BR112013022658B1

BR112013022658B1 - material compósito compreendendo: uma matriz de ligação e um material de enchimento incorporado na matriz de ligação e método para fabricar um material compósito

Info

Publication number: BR112013022658B1
Application number: BR112013022658-7A
Authority: BR
Inventors: Richard E. Riman; Surojit Gupta; Vahit Atakan; Qinghua Li
Original assignee: Rutgers, The State University Of New Jersey
Priority date: 2011-03-05
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2021-03-09
Also published as: NZ615697A; CN103502183B; JP6797430B2; TW201245100A; AU2012225755B2; EA201300991A1; CN103502183A; MX2013010181A; BR112013022658A2; KR20140090562A; US10266448B2; US20190202736A1; US20170044061A1; WO2012122031A3; EP3527548A1; CA2829320A1; EP2683676A4; MX351382B; EA025941B1; AU2012225755A1

Abstract

ELEMENTO DE LIGAÇÃO, MATRIZ DE LIGAÇÃO E MATERIAL COMPÓSITO TENDO O ELEMENTO DE LIGAÇÃO, E MÉTODO DE FABRICAÇÃO DESTES. A presente invenção refere-se a um elemento de ligação, a uma matriz de elemento de ligação e materiais compósitos com uma ampla faixa de propriedades atrativas que podem ser otimizadas, incluindo, mas não limitado a, propriedades mecânicas, propriedades térmicas, propriedades magnéticas, propriedades ópticas e propriedades nucleares, como um resultado de uma estrutura ou núcleo de primeira camada e segunda camada, estrutura de primeira camada, e segunda camada dos elementos de ligação, assim como métodos para fabricar os elementos de ligação e os materiais cerâmicos e/ou compósitos correspondentes.

Description

[001] Este pedido reivindica prioridade ao Pedido Provisório U.S. Serial Número 61/449.659, depositado em 5 de março de 2011, que é incorporado aqui por referência.

CAMPO DA INVENÇÃO

[002] A presente invenção geralmente se refere a materiais cerâmicos e/ou a compósitos. Mais especificamente, a presente invenção refere-se a materiais cerâmicos e/ou compósitos que compreendem elementos de ligação que melhoram as propriedades mecânicas e outras associadas com os materiais cerâmicos e/ou compósitos, assim como métodos para fabricar os elementos de ligação e os materiais cerâmicos e/ou compósitos correspondentes.

ANTECEDENTES

[003] Materiais cerâmicos convencionais, tais como cimento, concreto e outros materiais similares podem exibir propriedades de material fraco. Estas propriedades de material fraco podem ser devido ao fato de que as ligações, por exemplo, ligações de hidrato, no material são frequentemente fracas. As ligações de hidrato são ligações que contêm água em sua forma molecular. Cimento Portland hidratado é um exemplo de um material que contém ligações de hidrato tais como CaO^2Siθ2^4H∑O e CaO^H∑O. Esta fraqueza pode fazer com que o material cerâmico falhe prematuramente, que é claramente uma característica indesejável do material.

[004] Assim, uma necessidade existe para melhorar as ligações e, mais geralmente, a matriz de ligação associada com materiais cerâmicos, tais como cimento, concreto e outros materiais similares, de modo a fornecer materiais cerâmicos com propriedades melhoradas do material.

[005] Todas as referências citadas aqui neste relatório descritivo são incorporadas por referência em sua totalidade.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[006] De acordo com modalidades exemplares da presente invenção, os elementos de ligação, matrizes de ligação, materiais compósitos, e métodos de fabricar os ditos elementos de ligação resultam em uma faixa ampla de propriedades atrativas que podem ser otimizadas, incluindo, mas não limitadas a, propriedades mecânicas, propriedades térmicas, propriedades magnéticas, propriedades ópticas e propriedades nucleares, como um resultado da estrutura do núcleo/primeira camada/segunda camada dos elementos de ligação.

[007] Características e vantagens adicionais da invenção serão apresentadas na descrição que segue, e em parte estarão evidentes a partir da descrição, ou podem ser aprendidas pela prática da invenção. Os objetivos e outras vantagens da invenção serão realizados e atingidos pela estrutura particularmente apontada na descrição e reivindicações escritas desta assim como nos desenhos anexos.

[008] Deve ser entendido que tanto a descrição geral precedente quanto a descrição detalhada seguinte são exemplares e explanatórias e são intencionadas a fornecer explanação adicional da invenção conforme reivindicado.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[009] Os desenhos anexos, que são incluídos para fornecer um entendimento adicional da invenção e são incorporados e constituem uma parte deste relatório descritivo, ilustram modalidadesmodalidades da invenção e junto com a descrição servem para explicar os princípios da invenção. Nos desenhos: - as FIGS. 1(a) a 1(c) são seções transversais esquemáticas de elementos de ligação únicos de acordo com modalidades exemplares da presente invenção, ilustrando três morfologias de núcleo exemplares: (a) fibrosa, (b) elíptica, e (c) equiaxial. - as FIGS. 2(a) a 2(f) são vista lateral e vistas em seção transversal de materiais compósitos de acordo com modalidades exemplares da presente invenção, ilustrando (a) elementos de ligação na forma de fibra orientados 1D em uma matriz de ligação diluída (elementos de ligação não estão tocando), (b) elementos de ligação na forma de plaqueta orientados 2D em uma matriz de ligação diluída (elementos de ligação não estão tocando), (c) elementos de ligação na forma de plaqueta orientados 3D em uma matriz de ligação diluída (elementos de ligação não estão tocando), e (d) elementos de ligação na forma de plaqueta aleatoriamente orientados em uma matriz de ligação diluída (elementos de ligação não estão tocando), em que os materiais compósitos incluem a matriz de ligação e componentes enchedores tais como polímeros, metais, partículas inorgânicas, agregados etc., (e) uma matriz de ligação concentrada (com uma fração em volume suficiente para estabelecer uma rede de percolação) de elementos de ligação onde a matriz é orientada 3D, e (f) uma matriz de ligação concentrada (com uma fração em volume suficiente para estabelecer uma rede de percolação) de elementos de ligação aleatoriamente orientados, em que componentes enchedores tais como polímeros, metais, partículas inorgânicas, agregados etc. podem ser incluídos. Estruturas compreendendo uma mistura de elementos de ligação que tocam entre si e outros que são unidades dispersas são também previstos mas não mostrados aqui. Os elementos de ligação podem compreender qualquer uma das estruturas de camadas múltiplas básicas mostradas na FIG. 1 ou podem ter quaisquer morfologias adicionais, mas são mostrados em uma forma abreviada para esta figura. Seções transversais de morfologias de partícula de núcleo representativas são mostradas para clareza. - a FIG. 3 ilustra padrões de conectividade diferentes em dois sistemas de materiais compósitos de componente de acordo com modalidades exemplares da presente invenção. Regiões sombreadas mostram as regiões de matriz de ligação, e regiões não sombreadas são componentes enchedores, tais como metais, agregados, partículas inorgânicas ou polímeros. (FIG. 3 adaptada de: R. E. Newnham, D. P. Skinner e L. E. Cross, “Connectivity and piezoelectricpyroelectric composites”, Mat. Res. Bull. Vol. 13, páginas 525 a 536, 1978). - as FIGS. 4(a) e 4(b) mostram em (a) um material compósito 3-0 de acordo com modalidades exemplares da presente invenção, compreendendo uma matriz de ligação e partículas enchedoras equiaxiais aleatoriamente distribuídas na matriz de ligação, e (b) material compósito 3-1 de acordo com modalidades exemplares da presente invenção compreendendo matriz de ligação e componentes enchedores na forma de fibra orientados. - as FIGS 5(a) e 5(b) mostram imagens de microscopia eletrônica de varredura (SEM) de (a) elétron secundário (SE) e (b) elétron retroespalhado (BSE) de uma matriz de ligação de acordo com uma modalidade exemplar da presente invenção, composta de fibras de núcleo de volastonita cristalinas encapsuladas por sílica amorfa e circundada por partículas de CaCO3. - as FIGS. 6(a) a 6(c) mostram mapeamento químico por espectroscopia de raio X dispersiva de energia (EDS) de uma matriz de ligação de acordo com uma modalidade exemplar da presente invenção, ilustrando o mapa de superposição de Si (FIG. 6(a)) e Ca (FIG. 6(b)). Na FIG. 6(c) as regiões de CaSiO, SiO2, e CaCO3 são referenciadas por setas. Partículas de núcleo de volastonita (CaSiO3) na forma de fibra são encapsuladas por regiões ricas em SiO2 e circundadas por partículas de CaCO3. - a FIG. 7 mostra uma imagem de microscopia eletrônica de varredura de emissão de campo (FESEM) de uma indentação de dureza de Vicker de 20 N em uma matriz de ligação P3 (Tabela 6) de acordo com uma modalidade da presente invenção. - as FIGS. 8(a) a 8(c) mostram micrografias de FESEM de (a) uma indentação (Imagem SE), (b) ampliação mais alta do ponto marcado D em (b) (Imagem BSE), e (c) uma interface robusta entre o grão de volastonita de núcleo e o revestimento de fase de sílica. - a FIG. 9 mostra uma curva de tensão versus deslocamento de uma matriz de ligação P3 (ver também a Tabela 4) em compressão de uma modalidadeda presente invenção. - a FIG. 10 mostra uma curva de tensão versus deslocamento de um material compósito FB4 (ver a Tabela 3) em compressão de acordo com uma modalidade exemplar da presente invenção. - as FIGS. 11(a) a 11(d) mostram a interação de uma matriz de ligação P3 (ver também a Tabela 4) com (a) SiO2 e (b) SiO2, (c) Cinzas Volantes com alto teor de Ca (HCFA) e (d) CaCO3 de acordo com modalidades da presente invenção. A observação da matriz de ligação de P3 e interface de SiO2 (FIGS. 11(a) e (b)) revela que partículas de CaCO3 e revestimento rico em sílica em torno das fibras de núcleo de volastonita formaram uma interface com partículas de sílica externamente adicionadas. - as FIGS. 12(a) e 12(b) ilustram o comportamento de falha de um material compósito 0-3 de acordo com uma modalidade da presente invenção. A FIG. 12(a) mostra o compósito 0-3, onde 70%% em volume. de componentes particulados de areia (sílica) são dispersos na matriz de ligação de P3 com porosidades na estrutura (ver também a Tabela 4). Este material compósito mostrou uma falha gradual durante a compressão, e teve uma resistência compressiva de ~55 MPa (FIG. 12(b)). - as FIGS. 13(a) a 13(d) ilustram modalidades exemplares da presente invenção tendo níveis diferentes de estruturas hierárquicas de repetição. As FIGS. 13(a) e 13(b) ilustram um sistema hierárquico de nível 1, e as FIGS. 13(c) e 13(d) ilustram um sistema hierárquico de nível 2. - as FIGS. 14(a) a (c) mostram micrografias ópticas diferentes de um material compósito de acordo com uma modalidade da presente invenção. As FIGS. 14(a) e 14(b) mostram micrografias ópticas do material compósito formado usando-se uma razão volumétrica de 1:2:2 de Núcleos de Fibra FB1 (Tabela 3), (300 a 500) μm de areia, e (2 a 4) mm de areia e cascalho respectivamente, e a FIG. 14 (c) mostra a matriz de ligação nos espaços vazios de partículas de areia, e uma camada espessa de matriz de ligação circundou partículas de areia para agir também como uma fase de cimentação. - a FIG. 15 mostra (a) deformação versus temperatura, e (b) perfil de temperatura versus tempo de FB1B durante ciclagem térmica entre -40°C e 100°C. - a FIG. 16 mostra um lote de calor específico (cp) de P3 (Tabela 4) como uma função da temperatura. O experimento foi realizado de acordo com ASTM E1269. - a FIG. 17 mostra fotografias digitais de, (a) arenito natural convencional e um mímico de arenito de acordo com uma modalidade da presente invenção, (b) granito convencional e um mímico de granito de acordo com uma modalidade da presente invenção, e (c) terracota convencional e um mímico de terracota de acordo com uma modalidade da presente invenção. - a FIG. 18 mostra o efeito do tempo de reação em, (a) resistência compressiva, e (b) resistência à tração da matriz de ligação (104°C e -413,69 kPa (300 psi) de pressão de partida de CO2). A matriz de ligação e P3 é formada depois de 20 h de reação (Tabela 4). - a FIG. 19 mostra gráficos e resistência flexural versus deslocamento de (a) matriz de ligação de FB1B com fibras de metal de acordo com uma modalidade da presente invenção, (b) matriz de CPC2 prístina (Curva A) de acordo com uma modalidade da presente invenção, e CPC2 com 10 %% em peso de fibras de metal (curva C, composição FRCPC2, Tabela 16) e com 2,5 %% em peso de fibras de PVA (Curva B) de acordo com modalidades da presente invenção, e (c) comparação da resistência flexural da matriz de ligação de FB1B com 10 %% em peso como recebido e fibras de metal oxidado (enferrujado) (composições FRCPC2 e RFRCPC2, Tabela 16). - a FIG. 20 mostra imagens de (a) SE e (b) BSE de interface de fibras de aço uma matriz de ligação de acordo com uma modalidade da presente invenção, e mapeamento químico de EDS de (c) Ca, (d) Si, (e) Fe, e (f) O. - a FIG. 21 mostra a microestrutura SE FESEM do material compósito SRC3 (ver também a Tabela 18) de acordo com uma modalidade da presente invenção. - a FIG. 22 mostra (a) um lote de tensão flexural versus deslocamento de um material compósito FSRBC1 (ver também a Tabela 19), e (b) uma fotografia digital, que mostra a flexão do material compósito FSRBC1 durante o teste em um sistema INSTRON. - a FIG. 23 mostra FESEM, imagens de (a) SE e (b) BSE da microestrutura de olivina carbonatada de acordo com uma modalidade da presente invenção, e em ampliações mais altas, imagens de (c) BSE, (d) SE, e (c) BSE de partículas de olivina carbonatada de morfologias diferentes. - a FIG. 24 mostra FESEM, imagens de (a) SE e (b) BSE da microestrutura de diopsídio carbonatado de acordo com uma modalidade da presente invenção, e em ampliações mais altas, imagens de (c) SE e, (d) BSE de partículas de diopsídio carbonatado.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADESMODALIDADES ILUSTRADAS

[010] Referência será agora feita em detalhe a uma modalidade da presente invenção, o exemplo da qual é ilustrado nos desenhos anexos. Elemento de ligação

[011] As FIGS. 1(a) a 1(c) ilustram a seção transversal de elementos de ligação exemplares que podem compor pelo menos uma porção de um material cerâmico ou de um compósito maior. Como mostrado nas FIGS. 1(a) a 1(c), um elemento de ligação dado inclui um núcleo, representado pela porção interna preta; uma primeira camada, representada pela porção intermediária branca; e uma camada secundária ou encapsulante, representada pelo porção externa.

