JPH04501649A - 電気導電率を示すグラファイト複合構造物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 電気導電率を示すグラファイト複合構造物［発明の背景］ １、発明の分野 本発明は、電気的な導電複合材料に関し、特に導電構造に形成されたグラファイ トエポキシ複合材料に関する。

グラファイトが少なくとも直流と無線周波数エネルギーの半導体である事は長期 にわたって認識されてきた。しかし、この特性の従来の実用的な応用は、ＲＦＩ シールドに対するエポキシマトリックスで裁断したファイバーの使用と、無線周 波数反射体表面、即ち放物線の反射体としての使用だけであった。

２、関連技術の説明 はとんどそれぞれの構造、特に航空機用と宇宙船用構造の主な設計考察は重量で ある。設計者は、確かな強度を持つ材料を必要とすると同時に出来るだけ軽い重 量を有する材料を必要とする。ますます設計者は、一つの構造に多数の機能を結 合する事を要求する。例えば、必要なアンテナ配置を提供し一方同時に電気的な 導電体である構造は、要求された機械的及び電気的な機能を単一の構造で提供し ている。更なる要求はそのような構造を出来るだけ標準重量以下にすることであ る。

例えば、宇宙船に記載されるダイポールアンテナの場合には、アンテナは出来る だけ軽く、ある場合には１・１ｋｇ　（０゜５１ｂ）を超えないようにしなけれ ばならない。例えば、そのような構造は、衛星打ち上げ環境に関した激しい機械 的な振動に耐えることができなければならない。この様な要求は、堅さと重量と の高い比率をほのめかしている。アルミニウムと鉄鋼はおそらく強度と電気導電 率要求を満たすが、多くの場合、それらは重すぎて導電重量制限を満たすことが できない。

別の例では、飛行機の翼は、持ち上げるために必要な翼を提供すると共に、ラジ オ、レーダーのアンテナ及び冥加熱器を搭載している。代表的にこれらの三つの 機能は、ある方法で相互に連結された異なった材料によって設けられており、そ の三つの異なった材料の単なる使用は結果的に確かな重量蓄積になる。仮にすべ ての三つの機能が一つの材料によって提供されることができたり、あるいはその 様な材料が従来の技術よりも標準重量以下だとしたら、技術の進歩となる。また 堅さと重量との高い比率が航空機の翼に存在するストレスを満たすよう要求され る。

導電性プラスチックの使用のいくつかの研究が実行されてきている。しかし、そ の様な今知られている材料は、高い導電性を示す場合には強さがとぼしく、ある いは強さが増加された場合には、導電性が劣るというような不都合を呈する。

多くは過度の温度範囲のもとで安定してなく、いくつかは水の存在で比較的速く 劣化する。すべてではないが、大部分は多くの応用に対して十分な電気的導電性 を有しない。

堅さと重量の高い比率、比較的高い電気的導電性、比較的低い重量を有する材料 を提供することが技術の進歩である。

［発明の概要］ 本発明の目的は、電気導電装置を改良することである。

本発明の他の目的は、減少した電気導電構造を提供することである。

本発明の他の目的は、比較的高い電気導電性、比較的低い重量、比較的高い堅さ と重量との比率を有する材料を提供することである。

本発明の他の目的は、宇宙をベースにした応用に対して、強く、標準重量以下の アンテナ構造を提供することである本発明によると、構造はグラファイトとエポ キシの様なバインダーを含む長いファイバーからなる複合材料から形作られてい る。ファイバーへの十分な電気接触を設ける事によって、その構造物はよい導電 体になる。接触を設けるために、バインダー材料が、選ばれた領域でファイバー から除去され、そのファイバーは露出される。導電材料が露出されたファイバー に電気的接触を作るために用いられる。

以下の手順では、ファイバー全巻き角が望ましい電気的導電性を達成する為に選 ばれる。好ましい実施例では、ニッケルメッキされたグラファイトファイバーが 用いられ、バインダー材料が取り除かれた選ばれた領域の露出されたニッケルメ ッキグラファイトファイバーに電気的接触を形成する為に銀が使用される。

エポキシ材料で縛られたグラファイトファイバーを使用すると重さに対する堅さ の高い比率を示し、且つアルミニウムやスチールよりもはるかに軽い構造を得る ことができる。得られた導電構造物は、以下にもっと詳しく説明するように、た めに使用できる。

