(57)【要約】高誘電定数および高絶縁耐性を有する複合材料並びに当該複合材料を製造する方法を開示する。当該複合材料は、高周波数領域において高誘電定数を有し、強固な機械特性および機械強度を有する。当該複合材料は、様々な形状に機械加工されていてもよい。また、当該複合材料は、ハイパワーハイエネルギー密度システムにおいて動作する必要があるため高い絶縁耐力を有する。当該複合材料は、バリウムチタン酸塩、バリウムストロンチウムチタン酸塩（ＢＳＴ）もしくはこれらの組み合わせを含む３つのモードを有するセラミックス粒子配合物と、ポリマーバインダーと、から構成されている。
2014510416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高誘電定数および高絶縁耐力を有する複合材料であって、
高誘電定数セラミックス粒子の配合物と、
ポリマー材料と、を含んで成り、
前記ポリマー材料は、前記高誘電定数セラミックス粒子の配合物と混合され、その場でポリマーが形成されていることを特徴とする複合材料。
【請求項２】
前記誘電定数が２０より大きい請求項１記載の複合材料。
【請求項３】
前記セラミックス粒子は単一の粒子サイズを有する請求項１記載の複合材料。
【請求項４】
前記セラミックス粒子は約２ｎｍ〜約２０００μｍの直径を有する請求項１記載の複合材料。
【請求項５】
前記高誘電定数セラミックス粒子の配合物が、２つのモードを有する配合物である請求項１記載の複合材料。
【請求項６】
前記高誘電定数セラミックス粒子の配合物が、４つのモードを有する配合物である請求項１記載の複合材料。
【請求項７】
前記高誘電定数セラミックス粒子の配合物が、３つのモードを有する配合物である請求項１記載の複合材料。
【請求項８】
前記３つのモードを有する配合物の最も大きなもののセラミックス粒子の直径が４０μｍ〜２２０μｍである請求項７記載の複合材料。
【請求項９】
前記３つのモードを有する配合物の中間のもののセラミックス粒子の直径が５００ｎｍ〜５μｍである請求項７記載の複合材料。
【請求項１０】
前記３つのモードを有する配合物の最も小さなもののセラミックス粒子の直径が２ｎｍ〜５００ｎｍの範囲にある請求項７記載の複合材料。
【請求項１１】
前記３つのモードを有する配合物が、４０μｍ〜２２０μｍの第１の範囲に第１の直径を有する少なくとも１つの第１セラミックス粒子と、５００ｎｍ〜５μｍの第２の範囲に第２の直径を有する少なくとも１つの第２セラミックス粒子と、２ｎｍ〜５００ｎｍの第３の範囲に第３の直径を有する少なくとも１つの第３セラミックス粒子と、を含む請求項１記載の複合材料。
【請求項１２】
前記３つのモードを有する配合物が、０．５μｍ〜３μｍの第１の範囲に第１の直径を有する少なくとも１つの第１セラミックス粒子と、６５μｍ〜１５０μｍの第２の範囲に第２の直径を有する少なくとも１つの第２セラミックス粒子と、２ｎｍ〜２００ｎｍの第３の範囲に第３の直径を有する少なくとも１つの第３セラミックス粒子と、を含む請求項１記載の複合材料。
【請求項１３】
前記高誘電定数セラミックス粒子の配合物は５０％以上の第１体積分率を有し、前記ポリマー材料は５０％以下の第２体積分率を有する請求項１記載の複合材料。
【請求項１４】
前記セラミックス粒子がペロブスカイトである請求項１記載の複合材料。
【請求項１５】
前記ペロブスカイトは、バリウムチタン酸塩、ストロンチウムチタン酸塩、バリウムストロンチウムチタン酸塩、鉛ジルコン酸塩チタン酸塩、鉛マグネシウムニオブ酸鉛チタン酸塩、およびこれらの組み合わせが含まれる請求項１３記載の複合材料。
【請求項１６】
前記ポリマー材料が、実質的に、２以上の高誘電定数セラミックス粒子間のボイドスペースを充填してなる請求項１記載の複合材料。
【請求項１７】
前記ポリマー材料が、前記高誘電定数セラミックス粒子の表面に直接結合してなる請求項１記載の複合材料。
【請求項１８】
他のセラミックス粒子の他の表面部と接触していない各セラミックス粒子の表面部は、前記ポリマー材料もしくは誘電液体フィラーと接触している請求項１記載の複合材料。
【請求項１９】
前記ポリマー材料は、無機系−有機系カップリング剤である請求項１記載の複合材料。
【請求項２０】
前記ポリマー材料は、シラン、チタン酸塩、ジルコン酸塩、もしくは、これらの組み合わせが含まれるカップリング剤から抽出されたポリマー前駆物質からなる請求項１記載の複合材料。
【請求項２１】
前記ポリマー前駆物質が反応してポリシルセスキオキサンが形成された請求項２０記載の複合材料。
【請求項２２】
前記ポリマー前駆物質は、トリエトキシビニルシラン、ビニルトリメトキシシラン、およびアミノプロピルトリエトキシシランからなる群から選択されたトリアルコキシシランからなる請求項２０記載の複合材料。
【請求項２３】
ダイプレスにより圧縮されてなる請求項１記載の複合材料。
【請求項２４】
前記ポリマー材料の前駆物質が、前記ダイプレスにおける圧縮前に、高誘電定数セラミックス粒子の配合物と混合されてなる請求項２３記載の複合材料。
【請求項２５】
前記前駆物質が、その場重合され架橋されてなる請求項２４記載の複合材料。
【請求項２６】
前記前駆物質が、熱、化学触媒、もしくは紫外線の少なくとも１つにより重合されてなる請求項２５記載の複合材料。
【請求項２７】
さらに、誘電流体を含む請求項１記載の複合材料。
【請求項２８】
前記誘電流体は高誘電定数を有する請求項２７記載の複合材料。
【請求項２９】
前記誘電流体は、水、アルキレンカーボネート、オイル、もしくはこれらの組み合わせからなる群から選択された請求項２８記載の複合材料。
【請求項３０】
前記誘電流体は、シラン、チタン酸塩、ジルコン酸塩、もしくはこれらの組み合わせを含む請求項２９記載の複合材料。
【請求項３１】
前記誘電流体は、前記複合材料に含浸され、前記複合材料内に残存するボイドが前記誘電流体により置換された請求項２７記載の複合材料。
【請求項３２】
前記ポリマー材料は、溶媒を吸収することにより膨潤するゲルからなる請求項１記載の複合材料。
【請求項３３】
前記ポリマー材料は、バイオポリマーである請求項３２記載の複合材料。
【請求項３４】
前記ポリマー材料は、寒天、ゼラチン、カラギーン、もしくはこれらの組み合わせを含む群から選択された請求項３３記載の複合材料。
【請求項３５】
高誘電定数および高絶縁耐力を有する複合材料であって、
前記複合材料は、ポリマー材料により結合された高誘電定数セラミックス粒子の３つのモードを有する配合物を含み、
前記３つのモードを有する配合物は、４０μｍ〜２２０μｍの第１の範囲に第１の直径を有する少なくとも１つの第１セラミックス粒子と、５００ｎｍ〜５μｍの第２の範囲に第２の直径を有する少なくとも１つの第２セラミックス粒子と、２ｎｍ〜５００ｎｍの第３の範囲に第３の直径を有する少なくとも１つの第３セラミックス粒子と、を含み、
前記ポリマー材料は、ポリマー前駆物質からその場重合され、前記高誘電定数セラミックス粒子のそれぞれの表面に直接結合してなる複合材料。
【請求項３６】
前記ポリマー前駆物質は、前記高誘電定数セラミックス粒子のそれぞれの表面を機能化する請求項３５記載の複合材料。
【請求項３７】
前記ポリマー前駆物質は、シラン、ジルコン酸塩、チタン酸塩から選択される請求項３６記載の複合材料。
【請求項３８】
前記ポリマー前駆物質は、ビニルトリメトキシシラン、トリエトキシビニルシラン、アミノプロピルトリエトキシシラン、およびこれらの組み合わせからなる群から選択されたトリアルコキシシランである請求項３７記載の複合材料。
【請求項３９】
前記ポリマー前駆物質が、その場重合され、前記高誘電定数セラミックス粒子間においてポリシルセスキオキサンが形成されてなる請求項３５記載の複合材料。
【請求項４０】
前記ポリマー前駆物質が、熱、化学触媒、もしくは紫外線の少なくとも１つにより重合されてなる請求項３５記載の複合材料。
【請求項４１】
前記セラミックス粒子がペロブスカイトである請求項３５記載の複合材料。
【請求項４２】
前記ペロブスカイトは、バリウムチタン酸塩、ストロンチウムチタン酸塩、バリウムストロンチウムチタン酸塩、鉛ジルコン酸塩チタン酸塩、およびこれらの組み合わせが含まれる請求項４１記載の複合材料。
【請求項４３】
高誘電定数および高絶縁耐力を有する複合材料であって、
前記複合材料は、ポリマー材料により結合された高誘電定数セラミックス粒子の３つのモードを有する配合物を含み、
前記３つのモードを有する配合物は、４０μｍ〜２２０μｍの第１の範囲に第１の直径を有する少なくとも１つの第１セラミックス粒子と、５００ｎｍ〜５μｍの第２の範囲に第２の直径を有する少なくとも１つの第２セラミックス粒子と、２ｎｍ〜５００ｎｍの第３の範囲に第３の直径を有する少なくとも１つの第３セラミックス粒子と、を含み、
前記ポリマー材料は、ゲル状ポリマーであり、前記ゲル状ポリマーは、溶媒と混合され、前記ポリマー材料は、前記溶媒の少なくとも一部を吸収してゲルを形成してなる複合材料。
【請求項４４】
前記ポリマー材料は、前記溶媒において溶融され、その後冷却されて前記ゲルを形成している請求項４３記載の複合材料。
【請求項４５】
前記ポリマー材料は、寒天、ゼラチン、カラギーン、およびこれらの組み合わせから選択された請求項４４記載の複合材料。
【請求項４６】
前記ポリマーは、前記複合材料が形成された後、冷却されて固化された請求項４３記載の複合材料。
【請求項４７】
前記溶媒は、前記複合材料が形成された後、前記ゲルから除去された請求項４３記載の複合材料。
【請求項４８】
前記複合材料に、誘電液体が含浸され、残存するボイドが前記誘電液体により置換された請求項４３記載の複合材料。
