JP4748529B2 - 磁性体 - Google Patents
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更に、通信分野での無線LANや光ファイバーを用いた高速通信網などはもちろん、高度な道路交通システムとしてETS(自動料金収受システム),AHS(走行支援道路システム)にもGHz帯の周波数が利用される予定であり、今後、高周波利用範囲は更に拡大していくことが予想される。加えて、最近の電子機器の低消費電力化によるノイズマージン低下や電子機器の小型化により、機器内部のノイズ環境はさらに悪化し、EMI(Electro-Magnetic Interference)による誤動作が問題になっている。
軟磁性金属材料については、粒子の厚さを表皮深さ以下の扁平形状とすることによる渦電流の抑制効果及び形状磁気異方性の効果によって電磁波吸収体としての限界周波数は10GHz程度まで伸ばすことができる。
一方、ミリ波領域に対応する電磁波吸収体としては、従来からカーボンブラック粒子やカーボンファイバー等のカーボン系材料を、ゴムや樹脂などの電気的絶縁性有機物に分散させた電磁波吸収体が知られている。
一方、初期透磁率の高いセンダストなどの磁性体金属材料は、アンテナ磁心等の材料として使われてきたが、MHz帯から1GHzの高周波領域における透磁率の損失が大きく、高周波領域に適用できる材料とはなっていない。このようなセンダストの高周波領域における透磁率の損失の増大の大きな理由のひとつに磁歪が大きいことにあると考えられる。すなわち、高周波領域で磁歪が生じることにより磁壁移動速度が律速になって実効透磁率が低下する。
本発明の目的は、MHz帯から1GHzの高周波領域まで優れた電磁波吸収特性を有する磁性体を提供することにある。
以下、単層カーボンナノチューブ(Single−Wall Carbon Nanotubess)をSWCNTということがある。また、多層カーボンナノチューブ(Multi−Wall Carbon Nanotubess)をMWCNTということがある。
該磁性体が該磁性材料粒子と炭素構造材料の体積割合(磁性材料粒子/炭素構造材料)を70〜99%/30〜1%(体積%の合計は100体積%である)となるように混合し、加熱焼結させて得られた磁性体であることを特徴とする磁性体。
また、本発明の第1の態様においては、下記(2)〜(6)の態様とすることができる。
(2)前記炭素構造材料が、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、及びフラーレンから選択される1種又は2種以上含む。
(3)前記磁性材料粒子が(i)Fe、(ii)Ni、(iii)Co、(iv)Al、Mg、Co、Ni、Mo、B、Si、Sr及びNbからなる群より選択される1種又は2種以上の元素を含む鉄系合金、(v)Mn系合金、及び(vi)Sm−Co化合物(サマリウム磁石)から選択される1種又は2種以上を含む強磁性材料である。
(4)前記(iv)鉄系合金が、Fe−Ni系合金(パーマロイ)、Fe−Si系合金(ケイ素鉄)、Fe−Si−Al系合金(センダスト)、Fe−Ni−Mo(スーパーマロイ)、Fe−Co系合金(パーメンジュール)、Fe−C−B系合金(アモルファス)、Fe−Ni−Cr系合金(ステンレス)、Fe−Ni−Co−Al系合金(アルニコ磁石)、Nd−Fe−B化合物(ネオジウム磁石)、酸化鉄、Fe−Pt系合金から選択される1種又は2種以上であり、(v)Mn系合金がMn−Zn系合金 (MnZnフェライト)又はMn−Al系合金(MnAl磁石)である。
(5)前記磁性材料粒子がFe−Si−Al系合金(センダスト)を含む強磁性材料である。
(6)前記炭素構造材料が粒子径1〜100μmの範囲にある磁性材料粒子間に存在している。
本発明の第2の態様においては、下記(8)の態様とすることができる。
(8)前記結合材がエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、塩化ビニル樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体、及びエチレン−酢酸ビニル−塩化ビニルグラフト共重合体から選択される1種又は2種以上である。
