(57)【要約】【課題】  粒子の好ましい結晶配向を有する磁歪粒子複合物及びその製造方法を提供する。【解決手段】  代表的な実施形態では、複合物の長さ方向に沿って長軸［１１２］が配向している針形状の粒子を配向させるために、磁界中で幾何異方性を用いて、Terfenol-D体積含有率が２５％のポリママトリクス複合物が製作される。成果は、［１１２］配向粒子複合物の磁歪が１６００ｐｐｍ近くで飽和することを実証する。これは、優先的配向（１２００ｐｐｍ）のない複合物と比較した場合、有意の増加であり、粒子複合材料として報告された最大の磁歪特性を代表する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリクス材料と特定の結晶軸に沿って配向された複数の粒子とを含んでなる複合物を形成する方法であって、
（ａ）マトリクス材料を粒子と組み合わせるステップであって、そこで、当該粒子は、強磁性のもので、かつ磁界の存在中でその最長寸法方向に沿って粒子を整列させるのに十分なアスペクト比を有するものが選択されるステップと、
（ｂ）前記粒子をある結晶配向に整列させるのに十分な磁界に、前記マトリクス材料内の前記粒子を暴露するステップと、
（ｃ）前記複合物の前記マトリクス材料内で前記粒子がある結晶配向を呈するように前記複合物が形成されるようにするステップと、
を含んでなる方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法により製造された複合物。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、
前記粒子が、強磁性材料で被覆された第一の非強磁性組成物で構成されている
ことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、
前記粒子が、テルフェノール−Ｄ(Terfenol-D)で構成されている
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法において、
前記マトリクスが、ポリマ材料を含む
ことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法において、
前記ポリマ材料が、ビニールエステルを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法において、
前記複合物が、非配向の粒子を有する対照複合物に対して少なくも約１０％増加した飽和磁気歪を呈するように形成される
ことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法において、
前記複合物が、同種のモノリシック材料が呈する飽和磁気歪の少なくも約７０％の飽和磁気歪を呈するように形成される
ことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法において、
戦記複合物が、同種のモノリシック材料と比較して、電気抵抗が少なくも約１桁の大きさの減少を呈するように形成される
ことを特徴とする方法。
【請求項１０】
複数の粒子と組み合わさったマトリクス材料を含んでなる組成物であって、
当該粒子が、強磁性で、かつ磁界の存在中でその最長寸法方向に沿って粒子を整列させるのに十分なアスペクト比を有し、さらに
当該粒子が、当該マトリクス材料内である結晶配向を呈する
ことを特徴とする組成物。
【請求項１１】
マトリクス材料と特定の結晶軸に沿って配向された複数の粒子とを含んでなる複合物を形成する方法であって、
（ａ）マトリクス材料を粒子と組み合わせるステップであって、そこで、当該粒子は、強磁性のもので、かつ磁界の存在中でその形状異方性を克服するのに十分な磁気結晶異方性を有するものが選択されるステップと、
（ｂ）前記粒子をある結晶配向に整列させるのに十分な磁界に、前記マトリクス材料内の前記粒子を暴露するステップと、
（ｃ）前記複合物の前記マトリクス材料内で前記粒子がある結晶配向を呈するように前記複合物が形成されるようにするステップと、
を含んでなる方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法により製造された複合物。
【請求項１３】
請求項１１に記載の方法において、
前記粒子が、磁界の存在中でその形状異方性を克服するのに十分な磁気結晶異方性を有するよう幾何学的基準により選択される
ことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、
前記粒子は、回転楕円体であるものが選択される
ことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１１に記載の方法において、
前記粒子が、磁界の存在中でその形状異方性を克服するのに十分な磁気結晶異方性を有するよう組成的基準により選択される
ことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１１に記載の方法において、
前記複合物が、非配向の粒子を有する対照複合物に対して少なくも約１０％増加した飽和磁気歪を呈するように形成される
ことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１１に記載の方法において、
前記複合物が、同種のモノリシック材料が呈する飽和磁気歪の少なくも約７０％の飽和磁気歪を呈するように形成される
ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１１に記載の方法において、
戦記複合物が、同種のモノリシック材料と比較して、電気抵抗が少なくも約１桁の大きさの減少を呈するように形成される
ことを特徴とする方法。
【請求項１９】
複数の粒子と組み合わさったマトリクス材料を含んでなる組成物であって、
当該粒子が、強磁性で、かつ磁界の存在中でその形状異方性を克服するのに十分な磁気結晶異方性を有し、さらに
当該粒子が、当該マトリクス材料内である結晶配向を呈する
ことを特徴とする組成物。
【請求項２０】
マトリクス材料と特定の結晶軸に沿って配向された複数の粒子とを含んでなる複合物を形成する方法であって、
（ａ）マトリクス材料を粒子と組み合わせるステップであって、そこで、当該粒子は、磁界、電界、力学場の存在中で前記粒子がある結晶配向に編成されるようにする特性を呈するものが選択されるステップと、
（ｂ）前記粒子をある結晶配向に整列させるのに十分な磁界、電界、力学場に、前記マトリクス材料内の前記粒子を暴露するステップと、
（ｃ）前記複合物の前記マトリクス材料内で前記粒子がある結晶配向を呈するように前記複合物が形成されるようにするステップと、
を含んでなる方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法において、
前記粒子が、磁界の存在中である結晶配向に編成されるようにする強磁性特性を呈するよう選択される
ことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２０に記載の方法において、
前記粒子が、電界の存在中で結晶配向に編成されるようにする強誘電性特性を呈するよう選択される
ことを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項２０に記載の方法において、
前記粒子が、力学場の存在中で結晶配向に編成されるようにする強弾性特性を呈するよう選択される
ことを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２０に記載の方法において、
前記複合物が、非配向の粒子を有する対照複合物に対して少なくも約１０％増加した飽和作動歪／飽和感知歪を呈するように、または同種のモノリシック材料が呈する飽和作動歪／飽和感知の少なくも約７０％を呈するように形成される
ことを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項２０に記載の方法により形成された複合物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、粒子を基にした複合物材料並びにそのような材料を生じる方法及び使用する方法の分野に属する。より詳しくは、この発明は、磁歪粉末複合物及びその種の複合物の作製方法に関する。
【０００２】
国庫補助の申告
この研究のいくつかの部分は、国立科学財団許諾番号第ＣＭＳ−９８１５２０８号の援助のもとに実施された。政府は、この発明に対して一定の権利を有する。
【０００３】
関連出願
この出願は、２００２年２月２８日出願の米国仮出願第６０／３６０，４７０号から第１１９条（ｅ）項による優先権を主張し、当該出願の内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００４】
磁歪複合物は、典型的には、希土類金属（ＲＥ）及び遷移金属（例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＭｎ）、(ＲＥ)xＦｅ1-xを含み、外部磁界に暴露された場合に、それらの長さを変化させる重要な能力を示す。それぞれ９μｍ／ｍ及び４０μｍ／ｍの磁歪長さ変化を示すＦｅ及びＮｉなどの伝統的な磁歪材料とは対照的に、磁歪粉末複合物は、典型的には、１０００μｍ／ｍを超える長さ変化を現し、そのため巨大磁歪材料と呼ばれる。このために、磁歪粉末複合物は、典型的には、正確性が高く力が強い大きくて速い動きを発生させるために用いられる。殆どの用途において、この強い力は、長さの変化を増大させ、より大きな動きを発生させるために用いられる。
【０００５】
磁歪粉末複合物は、典型的には、例えば超音波用途用の高周波用途（６０ｋＨｚまで）に用いられる。そのような用途では、磁歪複合物の目的は、音響プロジェクタとして動作させ、すなわち、高速の機械的動き及び超音波を発生させることにある。加えて、磁性粉末複合物は、市場で入手可能な成形された巨大磁歪材料の帯域幅を増大する手段として提案されてきた。例えば、磁歪粉末複合物は、０〜６０ｋＨｚの周波数領域を扱うことができる一方で、成形された巨大磁歪材料は、僅かに０〜２ｋＨｚを扱うことができるだけである。
【０００６】
テルビウム、ジスプロシウム及び鉄で作られた巨大磁歪合金は、通常Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄと呼ばれる。殆どの巨大磁歪材料と同様に、Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄの磁歪は、高度に異方性である。Clark他が、この異方性は、単結晶の存在しない状態では、最高性能を出すためにはテクスチャ化した多結晶系を製作することが必要であると及べている（例えば、非特許文献１を参照）。
【０００７】
Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄなどの巨大磁歪材料の複合形態が、同等のモノリシック材料と比較してより向上した周波数応答及び耐久性を有する材料を得るため研究されている。１〜２ｋＨｚを超えるＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄの周波数応答を許容する現在利用可能な唯一の系は、積層型の系である（例えば、非特許文献２を参照）。この系は、ソナー変換器の製造に採用されてきたが、高価でありかつ周波数応答の上限が制限されている（例えば、非特許文献３を参照）。積層系における調整幾何構造は、磁界印加方向に対して垂直な層の厚さであり（例えば、非特許文献４を参照）、かつ、Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄの脆性により、約１ｍｍより厚いＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ層の厚さを有する積層体が製造できるだけである。粒子複合体磁歪材料は、粒子がはるかにより小さな直径で製造することができ、したがってより高い周波数応答に対応できることから、この問題に対する解答を提供する。ただし、今までのところは、すべての複合系は、同等の市販のモノリシック材料よりもはるかにより低い飽和歪出力しか出していない。
【０００８】
磁歪複合物は、同等のモノリシック材料と比較した場合に、周波数応答、耐久性、部品幾何構造の点で改良されたことから、かなり注目されてきた。これに関する研究努力は、ポリマ又は金属マトリクスのいずれかと組み合わされた磁歪粒子に集中されてきた（例えば、非特許文献５、６、７、８、９を参照）。ポリママトリクス複合物の系に関連した一つの重要な利点は、低導電率でより増大した周波数範囲、渦電流損を防止する特性である。そのうえ、複合物材料は、典型的には、モノリシック磁歪材料より容易に機械加工され、特定の寸法及び形状に成形することができる。これらの分野で優れていながら、前述の磁歪複合物は、同等のモノリシック材料よりも低い飽和磁歪を呈する。
【０００９】
複合磁歪材料の早期の報告は、非特許文献５に見られる。この参考資料では、ポリマ結合剤、作製中における粒子整列、及び高い体積含有率の複合物を使用して、（市販のＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄの１８００マイクロストレインと比較して）８００マイクロストレインまでを呈する材料を製造したことが報告されている。最近の研究では、より高い歪み（約１１５０×１０-6）がポリママトリクス、例えば、低体積含有率及びより低減された空隙含有量を有するポリママトリクスを使用して得られることが実証されている。このような研究は、この技術を向上させるためのたゆまない努力を代表するものである。（例えば、非特許文献６、非特許文献１０、非特許文献１１、非特許文献１２、非特許文献１３、非特許文献１４、非特許文献１５を参照。これらの各々の内容をここ援用する）。
【００１０】
当該技術分野において記述された粒子複合材料は、伝統的に、粒子幾何構造の不規則分布を有している。すなわち、粒子は、組織化されたパターン又は構造を形成していない。米国特許第５，７９２，２８４号は、粒子複合磁歪複合物を開示しており、そこではプロセス中に粒子が磁界の中に置かれて、粒子を整列させている（特許文献１参照）。この方法では、プロセス中に磁界が印加される方向に異方性整列を粒子に与えることにより、異方性複合物を得ている。しかしながら、このプロセスは、粒子の結晶配向をもたらすものではない。同様の概念が、Malekzadehの米国特許第４，１５２，１７８号で研究されており、そこでは、焼結希土類−鉄材料が、最初に磁界を粒子に印加し、次いでこの材料を突き固めて圧粉体を形成することにより作られる。しかしながら、この圧粉体は、次いで焼結されて固体材料が作られるのであって、複合物材料が作られるのではない（特許文献２を参照）。
【特許文献１】米国特許第５，７９２，２８４号明細書
【特許文献２】米国特許第４，１５２，１７８号明細書
【非特許文献１】Clark, A.E., Magnetostrictive Rare Earth-Fe2 Compounds, in Ferromagnetic Materials, E.P. Wohlfarth ed., (North-Holland Pub. Co.,1980)
【非特許文献２】Snodgrass et al., Journal of Alloys and Compounds, 258, pp.24-29, 1997
【非特許文献３】Butler et al., OCEANS 2000 MST/IEEE Conference Proceedings, Providence RI., pp.1469-1475
【非特許文献４】Kendall et al., Journal of Applied Physics, 73 (10), pp.6174-6176, 1993
【非特許文献５】Sandlund et al., Journal of Applied Physics, 75, pp.5656-5658, 1994
【非特許文献６】Duenas et al., Journal of Applied Physics, 87, pp.4696-4701, 2000
【非特許文献７】Lim et al., Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 191, pp.113-121, 1999
【非特許文献８】Pinkerton et al., Applied Physics Letters, 70, pp.2601-2603, 1997
【非特許文献９】Chen et al., Applied Physics Letters, 74, pp.1159-1161, 1999
【非特許文献１０】Duenas,T.A., and Carman,G.P., Journal of Applied Physics, V.90, Issue 5, 2433-2439, Sept.1,2001
【非特許文献１１】Nereesaian et al., “Magneto-Thermo-Mechanical Characterization of Magnetostrictive Composites," Active Material: Behavior and Mechanics, SPIE Smart Structures and Materials, Newport Beach, CA, 2001
【非特許文献１２】McKnight,G. and Carmen G.P., Material Transactions, Vol.43, No.5, pp.1008-l014, 2002
【非特許文献１３】Or et al., 10th AIAA/ASME/AHS Forum, paper no. AIAA-2002-1552, pp.1-10, April 2002
【非特許文献１４】McKnight,G. and Carman G., Proceedings of 2001 ASME IMECE, Adaptive Structures and Material Systems Symposium, pp.1-6, Nov.11-16,2001
【非特許文献１５】Nercessian,N. and Carman,G.P., Adaptive Structures and Matrial Systems, v.60, Orlando,FL, pp.139-146, Nov.2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述のように、当該技術分野では、同種のモノリシック材料と比較して、周波数応答や耐久性等の特性が改良された複合磁歪材料に対する要望がある。この要望は、以下に説明する発明により満たされる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この明細書の中で説明される発明は、当該技術分野における上記欠点を克服する磁歪複合物及びそれら複合物の製造方法を提供する。この発明は、特定の関係で磁界、電界、又は力学場の印加を介して複合物材料の粒子の結晶整列を生じさせることにより、既存の技術の制限を克服する。そのようなプロセスにより製造された複合物材料は、粒子の結晶配向がない複合物において観察されるのよりも優れた物理的特性を呈する。
【００１３】
この発明の方法及び組成物は、様々な関係で用いることができる。この明細書に開示された発明は、例えば、粒子の特性が異方性であるという状況において、また、複合物内粒子の好ましい結晶配向により（複合物内の粒子の不規則配向に比べて）改良された複合物材料の特性が得られるという状況において、利用することができる。この発明の好ましい実施形態は、幾何構造異方性（形状異方性）と組み合わされて磁界、電界、又は力学場（好ましくは、磁界）の印加を介して複合物材料の中における粒子の結晶整列である。このプロセスは、好ましい結晶軸に沿った粒子強化の配向による多くの非常に好ましい材料特性を呈する複合物の発生をもたらす。この発明のまた別の実施形態では、結晶の磁気異方性が、類似の特性を有する複合物を発生する方法において採用され得る。
【００１４】
この発明を具体的に詳解する実施形態は、高磁歪性化合物、Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ（Ｔｂ0.27Ｄｙ0.73Ｆｅ2）の粒子を利用するものである。Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄの磁歪は、λ111＝１６００マイクロストレイン及びλ100＝９０マイクロストレインを有する高異方性である。この明細書の中で詳細に説明するように、［１１２］の好ましい配向を有する複合物が上記に説明した形状異方性配向方法を使用して製作された。この複合物は、非配向複合物より大きな飽和歪及び減少された動作フィールドを示す。同様の非配向磁歪複合物を超えての飽和磁歪の増加は、３５〜４０％である。これは、磁歪複合物の粒子複合物形態の特性を市販されている形態のそれに近いものに改良し、一方、電気抵抗は２〜４桁の規模で低下させる。抵抗の減少など、この方法で製造された磁歪複合物で観察される特性によって、例えば、この磁歪材料を組み込んだ振動装置の高周波（１０〜１００ｋＨｚ）での動作における使用など、多くの新規な用途が可能になる。
【発明の効果】
【００１５】
この明細書において説明される発明は、従来の粒子複合物の特性を超えて優れた特性を有する粒子複合材料を製造するために使用することができる。このような改良は、関心対象の特性を最大限引き出す結晶軸に沿った粒子の優先的配向を得た結果である。この概念は、この明細書で説明するＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ粒子複合系において、実施面で具体的に詳解される。この材料は、例えば、０〜１００ｋＨｚの周波数方式で動作できる高電力密度駆動材料を所望する当業者にとって、特に関心あるものである。現在市販の積層型Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄは、５〜１０ｋＨｚの周波数に制限されている。この明細書に開示された磁歪性粒子複合材料の用途には、ＳＯＮＡＲ変換器での使用、機械加工装置の全般的な振動低減での使用、超音波振動子などでの使用が含まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
