Зв’язуючий елемент, зв’язуюча матриця і композитний матеріал, що має зв’язуючий елемент, та спосіб його виготовлення

Реферат: Запропоновані зв'язуючий елемент, зв'язуюча матриця та композиційний матеріал з широким інтервалом привабливих властивостей, які можуть оптимізуватися, включаючи, але не обмежуючись ними, механічні властивості, термічні властивості, магнітні властивості, оптичні властивості та ядерні властивості, як результат структури зв'язуючих елементів з першого шару і другого шару або з серцевини, першого шару і другого шару, а також способи виготовлення зв'язуючих елементів і відповідних керамічних та/або композиційних матеріалів. UA 113844 C2 (12) UA 113844 C2 UA 113844 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Ця заявка на патент заявляє пріоритет за заявкою на патент США № 61/449659, поданою 5 березня 2011, яка в повному об'ємі включена в цей документ шляхом посилання. Область техніки, до якої відноситься винахід Даний винахід в цілому стосується керамічних та/або композиційних матеріалів. Точніше, даний винахід стосується керамічних та/або композиційних матеріалів, що включають зв'язуючі елементи, які покращують механічні та інші властивості, пов'язані з керамічними та/або композиційними матеріалами, а також способів виготовлення зв'язуючих елементів, та відповідних керамічних та/або композиційних матеріалів. Рівень техніки Звичайні керамічні матеріали, такі як цемент, бетон та інші подібні матеріали можуть демонструвати слабкі властивості матеріалу. Ці слабкі властивості матеріалу можуть бути наслідком того, що зв'язки, наприклад, зв'язки гідратів, у матеріалі часто є слабкими. Зв'язками гідратів є зв'язки, які містять воду в її молекулярній формі. Гідратований портланд-цемент є прикладом матеріалу, який містить зв'язки гідратів, такі як CaO*2SiO 2*4H2O і CaO*H2O. Ця слабкість може викликати передчасні незадовільні властивості керамічного матеріалу, які очевидно, є небажаною характеристикою матеріалу. Таким чином, існує потреба поліпшити зв'язки і, в більш загальному сенсі, зв'язуючу матрицю, пов'язану з керамічними матеріалами, такими як цемент, бетон та інший подібний матеріал, щоб забезпечити керамічні матеріали з покращеними властивостями матеріалу. Всі посилання, процитовані в описі винаходу, включені посиланням у всій їх повноті. Розкриття винаходу Відповідно до типових варіантів здійснення даного винаходу зв'язуючі елементи пов'язують матриці, композиційні матеріали і способи виготовлення вказаних зв'язуючих елементів, призводять до широкого інтервалу привабливих властивостей, які можуть бути оптимізовані, включаючи, але не обмежуючись ними, механічні властивості, термічні властивості, магнітні властивості, оптичні властивості та ядерні властивості, в результаті структури серцевина /перший шар /другий шар зв'язуючих елементів. Додаткові ознаки і переваги винаходу будуть сформульовані в подальшому описі і частково будуть ясні з опису, або можуть бути вивчені практикою винаходу. Цілі та інші переваги винаходу будуть зрозумілі і досягнуті структурою, детально розкритою в описі та формулі винаходу, а також у прикладених кресленнях. Слід розуміти, що, як попередній загальний опис, так і подальший докладний опис є типовими і пояснювальними і призначені дати подальше пояснення винаходу, як заявлено. Короткий опис креслень Супутні креслення, які включені, щоб забезпечити подальше розуміння винаходу, і складають частину цього опису винаходу, пояснюють варіанти здійснення винаходу, і разом з описом служать, щоб пояснювати принципи винаходу. Фіг. 1(a)-1(c) є схематичними поперечними