【請求項４９】
前記誘電液体は、水、アルキレンカーボネート、オイル、もしくは、これらの組み合わせから選択される請求項４８記載の複合材料。
【請求項５０】
前記セラミックス粒子がペロブスカイトである請求項４３記載の複合材料。
【請求項５１】
前記ペロブスカイトは、バリウムチタン酸塩、ストロンチウムチタン酸塩、バリウムストロンチウムチタン酸塩、鉛ジルコン酸塩チタン酸塩、もしくはこれらの組み合わせを含む請求項５０記載の複合材料。
【請求項５２】
高誘電定数および高絶縁耐力を有する複合材料を製造する方法であって、
セラミックス粉末配合物を液状のポリマー前駆物質と混合してペーストとする工程と、
前記ペーストをダイに注入する工程と、
前記ペーストを圧縮する工程と、
前記ポリマー前駆物質を重合させて、前記セラミックス粉末配合物のセラミックス粒子に直接結合するポリマーを形成する工程と、を有し、
前記高誘電定数複合材料は、前記セラミックス粉末配合物および前記ポリマーを含む複合材料の製造方法。
【請求項５３】
セラミックスの大粒子からなる第１配合物と、セラミックスの中粒子からなる第２配合物と、セラミックスの小粒子からなる第３配合物と、を混合して、前記セラミックス粉末配合物を形成する工程をさらに備える請求項５２記載の方法。
【請求項５４】
前記セラミックスの大粒子の直径は、４０μｍ〜２２０μｍである請求項５３記載の方法。
【請求項５５】
前記セラミックスの中粒子の直径は、５００ｎｍ〜５μｍである請求項５３記載の方法。
【請求項５６】
前記セラミックスの小粒子の直径は、２ｎｍ〜５００ｎｍである請求項５３記載の方法。
【請求項５７】
前記セラミックス粉末配合物は、４０μｍ〜２２０μｍの第１の範囲に第１の直径を有する少なくとも１つの第１セラミックス粒子と、５００ｎｍ〜５μｍの第２の範囲に第２の直径を有する少なくとも１つの第２セラミックス粒子と、２ｎｍ〜５００ｎｍの第３の範囲に第３の直径を有する少なくとも１つの第３セラミックス粒子と、を含む請求項５２記載の方法。
【請求項５８】
前記セラミックス粉末配合物は、０．５μｍ〜３μｍの第１の範囲に第１の直径を有する少なくとも１つの第１セラミックス粒子と、６５μｍ〜１５０μｍの第２の範囲に第２の直径を有する少なくとも１つの第２セラミックス粒子と、２ｎｍ〜２００ｎｍの第３の範囲に第３の直径を有する少なくとも１つの第３セラミックス粒子と、を含む請求項５２記載の方法。
【請求項５９】
前記圧縮された配合物が少なくとも８０％の充填率を有するように前記セラミックス粉末配合物を圧縮する工程をさらに備える請求項５２記載の方法。
【請求項６０】
前記複合材料に誘電液体を含浸させ、前記複合材料中のボイドを前記誘電液体で満たし、前記複合材料から空気を排除する工程をさらに備える請求項５２記載の方法。
【請求項６１】
前記ペーストをダイプレスにより圧縮する請求項５２記載の方法。
【請求項６２】
前記ペーストを約３０トン／平方インチの圧力により圧縮する請求項６１記載の方法。
【請求項６３】
前記複合材料をスピンコートする工程をさらに備える請求項５２記載の方法。
【請求項６４】
前記複合材料を溶媒キャストする工程をさらに備える請求項５２記載の方法。
【請求項６５】
前記ポリマー前駆物質を重合させてポリマーを形成する工程が、前記圧縮されたペーストを含むダイを少なくとも３０分間加熱すること、および、前記高誘電定数複合材料を冷却することの少なくとも一方、化学触媒を与えること、もしくは、前記ポリマー前駆物質を紫外線にさらすことを含む請求項５２記載の方法。
【請求項６６】
さらに、前記複合材料を前記ダイから取り除く工程と、
前記複合材料を機械加工して所望の形状とする工程と、
前記複合材料に粒子を吹き付ける工程と、
前記複合材料に１以上の電極を取り付ける工程と、を備える請求項５２記載の方法。
【請求項６７】
高誘電定数を有し、セラミックス粉末配合物およびポリマーバインダーを含有する複合材料を製造する方法であって、
セラミックスの大粒子からなる第１配合物と、セラミックスの中粒子からなる第２配合物と、セラミックスの小粒子からなる第３配合物と、を混合して、前記セラミックス粉末配合物を形成する工程と、
前記圧縮された配合物が少なくとも８０％の充填率を有するように前記セラミックス粉末配合物を圧縮する工程と、
前記セラミックス粉末配合物を液状のポリマー前駆物質と混合してペーストとする工程と、
前記ペーストをダイに注入する工程と、
前記ペーストを圧縮する工程と、
前記ポリマー前駆物質を重合させて、前記セラミックス粉末配合物のセラミックス粒子に直接結合するポリマーを形成する工程と、を有し、
前記ポリマー前駆物質は、前記圧縮されたペーストを含むダイを少なくとも３０分間加熱すること、および、前記高誘電定数複合材料を冷却することの少なくとも一方、化学触媒を与えること、もしくは、前記ポリマー前駆物質を紫外線にさらすこと、もしくはこれらの組み合わせにより重合される、複合材料の製造方法。
【請求項６８】
さらに、前記複合材料を前記ダイから取り除く工程と、
前記複合材料を機械加工して所望の形状とする工程と、
前記複合材料に粒子を吹き付ける工程と、
前記複合材料に１以上の電極を付する工程と、を備える請求項６７記載の方法。
【請求項６９】
高誘電定数および高絶縁耐力を有する複合材料を製造する方法であって、
セラミックス粉末配合物を溶媒中において溶融ポリマーと混合しペーストを形成する工程と、
前記ペーストをダイに注入する工程と、
前記ペーストを圧縮する工程と、
前記混合物を冷却して溶融ポリマーを固化させる工程と、を有し、
前記高誘電定数複合材料は、前記セラミックス粉末配合物および前記ポリマーを含む方法。
【請求項７０】
セラミックスの大粒子からなる第１配合物と、セラミックスの中粒子からなる第２配合物と、セラミックスの小粒子からなる第３配合物と、を混合して、前記セラミックス粉末配合物を形成する工程をさらに含む請求項６９記載の方法。
【請求項７１】
前記セラミックスの大粒子の直径は、４０μｍ〜２２０μｍである請求項７０記載の方法。
【請求項７２】
前記セラミックスの中粒子の直径は、５００ｎｍ〜５μｍである請求項７０記載の方法。
【請求項７３】
前記セラミックスの小粒子の直径は、２ｎｍ〜５００ｎｍである請求項７０記載の方法。
【請求項７４】
前記セラミックス粉末配合物は、４０μｍ〜２２０μｍの第１の範囲に第１の直径を有する少なくとも１つの第１セラミックス粒子と、５００ｎｍ〜５μｍの第２の範囲に第２の直径を有する少なくとも１つの第２セラミックス粒子と、２ｎｍ〜５００ｎｍの第３の範囲に第３の直径を有する少なくとも１つの第３セラミックス粒子と、を含む請求項６９記載の方法。
【請求項７５】
前記セラミックス粉末配合物は、０．５μｍ〜３μｍの第１の範囲に第１の直径を有する少なくとも１つの第１セラミックス粒子と、６５μｍ〜１５０μｍの第２の範囲に第２の直径を有する少なくとも１つの第２セラミックス粒子と、２ｎｍ〜２００ｎｍの第３の範囲に第３の直径を有する少なくとも１つの第３セラミックス粒子と、を含む請求項６９記載の方法。
【請求項７６】
前記圧縮された配合物が少なくとも８０％の充填率を有するように前記セラミックス粉末配合物を圧縮する工程をさらに備える請求項６９記載の方法。
【請求項７７】
前記複合材料に誘電液体を含浸させ、前記複合材料中のボイドを前記誘電液体で満たし、前記複合材料から空気を排除する工程をさらに備える請求項６９記載の方法。
【請求項７８】
前記ペーストをダイプレスにより圧縮する請求項６９記載の方法。
【請求項７９】
前記ペーストを約３０トン／平方インチの圧力により圧縮する請求項７８記載の方法。
【請求項８０】
前記複合材料をスピンコートする工程をさらに備える請求項６９記載の方法。
【請求項８１】
前記複合材料を溶媒キャストする工程をさらに備える請求項６９記載の方法。
【請求項８２】
さらに、前記複合材料を前記ダイから取り除く工程と、
前記ポリマーの融点未満まで前記複合材料を加熱して前記溶媒を除去する工程と、
前記複合材料に誘電流体を含浸させボイドを前記誘電流体で満たす工程と、
前記複合材料を機械加工して所望の形状とする工程と、
前記複合材料に粒子を吹き付ける工程と、
前記複合材料に１以上の電極を付する工程と、
前記複合材料を被覆する工程と、を備える請求項６９記載の方法。
【請求項８３】
高誘電定数を有する複合材料を備えるアンテナアセンブリーであって、
前記複合材料は、さらに、高誘電定数セラミックス粒子の配合物と、
ポリマー材料と、
伝導性電極と、を備えるアンテナアセンブリー。
【請求項８４】
前記誘電定数は２０より大きい請求項８３記載のアンテナアセンブリー。
【請求項８５】
前記高誘電定数セラミックス粒子の配合物は、３つのモードを有する配合物である請求項８３記載のアンテナアセンブリー。
【請求項８６】
前記３つのモードを有する配合物の最も小さな配合物のセラミックス粒子の直径が２ｎｍ〜５００ｎｍの範囲にある請求項８５記載のアンテナアセンブリー。
【請求項８７】
前記３つのモードを有する配合物が、４０μｍ〜２２０μｍの第１の範囲に第１の直径を有する少なくとも１つの第１セラミックス粒子と、５００ｎｍ〜５μｍの第２の範囲に第２の直径を有する少なくとも１つの第２セラミックス粒子と、５０ｎｍ〜５００ｎｍの第３の範囲に第３の直径を有する少なくとも１つの第３セラミックス粒子と、を含む請求項８５記載のアンテナアセンブリー。
【請求項８８】
前記高誘電定数セラミックス粒子の配合物は５０％以上の第１体積分率を有し、前記ポリマー材料は５０％以下の第２体積分率を有する請求項８３記載のアンテナアセンブリー。
【請求項８９】
前記セラミックス粒子がペロブスカイトである請求項８３記載のアンテナアセンブリー。