[012] De acordo com as modalidades exemplares da presente invenção, um elemento de ligação pode exibir qualquer tamanho e morfologia (isto é, forma) dependendo da aplicação intencionada. A Tabela 1 fornece uma lista não exclusiva de morfologias possíveis. A primeira camada pode incluir apenas uma camada ou subcamadas múltiplas dependendo da química do elemento de ligação e pode cobrir completamente o núcleo ou cobrir parcialmente o núcleo. A primeira camada pode existir em uma fase cristalina, uma fase amorfa ou uma combinação destas. A segunda camada pode incluir apenas uma camada ou subcamadas múltiplas e também pode cobrir completa ou parcialmente a primeira camada. A segunda camada também pode compreender uma pluralidade de partículas ou pode ser de uma fase contínua, com partículas separadas observáveis mínimas. TABELA 1 Geometrias Regulares (Sólidos Simétricos)

[013] Poliedros são sólidos fabricados de superfícies planas. Cada superfície é um polígono. Por exemplo, Sólidos platônicos, Prismas, Pirâmides Não poliedros são sólidos tendo uma superfície curva ou mistura de superfícies curvas e planas. Por exemplo, Esfera, Toro, Cilindro, Cone

Estruturas ocas: Sólidos Geométricos com uma Cavidade no Centro

Outros Descritores de Morfologia de Pó Qualitativa (principalmente para Sólidos Irregulares)

[014] Um elemento de ligação é produzido através de um processo de transformação. Este processo será descrito em mais detalhe abaixo. Em geral, entretanto, o processo envolve a transformação de partículas precursoras reativas. As partículas precursoras podem ter qualquer tamanho e forma desejados e podem ser similares em tamanho e forma, ou elas podem variar. A transformação de uma partícula precursora dada resultará em um elemento de ligação correspondente tendo um tamanho e forma similares. O processo de transformação procede expondo-se as partículas precursoras a um líquido reativo. Um reagente associado com o líquido depois reage com os elementos químicos que compõem as partículas precursoras, e mais especificamente, os elementos químicos na porção periférica das partículas precursoras. Esta reação eventualmente resulta na formação da primeira e segunda camadas anteriormente mencionadas.

[015] Em uma primeira modalidade do elemento de ligação descrito acima, as partículas precursoras compreendem dois ou mais elementos químicos, tal como um material cerâmico compreendendo cátions múltiplos ou um material metálico compreendendo metais múltiplos. Durante o processo de transformação, o reagente no líquido preferencialmente reage com pelo menos um primeiro dos elementos químicos, em que a reação entre o reagente e o pelo menos um primeiro elemento químico resulta na formação da primeira e segunda camadas, a primeira camada compreendendo um derivado da partícula precursora, geralmente excluindo o pelo menos um primeiro elemento químico, ao passo que a segunda camada compreende uma combinação do reagente e o pelo menos um primeiro elemento químico. Em comparação, o núcleo compreende a mesma ou quase a mesma composição química como a partícula precursora. Por exemplo, porções periféricas do núcleo podem variar a partir da composição química da partícula precursora devido ao lixiviamento seletivo de elementos químicos particulares a partir do núcleo.

[016] Assim, o núcleo e a segunda camada compartilham o pelo menos um primeira elemento químico da partícula precursora, e o núcleo e a primeira camada compartilham pelo menos um outro dos elementos químicos da partícula precursora. O pelo menos um primeiro elemento químico compartilhado pelo núcleo e pela segunda camada pode ser, por exemplo, pelo menos um elemento alcalino terroso (berílio, magnésio, cálcio, estrôncio, bário e rádio). O pelo menos um outro dos elementos químicos compartilhados pelo núcleo e pela primeira camada pode ser, por exemplo, silício, titânio, alumínio, fósforo, vanádio, tungstênio, molibdênio, gálio, manganês, zircônio, germânio, cobre, nióbio, cobalto, chumbo, ferro, índio, arsênio e/ou tântalo.

[017] Em uma segunda modalidade exemplar, as partículas precursoras podem compreender ainda dois ou mais elementos químicos; entretanto, durante o processo de transformação, o reagente no líquido preferencialmente reage com pelo menos um primeiro dos elementos químicos, em que a reação entre o reagente e o pelo menos um primeiro elemento químico resulta na formação da primeira e segunda camadas, a primeira camada e a segunda camada ambas compreendendo uma combinação do reagente e o pelo menos um primeiro elemento químico. Assim, os cátions associados com a composição química da primeira camada correspondem a um primeiro dos dois ou mais elementos químicos das partículas precursoras, e os cátions associados com a segunda camada também correspondem ao primeiro dos dois ou mais elementos químicos das partículas precursoras.

[018] Ainda em uma modalidade exemplar alternativa, a reação entre o reagente e o pelo menos um primeiro elemento químico das partículas precursoras pode ser realizada para a conclusão resultando assim na primeira camada tornando-se o núcleo do elemento de ligação e tendo uma composição química que é diferente daquela das partículas precursoras, e pelo menos uma camada de casca adicional ou secundária compreendendo uma composição que pode incluir ou não o pelo menos um primeiro elemento químico dos dois ou mais elementos químicos das partículas precursoras.

[019] As partículas precursoras podem ser selecionadas de qualquer material adequado que pode passar pela transformação descrita acima. Por exemplo, as partículas precursoras podem incluir óxidos e não óxidos de silício, titânio, alumínio, fósforo, vanádio, tungstênio, molibdênio, gálio, manganês, zircônio, germânio, cobre, nióbio, cobalto, chumbo, ferro, índio, arsênio, tântalo, e/ou elementos alcalinos terrosos (berílio, magnésio, cálcio, estrôncio, bário e rádio). Por exemplo, a partícula precursora pode incluir óxidos tais como silicatos, titanatos, aluminatos, fosfatos, vanadatos, tungstatos, molibdatos, galatos, manganatos, zirconatos, germinatos, cupratos, estanatos, hafnatos, cromatos, niobatos, cobaltatos, plumbatos, ferritas, indatos, arsenatos, tantalatos e combinações dos mesmos. Em uma modalidade preferida, as partículas precursoras incluem silicatos tais como ortossilicatos, sorossilicatos, ciclossilicatos, inossilicatos, filossilicatos, tectossilicatos e/ou silicato de cálcio hidratado. Acredita-se que os vários silicatos específicos listados na Tabela 2A podem ser usados como a partícula precursora. Também acredita-se que vários não silicatos específicos listados na Tabela 2A possam ser usados como a partícula precursora e que os vários materiais contendo rocha como listado na Tabela 2A podem ser usados como a partícula precursora. Tabela 2A: Lista de precursores reativos 1. Silicatos

[020] Também acredita-se que alguns materiais residuais possam ser usados como as partículas precursoras. Materiais residuais podem incluir, por exemplo, minerais, resíduo industrial, ou um material químico industrial. Alguns materiais residuais exemplares incluem silicato mineral, minério de ferro, periclásio, gipsita, hidróxido de ferro (II), cinzas volantes, cinzas de fundo, escória, vidro, cascas oleosas, lama vermelha, resíduo de bateria, concreto reciclado, resíduos de mineração, cinzas de papel, ou sais a partir da salmoura de osmose reversa concentrada.

[021] Partículas precursoras adicionais podem incluir tipos diferentes de materiais contendo rocha tais como rocha de cal-silicato, formação de fitch, gnaisse de hebron, gnaisse em camadas, membro intermediário, argilito, quartzito, sedimentos pré-cambrianos intermediários, de cor escura, quartzito feldspático com leitos de pedra calcária menores, biotita xisto metassedimentar de alto grau, gnaisse de biotita, mica xisto, quartzito, formação de hoosac, formação de partridge, gnaisse de Washington, formação Devoniana, Siluriana da enseada de greenvale, supergrupo de ocoee, metaarenito, metagrauvaca, formação de Rangeley, anfibolitos, mármore calcítico e de dolomita, formação de manhattan, gnaisse de biotita-quartzo- feldspato desbotado e cinza, e grupo de waterford.

[022] Partículas precursoras também podem incluir rochas ígneas tais como, mas não limitadas a, andesito, anortosito, basinito, boninito, carbonatito e charnoquito, materiais sedimentares tais como, mas não limitados a, argilito, arcose, brechas, cataclasito, giz, pedra argilosa, sílex córneo, sílex, gitsone, lighine, pedra calcária, xisto limoso, arenito, xisto, e siltito, materiais metamórficos tais como, mas não limitados a, anfibolitos, epidiorito, gnaisse, granulito, pedra verde, corneana, mármore, pelito, filito, quartzito, xisto, skarn, ardósia, carbonato de talco, e pedra-sabão, e outras variedades de rochas tais como, mas não limitadas a, adamelito, apinito, afanitas, borolanito, granito azul, epidosito, felsitos, sílex, gânister, ijolito, jadeitito, jasproide, kenyita, vogesita, larvikite, litchfieldite, luxullianite, mangerite, minette, novaculita, pirolita, granito rapakivi, porfiróide, shonkinite, taconita, teschenita, teralita, e variolito.

[023] Do mesmo modo, a primeira camada pode compreender qualquer composição química que pode ser derivada das composições químicas dos vários materiais precursores descritos acima.

[024] Como explicado previamente, a camada secundária, encapsulante, pode compreender uma combinação do reagente e de o pelo menos um elemento químico da partícula precursora. De acordo com modalidades exemplares da presente invenção, a camada secundária ou encapsulante pode compreender várias químicas possíveis. Por exemplo, a camada encapsulante pode compreender um carbonato tendo uma estrutura que ocorre naturalmente. A camada secundária ou encapsulante também pode compreender outras químicas de carbonato possíveis, assim como sulfatos, fosfatos e outros compostos aniônicos capazes de dissolver em um solvente e reagir com uma partícula precursora.

[025] A Tabela 2B fornece modalidades exemplares de tipos diferentes de químicas para a primeira e segunda camadas que podem ser obtidas quando do uso de materiais precursores diferentes. Os exemplos listados na Tabela 2B não devem ser intencionados como limitantes ou como uma lista exaustiva de materiais possíveis mas apenas tão exemplares quanto muitos tipos adicionais diferentes de químicas podem ser obtidos dependendo do material precursor. Com respeito à primeira camada, usando-se materiais precursores diferentes pode-se obter sílica, alumina ou titânia. A segunda camada também pode ser modificada com a seleção do material precursor. Por exemplo, a lista não exaustiva de materiais para a segunda camada exemplificada na Tabela 2B pode incluir vários tipos de carbonatos tais como, mas não limitados a, carbonatos puros, carbonatos de cátions múltiplos, carbonatos com água ou um grupo OH, carbonatos em camadas com água ou um grupo OH, carbonatos contendo ânion, carbonatos contendo silicato, e minerais que portam carbonato. Tabela 2B: Conceito que mostra como matérias-primas diferentes (precursores) podem ser usadas para gerar tipos diferentes de camadas encapsulantes

[026] Para fornecer ainda orientação adicional de como obter as modalidades exemplares acima listadas na Tabela 2B, o seguinte é um debate mais detalhado em como obter alguns destes materiais exemplares.

[027] Referindo-se novamente às FIGS. 1(a) a 1(c), três morfologias exemplares, diferentes para os elementos de ligação são ilustradas. A forma ou morfologia associada com o núcleo e/ou o elemento de ligação podem ser as mesmas ou similares à forma da partícula precursora. Assim, a partícula precursora e, consequentemente, o elemento de ligação correspondente e/ou núcleo pode assumir qualquer uma de várias morfologias, incluindo, mas não limitadas a uma forma esférica, uma forma elíptica, uma forma poligonal, tal como um hexágono, ou qualquer uma de várias outras formas. Além disso, a morfologia da partícula precursora e, consequentemente, do elemento de ligação correspondente e/ou núcleo pode ser equiaxial ou ter um eixo mais longo do que o outro, como no caso de uma forma de arame ou uma forma de bastão. Ainda mais, a partícula precursora pode compreender um cristal (isto é, “cristalina única”) ou uma pluralidade de cristais (isto é, “policristalina”). A partícula precursora pode compreender realmente uma pluralidade de partículas ou incluir uma fase amorfa.

[028] Em um primeiro exemplo específico, uma partícula precursora formada predominantemente de volastonita, CaSiO3, reage com dióxido de carbono dissolvido em água. Acredita-se que cátions de cálcio sejam lixiviados da volastonita e desse modo mudam a porção periférica do núcleo de volastonita em volastonita deficiente de cálcio. Conforme os cátions de cálcio continuam a ser lixiviados da porção periférica do núcleo, a estrutura da porção periférica eventualmente torna-se instável e quebra, transformando desse modo a porção periférica de volastonita deficiente de cálcio do núcleo em uma primeira camada predominantemente rica em sílica. Entretanto, acredita-se que uma segunda camada predominantemente de carbonato de cálcio precipita a partir da água. Mais especificamente, a primeira camada e a segunda camada podem ser formadas da partícula precursora de acordo com a reação seguinte: H2O + CaSiO3 + CO2 = CaCO3 + SiO2 + H2O

[029] O reagente do líquido reativo, aqui dióxido de carbono, preferencialmente reage com os cátions de Ca do núcleo precursor de volastonita, transformando desse modo a porção periférica do núcleo precursor em uma primeira camada rica em sílica e uma segunda camada rica em carbonato de cálcio. Também, a presença da primeira e segunda camadas no núcleo age como uma barreira para reação adicional entre volastonita e dióxido de carbono, resultando assim no elemento de ligação tendo o núcleo, primeira camada e segunda camada.