перетинами одиничних зв'язуючих елементів, відповідно до типових варіантів здійснення даного винаходу, ілюструючи три типові морфології серцевини: (a) волокнисту, (b) еліптичну та (c) рівноосну. Фіг. 2(a)-2(f) є виглядом збоку, і вигляд в поперечному перетині композиційних матеріалів за типовими варіантами здійснення даного винаходу, ілюструючи (a) 1D орієнтовані зв'язуючі елементи у формі волокна в розбавленій зв'язуючій матриці (зв'язуючі елементи не дотикаються), (b) 2D орієнтовані зв'язуючі елементи у формі пластинок в розбавленій зв'язуючій матриці (зв'язуючі елементи не дотикаються), (c) 3D орієнтовані елементи у формі пластинок в розбавленій зв'язуючій матриці (зв'язуючі елементи не дотикаються), і (d) безладно орієнтовані зв'язуючі елементи, у формі пластинок в розбавленій зв'язуючій матриці (зв'язуючі елементи не дотикаються), при цьому композиційні матеріали включають зв'язуючу матрицю і компоненти наповнювача, такі як полімери, метали, неорганічні частинки, агрегати і так далі, (e) концентрована зв'язуюча матриця (з об'ємною часткою, достатньою, щоб утворити сітку перколяції) зв'язуючих елементів, де матриця є 3D орієнтованою і (f) концентрована зв'язуюча матриця (з об'ємною часткою, достатньою, щоб утворити сітку перколяції) безладно орієнтованих зв'язуючих елементів, при цьому компоненти наповнювача, такі як полімери, метали, неорганічні частинки, агрегати і т. д., можуть бути включені. Структури, що включають суміш зв'язуючих елементів, які торкаються один одного та інших, які є диспергованими одиницями, що також маються на увазі, але не показані тут. Зв'язуючі елементи можуть включати будь-яку з основних багатошарових структур, показаних на Фіг. 1 або можуть мати будь-яку додаткову морфологію, але показані в спрощеній формі для цієї Фіг. Поперечні перетини представника морфології частинок серцевини показані для ясності. Фіг. 3 пояснює різні моделі зв'язності в системах двокомпонентних композиційних матеріалів 1 UA 113844 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 згідно типовим варіантам здійснення даного винаходу. Заштриховані області показують області зв'язуючої матриці, а незаштриховані області є компонентами наповнювача, такими як метали, агрегати, неорганічні частинки або полімери. (Фіг. 3 адаптована від: Р.Е. Ньюнхем, Д.П. Скіннер та Л.Е. Крос, "Зв'язність п'єзоелектрично-піроелектричних композиційних матеріалів" (R. E. Newnham, D. P. Scinner and L. E. Cross, Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites, Mat. Res. Bull., Vol. 13, pp. 525-536, 1978). Фіг. 4(a)-4(b) показують в (a) 3-0 композиційний матеріал згідно типовим варіантам здійснення даного винаходу, що містить зв’язуючу матрицю, та рівноосні частинки наповнювача, безладно розподілені в зв’язуючій матриці, і (b) 3-1 композиційний матеріал згідно типовим варіантам здійснення даного винаходу, що включає зв'язуючу матрицю, і орієнтовані компоненти наповнювача у формі волокна. Фіг. 5(a)-5(b) показують зображення скануючої електронної мікроскопії (SEM), отримані від (a) вторинних електронів (SE) і (b) електронів, розсіяних у зворотному напрямі (BSE), зв'язуючої матриці згідно типовому варіанту здійснення даного винаходу, складеної з волокон серцевини кристалічного Воластоніту, інкапсульованих аморфним діоксидом кремнію і оточених частинками CaCО3. Фіг. 6(a)-6(c) показують рентгеноспектральне електронно-зондове (EDS) хімічне відображення зв'язуючої матриці, згідно типовому варіанту здійснення даного винаходу, ілюструючи відображення накладення Si (Фіг. 6(а)) та Ca (Фіг. 6(b)). На Фіг. 6(c) області CaSiO, SiO2 