粘結(jié)元件、粘結(jié)基質(zhì)和具有該粘結(jié)元件的復(fù)合材料及其制造方法
【專利摘要】一種粘結(jié)元件、粘結(jié)元件基質(zhì)和復(fù)合材料，它們因該粘結(jié)元件的第一層與第二層結(jié)構(gòu)或芯、第一層和第二層結(jié)構(gòu)而具有大量可被優(yōu)化的吸引人的性質(zhì)，所述性質(zhì)包括但不限于機(jī)械性質(zhì)、熱性質(zhì)、磁性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和核性質(zhì)，以及制造該粘結(jié)元件和相應(yīng)的陶瓷和/或復(fù)合材料的方法。
【專利說(shuō)明】粘結(jié)元件、粘結(jié)基質(zhì)和具有該粘結(jié)元件的復(fù)合材料及其制造方法
[0001]本申請(qǐng)要求于2011年3月5日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)61/449，659的優(yōu)先權(quán)，其經(jīng)此引用并入本文。
發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明大體上涉及陶瓷和/或復(fù)合材料。更具體而言，本發(fā)明涉及包含改善與陶瓷和/或復(fù)合材料相關(guān)的機(jī)械性質(zhì)和其它性質(zhì)的粘結(jié)元件的陶瓷和/或復(fù)合材料，以及制造該粘結(jié)元件與相應(yīng)的陶瓷和/或復(fù)合材料的方法。
[0003]發(fā)明背景
[0004]常規(guī)的陶瓷材料如水泥、混凝土及其它類似材料可表現(xiàn)出弱的材料性質(zhì)。這些弱的材料性質(zhì)可能要?dú)w因于材料中的鍵合(如水合鍵)通常較弱的事實(shí)。水合鍵是含有分子形式的水的鍵合。水合波特蘭水泥是含有水合鍵的材料的一個(gè)實(shí)例，如CaO ? 2Si02 ? 4H20和CaO ? H2O0這種虛弱性會(huì)導(dǎo)致陶瓷材料過(guò)早失效，這明顯是不合意的材料性質(zhì)。[0005]因此，需要改善鍵合，更通常改善與陶瓷材料(如水泥、混凝土和其它類似材料)相關(guān)的粘結(jié)基質(zhì)以提供具有改善的材料性質(zhì)的陶瓷材料。
[0006]本說(shuō)明書中引用的所有參考文獻(xiàn)經(jīng)此引用全文并入本文。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方式，由于該粘結(jié)元件的芯/第一層/第二層結(jié)構(gòu)，該粘結(jié)元件、粘結(jié)基質(zhì)、復(fù)合材料和制造所述粘結(jié)元件的方法提供了多種可被優(yōu)化的吸引人的性質(zhì),包括但不限于機(jī)械性質(zhì)、熱性質(zhì)、磁性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和核性質(zhì)。
[0008]在下面的說(shuō)明書中將列舉本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點(diǎn)，并且這些附加特征和優(yōu)點(diǎn)部分將由該描述變得顯而易見，或可以通過(guò)實(shí)踐本發(fā)明而了解。通過(guò)在書面描述及其權(quán)利要求以及附圖中特別指出的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)和獲得本發(fā)明的目的與其它優(yōu)點(diǎn)。
[0009]要理解的是，前面的一般描述和下面的詳細(xì)描述是示例性和解釋性的，并且旨在提供對(duì)所要求保護(hù)的發(fā)明的進(jìn)一步解釋。
[0010]附圖概述
[0011]附圖(其被包含用于提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，該附圖并入本說(shuō)明書中并構(gòu)成本說(shuō)明書的一部分)例示了本發(fā)明實(shí)施方式并與說(shuō)明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。在附圖中:
[0012]圖1 (a)~I (C)是本發(fā)明示例性實(shí)施方式的單個(gè)粘結(jié)元件的示意性截面圖，圖解了三種示例性芯形態(tài):(a)纖維狀；(b)橢圓形；和(C)等軸的。