[030] Neste e outros exemplos da primeira modalidade, tanto os ânions quanto os cátions variam nas camadas respectivas. Neste exemplo, o núcleo tem íons Ca+2, Si+4 e O2-, a segunda camada tem principalmente Si+4 e O2- e uma pequena quantidade de íons Ca2+, enquanto a segunda camada tem íons Ca2+ e CO32-.

[031] Em um segundo exemplo da primeira modalidade, uma partícula precursora formada predominantemente de forsterita, Mg2SiO4, reage com dióxido de carbono dissolvido transformando uma porção periférica da forsterita em uma primeira camada predominantemente de sílica e uma segunda camada predominantemente de carbonato de magnésio. Mais especificamente, a primeira camada e segunda camadas podem ser formadas da partícula precursora de acordo com a reação seguinte: H2O + MgxSiyOz + CO2 = xMgCO3 + ySiO2 + H2O

[032] O reagente do líquido reativo, aqui dióxido de carbono, preferencialmente reage com os cátions de Mg do núcleo precursor de forsterita, transformando desse modo a porção periférica da partícula precursora em uma primeira camada rica em sílica e uma segunda camada rica em carbonato de magnésio. Também, a presença da primeira e segunda camadas no núcleo age como uma barreira para reação adicional entre forsterita e dióxido de carbono, resultando assim no elemento de ligação tendo o núcleo, primeira camada e segunda camada.

[033] Em um terceiro exemplo da primeira modalidade, uma partícula precursora formada predominantemente de talco, Mg3Si4O10(OH)2, é preaquecida a 900°C por 12 horas, para formar talco desidratado, reage com dióxido de carbono dissolvido transformando uma porção periférica do talco em uma primeira camada predominantemente de sílica e segunda camada formada predominantemente de MgCO3^xH2O(x=1-5). Mais especificamente, a primeira camada e a segunda camada podem ser formadas da partícula precursora de acordo com a reação seguinte: H2O + Mg3SÍ4Oio(OH)2 + CO2 = MgCO3^xH2O(x=1-5) + SÍO2 + H2O

[034] O reagente do líquido reativo, aqui dióxido de carbono, preferencialmente reage com os cátions de Mg do talco, transformando desse modo a porção periférica da partícula precursora em uma primeira camada rica em sílica e uma segunda camada rica com MgCO3^xH2O(x=1-5). Também, a presença da primeira e segunda camadas no núcleo age como uma barreira para reação adicional entre talco e dióxido de carbono, resultando assim no elemento de ligação tendo o núcleo, primeira camada e segunda camada.

[035] Em um quarto exemplo da primeira modalidade, uma partícula precursora formada predominantemente de diopsídio, MgCaSi2O6, reage com dióxido de carbono dissolvido transformando uma porção periférica do diopsídio em uma primeira camada predominantemente de sílica e segunda camada formada predominantemente de uma mistura de carbonato de cálcio, CaCO3, e carbonato de magnésio, MgCO3 e/ou dolomita (Mg,Ca)CO3 com razão variável de Mg e Ca. A segunda camada pode incluir, por exemplo, uma primeira subcamada de carbonato de magnésio e uma segunda subcamada de carbonato de cálcio. Alternativamente, a segunda camada pode incluir uma pluralidade de partículas carbonatadas, tais como CaCO3 (Mg,Ca)CO3 e MgCO3.

[036] A primeira camada e a segunda camada podem ser formadas da partícula precursora de acordo com uma ou com uma combinação de ambas as reações seguintes: H2O + MgCaSi2O6 + CO2 = MgCO3 + CaCO3 + SiO2 + H2O H2O + MgCaSi2O6 + CO2 = 2(Mgx,Cay)CO3 + SiO2 + H2O

[037] O reagente do líquido reativo, aqui dióxido de carbono, preferencialmente reage com os cátions de Ca e Mg do diopsídio, transformando desse modo a porção periférica da partícula precursora em uma primeira camada rica em sílica e uma segunda camada rica com uma mistura de carbonato de cálcio e carbonato de magnésio e/ou dolomita com razão variável de Mg e Ca. Também, a presença da primeira e segunda camadas no núcleo age como uma barreira para reação adicional entre diopsídio e dióxido de carbono, resultando assim no elemento de ligação tendo o núcleo, primeira camada e segunda camada.

[038] Em um quinto exemplo da primeira modalidade, a partícula/núcleo precursores devem ser formados de glaucofânio, Na2Mg3Al2Si8O22(OH)2, a primeira camada é rica em alumina e/ou sílica, e a segunda camada é MgCO3 e/ou NaAlCO3(OH)2.

[039] Em um sexto exemplo da primeira modalidade, a partícula/núcleo precursores são formados de paligorsquita, (Mg,Al)2SÍ4Ow(OH>4(H2O), a primeira camada é rica em alumina e/ou sílica, e a segunda camada é Mg6Al2CO3(OH)16,4H2O.

[040] Em um sétimo exemplo da primeira modalidade, a partícula/núcleo precursores são formados de meionita, Ca4(Al2Si2O8)3(Cl2CO3,SO4), a primeira camada é rica em alumina e/ou sílica, e a segunda camada é Ca2SO4CO3^4H2O.

[041] Em um oitavo exemplo da primeira modalidade, a partícula/núcleo precursores são formados de tanzanita, Ca2Al3O(SiO4)(Si2O7)(OH), a primeira camada é rica em alumina e/ou sílica, e a segunda camada é Ca5Si2O8CO3, Ca5Si2O8CO3 e/ou Ca∑SteOisCOs^H∑O.

[042] Em um nono exemplo da primeira modalidade, a partícula/núcleo precursores são formados de (Ba0,6Sr0,3Ca0,1)TiO3, a primeira camada é rica em titânia, e a segunda camada é olekminskita Sr(Sr,Ca,Ba)(CO3)2.

[043] Como demonstrado na Tabela 2C, a segunda camada também pode ser modificada introduzindo-se ânions e/ou cátions adicionais aos ânions CO3-2 já presentes. Consequentemente, a segunda camada pode compreender uma composição química incluindo cátions ligados com ânions correspondendo a um ou mais reagentes. Os cátions associados com a composição química da segunda camada podem ser ligados aos ânions de um primeiro reagente. Os cátions associados com a composição química da segunda camada podem ser ligados aos ânions de um reagente exceto o primeiro reagente. Os cátions associados com a composição química da segunda camada podem ser alternativamente ligados aos ânions de um primeiro reagente e aos ânions de um segundo ou mais reagentes. Tais ânions e cátions adicionais podem ser usados para modificar a segunda camada para aumentar suas propriedades físicas e químicas tais como resistência à chama ou resistência a ácido. Por exemplo, como mostrado na Tabela 2C, embora a primeira camada seja mantida como uma camada rica em sílica, a segunda camada pode ser modificada adicionando-se ânions ou cátions extras à reação. Alguns ânions exemplares que podem ser adicionados incluem PO4-2 e SO4-2. Outros ânions ou cátions também podem ser usados. Como demonstrado na Tabela 2C, os resultados finais podem incluir, por exemplo, diferentes carbonatos que portam fosfato, sulfato, fluoreto ou combinações deste. Como na Tabela 2B, os exemplos fornecidos na Tabela 2C são apenas exemplares e não devem ser intencionados como limitantes visto que eles não são uma lista exaustiva de possibilidades. Tabela 2C: Conceito que mostra como usar volastonita como uma partícula de núcleo, como diferente fonte de ânions e/ou cátions, além de ânions CO3-2, pode ser usada para gerar camadas encapsulantes modificadas

[044] Em uma outra modalidade exemplar, uma partícula precursora pode ser formada predominantemente de cobre e pode ser reagida com água transformando uma porção periférica da partícula precursora em uma primeira camada formada predominantemente de hidróxido de cobre. Em seguida, dióxido de carbono pode ser usado para transformar uma porção periférica da primeira camada em uma segunda camada predominantemente de carbonato de cobre. A presença da segunda camada na primeira camada age como uma barreira para reação adicional entre dióxido de carbono e o cobre, resultando assim no elemento de ligação tendo o núcleo, primeira camada e segunda camada. Neste exemplo, cobre elementar está no núcleo, e a combinação Cu2+ e OH- para formar hidróxido de cobre constitui a primeira camada, e a combinação de Cu2+ e CO32- para formar carbonato de cobre constitui a segunda camada.

[045] Um resultado similar também pode ser obtido em uma modalidade exemplar modificada em que a partícula precursora pode ser formada predominantemente de óxido de cobre. A partícula precursora é depois reagida com água transformando uma porção periférica da partícula precursora em uma primeira camada formada predominantemente de hidróxido de cobre. Em seguida, dióxido de carbono pode ser usado para transformar uma porção periférica da primeira camada em uma segunda camada predominantemente de carbonato de cobre. A presença da segunda camada na primeira camada age como uma barreira para reação adicional entre dióxido de carbono e o cobre, resultando assim no elemento de ligação tendo o núcleo, primeira camada e segunda camada. Neste exemplo modificado, cobre também está presente no núcleo, a combinação de Cu2+ e OH- em hidróxido de cobre constitui a primeira camada, e a combinação de Cu2+ e CO32- em carbonato de cobre constitui a segunda camada. Assim, nestas modalidades exemplares, o núcleo e a primeira e segunda camadas todos têm as mesmas espécies catiônicas, mas ânions diferentes.

[046] Em uma outra modalidade exemplar, uma partícula precursora formada predominantemente de bronze reage com água transformando uma porção periférica da partícula precursora em uma primeira camada incluindo hidróxido de cobre. Em seguida, dióxido de carbono transforma uma porção periférica da primeira camada em segunda camada incluindo carbonato de cobre. A presença da segunda camada na primeira camada age como uma barreira para reação adicional entre dióxido de carbono e o bronze, resultando assim no elemento de ligação tendo o núcleo, primeira camada e segunda camada.

[047] Ainda em uma outra modalidade exemplar, uma partícula precursora também pode ser formada de um material exceto cobre ou bronze. O material precursor pode ser um selecionado da lista previamente debatida. Por exemplo, o material precursor pode compreender silício. O precursor pode compreender alternativamente alumínio. O material precursor de outro modo pode compreender ferro. O precursor poderia depois reagir para formar um hidróxido como a primeira camada. Assim, por exemplo, a primeira camada pode ser formada de um hidróxido de silício. Alternativamente, a primeira camada pode compreender um hidróxido de alumínio. A primeira camada ao contrário, poderia compreender um hidróxido de ferro. Além disso, ao invés de um hidróxido, a primeira camada pode compreender um óxido. Por exemplo, a primeira camada pode compreender um óxido de silício. Alternativamente, a primeira camada pode compreender óxido de alumínio. Ainda em uma outra alternativa, a primeira camada pode compreender um óxido de ferro. Similarmente, a segunda camada pode constituir um carbonato como debatido acima. Assim, por exemplo, a segunda camada pode compreender carbonato de silício. Alternativamente, a segunda camada pode compreender carbonato de alumínio. Ainda em uma outra modalidade, a segunda camada pode compreender carbonato de ferro. Como debatido acima, outros materiais precursores podem ser usados, assim estas composições de núcleo, primeira camada, e segunda camada são simplesmente exemplares e não devem ser intencionadas como limitantes. Processo de formação dos elementos de ligação

[048] Os elementos de ligação descritos acima podem ser formados, por exemplo, por um método de sinterização de fase líquida hidrotérmica auxiliada por gás. Neste método, um corpo sólido poroso incluindo uma pluralidade de partículas precursoras é exposto a um solvente, que parcialmente satura os poros do corpo sólido poroso, significando que o volume dos poros é parcialmente preenchido com água.

[049] Em alguns sistemas tais como unidades de formação de carbonato, completamente preenchendo os poros com água acredita-se que seja indesejável porque o gás reativo é incapaz de difundir da superfície externa do corpo sólido poroso a todos os poros internos por difusão gasosa. Ao contrário, o reagente do gás reativo dissolveria no líquido e difundiria na fase líquida da superfície externa aos poros internos, o que é muito mais lento. A difusão de fase líquida pode ser adequada para transformar corpos sólidos porosos finos, mas seria inadequada para corpos sólidos porosos mais espessos.

[050] Um gás contendo um reagente é introduzido nos poros parcialmente saturados do corpo sólido poroso e o reagente é dissolvido pelo solvente. O reagente dissolvido depois reage com o pelo menos primeiro elemento químico na partícula precursora para transformar a porção periférica da partícula precursora na primeira camada e na segunda camada. Como um resultado da reação, o reagente dissolvido é suprimido do solvente. Entretanto, o gás contendo o reagente continua a ser introduzido nos poros parcialmente saturados para fornecer reagente adicional ao solvente.

[051] Como a reação entre o reagente e o pelo menos primeiro elemento químico das partículas precursoras progride, a porção periférica da partícula precursora é transformada na primeira camada e na segunda camada. A presença da primeira camada na periferia do núcleo eventualmente impede a reação adicional separando-se o reagente e o pelo menos primeiro elemento químico da partícula precursora, desse modo fazendo com que a reação eficazmente pare, deixando um elemento de ligação tendo o núcleo como o centro não reagido da partícula precursora, da primeira camada em uma periferia do núcleo e uma segunda camada na primeira camada.

[052] Como um resultado da transformação, o núcleo tem a mesma forma ou similar como a partícula precursora, mas menor em tamanho, a primeira camada e a segunda camada podem todas ter espessura uniforme ou não uniforme que parcial ou completamente revestem o núcleo e podem ser camada porosa dependendo do tamanho e forma dos poros que circundaram a partícula precursora durante o processo de transformação. O elemento de ligação resultante compreendendo o núcleo, a primeira camada e a segunda camada, é geralmente maior em tamanho do que a partícula precursora, preenchendo nas regiões porosas adjacentes do corpo sólido poroso e possivelmente ligação com materiais adjacentes no corpo sólido poroso. Como um resultado, a formação de produtos na forma líquida pode ser formada que têm substancialmente o mesmo tamanho e forma como mas uma densidade mais alta do que o corpo sólido poroso. Isto é uma vantagem sobre processos de sinterização tradicionais que causam redução do transporte de massa para produzir um material com densidade mais alta do que o compacto inicial.

