JP6746559B2 - 酸化亜鉛系圧電デバイス - Google Patents
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Description
a)少なくとも2つの炭素繊維の交差したヤーン2a、2bを含む物品の一部分上への接着層の形成ステップと、
b)ステップa1)の前記接着層上でのZnO NRの成長ステップと、
あるいは、
a1)2つの炭素繊維のヤーン2a、2bの一部分上への接着層の形成ステップと、
b1)ステップa1)の接着層上でのZnO NRの成長ステップと、
c1)2つのヤーン2a、2bの重ね合わせステップとを含む。
A1)所定時間、所定温度で、亜鉛塩水溶液中への、ZnO NRで覆われるべき前記物体又は前記ヤーンの浸漬ステップと、
A2)所定時間、所定温度で、塩基性水溶液中へのステップA1)の前記物体又は前記ヤーンの浸漬ステップと、
A3)ステップA2)から得られた前記物体又は前記ヤーンの乾燥ステップと、
A4)ステップA1)、A2)及びA3)の所定回数の繰り返しステップとをこの順に含む。
B1)所定時間、不活性雰囲気の下で、真空中で、スパッタリング堆積チャンバ中に配置された前記物体の一部分上へのZnO酸化物層3の堆積ステップと、
B2)ステップB1)の所定回数の繰り返しステップとをこの順に含む。
i)所定時間、所定温度で、亜鉛塩の、及びアミンの溶液中への、それぞれステップa)又はa1)から得られた前記物品又は前記ヤーン2a、2bの浸漬ステップと、
ii)前記物体又は前記ヤーン2a、2bの乾燥ステップとをこの順に含む。
1)圧電デバイス1、101を形成するための、前記炭素繊維の交差したヤーン2a、2b上への、又は前記炭素繊維織物110上へのZnO NRの堆積ステップと、
2)重合体マトリックスへの、ステップ1)の前記圧電デバイス1、101の含浸ステップと、
3)物品の前駆体又はその一部の形成ステップと、
4)薄層状炭素繊維物品を形成するための、ステップ3)の前記物品の前駆体又はその一部の前記重合体マトリックスの重合ステップと、
5)選択的に、前記重合体マトリックスで含浸された炭素繊維織物の1以上の層とステップ4)の1以上の薄層状物品を接合することによる多層物品の形成ステップと、前記重合体マトリックスの次の重合ステップとを含む。
1a)圧電デバイス1、101を形成するための、前記炭素繊維の交差したヤーン2a、2b上への、又は炭素繊維織物110上への、ZnO NR層3の堆積ステップと、
2a)重合体マトリックスへの、ステップ1a)の前記圧電デバイス1、101の含浸ステップと、
3a)前記重合体マトリックスへの炭素繊維織物の含浸ステップと、
4a)選択的に、ステップ3a)による前記重合体マトリックスで含浸された炭素繊維織物の1以上の層と、ステップ2a)による前記重合体マトリックスで含浸された1以上の圧電デバイス1、101を接合することによる物品の前駆体又はその一部の形成ステップと、
5a)物品を形成するための、ステップ4a)の物品の前駆体又はその一部の重合ステップとを含む。
オートクレーブによる重合プロセス及び上に述べられたステップ1)ないし5)にしたがって、長さ1メートルの「I」形鋼が、航空機の翼桁の仮想部分とするために作製された。この要素は、約2.6mmの厚さに達するまで、梁の軸に対して45°で置かれた厚さ0.65mmの炭素織物で作製された。重合は、約2時間、130℃の温度で、6バールの圧力でオートクレーブで起こった。そして、本発明による件の物品が、この要素の内側に応力が加わった状態で、規定の試験を行うために使用された。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
[1] 少なくとも2つの炭素繊維の交差したヤーン(2a,2b;102a,102b)を具備し、前記ヤーンの交差部にナノロッドの形態の酸化亜鉛層(3,103)が配置されており、前記ヤーン(2a,2b;102a,102b)の各々の端部(4a,4b)が操作ユニット(5)に接続されている圧電デバイス(1,101)。
[2] 前記ヤーン(2a,2b;102a,102b)の各々の前記端部(4a,4b)は、別の配線を介在することなく、前記操作ユニット(5)に直接接続されている[1]に記載の圧電デバイス(1,101)。
