JP2002129028A

JP2002129028A - 特性傾斜材料

Info

Publication number: JP2002129028A
Application number: JP2000327485A
Authority: JP
Inventors: Tomio Suzuki; 富雄鈴木; Hisayoshi Nonaka; 久義野中; Daishi Tanabe; 大始田邊
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2000-10-26
Filing date: 2000-10-26
Publication date: 2002-05-09

Abstract

(57)【要約】【課題】誘電性、熱膨張性等の特性を傾斜的に有する
ことにより、各種の電気・電子部品に好適に用いること
ができる特性傾斜材料を提供する。【解決手段】プラスチックから成るマトリックス２に
セラミック又は金属からなる粒子１を分散させて成る複
合材である。マトリックス２中に分散される粒子１の密
度が連続的又は不連続に変化し、複合材の特性が傾斜し
てなる特性傾斜材料である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、誘電性、熱膨張
性等の特性を傾斜的に有し、電線被覆材料などの各種電
気・電子部品等として用いられるプラスチックとセラミ
ックとの複合材からなる特性傾斜材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】誘電性、圧電性、磁性等の機能を有す
る機能性セラミック及びプラスチックは、各種電気・電
子部品等として広範な分野において使用されている。例
えば、誘電性を有するセラミックとしては、低誘電率を
有するものとしてはシリカガラス、アルミナ、窒化アル
ミニウム等、高誘電率を有するものとしてはチタニア、
チタン酸バリウム、ジルコン酸チタン酸鉛等が知られて
おり、ＩＣパッケージ、コンデンサ、ＬＣフィルタ等に
使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、セラ
ミックは、所望の形状に成形するには焼成工程が必要な
上、さらに焼成後に機械加工を施すのが一般的であるこ
とから、成形コストが高価になるとともに、プラスチッ
クに比べ成形工程が煩雑であり、又、複雑な形状の成型
品を得ることは困難であることから、成形の自由度に欠
けるという欠点を有している。又、セラミックの有する
誘電性等の機能を用途に応じて自在に制御することが困
難であるという問題もあった。

【０００４】一方、プラスチックは成形性に優れ、複
雑な形状でも精度良く安価に製造できるという特徴があ
った。

【０００５】そこで、本出願人は、誘電性、圧電性、
磁性等において機能性セラミックに近い機能を有しつ
つ、容易かつ安価に自由な形状に成形でき、かつ各特性
を自在に制御できる複合材を、特開平１１−１０６５１
６号公報において提案した。本発明は、特開平１１−１
０６５１６号公報に示す複合材のさらなる改良であり、
誘電性、熱膨張性等の特性を傾斜的に有することによ
り、各種の電気・電子部品に好適に用いることができる
特性傾斜材料を提供することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明によ
れば、プラスチックから成るマトリックスにセラミック
又は金属からなる粒子を分散させて成る複合材におい
て、該マトリックス中に分散される該粒子の密度が連続
的又は不連続に変化し、前記複合材の特性が傾斜してな
ることを特徴とする特性傾斜材料が提供される。

【０００７】本発明においては、セラミック又は金属
からなる粒子の粒子形状のアスペクト比が２．０以下で
あることが好ましい。また、本発明の材料において、セ
ラミック又は金属からなる粒子はプラスチックから成る
マトリックスとカップリング剤等により化学的に結合さ
れていることが好ましい。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の特性傾斜材料は、プラ
スチックから成るマトリックスにセラミック又は金属か
らなる粒子を分散させて形成した複合材において、マト
リックス中に分散されるセラミック又は金属からなる粒
子の密度が連続的又は不連続に変化することにより、前
記複合材の特性を傾斜させるようにしたものである。

【０００９】上記複合材の成形方法としては、注型
法、圧縮成形法、射出成形法などがあるが、本発明の特
性傾斜材料の成形法としては、注型法でかつ重力分散、
注型法でかつ遠心力分散等により容易かつ安価に製造す
ることができる。即ち、セラミックのように、焼成及び
焼成後の機械加工という工程を行わなくてもよいため、
生産性の向上を図ることができる。又、機械加工では製
造できないような複雑な形状の成形も容易に行うことが
できる。

【００１０】本発明の特性傾斜材料においては、マト
リックス中に分散されるセラミック粒子又は金属粒子の
密度を連続的又は不連続に変化させる。すなわち、これ
ら粒子の分散密度を、例えば、板状材料の表面側から裏
面側に連続的に変化させる、あるいは円筒状材料の内側
から外側に連続的に変化させることにより、誘電率が傾
斜した板状材料あるいは円筒状材料を得ることができ
る。このような誘電率傾斜材料は、例えば、ガス絶縁高
電圧送電において、送電ケーブルと外側を覆う絶縁用円
筒の間のスペーサー材料として有効である。なお、傾斜
材料中の粒子の含有量については特に限定されず、所望
の材料特性に応じて適宜変更することができる。

