JPH07169607A - 複合材料 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 簡単に製造でき、充填材と母材を適当に選択
して、所定の要請に容易に合わせることのできる、少な
くとも一つの物理量が充填材や母材に影響を与えて材料
特性の少なくとも二つの非線形変化あるいは少なくとも
二つの材料特性の一方の少なくとも一つの非線形変化を
誘起する充填材とこの充填材を埋める母材を有する複合
材を提供する。 【構成】 充填材が核・殻構造および／または粒状組織
構造の粒子の成分を主に有するが、粒状組織構造の粒子
を有する充填材が導電性粒子を有する他の充填材の成分
を含まず、複合材料の電気伝導率の非線形変化を与える
電界が作用する場合、前記導電性粒子の電気伝導率が粒
状組織構造の粒子の電気伝導率より高い。
して、所定の要請に容易に合わせることのできる、少な
くとも一つの物理量が充填材や母材に影響を与えて材料
特性の少なくとも二つの非線形変化あるいは少なくとも
二つの材料特性の一方の少なくとも一つの非線形変化を
誘起する充填材とこの充填材を埋める母材を有する複合
材を提供する。 【構成】 充填材が核・殻構造および／または粒状組織
構造の粒子の成分を主に有するが、粒状組織構造の粒子
を有する充填材が導電性粒子を有する他の充填材の成分
を含まず、複合材料の電気伝導率の非線形変化を与える
電界が作用する場合、前記導電性粒子の電気伝導率が粒
状組織構造の粒子の電気伝導率より高い。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、充填材とこの充填材
を埋める母材を有する複合材に関し、この複合材では、
少なくとも一つの物理量が充填材や母材に影響を与えて
材料特性の少なくとも二つの非線形変化あるいは少なく
とも二つの材料特性の一方の少なくとも一つの非線形変
化を誘起する。
を埋める母材を有する複合材に関し、この複合材では、
少なくとも一つの物理量が充填材や母材に影響を与えて
材料特性の少なくとも二つの非線形変化あるいは少なく
とも二つの材料特性の一方の少なくとも一つの非線形変
化を誘起する。
【０００２】
【従来の技術】欧州特許第 0 548 606 A2 号明細書によ
れば電気抵抗器が知られている。この抵抗器は母材とし
て重合体の複合材から成る抵抗本体を有する。この重合
体母材には充填材として導電性の粉末、カーボンブラッ
クと粉末状のバリスタ材料が噴霧粉粒体のベースに埋め
込まれている。この抵抗器では、導電性の粉末が正規運
転状態で抵抗本体を通過する電流路を構成する。電流の
一定値以上で、抵抗本体は集中的に昇温する。重合体母
材は大きく延びて、電流路を形成する導電性充填材の粒
子を分離する。そして電流が遮断される。この場合、電
圧が抵抗本体であるいは局所的に強く上昇すると、バリ
スタ材料の粒子が電圧の所定限界値以上で局部的に、あ
るいは全抵抗本体を通して浸出通路を形成し、望ましく
ない高電圧がこの通路を流れる。しかし、流れる電流あ
るいは印加する電圧に関して複合材料の非線形特性で生
じる、先に説明した電流遮断および電圧制限を機能させ
るには、異なった二つの充填材が必要である。これは、
多くの応用で望ましくなく、場合によっては、複合材料
の製造で難点となる。
れば電気抵抗器が知られている。この抵抗器は母材とし
て重合体の複合材から成る抵抗本体を有する。この重合
体母材には充填材として導電性の粉末、カーボンブラッ
クと粉末状のバリスタ材料が噴霧粉粒体のベースに埋め
込まれている。この抵抗器では、導電性の粉末が正規運
転状態で抵抗本体を通過する電流路を構成する。電流の
一定値以上で、抵抗本体は集中的に昇温する。重合体母
材は大きく延びて、電流路を形成する導電性充填材の粒
子を分離する。そして電流が遮断される。この場合、電
圧が抵抗本体であるいは局所的に強く上昇すると、バリ
スタ材料の粒子が電圧の所定限界値以上で局部的に、あ
るいは全抵抗本体を通して浸出通路を形成し、望ましく
ない高電圧がこの通路を流れる。しかし、流れる電流あ
るいは印加する電圧に関して複合材料の非線形特性で生
じる、先に説明した電流遮断および電圧制限を機能させ
るには、異なった二つの充填材が必要である。これは、
多くの応用で望ましくなく、場合によっては、複合材料
の製造で難点となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、簡
単に製造でき、充填材と母材を適当に選択して、所定の
要請に容易に合わせることのできる、冒頭に述べた種類
の複合材料を提供することにある。
単に製造でき、充填材と母材を適当に選択して、所定の
要請に容易に合わせることのできる、冒頭に述べた種類
の複合材料を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記の課題は、この発明
により、少なくとも一つの物理量が充填材や母材に作用
して複合材料の特性の二つの非線形変化あるいは複合材
料の二つの特性のそれぞれ一方に非線形変化を与える、
充填材とこの充填材を埋め込む母材を有する複合材料に
あって、充填材が核・殻構造および／または粒状組織構
造の粒子の成分を主に有するが、複合材料の電気伝導率
の非線形変化を与える電界が作用する場合、電気伝導率
が粒状組織構造の粒子の電気伝導率より高い導電性粒子
を有する他の充填材成分が粒状組織構造の粒子を有する
充填材にないことにより解決されている。
により、少なくとも一つの物理量が充填材や母材に作用
して複合材料の特性の二つの非線形変化あるいは複合材
料の二つの特性のそれぞれ一方に非線形変化を与える、
充填材とこの充填材を埋め込む母材を有する複合材料に
あって、充填材が核・殻構造および／または粒状組織構
