JP2004528185A

JP2004528185A - 強化材料

Info

Publication number: JP2004528185A
Application number: JP2002549437A
Authority: JP
Inventors: ユーリ・レオニドヴィッチ・スピーリン; ウラディミール・ステパノヴィッチ・ドゥビーニン
Original assignee: インテリクラフト・リミテツド
Priority date: 2000-12-12
Filing date: 2001-12-04
Publication date: 2004-09-16
Also published as: CN1479669A; US20040188715A1; EP1341651A1; KR20030060986A; HK1045350B; GB2371327B; CA2429823A1; HK1045350A1; GB0129072D0; GB2370587A; WO2002047878A1; GB2371327A; AU2002222124A1; GB0030254D0; GB2370587B

Abstract

強化材料は、その中に形成された複数の交差穴と、穴の中に形成された複数の細長い固体状態の強化部材２とを有する固形物１を含む。細長い固体状態の強化部材２は、お互いに交差するところで、フレキシブルジョイント３によって相互に連結される。

Description

【０００１】
本発明は、高強度を有する強化材料および弾性構造に関する。
【０００２】
そこに形成されて細長い棒と交差する穴と、補強マトリックスとして働く縦の螺旋構造とを持ったコンクリートから作成された強化材料を提供することが、ＲＵ２０５６４９２から知られている。補強マトリックスの構成要素は共に溶接されている。この材料は、多くの用途に対して十分な強度および弾力性を有していない。
【０００３】
本発明の第一の態様によれば、その中に形成された複数の交差穴と、当該穴の内に配置された複数の細長い固体状態の強化部材とを有する固形物（ｓｏｌｉｄｂｏｄｙ）を含む強化材料が提供される。その強化材料は、それらがお互いに交差して、細長い固体状態の強化部材が柔軟且つ相互に連結されており、穴および細長い固体状態の強化部材は微視的なスケールの断面寸法を有していることを特徴としている。
【０００４】
好ましくは、穴および細長い固体状態の強化部材は、ナノメートルのスケール（すなわち１ミクロンより小さい）で線形断面寸法（例えば、厚さまたは直径または同種のもの）を有している。
【０００５】
本発明の第二の態様によれば、その中に形成された複数の交差穴と、当該穴の内に配置された複数の細長い固体状態の強化部材とを有する固形物を含む強化材料が提供される。その強化材料は、それらがお互いに交差して、細長い固体状態の強化部材が柔軟且つ相互に連結されており、細長い固体状態の強化部材はそれらの長さに沿って固体状態のボディに付けられていないことを特徴としている。
【０００６】
疑問を回避するために、本発明の第二の態様の穴および細長い固体状態の強化部材が、巨視的なスケールと同様に、微視的なスケールまたはナノメートルスケールで断面寸法を有することができる。
【０００７】
このように、本発明の実施形態は、強化材料の強度および弾力性の増加を提供しようとするものである。
【０００８】
本発明の実施形態は、強化コンクリートが、例えば、その中に形成された金属強化部材を有しているようなマクロ構造に適用可能であることを意図しているが、本発明の実施形態は、微視的なスケールで、より好ましくはナノメートルスケールで、その中に形成された補強を有する強化材料に関する。
【０００９】
重要なことは、それらが互いに交差するところで、強化部材が柔軟に連結されるということである。このような柔軟性は、例えば溶接によって堅く相互に接続される強化部材を含む既知の強化材料と比較して、強化材料の弾力性を増加させることを提供する役目をする。この増加した弾力性は、強化材料が、印加された応力に応じて屈曲することを可能にすることを助け、その結果として破壊または損害の可能性を減じる。
【００１０】
