JP2017509106A - 電気導体及び電気導体を形成する方法 - Google Patents

Abstract

電気導体が提供される。電気導体は、黒鉛層間化合物、及び黒鉛層間化合物の少なくとも一部の上に延在する導電性材料の少なくとも１つの層を含む。黒鉛層間化合物は、炭素系粒子、及び炭素系粒子内にインターカレートされた複数のゲスト分子を含む。【選択図】図１

Description

本開示の分野は、概して、電気導体に関し、より具体的には、黒鉛層間化合物から少なくとも部分的に形成された電気導体に関する。

少なくとも一部の既知の用途においては、電力、電流、及び電気／電子信号は、典型的に、ワイヤ又はケーブルを通して伝導される。一般的に、既知の電線又はケーブルは、導体コア、及び導体コアの周囲に配置された絶縁ジャケットを含む。少なくとも一部の既知の導体コアは、銅、銀、金、及びアルミニウムなどの材料から製作される。これらの既知の材料は望ましい導電率を有するが、既知の金属電気導体と少なくとも同等の導電率を有する軽量化された電気導体を開発し、数多くの既知の用途において軽量化を行うことが継続的な目標である。例えば、航空宇宙産業では、航空機の軽量化は、典型的に、燃料効率の向上及び／又はペイロード容量の増大をもたらす。

同等の導電率を有する軽量化された電気導体を開発する少なくとも１つの既知の試みには、導電性の黒鉛層間化合物を形成することがある。インターカレーションは、黒鉛状炭素の複数のグラフェン層の間にゲスト分子又は原子を導入するプロセスである。より具体的には、少なくとも一部の既知のプロセスでは、黒鉛状炭素内の隣接する複数のグラフェン層間の比較的弱い接合強度に起因する拡散作用を介して、複数のグラフェン層の間に「ドーパント」ゲスト分子又は原子が効果的に導入される。同じ大きさの金属電気導体と比較したとき、黒鉛層間化合物は、望ましい導電率を有し、軽量であるが、一般的に壊れやすく、上昇温度に露出されたときにグラフェン層の剥離を起こしやすい。更に、ゲスト分子又は原子で黒鉛状炭素をインターカレートすることは、一般的に、黒鉛状炭素の面内導電率を増大させるのみであり、面に対して垂直な黒鉛状炭素の導電率は減少する。

本開示の１つの態様では、電気導体が提供される。電気導体は、黒鉛層間化合物、及び黒鉛層間化合物の少なくとも一部の上に延在する導電性材料の少なくとも１つの層を含む。黒鉛層間化合物は、炭素系粒子、及び炭素系粒子内にインターカレートされた複数のゲスト分子を含む。

本開示の別の態様では、電気導体が提供される。電気導体は、導電性材料のベースマトリックス及びベースマトリックス内に分散された複数の黒鉛層間化合物を含む。複数の黒鉛層間化合物は、それぞれ、炭素系粒子、及び炭素系粒子内にインターカレートされた複数のゲスト分子を含む。

本開示の更に別の態様では、電気導体を形成する方法が提供される。この方法は、炭素系粒子及び炭素系粒子内にインターカレートされた複数のゲスト分子を含む黒鉛層間化合物を設けることを含む。この方法は、黒鉛層間化合物の少なくとも一部の上に導電性材料を延在させることを更に含む。導電性材料は、導電性材料の少なくとも１つの層又は導電性材料のベースマトリックスの形態にある。

更に、本開示は、以下の条項による実施形態を含む。

条項１
導電性材料のベースマトリックス及び前記ベースマトリックス内に分散された複数の黒鉛層間化合物を含む電気導体であって、前記複数の黒鉛層間化合物が、それぞれ、炭素系粒子、及び前記炭素系粒子内にインターカレートされた複数のゲスト分子を含む、電気導体。