造の粒子の成分を主に有するが、複合材料の電気伝導率
の非線形変化を与える電界が作用する場合、電気伝導率
が粒状組織構造の粒子の電気伝導率より高い導電性粒子
を有する他の充填材成分が粒状組織構造の粒子を有する
充填材にないことにより解決されている。
【０００５】この発明による他の有利な構成は、特許請
求の範囲の従属請求項に記載されている。
求の範囲の従属請求項に記載されている。
【０００６】
【作用】この発明の複合材料は、充填材と母材を適当に
選択して、非線形挙動を示す少なくとも二つの材料特性
を有する必要な要請に容易に合わせることのできる点に
特徴がある。
選択して、非線形挙動を示す少なくとも二つの材料特性
を有する必要な要請に容易に合わせることのできる点に
特徴がある。
【０００７】充填材や母材は、他の物理量に対して、構
造変化、例えば固相から液相に移行することによって反
応する。材料特性、例えば導電性の非線形変化はこの構
造変化により誘起される。材料特性の非線形変化は、外
部物理量、例えば電界の影響によっても構造変化なしに
誘起される。以下では、母材が一つまたはそれ以上の物
理量の作用で、複合材料の材料特性の非線形変化に通じ
る構造変化をする場合、活性であるとする。母材は、一
つまたはそれ以上の物理量の作用で、構造変化を行わ
ず、複合材料の材料特性に非線形変化を起こさない場
合、不活性と称する。
造変化、例えば固相から液相に移行することによって反
応する。材料特性、例えば導電性の非線形変化はこの構
造変化により誘起される。材料特性の非線形変化は、外
部物理量、例えば電界の影響によっても構造変化なしに
誘起される。以下では、母材が一つまたはそれ以上の物
理量の作用で、複合材料の材料特性の非線形変化に通じ
る構造変化をする場合、活性であるとする。母材は、一
つまたはそれ以上の物理量の作用で、構造変化を行わ
ず、複合材料の材料特性に非線形変化を起こさない場
合、不活性と称する。
【０００８】母材としては、一般に重合体、例えば熱可
塑性樹脂、熱硬化性樹脂やエラストマーが使用される。
母材としては、場合によっては、無機材料、例えば ZrO
2 ，石英、天然重合体や金属を基材にしてガラス、セラ
ミックスも使用できる。この母材は主に固体材料で構成
されるが、場合によっては、液体でもある。母材は不動
であるが、一般に温度変化（ポリエチレン），圧力（エ
ラストマあるいは、例えば中空球のような変形可能な粒
子を充填した熱可塑性樹脂）あるいは電界（ポリビニー
ルフロライドのような圧電ポリマ）に対して構造変化を
伴って反応するように選択される。
塑性樹脂、熱硬化性樹脂やエラストマーが使用される。
母材としては、場合によっては、無機材料、例えば ZrO
2 ，石英、天然重合体や金属を基材にしてガラス、セラ
ミックスも使用できる。この母材は主に固体材料で構成
されるが、場合によっては、液体でもある。母材は不動
であるが、一般に温度変化（ポリエチレン），圧力（エ
ラストマあるいは、例えば中空球のような変形可能な粒
子を充填した熱可塑性樹脂）あるいは電界（ポリビニー
ルフロライドのような圧電ポリマ）に対して構造変化を
伴って反応するように選択される。
【０００９】充填材は平均粒径が主に数 100μm の核・
殻構造あるいは粒状構造の粒子を有する。しかし、充填
材が粒状構造の粒子の成分を有する場合、複合材料は導
電性粒子の充填材の成分を有し、この成分の導電度は複
合材料の導電度の非線形変化を与える電界が作用する
と、粒状構造の粒子の導電度より高い。
殻構造あるいは粒状構造の粒子を有する。しかし、充填
材が粒状構造の粒子の成分を有する場合、複合材料は導
電性粒子の充填材の成分を有し、この成分の導電度は複
合材料の導電度の非線形変化を与える電界が作用する
と、粒状構造の粒子の導電度より高い。
【００１０】核・殻構造の粒子の殻は絶縁材料であると
有利であるが、この粒子の核が主に導電性や半導電性の
材料で構成される。この粒子の殻が、特に酸化物あるい
は硫化物、窒化物、燐化物や硫酸塩のようなカルコゲン
化合物で構成されていると、複合材料に作用する電界が
所定値の時、複合材料の導電度が非線形変化するように
設計される。その時、粒子が熱可塑性あるいは熱硬化性
の重合体で形成された不動母材の中にあるなら、核の材
料を適当に選択した場合、電界が作用する時、この複合
材料の導電度が二回非選定変化する。この非線形変化の
第一は電圧を制限し、第二は電流あるいは出力あるいは
エネルギを制限する。これに反して、粒子が熱可塑性あ
るいは熱硬化性の重合体またはエラストマ重合体で形成
される活性母材中にあれば、更に、複合材料の導電度の
３番目の非線形変化も生じる。この変化は出力を過度に
受け入れる前に、および過加熱する前に複合材料の自己
保護のために使用される。核が添加 V2O 3 あるいは BaT
iO3 を含み、絶縁殻が VO2, V2O5, TiO2, BaO, BaS あ
るいは BaSO4 を含むと有利である。特に ZnO, SiC, S
i, TiO2 あるいは SnO2 のような添加ないしは非添加半
導体材料の核でも、上記の有利な作用を得ることができ
る。
有利であるが、この粒子の核が主に導電性や半導電性の
材料で構成される。この粒子の殻が、特に酸化物あるい
は硫化物、窒化物、燐化物や硫酸塩のようなカルコゲン
化合物で構成されていると、複合材料に作用する電界が
所定値の時、複合材料の導電度が非線形変化するように
設計される。その時、粒子が熱可塑性あるいは熱硬化性
の重合体で形成された不動母材の中にあるなら、核の材
料を適当に選択した場合、電界が作用する時、この複合
材料の導電度が二回非選定変化する。この非線形変化の
第一は電圧を制限し、第二は電流あるいは出力あるいは
