CN117015919A - 用于电动机的柔性定子 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了与柔性铁磁定子相关的组合物和方法。组合物包括可固化的含硅组合物和多个磁性微粒，该含硅组合物包括有机硅氧烷化合物和固化剂/交联剂。该组合物在模具中固化时形成能够产生磁场的弹性体铁磁定子，当与对应旋转组件结合使用时，该定子可以提高电动机性能并降低能耗。

Description

用于电动机的柔性定子
技术领域
本公开的领域大体上涉及与在电机中使用的定子或定子组件相关的组合物、材料和方法。
背景技术
旋转系统或组件通常用于发电机、电动机、引擎或其它动力系统。转子组件或电动机组件通常包括旋转组件和定子。定子是转子组件的固定部分。能量通过定子流入或流出系统的旋转组件。例如，在电动机中，定子提供驱动旋转电枢的旋转磁场；在发电机中，定子将旋转磁场转换为电流；在流体动力装置中，定子引导流体流入或流出系统的旋转部分。
根据旋转电动装置的配置，定子可以充当场磁体(与电枢相互作用以产生运动)或者它可以充当电枢(接收转子上移动场线圈的影响)。这些装置的定子可以是永磁体或电磁体，它们可以产生足以执行功能的磁场。
传统上，电动机的设计和构造采用基于金属或金属合金(例如Fe/Si)的实心定子/转子。这些机械刚性组件经常会损失能量或力，和/或在很长时间段内产生缺陷，部分原因是基于金属的定子/转子产生摩擦并通过热量导致材料和能量损失，这反过来又增加了电力消耗(输入)以保持一致的力(输出)。
聚合物或弹性体材料已被用来制造非金属、低成本、轻质的定子。这种定子还可以具有无机纳米颗粒作为填料，以增强定子的物理或机械性能并延长其持续时间。
例如，US 20090152009公开了用于正排量流体发动机(positive displacementfluid motor)或螺杆泵的动力部分的定子和转子组件的纳米颗粒增强聚合物元件。化学功能化纳米颗粒的使用改善了用于定子的聚合物的化学和物理特性。
WO2019022448A1公开了具有定子芯的定子，其具有基于导电纳米材料的聚合物化合物，并且是包括导电纳米材料和树脂的复合材料。
US20110070111A1公开了具有定子壳体和定子衬里的基于复合材料的定子，其优选地由坚韧且耐用的弹性聚合物材料制成并且任选地掺杂有填料或纳米颗粒，例如炭黑和/或二氧化硅颗粒。
WO2015150545A1教导了用于旋转电机的具有铁磁芯的定子，其中所述铁磁芯包括含有聚合物基质组合物和功能性填料的化合物，所述功能性填料包括选自铁磁材料、磁性材料以及它们的组合的材料。
尽管有上述公开，仍然非常需要关于柔性定子的新组合物和方法，该柔性定子具有改进的柔性和磁性、低成本、长寿命以及制造可行性和便利性。
用于电动机的柔性定子
发明内容
在一些方面，本公开涉及用于制造柔性定子的组合物。该组合物包括含硅组合物和多个磁性微粒。该含硅组合物可以是包括有机硅氧烷化合物和固化剂/交联剂的可固化组合物。在混合和固化时，该含硅组合物经历聚合或交联，形成交联或部分交联的弹性体聚合物基质，其中掺入并分布有磁性微粒。在一些实施方式中，基于组合物的总重量，有机硅氧烷化合物为约20wt％至约80wt％，或约30wt％至约70wt％，或约40wt％至约60wt％。
可以使用的含硅组合物包括但不限于硅氢加成可固化硅酮组合物、过氧化物可固化硅酮组合物、缩合可固化硅酮组合物、环氧可固化硅酮组合物；烯烃可固化硅酮组合物、丙烯酸酯可固化组合物、自由基反应可固化组合物、紫外线辐射可固化硅酮组合物、高能辐射可固化硅酮组合物以及具有相同官能度的有机硅酮组合物。
在一些实施方式中，本文所用的磁性微粒包括选自由以下项组成的组的金属元素：钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、锝(Tc)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、镉(Cd)、铪(Hf)、钽(Ta)、钨(W)、铼(Re)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、金(Au)、汞(Hg)以及它们的组合。在一些实施方式中，磁性微粒可以进一步包括选自由以下项组成的组的硫族元素：硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、氧(O)以及它们的组合。在一些实施方式中，磁性微粒包括磁铁矿填充料、铁填充料或两者。
在一些实施方式中，磁性微粒具有约1nm至约1,000微米、或约10nm至约100微米、或约100nm至约10微米、或约200nm至约1微米的平均粒径。在一些实施方式中，磁性微粒具有约不大于1微米、或不大于500nm、或不大于250nm、或不大于200nm、或不大于100nm、或不大于50nm、或不大于10nm、或不大于5nm的平均粒径。
在一些实施方式中，基于组合物的总重量，磁性微粒在约20wt％至约80wt％、或约30wt％至约70wt％、或约40wt％至约60wt％的范围内。
在一些实施方式中，组合物进一步包括选自增容剂、着色剂、UV稳定剂、抗氧化剂、加工助剂、阻燃剂、热稳定剂、抗冲改性剂、除湿剂、抑制剂、气味掩蔽剂、填料或它们的组合的一种或多种添加剂。
在一些方面，本公开涉及包括弹性体聚合物基质和掺入并分布在聚合物基质中的磁性微粒的柔性铁磁定子。在一些实施方式中，柔性定子的弹性体聚合物基质是来源于本文所述的含硅组合物和磁性微粒的交联或部分交联的聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
在一些实施方式中，磁性微粒可以均匀分布或基本均匀分布在聚合物基质或成品定子中。在其它实施方式中，磁性微粒可以不均匀地分布或基本上不均匀地分布在聚合物基质或成品定子中。在某些实施方式中，磁性微粒在柔性定子的聚合物基质中基本对齐。
在一些实施方式中，其中在易轴或难轴或两者上，柔性定子能够产生可检测的磁场。在实施方式中，在易轴或难轴或两者上，由柔性定子产生的磁场强度为至少约125μT、至少约500μT、至少约1,000μT、至少约2,000μT、至少约3,000μT、或至少约5,000μT、或至少约10,000μT。
在一些方面，本公开涉及制造本文所述的柔性铁磁定子的方法。通常，该方法包括通过混合可固化含硅组合物和多个磁性微粒来形成混合物；将混合物加入模具中；并且固化混合物，从而形成定子，其中磁性微粒分布在定子中，并且其中定子是铁磁性的。
在一些实施方式中，可固化含硅组合物包括如本文所述的可固化或可交联有机硅氧烷化合物和固化剂/交联剂。在实施方式中，含硅组合物可以是两部分套件的形式，其中作为单体或基体的有机硅氧烷化合物在一个容器中，并且固化剂或交联剂在单独的容器中。在本方法的实施方式中，形成混合物进一步包括均匀地混合可交联的有机硅氧烷化合物和固化剂/交联剂，并且随后添加磁性微粒。
在一些实施方式中，本方法可以进一步包括向混合物添加一种或多种如本文所述的添加剂。
在一些实施方式中，本方法进一步包括在固化之前将混合物均匀分散在整个模具中并且消除混合物中的空气滞留。
在一些实施方式中，混合物在约10℃至约200℃、或约23℃至约180℃、或约50℃至约150℃、或约80℃至约150℃、或约100℃至约120℃的温度下固化约10分钟至约48小时、或约30分钟至约24小时、或约1小时至约12小时、或约2小时至约6小时。