та CaCO3 показані стрілками. Частинки серцевини Воластоніту (CaSiO 3), сформовані як волокно, інкапсульовані в області, багатій SiO2, і оточені частинками CaCO3. Фіг. 7 показує зображення автоелектронною скануючою електронною мікроскопією (FESEM) визначення твердості за допомогою індентора Вікерса при 20 Н на зв'язуючій матриці P3 (Таблиця 6), згідно варіанту здійснення даного винаходу. Фіг. 8(a) - 8(c) показують мікрознімки FESEM (a) втискування (зображення від вторинних електронів), (b) вище збільшення точки, маркованої D, в (b) (зображення від зворотнорозсіяних електронів), і (c) тверда поверхня розділу між зерном серцевини з Воластоніту і покриттям фазою діоксиду кремнію. Фіг. 9 показує криву напруження - зсув зв'язуючої матриці P3 (також дивися Таблицю 4), при стискуванні для варіанту здійснення за винаходом. Фіг. 10 показує криву напруження - зсув композиційного матеріалу FB4 (дивися Таблицю 3) при стискуванні згідно типовому варіанту здійснення даного винаходу Фіг. 11(a)-11(d) показують взаємодію зв'язуючої матриці P3 (також дивися Таблицю 4), з (a) SiO2 і (b) SiO2, (c) високо-Ca летючою золою (HCFA) і (d) CaCO3 згідно варіантам здійснення даного винаходу. Спостереження за зв'язуючою матрицею P3 і поверхнею розділу SiO 2 (Фіг. 11(a) і (b)), показує, що частинки CaCO3 і покриття, багате діоксидом кремнію, навколо волокон серцевини з Воластоніту утворили поверхню розділу із зовнішніми доданими частинками діоксиду кремнію. Фіг. 12(a)-12(b) ілюструють поступове руйнування композиційного матеріалу 0-3 згідно варіанту здійснення даного винаходу. Фіг. 12(а) показує композиційний матеріал 0-3, де 70 об. % піщаних (діоксид кремнію) подрібнених компонентів диспергують у зв'язуючій матриці P3 з пористістю в структурі (також дивися Таблицю 4). Цей композиційний матеріал показав поступове руйнування під час стискування, і мав межу міцності при стискуванні ≈55 MПa (Фіг. 12(b)). Фіг. 13(a)-13(d) ілюструють типові варіанти здійснення даного винаходу, що мають різні рівні повторення ієрархічних структур. Фіг. 13(a) - 13(b) пояснюють 1-рівневу ієрархічну систему, а Фіг. 13(c) - 13(d) пояснюють 2-рівневу ієрархічну систему. Фіг. 14(a)-(c) показують різні оптичні мікрознімки композиційного матеріалу згідно варіанту здійснення даного винаходу. Фіг. 14 (a) і 14 (b) показують оптичні мікрознімки композиційного матеріалу, який отримують при використанні об'ємного відношення 1:2:2 сердечників з волокна FB1 (Таблиця 3), (300-500) -мкм піску і (2-4) -мм гравію піску, відповідно, а Фіг. 14(с) показує зв'язуючу матрицю в порожніх просторах частинок піску, і товстий шар зв'язуючої матриці, оточує частинки піску, щоб діяти також як цементуюча фаза. Фіг. 15(a) показує графіки залежності мікродеформація - температура, і (b) залежність температура - час для FB1B під час теплового циклу від -40 °C до 100 °C. Фіг. 16 показує графік питомої теплоємності (c р) P3 (Таблиця 4) як функції від температури. Експеримент виконаний згідно ASTM E1269. Фіг. 17 показує цифрові фотографії (a) звичайний природний пісковик і штучний пісковик згідно варіанту здійснення даного винаходу, (b) звичайний граніт і штучний граніт згідно варіанту здійснення даного винаходу, і (c) звичайна теракота і штучна теракота згідно варіанту 2 UA 113844 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 здійснення даного винаходу. Фіг. 18 показує вплив часу реакції на (a) міцність при стискуванні і (b) міцність при розтягуванні зв'язуючої матриці (104 °C і ≈ 300 фунтів на квадратний дюйм початкового початкового тиску CО2). Зв'язуючу матрицю P3 отримують після 20 