KR20140090562A - 결합 요소, 이 결합 요소를 가진 결합 매트릭스 및 복합 물질, 및 이들의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

결합 요소의 제1층 및 제2층 구조, 또는 코어, 제1층 및 제2층 구조의 결과로서 최적화될 수 있는 매우 다양한 중요한 성질(기계적 성질, 열적 성질, 자기적 성질, 광학적 성질 및 핵 성질을 포함하나 이들로 한정되지 않음)을 가진 결합 요소, 결합 요소 매트릭스 및 복합 물질뿐만 아니라, 상기 결합 요소 및 상응하는 세라믹 및/또는 복합 물질을 제조하는 방법이 제공된다.

Description

결합 요소, 이 결합 요소를 가진 결합 매트릭스 및 복합 물질, 및 이들의 제조 방법{BONDING ELEMENT, BONDING MATRIX AND COMPOSITE MATERIAL HAVING THE BONDING ELEMENT, AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF}
본원은 본원에 참고로 도입되는, 2011년 5월 5일자로 출원된 미국 가출원 제61/449,659호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 세라믹 및/또는 복합 물질에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 세라믹 및/또는 복합 물질과 관련된 기계적 성질 및 다른 성질을 개선하는 결합 요소를 포함하는 세라믹 및/또는 복합 물질뿐만 아니라, 상기 결합 요소 및 상응하는 세라믹 및/또는 복합 물질을 제조하는 방법에 관한 것이다.
통상적인 세라믹 물질, 예컨대, 시멘트, 콘크리트 및 다른 유사한 물질은 약한 물질 성질을 나타낼 수 있다. 이들 약한 물질 성질은 상기 물질에서의 결합, 예를 들면, 수화물 결합이 종종 약하다는 사실에 기인할 수 있다. 수화물 결합은 물을 그의 분자 형태로 함유하는 결합이다. 수화된 포틀랜드(Portland) 시멘트는 수화물 결합, 예컨대, CaO·2SiO2 ·4H2O 및 CaO·H2O를 함유하는 물질의 일례이다. 이 약점은 세라믹 물질이 조기에 파괴되게 할 수 있는데, 이것은 명확히 바람직하지 않은 물질 특성이다.
따라서, 개선된 물질 성질을 가진 세라믹 물질을 제공하기 위해 결합, 보다 일반적으로 세라믹 물질, 예컨대, 시멘트, 콘크리트 및 다른 유사한 물질과 관련된 결합 매트릭스를 개선할 필요성이 존재한다.
본 명세서에서 인용된 모든 참고문헌들은 전체적으로 참고로 도입된다.
본 발명의 예시적 실시양태에 따라, 결합 요소, 결합 매트릭스, 복합 물질 및 상기 결합 요소의 제조 방법은 결합 요소의 코어/제1층/제2층 구조의 결과로서 최적화될 수 있는 매우 다양한 흥미로운 성질(기계적 성질, 열적 성질, 자기적 성질, 광학적 성질 및 핵 성질을 포함하나 이들로 한정되지 않음)을 발생시킨다.
본 발명의 추가 특징 및 장점은 하기 설명에 기재되어 있을 것이고, 부분적으로 하기 설명으로부터 명백해질 것이거나 본 발명의 실시에 의해 학습될 수 있다. 본 발명의 목적 및 다른 장점은 기재된 설명 및 특허청구범위뿐만 아니라 첨부된 도면에 구체적으로 표시된 구조에 의해 실현되고 달성될 것이다.
상기 일반적인 설명 및 하기 상세한 설명 둘다가 예시 및 설명을 위한 것이고 특허청구된 본 발명의 추가 설명을 제공하기 위한 것임이 이해될 것이다.
본 발명의 추가 이해를 제공하기 위해 포함되고 본 명세서 내에 도입되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부된 도면은 본 발명의 실시양태를 보여주고 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 데에 기여한다.
도 1(a) 내지 1(c)는 하기 3종의 예시적 코어 형상을 보여주는, 본 발명의 예시적 실시양태에 따른 단일 결합 요소의 개략적인 횡단면이다: (a) 섬유형, (b) 타원형 및 (c) 등축형.
도 2(a) 내지 2(f)는 (a) 희석된 결합 매트릭스에서 1-D 배향된 섬유형 결합 요소(결합 요소는 접촉하고 있지 않음), (b) 희석된 결합 매트릭스에서 2-D 배향된 판형 결합 요소(결합 요소는 접촉하고 있지 않음), (c) 희석된 결합 매트릭스에서 3-D 배향된 판형 결합 요소(결합 요소는 접촉하고 있지 않음), (d) 희석된 결합 매트릭스에서 무작위적으로 배향된 판형 결합 요소(결합 요소는 접촉하고 있지 않음)(이때, 복합 물질은 결합 매트릭스 및 충전제 성분, 예컨대, 중합체, 금속, 무기 원자, 응집체 등을 포함함), (e) 결합 요소의 농축된 결합 매트릭스(삼출 네트워크(percolation network)를 확립하기에 충분한 부피 분율을 가짐)(이때, 상기 매트릭스는 3-D 배향되어 있음), 및 (f) 무작위적으로 배향된 결합 요소의 농축된 결합 매트릭스(삼출 네트워크를 확립하기에 충분한 부피 분율을 가짐)(이때, 충전제 성분, 예컨대, 중합체, 금속, 무기 입자, 응집체 등이 포함될 수 있음)를 보여주는, 본 발명의 예시적 실시양태에 따른 복합 물질의 측면도 및 횡단면도이다. 서로 접촉하는 결합 요소와 분산된 유닛(unit)인 결합 요소의 혼합물을 포함하는 구조도 예상되지만 여기에 나타나 있지 않다. 결합 요소는 도 1에 나타낸 기본 다중층 구조들 중 임의의 다중층 구조를 포함할 수 있거나 임의의 추가 형상을 가질 수 있지만, 이 도면의 경우 요약된 형태로 나타나 있다. 대표적인 코어 입자 형상의 횡단면이 명확성을 위해 나타나 있다.
도 3은 본 발명의 예시적 실시양태에 따른 2 성분 복합 물질 시스템에서 상이한 연결 패턴을 보여준다. 음영으로 표시된 영역은 결합 매트릭스의 영역을 보여주고, 음영으로 표시되어 있지 않은 영역은 충전제 성분, 예컨대, 금속, 응집체, 무기 입자 또는 중합체이다(문헌(R. E. Newnham, D. P. Skinner and L. E. Cross, "Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites", Mat. Res. Bull. Vol. 13, pp. 525-536, 1978)으로부터 채택된 도 3).
도 4(a) 및 4(b)는 (a) 결합 매트릭스, 및 이 결합 매트릭스 내에 무작위적으로 분산된 등축 충전제를 포함하는, 본 발명의 예시적 실시양태에 따른 3-0 복합 물질, 및 (b) 결합 매트릭스 및 배향된 섬유형 충전제 성분을 포함하는, 본 발명의 예시적 실시양태에 따른 3-1 복합 물질을 보여준다.
도 5(a) 및 5(b)는 비결정질 실리카에 의해 캡슐화되어 있고 CaCO3 입자로 둘러싸여 있는 결정질 규회석 코어 섬유로 구성된, 본 발명의 예시적 실시양태에 따른 결합 매트릭스의 (a) 이차 전자(SE) 및 (b) 후방 산란 전자(BSE) 주사전자현미경(SEM) 영상을 보여준다.
도 6(a) 내지 6(c)는 Si(도 6(a)) 및 Ca(도 6(b)) 맵(map)의 중첩을 보여주는, 본 발명의 예시적 실시양태에 따른 결합 매트릭스의 에너지 분산 X-선 분광법(EDS) 화학적 맵핑을 보여준다. 도 6(c)에서, CaSiO, Si02 및 CaC03의 영역은 화살표로 표시되어 있다. 섬유형 규회석(CaSi03) 코어 입자는 SiO2 풍부 영역에 의해 캡슐화되어 있고 CaCO3 입자에 의해 둘러싸여 있다.
도 7은 본 발명의 실시양태에 따른 P3 결합 매트릭스(표 6) 상의 20 N의 빅커(Vicker) 경도 압입의 전계 방사 주사전자현미경(FESEM) 영상을 보여준다.
도 8(a) 내지 8(c)는 (a) 압입(SE 영상), (b) D로 표시된 점의 고배율(BSE 영상), 및 (c) 코어 규회석 입자와 실리카 상(phase) 코팅물 사이의 강력한 계면의 FESEM 현미경사진을 보여준다.
도 9는 본 발명의 한 실시양태가 요약된, P3 결합 매트릭스(표 4 또한 참조)의 응력 대 변위 곡선을 보여준다.
도 10은 본 발명의 예시적 실시양태가 요약된, FB4 복합 물질(표 3 참조)의 응력 대 변위 곡선을 보여준다.