〔1〕第1の態様
本発明の第1の態様である「磁性体」は、磁性材料粒子と、該磁性材料粒子間に存在する、少なくともヤング率が900GPa以上でかつデバイ温度が900K以上の炭素構造材料とからなる磁性体であって、
該磁性体が該磁性材料粒子と炭素構造材料の体積割合(磁性材料粒子/炭素構造材料)を70〜99%/30〜1%(体積%の合計は100体積%である)となるように混合し、加熱焼結させて得られた磁性体であることを特徴とする。
以下に炭素構造材料、及びヤング率とデバイ温度の測定等について説明する。
(1)炭素構造材料
炭素構造材料としては、一般に単層カーボンナノチューブ(SWCNT)、多層カーボンナノチューブ(MWCNT)、カーボンナノホーン、フラーレン、フラーレン重合物、フラーレン誘導体、カーボンナノファイバー、活性炭素等が挙げられるが、本発明で使用する炭素構造材料としては、これらの中でも単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバー、フラーレン、フラーレン重合物、及びフラーレンが好ましい。
(i)カーボンナノチューブ
カーボンナノチューブとは、グラファイトの1枚面を巻いた筒状形状を有するものをいい、1層に巻かれたものを単層カーボンナノチューブ、2層に巻かれたものを2層カーボンナノチューブ、多層に巻かれたものを多層カーボンナノチューブという。
カーボンナノホーンとはグラファイトの1枚面が円錐状に巻かれた形状を有しており、1層に巻かれたものを単層カーボンナノホーンといい、2層に巻かれたものを2層カーボンナノホーンといい、3層以上の多層に巻かれたものを多層カーボンナノホーンという。
(iii)フラーレン
フラーレンとは炭素原子からなるクラスターで、炭素の同素体であり、通常はC36、C60、C70、C76、C78、C80、C82、C84などから選ばれる。フラーレン重合物とは、2個のC60が結合して出来た二量体や、さらに密に結合した落花生型などのC120、3個が結合したトリマーのC180やn個が結合したポリマーなども合成されている。
フラーレン誘導体とは前記フラーレンが官能基化修飾されたものであれば特に限定しないが、本発明では−OH、−OSO3H、−COOH、−SO3H、−OPO(OH)3の官能基の内、少なくとも1つ以上含むものが好ましい。
(iv)カーボンナノファイバー
カーボンナノファイバーとは直径が1〜500nmであり、長さが1μm以上の成分組成が炭素50%以上であるものとし、ロッド状でも中空状でもよい。
本発明において、炭素構造材料のヤング率は、参考文献1( Wong E W, Sheehan P E and Lieber C M 1997 Science 277 1971)の記載に基づき、原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope; AFM)を用いて得られる測定値である。MoS基板に炭素構造材料の一端を固定し、他端をAFMの探針のスキャンモードにより接触させ、振動させてナノカーボンが元の状態に回復することからヤング率を求めた。また参考として貴金属のナノチューブであるAgチューブとPtチューブをそれぞれ準備し、同様にヤング率を測定した。
その結果、各無機材料のヤング率は下記の通りである。
(a)単層カーボンナノチューブ(SWCNT):5000GPa
(b)多層カーボンナノチューブ(MWCNT):1000GPa
(c)カーボンナノホーン:4200GPa
(d)フラーレン:1100GPa
(e)カーボンナノファイバー:680GPa
(f)カーボンウィスカー:800GPa
(g)Agチューブ:82.7GPa
(h)Ptチューブ:168GPa
上記測定値から、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、及びフラーレンは高いヤング率、すなわち高い弾性率を有していることがわかる。
(a)単層カーボンナノチューブ(SWCNT)
Sun Nanotech Co Ltd製、商品名:SWCNT