[0013]圖2(a)~2(f)是本發(fā)明示例性實(shí)施方式的復(fù)合材料的側(cè)視圖和截面圖，圖解了(a)在稀釋粘結(jié)基質(zhì)中(粘結(jié)元件不接觸)的ID取向的纖維形粘結(jié)元件，(b)在稀釋粘結(jié)基質(zhì)中(粘結(jié)元件不接觸)的2D取向的薄片形粘結(jié)元件，(c)在稀釋粘結(jié)基質(zhì)中(粘結(jié)元件不接觸)的3D取向的薄片形粘結(jié)元件，和(d)在稀釋粘結(jié)基質(zhì)中(粘結(jié)元件不接觸)的隨機(jī)取向的薄片形粘結(jié)元件，其中該復(fù)合材料包括粘結(jié)基質(zhì)與填料組分如聚合物、金屬、無(wú)機(jī)粒子、骨料(aggregates)等，(e)粘結(jié)元件的濃縮粘結(jié)基質(zhì)(具有足以建立滲透網(wǎng)絡(luò)的體積分?jǐn)?shù))，其中該基質(zhì)是3D取向的，和(f)隨機(jī)取向的粘結(jié)元件的濃縮粘結(jié)基質(zhì)(具有足以建立滲透網(wǎng)絡(luò)的體積分?jǐn)?shù))，其中可包括填料組分如聚合物、金屬、無(wú)機(jī)粒子、骨料等。還設(shè)想了包含彼此接觸的粘結(jié)元件與作為分散單元的其它組分的混合物的結(jié)構(gòu)，但在這里并未顯示。該粘結(jié)元件可包含圖1中顯示的基礎(chǔ)多層結(jié)構(gòu)的任意一種，或者可具有任何其它形態(tài)，但對(duì)該圖以簡(jiǎn)化形式顯示。為清楚起見，顯示代表性芯粒子形貌的橫截面。
[0014]圖3圖解了本發(fā)明示例性實(shí)施方式的雙組分復(fù)合材料體系中不同的連接模式。陰影區(qū)域顯示粘結(jié)基質(zhì)區(qū)域，非陰影區(qū)域是填料組分，如金屬、骨料、無(wú)機(jī)粒子或聚合物(圖 3 改編自:R.E.Newnham, D.P.Skinner 與 L.E.Cross, “Connectivity andpiezoelectric-pyroelectric composites，，，Mat.Res.Bull.第 13 卷，第 525-536頁(yè)，1978)。
[0015]圖4(a)~4(b)顯示了(a)包含粘結(jié)基質(zhì)和隨機(jī)分布在粘結(jié)基質(zhì)中的等軸填料粒子的本發(fā)明示例性實(shí)施方式的3-0復(fù)合材料，和(b)包含粘結(jié)基質(zhì)和取向纖維形狀填料組分的本發(fā)明示例性實(shí)施方式的3-1復(fù)合材料。
[0016]圖5(a)~5(b)顯示了本發(fā)明示例性實(shí)施方式的粘結(jié)基質(zhì)的(a) 二次電子(SE)和(b)背散射電子(BSE)掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，所述粘結(jié)基質(zhì)由通過(guò)非晶二氧化硅封裝并被CaCO3粒子圍繞的結(jié)晶硅灰石芯纖維組成。
[0017]圖6(a)~6(c)顯示了本發(fā)明示例性實(shí)施方式的粘結(jié)基質(zhì)的能量色散X射線光譜法(EDS)化學(xué)映射，圖示了 Si (圖6(a))和Ca(圖6(b))映射的重疊。在圖6(c)中，CaSi03、SiO2和CaCO3的區(qū)域由箭頭指示。纖維形娃灰石(CaSiO3)芯粒子被富SiO2區(qū)域封裝并被CaCO3粒子圍繞。
[0018]圖7顯示了在本發(fā)明實(shí)施方式的P3粘結(jié)基質(zhì)(表6)上的20N的維氏硬度壓痕的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡法(FESEM)圖像。
[0019]圖8 (a)~8 (C)顯示了(a)壓痕(SE圖像)、(b)在(b)中標(biāo)為D的點(diǎn)的更高倍放大(BSE圖像)和(c)芯硅灰石晶粒與二氧化硅相涂層之間的堅(jiān)固界面的FESEM顯微照片。
[0020]圖9顯示了本發(fā)明實(shí)施方式的處于壓縮狀態(tài)的P3粘結(jié)基質(zhì)(同樣參見表4)的應(yīng)力對(duì)位移的曲線。
[0021]圖10顯示了本發(fā)明實(shí)施方式的處于壓縮狀態(tài)的FB4復(fù)合材料(參見表3)的應(yīng)力對(duì)位移的曲線。
[0022]圖11(a)~11(d)顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的P3粘結(jié)基質(zhì)(同樣參見表4)與
(a)SiO2和(b) SiO2, (c)高Ca飛灰(HCFA)和(d) CaCO3的相互作用。對(duì)P3粘結(jié)基質(zhì)和SiO2界面的觀察(圖11(a)和(b))揭示了硅灰石芯纖維周圍的CaCO3S子與富二氧化硅涂層已經(jīng)形成具有外加二氧化硅粒子的界面。
[0023]圖12(a)~12(b)圖解了本發(fā)明實(shí)施方式的0_3復(fù)合材料的破壞行為。圖12(a)顯示了該0-3復(fù)合材料，其中70體積％的沙子(二氧化硅)顆粒狀組分分散在結(jié)構(gòu)中具有孔隙的P3粘結(jié)基質(zhì)中(也參見表4)。該復(fù)合材料顯示了在壓縮過(guò)程中的逐漸破壞，并具有≈ 55MPa的壓縮強(qiáng)度(圖12(b))。
[0024]圖13(a)~13(d)圖解了具有不同等級(jí)的重復(fù)層級(jí)結(jié)構(gòu)的本發(fā)明示例性實(shí)施方式。圖13(a)~13(b)圖解了 I級(jí)層級(jí)體系，圖13(c)~13(d)圖解了 2級(jí)層級(jí)體系。