도 11(a) 내지 11(d)는 본 발명의 실시양태에 따른 (a) Si02 및 (b) Si02, (c) 높은 Ca 비산회(Fly Ash)(HCFA) 및 (d) CaC03을 가진 P3 결합 매트릭스(표 4 또한 참조)의 상호작용을 보여준다. P3 결합 매트릭스 및 SiO2 계면(도 11(a) 및 11(b))의 관찰은 규회석 코어 섬유 주위의 CaCO3 입자 및 실리카 풍부 코팅물이 외부적으로 첨가된 실리카 입자와 계면을 형성하였다는 것을 보여준다.
도 12(a) 및 12(b)는 본 발명의 한 실시양태에 따른 0-3 복합 물질의 파괴 거동을 보여준다. 도 12(a)는 70 부피%의 모래(실리카) 미립자 성분이 구조에서 다공성을 가진 P3 결합 매트릭스(표 4 또한 참조) 내에 분산되어 있는 0-3 복합물을 보여준다. 이 복합 물질은 압축 동안 점진적인 파괴를 보여주었고 약 55 MPa의 압축 강도를 가졌다(도 12(b)).
도 13(a) 내지 13(d)는 상이한 수준의 반복 계층 구조를 가진 본 발명의 예시적 실시양태를 보여준다. 도 13(a) 및 13(b)는 1-수준 계층 시스템을 보여주고, 도 13(c) 및 13(d)는 2-수준 계층 시스템을 보여준다.
도 14(a) 내지 14(c)는 본 발명의 한 실시양태에 따른 복합 물질의 상이한 광학현미경사진을 보여준다. 도 14(a) 및 14(b)는 FB1 섬유 코어(표 3), 300 내지 500 ㎛ 모래 및 2 내지 4 mm 모래 자갈 각각을 1:2:2의 부피비로 사용함으로써 형성된 복합 물질의 광학현미경사진을 보여주고, 도 14(c)는 모래 입자의 빈 공간 내의 결합 매트릭스를 보여주고, 결합 매트릭스의 두꺼운 층은 모래 입자를 둘러싸 시멘팅 상으로서도 작용한다.
도 15는 -40℃ 내지 100℃의 열 순환 동안 FB1B의 (a) 미세변형률(microstrain) 대 온도, 및 (b) 온도 대 시간 프로파일을 보여준다.
도 16은 P3(표 4)의 비열(cp)을 온도의 함수로서 작도한 도면을 보여준다. 실험은 ASTM E1269에 따라 수행되었다.
도 17은 본 발명의 한 실시양태에 따른 통상적인 천연 사암 및 사암 모방체(mimic), (b) 본 발명의 한 실시양태에 따른 통상적인 화강암 및 화강암 모방체, 및 (c) 본 발명의 한 실시양태에 따른 통상적인 테라코타 및 테라코타 모방체의 디지털 사진을 보여준다.
도 18은 결합 매트릭스의 (a) 압축 및 (b) 인장 강도에 대한 반응 시간의 영향을 보여준다(104℃ 및 약 300 psi CO2 초기 출발 압력). P3 결합 매트릭스는 20시간 후 형성된다(표 4).
도 19는 하기 (a) 내지 (c)의 휨 강도 대 변위의 곡선을 보여준다: (a) 본 발명의 한 실시양태에 따른 금속 섬유를 가진 FB1B 결합 매트릭스, (b) 본 발명의 한 실시양태에 따른 자연 상태 그대로의 CPC2 매트릭스(곡선 A), 및 본 발명의 실시양태에 따른 10 중량% 금속 섬유(곡선 C, 조성물 FRCPC2, 표 16) 및 2.5 중량% PVA 섬유(곡선 B)를 가진 CPC2, 및 (c) 10 중량%의 공급받은 상태 그대로의 금속 섬유 및 산화된(녹슨) 금속 섬유(조성물 FRCPC2 및 RFRCPC2, 표 16)를 가진 FB1B 결합 매트릭스의 휨 강도의 비교.
도 20은 본 발명의 한 실시양태에 따른 결합 매트릭스와 강철 섬유의 계면의 (a) SE 및 (b) BSE 영상, 및 (c) Ca, (d) Si, (e) Fe 및 (f) O의 EDS 화학적 맵핑을 보여준다.
도 21은 본 발명의 한 실시양태에 따른 SRC3 복합 물질(표 18 또한 참조)의 SE FESEM 미세구조를 보여준다.
도 22는 (a) FSRBC1 복합 물질(표 19 또한 참조)의 휨 응력 대 변위, 및 (b) 인스트론(INSTRON) 시스템에서 시험하는 동안 FSRBC1 복합 물질의 굽힘을 보여주는 디지털 사진을 보여준다.
도 23은 본 발명의 한 실시양태에 따른 탄산염 함유 감람석의 미세구조의 FESEM, (a) SE 및 (b) BSE 영상, 및 상이한 형상의 탄산염 함유 감람석 입자의 고배율 (c) BSE, (d) SE 및 (c) BSE 영상을 보여준다.
도 24는 본 발명의 한 실시양태에 따른 탄산염 함유 투휘석의 미세구조의 FESEM, (a) SE 및 (b) BSE 영상, 및 탄산염 함유 투휘석 입자의 고배율 (c) SE 및 (d) BSE 영상을 보여준다.
지금부터 본 발명의 실시양태가 상세히 언급될 것이고, 상기 실시양태의 예는 첨부된 도면에 나타나 있다.
결합 요소
도 1(a) 내지 1(c)는 보다 큰 세라믹 또는 복합 물질의 적어도 일부를 구성할 수 있는 예시적 결합 요소의 횡단면을 보여준다. 도 1(a) 내지 1(c)에 나타낸 바와 같이, 주어진 결합 요소는 흑색 내부 부분으로 표시된 코어; 백색 중간 부분으로 표시된 제1층; 및 외부 부분으로 표시된 제2층 또는 캡슐화 층을 포함한다.
본 발명의 예시적 실시양태에 따르면, 결합 요소는 의도된 적용분야에 따라 임의의 크기 및 형상(즉, 형태)을 나타낼 수 있다. 표 1은 가능한 형상의 비-배타적 목록을 제공한다. 제1층은 결합 요소의 화학적 성질에 따라 단지 1개의 층 또는 다수의 하위층을 포함할 수 있고 코어를 완전히 덮을 수 있거나 코어를 부분적으로 덮을 수 있다. 제1층은 결정질 상, 비결정질 상 또는 이들의 조합물로 존재할 수 있다. 제2층은 단지 1개의 층 또는 다수의 하위층을 포함할 수 있고 마찬가지로 제1층을 완전히 또는 부분적으로 덮을 수 있다. 또한, 제2층은 복수의 입자를 포함할 수 있거나 최소한의 관찰가능한 분리된 입자를 가진 연속 상일 수 있다.
[표 1]
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005
결합 요소는 변환 공정을 통해 제조된다. 이 공정은 이하에 더 상세히 기재될 것이다. 그러나, 일반적으로, 상기 공정은 반응성 전구체 입자의 변환을 수반한다. 상기 전구체 입자는 임의의 원하는 크기 및 형태를 가질 수 있고 크기 및 형태에서 유사할 수 있거나 상이할 수 있다. 주어진 전구체 입자의 변환은 유사한 크기 및 형태를 가진 상응하는 결합 요소를 발생시킬 것이다. 상기 변환 공정은 전구체 입자를 반응성 액체에 노출시킴에 의해 진행된다. 그 다음, 상기 액체와 회합된 반응물은 상기 전구체 입자를 구성하는 화학 원소, 보다 구체적으로 상기 전구체 입자의 주변 부분에 있는 화학 원소와 반응한다. 이 반응은 결과적으로 전술된 제1층 및 제2층의 형성을 야기한다.
전술된 결합 요소의 제1 실시양태에서, 전구체 입자는 2종 이상의 화학 원소들을 포함한다(예컨대, 다수의 양이온을 포함하는 세라믹 물질 또는 다수의 금속을 포함하는 금속성 물질). 상기 변환 공정 동안, 액체 중의 반응물은 화학 원소들 중 하나 이상의 제1 화학 원소와 우선적으로 반응하는데, 이때 상기 반응물과 상기 하나 이상의 제1 화학 원소 사이의 반응은 제1층 및 제2층의 형성을 야기하고, 상기 제1층은 일반적으로 상기 하나 이상의 제1 화학 원소를 제외하고 전구체 입자의 유도체를 포함하는 반면, 제2층은 상기 반응물과 상기 하나 이상의 제1 화학 원소의 조합물을 포함한다. 비교하건대, 코어는 전구체 입자와 동일한 또는 거의 동일한 화학 조성을 포함한다. 예를 들면, 코어의 주변 부분은 코어로부터의 특정 화학 원소의 선택적 침출로 인해 전구체 입자의 화학 조성과 상이할 수 있다.
따라서, 코어와 제2층은 전구체 입자의 하나 이상의 제1 화학 원소를 공유하고, 코어와 제1층은 전구체 입자의 화학 원소들 중 하나 이상의 또 다른 화학 원소를 공유한다. 코어와 제2층에 의해 공유되는 하나 이상의 제1 화학 원소는 예를 들면, 하나 이상의 알칼리성 토류 원소(베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨 및 라듐)일 수 있다. 코어와 제1층에 의해 공유된 상기 하나 이상의 또 다른 화학 원소는 예를 들면, 규소, 티탄, 알루미늄, 인, 바나듐, 텅스텐, 몰리브덴, 갈륨, 망간, 지르코늄, 게르마늄, 구리, 니오븀, 코발트, 납, 철, 인듐, 비소 및/또는 탄탈륨일 수 있다.
