JP7084424B2 - 窒化ホウ素ナノチューブ振動減衰 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、全体が参照により本明細書に組み入れられる、２０１７年２月７日に出願された米国仮特許出願第６２／４５５，９２４号明細書の利益を主張する。

（政府支援に関する言明）
なし。

本開示は、振動減衰のための窒化ホウ素ナノチューブ（ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ ｎａｎｏｔｕｂｅ、ＢＮＮＴ）の粘弾性の性質を強化する方法に関する。

受動的な振動減衰は、振動エネルギーが粘弾性物質、流体、または気体の中で熱に変換されるときに発生する。受動的な振動減衰の一般的な例は、モータをモータのフレームに取り付ける際に使用されるゴム座金（粘弾性物質）、および車両内の緩衝器（流体）を含む。受動的な粘弾性振動減衰のために使用する大部分の物質に伴う１つの欠点は、それらの物質が狭い温度範囲でしか満足のいくように機能しないことである。たとえば、ゴム座金は、典型的には０℃以下の温度で剛体になり、数１００℃以上の温度で劣化する、および／または燃える。それにもかかわらず、粘弾性物質は、１）振動に関連する動きだけを有する、２）流体または気体が動くことがない、および３）能動的な振動減衰に関連する電気制御および動力を必要としないので、振動減衰のために通常は好まれる。

国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１７／０６３７２９号 国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０２７５７０号 米国特許第９，７７６，８６５号明細 米国特許第９，７４５，１９２号明細書 国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１６／０２３４３２号 米国仮特許出願第６２／４７５，６０２号明細書

広い温度範囲で適用可能な、改善された粘弾性物質が必要である。

ＢＮＮＴは、例外的な粘弾性挙動を有し、ＢＮＮＴ物質は、振動減衰物質として使用するために、所望の配置に加工処理されてもよい。有利には、ＢＮＮＴ物質の粘弾性性能は、たとえば、ＢＮＮＴ物質を精製する、物質内でＢＮＮＴを整列させる、ＢＮＮＴ物質を同位体的に強化する、ＢＮＮＴ物質の密度を制御する、およびそれらを組み合わせることによって強化されてもよい。ＢＮＮＴ物質内のホウ素粒子、ａ－ＢＮ粒子、ｈ－ＢＮナノケージ、およびｈ－ＢＮナノシートの量を最小にすることにより、存在するＢＮＮＴ表面積の広さが最大になり、それにより、粘弾性挙動を発生させるナノチューブ間摩擦が改善される。また、ＢＮＮＴ物質内部でＢＮＮＴ分子鎖を互いに整列させることにより、強化された摩擦面が発生する。ＢＮＮＴ分子に沿ったフォノンの輸送は、同位体強化ＢＮＮＴを利用することにより、さらに強化される場合がある。詳細には、ＢＮＮＴ物質に対して¹⁰Ｂと¹¹Ｂの両方の同位体を強化することにより、ナノチューブ構造に沿ったフォノン輸送は改善される。粘弾性強化ＢＮＮＴ物質は、物質の粘弾性パラメータを増大させる、および／または方向づけるための、１つまたは複数の高密度化を含んでもよいことを認識されたい。

粘弾性物質の重要な特性は、それらの貯蔵弾性率、すなわち剛性である。粘弾性強化ＢＮＮＴ物質の合成パラメータの選択、およびＢＮＮＴマットを作成する集合工程を目的に合わせて、最終マットの貯蔵弾性率を調節してもよい。たとえば、ＢＮＮＴ物質を圧縮してマットにする際に高圧を使用する場合、貯蔵弾性率はより高くなる。選択した幾何形状にＢＮＮＴ物質を整列させる、および／または織る場合、貯蔵弾性率は、幾何形状に応じて高まる、または低下する場合がある。

粘弾性強化ＢＮＮＴ物質を形成するＢＮＮＴ分子鎖は、糸に、およびさらにまたロープおよび織物にされてもよい多数の糸を組み入れてもよい織り糸にされてもよい。これらの異なる形態を用いてＢＮＮＴ分子鎖の整列が強化される場合があり、それにより、最終的なＢＮＮＴマットの機械的弾力性が強化され、振動減衰のための粘弾性の性質が強化される。

本開示は、粘弾性強化ＢＮＮＴ物質を含む振動ダンパに関する。粘弾性強化ＢＮＮＴ物質は、（１）ホウ素粒子、ａ－ＢＮ粒子、ｈ－ＢＮナノケージ、およびｈ－ＢＮナノシートのうち少なくとも１つの量を低減するように精製された、合成されたときのＢＮＮＴ物質、（２）同位体強化ＢＮＮＴ物質、および／または（３）ＢＮＮＴ圧縮物質を含んでもよい。いくつかの実施形態では、同位体強化ＢＮＮＴ物質は、濃度を高めた¹⁰Ｂおよび／または¹¹Ｂを含んでもよい。いくつかの実施形態では、圧縮されたＢＮＮＴ物質は、合成されたときのＢＮＮＴ物質の密度よりも約１～３倍大きな圧縮密度を有する。いくつかの実施形態では、粘弾性強化ＢＮＮＴ物質は、ＢＮＮＴ糸、ＢＮＮＴ織り糸、ＢＮＮＴマット、およびＢＮＮＴ織物のうち少なくとも１つを含む。粘弾性強化ＢＮＮＴ物質は、複数のＢＮＮＴマットおよび／または複数の積層ＢＮＮＴマットを含んでもよい。いくつかの実施形態では、複数の積層ＢＮＮＴマットを圧縮してもよい。