[0025]圖14(a)~(C)顯示了本發(fā)明實(shí)施方式的復(fù)合材料的不同光學(xué)顯微照片。圖14(a)和14(b)分別顯示了通過(guò)使用1:2:2體積比的FBl纖維芯(表3)、(300-500)微米沙子和(2-4)毫米砂礫形成的復(fù)合材料的光學(xué)顯微照片，圖14(c)顯示了在沙子顆粒的空隙空間中的粘結(jié)基質(zhì)，并且粘結(jié)基質(zhì)厚層已經(jīng)圍繞沙粒以充當(dāng)膠合相。
[0026]圖15顯示了在_40°C至100°C之間的熱循環(huán)過(guò)程中(a)微應(yīng)變對(duì)溫度和(b)溫度對(duì)時(shí)間的概圖。
[0027]圖16顯示了作為溫度的函數(shù)的P3(表4)的比熱(Cp)圖。根據(jù)ASTM E1269進(jìn)行試驗(yàn)。
[0028]圖17顯示了(a)常規(guī)天然砂石和本發(fā)明實(shí)施方式的砂石仿制品，(b)常規(guī)花崗巖和本發(fā)明實(shí)施方式的花崗巖仿制品，和(C)常規(guī)赤陶和本發(fā)明實(shí)施方式的赤陶仿制品的數(shù)碼相片。
[0029]圖18顯示了反應(yīng)時(shí)間對(duì)粘結(jié)基質(zhì)的(a)壓縮強(qiáng)度和(b)抗張強(qiáng)度的作用(104°C，^ 300psi的CO2初始啟動(dòng)壓力)。P3粘結(jié)基質(zhì)在20小時(shí)反應(yīng)后形成(表4)。
[0030]圖19顯示了(a)、(b)和(C)的抗彎強(qiáng)度對(duì)位移的圖示，(a)本發(fā)明實(shí)施方式的具有金屬纖維的FBlB粘結(jié)基質(zhì)，(b)本發(fā)明實(shí)施方式的原始CPC2基質(zhì)(曲線A)，本發(fā)明實(shí)施方式的具有10重量％的金屬纖維的CPC2 (曲線C，組合物FRCPC2，表16)和具有2.5重量％的PVA纖維的CPC2 (曲線B)，以及(c)具有10重量％的原樣和氧化(生銹)金屬纖維的FBlB粘結(jié)基質(zhì)(組合物FRCPC2和RFRCPC2，表16)的抗彎強(qiáng)度的比較。
[0031]圖20顯示了本發(fā)明實(shí)施方式的粘結(jié)基質(zhì)的鋼纖維界面的(a)SE和(b)BSE圖像，以及(C) Ca、(d)S1、(e)Fe 和(f) 0 的 EDS 化學(xué)映射。
[0032]圖21顯示了本發(fā)明實(shí)施方 式的的SRC3復(fù)合材料(同樣參見表18)的SE FESEM顯微結(jié)構(gòu)。
[0033]圖22顯示了(a)FSRBCl復(fù)合材料(同樣參見表19)的彎曲應(yīng)力對(duì)位移的圖示和
(b)顯示在INSTR0N系統(tǒng)中測(cè)試的過(guò)程中FSRBCl復(fù)合材料的彎曲的數(shù)碼相片。
[0034]圖23顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的碳酸化橄欖石的顯微結(jié)構(gòu)的FESEM圖像——(a)SE和(b)BSE圖像，以及在更高放大倍數(shù)下不同形態(tài)的碳酸化橄欖石粒子的(c)BSE、(d)SE和(c)BSE圖像。
[0035]圖24顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的碳酸化透輝石的顯微結(jié)構(gòu)的FESEM圖像——(a)SE和(b)BSE圖像，以及在更高放大倍數(shù)下碳酸化透輝石粒子的(C)SE和(d)BSE圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0036]現(xiàn)在將詳細(xì)地參考本發(fā)明實(shí)施方式，其實(shí)例圖示在附圖中。
[0037]粘結(jié)元件
[0038]圖1 (a)~I (C)圖解了示例性粘結(jié)元件的橫截面，所述示例性粘結(jié)元件可構(gòu)成更大的陶瓷或復(fù)合材料的至少一部分。如圖1(a)~1(c)所示，給定的粘結(jié)元件包括由黑色內(nèi)部部分表不的芯；由白色中間部分表不的第一層；和由外部部分表不的第二或封裝層。
[0039]根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，根據(jù)預(yù)期用途，粘結(jié)元件可以表現(xiàn)出任何尺寸和形態(tài)(即形狀)。表1提供了可能形態(tài)的非排他性名單。根據(jù)該粘結(jié)元件的化學(xué)，該第一層可僅包括一層或多個(gè)子層，并且可完全覆蓋該芯或部分覆蓋該芯。該第一層可以結(jié)晶相、非晶相或其組合存在。該第二層可僅包括一層或多個(gè)子層，并且可以完全或部分覆蓋該第一層。該第二層還可包含多個(gè)粒子或可以是具有最小可觀察的離散粒子的連續(xù)相。
[0040]表1規(guī)則幾何形狀(對(duì)稱立體)