[3] 前記操作ユニット(5)は、電圧、電流又は静電容量を測定するための機器である[1]又は[2]に記載の圧電デバイス(1,101)。
[4] 前記操作ユニット(5)は、電圧発生器であり、好ましくは、電圧を調整可能な電圧発生器である[1]又は[2]に記載の圧電デバイス(1,101)。
[5] 前記炭素繊維のヤーン(2a,2b;102a,102b)は、1つの炭素繊維のみ、又は複数の炭素繊維のバンドルからなることができる[1]ないし[4]のいずれか1に記載の圧電デバイス(1,101)。
[6] 前記炭素繊維のバンドルは、3,000〜50,000のファイバを含む[5]に記載の圧電デバイス(1,101)。
[7] 前記炭素繊維は、例えば、ポリアクリロニトリル又はポリシラザンである合成由来の、あるいは、例えば、ピッチ、もしくは植物性繊維又は木などのセルロース系材料である自然由来の、熱分解された炭素質繊維材料からなる[1]ないし[6]のいずれか1に記載の圧電デバイス(1,101)。
[8] 縦糸(102a)と横糸(102b)とからなる炭素繊維織物(110)を含み、ナノロッドの形態の酸化亜鉛層(103)がその一部分上に配置されている[1]ないし[7]のいずれか1に記載の圧電デバイス(101)。
[9] 電荷及び静電容量を測定するための前記機器は、
少なくとも1つの第1のヤーン(2a,102a)に接続される可変周波数信号発生器と、
少なくとも1つの第2のヤーン(2b;102b)に接続される、電流信号及び電荷積分値の取得及び補正のための機器とを有する[1]ないし[8]のいずれか1に記載の圧電デバイス(1,101)。
[10] [1]ないし[9]のいずれか1に記載の少なくとも1つの圧電デバイス(1,101)を含む、炭素繊維材料でできた物品。
[11] 前記圧電デバイスは、トルクセンサである[10]に記載の物品。
[12] 前記圧電デバイスは、アクチュエータデバイスである[10]に記載の物品。
[13] 前記少なくとも1つの圧電デバイス(1,101)は、前記物品に埋め込まれているか前記物品と一体となっている[10]ないし[12]のいずれか1に記載の物品。
[14] [1]ないし[9]のいずれか1に記載の圧電デバイス(1,101)を得るための方法であって、
a)少なくとも2つの炭素繊維の交差したヤーン(2a,2b;102a,102b)を含む物体の一部分上への接着層の形成ステップと、
b)ステップa)の前記接着層上でのナノロッド形態の酸化亜鉛の成長ステップと、
あるいは、
a1)2つの炭素繊維のヤーン(2a,2b)の一部分上への接着層の形成ステップと、b1)ステップa1)の前記接着層上でのZnO NRの成長ステップと、
c1)前記2つのヤーン(2a,2b)の重ね合わせステップとを含む方法。
[15] 前記ステップa)又はa1)は、化学浴技術によって実行され、
A1)所定時間、所定温度で、亜鉛塩水溶液中への、覆われるべき前記物体又は前記ヤーン(2a,2b)の浸漬ステップと、
A2)所定時間、所定温度で、塩基性水溶液中へのステップA1)の前記物体又は前記ヤーン(2a,2b)の浸漬ステップと、
A3)ステップA2)から得られた前記物体又は前記ヤーン(2a,2b)の乾燥ステップと、
A4)前記ステップA1)、A2)及びA3)の所定回数の繰り返しステップとをこの順に含む[14]に記載の方法。
[16] 前記亜鉛塩は、酢酸亜鉛であり、前記ステップA2)は、好ましくは、室温で、1秒間ないし1時間かそれ以上の時間、実行され、前記塩基性水溶液は、好ましくは、水酸化アンモニウムの水溶液である[15]に記載の方法。
[17] 前記ステップA2)は、室温で、1秒間ないし1時間かそれ以上の時間、実行される[15]又は[16]に記載の方法。
[18] 前記ステップA1)、A2)及びA3)は、少なくとも10回繰り返される[15]ないし[17]のいずれか1に記載の方法。
[19] 前記ステップa)又はa1)は、従来のスパッタリング技術によって実行され、このスパッタリング技術は、
B1)所定時間、不活性雰囲気の下で、真空中で、スパッタリング堆積チャンバ中に配置された前記物体の一部分上への酸化亜鉛層(3)の堆積ステップと、
B2)前記ステップB1)の所定回数の繰り返しステップとをこの順に含む[14]に記載の方法。
[20] 前記ステップB1)は、120Wの電力を使用して、30秒間ないし1時間かそれ以上の堆積時間、実行され、