在一些实施方式中，允许混合物的固化在外部磁场中进行，以进一步促进混合物中磁性微粒的对齐。
选定的定义
本文所用的“重量百分比”、“wt％”、“按重量计百分比”、“按重量计％”以及它们的变型是指物质的浓度，即该物质的重量除以组合物的总重量并乘以100。应理解，如这里所用，“百分比”、“％”等旨在与“重量百分比”、“wt％”等同义。
如本文所用，“g”代表克；“L”代表升；“mg”代表“毫克(10-3克)”；“mL”代表毫升(10-3升)；“cm”代表厘米(10-2米)；“mm”代表毫米(10-3米)；“英寸”用作长度单位，并且一英寸等于约2.54cm；“厘泊”或“cPs”或“cP”用作粘度单位，并且1cP＝10-3Pa·s＝1mPa·s。本文所用的温度单位是摄氏度(℃)。
术语“约”与数值结合使用以包括本领域技术人员预期的测量中的正常变化，并且应理解为具有与“大致”相同的含义并且覆盖典型的误差幅度，例如规定值的±10％。术语“约”还涵盖由于由特定初始组合物产生的组合物的不同平衡条件而不同的量。无论是否被术语“约”修饰，权利要求都包括数量的等同物。
应当注意，如本说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示物，除非内容另有明确规定。因此，例如，提及含有“一种化合物”的组合物包括具有两种或更多种彼此相同或不同的化合物。还应当注意，术语“或”通常以其包括“和/或”的意义使用，除非内容另有明确规定。
为了简洁和简明起见，本说明书中提出的任何值范围考虑了该范围内的所有值，并且应解释为对引用任何子范围的权利要求的支持，该子范围具有为所讨论的指定范围内的实数值的端点。通过假设的说明性实例，本说明书中的范围1至5的公开应理解为对以下范围中任一个的权利要求的支持：1-5；1-4；1-3；1-2；2-5；2-4；2-3；3-5；3-4；和4-5。
术语“基本上不含”可以指本公开的组合物缺乏或大部分缺乏的任何组分。当提到“基本上不含”时，其旨在该组分不是有意添加到本公开的组合物中。对组分使用术语“基本上不含”允许痕量的该组分被包括在本公开的组合物中，因为它们存在于另一种组分中。然而，认识到，当组合物被称为“基本上不含”某组分时，仅允许痕量或微不足道量的该组分。此外，术语如果组合物被称为“基本上不含”某组分，如果该组分以痕量或微不足道量存在，则应理解其不会影响组合物的有效性。应当理解，如果本文没有明确包括某成分或者本文没有说明其可能包括，则本公开组合物可以基本上不含该成分。同样，成分的明确包括允许其明确排除，从而允许组合物基本上不含该明确规定的成分。
本公开的工艺、方法和组合物可以包括以下、基本由以下组成、或由以下组成：本发明的组分和成分以及本文所述的其它成分。如本文所用，“基本上由……组成”是指方法和组合物可以包括额外的步骤、组分或成分，但前提是额外的步骤、组分或成分不会实质上改变所要求保护的工艺和组合物的基本和新特征。
本文所用的“磁体”是指产生磁场的材料或物体。这种磁场是不可见的，但却决定了磁体最显著的特性：拉动其它铁磁材料(例如铁、钢、镍、钴等)并吸引或排斥其它磁体的力。“铁磁性”或“亚铁磁性”材料是指可以被磁化的材料，也是被磁铁强烈吸引的材料。这些包括元素铁、镍和钴以及它们的合金，一些稀土金属合金，以及一些天然存在的矿物，例如磁石。本文所用的“磁化”或“磁极化”是指表示磁性材料中的永久或感应磁偶极矩的密度的矢量场。铁磁性和亚铁磁性材料在磁场中具有强磁化，并且在没有外场的情况下可以被磁化而具有磁化，成为永磁体。本文所用的“磁场”是指磁通密度(也称为磁B场)。磁B场的强度以特斯拉(T)给出。根据定义，携带一库仑电荷并以每秒一米的速度垂直穿过一特斯拉磁场的粒子会受到一牛顿级的力。一微特斯拉(μT)等于10-6T。
本文所用的“磁铁矿”通常是指一种矿物，是两种常见的天然存在的铁氧化物之一(化学式Fe3O4)并且是尖晶石族的成员。
本文所用的“微粒”是指通常为纳米级或微米级尺寸或两者的颗粒，其具有各种形状、构造、几何形状、形式、形态和表面纹理。微粒可以是球形的或基本上球形的。其它形态也是可以的，包括但不限于棱柱、杆、笼、管、纤维、核壳、中空结构等。微粒的尺寸通常为约1微米至约2,000微米。纳米颗粒的尺寸通常为约1nm至约1,000nm。单个微粒可以聚集以形成微米级或毫米级的更大构造。
本文所用的“磁性微粒”或“磁性颗粒”不受特别限制，并且通常包括可以用外部磁场/电场磁化的任何纳米或微米尺寸的磁性颗粒(例如约1nm至约2000微米)。更具体地，磁性颗粒可具有约1nm至约1,000nm(例如至少1、2、10、20、50、100、200、300、500、800或1000nm和/或至多200、300、400、500、600、800或1,000nm)或者约1微米至约2,000微米(例如至少1、2、10、20、50、100、200、300、500、800、1,000或2,000微米和/或至多200、300、400、500、600、800、1,000或2,000微米)的范围内的粒径，其中粒径范围可以代表平均粒径的范围(例如基于数量、体积或重量的平均粒径)和/或粒径范围可以代表分布的跨度(例如，例如对于所有或基本上所有颗粒；例如在累积尺寸分布的10％至90％的尺寸)。磁性颗粒更可以包括超顺磁性颗粒，该颗粒可以容易地用外部磁场磁化。
附图说明
图1A示出了天然或没有外部磁场时存在的无序铁磁性颗粒。
图1B示出了响应于外部磁场而基本上对齐的有序铁磁性颗粒。
图2示出了各种形状和构造的本柔性定子的示例性实施方式。
图3示出了本定子的样品(实施例1)的透射电子显微照片(TEM)图像。图3(a)分别显示了在50nm尺度的样品图像(左上)以及磁性微粒在5nm尺度和1nm尺度的缩放图片(右上)。图3(b)显示了另一个样品在100nm尺度的图像(左下)和磁性微粒在2nm的缩放图片(右下)。
具体实施方式
本公开提供了与柔性铁磁定子相关的组合物和方法。本定子采用柔性弹性体中磁铁矿/铁微粒填充料材料的独特几何形状适应性，允许更快的响应(增加的灵敏度)和更高的强度，这降低了运行速度，降低了能量消耗，化学反应性低，毒性低，更好的热稳定性和疏水性，导致在-100至250℃的温度范围内具有更长的使用寿命。本定子提供了许多优点。它可以与电动机/转子组件中的对应旋转组件配合使用，用于例如发电机或正排量流体发动机或螺杆泵等的动力部分等应用。本定子可具有高耐热性和耐磨性、低摩擦系数、高耐用性，可承受重复的应力和应变负载而不会过早故障。更重要地，与传统的基于金属的刚性定子相比，由弹性体基质和磁铁矿/铁填充料的复合材料制成的本柔性定子兼具柔性和铁磁性能。本定子可以有利地产生磁场和/或响应外部磁场，以实现增加的动力输出(在发电中)、提高的效率(消耗的电力更少并且通过金属摩擦产生的热量损失的能量更少)以及增强的灵敏度(更快的响应)。特别地，由弹性体磁铁矿/铁填充料复合材料制成的定子比由Fe/Si合金制成的实心定子具有更快的运行响应，这减少了其激活的电流消耗。此外，定子不需要存在通道来从定子芯移除热量，因为聚合物/弹性体具有更好的散热能力。此外，定子芯不需要层压，也不需要定子含有间隔的层压。此外，根据磁铁矿颗粒的几何形状和尺寸，含有本定子的定子-转子系统变得更加高效，具有更长的使用时间，并且在长期使用时产生更少的缺陷。需要强调，磁铁矿颗粒的几何形状的改变实质上改变了系统响应电场应用的方式。本柔性定子可用于但不限于电动机、发电机和转子等。