제2 예시적 실시양태에서, 전구체 입자는 여전히 2종 이상의 화학 원소들을 포함할 수 있으나, 변환 공정 동안, 액체 중의 반응물은 화학 원소들 중 하나 이상의 제1 화학 원소와 우선적으로 반응하는데, 이때 상기 반응물과 상기 하나 이상의 제1 화학 원소 사이의 반응은 제1층 및 제2층의 형성을 야기하고, 제1층 및 제2층 둘다가 상기 반응물과 상기 하나 이상의 제1 화학 원소의 조합물을 포함한다. 따라서, 제1층의 화학 조성과 관련된 양이온은 전구체 입자의 2종 이상의 화학 원소들 중 제1 화학 원소에 상응하고, 제2층과 관련된 양이온 또한 전구체 입자의 2종 이상의 화학 원소들 중 제1 화학 원소에 상응한다.
대안적 예시적 실시양태에서, 반응물과 전구체 입자의 하나 이상의 제1 화학 원소 사이의 반응은 완결되도록 수행됨으로써, 결합 요소의 코어가 되며 전구체 입자의 화학 조성과 상이한 화학 조성을 가진 제1층, 및 전구체 입자의 2종 이상의 화학 원소들 중 하나 이상의 제1 화학 원소를 포함할 수 있거나 포함하지 않을 수 있는 조성물을 포함하는 하나 이상의 추가 또는 제2 외피 층을 발생시킬 수 있다.
전구체 입자는 전술된 변환을 겪을 수 있는 임의의 적합한 물질로부터 선택될 수 있다. 예를 들면, 전구체 입자는 규소, 티탄, 알루미늄, 인, 바나듐, 텅스텐, 몰리브덴, 갈륨, 망간, 지르코늄, 게르마늄, 구리, 니오븀, 코발트, 납, 철, 인듐, 비소, 탄탈륨 및/또는 알칼리성 토류 원소(베릴륨, 망간, 칼슘, 스트론튬, 바륨 및 라듐)의 산화물 및 비-산화물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 전구체 입자는 산화물, 예컨대, 규산염, 티탄산염, 알루민산염, 인산염, 바나듐산염, 텅스텐산염, 몰리브덴산염, 갈산염, 망간산염, 지르콘산염, 게르마늄산염, 구리산염, 주석산염, 하프늄산염, 크롬산염, 니오브산염, 코발트산염, 납산염, 아철산염, 인듐산염, 비산염, 탄탈산염 및 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 전구체 입자는 규산염 예컨대, 오르토규산염, 소로규산염, 사이클로규산염, 이노규산염, 파일로규산염, 텍토규산염 및/또는 규산칼슘 수화물을 포함한다. 표 2A에 나열된 다양한 특정 규산염들이 전구체 입자로서 사용될 수 있다고 생각된다. 또한, 표 2A에 나열된 다양한 특정 비-규산염들이 전구체 입자로서 사용될 수 있고 표 2에 나열된 물질을 함유하는 다양한 암석이 전구체 입자로서 사용될 수 있다고 생각된다.
[표 2A]
Figure pct00006
Figure pct00007
Figure pct00008
Figure pct00009
또한, 몇몇 폐기물이 전구체 입자로서 사용될 수 있다고 생각된다. 폐기물은 예를 들면, 광물, 산업 폐기물, 또는 산업 화학물질을 포함할 수 있다. 몇몇 예시적 폐기물은 광물 규산염, 철광석, 페리클레이스(periclase), 석고, 수산화철(II), 비산회, 바닥재, 슬래그, 유리, 오일 쉘(oil shell), 적니, 폐전지, 재활용된 콘크리트, 광미사, 종이재, 농축된 역삼투 염수로부터의 염을 포함한다.
추가 전구체 입자는 상이한 유형의 광물 함유 암석, 예컨대, 칼-규산염 암석, 피치 암층(fitch formation), 헤브론(hebron) 편마암, 층진 편마암, 중간 부재, 점토암, 규암, 중기 선캄브리아대 퇴적물, 소량의 석회암 층을 가진 어둡게 착색된 장석 함유 규암, 고등급 변성퇴적 흑운모 편암, 흑운모 편마암, 운모 편암, 규암, 후삭(hoosac) 암층, 파트리지(partridge) 암층, 워싱톤 편마암, 데본기(Devonian), 실루리아기(Silurian) 그린베일만 암층, 오코이(ocoee) 누층군, 변성사암, 변성경사암, 랭글리(Rangeley) 암층, 각섬변성암, 방해석 및 백운석 대리석, 맨하탄(manhattan) 암층, 녹슨 회색 흑운모-석영-장석 편마암 및 워터포드(waterford) 층군을 포함할 수 있다.
전구체 입자는 화성암, 예컨대, 안산암, 사장암, 바시나이트(basinite), 보니나이트(boninite), 카보나타이트(carbonatite) 및 차녹카이트(charnockite)(그러나, 이들로 한정되지 않음), 퇴적물, 예컨대, 점토암, 장석질 사암, 각력암, 압쇄암, 백악, 점토암, 규질암, 플린트(flint), 기스톤(gistone), 리긴(lighine), 석회암, 이암, 사암, 셰일(shale) 및 실트암(그러나, 이들로 한정되지 않음), 변성물, 예컨대, 각섬변성암, 변성록암, 편마암, 백립암, 녹암, 혼펠스(hornfels), 대리암, 이질암, 천매암, 규암, 쉬스트(shist), 스카른(skarn), 점판암, 활석탄산염 및 동석(그러나, 이들로 한정되지 않음), 및 다른 다양한 암석, 예컨대, 아다멜라이트(adamellite), 애피나이트(appinite), 비현정질화성암, 보롤라나이트(borolanite), 청색 화강암, 녹렴암, 규장석, 플린트(flint), 개니스터(ganister), 아이졸라이드(ijolite), 경옥암, 제이스프로이드(jasproid), 케나이트, 보게사이트(vogesite), 라비카이트(larvikite), 리치피일다이트(litchfieldite), 전기석, 맨저라이트(mangerite), 미네트(minette), 노바큘라이트(novaculite), 파이롤라이트(pyrolite), 라파키비(rapakivi) 화강암, 능형반암, 손키나이트(shonkinite), 타코나이트(taconite), 테센암, 세랄석 및 구과현무암(그러나, 이들로 한정되지 않음)도 포함할 수 있다.
마찬가지로, 제1층은 전술된 다양한 전구체 물질들의 화학 조성로부터 유도될 수 있는 임의의 화학 조성을 포함할 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이, 제2층인 캡슐화 층은 반응물과 전구체 입자로부터의 하나 이상의 화학 요소의 조합물을 포함할 수 있다. 본 발명의 예시적 실시양태에 따르면, 제2층 또는 캡슐화 층은 많은 가능한 화학물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 캡슐화 층은 천연 발생 구조를 가진 탄산염을 포함할 수 있다. 제2층 또는 캡슐화 층은 임의의 다른 가능한 탄산염 화학물질뿐만 아니라, 황산염, 인산염, 및 용매에서 용해될 수 있고 전구체 입자와 반응할 수 있는 다른 음이온성 화합물도 포함할 수 있다.
표 2B는 상이한 전구체 물질을 사용할 때 달성될 수 있는 제1층 및 제2층에 대한 상이한 유형의 화학물질의 예시적 실시양태를 제공한다. 표 2B에 나열된 예는 가능한 물질의 한정적 또는 배타적 목록으로서 간주되어서는 안 되고 전구체 물질에 따라 달성될 수 있는 많은 상이한 추가 유형의 화학물질의 예시로서만 간주되어야 한다. 제1층의 경우, 상이한 전구체 물질을 사용함으로써 실리카, 알루미나 또는 티타니아를 수득할 수 있다. 제2층도 전구체 물질의 선택에 의해 변경될 수 있다. 예를 들면, 표 2B에 예시된 제2층을 위한 물질의 비-배타적 목록은 다양한 유형의 탄산염, 예컨대, 순수한 탄산염, 다중 음이온 탄산염, 물 또는 OH 기를 가진 탄산염, 물 또는 OH 기를 가진 층진 탄산염, 음이온 함유 탄산염, 규산염 함유 탄산염 및 탄산염 보유 광물(그러나, 이들로 한정되지 않음)을 포함할 수 있다.
[표 2B]
Figure pct00010
표 2B에 나열된 상기 예시적 실시양태를 어떻게 달성하는지에 대한 추가 지침을 더 제공하기 위해, 이들 예시적 물질의 일부를 달성하는 방법에 대한 보다 상세한 논의가 후술된다.