本開示はまた、ＢＮＮＴ物質を有する振動ダンパを形成する方法に関する。方法は、ＢＮＮＴ物質を精製するステップ、ＢＮＮＴ物質内でＢＮＮＴを整列させるステップ、ＢＮＮＴ物質を同位体的に強化するステップ、ＢＮＮＴ物質の密度を高めるステップ、および振動方向に対してＢＮＮＴ鎖の整列を高めるステップのうち少なくとも１つによって、ＢＮＮＴ物質を粘弾性的に強化するステップを含んでもよい。いくつかの実施形態では、ＢＮＮＴ物質を精製する方法は、ＢＮＮＴ物質からホウ素粒子、ａ－ＢＮ粒子、ｈ－ＢＮナノケージ、およびｈ－ＢＮナノシートのうち少なくとも１つを少なくとも部分的に取り除くステップを含む。いくつかの実施形態では、ＢＮＮＴ物質内でＢＮＮＴを整列させる方法は、ＢＮＮＴ織り糸およびＢＮＮＴ糸のうち少なくとも一方を形成するステップを含む。いくつかの実施形態では、ＢＮＮＴ物質を同位体的に強化するステップは、¹⁰Ｂおよび／または¹¹Ｂの存在を高めるステップを備える。いくつかの実施形態では、ＢＮＮＴ物質の密度を高めるステップは、（１）ＢＮＮＴ物質を圧縮するステップ、および（２）分散剤の中にＢＮＮＴ物質を分散させ、分散させられたＢＮＮＴ物質をフィルタ膜の上で分離し、所望の幾何形状に置かれたＢＮＮＴから分散剤を蒸発させるステップのうち一方を含む。いくつかの実施形態では、分散剤は、メタノール、エタノール、またはイソプロピルアルコールなどのアルコールである。いくつかの実施形態では、ＢＮＮＴ糸および／またはＢＮＮＴ織り糸は、ロープおよび織物のうち少なくとも一方になる。ＢＮＮＴ物質を有する振動ダンパを形成する方法は、ＢＮＮＴ糸および／またはＢＮＮＴ織り糸を圧縮するステップをさらに含んでもよい。方法は、複数のＢＮＮＴマットを形成するステップ、および複数のＢＮＮＴマットを積層するステップを含んでもよい。方法はまた、心棒の周りにＢＮＮＴ織り糸を巻きつけて、円筒状のＢＮＮＴマットを形成するステップを含んでもよい。方法はまた、ＢＮＮＴ糸またはＢＮＮＴ織り糸を織ってＢＮＮＴ織物にするステップを含んでもよい。

本開示はまた、粘弾性強化ＢＮＮＴ物質を含有する筐体を含む振動減衰システムに関する。振動減衰システムのいくつかの実施形態では、ＢＮＮＴ物質は、精製されたＢＮＮＴ物質、同位体強化ＢＮＮＴ物質、圧縮されたＢＮＮＴ物質、ＢＮＮＴマット、ＢＮＮＴ織り糸、およびＢＮＮＴ糸のうち少なくとも１つを含む。

ＢＮＮＴマットの伝達関数を示す。 不純物をいくらか含むＢＮＮＴ分子鎖から構成されるマットを例示する。 より大きなＢＮＮＴマットを作成するために積層された多数のＢＮＮＴマットを例示する。 整列したＢＮＮＴ分子鎖を用いてＢＮＮＴ円筒状マットを作成するために心棒上に巻かれたＢＮＮＴ糸またはＢＮＮＴ織り糸を例示する。 整列したＢＮＮＴ分子鎖を用いてＢＮＮＴ円筒状マットを作成するために心棒上に巻きつけられたＢＮＮＴ織物を例示する。 ベローズ内部のＢＮＮＴ円筒状マットの一実施形態を示す。 駆動するベローズを伴うＢＮＮＴ円筒状マットの一実施形態を示す。

ＢＮＮＴは、例外的な粘弾性挙動を有する。この挙動は、ＢＮＮＴ分子が互いに擦れることから生じる。ＢＮＮＴ内のホウ素－窒素極性結合の特性は、部分的にイオン性であり、ＢＮＮＴ分子内の（およびＢＮＮＴ分子間の）振動エネルギーを熱として散逸させるフォノンを生成するナノスケールの摩擦を作り出すと考えられている。カーボンナノチューブ（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ、ＣＮＴ）は、その炭素間の結合が無極性であり、非イオン性であり、１つのＣＮＴの炭素原子が別のＣＮＴの炭素原子に対して容易にスライドするので、この挙動を示さない。

