(57)【要約】【課題】テラヘルツ複合材料及びその製造方法の提供。【解決手段】本発明はテラヘルツ(Tera Hertz、THz)複合材料及びその製造方法に関し、前記複合材料の構成は、５０〜６５％のナノクリスタル珪素(nc-Si)と、６〜１０％の天然珪素酸化物と、４〜８％の天然珪酸塩鉱物と、３〜７％の天然炭酸塩鉱物と、６〜１０％の補助粘結剤とを含む。前記製造方法は、１、原料を比率に従って調合し、２、ふるいにかけ、３、水を加えてマイクロ・ナノメートル化するまで研磨され、４、水分を乾燥させ、５、粉砕(粉末化)し、６耐熱性るつぼに入れて高温で溶融され、７、溶融物を鋳型に入れ(鋳型内部は先に離型剤による処理が施される)、８、表面が研磨され、高温で溶融されて表面に浮かび上がった不純物を除去し、９、所定の形状に研磨加工する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材料の構成は、５０〜６５％のナノクリスタル珪素、６〜１０％の天然珪素酸化物、４〜８％の天然珪酸塩鉱物、３〜７％の天然炭酸塩鉱物及び６〜１０％の補助粘結剤を含むことを特徴とするテラヘルツ複合材料。
【請求項２】
天然珪素酸化物は玄武岩であり、天然珪酸塩鉱物は石英またはトルマリンであり、天然炭酸塩鉱物は方解石であり、ナノクリスタル珪素のサイズは５００ナノメートルより小さいことを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ複合材料。
【請求項３】
補助粘結剤は珪酸ナトリウムであることを特徴とする、請求項１に記載のテラヘルツ複合材料。
【請求項４】
(１)原料を上述の請求項１に記載の比率で調合し、(２)ふるいにかけ、(３)水を加えマイクロ・ナノメートル化するまで研磨され、(４)水分を蒸発させ、(５)粉末化し、(６)耐熱性のるつぼに入れて高温で溶融され、(７)溶融物を鋳型に入れ(鋳型内部は先に離型剤による処理が施される)、(８)表面が研磨され、高温で溶融されて表面に浮かび上がった不純物を除去し、(９)所定の形状に研磨加工され、研磨加工された後に水を含む余剰物を乾燥し、ふるいにかけて収集することを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ複合材料の製造方法。
【請求項５】
複合材料の構成は、５０〜６０％のナノクリスタル珪素、６〜１０％の天然珪素酸化物、４〜８％の天然珪酸塩鉱物、３〜７％の天然炭酸塩鉱物、２〜５％の炭類アロトロピー体及び６〜１０％の補助粘結剤とを含むことを特徴とするテラヘルツ複合材料。
【請求項６】
天然珪素酸化物は玄武岩であり、天然珪酸塩鉱物は石英またはトルマリンであり、天然炭酸塩鉱物は方解石であり、炭素はグラファイトまたは人工生成物であり、ナノクリスタル珪素のサイズは５００ナノメートルより小さいことを特徴とする、請求項５に記載のテラヘルツ複合材料。
【請求項７】
補助粘結剤は珪酸ナトリウムであることを特徴とする、請求項５に記載のテラヘルツ複合材料。
【請求項８】
(１)原料を上述の請求項５に記載の比率で調合し、(２)ふるいにかけ、(３)水を加えマイクロ・ナノメートル化するまで研磨され、(４)水分を蒸発させ、(５)粉末化し、(６)耐熱性のるつぼに入れて高温で溶融され、(７)溶融物を鋳型に入れ、鋳型内部は先に離型剤による処理が施され、(８)表面が研磨され、高温で溶融されて表面に浮かび上がった不純物を除去し、(９)所定の形状に研磨加工され、研磨加工された後に水を含む余剰物を乾燥し、ふるいにかけて収集することを特徴とする請求項５に記載のテラヘルツ複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複合材料に関し、より詳しくはテラヘルツ(Ｔｅａｒ Ｈｅｒｔｚ、ＴＨｚ)複合材料の製造方法及びその組成物に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在多くの遠赤外線製品が存在し、ギガヘルツ(Giga Hertz)波(１０)の９乗で応用される製品である。この種の構造は応用されて久しいが、但し、より高いレベルでの広範な応用に関しては、それに適した検知器が存在しないため、テラヘルツ波の応用が限られた。実際の需要により見合った製品を提供するために、本発明者は研究開発を行い、従来の使用上の問題を解決することに至った。
【０００３】