別に違って定義されない限り、この明細書において使用される全ての技術用語、表記法及び他の科学用語は、この発明が属する技術分野の当業者により通常理解される意味（例えば、DICTIONARY OF SCIECE AND TECHNOLOGY, C.Morris ed. 1992 Academic Pressなどの参考資料で定義されているような意味）を有すると意図されている。場合によっては、この明細書では、明確さ及び／又は素早い参照のためいくつかの用語がさらに定義され、また、そのような定義をここで含ませることは、当該技術分野において一般的に理解されているものに対して実質的な違いを表わすものと必ずしも解釈されるべきでない。この明細書で説明され又は参照される技術及び手順は、一般的に、当業者により十分に理解され、通常の手順を用いて広く採用されている。それが適切であれば、市販のキット及び試薬の使用を含む手順は、別に言及しない限り、製造業者により定義されたプロトコル及び／又はパラメータに従って一般的に実行される。
【００１７】
この明細書に開示された発明は、複合物内の粒子材料をある結晶配向に整列する方法、並びにこのような方法により作られた複合物を提供する。ある結晶整列をした粒子を有するこの発明の複合物は、粒子が好ましい配向をとるように、複合物のマトリクス内の粒子に対する磁界、電界又は力学場の印加を含む数多くの手法によって作り出される。このような状況において、複合物を作るため使用される粒子は、特定の状況で、例えば、形状異方性及び／又は結晶磁気異方性に関連した状況で、それらの配向を容易にする特性を有するように選択される。そのような方法の一つの実施例では、最長の幾何学的軸線に沿って複合物内で粒子を整列するための手段として、形状異方性を利用することができる。そのような方法の別の実施例では、特定の磁軸に沿って複合物内で粒子を整列するための手段として、結晶磁気異方性を利用することができる。この発明を具体的に詳解する実施形態を以下に詳細に論じる。
【００１８】
ここに開示されたこの発明の具体的詳解実施形態は、形状異方性を利用して下記の実施例で検討されるように複合物内で粒子を方向優先的に（方向に好ましさの優劣が付いて）配向させる方法を含む。簡単に言えば、ある場の中に孤立した任意形状の粒子は、粒子／場の系にとってエネルギ条件を最小にする好ましい配向方向を有する。このような系の典型的な例は、非磁性媒体の中に浸された任意寸法の磁性粒子である。磁界がこの系に印加される場合、粒子の減磁エネルギが最小になるように粒子が動くように粒子にトルクが作用する。例えば、楕円体形状の粒子は、その長軸が磁界と整列するように回転する傾向がある。このトルクの源は、その粒子に関わる減磁エネルギにある。このような関係において、ここに提供される開示は、形状異方性を利用して複合物内の粒子を方向優先的に配向する方法を教示している。
【００１９】
磁性粒子の場合、ここに説明される複合物内で粒子を配向させるために同じく利用できる第二の力（形状異方性に加えて）が存在する。この第二の力は、粒子材料の磁気結晶異方性（結晶の磁気的異方性）によるものである。したがって、この発明のさらなる実施形態は、複合物内で粒子を方向優先的に配向するために、磁気結晶異方性を利用する方法を含む。例えば、このような複合物で使用される粒子が大きな磁気結晶異方性（硬質強磁性粒子などの）を有するか、又は非常に小さな形状異方性（球形などの）を有するかのいずれかの場合、その粒子の磁気結晶異方性を用いて磁化容易軸に沿ってそれを配向させることができる。単一粒子の球状強磁性粒子の場合、磁気結晶異方性は、ある磁化容易な結晶方向に沿っての磁化を強制する。これらの球状粒子が磁界中に置かれた場合、球状粒子は、各粒子の磁化が印加磁界と同一線上になるように配向する。磁気結晶異方性が十分に強い場合、磁化は容易方向のままであり、粒子が物理的に回転して、その結果、印加磁界に対して全ての粒子の間で好ましいある一つの結晶配向が達成される。
【００２０】
この発明の複合物は、典型的には、特定の特性を有する粒子（例えば、Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ粒子）をマトリクス（例えば、ビニルエステルなどのポリマ）に組み合わせ、次いで、これらの粒子を、それらがマトリクス内で好ましい配向を取ることを可能にするやり方で、磁界及び／又は電界及び／又は力学場に暴露することによって、作り出される。一般に、この明細書において開示された一般的な方法に応答する活性粒子材料は、強磁性、強誘電性、及び強弾性の３つの大まかな分類に分けられる。強磁性材料は磁界に応答し、強誘電性材料は電界に応答し、強弾性材料は力学場に応答する。下記の実施例に開示された好適実施形態では、複合物材料内の磁歪材料（すなわち、強磁性材料）を結晶学的に配向させるために磁界を使用することができることが教示される。このような状況において、材料の応答性が結晶配向の関数であるため、複合物の系の材料中の粒子の配向を正確に方向付けることにより、複合物の系の材料特性を改良することができる。
【００２１】
強磁性材料と同様に、強誘電性材料及び強弾性材料の応答は、結晶配向の関数である。したがって、この発明の他の実施形態は、複合物の系の中で磁界を用いてそれら（例えば、強誘電性材料及び／又は強弾性材料）を配向させることを含む。強誘電性材料又は強弾性材料を強磁性物質で被覆して、磁界を使用して複合物内の材料を結晶的に配向させることは、これを達成するための好ましい取組みを意味するが、他の取組みを除外するものではない。さらに、強誘電性材料及び／又は強弾性材料は他の場に応答する（例えば、強誘電性材料が電界に応答する）ので、結晶的に配向された強誘電性複合物を得るために、適切な状況において磁界を電界に替えることもできる。同様に、結晶的に配向された強弾性複合物を得るために、適切な状況において磁界を力学場に替えることもできる。
【００２２】
複合物マトリクス内でその系の粒子が優先的に一つの結晶配向に置かれる複合物の系は、数多くの驚くべき有利な特性を有する。例えば、このような複合物は、典型的に、同様の非配向磁歪複合物を超えて３５〜４５％までの範囲で飽和磁歪の増加を呈する。このような関係において、この発明の好適な実施形態は、粒子がある結晶配向を有していて、非配向粒子を有する対照複合物を超えて約１０％、２０％、３０％又は４０％の飽和磁歪の増加を呈する複合物である。加えて、粒子の結晶配向を有する複合物は、典型的に、匹敵するモノリシック材料に近い、又はそれを超えさえする飽和磁歪を呈する。このことに関連して、この発明の好適な実施形態は、粒子の結晶配向を有し、かつ匹敵するモノリシック材料で観察される飽和磁歪の約７０％、８０％、９０％、１００％、１１０％、１２０％、１３０％、１４０％、又は１５０％の飽和磁歪を呈する複合物である。
【００２３】
複合物マトリクス内でその系の粒子が優先的にある一つの結晶配向に置かれる複合物の系は、非配向粒子を有する同等の複合物を超えて数多くの追加の有利な材料特性を有する。例えば、そのような複合物は、約２〜４桁の規模までの電気抵抗の減少を呈する。このような関係で、この発明の好適な実施形態は、粒子がある結晶配向を有していて、非配向粒子を有する対照複合物に比べて１倍、２倍、３倍、又は４倍減少した電気抵抗を呈する複合物である。加えて、その系の粒子が優先的にある一つの結晶配向に置かれる複合物の系は、非配向粒子を有する対照複合物と比較したとき、優れた作動特性、エネルギ吸収特性及びエネルギ取入れ特性を呈することを示す。この関係において、この発明の好適な実施形態は、粒子がある結晶配向を有していて、非配向粒子を有する対照複合物と比較して作動電位特性及び／又はエネルギ吸収特性及び／又はエネルギ取入れ特性の少なくとも１０％の増加を呈する複合物である。飽和磁歪及び／又は作動電位及び／又はエネルギー吸収及び／又はエネルギー取入れなどの特性は、好ましくは、これらの材料特性（例えば、エネルギ取入れを検討する結合係数など）を試験するのに当業者により典型的に使用されている多様な方法のうちの一つにおいて評価されている。
【００２４】
多様な粒子及び複合物マトリクスがこの明細書に開示された複合物を作り出すのに使用できる。例えば、Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄがここに開示された複合物に使うための説明用の粒子として開示されているが、多様な強磁性及び／又は強誘電性及び／又は強弾性の粒子がここに開示されたこの発明による複合物を作るために使用できる。当業者は、他の粒子組成物、例えば、Mechanics of Composite Material by Robert M.Jones - Taylor and Francis Publishing 2nd edition（これをここに援用する）に開示された粒子組成物を使用することができる。加えて、Clark他の米国特許第４，３７８，２５８号は、磁歪材料をエポキシ樹脂と混合し、その後硬化することにより作られるＥｒＦｅ2及びＴｂＦｅ2磁歪組成物が考察されている。
【００２５】
当該技術分野において知られているように、複合物のマトリクス内での粒子の体積は変えることができる。米国特許第４，３７８，２５８号は、磁歪材料が体積で複合物の２０〜６０％を構成するときに、良好な磁歪特性及び良好な副特性が得られることを教示している。米国特許第５，７９２，２８４号は、粒子材料が複合物の体積の６０％より多くても構成でき（Clark他により同定されているように）、かつ体積で複合物の約７０〜約８０％まで構成できることを教示している。
【００２６】
この明細書に開示された複合物を作り出すために、多様な粒子結合マトリクスを使うことができる。ここに詳解するマトリクスは、複合材料を形成するために典型的に使用される非常に多くのポリマ類（例えば、実施例に開示されているビニルエステル）、金属類、セラミック類などを含む。この明細書で開示されている各種微粒子材料を結合するのに有用な典型的なマトリクス材料を説明する参考資料類の中には、Mechanics of Composite Material by Robert M.Jones - Taylor and Francis Publishing 2nd editionがあり、それをここに援用する。
【００２７】
比較的均一な微粒子材料（例えば、Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ）を有する複合物に加えて、多種類の粒子（例えば、異なる強磁性特性及び／又は強誘電性特性及び／又は強弾性特性を有するもの）の組合せを含んで構成される混成複合物がこの発明の範囲内にあることを、当業者は理解するであろう。さらに、変化する特性を有する多数のマトリクス材料の組合せを含んで構成される混成複合物がこの発明の範囲内にあることを、当業者は理解するであろう。さらに、複合物内の粒子に影響を与えるために粒子を複数の場に暴露することにより（例えば、粒子の均一な母集団、又は混合の母集団を、例えば、磁界ならびに電界及び／又は力学場に暴露することにより）この発明の複合物が形成され得ることを、当業者は理解するであろう。
【００２８】
この明細書に開示された発明は、数多くの具体的な実施形態を有する。下記に実施例で論じるこの発明の一詳解実施形態は、マトリクス（例えば、ビニルエステルのようなポリマなど）及び複数の粒子（例えば、Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄのような磁歪材料の粒子）を含む複合物を製造するために形状異方性を利用する方法であり、そこでは粒子がマトリクス内で結晶整列を呈している。この方法では、複合物のマトリクスは、当該技術分野において知られている多様な材料のいずれの一つからでも選択されることができ、また、複合物の粒子は、強磁性でかつ磁界の存在中でその最長寸法方向に沿って粒子を整列するのに十分なアスペクト比を有するように選択される。この関係において、複合物は、粒子をマトリクスと組み合わせて、粒子をある結晶配向に整列させるのに（すなわち、この配向状態にある粒子を有する複合物が製造されるように）十分な磁界にマトリクス内の粒子を暴露することにより作り出される。この発明の密接に関連した実施形態は、この方法により製造された複合組成物である。例えば、この発明の好ましい組成物は、複数の粒子と組み合わされたマトリクスから成る複合物を含んでなり、そこで、それら粒子は強磁性であり、かつ磁界の存在する中で粒子の最長寸法方向に沿って粒子を整列させるのに十分なアスペクト比を有しており、さらにそれら粒子はマトリクス内で一つの結晶配向をしている。
