JP3849786B2 - 電磁波吸収体 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波吸収体に関する。さらに詳細には特定の電気伝導度を有する炭化ホウ素粉末を用いることによって、効率良く電磁波を吸収する電磁波吸収体を提供する。

近年、半導体・エレクトロニクスの分野において、コンピューターや民生用電子機器、さらには携帯電話等の通信用機器に使用される電磁波の高周波化が顕著に進展し、１秒間に１０億回以上振動するギガヘルツ（GHｚ）帯域の電磁波も頻繁に使用されるようになってきた。このような高周波は、高出力・高密度の信号搬送を可能にする反面、ノイズとして他の機器に取り込まれると、情報漏洩、誤動作その他各種の電波障害を引き起こす懸念がある。

この対策として、電子機器や通信機器が外部から侵入する電磁波に干渉されないように、或いはこれらの機器が発生する電磁波が過剰に外部に漏洩しないように、電磁波シールド材や、電磁波吸収体が用いられる。とりわけ電磁波吸収体は、入射してきた電磁波を熱エネルギーに変換して、透過或いは反射する電磁波の強度を大幅に減衰するものである。

電磁波吸収体の材料として、従来は主にフェライトやカーボンが使用されている。これらは粉末を樹脂、ゴム或いは塗料等のマトリックス中に分散・複合化したものを、電磁波を吸収したい部位に貼付または塗布する形で用いられることが多い。

しかしながら、フェライトは比重が大きいため、マトリックス中に分散する際に、マトリックスとの比重差によって沈降が生じやすく、均一な複合体の成形性に難がある上に、できあがった複合材料が重いため、移動を伴うノート型パーソナルコンピュータや民生用電子機器、通信機器等に使用する場合、機器が重くなり機動性に問題が生じる。

一方カーボンは、比重が比較的小さいためフェライトに見られるような上記の問題は生じないが、粉末が嵩高いためにマトリックスへの充填量を増大させること困難であり、複合材料の電磁波吸収特性が不充分になってしまう。これを避けるためカーボンとしては充填性が比較的良好な結晶質のグラファイトが使用されることがあるが、グラファイト粒子は異方性が大きいうえにマトリックス内で配向しやすいため、やはり複合材料の電磁波吸収性能が損なわれてしまう。

上記以外の材料として炭化珪素（ＳｉＣ）や炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）が電磁波吸収特性を有することが知られている。この性質を利用したＳｉＣやＢ_４Ｃのマイクロ波発熱体が提案されている（特許文献１参照）。
またＳｉＣやＢ_４Ｃは比重が比較的小さく、粉末もさほど嵩高くないため充填性も良好であり、しかも異方性が小さいため、フェライトやカーボンに見られる上記の問題は有しない。しかし、囲繞する断熱体の構造や使用するマイクロ波の波長・出力等で発熱量のコントロールができるマイクロ波発熱体としてはＳｉＣやＢ_４Ｃは使用可能であったが、これに対し限られた空間内で波長・出力等に分布を有する電磁波を網羅的かつ効率的に吸収することが要求される電磁波吸収体としては、ＳｉＣや従来のＢ_４Ｃでは性能が不充分であった。
特開平８−１０６９８０公報

本発明の目的は、従来の電磁波吸収体が有する上記の諸問題を解決し、優れた電磁波吸収特性を有する新規な電磁波吸収体を提供することである。

すなわち本発明は、電気伝導度が５×１０^−６（Ｓ／ｃｍ）以上の炭化ホウ素粉末を含んでなる電磁波吸収体である。また本発明は、上記の炭化ホウ素粉末を５〜７０体積％含む複合材料からなる電磁波吸収体である。さらに本発明は、上記の炭化ホウ素粉末を５〜７０体積％含み、残部が熱可塑性樹脂からなる電磁波吸収体である。

本発明によれば、特定の電気伝導度を有する炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）粉末を含む材料、このＢ_４Ｃ粉末の所定量を含む複合体、またはこのＢ_４Ｃ粉末の所定量を含み残部が熱可塑性樹脂からなる材料によって、優れた電磁波吸収特性を有する新規な電磁波吸収体を提供することができ、産業上非常に有用である。

本発明は、電気伝導度が５×１０^−６（Ｓ／ｃｍ）以上のＢ_４Ｃ粉末を含んでなる電磁波吸収体である。本発明は、本発明者が特定の電気伝導度を有するＢ_４Ｃ粉末によってのみ電磁波吸収体として好適な効果が得られることを見出したことに基づいている。この原因については明らかではないが、以下のように推定される。