도 1(a) 내지 1(c)를 다시 참고하건대, 결합 요소에 대한 3종의 상이한 예시적 형상이 나타나 있다. 코어 및/또는 결합 요소와 관련된 형태 또는 형상은 전구체 입자의 형태와 동일하거나 유사할 수 있다. 따라서, 전구체 입자 및 이에 따라 상응하는 결합 요소 및/또는 코어는 구 형태, 타원 형태, 다각형 형태, 예컨대, 육각형, 또는 다수의 다른 형태 중 임의의 형태를 포함하나 이들로 한정되지 않는 다수의 형상 중 임의의 형상을 취할 수 있다. 나아가, 전구체 입자 및 이에 따라 상응하는 결합 요소 및/또는 코어의 형상은 등축형일 수 있거나 와이어 또는 막대 형태의 경우에서와 같이 또 다른 축보다 더 긴 한 축을 가질 수 있다. 또한, 전구체 입자는 1개의 결정(즉, "단일 결정질" 또는 다수의 결정(즉, "다중 결정질")을 포함할 수 있다. 전구체 입자는 실제로 다수의 입자를 포함할 수 있거나 비결정질 상을 포함할 수 있다.
구체적인 제1 예에서, 주로 규회석(CaSi03)으로 형성된 전구체 입자는 물에 용해된 이산화탄소와 반응한다. 칼슘 양이온이 규회석으로부터 침출되어 규회석 코어의 주변 부분을 칼슘 결핍 규회석으로 변화시킨다고 생각된다. 칼슘 양이온이 상기 코어의 주변 부분으로부터 계속 침출되기 때문에, 상기 주변 부분의 구조는 결과적으로 불안정하게 되고 분해됨으로써, 코어의 칼슘 결핍 규회석 주변 부분을, 주로 실리카가 풍부한 제1층으로 변환시킨다. 한편, 주로 탄산칼슘으로 형성된 제2층은 물로부터 침전된다. 보다 구체적으로, 제1층 및 제2층은 하기 반응식에 따라 전구체 입자로부터 형성될 수 있다:
H20 + CaSi03 + C02 = CaC03 + Si02 + H20
반응성 액체의 반응물(여기서, 이산화탄소)은 규회석 전구체 코어의 Ca 양이온과 우선적으로 반응함으로써 상기 전구체 코어의 주변 부분을 실리카 풍부 제1층 및 탄산칼슘 풍부 제2층으로 변환시킨다. 또한, 코어 상의 제1층 및 제2층의 존재는 규회석과 이산화탄소 사이의 추가 반응에 대한 장벽으로서 작용하여, 코어, 제1층 및 제2층을 가진 결합 요소를 발생시킨다.
제1 실시양태의 본 예 및 다른 예에서, 음이온 및 양이온 둘다가 각각의 층에서 변화된다. 본 예에서, 코어는 Ca2 +, Si4 + 및 O2 - 이온을 갖고, 제2층은 주로 Si4+, O2 - 및 소량의 Ca2 + 이온을 갖는 반면, 제2층은 Ca2 + 및 CO3 2 - 이온을 가진다.
제1 실시양태의 제2 예에서, 주로 고토감람석(Mg2Si04)으로 형성된 전구체 입자는 용해된 이산화탄소와 반응하여 고토감람석의 주변 부분을, 주로 실리카로 형성된 제1층 및 주로 탄산마그네슘으로 형성된 제2층으로 변환시킨다. 보다 구체적으로, 제1층 및 제2층은 하기 반응식에 따라 전구체 입자로부터 형성될 수 있다:
H20 + MgxSiyOz + C02 = xMgC03 + ySi02 + H20
반응성 액체의 반응물(여기서, 이산화탄소)은 고토감람석 전구체 코어의 Mg 양이온과 우선적으로 반응함으로써 상기 전구체 입자의 주변 부분을 실리카 풍부 제1층 및 탄산마그네슘 풍부 제2층으로 변환시킨다. 또한, 코어 상의 제1층 및 제2층의 존재는 고토감람석과 이산화탄소 사이의 추가 반응에 대한 장벽으로서 작용하여, 코어, 제1층 및 제2층을 가진 결합 요소를 발생시킨다.
제1 실시양태의 제3 예에서, 주로 활석(Mg3Si4010(OH)2)(900℃에서 12시간 동안 예열되어 탈수된 활석을 형성함)으로 형성된 전구체 입자는 용해된 이산화탄소와 반응하여 활석의 주변 부분을, 주로 실리카로 형성된 제1층 및 주로 MgC03 ·xH20(x=1-5)으로 형성된 제2층으로 변환시킨다. 보다 구체적으로, 제1층 및 제2층은 하기 반응식에 따라 전구체 입자로부터 형성될 수 있다:
H20 + Mg3Si4O10(OH)2 + C02 = MgC03 ·xH20(x=1-5) + Si02 + H20
반응성 액체의 반응물(여기서, 이산화탄소)은 활석의 Mg 양이온과 우선적으로 반응함으로써 상기 전구체 입자의 주변 부분을 실리카 풍부 제1층 및 MgC03 ·xH20(x=1-5) 풍부 제2층으로 변환시킨다. 또한, 코어 상의 제1층 및 제2층의 존재는 활석과 이산화탄소 사이의 추가 반응에 대한 장벽으로서 작용하여, 코어, 제1층 및 제2층을 가진 결합 요소를 발생시킨다.
제1 실시양태의 제4 예에서, 주로 투휘석(MgCaSi206)으로 형성된 전구체 입자는 용해된 이산화탄소와 반응하여 투휘석의 주변 부분을, 주로 실리카로 형성된 제1층, 및 주로 탄산칼슘(CaCO3)과 탄산마그네슘(MgCO3) 및/또는 (가변 비의 Mg 및 Ca를 가진) 백운석((Mg,Ca)C03)의 혼합물로 형성된 제2층으로 변환시킨다. 제2층은 예를 들면, 탄산마그네슘의 제1 하위층, 및 탄산칼슘의 제2 하위층을 포함할 수 있다. 대안으로, 제2층은 복수의 탄산염 함유 입자, 예컨대, CaC03, (Mg,Ca)C03 및 MgC03을 포함할 수 있다.
상기 제1층 및 제2층은 하기 두 반응식들 중 하나 또는 이들의 조합에 따라 전구체 입자로부터 형성될 수 있다:
H20 + MgCaSi206 + C02 = MgC03 + CaC03 + Si02 + H20
H20 + MgCaSi206 + C02 = 2(Mgx,Cay)C03 + Si02 + H20
반응성 액체의 반응물(여기서, 이산화탄소)은 주로 투휘석의 Ca 및 Mg 양이온과 반응함으로써 상기 전구체 코어의 주변 부분을 실리카 풍부 제1층, 및 탄산칼슘 및 탄산마그네슘 및/또는 백운석(가변 비의 Mg 및 Ca를 가짐)의 혼합물 풍부 제2층으로 변환시킨다. 또한, 코어 상의 제1층 및 제2층의 존재는 투휘석과 이산화탄소 사이의 추가 반응에 대한 장벽으로서 작용하여, 코어, 제1층 및 제2층을 가진 결합 요소를 발생시킨다.
제1 실시양태의 제5 예에서, 전구체 입자/코어는 남섬석(Na2Mg3Al2Si8022(OH)2)으로 형성되고, 제1층은 알루미나 및/또는 실리카 풍부 층이고, 제2층은 MgC03 및/또는 NaAlC03(OH)2 풍부 층이다.
제1 실시양태의 제6 예에서, 전구체 입자/코어는 팔리고스카이트(palygorskite)((Mg,Al)2Si4010(OH)·4(H20))로 형성되고, 제1층은 알루미나 및/또는 실리카 풍부 층이고, 제2층은 Mg6Al2C03(OH)16 ·4H20 풍부 층이다.
제1 실시양태의 제7 예에서, 전구체 입자/코어는 회주석(Ca4(Al2Si208)3(Cl2C03,S04))으로 형성되고, 제1층은 알루미나 및/또는 실리카 풍부 층이고, 제2층은 Ca2S04C03 ·4H20 풍부 층이다.
제1 실시양태의 제8 예에서, 전구체 입자/코어는 탄자나이트(tanzanite)(Ca2Al30(Si04)(Si207)(OH))로 형성되고, 제1층은 알루미나 및/또는 실리카 풍부 층이고, 제2층은 Ca5Si208C03, Ca5Si208C03 및/또는 Ca7Si6018C03 ·2H20 풍부 층이다.
제1 실시양태의 제9 예에서, 전구체 입자/코어는 (Ba0.6Sr0.3Ca0.1)Ti03로 형성되고, 제1층은 티타니아 풍부 층이고, 제2층은 올레크민스카이트(olekminskite)(Sr(Sr,Ca,Ba)(C03)2) 풍부 층이다.