[053] Sem ser limitada pela teoria, a transformação do núcleo precursor pode ser efetuada porque pelo menos um primeiro elemento químico é lixiviado para fora da partícula precursora no solvente, deixando uma zona de supressão, que geralmente exclui o primeiro elemento químico exceto para uma concentração finita que formas a primeira camada. O primeiro elemento químico lixiviado é depois combinado com o reagente do solvente para formar a segunda camada. A presença da primeira e segunda camadas na periferia do núcleo precursor eventualmente impede a reação adicional separando-se o reagente introduzido e o primeiro elemento químico da partícula precursora, desse modo limitando a reação a uma taxa de reação muito lenta que pode ser parada para prática, deixando um elemento de ligação tendo o núcleo, a primeira camada em uma periferia do núcleo e uma segunda camada na primeira camada. Uma outra teoria é que os elementos químicos múltiplos da partícula precursora são dissolvidos o solvente e um primeiro elemento químico é precipitado para formar a primeira camada e posteriormente cátions remanescentes são precipitados para formar a segunda camada.

[054] Em um exemplo do método de sinterização de fase líquida hidrotérmica auxiliada por gás, um corpo sólido poroso compreendendo uma pluralidade de partículas precursoras é colocado em uma câmara de autoclave e aquecido. Água como um solvente é introduzida nos poros do corpo sólido poroso evaporando-se a água na câmara. Uma placa de resfriamento acima do corpo sólido poroso condensa a água evaporada que depois goteja sobre o corpo poroso e no poro do corpo sólido poroso, assim saturando parcialmente os poros do corpo sólido poroso. Entretanto, o método de introduzir água neste exemplo é um dos vários modos que a água pode ser liberada. Em um outro exemplo, a água pode ser aquecida e pulverizada.

[055] Entretanto, dióxido de carbono como um reagente é bombeado na câmara, e o dióxido de carbono difunde nos poros parcialmente saturados do corpo poroso. Uma vez nos poros, o dióxido de carbono dissolve na água, permitindo assim a reação entre as partículas precursoras e o dióxido de carbono para transformar as porções periféricas das partículas precursoras na primeira e segunda camadas.

[056] Em uma segunda modalidade, a partícula precursora compreende um ou mais elementos químicos, tais como um material cerâmico ou um material metálico. Durante o processo de transformação, um primeiro reagente associado com o líquido reage com pelo menos um primeiro elemento químico no material cerâmico ou metálico para formar a primeira camada. Um segundo reagente associado com o líquido depois reage com o primeiro elemento químico em uma porção periférica da primeira camada para formar a camada secundária, encapsulante. Consequentemente, o núcleo compreende a mesma composição química como a partícula precursora, incluindo o primeiro elemento químico. A primeira camada compreende um composto que é uma combinação do primeiro reagente e do primeiro elemento químico. A segunda camada compreende um composto que é uma combinação do segundo reagente e do primeiro elemento químico.

[057] Sem ser limitado pelo método de fabricação, o elemento de ligação descrito acima pode ser formado expondo-se o corpo sólido poroso incluindo pelo menos uma partícula precursora, tal como cobre, a um primeiro reagente, tal como água, para formar a primeira camada por reação da água e do cobre. Subsequentemente, um método de sinterização de fase líquida hidrotérmica auxiliada por gás pode ser realizado. Neste método, o núcleo e a primeira camada são expostos a um solvente (tal como água), que podem ou não inicialmente ter um segundo reagente dissolvido nestes que reage com a partícula precursora. Entretanto, um gás contendo quantidades adicionais do segundo reagente é introduzido na estrutura sólida porosa, desse modo fornecendo o segundo reagente ao solvente para reação adicional com a partícula precursora.

[058] Conforme a reação entre o segundo reagente e a primeira camada progride, o segundo reagente continua a reagir com a primeira camada, transformando a porção periférica da primeira camada na segunda camada. A formação da segunda camada pode ser pela exo-solução de um componente na primeira camada, e uma tal segunda camada pode ser uma camada gradiente, em que a concentração de um dos elementos químicos (cátions) que compõem a segunda camada varia de alta para baixa conforme o movimento da superfície da partícula de núcleo para a extremidade da primeira camada. Também é possível que a segunda camada também possa ser uma composição gradiente, tal como quando as camadas são amorfas ou compostas de soluções sólidas que têm composições constantes ou variadas.

[059] A presença da segunda camada na periferia do núcleo precursor eventualmente impede a reação adicional separando-se o segundo reagente e a primeira camada, fazendo com que a reação eficazmente pare, deixando um elemento de ligação tendo o núcleo, a primeira camada em uma periferia do núcleo e uma segunda camada na primeira camada. O elemento de ligação resultante é geralmente maior em tamanho do que a partícula precursora original, desse modo preenchendo nas regiões porosas adjacentes do corpo sólido poroso e ligando com materiais adjacentes do corpo sólido poroso. Como um resultado, o método leva em consideração a formação de produtos na forma líquida tendo substancialmente a mesma forma como mas uma densidade mais alta do que o corpo sólido poroso original. Isto é uma vantagem sobre os processos de sinterização tradicionais que causam redução do transporte de massa para produzir um material de densidade mais alta do que o compacto inicial. Matriz de ligação

[060] A matriz de ligação, de acordo com modalidades exemplares da presente invenção, compreende uma pluralidade de elementos de ligação, como previamente definido. A matriz de ligação pode ser porosa. Como explicado acima, o grau de porosidade depende de várias variáveis que podem ser usadas para controlar a porosidade, tal como temperatura, projeto do reator, o material precursor e a quantidade de líquido que é introduzido durante o processo de transformação. Assim, dependendo da aplicação intencionada, a porosidade pode ser ajustada a quase qualquer grau de porosidade de cerca de 1%% em volume a cerca de 99%% em volume. Material compósito

[061] A matriz de ligação pode incorporar o material de enchimento, que seria misturado com o material precursor durante o processo de transformação descrito acima, para gerar um material compósito.

[062] Em geral, o material de enchimento pode incluir qualquer um de vários tipos de materiais que podem ser incorporados na matriz de ligação, tais como, por exemplo, um material inerte e material ativo. O material inerte é um material que não passa por qualquer reação química durante a transformação e não age como um sítio de nucleação. O material ativo pode consistir em um primeiro tipo que não passa por qualquer reação química durante a transformação, mas age como um sítio de nucleação e/ou um segundo tipo que quimicamente reage com a matriz de ligação durante a transformação.

[063] Como explicado acima, o material inerte não passa por qualquer reação química durante a transformação e não age como um sítio de nucleação, embora ele possa interagir física ou mecanicamente com a matriz de ligação. O material inerte pode envolver polímeros, metais, partículas inorgânicas, agregados, e similares. Exemplos específicos podem incluir, mas não são limitados a basalto, granito, PVC reciclado, borracha, partículas metálicas, partícula de alumina, partículas de zircônia, partículas de carbono, partículas de carpete, partículas de KevlarTM e combinações dos mesmos.

[064] Como explicado acima, o primeiro tipo de material ativo não passa por qualquer reação química durante a transformação, mas age como um sítio de nucleação. Adicionalmente, ele pode física ou mecanicamente interagir com a matriz de ligação. Por exemplo, quando do uso de um elemento de ligação que tem uma fase de carbonato como a segunda camada, este tipo de material ativo pode incluir, por exemplo, pedra calcária, pós de mármore e outros materiais contendo carbonato de cálcio.

[065] Como explicado acima, o segundo tipo de material ativo quimicamente reage com a matriz de ligação durante a transformação. Por exemplo, hidróxido de magnésio pode ser usado como um material de enchimento e pode reagir quimicamente com uma fase de componente de cálcio de dissolução a partir da matriz de ligação para formar carbonato de magnésio e cálcio.

[066] Mais será dito sobre o uso de material de enchimento em combinação com a matriz de ligação, e como a adição do material de enchimento pode melhorar ainda mais a função, isto é, propriedades do material, do material compósito resultante.

[067] A matriz de ligação pode ocupar quase qualquer porcentagem do material compósito resultante. Assim, por exemplo, a matriz de ligação pode ocupar cerca de 1%% em volume a cerca de 99%% em volume do material compósito. Consequentemente, a fração em volume da matriz de ligação pode ser menos do que ou igual a cerca de 90%% em volume, tal como 70%% em volume, tal como 50%% em volume, tal como 40%% em volume, tal como 30%% em volume, tal como 20%% em volume, tal como menos do que ou igual a cerca de 10%% em volume. Uma faixa preferida para a fração em volume da matriz de ligação é cerca de 8%% em volume a cerca de 99%% em volume, a faixa mais preferida de cerca de 8%% em volume a 30%% em volume.

[068] O material compósito, incluindo a matriz de ligação e o enchedor, também pode ser poroso. Como explicado acima, o grau de porosidade depende de várias variáveis que podem ser usadas para controlar a porosidade, tal como temperatura, projeto do reator, o material precursor, a quantidade de líquido que é introduzido durante o processo de transformação e se qualquer enchedor é utilizado. Assim, dependendo da aplicação intencionada, a porosidade pode ser ajustada a quase qualquer grau de porosidade de cerca de 1%% em volume a cerca de 99%% em volume. Por exemplo, a porosidade pode ser menos do que ou igual a cerca de 90%% em volume, tal como 70%% em volume, tal como 50%% em volume, tal como 40%% em volume, tal como 30%% em volume, tal como 20%% em volume, tal como menos do que ou igual a cerca de 10%% em volume. Uma faixa preferida de porosidade para o material compósito é cerca de 1%% em volume a cerca de 70%% em volume, o mais preferivelmente entre cerca de 1%% em volume e cerca de 10%% em volume para densidade e durabilidade altas e entre cerca de 50%% em volume e cerca de 70%% em volume para peso leve e condutividade térmica baixa. Orientação da Matriz de Ligação

[069] Dentro da matriz de ligação, os elementos de ligação podem ser posicionados, em relação um ao outro, em qualquer uma das várias orientações. Como tal, a matriz de ligação pode exibir qualquer um de vários padrões diferentes. Por exemplo, os elementos de ligação podem ser orientados em uma direção (isto é, uma orientação “1-D”), em duas direções (isto é, uma orientação “2-D”) ou três direções (isto é, uma orientação “3-D”). Alternativamente, os elementos de ligação podem ser orientados em um padrão aleatório (isto é, uma orientação “aleatória”).

[070] A orientação do elemento de ligação anteriormente mencionada e outra pode ser obtida por qualquer um de vários processos. Estes processos incluindo, não são limitados a, fundição por fita, extrusão, fundição por campo magnético e campo elétrico. Entretanto, será entendido que pré-formar o precursor de acordo com qualquer um destes métodos ocorreria antes de transformar a partícula precursora de acordo com o método de transformação descrito acima. Uma pessoa de habilidade comum entenderia como orientar os elementos de ligação.

[071] Além disso, a concentração de elementos de ligação na matriz de ligação pode variar. Por exemplo, a concentração dos elementos de ligação em uma base de volume pode ser relativamente alta, em que pelo menos alguns dos elementos de ligação estão em contato um com o outro. Esta situação pode surgir se material de enchimento for incorporado na matriz de ligação, mas o tipo de material de enchimento e/ou a quantidade de material de enchimento é tal que o nível de diluição volumétrica do elemento de ligação é relativamente baixo. Em um outro exemplo, a concentração de elementos de ligação em uma base de volume pode ser relativamente baixa, em que os elementos de ligação são mais amplamente dispersos dentro da matriz de ligação tal que poucos, se algum, dos elementos de ligação estão em contato um com o outro. Esta situação pode surgir se o material de enchimento for incorporado na matriz de ligação, e o tipo de material de enchimento e/ou a quantidade de material de enchimento são tais que o nível de diluição é relativamente alto. Ainda mais, a concentração dos elementos de ligação em uma base de volume pode ser tal que todos ou quase todos os elementos de ligação estão em contato um com o outro. Nesta situação, nenhum material de enchimento pode ter sido adicionado, ou se o material de enchimento foi adicionado, o tipo de material de enchimento e/ou a quantidade de material de enchimento é tal que o nível de diluição volumétrica é quase não existente.

[072] As FIGs. 2(a) a 2(d) ilustram uma matriz de ligação que inclui elementos de ligação na forma de fibra ou plaqueta em diferentes orientações possivelmente diluídos pela incorporação do material de enchimento, como representado pelo espaçamento entre os elementos de ligação. A FIG. 2(a), por exemplo, ilustra uma matriz de ligação que inclui elementos de ligação na forma de fibra alinhados em uma orientação 1-D, por exemplo, alinhados com respeito à direção x. A FIG. 2(b) ilustra uma matriz de ligação que inclui elementos de ligação na forma de plaqueta alinhados em uma orientação 2D, por exemplo, alinhados com respeito às direções x e y. A FIG. 2(c) ilustra uma matriz de ligação que inclui elementos de ligação na forma de plaqueta alinhados em uma orientação 3-D, por exemplo, alinhados com respeito às direções x, y e z. A FIG. 2(d) ilustra uma matriz de ligação que inclui elementos de ligação na forma de plaqueta em uma orientação aleatória, em que os elementos de ligação não são alinhados com respeito a qualquer direção particular.