ＢＮＮＴ、および詳細には本明細書で開示するような配置などのさまざまな配置のＢＮＮＴ物質は、強化された粘弾性性能を提供する。いくつかの実施形態では、配置は、精製されたＢＮＮＴ物質、整列したＢＮＮＴ物質、同位体強化ＢＮＮＴ物質、および密度制御されたＢＮＮＴ物質のうち１つまたは複数を備える粘弾性強化ＢＮＮＴ物質を含む。ホウ素粒子、ａ－ＢＮ粒子、ｈ－ＢＮナノケージ、およびｈ－ＢＮナノシートの量を低減することにより、存在するＢＮＮＴ表面積の広さが増大し、それにより、粘弾性挙動を発生させるナノチューブ間摩擦を生み出す。したがって、いくつかの実施形態では、ホウ素粒子、ａ－ＢＮ粒子、ｈ－ＢＮナノケージ、およびｈ－ＢＮナノシートのうち１つまたは複数を最小して、またはＢＮＮＴ物質から取り除いて、ＢＮＮＴ物質の粘弾性挙動を強化してもよい。また、ＢＮＮＴ物質内部でＢＮＮＴ分子鎖を互いに整列させることにより、強化された摩擦面が生成される。したがって、ＢＮＮＴ物質内部でＢＮＮＴの相対的整列を高めることにより、ＢＮＮＴ物質の粘弾性挙動は強化される。

さまざまな技法によりＢＮＮＴを製造してもよい。たとえば、高温法または高温高圧法により作り出されたＢＮＮＴは、典型的には高品質なＢＮＮＴである、すなわち、壁の数は、１～１０の範囲であり（大部分は、壁が２つ、および３つである）、長さと直径の比は、典型的には１０，０００対１以上であり、ＢＮＮＴは、無触媒であり、結晶性が非常に高く、欠陥がほとんどない（直径の１００倍の長さあたり１個未満）。しかしながら、ホウ素の小さな粒子、非晶質窒化ホウ素（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ、ａ－ＢＮ）、六方晶窒化ホウ素（ｈｅｘａｇｏｎａｌ ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ、ｈ－ＢＮ）ナノケージ、およびｈ－ＢＮナノシートが存在する場合がある。これらの小さな粒子は、典型的にはスケールが数１０ナノメートル（ｎｍ）であるが、製造工程に応じてより小さい、またはより大きい場合がある。合成条件に応じて、これらの小さな粒子は、合成されたときのＢＮＮＴ物質の質量の５％～９５％の割合を占める場合がある。

ＢＮＮＴ物質は、価値のある性質をいくつか有する。高温法で合成されたときのＢＮＮＴ物質の密度は、典型的には約０．５ｇ／Ｌ（グラム／リットル）～約４．０ｇ／Ｌであるが、詳細には合成工程に応じて±５０％ほども変わる可能性がある。ＢＮＮＴ物質の密度を増大させて、ＢＮＮＴ物質の粘弾性の性質を強化してもよい。たとえば、当技術分野で公知の技法を使用してＢＮＮＴ物質を圧縮して、合成したときのＢＮＮＴ物質の密度に対して約１～３倍だけ、いくつかの実施形態ではこの値を超えて密度を増大させてもよい。たとえば、ＢＮＮＴ物質は、合成後、約０．５ｇ／Ｌ～約４．０ｇ／Ｌの密度を有してもよく、密度が１，０００ｇ／Ｌの大きさになるまで、いくつかの実施形態ではそれより大きくなるまでＢＮＮＴ物質を圧縮して、粘弾性強化ＢＮＮＴ物質を形成してもよい。さまざまな圧縮技法を使用してもよいことを当業者は認識されたい。例は、平坦領域圧縮（ｆｌａｔ ａｒｅａ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）を含むが、それに限定されず、平坦領域圧縮は、ＢＮＮＴ物質を織り糸に形成し、次いで、織り糸を撚って、織り糸の方向に、いくつかの実施形態では、織り糸の周りにらせん状に、圧縮と整列圧縮の両方を提供し、一方の方向の圧縮が第２の方向の圧縮と異なる可能性のある織物または他の幾何形状に織り糸を織る。圧縮後、ＢＮＮＴ物質は、典型的にはその圧縮された形状および密度に近いままである。

ホウ素粒子、ａ－ＢＮ粒子、ｈ－ＢＮナノケージ、およびｈ－ＢＮナノシートの大部分が取り除かれた、精製されたＢＮＮＴ物質は、合成されたときの物質に類似する密度を有するが、最大密度は、典型的には、合成されたときの物質の密度よりも低い。合成されたときの高品質ＢＮＮＴ物質の表面積は、合成パラメータを選ぶことに応じて、典型的には１００ｍ²／ｇ～２００ｍ²／ｇ以上の範囲にある。粘弾性強化ＢＮＮＴ物質は、精製されたＢＮＮＴ物質、すなわち、ホウ素粒子、ａ－ＢＮ粒子、ｈ－ＢＮナノケージ、および／またはｈ－ＢＮナノシートの少なくとも一部分を取り除く、または低減するように処理されたＢＮＮＴ物質であってもよい。

