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FR2965489A1 - Structure en nid d'abeille microfissuree. - Google Patents

Structure en nid d'abeille microfissuree. Download PDF

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FR2965489A1
FR2965489A1 FR1057931A FR1057931A FR2965489A1 FR 2965489 A1 FR2965489 A1 FR 2965489A1 FR 1057931 A FR1057931 A FR 1057931A FR 1057931 A FR1057931 A FR 1057931A FR 2965489 A1 FR2965489 A1 FR 2965489A1
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David Pinturaud
Christophe Augier
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Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
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Abstract

La présente invention concerne une structure en nid d'abeille comportant un matériau céramique constitué de grains frittés, ladite structure en nid d'abeille présentant une fissure ouverte présentant une longueur L comprise entre 3 mm et 30 mm et une largeur maximale l inférieure à trois fois la taille maximale D desdits grains.

Description

Structure en nid d'abeille microfissurée Domaine technique L'invention concerne une structure en nid d'abeille, notamment d'une structure en nid d'abeille destinée à la filtration de gaz d'échappement issus d'un moteur à combustion interne ou destinée à un échangeur de chaleur. Elle concerne en particulier un corps monolithique, un corps assemblé comportant un assemblage d'une pluralité de blocs unitaires solidarisés au moyen de joints intercalés entre lesdits blocs unitaires, et un bloc unitaire destiné à la fabrication d'un tel corps assemblé. 1a L'invention concerne enfin un procédé de fabrication d'une structure en nid d'abeille selon l'invention.
IEtat de la technique Avant d'être évacués à l'air libre, les gaz d'échappement d'un véhicule automobile 15 peuvent être purifiés au moyen d'un corps fiitrant tel que ceux représentés sur les figures 1, 3 et 4, connus de la technique antérieure. Comme l'indiquent les flèches représentées sur la figure 4, le flux F des gaz d'échappement entre dans le corps filtrant 3 par les ouvertures d'entrée des canaux d'entrée, traverse les parois filtrantes de ces canaux pour rejoindre les canaux de 20 sortie, puis s'échappe vers l'extérieur par les ouvertures de sortie. Après un certain temps d'utilisation, les particules, ou « suies », accumulées dans les canaux augmentent la perte de charge et altèrent ainsi les performances du moteur. Pour cette raison, le corps filtrant doit être régénéré régulièrement, par exemple tous les 500 kilomètres. 25 La régénération, ou « décolmatage », consiste à oxyder les suies. Pour ce faire, il est nécessaire de les chauffer jusqu'à une température permettant leur inflammation. Pendant les phases de régénération, la température diffère selon les zones du corps filtrant 3 et ne varie pas uniformément. En effet, les gaz d'échappement transportent vers l'aval l'énergie calorifique dégagée par la combustion des suies. De plus, les 30 suies ne se déposent pas uniformément dans les différents canaux, s'accumulant par exemple de manière préférentielle dans la zone du corps filtrant à proximité de son axe longitudinal. Les zones de combustion ne sont donc pas uniformément réparties dans le corps filtrant 3. La combustion des suies provoque donc une élévation de température dans le coeur du corps filtrant supérieure à celle dans les zones périphériques. Enfin, les zones périphériques du corps filtrant 3 sont refroidies, à travers l'enveloppe métallique 5, par l'air environnant. L'inhomogénéité des températures au sein du corps filtrant 3 génère des contraintes locales de fortes amplitudes. Ces contraintes peuvent conduire à des ruptures ou à des fissures locales affectant directement les performances de filtration et menant à des niveaux d'émission en aval du corps filtrant (post-filtre) anormalement élevés. io Le corps filtrant 3 doit alors être changé. Résumé de l'invention Il existe un besoin permanent pour une structure en nid d'abeille présentant une excellente résistance thermomécanique, notamment pour pouvoir être utilisée pour 15 la filtration de gaz d'échappement de moteurs à combustion interne, notamment Diesel. Un but de la présente invention est de satisfaire ce besoin. L'invention propose une structure en nid d'abeille comportant, de préférence constituée par, un matériau céramique constitué de grains frittés, ladite structure en 20 nid d'abeille présentant une fissure ouverte présentant une longueur Lf comprise entre 3 mm et 30 mm et une largeur maximale 1R,a, inférieure à trois fois la taille maximale D9g,5 desdits grains. Une telle fissure est appelée ci-après « microfissure ». La présence de fissures est classiquement considérée comme préjudiciable. En 25 effet, les fissures qui apparaissent lors des régénérations conduisent habituellement à une destruction de la structure en nid d'abeille. Contrairement à ce préjugé, les inventeurs ont découvert que, de manière surprenante, la présence d'une ou plusieurs microfissures améliore la résistance thermomécanique de la structure en nid d'abeille. Sans être liés par cette théorie, ils 30 considèrent que les microfissures permettent d'absorber plus efficacement les contraintes thermomécaniques liées aux déformations résultant des phénomènes de dilatation lors des régénérations, et peuvent donc contribuer à augmenter la durée du filtre. Microfissure Ladite microfissure peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles 5 suivantes : Le rapport entre la largeur maximale de la microfissure et la taille maximale des grains, Ga> / D99.5, est inférieur à 2,5, inférieur à 2,0, inférieur à 1,5, inférieur à 1,2, et/ou supérieur à 0,1, supérieur à 0,5, voire supérieur à 0,8 ; Sur au moins 90 % de sa longueur, la microfissure présente une largeur to maximale I,a, inférieure à 90 microns, inférieure à 8o microns, inférieure à 6o microns, inférieure à 50 microns, inférieure à 40 microns, voire inférieure à 30 microns etlou présente une largeur minimale I,;,, supérieure à 3 microns, voire supérieure à 5 microns ; La microfissure présente une profondeur maximale pr,ax de préférence inférieure à 100 microns, inférieure à 80 microns, inférieure à 60 microns, inférieure à 40 microns, inférieure à 30 microns, et/ou supérieure à 10 microns, supérieure à 20 microns ; - La microfissure présente une longueur Lf de préférence supérieure à 5 mm, de préférence supérieure à 7 mm, et/ou de préférence inférieure à 40 mm, de 20 préférence inférieure à 30 mm, de préférence inférieure à 25 mm ; La microfissure présente une longueur inférieure à 25%, inférieure à 20%, inférieure à 15%, inférieure à 12%, inférieure à 10%, inférieure à 8%, inférieure à 6 %, inférieure à 4%, et/ou supérieure à 1 % de la longueur de la structure en nid d'abeille. 25 - La microfissure s'étend sensiblement suivant la direction longitudinale de la structure en nid d'abeille. En particulier, l'angle entre un plan perpendiculaire à la direction principale de la microfissure et un plan transversal (plan perpendiculaire à la direction longitudinale) est de préférence inférieur à 45°, inférieur à 30°, voire inférieur à 20°, 30 - De préférence, la microfissure débouche sur une face de la structure en nid d'abeille exposée à l'extérieur de cette structure en nid d'abeille. En particulier, la microfissure est de préférence ménagée sur une face latérale d'un bloc unitaire.