표 2C에 나타낸 바와 같이, 제2층은 추가 음이온 및/또는 양이온을 이미 존재하는 CO3 2- 음이온에 도입함으로써 변경될 수도 있다. 따라서, 제2층은 하나 이상의 반응물에 상응하는 음이온과 결합된 양이온을 포함하는 화학 조성을 포함할 수 있다. 제2층의 화학 조성과 관련된 양이온은 제1 반응물의 음이온에 결합될 수 있다. 제2층의 화학 조성과 관련된 양이온은 제1 반응물 이외의 반응물의 음이온에 결합될 수 있다. 대안으로, 제2층의 화학 조성과 관련된 양이온은 제1 반응물의 음이온 및 제2 또는 그 이상의 반응물의 음이온에 결합될 수 있다. 이러한 추가 음이온 및 양이온은 제2층의 물리적 및 화학적 성질, 예컨대, 화염 저항성 또는 산 저항성을 증가시키도록 제2층을 변경하는 데에 사용될 수 있다. 예를 들면, 표 2C에 나타낸 바와 같이, 제1층은 실리카 풍부 층으로서 보유되지만, 제2층은 가외의 음이온 또는 양이온을 반응에 첨가함으로써 변경될 수 있다. 첨가될 수 있는 몇몇 예시적 음이온은 PO4 2 - 및 SO4 2 -를 포함할 수 있다. 다른 음이온 또는 양이온도 사용될 수 있다. 표 2C에 나타낸 바와 같이, 최종 결과물은 예를 들면, 상이한 인산염, 황산염, 불화물 보유 탄산염 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 표 2B에 나타낸 바와 같이, 표 2C에서 제공된 예는 예시적인 것일 뿐이고 이들이 가능한 예의 배타적 목록이 아니므로 한정하는 것으로서 간주되어서는 안 된다.
[표 2C]
Figure pct00011
추가 예시적 실시양태에서, 전구체 입자는 주로 구리로 형성될 수 있고 물과 반응하여 전구체 입자의 주변 부분을, 주로 수산화구리로 형성된 제1층으로 변환시킬 수 있다. 다음으로, 이산화탄소는 제1층의 주변 부분을, 주로 탄산구리로 형성된 제2층으로 변환시키는 데에 사용될 수 있다. 제1층 상의 제2층의 존재는 이산화탄소와 구리 사이의 추가 반응에 대한 장벽으로서 작용하여 코어, 제1층 및 제2층을 가진 결합 요소를 발생시킨다. 본 예에서, 원소 구리는 코어 내에 존재하고, 수산화구리를 형성하는 Cu2 +와 OH-의 조합물은 제1층을 구성하고, Cu2 +와 CO3 2 -의 조합물은 제2층을 구성한다.
유사한 결과는 전구체 입자가 주로 산화구리로 형성될 수 있는 변경된 예시적 실시양태에서도 달성될 수 있다. 그 다음, 상기 전구체 입자는 물과 반응하여 전구체 입자의 주변 부분을, 주로 수산화구리로 형성된 제1층으로 변환시킨다. 다음으로, 이산화탄소는 제1층의 주변 부분을, 주로 탄산구리로 형성된 제2층으로 변환시키는 데에 사용될 수 있다. 제1층 상의 제2층의 존재는 이산화탄소와 구리 사이의 추가 반응에 대한 장벽으로서 작용하여 코어, 제1층 및 제2층을 가진 결합 요소를 발생시킨다. 본 변경된 예에서, 구리는 코어 내에도 존재하고, Cu2+ 및 OH-와 수산화구리의 조합물은 제1층을 구성하고, Cu2+ 및 CO3 2-와 탄산구리의 조합물은 제2층을 구성한다. 따라서, 이들 예시적 실시양태에서, 코어, 제1층 및 제2층 모두가 동일한 양이온성 종을 갖되 상이한 음이온을 가진다.
추가 예시적 실시양태에서, 주로 청동으로 형성된 전구체 입자는 물과 반응하여 전구체 입자의 주변 부분을, 수산화구리를 포함하는 제1층으로 변환시킨다. 다음으로, 이산화탄소는 제1층의 주변 부분을, 탄산구리를 포함하는 제2층으로 변환시킨다. 제1층 상의 제2층의 존재는 이산화탄소와 청동 사이의 추가 반응에 대한 장벽으로서 작용하여 코어, 제1층 및 제2층을 가진 결합 요소를 발생시킨다.
추가 예시적 실시양태에서, 전구체 입자는 구리 또는 청동 이외의 물질로 형성될 수도 있다. 전구체 물질은 상기 논의된 목록으로부터 선택된 물질일 수 있다. 예를 들면, 전구체 물질은 규소를 포함할 수 있다. 대안으로, 전구체는 알루미늄을 포함할 수 있다. 전구체 물질은 철을 포함할 수 있다. 그 다음, 전구체는 반응하여 제1층으로서 수산화물을 형성할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 제1층은 수산화규소로 형성될 수 있다. 대안으로, 제1층은 수산화알루미늄을 포함할 수 있다. 제1층은 대신에 수산화철을 포함할 것이다. 나아가, 제1층은 수산화물 대신에 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1층은 산화규소를 포함할 수 있다. 대안으로, 제1층은 산화알루미늄을 포함할 수 있다. 또 다른 대안으로, 제1층은 산화철을 포함할 수 있다. 유사하게, 제2층은 상기 논의된 탄산염으로 구성될 수 있다. 따라서, 예를 들면, 제2층은 탄산규소를 포함할 수 있다. 대안으로, 제2층은 탄산알루미늄을 포함할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 제2층은 탄산철을 포함할 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, 다른 전구체 물질이 사용될 수 있으므로, 코어, 제1층 및 제2층의 이들 조성물들은 단지 예시적인 것이고 한정하기 위한 것으로 간주되어서는 안 된다.
결합 요소를 형성하는 공정
전술된 결합 요소는 예를 들면, 기체-보조된 수열 액상 소결 방법에 의해 형성될 수 있다. 이 방법에서, 복수의 전구체 입자를 포함하는 다공성 고형체를 용매에 노출시키고, 이 용매는 상기 다공성 고형체의 공극을 부분적으로 포화시키는데, 이것은 공극의 부피가 물로 부분적으로 충전된다는 것을 의미한다.
몇몇 시스템, 예컨대, 탄산염 형성 시스템에서, 공극을 물로 완전히 충전시키는 것은 반응성 기체가 기체 확산에 의해 다공성 고형체의 외부 표면으로부터 모든 내부 공극까지 확산될 수 없기 때문에 바람직하지 않은 것으로 생각된다. 대신에, 반응성 기체의 반응물은 액체에 용해될 것이고 외부 표면으로부터 내부 공극까지 액상으로 확산될 것이고, 이 확산은 훨씬 더 느리다. 이 액상 확산은 얇은 다공성 고형체를 변환시키는 데에 적합할 수 있으나 보다 두꺼운 다공성 고형체에는 적합하지 않을 것이다.
반응물을 함유하는 기체는 다공성 고형체의 부분적으로 포화된 공극 내로 도입되고, 상기 반응물은 용매에 의해 용해된다. 그 다음, 용해된 반응물은 전구체 입자의 적어도 제1 화학 원소와 반응하여 상기 전구체 입자의 주변 부분을 제1층 및 제2층으로 변환시킨다. 반응의 결과로서, 용해된 반응물은 용매로부터 고갈된다. 한편, 반응물을 함유하는 기체는 부분적으로 포화된 공극 내로 계속 도입되어 추가 반응물을 용매에 공급한다.
반응물과 전구체 입자의 적어도 제1 화학 원소 사이의 반응이 진행됨에 따라, 상기 전구체 입자의 주변 부분은 제1층 및 제2층으로 변환된다. 코어 주변의 제1층의 존재는 결과적으로 반응물과 전구체 입자의 적어도 제1 화학 원소를 분리하여 반응이 효과적으로 중단되게 함으로써 추가 반응을 방해하여, 전구체 입자의 미반응된 중심으로서 코어, 상기 코어 주변의 제1층 및 제1층 상의 제2층을 가진 결합 요소를 남긴다.
변환의 결과로서, 코어는 전구체 입자와 동일한 또는 유사한 형태를 갖지만 보다 작은 크기를 갖고, 제1층 및 제2층은 상기 코어를 부분적으로 또는 전체적으로 코팅하는 균일한 또는 불균일한 두께를 각각 가질 수 있고 변환 공정 동안 전구체 입자를 둘러싸는 공극의 크기 및 형태에 따라 다공성 층일 수 있다. 코어, 제1층 및 제2층을 포함하는 생성된 결합 요소는 일반적으로 전구체 입자보다 크기 면에서 더 크므로, 다공성 고형체의 주변 다공성 영역을 충전시키고 가능하게는 다공성 고형체 중의 인접 물질들과 결합한다. 그 결과, 다공성 고형체와 실질적으로 동일한 크기 및 형태를 갖되 상기 다공성 고형체보다 더 높은 밀도를 가진 생성물의 최종 형태 형성이 달성될 수 있다. 이것은 질량 수송으로부터 수축을 야기하여 초기 분말 압착물보다 더 높은 밀도를 가진 물질을 생성하는 전통적인 소결 공정에 비해 유리한 점이다.