剛性（貯蔵弾性率）は、粘弾性物質の重要な特性である。減衰ばねの役割を果たすとき、減衰も粘弾性物質の剛性も、異なる用途にとって重要である。振動ダンパとして使用するのに適した配置にＢＮＮＴ物質を形成してもよい。ＢＮＮＴマットは一例である。図１は、ほぼ２００ｍｇで直径約１．０ｃｍの円筒状の精製されたＢＮＮＴマットの伝達関数１１を示す。図１のＢＮＮＴマットは、その軸に沿って約１０ＭＰａの圧力を印加することにより集合させられ、結果として約３ｍｍの円筒高さを得られ、ＢＮＮＴマットの軸に沿って強制振動を受け、一方では、室温で重力を受ける１．０９ｋｇの質量を支持する。全体が参照により組み入れられる、２０１７年１１月２９日に提出された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１７／０６３７２９号に記述される工程などの工程によって、ＢＮＮＴ物質を精製してもよい。ＢＮＮＴ物質はまた、全体が参照により組み入れられる、２０１５年４月２４日に提出された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０２７５７０号に記述されるような、所望の幾何形状に形作られてもよい。伝達関数１１の値は、周波数１２と共に変わる。実験データ１３は、単振動の計算結果１４と比較されている。計算結果１４をピーク１５の高さ、幅、および位置に適合させることにより、従来はタンデルタ（Ｔａｎδ）と呼ばれる損失正接、および円筒状ＢＮＮＴマットの貯蔵弾性率を抽出することができるようになる。図１に示す例については、タンデルタは０．２５であり、貯蔵弾性率は４，０００ＭＰａである。タンデルタの値が大きくなれば、それだけ物質の粘弾性が高くなる。

いくつかの実施形態では、ＢＮＮＴ物質をさまざまな形態で合成してもよい。米国特許第９，７７６，８６５号明細書、米国特許第９，７４５，１９２号明細書、２０１５年４月２４日に提出された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０２７５７０号、および２０１６年３月２１日に提出された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１６／０２３４３２号は、全体を参照により組み入れられる。本明細書に記述するような高品質ＢＮＮＴ物質は、少なくとも、振動に伴って摩擦を生み出す極性結合および部分的イオン結合の表面積がより広いために、損失正接に関して、および貯蔵弾性率の制御に関して、より高い性能値を提供する。図２は、ＢＮＮＴマット２０を形成するために圧縮されて層になった、ＢＮＮＴ鎖２１、ならびにホウ素の粒子、ａ－ＢＮ、ｈ－ＢＮナノケージ２２、およびｈ－ＢＮナノシート２３を示す。ＢＮＮＴ物質を単に圧縮することにより、圧縮方向に垂直な何らかの整列が生み出される。精製することによりホウ素粒子、ａ－ＢＮ、ｈ－ＢＮナノケージ２２、およびｈ－ＢＮナノシート２３の量を最小にすることにより、損失正接が改善され、いくつかの実例では、損失正接が２倍を超える場合がある。いくらかのｈ－ＢＮナノシート２３は、ＢＮＮＴに接合し、有利には、圧縮されたＢＮＮＴ物質の開放構造を維持するのに役立つ場合がある。したがって、ＢＮＮＴ物質を合成し、精製して、所与の実施形態の特定の必要を満たしてもよい。一例として、ＢＮＮＴの壁の数（一般に、少ないほどよい）、ナノチューブバルク径（一般に小さいほどよい）、およびナノチューブ結晶化度を含む、透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ、ＴＥＭ）を用いて観察されるような変数がある。２０１７年３月２３日に提出された米国仮特許出願第６２／４７５，６０２号明細書は、その全体が参照により組み入れられる。壁の数、バルク径、および結晶化度に関してＴＥＭ画像を視覚的に分析することによって、これらの変数を推定してもよいことを認識されたい。当然のことながら、決定される値に関して何らかの変動があってもよいこともまた認識されたい。これらの値は、近似であってもよく、本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲に明確に言及されていない場合、どんな特定の近似または値にも限定されないことが意図される。別の一例として、合成工程、ならびに／または精製の程度およびタイプを選択して、不純物の量を制御する、たとえば、ホウ素の粒子およびａ－ＢＮの量を最小にして、ｈ－ＢＮナノケージの平均サイズおよび量（一般に、小さく、かつ少ない方がよい）を制御して、ｈ－ＢＮナノシートの平均サイズ、量、および分布を制御してもよい。たとえば、２０１７年１１月２９日に提出され、全体が参照により組み入れられる国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１７／０６３７２９号明細書に記述されるようなＢＮＮＴ精製工程を使用して、物質の１質量パーセント以下までホウ素粒子の量を低減してもよい。いくつかの実施形態では、高品質ＢＮＮＴは、すなわち、壁の数が１～１０（大部分は、壁が２つ、および３つである）の範囲にあり、長さと直径の比が典型的には１０，０００対１以上であり、ＢＮＮＴが、無触媒であり、結晶性が高く、欠陥が非常に少ない（直径の１００倍の長さあたり１つ未満の欠陥）高品質ＢＮＮＴは、ＢＮＮＴ物質として好ましい。