電磁波吸収特性には、材料の有する誘電的性質や磁気的性質が関与するとされているが、電気伝導度が５×１０^−６（Ｓ／ｃｍ）以上のＢ_４Ｃ粉末は、この特定範囲の電気伝導度とＢ_４Ｃ本来の誘電的性質とが相俟って、電磁波吸収に好適な性質が発現すると考えられる。

本発明のＢ_４Ｃ粉末はＢ_４Ｃ塊を合成した後これを粉砕、篩い分けすることによって製造することができる。Ｂ_４Ｃ塊を合成する具体的な方法としては例えばホウ酸等のホウ素分と石油コークス等の炭素分とを混合した原料を、アーク炉、抵抗加熱炉、高周波加熱炉等を用いて２２００℃程度の高温まで加熱して、下記の反応を生じさせる方法がある。
４Ｈ_３ＢＯ_３＋７Ｃ → Ｂ_４Ｃ＋６ＣＯ＋６Ｈ_２Ｏ

本発明におけるＢ_４Ｃ粉末の電気伝導度は、以下の方法で測定する。直径１６ｍｍ、厚さ３ｍｍのステンレス製円板を、内径１６ｍｍ、外径２４ｍｍの樹脂（ポリアセタール）製円筒にはめ込み、その上にＢ_４Ｃ粉末１．０〜１．５ｇと、もう１枚の直径１６ｍｍ、厚さ３ｍｍのステンレス製円板を載せる。上下のステンレス円板の外側に銅箔を敷いた後、油圧プレスを用いて１４．７ＭＰａの圧力を加えてＢ_４Ｃ粉末を圧縮する。加圧したままデジタルマルチメーターで上下の銅箔間の抵抗値を計測し、加圧開始１分後の抵抗値と、加圧時のＢ_４Ｃ粉末の充填高さ及び樹脂円筒内径寸法から、Ｂ_４Ｃ粉末の比抵抗（Ω・ｃｍ）を算出し、逆数を電気伝導度（Ｓ／ｃｍ）とする。

本発明のＢ_４Ｃ粉末は、粉末のまま電磁波吸収体として用いても良いが、適用時の便宜を考慮して、樹脂、ゴム或いは塗料等のマトリックス中に分散・複合化した複合材料として用いても良い。

マトリックスとして使用可能な材料は、アクリル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ビスフェノール型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、脂環型エポキシ樹脂、複素環型エポキシ樹脂、グリシジルエステル型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂、ハロゲン化エポキシ樹脂などのエポキシ樹脂、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリオキサジアゾール、ポリピラゾール、ポリキノキサリン、ポリキナゾリンジオン、ポリベンズオキサジノン、ポリインドロン、ポリキナゾロン、ポリインドキシル、シリコン樹脂、シリコン−エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル、ポリアミノビスマレイミド、ジアリルフタレート樹脂、フッ素樹脂、ＴＰＸ樹脂（メチルペンテンポリマー「三井石油化学社製商品名」）、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、６６−ナイロンおよびＭＸＤ−ナイロン、アモルファスナイロン等のポリアミド、ポリブチレンテレフタレートおよびポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリフェニレンスルフィド、変性ポリフェニレンエーテル、ポリアリレート、全芳香族ポリエステル、ポリスルホン、液晶ポリマー、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、マレイミド変性樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＡＳ（アクリロニトリル・アクリルゴム・スチレン）樹脂、ＡＥＳ（アクリロニトリル−エチレン・プロピレン・ジエンゴム−スチレン）樹脂等の樹脂類、ブチルゴム、アクリルゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム、ポリエステルエラストマー、ポリブタジエン、クロロプレン、天然ゴム、ポリイソプレン等のエラストマー類及びこれらに必要に応じ、硬化剤、硬化促進剤、触媒、加硫剤、滑剤・離型剤、安定剤、光安定剤、着色剤、難燃剤、カップリング剤等を添加したものであるが、これら以外にソーダガラス、Ｅガラス、ホウケイ酸ガラス、石英ガラス等のガラス類や、蛙目粘土、木節粘土等の粘土類、セメント、アルミナセメント、モルタル、石膏等の無機材料も使用可能である。中でも取扱いが簡便なアクリル樹脂等の熱可塑性樹脂が好適に用いられる。

