JP5721738B2 - 圧電性および/または焦電性固体複合材料、その材料の取得方法ならびに使用 - Google Patents
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Description
− 可能な限り低い、特に20を顕著に下回る誘電率(ε)、および
− 45mV.m/N以上の圧電性能指数g33(d33/ε)(式中d33は複合材料の圧電定数を示す)、および/または
− 0.7μC/K/m2以上の焦電性能指数F(p/ε)(式中pは複合材料の焦電定数を表す)
を示す固体複合材料を提案することによって、上述の不都合に対処することを目的とする。
− 固体誘電体マトリックスと、
− 固体誘電体マトリックス中に分散させた無機添加物であって、圧電性材料、焦電性材料および圧電性/焦電性材料からなる群の中から選ばれた材料によって構成される無機添加物と
を含む、ハイブリッド材料と称する圧電性および/または焦電性固体複合材料であって、前記無機添加物が、糸状ナノ粒子と称する固体ナノ粒子を含み、該固体ナノ粒子が、
・ 糸状ナノ粒子の主たる伸長方向に沿って延びる長さと、
・ 互いに直交し、かつ糸状ナノ粒子の該主たる伸長方向に対して直交する2つの横断方向に沿って延びる、直交寸法と称する2つの寸法であって、前記長さよりも短く、500nm以下である2つの寸法と、
・ 前記長さと2つの直交寸法のそれぞれとの間の、形状係数と称する2つの比であって、10以上である2つの比と
を有する材料において、
前記糸状ナノ粒子が、50%以下、特に0.5%から50%の範囲、好ましくは5%から20%の範囲、とりわけ12%前後の体積量で固体誘電体マトリックス全体に散らばっていること、および
誘電体マトリックス中に散らばった無機添加物の糸状ナノ粒子の主たる伸長方向が固体誘電体マトリックス内でほぼ等方的な分布を示すことを特徴とする材料に関する。
− 糸状ナノ粒子の2つの直交寸法は50nmから500nmの範囲(特に200nm前後)である。
− 糸状ナノ粒子は、10以上(特に100以上、とりわけ250前後)の2つの形状係数を有する。
− 糸状ナノ粒子は、1μm以上、特に2μmから50μmの範囲、とりわけ10μm前後の長さを有する。
− 糸状ナノ粒子の2つの直交寸法は、糸状ナノ粒子の横断面の直径である。
− 本発明によるハイブリッド材料の無機添加物は、例えば圧電性無機セラミック、焦電性セラミックおよび圧電性/焦電性セラミックからなる群の中から選ばれる材料によって形成される。
− 本発明によるハイブリッド材料の無機添加物は、BaTiO3の化学式のチタン酸バリウム、PbZrxTi1−xO3の化学式のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、BaxSr1−xTiO3、CaxSr1−xTiO3、BaTixZr1−xO3(式中、xは、ゼロであることも、1であることも、または0から1の間であることもできる実数を表す)、SrTiO3、BaZrO3、SrZrO3、PbTiO3、KNbO3、LiNbO3、PMN−PT(Pb/Mg/Nb−Pb/Ti)、二チタン酸バリウム(BaTi2O5)、ニオブ酸(NaNbO3)などの無機セラミック(特にペロフスカイト型セラミック)の群の中から選ばれる材料によって形成される。
− ハイブリッド材料の固体誘電体マトリックスは、熱可塑性ポリマー材料および熱硬化性ポリマー材料からなる群の中から選ばれる少なくとも1つのポリマー材料を含む。
− ハイブリッド材料の固体誘電体マトリックスは、圧電材料、焦電材料および圧電/焦電材料からなる群の中から選ばれる有機ポリマー材料によって形成される。たとえば、固体誘電体マトリックスの有機ポリマー材料は、PVDF、PVDF−TrFE、フッ素化されたターポリマー(異なる3つのモノマー単位からなる共重合体)、奇数ポリアミド、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、偶数ポリアミド、ポリウレタン、シリコーンからなる群の中から選ばれる。
・ 伝導性ナノファイバーの主たる伸長方向に沿って延びる長さと、
・ 互いに直交し、かつ伝導性ナノファイバーの主たる伸長方向に対して直交する2つの横断方向に沿って延びる直交寸法と呼ばれる2つの寸法であって、前記長さよりも短く、500nm以下である2つの寸法と、
・ 伝導性ナノファイバーの前記長さと2つの直交寸法のそれぞれとの間の、形状係数と称する2つの比であって、50以上である2つの比と
を有しており、伝導性ナノファイバーは、1%以下(特にほぼ0.5%前後)の体積量で固体誘電体マトリックス全体に散らばる。
