JPH0948874A - 電気および熱伝導性合成物質およびこの合成物質の使用 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気および熱伝導性合成物質およびその使用
を提供すること 【解決手段】 充填物質が他の元素のドーピングにより
所定の内在的な導電性を備えた半導体性の物質であるこ
と、および充填物質含有量が、合成物質の電導性が充填
物質含有量を増大させた場合でも全く変化せずにとどま
るように選択されている、担持材料とこの担持材料が埋
設されている合成物質マトリックスとにより形成されて
いる積層体内で使用する

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ポリマーとポリマ
ー内に埋設された充填物質とをベースとした電気および
熱伝導性合成物質およびその使用に関する。このような
合成物質は電気的な場を制御するための電極として、或
いは不所望な静電気の電荷を回避しなければならない構
造部分のための適切な材料である。この合成物質はポリ
マー以外に充填物質として一般にカーボンブラックを含
有しており、１から１０¹⁶（Ω・ｃｍ）のカーボンブラ
ック含有量に応じて比電気的な抵抗を有している。

【０００２】

【従来の技術】ポリブロピレンとカーボンブラックとを
ベースとした電気および熱伝導性合成物質は、Insernha
gen 在Kunststoff-Verlag GmbH & Co.発行の別冊である
“Kunstsoffberater,22 巻,262" 頁(1977)と22巻,3312
頁(1977)、R.Gilg“Russ fuerleitfaehige Kunststoffe
”（R.Gilg著（導伝性の合成物質用カーボンブラッ
ク）に記載されている。この合成物質はケーブル被覆或
いは制御電極のための材料とし使用される際、この合成
物質を１０² から１０¹⁴〔Ω・ｃｍ〕の典型的な比電気
抵抗を有していなければならない。この領域にあって
は、合成物質の比抵抗もしくは導電性はカーボンブラッ
ク含有量が僅かに変わっただけで著しく変化する。例え
ば、比抵抗は約１重量％だけカーボンブラック含有量が
増大した際１０ ¹²〔Ω・ｃｍ〕から１０⁴ ［Ω・ｃｍ］
へと低減する。比電気抵抗もしくは導電性のカーボンブ
ラック含有量に対する著しく非線形な依存性のため、再
生不可能な方法によりポリマーおよびカーボンブラック
をベースとした、一定した十分な導電性を有する導電性
の合成物質を造ることは困難である。更に、導電性は合
成物質内のカーボンブラックの分布の微細構造に依存し
ている。合成物質の製造の間一般に高い剪断力が生じる
ので、場合によってはカーボンブラックの網状に形成さ
れている構造が破壊される。これに加えて、熱硬化性の
材料をベースとしたポリマーを使用した際カーボンブラ
ック粒子は網状化反応により局所的に凝集し、これによ
り合成物質の均一化が著しく阻害される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】特許請求の範囲の請求
項１から８項に記載した本発明の根底をなす課題は、一
定した十分な導電性を有する導電性を有し、しかも単純
な再生可能な方法により造ることが可能な冒頭に記載し
た様式の電気および熱伝導性合成物質、および同時にこ
の合成物質の優れた使用を提供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明による合成物質の
特徴とするところは、この合成物質が適当な充填物質を
選択することにより簡単に製造することが可能であるば
かりでなく、その電導性も全く製造方法に依存すること
なくただ充填物質の内在的な電導性を適当に調節するこ
とにより決定されることである。半導体性の物質を程度
の差こそあれ著しくドーピングすることにより簡単かつ
再生可能な方法により、所定の電導性をを有する合成物
質を造ることが可能である。この場合、合成物質の電導
性が充填物質の含有量を増大させた際殆ど変化しない程
度に充填物質の含有量が選択される。即ち、充填物質の
含有量が僅かに増大された場合は電導性の非線形的な変
化は排除される。