［図面の簡単な説明］ 図１ａと１ｂは、好ましい実施例による同軸の導電体に形成された本発明による グラファイト複合材料の斜視図を示している。

図２は、本発明によるグラファイト／エポキシ複合物のグラファイトファイバー の全巻き角に対するある周波数バンドにおける導電率の変化を示すグラフである 。

図３は、様々なグラファイト／エポキシ材料を有する好ましい実施例により作ら れた同軸ケーブルの導電率の変化を説明しているグラフである。

図４は、好ましい実施例により作られた単一ダイボールを使用している導電体の 概略図である。

図５は、好ましい実施例による筒状の導電体から作られた四つのクロスダイポー ルを使用しているダイポールアンテナの２分の１の図式的な図解である。

［実施例の説明］ 図１ａは、グラフフィト／エポキシ材料で作られた同軸導電体１１を示している 。本発明のある実施例では、長く、平行な、グラファイトファイバーは、エポキ シマトリックスに束縛されている。マトリックス内の一方向に向いたファイバー は、導電性マトリックスを作る為に連なって相互に接触している。

炭素（クラファイト）ファイバーは、不活性雰囲気中で有機前駆体ファイバーの 熱分解によって作られる。熱分解の温度は一般的に１０００℃から３０００℃に わたる。現在は三つの前駆材料、すなわちレーヨン、ポリアクリロニトリル、ピ ッチ（コールタール生成物から）は、炭素（ファイバー）の製造で最も幅広く使 われている原料である。ヤング率、極限強さ、破断点伸び、電気導電率の様な物 理特性は、ファイバーテンションと熱分解の温度のような処理技術によって決め られる。１０００から１５０，０００の連続的なファイバーからなる束は、その 後の製造プロセスに合う直線（短線）あるいはツイスト（粗糸）ファイバーでそ れぞれ形成されてもよい。すなわち、それらはハンドレイアップあるいはフィラ メント巻きによる一方向テープである。

グラファイトは相対的に強い材料だが、それは圧縮的な荷重のもとてバックルさ れている。エポキシバインダーを加えると、圧縮荷重が圧縮不安定性なしで取り 扱えるように複合物の強さを増すことができる。以下に述べられる応用において 、重さで６０−６５％のグラファイトを有する複合物はうまく機能することがわ かった。

以下に述べられる様に、グラファイトファイバーも二・ソケルメッキされ、商業 的にその形で入手できる。一般に粗糸あるいは短線は、例えば２分の１オングス トロームのニッケルメッキされ、そしてその後きつく紡がれる。その後、（プレ ートメッキされていようがなかろうが）縛った粗糸あるいは短線は、エポキシ合 成樹脂と含浸されてもよいし、テープを作る為にスプールあるいは支持バッキン グに置かれもよい。

テープあるいはスプールは、エポキシの早期の硬化を阻止する為に凍らされる。

今後さらに詳しく記述するように、テープあるいはスプールは解凍され、マンド レルに巻付けられ、そして望ましい形にする為に、オーブンで２５０から３５０ ”Ｆ（カ氏）で硬化される。

好ましい実施例では、グラファイトファイバーはそれらの相対的な低重量、電気 導電率特性と相対的な高強度の為に使われている。圧縮荷重の問題により、それ らはレジンの様な非電気的な導電体材料で一緒に縛られている。エポキシが上述 されたが、もし特別な応用において融点が問題とならない場合には、熱可塑性物 質がエポキシよりむしろ選択されることができる。

好ましい実施例によるグラファイト／エポキシ複合物に使われる材料は、アメリ カン・シアナミドから入手できるニッケルメッキされたバーキュリーズＡＳ４グ ラファイト／エポキシ材料であり、その材料は、９８５ＮＣＧＴ３２９０の部品 番号を存している。この材料は、上述したように、ニッケルメッキされ、エポキ シと一緒に縛られている直径８ミクロンの連続的なグラファイトファイバーを使 用しており、この材料は、グラファイトファイバーがテープの長手方向を向いた 形をしている。