[0041]多面體是由平坦表面構(gòu)成的立體。各表面是多邊形。例如，柏拉圖立體、棱柱、角錐非多面體是具有彎曲表面或彎曲與平坦表面混合的立體。例如，球體、環(huán)體、圓柱體、圓錐體。[0042]
【權(quán)利要求】
1.一種粘結(jié)元件，包含: 芯，其中所述芯具有包括一種或多種化學(xué)元素的第一化學(xué)組成； 至少部分覆蓋所述芯的外周部分的第一層，其中所述第一層具有第二化學(xué)組成，所述第二化學(xué)組成是不同于第一化學(xué)組成的化學(xué)組成，所述第二化學(xué)組成包括對(duì)應(yīng)于所述第一化學(xué)組成的化學(xué)元素之一的陽(yáng)離子；和 至少部分覆蓋所述第一層的外周部分的第二層，其中所述第二層具有第三化學(xué)組成，所述第三化學(xué)組成是不同于第一和第二化學(xué)組成的化學(xué)組成，所述第三化學(xué)組成包括對(duì)應(yīng)于所述第一化學(xué)組成的化學(xué)元素之一的陽(yáng)離子。
2.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)元件，其中所述第一化學(xué)組成包括至少兩種不同的化學(xué)元素，其中與所述第二化學(xué)組成相關(guān)的陽(yáng)離子對(duì)應(yīng)于所述第一化學(xué)組成的至少兩種不同的化學(xué)元素的第一種，其中與所述第三化學(xué)組成相關(guān)的陽(yáng)離子對(duì)應(yīng)于所述第一化學(xué)組成的至少兩種不同的化學(xué)元素的第二種。
3.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)元件，其中所述第一化學(xué)組成包括至少兩種不同的化學(xué)元素，其中與所述第二化學(xué)組成相關(guān)的陽(yáng)離子對(duì)應(yīng)于所述第一化學(xué)組成的至少兩種不同的化學(xué)元素的第一種，并且其中與所述第三化學(xué)組成相關(guān)的陽(yáng)離子對(duì)應(yīng)于所述第一化學(xué)組成的至少兩種不同的化學(xué)元素的第一種。
4.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)元件，其中所述第一化學(xué)組成僅包括一種化學(xué)元素。
5.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)元件，其中與所述第二化學(xué)組成相關(guān)的陽(yáng)離子與對(duì)應(yīng)于所述第一化學(xué)組成的化學(xué)元素之一的陰離子鍵合。
6.如權(quán)利要求5所述的粘結(jié)元件，其中與所述第三化學(xué)組成相關(guān)的陽(yáng)離子與對(duì)應(yīng)于反應(yīng)物的陰離子鍵合。
7.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)元件，其中與所述第二化學(xué)組成相關(guān)的陽(yáng)離子與對(duì)應(yīng)于第一反應(yīng)物的陰離子鍵合。
8.如權(quán)利要求7所述的粘結(jié)元件，其中與所述第三化學(xué)組成相關(guān)的陽(yáng)離子與對(duì)應(yīng)于第二反應(yīng)物的陰離子鍵合。
9.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)元件，其中與所述第二和第三化學(xué)組成相關(guān)的陽(yáng)離子是堿土金屬。
10.如權(quán)利要求9所述的粘結(jié)元件，其中與所述第二和第三化學(xué)組成相關(guān)的陽(yáng)離子選自 Ca+2 和 Mg+2。
11.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)元件，其中所述芯是等軸的。
12.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)元件，其中所述芯是橢圓形的。
13.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)元件，其中所述芯是纖維形的。
14.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)元件，其中所述第一層是非晶層。
15.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)元件，其中所述芯具有對(duì)稱形狀。
16.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)元件，其中所述芯具有非對(duì)稱形狀。
17.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)元件，其中所述芯具有薄片形狀。
18.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)元件，其中所述芯包含CaSi03。
