als 20° ist.
Die Länge des Mkrorisses 120 gemessen entlang seiner Richtungslinie 126 liegt typischerweise zwischen 3 und 30 mm.
Die maximale Breite I_max des Mikrorisses 120 ist kleiner als 3 mal die maximale Größe der Körner, die den Einzelblock 11 aufbauen.
Die während der Entbinderung erzeugten Mikrorisse erhalten sich bei dem Backvorgang, ohne überhaupt den Bruchmodul oder den Elastizitätsmodul der gesinterten Wabenstruktur zu beeinflussen.
In Schritt C) können der Entbinderungs- und der Sintervorgang getrennt voneinander oder simultan geschehen. Vorzugsweise sind die Schritte voneinander getrennt, wobei die Entbinderung vorzugsweise unter Luft und die Sinterung unter einer kontrollierten Argonatmosphäre ausgeführt werden.
Die Entbinderung und das Sintern können in einem gleichen Ofen stattfinden, wobei die Ofentemperatur nach der Entbinderung nicht auf die Umgebungstemperatur abgesenkt wird.
Gemäß der Erfindung zeigen die 5 bis 8 den Typ der erhaltenen Mikrorisse (Zwischenkorn). Die Dicke des dargestellten Mikrorisses ist in der Ordnung der mittleren Größe D₅₀ der Körner, die den Einhheitsblock bilden.
Die erhaltenen Mikrorisse sind feiner als die Risse, die durch die harten Regenerationen erhalten werden, die typischerweise eine Breite von 1 mm aufweisen. Darüber hinaus können diese bei der Regeneration auftretenden Risse einen Einzelblock umgeben, wodurch seine Filtrationskapazität reduziert wird, aber auch seine Integrität bedroht wird. Der Mikroriss kann durchgängig sein, insbesondere wenn er in der Dicke der äusseren Wand der Wabenstruktur vorhanden vorhanden ist. Er kann aber auch nicht durchgängig sein, d. h. lediglich mit einer einzigen Öffnung münden. Anders gesagt durchdringt er nicht die Wand der Wabenstruktur, auf welcher er mündet. Vorteilhafterweise verschlechtert ein solcher Mikroriss nicht die Filtrationswirkung, auch dann nicht, wenn er auf einer Wand vorhanden ist, die sich im inneren der Wabenstruktur erstreckt, als „interne Wand” bezeichnet, oder auf der Aussenwand eines monolithischen Filterkörpers, der keine periphere Verkleidung aufweist.
Die maximale Tiefe p_max des Mikrorisses kann insbesondere größer als 0,8, größer als 0,9 mal der Dicke der externen Wand der Wabenstruktur sein, ja sogar genauso groß wie diese Dicke (durchgängiger Mikroriss).
Die maximale Tiefe p_max des Mikrorisses kann insbesondere kleiner als 0,7, kleiner als 0,6, ja sogar kleiner als 0,5 mal der Dicke der Wand der Wabenstruktur, auf der er angeordnet ist, sein, insbesondere wenn diese Wand eine innere Wand ist. Vorteilhafterweise bleibt die Filterwirkung somit sehr befriedigend.
Mikrorisse können speziell in der Nähe der Eingangs- oder der Ausgangsfläche erzeugt werden, vorzugsweise in der Nähe der Ausgangsfläche, und zwar durch lokale Modifikation des Luftstroms. Je mehr der Strom des oxidierenden Gases, welches während der Entbinderung lokal eingebracht wird, wichtig ist, desto mehr erzeugt die exothermische Reaktion der Entbinderung Mikrorisse generienende lokale Spannungen.
Um einen zusammengesetzten Körper gemäß der Erfindung herzustellen, wird mindestens einer der Einzelblocks in Schritt A) hergestellt, und zwar den Schritten a) bis d) (siehe oben) folgend.
Beispiele
Alle Einzelblocks der Beispiele werden nach folgender Methode hergestellt:
In einem Rührgefäß mischt man Siliciumcarbidpulver, einen Schaumbildner vom Typ Polyethylen und eine organische Verbindung vom Typ Methylzellulose.
Präziser mischt man in einem ersten Zeitraum 70 Gewichtsprozent eines SiC-Pulvers, dessen Körner einen mittleren Durchmesser D₅₀ von 10 Micron aufweisen, mit einem zweiten SiC-Pulver-30-Gewichtsprozent- dessen Körner einen mittleren Durchmesser D₅₀ von 0,5 Micron aufweisen. Zu dieser Mischung wird ein Schaumbildner vom Typ Polyethylen zugegeben in einer Proportion, die gleich ist 4,5-Gewichtsprozent des Totalgewichts der Körner von SiC und ein Additiv in Form des Zellulosetyps in einer Proportion, die gleich ist 10-Gewichtsprozent des Totalgewichts der SiC-Körner.
Man fügt Wasser hinzu, und rührt bis eine homogene Paste erhalten wird und deren Plastizität die Extrusion durch eine Düse erlaubt. Diese Paste wird nun durch eine Düse extrudiert, die an die Herstellung einer Wabenstruktur-Vorform angepasst ist, die die dimensionellen Merkmale der Tabelle 1 aufweist.
Man trocknet danach die Vorformen durch Mikrowelle unter Luft während einer Zeit, die ausreicht, den nicht chemisch gebundenen Wasseranteil auf mindestens ein Massenprozent zu bringen.
Man verstopft anschließend alternativ die Kanäle auf der Eingangsfläche und auf der Ausgangsfläche der Vorformen gemäß bekannter Techniken, beispielsweise wie in der Anmeldung WO2004/065088 beschrieben.
Die Vorformen werden anschließend bei 500°C während einer Stunde unter Luft entbindert und dann nach einem Zyklus gebacken, der einen Temperaturanstieg von 20°C/h bis auf eine Temperatur in der Größenordnung von 2200°C aufweist, wonach diese Temperatur für 2 Stunden beibehalten wird.

