JPH0685346A - 圧電複合材料 - Google Patents

圧電複合材料

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JPH0685346A
JPH0685346A JP23733792A JP23733792A JPH0685346A JP H0685346 A JPH0685346 A JP H0685346A JP 23733792 A JP23733792 A JP 23733792A JP 23733792 A JP23733792 A JP 23733792A JP H0685346 A JPH0685346 A JP H0685346A
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JP
Japan
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conductivity
particles
piezoelectric
composite material
mixed
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JP23733792A
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English (en)
Inventor
Masao Sumita
田 雅 夫 住
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Koa Oil Co Ltd
Mitsui Mining Co Ltd
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Koa Oil Co Ltd
Mitsui Mining Co Ltd
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

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  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Vibration Prevention Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 すぐれた制振効果を得るための導電率の調整
ないし制御が容易であり、工業的規模での製造に好適な
圧電複合材料を提供すること。 【構成】 マトリックス樹脂中に、圧電粒子と、被圧縮
性/回復力を有する炭素材料粒子とが混合されてなるこ
とを特徴とする圧電複合材料。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は圧電特性を有する複合材
料に関し、特に、車両、鉄道、航空機などの輸送機器関
連部材、建築・建材関連部材、家電・OA機器のような
業務用関連部材などにおいて発生する振動を減免するた
めの制振部材(ダンパ)として好適な優れた制振特性を
有する圧電複合材料に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来知られている制振材料としては、高
分子系粘弾性材料を利用したものが多く、例えば薄い鋼
板の間に高分子系粘弾性層をサンドイッチした制振鋼板
が実用化されている。これは、発生した振動の力によっ
て高分子系粘弾性層が変形し、これが元の状態に戻る時
に分子間の摩擦によって振動エネルギーが熱に変化し、
これによって制振効果を発現させようとするものであ
る。
【0003】また、最近、圧電特性を有する材料を制振
材料として利用する試みもなされている(内野研二、石
井孝明、セラミックス論文誌、96、863−67(1
988))。この場合の制振材料は、圧電粒子と導電粒
子とを充填した樹脂系複合材料からなるものであって、
まず発生した振動エネルギーを圧電変換により電気的ポ
テンシャルとして取り出し、さらに導電粒子が形成する
導電路に発生電流を流すことによって振動エネルギーを
ジュール熱として消費するようにしたものである。
【0004】すなわち、圧電複合材料に対して振動が加
えられると振動エネルギーは圧電効果により電気的エネ
ルギーに変換されて圧電粒子に交流電圧が発生する。そ
して、複合材料中に導電粒子が存在することによって複
合材料は適当な抵抗を持ち、これによって発生した電気
エネルギーが最終的にジュール熱として消費されるので
ある。
【0005】この場合における圧電複合材料の抵抗を
R、圧電粒子の容量をC、減衰させたい振動の振動数を
ωとすると、インピーダンスの整合条件として、R=1
/ωCの条件が成立するときに、最も迅速に振動が減衰
することが知られている。したがって、固有振動数に対
応する適当な導電率を設定することによって制振効果を
大きくすることができるのである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところで、圧電粒子と
導電性粒子とを含有する複合材料からなる制振材料にお
いては、導電性粒子として一般に炭素系の材料が用いら
れる。このような炭素粒子を樹脂系複合材に配合した場
合、炭素粒子(カーボンブラック)がある特定の濃度
(臨界充填量)になった時点で複合材料の導電率が急激
に増大する(10桁以上も変化する例がある)ことが知
られている(住田雅夫、日本接着協会誌、23、102
−11(1987)、鈴木洋二他、日本セラミックス協
会学術論文誌、99[11]、1135−1137(1
991))。