[073] As FIGs. 2(e) e 2(f) ilustram uma matriz de ligação que inclui elementos de ligação na forma de plaqueta em duas orientações e concentrações diferentes. A FIG. 2(e), por exemplo, ilustra uma matriz de ligação que inclui uma concentração relativamente alta de elementos de ligação na forma de plaqueta que são alinhados em uma orientação 3-D, por exemplo, alinhados com respeito às direções x, y e z. A concentração relativamente alta do elemento de ligação é ilustrada pela falta de material de enchimento em torno dos elementos de ligação; assim, existe pouca a nenhuma diluição dos elementos de ligação. Ao contrário, a FIG. 2(f) ilustra uma matriz de ligação que inclui uma concentração relativamente baixa de elementos de ligação na forma de plaqueta que são situados em uma orientação aleatória. A concentração relativamente baixa do elemento de ligação é ilustrada pela presença de material de enchimento em torno dos elementos de ligação; assim, existe pelo menos alguma diluição dos elementos de ligação. Devido à concentração e orientação dos elementos de ligação na FIG. 2(f), o material compósito pode ser referido como uma rede de percolação. O material compósito da FIG. 2(f) alcança o limiar de percolação porque uma proporção grande dos elementos de ligação está tocando entre si tal que uma rede contínua de contatos é formada de uma extremidade do material à outra extremidade.

[074] O limiar de percolação é a concentração crítica acima da qual elementos de ligação mostram conectividade de faixa longa com uma orientação ordenada (FIG. 2(e)) ou aleatória (Fig. 2(f)) de elementos de ligação.

[075] Além da orientação e concentração, os elementos de ligação na matriz de ligação podem ser dispostos tal que eles exibem um certo padrão de conectividade com o material de enchimento. Tais padrões de conectividade são descritos, por exemplo, em Newnham et al., “Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites”, Mat. Res. Bull. Vol. 13, páginas 525536, 1978).

[076] A FIG. 3 ilustra vários padrões de conectividade diferentes para um material compósito exemplar incluindo padrões de conectividade 0-0, 1-0, 20, 3-0, 1-1, 2-1, 3-1, 2-2, 3-2, 3-2, 3-3 e 3-3. Na FIG. 3, o material compósito exemplar tem dois componentes, um primeiro componente (sombreado) que pode representar a matriz de ligação, e um segundo componente (não sombreado) que pode representar o material de enchimento. Os tipos diferentes de padrões de conectividade podem ser explorados para obter propriedades desejadas do material associadas com o material compósito.

[077] As FIGS. 4(a) e 4(b) ilustram exemplos de um material compósito que compreende uma matriz de ligação (porção branca) e partículas enchedoras equiaxiais ou fibras anisotrópicas, respectivamente. No caso da FIG. 4(a), as partículas enchedoras equiaxiais são dispostas em uma orientação aleatória, ao passo que a matriz de ligação é alinhada ao longo de todos os três eixos. Assim, pode ser dito que o padrão de conectividade do material compósito na FIG. 4(a) é um padrão de conectividade 3-0. No caso da FIG. 4(b), as fibras enchedoras anisotrópicas são dispostas em orientação 1-D com respeito à direção z. Assim, pode ser dito que o padrão de conectividade do material compósito na FIG. 4(b) é um padrão de conectividade 3-1. Novamente, dependendo da aplicação e das propriedades do material desejadas, o material de enchimento pode ser qualquer um de uma pluralidade de materiais inertes e/ou ativos. Estrutura hierárquica

[078] Tipos diferentes de matrizes de ligação podem ser criados variando-se a porosidade da matriz e incorporando-se fibras de núcleo de tamanhos diferentes (como observado nas tabelas 3 e 4 abaixo). Se a composição de FB1 é um exemplo de matriz de ligação (Tabela 3), esta matriz de ligação pode ser usada para formar níveis de repetição 1, 2, 3, 4, ou mais altos de estruturas hierárquicas. O nível da estrutura hierárquica pode referir-se ao número de escalas de comprimento onde uma característica estrutural importante é introduzida (FIG. 13). Diferentes tipos de componentes particulados e de fibra podem ser usados com, por exemplo, estruturas hierárquicas de nível 1, 2, 3, ou mais alto para fabricar diferentes tipos de estruturas com conectividade diferente como mostrado na FIG. 3. Tabela 3: Variação da resistência compressiva em diferentes matrizes de ligação formadas usando-se diferentes dimensões de fibra de núcleo

Tabela 4: Efeito da porosidade de elementos de ligação fabricados com núcleos de fibra de d50 = 9 μm sobre a resistência compressiva

[079] A hierarquia descreve como estruturas de padrões em várias escalas de comprimento. Os exemplos descritos acima são, entretanto, um exemplo de como os elementos de ligação podem ser hierarquicamente utilizados em uma maneira que pode promover o empacotamento denso, que leva em consideração a fabricação de um material forte, entre outros propósitos úteis, funcionais potenciais.

[080] Uma ilustração da estrutura hierárquica de repetição de níveis múltiplos é mostrada na Figura 13 em que uma estrutura hierárquica ordenada pode repetir em diferentes escalas de comprimento, tal como 1 ou mais escalas de comprimento.

[081] Por exemplo, um sistema hierárquico de repetição de nível 1 pode ser descrito como um compósito formado combinando-se duas faixas de tamanho diferente ou tamanho de partícula, geralmente diferindo por uma ordem de magnitude. As partículas de tamanho maior podem arranjar em tipos diferentes de empacotamento como Empacotamento Compacto Hexagonal, ou Empacotamento Compacto Cúbico, ou Empacotamento Aleatório, mas não limitados a estes, para formar uma rede que contém espaços vazios intersticiais, e as partículas de menor tamanho podem acomodar nos vazios das partículas de tamanho maior. Idealmente, estes sistemas hierárquicos podem ser preparados usando-se partículas do mesmo tamanho em cada nível, por exemplo partículas esféricas com 1 mm de diâmetro estão preenchendo espaços vazios intersticiais de partículas esféricas empacotadas com 10 mm de diâmetro. Entretanto, na prática, é difícil obter partículas monodispersas, consequentemente, sistemas hierárquicos serão ilustrados usando-se distribuições contínuas modais de tamanho de partícula. Por exemplo, elementos de ligação do tipo FB1B (d50, ~9 μm) podem ajustar nos vazios de partículas enchedoras de tamanho de partícula variando entre (100 a 500) μm (Figura 13(a)). De modo a realçar ainda mais a conectividade da matriz de ligação na estrutura, um revestimento de elementos de ligação do tipo FB1B também pode ser aplicado às partículas enchedoras mais grossas e consequentemente estes elementos de ligação do tipo FB1B podem preencher os espaços vazios de partículas enchedoras mais grossas revestidas (Figura 13(b)). Um outro método alternativo de fabricar estrutura hierárquica de nível 1 seria usar partículas enchedoras finas (< 1 μm de tamanho de partícula mediano) nos vazios da matriz de ligação de FB1B.

[082] Por exemplo, o sistema hierárquico de nível 2 pode ser descrito como um compósito do sistema hierárquico de nível 1 combinado com partículas maiores ou menores cujo tamanho de partícula difere em uma ordem de magnitude das partículas mais grossas ou mais finas na hierarquia de nível 1. Por exemplo, no presente exemplo, elementos de ligação do tipo FB1B nos vazios de partículas enchedoras médias entre (100 e 500) μm, e subsequentemente este sistema hierárquico de nível 1 uniformemente distribuído nos vazios de agregados mais grossos de 1 a 5 mm (Figura 13(c)). De modo a realçar a conectividade da matriz de ligação ainda mais, um revestimento fino da matriz de ligação de FB1B (Tabela 3) pode ser aplicado tanto em partículas enchedoras mais grossas quanto médias (Figura 13(d)).

[083] Por exemplo, um sistema hierárquico de nível 3 pode ser descrito como um compósito do sistema hierárquico de nível 2 combinado com partículas maiores ou menores diferindo em uma ordem de magnitude do que a maior ou a menor partícula na hierarquia de nível 2. Por exemplo, partículas enchedoras finas < 1 mícron nos vazios da matriz de FB1B formando uma hierarquia de nível 1, e subsequentemente esta hierarquia de nível 1 nos vazios de partículas enchedoras maiores entre 100 e 500 μm formando uma hierarquia de nível 2, e finalmente esta hierarquia de nível 2 nos vazios de agregados enchedores de 1 a 5 mm formando uma hierarquia de nível 3. Ao longo da mesma linha, uma ordem mais alta, sistema hierárquico de nível n pode ser gerada. Conforme os níveis de hierarquia aumentam, a faixa de escalas de comprimento incluindo os vários níveis também aumenta. Assim, conforme n aumenta até o infinito, assim faz a escala de comprimento. Esta faixa imensa de escala de comprimento e hierarquia fornece um modo infinito para implementar nosso novo elemento de ligação nos materiais.

[084] Também é possível usar elementos de ligação com partículas diferentes de faixas de fração de tamanho diferentes para realçar o empacotamento usando-se sistemas de empacotamento hierárquicos que não de repetição ou aleatórios igualmente. Como tal, a organização das partículas é que não de repetição e hierárquica - alguns podem considerar esta hierárquica em estrutura, mas tendo estrutura diferente no sentido geométrico em escalas de comprimento diferentes, ou empacotamento aleatório que envolve partículas são misturados aleatoriamente sem incorporar estruturas não aleatórias tais como empacotamento intersticial de poros grandes com partículas ou revestimentos finos de um componente particulado no topo de uma outra.

[085] Estas estratégias de empacotamento podem levar a densidades aparentes altas, o que pode ser manifestado por valores de absorção de água pequenos. Por exemplo, a absorção de água de FB1B (Tabela 3) é 7,7 ± 0,6% em peso (teste de água em ebulição de 5 h, ASTM C 67). Se dois componentes de faixas de tamanho diferentes são usados, por exemplo, quando núcleos de fibra de volastonita de FB1B são combinados com areia (CPC2, Tabela 12) o empacotamento é melhorado, e a absorção de água diminui para 5,3 ± 0,5% em peso. Similarmente, quando partículas de três frações de tamanho são usadas, isto é, núcleos de fibra de volastonita de FB1B combinados com areia (tamanho de partícula entre 300 e 500 mícrons) e agregados de basalto (tamanho de partícula entre 6 e 8 mm), a absorção de água é diminuída ainda mais para 3,1 ± 0,9 %% em peso. Alternativamente, se 1% em peso de sílica fumigada (d50 < 1 μm) é adicionado na composição do tipo CPC2 então a absorção de água é diminuída ainda mais para 2,6% em peso. Uso da matriz de ligação

[086] A matriz de ligação, incluindo os elementos de ligação descritos acima pode ser usada para adaptar e, portanto, melhorar as propriedades do material de quase qualquer artigo que tem uma microestrutura que pode ser modificada pela incorporação da matriz de ligação, tal como cimento ou concreto. Em um exemplo, a matriz de ligação pode ser utilizada como um substituto parcial ou completo para cimento Portland, e usada como uma fase de ligação livre de hidrato para componentes tipicamente usados em uma faixa ampla de produtos de concreto, desse modo melhorando as várias propriedades do material associadas com estes produtos.

[087] As propriedades do material do material compósito que podem ser melhoradas como um resultado da incorporação de uma matriz de ligação, incluindo elementos de ligação, de acordo com modalidades exemplares da presente invenção, incluem propriedades mecânicas, propriedades térmicas e durabilidade. Entretanto, propriedades mecânicas, térmicas e de durabilidade específicas exceto aquelas listadas na Tabela 19 podem ser melhoradas igualmente. Propriedades adicionais do material tais como propriedades ópticas, propriedades eletrônicas, propriedades catalíticas, propriedades nucleares e propriedades magnéticas também podem ser melhoradas.

[088] Por via de exemplo, um material compósito compreendendo uma matriz de ligação de acordo com modalidades exemplares da presente invenção pode exibir tolerância a dano melhorada sob compressão. Em seguida, partículas de volastonita exemplares são geralmente referidas como tendo uma forma de fibra para simplicidade. Entretanto, as partículas de volastonita podem ter qualquer morfologia geralmente anisotrópica, tal como tendo uma forma acicular ou similar à fibra.

[089] Com referência à FIG. 9, um material composto de núcleos de volastonita menores (Composição P3 na Tabela 4, Fig. 9) exibe fratura com pouca ou nenhuma deformação plástica repentina devido à tensão na compressão. Entretanto, com referência à FIG. 10 (Composição FB4 na Tabela 3, Fig. 10), a incorporação dos núcleos de fibra de volastonita mais longos na matriz de ligação faz com que uma série de deflexões de fenda ocorra, onde cada deflexão fornece alívio (isto é, “recuperação de dano”) do acúmulo de tensão, desse modo retardando o início da última falha. Um outro modo, em que a matriz de ligação pode falhar por fragilidade repentina com falha mais gradual, é utilizando-se uma pluralidade de tamanhos de partícula de núcleo e partículas enchedoras finas na camada encapsulante (Fig. 12). Por exemplo, partículas finas, tais como partículas de sílica, podem ser dispersas em uma matriz de ligação com porosidade. Com referência ao composto FB4 na Tabela 3, o núcleo pode compreender partículas de três tamanhos diferentes em três frações de volume. Um número maior ou menor de tamanhos (por exemplo, 2, 4, 5, 6, ou mais) ou frações de volume diferentes pode ser usado. A matriz de ligação depois pode agir como uma fase de cimentação livre de hidrato no compósito ligando-se a si próprio e as partículas finas. Uma tal microestrutura compósita levaria em consideração a falha gradual, como demonstrado na FIG. 12.

[090] Neste exemplo, o mecanismo de propagação de fenda está sendo alterado por causa das diferentes interfaces formadas na matriz de ligação. A(s) partícula(s) de núcleo pode(m) agir como um defletor de fenda. Adicionalmente, uma primeira interface é formada entre o núcleo e a primeira camada, e uma segundo interface é formada entre a primeira camada e a camada encapsulante. As duas interfaces diferentes podem ter as mesmas resistências ou diferentes. Por exemplo, a primeira interface pode ter resistência interfacial mais alta (por exemplo, resistência mecânica) do que a segundo interface, e vice versa. Como um resultado, depois que uma fenda é iniciada e começa a propagar, a fenda pode ser defletida de uma fase mais forte e ao contrário, propagar ao longo da interface mais fraca, causando descolamento nesta.