(b)多層カーボンナノチューブ(MWCNT)(*層数は2〜10層)
Sun Nanotech Co Ltd製、商品名:B−MWNT
(c)カーボンナノホーン
NEC(株)製、カーボンナノホーン
(d)フラーレン
フロンティアカーボン(株)製、商品名:フラーレンC60−SUH
(e)カーボンファイバー
昭和電気工業(株)製、商品名:気相成長炭素繊維
(f)カーボンウィスカー
東海カーボン(株)製、商品名:トーカブラック
(g)Agチューブ
田中貴金属工業(株)、商品名:Agコロイド
(h)Ptチューブ
田中貴金属工業(株)、商品名:Ptファイバー
ナノカーボンのデバイ温度は、参考文献2(J. Hone, B. Batlogg, Z. Benes, A. T. Johnson, J. E. Fischer Science 289 1730 (2000))の記載に基き求めた温度である。
すなわち、フォノンDOSを用いて測定材料について1〜300Kの範囲における比熱Cを測定し、その測定点を縦軸に比熱C、横軸に測定温度の3乗値にして、図にプロットして第一次近似直線を引き、その傾きを算出してデバイ温度を決定した。
測定材料は、上記に記載したと同じ炭素構造材料、貴金属のナノチューブであるAgチューブ及びPtチューブを用いた。
その結果、下記の値が得られた。
(a)単層カーボンナノチューブ(SWCNT):2000K
(b)多層カーボンナノチューブ(MWCNT):1000K
(c)カーボンナノホーン:1200K
(d)フラーレン:1800K
(e)カーボンファイバー:2230K
(f)カーボンウィスカー:1800K
(g)Agチューブ:225K
(h)Ptチューブ:240K
本発明で使用する磁性材料粒子の磁性材料は、軟磁性材料であり、(i)Fe、(ii)Ni、(iii)Co、(iv)Al、Mg、Co、Ni、Mo、B、Si、Sr及びNbからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む鉄系合金、(v)Mn系合金、及び(vi)Sm-Co化合物(サマリウム磁石)から選択される1種又は2種以上含む強磁性材料である。
前記鉄系合金の中で好ましいのは、Fe-Ni系合金(パーマロイ)、Fe-Si系合金(ケイ素鉄)、Fe-Si-Al系合金(センダスト)、Fe-Ni-Mo(スーパーマロイ)、Fe-Co系合金(パーメンジュール)、Fe-C-B系合金(アモルファス)、Fe-Ni-Cr系合金(ステンレス)、Fe-Ni-Co-Al系合金(アルニコ磁石)、Nd-Fe-B化合物(ネオジウム磁石)、酸化鉄、Fe-Pt系合金から選択される1種又は2種以上である。
また、Mn系合金としては、Mn-Zn系合金 (MnZnフェライト)及びMn-Al系合金(MnAl磁石)が例示できる。
上記磁性粒子のうち、粒子径が100μm以上のものは、例えば、上記金属磁性体、金属酸化物磁性体等の磁性体塊を、スタンプミル等を用いて粉砕した後に、機械的湿式分級、乾式篩い分け法、湿式篩い分け法、気流分気流分級等により分級して得ることができる。上記粒子径が100μm以上の磁性粒子を含有する磁性粉体層(B)は、1MHz〜1GHzの電磁波を磁性損失により効率的に吸収することができる。
前記磁性体は、該磁性材料と炭素構造材料の体積割合(磁性材料粒子/炭素構造材料)を70〜99%/30〜1%(体積%の合計は100体積%である)となるように混合し、加熱焼結させて得られた磁性体である。
前記炭素構造材料の体積割合が1%未満では、磁性材料粉末の間に十分に行渡らないという不都合を生じ、30%を超えると透磁率が低下するという不都合を生じる。
より好ましい体積割合(磁性材料/炭素構造材料)は、80〜90%/10〜20%である。尚、前記加熱焼結させて得られた磁性体は更に粉砕して、複合粉末として使用することができる。
本発明の磁性体中の磁性材料粒子と炭素構造材料とは加熱処理して焼結させることにより一体化される。
粒子径範囲が0.1〜300μm程度の磁性材料粒子と、炭素構造材料粒子をよく混合して加熱焼結させる。前記焼結の温度条件は、金属、合金又は金属酸化物等が焼結する温度にまで加熱することにより、金属、合金又は金属酸化物が融着現象を生じて炭素構造材料に焼結する温度である。