【００１１】本発明の特性傾斜材料に用いられるプラ
スチックとしては、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂のい
ずれも用いることができる。

【００１２】具体的には、熱可塑性樹脂としては、例
えば、硬質塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレ
ン、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリレート、
ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ポリアセタール、ナイロン
６、ナイロン６６、ポリ４フッ化エチレン、ポリカーボ
ネート、ポリフッ化ビニリデン、ポリエーテルイミド、
強化ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンスル
フィド、ポリフェニレンエーテル、ポリアミドイミド、
ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、液晶ポリマ
ー等を用いることができ、これらの樹脂を２種以上組み
合わせて用いてもよい。

【００１３】一方、熱硬化性樹脂としては、フェノー
ル樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル、尿素樹
脂、メラミン樹脂、ウレタン樹脂、珪素樹脂等を用いる
ことができ、又、これらの樹脂を２種以上組み合わせて
用いてもよい。

【００１４】本発明の特性傾斜材料に用いられるセラ
ミック粒子としては、誘電性を有するものとして、酸化
チタン、チタン酸マグネシウム、チタン酸カルシウム、
チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、チタン酸
鉛、ジルコン酸鉛、ニオブ酸塩、タンタル酸塩、ガリウ
ム酸塩、アルミナ、ムライト、ステアタイト、石英ガラ
ス等を挙げることができる。

【００１５】また、金属粒子としては、磁性を有する
ものとして、Ｍｎ−Ｚｎフェライト、Ｎｉ−Ｚｎフェラ
イト、Ｃｕ−Ｚｎフェライト等各種のフェライト等、お
よびＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石、ＫＳ鋼、ＭＫ鋼、ＯＰ磁
石、アルニコ、Ｓｍ−Ｃｏ磁石等を挙げることができ
る。

【００１６】導電性を有するものとしてはＺｒＢ₂、
ＴｉＢ₂等のホウ化物、Ｃ、ＴｉＣ、ＳｉＣ等の炭化
物、ＴｉＮ等の窒化物、ＳｎＯ₂、ＴｉＯ₂、ＣｒＯ₂、
ＲｕＯ₂、ＲｅＯ₂、ＷＯ₂、ＳｒＦｅＯ₃、ＳｒＴｉ
Ｏ₃、Ｉｎ₂Ｏ₃等の酸化物等、およびＦｅ、Ｃｕ等の金
属を挙げることができる。

【００１７】又、熱伝導性を有するものとしては、高
熱伝導セラミックとしてベリリア、アルミナ、ダイヤモ
ンド、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム等、およ
びＦｅ、Ｃｕ等の金属を挙げることができる。

【００１８】本発明の特性傾斜材料において、セラミ
ック粒子の粒子形状のアスペクト比は２．０以下である
ことが好ましい。セラミック粒子の粒子形状のアスペク
ト比を上記の範囲内とすることにより、プラスチックか
ら成るマトリックスにセラミック粒子を最密充填を超え
て分散させることができ、材料の特性の傾斜を大きくす
ることができるからである。

【００１９】又、セラミック又は金属からなる粒子の
平均粒径は０．１〜５０μｍであることが好ましい。こ
れは、粒子の平均粒径が０．１μｍ未満の場合や５０μ
ｍを超える場合は、成形時の流動性が損なわれ、生産性
の向上が図れないからである。

【００２０】又、本発明の傾斜材料においては、セラ
ミック又は金属からなる粒子はプラスチックから成るマ
トリックスとカップリング剤等により化学的に結合され
ていることが好ましい。例えばシランカップリング処理
を施すことにより、相溶性の低いセラミック又は金属か
らなる粒子とプラスチックを用いて複合材とすることが
可能になるとともに、粒子の含有量を増加させることが
できる。

【００２１】本発明の複合材から成る特性傾斜材料
は、例えば以下の方法にて製造される。

【００２２】（セラミック粒子の調製）所定のアスペク
ト比を有し平均粒径の異なる複数の粉末を混合すること
により所望の平均粒径及びアスペクト比を有するセラミ
ック又は金属からなる粒子を調製する。