【請求項９０】
前記ポリマー材料が、実質的に、２以上の高誘電定数セラミックス粒子間のボイドスペースを満たしてなる請求項８３記載のアンテナアセンブリー。
【請求項９１】
前記ポリマー材料が、前記高誘電定数セラミックス粒子の表面に直接結合してなる請求項８３記載のアンテナアセンブリー。
【請求項９２】
前記前駆物質が、その場重合され架橋されてなる請求項８３記載のアンテナアセンブリー。
【請求項９３】
さらに、誘電流体を含む請求項８３記載のアンテナアセンブリー。
【請求項９４】
前記導電性電極が、銅ワイヤーもしくは銅シートを含む請求項８３記載のアンテナアセンブリー。
【請求項９５】
螺旋アンテナである請求項８３記載のアンテナアセンブリー。
【請求項９６】
誘電共振器アンテナである請求項８３記載のアンテナアセンブリー。
【請求項９７】
高誘電定数を有する複合材料を備えるキャパシタアセンブリーであって、
前記複合材料は、さらに、高誘電定数セラミックス粒子の配合物と、
ポリマー材料と、
２以上の伝導性電極と、を備えるキャパシタアセンブリー。
【請求項９８】
前記誘電定数は２０より大きい請求項９７記載のキャパシタアセンブリー。
【請求項９９】
前記高誘電定数セラミックス粒子の配合物は、３つのモードを有する配合物である請求項９７記載のキャパシタアセンブリー。
【請求項１００】
前記３つのモードを有する配合物の最も小さな配合物のセラミックス粒子の直径が２ｎｍ〜５００ｎｍの範囲にある請求項９９記載のキャパシタアセンブリー。
【請求項１０１】
前記３つのモードを有する配合物が、４０μｍ〜２２０μｍの第１の範囲に第１の直径を有する少なくとも１つの第１セラミックス粒子と、５００ｎｍ〜５μｍの第２の範囲に第２の直径を有する少なくとも１つの第２セラミックス粒子と、５０ｎｍ〜５００ｎｍの第３の範囲に第３の直径を有する少なくとも１つの第３セラミックス粒子と、を含む請求項９９記載のキャパシタアセンブリー。
【請求項１０２】
前記高誘電定数セラミックス粒子の配合物は５０％以上の第１体積分率を有し、前記ポリマー材料は５０％以下の第２体積分率を有する請求項９７記載のキャパシタアセンブリー。
【請求項１０３】
前記セラミックス粒子がペロブスカイトである請求項９７記載のキャパシタアセンブリー。
【請求項１０４】
前記ポリマー材料が、実質的に、２以上の高誘電定数セラミックス粒子間のボイドスペースを満たしてなる請求項９７記載のキャパシタアセンブリー。
【請求項１０５】
前記ポリマー材料が、前記高誘電定数セラミックス粒子の表面に直接結合してなる請求項９７記載のキャパシタアセンブリー。
【請求項１０６】
前記前駆物質が、その場重合され架橋されてなる請求項９７記載のキャパシタアセンブリー。
【請求項１０７】
さらに、誘電流体を含む請求項９７記載のキャパシタアセンブリー。
【請求項１０８】
前記導電性電極が、銅ワイヤーもしくは銅シートを含む請求項９７記載のキャパシタアセンブリー。
【請求項１０９】
単一の誘電層および２つの電極から構成されてなる請求項９７記載のキャパシタアセンブリー。
【請求項１１０】
誘電層と電極との複数層形成アセンブリーから構成されてなる請求項９７記載のキャパシタアセンブリー。
【請求項１１１】
前記キャパシター材料は、２００Ｊ／ｃｍ３を超えるエネルギー貯蔵密度を有する請求項９７記載のキャパシタアセンブリー。
【請求項１１２】
前記キャパシター材料は、１０００Ｊ／ｃｍ３を超えるエネルギー貯蔵密度を有する請求項９７記載の複合材料。
【請求項１１３】
高誘電定数および高絶縁耐力を有する複合材料であって、
ポリマー材料により結合された高誘電定数セラミックス粒子の３つのモードを有する配合物を含み、
前記３つのモードを有する配合物は、４０μｍ〜２２０μｍの第１の範囲に第１の直径を有する少なくとも１つの第１セラミックス粒子６５〜８０％と、５００ｎｍ〜５μｍの第２の範囲に第２の直径を有する少なくとも１つの第２セラミックス粒子１５〜２０％と、２ｎｍ〜５００ｎｍの第３の範囲に第３の直径を有する少なくとも１つの第３セラミックス粒子５〜１５％と、を含み、
前記ポリマー材料は、ポリマー前駆物質からその場重合され、前記高誘電定数セラミックス粒子のそれぞれの表面に直接結合してなる複合材料。
【請求項１１４】
高誘電定数および高絶縁耐力を有する複合材料であって、
ポリマー材料により結合された高誘電定数セラミックス粒子の３つのモードを有する配合物を含み、
前記３つのモードを有する配合物は、４０μｍ〜２２０μｍの第１の範囲に第１の直径を有する少なくとも１つの第１セラミックス粒子６５〜８０％と、５００ｎｍ〜５μｍの第２の範囲に第２の直径を有する少なくとも１つの第２セラミックス粒子１５〜２０％と、２ｎｍ〜５００ｎｍの第３の範囲に第３の直径を有する少なくとも１つの第３セラミックス粒子５〜１５％と、を含み、
前記ポリマー材料は、ゲル状ポリマーであり、前記ゲル状ポリマーは、溶媒と混合され、前記ポリマー材料は、前記溶媒の少なくとも一部を吸収して前記ポリマー材料の体積が増加してなる複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願に対する相互参照
本出願は、２０１１年３月２３日に”高誘電定数複合材料”の名称で出願された米国仮出願第６１／４６６,６０４に対して優先権を主張し、当該出願は、本明細書において全体として引用して援用する。
【０００２】
連邦支援の開発調査
本発明は、海軍研究事務所(the Office of Naval Research)から付与された登録番号Ｎ０００−１４−０８−１−０２６７の下、政府の支援により成されたものである。
【０００３】
本発明の技術分野
本発明は、概して、複合材料の技術分野に関し、より詳細には、高誘電定数を有する複合材料の技術分野に関する。当該複合材料は、とりわけアンテナ、キャパシター、高電圧絶縁体を含む、高誘電材料を必要とする様々なアプリケーションにおいて使用してもよい。本発明は、さらに、高誘電定数複合材料を製造するための方法および当該複合材料が組み入れられたデバイスに関する。
【背景技術】
【０００４】
本発明の背景技術
セラミックスは、キャパシター、エネルギー貯蔵デバイス等の、高誘電定数を有する材料を必要とするアプリケーションにおいて通常よく使用されている。しかしながら、従来のセラミックス材料は、典型的には、引張応力及び捻り応力の下での破砕に対して脆弱であり影響を受けやすい。さらに、従来のセラミックス材料は低い絶縁耐力を示す。絶縁耐力が低いことにより、高電圧、高電力、もしくは高エネルギー貯蔵システムにおいて、それらのアプリケーションが制限されてしまう。
【０００５】
セラミックス材料の固有の脆弱性及び低絶縁耐力を補完するため、従前、高誘電定数セラミック粒子を含む混合物にエポキシもしくはその他のポリマー高分子を加えることが試みられてきた。しかしながら、このような従前の試みでは、複合材料のための高効率誘電定数を達成するために必要とされるセラミックス粒子充填率が達成されていない。現在、複合材料の誘電定数および絶縁耐力を低下させるボイドを含む複合材料を作製することが試みられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そのため、高い絶縁耐力を有し強固な機械的特性及び強固な機械的強度を有する誘電材料であって、高周波数領域において高い誘電定数を有する誘電材料に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、高誘電定数（高誘電率）及び高絶縁耐力を有する複合材料、当該複合材料の製造方法、並びに、当該複合材料が組み入れられた、アンテナ、キャパシター、及び高電圧絶縁体アセンブリー等の様々なデバイス及び構造物に関する。ある態様では、上記高誘電定数複合材料は、高誘電定数セラミックス粒子と、当該高誘電定数セラミックス粒子と混合されその場(in-situ)重合されるポリマー材料との配合物(distribution)を含む。様々な実施の形態において、当該誘電定数は２０より大きい。
【０００８】
当該セラミックス材料は、約２ｎｍ〜約２２０μｍの範囲に単一の粒径を有するものであってもよい。別の態様では、高誘電定数セラミックス粒子の配合物は、２つのモードを有する(bimodal)配合物、３つのモードを有する(trimodal)配合物、４つのモードを有する(quadmodal)配合物、それ以上のモードを有する配合物であってもよい。当該高誘電定数セラミックス粒子の配合物は５０％以上の第１体積分率を有し、ポリマー材料が５０％以下の第２体積分率を有する。
【０００９】
３つのモードを有する配合物の最も大きなもののセラミックス粒径は、約１０μｍ〜約２２０μｍであってもよい。中間のもののセラミックス粒径は、約５００ｎｍ〜約５μｍであってもよい。そして、３つのモードを有する配合物の最小のもののセラミックス粒径は、約５００ｎｍ未満であって、２ｎｍ程度であってもよい。ある態様では、当該３つのモードを有する配合物は、１０μｍ〜２２０μｍの第１の範囲に第１の直径を有する少なくとも１つの第１セラミックス粒子と、５００ｎｍ〜５μｍの第２の範囲に第２の直径を有する少なくとも１つの第２セラミックス粒子と、５０ｎｍ〜５００ｎｍの第３の範囲に第３の直径を有する少なくとも１つの第３セラミックス粒子と、を含む。他の態様では、当該３つのモードを有する配合物は、０．５μｍ〜３μｍの第１の範囲に第１の直径を有する少なくとも１つの第１セラミックス粒子と、６５μｍ〜１５０μｍの第２の範囲に第２の直径を有する少なくとも１つの第２セラミックス粒子と、１５０μｍ〜５００μｍの第３の範囲に第３の直径を有する少なくとも１つの第３セラミックス粒子と、を含む。