Région microfissurée De préférence, la structure en nid d'abeille présente une pluralité de microfissures, plus de 500/o, plus de 70%, voire plus de 90%, voire plus de 95% ou sensiblement 100% des microfissures étant conformes à l'invention et, de préférence, présentant une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles susmentionnées. Les microfissures peuvent être réparties de manière homogène dans la structure en nid d'abeille ou être regroupées. La région du bloc comportant des microfissures est appelée « région microfissurée ». La région microfissurée est délimitée par l'enveloppe fermée présentant le plus petit volume possible, contenant l'ensemble fo des microfissures de la structure en nid d'abeille et délimitée par la surface latérale de la structure en nid d'abeille et par deux plans transversaux. De préférence, la concentration en microfissures débouchant sur la surface latérale de la structure en nid d'abeille est supérieure à 0,001, de préférence supérieure à 0,01 etlou inférieure à 0,1 microfissures par cm2 de ladite surface latérale délimitant 15 la région microfissurée. Les inventeurs ont également découvert qu'il est préférable que la région microfissurée ne s'étende pas sur toute la longueur de la structure en nid d'abeille. De préférence, elfe s'étend sur moins de 50%, moins de 40%, voire moins de 30% de la longueur de la structure en nid d'abeille. 20 La position de la région microfissurée modifie également les performances obtenues. De préférence, cette région s'étend entièrement dans la partie de la structure en nid d'abeille qui s'étend, depuis une des faces d'admission et d'évacuation, sur 40%, 30%, voire 20% de la longueur L de la structure en nid d'abeille. 25 Une structure en nid d'abeille selon l'invention peut comporter plus de 2, plus de 3, plus de 5, plus de 10, plus de 15, plus de 20 microfissures. De préférence, plus de 50%, plus de 70%, voire plus de 90% des microfissures débouchent à l'extérieur de la structure en nid d'abeille. De préférence plus de 50%, plus de 700/o, voire plus de 90% des microfissures, en particulier des microfissures 30 traversantes, voire toutes les microfissures, en particulier les microfissures traversantes, débouchent sur la surface latérale (ou « externe ») de la structure en nid d'abeille, la surface latérale étant la surface extérieure de la structure en nid d'abeille qui s'étend entre la face d'admission et la face d'évacuation. 4 Structure en nid d'abeille Généralement, la longueur L d'une structure en nid d'abeille selon l'invention est inférieure à 50 cm, inférieure à 40 cm, inférieure à 30 cm, inférieure à 25 cm, voire inférieure à 20 cm, voire inférieure à 15 cm.
Une structure en nid d'abeille selon l'invention peut être constituée en un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique supérieur à 1,0 10°6C-, entre 20 et 1000°C. L'invention est plus particulièrement appropriée pour les structures en nid d'abeille en un matériau dont le coefficient de dilatation thermique est supérieur à 2,5.10-6C-1 entre 20 et 1000°C. Elle peut notamment comporter, voire être constituée de carbure de silicium SiC. Cette caractéristique est particulièrement utile dans un corps filtrant assemblé. Pendant la régénération, les blocs unitaires périphériques et centraux présentent en effet une déformation très différente, ce qui génère des contraintes transversales (dans des plans transversaux) élevées, et éventuellement conduit à des fissures longitudinales dans les joints. La présence de microfissures dans les blocs unitaires s'est révélée particulièrement avantageuse dans cette situation. Une structure en nid d'abeille selon l'invention peut être un corps monolithique, un corps assemblé ou un bloc unitaire destiné à la fabrication d'un corps assemblé, Elle peut être une préforme ou une structure frittée. Elle peut être filtrante (les canaux étant fermés à l'une de leurs extrémités) ou non. De préférence, une structure en nid d'abeille selon l'invention est un corps assemblé, formé par assemblage de blocs unitaires avec interposition de joints, continus ou non. L'invention concerne un corps assemblé, remarquable en ce qu'il comporte au moins un bloc unitaire conforme à l'invention. De préférence au moins 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, de préférence tous les blocs unitaires du corps assemblé sont conformes à l'invention. Lorsque le corps assemblé est destiné à la filtration de particules, notamment de particules de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, chaque bloc unitaire comprend un ensemble de canaux adjacents s'étendant entre des faces d'admission et d'évacuation et séparés par des parois filtrantes, lesdits canaux étant obturés par des bouchons amont et aval disposés alternativement à proximité de la face d'admission et de la face d'évacuation. S De préférence, chaque bloc unitaire selon l'invention est disposé de manière que sa région microfissurée soit plus proche de la face d'évacuation que de la face d'admission, de préférence de manière qu'elle s'étende à partir de ladite face d'évacuation, de préférence encore sur une longueur inférieure à 30% de la longueur du bloc unitaire. Les contraintes thermomécaniques, en particulier sur les joints, sont particulièrement sévères avec les corps assemblés comportant des blocs unitaires à structure asymétrique, c'est-à-dire dans lesquels les sections transversales des canaux d'entrée sont différentes de celles des canaux de sortie. La disposition de la région microfissurée à proximité de la face d'évacuation est particulièrement avantageuse avec ce type de blocs unitaires. Les inventeurs pensent que cette disposition particulière permet de relaxer les contraintes thermo mécaniques à proximité de cette face. L'invention concerne aussi un dispositif choisi parmi un échangeur de chaleur et un filtre à particules, ce dispositif étant remarquable en ce qu'il comporte au moins une structure en nid d'abeille frittée conforme à l'invention. L'invention concerne également une ligne d'échappement d'un véhicule automobile équipée d'une structure en nid d'abeille frittée selon l'invention, en particulier une ligne d'échappement d'un moteur Diesel d'un véhicule automobile.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une structure en nid d'abeille comprenant les étapes successives suivantes : a) extrusion d'une matière céramique à travers une filière de manière à former une préforme en nid d'abeille, b) séchage, c) déliantage et frittage de ladite préforme pour obtenir une structure en nid d'abeille frittée, d) optionnellement, avant ou après le frittage, bouchage de canaux de ladite structure en nid d'abeille frittée.
Ce procédé est remarquable en ce que, lors de l'opération de déliantage, on expose au moins une région à un environnement apte à générer une microfissuration, dit « environnement microfissurant », dans la structure en nid d'abeille frittée.
Le caractère microfissurant d'un environnement se caractérise par un triplet : température de l'environnement - concentration en gaz oxydant de l'environnement ; durée de maintien de cet environnement en contact avec ladite région.
De préférence, la température est inférieure à 700°C. De préférence, l'environnement est gazeux et la concentration en oxygène de l'environnement est supérieure à 15%, en volume, et, de préférence inférieur à 25% en volume, une concentration de 21% étant adaptée. L'air peut être utilisé. De préférence, pour maintenir un tel environnement en contact avec ladite région, d'oxygène consommé est renouvelé, par exemple par insufflation permanente ou non, de gaz chargé en oxygène. Par exemple, un débit d'air moyen compris entre 5 et 20.10-2 m31s par m2 de surface de la structure en nid d'abeille exposée à cet air peut convenir. Ce débit dépend cependant de la teneur massique en composés organiques à décomposer ajoutés dans le mélange d'extrusion des structures en nid d'abeille, en particulier les liants, plastifiants et porogènes de nature organique. Le débit d'air moyen cité précédemment est particulièrement adapté pour une teneur massique en composés organiques supérieure à 10% et inférieure à 30%. De préférence, la durée est supérieure à 1 heure.
De simples essais permettront à l'homme du métier de déterminer aisément des triplets acceptables. De préférence, on expose au moins deux régions de la préforme à des environnements présentant des potentiels oxydants différents. Avantageusement, il est ainsi possible de ne microfissurer qu'une partie de la structure en nid d'abeille frittée, et en particulier de ne microfissurer que les régions de la structure en nid d'abeille qui, dans l'application à laquelle elle est destinée, subissent les contraintes thermomécaniques les plus élevées. De préférence, la matière céramique extrudée comporte plus de 5%, de préférence plus 7%, voire plus de 10% de matière organique, par exemple de méthylcellulose, en pourcentage massique. Une teneur élevée en matière organique, éliminée pendant le déliantage, favorise avantageusement la microfissuration.
