CN1479669A - 加强材料 - Google Patents

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�����������ά�桤�������
尤里·莱奥里多维奇·斯普林
�׶���˹̩��ŵά�桤�ű���
弗拉季米尔·斯泰潘诺维奇·杜比宁
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Abstract

一种加强材料，该材料包括固体本体(1)，其中形成有多个交叉的孔，并且在多个交叉孔中放置有多个细长的固体加强构件(2)，这种加强材料的其特征在于，所述多个细长固体加强构件(2)在其相互交叉处被弹性接合点(3)互相连接在一起。

Description

加强材料
本发明涉及一种具有高强度和弹性结构的加强材料。
从RU 2056492中可以知道，它提供了一种由混凝土制成的加强材料，这种材料具有多个交叉的孔，孔中形成有细长的棒以及纵向的螺旋状结构以作为加强基体。这些加强基体的组件被刚性地焊接在一起。这种材料在很多应用中不具备足够的强度和弹性。
根据本发明的第一方面所述，它提供了一种加强材料，该材料包含固体本体，所述固体本体内形成有多个交叉孔，并且在所述多个交叉孔中放置有多个细长的固体加强构件，其中所述多个细长固体加强构件在其交叉处被弹性地互相连接在一起，并且其中所述多个孔和多个细长固体加强构件具有微米尺度的截面尺寸。
所述多个孔和多个细长固体加强构件优选地具有纳米尺度的截面尺寸(例如厚度或者直径或者类似的尺寸)，即，尺寸小于1微米。
根据本发明的第二方面所述，它提供了一种加强材料，该材料包含固体本体，所述固体本体内形成有多个交叉孔，并且在所述多个交叉孔中放置有多个细长的固体加强构件，其中所述多个细长固体加强构件在其交叉处被弹性地互相连接在一起，并且其中所述多个细长的固体加强构件不是沿其长度与所述固体本体固定在一起。
为了避免疑惑，本发明第二方面所述的多个孔和多个细长固体加强构件材料可以具有微米或纳米尺度以及宏观尺度的截面尺寸。
按照这种方式，本发明的实施例寻求提供在强度和弹性上都有提高的加强材料。
虽然本发明的一些实施例被展望用于宏观结构(例如，其中形成有多个金属加强构件的加强混凝土)，但本发明的其它一些实施例还涉及到其中形成有加强构件的微观尺度(更优选地为纳米尺度)的加强材料。
重要的是，与现有的包含多个相互刚性地(例如，通过焊接)连接在一起的加强构件的加强材料相比，由于本发明的多个加强构件是在相互交叉处被弹性地连接在一起，因此这种弹性起到了提高加强材料的弹性的作用。这种弹性的提高有助于使加强材料相应于施加在其上的应力而进行伸缩，从而减小了加强材料受到破坏或者损害的可能性。
在诸如加强混凝土块的宏观实施例中，多个加强构件可以在其交叉点上通过枢轴或者铰链的机械连接形式，或者通过包括诸如离子键、共价键或者其它化学键或者范德瓦尔斯(Van der Waal’s)力的磁力、静电力和电磁力在内的原子间力、分子间力或分子内部的力而被连接在一起，或者也可利用在凝固后仍能保持弹性的适当的粘附剂，通过弹性粘附的方式将多个加强构件在其交叉点上相互粘附在一起。
在微观或者纳米尺度的实施例中，多个加强构件在其互相交叉处通过包括诸如离子键、共价键或者其它化学键或者范德瓦尔斯力的静电力和电磁力以及磁力在内的原子间力、分子间力或分子内部的力而被连接在一起。这些力中的哪一种适合一般是由加强材料的性质及其组成决定的。还可以使用一种弹性的粘附剂来连接这些加强构件，这与上述的本发明的宏观实施例类似。
在本发明的微观实施例和宏观实施例中，加强构件特别优选地不沿孔的长度而被固定于固体材料。达到此效果的途径之一是确保使加强构件的外周长与孔的内表面之间有一个间隙。这个间隙可以是空气间隙，也可通过在把加强构件插入到孔中之前将加强构件可滑动地装入套管中而形成该空隙。所述套管可以由塑料材料或者任何其它适合的材料制成。这些套管优选地被设置成能够使多个加强构件在其交叉点处弹性地连接，这样，这些套管就可被作为单独的纵向部分而被包含入加强构件。