【0007】このように、従来の圧電複合材料において
は、炭素粒子の臨界充填量の近傍において導電率が急激
に変化するので、導電率を所定の最適範囲に調整するこ
とは極めて困難であるという問題がある。このことは後
述する比較例(図1参照)の結果からも明らかである
(比較例においては、炭素粒子の臨界充填量に近傍にお
いてほとんど垂直の状態で導電率が増大している)。
【0008】このように、材料の導電率を所望の値に調
整することが困難であるということは、良好な制振効果
が発現される最適の導電率を有する圧電複合材料を工業
的に生産することが困難であることを意味する。
【0009】本発明は上述した従来技術に鑑みてなされ
たものであって、すぐれた制振効果を得るための導電率
の調整ないし制御の容易化が図られ、したがって工業的
規模での製造に好適な圧電複合材料を提供することを目
的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明による圧電複合材
料は、マトリックス樹脂中に、圧電粒子と、被圧縮性/
回復力を有する炭素材料粒子とが混合されてなることを
特徴とするものである。
【0011】本発明者の知見によれば、導電性を付与す
る成分として、被圧縮性/回復力を有する炭素材料粒子
を含有させることによって、炭素材料粒子の含有量変化
に対する導電率の変化をゆるやかにすることができるこ
とを見出した。
【0012】このように被圧縮性/回復力を有する炭素
材料粒子を採用することによって導電率の変化をゆるや
かにすることができる理由については必ずしも明らかで
はないが、以下のようなメカニズムによるものと推定さ
れる。
【0013】すなわち、上記のような炭素粒子の臨界充
填量の近傍において導電率が急激に変化する理由は、炭
素粒子のような導電性粒子が臨界量近傍でマトリックス
樹脂中において網目状の凝集を起こし、これによって粒
子間の距離が近接して導電性が急激に増大することに起
因するものと考えられる。ところが、本発明におけるよ
うな易変形の炭素材料粒子を用いた場合、この粒子の変
形によって均一な粒子間距離を乱して急激な導電性の増
加を遅延させることができるのではないかと考えられ
る。すなわち、易変形粒子として被圧縮性/回復力を有
する炭素粒子を用いて、圧電粒子、樹脂マトリックスと
複合化して成形体を形成した場合、その導電率は炭素粒
子が網目状の凝集を起こす濃度付近でゆるやかに変化さ
せることができものと考えられる。通常、被圧縮性と圧
縮に対する復元力を有する粒子は成形時に圧縮され、マ
トリックス樹脂との接着により拘束され、圧縮された状
態におかれる。粒子の形状は均質な物ではないため一部
の粒子はその拘束力が弱く、復元力により元の粒子形状
ないしはそれに近い形状に戻ることが可能となり、結果
的に粒子間距離の不均一化が生じて、これにより導電率
の急激な増加を遅らせる効果が発現するものと推定され
る。
【0014】本発明における圧電粒子としては、本発明
の目的が達成され得る限りにおいて、従来公知の高分子
系およびセラミックス系圧電材料が適宜用いられ得る。
【0015】たとえば、高分子系圧電材料の代表的なも
のとしては、ポリ‐γ‐メチルグルタメート、ジアセチ
ルセルロース、ポリフッ化ビニルなどが挙げられる。ま
た、セラミックス系圧電材料としては、チタン酸バリウ
ム、ジルコン酸鉛−チタン酸鉛系固溶体(以下PZTと
略す)などが挙げられる。一般に圧電機能は制振効果に
大きく影響するので、圧電性能の大きなセラミックス系
圧電材料が好ましく用いられ、なかでもPZTが望まし
い。
【0016】圧電粒子の粒子径は、特に制限されるもの
ではないが、0.1〜50μm程度の範囲が成形性の点
において好ましい。たとえば、制振材料として用いる場
合の成形体等の厚さを考慮する場合にあっては、さらに
小さな粒子径に調製することも可能である。
【0017】圧電粒子の含有量としては、特に制限され
るものではないが、圧電複合材料全体に対して10〜9
0容量%の範囲が好ましく、さらに好ましくは20〜7
0容量%である。これらの範囲において、目的とする制
振特性の発現に応じて適宜最適の量が選択され得る。前
述したように、本発明においては、被圧縮性/回復力を
有する炭素材料粒子を含有させることによって、炭素材
料粒子の含有量変化に対する導電率の変化をゆるやかに
することができるので、目的の機能を有する圧電複合材
料の製造を容易化する上においてすぐれている。
【0018】本発明において、「被圧縮性/回復力を有
する炭素材料粒子」とは、弾性を有する炭素材料粒子を
意味し、より具体的には、炭素材料粒子に対して力学的
な外力が与えられた場合において圧縮性と圧縮に対する
回復力の双方を有する炭素材料粒子であることを意味す
る。したがって、上記のような弾性特性を有していない
従来のカーボンブラック粒子は本発明の範囲から除外さ
れる。
【0019】このような被圧縮性/回復力を有する炭素
材料粒子としては、例えば弾性黒鉛体が好ましく用いら
れる。この場合の弾性黒鉛体としては、石油系、石炭系
ピッチ類を熱処理して製造される炭素質メソフェース、
または生コークスを、硝酸もしくは硫酸との混酸中で処
理し、熱処理、黒鉛化処理して得たもの、もしくは炭素
質メソフェースまたは生コークスの硝酸もしくは硝酸と
硫酸との混酸による処理物を塩基性水溶液と炭素質分を
熱処理し黒鉛化して得られる弾性黒鉛体が特に好ましく
用いられる。
【0020】これら弾性黒鉛体の製造法については、例
えば特開昭63−139080号や特開昭64−980
8号に記載されている。
【0021】本発明における炭素材料粒子の粒子径は、
特に制限されるものではないが、成形操作性の上から