[091] Foi demonstrado que um material compósito incluindo a matriz de ligação pode exibir propriedades mecânicas melhoradas como apresentado na presente divulgação. Também, como demonstrado na Tabela 10, o artigo pode ter uma condutividade térmica mais alta e um coeficiente de expansão térmica mais baixo do que o cimento Portland convencional. Além disso, acredita-se que vários materiais compósitos de acordo com a presente invenção também possam exibir uma faixa ampla de propriedades, tais como aquelas mostradas na Tabela 5. Deve ser entendido que modalidades exemplares de materiais compósitos também podem ter propriedades correspondendo a subconjuntos das faixas listadas na Tabela 5. Por exemplo, modalidades podem incluir materiais compósitos que têm um coeficiente de expansão térmica entre 3 x 10-6/°C e 15 x 10-6/°C. Modalidades exemplares de material compósito podem exibir uma condutividade térmica maior do que cerca de 0,13 W/m.k, e menos do que cerca de 196 W/m.k. Modalidades exemplares de material compósito podem exibir uma capacidade térmica entre 6 e 900 J/mol.K. Modalidades exemplares de materiais compósitos podem exibir uma dureza de Vicker entre cerca de 1 GPa e 30 GPa. Outras modalidades exemplares incluem materiais compósitos que podem exibir uma resistência compressiva variando entre 14 a cerca de 3.000 MPa e uma resistência flexural de menos do que cerca de 380 MPa. Modalidades exemplares de materiais compósitos também podem exibir tensão de deformação de menos do que 4,14 x 10-7 MPa (60 x 10-6/psi). Modalidades exemplares de materiais compósitos podem exibir permeabilidade em Cl- de menos do que 700 C. Modalidades exemplares de materiais compósitos podem ser autorreforçadas e têm uma resistência ao impacto com esfera maior do que 6 J. Modalidades exemplares de materiais compósitos também podem ser reforçadas com fibras de aço e têm uma resistência ao impacto com esfera maior do que 10 J. Além disso, modalidades exemplares de materiais compósitos podem exibir combinações das subfaixas acima de propriedades e/ou daquelas faixas de propriedades listadas na Tabela 5. Tabela 5: Limite superior e inferior de diferentes propriedades de material compósito de acordo com modalidades

1http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=d8d230a8d966 4bc390199dab7bc56ele&ckck= 1 2http://www.insaco.com/matpages/mat display.asp?M=SIC-RB 3http://en.wikipedia.org/wiki/Fracture_toughness 4http://www.hexoloy.com/ 5http://www.physorg.com/news8947.html 6http://chemicalproperties.org/property/melting-point/ 7http://www.ferroceramic.com/Cordierite table.htm 8Kurt Kleiner (21-11-2008). “Material slicker than Teflon discovered by accident”. http://www.newscientist.com/article/dn16102-material-slicker- than-teflon-discovered-by-accident.html. Reparado em 25-12-2008. 9http://en.wikipedia.org/wiki/Albedo#cite note-heat island-0 10Evans, D A; McGlynn, A G; Towlson, B M; Gunn, M; Jones, D; Jenkins, T E; Winter, R; Poolton, N R J (2008). “Determination of the optical band-gap energy of cubic and hexagonal boron nitride using luminescence excitation spectroscopy”. Journal of Physics: Condensed Matter 20: 075233. doi:10.1088/0953-8984/20/7/075233. Aplicações

[092] A matriz de ligação e/ou elemento de ligação presentemente descrito pode ser usado em uma variedade de aplicações. Por causa das propriedades superiores deste elemento/matriz de ligação como descrito aqui, o elemento/matriz pode ser usado em aplicações em aplicações eletrônicas, ópticas, magnéticas, biomédicas, biotecnológicas, farmacêuticas, agrícolas, eletroquímicas, de armazenamento de energia, geração de energia, aeroespaciais, automobilísticas, de blindagem corporal e veicular, teciduais, e abrasivas e de corte, e qualquer combinação das aplicações precedentes. O mesmo também pode ser usado como separações fotoquímicas, químicas, materiais fotoelétricos, termiônicos e/ou eletroluminescentes.

[093] Alguns dos exemplos ilustrativos são fornecidos abaixo:

[094] O elemento ou matriz de ligação pode ser usado como um cimento Portland similar à fase cimentícia, cal/cimento, ou materiais cimentícios relacionados. Estes sólidos podem ser aplicados em quaisquer aplicações de cimento Portland, cal/cimento ou materiais cimentícios relacionados.

[095] O elemento/matriz de ligação pode ser combinado com aditivos, incluindo CaCO3, ou gipsita, e areia, para formar sólidos monolíticos. Sólidos monolíticos são sólidos que são formados como um único pedaço, sem uniões ou junções. Para os propósitos deste relatório descritivo, o termo “monolítico” não está sendo usado ou intencionado para ser usado para descrever a uniformidade em um nível microscópico. Exemplos dos sólidos monolíticos podem imitar e/ou assemelhar-se ao desempenho assim como à aparência de Terracota, ou pedras naturais, tais como granito e pedra calcária. A aparência pode ser criada formando-se ainda cores e texturas diferentes com aditivos. Em uma modalidade, estes sólidos monolíticos podem ser usados em quaisquer aplicações em que Terracota convencional, ou pedras naturais são utilizadas.

[096] O elemento ou matriz de ligação também pode ser combinado com areia, ou outros minerais para preparar argamassa ou rejunte, e o resultante material pode ser usado em quaisquer aplicações em que argamassa e rejunte convencionais são utilizados.

[097] O elemento/matriz de ligação também pode ser combinado com fibras metálicas, ou orgânicas, ou cerâmicas para fabricar um cimento fibroso. O material resultante pode ser usado em quaisquer aplicações em que cimentos fibrosos convencionais são utilizados.

[098] O elemento de ligação ou matriz de ligação pode ser usado em aplicações de concreto livres de hidrato. Em uma modalidade, o mesmo pode ser combinado com areia e agregado e/ou agregados para formar um material que imita e/ou assemelha-se ao concreto regular ou estrutural. O material resultante pode ser usado em quaisquer aplicações em que concreto estrutural ou regular convencional é utilizado, por exemplo, represas, pontes, piscinas, casas, ruas, pátios, porões, corrimãos, telhas cimentícias planas, telhas de mosaico, blocos de pavimento, postes de iluminação, tampas de ralo, ou combinações dos mesmos.

[099] Pelo ajuste cuidadoso das partículas, dispersantes, e/ou resíduos, tais como cortiça, agregados vítreos, materiais resultantes que imitam e/ou assemelham-se ao concreto de alta resistência (HSC), estruturas do tipo fibra 3D (por exemplo, mantas de concreto), concreto de durabilidade rápida (RSC), compósitos com base em cortiça, concreto vítreo, e concreto de alto desempenho (HPC) podem ser produzidos. O material resultante pode ser usado em quaisquer aplicações em que HSC convencional, mantas de concreto, RSC, compósitos com base em cortiça, concreto vítreo, HPC são utilizados.

[0100] Vapor e/ou vácuo durante o processo podem ser usados ainda para produzir o material que imita/assemelha-se ao Concreto a Vácuo (VC) e que pode ser usado em quaisquer aplicações em que VC convencional é usado. Em uma modalidade alternativa, controlando-se a porosidade, um material resultante que imita/assemelha-se ao concreto permeável pode ser produzido. O material pode ser usado em quaisquer aplicações, em que concreto permeável convencional é utilizado.

[0101] Em uma modalidade, o elemento/matriz de ligação é combinado com fibras, areia, agregados, e/ou outros aditivos, tais como antiespumantes e/ou partículas ultrafinas, tais como sílica fumigada e CaCO3, para preparar concreto reforçado com fibra (FRC) que desempenha como compósitos reforçados com fibra e/ou concreto de desempenho ultra-alto (UHPC). Estes sólidos podem ser usados em quaisquer aplicações, em que FRC e/ou UHPC convencionais são utilizados. Em uma modalidade alternativa, controlando-se a fluidez (por exemplo, adaptando-se o teor de água durante o processamento), outros tipos de instalação de produtos de concreto podem ser produzidos. Os produtos incluíram betão projetado, concretos autocompactantes, concretos compactados por cilindro, ou combinações dos mesmos.

[0102] Em uma outra modalidade, o elemento/matriz de ligação é combinado com um metal tal como alumínio e Ca(OH)2 e submetido à autoclave, ou controlando-se a porosidade usando-se auxiliares diferentes como vácuo, ou arrastamento de ar para produzir um material que imita/assemelha-se a concreto aerado por autoclave (AAC). Este material pode ser usado em quaisquer aplicações em que AAC convencional é utilizado.

[0103] Em uma modalidade alternativa, o elemento/matriz de ligação é combinado com areia e/ou agregados de densidade baixa (por exemplo, vermiculita e perlita expandidas, pedra-pomes, escória expandida, xisto expandido, ou combinações dos mesmos), e controlando-se a porosidade, estes composites podem ser usados como concretos de peso leve ou concreto celular, concreto aerado de peso leve, concreto de densidade variável, betão celular ou concretos de peso ultraleve ou qualquer outro material relacionado a estes tipos de concretos. Em uma outra modalidade, o elemento/matriz de ligação é combinado com agregados de densidade alta (por exemplo, densidade > 3,2 g/cm3), e o produto resultante pode ser concretos pesados.

[0104] O elemento/matriz de ligação presentemente descrito pode ser usado em combinação (e assim reforçado) com aço para fabricar material de concreto reforçado, que pode ser usado em quaisquer aplicações em que estruturas de concreto reforçado são utilizadas. O material pode ser pré-tensionado para imitar/assemelhar-se ao concreto protendido. Em uma modalidade, o elemento/matriz de ligação pode ser vertido em blocos muito grandes para produzir um material que imita/assemelha-se ao concreto em massa. Aplicações para estes tipos de concreto em massa de material podem incluir barragens, quebra-mares, ou uma combinação destes. O concreto derivado do elemento/matriz de ligação presentemente descrito também pode ser fabricado com texturas diferentes para propósitos decorativos.

[0105] Em algumas modalidades, um material compósito compreendendo o elemento/matriz de ligação presentemente descrito pode ter propriedades superiores. Por exemplo, ele pode ter resistência à corrosão excelente, tal como fornecer proteção ao reforço de aço em um ambiente com alto teor de cloreto, e durabilidade excelente em ambientes de sulfato agressivos. Um material compósito pode ser usado em aplicações altamente especializadas, tais como proteção sonora e/ou proteção contra radiação nuclear. Em uma modalidade, o material pode ter resistência à chama desejável, e pode ser adequado para aplicações refratárias. O material também pode resistir a condições meteorológicas extremas, tais como, por exemplo, condições de congelamento, temperaturas altas em desertos, ou flutuações meteorológicas extremas, e/ou resistência a congelamento-descongelamento. O material também pode ser adequado para o uso em aplicações especializadas marítimas, criogênicas, e/ou de resistência à rajadas. Em algumas modalidades, o material pode ser usado em estruturas resistentes a terremoto e/ou estruturas do tipo geossintético. EXEMPLOS DE TRABALHO NÃO LIMITANTES Exemplo 1

[0106] As FIGS. 5a e 5b mostram imagens SEM de elétron secundário (SE) e elétron retroespalhado (BSE) de fibras de núcleo de CaSiO3 aleatoriamente orientadas revestidas predominantemente por sílica amorfa, e estas fibras revestidas são encapsuladas com partículas de CaCO3. O mapeamento químico por EDS em FESEM da microestrutura mostrou que fibras de núcleo de volastonita são revestidas por regiões ricas em SiO2 e encapsuladas por partículas de CaCO3 (FIG. 6). Elementos diferentes de matriz de ligação são mantidos juntos por partículas de CaCO3. XRD desta composição revelou que CaSiO3 e CaCO3 (calcita) são fases cristalinas ao passo que regiões ricas em sílica são amorfas.

[0107] A Tabela 6 compara propriedades mecânicas de materiais monolíticos convencionais com composições diferentes (Tabelas 3 e 4) formados usando- se uma matriz de ligação com base em fibra de núcleo de volastonita. Estas matrizes de ligação mostraram uma faixa de resistências compressivas entre 40 e 300 MPa. Além disso, a resistência compressiva pode ser adaptada tanto pelo tamanho da unidade de núcleo da fibra quanto pela porosidade. A resistência mais alta observa nesta matriz de ligação tem uma resistência comparável a uma pedra de dimensão como granito. Amostras de FB1A e FB1B foram preparadas por métodos de formação por compressão e fundição, respectivamente, antes de conduzir a reação de desproporcionamento. Estas duas técnicas de formação de cerâmica diferentes deixam materiais com resistências compressivas levemente diferentes por causa de modos diferentes do pacote de matérias-primas (Tabela 3). Além disso, amostras menores com base em matriz de FB1A (diâmetro = 12,8 mm) com uma resistência média de 298 ± 5 MPa foram observadas. Estes resultados indicam que é possível realçar ainda mais a resistência nestes sólidos reduzindo-se as populações de defeito ainda mais por processamento mais avançado. Existem muitos métodos convencionais de processamento de pó que podem ser usados para reduzir as populações de defeito e por sua vez deixam amostras maiores a resultados que têm estas propriedades mecânicas melhoradas. Este processo de otimização é possível com alguma pessoa de habilidade comum dado o uso desta nova tecnologia de elemento de ligação. Tabela 6: Comparação da resistência compressiva de diferentes materiais

1Anne Duperret, Said Taibi, Rory N. Mortimore, Martin Daigneault, Effect of groundwater and sea weathering cycles on the strength of chalk rock from unstable coastal cliffs of NW France”, Engineering Geology 78 (2005) 321 343. 2S. Mindess, J.F. Young, e D. Darwin, Concrete, Segunda Edição, Prentice Hall (2003). 3http://www.supremesurface.com/granite/granite.html, 4http://content.wavin.com/WAXUK.NSF/pages/Terracotta-Performance-Data- EN/$FILE/performance_data.pdf

[0108] A FIG. 7 mostra uma Indentação de Dureza de Vicker em um material compósito com a microestrutura descrita no exemplo D (composição P3, Tabela 4). Este material compósito teve uma dureza de ~1,6 GPa. Fendas emanando do canto da indentação foram estudadas subsequentemente para entender a propagação da fenda (FIG. 8). As regiões B e D mostram que a fenda desviou em torno de fibras de núcleo de volastonita na forma de fibra diferentes por descolamento na interface entre regiões ricas em sílica e ricas em CaCO3 (FIG. 8(a)). Estas fibras de núcleo agem como defletores de fenda, e fendas subsequentemente desviaram em torno delas e propagaram através de fases ricas em CaCO3 presentes em limites de interface (FIG. 8b). Consequentemente, a interface entre a região revestida rica em sílica e CaCO3 é fraca, quando comparado à interface robusta entre o grão de volastonita de núcleo e o revestimento de fase de sílica (FIG. 8(c)). Esta única estrutura de interface pode ser usada para projetar estruturas em que fendas são defletidas por descolamento que aumenta a tolerância ao dano destas estruturas contra falha por fragilidade repentina. A composição P3 mostrou falha por fragilidade e teve uma resistência compressiva de 110 MPa (FIG. 9) e uma resistência à tração de 12 MPa.