год. реакції (Таблиця 4). Фіг. 19 показує графіки міцність на вигин - зсув (a) матриці FB1B, з металевими волокнами згідно варіанту здійснення даного винаходу, (b) чистої матриці CPC2 (крива A) згідно варіанту здійснення даного винаходу, і CPC2 з 10 ваг. % металевих волокон (крива C, композиція FRCPC2, Таблиця 16) і з 2,5 ваг. % волокон полівінілового спирту (PVA) (крива B) згідно варіантам здійснення даного винаходу, і (c) порівняння міцності на вигин FBIB зв'язуючої матриці, з 10 ваг. % отриманих і окислених (іржа) металевих волокон (композиції FRCPC2 і RFRCPC2, Таблиця 16). Фіг. 20 показує зображення від (a) вторинних електронів (SE) і (b) оберненорозсіяних вторинних електронів (BSE) поверхні розділу сталевих волокон зв'язуючої матриці, згідно варіанту здійснення даного винаходу, і рентгеноспектральне електронно-зондове (EDS) хімічне відображення (c) Ca, (d) Si, (e) Fe і (f) O. Фіг. 21 показує мікроструктуру згідно автоемісійної спектроскопії (SE FESEM) композиційного матеріалу SRC3 (також дивися Таблицю 18) згідно варіанту здійснення даного винаходу. Фіг. 22 показує (a) графік напруження на вигин - зсув композиційного матеріалу FSRBC1 (також дивися Таблицю 19), і (b) цифрову фотографію, що показує вигин композиційного матеріалу FSRBC1 під час випробування в системі розривної машини марки INSTRON. Фіг. 23 показує згідно автоемісійної спектроскопії FESEM зображення від (a) вторинних електронів (SE) і (b) оберненорозсіяних вторинних електронів (BSE) мікроструктури карбонатного олівіну згідно варіанту здійснення даного винаходу, і при вищих збільшеннях зображення від (c) оберненорозсіяних вторинних електронів (BSE), (d) вторинних електронів (SE) і (c) зображення від оберненорозсіяних вторинних електронів (BSE) частинок карбонатного олівіну різної морфології. Фіг. 24 показує згідно автоемісійної спектроскопії FESEM зображення від (a) вторинних електронів (SE) і (b) оберненорозсіяних вторинних електронів (BSE) мікроструктури карбонатного діопсиду згідно варіанту здійснення даного винаходу, і при вищих збільшеннях, зображення від (c) вторинних електронів (SE) і (d) оберненорозсіяних вторинних електронів (BSE) частинок карбонатного діопсиду. Здійснення винаходу Далі буде зроблено докладний опис варіанту здійснення даного винаходу, приклад якого пояснюється на супутніх кресленнях. Зв'язуючий елемент Фіг. 1(a) - 1(c) показують поперечний перетин типових зв'язуючих елементів, які можуть складати принаймні частину більшого керамічного або композиційного матеріалу. Як показано на Фіг. 1(a)-1(c), даний зв'язуючий елемент, включає ядро, представлене чорною внутрішньою частиною; перший шар, представлений білою середньою частиною; і другий або інкапсулюючий шар, представлений зовнішньою частиною. Відповідно до типових варіантів здійснення даного винаходу зв'язуючий елемент може мати будь-який розмір і морфологію (тобто, форму) залежно від призначеного застосування. Таблиця 1 приводить невинятковий список можливих морфологій. Перший шар може включати тільки один шар або множину підшарів залежно від хімії зв'язуючого елементу і може повністю покривати ядро або частково покривати ядро. Перший шар може існувати в кристалічній фазі, аморфній фазі або їх комбінації. Другий шар може включати тільки один шар або множину підшарів і може також повністю або частково покривати перший шар. Другий шар може також включати множину частинок або може бути безперервною фазою з мінімальними спостережуваними дискретними частинками. 