专利名称：组合介电材料,使用该材料的固体器官模型及其生产方法
技术领域：
本发明涉及一种组合介电材料，该材料可在微波频带用作模拟人体的固体器官模型。
对在人体附近使用的电磁波发生装置，如便携式无线电通讯设备进行研究和评价中，发现电磁波很可能受到人体的干扰，尽管这类干扰随电磁波的波长变化，还发现电磁波很容易被人体吸收。因此，有必要弄清楚电磁波与人体之间的相互关系。然而，关于电磁波对人体的影响，不可能进行定量测定，因此很难进行标准化，因为对人体的实际评价表明，某一人体的各种参数不同于另一个人。而且，因为不可能对一个人体连续进行长时期的测定，事实上是不允许直接观察和评价电磁波在人体内的行为。由于这一原因，人们一直使用器官模型，即模拟的器官模型，以推断和分析电磁波对人体的作用，来进行要求的观察和评价。
过去，作为用于形成上面讨论的器官模型的材料，一直使用包含氯化钠水溶液、聚乙烯粉末和胶凝剂的半流动材料。然而，随着时间的推移，半流动材料会在其表面干燥，湿组分会从材料内部分离，这些都是不合乎要求的。因此，霉菌将会繁殖，必须制备容器来保持半流动材料的形状，给这种材料的加工操作带来困难。
为解决上述问题，日本未审查专利公报4-109508已经公开了一种组合介电材料，通过将碳粉和高介电常数的陶瓷粉末分散在整个氟树脂中可形成这种材料(在先技术实施例1)，在日本未审查专利公报4-114631中公开了生产上述材料的方法。日本未审查专利公报8-239513公开的组合介电材料是通过将碳纤维分散在橡胶中形成的(在先技术实施例2)。使用这两种组合介电材料，已实现了模拟器官的固体化，从而解决了半流动材料存在的上述问题。
然而，对上述组合介电材料和固体器官模型，发现还存在下列问题首先说明上面的在先技术实施例1。该实施例1中，当使用热塑性氟树脂制备固体器官模型时，所需采用的方法为，通过注塑成型形成许多片形元件，将一个片形元件叠加在另一个片形元件上形成块状组合件，并适当地切割块状组合件，获得要求的模型形状。因此，这种固体器官模型的生产方式产率低，每个模型需要较长的生产周期，导致生产成本提高。
下面描述上面的在先技术实施例2。由于在先技术实施例2的固体器官模型是通过将百分之几重量的碳纤维分散在整个橡胶中，而且是在微波频带获得相当于真实器官的高的电性能，因此发现有下列问题(1)由于电性能受到碳纤维取向的影响，固体器官模型的电性能有不合乎要求的各向异性。
(2)由于分散到整个橡胶时碳纤维会断裂，很难对分散条件进行必要的控制。
(3)仅仅由于碳纤维的加入量存在1％(重量)的差别，就会使电性能有几倍于原来性能的变化，很难对组成进行要求的控制。
为解决上述问题，本发明的优选实施方案提供了一种组合介电材料，其电性能为均匀和稳定的，因此可以用这种材料在较短时间和较低生产成本，大量生产固体器官模型。
本发明一个较好的实施方案提供的组合介电材料包含40-90％(体积)的热固性树脂；10-60％(体积)导电粉末，所述树脂和粉末的总量为100％(体积)。
根据上述组成，所述的组合介电材料可以获得和人体在微波频带的介电常数相同的大介电常数，由于这样的组合介电材料在室温下为固体，使用时很容易操作，因此能确保获得均匀和稳定的电性能。而且，由于该热固性树脂与一种基体树脂混合，可以进行注塑成型，确保以较短的时间和提高的生产率，大量生产组合介电材料。
本发明第二个较好的实施方案提供的组合介电材料包含40-90％(体积)的热固性树脂；50％(体积)或更少，不包括0％(体积)的介电陶瓷粉末；和10-60％(体积)的导电粉末，所述树脂、介电陶瓷粉末和导电粉末的总量为100％(体积)。
即使不加入上述介电陶瓷粉末，仍可能获得和人体相同的介电性能。然而，通过在上述材料中加入介电陶瓷粉末，能容易地调节所述材料的电性能，获得的组合介电材料的介电性能可以方便地进行细致的调节。
本发明第三个较好的实施方案提供了固体器官模型，它是包含上述组合介电材料的成型体。