条項２
複数の黒鉛層間化合物が、最大で電気導体の約７０パーセントの容量を占める、条項１に記載の電気導体。

条項３
前記複数のゲスト分子が前記炭素系粒子に囲まれるように、前記ベースマトリックスが前記複数の黒鉛層間化合物の上に延在する、条項１に記載の電気導体。

条項４
前記炭素系粒子が、フレーク、プレートレット、繊維、球体、チューブ、及びロッドから選択された形状にある、条項１に記載の電気導体。

条項５
前記ベースマトリックスが、銅、銀、金、及びアルミニウムのうちの少なくとも１つから製作される、条項１に記載の電気導体。

例示的な航空機の製作及び保守方法を示すフロー図である。 例示的な航空機のブロック図である。 例示的な電気導体の概略断面図である。 代替的な電気導体の概略図である。 電気導体を形成する例示的な方法を示すフロー図である。

本明細書に記載された実装態様は、黒鉛層間化合物（ＧＩＣ）から少なくとも部分的に形成された電気導体に関する。ＧＩＣは、内部にインターカレートされた複数のゲスト分子を有する炭素系粒子から形成される。例示的な実装形態では、ＧＩＣは次いで導電性材料によって囲まれ、本明細書で記載された電気導体が形成される。例えば、導電性材料は、導電性材料の少なくとも１つの層又はベースマトリックスの形態であってもよい。ＧＩＣは、銅などの似たような大きさの金属電気導体に対して、約５倍の面内導電率及び約４分の１の重量を有し得る。このようにして、本明細書に記載の電気導体は、既知の金属導電性材料から形成された似たような大きさの電気導体に比べて、重量が少なく、少なくとも同等の導電率を有する。

図面を参照すると、本開示の実装形態が、（図１に示す）航空機の製作及び保守方法１００に照らして、且つ、（図２に示す）航空機１０２を通じて、説明され得る。仕様及び設計１０４を含む製作前段階において、航空機１０２のデータが製作プロセスの間に使用されてよく、且つ、機体に関連付けられる他の材料が調達１０６され得る。製作段階においては、航空機１０２のコンポーネント及びサブアセンブリの製作１０８とシステムインテグレーション１１０とが行われ、その後、航空機１０２はその認可及び納品１１２を経る。機体認可が成功裏に達成及び完遂されると、航空機１０２は運航１１４に供され得る。顧客により運航されている間、航空機１０２には、例えば、任意の改変、再構成、及び／又は改修などを含む、定期的且つ慣例的な定められた整備及び保守１１６が予定される。代替的な実行形態では、製作及び保守方法１００は、航空機以外のビークルで実装され得る。

航空機の製作及び／又は保守方法１００に関連付けられる各部分及びプロセスは、システムインテグレータ、第三者、及び／又はオペレータ（例えば顧客）によって実施又は完了され得る。本明細書の目的のために、システムインテグレータは、限定するものではないが、任意の数の航空機製造者及び主要システムの下請業者を含んでもよく、第三者は、限定するものではないが、任意の数のベンダー、下請業者、及び供給業者を含んでもよく、且つ、オペレータは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス機関などであってもよい。

図２に示すように、方法１００を通じて製作された航空機１０２は、複数のシステム１２０及び内装１２２を有する機体１１８を含み得る。高レベルのシステム１２０の例には、推進システム１２４、電気システム１２６、油圧システム１２８、及び／又は環境システム１３０のうちの１つ又は複数が含まれる。任意の数の他のシステムが含まれ得る。

本明細書に具現化された装置と方法は、方法１００の１つ又は複数の任意の段階で採用してもよい。例えば、コンポーネント生産プロセス１０８に対応するコンポーネント又はサブアセンブリは、航空機１０２の運航中に生産されるコンポーネント又はサブアセンブリと似たような態様で作製又は製作され得る。更に、１つ又は複数の装置の実装形態、方法の実装形態、或いはそれらの組み合わせは、例えば、航空機１０２の組立てを実質的に効率化すること、及び／又は、航空機１０２の組立てのコストを削減することにより、製作段階１０８及び１１０で利用され得る。同様に、装置の実装形態、方法の実装形態、或いはそれらの組み合わせのうちの１つ又は複数は、航空機１０２が例えば定められた整備及び保守１１６において保守又は整備を受けている時に、利用され得る。