２０世紀の８０年代中後期にＴＨｚ波(テラヘルツTera Hertz波１０12)またはＴＨｚ波ビーム(テラヘルツ波ビーム)と正式に命名され、それ以前には科学者達は遠赤外線と呼んでいた。テラヘルツ波とはサイクルが０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚの範囲の電磁波を指し、その波長の範囲は０．０３から３ｍｍであり、マイクロ波と赤外線との間に位置する。実際には、百年以上前に、科学者がこの周波帯の研究を行っていた。１８９６年及び１８９７年に、Ｒｕｂｅｎｓ及びＮｉｃｈｏｌｓがその周波帯の研究を行い、赤外スペクトルが９μｍ(０．００９mm)及び２０μｍ(０．０２mm)に達し、その後に５０μｍに達するものも記載されている。その後の百年あまりの間、遠赤外線技術は多くの成果をあげて産業化されるに至った。然しながら、主に有効なテラヘルツ波の発振源及び検知器の感度に制限されたために、テラヘルツ周波帯の研究結果及びデータが非常に少なく、この周波帯はＴＨｚギャップと呼ばれた。８０年代になると新技術が開発され、新材料も発展し、特に技術の発展は目覚ましく、広帯域の安定したパルスのＴＨｚ発振源の獲得が常用技術となり、ＴＨｚ技術が目覚ましい発展を遂げ、実際にＴＨｚ研究の大きな潮流が起こっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の主な目的はテラヘルツ(Tera Hertz、THz)複合材料を提供し、特殊なプロセスを発見し、組成物と組み合わせることで生物に有益なテラヘルツ遠赤外線(生育光波)を放射させることにより、人々がより使用しやすくするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の目的を達成させるために、本発明は複合材料を提供する。前記複合材料の構成は、５０〜６５％のナノクリスタル珪素(nc-Si)と、６〜１０％の天然珪素酸化物と、４〜８％の天然珪酸塩鉱物と、３〜７％の天然炭酸塩鉱物と、６〜１０％の補助粘結剤とを含む。
【０００６】
天然珪素酸化物は玄武岩であり、天然珪酸塩鉱物は石英及びトルマリンであり、天然炭酸塩鉱物は石灰岩及び苦灰石であり、石灰岩は霰石及び方解石を含む。ナノクリスタル珪素のサイズは５００ナノメートルより小さい。補助粘結剤は珪酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＤ３）である。
【０００７】
本発明は復合材料の製造方法を更に提供し、以下の工程を含む。１、原料を比率に応じて調合する。２、ふるいにかける。３、水を加えてマイクロ・ナノメートル化するまでローラーをかける。４、水分を蒸発される。５、粉砕(粉末化)する。６耐熱性るつぼに入れて高温で溶融される。７、溶融物を鋳型(鋳型内部は先に離型剤による処理が施される)に入れる。８、表面を研磨し、高温で溶融されて表面に浮かび上がった不純物を除去する。９．超微粒子に研磨加工され、研磨加工された後、水を含む余剰物を乾燥させ、ふるいにかけて収集する。
【０００８】
本発明は、テラヘルツ複合材料及びその製造方法を更に提供する。複合材料の構成は、５０〜６０％のナノクリスタル珪素(nc-Si)と、６〜１０％の天然珪素酸化物と、４〜８％の天然珪酸塩鉱物と、３〜７％の天然炭酸塩鉱物と、２〜５％の炭類アロトロピー体と、６〜１０％の補助粘結剤とを含む。
【０００９】
天然珪素酸化物は玄武岩であり、天然珪酸塩鉱物は石英またはトルマリンであり、天然炭酸塩鉱物は方解石であり、炭素はグラファイトまたは人工生成物である。ナノクリスタル珪素のサイズは５００ナノメートルより小さい。補助粘結剤は珪酸ナトリウムである。
【００１０】
複合材料の製造方法は、以下の工程を含む。１、原料を比率に応じて調合する。２、ふるいにかける。３、水を加えてマイクロ・ナノメートル化するまでローラーをかける。４、水分を蒸発される。５、粉砕(粉末化)する。６耐熱性るつぼに入れて高温で溶融される。７、溶融物を鋳型(鋳型内部は先に離型剤による処理が施される)に入れる。８、表面を研磨し、高温で溶融されて表面に浮かび上がった不純物を除去する。９．超微粒子に研磨加工され、研磨加工された後、水を含む余剰物を乾燥させ、ふるいにかけて収集する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は特殊なプロセスを発見し、組成物と組み合わせることで生物に有益なテラヘルツ遠赤外線(生育光波)を放射させることにより、人々がより使用しやすくする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る単体珪素の放射率−波長図である。