【０００５】一般に、充填物質の含有量は３０容量％よ
りも多い。充填物質の含有量が４０容量％より多い場
合、合成物質自体、充填物質の含有量が％の領域で変動
した際確実に一定した電導性を有している。何故なら電
導性の非線形の変化を誘起するパーコレーションしきい
が達せられないからである。半導体性の物質はセラミッ
ク材、特にＢａＴｉＯ₃ 、Ｓｉ、ＣｄＳ、ＳｉＣ、Ｓｎ
Ｏ₂ 、ＳｒＴｉＯ₃ 、ＴｉＯ₂ 、Ｙ₁ Ｂａ₂ 、ＣＵ₃ Ｏ
_7-X および／またはＺｎＯをベースとしているセラミッ
ク材であるのが特にのが有利である。一方にあっては、
この合成物質は、良好な熱伝導性および熱伸び係数が僅
かであると言う特徴を有している。このことはセラミッ
ク半導体の材料特性の結果である。比熱伝導性と熱伸び
係数の典型的な値は、ＺｎＯに関しては３００Ｋにあっ
て５４［Ｗ／ｍＫ］と７，５・１０^-6［Ｋ^-1］であり、
ＳｉＣに関しては４００Ｋにあっては６３−１５５［Ｗ
／ｍＫ］と５，５・１０^-6［Ｋ^-1］である。これに対し
て例えばエポキシのようなポリマーにあっては０，３
［Ｗ／ｍＫ］と５０−２００・１０^-6［Ｋ^-1］である。

【０００６】ドーパントはＡｌ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｌｉ、Ｔ
ｉおよび／またはＺｒのような金属を使用するのがのが
有利であり、この場合金属の割合は一般に半導体性のセ
ラミック材の重量の１％までであり、典型的にはパーミ
ルの範囲で使用されている。電導性が主として半導体性
の物質のドーピングによって定まるので充填物質は最高
の充填密度が達せられるまで合成物質内に入れられる。
このようにして最適な熱伝導性と僅かな熱伸び係数が達
せられる。充填物質の割合を適当に僅かとすることによ
り、一定の電導性と高い熱伝導性とを備えた合成物質が
得られ、この合成物質は特にエポキシのようなポリマー
（４０−５０容量％のＡｌ₂ Ｏ₃ および／またはＳｉＯ
² ）をベースとした高い充填密度の絶縁体に適合された
熱伸び係数を有している。

【０００７】ポリマーは熱可塑性材料であるのがのが有
利である。何故なら、熱可塑性材料は特に迅速に加工で
きるからであり、またその融点以下のその粘度が一般に
唐突に増大するからである。しかし、熱可塑性材料の代
わりに、熱硬化材料或いはエラストマーをポリマーとし
使用することが可能である。この合成物質はポリマーと
半導体性の物質から従来の方法により混合および押出し
或いはダイカスト或いは射出成形により造られる。

【０００８】以下に添付した図面に図示した発明の実施
の形態につき本発明を詳細に説明する。

【０００９】

【発明の実施の形態】ポリマーとして密度の僅かな熱可
塑性材料と半導体性の物質から導電性の合成物質から成
る試料を造った。両材料を剪断混合機内で約１３０℃で
約１５分間互いに混合した。得られた高粘度の混合物か
ら試料材料を取出した。この試料材料から約１５０℃で
かつ約２８ＭＰＡの圧力の下で熱間プレスして、電気お
よび熱伝導性を測定するための試料を造った。

【００１０】熱可塑性材料として、ドイツ連邦共和国ル
ートビッヒスハーフエン在バスフアゲー社製のＬｕｐｏ
ｌｅ １８００ ＳＰ１５と言う商品名の下で市販され
ている密度の僅かなポリエチレンを使用した。半導体性
の物質は約５００ｐｐｍのアルミニウムをドーピングし
たか或いはドーピングを行っていない粉末の酸化亜鉛
（ＺｎＯ）である。ドーピング処理されたＺｎＯは２０
０μ以下の粒径を有するスラッジ化したＺｎＯ−粉末と
溶解した酢酸アルミニウム或いは硝酸アルミニウムを含
有している水性の懸濁液とを噴霧乾燥し、引続きこの噴
霧乾燥の際に形成された粉末を三段階で約１２００℃に
加熱して形成した。噴霧乾燥の条件に応じて、形成され
た粉末は３００μｍ以下の粒径を有している。粒子の形
状は球形であるか、或いは優先方向で伸びており、コン
パクトな形状或いは中空形状である。加熱の際、酢酸ア
ルミニウムおよび硝酸アルミニウム或いは形成された金
属アルミニウムは分解してＺｎＯに分散する。