例如，加强混凝土通常是通过用金属加强构件组装成骨网然后在加强构件周围铸上混凝土而形成的。显然在这种传统的结构中，加强构件被固定地嵌入到混凝土中并与混凝土固定在一起。通过提供由可滑动地保持在例如塑料套管内并且弹性相互连接的加强构件形成的骨网，就可以在该骨网四周铸上混凝土，从而形成这样一种结构，其中，加强构件和混凝土没有粘附在一起，而是相对于混凝土保持了一定程度的弹性运动。
本发明所述的加强材料可以通过利用任何适当的方法在固体本体上形成多个交叉的孔或者微孔而被制成。在一个实施例中，通过以弹性接合点的方式将多个固体加强构件的一系列长度链接在一起，就可以随后形成加强链。然后，第一套加强链被插入到第一套孔中，第一套孔穿过固体本体在第一常用方向(general direction)上延伸，随后第二套加强链被插入到第二套孔中，第二套孔在第二常用方向上延伸。然后，这些加强链通过上述技术在其交叉点处被弹性地连接在一起。
在一些实施例中，所述的弹性接合点可以通过在加强构件之间的交叉处使用一种粘胶而被形成，需选择在凝固后仍保持弹性的粘胶。
交叉的孔可以是微孔的形式。
在使用特别的结构材料时，本发明的宏观和纳米尺度的实施例可以具有特别有利的特征。例如，所述具有多个交叉的孔的固体可以由绝缘体材料(dielectric material)、半导体材料或者导体材料制成。
所述细长的固体加强构件可以由绝缘体材料、半导体材料或者导体材料制成。
所述细长的固体加强构件可以部分由绝缘体材料制成、部分由半导体材料制成。
所述细长的固体加强构件可以部分由绝缘体材料制成、部分由导体材料制成。
所述细长的固体加强构件可以部分由半导体材料制成、部分由导体材料制成。
所述细长的固体加强构件可以部分由绝缘体材料制成、部分由半导体材料制成、部分由导体材料制成。
当绝缘体材料被用于固体本体或者用于加强构件时，绝缘体材料的至少一部分可由陶瓷材料制成。
当导体材料被用于固体本体或者用于加强构件时，导体材料的至少一部分可由银制成。
当导体材料被用于固体本体或者用于加强构件时，导体材料的至少一部分可由金制成。
当导体材料被用于固体本体或者用于加强构件时，导体材料的至少一部分可由铂制成。
当导体材料被用于固体本体或者用于加强构件时，导体材料的至少一部分可由铜制成。
所述孔或微孔以及细长固体加强构件可被形成为具有10到200纳米的截面尺寸或宽度。
所述孔或微孔以及细长固体加强构件可被形成为具有100到1000纳米的长度。
为了更好地理解本发明，并且表示出本发明是如何实施的，以下将通过举例的方式并结合附图对本发明进行说明，在以下的附图中：
图1是本发明第一实施例所述加强材料的横截面的示意图；
图2是本发明第二实施例所述加强材料的横截面的示意图。
图1中示出了固体本体(1)，其中形成有多个交叉的孔，各孔中都形成有细长的固体加强构件(2)，这些固体加强构件通过在一定距离上作用的力(这里指的是电磁力)而在其交叉点处(3)弹性地连接。
所述的加强材料的制造方式如下：首先，利用现有技术中任何适当的方法在固体本体(1)中产生多个交叉孔。然后，以弹性接合点的方式将大量细长的固体加强构件(2)顺序连接起来，以产生多个加强链。接下来，将第一套加强链插入到处于第一给定方向(A)的第一套孔中，然后将第二套加强链插入到处于第二给定方向(B)的第二套孔中。然后，弹性接合点(3)通过在一定距离上作用的力的机理而被产生于加强链的交叉点处。
另外，所述弹性接合点可以利用一种粘胶而被建立，这种粘胶在凝结或者固定后仍能保持其弹性。
如果所述的孔是微孔的形式，则固体本体(1)中的细长的固体加强构件(2)和弹性接合点(3)可以从穿过沉积在固体本体(1)表面上的另一种材料开始并延伸进入本体。
可以根据对加强材料的工作特性的特殊需求来选择固体本体(1)和细长的固体加强构件(2)的材料以及弹性接合点的类型。
例子：
1)纳米尺度：
压电陶瓷坯料被利用标准技术生产出来，其组份例如为：BaCO3-19.8mole％，TiO2-22.5mole％，PbO-4.7mole％，ZrO2-3.1mole％，CaO-0.75mole％(包含粘合剂的被压缩的压电陶瓷装料在1300-1450℃的温度下受到烘焙，然后被逐步且均匀地冷却)。