Définitions Une fissure est dite « ouverte » lorsqu'elle débouche vers l'extérieur de la matière qui la définit (à la différence d'une fissure fermée qui est ménagée exclusivement au 5 sein de la matière). Une microfissure est dite « traversante » lorsqu'elle traverse une paroi. La longueur d'une microfissure est mesurée, sur la surface sur laquelle débouche la microfissure (classiquement sur une photo de cette surface) en suivant la ligne directrice de la microfissure. La largeur est mesurée, sur la surface sur laquelle ta débouche la microfissure, perpendiculairement à la ligne directrice. La direction principale d'une microfissure est la direction définie par la ligne joignant ses deux extrémités. La direction « longitudinale » ou « de la longueur » d'une structure en nid d'abeille (C-C ou D-D sur les figures 1 à 3) est définie par la direction générale de 15 l'écoulement du fluide à travers cette structure en nid d'abeille. Classiquement, tous les canaux d'une structure en nid d'abeille s'étendent parallèlement à la direction longitudinale. Dans une structure en nid d'abeille assemblée, les blocs unitaires sont généralement assemblés de manière que les faces de joint entre lesquelles s'étend un joint soient, au moins localement, sensiblement parallèles à la direction 20 longitudinale et, de préférence, parallèles l'une à l'autre. Un plan "longitudinal" est un plan parallèle à la direction longitudinale de la structure en nid d'abeille. Un plan « transversal » est un plan perpendiculaire à la direction longitudinale. Dans une structure en nid d'abeille dont les canaux sont tous parallèles, un plan 25 transversal est un plan perpendiculaire à 1a direction de ces canaux. Dans une poudre de particules, on appelle « taille » d'une particule la moyenne entre sa plus grande dimension et sa plus petite dimension. Les percentiles ou « centiles » 10 (D,Q), 50 (D50), 90 (D90) et 99,5 (D99,5) d'un ensemble de particules dans une poudre sont les tailles de ces particules 30 correspondant aux pourcentages, en volume, de 10 %, 50 %, 90 % et 99,5 % respectivement, sur la courbe de distribution de tailles cumulée des particules, les tailles étant classées par ordre croissant. Par exemple, 10 %, en volume, des s particules ont une taille inférieure à Dao et 90 % des particules en volume ont une taille supérieure ou égale à D,o. Dans un matériau fritté, on appelle « taille » d'un grain dans une coupe du matériau la moyenne entre sa plus grande dimension et sa plus petite dimension. La taille est classiquement mesurée par observation avec un microscope à balayage. Pour un ensemble de grains dans un matériau fritté, les percentiles 10 (Dlo), 50 (D50), 90 (Dgo) et 99,5 (D99,5) sont les tailles de ces grains,. dans un plan de coupe, correspondant aux pourcentages, en nombre de grains, de 10 °/a, 50 %, 90 % et 99,5 respectivement, sur la courbé de distribution de tailles cumulée des grains, les to tailles étant classées par ordre croissant. Par exemple, 10 %, en nombre, des grains ont une taille inférieure à D10 et 90 % des grains en nombre ont une taille supérieure ou égale à D,p. Les percentiles peuvent être déterminés, à l'aide d'un logiciel adapté, par analyse d'images d'une coupe métallographique du matériau prises avec un microscope à balayage. Un matériau fritté étant sensiblement homogène, la courbe 15 de distribution de tailles cumulée des grains ne dépend sensiblement pas du plan de coupe considéré. Classiquement, on appelle « taille médiane » le percentile « D50 » et "taille maximale" le percentile " D99,5". Le «, déliantage » est un traitement thermique permettant d'éliminer les liants et les 20 agents porogènes temporaires. Classiquement, ces liants sont des liants organiques. Les agents porogènes sont notamment les agents de type cellulose, tels que le polyéthylène, le polystyrène, l'amidon, le graphite. Ils sont décrits, par exemple, dans les demandes JP 08-281036 ou EP 1 541 538. Classiquement, un déliantage est effectué à une température maximale supérieure à 300°C, de 25 préférence supérieure à 400°C et/ou inférieure à 700°C, voire inférieure à 500°C, de préférence pendant une durée supérieure à 1 heure et inférieure 15 heures. Sauf indication contraire, par "comportant un" ou « présentant un », il y a lieu de comprendre "comportant au moins un" ou « présentant au moins un ». 30 Brème description des figures La description qui va suivre, faite en se référant aux dessins annexés, permettra de mieux comprendre et apprécier les avantages de l'invention. Dans ces dessins : - la figure 1 représente schématiquement en perspective un corps filtrant assemblé ; - la figure 2 représente schématiquement en perspective un bloc unitaire du corps filtrant assemblé représenté sur la figure 1 ; - la figure 3 représente schématiquement en perspective un corps filtrant monolithique ; - la figure 4 représente schématiquement en coupe longitudinale médiane, suivant le plan de coupe P, le corps filtrant assemblé représenté sur la figure 1, après insertion dans son enveloppe ; Io - les figures 5 à 8 représentent des photos de microfissures ; - la figure 9 représente un dispositif de déliantage permettant d'obtenir des microfissures dans des blocs unitaires ; et - la figure 10 représente schématiquement une microfissure sur un bloc unitaire. Sur ces figures, non limitatives, les différents éléments ne sont pas nécessairement 15 représentés à la même échelle. En particulier, pour des raisons de clarté, la microfissure 120 de la figure 10 n'a pas été représentée à l'échelle. Des références identiques ont été utilisées sur les différentes figures pour désigner des éléments identiques ou similaires. 20 Pour améliorer la clarté des figures, le nombre de canaux représentés est très inférieur à celui des blocs unitaires ou des corps filtrants classiquement commercialisés. Description détaillée 25 Structure en nid d'abeille Un filtre à particules 1 comporte classiquement au moins un corps filtrant 3, généralement cylindrique d'axe longitudinal C-C, d'une longueur L typiquement comprise entre 10 et 50 cm, inséré dans une enveloppe métallique 5, ou « canning » (Figure 4).
Le corps filtrant 3 peut être un corps monolithique, c'est-à-dire en un seul morceau, sans joint, comme représenté sur la figure 3. Pour améliorer sa résistance thermomécanique, en particulier pendant les phases de régénération, il est cependant avantageux qu'il résulte de l'assemblage d'une 5 pluralité de blocs unitaires 11 au moyen de joints 12. Le corps filtrant est alors un corps « assemblé », comme représenté sur les figures 1 et 4. Un bloc unitaire 11 (figure 2) a classiquement la forme d'un parallélépipède rectangle, d'axe D-D, d'une longueur « L », d'une largeur « 1 » et d'une hauteur « h », 10 comme représenté sur la figure 2. La largeur " 1 " et la hauteur "h" d'une face latérale 14a-d d'un tel bloc unitaire sont typiquement comprises entre 30 mm et 100 mm. L'ensemble des faces latérales 14a-d du bloc unitaire forme sa "surface latérale". Un corps monolithique et un bloc unitaire 11 sont des exemples de structures en nid d'abeille, une configuration « en nid d'abeille » correspondant à la présence d'un 15 ensemble de canaux 18, ou « conduits », adjacents de manière à former, en section, un motif régulier, par exemple en damier. On appelle « paroi externe » la paroi périphérique d'une structure en nid d'abeille qui en définit la surface latérale. La structure en nid d'abeille peut être en un matériau poreux présentant plus de 20 30 %, voire plus de 40 % et/ou moins de 65 %, voire moins de 50 % de porosité ouverte. Dans un mode de réalisation, la structure en nid d'abeille est en un matériau présentant, à une température comprise entre 20°C et 600°C, une conductivité thermique inférieure à 60 W/m.°C, voire inférieure à 40 Wlm.°C, et/ou supérieure à 25 1 Wlm.°C, voire supérieure à 10 W/m.°C. La structure en nid d'abeille peut être constituée en un matériau présentant un coefficient de dilatation supérieur 2,5.10-6 °C-1 entre 20 et 1000°C, pour lequel l'invention est particulièrement utile. De préférence, la structure en nid d'abeille est en un matériau fritté et, de 30 préférence, comporte plus de 50 %, plus de 80 %, voire plus de 95%, ou même plus de 98°/a, voire 100% en masse de carbure de silicium SiC, de préférence, recristallisé. 25 Le carbure de silicium peut être fritté et/ou lié par du silicium. La structure en nid d'abeille peut être également en un matériau comportant au moins 50% en masse de titanate d'aluminium ou/et de mullite ou/et de cordiérite (Mg2AI4Si2O1$) ou/et de nitrure de silicium ou/et de métaux frittés.