用于柔性定子的组合物
在一些方面，本公开涉及用于制造柔性定子的组合物。该组合物包括含硅组合物和多个磁性微粒。含硅组合物可以是包括有机硅氧烷化合物和固化剂/交联剂的可固化组合物。在一些实施方式中，含硅组合物可以是两部分套件的形式，其中作为单体或基体的有机硅氧烷化合物在一个容器中，并且固化剂或交联剂在单独的容器中。使用时，将有机硅氧烷化合物和固化剂以所需比例组合或混合，从而发生交联或聚合。
可以使用的含硅组合物的实例包括但不限于硅氢加成可固化硅酮组合物、过氧化物可固化硅酮组合物、缩合可固化硅酮组合物、环氧可固化硅酮组合物、烯烃可固化硅酮组合物、丙烯酸脂可固化组合物、自由基反应可固化组合物、紫外线辐射可固化硅酮组合物、高能辐射可固化硅酮组合物以及具有相同官能度的有机硅酮组合物。可固化含硅组合物可以包括具有可固化或可交联官能度的单体或低聚物(小于10个重复单元或聚合度(DP))或聚合物(高于10DP)。这种单体或低聚物或聚合物的实例包括但不限于聚硅氧烷(直链、支链、树脂等)、含有硅氧烷重复单元和有机重复单元的部分的嵌段共聚物，以及硅改性的低聚物或聚合物。
可固化含硅组合物及其制备方法是本领域已知的。例如，合适的硅氢加成可固化硅酮组合物通常包含(i)每分子平均含有至少两个硅键合的烯基的有机硅氧烷，(ii)以足以固化组合物的量的每分子平均含有至少两个硅键合的氢原子的有机氢硅氧烷，和(iii)作为固化剂的硅氢加成催化剂。硅氢加成催化剂可以是任何已知的硅氢加成催化剂，其包括铂族金属、含有铂族金属的化合物、或微囊化的含铂族金属的催化剂。铂族金属包括铂、铑、钌、钯、锇和铱。基于铂在硅氢加成反应中具有高活性，所以优选铂族金属是铂。
硅氢加成可固化硅酮组合物可以是单部分组合物或包含两部分或更多部分的组分的多部分组合物。室温可硫化(RTV)组合物通常包含两部分，一部分含有有机硅氧烷和催化剂，并且另一部分含有有机氢硅氧烷和任何任选的成分。在升高的温度下固化的硅氢加成可固化硅酮组合物可以配制为单部分或多部分组合物。例如，液体硅橡胶(LSR)组合物通常配制为两部分系统。单部分组合物通常含有铂催化剂抑制剂以确保足够的保质期。合适的过氧化物可固化硅酮组合物通常包含(i)有机硅氧烷和(ii)有机过氧化物。有机过氧化物的实例包括二芳酰基过氧化物，例如二苯甲酰基过氧化物、二对氯苯甲酰基过氧化物和双2,4-二氯苯甲酰基过氧化物；二烷基过氧化物，例如二叔丁基过氧化物和2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧化)己烷等；二芳烷基过氧化物，例如枯基过氧化物；烷基芳烷基过氧化物，例如叔丁基枯基过氧化物和1,4-双(叔丁基过氧异丙基)苯；以及烷基芳酰基过氧化物，例如叔丁基过苯甲酸酯、叔丁基过乙酸酯和叔丁基过辛酸酯。
缩合可固化的硅酮组合物通常包括(i)每分子平均含有至少两个羟基的有机硅氧烷；和(ii)含有可水解的Si-O或Si-N键的三官能或四官能硅烷。硅烷的实例包括烷氧基硅烷，例如CH3Si(OCH3)3、CH3Si(OCH2CH3)3、CH3Si(OCH2CH2CH3)3、CH3Si[O(CH2)3CH3]3、CH3CH2Si(OCH2CH3)3、C6H5Si(OCH3)3、C6H5CH2Si(OCH3)3、C6H5Si(OCH2CH3)3、CH2＝CHSi(OCH3)3、CH2＝CHCH2Si(OCH3)3、CF3CH2CH2Si(OCH3)3、CH3Si(OCH2CH2OCH3)3、CF3CH2CH2Si(OCH2CH2OCH3)3、CH2＝CHSi(OCH2CH2OCH3)3、CH2＝CHCH2Si(OCH2CH2OCH3)3、C6H5Si(OCH2CH2OCH3)3、Si(OCH3)4、Si(OC2H5)4和Si(OC3H7)4；有机乙酰氧基硅烷，例如CH3Si(OCOCH3)3、CH3CH2Si(OCOCH3)3和CH2＝CHSi(OCOCH3)3；有机亚氨基氧基硅烷，例如CH3Si[O-N＝C(CH3)CH2CH3]3、Si[O-N＝C(CH3)CH2CH3]4和CH2＝CHSi[O-N＝C(CH3)CH2CH3]3；有机乙酰胺基硅烷，例如CH3Si[NHC(＝O)CH3]3和C6H5Si[NHC(＝O)CH3]3；氨基硅烷，例如CH3Si[NH(s-C4H9)]3和CH3Si(NHC6H11)3；以及有机氨基氧基硅烷。缩合可固化的硅酮组合物还可以含有缩合催化剂以引发和加速缩合反应。缩合催化剂的实例包括但不限于胺；以及铅、锡、锌和铁与羧酸的络合物。辛酸锡(II)、月桂酸锡(II)和油酸锡(II)以及二丁基锡的盐是特别有用的。缩合可固化的硅酮组合物可以是单部分组合物或包含两部分或更多部分的组分的多部分组合物。例如，室温可硫化(RTV)组合物可配制为单部分或两部分组合物。在两部分组合物中，其中部分之一通常包括少量水。
合适的环氧可固化的含硅酮组合物通常包括(i)每分子平均含有至少两个环氧官能团的有机硅氧烷和(ii)固化剂。环氧官能团的实例包括2-缩水甘油氧基乙基、3-缩水甘油氧基丙基、4-缩水甘油氧基丁基、2,(3,4-环氧环己基)乙基、3-(3,4-环氧环己基丙基、2,3-环氧丙基、3,4-环氧丁基和4,5-环氧戊基。固化剂的实例包括酸酐，例如邻苯二甲酸酐、六氢邻苯二甲酸酐、四氢邻苯二甲酸酐和十二碳烯基琥珀酸酐；多胺，例如二亚乙基三胺、三亚乙基四胺、二亚乙基丙胺、N-(2-羟乙基)二亚乙基三胺、N,N'-二(2-羟乙基)二亚乙基三胺、间苯二胺、亚甲基二苯胺、氨乙基哌嗪、4,4-二氨基二苯砜、苄基二甲胺、双氰胺和2-甲基咪唑和三乙胺；路易斯酸，例如三氟化硼单乙胺；多羧酸；多硫醇；多酰胺；以及酰胺基胺。合适的紫外线辐射可固化硅酮组合物通常包括(i)含有辐射敏感官能团的有机硅氧烷和(ii)光引发剂。辐射敏感官能团的实例包括丙烯酰基、甲基丙烯酰基、巯基、环氧基和烯基醚基。光引发剂的类型取决于有机硅氧烷中辐射敏感基团的性质。光引发剂的实例包括二芳基碘鎓盐、锍盐、苯乙酮、二苯甲酮和安息香以及它们的衍生物。
合适的自由基反应可固化的含硅酮组合物通常包括(i)每分子平均含有至少两个不饱和碳-碳键的有机硅氧烷和(ii)固化剂。不饱和碳-碳键是反应性的并且能够在固化条件下在固化剂存在下进行自由基偶联、加成、聚合或分子内交联反应。不饱和碳-碳键的实例包括但不限于烯基(alkenylgroup)、烯基(ethylenic group)、丙烯酸基、炔基、丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯官能团。
在一些实施方式中，有机硅氧烷化合物包括与有机硅氧烷化合物共价连接的一个或多个可固化或可交联基团。可固化或可交联基团包括但不限于烷基、不饱和基团(如烯基或羰基或环氧基、氢基、羧酸基、羟基、氨基、酸酐基、酰亚胺基、丙烯酰基)或它们的组合。在实施方式中，有机硅氧烷化合物选自有机烷基硅氧烷、有机烯基硅氧烷、有机氢硅氧烷和有机氨基硅烷、有机氨基氧基硅烷、有机环氧硅烷、有机羟基硅烷(硅烷醇)、有机乙酰氧基硅烷、有机乙酰胺基硅烷或它们的组合。
含硅组合物的示例性实例是由Sigma-Aldrich,MO供应的Sylgard 184两部分套件。单体或基体含有有机硅氧烷化合物，并且固化剂/交联剂是储存在单独容器中的催化剂。基体的有机硅氧烷是用至少两个烯键官能化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)大分子单体。PDMS大分子单体的结构如下所示：