50 3 UA 113844 C2 5 Таблиця 1. Правильні конфігурації (Симетричні тіла) Багатогранниками є тіла, зроблені з плоских поверхонь. Кожна поверхня є багатокутником. Наприклад, тіла Платона, Призми, Піраміди-небагатогранники є тілами, що мають криві поверхні, або змішані тіла з кривих і плоских поверхонь. Наприклад, Сфера, Тор, Циліндр, Конус. Назва Опис - Кубом є тривимірне тіло з 6 зв'язаними квадратними сторонами - Форма частинки має рівні довжину, ширину і товщину, з кутами 90° і гладкими поверхнями Куб Прямокутні Кубоїди тіла, У прямокутних тілах, довжина, ширина і висота можуть бути різної довжини Призма Призма є тілом, яке має дві конгруентні паралельні основи, які є багатокутниками. Багатокутники утворюють основи призми і довжина ребра, що сполучає два багатокутники, називається висотою Диск Піраміда Складні поліедри або багатогранні частинки Циліндр Сфера Частинка з приблизно круговим поперечним перетином, діаметр якої є більшим порівняно з товщиною (Д:Т=(1,3-10):1) Піраміда є тілом з багатокутною основою, сполученою трикутними гранями з вершиною. Піраміда є правильною пірамідою, якщо її основою є правильний багатокутник, а всі трикутні грані є конгруентними рівнобедреними трикутниками Наступний список назв даний для поліедра, що має n граней. n граней назва 4 тетраедр 5 пентаедр 6 гексаедр 7 гептаедр 8 октаедр 9 нонаедр 10 декаедр 11 ундекаедр 12 додекаедр 14 тетрадекаедр 20 ікосаедр 24 ікоситетраедр 30 триаконтаедр 32 ікосидодекаедр 60 гексеконтаедр 90 еннеаконтаедр - Циліндром є тіло з двома конгруентними кругами, сполученими кривою поверхнею. - Круглий поперечний перетин - Сфера є тілом, всі точки якого знаходяться на рівній відстані від центру. - Частинка рівного діаметру на всіх напрямках, що має нескінченну обертальну симетрію і гладку поверхню 4 Фігура UA 113844 C2 Назва Конус Опис - Круговий конус має кругову основу, яка зв'язана кривою поверхнею з його вершиною. Конус називають прямим круговим конусом, якщо лінія від вершини конуса до центру основи є перпендикулярною основі. - Загострений з конічною формою Фігура Порожнисті структури: геометричні тіла з порожниною в центрі Назва Опис Кільце - Тороїдальна форма Труба - Довгий порожнистий об'єкт (зазвичай циліндровий) Інші якісні ідентифікатори морфології порошку (головним чином, для неправильних тіл) Назва Голчасті Опис - голковидні - вузькі, голковидні для частинки з близькою шириною (Ш) і товщиною (Т), які значно менше, ніж довжина (Д) (Д:Ш:Т=(10-100):~1:~1) З кутами - гострореберні або що мають грубу структуру багатогранника - форма частинки показує гострі ребра або має грубу форму багатогранника - гострі ребра, виступаючі, слабо закруглені або прямі або частково зігнуті, але не звивисті гострими Зігнуті Канали Увігнуті поверхні Півмісяць Колончаті Загальна форма викривлена Відносно круглі жолоби Тарілкоподібні або опуклі ями і порожнини Макаронний виріб або, принаймні, чверть місяця - частинки довгої, тонкої форми, що мають ширину (Ш), і товщину (Т), які більші, ніж у голчастих частинок (Д:Ш:Т=(3-10):~1:~1) Деревовидні - Що мають форму розгалуженого кристала форма частинки показує типову структуру дерева сосна (високорозгалужена) Довжина і ширина контура приблизно рівні Всі або майже всі грані є плоскими - Правильні або неправильні ниткоподібні - ниткоподібні частинки, які мають дуже велике відношення довжина/діаметр, довші і тонші, ніж голковидні частинки (Д:Ш:Т=(> 100):~1:~1) (типовий діаметр приблизно 0,1-10 мм) Рівновеликі Автоморфні Волокно, волокнисті Пластівці, пластівчасті Сплощення Фрактальні Стеклоподібні Виноградоподібні Зерноподібні Неправильні - пластиноподібні - тонкі, плоскі частинки з приблизно рівною довжиною і шириною (Д:Ш:Т=~1:~1:(