[0109] É possível ainda adaptar a dureza destes materiais compósitos fabricando-se materiais compósitos com aditivos diferentes como carbonetos, silicatos, vidro, e cerâmicas vítreas ou ainda tipos diferentes de metais e polímeros. Para simplicidade, cálculos de dureza são feitos assumindo-se 30%% em volume de matriz de ligação de P3 combinado com aditivos diferentes, e subsequentemente, usando-se uma regra de cálculo de mistura, faixa diferente de valores de dureza pode ser calculada. Por exemplo, adicionando-se BeO, uma dureza de 1 a 1,3 GPa pode ser obtida, e adicionando-se B4C, uma dureza de 21 a 27 MPa pode ser obtida também como mostrado na Tabela 7. Em outras modalidades exemplares o material pode ter uma Dureza de Vicker entre cerca de 1 GPa e cerca de 30 GPa. Tabela 7: Sumário dos valores de dureza calculados de diferentes compósitos feito com elementos de ligação P3.

[0110] Similarmente, os elementos de ligação também podem ser utilizados para afetar a condutividade térmica. Também, os elementos de ligação podem ser usados para afetar a expansão térmica. Modalidades exemplares destas variações são fornecidas na Tabela 8. Tabela 8: Sumário da condutividade térmica e expansão térmica calculadas de diferentes compósitos fabricados com elementos de ligação P3 [1-6]

[0111] As Tabelas 3 a 4 mostram como a resistência compressiva varia com o tamanho da fibra de núcleo. Conforme o tamanho médio das fibras de núcleo foi diminuído de 70 para 9 mícrons, a resistência compressiva aumentou de 60 a tão alto quanto 300 MPa mas curvas de tensão versus deslocamento tal como na Fig 9 mostram que estes materiais passam por fratura catastrófica com pouca ou nenhuma deformação plástica (falha não atrativa).

[0112] A Composição FB4 é desenvolvida usando-se fibras de núcleo muito grandes (~2800-150 μm) de frações de tamanho diferentes para comunicar tolerância ao dano. Inicialmente durante a medição de tensão versus deslocamento (FIG. 10), a tensão variou linearmente com o deslocamento. Depois de atingir uma última resistência compressiva (UCS) de 72 MPa, a tensão caiu rapidamente devido à falha, posteriormente a amostra recuperou sua resistência original (um sinal de tolerância ao dano ou em outras palavras, falha atrativa ou ductilidade ou falha dúctil); subsequentemente este ciclo continuou 3 vezes antes da falha. Assim, a estrutura interfacial desempenhou um papel principal na tolerância ao dano desta matriz de ligação (FIG. 10). Estes tipos de estruturas serão referidos como “Compósitos Cimentícios Autorreforçados (SRCC)”. Neste caso a novidade é que elementos de ligação com base em fibra estão agindo tanto como unidades cimentícias (fibras ativas ou enchedor), assim como, eles também estão agindo como defletores de fenda para tolerância ao dano.

[0113] Em resumo, tamanhos de fibras de núcleo desempenham um papel principal em controlar a mecânica da matriz de ligação. Se o tamanho de partícula médio das fibras de núcleo são pequenos (cerca de < 70 μm) então estas matrizes de ligação mostram resistências compressivas grandes (tão altas quanto 300 MPa) com fratura ou falha frágeis ao invés de atrativas. Se fibras de núcleo grandes (150 a 2800 μm) são usadas (composição FB4, Tabela 3) então a deflexão de fenda e descolamento destas interfaces de fibra ativa grandes desempenham um papel importante em induzir a tolerância ao dano (ou ductilidade ou falha atrativa).

[0114] Controlando-se a porosidade em matriz de ligação aleatoriamente orientada composta de fibras de núcleo de volastonita com tamanho de partícula médio de 9 μm, uma ampla variedade de estruturas pode ser criada. A Tabela 4 mostra o efeito da porosidade sobre a resistência compressiva da matriz de ligação. A diminuição na porosidade de 45% para 17% na matriz de ligação causou um aumento na resistência compressiva da matriz de ligação de 10 MPa para 163 MPa.

[0115] O exemplo acima mostra como as propriedades destes materiais podem ser mudadas. Existem muitas microestruturas onde este elemento de ligação pode ser usado. Exemplo 2

[0116] A FIG. 11 mostra a interação de SiO2, Cinzas Volantes com alto teor de Ca (HCFA) e CaCO3 com a matriz de ligação de P3 (composição P3, Tabela 4). A observação da matriz de ligação de P3 e interface de SiO2 (FIGS. 11(a) e (b)) revela que partículas de CaCO3 e revestimento rico em sílica em torno das fibras de núcleo de volastonita formaram uma interface ligada com partículas de sílica externamente adicionadas. Na interface da matriz de ligação de P3- HCFA não houve nenhum sinal de descolamento entre as HFCA e a matriz de ligação (FIG. 11(b)). Similarmente na interface da matriz de ligação de P3- CaCO3, partículas de CaCO3 externamente adicionadas formaram interfaces difusas com elementos de ligação.

[0117] A FIG. 12(a) mostra um exemplo típico de compósito 0-3, onde 70%% em volume de componentes particulados de areia (sílica) são dispersos na matriz de ligação de P3 com porosidades na estrutura (Tabela 4). Este material compósito mostrou uma falha gradual durante a compressão, e teve uma resistência compressiva de -55 MPa (FIG. 12(b)). 30%% em volume de matriz de ligação de P3 estão agindo como a fase de cimentação livre de hidrato no material compósito ligando-se a si próprio assim como às partículas de areia.

[0118] As FIGS. 14 (a) e (b) mostram micrografias ópticas de um material compósito formado usando-se uma razão volumétrica de 1:2:2 de Núcleos de Fibra FBI, (300 a 500) μm de areia, e (2 a 4) mm de agregados de areia, respectivamente. Em ampliações mais altas, pode ser observado que a matriz de ligação está nos espaços vazios de partículas de areia, e uma camada espessa de matriz de ligação circundou partículas de areia para agir como uma fase de cimentação também. A Tabela 9 mostra o teste de propriedade ASTM certificado por CTL, Illinois e as propriedades mecânicas das presentes microestruturas em uma modalidade. Estes valores não devem ser observados como limitantes mas apenas como exemplares. Por exemplo, modalidades adicionais podem incluem materiais compósitos com uma resistência à abrasão tendo um desgaste médio de menos do que 1,00 mm usando ASTM C 944 ao invés de ter que ser exatamente 0,38 mm. Este material compósito tem propriedades mecânicas como concreto de alto desempenho, e neste caso particular 20%% em volume de matriz de ligação foram usados para ligar a estrutura inteira. Tabela 9: Certificação ASTM de um concreto livre de hidrato típico (HFC4) por CTL (Construction Technology Laboratory, Skokie, Illinois)

5http://www.fhwa.dot.gov/BRIDGE/HPCdef.htm. Exemplo 3:

[0119] A FIG. 15 mostra a variação da tensão térmica de FB1B de -40 a 100°C durante a ciclagem térmica por 2 ciclos consecutivos. Nenhum sinal de histerese térmica, ou mudanças de fase foi observado durante a ciclagem térmica. A Tabela 10 resume as propriedades térmicas das composições P2 e P3. A FIG. 16 mostra a variação de calor específico da temperatura ambiente até 500°C de P3 (Tabela 4). O calor específico aumentou gradualmente de 0,711 (J/g2C) a 1,274 (J/g-°C). Nenhuma mudança de fase ou mudança em propriedades térmicas da composição P3 foi observada. Claramente, tipos similares de elementos de ligação em sua forma pura, ou incorporados na composição de compósito podem ser usados em aplicações em temperatura alta como resistência à chama etc. Tabela 10: Resumo das propriedades térmicas das composições P2 e P3 (Tabela 3)

[0120] Usando-se a Tabela 10, a condutividade térmica e a expansão térmica de diferentes materiais compósitos usando-se elementos de ligação e usando uma regra simples de aproximação de misturas podem ser calculadas. Por exemplo, um material compósito de 30%% em volume de matriz de ligação de P3 com cortiça terá uma condutividade térmica calculada de 0,55 W/m.K. Similarmente, um material compósito de 30%% em volume de matriz de ligação de P3 com AlN pode ter condutividade térmica entre 146 e 196 W/m.k. Além disso, estes valores podem ser regulados ainda variando-se o teor e a porosidade dos elementos de ligação. Por exemplo, também é possível usar 10%% em volume de matrizes de P2 porosas para ligar perlita e ter condutividade térmica tão baixa quanto 0,13 W/m.K. Em resumo, existem numeroso combinações e permutações que podem ser usadas para adaptar as propriedades térmicas.

[0121] Resultados preliminares também mostraram que amostras de FB1A foram capazes de resistir a 10 ciclos de choque térmico de 200°C e depois extingui-las em água. Exemplo 4:

[0122] Propriedades como cimentos combinados, almofarizes de resistência alta, e pedras como Granito, Arenito, e Terracota.

[0123] Matrizes de ligação com base em volastonita (Tabelas 3 e 4) têm a aparência de mármore ou pedra calcária. As mesmas podem ser usadas como um material de construção arquitetural em uma forma prístina para propósitos decorativos. Também é possível adaptar a aparência adicionando-se aditivos corantes diferentes (Tabela 11). A FIG. 17 mostra exemplos típicos de mímicos de arenito, granito, e terracota preparados adicionando-se corantes na matriz de ligação. A série de composição CPC (Tabela 12) foi usada para preparar diferentes mímicos de arenito. Visto que elementos de ligação são combinados com areia de modo que estes materiais de composição possam ser usados como substitutos para argamassa, rejuntes, ou tijolos estruturais de alta resistência também. Similarmente, adicionando-se cores diferentes na matriz de ligação (Tabelas 3 e 4) tipos diferentes de cores e texturas podem ser gerados. Em tal maneira, o material compósito pode ser fabricado para exibir cor e textura assemelhando-se às pedras naturais descritas aqui. Alternativamente, o material compósito pode ser fabricado para exibir cor e textura assemelhando-se ao concreto arquitetural descrito aqui. A Tabela 13 resume as propriedades físicas de diferentes pedras. Exceto Quarzito e Granito, resistências compressivas de todos os sólidos listados são menores do que 69 MPa. A resistência compressiva média de todos os materiais compósitos diferentes da série CPC é maior do que 69 MPa (Tabela 12). Além disso, resistências compressivas médias de composições de FB1A e FB1B (matriz de ligação sem nenhum aditivo, Tabela 3 e debate prévio) estão entre 147 e 300 MPa. Claramente, propriedades físicas de materiais cerâmicos geomiméticos são melhores do que a pedra natural. Usando-se o conceito explicado mais no início também é possível imitar outras rochas naturais como traventina, serpentina, etc. Tabela 11: Tipos diferentes de corantes

Tabela 12: Sumário das composições de combinações diferentes

:Todas as composições estão em%% em volume *Certificado por CTL (Skokie, IL) Tabela 13: Propriedades físicas de diferentes pedras

[0124] Além disso, também é possível fabricar estruturas com baixa absorção de água também. Por exemplo, CPC2 (Tabela 12) tem uma absorção de água de 5% em peso. O mesmo já é comparável ao arenito (Tabela 14). Adicionando-se 1% em peso de sílica fumigada (d50 < 1 μm) em combinações do tipo CPC2, a absorção de água pode ser reduzida ainda mais para 2,6% em peso. Tabela 14: Resistências compressivas de concretos livres de hidrato de resistência alta (Certificado por CTL)

:Todas as composições estão em%% em volume *Certificado por CTL (Skokie, IL)

[0125] Densidade de Basalto = 2,9 g/c.c, densidade de volastonita = 2,9 g/c.c, densidade de dolomito = 2,7 g/c.c, densidade de areia = 2,6 g/c.c, densidade de CaCO3 = 2,7 g/c.c, densidade de aço = 7,8 g/c.c, densidade de cascalho = 2,6 g/c.c Comparação do concreto estrutural com HFC.

[0126] O concreto estrutural tem uma resistência compressiva de 35 MPa. Fabricando-se um material compósito de fibras de núcleo de volastonita com areia e tipos diferentes de agregados, é possível obter uma ampla variedade de resistências que são comparáveis ao concreto estrutural. A Tabela 15 mostra algumas composições simples de concreto livre de hidrato (HFC), que mostraram resistência similar àquela do concreto estrutural e, portanto adequada em todas as aplicações de concreto estrutural. Tabela 15: Resistência compressiva de diferentes composições de concreto livre de hidrato

:Todas as composições estão em%% em volume *Certificado por CTL (Skokie, IL)

[0127] A composição inicial, é aqui descrita como o “compósito” ao invés de descrever a composição final. O produto final exato em termos de composição química e de fase é desconhecido. Por outro lado, a composição inicial pode ser precisamente especificada. Isto é verdade para todos os exemplos descritos, não apenas para este. Comparação de HFC de Resistência e Desempenho Altos com HSC (Concreto de alta resistência) e Concreto de alto desempenho (HPC)

[0128] Como debatido em um exemplo mais inicial, o material compósito HFC4 desempenha como concreto de alto desempenho na resistência mecânica (Tabela 9). Além disso, o mesmo tem também permeabilidade em Cl permeabilidade como HPC de Grau 1. Interessantemente, HFC4 têm resistência à abrasão, resistência à incrustação e redução altas como Concreto de alto desempenho de Grau 3. É interessante observar que mesmo sem a adição de misturas de arrastamento de ar, HFC4 sobreviveu 300 ciclos de congelamento-descongelamento como especificado por ASTM C666, entretanto, seu DF (Fator de Durabilidade) diminuiu para 10. Modificações aos componentes de areia e agregado das formulações de concreto podem aumentar este Fator de Durabilidade para 93 depois de 163 ciclos por ASTM C666.