本明細書で使用される「航空機（ａｉｒｃｒａｆｔ）」という用語は、飛行機、無人機（ＵＡＶ）、グライダー、ヘリコプター、及び／又は空域を移動する他の任意の物体を含み得るが、それらのみを含むとは限定されない。更に、代替的な実装形態では、本明細書に記載の航空機の製作及び保守方法は、任意の製作及び／又は保守作業で使用され得る。

図３は、例示的な電気導体２００の概略断面図である。例示的な実装形態では、電気導体２００は、黒鉛層間化合物（ｇｒａｐｈｉｔｅ ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）（ＧＩＣ）２０２、及びＧＩＣ２０２の少なくとも一部の上に延在する導電性材料の複数の層２０４を含む。ＧＩＣ２０２は、炭素系粒子２０６及び炭素系粒子２０６内にインターカレートされた複数のゲスト分子２０８から形成される。炭素系粒子２０６は、電気導体２００が本明細書で説明されているように機能することを可能にする任意の形状であってもよい。例示的な形状は、限定されないが、フレーク、プレートレット、繊維、球体、チューブ、及びロッドから選択される。更に、炭素系粒子２０６は、ほぼ平面方向２１０に延在するグラフェンの層２１２を含む高配向熱分解黒鉛などの黒鉛状炭素から製作される。

上述のように、ゲスト分子２０８は、炭素系粒子２０６内にインターカレートされる。より具体的には、ゲスト分子２０８は、炭素系粒子２０６の隣接するグラフェンの層２１２の間に位置決めされる。ゲスト分子２０８は、電気導体２００が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の材料から製作してもよい。例示的な材料は、限定されないが、ブロム、カルシウム、及びカリウムを含む。

例示的な実装形態では、導電性材料の層２０４は、導電性材料の第１の層２１４、導電性材料の第２の層２１６、及び導電性材料の第３の層２１８を含む。第１の層２１４は、ＧＩＣ２０２の少なくとも一部の上に延在し、第２の層２１６は、第１の層２１４の少なくとも一部の上に延在し、且つ第３の層２１８は、第２の層２１６の少なくとも一部の上に延在する。第１の層２１４、第２の層２１６、及び第３の層２１８は、それぞれ異なる機能を果たす。例えば、例示的な実装形態では、第１の層２１４は、第２の層２１６をＧＩＣ２０２に接着することを助け、第２の層２１６は、第１の層２１４及び第３の層２１８を形成するために用いられる材料よりも安価であり得る導電性材料から製作され、且つ第３の層２１８は、例えば、第２の層２１６を酸化及び／又は物理的歪みから保護することを助ける。代替的な実装形態は、電気導体２００は、電気導体２００が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の数の層２０４を含んでもよい。

各層２０４は、電気導体２００が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の材料から製作してもよい。例示的な実装形態では、各層２０４は、異なる材料から製作される。第１の層２１４を製作するために用いられる例示的な材料は、限定されないが、クロム及びチタンを含む。第２の層２１６を製作するために用いられる例示的な材料は、限定されないが、銅、銀、金、及びアルミニウムを含む。第３の層２１８を製作するために用いられる例示的な材料は、限定されないが、銀、金、及びアルミニウムを含む。層２０４は、任意の適切なプロセスを通してＧＩＣ２０２の上に適用される。例示的なプロセスは、限定されないが、スパッタリング、イオンビームプレーティング、電気めっき、無電解めっき、湿式化学堆積、及び蒸着を含む。