Dans un corps assemblé, tous les blocs unitaires peuvent être en un matériau identique. Canaux Dans une application à la filtration notamment, les canaux 18, délimités chacun par une paroi latérale 22, sont généralement rectilignes, et s'étendent parallèlement les uns aux autres suivant la longueur L. L'épaisseur des parois latérales (ou « parois filtrantes ») peut notamment être comprise entre 180 et 500 microns. La section transversale des canaux, de préférence constante suivante leur longueur, peut notamment être comprise entre 0.,4 et 9 mm2. Chaque canal débouche vers l'extérieur par une ouverture amont 24e sur une face 15 d'admission 26e, et par une ouverture aval 24s sur une face d'évacuation 26s. Dans une application à la filtration, le nombre de canaux de la structure en nid d'abeille est typiquement compris entre 7,75 et 62 par cm2 de la face d'admission, de préférence compris entre 150 à 400 cpsi. Classiquement, pour fabriquer une structure en nid d'abeille, on extrude une matière 20 céramique à travers une filière adaptée. La filière d'extrusion est classiquement conformée pour que la préforme présente la forme d'un cylindre de section circulaire ou ellipsoïdale pour fabriquer un corps monolithique ou d'un cylindre de section polygonale, par exemple carrée, hexagonale ou rectangulaire pour fabriquer un bloc unitaire. Bouchons Les canaux d'une structure en nid d'abeille destinée à la fabrication d'un corps filtrant sont ensuite bouchés à proximité de la face d'admission 26e ou à proximité la face d'évacuation 26s par des bouchons amont 30s et aval 30e, respectivement, 30 comme cela est bien connu, pour former des canaux dits « canaux de sortie » 18s et 2965489 [3 « canaux d'entrée » 18e, respectivement (voir figure 4). On obtient alors une structure en nid d'abeille "filtrante". De préférence encore, les bouchons amont et aval s'étendent selon sur la face d'admission et selon la face d'évacuation, respectivement. 5 Ainsi, les canaux d'entrée et de sortie définissent des chambres d'entrée et de sortie 34e et 34s, respectivement, délimitées chacune par une paroi latérale 22, un bouchon d'obturation, et une ouverture débouchant vers l'extérieur. Deux canaux d'entrée et de sortie adjacents sont en communication de fluide par leur paroi latérale commune. ro Dans un mode de réalisation, les canaux d'entrée 18e et les canaux de sortie 18s sont adjacents, et agencés les uns par rapport aux autres de manière que l'intégralité du gaz filtré par un canal d'entrée quelconque passe dans des canaux de sortie adjacents audit canal d'entrée. Ainsi, il n'existe pas de zones d'un ou plusieurs canaux d'entrée qui débouchent dans un autre canal d'entrée, zones qui ne peuvent être utiles à la filtration. La surface de filtration (c'est-à-dire la surface utile des parois des canaux d'entrée) disponible pour un volume de structure en nid d'abeille déterminé en est optimisée. De préférence, les ensembles de canaux d'entrée et de canaux de sortie sont imbriqués l'un dans l'autre de manière à former, en section transversale, un motif en 20 damier où lesdits canaux d'entrée alternent avec lesdits canaux de sortie. Les canaux d'entrée ont de préférence une section transversale supérieure à celle des canaux de sortie afin d'augmenter le volume disponible pour le stockage des résidus. Avantageusement, la fréquence de nettoyage du filtre et la perte de charge en sont réduites. 25 A cet effet, les parois des canaux d'entrée sont "déformées" pour accroître le volume global des canaux d'entrée aux dépens de celui des canaux de sortie. Par exemple, ces parois peuvent être concaves du côté d'un canal d'entrée et convexes du côté des canaux de sortie qui lui sont adjacents. Les parois intermédiaires séparant deux lignes ou deux colonnes de canaux peuvent 30 notamment présenter en coupe transversale, une forme ondulée ou « en vague » (« wavy » en anglais), la paroi intermédiaire ondulant sensiblement d'une demi-longueur d'ondulation sur la largeur d'un canal. On appelle "longueur" d'une ondulation, la distance séparant deux points de cette ondulation localisés à une même hauteur, avec le même sens de variation de pente. Dans le cas d'une ondulation périodique, la "longueur" de l'ondulation est appelée "période". De préférence l'ondulation est périodique, mais l'amplitude des ondulations peut être constante ou variable. De préférence cette amplitude est constante. De préférence encore, l'ondulation présente une forme sinusoïdale dont la demi-période est égale au pas "p" du réseau de canaux, ou une succession d'arcs de cercles adjacents, chaque arc présentant une longueur égalé au pas « p », De préférence enfin, toutes les parois intermédiaires s'étendant entre deux lignes et/ou s'étendant entre deux colonnes de canaux présentent, en coupe transversale, une ondulation de forme identique. Le « degré d'asymétrie » d'une structure « wavy » désigne le rapport entre l'amplitude « h, » et la demi-longueur de ladite ondulation, c'est-à-dire, dans le cas d'une ondulation périodique, le rapport entre l'amplitude « h,N » et la demi-période. De préférence, le degré d'asymétrie est inférieur à 40 %, de préférence inférieur à 30%, de préférence inférieur à 20%, de manière encore plus préférée, inférieur ou égal à 1 o% et/ou supérieur à 2 %, de préférence supérieur à 5 %. Avantageusement, la perte de charge induite par le bloc unitaire après accumulation de suies est ainsi sensiblement réduite, et la fréquence de la régénération du corps filtrant est donc limitée.
Avec cette configuration asymétrique des canaux, le volume total cumulé des canaux d'entrée est supérieur à celui des canaux de sortie et la surface totale cumulée des ouvertures des canaux d'entrée sur la face d'admission, c'est-à-dire la somme des aires de ces ouvertures, est supérieure à celle des ouvertures des canaux de sortie sur la face d'évacuation.
Pour une efficacité optimale, le rapport r du volume total cumulé Ve des canaux d'entrée sur le volume total cumulé Vs des canaux de sortie ou le rapport r' de la surface intérieure totale cumulée des canaux d'entrée sur la surface intérieure totale cumulée des canaux de sortie est, de préférence, supérieur à 1,03, supérieur à 1,10, supérieur à 1,15 et/ou inférieur à 3, inférieur à 2,5 de préférence inférieur à 2.