強化コンクリートのブロックのような巨視的な実施形態において、強化部材は、ピボットまたはヒンジのような機械的ジョイントとして、イオン結合、共有結合または他の化学結合のような原子間力、分子間力または分子内力、あるいはファンデルワールス力を含む磁気力、電磁気力、または静電力により、または固まったときに柔軟である適切な接着化合物との交差のポイントで強化部材を互いに柔軟に付着するために、それらの交差のポイントで相互に連結されてもよい。
【００１１】
微視的でナノメートルな実施形態において、強化部材は、イオン結合、共有結合または他の化学結合のような静電気力や電磁気力またはファンデルワールス力を含む、原子間力、分子間力または分子内力、ならびに磁力によって、交差のポイントで相互に連結されてもよい。これらの力のいずれが適切であるかは、強化部材の性質および組成によって一般に決定されるであろう。また、本発明の巨視的な実施形態に関して上で説明したように、強化部材を連結するために可撓性の接着化合物を用いることは可能である。
【００１２】
本発明の巨視的及び微視的な実施形態において、強化部材が穴の長さに沿って固体状態材料に付けられないことは特に好ましい。この結果を達成する１つの方法は、ギャップが強化部材の外周と穴の内面との間にあることを保証することである。このギャップはエアギャップであってもいいし、または穴の中にそれらを挿入する前にスリーブに強化部材を滑動自在に包むことによって提供されてもよい。スリーブは、プラスチック材料または他の適切な材料で作成されてもよい。スリーブは、好ましくは、強化部材がそれらの交差で柔軟に連結されるように構成されており、切り離された縦断面として構成してもよい。
【００１３】
例えば、強化コンクリートは、金属強化部材の骨格となる骨組みを組み立てて、強化部材の周りにコンクリートを流し込むことにより伝統的に形成されている。この従来の構造では、強化部材が動かないように埋め込まれてコンクリートに付着するようになることは明白であろう。例えばプラスチック・スリーブの内部に滑動自在に保持された相互に連結された強化部材の骨格の骨組の提供によって、強化部材がコンクリートに付着しないだけでなく、それに関連してフレキシブルに動く程度を保持する構造を構築するためにこの骨組の周りにコンクリートを流し込むことは可能である。
【００１４】
本発明の強化材料は、いずれかの適切な方法によって固形物（ｓｏｌｉｄｂｏｄｙ）の中の交差穴または気孔を形成することにより構築されてもよい。１つの実施形態では、強化チェーンは、フレキシブルジョイントとして固体状態の強化部材の一連の長さをともにリンクすることにより形成される。第一セットの強化チェーンは、固形物によって第一の一般的な方向へ延在する第一セットの穴に挿入され、それに続いて、第二セットの強化チェーンは、第二の一般的な方向へ延在する第二セットの穴に挿入される。それらが上に説明された技術により交差するところで、チェーンは柔軟に一緒に連結される。
【００１５】
いくつかの実施形態では、フレキシブルジョイントは、強化部材間の交差に接着剤（それが固まった後に弾力性を保持するように選定されている接着剤）を適用することにより形成することができる。
【００１６】
交差穴は、気孔の形であってもよい。
【００１７】
本発明の巨視的でナノメートルな実施形態は、特別な建設資材を用いるときに、特に有利な特徴を有している。例えば、交差穴を有する固体は、誘電材料、半導体材料または導電材料から作られていてもよい。
【００１８】
細長い固体状態の強化部材は、誘電材料、半導体材料または導電材料から作られていてもよい。
【００１９】
細長い固体状態の強化部材は、部分的に誘電材料から作られ、部分的に半導体材料から作られていてもよい。
【００２０】
細長い固体状態の強化部材は、部分的に誘電材料から作られ、部分的に導電材料から作られていてもよい。
【００２１】
細長い固体状態の強化部材は、部分的に半導体材料から作られ、部分的に導電材料から作られていてもよい。
【００２２】
細長い固体状態の強化部材は、部分的に誘電材料から作られ、部分的に半導体材料から作られ、部分的に導電材料から作られていてもよい。
【００２３】
誘電材料が固形物又は強化部材のいずれかとして用いられる場合、少なくとも誘電材料の一部はセラミック材料から作られていてもよい。
【００２４】