いくつかの実施形態では、粘弾性強化ＢＮＮＴ物質のマットを所望の幾何形状（たとえば、サイズおよび形状）に形成してもよい。ＢＮＮＴ物質を所望の幾何形状に合成し、および／または合成後に処理して、所望の幾何形状に到達してもよい。方法は、合成されたときのＢＮＮＴ物質の圧縮と、メタノール、エタノール、またはイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）などのアルコールなどの液体中にＢＮＮＴ物質を分散させ、次いで、２０１７年１１月２９日に提出された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１７／０６３７２９号に記述されるフィルタ膜などのフィルタ膜の上で、分散させられたＢＮＮＴ物質を分離することにより作成されたバッキーペーパからの形成と、ある形態で置かれたＢＮＮＴからアルコール（たとえば、ＩＰＡ）などの分散剤を蒸発させるステップと、上記で論じたＢＮＮＴ織り糸およびＢＮＮＴ織物を形成するいくつかの実施形態とを含むが、それらに限定されない。いくつかの実施形態は、２０１７年１１月２９日に提出された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１７／０６３７２９号に記述されるようなＢＮＮＴマットを採用する。図３に示すように、多数のＢＮＮＴマット３１を積層して、より厚いＢＮＮＴマット３２を生み出してもよい。

最終的なＢＮＮＴマットの貯蔵弾性率を制御することは、いくつかの実施形態で重要な場合がある。最終的なＢＮＮＴマットの長さ（または高さ）および横断面積は、マットのばね定数を決定する。質量が付着したばね定数は、単純な調和振動子として挙動するシステムに関する集合体の固有振動周波数を決定する。いくつかの実施形態では、ＢＮＮＴマットを作成する集合工程を目的に合わせて、最終的なマットの貯蔵弾性率を調節してもよい。たとえば、ＢＮＮＴ物質を圧縮してマットにする際、高圧、たとえば約１０ＭＰａを超える圧力を使用する場合、貯蔵弾性率はより高くなる。貯蔵弾性率を変えることは、大部分の実施形態に関する損失正接に、限られた効果しか与えず、たとえば、いくつかの実施形態では、効果は５０％未満であった。高圧を使用する場合とは別に、粘弾性強化ＢＮＮＴ物質を整列させる、および／または織って所望の幾何形状にする場合、貯蔵弾性率は、所望の幾何形状に応じて高くなる、または低くなる場合がある。ＢＮＮＴ織り糸に関して上記で論じたようにＢＮＮＴ分子鎖の整列を達成してもよく、いくつかの実施形態では、整列は、異なる方向で異なる貯蔵弾性率を提供する。たとえば、平均して、ＢＮＮＴ鎖を振動方向に垂直に、または振動方向と角度をなして整列させる場合、貯蔵弾性率は影響を受ける。高品質ＢＮＮＴ物質を作成するために利用される製造工程はまた、全体が参照により組み入れられる国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０２７５７０号に記述されるような、いくらか整列したＢＮＮＴからＢＮＮＴ鎖、ＢＮＮＴ繊維、およびＢＮＮＴ織り糸を作り出す場合がある。そのような整列は、合成工程のＢＮＮＴ自己集合および自己集合後の領域内の流れの場から生じる。製造工程、製造工程後の精製、化学的処理および／もしくは分散工程、圧縮行程、国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０２７５７０号明細書で論じられたような織り糸もしくは織物を作成する紡績および／もしくは織り工程、またはそれらの組合せから整列を得ようが、整列を利用して、損失正接を最適化するだけではなく、所望の貯蔵弾性率を生み出す場合がある。これらのパラメータを変えて、所与の実施形態にとって望ましい性質を達成してもよいことを当業者は認識されたい。