【００１１】焼結温度、焼結雰囲気および／またはドー
ピング量およびドーピング状態を適当に選択することに
より、ドーピングが行なわれたＺｎＯの或いは他のドー
ピングが行なわれた半導体性の物質の内在的な比電気抵
抗の値が変わり、かつ広い範囲で調節される。アルミニ
ウムをドーピングされたＺｎＯに関して、ドーパントの
含有量に依存して、比電気抵抗に関して以下に値が得ら
れた、即ち 図１に示したダイヤグラムから明瞭であるように、ドー
ピング量が１０ｐｐｍより大きい量で、かつ１０００ｐ
ｐｍ以下の量では、特別小さな比電気抵抗と相応して特
別良好な電導性が達せられる。アルミニウムをドーピン
グされた酸化亜鉛セラミック材が特別良好であり、この
酸化亜鉛セラミック材は約２００ｐｐｍのアルミニウム
を含有している。セラミック材の焼結条件を変えること
により、この値は場合によっては変わる。

【００１２】無定形の或いは多結晶性の粒子から成る粉
末が大きな粒子と小さな粒子とを有しているのが特に有
利である。何故なら、合成物質の特別高い充填度と、こ
れに伴い特別良好な機械的な、電気的なかつ熱的な特性
が達せられるからである。例えば、粉末が５０μｍ以下
の大きさの粒子をが有しており、これらの粒子は粒子相
互間の隙間に数百μｍまでの大きさで配列されている。

【００１３】０，５，１０，１５，２０，２５，３０，
３５，４０と５０容量％の充填物質含有量を有している
試料に関して、比電気抵抗と比熱伝導性とを測定した。
抵抗測定の結果は図２に示した。図２において、比電気
抵抗の充填物質含有量に対する関数的な依存性は、合成
物質が本発明によるドーピングされたＺｎＯ或いはドー
ピングされていないＺｎＯのみを含んでいるかどうかに
応じて記号Ｉ或いはＩＩで示した。測定はヒユーレット
パッカード社製の型式ＨＰ４２７４Ａのインピーダンス
−解析器を使用して１ｋＨｚの周波数にあって行なっ
た。関数Ｉから、約３０容量％以下の充填物質含有量に
あっては、検査した試料の比電気抵抗はほぼ一定に１０
¹⁰［Ω・ｃｍ］である。約３０容量％以上の充填物質含
有量になって始めて比電気抵抗が急激に低下し、約５０
容量％の充填物質含有量以上で約３・１０³ ［Ω・ｃ
ｍ］の値に殆ど一定にとどまる。これに対して、ドーピ
ングされていないＺｎＯが充填されている合成物質（関
数ＩＩ）の場合３０容量％以下の充填物質含有量で一定
にとどまる１０¹⁰［Ω・ｃｍ］となる比電気抵抗は極め
て僅かに低減するに過ぎなず、４０−５０容量％の充填
物質含有量では１０⁸ −１０⁹ ［Ω・ｃｍ］であり、こ
の合成物質の電導性は遮蔽問題或いは場制御の問題を解
決するは余りに小さ過ぎる値である。

【００１４】熱伝導性の測定により、３０容量％以下の
充填物質含有量を有する本発明による合成物質は０，６
１［Ｗ／ｍＫ］の比熱伝導性を、そして４０−５０容量
％の充填物質含有量の合成物質にあっては０，９２４或
いは２［Ｗ／ｍＫ］の比熱伝導性を有している。従っ
て、本発明による合成物質は、充填物質としてカーボン
ブラックをベースとした、典型的に０，０３［Ｗ／ｍ
Ｋ］の比熱伝導性を有している公知の合成物質よりも二
から六倍も高い比熱伝導性を有している。