【図２】本発明に係る炭素の放射率−波長図である。
【図３】本発明に係る完成品Ａの反射率−サイクル図である。
【図４】本発明に係る完成品Ｂの反射率−サイクル図である。
【図５】本発明を従来の技術と比較した放射率−波長図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態において、テラヘルツ(Tera Hertz、THz)複合材料は、その構成は、主原料である５０〜６０％のナノクリスタル珪素(nc-Si)と、６〜１０％の天然珪素酸化物と、４〜８％の天然珪酸塩鉱物と、３〜７％の天然炭酸塩鉱物と、２〜５％の炭類アロトロピー体と、６〜１０％の補助粘結剤とを含む。珪素酸化物は玄武岩であり、天然珪酸塩鉱物は石英及びトルマリンであり、天然炭酸塩鉱物は石灰岩及び苦灰石であり、石灰岩は霰石及び方解石を含み、炭素はグラファイトまたは人工生成物であり、補助粘結剤の成分は珪酸ナトリウム(水ガラス)である(図３は完成品Ａの反射率‐サイクル図を示す)。
【００１４】
本発明の他の実施形態において、テラヘルツ(Tera Hertz、THz)複合材料は、その構成は、主原料である５０〜６５％のナノクリスタル珪素(nc-Si)と、６〜１０％の天然珪素酸化物と、４〜８％の天然珪酸塩鉱物と、３〜７％の天然炭酸塩鉱物と、６〜１０％の補助粘結剤とを含む。珪素酸化物は玄武岩であり、天然珪酸塩鉱物は石英及びトルマリンであり、天然炭酸塩鉱物は石灰岩及び苦灰石であり、石灰岩は霰石及び方解石を含み、(２〜５％の炭類アロトロピー体が更に加えられるのが好ましい)、補助粘結剤の成分は珪酸ナトリウム(水ガラス)である。(図４は完成品Ｂの反射率‐サイクル図を示す)。
【００１５】
本発明の構成の主原料は、５０〜６５％のナノクリスタル珪素(nc-Si)である。ナノクリスタル珪素のサイズは５００ナノメートルより小さい。
【００１６】
また、珪素は化学元素であり、その化学記号はＳｉであり、地殻において２番目に豊富な元素であり、地殻を構成する総質量の２５．７％を占める。結晶型の珪素は濃紺色を呈し、非常に脆く、典型的な半導体であり、化学的に非常に安定している。常温下ではフッ化水素以外の物質とは反応しにくい。ナノクリスタル珪素(nc-Si)及びアモルファス珪素(a-Si)は同じく珪素のアロトロピー体である。
【００１７】
ナノクリスタル珪素とモルファス珪素との差異は、ナノクリスタル珪素は小さいアモルファスの珪素結晶粒を有する点である。比較すると、多結晶珪素は結晶粒界と完全に隔てられた珪素結晶顆粒で構成される。ナノクリスタル珪素は微結晶珪素(μc-Si)とも呼ばれる。差異は、結晶粒の顆粒の大きさのみである。大部分の顆粒の大きさがマイクロメートル級の材料は実際には精細な顆粒の多結晶珪素であり、よって、ナノクリスタル珪素のナノメートル化によってより高いレベルでより広く遠赤外線波を放射することが可能となる。
【００１８】
珪素は即ち"石英鉱"(学名：二酸化珪素SiO2)であり、どこにでもある鉱物の元素である。珪素の半導体特性(珪素は平常状態においては不導体であり、導体と不導体との間のエネルギー準位は非常に短く、一旦エネルギーまたは熱量を与えると導体となる典型的な半導体である)は、化学的に非常に安定しており、珪素鉱(二酸化珪素)が精製されて物理的方法に利用される。粉碎、極微細な研磨、か焼、電極分解、酸洗い、抽出、結晶体再配列再結晶等の方式により、石英中の"酸素"元素及び不純物を除去し、珪素の純度が高められる。純珪素がナノメートル化された後に、より高いレベルでより広い遠赤外線波が放射され、珪素は５・ｍ(図１)以上の波長では高い放射率を呈する。
【００１９】
添加剤１は、６‐１０％の天然珪素酸化物で、玄武岩である。玄武岩の主成分はアルミノ珪酸ナトリウムまたはアルミノ珪酸カルシウムであり、主に二酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化鉄、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化カリウム、酸化ナトリウムで構成される。二酸化珪素の含量が最も多く、約４５％〜５２％前後を占める。このため、天然珪素酸化物により天然珪素のアイソフォームが形成され、成分材料の違いにより、遠赤外線波長域が最終的に平均的な高い放射率を示し、且つ前記珪素のアイソフォームによりテラヘルツ波長の不足部分が有効的に補われる。