− 伝導性ナノファイバーの2つの直交寸法は50nmから300nmの範囲(特に200nm前後)である。
− 伝導性ナノファイバーは、1μm以上、特に30μmから300μmの範囲、とりわけ50μm前後の長さを有する。
− 伝導性ナノファイバーの2つの直交寸法は、伝導性ナノファイバーの横断面の直径である。
− 伝導性ナノファイバーは、50以上(特に250前後)の2つの形状係数を有する。
− 伝導性ナノファイバーは、ナノスティックおよびナノチューブ、特にカーボンナノチューブ、からなる群の中から選ばれる。
− 伝導性ナノファイバーは、非酸化状態の金、銀、ニッケル、コバルト、銅およびそれらの合金からなる群の中から選ばれる材料によって形成される。
− 伝導性ナノファイバーは酸化されていない金属材料によって形成される。
− 体積で0.1%から1%の範囲の量の伝導性ナノファイバーを含む。
・ 糸状ナノ粒子の主たる伸長方向に沿って延びる長さと、
・ 互いに直交し、かつ糸状ナノ粒子の該主たる伸長方向に対して直交する2つの横断方向に沿って延びる、直交寸法と称する2つの寸法であって、前記長さよりも短く、500nm以下である2つの直交寸法と、
・ 前記長さと2つの直交寸法のそれぞれとの間の、形状係数と称する2つの比であって、10以上である2つの比と
を有する糸状ナノ粒子を含む無機添加物を固体誘電体マトリックスの前駆液体組成物中に分散させ、前記ハイブリッド材料中における糸状ナノ粒子の体積量が50%以下となるように、さらに誘電体マトリックス中に散らばった無機添加物の糸状ナノ粒子の主たる伸長方向が固体誘電体マトリックス中でほぼ等方的な分布を示すようにする方法にも関する。
− 糸状ナノ粒子、および、場合により、伝導性ナノファイバー、を液体溶媒中に分散させ、
− その分散物を前駆液体組成物に混合し、
− 液体溶剤を取り除き、さらに、
糸状ナノ粒子の分極ならびに圧電性および/または焦電性糸状ナノ粒子への変換を行えるように適合された電場内にハイブリッド材料を置く。
− 該ハイブリッド材料の表面における機械的応力の直接圧電効果による検出
− 該ハイブリッド材料の表面における温度変化の直接焦電効果による検出
が可能になる。
・ フレキシブル音響装置、および/または
・ 機械的アクチュエータ、および/または
・ 霜取り装置、および/または
・ 「防汚」装置とも呼ばれる機械的汚染防止装置
厚さが50μmで、孔隙率が200nmであるアルミナ製濾膜(PAA、Porus Anodised Alumina、Whatmann、参照番号6809−5022または6809−5002)の細孔内でチタン酸バリウムの水溶液の電着を行って、BaTiO3製ナノファイバーを合成する。酢酸バリウム(参照番号255912、Sigma−Aldrich、Lyon、France)3gとチタンイソプロポキシド(参照番号377996、Sigma−Aldrich、Lyon、France)3.3gをエチレングリコール(参照番号324558、Sigma−Aldrich、Lyon、France)3.27mLおよび水2Lの存在下で氷酢酸(参照番号A9967、Sigma−Aldrich、Lyon、France)20.16mLに溶かしてチタン酸バリウムのゾルを作る。調製されたゾルの最終pHは5である。チタン酸バリウムのゾルの中に濾膜を入れ、濾膜の主な面の1つが、銀の電導層で予め覆われたアルミニウム板の表面との防水接触面を形成し、電着装置の陰極を形成する。装置の陽極は、濾膜の反対側の面に対向して延び、チタン酸バリウムのゾルに浸かる純金属、例えば、金または白金の糸によって形成される。
実施例1に記載したとおりのBaTiO3のゾルを調製する。そのBaTiO3ゾルを、厚さ50μm、孔隙率200nmのアルミナ製濾膜(PAA)の主たる表面の1つに付着させ、該濾膜の細孔下面のコーティング層が形成されるようにする。多孔質膜を100°Cの温度で乾燥させ、次いで大気中で600°C前後の温度でBaTiO3のナノチューブの焼鈍熱処理ステップを行う。多孔質膜のアルカリアタックを行い、次いで実施例1に記載したように洗浄して、N,N−ジメチルアセトアミドなどの有機溶剤によるBaTiO3のナノチューブの懸濁液が形成されるようにする。
実施例1に記載したとおりの、25の形状係数を有するBaTiO3ナノファイバー250mgをN,N−ジメチルアセトアミド20mL中に分散させる。この分散物を、ほぼ20kHz前後の周波数の超音波浴内で分散出力を500W前後として分散処理にかける。一方、ポリアミド11(PA11、Rilsan(登録商標)ポリアミド11、ARKEMA、USA)250mgをN,N−ジメチルアセトアミド20mL中に可溶化する。混合物を超音波処理によって均質化する。N,N−ジメチルアセトアミドの蒸発および高温熱成形の後、ポリアミド11マトリックス中のBaTiO3ナノファイバーの添加が体積比12%である厚さ150μmのハイブリッド複合フィルムを得る。