【００２９】
この発明の別の詳解実施形態は、磁気結晶異方性を利用してマトリクス（例えば、ビニルエステルのようなポリマなど）及び複数の粒子（例えば、Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄのような磁歪材料の粒子）を含んでなる複合物を製造する方法から成り、それらの粒子はマトリクス内で一つの結晶整列を呈する。この方法では、複合物のマトリクスは、当該技術分野において知られている多様な材料のいずれの一つからでも選択されることができ、また、複合物の粒子は、粒子が磁界の存在する中でマトリクス内に一つの結晶配向を実現可能にする要領で、形状異方性を克服するのに十分な磁気結晶異方性を有するように選択（選択は、粒子の形状及び／又は構成特性に基づくことができる）される。このような状況において、複合物は、粒子をマトリクスと組み合わせて、粒子をある一つの結晶配向に整列させる（すなわち、この配向状態にある粒子を有する複合物が製造されるように）のに十分な磁界にマトリクス内の粒子を暴露することにより作り出される。この発明の密接に関連した実施形態は、この方法により製造された複合組成物である。例えば、この発明の好ましい組成物は、複数の粒子と組み合わされたマトリクスから成る複合物を含んでなり、そこで、それら粒子は磁界の存在する中で形状異方性に関する力を克服するのに十分な幾何構造（例えば、球）及び／又は組成（例えば、硬質強磁性粒子）を呈し、さらにそれら粒子はマトリクス内である一つの結晶配向をしている。
【００３０】
この発明の好ましい実施形態は、マトリクス材料及び特定の結晶軸に沿って配向された複数の粒子を含んでなる複合物を形成する方法であり、それはマトリクス材料を粒子と組み合わせることによる方法であって、そこでは、複合物の粒子が強磁性であるようにかつ磁界の存在する中で粒子の最長寸法方向に沿って粒子を整列させるのに十分なアスペクト比を有するように選択される。この方法では、複合物が作り出される際に、マトリクス材料内の粒子はある結晶配向に整列させるのに十分な磁界に暴露される。これにより、複合物のマトリクス材料内で一方向の結晶配向を呈する粒子を有する複合物の形成がもたらされる。このことから理解されるように、この発明の密接に関連した実施形態は、この方法に従って製造された複合物である。この発明のこのような諸実施形態は、例えば、複数の粒子と組み合わされたマトリクス材料を含んでなる組成物を含むもので、その場合、粒子は強磁性であってかつ磁界の存在する中で粒子の最長寸法方向に沿って粒子を整列させるのに十分なアスペクト比を有し、かつさらに粒子はマトリクス材料内においてある結晶配向を呈するものである。
【００３１】
これら複合物の粒子及びマトリクス材料は、当該技術分野において知られている多様な材料のいずれの一つからでも作ることができる。この発明の具体的な実施形態では、複合物の粒子はＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄから構成され、マトリクス材料はビニルエステル熱硬化性ポリマなどのポリマ材料を含んでなる。この発明の別の実施形態は、多種類の粒子及び／又は多数の好ましい材料特性（例えば、強磁性材料で被覆された強弾性体材料又は強誘電体材料）を有する粒子で形成されたもの、並びに、粒子と組み合わされた多種類のマトリクス／結合剤で形成されたものを含む。
【００３２】
この明細書に開示されているように、形状異方性絡みのプロセスにより形成されるこれら複合物は、数多くの非常に好ましい材料特性を呈することができる。そのような実施形態の一つでは、複合物は、非配向粒子を有する対照複合物を超えて少なくとも約１０％の飽和磁歪の増加を呈するように形成される。別の実施形態では、複合物は、同等のモノリシック材料により呈される飽和磁歪の少なくとも約７０％の飽和磁歪を呈するように形成される。さらに別の実施形態では、複合物は、非配向粒子及び／又は同等のモノリシック材料を有する対照複合物と比較して少なくとも約一桁減少した大きさの電気抵抗を呈するように形成される。
【００３３】
この発明のさらに別の実施形態は、マトリクス材料と、マトリクス材料と組み合わせることにより特定の結晶軸に沿って配向された複数の粒子とを含んでなる複合物を形成する方法であり、そこでは、複合物の粒子は、強磁性であるように、かつ、磁界の存在する中で粒子の形状異方性を克服するのに十分な結晶磁気異方性を有するように選択される。この方法では、複合物が作り出される際に、マトリクス材料内の粒子はある結晶配向に整列させるのに十分な磁界に暴露される。これにより、複合物のマトリクス材料内である結晶配向を呈する粒子を有する複合物の形成がもたらされる。このことから理解されるように、この発明の密接に関連した実施形態は、この方法に従って製造された複合物である。この発明のそのような実施形態としては、例えば、複数の粒子と組み合わされたマトリクス材料を含んでなる組成物があり、そこでは、それら粒子は強磁性であり、磁界の存在する中で形状異方性を克服するのに十分な結晶磁気異方性を有しており、さらにそれら粒子はマトリクス内である結晶配向を呈している。結晶磁気異方性（形状異方性に対して）絡みの方法では、複合物の粒子は、幾何構造上の基準（例えば、球状粒子が有するような非常に小さな形状異方性を有する）により又は組成上の基準（例えば、硬質強磁性体粒子が有するような非常に大きな磁気結晶異方性を有する）により、磁界の存在する中で粒子の形状異方性に打ち勝つのに十分な磁気結晶異方性を有するように選択される。
【００３４】
この明細書に開示されているように、磁気結晶異方性絡みのプロセスにより形成されるこれらの複合物は、多くの非常に好ましい材料特性を呈することができる。そのような実施形態の一つでは、複合物は、非配向粒子を有する対照複合物を超えて少なくとも約１０％の飽和磁歪の増大を呈するように形成される。別の実施形態では、複合物は、同等のモノリシック材料により呈される飽和磁歪の少なくとも約７０％の飽和磁歪を呈するように形成される。さらに別の実施形態では、複合物は、非配向粒子及び／又は同等のモノリシック材料を有する対照複合物と比較して少なくとも約一桁減少した大きさの電気抵抗を呈するように形成される。
【００３５】
この発明の広い実施形態は、マトリクス材料と特定の結晶軸に沿って配向された複数の粒子とを含んでなる複合物を形成する方法であり、その方法は、マトリクス材料を粒子と組み合わせるステップを含んでいて、そこでは磁界、電界または力学場の存在において粒子をある結晶配向に編成することの出来る特性を呈するように粒子が選択され、さらにその方法は、次いでマトリクス材料内で粒子を結晶配向に整列させるのに十分な磁界、電界、及び／又は力学場に暴露するステップを含んでいる。この方法では、複合物を製造する際に、マトリクス材料内の粒子をある結晶配向に整列させるのに十分な磁界に暴露する。それにより、複合物のマトリクス材料内である結晶配向を呈する粒子を有する複合物が形成される。このことから理解できるように、この発明の密接に関連した実施形態は、この方法に従って製造された複合物である。この発明の具体的な一実施形態では、粒子は、磁界の存在する中で粒子をある結晶配向に編成できる強磁性特性を有するように選択される。あるいは、粒子は、電界の存在する中で粒子をある結晶配向に編成できる強誘電特性を有するように選択される。あるいは、粒子は、力学場の存在する中で粒子をある結晶配向に編成できる強弾性特性を有するように選択される。上述のように、このようなプロセスにより形成される複合物は、多くの非常に好ましい材料特性を有する。例えば、好ましい実施形態では、非配向粒子を有する対照複合物を超えて飽和作動／検知歪が少なくとも約１０％増加するように、または同等のモノリシック材料が呈する飽和作動／検知歪の少なくとも約７０％となるように、形成される。
【００３６】
この発明の別の実施形態は、異種の材料特性を備えた複数の粒子を有する混成複合物を生成するために磁界及び／または電界及び／または力学場を結合した方法により形成された多種強特性複合物である。そのような実施形態では、粒子の一つまたは複数の別個の母集団（例えば、強磁性粒子母集団、強弾性粒子母集団及びまたは強誘電性粒子母集団）が、複合物の形成中に粒子に印加される磁界及びまたは電界及びまたは力学場に応答して複合物内で結晶学的に配向される。上記のように、このようなプロセスにより形成される複合物は、多くの非常に好ましい材料特性を有する。
【００３７】
この発明のさらに別の実施形態は、Ｎｉ2ＭｎＧａ系のような強磁性形状記憶合金材料を含んでなる粒子を採用する。これらの材料は、双晶境界の移動によって、印加磁界に応答して歪を呈する。ただし、この効果は、単結晶試料においてのみ観察され、はるかに廉価な多結晶試料においては観察されない。したがって、この明細書に開示されている発明を採用することにより、多くの小さな単一結晶粒から単結晶挙動を創り出すことができる。この発明のこの実施形態により、ＦＳＭＡ材料を安価に製造でき、現在入手可能なものよりずっと大きな寸法に製造でき、かつ渦電流効果を制限してアクチュエータ材料が過剰加熱されないようにすることができる。この発明のこの局面を詳解するための実施形態では、高いアスペクト比での形状異方性または球状粒子での結晶磁気異方性を使用して、好ましい結晶配向を実現したり、好ましくない配向複合物を超えて有意に改良した特性を実現したりすることができる。
【００３８】
この発明の方法を容易にするように設計されたキット、またはこの発明の組成物を有するキットは、この発明の範囲内にある。そのようなキットは、各々が該方法において使用される別々の要素の一つを含んでなるバイアルやチューブなどの容器手段の一つまたは複数を密閉して収容するように区画されている運搬手段を備えていてもよい。例えば、容器手段の一つは、この明細書に開示された方法において使用するため、上述したような粒子を含んでいる。この発明のそのようなキットは、典型的には、上述した容器と、試薬、希釈剤、及び取扱説明入りの包装挿入物のような、商業的観点及び使用者の観点から望ましい材料を含んでいる一つまたは複数の他の容器と、を備えている。中の組成物が特定の用途に使用されることを示すラベルを容器の上に付けてもよい。
【００３９】