グラファイト／エポキシ複合物は、解凍された、フレキシブルな室温状態でマン ドレルの周囲に複合物を包む事により、且つ空気と過剰なエポキシを絞り出す為 に適当な圧力を加えることにより外部導電体１２に形成されることができる。最 も低い損失は、グラファイトファイバーが、巻かれる全巻き角θが、グラファイ トファイバー１４が無線周波数電流伝達の方向に整列させるような角度である場 合に達成されるという事がわかった。中心導電体１５は、０．３２５インチ（０ ３８２５ｃｍ）の同軸線からなり、５つの誘電性スプラインによって外部導電体 １２の長手方向のセンターラインの位置に保持されている。

図１ａは、はぼ］。５度の全巻き角θを表しており、一方図１ｂは、０度の全巻 き角θを表している。明らかなように、これらの図の全巻き角は外部導電体１２ の長手方向の寸法から測定された。この全巻き角効果の現象が図２に示されてい て、この図は、ＴＮＣコネクターと鍋内部導電体とを有し、且つ長さ２８インチ （７１，１２ｃｍ）の五つのスプラインの０．３２５インチ（０，８２７ｃｍ） の、ニッケルメッキされたＡＳ４グラファイト／エポキシ導電体同軸ケーブルの 様々な全巻き角に対する、ｄＢで表わした挿入損失対ＭＨｚで表わした周波数の 関係をグラフ化したものである。図２のグラフでは、ライン１０１．１０３．１ ０５．１０７は、それぞれ０度、１５度、３０度、４５度の全巻き角を表してい る。

これらの全巻き角は、線１０９によって示された０、３２５インチ（０，８２７ ｃｍ）の直径の五つのスプラインを有する標準化された銅同軸のケーブルの挿入 損失と比較されている。

図３は、１５度の角度θで包まれた様々なグラファイトエポキシ物質の導電率を 表している。その材料は、ノ＼−キュリーズ・エアロスペース社、マグナ、ユタ によって製造されたニッケルメッキされたＨＭＵ　（、見積もりされたライン１ １１）１バーキユリーズによって製造されたＩＭ６（ライン１１３）、アモコパ フォーマンス物産社、コンコード、カリフォルニアによって製造されたＴ３００ 　（ライン１１５）、最後にＡＳ４材料（ライン１１７）である。これらの材料 の導電率は、ライン１１９で示される五つのスプライン銅同軸の導電率に対して 再度比較されている。図３は、ヤング率が高ければ高い程、ＲＦ導電率が大きく なることを示している。多数の製造者がグラファイトファイバーを供給している 。従って、ＲＦ導電体としての望ましさは、ヤング率に正比例すること力（予測 される。

図３は、ＨＭＵがＡＳ４より低い損失を有することを示している一方、ＨＭＵは 、より高いヤング率を有している。従ってＨＭＵはよりもろくなり、望ましい形 に形成することを困難にしている。これらのトレードオフは、０＜つ力１の特定 な応用を考慮する際に、考慮すべきである。

好ましい実施例により得られたアセンブリは、挿入損失と２０から１５００Ｈｚ までのＶＳＷＲに対して測定された。

そして調性部導電体を有し、且つ０．３２５インチ（０，８２７（１））のスプ ラインされたケーブルとを比較された。その結果グラフフィトファイバーが注目 している周波数スペクトラムの範囲でＲＦラジェーターとして利用できると０う 仮説が確証された。

ベアーグラファイトファイバーに銀あるいは銅をメッキすることは困難だとわか った。このようなメッキは、とても貧しい界面結合を生じ、その界面ボンドは考 慮された応用に受け入れられなかった。しかし、上述したように、グラファイト ファイバーは入手でき、ニッケルはほぼ０．５ミクロン厚さでメッキされている 。ニッケルは最適な電気導電体であるとは考えられないが、付加のブレーティン グの強い付着を許す。そしてそれは、以下に述べるように、好ましい実施例によ って形成された構造への電気接続を容易にする。これらの周波数における“表皮 深さ″が、ニッケルの比較的貧しい導電特性によって悪結果を十分阻止できる程 大きいので、ニッケルは直流から低い周波数で許容できる導電体であることがわ かった。しかし、ミリメータのオーダの波長では注意を払うべきであり、そこで はその“表皮深さ″は非常に浅い。ニッケルは、だから非常に損失が大きくなる 。