【００１０】
また、セラミックス粒子を含むいずれかの高誘電粒子を当該複合材料において使用してもよい。様々な態様において、当該セラミックス粒子は、ペロブスカイトであり、その化合物も含まれる。より詳細には、当該ペロブスカイトは、バリウムチタン酸塩、ストロンチウムチタン酸塩、バリウムストロンチウムチタン酸塩、鉛ジルコン酸塩チタン酸塩、鉛マグネシウムニオブ酸鉛チタン酸塩、および、これらの組み合わせが含まれうる。さらに、他のセラミックス粒子と接触していない各セラミックス粒子の表面部は、上記ポリマー材料もしくは液体フィラーと接触する。
【００１１】
上記ポリマー材料は、実質的に、２以上の高誘電定数セラミックス粒子間のボイドスペースを充填し、ある態様では、上記ポリマー材料は、高誘電定数セラミックス粒子の表面と直接結合している。ある態様では、上記バインダー材料は、シラン、チタン酸塩、ジルコン酸塩、もしくは、これらの組み合わせを含むカップリング剤からなるポリシルセスキオキサンであってもよい。例えば、上記シランカップリング剤は、ビニルトリメトキシシラン、トリエトキシビニルシラン、アミノプロピルトリエトキシシラン、もしくは、これらの組み合わせを含むいずれかのトリアルコキシシランであってもよい。
【００１２】
製造中、当該複合材料は、ある態様に係るダイプレスにおいて圧縮される。様々な実施の形態において、当該圧縮は、さらに、ポリマー材料とセラミックス粒子との接触及び結合を容易にする。ポリマー材料の前駆物質を、ダイプレスにおける圧縮前に高誘電定数セラミックス粒子の配合物と混合してもよい。さらに、当該前駆物質は、熱、化学触媒、もしくは紫外線の少なくとも１つにより、その場で(in-situ)重合し架橋させてもよい。
【００１３】
様々な態様において、当該複合材料は、さらに、セラミックス材料及びポリマー材料の混合物と区別され、また当該混合物と異なる誘電流体(dielectric fluids)を含んでいる。ポリマー材料の重合の後、誘電流体もしくは誘電流体の混合物を複合材料に混合してもよい。任意ではあるが、当該誘電流体は、また、高い誘電定数を有していてもよい。当該誘電流体は、水、アルキレンカーボネート、オイル、もしくは、これらの組み合わせからなる群から選択されてもよく、当該誘電流体は、シラン、チタン酸塩、ジルコン酸塩、もしくはこれらの組み合わせを含んでいてもよい。
【００１４】
ポリマーバインダーの重合もしくはその他の合成の後、当該誘電流体は、上記複合材料に含浸させ、当該複合材料に残存する如何なるボイドを充填もしくは置き換えることにより、複合材料の誘電定数及び絶縁耐力の両方が増加する。当該複合材料は、誘電流体中において、沈降及び／又は浮遊(bathe)していてもよい。別の態様では、誘電流体は、真空もしくは他の加圧システムを利用して、セラミックス材料のポアに無理矢理導入してもよい。
【００１５】
高誘電定数を有する複合材料を製造する方法は、セラミックス粒子の配合物を含有するセラミックス粉末を液体のポリマー前駆物質と混合してペーストにすること、当該ペーストをダイ内に入れること、当該ペーストを圧縮すること、当該ポリマー前駆物質を重合して、セラミックス粉末配合物のセラミックス粒子に直接結合するポリマーバインダーを生成することを含む。当該方法は、さらに、圧縮された配合物が少なくとも８０％の充填率を有するように上記セラミックス粉末配合物を圧縮すること、誘電流体を複合材料に含浸させて当該複合材料中のボイドを誘電流体で満たし当該複合材料から空気を除去することを含んでいてもよい。ある態様では、誘電流体は、真空等の加圧システムによりセラミックス材料のポアに注入もしくは無理矢理導入される。
【００１６】
様々な態様において、当該ペーストは、ダイプレスにおいて、約３０トン／平方インチの圧力により圧縮される。ポリマー前駆物質を重合させて高誘電定数ポリマーを生成することは、さらに、プレスされたペーストを含むダイを少なくとも３０分間加熱すること、当該高誘電定数複合材料を冷却することの少なくとも一方、化学触媒を与えること、前記ポリマー前駆物質に紫外線を照射することを含む。重合の後、当該方法は、ダイから複合材料を取り出すこと、当該複合材料を機械加工して所望の形状とすること、当該複合材料に粒子を吹き付けること(sanding)、及び当該複合材料に１以上の電極を付することを含んでいてもよい。
【００１７】
ある態様では、アンテナアセンブリーは、高誘電定数を有する複合材料であって、さらに高誘電定数セラミックス粒子とポリマー材料との配合物を含む複合材料を含んでいてもよい。当該アンテナアセンブリーには、また、伝導性シートもしくは伝導性ワイヤーが含まれる。これらは、銅を含んでいてもよい。当該アンテナアセンブリーは、螺旋アンテナ、誘電体共振器アンテナ、もしくは他の任意の適切なアンテナであってもよい。典型的には、本明細書に開示された、高誘電定数複合材料を含むアンテナは、同様の従来のアンテナよりも小さい寸法を有するように製造することができる。
【００１８】
他の態様では、当該高誘電定数複合材料を容量性デバイスもしくは高エネルギー保存デバイスに組み込んでもよい。容量性デバイスは、高い誘電定数及び高い絶縁耐力を有する。さらに、容量性デバイスは、高誘電定数複合材料により分離された２以上の電極を含んでいる。当該容量性デバイスは、単一の層として、もしくは、多層構造として形成してもよいし、当該容量性デバイスは、高密度エネルギー保存及びフィルタリングのために使用してもよい。さらに、当該高誘電定数複合材料が組み込まれた容量性デバイスを、従来のキャパシターの代替物として、様々なアプリケーションにおいて使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１Ａ〜Ｃは、様々な実施の形態における高誘電定数複合材料の断面図である。
【図２】図２は、ある実施の形態に係る高誘電定数複合材料の断面図である。
【図３】図３は、ある実施の形態に係る高誘電定数複合材料の断面図である。
【図４】図４は、ある実施の形態に係る高誘電定数複合材料の断面図である。
【図５】図５Ａ〜Ｃは、ある実施の形態に係る高誘電定数材料の粒子の機能化及びバインディングのスキームを示している。
【図６】図６は、ある実施の形態に係る機械加工された高誘電定数複合材料の平面図である。
【図７】図７は、ある実施の形態に係る機械加工された高誘電定数複合材料の平面図である。
【図８】図８Ａ〜Ｂは、ある実施の形態に係る機械加工された高誘電定数複合材料の平面図である。
【図９】図９は、ある実施の形態に係る機械加工された高誘電定数複合材料の平面図である。
【図１０】図１０は、ある実施の形態に係る高誘電定数複合材料についての誘電定数範囲及び損失正接範囲を示したグラフである。
【図１１】図１１は、ある実施の形態に係る高誘電定数複合材料についての誘電定数範囲及び損失正接範囲を示したグラフである。
【図１２】図１２は、ある実施の形態に係る高誘電定数複合材料についての誘電定数範囲及び損失正接範囲を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明は、高誘電定数を有する複合材料に関する。特に、本発明は、高周波数領域、および高絶縁耐力領域において高い誘電定数を有し、複雑な形に形成もしくは機械加工することができる複合材料に関する。アンテナ、無線通信コンポーネント、マイクロ波通信コンポーネント、高エネルギー密度キャパシター、高電圧絶縁体、高誘電定数を有する複合材料から利点を得ることができる他のアプリケーションを製造するため、当該セラミックス複合材料を使用してもよい。本明細書において使用されているように、高誘電定数とは、約２０以上の誘電定数を有する材料を意味する。
【００２１】
様々な実施の形態において、高誘電定数複合材料は、約２ｎｍ〜約２０００μｍの範囲のセラミックス粒子配合物を含む。他の実施の形態には、約１０ｎｍ〜約１０００μｍ、５０ｎｍ〜約５００μｍ、もしくは２００ｎｍ〜約２２０μｍの範囲のセラミックス粒子の配合物が含まれる。他の実施の形態では、高誘電定数複合材料は、単一の大きさのセラミックス粒子を含む。同様に、当該高誘電定数複合材料は、２つのモード、３つのモード、もしくはそれ以上のモードを有する粒子の配合物を含んでいてもよい。好ましくは、当該高誘電定数複合材料は、３つのモードを有するセラミックス粒子配合物を有する。全ての実施の形態において、当該セラミックス粒子配合物は、セラミックス充填率（すなわち、セラミックス粒子により占有されている複合材料構造中における体積分率）、誘電定数、セラミックス複合材料の他の効果的な特性が増加するように構成されている。
【００２２】
ある実施の形態において、当該高誘電定数複合材料は、その場重合(in-situ polymerization)を用いて製造される。当該その場重合において、ポリマー前駆物質は、当該前駆物質の重合及び架橋前に混合され、セラミックス粒子とともに圧縮される。その場重合は、さらに、当該セラミックス複合材料の充填率を増加させる。さらに、当該その場重合により、ポリマーと無機性セラミックス粒子の表面との間の直接結合が可能となる。典型的には、当該ポリマーは、如何なる金属を含まない、実質的に絶縁性の、もしくは非伝導性の誘電ポリマーである。重合後に形成された非金属性誘電ポリマーのマトリクスにより、より高いブレークダウン電圧が可能となり、複合材料の寿命が延びる。
【００２３】
ある実施の形態において、当該高誘電定数複合材料は、誘電流体、好ましくは高誘電定数を有する流体に含浸させてもよい。当該誘電流体は、複合材料内に残存する如何なるボイドを充填し空気により占有されたデッドスペースを排除することにより、複合材料の誘電特性が改善される。