エネルギを制限する。これに反して、粒子が熱可塑性あ
るいは熱硬化性の重合体またはエラストマ重合体で形成
される活性母材中にあれば、更に、複合材料の導電度の
３番目の非線形変化も生じる。この変化は出力を過度に
受け入れる前に、および過加熱する前に複合材料の自己
保護のために使用される。核が添加 V2O 3 あるいは BaT
iO3 を含み、絶縁殻が VO2, V2O5, TiO2, BaO, BaS あ
るいは BaSO4 を含むと有利である。特に ZnO, SiC, S
i, TiO2 あるいは SnO2 のような添加ないしは非添加半
導体材料の核でも、上記の有利な作用を得ることができ
る。
【００１１】粒子の核が特に TiC, TiB2, BaTi, SrTi,
V2O3, Al, Cu, Sn, Ti あるいはZn のような導電性物質
を有し、粒子の殻が外部物理量に非線形依存する、主に
強誘電体あるいは反誘電体である高い誘電率の物質で形
成されているなら、誘電体として使用される複合材料と
なる。
V2O3, Al, Cu, Sn, Ti あるいはZn のような導電性物質
を有し、粒子の殻が外部物理量に非線形依存する、主に
強誘電体あるいは反誘電体である高い誘電率の物質で形
成されているなら、誘電体として使用される複合材料と
なる。
【００１２】母材がこのような充填材でエラストマー的
である故、圧力で活性化される重合体で形成され、殻が
特に BaW1/3Bi23O3 のようなビスマス酸塩、特に PbFe
0. 5Nb0.5O3 のようなニオブ酸塩、特に PbW1/3Sc2/3O3
のようなスカンジウム酸塩、特に SrSnO3 のよな錫酸
塩、特に PbFe0.5Ta0.5O3 のようなタンタル酸塩、特に
BaTiO3 あるいは SrTiO3 のようなチタニウム酸塩、特
に PbZrO3のようなジルコン酸塩、特に BaMn0.5Re0.5O
3 のようなマンガン酸塩、特にBaMn0.5RRe0.5O3 のよう
な亜レニウム酸塩、特に BaMn0.5Te0.5O3 のような亜テ
ルル酸塩、特に PbMg0.5W0.5O3 のようなタングステン
(VI) 酸化物、特に PbW1/3Ga2/3O3 のようなガリウム
(VI) 酸化物を単体あるいは混合物にして有するなら、
このような複合材で圧力と温度の変化があると、誘電率
と損失係数の二つの非線形変化が得られる。この二つの
変化は圧力と温度に依存するコンデンサの誘電物として
そのような複合材を使用するのに望ましい。
である故、圧力で活性化される重合体で形成され、殻が
特に BaW1/3Bi23O3 のようなビスマス酸塩、特に PbFe
0. 5Nb0.5O3 のようなニオブ酸塩、特に PbW1/3Sc2/3O3
のようなスカンジウム酸塩、特に SrSnO3 のよな錫酸
塩、特に PbFe0.5Ta0.5O3 のようなタンタル酸塩、特に
BaTiO3 あるいは SrTiO3 のようなチタニウム酸塩、特
に PbZrO3のようなジルコン酸塩、特に BaMn0.5Re0.5O
3 のようなマンガン酸塩、特にBaMn0.5RRe0.5O3 のよう
な亜レニウム酸塩、特に BaMn0.5Te0.5O3 のような亜テ
ルル酸塩、特に PbMg0.5W0.5O3 のようなタングステン
(VI) 酸化物、特に PbW1/3Ga2/3O3 のようなガリウム
(VI) 酸化物を単体あるいは混合物にして有するなら、
このような複合材で圧力と温度の変化があると、誘電率
と損失係数の二つの非線形変化が得られる。この二つの
変化は圧力と温度に依存するコンデンサの誘電物として
そのような複合材を使用するのに望ましい。
【００１３】これに反して、この種の充填材で母材が圧
電重合体、特にポリビニリデンフロライドで形成され、
殻がビスマス酸塩、ニオブ酸塩、スカンジウム酸塩、錫
酸塩、タンタル酸塩、チタニウム酸塩、ジルコン酸塩、
マンガン酸塩、亜レニウム酸塩、亜テルル酸塩、タング
ステン (VI) 酸化物、あるいはガリウム (VI) 酸化物を
単体あるいは混合物にして含むなら、そのような複合材
料で電界強度や温度が変わると、誘電率定数の二つの非
線形変化が生じる。それ故、この複合材料は電圧および
温度に依存するコンデンサの誘電体として使用できる。
同じことは、同じ充填材であるが、活性熱可塑性ないし
は熱硬化性重合体で形成された母材の複合材料にも当て
はまる。
電重合体、特にポリビニリデンフロライドで形成され、
殻がビスマス酸塩、ニオブ酸塩、スカンジウム酸塩、錫
酸塩、タンタル酸塩、チタニウム酸塩、ジルコン酸塩、
マンガン酸塩、亜レニウム酸塩、亜テルル酸塩、タング
ステン (VI) 酸化物、あるいはガリウム (VI) 酸化物を
単体あるいは混合物にして含むなら、そのような複合材
料で電界強度や温度が変わると、誘電率定数の二つの非
線形変化が生じる。それ故、この複合材料は電圧および
温度に依存するコンデンサの誘電体として使用できる。
同じことは、同じ充填材であるが、活性熱可塑性ないし
は熱硬化性重合体で形成された母材の複合材料にも当て
はまる。
【００１４】複合材料が粒子の核と殻が導電性材料の核
・殻構造で形成されている充填材を有し、その場合核や
殻が温度の作用を受けると構造が変化すると、このよう
な複合材料は正温度係数抵抗として使用できる。このよ
うな複合材料では、 V2O3や BaTiO3 の核をそれぞれ添
加状態で、また TiB2 あるいは TiCのような良導電性材
料の殻を使用すると有利である。この場合、これ等の殻
は構造変化時に低減する核の導電度の減少が複合材料の
電気抵抗を高める、例えば二倍にするような厚さを有す
る。こうして、限界温度に達すると、正温度係数抵抗を
流れる電流が非常に急激に低下、例えば半分になる。更
に活性母材が、例えば熱可塑性あるいは熱硬化性重合体