前記ステップB2)は、2ないし4回の堆積サイクルを与える[19]に記載の方法。
[21] 前記接着層上にナノロッドの形態の酸化亜鉛を成長させる前記ステップb)は、
i)所定時間、所定温度で、亜鉛塩の、及びアミンの溶液中への、ステップa)又はa1)から得られた前記物体又は前記ヤーン(2a,2b)の浸漬ステップと、
ii)前記物体又は前記ヤーン(2a,2b)の乾燥ステップとをこの順に含む[14]ないし[20]のいずれか1に記載の方法。
[22] 前記亜鉛塩の溶液は、酢酸亜鉛水溶液であり、前記アミンは、ヘキサメチレンテトラミンである[21]に記載の方法。
[23] 処理温度が50℃よりも高く、処理時間が2ないし6時間である[21]又は[22]に記載の方法。
[24] 1以上の圧電デバイス(1,101)を含む、[10]ないし[13]に記載のいずれか1による炭素繊維材料の物品を作製する方法であって、
1)圧電デバイス(1,101)を形成するための、前記炭素繊維の交差したヤーン(2a,2b)上への、又は前記炭素繊維織物(110)上へのナノロッドの形態の酸化亜鉛層(3,103)の堆積ステップと、
2)重合体マトリックスへの、ステップ1)の前記圧電デバイス(1,101)の含浸ステップと、
3)前記物品の前駆体又はその一部の形成ステップと、
4)薄層状炭素繊維物品を形成するための、ステップ3)の前記物品の前駆体又はその一部の前記重合体マトリックスの重合ステップと、
5)選択的に、前記重合体マトリックスで含浸された炭素繊維織物の1以上の層とステップ4)の1以上の薄層状物品を接合することによる多層物品の形成ステップと、前記重合体マトリックスの次の重合ステップとを含む方法。
[25] 1以上の圧電デバイス(1,101)を含む、[10]ないし[13]に記載のいずれか1による炭素繊維物品を作製する方法であって、
1a)圧電デバイス(1,101)を形成するための、前記炭素繊維の交差したヤーン(2a,2b)上への、又は前記炭素繊維織物(110)上への、ナノロッドの形態の酸化亜鉛層(3,103)の堆積ステップと、
2a)重合体マトリックスへの、ステップ1a)の前記圧電デバイス(1,101)の含浸ステップと、
3a)前記重合体マトリックスへの炭素繊維織物の含浸ステップと、
4a)選択的に、ステップ3a)による前記重合体マトリックスで含浸された炭素繊維織物の1以上の層と、ステップ2a)による前記重合体マトリックスで含浸された1以上の圧電デバイス(1,101)を接合することによる物品の前駆体又はその一部の形成ステップと、
5a)前記物品を形成するための、ステップ4a)の前記物品の前駆体又はその一部の重合ステップとを含む方法。
[26] 前記ステップ1)又は1a)が、織る動作の前に、予め織物(110)又は炭素繊維のヤーン(102a,102b)に対して実行される[24]又は[25]に記載の方法。
[27] 前記重合ステップ4)又は4a)は、室温から250℃の間の温度で、1バールないし10バールの圧力で、オートクレーブプロセスによって実行され、
前記重合体マトリックスは、好ましくはエポキシ樹脂とフェノールのマトリックスとから選択された一般的な熱硬化性材料である[24]ないし[26]のいずれか1に記載の方法。
[28] 前記ステップ4)又は4a)は、100℃から450℃までの温度で、400トンまでの押圧力で、3ないし60分間、モールド成形プロセスによって実行され、
前記重合体マトリックスは、好ましくは、ポリエチレン(PE)、硫化ポリフェニレン(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)及びポリエチレンイミド(PEI)から選択された熱可塑性材料である[24]ないし[26]のいずれか1に記載の方法。
Claims (30)
- 少なくとも2つの炭素繊維が交差した交差部を有するヤーン(2a,2b;102a,102b)を具備し、前記交差部を含む部分を覆うナノロッドの形態の酸化亜鉛層(3,103)が配置されており、前記ヤーン(2a,2b;102a,102b)の各々の端部(4a,4b)が操作ユニット(5)に接続されている圧電デバイス(1,101)。
- 前記ヤーン(2a,2b;102a,102b)の各々の前記端部(4a,4b)は、別の配線を介在することなく、前記操作ユニット(5)に直接接続されている、請求項1に記載の圧電デバイス(1,101)。