【００２４】
本明細書において開示された高誘電定数複合材料は、強固な機械特性、高い絶縁耐力、複雑な形状を有し、もしくは低温形成環境(low temperature forming environments)を要する機械加工可能な誘電材料を要求するアプリケーションでの使用に適している。
【００２５】
セラミックス粒子
以下、図１Ａ〜Ｃを参照すると、高誘電定数複合材料１００Ａ〜Ｃについての粒子配合物の様々な態様が示されている。ここで示されているように、複合材料１００Ａ〜Ｃは、ポリマーバインダー１０８により一体化された少なくとも１種の誘電粒子１０２〜１０６の配合物を含む。例示のため、当該粒子１０２〜１０６は、図１Ａ〜Ｃにおいて配合物の規則的なパターンを有するように示されている。様々な実施の形態において、当該粒子１０２〜１０６をランダムに配置してもよく、結果的にランダム粒子充填となる。当該粒子１０２〜１０６のランダム配置に拘わらず、当該粒子は、攪拌及び混合により、複合材料においてムラ無く均一に分散され、誘電定数及び絶縁耐力を含む、複合材料の粒子密度及び他の特性が当該材料において均一となる。
【００２６】
当該複合材料は、如何なる高誘電定数を有する粒子を使用することにより作製してもよい。好ましくは、当該粒子１０２〜１０６は、以下に限定される訳ではないが、バリウムチタン酸塩（ＢａＴｉＯ３）、ストロンチウムチタン酸塩（ＳｒＴｉＯ３）、バリウムストロンチウムチタン酸塩（ＢＳＴ）粒子（化学式Ｂａ（１−Ｘ）ＳｒＸＴｉＯ３）を含むセラミックスである。ＢＳＴ粒子は、独立の粒子として組み込まれてもよく、もしくは、ＢａＴｉＯ３粒子複合物の成分として、複合材料１００に含まれていてもよい。当該複合材料粒子のための他の適切な材料には、鉛ジルコン酸塩チタン酸塩（ＰＺＴ、すなわち、Ｐｂ[ＺｒＸＴｉ１−Ｘ]Ｏ３、ここで０≦Ｘ≦１）が含まれる。さらに、他のペロブスカイト材料、非ペロブスカイト材料、非線形強誘電性材料、反強誘電性材料を使用してもよい。
【００２７】
ペロブスカイト粒子は、特にユニットセルがテトラゴナル構造を有する場合、磁気抵抗、強固な誘電特性、格子構造の固有の両極性等の数多くの特性を有するため、望ましい。さらに、ペロブスカイト構造に固有の結合角の柔軟性により、ある電子アプリケーションにおいて望まれる様々な分子歪み（ヤーンテーラー歪みを含む）を可能にする。
【００２８】
さらに、粒子１０２〜１０６は、耐熱性セラミックス粒子、非耐熱性セラミックス粒子、もしくは、これらの組み合わせであってもよい。当該セラミックス粒子１０２〜１０６は、当該粒子のキュリー温度が、複合材料１００Ａ〜Ｃについての予定されたオペレーション温度とかなり異なるように選択されてもよく、これにより、複合材料の誘電率において相対的安定性が確実なものとなる。例えば、最終複合材料のオペレーティング温度と約２０℃以上異なるキュリー温度を有する粒子１０２〜１０６を選択してもよい。別の実施の形態では、セラミックス粒子１０２〜１０６は、当該粒子のキュリー温度が、複合材料１００Ａ〜Ｃについての予期されたオペレーティング温度と同じもしくはこれに近くなるように選択してもよく、複合材料の誘電定数が最大化される。さらに、複合材料の絶縁耐力及び誘電定数がピーク値にあるかもしくはこれとは反対に安定である温度範囲を拡張するために、様々なキュリー温度を有するセラミックス粒子１０２〜１０６を選択してもよい。
【００２９】
セラミックス粒子は、図１Ａ〜Ｃにおいて球状として示されているけれども、以下に限定される訳ではないが、球形状及び不規則な形状を含む様々な形状を有していてもよい。図２〜３は、それぞれ立方体形状の粒子及び球形状の粒子の配合物を含む複合材料１００Ｄ及び１００Ｅを示している。図４は、複合材料１００Ｂと同様の複合材料を製造するために使用されうる粒子１０２及び１０４の混合物２００を示している。不規則な形状は、全ての粒子１０２〜１０６にとって好ましい。これは、不規則な形状により、典型的には、概して、高い充填密度となり、これにより、複合材料１００Ａ〜Ｅについてより高い誘電定数となる。粒子１０２〜１０６は如何なる形状であってもよく、粒子サイズを参照する際に使用する直径なる文言は、当該粒子の公称ディメンジョンを意味する。例えば、不規則な形状の粒子の直径は、当該粒子の平均直径を意味する。同様に、略立方体の粒子の直径は、当該粒子のエッジ長さを意味する。楕円形状等の他の粒子形状については、当該直径は、最も大きな軸もしくは横断長さを意味する。
【００３０】
図１Ａに示される複合材料１００Ａは、およそ２ｎｍ未満からおよそ２０００μｍより大きい範囲まで直径に幅があり、誘電体粒子１０２〜１０６の３つのモードを有する配合物を有する。各サイズ範囲における粒子１０２〜１０６は均一であってもよい。別の実施の形態では、各サイズ範囲内の粒子は、当該サイズ範囲内で様々なサイズを有していてもよい。同様に、各サイズ範囲（すなわち、小、中、大）内の、各サイズ範囲にわたる粒子１０２〜１０６は、同じ材料であってもよいし、異なる材料、複合材料であってもよい。例えば、バリウムチタン酸塩、ストロンチウムチタン酸塩、及びバリウムストロンチウムチタン酸塩粒子を、各サイズ範囲内において、または複数のサイズ範囲に亘って使用してもよい。
【００３１】
粒子サイズの分布及び範囲は、複合材料１００Ａ〜Ｃのセラミックス充填率及び誘電定数が増加するように選択される。如何なるサイズのセラミックス粒子を使用してもよいが、最も小さい粒子１０２についての範囲を、製造限定、及び、小さい粒子が凝集することを維持するという要求により制限してもよい。これは、小粒子の凝集が複合材料１００Ａ〜Ｃの誘電特性を低下させうるからである。ある実施の形態では、小粒子１０２は、直径がおよそ５０ｎｍである。しかしながら、２ｎｍ程度の小粒子を使用してもよい。反対に、小粒子１０２として５０ｎｍより大きい粒子を使用してもよい。しかしながら、最も小さい実現可能なナノ粒子を使用して当該粒子の充填率を最大化することが好ましい。
【００３２】
典型的には、最も大きい粒子１０６は、最終複合材料１００Ａ〜Ｃの厚さに関連する実施上の配慮点のみにより制限される。例えば、任意の単一の大粒子１０６は、複合材料１００Ａ〜Ｃの全膜厚の約１０％未満もしくはそれと同じであることが好ましい。例えば、およそ２〜２．５ｍｍの厚さの複合材料を、およそ２２０μｍの大きさの大粒子１０６を使用して製造してもよい。同様に、薄い複合フィルムを、より小さい寸法を有する大粒子１０６を使用して製造してもよい。
【００３３】
ある実施の形態では、中粒子１０４のサイズ範囲は、中粒子のサイズの範囲が、最も小さい粒子１０２についてのサイズ範囲と大粒子１０６についてのサイズ範囲との共通のファクターと区別されるように、算出される。例えば、５０ｎｍの小粒子１０２および５０μｍの大粒子１０６を使用するとき、大粒子サイズの、小粒子サイズに対する比率は、１０００である。中粒子１０４のサイズ範囲を決定するため、１０００の平方根（およそ３１．６）を係数として使用し、中粒子サイズおよそ１．５８μｍ（すなわち、５０ｎｍ×３１．６もしくは５０μｍ／３１．６）を決定する。他の実施の形態では、中粒子１０４のサイズ範囲は、大粒子１０６のサイズ範囲に、より近くてもよいし、もしくは、小粒子１０２のサイズ範囲に、より近くてもよい。
【００３４】
各所望の粒径分布のセラミックス粒子１０２〜１０６を商業的に購入してもよいし、別の態様では、大きなセラミックス粒子を粉砕して所望のサイズとすることにより製造してもよい。様々な実施の形態において、粒子サイズの分布を、様々な具体的な製造プロセスもしくは爆発しやすい製造プロセスにおいて使用されるものと同様の数式を用いることにより最適化してもよい。さらに、使用前に、セラミックス粒子を焼結させてもよい。
【００３５】
以下に限定される訳ではないが、例示すれば、複合材料１００Ａは、約４０μｍ〜約２２０μｍの直径を有するＢａＴｉＯ３大粒子１０６と、約５００ｎｍ〜約５μｍの直径を有するＢａＴｉＯ３中粒子と、約５００ｎｍ未満の直径を有するＢａＴｉＯ３もしくはＢＳＴからなる小粒子１０２とからなるセラミックス粒子の３つのモードを有する分布を含んでいてもよい。ある実施の形態では、最も小さい粒子は、およそ２ｎｍ以下の直径を有していてもよい。
【００３６】
好ましくは、各サイズ分布の比率並びに各粒子サイズの体積分率を算出して、最も高い充填率を達成し、複合材料１００Ａ〜Ｃ内のポリマーバインダー１０８の体積を最小化する。本明細書において使用されているように、体積分率は、混合物の全ての成分の体積で除された当該成分（具体的には、粒子もしくはポリマー）の体積を意味する。例えば、３つのモードを有する粒子の配合物を有する複合材料１００Ａの実施の形態において、大粒子１０６、中粒子１０４、小粒子１０２の比率は、およそ６５：２５：１０であり、大粒子は、複合物の質量と体積の最も大きな部分を構成する。他の具体例において、およそ６５〜８０％の大粒子、およそ１５〜２０％の中粒子、およそ５〜１５％の小粒子の比率を用いてもよい。他の任意の比率を用いてもよいが、粒子の配合物の比率は、粒子のサイズおよび粒子の各配合物についてのボイド率(void fraction)に基づいて決定される。また、最も大きな粒子１０６は、典型的には、最も大きな割合の質量と体積を有し、一方、中間のサイズの粒子は、２番目に大きな割合を有する。
【００３７】
様々な他の実施の形態において、複合材料は、図１Ｃに示すような単一のサイズ範囲に含まれる粒子からなるか、もしくは、複合材料は、図１Ｂに示すような２つのモードを有する配合物を有していてもよい。また、４つ以上のモードを含む他の配合物を使用してもよい。さらに、複合材料を作製する際に使用される粒子のサイズは、”近接する”サイズ範囲に含まれる必要はない。例えば、複合材料は、図４に示すように、大粒子１０６と小粒子１０２との混合物を使用することにより作製してもよい。