[0129] Usando-se métodos de processamento avançados, o melhor empacotamento pode ser obtido em materiais compósitos de HFC (Tabela 14). Por exemplo, a absorção de água diminuiu de 8,3% em peso em HFC4 para 3,1 e 4,7% em peso em HSHFC1 e HSHFC2. Como esperado, a resistência compressiva também aumentou nestes materiais compósitos. HFC4 mostrou uma resistência compressiva de 47 MPa enquanto as resistências compressivas de HSHFC1 e HSHFC2 aumentaram para 80 MPa e 65 MPa, respectivamente.

[0130] Cimento ou Concreto de Resistência Inicial

[0131] A FIG. 18 mostra a variação do tempo de reação na resistência mecânica. Depois de um tempo de reação de 5 h, uma resistência compressiva de 60 MPa é atingida. Estes sistemas podem ser usados para preparar fase de cimentação de resistência inicial, ou como concretos em sistemas compósitos. O concreto de cimento Portland não faz isto em tal tempo curto.

[0132] Comparação de Composições de HFC Engendradas com UHPC (Concreto de Desempenho Ultra-alto)

[0133] A FIG. 19 mostra a falha dúctil típica da matriz de ligação de FB1B reforçada com 10% em peso de fibras de aço DRAMIX (ZP305, Bekaert Corporation, Marietta, GA). DRAMIX é uma fibra de aço com baixo teor de C estirada a frio proprietária tendo comprimento de -30 mm e diâmetro de -0,5 mm com extremidades curvas coladas juntas. Entretanto, espera-se que resultados similares possam ser obtidos com várias outras fibras de aço.

[0134] A composição do tipo CPC2 (Tabela 12) foi também infiltrada com 10% em peso (4%% em volume) de fibras de aço (FRCPC2, Tabela 16). Estas composições mostraram resistência flexural aproximadamente 1,4 vezes mais alta do que a composição de CPC e simultaneamente falha dúctil também (Fig. 19 b). Similarmente, quando CPC2 foi infiltrado com 2,5% em peso de fibras de PVA (RFS400, NYCON PVA, fibras de 18 mm, Fairless Hills, PA), depois elas falhariam em uma resistência mais baixa, mas mostraram retenção de resistência realçada. Tabela 16: Resumo de diferentes composições fabricadas modificando-se CPC2

Todas as composições são em%% em volume

[0135] De modo a adaptar e realçar a interação de elementos de ligação com aço, estas fibras foram deixadas oxidar em ar (formação de ferrugem). Subsequentemente, 10% em peso (4%% em volume.) de fibras enferrujadas foram também colocados na matriz de CPC2 (RFRCPC2, Tabela 16). Devido ao descolamento realçado na interface, estas novas composições mostraram ductilidade realçada (região II na Fig. 19c). A FIG. 20 mostra a interface aço- matriz de ligação. Claramente, durante a reação de cura a interface original interagiu com a superfície de aço. Estes materiais compósitos são referidos como “compostos dúcteis engendrados interfaciais hidrotermicamente controlados”.

[0136] Acredita-se que a interface da fibra de aço possa ter uma única composição e estrutura.

[0137] A Tabela 17 mostra a comparação de propriedades de Ductal® (Um concreto de desempenho ultra-alto de propriedade desenvolvida por Lafarge (US/Canada Region, Calgary, Alberta, Canada, T2W 4Y1) com FB1B (uma matriz de ligação com base em fibra de núcleo de volastonita, Tabela 2B)). FB1B tem resistência compressiva e flexural mais alta quando comparado a Ductal®-FO (sem tratamento térmico), mas resistência compressiva e flexural levemente mais baixa quando comparado a Ductal®-FM ou Ductal®-AF (Ductal®-FM com tratamento térmico). A expansão térmica de FB1B é mais alta do que todas as variedades diferentes de Ductal®. FB1B tem falha por fragilidade. Usando-se fibras de aço e engenharia adicional de partículas e fibras, é possível fabricar materiais compósitos com desempenho ultra-alto. Estes materiais podem ser potencialmente usados em todas as aplicações de materiais de concreto de desempenho ultra-alto, que serão debatidas na seção seguinte. Tabela 17: Comparação das propriedades de matriz de ligação com base em fibra de núcleo de volastonita com Ductal® (Um tipo de concreto de desempenho ultra-alto)

Novas Estruturas Dúcteis e Resistentes a Impacto

[0138] A Tabela 18 resume diferentes materiais compósitos fabricados usando- se núcleos de fibra de volastonita mais longos (d50 = 800 μm). A FIG. 21 mostra uma microestrutura típica de materiais compósitos SRC3 (Tabela 18). Conforme a concentração de fibras mais longas é aumentada estas estruturas autorreforçadas, a resistência flexural diminui, entretanto, como resumido na Tabela 20 a resistência ao impacto melhora ainda mais. Por exemplo, a matriz de ligação de FB1B prístina falha em impacto de 0,75 ft.lb, ao passo que, quando elas são autorreforçadas com núcleos de fibra mais longos, elas falham em impacto de 4,5 ft.lb. Materiais monolíticos tradicionais como Granito, Travertina, Mármore falham em 1,2 ft. lb, ao passo que, Metro-Dade aprovado por Pittsburgh Corning Thickset 90 (Pittsburgh Corning Corporation, Pittsburgh, PA) falha em impacto de 2,2 ft.lb. Está claro que SRCC tem uma das resistências ao impacto mais alta entre tipos diferentes de materiais de construção. Tabela 18: Resumo das composições de compósitos autorreforçados

:Todas as composições estão em%% em volume Supercombinações

[0139] Em exemplos mais iniciais, conceitos de “Compósitos Cimentícios Autorreforçados (SRCC)” e “Compósitos Dúcteis Interfacialmente Engendrados Hidrotermicamente Controlados” foram explicados. É possível integrar estes dois métodos e fabricar uma nova classe de materiais denominada Supercombinações (Tabela 19). A FIG. 22a mostra o comportamento dúctil do material compósito FSRBC1. Quatro regiões principais foram observadas durante a deformação: (I) Elástico, (II) Plástico, (III) Retenção de força, e (IV) Falha gradual. A FIG. 22b mostra a flexão deste material compósito durante a flexão de 3 pontos. Estes sólidos têm resistência ao impacto alta (Tabela 20). Por exemplo, FSRBC1 tem uma resistência ao impacto de 13 ft.lb, que é cerca de 6 vezes mais alta do que aquela para Pittsburgh-Corning Thickset 90. Tabela 19 Diferentes composições usadas para fabricar supercombinações

:Todas as composições são em%% em volume Tabela 20 Resistência ao impacto de diferentes composições usando-se impacto com esfera (Certificado por Trinity/ERD, Columbia, SC)

[0140] Estes tipos de sólidos podem ser usados para aplicações que requerem propriedades de resistência a rajadas e a impacto, propriedades similares a concreto de desempenho ultra-alto e desempenho alto, aplicações resistentes a dano como aplicações em ambiente adverso, de congelamentodescongelamento alto. Além disso, é possível ainda substituir a combinação com tipos diferentes de aditivos de acordo com aplicações especializadas como resistência ao sulfato, resistência ao cloreto etc., mas não limitadas a estas. A Tabela 19 mostra um exemplo onde enchedores de dolomita podem ser usados também ao invés de CaCO3 ou areia. Exemplo 5 Novas Químicas dos Elementos de Ligação

[0141] Similarmente, também é possível projetar uma faixa ampla de estruturas usando-se químicas diferentes de volastonita acima, mas têm a capacidade comum de usar a reação de desproporcionamento para formar o novo elemento de ligação descrito nesta invenção. Por exemplo, as Figs. 23 e 24 mostram microestruturas de matrizes de ligação derivadas de precursores de olivina (Mg2SiO4) e diopsídio (MgCaSi2O6). Estas matrizes de ligação têm uma resistência compressiva de 162 ± 15 MPa e ~93 MPa, respectivamente. Por exemplo, Olivina é composta de núcleo de Mg2SiO4 não reagido circundado por camadas de sílica não reagidas (zona de supressão) e cristais de MgCO3 agindo como uma fase de cimentação para ligar a estrutura inteira (Fig. 23c). Estes núcleos não reagidos podem ter morfologias diferentes, por exemplo, a Fig. 23d mostra como cristais de MgCO3 precipitaram dentro de grãos de olifina cupuliformes.

[0142] A Fig. 24 mostra microestruturas de grãos de diopsídio como núcleos. Estes grãos são circundados por sílica amorfa, e dolomita (CaCO3^MgCO3) e/ou magnesita (MgCO3) e/ou partículas de CaCO3. Como com a volastonita, estes materiais podem ser usados para fabricar novas microestruturas por intermédio dos vários métodos descritos mais no início. Além disso, como mencionado mais no início, existe um número muito grande de cerâmicas que podem passar por esta reação de desproporcionamento, que são tanto minerais quanto produtos residuais.

[0143] Estará evidente àqueles versados na técnica que várias modificações e variações podem ser feitas na presente invenção sem divergir do espírito ou escopo da invenção. Assim, é intencionado que a presente invenção inclua as modificações e variações desta invenção contanto que elas entrem no escopo das reivindicações anexas e seus equivalentes.

Claims

1. Material compósito compreendendo: uma matriz de ligação e um material de enchimento incorporado na matriz de ligação, a matriz de ligação, caracterizada pelo fato de que compreende: um núcleo, em que o núcleo tem uma primeira composição química que compreende CaSiO3 ou MgSiO3; uma primeira camada contendo sílica revestindo pelo menos parcialmente uma porção periférica do núcleo, em que a referida primeira camada tem uma segunda composição química que é uma composição química diferente da primeira composição química, sendo que a segunda composição química inclui os cátions de Si correspondentes a um dos elementos químicos da primeira composição química; e uma segunda camada contendo carbonato de cálcio e/ou carbonato de magnésio revestindo pelo menos parcialmente uma porção periférica da primeira camada, em que a segunda camada tem uma terceira composição química que é uma composição química diferente da primeira e segunda composições químicas, sendo que a terceira composição química inclui cátions Ca e/ou Mg que correspondem a elementos químicos da primeira composição química, em que a matriz de ligação é preparada a partir de um corpo sólido poroso, o corpo sólido poroso compreende uma pluralidade de partículas precursoras, as partículas precursoras têm um tamanho médio de partícula inferior a 70 μm e as partículas precursoras são transformadas nos elementos de ligação, em que o material de enchimento compreende uma primeira pluralidade de partículas de primeiro tamanho e uma segunda pluralidade de partículas de segundo tamanho, as partículas de segundo tamanho sendo substancialmente maiores em tamanho que as partículas de primeiro tamanho, as primeiras partículas de tamanho e as segundas partículas de tamanho são dispostas de modo que o material composto forma uma estrutura hierárquica.

2. Material compósito, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a primeira composição química inclui pelo menos dois elementos químicos diferentes, em que os cátions associados à segunda composição química correspondem a um primeiro dos pelo menos dois elementos químicos diferentes da primeira composição química, e em que os cátions associados à terceira composição química correspondem a um segundo dos pelo menos dois elementos químicos diferentes da primeira composição química ou correspondem ao primeiro dos pelo menos dois elementos químicos diferentes da primeira composição química.

3. Material compósito, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o núcleo é equiaxial, de forma eliptica, forma de fibra, de forma simétrica ou de forma de um floco.

4. Material compósito, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a primeira camada é uma camada amorfa ou uma camada cristalina.

5. Método para fabricar um material compósito, conforme definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende: fornecer um material precursor que compreende a pluralidade de partículas precursoras, em que o material precursor tem porosidade; misturar o material precursor com um material de enchimento; introduzir um solvente líquido nos poros do material precursor; e introduzir um reagente gasoso nos poros do material precursor, por meio do qual partículas precursoras são transformadas em elementos de ligação tendo o núcleo, a primeira camada e a segunda camada, em que o núcleo compreende os elementos químicos M, Me e O (oxigênio) e/ou grupo OH, onde M é um metal alcalino-terroso selecionado de cálcio ou magnésio, e Me compreende silício, em que a primeira camada contendo sílica revestindo pelo menos parcialmente uma porção periférica do núcleo, em que a referida primeira camada tem uma composição química diferente da composição química do núcleo, e inclui os cátions de Si correspondentes a um dos elementos químicos da composição química do núcleo, e em que a segunda camada contendo carbonato de cálcio e/ou carbonato de magnésio revestindo pelo menos parcialmente uma porção periférica da primeira camada, em que a segunda camada tem uma composição química diferente da composição química do núcleo e da primeira camada, e inclui cátions Ca e/ou Mg que correspondem a elementos químicos do núcleo.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma porção das partículas precursoras não reage com o reagente e permanece para formar o núcleo dos elementos de ligação.

7. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a etapa de introduzir um solvente líquido nos poros do material precursor compreende saturar o material precursor, de forma que o líquido encha os poros do material precursor.

8. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a etapa de introduzir um solvente líquido nos poros do material precursor compreende parcialmente encher os poros do material precursor com o líquido.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a etapa de introduzir um solvente líquido nos poros do material precursor compreende ainda: evaporar o líquido; e condensar o líquido em um modo tal que o líquido é distribuído pelos poros do material precursor.

10. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o material de enchimento inclui o material inerte.

11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o material inerte compreende uma pluralidade de partículas equiaxiais, uma pluralidade de partículas anisotrópicas, ou uma combinação das mesmas.

12. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a etapa de fornecer um material precursor que compreende uma pluralidade de partículas precursoras compreende alinhar as partículas precursoras em uma orientação desejada.

13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a orientação desejada é uma orientação 1-D, uma orientação 2-D ou uma orientação 3-D.