两部分在固化条件下混合时，通过烯键的分子内偶联反应引发PDMS大分子单体的交联，形成部分交联的或交联的基于聚硅氧烷的弹性体聚合物基质。
本文所述的含硅组合物在固化时可形成交联的或部分交联的弹性体聚合物基质作为柔性定子的基体。例如，交联时的Sylgard 184可产生具有约1至约10MPa的拉伸强度(UTS)和约10至约100的邵氏硬度的PDMS基质。UTS、硬度和杨氏模量(E)通常在较高的固化温度或较高的固化剂/有机硅氧烷比例下增加。
在一些实施方式中，基于组合物的总重量，有机硅氧烷化合物为约20wt％至约80wt％、或约30wt％至约70wt％、或约40wt％至约60wt％。在一些实施方式中，有机硅氧烷化合物与固化剂的重量比为约100至约5、或约50至约7、或约20至约10。本领域普通技术人员将理解组合物的重量％和组分的比例，并且通过选择和优化各种参数来获得所需的柔性、韧性、强度、硬度、杨氏模量或其它机械性能。
在实施方式中，含硅组合物具有在固化前在25℃下约500cps至约50,000cps、或约1,000cps至约40,000cps、或约2,000cps至约30,000cps、或约2,000cps至约20,000cps的粘度。
本组合物包括多个磁性微粒，当形成为复合材料时，该磁性微粒可被磁化以获得永磁场。这些颗粒通常是无机的并且可以是陶瓷的。在多个实施方式中，磁性微粒包括选自由以下项组成的组的金属元素：钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、锝(Tc)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、镉(Cd)、铪(Hf)、钽(Ta)、钨(W)、铼(Re)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、金(Au)、汞(Hg)以及它们的组合。在实施方式中，磁性颗粒可以进一步包括选自由以下项组成的组的硫族元素：硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、氧(O)以及它们的组合。
在实施方式中，磁性微粒包括磁铁矿填充料。磁铁矿是一种矿物，是两种常见的天然存在的铁氧化物之一(化学式Fe3O4)和尖晶石族的成员。磁铁矿是所有天然存在矿物中最具磁性的。铝镍钴磁体合金主要由铝、铁、钴和镍组成。由于钴和镍的含量，铝镍钴是一种价格适中的磁体材料。铝镍钴磁体合金具有较高的最高运行温度和非常好的耐腐蚀性。某些等极的铝镍钴合金可在高达5500℃的温度下运行。钐钴(SmCo)和钕铁硼(NdFeB)被称为稀土，因为在元素周期表中的稀土元素中发现了钕和钐。钐钴和钕磁体合金都是粉末状金属，其在强磁场存在下被压实，并且然后被烧结。陶瓷磁体材料(铁氧体)是锶铁氧体。陶瓷磁体材料(铁氧体)是工业中制造的最具成本效益的磁性材料之一。低成本是由于制造这种合金所使用的廉价、丰富并且非战略性原材料引起的。用这种材料制成的永久陶瓷磁体适合大批量生产。陶瓷磁体材料(铁氧体)具有相当好的耐腐蚀性，并且可以在中等热量下运行。
在其它实施方式中，磁性颗粒可包括来源于天然铁矿石或人造铁氧体材料或两者的磁铁矿。铁氧体是一种由陶瓷无机氧化物材料组成的化合物。通常表示为Fe2O3的铁氧化物是主要成分。铁氧体材料是通常来源于铁氧化物的铁磁陶瓷化合物。铁氧化物化合物是含有铁和氧原子的材料。大多数铁氧化物并不完全符合特定的分子式，并且可以表示为Fe2O3或Fe3O4以及化合物FexOy，其中x为约1至3并且y为约1至4。这些数字的变化是由铁氧化物材料的基本性质造成的，铁氧化物材料通常没有精确定义的铁与氧原子的比例。这些材料是尖晶石铁氧体并且通常呈立方晶体结构的形式。通常是结晶的合成陶瓷材料通常通过制造铁氧化物材料和至少一种通常由金属氧化物制成的其它金属氧化物材料来制造，其中模型是二价金属。这种金属包括例如镁、钙、钡、铬、锰、镍、铜、锌、钼等。优选的金属是镁、钙和钡。
在一些实施方式中，磁性微粒包括使用陶瓷技术制备的铁氧体材料。通常，氧化物是铁的碳酸盐，或者二价氧化物被研磨直至获得细微粒。将细微粒干燥并预烧以获得均质的最终产品。然后经常加热铁氧体以形成最终的脊状晶体结构。一种有用的磁性材料称为锌铁氧体并且具有式ZnxFe3-xO4。另一种有用的铁氧体是钡铁氧体或软铁氧体，例如锰-锌铁氧体(MnxZn(1-x)Fe2O4)和镍锌铁氧体NixZn(1-x)Fe2O4。其它有用的铁氧体是硬铁氧体，包括锶铁氧体SrFe2O4、钴铁氧体CoFe2O4。
本文所用的磁性微粒可包括磁铁矿填充料、铁填充料或两者。在一些实施方式中，磁性微粒包括磁铁矿填充料和铁填充料两者，并且其中基于磁性微粒的总重量，磁铁矿填充料为约1wt％至约99％、或约20wt％至约80wt％、或约40wt％至约60wt％、或约45wt％至约55wt％。磁铁矿和铁填充料可以被研磨成粉末状形式。磁性填充料可以很容易地分散到流体介质中。磁性微粒可以具有约1nm至约1,000微米、或约10nm至约100微米、或约100nm至约10微米、或约200nm至约1微米的范围内的平均粒径。优选地，磁性微粒具有约不大于1微米、或不大于500nm、或不大于250nm、或不大于200nm、或不大于100nm、或不大于50nm，或不大于10nm的平均尺寸。平均粒径可以指分散在聚合物基质中之前的磁性微粒或分散在固化的聚合物基质或成品定子中的颗粒。应注意，当分散在聚合物基质中时，个体微粒可以聚集以形成尺寸更大的结构。
在一些实施方式中，组合物可以进一步包括一种或多种添加剂。添加剂包括但不限于增容剂、着色剂、UV稳定剂、抗氧化剂、加工助剂、阻燃剂、热稳定剂、抗冲改性剂、除湿剂、抑制剂、气味掩蔽剂、填料、或它们的组合。这些添加剂通常是本领域普通技术人员已知的。
柔性磁性定子
成品柔性定子包括弹性体聚合物基质和分布在该聚合物基质中的磁性微粒。本定子是铁磁性的。
在一些实施方式中，柔性定子的弹性体聚合物基质是来源于本文所述的含硅组合物和磁性微粒的交联的或部分交联的聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
在一些实施方式中，弹性体聚合物基质是来源于本文所述的有机硅氧烷化合物和固化剂/交联剂的固化的PDMS。
在其它相关实施方式中，柔性定子不需要存在通道来从定子芯移除热量，因为聚合物/弹性体具有比传统旋转系统或传统电动机更好的散热能力。此外，定子芯不需要被层压，也不需要定子含有间隔层压。
含硅组合物的示例性实例是由Sigma-Aldrich,MO提供的Sylgard 184两部分套件。单体或基体含有有机硅氧烷化合物，并且固化剂/交联剂是储存在单独容器中的催化剂。基体的有机硅氧烷是用至少两个烯键官能化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)大分子单体。PDMS大分子单体的结构如下图所示：
两部分在固化条件下混合时，通过烯键的分子内偶联反应引发PDMS大分子单体的交联，形成部分交联的或交联的基于聚硅氧烷的弹性体聚合物基质。本文所述的含硅组合物在固化时可形成交联的或部分交联的弹性体聚合物基质作为柔性定子的基体。例如，交联时的Sylgard 184可产生具有约1至约10MPa的拉伸强度(UTS)和约10至约100的邵氏硬度的PDMS基质。UTS、硬度和杨氏模量(E)通常在较高的固化温度或较高的固化剂/有机硅氧烷比例下增加。