図４は、円筒状ＢＮＮＴマット４３の形をとる粘弾性強化ＢＮＮＴ物質を作成するための一実施形態を示す。本取り組み方法を使用して、異なる幾何形状を形成してもよいことを認識されたい。糸または織り糸４１の形をとるＢＮＮＴ物質を心軸４２の周りに巻く。整列したＢＮＮＴ物質を用いて、粘弾性強化ＢＮＮＴの糸または織り糸を作成してもよい。ＢＮＮＴ物質を形成するＢＮＮＴ分子鎖を糸にしてもよく、多数の糸を巻いて織り糸にしてもよいが、いくつかの実施形態では、ＢＮＮＴ物質から織り糸を直接作成し、次に、織り糸をロープ、織物などにしてもよい。最終的なＢＮＮＴマットの機械的弾力性を強化すること、および、振動減衰のために粘弾性の性質を強化することを含む、異なる目的のために、これらの異なる形態のＢＮＮＴ物質を用いて、ＢＮＮＴ分子鎖の整列を強化してもよい。図５は、円筒状のＢＮＮＴマット５３を形成するために心棒５２の周りに巻きつけられた粘弾性強化ＢＮＮＴ織物５１を示す。ＢＮＮＴ織り糸の方向および量により、所与の方向でＢＮＮＴ分子鎖の整列を目的に合わせることができる。選択された整列は、織物内部の整列の方向特性を決定し、さらにまた、得られる物質の貯蔵弾性率を直接制御する。ＢＮＮＴ糸は、整列した物質からＢＮＮＴが作られる場合、長くてもよい、すなわち長さが数メートルであってもよい。さらに、糸の物質を上記で論じた密度まで密集させる場合、糸は堅くてもよい、すなわち、１０ｃｍの長さに対して１ｃｍ未満垂れ下がってもよい。上記で論じたように、堅い糸を、心棒および織物の周りのコイルなどの、巻かれ、織られた構造物に形成してもよい。この工程は、金属をばねおよび織物に形成するのに似ている。たとえば、鋼鉄製ばねの貯蔵弾性率の大きさは、鋼鉄自体の貯蔵弾性率よりも小さくすることができる。これは、整列したＢＮＮＴ物質を含むＢＮＮＴ物質の貯蔵弾性率が、貯蔵弾性率を変えるように配列されてもよい多数の方法の追加の一例である。これらの３つの実施形態は、例として役立つことだけが意図され、最終的なＢＮＮＴマットを形成する１つまたは複数のＢＮＮＴ物質を作り上げる糸および織り糸に、ＢＮＮＴ鎖の整列をどのように組み入れてもよいかを例証する。これらの整列の制御、ならびに集合工程で利用される幾何形状および圧力の制御を利用して、所与の振動減衰を実現するために、物質の損失正接および貯蔵弾性率を最適化してもよい。

ＢＮＮＴ分子に沿ったフォノンの輸送は、同位体強化ＢＮＮＴを利用することにより、さらに強化される場合がある。それとは別に、¹⁰Ｂと¹¹Ｂの両方を強化することにより、最終的なＢＮＮＴマットの損失正接を増大させることによる利益が提供される。¹⁰Ｂおよび／または¹¹Ｂを含有するＢＮＮＴ合成のために、ホウ素供給原料を選択してもよい。たとえば、同位体的に強化されたホウ素は、¹⁰Ｂに関しては９６％で、¹¹Ｂに関しては９８％で市販されており、合成工程がホウ素の同位体内容物の影響を受けないので、上記で論じ、本明細書に参照により組み入れられる工程によりＢＮＮＴを合成するために使用することができる。

また、最終的なＢＮＮＴマットの中に非ＢＮＮＴ物質を混合することにより、フォノンの輸送、および最終的なＢＮＮＴマットの貯蔵弾性率を修正してもよい。たとえば、ナノスケールおよびマイクロスケールで、たとえば図２に示すＢＮＮＴ鎖２１などのＢＮＮＴ物質の中にナノ充填剤および／またはマイクロ充填剤を導入してもよく、マクロスケールで、図３に示すマット３１の間に他の物質の層を置いてもよい。ゴム、非晶質重合体、半結晶重合体、生体高分子、非常に高温の金属、およびビチューメン物質などの、当技術分野で公知の１つまたは複数の一般に使用される粘弾性物質を充填剤として使用してもよいことを認識されたい。いくつかの実施形態では、当技術分野で公知の、一般に使用される１つまたは複数の粘弾性物質からなる１つまたは複数のマットは、１つまたは複数のＢＮＮＴマットに隣接してもよい。そのような物質の挙動は、限定された温度範囲にわたり安定しているが、当業者は、所与の実施形態のために適切な配置を決定することができる。図２および図３に示す例では、集合の損失正接は、低減される可能性が高いが、貯蔵弾性率は、所与の実施形態の必要に応じて高く、または低く変更されてもよい。当業者が認識するように、物質を組み合わせて振動減衰システムを生み出す際、非常に融通性がある。

ＢＮＮＴマットの粘弾性挙動を、低温の７７Ｋ（液体窒素）および高温の４００Ｋで観察した。さらに、ＢＮＮＴに関して、絶対零度近くから、１，９００Ｋの領域になると推定される最大温度まで、ＢＮＮＴ粘弾性挙動が存在すると期待される。７７Ｋ～４００Ｋの測定領域を超えると、物質の損失正接は、温度による影響が最小になる。実験結果は、ＢＮＮＴ粘弾性振動減衰が、超伝導高周波（ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ、ＳＲＦ）での、たとえば典型的には２Ｋまたは４Ｋ、液化天然ガス（ｌｉｑｕｉｄ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ、ＬＮＧ）温度、および高温タービンエンジンで体験する温度での用途で効果的である。

いくつかの実施形態では、ＳＲＦ、ＬＮＧ、および気体タービンの環境などで、ＢＮＮＴ物質をその環境と分離してもよい構造物で、粘弾性強化ＢＮＮＴ物質を包んでもよい。たとえば、ＢＮＮＴ物質は、ＢＮＮＴマットの形をとってもよく、振動減衰を必要とする用途は、溶剤の流れを伴ってもよい。図６は、心棒円柱６２の周りに形成され、心棒板６３により支えられた円筒状ＢＮＮＴマット６１の一実施形態を示す。ベローズ６４は、ＢＮＮＴマット６１の周りに置かれ、心棒板６３および上板６５に接続される。ベローズ６４は、ステンレス鋼溶接ベローズであってもよいが、さらにまた、ＢＮＮＴマットとその環境を分離することができる任意の他の物質であってもよい。心棒円柱６２は、上板６５内の開口部６６内部で、束縛されずに振動してもよい。