- 前記操作ユニット(5)は、電圧、電流又は静電容量を測定するための機器である、請求項1又は2に記載の圧電デバイス(1,101)。
- 前記操作ユニット(5)は、電圧を調整可能な電圧発生器である、請求項1又は2に記載の圧電デバイス(1,101)。
- 前記炭素繊維のヤーン(2a,2b;102a,102b)は、1つの炭素繊維のみ、又は複数の炭素繊維のバンドルからなることができる、請求項1ないし4のいずれか1に記載の圧電デバイス(1,101)。
- 前記炭素繊維のバンドルは、3,000〜50,000のファイバを含む、請求項5に記載の圧電デバイス(1,101)。
- 前記炭素繊維は、ポリアクリロニトリル又はポリシラザンである合成由来の熱分解された炭素質繊維材料、あるいは、ピッチ、又は植物性繊維若しくは木であるセルロース系材料である自然由来の熱分解された炭素質繊維材料からなる、請求項1ないし6のいずれか1に記載の圧電デバイス(1,101)。
- 縦糸(102a)と横糸(102b)とからなる炭素繊維織物(110)を含み、ナノロッドの形態の酸化亜鉛層(103)がその一部分上に配置されている、請求項1ないし7のいずれか1に記載の圧電デバイス(101)。
- 電荷及び静電容量を測定するための機器は、
少なくとも1つの第1のヤーン(2a,102a)に接続される可変周波数信号発生器と、
少なくとも1つの第2のヤーン(2b;102b)に接続される、電流信号及び電荷積分値の取得及び補正のための機器と、を有する、請求項1ないし8のいずれか1に記載の圧電デバイス(1,101)。 - 請求項1ないし9のいずれか1に記載の少なくとも1つの圧電デバイス(1,101)を含む、炭素繊維材料でできた物品。
- 前記圧電デバイスは、応力センサである、請求項10に記載の物品。
- 前記圧電デバイスは、アクチュエータデバイスである、請求項10に記載の物品。
- 前記少なくとも1つの圧電デバイス(1,101)は、前記物品に埋め込まれているか前記物品と一体となっている、請求項10ないし12のいずれか1に記載の物品。
- 請求項1ないし9のいずれか1に記載の圧電デバイス(1,101)を得るための方法であって、
a)少なくとも2つの炭素繊維が交差した交差部を有するヤーン(2a,2b;102a,102b)を含む物体の一部分上への接着層の形成ステップと、
b)ステップa)の前記接着層上でのナノロッド形態の酸化亜鉛の成長ステップと、
あるいは、
a1)2つの炭素繊維のヤーン(2a,2b)の一部分上への接着層の形成ステップと、
b1)ステップa1)の前記接着層上でのZnO NRの成長ステップと、
c1)前記2つの炭素繊維のヤーン(2a,2b)の重ね合わせステップと、を含む方法。 - 前記ステップa)又はa1)は、化学浴技術によって実行され、
A1)所定時間、所定温度で、亜鉛塩水溶液中への、覆われるべき前記物体又は前記ヤーン(2a,2b)の浸漬ステップと、
A2)所定時間、所定温度で、塩基性水溶液中へのステップA1)の前記物体又は前記ヤーン(2a,2b)の浸漬ステップと、
A3)ステップA2)から得られた前記物体又は前記ヤーン(2a,2b)の乾燥ステップと、
A4)前記ステップA1)、A2)及びA3)の所定回数の繰り返しステップとをこの順に含む、請求項14に記載の方法。 - 前記亜鉛塩は、酢酸亜鉛であり、前記ステップA2)は、室温で、1秒間ないし1時間かそれ以上の時間、実行され、前記塩基性水溶液は、水酸化アンモニウムの水溶液である、請求項15に記載の方法。
- 前記ステップA2)は、室温で、1秒間ないし1時間かそれ以上の時間、実行される、請求項15又は16に記載の方法。
- 前記ステップA1)、A2)及びA3)は、少なくとも10回繰り返される、請求項15ないし17のいずれか1に記載の方法。
- 前記ステップa)又はa1)は、従来のスパッタリング技術によって実行され、このスパッタリング技術は、
B1)所定時間、不活性雰囲気の下で、真空中で、スパッタリング堆積チャンバ中に配置された前記物体の一部分上への酸化亜鉛層(3)の堆積ステップと、
B2)前記ステップB1)の所定回数の繰り返しステップと、をこの順に含む、請求項14に記載の方法。 - 前記ステップB1)は、120Wの電力を使用して、30秒間ないし1時間かそれ以上の堆積時間、実行され、