管状導電体１１は、表面グラファイトファイバーがＲＦエネルギーを伝導すると き、高導電性であることがわかった。

表面ファイバーとの接触を得るために、表面のエポキシが、乱されていないニッ ケルメッキされたグラファイトファイバー１４を露出させる為に選ばれた領域１ ３において表面ファイバーからビードブラストにより除去される。ファイバー１ ４の最初の層を露出すれば十分である。

露出したニッケルメッキファイバー１４への電気的接触は、その後銀あるいは銅 のような導電体で領域１３をプレーテイ、ングすることによってなされる。導電 体はその後、別のチューブ１１あるいはフィードケーブルの様な別の導電体にチ ューブ１１を電気的につなぐために、銀、銅あるいは他のブレーティングに接続 される。

ニッケルメッキされ、グラファイトファイバーのブレーティングを可能にするた めにエポキシを除去するといった方法が要求される。マイクロプラスター中での ５０μｍ（マイクロメータ）のアルミニウム酸化物グリッドを使用しているグリ ッドプラス、ティングは、ニッケルメッキされたグラファイトファイバーのほぼ 最初の層からエポキシを除去するための実行可能な方法である。グリッドブラス ティングは、簡単に制御され、ニッケルブレーティングあるいはグラファイトフ ァイバー１４をいためないことがわかり、そしてニッケルメッキされたファイバ ー１４の間がらエポキシを除去し、次にメッキされるための広大な表面領域を露 出させる。

別のエポキシ除去方法は、望ましくないことがゎがった。

酸エツチング方法は、ファイバー１４を内側がら弾き飛ばして、チューブ汚染を 生じ、チューブ１１の物理特性を非常に減少させた。ハンドサンディングは、非 常に制御することがむずかしく、表面ファイバーの破壊を生じた。プラズマエツ チング法は、表面のファイバーの間で特に十分な材料をエツチングにより除去で きないので、不適当であることがわかった。高圧力（７０ｌ　ｂ／　ｉ　ｎ、　 ２ａ　ｉ　ｒ、４．　９３１ｃｇ／ｃｊ）ビードブラスティングは、エポキシを きれいにするが、しがし表面ファイバーをいためた。小さいノズルを有する低圧 力でのビードブラスティングは、おそらく適しているが、試みられなかった。

ニッケルメッキされた露出したファイバー１４上への銀ブレーティングは、最大 のボンド強度を生じた。９０度での引っ張りテストは、４０から６０１ｂ／ｉｎ 、（１０，７２ｋｇ／ｃｊ）　（プリントした回路基板に要求される強度の３倍 がら４倍）の剥離強度を生じた。欠陥が生じた場合、グラファイトファイバーの 最初の層が、近接した下のファイバーから離層される。すぐれたはんだ特性もま た得られる。一般的なはんだ接続は、はんだあるいはブレーティングボンドの欠 陥なしで、±２００°Ｆ　（９３，３℃）の範囲の温度を４０００回うまく繰り 返された。

図４は、第一と第二のチューブ１１と同軸フィード１５から構成した簡単なダイ ポールアンテナ構造を示している。リード１７．１８は、チューブ１１の銀メッ キされた領域１９．２０にはんだ付けされる。同軸ケーブルは、また図２と３に 示された類似な損失を有するグラファイトエポキシ材料で作られることができる 。

好ましい実施例の管状導電体１１はまた、１５から７５ＭＨｚの範囲で超軽量の ダイポールアセンブリーを設計するために使用された。この様なダイポールの半 分は、図５に示されていて、別の半分はその半分の鏡像である。図５の構造は、 少なくとも１オクターブ（３０〜７０　ＨＭ　ｚ　）の周波数帯を得る為に電気 的に平たいパネルとして設計され、構成された。