Man erhält so eine Serie von Einzelblocks aus Siliciumcarbid, die im wesentlichen identisch sind, dessen Merkmale in der Tabelle 1 aufgelistet sind:

Querschnitt der Kanäle	quadratisch
Dichte der Kanäle
(Kanäle pro Quadratzoll)	180 cpsi
Wanddicke	350 Micron
Länge	25,4 cm
Breite	3,6 cm
Offene Porosität
(gemessen durch Porometrie
auf Quecksilber)	ungefähr 47%
mittlerer Durchmesser der Poren
(gemessen durch Porometrie auf
Quecksilber)	ungefähr 15 Micron

Tabelle 1

Die Einzelblocks gemäß der Erfindung wiesen jeder einen durchgängigen Mikroriss auf einer ihrer Seitenflächen auf. Die Länge dieses Mikrorisses war ungefähr 1 cm und seine maximale Breite I_max war ungefähr 1 mal die maximale Größe D_99,5 der Körner.
Gemäß der Lehre der Patentanmeldung EP 816 065 werden anschließend 16 Einzelblocks durch Kleben miteinander zusammengesetzt. Für den zusammengesetzten Körper 1 gemäß der Erfindung waren 14 von 16 Einzelblocks mit der Erfindung konform. Die Einzelblocks wurden in „Gazetten” einer Entbinderung unterworfen, wobei die Gazetten Injektionsöffnungen aufweisen, wie oben beschrieben, die Menge an Luft in Richtung der Eintrittsflächen der Einzelblocks war dabei in der Größenordnung von 8·10^–2m³/s pro m² der Oberfläche besagter Eintrittsflächen (jede Eintrittsfläche ist einer Injektionsöffnung direkt gegenüber plaziert).
Für den Vergleichs-zusammengesetzten Körper C1 war keiner der 16 Einzelblocks mit der Erfindung konform. Einzelblocks wurden in „Gazetten”, welche wie oben beschrieben, die Injektionsöffnungen aufweisen, einer Entbinderung unterzogen, wobei die Menge an Luft in Richtung der Eingangsfläche der Einzelblocks in der Größenordnung von 2·10^–2m³/s pro m² der Oberfläche besagter Eintrittsfläche ist.
Für das Verkleben der Einzelblocks bereitet man einen Montagezement zu, in dem man folgende Anteile miteinander mischt.

– 66-Gewichtsprozent eines Sic-Pulvers deren Korngröße zwischen 10 und 200 micron liegt,
– 3-Gewichtsprozent eines reaktiven Aluminatpulvers, welches durch die Gesellschaft Almatis gehandelt wird mit einer mittleren Größe von ungefähr 3 micron,
– 24% Hohlkugeln, welche durch Enviro-spheres unter dem Namen „e-spheres” gehandelt wird, die eine chemische Zusammensetzung darstellt, welche 60% SiO₂ und 40% Al₂O₃ enthält und eine mittlere Größe in der Größenordnung von 100 micron aufweist,
– 6% Siliciumrauch vom Type Elkem 971,
– 0,8-Gewichtsprozent einer temporären und plastifizierenden Verbindung vom Typ Zellulose,
– 0,2-Gewichtsprozent eines Entflockungsmittels vom Typ TPPNa (Natriumtripolyphosphat).