使用上面的固体器官模型，可以将该模型用作室温下的固体模拟人体，确保易于测定电磁波对真实人体的作用。
上述固体器官模型具有模仿人体至少部分轮廓的大致为人体构型的形状。
这样，通过模仿所测人体的至少部分轮廓，形成大致为人体构型的形状，可以获得比几何形状成型体更正确的模拟人体数据。
上述固体器官模型中，大致人体构型的形状可以包括活动的关节部分。
根据上述结构和排列，模型可以获得一定自由度，构成要求的姿势，并且这样的模型适用于各种条件，不必考虑电磁波发生器的形状，因此，可以在非常接近一个人使用通讯设备的实际情况下，获得要求的数据。
本发明的第四个较好的实施方案提供了制造固体器官模型的方法，该方法包括下列步骤混合和捏合介电陶瓷粉末、导电粉末和热固性树脂获得捏合的混合物；将该混合物注入成型模具，进行热固化处理形成预定形状的成型部件；将多个所述成型部件组装为预定结构。
根据上述方法，即使成型部件为复杂构型，也能在很短的时间内方便地进行成型。而且，通过分别形成固体器官模型的各个部件，这些模型部件实际上只是部分成型件，它们相互之间可以独立地活动。
参考附图，由下面本发明的描述可理解本发明的其它特征和优点。
图1是根据本发明的一个较好的实施方案的固体器官模型的正视图。
图2是根据上述的实施方案的固体器官模型的侧视图。
图3是本发明的第二个较好的实施方案的固体器官模型的正视图。
图4是测量天线发射特性的方法的示意图。
图5是测量SAR的方法的示意图。
本发明的组合介电材料可通过将介电陶瓷粉末和导电粉末混入热固性树脂中形成。这样的组合介电材料在微波频带具有和人体相同的介电常数。应注意到，所谓的在微波频带具有和人体相同的介电常数指的是在测量频率为1GHz条件下，相对介电常数(εγ′)为5-80，介电损耗(tanδ)为0.1-1.0。
对作为上述热固性树脂的所述树脂没有任何限制，只要该树脂可以热固化，例如环氧树脂、氨基甲酸酯树脂和硅树脂。而且，复合介电材料中热固性树脂的含量为40-90％(体积)，较好为40-60％(体积)。
对上述介电陶瓷粉末没有任何具体限制，只要上述粉末的介电常数在一定范围内。更具体而言，所述介电陶瓷粉末可以是钛酸钡、钛酸锶或氧化钛。介电陶瓷粉末的加入量为0-50％(体积)，较好为0-25％(体积)。
对上述导电粉末，可以使用碳粉(如石墨和炭黑)，镀金属的塑料粉末或金属粉末。这种类型的导电粉末的加入量为10-60％(体积)。事实上，对介电陶瓷粉末和导电粉末的粒度和形状都没有任何限制。
由组合介电材料可以形成本发明的固体器官模型。对形成所述固体器官模型的方法没有任何限制，只要这种方法能够获得要求形状的模型。但是，从所述模型成型的精确和难易程度考虑以及成型时间考虑，优选采用注塑成型法。就固体器官模型的形状而言，可以采用组合件，通过将包括头、手、手臂和身体躯干的成型部件组装在一起形成。还可以将成型部件结构成球体、椭球体、固体圆柱体、固体椭圆柱体形状。而且，将这些部件组合在一起时，可以直接将成型部件相互结合在一起处于组合位置。还可以通过必要的连接部件将成型部件组合在一起。另一方面，要求用与电磁波几乎没有作用的材料形成连接部件。例如，可以使用诸如聚碳酸酯树脂、尼龙和丙烯酸树脂的塑料材料。对上述一些与电磁波测定毫无关系的成型部件，这类成型部件不必由上述的组合介电材料制造。例如，相应于人体的手臂部分的成型部件，可以用塑料材料制造。
由下面的实施例更详细地描述本发明的组合介电材料和固体器官模型。
第一优选实施方案按照下面的方式制备本发明组合介电材料。
首先，制备直链脂族缩水甘油醚(它是环氧树脂)作为热固性树脂，以及脂环族胺作为硬化热固性树脂的硬化剂。环氧树脂与硬化剂以3∶1的比例混合，获得一种两液体混合的树脂。
然后，制备介电陶瓷粉末，该粉末为BaO-CaO-ZrO-MgO-TiO陶瓷，1kHz时的相对介电常数(εγ′)为1000，介电损耗(tanδ)为0.01，平均粒度为25μm。
之后，以碳粉作为导电粉末，其电阻率为1500μΩ·cm，平均粒度为25μm。