Après bouchage, les structures en nid d'abeille extrudées sont frittées. Pour fabriquer un corps assemblé, on assemble des blocs unitaires, comme par exemple décrit ci-dessous. 2965489 as Généralement, la surface latérale 38 du corps filtrant monolithique ou assemblé est recouverte d'un revêtement périphérique 36, encore appelé « revêtement externe » ou « coating », en un ciment de revêtement isolant thermiquement et étanche aux gaz d'échappement, comme décrit par exemple dans EP 1 142 619 ou 5 EP 1 632 657. Ce revêtement périphérique peut être fabriqué au moyen d'un ciment identique à celui utilisé pour les joints. L'étanchéité du ciment de revêtement rend possible le ménagement, dans l'épaisseur de la paroi externe du corps filtrant, de microfissures traversantes, sans effet préjudiciable sur l'efficacité de la filtration (en disposant ce ciment de manière à io recouvrir les ouvertures de ces microfissures). Le corps filtrant 3, assemblé ou monolithique, peut alors être inséré dans l'enveloppe 5, un joint périphérique 40, étanche aux gaz d'échappement, étant disposé entre la surface latérale 38 du corps filtrant et l'enveloppe 5. Des exemples de corps filtrants sont notamment décrits dans les demandes de 15 brevets EP 816 065, EP 1 142 619, EP 1 455 923 ou encore WQ 20041065088 auxquelles on pourra se référer pour d'autres précisions sur leur structure ou leur fabrication. Corps assemblé 20 Un procédé de fabrication d'un corps assemblé comporte classiquement les étapes successives suivantes : A) fabrication d'une pluralité de blocs unitaires 11 frittés ; B) préparation d'un ciment d'assemblage frais ; C) collage des blocs unitaires au moyen du ciment d'assemblage frais ; 25 D) durcissement du ciment d'assemblage frais de manière à former des joints 12 entre lesdites faces de joint ; E) optionnellement, traitement thermique. A l'étape A), les blocs unitaires peuvent être fabriqués comme décrit précédemment. 30 A l'étape B), le ciment d'assemblage frais est préparé en fonction des caractéristiques souhaitées pour les joints. 2965489 ]6 Les deux faces de joint entre lesquelles s'étend un joint peuvent être de forme générale plane. Le ciment d'assemblage formant les joints est généralement constitué de silice etlou de carbure de silicium et/ou de nitrure d'aluminium. De préférence, le ciment 5 d'assemblage est sensiblement étanche aux gaz d'échappement à filtrer. Le ciment d'assemblage peut présenter, à une température comprise entre 20°C et 600°C, une conductivité thermique supérieure à 0,1 WIm.K, et de préférence inférieure à 5 WIm.K, voire inférieure à 1 WIm.K pour limiter les contraintes thermomécaniques. Typiquement, l'épaisseur moyenne d'un joint 12 est comprise entre 0,3 et 4 mm. 10 La porosité totale du ciment d'assemblage des joints peut être supérieure à 5 % et inférieure à 90 %, de préférence est supérieure à 30 % et/ou inférieures 85 %. Le ciment d'assemblage peut avantageusement comporter plus de 0,05 % et moins de 5 % d'une résine thermodurcissable, en pourcentage par rapport à la masse de la matière minérale sèche. 15 Le ciment d'assemblage peut être obtenu à partir d'une poudre minérale, comportant, en pourcentage en masse par rapport à la matière minérale, au moins 5 % de particules dont la taille médiane est comprise entre 0,1 et 10 microns, de préférence entre 0,3 et 5 microns. De préférence, le carbure de silicium (SiC), l'alumine (Al2O3) la zircone (ZrO2) 20 l'oxyde de titane (TiO2), l'oxyde de magnésium, la silice (SiO2) et les composés mixtes issus de ces oxydes, comme le titanate d'aluminium, la mullite ou le zircon, représentent ensemble plus de 85 % de la masse de la matière minérale sèche du ciment d'assemblage. Le ciment d'assemblage peut présenter une teneur en chaux CaO inférieure à 0,5 %, 25 en pourcentage en masse par rapport à la matière minérale sèche. Le ciment d'assemblage peut être un matériau composite comportant des grains en un matériau inorganique liés par une matrice géopolymère. Le ciment d'assemblage peut comporter plus de 30 %, plus de 50 %, plus de 60 % voire plus de 75 % de carbure de silicium, en pourcentage en masse par rapport à là 30 matière minérale sèche, notamment pour obtenir une conductivité thermique élevée, De préférence, le carbure de silicium est présent sous la forme de particules dont la taille médiane est inférieure à 200 microns.
Le carbure de silicium présente cependant un coefficient de dilatation relativement élevé. La teneur en carbure de silicium doit donc être limitée pour assurer une résistance thermomécanique adaptée à l'application aux filtres à particules. Elne teneur en carbure de silicium comprise entre 30 et 90%, de préférence comprise entre 55% et 75°/a, est particulièrement appropriée. Le ciment d'assemblage comporte de préférence moins de 10 %, de préférence moins de 5 %, de préférence moins de 1 %, de fibres minérales, en particulier céramiques, en pourcentage massique sur la base de la matière minérale sèche. De préférence, le ciment d'assemblage ne comporte pas de telles fibres.
De préférence, le ciment d'assemblage comporte un liant inorganique et/ou organique. Classiquement, le ciment d'assemblage est étanche aux gaz filtrés. L'étanchéité du ciment d'assemblage rend avantageusement possible le ménagement, dans l'épaisseur de la paroi externe d'un bloc unitaire, de microfissures traversantes, sans effet préjudiciable sur l'efficacité de la filtration (en disposant ce ciment de manière à recouvrir les ouvertures de ces microfissures). A l'étape C), deux blocs unitaires adjacents sont collés l'un à l'autre en disposant en regard, et de préférence parallèlement l'une à l'autre, des faces latérales 14a-14d respectives, puis en appliquant du ciment d'assemblage frais entre lesdites faces latérales en regard (dites "faces de joint"). A l'étape D), après avoir été disposé entre les faces de joint des blocs unitaires, le ciment d'assemblage frais est séché, de préférence à une température comprise entre 100°C et 200°C, de préférence sous air ou atmosphère contrôlée en humidité, de préférence de manière que l'humidité résiduelle soit comprise entre 0 et 20 %. De préférence, la durée de séchage est comprise entre quelques secondes et 10 heures, notamment en fonction du format du joint et du corps céramique assemblé. Les blocs unitaires sont de préférence maintenus en position afin d'empêcher une expansion du ciment d'assemblage frais en cours de durcissement, par exemple par calage des blocs unitaires avec des espaceurs, comme décrit par exemple dans EP 1 435 348, et cerclage des blocs unitaires ainsi calés. A l'étape E), un traitement thermique à une température suffisante pour éliminer les éventuelles particules et/ou fibres organiques peut alors être effectué pour les s éliminer et ainsi créer de la macroporosité {porosité fermée}, avantageuse pour réduire la conductivité thermique. Le traitement thermique est réalisé, de préférence sous atmosphère oxydante, de préférence à pression atmosphérique, à une température comprise entre 300°C à 1200°C. Le traitement thermique conduit à la polymérisation de la résine thermodurcissable éventuelle, au durcissement du liant inorganique éventuel, à l'élimination des composants organiques éventuels, voire à un frittage plus ou moins complet du ciment d'assemblage lorsque la température dépasse 700°C. Ce traitement thermique s'accompagne généralement d'une amélioration de la résistance mécanique. Sa durée de préférence comprise entre 1 et 20 heures environ de froid à froid, est variable en fonction des matériaux mais aussi de la taille et de la forme des joints. Le traitement thermique peut être également effectué in situ. En particulier, dans le cas de corps assemblés filtrants destinés à des filtres pour véhicule automobile, les corps filtrants peuvent être installés dans le véhicule automobile avant élimination des composants organiques du ciment d'assemblage, la température de régénération étant suffisante pour les éliminer. Par exemple, la température de combustion des fibres de cellulose est d'environ 200°C alors que la température de régénération est typiquement d'environ 500°C, voire supérieure.
Le corps assemblé ainsi constitué peut être ensuite usiné pour obtenir une forme adaptée à l'enveloppe 5, par exemple pour fabriquer un corps cylindrique de section circulaire. Alternativement au procédé décrit ci-dessus, un procédé selon l'invention peut comporter les étapes suivantes : A» fabrication d'une pluralité de blocs unitaires 11 non frittés ; B') préparation d'un ciment d'assemblage frais ; C') collage des blocs unitaires au moyen du ciment d'assemblage frais ; D» durcissement du ciment d'assemblage frais de manière à former des joints 12 entre lesdites faces de joint ; E') traitement thermique de frittage de manière à fritter lesdits blocs unitaires et ledit ciment d'assemblage et à microfissurer lesdits blocs unitaires.
Procédé de fabrication des microfissures Une structure en nid d'abeille selon l'invention peut être fabriquée à partir tous les procédés actuellement utilisés, pourvu que ce procédé soit adapté pour conduire à l'apparition de microfissures, en particulier en adaptant l'étape de déliantage.