これらのマトリックス材料に対して本発明のＢ_４Ｃ粉末を添加・混合し、用途に応じ膜、板等の成形品や、液状のままで塗料、充填材等の多用な形態の複合材料として使用される。混合は少量の場合手混合も可能であるが、プラネタリーミキサー、ハイブリッドミキサー、ヘンシェルミキサー、バンバリーミキサー、ニーダー、ボールミル、ミキシングロール等の一般的な混合機が用いられる。また、成形は形状に応じてドクターブレード等の成膜機、押出成形、射出成形、プレス成形等の各種成形機や、鋳込み成形法等が用いられる。

本発明の複合材料におけるＢ_４Ｃ粉末の含有量は、５〜７０体積％である。含有量が５体積％よりも少ないと、充分な電磁波吸収性能が得られない。又含有量が７０体積％を超えると、複合材料としての成形・保形が困難になる。このため何れも本発明には適さない。

以下、実施例及び比較例をあげて、さらに本発明を説明する。

（実施例１）ホウ酸粉末と石油コークス粉末を混合した後、抵抗加熱炉を用い２２００℃で５時間加熱してＢ_４Ｃ塊を合成した。これを鉄製ボールのボールミルで粉砕し、篩網を用いて粒径４５μｍ以下に篩分け、更に硝酸水溶液で洗浄して鉄分を除去後、濾過・乾燥してＢ_４Ｃ粉末を作製した。

次に内径１６ｍｍ、外径２４ｍｍの樹脂（ポリアセタール）製円筒にはめ込んだ直径１６ｍｍ、厚さ３ｍｍのステンレス製円板上このＢ_４Ｃ粉末１．１ｇを載せ、さらにもう１枚同寸法のステンレス製円板を載せて上下のステンレス円板の外側に銅箔を敷いた後、油圧プレスを用いて１４．７ＭＰａの圧力を加えて圧縮し、加圧したままデジタルマルチメーターで上下の銅箔間の抵抗値を計測し、加圧開始１分後の抵抗値と、加圧時のＢ_４Ｃ粉末の充填高さ及び樹脂円筒内径寸法から、比抵抗（Ω・ｃｍ）を算出し、その逆数から求めたＢ_４Ｃ粉末の電気伝導度は、８×１０^−６（Ｓ／ｃｍ）であった。

このＢ_４Ｃ粉末を、樹脂分に対して３０体積％になるように、アクリルエマルジョン（高圧ガス工業製ＦＸ−８５１、樹脂分５５％）１００重量部、分散剤（サンノプコ製ＳＮディスパーサント２０６０）２重量部及び消泡剤（サンノプコ製ＳＮデフォーマー３１４）０．２重量部からなる液状マトリックスに添加した後、ハイブリッドミキサー（キーエンス製ＨＭ−５００）を用いて混合し、スラリーを作製した。
次いでこのスラリーを１ｍｍ厚さのシート形状に成形した後、７０℃で３時間加熱して固化させて、Ｂ_４Ｃ粉末とアクリル樹脂の複合体を得た。

複合体の複素誘電率（ε’＋ｊε’’）を、マイクロインピーダンスアナライザーを用いて測定した。複素誘電率は誘電的性質によって電磁波を吸収する材料の性能の指標となる特性値であり、実数部（ε’）、虚数部（ε’’）共に大きな数値を示す程、電磁波吸収性能が高いとされる。０．１〜６ＧＨｚ帯域における複素誘電率は、ε’＝１６〜１９、ε’’＝２〜３であった。

（実施例２）実施例１と同様にしてＢ_４Ｃ塊合成、粉砕し、粒径４５μｍ以下に篩分けを行い、洗浄、濾過及び乾燥は行わなかったＢ_４Ｃ粉末１．０ｇを用い、電気伝導度を実施例１と同じ方法で測定したところ２×１０^−４（Ｓ／ｃｍ）であった。これをゴム（エラストマー）分に対して５０体積％になるように、トルエンに溶解させたシリコーンゴムに微量の難燃剤、シランカップリング剤及び加硫剤を添加して調製したマトリックスに分散させてスラリーを得た。

このスラリーをドクターブレード成膜機を用いて厚さ１ｍｍのシート状に成形した後、８０℃で１時間加熱してトルエンを揮発させ、温度１７０℃、圧力９．８ＭＰａで１０分間プレス加硫を行い、さらに大気圧下２００℃で５時間二次加硫を行いＢ_４Ｃ粉末とシリコーンゴムの複合体を得た。複合体の複素誘電率を、実施例１と同様に測定したところ、０．１〜６ＧＨｚ帯域における複素誘電率は、ε’＝２８〜３２、ε’’＝３〜５であった。