導電材料が固形物又は強化部材のいずれかとして用いられる場合、少なくとも導電材料の一部は銀から作られていてもよい。
【００２５】
導電材料が固形物又は強化部材のいずれかとして用いられる場合、少なくとも導電材料の一部は金から作られていてもよい。
【００２６】
導電材料が固形物又は強化部材のいずれかとして用いられる場合、少なくとも導電材料の一部は白金から作られていてもよい。
【００２７】
導電材料が固形物又は強化部材のいずれかとして用いられる場合、少なくとも導電材料の一部は銅から作られていてもよい。
【００２８】
穴または気孔、および細長い固体状態の強化部材は、１０〜２００ナノメートルの断面または幅で形成されてもよい。
【００２９】
穴または気孔、および細長い固体状態の強化部材は、１００〜１０００ナノメートルの長さで形成されてもよい。
【００３０】
本発明をよりよく理解するために、また、それがどのように実行に移されるかを示すために、具体例として添付図面が示されている。
【００３１】
図１は固形物（ｓｏｌｉｄｂｏｄｙ）１を示しており、ある距離にわたって作用する力（この場合電磁力）によりそれらの交差３で柔軟に連結された細長い固体状態の強化部材２を含む複数の交差穴が形成されている。
【００３２】
強化材料は次の方法で製造される。まず、交差穴は、当技術の中で既知であるいずれかの適切な方法によって固形物１の内部に作成される。複数のチェーンは、フレキシブルジョイントとして直列で一緒に多くの細長い固体状態の強化部材２を接続することにより形成される。第一セットのチェーンは第一の与えられた方向Ａへ第一セットの穴の中に挿入され、第二セットのチェーンは第二の与えられた方向Ｂへ第二セットの穴に挿入される。さらに、可撓性のジョイント３は、ある距離を置いて作用する力のメカニズムを用いることによりチェーンが交差するところで作成される。
【００３３】
フレキシブルジョイントは、その代わりに、凝固または固まった後にその弾力性を保存する接着剤を用いることにより作成することができる。
【００３４】
穴が気孔の形をしているならば、固形物１の内部の細長い固体状態の強化部材２及びフレキシブルジョイント３は、固形物１の表面に付着してそのバルクの中に延在する別の材料の貫通から発することができる。
【００３５】
フレキシブルジョイントのタイプのものと同様に、固形物１および細長い固体状態の強化部材２のための材料は、強化材料の操作上の特徴の特定の要求を基に選択される。
【００３６】
具体例
１）ナノメートルスケール
圧電性セラミックスのブランクは、標準技術を用いて生成されており、例えば、ＢａＣＯ_３が１９．８モル％、ＴｉＯ_２が２２．５モル％、ＰｂＯが４．７モル％、ＺｒＯ_２が３．１モル％、及びＣａＯが０．７５モル％である組成を有しており、結着剤を含む加圧された圧電性セラミックスの荷電体は、１３００〜１４５０℃の温度で焼成され、その後、徐々に且つ均一に冷却される。
【００３７】
ナノ気孔は、例えばスルホヨウ化アンチモン（ＳｂＳＩ）から作られる直径２０ｎｍの鋭いプローブを用いる電気的腐食法により、圧電性セラミックスのブランクの表面の１つの上に形成される。電気的腐食処理は、６００ｎｍの走査ステップ、４Ｖの修正された電圧（ｍｏｄｉｆｙｉｎｇｖｏｌｔａｇｅ）、および４００ｎｓの１つの気孔当たりの処理時間を備えた負の極性のパルスによって実行される。
【００３８】
その後、例えば、銀からなる第二のプローブ（直径１０ｎｍの尖った先端を備える）が用いられて、ナノ気孔の内部に銀のナノ繊維を形成する。ナノ繊維は、正のパルス（６００ｎｍの処理ステップ、２Ｖの修正された電圧（ｍｏｄｉｆｙｉｎｇｖｏｌｔａｇｅ）、および６００ｎｓの処理時間）を印加している間にイオン堆積法によって製造される。第一及び第二のプローブは、走査トンネル電子顕微鏡の助けを借りて位置決めされる。
【００３９】
外部電界強度６ｋＶ／ｍｍの影響下で、機械的変形が加えられる。その結果、材料の内部構造は、ジョイントによって接続されたナノ繊維で気孔のネットへ変わる。「ナノ気孔の内部のナノ繊維」構造の対を形成した後に、入力及び出力の電極は、銀含有ペーストの助けを借りて形成される。その後、ブランクの分極が生じることができる。
【００４０】