【００２３】次に、必要に応じ、粒子にカップリング
処理を施す。カップリング処理はインテグラルブレンド
法、スプレー等による前処理法等常法により行われる。

【００２４】次いで、セラミック又は金属からなる粒
子を、プラスチックからなるマトリックス中にその密度
を変化させて存在させるが、以下に種々の方法を説明す
る。

【００２５】１．沈降法プラスチックからなるマトリックス中にセラミック又は
金属からなる粒子を自然沈降させることにより、粒子の
密度を連続的に変化させ、傾斜させた複合材を作製す
る。２．遠心分離法プラスチックからなるマトリックス中に粒子を分散さ
せ、その後遠心分離することにより、粒子の密度を連続
的に変化、傾斜させた複合材を作製する。

【００２６】３．シート積層法プラスチックからなるマトリックス中に粒子を分散させ
たシートについて、粒子の分散密度を変えた数種類のも
のを作製し、これら複数種類のシートを積層して、粒子
の密度を連続的に変化、傾斜させた複合材を作製する。４．含浸法まず、セラミック又は金属からなる粒子のみでその密度
を変化、傾斜させた素材を作製し、この素材をプラスチ
ックからなるマトリックス中に浸漬することにより、素
材にプラスチックを含浸させ、粒子の密度を連続的に変
化、傾斜させた複合材を作製する。

【００２７】５．比重分離法比重、誘電率の相違する２種類以上の誘電性粒子をプラ
スチックからなるマトリックス中に分散させ、放置する
ことにより、比重の大きな粒子が沈降し、比重の小さな
粒子が上部に存在するようにして、誘電率の傾斜した複
合材を作製する。６．射出二色成形法プラスチックに対する粒子の添加量の異なる原料を対向
するように射出成形することにより、粒子の密度を連続
的に変化、傾斜させた複合材を作製する。

【００２８】上記のように作製された複合材の構成例
を図１〜４に概略的に示す。図１〜４において、１は粒
子であり、多数の粒子１がプラスチックからなるマトリ
ックス２中に分散されている。図１は、板状材料の表面
Ａ側から裏面Ｂ側へ粒子密度が連続的に大きくなるよう
に変化している特性傾斜材料であり、図２は、板状材料
の内部において粒子密度が大きく、表面が小さい特性傾
斜材料で、図３は、図１に示す材料を３層張り合わせて
形成した多層の特性傾斜材料である。図４は、内周側か
ら外周側に粒子密度が連続的に大きくなるように変化し
ている円筒形状の特性傾斜材料である。

【００２９】本発明の特性傾斜材料たる複合材は、誘
電性、熱膨張性等を所望に傾斜させてその傾斜特性を自
在に制御でき、又、容易かつ安価に自由な形状に成形で
きる。従って、本発明の特性傾斜材料は、電力絶縁部品
等の従来において誘電体が使用されていた部品、センサ
ー等の従来において圧電体が使用されていた部品、サイ
リスタ等のパワーエレクトロニクス部品用パッケージ等
の従来において熱伝導体が使用されていた部品等に好適
に用いることができる。

【００３０】例えば、誘電率を傾斜させた一例を図５
に示す。マトリックス２としてのプラスチックとしてエ
ポキシ樹脂を用い、分散させるセラミック粒子１として
チタニア粒子を用いて、表面側の比誘電率εが１０、裏
面側の比誘電率εが１００の板状材料１０を作製した。
この場合、板状材料１０の表面側と裏面側との間に電圧
を印加すると、表面側から裏面側へ電界密度が傾斜す
る。また、図６（ａ）（ｂ）に示すように、マトリック
ス２としてのプラスチックとしてエポキシ樹脂を用い、
分散させるセラミック粒子１として溶融シリカ粒子を用
いて、表面側の熱膨張係数が６０×１０^-6／℃、裏面側
の熱膨張係数が１０×１０^-6／℃の板状材料２０を作製
した。この板状材料２０を加熱すると、図６（ｂ）のよ
うに、熱膨張係数の大きい表面側が凸となるように反っ
た材料が作製できる。

【００３１】本発明の特性傾斜材料の用途例を以下に
具体的に示す。高電圧の送電を、ＳＦ６ガスで絶縁する
高電圧送電（ＧＩＳ）では、送電ケーブルが同心円状の
円筒で包まれており、その間に絶縁ガスが封入されてい
る。そして、ケーブルが円筒の中心に位置するよう、ス
ペーサーで支えられている。このスペーサーは、従来、
誘電率が一定の材料、例えばアルミナ（比誘電率：９）
で構成されている。この場合、絶縁ガスの比誘電率は約
１のため、スペーサー内部及び周囲での電圧分布は一様
ではなく、実際にはスペーサーとケーブルとの接点付近
が最も電位差分布が急激であり、ここでコロナ放電が生
じてしまうことがあった。