であれば、既に低減した電流がゆっくりと昇温された重
合体により更に制限される。
・殻構造で形成されている充填材を有し、その場合核や
殻が温度の作用を受けると構造が変化すると、このよう
な複合材料は正温度係数抵抗として使用できる。このよ
うな複合材料では、 V2O3や BaTiO3 の核をそれぞれ添
加状態で、また TiB2 あるいは TiCのような良導電性材
料の殻を使用すると有利である。この場合、これ等の殻
は構造変化時に低減する核の導電度の減少が複合材料の
電気抵抗を高める、例えば二倍にするような厚さを有す
る。こうして、限界温度に達すると、正温度係数抵抗を
流れる電流が非常に急激に低下、例えば半分になる。更
に活性母材が、例えば熱可塑性あるいは熱硬化性重合体
であれば、既に低減した電流がゆっくりと昇温された重
合体により更に制限される。
【００１５】充填材中で、核・殻構造体の粒子の代わり
に、あるいは場合によっては一緒に設けてある粒状組織
構造の粒子は焼結セラミックスあるいは多結晶半導体を
粉砕して、または懸濁液あるいは溶液を噴射乾燥させ
て、および噴射乾燥させた粒子をばい焼あるいは焼結し
て形成される。これ等の粒子は強誘電性あるいは反強誘
電性であり、取り分け、ビスマス酸塩、ニオブ酸塩、ス
カンジウム酸塩、錫酸塩、タンタル酸塩、チタニウム酸
塩、ジルコン酸塩、マンガン酸塩、亜レニウム酸塩、亜
テルル酸塩、タングステン (VI) 酸化物、あるいはガリ
ウム (VI) 酸化物を単体あるいは混合物にして、しかも
添加あるいは非添加される。これ等の粒子は添加された
金属酸化物あるいは金属炭化物、SiC, TiO2 または ZnO
および／または BaTiO3, SrTiO3, InSb, GaAsまたは Si
で構成されている。この種の複合材料には温度変化が
あると逆方向となる導電度の二つの非線形変化があり、
組み合わせた負温度係数および正温度係数の抵抗素子と
して使用される。粒状構造の粒子が活性母材中に埋め込
まれていると、導電度の二つの非線形変化が生じ、一方
が電圧で制限され、他方が電流または出力あるいはエネ
ルギで制限されるように働く。
に、あるいは場合によっては一緒に設けてある粒状組織
構造の粒子は焼結セラミックスあるいは多結晶半導体を
粉砕して、または懸濁液あるいは溶液を噴射乾燥させ
て、および噴射乾燥させた粒子をばい焼あるいは焼結し
て形成される。これ等の粒子は強誘電性あるいは反強誘
電性であり、取り分け、ビスマス酸塩、ニオブ酸塩、ス
カンジウム酸塩、錫酸塩、タンタル酸塩、チタニウム酸
塩、ジルコン酸塩、マンガン酸塩、亜レニウム酸塩、亜
テルル酸塩、タングステン (VI) 酸化物、あるいはガリ
ウム (VI) 酸化物を単体あるいは混合物にして、しかも
添加あるいは非添加される。これ等の粒子は添加された
金属酸化物あるいは金属炭化物、SiC, TiO2 または ZnO
および／または BaTiO3, SrTiO3, InSb, GaAsまたは Si
で構成されている。この種の複合材料には温度変化が
あると逆方向となる導電度の二つの非線形変化があり、
組み合わせた負温度係数および正温度係数の抵抗素子と
して使用される。粒状構造の粒子が活性母材中に埋め込
まれていると、導電度の二つの非線形変化が生じ、一方
が電圧で制限され、他方が電流または出力あるいはエネ
ルギで制限されるように働く。
【００１６】
【実施例】以下、図面に基づき、この発明の好適実施例
およびこれにより得られる他の利点をより詳しく説明す
る。
およびこれにより得られる他の利点をより詳しく説明す
る。
【００１７】この発明による複合材料の第一実施例で
は、バリスタ製造により周知のように、先ず酸化亜鉛と
Bi, Sb, Mn, Co, Al ・・・のような多くの元素をベー
スにした添加材料の懸濁液あるいは溶液から噴射乾燥で
3〜 300μm の粒径の顆粒を作製する。この顆粒を約 1
200 ℃の温度で焼結して粉末にする。粉末粒子はほぼ球
形に形成され、それぞれサッカーボールの球体のように
互いに接する多数の粒子で構成されている。粉末粒子の
粒の各々は周知のように Bi, Sb, Mn や他の元素が添加
され、良導電性の ZnOで構成されている。隣接する粒子
の間には、約 3ボルトの電圧を印加すると良導電性にな
る電気絶縁性の粒界がある。添加剤と製造方法の様式を
選択して 3〜 200 Vボルトの間の電圧を印加すると、導
電性になりこの温度以下で非導電性になる粉末粒子を作
製できる。これ等の粉末粒子は外部電界に関して非線形
で、何よりも、粒界で定まる特性を有する。球状の形の
代わりに、粉末粒子が針状ないしは板状の形状を有して
もよく、製造条件に応じてコンパクトに、あるいは中空
に形成できる。
は、バリスタ製造により周知のように、先ず酸化亜鉛と
Bi, Sb, Mn, Co, Al ・・・のような多くの元素をベー
スにした添加材料の懸濁液あるいは溶液から噴射乾燥で
3〜 300μm の粒径の顆粒を作製する。この顆粒を約 1
200 ℃の温度で焼結して粉末にする。粉末粒子はほぼ球
形に形成され、それぞれサッカーボールの球体のように
互いに接する多数の粒子で構成されている。粉末粒子の
粒の各々は周知のように Bi, Sb, Mn や他の元素が添加
され、良導電性の ZnOで構成されている。隣接する粒子
の間には、約 3ボルトの電圧を印加すると良導電性にな
る電気絶縁性の粒界がある。添加剤と製造方法の様式を
選択して 3〜 200 Vボルトの間の電圧を印加すると、導
電性になりこの温度以下で非導電性になる粉末粒子を作
製できる。これ等の粉末粒子は外部電界に関して非線形
で、何よりも、粒界で定まる特性を有する。球状の形の
代わりに、粉末粒子が針状ないしは板状の形状を有して