【００１５】図３には本発明による合成物質の優れた使
用例を示した。この使用は担持材料に埋設されている合
成物質マトリックスを有する積層体である。この積層体
は、本発明による合成物質で積層され、互いに上下に重
ねられた織物層１から成る。この織物層は例えばグラス
ファイバーから成り、例えば約２３［ｇ／ｍ² ］の面積
重量を有している。この織物を、１００ｐｐｍの溶解し
たポリスルフオンとポリスルフオン−溶液内に均一分散
した５００ｐｐｍのアルミニウムをドーピングさたＺｎ
Ｏ−粉末を含んでいる懸濁液に含浸した。密な充填を達
するため、ＺｎＯ粉末は二つのフラクションから成る。
６００ｐｐｍの比較的大きなフラクションは１０−２０
０μｍ間の大きさを有する粒子を含有しており、他方１
００ｐｐｍの比較的小さなフラクションは６３μｍの比
較的大きな大きさを有する粒子を含有している。含浸さ
れた織物は１８０℃以下の温度で約２時間乾燥した。こ
のようにして得られた積層された織物は約０，３ｍｍの
厚みを有している。

【００１６】積層された織物の多数の層は互いに上下に
重ねられており、約２５℃の温度と約５Ｍｐａの圧力で
プレスして積層体に成形した。このようにして造られた
積層体から測定の目的の試料を造った。この試料により
積層体の以下の特性を確認した。 密度 ３，２１［ｇ／ｃｍ² ］ 比熱伝導性 ２，０６［Ｗ／ｍＫ］ 室温での比電気抵抗 ３［Ω・ｃｍ］ 連続負荷に対する熱安定性 １６０℃ 合成物質におけるＺｎＯの容量割合 ６０％ 典型的な０，３［Ｗ／ｍＫ］の比熱伝導性を有する公知
の積層体に比して、比熱伝導性は明らかに約７の係数だ
け改善された。更に、本発明による合成物質を使用する
ことにより、積層体に特有の電導性は容易に狭い公差範
囲に維持される。これに加えて、この積層体は簡単なか
つ容易にマスターできる製造方法により造ることができ
る。この製造方法を実施する際、少なくとも積層体の表
面は図３から明らかなような構造２を有している。

【００１７】このような積層体は高温に対する安定性
（絶縁材料クラスＦ或いはそれ以上）と高い熱伝導性並
びに低い電導性ーしかし比金属性の伝導性（外部コロナ
放電を避けるのに典型的な１から１０ｋΩの比電気抵
抗）を有する工作材料として電子機器製造に使用され
る。特に、例えば、ターボ発電機或いは水素発電機のよ
うな大型の回転する電気機器の溝路内の巻線バーの支持
のスロットウェジとして役立つ。

【００１８】図４において、スロットウェジ３として役
立つ本発明による半導体性の合成物質を含んでいる積層
体は、発電機の固定子鉄心４内に形成された溝５内に設
けられている。この溝５は更に相対していてかつ固定子
鉄心に対して主絶縁体６により電気絶縁されている二本
の巻線バー７を有している。このスロットウェジ３と溝
５を外部に対して閉じているくさび状溝内固定部材８は
巻線バー７を溝５内でしっかりと定着している。織物と
してグラスファイバーを、そしてポリマーとしてポリス
ルフオンを選択することにより、スロットウェジ３を形
成している積層体は発電機が作業温度にあっても、少な
くとも主絶縁体６に相当する耐圧性を有している。巻線
バー７内における電流損失により抵抗性によるおよび誘
導性の損失が生じる。これらの損失は主絶縁体６を介し
て直接に、およびスロットウェジ３を介して間接的に固
定子鉄心４放出される。本発明による良好な熱伝導性の
スロットウェジ３を使用することにより、巻線バー７か
らの特別有効な熱導出が達せられる。 巻線バー７と固
定子鉄心４は互いに著しく異なる電気ポテンシャル上に
ある。主絶縁体６が外部放電により破壊されるのを回避
するために、主絶縁体６の表面は半導体性の積層を備え
ており、スロットウェジ３を形成する積層体の良好な電
導性を保証する。