記載された方法で製造された圧電性セラミックスは、２０〜１００ｎｍの断面、および３００〜１０００ｎｍの深さを備えたナノ気孔を有している。３００〜１０００ｎｍの長さ、および１０〜１００ｎｍの断面を備えたナノ繊維は、気孔の中に埋め込まれている。気孔の濃度は、平均で、μｍ^２当たり７つの気孔である。ナノ繊維は銀から作られている。
【００４１】
「ナノ気孔中でのナノ繊維」構造を有しないもとの圧電性セラミックス板の引張強度は、２２００Ｎ／ｍｍ^２である。「ナノ気孔でのナノ繊維」構造の提供は、引張強度を３１００Ｎ／ｍｍ^２まで増加させる。交差するナノ繊維間のフレキシブルジョイントの提供によって、引張強度はさらに４４００Ｎ／ｍｍ^２まで増加することができる。
【００４２】
ｉ）気孔の中に埋め込まれた半導体繊維を備える金属
タングステン線が原料物質として用いられる。２０〜１００ｎｍの断面を備えた気孔のネットは、機械的変形（２ｍｍの間隔で２０ｍｍ長のワイヤを折り曲げることによる）の助けを借りて、３００〜１０００ｎｍの深さでタングステン線の表面上に形成される。ナノ繊維は、３００〜１０００ｎｍの深さ、および１０〜１００ｎｍの断面で気孔の中に埋め込まれる。気孔の濃度は、平均で、μｍ^２当たり５つの気孔である。ナノ繊維はシリコンから作られている。
【００４３】
「ナノ気孔でのナノ繊維」構造を有しないもとのタングステン線の引張強度は、３６００Ｎ／ｍｍ^２である。「ナノ気孔でのナノ繊維」構造の使用で、強度は４４００Ｎ／ｍｍ^２まで増加する。記載された「強化材料」は、５４００Ｎ／ｍｍ^２の強度を有している。
【００４４】
ｉｉ）気孔の中に埋め込まれた誘電性繊維を備える金属
タングステン線が原料物質として用いられる。２０〜１００ｎｍの断面を備えた気孔のネットは、機械的変形（２ｍｍの間隔で２０ｍｍ長のワイヤを折り曲げることによる）の助けを借りて、３００〜１０００ｎｍの深さでタングステン線の表面上に形成される。ナノ繊維は、３００〜１０００ｎｍの深さ、および１０〜１００ｎｍの断面で気孔の中に埋め込まれる。気孔の濃度は、平均で、μｍ^２当たり４つの気孔である。ナノ繊維は硫黄から作られている。
【００４５】
もとのタングステン線の引張強度は３６００Ｎ／ｍｍ^２である。「ナノ気孔でのナノ繊維」構造の使用により、強度が４１００Ｎ／ｍｍ^２まで増加する。記載された強化材料は、４６００Ｎ／ｍｍ^２の強度を有している。
【００４６】
２）巨視的なスケール
コンクリートの混合物は、１５重量％のポルトランドセメント、４５重量％の砂、１重量％の可塑化剤、および３９重量％の砕石（平均の石の重さは７５ｇ）から形成される。その後、この混合物は、コンクリートを形成するために、５０重量％の水と混合される。
【００４７】
さて、図２を参照すると、鋼補強棒４，５のマトリックスが構築され、当該棒のそれぞれは、棒４，５がその中を滑動自在に動くことを可能にする１ｍｍの厚さのＰＶＣスリーブ６を備えている。この具体例において、マトリックスは、主たる縦補強棒４および補助的な横補強棒５を含む。
【００４８】
補強マトリックスが型の中に置かれ、コンクリート混合物７が、マトリックス上に型の中に注入される。コンクリート混合物７を適切に定着させるために、振動機が１０〜１５分ぐらいの間、適用される。型は、コンクリート７が固まるのを助けるために７００℃、３０分間加熱される。
【００４９】
図２に示されるように、コンクリート７が固まったときに、鋼補強棒４，５のＰＶＣスリーブ６は、コンクリート７によって強固に一緒に加圧されている。ＰＶＣスリーブ６は、交差８のポイントで、矢印Ａの方向に６０００Ｎ／ｍ^２までの横の結合強度と、矢印Ｂの方向に５００Ｎ／ｍ^２までの比較的低い縦の結合強度とを有している静電気共有結合によって連結される。比較的低い縦の結合強度は、連結時での必要な柔軟性を提供する。
【００５０】
補強筋がお互いに堅固に接続される強化コンクリートの等価な従来のブロックと比較して、本発明のこの実施形態に従って生成された強化コンクリート構造は、４７００Ｎ／ｍ^２に対して５６００Ｎ／ｍ^２の引張強度を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る強化材料の模式的な断面を示す。
【図２】本発明の第二の実施形態に係る強化材料の模式的な断面を示す。