もよく、製造条件に応じてコンパクトに、あるいは中空
に形成できる。
【００１８】上記粉末の 25, 30, 35, 40 と 45 部分を
それぞれポリエチレントと強力に混ぜ合わせ、加熱プレ
スして、ポリエチレン母材と 25, 30, 35, 40 と 45 の
容積パーセントの充填材成分を有する複合材料を作製し
た。
それぞれポリエチレントと強力に混ぜ合わせ、加熱プレ
スして、ポリエチレン母材と 25, 30, 35, 40 と 45 の
容積パーセントの充填材成分を有する複合材料を作製し
た。
【００１９】25 容積部分の添加 ZnOを有するバリスタ
には、図１に示す電流・電圧特性曲線Ｉがある。臨界電
流値ＩC 以下では、このバリスタは焼結セラミックスを
ベースにした通常のバリスタとほぼ同じように振る舞
い、流れる電流Ｉが印加電圧Ｅに対して強い非線形依存
性を示す。この場合、電流は粉末粒子で形成される浸出
通路を流れる。臨界電流値ＩC 以上では、重合体母材が
ポリエチレンの融点以上の温度に加熱される。この重合
体母材は膨張し、電流を流す通路を遮断する。バリスタ
は再び高抵抗状態に移行し、電流を遮断する。母材を臨
界電流値ＩC 以上に活性化すると、バリスタに許されな
い昇温を防止できる。
には、図１に示す電流・電圧特性曲線Ｉがある。臨界電
流値ＩC 以下では、このバリスタは焼結セラミックスを
ベースにした通常のバリスタとほぼ同じように振る舞
い、流れる電流Ｉが印加電圧Ｅに対して強い非線形依存
性を示す。この場合、電流は粉末粒子で形成される浸出
通路を流れる。臨界電流値ＩC 以上では、重合体母材が
ポリエチレンの融点以上の温度に加熱される。この重合
体母材は膨張し、電流を流す通路を遮断する。バリスタ
は再び高抵抗状態に移行し、電流を遮断する。母材を臨
界電流値ＩC 以上に活性化すると、バリスタに許されな
い昇温を防止できる。
【００２０】図２から、充填材成分 ff [容積パーセン
ト] の増加と共にバリスタの非線形特性が改善すること
が分かる。外部電圧Ｅに対して十分良好な非線形特性は
約 30 〜 50 容積パーセントの充填材成分で達成され
る。この充填材成分では、重合体母材を確実に活性化し
てもバリスタの過熱が防止される。
ト] の増加と共にバリスタの非線形特性が改善すること
が分かる。外部電圧Ｅに対して十分良好な非線形特性は
約 30 〜 50 容積パーセントの充填材成分で達成され
る。この充填材成分では、重合体母材を確実に活性化し
てもバリスタの過熱が防止される。
【００２１】図３から、先に説明した複合材料を有する
バリスタを負温度係数あるいは正温度係数素子としても
使用できることが分かる。温度が上昇すると、つまり 2
0 〜80 ℃の間の温度で、複合材料の比抵抗Ｒが非線形
的に減少し、 110〜 130℃の間の温度で再び非線形的に
上昇する。この場合、第一の抵抗変化は充填材の半導体
酸化亜鉛により、また第二の抵抗変化は約 110〜 130℃
で活性な重合体母材に起因する。
バリスタを負温度係数あるいは正温度係数素子としても
使用できることが分かる。温度が上昇すると、つまり 2
0 〜80 ℃の間の温度で、複合材料の比抵抗Ｒが非線形
的に減少し、 110〜 130℃の間の温度で再び非線形的に
上昇する。この場合、第一の抵抗変化は充填材の半導体
酸化亜鉛により、また第二の抵抗変化は約 110〜 130℃
で活性な重合体母材に起因する。
【００２２】個々の粉末粒子の粒界による静電容量作用
（空間電荷）により、バリスタ中にある複合材料はコン
デンサの誘電体としても使用される。充填材の成分 ff
[ 容積パーセント] の関数にした複合材料の誘電定数と
損失係数 tanδの大きさが図４と図５に示してある。こ
れ等の図から、 25 〜 50 容積パーセントの間の充填材
の成分でコンデンサの多くの応用に対して十分良好な誘
電特性が得られる。温度が上昇すると、誘電定数と損失
係数は非線形的に増加する。図６によれば、この状況は
25 容積パーセントの充填材の成分を有する複合材料の
誘電定数εの温度変化によることが分かる。同様なこと
は、この複合材料の損失係数にも当てはまる。
（空間電荷）により、バリスタ中にある複合材料はコン
デンサの誘電体としても使用される。充填材の成分 ff
[ 容積パーセント] の関数にした複合材料の誘電定数と
損失係数 tanδの大きさが図４と図５に示してある。こ
れ等の図から、 25 〜 50 容積パーセントの間の充填材
の成分でコンデンサの多くの応用に対して十分良好な誘
電特性が得られる。温度が上昇すると、誘電定数と損失
係数は非線形的に増加する。図６によれば、この状況は
25 容積パーセントの充填材の成分を有する複合材料の
誘電定数εの温度変化によることが分かる。同様なこと
は、この複合材料の損失係数にも当てはまる。
【００２３】この発明による複合材料の他の実施例で
は、充填材として強誘電体材料あるいは反誘電体材料、
例えば窒化バリウムを、そして重合体の母材としてエポ
キシをベースにした熱硬化性樹脂を使用する。この複合
材料では、母材は昇温すると不活性に振る舞う。図７か
ら分かるように、約 60 ℃の温度以上で複合材料の誘電
定数εが非線形的に上昇する。これは、誘電体としてこ
のような複合材料を使用するコンデンサの容量の非線形
変化を与える。更に、高電圧を印加すると、誘電定数の
付加的な非線形変化が生じる。
は、充填材として強誘電体材料あるいは反誘電体材料、
例えば窒化バリウムを、そして重合体の母材としてエポ
キシをベースにした熱硬化性樹脂を使用する。この複合
材料では、母材は昇温すると不活性に振る舞う。図７か
ら分かるように、約 60 ℃の温度以上で複合材料の誘電
定数εが非線形的に上昇する。これは、誘電体としてこ