【００３２】そこで、スペーサーの誘電率を傾斜させ
ることにより、スペーサー内部及び周囲における電圧分
布がより均一になり、コロナ放電を防止し易くなること
は、すでに理論上公知であった（例えば、電気学会全国
大会、平成７年度予稿集６−４８１頁）。本発明の材料
は、このような用途に好ましく用いることができるもの
であり、例えば、比誘電率４のエポキシ樹脂に、比誘電
率３０のジルコニア粒子を添加して誘電率を傾斜させ、
図７のように形成した場合、本件スペーサーとして適し
た材料になる。図７の場合、距離１５０ｍｍの位置での
ジルコニア含有率は４０体積％である。

【００３３】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳
しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限られるも
のではない。（実施例１）プラスチックとしてエポキシ樹脂（比誘電
率：４）を、セラミックとして酸化チタン（比誘電率：
１００）を用い、誘電体傾斜材料を作製した。粉末は平
均粒径２０μｍの粉末を分級により粒径２０μｍ以上を
カットし、最大約２０μｍ、最小約１μｍの粒度とし
た。粉末のアスペクト比は、ＳＥＭ観察により、１．３
であった。

【００３４】まず、エポキシ樹脂に上記酸化チタン粒
子を添加した後、９０℃で一定時間攪拌した。得られた
混合物を１２０ｒｐｍ、半径１５０ｍｍの遠心分離に５
分間かけ、酸化チタン粒子を沈降させた。得られた複合
材の寸法及び酸化チタン粒子３の分散状況を図８に示
す。次いで、この複合材について、１００℃で４時間の
一次硬化、及び２００℃で６時間の二次硬化を施して、
本発明の複合材（特性傾斜材料）を製造した。得られた
複合材における酸化チタンの分布状況及び誘電率分布を
測定した結果を図９、１０に示す。なお、組成、誘電率
分布は、試料を薄くスライスして測定した。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の複合材
からなる特性傾斜材料は、誘電性、熱膨張性等の特性を
傾斜的に有しているため、各種の電気・電子部品に好適
に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の特性傾斜材料の一例を示す斜視図で
ある。

【図２】本発明の特性傾斜材料の他の例を示す斜視図
である。

【図３】本発明の特性傾斜材料の他の例を示す斜視図
である。

【図４】本発明の特性傾斜材料の他の例を示す斜視図
である。

【図５】本発明の特性傾斜材料としての誘電率傾斜材
料の一例を示す斜視図である。

【図６】本発明の特性傾斜材料としての熱膨張傾斜材
料の一例を示す斜視図で、（ａ）は加熱前、（ｂ）は加
熱後を示す。

【図７】本発明の特性傾斜材料において、スペーサ距
離に対する比誘電率の変化を示すグラフである。

【図８】実施例で得られた複合材の寸法及び酸化チタ
ン粒子の分散状況を示す概略説明図である。

【図９】実施例で得られた複合材における酸化チタン
の分布状況（組成）を示すグラフである。

【図１０】実施例で得られた複合材における酸化チタ
ンの誘電率分布を示すグラフである。

【符号の説明】１…粒子、２…マトリックス、３…酸化チタン粒子、１
０…板状材料、２０…板状材料、Ａ…表面側、Ｂ…裏面
側。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田邊大始愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内Ｆターム(参考） 4J002 AA011 AA021 BB031 BB121 BC031 BD031 BD131 BD151 BG041 BN151 CB001 CC031 CC161 CC181 CD001 CF061 CF211 CG011 CH071 CH091 CK021 CL001 CM041 CN011 CP031 DC006 DE096 DE136 DE146 DE186 DF016 DK006 DL006 DM006 FD116 GQ01 5G307 HA02 HB01 HB03 HB05 HB06 HC01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラスチックから成るマトリックスにセ
ラミック又は金属からなる粒子を分散させて成る複合材
において、該マトリックス中に分散される該粒子の密度が連続的又
は不連続に変化し、前記複合材の特性が傾斜してなるこ
とを特徴とする特性傾斜材料。
【請求項２】傾斜する特性が、誘電特性、磁性特性、
導電特性、及び熱膨張特性のいずれか一つ以上である請
求項１記載の特性傾斜材料。
【請求項３】該粒子の粒子形状のアスペクト比が２．
０以下である請求項１記載の特性傾斜材料。