第2の態様である「電磁波吸収材」は、第1の態様である磁性体が、該磁性体を構成する磁性材料粒子及び炭素構造材料よりも高電気抵抗率を有する結合材の内部に分散して存在していることを特徴とする。
上記磁性体は、そのままでは層状化が困難であるので、通常上記磁性体を結合材内に分散させた電磁波吸収材として使用される。
上記結合材としては、上記磁性材料粒子との濡れ性、混練加工時の粘度、耐熱性、耐化学性、耐水性、フィルムの物性等を考慮して熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂のうちから適宜選択することができる。なかでも、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、塩化ビニル樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体、及びエチレン−酢酸ビニル−塩化ビニルグラフト共重合体から選択される1種又は2種以上が好ましい。上記結合材として熱可塑性樹脂を使用する場合は、例えば上記磁性材料粒子と熱可塑性樹脂とを溶融混練して、シート化した電磁波吸収材として使用される。
上記磁性粉体層(B)の厚さは、0.15〜20mmであることが好ましい。0.15mm未満であると、磁界ノイズを充分に吸収することができず、20mmを超えると、不要電磁波の吸収に対する効果に問題はないが、その厚さにより使用範囲が限定され、筐体形状に合わせた設置が難しくなる。好ましくは、0.2〜10mmである。
このように、本発明の電磁波吸収材は、電磁波吸収性ハウジング、電磁波吸収用フィルム又はシートとして、筐体内の変動磁界又は電磁波の発生源に設けてなる電子機器、例えば、携帯電話機等の通信機器、テレビ、コンピュータ機等の家電機器器、心臓ペースメーカー等の医療機器、NMR分析装置の分析機器等に使用できる。
尚、本実施例において、透磁率は、JIS C2561に準拠して測定した。
すなわち、高周波における試料の透磁率を測定する場合、空胴共振器に試料を挿入して、その試料の有無によって変化する共振周波数およびQを測定して、これらから透磁率を求めた。
[実施例1、比較例1]
磁性材料粒子に本発明で使用する特定の炭素構造材料を配合して得られる磁性体は、高周波領域において透磁率の低下が抑制されることを確認するために、以下の実験を行った。
磁性材としてセンダスト(Fe−Si−Al系合金、古河テクノマテリアル(株)製、商品名:フタバロイ−R)をボールミルにて粉砕し、平均粒子径φ10μmの粉末を得た。
上記センダストとの複合粉末を得るために、下記無機材料を使用した。
(a)単層カーボンナノチューブ(SWCNT)
Sun Nanotech Co Ltd製、商品名:SWCNT
(b)多層カーボンナノチューブ(MWCNT)(*層数は2〜10層)
Sun Nanotech Co Ltd製、商品名:B−MWNT
(c)カーボンナノホーン
NEC(株)製、カーボンナノホーン
(d)フラーレン
フロンティアカーボン(株)製、商品名:フラーレンC60−SUH
(e)カーボンファイバー
昭和電気工業(株)製、商品名:気相成長炭素繊維
(f)カーボンウィスカー
東海カーボン(株)製、商品名:トーカブラック
(g)Agチューブ
田中貴金属工業(株)、商品名:Agコロイド
(h)Ptチューブ
田中貴金属工業(株)、商品名:Ptファイバー
また、比較例1において、上記平均粒子径φ10μmのセンダスト粉末のみと、該センダスト粉末と無機材料としてカーボンファイバー、カーボンウィスカー、Agチューブ、Ptチューブとをそれぞれ90:10(体積比率)の割合で混合し、実施例1と同様にして平均粒子径φ10μmの複合粉末を得た。
得られた各サンプルについて複合粉末状態での透磁率を測定した。その結果を表1に示す。また、表1の数値を図1にプロットする。
図1において、縦軸は透磁率であり、横軸は周波数である。図1からカーボンナノホーン、SWCNT、MWCNT、及びフラーレンは、ブランク又は他の無機材料と比較して透磁率が高く、特に高周波領域において透磁率の低下が相対的に少なく、優れた性質を有していることが確認された。