のような複合材料を使用するコンデンサの容量の非線形
変化を与える。更に、高電圧を印加すると、誘電定数の
付加的な非線形変化が生じる。
【００２４】他の実施例では、充填材として殻・核構造
の粒子が使用される。この充填材の一つは、特に V2O3
のような良導体材料の核と、特に VO2 あるいは V2O5の
ような酸化物の殻を有する。主に 20 〜 50 容積パーセ
ントの容積成分のこのような充填材を、不活性な母材、
例えばエポキシをベースにした熱硬化性樹脂に埋め込む
と、バリスタの抵抗体としての利点を有するこのような
複合材料を使用できる。エポキシ母材および V2O3 の核
と VO2 の殻を有する充填材をベースにした抵抗体を有
するバリスタの電流電圧特性曲線が図１に示してあり、
参照符号 II が付けてある。この特性曲線から分かるこ
とは、所定の限界電圧以上でバリスタを流れる電流が非
線形的に上昇するため、印加電圧が制限されることであ
る。この制限は重合体と ZnOをベースにしたバリスタの
場合（特性曲線Ｉ）よりかなり小さいが、多くの使用、
特に低電圧領域での使用に対して十分である。バリスタ
が所定の限界出力となり、正温度係数効果を決める限界
温度に加熱されると、先に導電性であった V2O3 がその
構造を変え、非導電性の相を形成する。これにより、バ
リスタ中で変換される出力が非線形的に制限される。特
性曲線の第二非線形変化により、特性曲線Ｉのバリスタ
と同じように、過大な出力を受け入れる前に自己保護が
得られる。
の粒子が使用される。この充填材の一つは、特に V2O3
のような良導体材料の核と、特に VO2 あるいは V2O5の
ような酸化物の殻を有する。主に 20 〜 50 容積パーセ
ントの容積成分のこのような充填材を、不活性な母材、
例えばエポキシをベースにした熱硬化性樹脂に埋め込む
と、バリスタの抵抗体としての利点を有するこのような
複合材料を使用できる。エポキシ母材および V2O3 の核
と VO2 の殻を有する充填材をベースにした抵抗体を有
するバリスタの電流電圧特性曲線が図１に示してあり、
参照符号 II が付けてある。この特性曲線から分かるこ
とは、所定の限界電圧以上でバリスタを流れる電流が非
線形的に上昇するため、印加電圧が制限されることであ
る。この制限は重合体と ZnOをベースにしたバリスタの
場合（特性曲線Ｉ）よりかなり小さいが、多くの使用、
特に低電圧領域での使用に対して十分である。バリスタ
が所定の限界出力となり、正温度係数効果を決める限界
温度に加熱されると、先に導電性であった V2O3 がその
構造を変え、非導電性の相を形成する。これにより、バ
リスタ中で変換される出力が非線形的に制限される。特
性曲線の第二非線形変化により、特性曲線Ｉのバリスタ
と同じように、過大な出力を受け入れる前に自己保護が
得られる。
【００２５】自己保護は、充填材が V2O3 の核の代わり
に、添加された BaTiO3 の核を有すると改善される。こ
の場合、殻は BaO, BaS, BaSO4, V2O3, VO2 あるいは T
iO2 で形成すると有利である。 BaTiO3 は所定の限界温
度で構造変化するため V2O3 より強い正温度係数効果を
与えるので、このようなバリスタは先に説明したバリス
タより出力を強く制限する。この状況は図１で参照符号
IIIを付けた特性曲線により理解できる。
に、添加された BaTiO3 の核を有すると改善される。こ
の場合、殻は BaO, BaS, BaSO4, V2O3, VO2 あるいは T
iO2 で形成すると有利である。 BaTiO3 は所定の限界温
度で構造変化するため V2O3 より強い正温度係数効果を
与えるので、このようなバリスタは先に説明したバリス
タより出力を強く制限する。この状況は図１で参照符号
IIIを付けた特性曲線により理解できる。
【００２６】類似のバリスタ特性での似たような自己保
護は、絶縁性の殻で取り囲まれた核が、例えば Si, Si
C, SnO2, TiO2 あるいは ZnOのような半導体材料を有す
る場合に達成される。例えばポリエチレンのような熱可
塑性樹脂である活性重合体の母材を使用して、このよう
なバリスタでは、また V2O3 や BaTiO3 の核を有する先
に説明した二つのバリスタでも、自己保護は特性曲線Ｉ
を有するバリスタと同じように、重合体母材による正温
度係数への移行により著しく改善される。これは、図１
の参照符号 IV を付けた特性曲線から明らかである。
護は、絶縁性の殻で取り囲まれた核が、例えば Si, Si
C, SnO2, TiO2 あるいは ZnOのような半導体材料を有す
る場合に達成される。例えばポリエチレンのような熱可
塑性樹脂である活性重合体の母材を使用して、このよう
なバリスタでは、また V2O3 や BaTiO3 の核を有する先
に説明した二つのバリスタでも、自己保護は特性曲線Ｉ
を有するバリスタと同じように、重合体母材による正温
度係数への移行により著しく改善される。これは、図１
の参照符号 IV を付けた特性曲線から明らかである。
【００２７】他の実施例では、この発明による複合材料
が、例えばバリウム・チタン合金、ストロンチウム・チ
タン合金、あるいはチタン合金のような良導電性材料の
核と、例えば添加されていないチタン酸バリウムあるい
はチタン酸ストロンチウムのような高誘電定数の絶縁材
料の殻とを有する核・殻構造の粒子を有する。この複合
材料では、混じりけのない材料の粒子と高い誘電定数を
有する複合材料とは異なり、外部電圧が印加すると、電
界が殻の中に極度に強く集中する。温度が変化すると、
これは誘電定数に極度に強い非線形変化をもたらす。充
填材の殻が構造変化するため、高圧が印加すると、更に
複合材料の誘電定数に他の非線形変化が生じる。