は、1mm以下に調整して用いることが好ましい。制振材
料として用いる場合の成形体等の厚さを考慮する場合に
あっては、さらに小さな粒子径に調製することも可能で
ある。
【0022】炭素材料粒子の含有量は、特に制限される
ものではなく、目的とする機能の発現に応じて適宜選択
され得る。たとえば、減免したい振動の大きさや振動の
個所に応じて、圧電材料、マトリックス樹脂を選択し、
最適な導電率となるように炭素材料粒子の含有量を設計
することができる。
【0023】マトリックス樹脂としては、圧電複合材料
の使用形態、部材への適用目的に応じて適宜選択され得
る。
【0024】たとえば、成形体として用いる場合は、ポ
リテトラフルオロエチレン、ポリフッ素ビニリデンなど
のフッ素系樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽
和ポリエステル樹脂などが成形特性上好ましい。
【0025】前述したように、圧電粒子、炭素材料粒
子、マトリックス樹脂の配合比は、それぞれの材料の組
み合わせに応じ、配合比を変えて導電率を測定して最適
の配合比に容易に調製することができる。
【0026】最適な配合を行った本発明の材料は、施工
場所に応じてシート状の成形体としたり、制振部位への
塗布など幅広い形態で用いることができる。
【0027】さらに本発明による圧電複合材料は、その
機能を利用して、吸収したい音域の音を自由に変化し得
る吸音材料としても適用することが可能である。
【0028】
【実施例】実施例 樹脂材料としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を用
いてPZTと弾性黒鉛体を体積比で混合した。
【0029】PZT配合比を40%に固定し、弾性黒鉛
体配合量を7.5%から12.5%に変えた混合物をそ
れぞれ調整した。
【0030】該混合物を200℃に温度設定したロール
混練機で混練した後プレス成形して厚さ0.5mmのシー
トを得た。
【0031】該シートから縦100mm、横15mmのもの
を切り出して導電率を測定した。
【0032】さらに片端を固定してパルス駆動モーター
で初期先端変位を与えた時の残留振動を非接触センサー
を使って検出し、振巾が1/eになるまでの時間(減衰
時定数)を測定した。比較例1 PVDFにPZTを50%配合して、これに導電性粒子
としてカーボンブラックを用いて、その配合量を4〜8
%に変えた混合物をそれぞれ調整した。
【0033】実施例と同様にしてシート成形、試料切り
出しを行い、導電率と減衰時定数の測定を行った。比較例2 比較例1のカーボンブラックをケッチェンブラックに変
えて、その配合量を1〜6%とする以外は比較例1と同
様にして行った。
【0034】実施例及び比較例の試料について測定して
得られた導電率の値を図1に、減衰時定数の値を図2に
示した。
【0035】図1から明らかなように、実施例では弾性
黒鉛体の配合量の変化にともなって導電率が比較例に比
べゆるやかな変化を示しており、配合量を変えることで
所望の導電率に調整しやすくなっている。これに対し
て、比較例においては、導電率が、特定の配合量におい
てほとんど垂直に立ち上がるように変化していることが
認められる。
【0036】また、図2から明らかなように、実施例に
おいては比較例と比べてPZTの配合量が少ないにもか
かわらず、減衰効果が大きいことも認められる。
【図面の簡単な説明】
【図1】導電粒子の配合割合(容積%)を横軸とし、成
形試料の導電率(Ω-1・cm-1)を対数として表した導電
率の変化を示すグラフ。
【図2】導電粒子の配合割合(容積%)を横軸とし、成
形試料の減衰時定数(msec)を縦軸とする減衰時定数の
変化を示すグラフ。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】マトリックス樹脂中に、圧電粒子と、被圧
    縮性/回復力を有する炭素材料粒子とが混合されてなる
    ことを特徴とする、圧電複合材料。
  2. 【請求項2】被圧縮性/回復力を有する炭素材料粒子
    が、弾性黒鉛体からなる、請求項1に記載の圧電複合材
    料。
  3. 【請求項3】請求項1に記載の圧電複合材料の成形体か
    らなることを特徴とする、制振部材。
  4. 【請求項4】請求項1に記載の圧電複合材料を製造する
    に際し、前記被圧縮性/回復力を有する炭素材料粒子の
    含有量を変化させることによって、圧電複合材料の導電
    率を所望の値に調整することを特徴とする、圧電複合材
    料の製造方法。
JP23733792A 1992-09-04 1992-09-04 圧電複合材料 Pending JPH0685346A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006075422A1 (ja) * 2005-01-14 2006-07-20 Yamamoto Plastics Co., Ltd. 成形用合成樹脂組成物およびその成形方法、成形体
US7160607B2 (en) * 2001-10-12 2007-01-09 Kurimoto, Ltd. Laminate damping base material, and damping structure with stack of this base material
WO2014155786A1 (ja) 2013-03-27 2014-10-02 木曾興業株式会社 複合制振材料

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