例示的な実装形態では、ゲスト分子２０８が炭素系粒子２０６に完全に囲まれるように、層２０４がＧＩＣ２０２の上に延在する。より具体的には、層２０４は、平面方向２１０及び平面方向２１０に対する法線方向２２０の両方においてＧＩＣ２０２の上に延在し、ＧＩＣ２０２が導電性上層（図示せず）に包み込まれる。幾つかの実装形態では、法線方向２２０でＧＩＣ２０２の上に層２０４が延在することは、法線方向２２０で電気導体２００内の導電率を増大させることを助ける。上述のように、炭素系粒子２０６内でインターカレートするゲスト分子２０８は、一般的に、平面方向２１０でＧＩＣ２０２の導電率を増大させるのみである。より具体的には、炭素系粒子２０６内でインターカレートするゲスト分子２０８は、隣接するグラフェン層２１２間の距離Ｄを増大させる。距離Ｄが増大するにつれて、法線方向２２０での炭素系粒子２０６の導電率は減少する。このように、例示的な実装形態では、複数の層２０４は、所与のＧＩＣ２０２から複数のＧＩＣ２０２への高い面内導電率の間で低抵抗配線経路を設け、それにより、導電性複合層（図示せず）が形成される。

幾つかの実装形態では、細長い電気導体（図示せず）の形成を助けるために複数の電気導体２００が相互接続され得る。例えば、細長い電気導体の形成を助けるために複数の電気導体２００が物理的、化学的、及び／又は電気化学的に接合されてもよい。層２０４は導電性材料から形成されるため、複数の電気導体２００を相互接続することは、実質的に連続的な電気導体を形成することを助ける。

図４は、代替的な電気導体２２４の概略図である。例示的な実装形態では、電気導体２２４は、導電性材料のベースマトリックス２２６、及びベースマトリックス２２６内に分散された複数のＧＩＣ２０２を含む。ベースマトリックス２２６は、電気導体２２４が本明細書に記載のように機能することを可能にする任意の材料から製作される。例示的な実装形態では、ベースマトリックス２２６は、金属材料から製作される。本明細書で使用される「金属」という用語は、単一の金属材料又は金属合金材料を表し得る。ベースマトリックス２２６を製作するために用いられる例示的な材料は、限定されないが、銅、銀、金、及びアルミニウムを含む。

ＧＩＣ２０２は、概して、ベースマトリックス２２６の製作に用いられた材料よりも少ない重量、又はより大きな導電率を有するため、ベースマトリックス２２６内にＧＩＣ２０２を分散させることにより、ベースマトリックス材料のみから形成された似たような大きさの従来の電気導体よりも重量が低い電気導体２２４が形成される。従って、重量減少は、電気導体２２４内のＧＩＣ２０２の容量パーセントの関数である。電気導体２２４が本明細書に記載のように機能することを可能にする電気導体２２４内のＧＩＣ２０２の任意の容量パーセントが選択されてもよい。例示的な実装形態では、電気導体２２４内のＧＩＣ２０２の容量パーセントは、最大で電気導体２２４の約７０パーセントの容量を占め、これにより、銅などの従来の電気導体に比べたとき、電気導体２２４が少なくとも約５０パーセント重量減少する結果となり得る。

図５は、電気導体２００などの電気導体を形成する方法３００を示すフロー図である。方法３００は、ＧＩＣ２０２などの黒鉛層間化合物を設けること（３０２）を含み、黒鉛層間化合物は、炭素系粒子２０６などの炭素系粒子、及び炭素系粒子内にインターカレートされたゲスト分子２０８などの複数のゲスト分子を含む。方法３００は、黒鉛層間化合物の少なくとも一部の上に導電性材料の層２０４などの導電性材料を延在させること（３０４）を更に含む。導電性材料は、導電性材料の少なくとも１つの層又は導電性材料の、ベースマトリックス２２６などのベースマトリックスの形態にある。

本明細書に記載の実装形態は、似たような大きさの純粋金属の電気導体に対して、重量が少なく、且つ少なくとも同等の導電率を有する電気導体を含む。より具体的には、本明細書に記載の電気導体は、少なくとも部分的に黒鉛層間化合物から形成されている。上述のように、黒鉛層間化合物は、銅製電気導体などの純粋金属の電気導体に対して、約５倍の導電率及び約４分の１の重量を有し得る。このようにして、本明細書に記載の電気導体は、既知の金属導電性材料から形成された似たような大きさの電気導体に比べて、重量が少なく、少なくとも同等の導電率を有する。