L'invention se rapporte en particulier à un procédé de fabrication d'une structure en nid d'abeille cornprenant les étapes a) à d) décrites ci-dessus. De préférence, à l'étape b), le séchage peut être obtenu par un traitement thermique et/ou par l'utilisation de micro-ondes, pendant un temps et une température suffisants pour amener la teneur en eau non liée chimiquement à moins de 1 % en to masse. Bien entendu, d'autres moyens équivalents connus peuvent être envisagés sans sortir du cadre de la présente invention. A l'étape c), l'élimination du liant (ou déliantage) est effectuée de préférence sous atmosphère oxydante, en particulier sous air, à une température de préférence inférieure à 700°C, de manière à assurer sine tenue mécanique suffisante avant le 15 frittage et éviter une oxydation incontrôlée, notamment du SiC éventuel. Un déliantage peut être effectué sous atmosphère moins oxydante que l'air de manière à prévenir une oxydation trop importante du carbure de Silicium éventuellement présent, mais l'étape de déliantage est alors plus longue. Des méthodes et des dispositifs de déliantage sont par exemple décrits dans 20 EP 1 541 638, EP 1 902 766, US2007 054229 et WO20081063538. La cuisson de frittage est réalisée à une température supérieure à 1600°C, voire supérieure à 1800°C, de préférence supérieure à 2000°C, de manière plus préférée encore, supérieure à 2100°C. De préférence cette température est inférieure à 2400°C. De préférence, ladite cuisson est menée sous atmosphère non oxydante, 25 par exemple d'Argon. Selon ce procédé, les conditions imposées à l'étape c) sont adaptées pour microfissurer la structure en nid d'abeille frittée. En particulier, des microfissures peuvent apparaitre au cours d'une étape de déliantage effectuée sous air, dans les conditions mentionnées ci-dessus. 30 Pour maîtriser l'environnement microfissurant, ii est possible de mettre en oeuvre un dispositif d'injection de gaz oxydant, en particulier de l'air, comportant des orifices 19 calibrés orientés de manière à renouveler le gaz oxydant en contact avec la région à microfissurer. Il est ainsi possible d'exposer localement une d'une structure en nid d'abeille, en particulier la face d'admission ou la face d'évacuation, à un débit de gaz oxydant variable et/ou à un gaz oxydant présentant une concentration en oxygène plus ou moins élevée. Le déliantage provoque une réaction d'autant plus exothermique que la concentration en oxygène du gaz oxydant et le débit de gaz oxydant sont élevés. 4r plus ce dégagement de chaleur est grand, plus l'apparition de microfissures est probable. lo De préférence, le dispositif d'injection est adapté pour générer des microfissures localement dans la structure en nid d'abeille, en particulier pour ne ménager des microfissures que sur la paroi externe de la structure en nid d'abeille. En particulier, il peut être avantageux d'insuffler du gaz oxydant vers des canaux de la structure en nid d'abeille. 15 Pour mieux délimiter la région microfissurée, la préforme est de préférence placée dans une « gazette ». Comme représenté sur la figure 9, une gazette 100 est un plateau, généralement en métal. Ce plateau comporte un fond 102 sur lequel sont placées les structures en nid d'abeille, par exemple des blocs unitaires 11 frittés formant des blocs filtrants de 20 dimensions 25,4 X 3,6 X 3,6 cm3, des joues latérales 104 et 106 et, reliées par les joues latérales 104 et 106, une façade amont 108 et une façade aval 110. Les gazettes sont superposées les unes aux autres de manière à ce que, lors du déliantage, les blocs unitaires 11 soient confinés entre le fond 102 de la gazette 100 sur laquelle ils sont posés, et le fond 103 de la gazette supérieure 100', représentée 25 en traits interrompus, posée sur la gazette 100. La longueur Lloo et la largeur l,00 peuvent être par exemple comprises entre 20 et 40 cm, par exemple 30 cm, et la hauteur hl. par exemple d'environ 5 cm. Dans le mode de réalisation préféré, les blocs unitaires 11 sont disposés sensiblement parallèlement les uns aux autres, sensiblement selon la direction de la 30 longueur L,00, comme représenté, écartés d'une distance 8 par exemple d'environ 1cm. De préférence encore, la façade amont 108 est percée d'orifices d'injection 112 présentant par exemple un diamètre compris entre 1 et 5 mm, par exemple d'environ 2 mm. De préférence, chaque bloc unitaire 11 est disposé face à un orifice d'injection 112, de préférence de manière à ce que son axe D-D corresponde à celui de l'orifice d'injection 112 correspondant. De préférence, la façade amont 108 ne comporte pas d'orifice d'injection qui ne soit pas face à la face d'admission ou la face d'évacuation d'un bloc unitaire 11.
De préférence encore, un bloc unitaire 11 fait face à un orifice d'injection 112 par sa face d'admission 26e. Dans le cas où la structure est asymétrique, la masse totale des bouchons sur la face d'admission 26e est supérieure à la masse totale des bouchons sur la face d'évacuation 26s. La façade aval comporte une bouche d'évacuation 114 s'étendant sensiblement sur o toute la hauteur et toute la largeur de la façade aval 110, par exemple rectangulaire, par exemple d'une surface d'environ 100 à 150 cm?. L'empilage de gazettes est introduit dans un four porté à la température de déliantage, par exemple à 450°C. Un gaz oxydant G, par exemple de l'air, de préférence à la température de 15 déliantage, est alors injecté par les orifices d'injection 112, par exemple au moyen d'un dispositif d'aspiration ou de ventilation. Le gaz oxydant G est ainsi orienté vers la face d'évacuation 26e d'un bloc unitaire 11, parcourt l'extérieur du bloc unitaire sensiblement parallèlement aux faces latérales du bloc unitaire 11, suivant son axe D-D, puis ressort par la bouche d'évacuation 114. Les blocs unitaires sont maintenus 20 dans cet environnement microfissurant pendant plus d'une heure, par exemple 2 heures. La température, la circulation de gaz oxydant et l'orientation des blocs unitaires conduisent à une microfissuration des blocs unitaires, en particulier lorsque les blocs unitaires sont asymétriques. 25 Typiquement, avec un débit d'air à travers l'orifice d'injection 112 faisant face à la face d'admission 26e d'un bloc unitaire compris entre 5 et 20.10-2 m3/s par m2 de surface de ladite face d'admission 26e (surface directement exposée à l'air entrant dans l'orifice d'injection 112), des microfissures apparaissent sur la surface latérale du bloc unitaire 11, en particulier à proximité de sa face d'évacuation 26s. 30 Généralement, les microfissures obtenues avec le dispositif décrit ci-dessus ne sont pas ramifiées. Comme représenté sur la figure 10, une microfissure 120 peut s'étendre en particulier sur la face latérale supérieure 14c du bloc unitaire 11, opposée à la face latérale 14b par laquelle le bloc unitaire 11 repose sur le fond 102 de la gazette 100. La microfissure 120 peut s'étendre notamment à partir de la face d'évacuation 26s. La direction principale D120 joignant les deux extrémités 122 et 124 de la microfissure 120 est sensiblement longitudinale, l'angle a entre un plan transversal Pll et un plan P120 perpendiculaire à la direction principale D120 étant de préférence inférieur à 45°, inférieur à 30°, voire inférieur à 20°.. La longueur de la microfissure 120, mesurée suivant sa ligne directrice 126 est typiquement comprise entre 3 et 30 mm. La largeur maximale I,ax de la microfissure 120 est inférieure à 3 fois la taille 10 maximale des grains constituant le bloc unitaire 11. Les microfissures générées pendant le déliantage se maintiennent lors de la cuisson, sans toutefois affecter le module de rupture ou le module d'élasticité de la structure en nid d'abeille frittée. A l'étape c), les opérations de déliantage et de frittage peuvent être séparées ou 15 simultanées. De préférence, ces étapes sont séparées, le déliantage étant de préférence effectué sous air et le frittage sous atmosphère contrôlée d'Argon. Les opérations de déliantage et de frittage peuvent être effectuées dans un même four, la température du four n'étant pas ramenée à la température ambiante après le déliantage. 20 Selon l'invention, les figures 5 à 8 représentent le type de microfissures obtenues (intergranulaires). L'épaisseur de la microfissure représentée est de l'ordre de la taille médiane D50 des grains constituant le bloc unitaire. Les microfissures obtenues sont plus fines que les fissures créées lors des régénérations sévères, qui présentent typiquement une largeur de 1 mm. En outre 25 ces fissures de régénération peuvent, en usage, ceinturer un bloc unitaire, réduisant ainsi sa capacité de filtration mais aussi menaçant son intégrité. La microfissure peut être traversante, en particulier lorsqu'elle est ménagée dans l'épaisseur de la paroi externe de la structure en nid d'abeille. Elle peut aussi ne pas être traversante, c'est-à-dire ne déboucher que par une seule 3o ouverture. Autrement dit, elle ne traverse la paroi de la structure en nid d'abeille sur laquelle elle débouche. Avantageusement, une telle microfissure ne dégrade pas l'efficacité de fa filtration, même lorsqu'elle est ménagée sur une paroi s'étendant à 20 l'intérieur de la structure en nid d'abeille, dite « paroi interne », ou sur la paroi externe d'un corps filtrant monolithique ne comportant pas de revêtement périphérique. La profondeur maximale pmax de la microfissure peut être en particulier supérieure à 5 0,8, supérieure à 0,9 fois l'épaisseur de la paroi externe de la structure en nid d'abeille, voire égale à cette épaisseur (microfissure traversante). La profondeur maximale p,ax de la microfissure peut être en particulier inférieure à 0,7, inférieure à 0,6, voire inférieure à 0,5 fois l'épaisseur de la paroi de la structure en nid d'abeille sur laquelle elle est ménagée, en particulier lorsque cette paroi est Io une paroi interne. Avantageusement, l'efficacité de filtration reste alors très satisfaisante. Des microfissures peuvent être générées spécifiquement à proximité de la face d'admission ou de la face d'évacuation, de préférence à proximité de la face d'évacuation, par modification locale du flux d'air. Plus le flux de gaz oxydant 15 apporté localement pendant le déliantage est importante, plus la réaction exothermique de déliantage génère des contraintes locales génératrices de microfissures. Pour fabriquer un corps assemblé selon l'invention, au moins un des blocs unitaires est de préférence fabriqué, à l'étape A), suivant les étapes a) à d) ci-dessus. Exemples Tous les blocs unitaires des exemples ont été fabriqués selon 1a méthode suivante Dans un malaxeur, on mélange des poudres de carbure de silicium, un agent porogène du type polyéthylène et un liant organique du type méthylcellulose. 25 Plus précisément on mélange dans un premier temps 70% poids d'une poudre de SiC dont les grains présentent un diamètre médian D50 de 10 microns, avec une deuxième poudre de SiC - 30%poids - dont les grains présentent un diamètre médian D50 de 0,5 micron. A ce mélange est ajouté un agent porogène du type polyéthylène dans une proportion égale à 4,5% poids du poids total des grains de 30 SiC et un additif de mise en forme du type méthylcellulose dans une proportion égale à 1o% poids du poids total des grains de SiC.