19.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)元件，其中所述芯包含MgSi03。
20.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)元件，其中所述芯包含至少一種具有通SMaMebO?；騇aMeb (OH)c的合成制劑,其中M包括一種或多種能反應(yīng)形成碳酸鹽的金屬,Me是一種或多種能在碳酸化反應(yīng)過(guò)程中形成氧化物的金屬。
21.如權(quán)利要求20所述的粘結(jié)元件，其中M是選自鈣或鎂的堿土金屬，且Me選自由硅、鈦、招、磷、銀、鶴、鑰、鎵、猛、錯(cuò)、鍺、銅、銀、鈷、鉛、鐵、銦、砷和鉭組成的金屬組。
22.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)元件，其中所述第一層是結(jié)晶層。
23.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)元件，其中所述第一層包含鋁、硅或鐵的氧化物或氫氧化物。
24.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)元件，其中所述第一層包含氧化鋁、氧化硅和氧化鐵的至少一種。
25.如權(quán)利要求1所述的粘結(jié)元件，其中所述第一層包含氫氧化鋁、氫氧化硅和氫氧化鐵的至少一種。
26.一種粘結(jié)元件，包含: 第一層，其中所述第一層具有不同于前體材料的化學(xué)組成的化學(xué)組成，所述第一層的化學(xué)組成包括對(duì)應(yīng)于在所述前體材料的化學(xué)組成中發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素的陽(yáng)離子；和 至少部分覆蓋所述第一層的外周部分的第二層，其中所述第二層具有不同于所述第一層和所述前體材料的化學(xué)組成的化學(xué)組成，所述第二層的化學(xué)組成包括對(duì)應(yīng)于在所述前體材料的化學(xué)組成中發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素的陽(yáng)離子。
27.—種粘結(jié)基質(zhì)，包含: 多個(gè)粘結(jié)元件，所述粘結(jié)元 件各自包含:芯，其中所述芯具有包括一種或多種化學(xué)元素的第一化學(xué)組成；至少部分覆蓋所述芯的外周部分的第一層，其中所述第一層具有第二化學(xué)組成，所述第二化學(xué)組成是不同于第一化學(xué)組成的化學(xué)組成，所述第二化學(xué)組成包括對(duì)應(yīng)于所述第一化學(xué)組成的化學(xué)元素之一的陽(yáng)離子；以及至少部分覆蓋所述第一層的外周部分的第二層，其中所述第二層具有第三化學(xué)組成，所述第三化學(xué)組成是不同于第一和第二化學(xué)組成的化學(xué)組成，所述第三化學(xué)組成包括對(duì)應(yīng)于所述第一化學(xué)組成的化學(xué)元素之一的陽(yáng)離子。
28.一種粘結(jié)基質(zhì)，包含: 多個(gè)粘結(jié)元件，所述粘結(jié)元件各自包含:第一層，其中所述第一層具有不同于前體材料的化學(xué)組成的化學(xué)組成，所述第一層的化學(xué)組成包括對(duì)應(yīng)于在所述前體材料的化學(xué)組成中發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素的陽(yáng)離子；和至少部分覆蓋所述第一層的外周部分的第二層，其中所述第二層具有不同于所述第一層與所述前體材料的化學(xué)組成的化學(xué)組成，所述所述第二層的化學(xué)組成包括對(duì)應(yīng)于在所述前體材料的化學(xué)組成中發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素的陽(yáng)離子。
29.如權(quán)利要求28所述的粘結(jié)基質(zhì)，其中所述第二層由與一種或多種活性顆粒粘結(jié)的碳酸鹽相組成，所述活性顆粒選自石灰石、大理石粉、富碳酸鈣骨料、石膏、沙子和富二氧化硅骨料及其組合。
30.如權(quán)利要求28所述的粘結(jié)基質(zhì)，其中所述第二層是連續(xù)相或不連續(xù)相。
31.如權(quán)利要求28所述的粘結(jié)基質(zhì)，其中所述粘結(jié)基質(zhì)是多孔的。
32.如權(quán)利要求28所述的粘結(jié)基質(zhì)，其中所述粘結(jié)元件是以1-D取向、2-D取向、3-D取向取向的，是隨機(jī)取向的，或形成滲透網(wǎng)絡(luò)。
33.如權(quán)利要求28所述的粘結(jié)基質(zhì)，其中所述粘結(jié)元件的至少一部分相互接觸。
34.如權(quán)利要求28所述的粘結(jié)基質(zhì)，其中所述第二層由與一種或多種活性顆粒粘結(jié)的CaCO3組成，所述活性顆粒選自石灰石、大理石粉、富碳酸鈣骨料、石膏、沙子和富二氧化硅骨料及其組合。