在一些实施方式中，基于组合物的总重量，有机硅氧烷化合物为约20wt％至约80wt％、或约30wt％至约70wt％、或约40wt％至约60wt％。在一些实施方式中，有机硅氧烷化合物与固化剂的重量比为约100至约5、或约50至约7、或约20至约10。本领域普通技术人员将理解组合物的重量％和组分的比例，并且通过选择和优化各种参数来获得所需的柔性、韧性、强度、硬度、杨氏模量或其它机械性能。
本柔性磁性定子可以由任何磁性微粒材料制成，当形成为复合材料时，该磁性微粒材料可以被磁化以获得永久磁场。这些颗粒通常是无机的并且可以是陶瓷的，如本文所述。在实施方式中，磁性颗粒包括选自由以下项组成的组的金属元素：钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、锝(Tc)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、镉(Cd)、铪(Hf)、钽(Ta)、钨(W)、铼(Re)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、金(Au)、汞(Hg)以及它们的组合。在实施方式中，磁性颗粒可以进一步包括选自由以下项组成的组的硫族元素：硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、氧(O)以及它们的组合。
磁性微粒可包括磁铁矿填充料、铁填充料或两者，如本文所述。在实施方式中，磁性微粒包括磁铁矿填充料和铁填充料两者，并且其中基于磁性微粒的总重量，磁铁矿填充料为约1wt％至约99％、或约20wt％至约80wt％、或约40wt％至约60wt％、或约45wt％至约55wt％。磁铁矿和铁填充料可以被研磨成粉末状形式。磁性填充料可以很容易地分散到流体介质中。磁性微粒可以具有约1nm至约1,000微米、或约10nm至约100微米、或约100nm至约10微米、或约200nm至约1微米的范围内的平均粒径。优选地，磁性微粒具有约不大于1微米、或不大于500nm、或不大于250nm、或不大于200nm、或不大于100nm、或不大于50nm、或不大于10nm的平均尺寸。平均粒径可以指分散在聚合物基质中之前的磁性颗粒或分散在固化的聚合物基质或成品定子中的颗粒。应注意，当分散在聚合物基质中时，个体微粒可以聚集以形成尺寸更大的结构。
在一些实施方式中，柔性定子可以进一步包括一种或多种添加剂。添加剂包括但不限于增容剂、着色剂、UV稳定剂、抗氧化剂、加工助剂、阻燃剂、热稳定剂、抗冲改性剂、除湿剂、抑制剂、气味掩蔽剂、填料或它们的组合。
在一些实施方式中，磁性微粒可以均匀分布或基本上均匀分布在聚合物基质或成品定子中。均匀分布是指磁性微粒的密度(例如微粒数量/单位体积)在整个定子上基本上是均一的或均匀的。在替代实施方式中，磁性微粒可以不均匀分布或基本上均匀分布在聚合物基质或成品定子中。不均匀分布是指定子的至少一个可测量部分中的磁性微粒的密度(例如微粒数量/单位体积)与定子的其它部分显著不同。磁性微粒的分布可取决于在固化之前磁性颗粒与含硅酮组合物的充分混合、对组合物的粘度的控制、模具的尺寸/形状/设计、模制和沉降的操作和/或固化条件。虽然均匀分布通常是优选的，但是磁性微粒的不均匀分布也可以旨在为其它制造应用中的特定目的带来益处。技术人员将理解参数并优化条件以达到磁性微粒的所需分布。
在某些实施方式中，磁性微粒在柔性定子的聚合物基质中基本上对齐。在自然界中，铁磁性材料根据其磁性特性，其磁偶极矩是无序的，如图1A所示。这是一种没有任何外加场的铁磁材料，当靠近另一种相同性质的材料时，颗粒处于最小能量状态并且不具有磁性。然而，当通过磁体或通过电流施加外部场时，在施加足够的外部场时，磁畴将破坏并排列颗粒，并使它们在定子的聚合物基质中基本对齐，如图1B所示。定子中基本对齐的磁性微粒进而产生磁场。可以在固化过程中实现磁性微粒的对齐。当颗粒分散在液态的可固化组合物中时，具有足够流动性的微粒可以响应外部刺激，例如磁场或升高的周围温度，从而经历偶极矩对齐并且在聚合物基质的固化和超声处理时保持在对齐位置。在交联的聚合物基质中，颗粒可以基本上固定，保持在对齐位置，并且限制进一步重新取向，导致在定子中对齐的磁化颗粒，这可以是永久磁性的。
可以在两个方向上测量定子的磁化。将与颗粒的磁偶极矩的取向方向基本相同的方向称为易轴。沿易轴的磁化常常会达到感应磁场的最大磁化或最高磁场强度。相反，将与磁偶极矩的取向方向基本垂直的方向称为难轴，其需要更大的电流或更大的外部磁场才能使柔性定子产生感应磁场。令人惊讶地发现，当与电动机组件中的旋转组件结合使用时，与传统电动机相比，本铁磁定子可以产生高得多的输出值，至少部分是因为柔性定子中掺入的磁性微粒产生的感应磁场。
在一些实施方式中，柔性定子具有约1至约10MPa、或约2至约8MPa、或约3至约6MPa、或约4至约5MPa的拉伸强度(UTS)。在一些实施方式中，交联的弹性体聚合物基质具有约10至约100、或约20至约80、或约30至约60、或约40至约50的邵氏硬度。
在一些实施方式中，其中在易轴或难轴或两者上，柔性定子能够产生可检测的磁场。在实施方式中，在易轴或难轴或两者上，柔性定子产生的感应磁场的强度为至少约125μT、至少约500μT、至少约1,000μT、至少约2,000μT、至少约3,000μT、或至少约5,000μT、或至少约10,000μT。
制造定子的方法
在一些方面，本公开涉及制造如本文所述的柔性铁磁定子的方法。通常，该方法包括通过混合可固化的含硅组合物和多个磁性微粒来形成混合物；将混合物加入模具；并且固化混合物，从而形成定子，其中磁性微粒分布在定子内，并且其中定子是铁磁性的。
在一些方面，本公开涉及制造如本文所述的柔性铁磁定子的方法。通常，该方法包括通过混合可固化的含硅组合物和多个磁性微粒来形成混合物；将混合物成型为片材，固化混合物，然后将固化的片材切割成外形尺寸(form factor)。在优选实施方式中，外形尺寸是定子。至少在这些示例性实施方式中，磁性微粒分布在定子中，并且定子是铁磁性的。
在一些实施方式中，可固化的含硅组合物包括如本文所述的可固化或可交联的有机硅氧烷化合物和固化剂/交联剂。在实施方式中，含硅组合物可以是两部分套件的形式，其中作为单体或基体的有机硅氧烷化合物在一个容器中，并且固化剂或交联剂在单独的容器中。在本方法的实施方式中，形成混合物进一步包括将可交联的有机硅氧烷化合物和固化剂/交联剂均匀混合，随后添加磁性微粒。使用时，将有机硅氧烷化合物和固化剂组合或混合，使得在固化条件下发生交联或聚合。
含硅组合物的示例性实例是由Sigma-Aldrich,MO供应的Sylgard 184两部分套件。单体或基体含有有机硅氧烷化合物，并且固化剂/交联剂是储存在单独容器中的催化剂。基体的有机硅氧烷是用至少两个烯键官能化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)大分子单体。PDMS大分子单体的结构如下所示：
两部分在固化条件下混合时，通过烯键的分子内偶联反应引发PDMS大分子单体的交联，形成部分交联的或交联的基于聚硅氧烷的弹性体聚合物基质。