いくつかの実施形態では、振動減衰用のＢＮＮＴマットを複雑な構造物の中に組み入れてもよい。たとえば、図７は、板７４を圧迫する気体の振動減衰のために筐体７２および７６の中に組み入れられた、図６のＢＮＮＴ円筒状マット７１を示す。板７４からの振動は、スライドするロッド７３および可撓性のあるベローズ７５を介してＢＮＮＴ円筒状マット７１に伝達される。そのような配列を、たとえば、ＳＲＦおよびＬＮＧ冷却設備内の気体振動を制御する際など、さまざまな用途で利用してもよい。図で論じたＢＮＮＴマットは、例示的でしかない。本取り組み手法により、広範囲の配置が可能になることを認識されたい。合成および精製の工程で、ＢＮＮＴ物質の質を最適化し、合成および処理のステップで物質を整列させ、製造ステップで集合工程を制御することにより、所与の実施形態のために損失正接および貯蔵弾性率の性能を最適化してもよい。

本取り組み手法の実施形態は、最初のＢＮＮＴ合成工程に著しく依存する場合があることを当業者は認識されたい。特定の合成工程から生じるＢＮＮＴ物質は、直径および長さの平均値から不純物内容物までに及ぶ、さまざまなパラメータを有する。そのようなパラメータは、異なる合成工程で著しく変わる場合がある。それらのパラメータは、さらにまた、振動減衰実施形態のためにＢＮＮＴ物質を準備するのに適していてもよい（たとえば、精製段階、圧縮、および成形などのような）合成後の処理に影響を及ぼす可能性が高い。本明細書に記述する例は、例証的なものとして提供され、本取り組み方法の範囲を限定していると理解すべきではない。

本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を記述するためだけのものであり、本取り組み方法を限定するものではない。本明細書で使用するとき、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかにそうではないと示さない限り、複数形も含むことが意図される。備える「（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書で使用するとき、言及された特徴、完全体、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を明示するが、１つまたは複数の他の特徴、完全体、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはこれらのグループの存在または追加を除外しないことがさらに理解されよう。

本取り組み方法の趣旨または本質的特性を逸脱することなく、他の特有の形態で本取り組み方法を具体化してもよい。したがって、本開示の実施形態は、すべての点で例示的であり、制限的ではないと考えられるべきであり、本取り組み方法の範囲は、前述の記述によるのではなく、本出願の特許請求の範囲により示され、したがって、特許請求の範囲の均等物の意味および範囲に入るすべての変更は、特許請求の範囲の中に包含されるものとする。数多くの可能性を利用することができること、および本取り組み方法の範囲は、本明細書に記述する実施形態により限定されないことを当業者は理解されたい。

Claims (25)