이론에 의해 한정되고자 하는 것은 아니지만, 전구체 코어의 변환은 적어도 제1 화학 원소가 전구체 입자로부터 용매 내로 침출되어, 제1층을 형성하는 한정된 농도를 제외하고 일반적으로 제1 화학 원소를 갖지 않는 고갈 대역을 남기기 때문에 수행될 수 있다. 그 다음, 침출된 제1 화학 원소는 용매의 반응물과 조합되어 제2층을 형성한다. 전구체 코어 주변의 제1층 및 제2층의 존재는 결과적으로 도입된 반응물과 전구체 입자의 제1 화학 원소를 분리하여 반응을 사실상 중단될 수 있는 매우 느린 반응 속도로 한정함으로써 추가 반응을 방해하여 코어, 이 코어 주변의 제1층 및 제1층 상의 제2층을 가진 결합 요소를 남긴다. 또 다른 이론은 전구체 입자의 다수의 화학 원소들이 용매 내로 용해되고, 제1 화학 원소가 침전되어 제1층을 형성한 후 남은 양이온이 침전되어 제2층을 형성한다는 것이다.
기체-보조된 수열 액상 소결 방법의 일례에서, 복수의 전구체 입자를 포함하는 다공성 고형체를 고온고압멸균 챔버 내에 넣고 가열한다. 물을 상기 챔버 내에서 증발시킴으로써 용매로서 물을 다공성 고형체의 공극 내로 도입한다. 다공성 고형체 상의 냉각 판은 증발된 물을 응축시키고, 그 후 상기 물은 다공성 고형체 상으로 떨어져 다공성 고형체의 공극 내로 도입됨으로써 다공성 고형체의 공극을 부분적으로 포화시킨다. 그러나, 본 예에서 물을 도입하는 방법은 물을 전달할 수 있는 여러 방법들 중 하나이다. 또 다른 예에서, 물을 가열하여 분무할 수 있다.
한편, 반응물로서 이산화탄소는 챔버 내로 펌핑되고, 상기 이산화탄소는 다공성 고형체의 부분적으로 포화된 공극 내로 확산된다. 일단 공극 내로 도입되면, 이산화탄소는 물에 용해되어, 전구체 입자와 이산화탄소 사이의 반응이 상기 전구체 입자의 주변 부분을 제1층 및 제2층으로 변환시키게 한다.
제2 실시양태에서, 전구체 입자는 1종 이상의 화학 원소, 예컨대, 세라믹 물질 또는 금속성 물질을 포함한다. 변환 공정 동안, 액체와 회합된 제1 반응물은 세라믹 또는 금속성 물질의 적어도 제1 화학 원소와 반응하여 제1층을 형성한다. 그 다음, 액체와 회합된 제2 반응물은 제1층의 주변 부분에서 제1 화학 원소와 반응하여 제2층(캡슐화 층)을 형성한다. 따라서, 코어는 제1 화학 원소를 포함하는, 전구체 입자와 동일한 화학 조성을 포함한다. 제1층은 제1 반응물과 제1 화학 원소의 조합물인 화합물을 포함한다. 제2층은 제2 반응물과 제1 화학 원소의 조합물인 화합물을 포함한다.
제조 방법에 의해 한정되고자 하는 것은 아니지만, 전술된 결합 요소는 1종 상의 전구체 입자, 예컨대, 구리를 포함하는 다공성 고형체를 제1 반응물, 예컨대, 물에 노출시켜 물과 구리 사이의 반응을 통해 제1층을 형성함으로써 형성될 수 있다. 그 후, 기체-보조된 수열 액상 소결 방법을 수행할 수 있다. 이 방법에서, 코어 및 제1층은 전구체 입자와 반응하는, 내부에 용해된 제2 반응물을 초기에 가질 수 있거나 갖지 않을 수 있는 용매(예컨대, 물)에 노출된다. 한편, 추가 양의 제2 반응물을 함유하는 기체는 다공성 고체 구조 내로 도입되어 전구체 입자와의 추가 반응을 위한 제2 반응물을 용매에 공급한다.
제2 반응물과 제1층 사이의 반응이 진행됨에 따라, 제2 반응물은 제1층과 계속 반응하여 제1층의 주변 부분을 제2층으로 변환시킨다. 제2층의 형성은 제1층 내의 성분의 외부-용해(exo-solution)에 의해 달성될 수 있고, 이러한 제2층은 구배 층일 수 있는데, 이때 제2층을 구성하는 화학 원소(양이온) 중 하나의 농도는 코어 입자 표면부터 제1층의 단부까지 상이할 정도로 고농도부터 저농도까지 변화된다. 예컨대, 층들이 비결정질 층이거나 불변 또는 가변 조성물을 가진 고체 용액으로 만들어진 경우 제2층이 구배 조성물을 가질 수 있는 것도 가능하다.
전구체 코어 주변의 제2층의 존재는 결과적으로 제2 반응물과 제1층을 분리시켜 반응이 효과적으로 중단되게 함으로써 추가 반응을 방해하여, 코어, 이 코어 주변의 제1층 및 제1층 상의 제2층을 가진 결합 요소를 남긴다. 생성된 결합 요소는 원래의 전구체 입자보다 크기 면에서 일반적으로 더 크므로, 다공성 고형체의 주변 공극 영역을 충전시키고 다공성 고형체의 인접 물질들과 결합한다. 그 결과, 상기 방법은 원래의 다공성 고형체와 실질적으로 동일한 형태를 갖되 상기 다공성 고형체보다 더 높은 밀도를 가진 생성물의 최종 형태 형성을 가능하게 한다. 이것은 질량 수송으로부터 수축을 야기하여 초기 분말 압착물보다 더 높은 밀도를 가진 물질을 생성하는 전통적인 소결 공정에 비해 유리한 점이다.
결합 매트릭스
본 발명의 예시적 실시양태에 따른 결합 매트릭스는 상기 정의된 바와 같이 복수의 결합 요소를 포함한다. 결합 매트릭스는 다공성 결합 매트릭스일 수 있다. 상기 설명된 바와 같이, 다공도 정도는 다공성을 조절하기 위해 이용될 수 있는 다수의 변수, 예컨대, 온도, 반응기 디자인, 전구체 물질 및 변환 공정 동안 도입되는 액체의 양에 의해 좌우된다. 따라서, 의도된 적용분야에 따라, 다공성은 약 1 부피%부터 약 99 부피%까지 거의 임의의 다공성 정도로 설정될 수 있다.
복합 물질
결합 매트릭스는 전술된 변환 공정 동안 전구체 물질과 혼합되어 복합 물질을 생성할 충전제 물질을 포함할 수 있다.
일반적으로, 충전제 물질은 결합 매트릭스 내로 도입될 수 있는 다수의 유형의 물질들 중 어느 한 물질, 예컨대, 불활성 물질 및 활성 물질을 포함할 수 있다. 불활성 물질은 변환 동안 임의의 화학 반응을 거치지 않고 핵형성 부위로서 작용하지 않는 물질이다. 활성 물질은 변환 동안 임의의 화학 반응을 거치지 않지만 핵형성 부위로서 작용하는 제1 유형의 물질, 및/또는 변환 동안 결합 매트릭스와 화학적으로 반응하는 제2 유형의 물질로 구성될 수 있다.
상기 설명된 바와 같이, 불활성 물질은 물리적으로 또는 기계적으로 결합 매트릭스와 상호작용할 수 있지만 변환 동안 임의의 화학 반응을 거치지 않고 핵형성 부위로서 작용하지 않는다. 불활성 물질은 중합체, 금속, 무기 입자, 응집체 등을 포함할 수 있다. 구체적인 예는 현무암, 화강암, 재활용된 PVC, 고무, 금속 입자, 알루미나 입자, 지르코니아 입자, 탄소 입자, 카펫 입자, 케블라(Kevlar)™ 입자 및 이들의 조합물을 포함할 수 있으나 이들로 한정되지 않는다.
상기 설명된 바와 같이, 제1 유형의 활성 물질은 변환 동안 임의의 화학 반응을 거치지 않지만 핵형성 부위로서 작용한다. 추가로, 상기 활성 물질은 결합 매트릭스와 물리적으로 또는 기계적으로 상호작용할 수 있다. 예를 들면, 제2층으로서 탄산염 상을 가진 결합 요소를 사용할 때, 이 유형의 활성 물질은 예를 들면, 석회석, 대리석 분진 및 다른 탄산칼슘 함유 물질을 포함할 수 있다.
상기 설명된 바와 같이, 제2 유형의 활성 물질은 변환 동안 결합 매트릭스와 화학적으로 반응한다. 예를 들면, 수산화마그네슘은 충전제 물질로서 사용될 수 있고 결합 매트릭스로부터의 용해 칼슘 성분 상과 화학적으로 반응하여 탄산칼슘마그네슘을 형성할 수 있다.
결합 매트릭스와 함께 충전제 물질의 사용, 및 충전제 물질의 첨가가 생성된 복합 물질의 기능, 즉 물질 성질을 어떻게 더 개선할 수 있는지에 대한 설명이 보다 더 기재될 것이다.