【００２０】
添加剤２は、４‐８％の陰イオン[SiO4]-4を有する天然珪酸塩鉱物である。珪酸塩の複雑さは陰イオンにあり、陰イオンの基本構造ユニットはＳｉＯ2と同じ珪酸四面体である。なお、珪酸塩鉱物の特徴は構造の中に異なる珪素及び酸素の比率を有することであり、これにより各珪酸塩類の構造及び成分が決定され、重合作用が形成される。すなわち、１つまたは２つ以上の珪酸四面体の間に酸素を共有する方式により結合され、１つのより大きな陰イオンの作用が生じ、大きな陰イオンの作用の放射特性は、主要構成成分の陰イオン物質により決定される。陰イオンの特性により広波長の幅を広げ、放射率がアップに対して大きな作用を有する。天然珪酸塩鉱物は石英(網目状珪酸塩類)及びトルマリン(環状珪酸塩類)である。
【００２１】
添加剤３は、３‐７％の陰イオン炭酸塩[CO3]-2を有する天然炭酸塩鉱物である。炭酸塩鉱物は石灰岩を指し、主な陰イオンは方解石(炭酸カルシウム)を主要成分とする陰イオン炭酸塩[CO3]-2鉱物である。石灰岩中には苦灰石、石膏、マグネサイト、黄鉄鉱、オパール、玉髄、石英、海緑石、蛍石等が混入していることがよくある。炭酸塩は炭酸イオン[CO3]-2及び他の金属イオンで構成される化合物であり、金属陽イオンは主にナトリウム、カルシウム、マグネシウム、バリウム、レアアース元素、鉄、銅、鉛、亜鉛、マンガン等を含み、金属が結合されて陰イオンとなる主要成分は炭酸塩の炭酸塩鉱物(方解石／炭酸カルシウム)であり、放射特性は主要構成成分の陰イオン物質により決定され、その陰イオン特性により波長の幅を広げる。天然炭酸塩鉱物は石灰岩及び苦灰石であり、石灰岩は霰石及び方解石を含む。
【００２２】
添加剤４は、２‐５％の炭類アロトロピー体である。炭素の無定形体は炭素原子が非結晶体形式で不規則の配列によって形成している。無定形炭素は粉末状を呈し、炭素の主要成分は正常な圧力ではグラファイトの形式で存在する。各炭素原子は全て他の３つの炭素原子に結合され、正六角形の平面構造が形成される。この網状平面構造は重層され、各層の間には弱いファンデルワールス力(vander waals' force)を有する。このため、グラファイトの性質は柔軟で、潤滑剤にもなる(層と層の間は容易に平行滑動できる)。グラファイト中の各炭素原子は全て１つの外殻非局在化電子を有し、全平面に広がるπ-電子雲を共同で形成される。このため、電気エネルギーはグラファイトの各共有結合平面上に伝導される。これにより、炭素全体の電導率が大部分の金属より低い。非局在化電子が含まれることにより、標準的な条件においては、グラファイトはダイヤモンドより更に安定している。炭素はグラファイトまたは人工生成物である。
【００２３】
炭類アロトロピー体(グラファイト(天然)、竹炭、カーボンナノチューブを含む)。炭素の無定形体は炭素原子が非結晶体形式による不規則の表現である。炭素の波長は全体的に広い波長及び高い平均的放射率(図２)を呈する。竹炭及びカーボンナノチューブは共に人工製品である。
【００２４】
補助粘結剤は、４‐７％の人工珪酸ナトリウム(化学式：Na2SiO3)であり、珪酸ナトリウムが水ガラスと俗称され、アルカリ金属酸化物及び二酸化珪素が結合され、形成されたものである。可溶性アルカリ金属珪酸塩材料であり、人工珪素の結合物のアイソフォームであり、硬化した後に形成される二酸化珪素の網状構造により、焼結過程で失われた網状構造が補われ、且つナトリウムは放射特性上一定程度の補助がある。珪酸ナトリウムはアルカリ性であり、アルカリ性はマイナス電位が主であり、マイナス電位の放射特性は主要構成成分の陰イオン物質により決定され、その陰イオンの特性は広波長の幅を広げることに対して大いに補われる。
【００２５】
本発明は主に高純度の珪素と無定形炭素及び炭素のアロトロピー体に、炭酸塩[CO3]-2鉱物中に含まれている陰イオン物質が組み合わせられるものである。天然珪酸塩鉱物の陰イオン([SiO4]-4)はアルカリ性であり、無色の珪酸ナトリウムは透明な粘着状を呈し、アルカリ性である。アルカリ性は陰イオンのマイナス電位が主である。