Claims

強化材料は、その中に形成された複数の交差穴と、上記穴の内に配置された複数の細長い固体状態の強化部材（２）とを有する固形物（１）を備え、細長い固体状態の強化部材（２）は、それらがお互い（３）に交差するところで柔軟且つ相互に連結され、穴および細長い固体状態の強化部材（２）は、微視的なスケールで断面寸法を有していることを特徴とする強化材料。
強化材料は、その中に形成された複数の交差穴と、上記穴の内に配置された複数の細長い固体状態の強化部材（２，４，５）とを有する固形物（１，７）を備え、細長い固体状態の強化部材（２，４，５）は、それらがお互い（３，８）に交差するところで柔軟且つ相互に連結され、細長い固体状態の強化部材（２，４，５）は、それらの長さに沿って固形物（１，７）に付けられないことを特徴とする強化材料。
交差穴が気孔の形をしていることを特徴とする、請求項１または２記載の強化材料。
固形物（１）が誘電材料から作られていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の強化材料。
固形物（１）が半導体材料から作られていることを特徴とする、請求項１、２又は３記載の強化材料。
固形物（１）が導体材料から作られていることを特徴とする、請求項１、２又は３記載の強化材料。
細長い固体状態の強化部材（２）が誘電材料から作られていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の強化材料。
細長い固体状態の強化部材（２）が半導体材料から作られていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の強化材料。
細長い固体状態の強化部材（２）が導体材料から作られていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の強化材料。
細長い固体状態の強化部材（２）が、部分的に誘電材料から作られ、部分的に半導体材料から作られていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の強化材料。
細長い固体状態の強化部材（２）が、部分的に誘電材料から作られ、部分的に導体材料から作られていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の強化材料。
細長い固体状態の強化部材（２）が、部分的に半導体材料から作られ、部分的に導体材料から作られていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の強化材料。
細長い固体状態の強化部材（２）が、部分的に誘電材料から作られ、部分的に半導体材料から作られ、部分的に導体材料から作られていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の強化材料。
誘電体材料の少なくとも一部分がセラミック材料から作られていることを特徴とする、請求項４、７、１０、１１及び１３のいずれか一つに記載の強化材料。
導電材料の少なくとも一部分が銀から作られていることを特徴とする、請求項６、９、１１、１２及び１３のいずれか一つに記載の強化材料。
導電材料の少なくとも一部分が金から作られていることを特徴とする、請求項６、９、１１、１２及び１３のいずれか一つに記載の強化材料。
導電材料の少なくとも一部分が白金から作られていることを特徴とする、請求項６、９、１１、１２及び１３のいずれか一つに記載の強化材料。
導電材料の少なくとも一部分が銅から作られていることを特徴とする、請求項６、９、１１、１２及び１３のいずれか一つに記載の強化材料。
気孔および細長い固体状態の強化部材（２）は、１０〜２００ナノメートルの幅又は断面を有していることを特徴とする、請求項３〜１８のいずれか一つに記載の強化材料。
気孔および細長い固体状態の強化部材（２）は、１００〜１０００ナノメートルの長さを有していることを特徴とする、請求項３〜１９のいずれか一つに記載の強化材料。
細長い固体状態の強化部材（２，４，５）は、細長い穴より断面が小さいことを特徴とする、請求項２記載の強化材料。
細長い固体状態の強化部材（２，４，５）とそれらに関係した細長い穴との間には、外周的（ｐｅｒｉｍｅｔｒａｌ）なエアギャップが設けられていることを特徴とする、請求項２１記載の強化材料。
細長い固体状態の強化部材の少なくともいくつかは、それぞれ、内部部材（４，５）と、両者の間を移動することができる外部スリーブ（６）とを備えることを特徴とする、請求項２１記載の強化材料。
固体状態の材料がコンクリート（７）であり、細長い固体状態の強化部材（４，５）が金属であることを特徴とする、請求項２、２１、２２又は２３記載の強化材料。