随后，根据表1所示的组成，混合两液体混合树脂、介电陶瓷粉末和导电粉末，获得一个混合物。然后，在真空条件下捏合所获的混合物，以除去可能存在于混合物中的空气泡，再在真空条件下注塑为外径7mm，内径3mm，长5mm的圆管形试验件，随后在100℃加热2小时硬化该混合物，获得要求的组合介电材料。
在1GHz频率条件下测定所获组合介电材料的相对介电常数(εγ′)和介电损耗(tanδ)，测定结果列于表1。表1中，标志“×”代表所获得的其介电性能与人体不一致的介电材料，或那些不能成型为预定形状的介电材料。标志“△”代表获得的其相对介电常数和介电损耗均在人体介电性能范围内的那些介电材料，即相对介电常数为5-80，介电损耗为0.1-1.0的材料。标志“○”代表获得的其相对介电常数为20-70，介电损耗为0.2-0.8的介电材料，可以保证这类材料能充分用于形成模拟人体。标志“○○”代表获得的由标志“○”表示的介电材料中介电性能非常接近人体介电性能，即与人体的水含量高的肌肉组织极相似的那些介电材料，其相对介电常数为40-60，介电损耗为0.3-0.6。然而，表1中，标志“*”代表获得的其有关参数超出本发明所述范围的那些材料。
表1
如表1中所示，本发明的组合介电材料能满足人体介电性能，在1GHz测定频率条件下，其相对介电常数(εγ′)为5-80，介电损耗(tanδ)为0.1-1.0。
下面，将解释本发明对热固性树脂含量、介电陶瓷粉末含量和导电粉末含量有所限制的原因。
热固性树脂含量设定为40％(体积)或更大的原因解释如下。正如表1所列的1号试验样品的情况，如果热固性树脂含量小于40％(体积)，组合介电材料不可能成型为预定形状。
导电粉末含量设定为10％(体积)或更大的原因解释如下。正如表1所列的14号试验样品的情况，如果导电粉末含量小于10％(体积)，介电损耗将小于0.1，这一数值是不合乎要求的。
对热固性树脂、介电陶瓷粉末和导电粉末中均设有上限的原因解释如下。如果上述组分中一个超过上限，则要么热固性树脂，要么导电粉末会小于其下限。因此，就不可能将上面的组合介电材料成型为预定的形状，且介电损耗(tanδ)下降。
第二优选实施方案第二优选实施方案中使用的材料是在第一优选实施方案中制得的试验材料，列为19号的组合介电材料。如图1和图2所示，组合介电材料在真空条件下注入预定形状的模具中，随后热固化处理，形成人体模型，包括头部、肩部、胸部、上臂部、下臂部、腕部和手部。冷却处理后，将模塑的人体模型，包括头部5a、肩部5b、胸部5c、臂部5d(包括上臂部5d1和下臂部5d2)、腕部5e和和手部5f从模具中取出。然后用塑料制成的连接部件7将这些成型部件组合在一起，使这些成型部件通过连接部件7可以活动。之后，将组合的模拟人体放置在固定台8上，固定台8也是用塑料制成，从而获得要求的固体器官模型1。
本实施例中制得的固体器官模型进行预先确定的测量，测定便携式无线电通讯设备产生的电磁波对人体的影响。
本实施方案中，尽管只用了一种组合介电材料形成固体器官模型1，但是也可以对应于人体不同部分使用不同相对介电常数和介电损耗的组合介电材料。另一方面，不要求本发明的固体器官模型的可活动部分必须按照和本实施例相同的方式制成。例如，上臂部分5d1和下臂部5d2也可以由一个整体制成，臂部5d和腕部5e可以制成整体。
第三优选实施方案第三优选实施方案中使用的材料是在第一优选实施方案中制得的试验材料，列为19号的组合介电材料。如图3所示，组合介电材料在真空条件下注入预定形状的模具中，随后热固化处理，形成人体模型，包括头部、肩部、胸部、手部。冷却处理后，从模具中取出成型的组合介电体，获得的成型部件可用于形成模拟人体，包括头部5a、肩部5b、胸部5c、臂部5f和手部5f。然后将这些成型部件组合在一起，形成固体器官模型1，将组合的模拟人体放置在固定台8上，固定台8也是用塑料制成。然而，手部5f可以通过两个塑料制成的臂部10安装在固定台8。由固定件10a固定这两个臂部10，使两个臂部10之间的角度可以自由调节。安装在臂部10前端的手部5f也可以这样自由调节，可以在相对较大空间进行这样的调节。