玄武岩は主に、二酸化珪素、天然酸化物酸化アルミニウム、酸化鉄、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化カリウム、酸化ナトリウムによる天然酸化物構造が形成され、天然珪酸塩鉱物、炭酸塩鉱物、及び珪酸ナトリウム(水ガラス)に含まれたナトリウム塩の成分、炭酸塩鉱物に含まれる炭類アロトロピー体の成分、珪酸塩鉱物、炭酸塩鉱物、珪酸ナトリウム、及び玄武岩に含まれる珪素アロトロピー体は、成分の組み合わせにより、遠赤外線波長域では、最終的に高く平均的な放射率を示し、珪素のアイソフォームによりテラヘルツ波長の不足部分が有効的に補われ、全体的に加工反応を経てＴＨｚ放射特性を有する新たな複合材料となり、テラヘルツ波(Tera Hertz、THz)を発生させる複合材料が形成される。最良の比率配分を有し、天然鉱物から取得できるため、原料が入手しやすく、特殊な加工による精製する必要がなく、且つ正確な配合によって効用が発揮される。常温でも２μｍ〜１０００μｍの赤外線が平均０．９以上の放射率に達する材料である。
【００２６】
応用分野：１、広波長を広げ、熱放射の放熱能力を高め、熱容量を下げる。２、テラヘルツ波の透過能力が分子との共振により毛細血管を拡張させ、血液循環を向上させ、新陳代謝が促進される。３、テラヘルツ波による水質の浄化、細菌の繁殖の抑制、水分子のクラスター(Ｃｌｕｓｔｅｒ)を共振により微細化させる。４、特殊な技術により大地の生物に有益なテラヘルツ遠赤外線（生育光波）が放射される。
【００２７】
製造方法：１、原料が前述の２つの実施形態の比率で調合する。２、ふるいにかける。３、水を加えマイクロ・ナノメートル化するまで研磨する。４、水分を乾燥させる。５、粉砕(粉末化)する。６．耐熱性のるつぼに入れて高温で溶融させる。７、溶融物を鋳型に入れる(鋳型内部には先に離型剤による処理が施される)。８、表面を研磨し、高温で溶融された表面に浮かび上がった不純物を除去する。９、所定の形状に研磨加工し、研磨加工された後、水が含まれた余剰物を乾燥させ、ふるいにかけ収集して塗料やプラスチック等の添加剤とする。
【００２８】
測定条件：１、設備：テラヘルツ分光計による検測。テラヘルツ反射スペクトル(Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ)の取得に使用。２、環境：乾燥する空間。３、窒素充填により水蒸気を除去する１．５‐３ＴＨｚの範囲で吸収を検証する。４、信号サイクル：パルス幅１００ＦＳＥＣ(Ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ １００sec)、重複サイクル５０ＭＨｚ(Ｒｅｐｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ ５０ＭＨｚ)、走査速度１．６ミリメートル／秒（Scan velocity）1.6mm/sec（sampling rate 10khz））、解析度５．７ＧＨｚ（Resolution 5.7ＧＨｚ（0.191cm-２）。（測定結果は図３及び図４に示す）
【００２９】
【表１】
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【００３０】
結論として、図３、図４及び図５を参照すると、本発明に係る材料のテラヘルツ波の反射率は８７％から９５％の間に達し、図５の破線に示されている従来の技術の対応する曲線は、本発明よりもはるかに低いことが示される。
【００３１】
総エネルギー＝吸収エネルギー＋反射エネルギー＋透過エネルギー＝放射エネルギー（９５％から８７％の間）。
【００３２】
周波数（Frequency）は０．２ＴＨｚ-３ＴＨｚであり、サイクルが２００Ｇｈｚ(ギガヘルツ)から３Ｔｈｚ（テラヘルツ）の場合、好ましい反射率がある。波長が１０００μｍ〜２μｍの場合、１に近い反射率がある。
【００３３】
波長が５μｍ〜１ｍｍであることは以下の表で証明する。
【００３４】
【表２】
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【００３５】
実線は本発明に係る波長の反射率を示し、何れも９５％より高く、１に近い。破線は従来の技術による波長を示し、１０μｍ前後しかなく、応用性が低いことが示される。上述の構造を総合すると、本発明は新しい配合及び製法を採用することによって、極めて好ましい放射率による応用性及び実用性を提供し、従来の技術とは全く異なる製造方法及び組成物である。
【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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