次の節で提供する諸実施例は、周波数応答や耐久性などのモノリシック形状の制限を克服する磁歪複合材料の具体的詳解実施形態を提供することにより、この技術分野における前に述べた複合物を超えて優れたこの明細書に開示された複合物の特性を説明する。簡単にいえば、上記したように、前に述べた磁歪複合材料は、モノリシック材料と比較して有意に減少した飽和歪を示す。このような飽和歪における相違に拘わらず、微粒子複合材料における特定の結晶軸に沿って粒子を整列させることを意図とした研究は、殆どなされて来なかった。以前に、［１１１］容易磁化軸に沿った磁気結晶異方性があれば、プロセス中に粒子を磁界に入れた場合、この方向に沿って粒子を配向する傾向があろう、と研究者達は議論している（例えば、Sandlund他著、Journal of Applied Physics（応用物理学会誌）、７５巻、５６５６〜５６５８頁、１９９４年を参照）。しかしながら、報告されたデータに基づけば、これらの複合物の磁歪は、配向された［１１１］（飽和磁歪＝２４００マイクロストレイン）挙動というよりも、むしろ多結晶（飽和磁歪＝１２００マイクロストレイン）の方に忠実に従っている。この所見は、ＵＣＬＡで確認され、そこでは磁界中の個々の粒子に関する研究は、磁気異方性ではなく形状異方性が配向を支配することを示している。形状異方性は、粒子を最長の幾何学的軸線に沿って整列する傾向がある力として定義される。観察された形状異方性の優位性は、磁気結晶異方性が［１１１］容易磁化軸に沿ってＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ粒子の優先的配向を生み出すという、従来の通念に反している。
【００４０】
したがって、この明細書で提供される開示は、特定の結晶軸に沿って粒子を配向した複合物の製造方法、並びにその方法により生成される複合物を教示することにより、既存技術における限界を克服する。下記の諸実施例で説明するようなＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄを使用するこの発明の具体的詳解実施形態では、磁歪複合物の製造中に形状異方性を使用して、針形状の粒子を［１１２］方向近くで粒子の最長寸法方向に沿って配向する。測定したところ、このような方法を使用して生成された複合物についての飽和磁歪は、非配向複合物（１２ＭＰａの圧縮応力で）についての約１２００ｐｐｍから［１１２］配向複合物（１２ＭＰａ圧縮応力で）についての１５５０ｐｐｍ超まで増加することが、判明している。これは、複合材料については現在までに報告された磁歪の中では最大である。
【００４１】
特定の理論に束縛されることなく、この開示によりもたらされる一つの重要な観察は、製造中に整列された強磁性特性を有する粒子（例えば、Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ）の配向に対して優性の影響を与えるのは、形状異方性であって、磁気結晶異方性ではない、ということである。さらに、この開示は、同様の磁歪に達するのに必要な印加磁界が非配向粒子複合物と比較して配向粒子複合物では低減されていることを、教示している。加えて、以下に開示されるように、混合物の法則のモデルを使用することにより、複合物が磁歪について混合物の法則の予測のほぼ最大を呈することを実証できる。
【００４２】
単結晶Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄの研究は、λ111＞＞λ100というように、磁歪が高度に異方性であることを実証した（例えば、Teter他、Journal of Applied Physics（応用物理学会誌）、６７巻、５００４〜５００６頁、１９９０年。Wang他、Journal of Magnetisms and Magnetic Materials（磁気及び磁性材料学会誌）、２１８巻、１９８〜２０２頁、２０００年。Busbridge他、IEEE Transactions on Magnetics、３５巻、３８２３〜３８２５頁、１９９９年を参照）。立方飽和磁歪定数は、実験では、λ111＝１６４０及びλ100＝９０と求められた。商業的に重要な［１１２］成長容易軸に沿った飽和磁歪は、実験では、λ112＝１２００と測定された（例えば、Wang他、Journal of Magnetism and Magnetic Materials、２１８巻、１９８〜２０２頁、２０００年を参照）。これらの定数は、完全に不規則な磁歪状態から始めて所定軸に沿って完全磁化での飽和歪である。磁化が測定方向に対して９０°まで完全に回転されると、最大磁歪はλmax＝λ‖−λ⊥＝（３／２）λsである。多結晶飽和磁歪は、立方単結晶理論の平均化から導出される（例えば、Becker,R.Doring W.,Ferromagnetismus（強磁性）、Julius Springer出版、Berlin、１２８〜１４２頁、１９４３年を参照）。立方多結晶についての飽和磁歪は、λpc＝２／５λ100＋３／５λ111で与えられ、Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄについては１０２０ｐｐｍに等しい。λpcをλ112及びλ111と比較することにより、複合物の磁歪における大きな増加は、特定の結晶軸に沿って粒子を優先配向させることにより得られる、と結論付けられる。しかし、複合材料において粒子の結晶配向を得ることの具体的意図を持った研究は、殆ど行われて来ていない。以前に、容易磁化軸に沿った磁気結晶異方性があれば、プロセス中に粒子を磁界中に置けば、粒子の磁化容易方向に沿って粒子を配向させる傾向があるであろう、と研究者達は議論した（例えば、Engdahl,G.、Handbook of Giant Magnetostrictive Materials（巨大磁歪材料ハンドブック）、Academic Press社、１９９９年を参照）。ただし、報告されたデータに基づくと、これらの複合物の磁歪は、配向［１１１］（λ‖−λ⊥＝２４００ｐｐｍ）挙動というよりは、むしろ多結晶（λ‖−λ⊥＝１５００ｐｐｍ）に忠実に従っているようである。この観察は、ＵＳＬＡで確認されており、そこでは磁界中での個別粒子の研究で形状異方性が配向を支配することを示している。これらの観察は、磁気結晶異方性が粒子の容易磁化軸に沿ってＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ粒子の優先配向をもたらすという従来の通念に反している。
【００４３】
したがって、それら実施例で論じられているこの明細書の好ましい実施形態では、複合物内の粒子の優先的配向が形状異方性を利用して調整される。この目的のため、［１１２］配向の市販品ストックから針形状粒子が作成される。ボールミルで粉砕された不規則な形状の粒子から作られた対照複合物と並んで上記の針状粒子から複合物材料が作製された。研究により、［１１２］結晶配向複合物が［１１２］配向材料の飽和磁歪に近づくことが判明している。これは、複合材料の飽和歪を１０００から１５５０ｐｐｍへ増加させ、それは、以前に報告された最大の複合体磁歪を超えて５５％の増加である（例えば、Duenas他、Journal of Applied Physics（応用物理学会誌）、８７巻、４６９６〜４７０１頁、２０００年を参照）。この技術を使用して、［１１２］方向に沿って優性配向を有する商業的に生成されたテクスチャ化した多結晶材料が、１０〜２０ＭＰａの圧縮予負荷を使用して測定された１８００マイクロストレインを超える最大磁歪をもたらす。測定方向に対して垂直から平行への磁化回転に対する多結晶材料についての理論的に予測された最大磁歪は、立方体材料についてλpc＝２／５λ100＋３／５λ111で与えられ、これは１５００マイクロストレインに等しい。しかしながら、８ＭＰａの予負荷での飽和歪についての実験では、僅かに１２００マイクロストレインが得られた。
【００４４】
下記の実施例で具体的に詳解するように、磁化−歪の測定では、配向複合物における歪はλ112飽和磁歪に比例する一方、非配向複合物では多結晶飽和磁歪λpcに比例することが示された。加えて、市販のモノリシックＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄより高い磁界がいずれにも必要ではあるが、同等の磁歪に必要な磁界は、配向粒子複合物では非配向複合物と比較して低減される。
【００４５】
この明細書に開示された磁歪複合物は、ＳＯＮＡＲ変換器、機械加工装置の振動低減、及び超音波振動子など、典型的にこのような材料を採用する多様な用途で利用可能である。好ましい使用としては、この明細書に開示された磁歪複合体は、高周波用水中音波投射器で使用される。あるいはまた、この明細書に開示された磁歪複合体は、超音波用途（２０〜６０ｋＨｚ）のための音響投射器で使用される。別の応用では、この明細書に開示された磁歪複合体は、振動発生装置（０〜６０ｋＨｚ）で使用される。さらに別の応用では、この明細書に開示された磁歪複合体は、位置決め装置（例えば、高速、高精密運動を発生するため）で使用される。さらに別の応用では、この明細書に開示された磁歪複合体は、通常の電磁石による場合は周波数または負荷によって振幅が変化するところを、周波数または負荷によって振幅が変化しない広帯域幅音波投射器や振動子で使用される。
【００４６】
この発明を以下の諸実施例でさらに詳細に説明するが、以下の諸実施例は、具体的な詳解として提供するものであって、いかなる要領でもこの発明を限定する意図のものではない。この明細書で引用する全ての特許および文献の参考資料は、それら全体をここに援用する。明瞭にする目的のために、当技術分野においてよく知られよく書かれているある種の諸技術がこの明細書において再現されている。
【実施例１】
【００４７】
Ａ．プロトコル
２種類の異なる複合物（配向及び非配向）がこの実施例用に製造された。モノリシック［１１２］Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ試料と並んで、この発明の複合物が一定の周囲温度で磁気−力学の複合荷重の下で試験された。記録されたデータは、荷重、歪、磁束、及び磁界を含む。研究の焦点は、複合材料において磁歪に対する結晶配向の役割を理解することであった。以下の諸段落で、製造及び試験の取組みを詳細に説明する。
【００４８】
この実施例では、結晶方向に沿った粒子結晶配向が粒子形状異方性により得られた。それ故、所望の結晶方向に沿った配向を提供する粒子形状を作る必要があった。Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄについては、この方向は、最大磁歪の方向すなわち［１１１］の方向に相当する。しかし、市販材料は、主に［１１２］方向に沿った配向軸を有して製造されているのみである。したがって、粒子は［１１２］配向を有して製造された。針形状粒子が、市販のＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ変換器材料の円柱形ロッドのストックを使用して製造された。この材料は、樹枝状微細構造を使用してロッド軸線に沿ってミリングされ、針形状を持ったＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄの細片が製造された（例えば、Verhoeven他、Metallurgical Transaction A、１８Ａ巻、２２３〜２３２頁、１９８７年を参照）。これらの粒子は、２：１またはそれより大きなアスペクト比、及び［１１２］方向に近い長軸寸法方向を有していた。寸法は、長さが１００〜５００μｍで幅が５０〜１００μｍの範囲であった。比較として、市販の多分散ボールミル粉砕の粒子は、寸法が３００μｍ未満の概略立方体であった。
【００４９】