1. 複数のＢＮＮＴ分子が互いに擦れることでもたらされる粘弾性の挙動を有する粘弾性強化ＢＮＮＴ物質を備える振動ダンパであって、前記粘弾性強化ＢＮＮＴ物質は、（ａ）ホウ素粒子、ａ－ＢＮ粒子、ｈ－ＢＮナノケージ、およびｈ－ＢＮナノシートのうち少なくとも１つの量が低減されたＢＮＮＴ物質、（ｂ）同位体強化ＢＮＮＴ物質、ならびに（ｃ）前記複数のＢＮＮＴ分子が所望の幾何形状に配置されたＢＮＮＴ物質のうち少なくとも１つを備え、これにより、前記粘弾性が強化されるように構成される振動ダンパ。
2. 前記粘弾性強化ＢＮＮＴ物質は、ホウ素粒子、ａ－ＢＮ粒子、ｈ－ＢＮナノケージ、およびｈ－ＢＮナノシートのうち少なくとも１つの量が低減されたＢＮＮＴ物質を備える、請求項１に記載の振動ダンパ。
3. 前記粘弾性強化ＢＮＮＴ物質は、前記同位体強化ＢＮＮＴ物質を備える、請求項１に記載の振動ダンパ。
4. 前記同位体強化ＢＮＮＴ物質は、濃度を高めた^１０Ｂおよび^１１Ｂの少なくとも一方を備える、請求項３に記載の振動ダンパ。
5. 前記粘弾性強化ＢＮＮＴ物質は、圧縮されたＢＮＮＴ物質を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の振動ダンパ。
6. 前記圧縮されたＢＮＮＴ物質は、合成されたときのＢＮＮＴ物質の密度よりも１～３桁大きい圧縮密度を有する、請求項５に記載の振動ダンパ。
7. 前記粘弾性強化ＢＮＮＴ物質は、ＢＮＮＴ糸、ＢＮＮＴ織り糸、ＢＮＮＴマット、およびＢＮＮＴ織物のうち少なくとも１つを備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の振動ダンパ。
8. 前記粘弾性強化ＢＮＮＴ物質は、ＢＮＮＴ糸、ＢＮＮＴ織り糸、ＢＮＮＴマット、およびＢＮＮＴ織物のうち少なくとも１つを複数備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の振動ダンパ。
9. 前記粘弾性強化ＢＮＮＴ物質は、複数の積層ＢＮＮＴマットを備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の振動ダンパ。
10. ＢＮＮＴ糸、ＢＮＮＴ織り糸、ＢＮＮＴマット、およびＢＮＮＴ織物のうち少なくとも１つの前記複数は圧縮される、請求項８に記載の振動ダンパ。
11. 複数のＢＮＮＴ分子が互いに擦れることでもたらされる粘弾性の挙動を有するＢＮＮＴ物質を備える振動ダンパを形成する方法であって、
    ａ）前記ＢＮＮＴ物質を精製するステップ、
    ｂ）前記ＢＮＮＴ物質を同位体的に強化するステップ、および
    ｃ）分散剤の中に前記ＢＮＮＴ物質を分散させ、前記分散させられたＢＮＮＴ物質をフィルタ膜の上で分離し、所望の幾何形状に置かれた前記ＢＮＮＴから分散剤を蒸発させるステップ
    のうち少なくとも１つによって前記ＢＮＮＴ物質を粘弾性的に強化するステップを備える方法。
12. 前記ＢＮＮＴ物質を粘弾性的に強化する前記ステップは、前記ＢＮＮＴ物質を精製するステップを含み、前記ＢＮＮＴ物質を精製する前記ステップは、前記ＢＮＮＴ物質からホウ素粒子、ａ－ＢＮ粒子、ｈ－ＢＮナノケージ、およびｈ－ＢＮナノシートのうち少なくとも１つを少なくとも部分的に取り除くことからなる、請求項１１に記載の方法。
13. ＢＮＮＴバッキーペーパ、ＢＮＮＴ織り糸、およびＢＮＮＴ糸のうち少なくとも１つを形成するステップをさらに備える、請求項１１または１２に記載の方法。
14. 前記ＢＮＮＴ物質を粘弾性的に強化する前記ステップは、同位体的に強化され、前記ＢＮＮＴ物質を同位体的に強化する前記ステップは、^１０Ｂおよび^１１Ｂの存在を高めるステップを備える、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 振動方向に対してＢＮＮＴ鎖の整列を高めるステップ、および前記振動方向に垂直に前記ＢＮＮＴ鎖の前記整列を高めるステップのうち少なくとも一方をさらに備える、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記分散剤はアルコールである、請求項１５に記載の方法。
17. 前記ＢＮＮＴ糸および前記ＢＮＮＴ織り糸の少なくとも一方は、ロープおよび織物のうち少なくとも一方になる、請求項１３および請求項１３を引用する請求項１４から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記ＢＮＮＴ糸および前記ＢＮＮＴ織り糸の前記少なくとも一方を圧縮するステップをさらに備える、請求項１３および請求項１３を引用する請求項１４から１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 複数のＢＮＮＴマットを形成するステップ、および前記複数のＢＮＮＴマットを積層するステップをさらに備える、請求項１１から１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 心棒の周りに前記ＢＮＮＴ織り糸を巻きつけて、円筒状のＢＮＮＴマットを形成するステップをさらに備える、請求項１３および請求項１３を引用する請求項１４から１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 前記ＢＮＮＴ糸および前記ＢＮＮＴ織り糸の前記少なくとも一方を織ってＢＮＮＴ織物にするステップをさらに備える、請求項１３および請求項１３を引用する請求項１４から２０のいずれか一項に記載の方法。
22. 複数のＢＮＮＴ分子が互いに擦れることでもたらされる粘弾性の挙動を有する粘弾性強化ＢＮＮＴ物質を含有する筐体を備える振動減衰システムであって、前記粘弾性強化ＢＮＮＴ物質は、（ａ）ホウ素粒子、ａ－ＢＮ粒子、ｈ－ＢＮナノケージ、およびｈ－ＢＮナノシートのうち少なくとも１つの量が低減されたＢＮＮＴ物質、（ｂ）同位体強化ＢＮＮＴ物質、ならびに（ｃ）前記複数のＢＮＮＴ分子が所望の幾何形状に配置されたＢＮＮＴ物質のうち少なくとも１つを備え、これにより、前記粘弾性が強化されるように構成される振動減衰システム。
23. 前記粘弾性強化ＢＮＮＴ物質は、ＢＮＮＴバッキーペーパ、圧縮されたＢＮＮＴ物質、ＢＮＮＴマット、ＢＮＮＴ織り糸、およびＢＮＮＴ糸のうち少なくとも１つをさらに備える、請求項２２に記載の振動減衰システム。
24. 前記粘弾性強化ＢＮＮＴ物質は、７７Ｋ～４００Ｋまで粘弾性挙動を示す、請求項１から１０のいずれか一項に記載の振動ダンパ。
25. 前記粘弾性強化ＢＮＮＴ物質は、少なくとも２Ｋ～１，９００Ｋまで粘弾性挙動を示す、請求項１から１０のいずれか一項に記載の振動ダンパ。

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