が、例えばバリウム・チタン合金、ストロンチウム・チ
タン合金、あるいはチタン合金のような良導電性材料の
核と、例えば添加されていないチタン酸バリウムあるい
はチタン酸ストロンチウムのような高誘電定数の絶縁材
料の殻とを有する核・殻構造の粒子を有する。この複合
材料では、混じりけのない材料の粒子と高い誘電定数を
有する複合材料とは異なり、外部電圧が印加すると、電
界が殻の中に極度に強く集中する。温度が変化すると、
これは誘電定数に極度に強い非線形変化をもたらす。充
填材の殻が構造変化するため、高圧が印加すると、更に
複合材料の誘電定数に他の非線形変化が生じる。
【００２８】他の実施例では、この発明による複合材料
が正温度係数抵抗の抵抗本体として使用される。この複
合材料は、主にポリエチレンのような活性重合体と、核
・殻構造の充填材を有する。核も殻も導電性材料で構成
されている。この材料は、一つまたはそれ以上の物理量
が作用する場合、核や殻が構造変化するように選択され
る。殻は、 TiB2, TiCあるいは金属のような主に良導電
性材料で形成されている。核は主にそれぞれ添加状態の
V2O3 あるいは BaTiO3 を有する。このような正温度係
数の抵抗を加熱すると、先ず電流通路の個々の充填材粒
子の接触個所で、従って、先ず充填材粒子が昇温する。
材料固有の遷移温度以上で、核の構造が変わり、その比
抵抗が正温度係数効果により非線形的に相当上昇する。
が正温度係数抵抗の抵抗本体として使用される。この複
合材料は、主にポリエチレンのような活性重合体と、核
・殻構造の充填材を有する。核も殻も導電性材料で構成
されている。この材料は、一つまたはそれ以上の物理量
が作用する場合、核や殻が構造変化するように選択され
る。殻は、 TiB2, TiCあるいは金属のような主に良導電
性材料で形成されている。核は主にそれぞれ添加状態の
V2O3 あるいは BaTiO3 を有する。このような正温度係
数の抵抗を加熱すると、先ず電流通路の個々の充填材粒
子の接触個所で、従って、先ず充填材粒子が昇温する。
材料固有の遷移温度以上で、核の構造が変わり、その比
抵抗が正温度係数効果により非線形的に相当上昇する。
【００２９】図８から、この正温度係数効果が正温度係
数素子の比抵抗を相当高めることが分かる。こうして、
抵抗を流れる電流は著しく制限される。これは導電性粒
子が急激に昇温するので非常に急激に行われる。遅れて
昇温する重合体は一定時間の後に初めて軟化温度に達
し、膨張し、正温度係数素子の比抵抗の非線形上昇によ
り電流通路を遮断する。
数素子の比抵抗を相当高めることが分かる。こうして、
抵抗を流れる電流は著しく制限される。これは導電性粒
子が急激に昇温するので非常に急激に行われる。遅れて
昇温する重合体は一定時間の後に初めて軟化温度に達
し、膨張し、正温度係数素子の比抵抗の非線形上昇によ
り電流通路を遮断する。
【００３０】
【発明の効果】以上、説明したように、この発明による
複合材料は、簡単に製造でき、充填材と母材を適当に選
択して、所定の要請に容易に合わせることのできる。
複合材料は、簡単に製造でき、充填材と母材を適当に選
択して、所定の要請に容易に合わせることのできる。
【図１】この発明の４つの実施例の抵抗体として形成さ
れた複合材料を使用する４つのバリスタの電流・電圧特
性曲線をしめすグラフである。
れた複合材料を使用する４つのバリスタの電流・電圧特
性曲線をしめすグラフである。
【図２】図１に与えた４つのバリスタの第一の電流・電
圧特性曲線の一部、および第一のバリスタとは充填材の
成分のレベルによるだけで異なる他のバリスタの電流・
電圧特性曲線の一部を示すグラフである。
圧特性曲線の一部、および第一のバリスタとは充填材の
成分のレベルによるだけで異なる他のバリスタの電流・
電圧特性曲線の一部を示すグラフである。
【図３】第一バリスタの温度・抵抗特性曲線を示すグラ
フである。
フである。
【図４】第一バリスタの複合材料の誘電定数を複合材料
の充填材成分に応じて与えるグラフである。
の充填材成分に応じて与えるグラフである。
【図５】第一バリスタの複合材料の損失係数を複合材料
の充填材成分に応じて与えるグラフである。
の充填材成分に応じて与えるグラフである。
【図６】コンデンサの誘電定数を温度の関数として与え
るグラフであって、コンデンサの誘電体は第一バリスタ
内にある複合材料で形成されている。
るグラフであって、コンデンサの誘電体は第一バリスタ
内にある複合材料で形成されている。
【図７】コンデンサの誘電定数を温度の関数として与え
るグラフであって、コンデンサはこの発明の他の実施例
による誘電体として形成された複合材料を有する。
るグラフであって、コンデンサはこの発明の他の実施例
による誘電体として形成された複合材料を有する。
【図８】抵抗本体がこの発明の他の実施例で形成された
複合材料から成る、正温度係数抵抗の温度・抵抗特性曲
線を示すグラフである。
複合材料から成る、正温度係数抵抗の温度・抵抗特性曲
線を示すグラフである。
Claims (17)
- 【請求項１】 少なくとも一つの物理量が充填材や母材
に作用して複合材料の特性の二つの非線形変化あるいは
複合材料の二つの特性のそれぞれ一方に非線形変化を与
える、充填材とこの充填材を埋め込む母材を有する複合
材料において、充填材が核・殻構造および／または粒状
組織構造の粒子の成分を主に有するが、複合材料の電気
伝導率の非線形変化を与える電界が作用する場合、電気
伝導率が粒状組織構造の粒子の電気伝導率より高い導電
性粒子を有する他の充填材成分が粒状組織構造の粒子を
有する充填材にないことを特徴とする複合材料。 - 【請求項２】 核・殻構造の粒子の殻は絶縁材料で、ま
たこの粒子の核は導電性材料および／または半導体材料