35.如權(quán)利要求27或28所述的粘結(jié)基質(zhì)，還包含無(wú)水合物的膠結(jié)鍵。
36.如權(quán)利要求27或28所述的粘結(jié)基質(zhì)的使用方法，包括使用所述粘結(jié)元件作為膠結(jié)材料、砂漿和薄漿。
37.一種復(fù)合材料，包含: 如權(quán)利要求27或28所述的粘結(jié)基質(zhì)；和 加入到所述粘結(jié)基質(zhì)中的填料材料。
38.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，其中所述填料材料包括惰性材料。
39.如權(quán)利要求38所述的復(fù)合材料，其中所述惰性材料包括多個(gè)等軸粒子。
40.如權(quán)利要求38所述的復(fù)合材料，其中所述惰性材料包括多個(gè)各向異性粒子。
41.如權(quán)利要求38所述的復(fù)合材料，其中所述惰性材料包括等軸粒子和各向異性粒子的組合。
42.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，其中所述填料材料包括活性材料。`
43.如權(quán)利要求42所述的復(fù)合材料，其中所述活性材料包括多個(gè)等軸粒子。
44.如權(quán)利要求42所述的復(fù)合`材料，其中所述活性材料包括多個(gè)各向異性各向異性粒子?
45.如權(quán)利要求42所述的復(fù)合材料，其中所述活性材料包括等軸粒子和各向異性粒子的組合。
46.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，其中所述填料材料包括: 第一種多個(gè)第一尺寸粒子和第二種多個(gè)第二尺寸粒子，所述第二尺寸粒子的尺寸顯著大于第一尺寸粒子，并且其中所述粘結(jié)基質(zhì)、所述第一尺寸粒子和所述第二尺寸粒子被布置為使所述復(fù)合材料形成層級(jí)結(jié)構(gòu)。
47.如權(quán)利要求46所述的復(fù)合材料，其中所述粘結(jié)基質(zhì)基本布置在相鄰的第一尺寸粒子之間的孔隙空間中，并且其中所述相鄰的第一尺寸粒子布置在相鄰的第二尺寸粒子之間的孔隙空間中。
48.如權(quán)利要求47所述的復(fù)合材料，其中所述粘結(jié)基質(zhì)至少部分覆蓋相鄰的第一尺寸粒子各自的外周部分。
49.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，其中所述粘結(jié)元件以1-D取向排列。
50.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，其中所述粘結(jié)元件以2-D取向排列。
51.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，其中所述粘結(jié)元件以3-D取向排列。
52.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，其中所述粘結(jié)元件以隨機(jī)取向布置。
53.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，其中所述復(fù)合材料具有大約IGPa至30GPa的維氏硬度。
54.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，其中所述復(fù)合材料具有14至大約3，OOOMPa的壓縮強(qiáng)度，和小于大約380MPa的抗彎強(qiáng)度。
55.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，其中所述復(fù)合材料表現(xiàn)出小于60Xl(T6/psi的蠕變應(yīng)變。
56.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，其中所述復(fù)合材料表現(xiàn)出小于700C的Cl—滲透性。
57.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，其中所述復(fù)合材料是自補(bǔ)強(qiáng)的，并具有大于6J的耐球沖擊性。
58.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，其中所述復(fù)合材料用鋼纖維補(bǔ)強(qiáng)并具有大于IOJ的耐球沖擊性。
59.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，其中所述復(fù)合材料在破壞過(guò)程中表現(xiàn)出延性行為和強(qiáng)度保留。
60.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，其中所述復(fù)合材料具有耐熱沖擊性。
61.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，其中所述復(fù)合材料具有大于大約0.13ff/m.k和小于大約196W/m.k的導(dǎo)熱性。