Man gibt eine Menge Wasser hinzu, welche ungefähr 15-Gewichtsprozent dieser Mischung ausmacht, um einen frischen Montagezement mit adequater Viskosität zu erhalten.
In allen Beispielen ist der frische Montagezement ohne Druck und gleichmäßig zwischen die Einzelblocks appliziert worden, derart, dass Verbindungen mit einer mittleren Dicke von ungefähr 1 mm erhalten werden, wobei der gesamte Raum zwischen den Verbindungsflächen ausgefüllt wird.
Die Zusammensetzungen der Einzelblöcke werden anschließend unter Luft bei 100°C während 1 Stunde getrocknet, dann bei 1000°C unter Luft während 1 Stunde gebacken, derart, dass filtrierende zusammengesetzte Körper erhalten werden. Die filtrierenden zusammengesetzten Körper werden dann benutzt, um zusammengesetzte Körper mit kreisförmigen Querschnitt zu erhalten, mit einem Volumen in der Größenordnung von 4,1 l (5,66'' × 10''). Die zusammengesetzten Körper werden anschließend folgenden Tests unterworfen:
Kontrolle des thermomechanischen Widerstands
Die so erhaltenen zusammengesetzten Körper werden in einer Auspufflinie eines 2,0 l Dieselmotor mit direkter Einspritzung eingebaut, wobei der Motor mit voller Leistung (4000 Umdrehungen pro Minute) während 30 Minuten läuft, danach werden sie demontiert und gewogen, um ihre Ausgangsmasse zu bestimmen.
Die zusammengesetzten Körper werden anschließend erneut auf einer Motorbank montiert, in einem Bereich von 3000 Umdrehungen pro Minute und einem Drehmoment von 50 N·m während einer geeigneten Dauer, um eine Russmenge von 8 g/l (im Volumen des zusammengesetzten Körpers) zu erhalten. Die so beladenen zusammengesetzten Körper werden erneut auf der Auspufflinie montiert, um einer starken Regeneration unterworfen zu werden: Nach einer Stabilisierung des Motorlaufs bei 1700 Umdrehungen pro Minute für ein Drehmoment von 95 N·m während 2 Minunten wird eine Nachinjektion realisiert mit 70° Phase für eine Nachinjektionsmenge von 18 mm³/Hub. Wenn einmal die Verbrennung des Russes begonnen hat, d. h. wenn der Belastungsverlust während mindestens 4 Sekunden verringert wird, wird die Motorleistung auf 1050 Umdrehungen pro/Minute für ein Drehmoment von 40 N·m während 5 Minuten abgesenkt, um die Russverbrennung zu beschleunigen.
Die zusammengesetzten Körper werden anschließend bei einer Motorleistung von 4000 Umdrehungen pro Minute während 30 Minuten unterworden, um verbleibenden Russ zu eliminieren.
Die regenerierten zusammengesetzten Körper werden untersucht nach der Zerlegung, um die eventuelle Präsenz von mit bloßem Auge erkennbaren Rissen ans Licht zu bringen. Der thermomechanische Widerstand wird anhand der Zahl der Risse geschätzt, wobei eine geringe Anzahl an Rissen einen thermomechanischen Widerstand angibt, der für einen Gebrauch als Filterkörper akzeptabel ist.
Die folgenden Noten können vergeben werden:

+++ :Vorhandensein sehr zahlreicher Risse

++ :Vorhandensein vieler Risse

+ :Vorhandensein einiger Risse

– :keine oder sehr wenige Risse
Bei einer unter den extremen Bedingungen realisierten Regeneration ist das Vorhandensein von einigen Rissen (Note „+”) akzeptabel. Die Noten „++” und „+++” sprechen für einen schlechten thermomechanischen Widerstand.
Indiz der Filtereffizienz
Das Indiz der Filtereffizienz ist definiert als Differenz zwischen der Russpartikelmenge am Eingang des zusammengesetzten Körpers und der Menge der Russpartikel am Ausgang dieses Körpers bezogen auf die Russpartikelmenge am Eingang besagten zusammengesetzten Körpers.
Das Indiz der Filtereffizienz wird gemessen mit Hilfe von Rauchmessern, die am Eingang und am Ausgang des zusammengesetzten Körpers angeordnet sind, wobei letzterer in die Auspufflinie eines Motors eingesetzt ist, wobei der Motor unter voller Leistung bei 4000 Umdrehungen pro Minute während 30 Minuten läuft.
Messungen der Young-Module des Montagezements und der filtrierenden Einzelblöcke:
Der dynamische Young-Modul wird gemäß der Norm ASTM C1259-01 gemessen und zwar mit einem handelsüblichen Apparat namens Grindosonic MK5 von der Gesellschaft J. W. Lemmens.
Man misst bei Umgebunstemperartur die natürliche Vibrationsfrequnez eines Prüfkörpers in der „dynamischen” Mode. Zu diesem Zweck ist der Prüfkörper auf zwei aus Gummi bestehenden Trägern positioniert, derart, dass er nicht mit der Vibrationsmode des Prüfkörpers wechselwirkt. Die Träger sind symmetrisch zur Mitte der Längsachse des Prüfkörpers plaziert, wobei die Distanz zwischen den Trägern 100 mm ist. Der Prüfkörper wird danach mit einem mechanischen Stoß in der Mitte seiner oberen Fläche (entgegengesetzt zur unteren auf den Trägern stehenden Fläche) erregt, beispielsweise mittels eines Stabes, eines Bleistiftes oder eines mit der Apparatur gelieferten Hammers, wobei die Erregungsenergie schwach ist. Diese Erregung bewirkt eine Vibration im inneren des Materials des Prüfkörpers. Ein piezoelektrischer Detektor, der in Kontakt mit dem Prüfkörper angeordnet ist, registriert dann diese Vibration und wandelt sie in ein elektrisches Signal um, aufgrund dessen die natürliche Vibrationsfrequenz f (oder „Flexionsresonanzfrequenz”) bestimmt wird.
Man berechnet den dynamischen Young-Modul E (in Gpa) in Funktion von der Masse m (in g) des Prüfkörpers und der Frequenz (in Hz) nach der folgenden Formel: E = 9,1584·10^–9 × m × f²
Der dynamische Young-Modul wird an den filtrierenden Einzelblocks mit den Dimensionen 36 × 36 × 254 mm³ gemessen.

Der dynamische Young-Modul wird gleichermaßen bei einem Prüfkörper von 22 × 22 × 143 mm³ beim Montagezement gemessen, welcher durch Gießen zubereitet wird und der selben thermischen Behandlung unterworfen wird wie diejenige beim Montagezement, wenn er in einem zusammengesetzten Körper benutzt wird. Der Prüfkörper wird anschließen bei 110°C getrocknet, bevor er auf die Umgebungstemperatur herabgekühlt wird. Ergebnisse:

	C1	1
E (GPa) der Einzelblocks	60	60
E (GPa) des Montagezements	6	6
Anzahl der Mikrorisse pro Einheitsblock gemäß der Erfindung	0	1
Anzahl der Mikrorisse des zusammengesetzten Körpers	0	14
Thermomechanischer Widerstand des zusammengesetzten Körpers	+	–
Anzahl der Risse nach der Regeneration am zusammengesetzten Körper	22	2
Filtrationeffizienz	> 85%	> 85%

Tabelle 2

C1: Vergleichsbeispiel
Beispiel 1: Beispiel gemäß der Erfindung

Eine Erhöhung der Mikrorissanzahl verbessert eindeutig das thermomechanische Verhalten. Diese Verbesserung führt indessen nicht zu einer merklichen Reduktion der Filtrationseffizienz.
Komplementäre Messungen haben bestätigt, dass die Anwesenheit von Mikrorissen nicht wesentlich die Porosität und den mittleren Porendurchmesser des Materials modifizieren, aus dem die Einzelblocks bestehen.
Die vorstehende Beschreibung erlaubt einige mögliche Realisationsmöglichkeiten der Erfindung zu illustrieren. Es ist jedoch klar, dass diese Beschreibung nicht begrenzend ist und dass der Fachmann von sich aus andere Varianten der Erfindung realisieren kann ohne den Kern derselben zu verlassen.
Insbesondere könnte eine Wabenstruktur gemäß der Erfindung in anderen Anwendungen als der Filtration verwendet werden, und insbesondere als Katalysator.
In einer Ausführungsform ist ein Teil der Wabenstruktur mit einem katalytischen Mantel umgeben, auch „wash coat”, z. B. so angepasst für die Behandlung von umweltverschmutzenden Gasen vom Typ CO, HC oder NOx. Beispielsweise kann die katalytische Ummantelung für eine optimale Leistung nur auf den Oberflächen angeordnet werden, die einen Teil der Kanäle begrenzen, beispielsweise nur auf den Oberflächen, die die Eintrittskanäle des Filterkörpers begrenzen.
Insbesondere können für eine Anwendung als Katalysator die Kanäle nicht verstopft sein.
Im übrigen stellen die Beispiele zylindrische Einzelblocks auf quadratischer Basis dar, genannt „parallelepipedisch”. Die Erfindung ist allerdings auf derartige Blocks nicht beschränkt.
Schließlich in anderen Ausführungsformen sind die Eingangskanäle und die benachbarten Ausgangskanäle nicht so zueinander angeordnet, dass die Gesamtheit des durch einen beliebigen Eintrittskanal gefilterten Gases in zu diesem Eintrittskanal benachbarte Austrittskanäle strömt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