결합 매트릭스는 생성된 복합 물질의 거의 임의의 백분율을 차지할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 결합 매트릭스는 복합 물질의 약 1 부피% 내지 약 99 부피%를 차지할 수 있다. 따라서, 결합 매트릭스의 부피 분율은 약 90 부피% 이하, 예컨대, 70 부피%, 예컨대, 50 부피%, 예컨대, 40 부피%, 예컨대, 30 부피%, 예컨대, 20 부피%, 예컨대, 약 10 부피% 이하일 수 있다. 결합 매트릭스의 부피 분율에 대한 바람직한 범위는 약 8 부피% 내지 약 99 부피%이고, 가장 바람직한 범위는 약 8 부피% 내지 30 부피%이다.
결합 매트릭스 및 충전제를 포함하는 복합 물질은 다공성 복합 물질일 수도 있다. 상기 설명된 바와 같이, 다공성 정도는 다공성을 조절하기 위해 이용될 수 있는 다수의 변수, 예컨대, 온도, 반응기 디자인, 전구체 물질, 변환 공정 동안 도입되는 액체의 양 및 임의의 충전제가 사용되는지에 의해 좌우된다. 따라서, 의도된 적용분야에 따라, 다공성은 약 1 부피%부터 약 99 부피%까지 거의 임의의 다공성 정도로 설정될 수 있다. 예를 들면, 다공성은 약 90 부피% 이하, 예컨대, 70 부피%, 예컨대, 50 부피%, 예컨대, 40 부피%, 예컨대, 30 부피%, 예컨대, 20 부피%, 예컨대, 약 10 부피% 이하일 수 있다. 복합 물질에 대한 바람직한 다공성 범위는 약 1 부피% 내지 약 70 부피%, 가장 바람직하게는 높은 밀도 및 내구성을 위해 약 1 부피% 내지 약 10 부피%, 또는 경량 및 낮은 열 전도성을 위해 약 50 부피% 내지 약 70 부피%이다.
결합 매트릭스 배향
결합 매트릭스 내에서, 결합 요소는 서로에 대해 다수의 배향들 중 어느 한 배향으로 위치할 수 있다. 따라서, 결합 매트릭스는 다수의 상이한 패턴들 중 어느 한 패턴을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 결합 요소는 한 배향(즉, "1-D" 배향", 두 배향(즉, "2-D" 배향) 또는 세 배향(즉, "3-D" 배향)으로 배향될 수 있다. 대안으로, 결합 요소는 무작위 패턴(즉, "무작위" 배향)으로 배향될 수 있다.
전술된 배향 및 다른 결합 요소 배향은 다수의 공정들 중 어느 한 공정에 의해 달성될 수 있다. 이들 공정들은 테이프 주조, 압출, 자기장 및 전기장 주조를 포함하나 이들로 한정되지 않는다. 그러나, 이들 방법들 중 어느 한 방법에 따른 전구체의 예비형성은 전술된 변환 방법에 따라 전구체 입자를 변환시키기 전에 일어날 것임을 이해할 것이다. 통상의 기술을 가진 자는 결합 요소를 어떻게 배향시키는지를 이해할 것이다.
나아가, 결합 매트릭스 내의 결합 부재의 농도는 변화될 수 있다. 예를 들면, 부피를 기준으로 한 결합 요소의 농도는 상대적으로 높을 수 있는데, 이때 결합 요소들 중 적어도 일부는 서로 접촉하고 있다. 이 상황은 충전제 물질이 결합 매트릭스 내로 도입되되, 충전제 물질의 유형 및/또는 충전제 물질의 양이 결합 요소의 부피 희석 수준을 상대적으로 낮추는 경우 일어날 수 있다. 또 다른 예에서, 부피를 기준으로 한 결합 요소의 농도는 상대적으로 낮을 수 있는데, 이때 결합 요소는 결합 요소의 극소수(존재하는 경우)가 서로 접촉하도록 결합 매트릭스 내에 보다 넓게 분산되어 있다. 이 상황은 충전제 물질이 결합 매트릭스 내로 도입되고 충전제 물질의 유형 및/또는 충전제 물질의 양이 희석 수준을 상대적으로 높이는 경우 일어날 수 있다. 추가로, 부피를 기준으로 한 결합 요소의 농도는 모든 또는 거의 모든 결합 요소가 서로 접촉하게 하는 수준일 수 있다. 이 상황에서, 충전제 물질은 첨가되어 있지 않을 수 있거나, 충전제 물질이 첨가된 경우 충전제 물질의 종류 및/또는 충전제 물질의 양은 부피 희석의 수준이 거의 존재하지 않게 하는 정도이다.
도 2(a) 내지 2(d)는 결합 요소 사이의 간격에 의해 표시되는 바와 같이 충전제 물질의 도입에 의해 희석될 수 있는 상이한 배향의 섬유형 또는 판형 결합 요소를 포함하는 결합 매트릭스를 보여준다. 예를 들면, 도 2(a)는 1-D 배향으로 정렬된, 예를 들면, x 방향에 대해 정렬된 섬유형 결합 요소를 포함하는 결합 매트릭스를 보여준다. 도 2(b)는 2-D 배향으로 정렬된, 예를 들면, x 방향 및 y 방향에 대해 정렬된 판형 결합 요소를 포함하는 결합 매트릭스를 보여준다. 도 2(c)는 3-D 배향으로 정렬된, 예를 들면, x 방향, y 방향 및 z 방향에 대해 정렬된 판형 결합 요소를 포함하는 결합 매트릭스를 보여준다. 도 2(d)는 무작위 배향으로 판형 결합 요소를 포함하는 결합 매트릭스를 보여주는데, 이때 결합 요소는 임의의 특정 방향에 대해 정렬되어 있지 않다.
도 2(e) 내지 2(f)는 2종의 상이한 배향 및 농도로 판형 결합 요소를 포함하는 결합 매트릭스를 보여준다. 예를 들면, 도 2(e)는 3-D 배향으로 정렬된, 예를 들면, x 방향, y 방향 및 z 방향에 대해 정렬된 상대적으로 높은 농도의 판형 결합 요소를 포함하는 결합 매트릭스를 보여준다. 상대적으로 높은 결합 요소 농도는 결합 요소 주변의 충전제 물질의 결여에 의해 표시되므로, 결합 요소의 희석이 거의 또는 전혀 없다. 대조적으로, 도 2(f)는 무작위 배향으로 위치하는 상대적으로 낮은 농도의 판형 결합 요소를 포함하는 결합 매트릭스를 보여준다. 상대적으로 낮은 결합 요소 농도는 결합 요소 주변의 충전제 물질의 존재로 표시되므로, 결합 요소의 적어도 일부 희석이 있다. 도 2(f)에서 결합 요소의 농도 및 배향으로 인해, 복합 물질은 삼출 네트워크로서 지칭될 수 있다. 도 2(f)의 복합 물질은 대다수의 결합 요소가 서로 접촉하고 있어 접촉의 연속 네트워크가 물질의 한 단부부터 다른 단부까지 형성되기 때문에 삼출 역치(threshold)를 달성한다.
삼출 역치는 결합 요소가 결합 요소의 정렬된 배향(도 2(e)) 또는 무작위 배향(도 2(f))을 가진 긴 범위 연결을 보이는 농도를 초과하는 임계 농도이다.
배향 및 농도 이외에, 결합 매트릭스 내의 결합 요소는 이들이 충전제 물질과 함께 특정 연결 패턴을 나타내도록 정렬될 수 있다. 이러한 연결 패턴은 예를 들면, 문헌(Newnham et al., "Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites", Mat. Res. Bull. Vol. 13, pp. 525-536, 1978)에 기재되어 있다.
도 3은 연결 패턴 0-0, 1-0, 2-0, 3-0, 1-1, 2-1, 3-1, 2-2, 3-2, 3-2, 3-3 및 3-3을 포함하는, 예시적 복합 물질에 대한 다수의 상이한 연결 패턴을 보여준다. 도 3에서, 예시적 복합 물질은 2종의 성분, 즉 결합 매트릭스를 대표할 수 있는 제1 성분(음영으로 표시됨) 및 충전제 물질을 대표할 수 있는 제2 성분(비-음영으로 표시됨)을 가진다. 상이한 유형의 연결 패턴을 활용하여 복합 물질과 관련된 원하는 물질 성질을 달성할 수 있다.
도 4(a) 및 4(b)는 결합 매트릭스(백색 부분) 및 등축형 충전제 입자 또는 이방성 섬유 각각을 포함하는 복합 물질의 예를 보여준다. 도 4(a)의 경우, 등축형 충전제 입자는 무작위 배향으로 정렬되어 있는 반면, 결합 매트릭스는 모든 3개의 축에 따라 정렬되어 있다. 따라서, 도 4(a)에서 복합 물질의 연결 패턴은 3-0 연결 패턴이라고 주장할 수 있다. 도 4(b)의 경우, 이방성 충전제 섬유는 z 방향에 대한 1-D 배향으로 정렬되어 있다. 따라서, 도 4(b)에서 복합 물질의 연결 패턴은 3-1 연결 패턴이라고 주장할 수 있다. 또한, 적용분야 및 원하는 물질 성질에 따라, 충전제 물질은 복수의 불활성 물질들 및/또는 활성 물질들 중 어느 한 물질일 수 있다.