62.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，其中所述復(fù)合材料表現(xiàn)出下列性質(zhì)的至少一種: ⑴至少4.04X IO6Psi的彈性模量； (ii)至少390psi的劈裂抗張強(qiáng)度； (iii)使用ASTMC944的小于1.0Omm的平均磨損； (iv)通過(guò)ASTMC66 6的至少300次循環(huán)的耐冷凍-解凍性； (V)當(dāng)使用ASTM C672測(cè)試時(shí)x〈l的可見抗剝落性； (vi)通過(guò)ASTMC157測(cè)得的可忽略不計(jì)的收縮；和 (vii)可忽略不計(jì)的堿-娃酸鹽反應(yīng)。
63.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，其中所述復(fù)合材料具有3X10_6/°C至15X10_6/°C的熱膨脹系數(shù)。
64.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，其中所述復(fù)合材料具有6至900J/mol? K的熱容量。
65.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，其中所述復(fù)合材料具有0.04至0.9的反射系數(shù)。
66.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，還包含大約I至大約99體積％的孔隙率。
67.如權(quán)利要求66所述的復(fù)合材料，優(yōu)選包含大約I至大約70體積％的孔隙率。
68.如權(quán)利要求67所述的復(fù)合材料，最優(yōu)選包含大約I至10體積％的孔隙率。
69.如權(quán)利要求67所述的復(fù)合材料，最優(yōu)選包含大約50至70體積％的孔隙率。
70.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，其中所述粘結(jié)基質(zhì)包含大約I至99體積％的體積分?jǐn)?shù)。
71.如權(quán)利要求70所述的復(fù)合材料，其中所述粘結(jié)基質(zhì)優(yōu)選包含大約8至99體積％的體積分?jǐn)?shù)。
72.如權(quán)利要求71所述的復(fù)合材料，其中所述粘結(jié)基質(zhì)最優(yōu)選包含大約8至30體積％的體積分?jǐn)?shù)。
73.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，其中所述粘結(jié)基質(zhì)顯示出至少一種互連模式。
74.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，還包含層級(jí)結(jié)構(gòu)，所述層級(jí)結(jié)構(gòu)包含I級(jí)、2級(jí)、3級(jí)、4級(jí)或其組合的至少一種。
75.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，還包含無(wú)水合物的膠合鍵。
76.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，還包含至少一種添加劑，所述添加劑包含碳酸鈣、石膏、沙子、骨料、礦物、金屬纖維、有機(jī)纖維、陶瓷纖維、廢軟木顆粒、消泡劑、超細(xì)粒子、低密度骨料、高密度骨料或其組合。
77.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，還包含整料固體。
78.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，還包含聚合物、著色劑、分散劑、金屬或其組合的至少一種。
79.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，還包含模仿天然石材的顏色與紋理。
80.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料,還包含模仿選自大理石、石灰石、砂巖、花崗巖、赤陶、凝灰石和蛇紋巖的材料的顏色與紋理。
81.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，還包含模仿建筑混凝土的顏色與紋理。
82.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料，還包含模仿選自砂漿、薄漿和高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)磚之一的顏色與紋理。
83.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料的使用方法，包括在高強(qiáng)度混凝土、快速?gòu)?qiáng)度混凝土、高性能混凝土、超高性能混凝土、充加氣混凝土、泡沫混凝土、透水混凝土、高密度混凝土、重質(zhì)混凝土、大規(guī)?；炷痢㈩A(yù)應(yīng)力混凝土、自密實(shí)混凝土、碾壓混凝土、建筑混凝土、噴射混凝土、澆鑄混凝土和無(wú)坍落度混凝土的一種或多種中使用所述復(fù)合材料。