下面将详细描述使用本发明的固体器官模型测定电磁波的方法。
首先，在考虑人体对电磁波影响的条件下评价天线的发射特性情况(所述的影响是由人体的屏蔽作用，吸收作用和散射作用引起，而所述的电磁波是由在人体附近使用的便携式无线电通讯设备产生的)，可采用的测定方法示于图4。参考图4，使用电磁波暗室11，密封固体器官模型1和在模型1附近的便携式无线电通讯设备9，如像便携式无线电通讯设备正被人使用。这样，位于固体器官模型1附近的便携式无线电通讯设备发射电场强度可以用天线13接收，通过放大器17和使用波谱分析仪19，可以对天线发射特性进行要求的测定。
在测定SAR(比吸收率，是评价电磁波对人体影响的指数，而所述电磁波是由在人体附近使用的便携式无线电通讯设备产生的)时，可采用的测定方法示于图5。参考图5，便携式无线电通讯设备9位于固体器官模型附近，如像便携式无线电通讯设备正被人使用。然后，在固体器官模型1内形成一个内孔，在该孔内插入一个测量传感器15，使电磁波在固体器官模型1的内部被接收，从而通过放大器17和使用光谱分析仪19，可以进行要求的电场直接测定。
而且，当我们测定SAR(它是评价电磁波对人体影响的指数，而所述电磁波是由在人体附近使用的便携式无线电通讯设备产生的)时，还可以采用另一种方法，它要求使用具有预定强度的电磁波来照射固体器官模型，该模型已在其纵向几乎被分成两部分。紧接在照射之后，立刻将固体器官模型精确地分成两半，使用温度自记器，测定其横截面上升高的温度。
以上参考优选的实施方案具体描述了本发明，本领域的技术人员应该理解，在不偏离本发明的精神下，可以对本发明的形式和细节进行前述的和其它的变动。
权利要求
1.一种组合介电材料，它包括40-90％体积的热固性树脂；和10-60％体积的导电粉末，所述树脂和所述粉末的总量为100％体积。
2.一种组合介电材料，它包括40-90％体积的热固性树脂；50％体积或更少，但不包括0％体积的介电陶瓷粉末；和10-60％体积的导电粉末，所述树脂、所述介电陶瓷粉末和所述导电粉末的总量为100％体积。
3.一种固体器官模型，它包括包含权利要求1所述的组合介电材料的成型体。
4.一种固体器官模型，它包括包含权利要求2所述的组合介电材料的成型体
5.如权利要求3所述的固体器官模型，其特征在于，所述模型由权利要求1所述的组合介电材料制成，并具有模拟至少部分人体轮廓的大体如人体构型的形状。
6.如权利要求4所述的固体器官模型，其特征在于，所述模型由权利要求2所述的组合介电材料制成，并具有模拟至少部分人体轮廓的大体如人体构型的形状。
7.如权利要求5所述的固体器官模型，其特征在于，所述的大体如人体构型的形状包括可活动的连接部件。
8.如权利要求6所述的固体器官模型，其特征在于，所述的大体如人体构型的形状包括可活动的连接部件。
9.一种制造固体器官模型的方法，该方法包括下列步骤混合和捏合介电陶瓷粉末和导电粉末与热固性树脂，获得捏合的混合物；将捏合的混合物注塑到成型模具中，进行热处理，形成有预定形状的成型部件；和将多个所述的成型部件组合在一起形成预定的构型。
全文摘要
本发明提供了一种包括下列组分的组合介电材料:40—90%(体积)热固性树脂和10—60%(体积)的导电粉末,所述树脂和所述粉末总量为100%(体积)。还提供了一种下列组分的组合介电材料:40—90%(体积)热固性树脂、50%(体积)或更少,不包括0%(体积)的介电陶瓷粉末和10—60%(体积)的导电粉末,所述树脂、介电陶瓷粉末和导电粉末总量为100%(体积)。上述组合介电材料可用于在微波频带的固体器官模型。
文档编号C08K3/36GK1241598SQ9911032
公开日2000年1月19日 申请日期1999年7月9日 优先权日1999年7月9日
发明者长久保博, 越贺到, 伴野国三郎, 樋口之雄, 大塢敏也 申请人:株式会社村田制作所