【００１９】積層体を造る際に、積層表面内に、図３か
ら認められる構造２が圧刻される。このような構造２に
より巻線バー７と溝５の壁部との間の機械的な結合を良
好にし、巻線バー７と固定子鉄心４間の熱交換を促進す
る。

【００２０】

【発明の効果】 【図面の簡単な説明】

【図１】アルミニウムがドーピングさた酸化亜鉛セラミ
ックのドーパントの含有量に依存した比電気抵抗を示し
たダイヤグラムである。

【図２】本発明による合成物質と比較合成物質のそれぞ
れ充填物質含有量に依存した、容量％で測定した比電気
抵抗を示したダイヤグラムである。

【図３】グラスフアイバー織物積層体とこの積層体の層
を互いに結合する本発明による合成物質とから成る合成
物質積層体の断面図である。

【図４】巻線バーと図３による積層体を含んでいるくさ
び状溝内固定部材を収容する発電機の固定子鉄心の巻線
バーの軸線に沿った平面図である。

【符号の説明】

１ 織物層 ２ 構造 ３ スロットウェジ ４ 固定子鉄心 ５ 溝 ６ 主絶縁体６ ７ 巻線バー ８ くさび状溝内固定部材

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項０１】 ポリマーとこのポリマー内に埋設され
   た充填物質とをベースとした電気および熱伝導性合成物
   質において、充填物質が他の元素のドーピングにより所
   定の内在的な導電性を備えた半導体性の物質であるこ
   と、および充填物質含有量が、合成物質の電導性が充填
   物質含有量を増大させた場合でも全く変化せずにとどま
   るように選択されていることを特徴とする電気および熱
   伝導性合成物質。
2. 【請求項０２】 半導体性の物質がセラミック材、特に
   ＢａＴｉＯ₃ 、特にＢａＴｉＯ₃ 、Ｓｉ、ＣｄＳ、Ｓｉ
   Ｃ、ＳｎＯ₂ 、ＳｒＴｉＯ₃ 、ＴｉＯ₂ 、Ｙ₁Ｂａ₂ 、
   ＣＵ₃ Ｏ_7-X および／またはＺｎＯをベースとしている
   セラミック材であることを特徴とする請求項１に記載の
   合成物質。
3. 【請求項０３】 ドーパントがＡｌ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｌ
   ｉ、Ｔｉおよび／またはＺｒのような金属であることを
   特徴とする請求項２に記載の合成物質。
4. 【請求項０４】 金属含有量が最高セラミック材の重量
   の１％であることを特徴とする請求項３に記載の合成物
   質。
5. 【請求項０５】 アルミニウムをドーピングされた亜鉛
   セラミック材の場合、金属含有量がセラミック材の重量
   の１０から１０００ｐｐｍであることを特徴とする請求
   項４に記載の合成物質。
6. 【請求項０６】 充填物質の含有量が３０容量％より大
   きいことを特徴とする請求項１から５までのいずれか一
   つに記載の合成物質。
7. 【請求項０７】 半導体性の物質がアルミニウムをドー
   ピングされたＺｎＯであり、かつ少なくとも４０容量％
   の充填物質含有量を有していることを特徴とする請求項
   ６に記載の合成物質。
8. 【請求項０８】 担持材料とこの担持材料が埋設されて
   いる合成物質マトリックスとにより形成されている積層
   体内での請求項１から７までのいずれか一つに記載の合
   成物質の使用。
9. 【請求項０９】 積層体が構造体（２）を備えた少なく
   とも一つの表面を備えていることを特徴とする請求項８
   に記載の合成物質の使用。
10. 【請求項１０】 積層体が溝くさび（３）の材料である
    ことを特徴とする請求項８或いは９に記載の合成物質。