本文所述的含硅组合物在固化时可形成交联的或部分交联的弹性体聚合物基质作为柔性定子的基体。例如，交联时的Sylgard 184可以产生具有约1至约10MPa的拉伸强度(UTS)和约10至约100的邵氏硬度的PDMS基质。UTS、硬度和杨氏模量(E)通常在较高的固化温度或较高的固化剂/有机硅氧烷比例下增加。在一些实施方式中，基于组合物的总重量，本方法中所用的有机硅氧烷化合物为约20wt％至约80wt％、或约30wt％至约70wt％、或约40wt％至约60wt％。在一些实施方式中，有机硅氧烷化合物与固化剂的重量比为约100至约5、或约50至约7、或约20至约10。本领域普通技术人员将理解组合物的重量％和组分的比例，并且通过选择和优化各种参数来获得所需的柔性、韧性、强度、硬度、杨氏模量或其它机械性能。
在实施方式中，含硅组合物在固化之前在25℃下具有约500cps至约50,000cps、或约1,000cps至约40,000cps、或约2,000至约30,000cps、或约2,000cps至约20,000cps的粘度。
本方法中所用的磁性微粒可以是任何微粒形式的磁性材料，当其形成为复合材料时，该磁性材料可以被磁化以获得永久磁场。这些颗粒通常是无机的并且可以是陶瓷的，如本文所述。在实施方式中，磁性颗粒包括选自由以下项组成的组的金属元素：钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、锝(Tc)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、镉(Cd)、铪(Hf)、钽(Ta)、钨(W)、铼(Re)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、金(Au)、汞(Hg)以及它们的组合。在实施方式中，磁性颗粒可以进一步包括选自由以下项组成的组的硫族元素：硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、氧(O)以及它们的组合。
磁性微粒可以包括磁铁矿填充料、铁填充料或两者，如本文所述。在实施方式中，磁性微粒包括磁铁矿填充料和铁填充料两者，并且其中基于磁性微粒的总重量，磁铁矿填充料为约1wt％至约99％、或约20wt％至约80wt％、或约40wt％至约60wt％、或约45wt％至约55wt％。磁铁矿和铁填充料可以被研磨成粉末状形式。磁性填充料可以容易地分散到流体介质中。磁性微粒可具有约1nm至约1,000微米、或约10nm至约100微米、或约100nm至约10微米、或约200nm至约1微米的范围内的平均粒径。优选地，磁性微粒具有约不大于1微米、或不大于500nm、或不大于250nm、或不大于200nm、或不大于100nm、或不大于50nm、或不大于10nm的平均尺寸。平均粒径可以指分散在聚合物基质中之前的磁性颗粒或分散在固化的聚合物基质或成品定子中的颗粒。应注意，当分散在聚合物基质中时，个体微粒可以聚集以形成尺寸更大的结构。
在一些实施方式中，本方法可以进一步包括向混合物中添加一种或多种添加剂。添加剂包括但不限于增容剂、着色剂、UV稳定剂、抗氧化剂、加工助剂、阻燃剂、热稳定剂、抗冲改性剂、除湿剂、抑制剂、气味掩蔽剂、填料或它们的组合。
在一些实施方式中，本方法进一步包括将混合物均匀地分散在整个模具中并且在固化之前消除混合物中的空气滞留。值得注意，交联剂的粘度可以比有机硅氧烷单体/基体小得多，并且可以在剧烈搅拌混合期间将固化剂缓慢添加到单体中，以形成均匀的混合物。可以将磁性微粒缓慢地分批添加到含硅组合物(混合的有机硅氧烷化合物和固化剂)，同时连续搅拌或搅动混合物。为了避免不利的气泡并防止它们被截留在混合物中，可以以调整的速度小心地进行混合。混合物可以进一步经历脱气(除气)步骤以在固化之前基本上除去截留的气泡。在将混合物添加至定子模具之前，可以清洁定子模具。将混合物添加到模具时，建议从模具的中心开始并且以非常短的距离进行，以最小化截留空气的风险，混合物可以流动并分散到整个模具。将混合物添加到模具后，建议将模具从一侧倾斜到另一侧，使得混合物均匀地分散在整个模具中。让混合物在平坦表面上停留几分钟也很重要，使得模具中混合物的厚度在整个表面和深度上尽可能均匀。此外，让混合物静置片刻，使混合物添加到模具时截留的可能气泡迁移到它们可以被手动破裂的表面。
固化反应可以在低于室温或高达250℃的温度下进行。如果模具允许，可以将混合物放入烘箱中，并且在100℃的温度下固化约2小时，或者在室温(约20-25℃)在免受灰尘或可以落在表面的任何其他污染的环境中固化约24至约48小时。在一些实施方式中，混合物在约10℃至约200℃、或约23℃至约180℃、或约50℃至约150℃、或约80℃至约150℃、或约100℃至约120℃的温度下固化约10分钟至约48小时、或约30分钟至约24小时、或约1小时至约12小时、或约2小时至约6小时。经过这段时间后，可以将成品定子从模具中取出并放入电动机中以测试其运行。
任选地，允许混合物的固化在外部磁场中发生，以进一步促进混合物中磁性微粒的对齐。
图2中示出了固化的柔性定子的实例。
在一些实施方式中，柔性定子具有约1至约10MPa、或约2至约8MPa、或约3至约6MPa、或约4至约5MPa的拉伸强度(UTS)。在一些实施方式中，交联的弹性体聚合物基质具有约10至约100、或约20至约80、或约30至约60、或约40至约50的邵氏硬度。
在一些实施方式中，磁性微粒可以均匀分布或基本均匀分布在聚合物基质或通过本方法制造的成品定子中。在替代实施方式中，磁性微粒可以不均匀地分布或基本上均匀地分布在聚合物基质或成品定子中。
在某些实施方式中，磁性微粒在柔性定子中基本上对齐。在交联的聚合物基质中，颗粒可以基本上固定，保持在对齐位置，并且被限制进一步重新取向，导致在定子中对齐的磁化微粒，这可以是永久磁性的。
可以通过将定子与定子-转子组件中的对应旋转组件配合使用来测试柔性定子的铁磁性能。当施加电流时，可以通过任何传统的场测试仪在易轴和/或难轴上测量定子所产生的磁场的强度。也可以通过以下等式计算磁力：
F(磁力)＝(磁场)(长度)(电流)。
在一些实施方式中，其中在易轴或难轴或两者上，柔性定子能够产生可检测的磁场。在实施方式中，在易轴或难轴或两者上，由柔性定子产生的感应磁场的强度为至少约125μT、至少约500μT、至少约1,000μT、至少约2,000μT、至少约3,000μT、或至少约5,000μT、或至少约10,000μT。
提供以下实施例以进一步说明本发明并证明由此产生的一些优点。本发明不旨在限于所公开的具体实施例。
实施例
参考以下实验和实施例进一步描述了本公开的某些实施方式。这些实验、实施例和样品仅旨在说明本公开，并且不旨在以任何方式限制或约束本公开的范围，并且不应被解释为提供必须专门用于实践本公开的技术的条件、参数、试剂或起始材料。
定子实施例1和2是根据表1所示的组合物制备的。简言之，将Sylgard184(一种具有单体(部分A)和固化剂(部分B)的两部分组合物)用于制备可固化的含硅组合物。固化时，Sylgard 184形成PDMS弹性体聚合物基质。磁铁矿填充料和铁填充料是来源于科利马矿(colima mine)的专有材料，平均尺寸为约500nm至约700nm。为了准备，使用干净的容器，例如塑料杯。1份交联剂加入10份单体。建议从交联剂开始，因为它的粘度较低，这使得将准确的量倒入模具中变得更加困难。要准备的量可能根据我们使用的模具以及在定子中需要获得的厚度而不同。对于实施例1，用于引擎的定子模具需要每约3g固化剂的约30g单体、约30g磁铁矿填充料和约30g铁填充料，产生总重量为约93g的用PDMS制成的定子。