で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の複
合材料。 - 【請求項３】 粒子の殻はカルコゲン化合物、特に酸化
物または硫化物のような化合物、窒化物、燐化物および
／または硫酸塩で形成されていることを特徴とする請求
項２に記載の複合材料。 - 【請求項４】 絶縁性の殻は複合材料に作用する電界が
所定の場合、複合材料の電気伝導率が非線形変化するよ
うに設定されていることを特徴とする請求項２または３
に記載の複合材料。 - 【請求項５】 核は添加された V2O3 あるいは添加され
た BaTiO3 を、また絶縁性の殻は VO2, V2O5, TiO2, Ba
O, BaS あるいは BaSO4 を含むことを特徴とする請求項
４に記載の複合材料。 - 【請求項６】 充填材の核は、特に ZnO, SiC, Si, TiO
2 あるいは SnO2 のような添加されたあるいは添加され
ていない半導体材料を含むことを特徴とする請求項４に
記載の複合材料。 - 【請求項７】 母材は、少なくとも一つの物理量の作用
により、構造変化を行う重合体で形成されていることを
特徴とする請求項５または６に記載の複合材料。 - 【請求項８】 粒子の核は、特に TiC, TiB2, BaTi, Sr
Ti, V2O3, Al, Cu, Sn, Ti あるいは Zn のような導電
性物質を有し、粒子の殻は少なくとも一つの物理量に非
線形的に依存する高誘電定数の物質で形成されているこ
とを特徴とする請求項２に記載の複合材料。 - 【請求項９】 高誘電定数の物質は強誘電性ないしは反
強誘電性であり、母材は少なくとも一つの物理量の作用
で構造変化を行う重合体で形成されていることを特徴と
する請求項８に記載の複合材料。 - 【請求項１０】 母材はエラストマ性の重合体で形成さ
れ、殻はビスマス酸塩、ニオブ酸塩、スカンジウム酸
塩、錫酸塩、タンタル酸塩、チタニウム酸塩、ジルコン
酸塩、マンガン酸塩、亜レニウム酸塩、亜テルル酸塩、
タングステン (VI) 酸化物、あるいはガリウム (VI) 酸
化物を単体あるいは混合物にして含むことを特徴とする
請求項９に記載の複合材料。 - 【請求項１１】 母材は圧電重合体、特にポリビニール
フロライドで形成され、殻はビスマス酸塩、ニオブ酸
塩、スカンジウム酸塩、錫酸塩、タンタル酸塩、チタニ
ウム酸塩、ジルコン酸塩、マンガン酸塩、亜レニウム酸
塩、亜テルル酸塩、タングステン (VI) 酸化物、あるい
はガリウム (VI) 酸化物を単体あるいは混合物にして含
むことを特徴とする請求項９に記載の複合材料。 - 【請求項１２】 粒子の核と殻は導電性物質の核・殻構
造体で形成され、核や殻は少なくとも一つの物理量が作
用すると構造変化を行うことを特徴とする請求項１に記
載の複合材料。 - 【請求項１３】 母材は少なくとも一つの物理量が作用
すると構造変化を行う重合体で形成され、核はそれぞれ
添加された V2O3 および／または BaTiO3を含むことを
特徴とする請求項１２に記載の複合材料。 - 【請求項１４】 粒状組織構造の粒子は焼結セラミック
スまたは多結晶半導体を粉砕するか、あるいは懸濁液ま
たは溶液を噴射乾燥し、噴射乾燥した粒子のばい焼また
は焼結して形成されることを特徴とする請求項１に記載
の複合材料。 - 【請求項１５】 粒子は強誘電性ないしは反強誘電性で
あり、特に添加または添加されていないビスマス酸塩、
ニオブ酸塩、スカンジウム酸塩、錫酸塩、タンタル酸
塩、チタニウム酸塩、ジルコン酸塩、マンガン酸塩、亜
レニウム酸塩、亜テルル酸塩、タングステン (VI) 酸化
物、あるいはガリウム (VI) 酸化物を単体あるいは混合
物にして含むことを特徴とする請求項１４に記載の複合
材料。 - 【請求項１６】 粒子は添加された、SiC, TiO2 あるい
は ZnOのような金属酸化物または金属炭化物および／ま
たは BaTiO3, SrTiO3, InSb, GaAs あるいはSi で構成
されていることを特徴とする請求項１４に記載の複合材
料。 - 【請求項１７】 母材は少なくとも一つの物理量が作用
すると構造変化する重合体で形成されていることを特徴
とする請求項１４〜１６の何れか１項に記載の複合材
料。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH03124/93-6 | 1993-10-15 | ||
| CH312493 | 1993-10-15 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07169607A true JPH07169607A (ja) | 1995-07-04 |
| JP3628049B2 JP3628049B2 (ja) | 2005-03-09 |
Family
ID=4249125
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24036094A Expired - Fee Related JP3628049B2 (ja) | 1993-10-15 | 1994-10-04 | 電気抵抗器 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5858533A (ja) |
| EP (1) | EP0649150B1 (ja) |
| JP (1) | JP3628049B2 (ja) |
| DE (1) | DE59406312D1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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