炭素構造材料を磁性体に配合する場合に顕著な効果が生ずる配合割合を調べるために、炭素構造材料の1つである、SWCNTについて、以下の実験を行った。
使用したSWCNTとセンダスト粉末サンプルは実施例1に使用した同じものである。センダストを実施例1と同様にしてボールミルにて粉砕し、平均粒子径φ10μmの粉末を得た。
SWCNT(嵩密度:0.02g/cm3)の体積をVs、前記粉砕したセンダスト粉末(嵩密度:1.30g/cm3)の体積をVmとして、SWCNTの体積混合割合([Vs/(Vs+Vm)]×100)(体積%)が比較例2においてそれぞれ0体積%、0.1体積%、35体積%、実施例2において、それぞれ1体積%、5体積%、10体積%、20体積%、30体積%となるように混合した後に、600℃で1時間焼結し、更に再度ボールミルにて粉砕し、平均粒子径φ20μmの粉末を得た。
次にそれぞれのサンプルについて500Hzから1GHzまでの周波数における透磁率の測定値を表2に示す。また、表2の数値を図2プロットした。図2に示すように、1体積%から30体積%の範囲で顕著な効果が確認された。
Claims (8)
- 磁性材料粒子と、該磁性材料粒子間に存在する、少なくともヤング率が900GPa以上でかつデバイ温度が900K以上の炭素構造材料とからなる磁性体であって、
該磁性体が該磁性材料粒子と炭素構造材料の体積割合(磁性材料粒子/炭素構造材料)を70〜99%/30〜1%(体積%の合計は100体積%である)となるように混合し、加熱焼結させて得られた磁性体であることを特徴とする磁性体。 - 前記炭素構造材料が、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、及びフラーレンの中から選択される1種又は2種以上を含むことを特徴とする、請求項1に記載の磁性体。
- 前記磁性材料粒子が(i)Fe、(ii)Ni、(iii)Co、(iv)Al、Mg、Co、Ni、Mo、B、Si、Sr及びNbからなる群より選択される1種又は2種以上の元素を含む鉄系合金、(v)Mn系合金、及び(vi)Sm−Co化合物(サマリウム磁石)から選択される1種又は2種以上を含む強磁性材料であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の磁性体。
- 前記鉄系合金が、Fe−Ni系合金(パーマロイ)、Fe−Si系合金(ケイ素鉄)、Fe−Si−Al系合金(センダスト)、Fe−Ni−Mo(スーパーマロイ)、Fe−Co系合金(パーメンジュール)、Fe−C−B系合金(アモルファス)、Fe−Ni−Cr系合金(ステンレス)、Fe−Ni−Co−Al系合金(アルニコ磁石)、Nd−Fe−B化合物(ネオジウム磁石)、酸化鉄、Fe−Pt系合金から選択される1種又は2種以上であり、Mn系合金がMn−Zn系合金 (MnZnフェライト)又はMn−Al系合金(MnAl磁石)である、請求項3に記載の磁性体。
- 前記磁性材料粒子がFe−Si−Al系合金(センダスト)を含む強磁性材料であることを特徴とする、請求項3項に記載の磁性体。
- 前記炭素構造材料が粒子径1〜100μmの範囲にある磁性材料粒子間に存在していることを特徴とする、請求項1ないし5のいずれか1項に記載の磁性体。
- 請求項1ないし6のいずれか1項に記載の磁性体が、該磁性体を構成する磁性材料粒子及び炭素構造材料よりも高電気抵抗率を有する結合材の内部に分散して存在していることを特徴とする、電磁波吸収材。
- 前記結合材がエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、塩化ビニル樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体、及びエチレン−酢酸ビニル−塩化ビニルグラフト共重合体から選択される1種又は2種以上である、請求項7に記載の電磁波吸収材。
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