実施例1に記載したとおりの、25の形状係数を有するセラミック(BaTiO3)ナノファイバー132mgをアクリル樹脂(Mapaero、Pamiers、France)100mg中に分散させる。アクリル樹脂中のセラミックナノファイバーの懸濁液を500Wの出力で50kHzの周波数の超音波にかける。イソシアネート(Mapaero、Pamiers、France)32mgを懸濁液に加える。その混合物を超音波のもとで均質化する。次いで、その溶液を電気伝導性基板に付着させる。重合の後、厚さが100μmで、体積比12%の添加物を含有する圧電性および焦電性のハイブリッド固体複合フィルムを得る。
本発明によるハイブリッド材料を実施例3に従って製造する。熱可塑性ポリアミド11マトリックスで作製されたハイブリッド材料を、厚さ70μm、寸法1m×1mの柔軟ポリマー(ポリエチレン)基板上に熱成形する。
本発明によるハイブリッド固体複合材料を実施例4に従って製造する。熱硬化性ポリウレタンマトリックスで作製されたハイブリッド固体複合材料を、その重合のため、該ハイブリッド固体複合材料被着用の表面があらかじめメタライズされた厚さ70μm、寸法1m×1mのポリエチレン製フレキシブル基板に被着する。実施例5に記載したとおりの方法により、本発明による音響装置を得る。
ニオブ酸ナトリウム1gを10mMの濃度の水酸化ナトリウム60mLに溶解させ、得られた溶液を容量が25mLのオートクレーブ内で180°Cの温度で8時間処理することによって、ニオブ酸ナトリウムNaNbO3のナノファイバーを合成する。30以上の形状係数と斜方晶型の非中心対称結晶構造とを有する糸状ナノ粒子(ナノファイバー)を得る。
Claims (21)
- − 固体誘電体マトリックス(11)と、
− 固体誘電体マトリックス(11)中に分散させた無機添加物であって、圧電性材料、焦電性材料、ならびに圧電性および焦電性材料からなる群の中から選ばれる材料によって構成される無機添加物と
を含む、ハイブリッド材料と称する圧電性および/または焦電性固体複合材料であって、前記無機添加物が、糸状ナノ粒子(12)と称する固体ナノ粒子を含み、前記固体ナノ粒子が、
・ 前記糸状ナノ粒子(12)の主たる伸長方向に沿って延びる長さと、
・ 互いに直交し、かつ前記糸状ナノ粒子(12)の前記主たる伸長方向に対して直交する2つの横断方向に沿って延びる、直交寸法と称する2つの寸法であって、前記長さよりも短く、500nm以下である2つの直交寸法と、
・ 前記長さと前記2つの直交寸法のそれぞれとの間の、形状係数と称する2つの比であって、10以上である2つの比と
を有する材料において、
− 前記糸状ナノ粒子(12)が50%以下の体積量で前記固体誘電体マトリックス(11)全体に散らばっていること、および
− 前記誘電体マトリックス(11)中に散らばった前記無機添加物の前記糸状ナノ粒子(12)の前記主たる伸長方向が前記固体誘電体マトリックス(11)内でほぼ等方的な分布を示すこと
を特徴とする材料。 - 前記無機添加物が前記固体誘電体マトリックス(11)中にほぼ均一に散らばっていることを特徴とする、請求項1に記載の材料。
- 前記糸状ナノ粒子(12)が、ナノファイバー、ナノスティックおよびナノチューブからなる群の中から選ばれることを特徴とする、請求項1または2に記載の材料。
- 前記糸状ナノ粒子(12)が、1μm以上の長さを有することを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の材料。
- 前記無機添加物が、無機セラミックの群の中から選ばれる材料によって形成されることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の材料。
- 前記固体誘電体マトリックス(11)が、熱可塑性ポリマー材料および熱硬化性ポリマー材料からなる群の中から選ばれる少なくとも1つのポリマー材料を含むことを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の材料。
- 伝導性ナノファイバー(15)を含む電気伝導性材料の、伝導性添加物と称する添加物をさらに含み、前記伝導性ナノファイバー(15)が、
・ 前記伝導性ナノファイバー(15)の主たる伸長方向に沿って延びる長さと、