FR 2928562 [0005]
FR 2903918 [0005]
EP 1698388 [0006, 0006]
WO 2008/063738 [0007]
WO 2008/063538 [0048, 0141]
JP 08-281036 [0064]
EP 1541538 [0064, 0141]
EP 1142619 [0111, 0114]
EP 1632657 [0111]
EP 816065 [0114, 0177]
EP 1455923 [0114]
WO 2004/065088 [0114, 0173]
EP 1435348 [0130]
EP 1902766 [0141]
US 2007054229 [0141]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm ASTM C1259-01 [0191]

Claims

Wabenstruktur, die eine Vielzahl von Kanälen aufweist, welche auf Einlass- und Auslassflächen münden, wobei die Struktur aus einem keramischen Material besteht, welches aus gesinterten Körnern besteht, wobei die Wabenstruktur einen offenen Riss aufweist, welcher ein Länge L_f zwischen 3 mm und 30 mm und eine maximale Breite I_max aufweist, die unterhalb von 3 mal der maximalen Größe D_99,5 dieser Körner beträgt, ein sogenannter „Mikroriss”.
Wabenstruktur nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der das Verhältnis zwischen der maximalen Breite des Mikrorisses und der maximalen Größe der Körner, I_max/D_99,5 kleiner als 2,0 ist.
Wabenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Mikroriss eine Länge L_f von größer als 5 mm aufweist.
Wabenstruktur nach einem der vorhergehden Ansprüche, bei der der Mikroriss auf der äusseren Oberfläche der Wabenstruktur mündet, die sich zwischen den besagten Einlass- und Auslassflächen erstreckt.
Wabenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Bereich mit Mikrorissen aufweist, welcher durch die geschlossene Hüllkurve, die das kleinstmögliche Volumen darstellt, begrenzt ist und die Gesamtheit der Mikrorisse beinhaltet und durch die äussere Oberfläche der Wabenstruktur und durch zwei zur longitudinalen Richtung der Wabenstruktur rechtwinklige Ebenen begrenzt ist, wobei sich der mit Mikrorissen versehene Bereich auf weniger als 50% der Länge der Wabenstruktur erstreckt.
Wabenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die aus einem Material besteht, welches einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von größer als 2,5·10^–6C^–1 zwischen 20 und 1000°C aufweist.
Wabenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie keine Spuren von Russ aufweist.
Wabenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie neu und unbenutzt ist.
Zusammengesetzter Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher aus einer Zusammensetzung von Wabenstrukturen besteht, wobei mindestens eine dieser Wabenstrukturen mit einem der vorhergehenden Ansprüche konform ist.
Zusammengesetzter Körper nach dem vorhergehenden Anspruch, in welchem die Wabenstruktur mit Anspruch 5 konform ist, wobei der besagte mit Mikrorissen versehene Bereich näher an der Auslassfläche als der Einlassfläche der besagten Wabenstruktur liegt.
Vorrichtung ausgewählt aus einem Wärmetauscher und einem Partikelfilter, welche mindestens eine gesinterte Wabenstruktur aufweist, die mit einem der Ansprüche 1 bis 8 konform ist.
Herstellungsverfahren einer Wabenstruktur, das die folgenden Schritte aufweist: a) Extrusion eines keramischen Materials durch eine Düse, derart, dass eine Waben-Vorform gebildet wird, b) Trockung, c) Entbinderung und Sinterung besagter Vorform, d) Optional vor oder nach der Sinterung Verstopfen der Kanäle der gesinterten Wabenstruktur, wobei mindestens ein Bereich der besagten Vorform während der Entbinderung einer Umgebung ausgesetzt wird, die geeignet ist, eine Mikrorissbildung zu generieren, derart, dass nach der Sinterung eine gesinterte Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8 erhalten wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, in welchem die besagte Umgebung: – eine Temperatur unterhalb von 700°C aufweist und/oder – gasförmig ist und eine Sauerstoffkonzentration oberhalb von 15 Volumenprozent und unterhalb von 25 Volumenprozent aufweist, und/oder – darin gehalten wird während einer Dauer von mehr als von 1 Stunde.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, bei dem während der Entbinderung die Vorform einer mittleren Luftstrommenge zwischen 5 und 20·10^–2m³/s pro m² der Oberfläche besagter Vorform ausgesetzt ist.