前記ステップB2)は、2ないし4回の堆積サイクルを与える、請求項19に記載の方法。 - 前記接着層上にナノロッドの形態の酸化亜鉛を成長させる前記ステップb)は、
i)所定時間、所定温度で、亜鉛塩の、及びアミンの溶液中への、ステップa)又はa1)から得られた前記物体又は前記ヤーン(2a,2b)の浸漬ステップと、
ii)前記物体又は前記ヤーン(2a,2b)の乾燥ステップとをこの順に含む、請求項14ないし20のいずれか1に記載の方法。 - 前記亜鉛塩の溶液は、酢酸亜鉛水溶液であり、前記アミンは、ヘキサメチレンテトラミンである、請求項21に記載の方法。
- 前記浸漬ステップを実行する温度が50℃よりも高く、前記浸漬ステップを実行する時間が2ないし6時間である、請求項21又は22に記載の方法。
- 1以上の圧電デバイス(1,101)を含む、請求項10ないし13に記載のいずれか1による炭素繊維材料の物品を作製する方法であって、
1)圧電デバイス(1,101)を形成するための、前記炭素繊維が交差した交差部を有するヤーン(2a,2b)上への、又は縦糸(102a)と横糸(102b)からなる炭素繊維織物(110)上へのナノロッドの形態の酸化亜鉛層(3,103)の堆積ステップと、
2)重合体マトリックスへの、ステップ1)の前記圧電デバイス(1,101)の含浸ステップと、
3)前記物品の前駆体又はその一部の形成ステップと、
4)薄層状炭素繊維物品を形成するための、ステップ3)の前記物品の前駆体又はその一部の前記重合体マトリックスの重合ステップと、を含む方法。 - さらに、5)前記重合体マトリックスで含浸された炭素繊維織物の1以上の層とステップ4)の1以上の薄層状物品を接合することによる多層物品の形成ステップと、前記重合体マトリックスの次の重合ステップを含む、請求項24に記載の方法。
- 1以上の圧電デバイス(1,101)を含む、請求項10ないし13に記載のいずれか1による炭素繊維物品を作製する方法であって、
1a)圧電デバイス(1,101)を形成するための、前記炭素繊維が交差した交差部を有するヤーン(2a,2b)上への、又は縦糸(102a)と横糸(102b)からなる炭素繊維織物(110)上への、ナノロッドの形態の酸化亜鉛層(3,103)の堆積ステップと、
2a)重合体マトリックスへの、ステップ1a)の前記圧電デバイス(1,101)の含浸ステップと、
3a)前記重合体マトリックスへの炭素繊維織物の含浸ステップと、
4a)ステップ2a)による前記重合体マトリックスで含浸された1以上の圧電デバイス(1,101)を接合することによる物品の前駆体又はその一部の形成ステップと、
5a)前記物品を形成するための、ステップ4a)の前記物品の前駆体又はその一部の重合ステップとを含む方法。 - 前記ステップ4a)は、ステップ3a)による前記重合体マトリックスで含浸された炭素繊維織物の1以上の層と、ステップ2a)による前記重合体マトリックスで含浸された1以上の圧電デバイス(1,101)を接合することによる物品の前駆体又はその一部の形成ステップである、請求項26に記載の方法。
- 前記ステップ1)又は1a)が、織る動作の前に、予め織られた織物(110)又は炭素繊維のヤーン(102a,102b)に対して実行される、請求項24ないし27のいずれか1に記載の方法。
- 前記重合ステップ4)又は4a)は、室温から180℃の間の温度で、1バールないし10バールの圧力で、オートクレーブプロセスによって実行され、
前記重合体マトリックスは、エポキシ樹脂とフェノールのマトリックスとから選択された熱硬化性材料である、請求項24ないし28のいずれか1に記載の方法。 - 前記ステップ4)又は4a)は、100℃から450℃までの温度で、400トンまでの押圧力で、3ないし60分間、モールド成形プロセスによって実行され、
前記重合体マトリックスは、ポリエチレン(PE)、硫化ポリフェニレン(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)及びポリエチレンイミド(PEI)から選択された熱可塑性材料である、請求項24ない28のいずれか1に記載の方法。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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