市販のボールミル粉砕された粒子及び特別に調製した針形状の粒子の両方から複合体試料が調製された。検討目的のため、針形状粒子を有して作られた複合物を配向粒子複合物（ＯＰＣ）と呼び、ボールミル粉砕の粒子を非配向粒子複合物（ＮＯＰＣ）と呼ぶ。各複合物について、粒子はビニルエステル熱硬化性ポリマと混合され、空隙を除くために繰り返しガス抜された。次いで、複合物のスラリがアルミニウム金型に入れられ、そしてＮｄＦｅＢ磁石を使用して、ほぼ１００ｋＡ／ｍの静磁界が複合物の長手方向に沿って印加された。この磁界は、より好ましい機械的特性をもたらす鎖状構造に粒子を整列させ、そして粒子の最長寸法方向に沿って針形状粒子を配向させる、という効果を有する。この開示の目的のため、粒子の整列については、粒子を鎖状構造に形成することに言及し、粒子配向については、複合物内での粒子の結晶配向に言及する。
【００５０】
針形状粒子の複合物について、目視検査によって配向が成功したことを確認した。静磁界中で室温で硬化した後、磁界を除いて複合物を昇温状態（１００℃）で後焼きして確実にポリマを完全硬化した。針形状粒子を有するＯＰＣ及びボールミル粉砕の粒子を有するＮＯＰＣの各一つの複合物が製造され、次いで薄箔歪ゲージ及び２０回巻サーチコイルを使用する試験装置に取り付けられた。長方形のＯＰＣの呼び寸法は、２．０×２．０×１．０ｃｍであり、円筒形のＮＯＰＣの呼び寸法は、直径１．０ｃｍ×長さ２ｃｍであった。全ての試料の歪は、試験片の両側に取り付けられた二つの歪ゲージ（ストレーンゲージ）の平均値として報告される。
【００５１】
試験は、機械−磁気の総合検査システムを使用して行なわれた。油圧サーボ荷重装置を使用して機械的荷重が加えられ、水冷ソレノイドを使用して磁界が印加された。サーチコイル及びガウスメータを使用して磁束が測定され、ホール効果プローブを介して磁界が測定された。低透磁率により生じた試料からの磁束漏洩のため、磁束測定でいくつかの問題が起こった。加えて、磁界の不規則性がホールプローブ測定で誤差を生じた可能性もあるが、これらは結果に大きく影響しない。
【００５２】
Ｂ．結果
ＯＰＣ及びＮＯＰＣの両方及びモノリシックのＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄについて８ＭＰａの一定応力圧縮荷重に対する磁界対歪の結果が図１に示されている。結晶学的整列の効果がグラフに明瞭に見られる。ＯＰＣの飽和歪は、ＮＯＰＣの飽和歪を著しく超えている。ＯＰＣは、殆ど１６００ｐｐｍの飽和歪に達しているが、ＮＯＰＣは、１８００ｐｐｍのモノリシック飽和と比較して単に１２００ｐｐｍに達しているだけである。複合材料の以前に報告された最高磁歪は、１０００ｐｐｍである（例えば、Duenas他、Journal of Applied Physics（応用物理学会誌）、８７巻、４６９６〜４７０１頁、２０００年を参照）。図１において、複合物材料とモノリシック材料の磁界ヒステリシスは似ていることが分かる。加えて、ＯＰＣ複合物とＮＯＰＣ複合物との間のヒステリシスの差はごく小さく、したがって結晶配向の関数ではないと考えられる。
【００５３】
単結晶Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄの研究によると、磁歪は異方性が高いので、結晶整列が飽和歪にとって微妙に決定的である。図１に示した結果に基づいて、複合物について類似の観察をする。すなわち、［１１２］方向に密接に沿った結晶配向を有するＯＰＣ複合物は、ＮＯＰＣ複合物より実質的に大きな磁歪を呈した。針形状粒子の配向には、粒子の長軸と［１１２］軸との不整列及び作製の粒子整列相中の摩擦を含み、いくつかの制限がありながら、我々は、ＯＰＣにおける８ＭＰａの一定圧縮応力での磁歪が市販のモノリシック材料の飽和磁歪の８６％に達することを観察している。それに比べて、ＮＯＰＣは、モノリシックの６４％で飽和する。加えて、ＯＰＣの報告された歪は、二つの歪ゲージの平均値であるが、実際の歪ゲージはこの値に対して±１００ｐｐｍの相違を示した。この相違は、粒子の整列の違いによるものであると筆者は考える。それ故、ＯＰＣ複合物の片側は、モノリシック飽和歪の９０％を超えた値で飽和したが、それは改良された粒子配向を有する複合物磁歪材料が元の材料にほぼ等しい飽和歪レベルで製造され得ることを示している。
【００５４】
ゼロ荷重での全ての材料についての磁歪対磁界の結果が図２に示されている。この結果によると、ＯＰＣは、外部負荷のない状態では１２００ｐｐｍで飽和する一方で、ＯＰＣ及びモノリシックは、９５０ｐｐｍで飽和する。報告された全ての値は、磁歪に対する未知の初期磁区状態の影響をなくする第二サイクルの結果である。モノリシック材料は、内部応力だけが結晶欠陥及び材料加工により発生した応力に由来するため、好ましい磁区配向を殆ど有しない。これは、磁界軸に垂直な磁区を回転させる外部圧縮荷重が加えられた場合に比べて、ずっと低い飽和歪につながる（例えば、Clark他、Journal of Applied Physics（応用物理学会誌）、６３巻、３９１０〜３９１２頁、１９８８年を参照）。複合物の内部では、内部圧縮応力は、重合中のポリマにおける化学的収縮により製造中に粒子内に生じる。この応力の大きさは、微細粒子の体積含有率、ポリマ内の化学的収縮、及びマトリクスと微細粒子との間の相対的剛性差の関数である。この応力は、モノリシック材料に比べて非１８０°状態のより大きな分率を含む初期磁区状態を生じ、より大きな飽和歪につながる。ＮＯＰＣ材料は、ＯＰＣに類似した内部予応力を有するけれども、飽和歪は、粒子配向の多結晶型分布により制限される。
【００５５】
歪の関数として磁化を試験することにより、結晶配向へのさらなる洞察が行なわれる。一つの完全磁化サイクルの全体に亘っての平均磁化が図３に示されている。我々は、複合物材料の磁化がモノリシックＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄより著しく低いことに注目する。図３において、複合物の飽和磁化Ｍscは、次式（Ａ）＝［数１］におけるように、微細粒子の体積含有率ｖpに比例する。
【００５６】
【数１】
2005519464.tif 000002
【００５７】
ＯＰＣは、計量技術により測定された２５％の粒子体積含有率を有し、そしてＮＯＰＣは３３％の体積率ｖpを有していた。Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄの飽和磁化は、これらの磁界でほぼ１．０Ｔ（結晶方向とは無関係）である。式（Ａ）に基づいて、２５％複合物及び３３％複合物について予測されたＭscは、それぞれ０．２５Ｔ及び０．３５Ｔであり、これは測定結果とよく一致する。０．２２Ｔ及び０．３３Ｔの測定値には、磁束密度及び磁界の両方における僅かな測定誤差に基因する誤差がある。振動サンプル磁力計試験により、複合物材料における実際の飽和磁化が体積含有率に比例することが確認されている。図３に見られるように、臨界レベルを超す応力が加えられて全ての磁区を非１８０°の状態に回転させると、磁化の関数としての磁歪は、応力とは無関係となる。臨界レベル未満の応力レベルでは、いくらかの１８０°磁区運動が生じ、モノリシック材料内での０ＭＰａ及び４ＭＰａの圧縮応力レベル及び複合物材料内での０ＭＰａの圧縮応力レベルの場合のような歪を伴うことなく、磁化が行なわれる。
【００５８】
十分な圧縮応力が加えられて磁化を磁界軸に対して垂直に回転させる場合については、歪−磁化の挙動を二次式でモデル化できる。この場合、磁歪をλ＝（３／２）λsＭ2／Ｍs2としてモデル化できることをJilesは示した。ここで、λsは、完全に不規則な初期磁化状態からの飽和磁歪である（例えば、Jiles,D.、Introduction to Magnetism and Magnetic Materials（磁気及び磁性材料入門）、Chapman and Hall, New York、１９９１年を参照）。
【００５９】
このモデルを使用して、複合物の挙動を分析することができ、そしてその体積含有率への依存性を決定することができる。この研究で、飽和磁歪が粒子の体積含有率に比較的無関係であるが、粒子の配向に大きく依存することを論証する（図１を参照）。これらの仮説及び複合物の磁化が体積含有率に比例するという前述した論証を使って、複合磁歪については次のように書ける。
【００６０】
【数２】
2005519464.tif 000003
【００６１】
ここで、λsは、消磁状態から所定の結晶軸に沿った飽和磁歪、Ｍsは、モノリシックＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄの飽和磁化である。粒子からマトリクスへと歪みが完全に伝達するものと仮定するため、このモデルは自動的に複合材料の挙動についての上限を表す。これは、粒子が単一繊維として挙動すると仮定することと同等である。低体積含有率ポリママトリクス複合物における体積含有率の関数としての弾性率の前の研究によると、この仮定が磁気的に整列された粒子複合物に対して合理的である（例えば、Duenas他、Journal of Applied Physics（応用物理学会誌）、８７巻、４６９６〜４７０１頁、２０００年を参照）。
【００６２】
図４及び５は、ＯＰＣについては［１１２］軸に沿った結晶整列、ＮＯＰＣについては［１１１］整列、および比較用に多結晶挙動を仮定して、放物線形状磁化モデルとＯＰＣ（図４）及びＮＯＰＣ（図５）についての実験データ（８ＭＰａ及び１２ＭＰａ）との比較を提供する。体積含有率に比例する歪を有するサンドランドのモデルも与えられている。実験データの名称は、図３と同一である。
【００６３】
このモデルの結果は、８及び１２ＭＰａの圧縮応力でのＯＰＣについての実験結果とともに、図４に示されている。［１１２］方向に沿った方向優先的配向及び多結晶配向の両方を使用するモデルが比較用に与えられる。グラフから、λ112を使用するモデルは、試験で観察された磁歪がこのモデルの下に落ちるため、より良好なモデルであると結論付けられる。上述したように、飽和磁歪のモデル予測は、機械的歪伝達に対する上限条件が仮定されるため、材料挙動に対する上限でなければならない。図４には、磁歪が粒子体積含有率に比例する場合のサンドランド他から取ったモデルも含まれる。
【００６４】
図５において、このモデルをＮＯＰＣについての試験データと比較してある。モデルは、容易［１１１］方向に沿った整列及び飽和磁歪λsについての多結晶挙動の両方を仮定して、提供されている。再び、Sandlundのモデルが比較のため提供されている。この図から、多結晶配向モデルがボールミルで粉砕された粒子に関連した優先配向のないことを示すデータに最も良く当てはまることが観察される。ＯＰＣ及びＮＯＰＣの複合物の両方について、磁歪が体積含有率に比例するという仮定は、不適当である。
【００６５】
様々な加えられた一定荷重について印加磁界の関数としての平均磁歪を図６に示す。この図から、ＯＰＣの磁歪−磁界の挙動が［１１２］配向のモノリシック材料の磁歪‐磁界挙動とＮＯＰＣ材料の磁歪‐磁界挙動との間に入ることが観察される。全ての荷重レベルにおけるＯＰＣ複合物における低飽和歪は、複合物内の粒子の不整列または粒子自体の［１１２］方向の不整列により説明できる。同等の応力レベルで、ＯＰＣ材料は、同等の磁歪を生じるためにＮＯＰＣ材料よりもずっと小さな磁界を必要とする。［１１２］方向が他の結晶方向よりも大きな磁歪を発生させるためにずっと小さな磁界を必要とすることを考えれば、これは改良された粒子配向に部分的に起因すると考えられる（例えば、Lim他、Journal of Magnetism and Magnetic Materials（磁気及び磁性材料学会誌）、１９１巻、１１３〜１２１頁、１９９９年を参照）。また、両複合材試験片は、モノリシックと同等の歪レベルに達するためにずっと高い印加磁界を必要とすることが観察される。これは、磁歪複合物についての前の結果と一致し、そして比較的高い弾性率の粒子を低弾性率のマトリクス材料と組み合わせて複合材料を作る結果としての粒子内の応力と、有限長粒子の消磁効果との組合せである。これらの効果は、これらの材料の実施形態の研究のための情報を提供する。