従って、全体のアンテナ（示された半分ダイポールとその鏡像）は、約１８Ｘ９ ０インチ（４５，７２Ｘ２２８ｃｍ）である。

図５のグラファイト・／エポキシチューブ２５．２７．２９．３１．３７．３９ ．４０は、トラス構造５ｏによって決まった場所に保持されている。この構造５ ｏは、中央トラスフィッティング５３から延びているトラスチューブ４１．４３ ．４７．４９を含んでいる。中央トラスフィッティング５３は、それぞれのダイ ポール素子２７．２９．３７．３９が通る中央トラスチューブ５１に取り付けら れる。外部トラスチューブ４１．４３は、先端チューブ４５と一緒にはめられ、 一方向部トラスチューブ４７は、外部フィッティング５７でグラファイト／エポ キシチューブ２９．２７．３７．３９と一緒に結合される。各上外部のグラファ イト／エポキシチューブ２５．３１は、それぞれのエルボ３５によってそれぞれ の低チューブ３７．３９に結合されていることが示されている。

エルボ３５は、接合しやすくするために、チューブ３１．３７あるいは２５．３ ９より少し大きい直径のグラファイトエポキシである。エルボ３５とチューブ３ １．３７．２５．３９の間の接続は、図１に関連して説明した取り付は方法によ り電気的にグラファ・イト／エポキシを接合するために、銅導電体を使用してい る。チューブ２７．２９．３７．３９は、同じ方法で低交差チューブ４０に電気 的に接続されている。

（示されていない）鏡像半ダイポールは、望ましくはチューブ４０にピボット可 能に作られることができる。

図５のアンテナ構造で、５０Ｈｚを越える通常周波数と共鳴周波数、平方インチ あたり１６Ｘ１０１６ポンド（１，１１ｋｇ　／　ｃｕｔ　）のオーダーの高ヤ ング率、ダイポールあたり０．　５ポンド（０，’　２２７ｋｇ）の許容重量供 給を達成することができる。これは、従来入手出来るものより非常に軽いが、よ り強度な構造を提供している。

メッキされていないファイバーグラフフィト上のすべての放射面にイオン蒸気が 堆積されたアルミニウムは、図５の構造に対してＲＦ導電率を達成するために考 慮された。しかし、加えられた重量はかなり大きなチューブの使用を必要とした 。

そのチューブは、許容できる重量の二倍近くになった。

好ましい実施例の別の応用は、航空機の翼のリーディングエツジの形成である。

この様な応用では、グラファイトエポキシダイポールは、ファイバーグラス（商 標）あるいはケブラー（商標）のような別の材料内で翼のリーディングエツジに そって配置される。グラファイトエポキシはアンテナとして機能すると共に、翼 に対して除水装置を施す素子として機能するための十分な抵抗を有していて、か つ翼のリーディングエツジが受ける揚力に耐えるための力を有している。この発 明はまた、混成航空機の雷保護のために使用されることができる。

最後に、エポキシマトリックスにおけるグラファイトファイバーは、ＲＦラジェ イタ−としてよく機能する。宇宙船アンテナ、ホーン、フェイズドアレイ、転送 ラインのようなＲＦコンポーネンツは、ここに説明したものに加えて可能な応用 である。

好ましい実施例の開示から、開示されたグラファイトエポキシ構造のさまざまな 変更、形状と応用は、当業者にとって明らかである。従って、添付された請求の 範囲内で、本発明は、特にここに説明した以外も実施できることを理解すべきで ある。

周波数　ＭＨ２ ＦＩＧ、　２ 周波数、ＭＨｚ ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、　４ ＦＩＧ、　５ 国際調査報告 国際調査報告 ＵＳ　９００４８６２ ＳＡ　４０１４７

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．導電体（１１）が、グラファイトを含むファイバーから形成されていて、前 記ファイバーがエポキシに埋め込まれていることを特徴とする無線周波数導電体 。
2. ２．前記エポキシは、前記ファイバー（１４）の層を露出させている選択された 領域で除去されていることを特徴とする請求の範囲１に記載の無線周波数導電体 。
3. ３．前記ファイバー（１４）が、ニッケルメッキされたグラファイトを含むこと を特徴とする請求の範囲２に記載の無線周波数導電体。
4. ４．前記選択された領域（１３）は、銀メッキされていることを特徴とする請求 の範囲３に記載の無線周波数導電体。
5. ５．前記ファイバー（１４）は、前記導電体（１１）を通る無線周波数電流伝達 の方向に整列されていることを特徴とする請求の範囲１に記載の無線周波数導電 体。
6. ６．前記導電体（１１）は、管状であることを特徴とする請求の範囲５に記載の 無線周波数導電体。