84.使用權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料的方法，包括在建筑物、建筑、車行道、橋梁和其它下部結(jié)構(gòu)應(yīng)用的一種或多種中使用所述復(fù)合材料。
85.如權(quán)利要求37所述的復(fù)合材料的使用方法，包括在聲音屏蔽、輻射屏蔽、耐火、耐火材料、極端天氣條件、船用應(yīng)用、低溫應(yīng)用、抗地震構(gòu)件、土工合成類構(gòu)件和耐噴射與防爆應(yīng)用的一種或多種中使用所述復(fù)合材料。
86.如權(quán)利要求37所述的 復(fù)合材料的使用方法,包括在一種或多種電子、光學(xué)、磁、生物醫(yī)藥、生物技術(shù)、藥物、農(nóng)業(yè)、電化學(xué)、催化、核、能量?jī)?chǔ)存、發(fā)電、太空、汽車、人體與車輛裝甲、紡織和研磨與切削、化學(xué)分離、光電、熱離子和/或電致發(fā)光應(yīng)用中使用所述復(fù)合材料。
87.—種制造復(fù)合材料的方法，所述方法包括: 提供包含多個(gè)前體粒子的前體材料，所述前體材料具有一定程度的孔隙率； 將液體溶劑引入所述前體材料的孔隙中；和 將氣體反應(yīng)物引入所述前體材料的孔隙中，由此將所述前體粒子轉(zhuǎn)化為具有第一層和第二層的粘結(jié)元件。
88.如權(quán)利要求87所述的方法，其中所述前體粒子的至少一部分不與所述反應(yīng)物反應(yīng)，并保留以形成所述粘結(jié)元件的芯。
89.如權(quán)利要求87所述的方法，其中所述前體粒子全部轉(zhuǎn)化為第一層和第二層，由此在所述粘結(jié)元件中不留下前體粒子。
90.如權(quán)利要求87所述的方法，其中向前體材料中引入液體溶劑包括浸透所述前體材料以使所述液體充滿所述前體材料的孔隙。
91.如權(quán)利要求87所述的方法，其中向前體材料中引入液體溶劑包括用所述液體部分充滿所述前體材料的孔隙。
92.如權(quán)利要求91所述的方法，其中向前體材料中引入液體溶劑還包括: 蒸發(fā)所述液體； 用使所述液體遍布所述前體材料孔隙分布的方式冷凝所述液體。
93.如權(quán)利要求91所述的方法，還包括將所述前體材料與填料材料混合。
94.如權(quán)利要求87所述的方法，其中所述填料材料包括惰性材料。
95.如權(quán)利要求87所述的方法，其中所述惰性材料包含多個(gè)等軸粒子。
96.如權(quán)利要求87所述的方法，其中所述惰性材料包含多個(gè)各向異性粒子。
97.如權(quán)利要求87所述的方法，其中所述惰性材料包含等軸粒子和各向異性粒子的組合。
98.如權(quán)利要求87所述的方法，其中所述填料材料包括活性材料。
99.如權(quán)利要求98所述的方法，其中所述活性材料包含多個(gè)等軸粒子。
100.如權(quán)利要求98所述的方法，其中所述活性材料包含多個(gè)各向異性粒子。
101.如權(quán)利要求98所述的方法，其中所述活性材料包含等軸粒子和各向異性粒子的組合。
102.如權(quán)利要求87所述的方法，其中提供包含多個(gè)前體粒子的前體材料包括以所需取向排列所述前體粒子。
103.如權(quán)利要求87所述的方法，其中以所需取向排列所述前體粒子包括以1-D取向排列所述前體粒子。
104.如權(quán)利要求87所述的方法，其中以所需取向排列所述前體粒子包括以2-D取向排列所述前體粒子。
105.如權(quán)利要求87所述的方法，其中以所需取向排列所述前體粒子包括以3-D取向排列所述前體粒子。
106.如權(quán)利要求87所述的方法，其中提供包含多個(gè)前體粒子的前體材料包括以隨機(jī)取向布置所述前體粒子。
107.一種制造粘結(jié)元件的方法，包括: (i)提供反應(yīng)性前體； (ii)將所述反應(yīng)性前體的至少一部分轉(zhuǎn)化以便在所述前體的未轉(zhuǎn)化部分上形成第一層和在所述第一層的至少一部分上形成封裝層，由此形成粘結(jié)元件； 其中所述第一層與所述前體共享至少一種第一陽(yáng)離子，和 其中所述封裝層與所述前體共享至少一種第二陽(yáng)離子。
108.如權(quán)利要求107所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)化經(jīng)歧化反應(yīng)進(jìn)行。
【文檔編號(hào)】C04B35/64GK103502183SQ201280021932
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2012年3月2日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月5日
【發(fā)明者】R.E.里曼, S.古普塔, V.阿塔坎, Q.李 申請(qǐng)人:新澤西州州立大學(xué)(拉特格斯)