【００３８】
様々な実施の形態において、セラミックス粒子１０２〜１０６の表面を機能化して粒子とポリマーバインダーとの間の直接結合を増やしてもよい。表面を機能化する方法は数多く存在する。例えば、表面３００を水酸基化することにより各粒子１０２〜１０６を機能化して、図５Ａ〜Ｃに示すように、水酸（-ＯＨ）基３０２を導入してもよい。粒子１０２〜１０６を過酸化水素により処理することにより水酸基３０２を導入してもよいが、しかしながら、過度に粒子を修飾することなく粒子表面を水酸基化する他の適切な方法を使用してもよい。
【００３９】
セラミックス粒子１０２〜１０６の表面を一旦水酸基化して、例えば、シランおよびジルコン酸塩を使用して、セラミックス粒子の表面を機能化してもよい。以下に限定される訳ではないが、例示すれば、ビニルトリメトキシシランおよび水の副生成物３０６等のシラン系ポリマー前駆物質３０４の加熱された溶液は、粒子表面を機能化し当該粒子表面に直接結合させる表面処理剤として機能するとともに、全てのセラミックス表面１０２〜１０６の間に密に架橋された構造３０８を形成するバインディング材料として機能する。
【００４０】
ポリマーバインダー
ポリマーバインダー１０８は、以下に限定される訳ではないが、シアネートエステルもしくはポリシアヌレートを含む任意の誘電性ポリマーであってもよい。好ましくは、ポリマーバインダー１０８は、不可逆的に硬化させたポリマー材料である。しかしながら、他のポリマー材料を使用してもよい。ポリマーバインダー１０８は、また、好ましくは小さな分子サイズを有し、粒子表面に直接接合することができ、密に架橋されたポリマーネットワークを形成することが可能な任意のポリマーもしくはポリマー前駆物質であってもよい。また、別の態様では、これらの特性を必ずしも有しないポリマーもしくはポリマー前駆物質を使用してもよい。これらには、他の中でも、ゲルポリマーおよびセルロース系ポリマーが含まれる。
【００４１】
ある実施の形態では、ポリマーバインダー１０８は、その場重合されセラミックス粒子１０２〜１０６に直接結合するポリマー前駆物質から構成される。他の実施の形態では、水等のある溶媒の存在下において膨潤する寒天等のゲル状ポリマー前駆物質の溶融物から構成される。これらの実施の形態において、ポリマーバインダー１０８は、ゲル状ポリマー前駆物質、溶媒、および粒子１０２〜１０６からなる混合物が冷却され、溶媒が除去されたときに形成される。
【００４２】
好ましくは、ポリマーバインダー１０８もしくはポリマー前駆物質は、金属粒子を含まない。非金属のポリマーマトリックスを含む複合材料により、当該複合材料のブレークダウン電圧はより高くなり、その寿命はより長くなる。
【００４３】
ポリマー前駆物質を用いるとき、当該ポリマー前駆物質は、セラミックス粒子１０２〜１０６の配合物と混合され、当該配合物に浸透することができ、各粒子の表面と接触する。例えば、トリアルコキシシラン、より詳細にはビニルトリメトキシシラン、トリエトキシビニルシラン、アミノプロピルトリエトキシシラン、もしくはこれらの組み合わせ等のシラン系ポリマー前駆物質を用いて、ポリマーバインダー１０８を作製してもよい。さらに、他のシラン、ジルコン酸塩、もしくはチタン酸塩系カップリング剤もしくは重合によりポリシルセスキオキサンを生成するポリマー前駆物質を使用してもよい。好ましくは、ポリマー前駆物質は、当該ポリマー前駆物質が混合物を通って粒子表面３００まで浸透し粒子１０２〜１０６の表面に直接接合することを可能とする物理的および化学的特性を有する。好ましくは、ポリマー前駆物質は、セラミックス粒子間を流動し粒子表面３００を被覆することができる程度に低い粘性を有する。複合材料１００Ａ〜Ｅの生成の間に加えられる加圧下、および、任意ではあるが、加熱下、ポリマーバインダー１０８および／またはポリマー前駆物質は、セラミックス粒子表面３００上において、ナノメートルレベル、サブナノメートルレベルの欠陥(imperfections)に浸入する。それにより、ポリマーバインダー１０４は、粒子１０２〜１０６の界面におけるエアーボイドを排除する。以下に限定される訳ではないが、例示すれば、シラン、チタン酸塩および／またはジルコン酸塩系ポリマー前駆物質を用いてセラミックス粒子表面３００間を直接接合することを容易にし、マトリックス３０８等の密に架橋されたポリマーマトリックスが形成される。
【００４４】
様々な実施の形態において、最終複合材料１００Ａ〜Ｅの誘電定数は、選択されたポリマーバインダー１０４に基づく使用により最適化してもよい。ある具体例において、所望のシラン系ポリマー前駆物質は、典型的なシラン系ポリマー前駆物質より高いシラン濃度を有し、無機系セラミックス粒子１０２〜１０６を接着する付加的なカップリング剤は必要ではない。付加的なポリマー高分子等の副次的なバインディング剤を排除することにより、さらに、セラミックス充填率が改善され、それにより、複合材料１００Ａ〜Ｅの誘電定数が増加する。
【００４５】
ある実施の形態において、ポリマーバインダー１０８は、シアノ樹脂からなる。シアノ樹脂バインダーにより、数百ＭＨｚの周波数において約１０〜約５５の間で変化しうる誘電定数を有する複合材料１００Ａ〜Ｅが生成されるであろう。例えば、ポリマーバインダーは、日本、東京の信越化学工業により製造されたＣＲ−Ｓ等の市販品であってもよい。ＣＲ−Ｓは、高い誘電定数および良好な強度を有し機械加工可能であるシアノエチル化されたセルロースポリマーである。
【００４６】
他の実施の形態では、複合材料１００Ａ〜Ｅの誘電定数を、ゲル状のポリマー前駆物質、好ましくは、典型的には寒天の形態のアガロースを使用することにより増加させる。ゲル状ポリマーは、天然抽出され、もしくは合成により製造されたバイオポリマーであってもよい。ゲル状ポリマー前駆物質は溶媒に溶解され、セラミックス粒子１０２〜１０６の配合物を有する複合モールドにおいて圧縮される。その後、複合モールドを加圧下冷却する。これにより、ゲル状ポリマー前駆物質は、溶媒の存在下膨潤することができる。複合モールドは、その後、ポリマー前駆物質の溶融温度未満の温度まで再加熱され、溶媒を除去し、それにより、ポリマーバインダー１０８が生成される。その結果、ポリマーバインダー１０８の体積は、複合材料の全構造を変えることなく、これ以前に膨張していたポリマー前駆物質の体積から減少する。
【００４７】
減少した体積のポリマーバインダー１０８は、セラミックス粒子１０２〜１０６周辺においてボイドもしくはキャビティーを形成しうる。誘電液体をその後当該複合材料中に含浸させ、複合材料内において全てのキャビティーもしくはボイドを充填し置換して、セラミックス粒子１０２〜１０６の表面３００を被覆する。ゼラチン、カラギーン、溶媒の存在下膨張するが誘電液体を吸収しないポリマーバインダー１０８および誘電液体の存在下膨張するポリマーバインダー１０８の他の任意の前駆物質を含む他のポリマー前駆物質を用いてもよい。
【００４８】
誘電液体
誘電流体は、フィラー流体であり、複合材料中に含浸され、複合材料内に存在する任意のボイドに浸透し当該ボイドを満たすものである。当該誘電流体は、また、ナノメートルおよびサブナノメートルレベルで、セラミックス粒子の任意の露出された表面３００を被覆する。誘電流体の添加により、当該材料中においてボイドを置換することにより当該複合材料の誘電定数および絶縁耐力の両方を増加させることができる。また、当該複合材料の気孔率を減少させ、セラミックス粒子の境界面を強化することができる。複合材料を誘電流体中に浸漬することにより、形成された複合材料中に誘電流体を含浸させることができる。誘電流体をさらに毛細管現象により複合材料中に注入してもよいし、または、真空もしくは他の加圧システムの助けを借りて当該材料内に強制的に導入してもよい。
【００４９】
他の実施の形態では、誘電流体は、高い誘電定数を有する。例えば、当該高い誘電定数は、以下に限定される訳ではないが、水、グリセリン、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、グリセリンカーボネート、ブチレンカーボネートおよびこれらの組み合わせ等のアルキレンカーボネートであってもよい。反対に、低い誘電定数を有する誘電流体を使用して、当該複合材料の絶縁耐力を増加させ、一方、それほどではないにせよ当該複合材料の誘電定数を増加させる。低誘電定数を有する具体的な誘電流体には、電気的絶縁体において使用されるようなオイルが含まれる。好ましくは、当該誘電流体は、高誘電定数、低い粘性、低い誘電損失、および低い蒸発率を有する。
【００５０】
当該誘電流体を、ポリマーバインダーのその場重合により形成された複合材料、並びに、ゲル状ポリマー前駆物質から形成された複合材料に含浸させてもよい。さらに、任意ではあるが、誘電流体が注入された複合材料を、任意の適切なガス不透過性材料により被覆し、誘電流体の蒸発を抑制もしくは減少させてもよい。例えば、複合材料をシラン、チタン酸塩、および／またはジルコン酸塩系ポリマーにより被覆してもよい。
【００５１】
他の実施の形態では、１００〜１０００ＭＨｚの周波数において約１００の誘電定数を有する複合材料を、その場重合の後ポリシルセスキオキサンを生成させるシラン、チタン酸塩、ジルコン酸塩等の化学物質を使用して製造してもよい。これらの化学物質および結果として得られるポリシルセスキオキサンを含有するポリマー前駆物質は、小さな分子サイズを有する。そして、当該ポリマー前駆物質は、セラミックス粒子表面に直接結合し、密に架橋されたポリマーネットワークを形成するのに適している。