（実施例３）実施例１と同様にしてＢ_４Ｃ塊合成、粉砕し、粒径７１０〜１６８０μｍに篩分けを行い、さらに乾式脱鉄を行ったＢ_４Ｃ粉末１．５ｇを用い、電気伝導度を実施例１と同じ方法で測定したところ９×１０^−４（Ｓ／ｃｍ）であった。これを石膏に対して３０体積％になるように石膏粉末及び水と混合して型に流し込んだ後、静置・硬化させて厚さ２ｍｍの板状成形体を得た。成形体の複素誘電率を、実施例１と同様に測定したところ、０．１〜６ＧＨｚ帯域における複素誘電率は、ε’＝３１〜４２、ε’’＝４〜６であった。

（実施例４〜５、比較例１〜２）実施例１のアクリルエマルジョン、分散剤及び消泡剤を含む液状マトリックスに対して、実施例１のＢ_４Ｃ粉末を、樹脂分に対するＢ_４Ｃ粉末の割合（体積％）が表１に示す値になるようにハイブリッドミキサーを用いて混合し、スラリーを作製した。次いで実施例１と同様に成形、加熱して厚さ１ｍｍのＢ_４Ｃ粉末とアクリル樹脂の複合体を作製し、さらに実施例１と同様に複素誘電率の測定を行った。これらの結果を表１にまとめて示した。

（比較例３〜４）市販のＢ_４Ｃ粉末（Ｗａｃｋｅｒ製グレード名３０００Ｆ及びＳｔａｒｃｋ製グレード名ＨＳ）をそれぞれ１．０ｇずつ用い、電気伝導度を実施例１と同じ方法で測定したところそれぞれ２×１０^−６（Ｓ／ｃｍ）及び４×１０^−６（Ｓ／ｃｍ）であった。これらのＢ_４Ｃ粉末が樹脂分に対して３０体積％になるように、実施例１のアクリルエマルジョン、分散剤及び消泡剤を含む液状マトリックスとハイブリッドミキサーを用いて混合し、スラリーを作製した。次いで実施例１と同様に成形、加熱して厚さ１ｍｍのＢ_４Ｃ粉末とアクリル樹脂の複合体を作製し、さらに実施例１と同様に複素誘電率の測定を行った。これらの結果を表１にまとめて示した。

（比較例５）Ｂ_４Ｃ粉末の代わりにカーボン粉末（日本カーボン製グレード名ニカビーズ）を用い、樹脂分に対するカーボン粉末の割合が８体積％になるようにした以外は実施例１と同様にしてカーボン粉末とアクリル樹脂の複合体を作製して複素誘電率の測定を行い、結果を表１に示した。

（比較例６）Ｂ_４Ｃ粉末の代わりにＳｉＣ粉末（昭和電工製グレード名デンシックＣ−＃１６）を用いた以外は、実施例３と同様にしてＳｉＣ粉末を石膏と混合・硬化させ、厚さ２ｍｍの板状成形体を作製して複素誘電率の測定を行い、結果を表１に示した。

本発明によれば、樹脂等の有機物だけでなく、無機物も含めた多様なマトリックスと、特定の電気伝導度を有するＢ_４Ｃ粉末を組み合わせた複合材料が製造できる。この複合材料は軽量であるだけでなく、Ｂ_４Ｃ粉末の含有率５〜７０体積％の広い範囲にわたり、複素誘電率の実数部（ε’）及び虚数部（ε’’）が大きな数値を示し、電磁波吸収特性が優れている。このため装着する機器や設備の機動性を損なうことなく電磁波を吸収することができるので、とりわけ移動を伴うノート型パーソナルコンピュータ、民生用電子機器、通信機器、家屋の壁材、カーテン等に用いる電磁波吸収体として産業上有用である。

Claims (3)

1. 電気伝導度が５×１０^−６（Ｓ／ｃｍ）以上の炭化ホウ素粉末を含んでなる電磁波吸収体。
2. 請求項１の炭化ホウ素粉末を５〜７０体積％含む複合材料からなる電磁波吸収体。
3. 請求項１の炭化ホウ素粉末を５〜７０体積％含み、残部が熱可塑性樹脂からなる電磁波吸収体。