・ 互いに直交し、かつ前記伝導性ナノファイバー(15)の前記主たる伸長方向に対して直交する2つの横断方向に沿って延びる、直交寸法と呼ばれる2つの寸法であって、前記長さよりも短く、500nm以下である2つの寸法と、
・ 前記伝導性ナノファイバー(15)の前記長さと前記2つの直交寸法のそれぞれとの間の、形状係数と呼ばれる2つの比であって、50以上である2つの比と
を有することを特徴とし、
前記伝導性ナノファイバー(15)が1%以下の体積量で前記固体誘電体マトリックス(11)全体に散らばる、請求項1から6のいずれか一項に記載の材料。 - ハイブリッド材料と称する固体複合材料の取得方法において、圧電性材料、焦電性材料、 ならびに圧電性および焦電性材料からなる群の中から選ばれる無機材料によって形成される糸状ナノ粒子(12)であって、
・ 前記糸状ナノ粒子(12)の主たる伸長方向に沿って延びる長さと、
・ 互いに直交し、かつ前記糸状ナノ粒子(12)の前記主たる伸長方向に対して直交する2つの横断方向に沿って延びる、直交寸法と称する2つの寸法であって、前記長さよりも短く、500nm以下である2つの寸法と、
・ 前記長さと2つの直交寸法のそれぞれとの間の、形状係数と称する2つの比であって、10以上である2つの比と
を有する糸状ナノ粒子(12)を含む無機添加物を固体誘電体マトリックス(11)の前駆液体組成物(2)中に分散させ、前記ハイブリッド材料中における前記糸状ナノ粒子(12)の50%以下の体積量が得られるように、さらに前記誘電体マトリックス(11)中に散らばった前記無機添加物の前記糸状ナノ粒子(12)の前記主たる伸長方向が前記固体誘電体マトリックス(11)中でほぼ等方的な分布を示すようにすることを特徴とする方法。 - − 前記糸状ナノ粒子(12)を液体溶媒中に分散させ、
− その分散物を前記前駆液体組成物(2)に混合し、
− 前記液体溶媒を取り除き、そして、
− 前記糸状ナノ粒子(12)の分極ならびに圧電性および/または焦電性糸状ナノ粒子(12)への変換を行えるように適合された電場内に前記ハイブリッド材料を置く
ことを特徴とする、請求項8に記載の方法。 - 前記固体誘電体マトリックス(11)が少なくとも1つのポリマー材料を含んでおり、前記前駆液体組成物(2)が、前記糸状ナノ粒子(12)の分散物の溶媒および前記糸状ナノ粒子(12)の分散物の溶媒と混和可能な溶媒の中から選ばれる液体溶媒による前記ポリマー材料の溶液であることを特徴とする、請求項8に記載の方法。
- 前記固体誘電体マトリックス(11)が少なくとも1つの熱可塑性材料を含んでおり、前記前駆液体組成物(2)が融解状態の前記固体誘電体マトリックス(11)によって形成されることを特徴とする、請求項8に記載の方法。
- 前記固体誘電体マトリックス(11)が少なくとも1つの熱硬化性材料を含んでおり、前記前駆液体組成物(2)が、前記熱硬化性材料の組成に含まれる少なくとも1つの液体組成物によって形成されることを特徴とする、請求項8に記載の方法。
- 前記前駆液体組成物(2)中の前記糸状ナノ粒子(12)の分散物を超音波にかけることを特徴とする、請求項8から12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ハイブリッド材料に印加される電場の強度が1kV/mmから10kW/mmの範囲であることを特徴とする、請求項8から13のいずれか一項に記載の方法。
- 構造部材の製造および支持体の表面全体またはその一部に付着した状態で支持されるフィルムの製造のための、請求項8から14のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ハイブリッド材料表面における機械的応力の直接圧電効果による検出または前記ハイブリッド材料表面における温度変化の直接焦電効果による検出のための、請求項8から14のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ハイブリッド材料が逆圧電効果による静的または動的な機械的波動の生成を可能にすることを特徴とする、請求項8から14のいずれか一項に記載の方法。
- 音響装置、特にフレキシブル音響装置を得るための、請求項17に記載の方法。
- 霜取り装置を得るための、請求項17に記載の方法。
- 機械的汚染防止装置を得るための、請求項17に記載の方法。
- 可聴振動波の吸収およびジュール効果による前記振動波のエネルギー消散を可能とするように適合された遮音材料の製造のための請求項7に記載の前記ハイブリッド材料を得るための、請求項15に記載の方法。
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