【００６６】
Ｃ．分析
上記に詳解したように、［１１２］結晶配向を有するＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ粒子のポリママトリクス材料が作製され、それは、モノリシック材料の磁歪と同等の磁歪を達成している。配向複合物は、非配向複合物を超えて３０％の歪の増加を呈し、そして市販のＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄの飽和歪の８５％を呈する。配向粒子の複合物は、［１１２］飽和磁歪定数λ112を利用するモデルにより十分に説明され、非配向粒子の複合物は、多結晶磁歪定数を利用することにより十分に説明される。これらの結果は、非配向複合物は多結晶挙動を示し、前に仮説を立てたような［１１１］軸に沿った優先整列を示さない。
【実施例２】
【００６７】
当業者は、実施例１及び実施例２で提供される開示情報間にある程度の重複があることに気付くであろう。
【００６８】
Ａ．プロトコル
上記の実施例１におけるように、この実施例では、２種類の異なる複合物（配向と非配向）がこの研究のために製造された。それら複合物は、モノリシック構造［１１２］Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ試料とともに一定の周囲温度で磁気−力学複合荷重下で試験された。記録されたデータは、荷重、歪、磁束、及び磁界を含む。以下の各段落で、製造及び試験への取組みを詳細に説明する。
【００６９】
この研究で、特定の結晶配向に沿った粒子配向が粒子形状異方性により達成された。したがって、高磁歪方向に沿った最長軸を有する針形状粒子が必要であった。Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄでは、最大磁歪配向は［１１１］である。しかしながら、市販の材料は、主に［１１２］方向に沿った配向軸を有するもののみが製造されている。したがって、粒子は、市販のストック材料を使用して［１１２］配向を有した状態で作られた。ストック材料は、樹枝状微細構造を使用してロッド軸に沿ってミリングされて、針形状Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ粒子が製造された。これらの粒子は、２：１またはそれより大きなアスペクト比で、［１１２］方向に近い長軸寸法方向を有していた。改良された高周波応答のために、針の幅はこれらの粒子より小さくする必要があるが、この研究のためには、その目的は、飽和歪の増大であり特に高い周波での性能ではなかった。市販の多分布ボールミル粉砕粒子は、３００μｍ未満のほぼ立方体寸法であった。
【００７０】
複合物試験片は、針形状粒子及び市販のボールミル粉砕の粒子の両方から調製された。検討目的のため、針形状粒子を有して製造された複合物を配向粒子複合物（ＯＰＣ）と呼び、ボールミルで粉砕された粒子の方を非配向粒子複合物（ＮＯＰＣ）と呼ぶ。各複合物について、粒子はビニルエステル熱硬化性ポリマと混合され、空隙を除くために繰り返しガス抜きされた。次いで、複合物のスラリがアルミニウム金型に入れられて、ＮｄＦｅＢ磁石を使用して複合物の長手方向に沿ってほぼ１００ｋＡ／ｍの静磁界が印加された。この磁界は、より好ましい機械的特性をもたらす鎖状構造に粒子を整列して、粒子の最長寸法方向に沿って針形状粒子を配向させる。針形状粒子の複合物については、目視検査によって配向が成功したことを確認した。この論文の目的のため、粒子の整列は、粒子を鎖状構造に形成することに言及し、粒子配向は、複合物内での粒子の結晶配向に言及する。
【００７１】
静磁界中で室温で硬化した後、磁界を除き、両（ＯＰＣ及びＮＯＰＣ）複合物を１００℃で８時間後焼きして確実にポリマを完全硬化した。長方形ＯＰＣの呼び寸法は、２．０×２．０×１．０ｃｍであり、円筒形ＮＯＰＣの呼び寸法は、直径１．０ｃｍ×長さ２ｃｍであった。全ての試料が薄箔歪ゲージ及び２０回巻サーチコイルを使用する試験装置に取り付けられた。全ゲージ面積は、粒子と同じ桁の約１ｍｍ2であったため、ある程度の歪不規則性が予測される。垂直な配向方向に沿って目立って並ぶ針形状粒子を有するＯＰＣ複合物の写真を図７に示す。
【００７２】
Ｂ．結果
配向粒子複合物（ＯＰＣ）及び非配向粒子複合物（ＮＯＰＣ）並びにモノリシック材料について一つの磁化サイクルに亘る平均磁歪の結果を図８に示す。ＯＰＣについて測定された最大磁歪は、１２ＭＰａの圧縮応力及び３９０ｋＡ／ｍにおいて１５７０ｐｐｍである。ＮＯＰＣ複合物は、１２ＭＰａの圧縮予備圧力及び３５０ｋＡ／ｍにおいて１２００マイクロストレーンで飽和する。モノリシックは、１２ＭＰａの圧縮予備圧力及び２４０ｋＡ／ｍにおいて１８００マイクロストレーンのピーク歪を有していた。加えて、各材料について、より高いレベルの応力を加えると、所定の磁歪を実現するために強めた磁界が要求される。この効果は十分に理解でき、それは異方性を効果的に増大させる垂直応力の結果である。このような異方性の効果的な増大には、初期の容易方向から離れて磁化を回転させるために、より大きな磁界が必要とされる。一般に、ＯＰＣは、所定の磁歪に達するのにＮＯＰＣよりも小さな磁界を必要とするが、モノリシックと比較すると、増大した磁界が必要である。しかし、この挙動には考察された３つの材料において異なる応力及び消磁磁界の効果が含まれるので、図８から粒子の配向に関して結論付けるのは、困難である。
【００７３】
複合物の性能に対する粒子配向の効果を分離するため、我々は、磁化−歪の挙動を調べる。一つの完全な磁化サイクルに亘っての平均歪を、磁化の関数として図９に示す。我々は、複合材料の磁化がモノリシックＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄより有意に低いが、磁歪は同等であることに気付いている。
【００７４】
加えて、複合物の飽和磁化Ｍscは、微粒子の体積含有率ｖpに比例することが観察され、その関係は、次式に示される。ここに、ＭsT-Dは、Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄの飽和磁化（約１．０Ｔ）である。
【００７５】
【数３】
2005519464.tif 000004
【００７６】
ＯＰＣは、計量技術により測定された２５％の体積含有率を有し、ＮＯＰＣは、３３％の体積含有率ｖpを有していた。式（１）＝［数３］に基づいて、２５％複合物及び３３％複合物についての予測Ｍscは、それぞれ０．２５Ｔ及び０．３５Ｔであり、これは測定結果とよく一致する。測定値の０．２２Ｔ及び０．３３Ｔは、磁束密度及び磁界の両方における僅かな測定誤差に基因した誤差を有する。振動試料磁力計試験により、複合材料における実際の飽和磁化が体積含有率に比例することが確認されている。図９に見られるように、臨界レベルを超えた応力が加えられて全磁区を非１８０°状態に回転させると、磁化の関数としての磁歪は、応力とは無関係となる。臨界レベルより下の応力レベルでは、ある程度の１８０°磁区動きが生じ、モノリシック材料における０ＭＰａ及び４ＭＰａの圧縮応力並びに複合材料における０ＭＰａの場合のように歪を伴うことなく、正味の磁化がなされる。
【００７７】
図８及び９が同じ試験から得られたことを考えると、磁化−歪の挙動は、複合物の磁歪を比較するのに有用であることが明瞭に観察される。磁界−磁歪の関係が印加応力の強い関数である（図８参照）一方、ただ一つの磁化歪関係が存在する。この現象は、一旦十分な応力が加えられて全ての磁区を磁界方向に対して垂直に回転させると、全ての磁化が磁歪をもたらすことを観察することにより、説明が付く。ここに述べたことは、完全単結晶に限った場合に絶対的に当てはまるが、一般に、十分な応力が加えられて磁化の回転を制限する多結晶材料についても依然有効である。次の段落で、我々は、応力及び消磁の影響を考慮する必要性なく、この特性を使って、得られた複合物の磁歪を、複合物について配向の関数として予測した値と、比較する。
【００７８】
これによって、［１１１］、［１１２］、及び多結晶粒子配向の複合材料における磁化の関数として磁歪を予測するモデルを開発した。大部分の磁区を磁界方向に対して垂直に回転させるように十分な予備圧力が加えられたと仮定すると、全体的に回転を通して磁化が行われると想定できる。この場合、Jilesは、磁歪と磁化の間に放物線関係が存在することを示している（例えば、Jiles,D.、Introduction to Magnetisms and Magnetic Materials（磁気及び磁性材料入門）、Chapman and Hall, New York、１０３頁、１９９１年を参照）。主方向に沿って、磁歪は（３／２）λに比例する。ここに、λは、消磁状態からの磁歪である。したがって、［１１１］配向結晶については、３／２λ111＝２４００マイクロストレーンを使用する。［１１１］に沿った初期磁化を有し、高磁界で［１１２￣］へ向けて回転する［１１２￣］配向材料については、予測される単結晶磁歪は、２０２３マイクロストレーンであろう（例えば、Teter他、Journal of Applied Physics（応用物理学会誌）、６１巻（８号）、３７８７〜３７８９頁、１９８７年を参照）。これは、二つの磁歪定数（λ100及びλ111）の関数として立方体材料について一般化した関係、及び任意の磁化と歪測定方向から算出される。多結晶材料では、平均化技術により、消磁状態からの磁歪は、λpc＝２／５λ100＋３／５λ111であり、そして全回転磁化における磁歪は、３／２λpc＝１５００であると求められる。Jilesによるモデルの基本形式は、次式であり、ここに、Ｍsは飽和磁歪であり、λmaxは上述の比例定数である。
【００７９】
【数４】
2005519464.tif 000005
【００８０】
式（１）＝［数３］から、複合物磁化は、体積含有率に比例すると決定したので、複合物モデルを次式のように表すことができる。ここに、ｖpは粒子の体積含有率である。上述したように、λpsmax、λ112max、及びλ111maxとして、それぞれ１５００、２０２３、及び２４００ｐｐｍを使用する。
【００８１】
【数５】
2005519464.tif 000006
【００８２】
歪が粒子からマトリクスへ完全に伝達されるものと仮定するので、自動的に、このモデルは、複合物材料の挙動についての上限を表す。これは、粒子が単一の繊維（すなわち、１‐３の複合物）として挙動すると仮定することと同等である。体積含有率の関数としての弾性率の前研究は、この仮定が磁気的に整列された粒子複合物について合理的であることを示している（例えば、Duenas他、Journal of Applied Physics（応用物理学会誌）、８７巻、４６９６〜４７０１頁、２０００年を参照）。
【００８３】