利用直径为20nm的尖锐探针通过电腐蚀的方法在压电陶瓷坯料的一个表面上形成多个纳米孔，该探针由例如硫碘化锑(antimonysulfoiodide)(SbSI)制成。所述电腐蚀处理的实施是通过具有600nm的扫描梯度的负极性脉冲、4V的调节电压以及每个微孔400ns的处理时间来实现的。
然后，例如由银制成的第二个探针(其尖端直径为10nm)被用于在纳米孔中形成银纳米纤丝。该纳米纤丝是在施加正脉冲(处理梯度-600nm，调节电压-2V，处理时间-600ns]期间通过离子沉降方法而被制造出来的。第一和第二探针在扫描隧道电子显微镜的协助下得到定位。
然后，在600kV/mm的外部电场强度的作用下，机械变形得到实施。作为结果，材料的内部结构变成微孔的网，其中纳米纤丝由接合点连接。
在形成多对“纳米孔中的纳米纤丝”结构之后，输入或输出电极在含银糊剂(Ag-containing paste)的帮助下形成。然后，所述坯料的极化就会出现。
依照上述方法生产的压电陶瓷具有多个纳米微孔，这些纳米微孔的截面尺寸为20nm至100nm、深度为300nm至1000nm。长度为300nm至1000nm、截面尺寸为10nm至100nm的纳米纤丝被嵌入到所述多个微孔中。所述微孔的密度为平均每平方微米7个微孔。所述纳米纤丝由银制成。
原先不具有“纳米孔中的纳米纤丝”结构的压电陶瓷板的抗张强度(tensile strength)为2200N/mm2。而具有“纳米孔中的纳米纤丝”结构的压电陶瓷板的抗张强度则提高至3100N/mm2。通过在交叉的纳米纤丝之间提供弹性接合点，则抗张强度可被进一步提高至4400N/mm2。
i)具有嵌入到微孔中的半导体纤丝的金属
钨丝被用作源材料。在机械变形(将20mm长的细丝以2mm的间隔弯曲)的协助下，将具有20nm至100nm的截面尺寸的微孔的网络以300nm至1000nm的深度形成在钨丝表面。纳米纤丝被以300nm至1000nm的深度以及10nm至100nm的截面尺寸嵌入到所述微孔中。微孔的密度为平均每平方微米5个微孔。所述纳米纤丝由硅制成。
原先不具有“纳米孔中的纳米纤丝”结构的钨丝的抗张强度为3600N/mm2。在使用“纳米孔中的纳米纤丝”结构后，抗张强度将提高至4400N/mm2。所述“加强材料”的抗张强度则为5400N/mm2。
ii)具有嵌入到微孔中的绝缘体纤丝的金属
钨丝被用作源材料。在机械变形(将20mm长的细丝以2mm的间隔弯曲)的协助下，将具有20nm至100nm截面尺寸的微孔的网络以300nm至1000nm的深度形成在钨丝表面。纳米纤丝被以300nm至1000nm的深度以及10nm至100nm的截面尺寸嵌入到所述微孔中。微孔的密度为平均每平方微米4个微孔。所述纳米纤丝由硫制成。
原先的钨丝的抗张强度为3600N/mm2。在使用“纳米孔中的纳米纤丝”结构后，抗张强度将提高至4100N/mm2。所述“加强材料”的抗张强度则为4600N/mm2。
2)宏观尺度：
混凝土混合物由15％重量的波特兰(Portland)水泥、45％重量的沙子、1％重量的增塑剂以及39％重量的碎石(平均石块重量为75g)形成。该混合物然后被与50％重量的水混合以形成混凝土。
现在参考图2，由金属加强棒4、5组成的基体随后被构成，每个棒配有1mm厚的PVC套管6，该套管允许棒4、5在其中滑动。本例中，该基体包括主纵向加强棒4和辅助横向加强棒5。
然后，所述加强基体被放入模子中，并且将混凝土混合物7浇注到模子中的基体上。使用振荡器进行约10到15分钟的震荡，以使混凝土混合物7良好地沉积，然后该模子被在700℃的温度下加热30分钟，用以促进混凝土7凝固。
当混凝土7凝固后，如图2所示，所述金属加强棒4、5的PVC套管6被混凝土7紧密地压缩在一起。PVC套管6在其交叉点8处以静电共价键的方式连接，该共价键在箭头A所示的方向上具有至多达6000N/m2的横向约束力，在箭头B所示的方向上具有至多为500N/m2的较低的纵向约束力。该相对低的纵向约束力提供了连接中所需的弹性。