【００５２】
さらに別の態様では、１００〜１０００ＭＨｚの周波数において約５５０の誘電定数を有する複合材料を、水の存在下膨潤するゲル状ポリマー前駆物質を使用して製造してもよい。好ましくは、当該ゲル状ポリマー前駆物質は、アルキレンカーボネートの存在下膨潤しないが、水の存在下膨潤する。さらに、好ましいゲル状ポリマー前駆物質は、セラミックス粒子１０２〜１０６と混合する前に溶解させてもよく、乾燥させたとき高い強度を有し、高い融点を有し、２つのモードを有するものである。
【００５３】
複合材料の製造工程
上述したように、セラミックス粒子１０２〜１０６を商業的に入手してもよいし、もしくは、粉砕プロセスの間作製してもよい。セラミックス粒子が粉砕により形成されるある実施の形態では、メチルエチルケトン等の溶媒を使用して、当該粒子の凝集を抑制する。以下に限定される訳ではないが、アセトン、メチルプロピルケトン、ポリメチルメタクリレート、もしくはジクロロメチレンを含む付加的な溶媒を使用してもよい。さらに、粉砕プロセスに表面活性剤を加えて凝集を抑制してもよい。以下に限定される訳ではないが、例示すれば、当該表面活性剤は、オレイン酸、アルキルベンゼン−スルホン酸もしくはホスフェートエステルであってもよい。好ましくは、当該表面活性剤は、極性の添加物である。さらに、当該表面活性剤は、セラミックス粒子の表面を機能化する役割を果たし、ポリマーバインダーとの結合を高める。
【００５４】
様々な実施の形態において、セラミックス粒子を焼結して、ポリマー前駆物質もしくはバインダーとの混合前に、硬化された粒子を製造してもよい。焼結された粒子は、多孔性を減少させる。これにより、粒子中のボイドが減少し、当該粒子の粒子充填率が増加し、ポリマー前駆物質もしくはバインダーを当該粒子中に浸入することが抑制もしくは少なくとも最小化される。
【００５５】
ある実施の形態では、セラミックス粒子、および、シラン、チタン酸塩、もしくはジルコン酸塩を含むポリマー前駆物質（例えば、ビニルトリメトキシシラン、もしくはトリエトキシビニルシラン）の混合物をさらに水と混合し、攪拌しながら蒸発させて調製する。例えば、当該混合物を約１００℃〜約２００℃の温度で調製してもよい。当該混合物を加熱することにより、セラミックス粒子の表面を機能化させる速度を増加させ、ポリシルセスキオキサンネットワークの形成速度を増加させる。
【００５６】
当該複合材料をさらにダイにおいて乾式プレスすることにより形成し、当該材料を成形する。例えば、セラミックス粒子１０２〜１０６、ポリマー前駆物質、および任意の表面活性剤からなるペーストをダイ中において圧縮する。典型的には、当該ダイは、機械的もしくは水圧式手段を用いて押圧し、ペーストを圧縮して当該ダイの形状とする。他の実施の形態では、モールドとして機能する柔軟膜(flexible membrane)を使用して、当該ペーストを平衡に押圧する静水圧プレス成形により当該複合材料を形成してもよい。複合材料のペーストを押圧することは好ましい製造方法であるが、複合材料を、スピンコーティングもしくは溶液キャスティング(solution casting)により形成してもよい。
【００５７】
様々な実施の形態において、複合材料を約１００ポンド／平方インチ（ＰＳＩ）から３０メートルトン／平方インチを遙かに超える圧力で押圧してもよい。当該複合材料１００は、二方向押圧技術もしくは一方向押圧技術により作製してもよい。しかしながら、他の押圧技術を使用してもよい。ある実施の形態では、二方向押圧技術は、複合材料において形成される密度勾配を排除し、当該複合材料に亘って均一な誘電定数としうる。反対に、密度勾配が存在することが望まれる場合、一方向押圧プロセスを実施して複合材料を製造することにより、当該複合材料において粒子の密度を変化させてもよい。
【００５８】
ポリマー前駆物質のその場重合を容易にするために、ペーストを押圧した後、もしくはペーストの押圧と同時にダイを加熱して、ポリマーバインダー１０４を形成する。他の実施の形態では、ポリマー前駆物質を、紫外線（ＵＶ）照射により、もしくは触媒を添加することにより、重合もしくは硬化させて化学重合を引き起こしてもよい。ある実施の形態では、ポリマーバインダー１０８は、セラミックス粒子１０２〜１０６の表面に直接結合し密に架橋された構造が形成される。そのため、バインダーとして機能する付加的なポリマーが必要でない。
【００５９】
様々な実施の形態では、ポリマーバインダー１０８およびセラミックス粒子１０２〜１０６間に存在しうるあらゆるボイドを充填するため、ポリマー前駆物質の重合後に、高誘電定数を有する誘電流体を加える。特に、フィラー液体は、セラミックス粒子１０２〜１０６の表面３００上において、ナノメートルおよびサブナノメートルレベルで境界面を改質する。
【００６０】
注入された誘電液体の蒸発を防止し、複合材料の多孔率を減少させるため、最終複合材料を被覆してもよい。その後、複合材料を切断し、機械加工し、および／または粒子を吹き付けて、所望の大きさに形成してもよい。付加的な仕上げ加工には、１以上の電極を最終複合材料に付することが含まれうる。具体的には、電極は、プラチナ、金、もしくは任意の適切な導電性材料であってもよい。ある実施の形態では、当該電極を直接スパッタして複合材料上に形成し、電極と複合材料との間の任意のエアーギャップを排除してもよい。
【００６１】
様々な実施の形態において、その場重合プロセスにより、少なくとも８０％の粒子充填率が達成され、それに対応してより高い誘電定数となる。また、当該その場重合プロセスにより、損失正接および誘電定数を同時に調整することができ、複合材料１００の最終アプリケーションによって決まる所望の条件に適合させることができる。粒子のマトリックスを結合させるために使用されるポリシルセスキオキサンにより、高粘性ポリマーおよびエポキシで粒子を結合させる必要性が排除される。
【００６２】
複合材料
機械加工された高誘電定数複合材料の具体例を図６〜９に示す。図６に示すように、複合材料１００Ａ〜Ｅを切断し機械加工して固体のディスク４００とする。スケール感を持たせるため、定規線４０２を示しているが、しかしながら、複合材料は、如何なる大きさ、如何なる構成となるように製造してもよい。図７は、付加的な構成要素を受容するため、機械加工され基板５００とされた複合材料の写真である。図８Ａは、機械加工され複数の環状のディスク６００Ａ〜Ｇとされた複合材料を図示する。図８Ｂに示すように、環状のディスク６００Ａ〜Ｇをロッド６０２にマウントし、ファスナー６０４Ａ〜Ｂにより固定してもよい。図９は、ディスク７００として製造された複合材料を図示する。さらに、単一の薄層シートもしくは複数層の複合キャパシターを、高誘電複合材料を使用して製造してもよい。
【００６３】
図１０に示すように、およそ１００の平均誘電定数を有する複合材料についての誘電定数のプロファイル１０００は、実際、２００ＭＨｚ〜４．５ＧＨｚの周波数領域において、およそ１０８〜およそ９０もしくは＋／−１０％の範囲で変化する。ここに示したように、全周波数範囲に亘って損失正接のプロファイル１００２は、０．１２未満であり、５００ＭＨｚより小さい。損失正接は０．０５未満である。上述したように、損失正接および誘電定数は、選択された粒子混合物、製造中加えられた熱および圧力、熱および圧力が加えられた期間により予め決定してもよい。ある実施の形態では、２ＧＨｚにおいて０．０８より小さい損失正接を達成しており、他の実施の形態では、０．００１未満の損失正接も可能である。低い損失正接は、高誘電定数複合材料を使用する様々なアプリケーションに拡張される。
【００６４】
およそ４５の平均誘電定数を有する複合材料についての誘電定数と損失正接の範囲を図１１に示す。ここに示されているように、誘電定数のプロファイル１１００は、２００ＭＨｚ〜４．５ＧＨｚの周波数領域において、約４９〜約３９の範囲で変動する。全周波数範囲における損失正接のプロファイル１１０２は０．１４未満であり５００ＭＨｚより小さく、損失正接は０．０８未満である。図１２は、およそ５５０のピーク誘電定数を有する複合材料についての誘電定数範囲および損失正接範囲のプロファイル１２００を図示する。ここに示すように、誘電定数は、２００ＭＨｚ〜４．５ＧＨｚの周波数領域においておよそ５５０〜およそ４００の範囲で変動する。全周波数範囲における損失正接のプロファイル１２０２は０．３５未満であり、５００ＭＨｚより低く、当該損失正接は、およそ０．１２５未満である。図１０〜１２に示される複合材料の実際の誘電定数は、部分的に、測定方法における欠陥、および、試験された複合材料および試験装置における表面欠陥のため、示されたものよりおよそ１０％高い。
【００６５】
オペレーション中、高誘電定数複合材料の電場は、単一のブレークダウンについて約１〜１．８４ＭＶ／ｃｍの範囲に見られる。本明細書において開示されている混合技術に対するバリエーションとして、いくつかの実施の形態では、電場ブレークダウン特性は、４ＭＶ／ｃｍを遙かに超えるところまで改善することができた。そのため、高誘電定数複合材料は、２００Ｊ／ｃｍ３を超え、１０００Ｊ／ｃｍ３以下のエネルギー貯蔵密度を有していてもよい。ある実施の形態では、高誘電定数複合材料は、室温において、およそ２０Ｊ／ｃｍ３のエネルギー密度を有する。したがって、単一層もしくは複数の層の低損失キャパシターを、本明細書において開示されたその場重合プロセスを使用して製造することができる。さらに、２００ＭＨｚにおいて５５０を超え２０ＫＨｚにおいて５６０００程の誘電定数を有する複合材料が製造されている。