式（２）＝［数４］を使用して、分析結果を、８ＭＰａ及び１２ＭＰａの圧縮応力でのＯＰＣについての実験データとともに、図１０に示す。このグラフから、λ112maxに比例するモデル予測が最も適切である（試験で観察された磁歪がこのモデルの下に来るため）と結論付けられる。上記に説明したように、飽和磁歪のモデル予測は、それが一定の歪（すなわち、上限）を呈するため、材料挙動に対する上限である。
【００８４】
図１１において、８ＭＰａ及び１２ＭＰａの圧縮応力でのＮＯＰＣについて分析予測を試験データと比較する。モデルの結果は、容易［１１１］方向に沿っての整列（すなわち、λ111maxに比例する）及び多結晶挙動（すなわち、λpsmaxに比例する）の両方を仮定して提供される。図１１において、多結晶配向モデルがデータに最も良く当てはまると結論付けられる。この結論は、ボールミルで粉砕された粒子に関しては、［１１１］方向に沿った優先配向がないことを示している。したがって、製造中にＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ粒子の配向に作用する優勢的な力は、形状異方性であると結論される。これは、結晶の磁気異方性が［１１１］容易磁化軸に沿って方向優先的配向をもたらすであろうという以前の仮説に反する（例えば、Sandlund他、Journal of Applied Physics（応用物理学会誌）、７５巻、５６５６〜５６５８頁、１９９４年を参照）。さらに、既知の結晶軸に沿った形状異方性を有する粒子について、この特性を使用して所定の結晶方向に沿った粒子配向を有する複合物を製造することができる。
【００８５】
Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄなどの高い異方性の磁歪材料について、この開発は、モノリシック材料にできるだけ密接に一致する磁歪性能を有する複合材料の作成にきわめて重要である。
【００８６】
最後に、混合物調合の簡単な法則を使用して複合材料における上限磁歪を予測する。混合物理論の法則は、異なる弾性率の構成材料が互いに力を及ぼし合う場合、複合物の中に相互応力が生じるであろうと予測する。この相互応力は、微粒子内で圧縮応力になり、それが複合物内の存在し得る全歪み（すなわち、磁歪）を減少させる。複合物についての式１〜３＝［数３］〜［数５］に従えば、複合物材料において予測される最大歪は、ｖpの関数として、次式のように得られる。
【００８７】
【数６】
2005519464.tif 000007
【００８８】
ここに、λcmaxは、複合物内にあり得る最大の歪、λtotは、磁歪粒子からの全磁歪、そしてＥp及びＥmは、それぞれ粒子及びマトリクスの弾性率である。図１２は、λtot＝２０２３ｐｐｍ、Ｅm＝３ＧＰａ、及びＥp＝３０及び６０ＧＰａについての複合材料内のあり得る最大の磁歪を示す。二つの弾性率をＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄについて与えてある。というのは、弾性率は、非常に変わりやすく、また応力条件及び磁界条件に依存するからである。図１２から、与えられた二つの弾性率及びｖp＝０．２５について、複合物の予想される最大磁歪の範囲は１５５６と１７６０ｐｐｍの間であることが観察される。それ故、この体積含有率について、理論的に予測された磁歪の殆ど（８９〜１００％）が複合物中に観察された。図１２から、複合材料内における飽和歪をさらに増大するための一つの可能な方法は、マトリクス含有量を減少させてかつマトリクスの弾性率を低下させることである、と結論付けることができる。
【００８９】
Ｃ．分析
上記に詳解したように、所望の結晶配向を有する粒子磁歪複合材料が形状異方性を使用して作製された。結果として生じた複合材料は、同等の非配向複合物について１２ＭＰａの圧縮荷重での約１２００ｐｐｍと比較して、１２ＭＰａの圧縮荷重で１５５０ｐｐｍを超える飽和歪を呈する。磁化の関数として磁歪の挙動を調べることにより、この発見がさらに裏付けられた。簡単な二次式モデルが、配向粒子は［１１２］挙動により最も満足に説明されること、及び非配向複合物は多結晶挙動により最も満足に説明されること、を示している。
【００９０】
この出願の全体を通して、各種の刊行物が参照されている。それら刊行物の開示は、その全体をここに援用する次第である。この発明は、この明細書に開示された実施態様によってその範囲が制限されるべきでなく、それら実施態様はこの発明の個別の局面を単独に具体的詳解するよう意図されたものであり、作用的に等価な如何なるものもこの発明の範囲内にある。さらに、この明細書の中で説明されたモデルや方法に加えて、この発明のモデル及び方法に対する各種変形実施例が、前記の説明及び教示から、当業者にとって明らかになるであろうし、それらは同様にこの発明の範囲内に入るものと意図されている。そのような変形実施例や他の実施形態は、この発明の真の範囲及び精神から逸脱することなく、実施され得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】８ＭＰａの一定圧縮予荷重でのＯＰＣ、ＮＯＰＣ、及びモノリシックＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄについて歪出力の比較を示す図である。
【図２】予荷重ゼロ（０ＭＰａ）の一定圧縮予荷重でのＯＰＣ、ＮＯＰＣ、及びモノリシックＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄについて歪出力の比較を示す図である。
【図３】ＯＰＣ、ＮＯＰＣ、及びモノリシック材料について一定圧縮予荷重での磁化挙動を詳解する図である。
【図４】ＯＰＣでは［１１２］軸に、ＮＯＰＣでは［１１１］軸に沿った結晶整列を想定したＯＰＣ（図４）とＮＯＰＣ（下図５を参照）についての実験データ（８ＭＰａ及び１２ＭＰａ）に対する放物線形状磁化モデルの比較と、多結晶挙動を想定した比較を示す図である。体積含有率に比例する歪を有するサンドランド(Sandlund)のモデルも与えられている。実験データの用語は、図３と同一である。
【図５】ＯＰＣでは［１１２］軸に、ＮＯＰＣでは［１１１］軸に沿った結晶整列を想定したＯＰＣ（上図４を参照）とＮＯＰＣ（図５）についての実験データ（８ＭＰａ及び１２ＭＰａ）に対する放物線形状磁化モデルの比較と、多結晶挙動を想定した比較を示す図である。体積画文に比例する歪を有するサンドランドのモデルも与えられている。実験データの用語は、図３と同一である。
【図６】印加磁界の関数として、ＯＰＣ、ＮＯＰＣ、及びモノリシック材料について様々な一定負荷での平均磁歪を詳解する図である。
【図７】配向方向が垂直である配向粒子を示す配向粒子複合試験片の写真である。
【図８】種々の圧縮予備圧力での配向、非配向及びモノリシック材料について印加磁界の関数として平均磁歪を詳解する図である。ＯＰＣ、ＮＯＰＣ、及びモノリシックについて、ピーク磁歪はそれぞれ１５５０，１２００、及び１８００ｐｐｍである。
【図９】モノリシック材料と比較して配向及び非配向粒子複合物について様々な圧縮予備圧力での磁化の関数としての磁歪を詳解する図である。ＯＰＣ及びＮＯＰＣの粒子体積含有率は、それぞれ２５％及び３３％である。
【図１０】［１１２］に沿った整列及び多結晶について予測した状態の［１１２］配向粒子複合物についての磁化歪モデルを示す図である。
【図１１】［１１１］に沿った整列（配向を決定する結晶磁気異方性の場合）及び多結晶（粒子配向を決定する形状異方性の場合）について予測した状態の非配向粒子複合物についての磁化歪モデルを示す図である。
【図１２】体積含有率の関数として混合モデルの法則により複合物において予測された最大磁歪を詳解する図である。
【図１３ａ】サンドランドにより研究された整列及び非整列粒子の幾何学的配置を実証する図である。
【図１３ｂ】［１１２］配向複合物を調製するために用いられた粒子のアスペクト比及び結晶配向を示し、それらを、好ましい粒子結晶配向のない複合物を作る不規則に形成された粒子と比較する図である。
【図１３ｃ】最良の磁歪特性を得るため好ましい結晶配向を必要とする［１００］方向より２桁大きな応答性で応答するＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄにおける［１１１］の高度に磁歪を呈する方向を示す図である。下記実施例に開示された詳解実施形態は、材料の入手が容易なことから、［１１２］配向を使用し、これは不規則配向の複合物に対してより優れた性能を提供する、ことに留意されたい。Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄについて最も好ましい実施形態は、［１１１］配向である。
【図１３ｄ】形状異方性の代わりに磁気結晶幾何構造を使って好ましい粒子配向を得るための好ましい粒子の幾何構造を示す図である。
【図１４ａ】それが静水圧圧縮成形されかつ結合剤が硬化される前に磁気で材料を整列させることにより発生された複合物における粒子の組織構造を示す図である（例えば、米国特許第５，７９２，２８４号を参照）。これは、磁歪粉末複合物の加工方向に沿って磁化用の磁界を印加することにより達成される。
【図１４ｂ】マトリクス材料と特定の結晶軸に沿って配向された複数の粒子とを含む複合物を形成する方法により発生させられた複合物における粒子の組織構造を示す図であり、その方法は、マトリクス材料を粒子と組み合わせるステップであって、そこで、当該粒子は、強磁性のもので、かつ磁界の存在中でその最長寸法方向に沿って粒子を整列させるのに十分な縦横比を有するものが選択されるステップと、前記粒子をある結晶配向に整列させるのに十分な磁界に、前記マトリクス材料内の前記粒子を暴露するステップと、前記複合物の前記マトリクス材料内で前記粒子がある結晶配向を呈するように前記複合物が形成されるようにするステップと、を含んでなる方法である。
【図１４ｃ】マトリクス材料と特定の結晶軸に沿って配向された複数の粒子とを含む複合物を形成する方法により発生させられた複合物における粒子の組織構造を示す図であり、その方法は、マトリクス材料を粒子と組み合わせるステップであって、そこで、当該粒子は、強磁性のもので、かつ磁界の存在中でその形状異方性を克服するのに十分な磁気結晶異方性を有するものが選択されるステップと、前記粒子をある結晶配向に整列させるのに十分な磁界に、前記マトリクス材料内の前記粒子を暴露するステップと、前記複合物の前記マトリクス材料内で前記粒子がある結晶配向を呈するように前記複合物が形成されるようにするステップと、を含んでなる方法である。このような方法では、当業者は、複合物内部の粒子の特定配向を調べるのに、顕微鏡試験やＸ線拡散技術を含む数多くの技術を典型的に採用する。あるいはまた、粒子の配向は、複合物の材料特性を分析することにより評価することができる。下記に述べるように、ある結晶配向の状態にある粒子を有する複合物は、このように整列されていない粒子を有する複合物の材料特性とは著しく異なるある種の特定な材料特性を呈する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１３ｃ】
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【図１３ｄ】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１４ｃ】
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【国際調査報告】
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