表1：用于制造本柔性定子实施例的起始材料。
接着，使用塑料勺手动混合单体和固化剂(交联剂)。混合进行大致约5分钟。建议小心地将各组分充分混合以获得均匀的混合物。值得注意，固化剂的粘度比单体小得多，并且以较小的量添加。两种组分的混合小心地进行。将单体和固化剂混合后，逐一添加磁铁矿填料和铁填料，同时混合直至获得均匀的稠度。
接着，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)、磁铁矿填料和铁填料的混合物添加到模具。模具之前已清洁。PDMS具有相对较低的粘度，使其流动顺畅。将混合物以非常短的距离添加到模具的中心，以最小化截留空气的风险。使PDMS流动并且分散在整个模具中。
将PDMS转移到模具后，将模具从一侧倾斜到另一侧，以进一步使混合物均匀分散在整个模具中。重要的是让弹性体在平坦的表面上停留几分钟，使得基材的厚度在整个表面和深度上尽可能均匀。此外，让PDMS静置片刻，使混合物添加到模具时截留的可能气泡迁移到它们可以被手动破裂的表面。
固化反应在约100℃下进行约2小时、或在约60℃下进行约6小时、或在室温下进行约24小时。然后将固化的定子从模具中取出并放入电动机中以测试其运行。
使用透射电子显微照片(TEM)进一步分析实施例1的样品定子。如图3所示，磁性纳米颗粒显然嵌入定子中并且基本上对齐。
在电动机组件中测试了准备好的柔性定子。使用电磁场测试仪EMF-827测量定子产生的磁场强度。令人惊奇地发现，实施例1的本定子产生的磁场强度达到了比用传统电动机测量到的值高得多的值。如表2所示，与无柔性定子的电动机相比，在不改变电动机结构和几何形状并且除了柔性定子代替定子以外不更换线圈或改变参数的情况下，由实施例1产生的磁场达到的值甚至超过了测量系统的范围。换言之，在相同的条件下，产生了更大的磁场，这使得电动机组件以更低的成本、更轻的重量变得更高效，甚至无需考虑制造从开始就有对齐的颗粒的定子。通过获得比传统电动机大得多的这些值，允许进一步计算它们产生的力，并且令人惊讶地发现，力(F)比传统电动机增加了远超过100％。以上未料到的结果证实了本铁磁定子的效率和制造便利性的提高。
表2.传统电动机与具有本定子(实施例1)的电动机的比较。
尽管以上仅详细描述了本公开的示例性实施方式，但是本领域技术人员将容易理解，在实质上不脱离本发明的新教导和优点的情况下，可以进行许多修改。因此，所有这种修改旨在被包括在如所附权利要求所限定的本公开的范围内。

Claims (51)

1.一种用于制造柔性铁磁定子的组合物，包括：
含硅组合物；和
多个磁性微粒。
2.根据权利要求1所述的组合物，其中所述含硅组合物是包括有机硅氧烷化合物和固化剂/交联剂的可固化组合物。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的组合物，其中所述含硅组合物在固化时形成交联的弹性体聚二甲基硅氧烷(PDMS)基质。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的组合物，其中所述含硅组合物在约10℃至约200℃、或约23℃至约180℃、或约50℃至约150℃、或约80℃至约150℃的温度下可固化约30分钟至约48小时。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的组合物，其中所述含硅组合物在固化前在25℃下具有约500cps至约50,000cps、或约1,000cps至约40,000cps、或约2,000cps至约30,000cps、或约2,000cps至约20,000cps的粘度。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的组合物，其中所述磁性微粒包括选自由以下项组成的组的金属元素：钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、锝(Tc)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、镉(Cd)、铪(Hf)、钽(Ta)、钨(W)、铼(Re)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、金(Au)、汞(Hg)以及它们的组合。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的组合物，其中所述磁性微粒包括选自由以下项组成的组的硫族元素：硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、氧(O)以及它们的组合。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的组合物，其中所述磁性微粒包括磁铁矿填充料、铁填充料或两者。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的组合物，其中所述磁性微粒具有约1nm至约1,000微米、或约10nm至约100微米、或约100nm
至约10微米、或约200nm至约1微米的平均粒径。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的组合物，其中所述磁性微粒具有约不大于1微米、或不大于500nm、或不大于250nm、或不大于200nm、或不大于100nm、或不大于50nm、或不大于10nm的平均粒径。
11.根据权利要求2-10中任一项所述的组合物，其中基于所述组合物的总重量，所述有机硅氧烷化合物为约20wt％至约80wt％、或约30wt％至约70wt％、或约40wt％至约60wt％。
12.根据权利要求2-11中任一项所述的组合物，其中所述有机硅氧烷化合物与所述固化剂的重量比为约100至约5、或约50至约7、或约20至约10。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的组合物，其中基于所述组合物的总重量，所述磁性微粒在约20wt％至约80wt％、或约30wt％至约70wt％、或约40wt％至约60wt％的范围内。
14.根据权利要求8-13中任一项所述的组合物，其中所述磁性微粒包括磁铁矿填充料和铁填充料两者，并且其中基于所述磁性微粒的总重量，所述磁铁矿填充料为约1wt％至约99％、或约20wt％至约80wt％、或约40wt％至约60wt％。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的组合物，进一步包括选自以下项的一种或多种添加剂：增容剂、着色剂、UV稳定剂、抗氧化剂、加工助剂、阻燃剂、热稳定剂、抗冲改性剂、除湿剂、抑制剂、气味掩蔽剂、填料或它们的组合。
16.一种柔性定子，包括：
弹性体聚合物基质；和
分布于所述聚合物基质中的多个磁性微粒，
其中所述柔性定子是铁磁性的。
17.根据权利要求16所述的柔性定子，其中所述磁性微粒均匀地分布在所述聚合物基质中。
18.根据权利要求16所述的柔性定子，其中所述磁性微粒不均匀地分布在所述聚合物基质中。
19.根据权利要求16-18中任一项所述的柔性定子，其中所述磁性微粒在所述聚合物基质中基本对齐。
20.根据权利要求16-19中任一项所述的柔性定子，其中所述弹性体聚合物基质是交联的或部分交联的聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