On ajoute de l'eau et on malaxe jusqu'à obtenir une pâte homogène et dont la plasticité permet l'extrusion à travers une filière. Cette pâte est alors extrudée à travers une filière adaptée à la fabrication d'une préforme en nid d'abeille présentant les caractéristiques dimensionnelles du tableau 1.
On sèche ensuite les préformes par micro-onde, puis sous à l'air, pendant un temps suffisant pour amener la teneur en eau non liée chimiquement à moins de 1 % en masse. On bouche ensuite alternativement les canaux sur la face d'admission et sur la face d'évacuation des préformes suivant des techniques connues, par exemple comme i0 décrit dans la demande WO 20041065088. Les préformes sont ensuite déliantées à 500°C pendant une heure sous air puis cuites suivant un cycle présentant une montée en température de 20°C/heure jusqu'à une température de l'ordre de 2200°C, puis un maintien à cette température pendant 2 heures. 15 On obtient ainsi une série de blocs unitaires en carbure de silicium sensiblement identiques, dont les caractéristiques sont fournies dans le tableau 1 suivant : Section transversale des canaux Carrée Densité de canaux 1$0 cpsi (canaux par pouce carré) Épaisseur des parois 350 microns Longueur 25,4 cm Largeur 3,6 cm Porosité ouverte Environ 47% (mesurée par porométrie au mercure) Diamètre médian de pares Environ 15 microns (mesuré par porométrie au mercure) Tableau 1 20 Les blocs unitaires selon l'invention présentaient chacun une microfissure traversante sur une de leurs faces latérales. La longueur de cette microfissure était d'environ 1 cm et sa largeur maximale Imax était d'environ une fois la taille maximale D99,5 des grains. Conformément à l'enseignement de la demande de brevet EP 816 065, 16 blocs 25 unitaires sont ensuite assemblés entre eux par collage.
Pour le corps assemblé 1 selon l'invention, 14 des 16 blocs unitaires étaient conformes à l'invention. Les blocs unitaires avaient subi un déliantage dans des gazettes présentant des orifices d'injection, comme décrit ci-dessus, le débit d'air en direction des faces d'admission des blocs unitaires étant de l'ordre de 8.10"2 mais par m2 de surface desdites faces d'admission (chaque face d'admission étant placée face à un orifice d'injection). Pour le corps assemblé Cl comparatif, aucun des 16 blocs unitaires n'était conforme à l'invention. Les blocs unitaires avaient subi un déliantage dans des gazettes présentant des orifices d'injection, comme décrit ci-dessus, le débit d'air en direction de la face d'admission des blocs unitaires étant de l'ordre de 2.10-2 mals par m2 de surface de ladite face d'admission.
Pour le collage des blocs unitaires, on prépare un ciment d'assemblage en mélangeant les constituants suivants : 1.5 - 66 % en poids d'une poudre de SiC de granulométrie comprise entre 10 et 200 microns, - 3% en poids d'une poudre d'alumine réactive commercialisée par la société Almatis, de taille médiane d'environ 3 microns, - 24°/Q de sphères creuses commercialisées par Enviro-spheres sous le nom « e- 20 spheres », qui présentent une composition chimique typique comprenant 60% SiO2 et 40% Al2O3 et une taille médiane de l'ordre de 100 microns, - 6% de fumée de silice de type Elkem 971, - 0,8% poids d'un liant temporaire et plastifiant du type cellulose, - 0,2% poids d'un défloculant du type TPPNa (tripolyphosphate de sodium). 25 On additionne une quantité d'eau correspondant à environ 150/0 du poids de ce mélange pour obtenir un ciment d'assemblage frais de viscosité adéquate. Dans tous les exemples, le ciment d'assemblage frais a été appliqué sans pression et uniformément entre les blocs unitaires de manière à obtenir des joints d'une épaisseur moyenne d'environ 1 mm remplissant tout l'espace entre les faces de 30 joint. Les assemblages des blocs unitaires sont ensuite séchés sous air à 100°C pendant 1 heure puis cuits à 1000°C sous air pendant 1 heure de manière à obtenir des corps assemblés filtrants. Les corps assemblés filtrants sont ensuite usinés afin d'obtenir des corps assemblés de section circulaire, de volume de l'ordre de 4,1 litres (5,66" x 10"). Les corps assemblés ont ensuite été soumis aux tests suivants : Contrôle de la résistance thermomécanique
Les corps assemblés obtenus sont montés sur une ligne d'échappement d'un moteur 2,0 L Diesel à injection directe mis en marche à pleine puissance (4000 tdminute) pendant 30 minutes, puis démontés et pesés afin de déterminer leur IO masse initiale. Les corps assemblés sont ensuite remontés sur un banc moteur avec un régime à 3000 tr/min et un couple de 50 N.m pendant des durées adaptées pour obtenir une charge en suies de 8 g/litre (en volume du corps assemblé). Les corps assemblés ainsi chargés sont alors remontés sur la ligne d'échappement 1.5 pour subir une régénération sévère : après une stabilisation à un régime moteur de 1700 tours/minute pour un couple de 95 N.m pendant 2 minutes, une post-injection est réalisée avec 70° de phasage pour un débit de post-injection de 18 mm3/coup. Une fois la combustion des suies initiée, c'est-à-dire lorsque la perte de charge diminue pendant au moins 4 secondes, le régime du moteur est abaissé à 1050 20 tours/minute pour un couple de 40 N.m pendant 5 minutes afin d'accélérer la combustion des suies. Les corps assemblés sont ensuite soumis à un régime moteur de 4000 tours/minute pendant 30 minutes afin d'éliminer les suies restantes. Les corps assemblés régénérés sont inspectés après découpe pour révéler la 25 présence éventuelle de fissures visibles à l'oeil nu. La résistance thermomécanique est appréciée au vu du nombre de fissures, un nombre faible de fissures traduisant une résistance thermomécanique acceptable pour une utilisation comme corps filtrant. Les notes suivantes peuvent être attribuées : 30 +++ : présence de très nombreuses fissures, ++ : présence de nombreuses fissures, + : présence de quelques fissures, : pas de fissures ou rares fissures. 15 La régénération étant réalisée dans des conditions extrêmes, la présence de quelques fissures (note « + ») est acceptable. Les notes « ++ » et « +++ » sont en revanche représentatives d'une mauvaise résistance thermomécanique.