【００６６】
複合材料のための具体的な使用
高誘電定数複合材料１００Ａ〜Ｅ、４００、５００、６００Ａ〜Ｇ、および７００は、以下に限定される訳ではないが、アンテナ、キャパシター、高エネルギー貯蔵デバイス、および高電圧絶縁体を含む様々なアプリケーションに適する。高誘電定数複合材料の高周波数特性により、それらは、以下に限定される訳ではないが、アンテナ、マイクロ波基板を含む高周波マイクロ波伝送コンポーネントのための理想的な材料となる。マイクロ波キャビティー、高エネルギー密度キャパシター、および高周波キャパシターを調整するために高誘電定数材料を使用してもよい。以下に限定される訳ではないが、例示すれば、高誘電定数材料は、高パワーアンテナにおいて使用するのに適している。したがって、誘電性装荷アンテナのサイズは、本開示の高誘電定数複合材料を組み込むことにより最小化することができる。特に、当該複合材料は、螺旋アンテナ、誘電共振器アンテナ、もしくは、複合材料の導入により、利点が得られ大きさが減少しうる任意のアンテナに組み込んでもよい。例えば、ある実施の形態によれば、本明細書において開示された高誘電定数複合材料を組み込んだアンテナを、６分の１〜１０分の１に小型化して製造することができる。他の実施の形態では、高誘電定数複合材料を組み込んだアンテナは、チュ-ハリングストンリミット（チュ-リミット）に等しいディメンジョンまでさらに減少しうる。
【００６７】
典型的には、アンテナの１以上のディメンジョンは、当該アンテナ材料を伝播する電磁波の波長の関数である。したがって、所定の周波数についてのアンテナサイズは、誘電定数の平方根を超えるものと略比例する。他の側面では、複合材料１００を使用して、空気の誘電体を利用する従来のアンテナのサイズのおよそ１０分の１以下のブロードバンドアンテナが含まれるアンテナを製造することができる。
【００６８】
アンテナに加えて、当該複合材料を使用して、従来のキャパシターの機能を改善し、そのディメンジョンを小さくしてもよい。２つのポイント間のキャパシタンスは、これらの２つのポイントを分離する材料の誘電定数に比例する。高誘電定数を有する複合材料を組み込むことにより、所定のキャパシタンスが要求される電極の領域は、従来の誘電体の誘電定数の増加に比例して減少する。そのため、高誘電定数複合材料が組み込まれたキャパシターは、従来のキャパシターよりコンパクトにすることができる。さらに、キャパシターに貯蔵されたエネルギーは、当該キャパシターの電圧の二乗に従って増加する。従来の高誘電定数セラミックス材料と比較して、高い絶縁耐力を有する高誘電定数材料を組み込むことにより、同じ体積中に保存できるエネルギーが、従来の高誘電定数材料における絶縁耐力の増加分の二乗に従って増加する。キャパシターのエネルギー密度は、誘電定数および誘電体内の電場の二乗に比例するため、高誘電定数および高絶縁耐力を有する複合材料を組み込んだキャパシターのエネルギー密度は、従来の低誘電定数材料および従来の高誘電定数セラミックスにより達成されるものより大きなオーダーである。
【００６９】
複合材料は、また、高電圧絶縁体に組み込んでもよい。複合材料により、より大きな電場制御および電場成形(field shaping)を可能とする。電場成形により、さらに、絶縁体のディメンジョン、特に長さを大幅に減少させることができる。
【実施例】
【００７０】
高誘電定数複合材料調製方法
実施例１
以下に限定される訳ではないが、例示すれば、２００ＭＨｚ〜４．５ＧＨｚに亘る周波数において約７５〜１４０の実証された誘電定数を有する高誘電定数複合材料を調製するために使用される具体的な方法が提供される。最初に、およそ２５０ｍｌの水および２５０ｍｌのトリエトキシビニルシランをドラフト(fume hood)内の開口ビーカーに注入した。当該混合物の丁度沸点未満の温度でこの液体を磁気式スティーラーを用いて混合した。当該混合物を熱源から離し、混合物が混和性(miscible)を有するようになったとき攪拌を中止した。
【００７１】
当該溶液を即時利用のために室温まで冷却した。あるいは、当該溶液は、長期間の保存のため冷却してもよい。当該溶液が冷却され室温に達したとき、セラミックス粉末の混合物を調製した。当該混合物は、６５μｍ〜１５０μｍの直径を有する６５質量％のＢａＴｉＯ３粒子、０．５μｍ〜３μｍの直径を有する２５質量％のＢａＴｉＯ３粒子、１００ｎｍ未満の直径を有する１０質量％のＢａＴｉＯ３およびＢＳＴ粒子から構成されていた。セラミックス粉末を、およそ２分間ミキサーミルで混合した。過剰な混合時間により大粒子がより小さなサイズまで粉砕されるため、これを回避するように気を付けた。
【００７２】
室温まで冷却された混和性の溶液を手動で攪拌しながら粉末混合物中に加えた。ペーストが作成されるまで、混和性の溶液を加えた。当該ペーストは、均一性(light consistency)を有し、その形状を保持するのに十分な粘性を有していた。その後、乾式プレスダイにペーストを入れて、当該材料の均一な配合物とするため軽く押し固めた。
【００７３】
当該ダイをラボプレススタンド(lab press stand)に配置し、プレスを作動させてダイアッセンブリの上部ピストンと下部ピストンに力を加えた。およそ３０メートルトン／平方インチの力をダイに加えた。当該力をダイに加えながら、当該ダイから放出された過剰の流体を除去した。当該力を加えたまま、ダイを加熱エレメントによりおよそ１００°Ｆの温度まで加熱した。
【００７４】
ダイの温度を、およそ３０分間所望のレベルに保持し、その後、加熱エレメントを停止させた。一方、ダイおよび押圧された複合材料を室温まで冷却した。冷却後、当該複合材料をダイから取り外し、機械加工し、粒子を吹き付けて所望の大きさとした。最後に、複合材料１００に電極を取り付け、当該複合材料の誘電定数および損失正接を決定するため数多くの試験を行った。
【００７５】
実施例２
以下に限定される訳ではないが、例示すれば、２００ＭＨｚ〜４．５ＧＨｚに亘る周波数において４００〜６００の誘電定数を有する複合材料を調製するための他の具体的な方法を提供する。最初に、ペロブスカイトセラミックス粒子の混合物を準備した。当該混合物は、６５μｍ〜１５０μｍの直径を有する７２質量％のＢａＴｉＯ３粒子、０．５μｍ〜３μｍの直径を有する２１質量％のＢａＴｉＯ３粒子、１００ｎｍ未満の直径を有する７質量％のＢａＴｉＯ３およびＢＳＴ粒子から構成されていた。セラミックス粉末を、およそ２分間ミキサーミルで混合した。過剰な混合時間により大粒子がより小さなサイズまで粉砕されるため、これを回避するように気を付けた。
【００７６】
寒天、主としてアガロースをポリマーバインダーとして使用した。攪拌しながら、当該寒天を加熱し水中において高濃度となるよう溶解した。加熱しつつ、当該寒天および水溶液を、予め加熱された容器において、セラミックス粒子に徐々に加え混合した。その後、当該混合物を、予め加熱したダイにおいて加熱し押圧した。押圧後、圧縮された複合材料を加圧下冷却した。
【００７７】
当該圧縮された複合材料を当該寒天バインダーの融点未満の温度まで加熱することにより複合材料内の寒天をさらに乾燥させ、それにより、残存する水を蒸発させた。すでに水で膨潤されていない寒天バインダーは、体積が減少しており、それにより、複合材料において無数のチャンネルが形成されていた。ポリマーバインダーの体積が減少したにも拘わらず、密に充填されたセラミックス粒子の構造強度により、複合材料の全構造が収縮することが防止されている。その後、複合材料を誘電流体に浸漬することにより、複合材料に誘電流体が含浸し、ポリマーバインダーとセラミックス粒子表面との間に残存するボイドが誘電流体で満たされた。当該誘電流体は、５０％のエチレンカーボネートと５０％のプロピレンカーボネートとからなるアルキレンカーボネートの混合物であった。
【００７８】
本発明に係る材料、デバイス、および方法は、様々な実施の形態として組み込むことができるが、上ではこれらのうち一部についてしか例示もしくは記載していない。本発明は、その精神もしくは基本特性から逸脱することなく、他の特定の形態で具体化することができる。記載された実施の形態は、全ての側面において、例示とのみ見なされ、限定と見なされない。そのため、本発明の技術的範囲は、添付のクレームにより示され、上述の記載により示される訳ではない。当該クレームの意味および等価の範囲にある全ての変更は、これらの範囲に含まれる。
【図１Ａ】
2014510416.tif 000003
【図１Ｂ】
2014510416.tif 000004
【図１Ｃ】
2014510416.tif 000005
【図２】
2014510416.tif 000006
【図３】
2014510416.tif 000007
【図４】
2014510416.tif 000008
【図５Ａ】
2014510416.tif 000009
【図５Ｂ】
2014510416.tif 000010
【図５Ｃ】
2014510416.tif 000011
【図６】
2014510416.tif 000012
【図７】
2014510416.tif 000013
【図８Ａ】
2014510416.tif 000014
【図８Ｂ】
2014510416.tif 000015
【図９】
2014510416.tif 000016
【図１０】
2014510416.tif 000017
【図１１】
2014510416.tif 000018
【図１２】
2014510416.tif 000019
【国際調査報告】
2014510416.tif 000020
2014510416.tif 000021
2014510416.tif 000022