21.根据权利要求16-20中任一项所述的柔性定子，其中所述弹性体聚合物基质是来源于有机硅氧烷化合物和固化剂/交联剂的固化的PDMS。
22.根据权利要求21所述的柔性定子，其中所述有机硅氧烷化合物与所述固化剂的重量比为约100至约5、或约50至约7、或约20至约10。
23.根据权利要求16-22中任一项所述的柔性定子，其中所述磁性微粒包括选自由以下项组成的组的金属元素：钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、锝(Tc)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、镉(Cd)、铪(Hf)、钽(Ta)、钨(W)、铼(Re)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、金(Au)、汞(Hg)以及它们的组合。
24.根据权利要求16-23中任一项所述的柔性定子，其中所述磁性微粒包括选自由以下项组成的组的硫族元素：硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、氧(O)以及它们的组合。
25.根据权利要求16-24中任一项所述的柔性定子，其中所述磁性微粒包括磁铁矿填充料、铁填充料或两者。
26.根据权利要求25所述的柔性定子，其中所述磁性微粒包括磁铁矿填充料和铁填充料两者，并且其中基于所述磁性微粒的总重量，所述磁铁矿填充料为约1wt％至约99％、或约20wt％至约80wt％、或约40wt％至约60wt％。
27.根据权利要求16-26中任一项所述的柔性定子，其中所述磁性微粒具有约1nm至约1,000微米、或约10nm至约100微米、或约100nm至约10微米、或约200nm至约1微米的平均粒径。
28.根据权利要求16-26中任一项所述的柔性定子，其中所述磁性微粒具有约不大于1微米、或不大于500nm、或不大于250nm、或不大于200nm、或不大于100nm、或不大于50nm、或不大于10nm的平均粒径。
29.根据权利要求16-28中任一项所述的柔性定子，其中基于所述定子的总重量，所述磁性微粒在约20wt％至约80wt％、或约30wt％至约70wt％、或约40wt％至约60wt％的范围内。
30.根据权利要求16-29中任一项所述的柔性定子，进一步包括选自以下项的一种或多种添加剂：增容剂、着色剂、UV稳定剂、抗氧化剂、加工助剂、阻燃剂、热稳定剂、抗冲改性剂、除湿剂、抑制剂、气味掩蔽剂、填料或它们的组合。
31.根据权利要求16-29中任一项所述的柔性定子，其中所述柔性定子能够产生至少约125μT、至少约500μT、至少约1,000μT、至少约2,000μT、至少约3,000μT或至少约5,000μT的磁场。
32.一种制造柔性定子的方法，包括：
将可固化的含硅组合物与多个磁性微粒混合来制备混合物；
将所述混合物倒入模具或片材；
将所述混合物固化，从而形成定子，其中所述磁性微粒分布在所述定子中，并且其中所述定子是铁磁性的。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述可固化的含硅组合物包括有机硅氧烷化合物和固化剂/交联剂。
34.根据权利要求33所述的方法，其中基于所述混合物的总重量，所述有机硅氧烷化合物为约20wt％至约80wt％、或约30wt％至约70wt％、或约40wt％至约60wt％。
35.根据权利要求33-34中任一项所述的方法，其中所述有机硅氧烷化合物与所述固化剂的重量比为约100至约5、或约50至约7、或约20至约10。
36.根据权利要求32-35中任一项所述的方法，其中所述含硅组合物在固化前在25℃下具有约500cps至约50,000cps、或约1,000cps至约40,000cps、或约2,000cps至约30,000cps、或约2,000cps至约20,000cps的粘度。
37.根据权利要求33-36中任一项所述的方法，其中形成所述混合物包括均匀混合所述有机硅氧烷化合物和所述固化剂/交联剂，并且随后添加所述磁性微粒。
38.根据权利要求32-37中任一项所述的方法，其中所述磁性微粒包括选自由以下项组成的组的金属元素：钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、锝(Tc)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、镉(Cd)、铪(Hf)、钽(Ta)、钨(W)、铼(Re)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、金(Au)、汞(Hg)以及它们的组合。
39.根据权利要求32-38中任一项所述的方法，其中所述磁性微粒包括选自由以下项组成的组的硫族元素：硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、氧(O)以及它们的组合。
40.根据权利要求32-39中任一项所述的方法，其中所述磁性微粒包括磁铁矿填充料、铁填充料或两者。
41.根据权利要求40所述的方法，其中所述磁性微粒包括磁铁矿填充料和铁填充料两者，并且其中基于所述磁性微粒的总重量，所述磁铁矿填充料为约1wt％至约99％、或约20wt％至约80wt％、或约40wt％至约60wt％。
42.根据权利要求32-41中任一项所述的方法，其中所述磁性微粒具有约1nm至约1,000微米、或约10nm至约100微米、或约100nm
至约10微米、或约200nm至约1微米的平均粒径。
43.根据权利要求32-41中任一项所述的方法，其中所述磁性微粒具有约不大于1微米、或不大于500nm、或不大于250nm、或不大于200nm、或不大于100nm、或不大于50nm、或不大于10nm的平均粒径。
44.根据权利要求32-43中任一项所述的方法，其中基于组合物的总重量，所述磁性微粒在约20wt％至约80wt％、或约30wt％至约70wt％、或约40wt％至约60wt％的范围内。
45.根据权利要求32-44中任一项所述的方法，进一步包括向所述混合物添加一种或多种添加剂，其中所述添加剂选自增容剂、着色剂、UV稳定剂、抗氧化剂、加工助剂、阻燃剂、热稳定剂、抗冲改性剂、除湿剂、抑制剂、气味掩蔽剂、填料或它们的组合。
46.根据权利要求32-45中任一项所述的方法，其中所述磁性微粒均匀地分布在所述定子中。
47.根据权利要求32-45中任一项所述的方法，其中所述磁性微粒不均匀地分布在所述定子中。
48.根据权利要求32-47中任一项所述的方法，其中所述磁性微粒在所述定子中基本对齐。
49.根据权利要求32-48中任一项所述的方法，其中形成所述混合物进一步包括均匀混合可交联的有机硅氧烷化合物和固化剂/交联剂，并且随后添加所述磁性微粒。
50.根据权利要求32-49中任一项所述的方法，进一步包括在固化之前将所述混合物均匀地分散在整个模具中并且消除所述混合物中的空气滞留。
51.根据权利要求32-50中任一项所述的方法，其中将所述混合物在约10℃至约200℃、或约23℃至约180℃、或约50℃至约150℃、或约80℃至约150℃的温度下固化约10分钟至约48小时。
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