Indice d'efficacité de filtration L'indice d'efficacité de filtration est défini comme la différence entre la quantité de particules de suie en amont d'un corps assemblé et la quantité de particules de suie en aval dudit corps rapportée à la quantité de particules de suie en amont dudit corps assemblé. L'indice d'efficacité de filtration est mesuré au moyen de fumimétres placés en amont et en aval du corps assemblé, ce dernier étant placé sur la ligne d'échappement d'un moteur mis en marche à pleine puissance à 4000 tours/minute pendant 30 minutes. Mesures des modules de Younq du ciment d'assemblage et des blocs unitaires filtrants Le module de Young dynamique (E) est mesuré, en conformité avec la norme ASTM C1259-09, avec un appareil commercialisé sous la référence Grindosonic MK5 par 20 la société J.W. Lemmens. On mesure, à la température ambiante, la fréquence de vibration naturelle d'une éprouvette en mode dit «dynamique ». A cet effet, l'éprouvette est posée sur deux supports caoutchouteux de manière à ne pas interagir avec le mode de vibration de l'éprouvette. Les supports sont placés symétriquement par rapport au milieu de la 25 longueur de l'éprouvette, la distance entre supports étant de 900 mm. L'éprouvette est ensuite excitée par une impulsion mécanique au centre de sa face supérieure (à l'opposé de la face d'appui sur les supports), par exemple au moyen d'un bâton, d'un crayon ou d'un marteau fourni avec l'appareil, l'énergie d'excitation étant faible. Cette excitation induit une vibration au sein du matériau de l'éprouvette. Un 30 détecteur piézo-électrique placé au contact de l'éprouvette enregistre alors cette vibration et la convertit en un signal électrique à partir duquel la fréquence de vibration naturelle f (ou "fréquence de résonnance en flexion") est déterminée.
On calcule le module de Young dynamique E (en GPa) en fonction de la masse m (en g) de l'éprouvette et de f (en Hz) selon la formule suivante : E= 9,15$4.10-' x in x f 2 Le module de Young dynamique a été mesuré sur des blocs unitaires filtrants de dimensions 36x36x264mm3 Le module de Young dynamique a égarement été mesuré sur une éprouvette de 22x22x143mm3 en ciment d'assemblage préparée par moulage et ayant subi le même traitement thermique que celui subi par le ciment d'assemblage lorsqu'il est utilisé dans un corps assemblé. L'éprouvette a ensuite été séchée à 110°C avant d'être refroidie jusqu'à la température ambiante. Résultats : Cl 1 E (GPa) des blocs unitaires _ 60 60 E (GPa) du ciment d'assemblage 6 6 Nombre de microfissures par bloc unitaire selon l'invention 0 1 E Nombre dé microfissures pour le corps assemblé 0 14 Résistance thermomécanique du corps assemblé + Nombre de fissures, après régénération, sur le corps assemblé 22 2 Efficacité filtration ~ 85% X85'/p C1 : exemple comparatif Exemple 1 : exemple selon l'invention Tableau 2
Une augmentation du nombre de microfissures améliore nettement le comportement 20 thermomécanique. Cette amélioration ne conduit cependant pas â une réduction sensible de l'efficacité de la filtration.
Des mesures complémentaires ont confirmé que la présence des microfissures ne modifie pas sensiblement la porosité et le diamètre de pore médian du matériau constituant les blocs unitaires.
25 La description qui précède permet d'illustrer quelques modes possibles de réalisation de l'invention. 11 est bien entendu que cette description n'est cependant pas limitative et que l'homme du métier est à même de réaliser d'autres variantes de l'invention sans pour autant sortir de son cadre.
En particulier, une structure en nid d'abeille selon l'invention pourrait être utilisée dans d'autres applications que la filtration, et en particulier pour la catalyse. Dans un mode de réalisation, une partie de la structure en nid d'abeille est revêtue d'un revêtement catalytique, ou « wash coat », par exemple adapté pour le traitement des gaz polluants du type CO, HC ou NOx. Par exemple, pour une performance optimale, le revêtement catalytique peut n'être appliqué que sur les surfaces délimitant une partie des canaux, par exemple sur les seules surfaces délimitant les canaux d'entrée d'un corps filtrant. En particulier pour une application en catalyse, les canaux peuvent ne pas être a p bouchés. Par ailleurs, les exemples mettent en oeuvre des blocs unitaires cylindriques de base carrée, dits "parallélépipédiques". L'invention n'est cependant pas limitée à de tels blocs. Enfin, dans d'autres modes de réalisation, les canaux d'entrée et les canaux de 15 sortie adjacents ne sont pas agencés les uns par rapport aux autres de manière que l'intégralité du gaz filtré par un canal d'entrée quelconque passe dans des canaux de sortie adjacents audit canal d'entrée. 20

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Structure en nid d'abeille comprenant une pluralité de canaux débouchant sur des faces d'admission et d'évacuation, ladite structure comportant un matériau céramique constitué de grains frittés, ladite structure en nid d'abeille présentant une fissure ouverte présentant une longueur Lf comprise entré 3 mm et 30 mm et une largeur maximale lma, inférieure à trois fois la taille maximale D99,5 desdits grains, dite "microfissure".
  2. 2. Structure en nid d'abeille selon la revendication précédente, dans laquelle le rapport entre la largeur maximale de la microfissure et la taille maximale des grains, lm), 1 D99.5, est inférieur à 2,0.
  3. 3. Structure en nid d'abeille selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la microfissure présente une longueur Lt supérieure à 5 mm.
  4. 4. Structure en nid d'abeille selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la microfissure débouche sur la surface extérieure de la structure en nid d'abeille qui s'étend entre lesdites faces d'admission et d'évacuation.
  5. 5. Structure en nid d'abeille selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une région microfissurée délimitée par l'enveloppe fermée présentant le plus petit volume possible; contenant l'ensemble des microfissures et délimitée par la surface extérieure de la structure en nid d'abeille et par deux plans perpendiculaires à la direction longitudinale de la structure en nid d'abeille, ladite région microfissurée s'étendant sur moins de 50 % de la longueur de la structure en nid d'abeille.
  6. 6. Structure en nid d'abeille selon l'une quelconque des revendications précédentes, constituée en un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique supérieur à 2,5.10-6C' entre 20 et 1000°C.
  7. 7. Corps assemblé selon l'une quelconque des revendications précédentes, constitué par un assemblage de structures en nid d'abeille, au moins une desdites structures en nid d'abeille étant conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.
  8. 8. Corps assemblé selon la revendication précédente, dans lequel ladite structure en nid d'abeille est conforme à la revendication 5, ladite région microfissurée étant plus proche de la face d'évacuation que de la face d'admission de ladite structure en nid d'abeille.
  9. 9. Dispositif choisi parmi un échangeur de chaleur et un filtre à particules, comportant au moins une structure en nid d'abeille frittée conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6.
  10. 10. Procédé de fabrication d'une structure en nid d'abeille, comprenant les étapes successives suivantes : a) extrusion d'une matière céramique à travers une filière de manière à former une préforme en nid d'abeille, b) séchage, c) déliantage et frittage de ladite. préforme pour obtenir une structure en nid d'abeille frittée selon l'une quelconque des revendications .1 à 6, d) optionnelfement, avant ou après le frittage, bouchage de canaux. de ladite structure en nid d'abeille frittée.
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