其中加强棒被相互紧密连接的同等传统加强混凝土块的抗张强度为4700N/m2。而作为比较，根据本发明实施例所述的加强混凝土的抗张强度则为5600N/m2。

Claims (24)

1.一种加强材料，该材料包括固体本体，所述固体本体内形成有多个交叉的孔，并且在所述多个交叉孔中放置有多个细长的固体加强构件，所述加强材料的特征在于，所述多个细长固体加强构件在其相互交叉处被弹性地互相连接在一起，而且其中所述多个交叉孔和多个细长固体加强构件具有微米尺度的截面尺寸。
2.一种加强材料，该材料包括固体本体，所述固体本体内形成有多个交叉的孔，并且在所述多个交叉孔中放置有多个细长的固体加强构件，所述加强材料的特征在于，所述多个细长固体加强构件在其相互交叉处被弹性地互相连接在一起，而且其中所述多个细长的固体加强构件不是沿其长度与所述固体本体固定在一起。
3.如权利要求1或者2所述的加强材料，其特征在于，所述多个交叉的孔为微孔的形式。
4.如前述任意一个权利要求所述的加强材料，其特征在于，所述固体本体由绝缘体材料制成。
5.如权利要求1、2或者3所述的加强材料，其特征在于，所述固体本体由半导体材料制成。
6.如权利要求1、2或者3所述的加强材料，其特征在于，所述固体本体由导体材料制成。
7.如前述任意一个权利要求所述的加强材料，其特征在于，所述细长固体加强构件由绝缘体材料制成。
8.如前述权利要求1至6中的任意一个权利要求所述的加强材料，其特征在于，所述细长固体加强构件由半导体材料制成。
9.如前述权利要求1至6中的任意一个权利要求所述的加强材料，其特征在于，所述细长固体加强构件由导体材料制成。
10.如前述权利要求1至6中的任意一个权利要求所述的加强材料，其特征在于，所述细长固体加强构件部分由绝缘体材料制成、部分由半导体材料制成。
11.如前述权利要求1至6中的任意一个权利要求所述的加强材料，其特征在于，所述细长固体加强构件部分由绝缘体材料制成、部分由导体材料制成。
12.如前述权利要求1至6中的任意一个权利要求所述的加强材料，其特征在于，所述细长固体加强构件部分由半导体材料制成、部分由导体材料制成。
13.如前述权利要求1至6中的任意一个权利要求所述的加强材料，其特征在于，所述细长固体加强构件部分由绝缘体材料制成、部分由半导体材料制成、部分由导体材料制成。
14.如前述权利要求4、7、10、11和13中的任意一个权利要求所述的加强材料，其特征在于，所述绝缘体材料的至少一部分由陶瓷材料制成。
15.如前述权利要求6、9、11、12和13中的任意一个权利要求所述的加强材料，其特征在于，所述导体材料的至少一部分由银制成。
16.如前述权利要求6、9、11、12和13中的任意一个权利要求所述的加强材料，其特征在于，所述导体材料的至少一部分由金制成。
17.如前述权利要求6、9、11、12和13中的任意一个权利要求所述的加强材料，其特征在于，所述导体材料的至少一部分由铂制成。
18.如前述权利要求6、9、11、12和13中的任意一个权利要求所述的加强材料，其特征在于，所述导体材料的至少一部分由铜制成。
19.如前述权利要求3至18中的任意一个权利要求所述的加强材料，其特征在于，所述微孔和所述细长固体加强构件具有10到200纳米的宽度或截面尺寸。
20.如前述权利要求3到19中的任意一个权利要求所述的加强材料，其特征在于，所述多个微孔和所述多个细长固体加强构件具有100到1000纳米的长度。
21.如权利要求2所述的加强材料，其特征在于，所述细长固体加强构件的截面尺寸小于细长的孔的横截面尺寸。
22.如权利要求21所述的加强材料，其特征在于，在所述多个细长固体加强构件及其相应的多个细长的孔之间具有周围的空气间隙。
23.如权利要求21所述的加强材料，其特征在于，所述多个细长的固体加强构件中的至少一些固体加强构件包括内部构件和外部套管，这种结构允许所述内部构件与所述外部套管之间的相对运动。
24.如权利要求2、21、22或者23所述的加强材料，其特征在于，所述固体材料为混凝土，并且所述细长固体加强构件由金属制成。
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