ここに記載した説明では、ベストモードを含む様々な実装形態を開示し、且つ当業者が任意のデバイス及びシステムの作成及び使用、並びに組込まれた任意の方法の実行を含め、様々な実装形態を実施することを可能にするために実施例を使用している。本開示の特許可能な範囲は特許請求の範囲によって定義されており、当業者であれば想起される他の実施例も含み得る。このような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を有する場合、或いは、それらが特許請求の範囲の文言とわずかに異なる均等な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図されている。

Claims (15)

1. 黒鉛層間化合物であって、
   炭素系粒子、及び
   前記炭素系粒子内にインターカレートされた複数のゲスト分子を含む黒鉛層間化合物、並びに
   前記黒鉛層間化合物の少なくとも一部の上に延在する導電性材料の少なくとも１つの層
   を含む電気導体。
2. 前記黒鉛層間化合物の少なくとも一部の上に延在する導電性材料の複数の層を更に含み、前記複数の層がそれぞれ異なる材料から製作される、請求項１に記載の電気導体。
3. 前記複数の層が、前記黒鉛層間化合物の少なくとも一部の上に延在する接着層、前記接着層の少なくとも一部の上に延在する導電層、及び前記導電層の少なくとも一部の上に延在する保護層を含む、請求項２に記載の電気導体。
4. 前記複数のゲスト分子が前記炭素系粒子に囲まれるように、前記少なくとも１つの層が前記黒鉛層間化合物の上に延在する、請求項１から３のいずれか一項に記載の電気導体。
5. 前記炭素系粒子が、フレーク、プレートレット、繊維、球体、チューブ、及びロッドから選択された形状にある、請求項１から４のいずれか一項に記載の電気導体。
6. 前記炭素系粒子が黒鉛状炭素を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の電気導体。
7. 前記黒鉛状炭素が、ほぼ平面方向に延在するグラフェンの複数の層を含み、前記導電性材料の少なくとも１つの層が、前記グラフェンの複数の層を包み込む、請求項６に記載の電気導体。
8. 前記複数のゲスト分子が、ブロム、カルシウム、及びカリウムのうちの少なくとも１つから製作される、請求項１から７のいずれか一項に記載の電気導体。
9. 前記導電性材料の少なくとも１つの層が、銅、銀、金、及びアルミニウムのうちの少なくとも１つから製作される、請求項１から８のいずれか一項に記載の電気導体。
10. 電気導体を形成する方法であって、
    黒鉛層間化合物を設けることであって、前記黒鉛層間化合物が、炭素系粒子及び前記炭素系粒子内にインターカレートされた複数のゲスト分子を含む、設けること、並びに
    前記黒鉛層間化合物の少なくとも一部の上に導電性材料を延在させることであって、前記導電性材料が、導電性材料の少なくとも１つの層又は導電性材料のベースマトリックスの形態にある、延在させること
    を含む方法。
11. 黒鉛層間化合物を設けることが、ほぼ平面方向に延在する複数のグラフェン層を含む黒鉛状炭素から前記炭素系粒子を形成することを含み、前記導電性材料が、前記複数のグラフェン層を包み込む、請求項１０に記載の方法。
12. 黒鉛層間化合物を設けることが、フレーク、プレートレット、繊維、球体、チューブ、及びロッドから選択された形状で前記炭素系粒子を設けることを含む、請求項１０に記載の方法。
13. 導電性材料を延在させることが、前記複数のゲスト分子が前記炭素系粒子に囲まれるように、前記黒鉛層間化合物の上に導電性材料を延在させることを含む、請求項１０に記載の方法。
14. 導電性材料を延在させることが、スパッタリング、イオンビームプレーティング、電気めっき、無電解めっき、湿式化学、及び蒸着のプロセスのうちの少なくとも１つを通して、前記黒鉛層間化合物の上に導電性材料を延在させることを含む、請求項１０に記載の方法。
15. 導電性材料を延在させることが、銅、銀、金、及びアルミニウムのうちの少なくとも１つから前記導電性材料を製作することを含む、請求項１０に記載の方法。

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