계층 구조
(하기 표 3 및 4에서 볼 수 있는 바와 같이) 매트릭스 다공성을 변화시키고 상이한 크기의 코어 섬유를 도입함으로써 상이한 유형의 결합 매트릭스를 생성할 수 있다. FB1 조성물이 결합 매트릭스의 일례인 경우(표 3), 이 결합 매트릭스를 사용하여 1, 2, 3, 4 또는 이보다 더 높은 반복 수준의 계층 구조를 형성할 수 있다. 계층 구조의 수준은 길이 스케일의 수치를 지칭할 수 있는데, 이때 중요한 구조적 특징이 도입된다(도 13). 상이한 종류의 미립자 및 섬유 성분을 예를 들면, 1, 2, 3 또는 이보다 더 높은 수준의 계층 구조와 함께 사용하여 도 3에 나타낸 바와 같이 상이한 연결을 가진 상이한 종류의 구조를 제조할 수 있다.
[표 3]
Figure pct00012
[표 4]
Figure pct00013
계층은 구조가 여러 길이 스케일로 패턴을 형성하는 방법을 기술한다. 전술된 예는 결합 요소가 다른 잠재적인 유용한 기능적 목적들 중에서 강한 물질의 제조를 제공하는 조밀한 팩킹을 촉진할 수 있는 방식으로 계층적으로 사용될 수 있는 방법의 단지 일례이다.
다중수준 반복 계층 구조의 예시가 도 13에 나타나 있는데, 이때 정렬된 계층 구조는 상이한 길이 스케일, 예컨대, 1 이상의 길이 스케일로 반복될 수 있다.
예를 들면, 1-수준 반복 계층 시스템은 일반적으로 한 자릿수만큼 상이한 2개의 상이한 크기 또는 입자 크기 범위를 블렌딩함으로써 형성된 복합물로서 기재될 수 있다. 보다 큰 크기의 입자는 육각형 조밀 팩킹, 입방체 조밀 팩킹 또는 무작위 팩킹(그러나 이들로 한정되지 않음)과 같은 상이한 유형의 팩킹으로 배열되어, 틈새 빈 공간을 함유하는 네트워크를 형성할 수 있고, 보다 작은 크기의 입자는 보다 큰 크기의 입자의 빈 공간 내에 존재할 수 있다. 이상적으로, 이들 계층 시스템은 각각의 수준에서 동일한 크기의 입자를 사용함으로써 제조될 수 있고, 예를 들면, 1 mm 직경을 가진 구형 입자는 10 mm 직경을 가진 팩킹된 구형 입자의 틈새 빈 공간을 충전시킨다. 그러나, 사실상, 단일 분산된 입자를 수득하는 것은 어렵고, 결과적으로 계층 시스템은 입자 크기의 모드(modal) 연속 분포를 이용함으로써 표시될 것이다. 예를 들면, FB1B 유형의 결합 요소(d50 = 약 9 ㎛)는 100 내지 500 ㎛의 입자 크기를 가진 충전제 입자의 빈 공간 내에 피팅될 수 있다(도 13(a)). 구조에서 결합 매트릭스의 연결을 더 향상시키기 위해, FB1B 유형의 결합 요소의 코팅물을 조질 충전제 입자에 도포할 수도 있고, 결과적으로 이들 FB1B 유형의 결합 요소는 코팅된 조질 충전제 입자의 빈 공간을 충전시킬 수 있다(도 13(b)). 1-수준 계층 구조를 제조하는 또 다른 대안적 방법은 FB1B 결합 매트릭스의 빈 공간에서 미세한 충전제 입자(<1 ㎛의 중간 입자 크기)를 사용하는 것이다.
예를 들면, 2-수준 계층 시스템은 입자 크기가 1-수준 계층의 조질 또는 미세한 입자와 한 자릿수만큼 상이한 보다 큰 또는 보다 작은 입자와 조합된 1-수준 계층 시스템의 복합물로서 기재될 수 있다. 예를 들면, 본 예에서, FB1B 유형의 결합 요소는 100 내지 500 ㎛의 중간 크기 충전제 입자의 빈 공간 내에 존재하므로, 결과적으로 이 1-수준 계층 시스템은 1 내지 5 mm 조질 응집체의 빈 공간 내에 균일하게 분산된다(도 13(c)). 결합 매트릭스의 연결을 더 향상시키기 위해, FB1B 결합 매트릭스의 얇은 코팅물(표 3)을 조질 충전제 입자 및 중간 크기 충전제 입자 둘다 상에 도포할 수 있다(도 13(d)).
예를 들면, 3-수준 계층 시스템은 2-수준 계층의 가장 큰 또는 가장 작은 입자와 한 자릿수만큼 상이한 보다 큰 또는 보다 작은 입자와 조합된 2-수준 계층 시스템의 복합물로서 기재될 수 있다. 예를 들면, 1 ㎛ 미만의 미세한 충전제 입자는 FB1B 매트릭스의 빈 공간 내에 존재하여 1-수준 계층을 형성하고, 그 후 이 1-수준 계층은 100 내지 500 ㎛의 보다 큰 충전제 입자의 빈 공간 내에 존재하여 2-수준 계층을 형성하고, 마지막으로 이 2-수준 계층은 1 내지 5 mm 충전제 응집체의 빈 공간 내에 존재하여 3-수준 계층을 형성한다. 동일한 방식으로, 보다 높은 차수의 n-수준 계층 시스템도 발생될 수 있다. 계층의 수준이 증가함에 따라, 다양한 수준을 포괄하는 길이 스케일의 범위도 증가한다. 따라서, n이 무한대로 증가함에 따라, 길이 스케일도 무한대로 증가한다. 이 거대한 범위의 길이 스케일 및 계층은 본 발명의 신규 결합 요소를 물질에 배치하는 무한한 방식을 제공한다.
비-반복 계층 또는 무작위 팩킹 시스템도 사용함으로써 상이한 크기 분율 범위의 상이한 입자들을 가진 결합 요소를 사용하여 팩킹을 향상시키는 것도 가능하다. 따라서, 입자의 조직은 반복적이거나 계층적이지 않지만(일부는 구조 면에서 이 계층을 고려할 수 있음), 상이한 길이 스케일에서 기하학적 의미에서 상이한 구조를 갖거나, 비-무작위적 구조, 예컨대, 미세한 입자를 사용한 큰 공극의 틈새 팩킹 또는 서로의 상부 상에서의 한 미립자 성분의 코팅을 도입하지 않으면서 입자가 무작위적으로 혼합되어 있다는 것을 암시하는 무작위 팩킹을 가진다.
이들 팩킹 방법은 작은 물 흡수 값에 의해 표시될 수 있는 높은 벌크(bulk) 밀도를 유발할 수 있다. 예를 들면, FB1B의 물 흡수(표 3)는 7.7±0.6 중량%(5시간 끓는 물 시험, ASTM C67)이다. 상이한 크기 범위의 두 성분들이 사용되는 경우, 예를 들면, FB1B 규회석 섬유 코어가 모래와 블렌딩되어 있는 경우(CPC2, 표 12), 팩킹은 개선되고, 물 흡수는 5.3±0.5 중량%까지 감소한다. 유사하게, 3종의 크기 분율의 입자들이 사용되는 경우, 즉 FB1B 규회석 섬유 코어가 모래(300 내지 500 ㎛의 입자 크기) 및 현무암 응집체(6 내지 8 mm의 입자 크기)와 블렌딩되어 있는 경우, 물 흡수는 3.1±0.9 중량%까지 더 감소한다. 대안적으로, 1 중량%의 훈연 실리카(d50 < 1 ㎛)가 CPC2 유형의 조성물에 첨가되는 경우, 물 흡수는 2.6 중량%까지 더 감소한다.
결합 매트릭스의 사용
전술된 결합 요소를 포함하는 결합 매트릭스는 주문제작에 사용될 수 있으므로, 결합 매트릭스, 예컨대, 시멘트 또는 콘크리트의 도입에 의해 변경될 수 있는 미세구조를 가진 거의 임의의 제품의 물질 성질을 개선할 수 있다. 일례에서, 결합 매트릭스는 포틀랜드 시멘트에 대한 부분적 또는 완전한 대용물로서 사용될 수 있고, 매우 다양한 콘크리트 제품에서 전형적으로 사용되는 성분들에 대한 수화물 무함유 결합 상으로서 사용되어 상기 제품과 관련된 다양한 물질 성질을 개선할 수 있다.
본 발명의 예시적 실시양태에 따른 결합 요소를 포함하는 결합 매트릭스의 도입의 결과로서 개선될 수 있는 복합 물질의 물질 성질은 기계적 성질, 열적 성질 및 내구성을 포함한다. 그러나, 표 19에 나열된 성질들 이외의 특정 기계적 성질, 열적 성질 및 내구성도 개선될 수 있다. 추가 물질 성질, 예컨대, 광학적 성질, 전자적 성질, 촉매적 성질, 핵 성질 및 자기적 성질도 개선될 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 예시적 실시양태에 따른 결합 매트릭스를 포함하는 복합 물질은 압축 하에서 개선된 내손상성(damage tolerance)을 나타낼 수 있다. 이하, 예시적 규회석 입자는 간결한 기재를 위해 섬유 형태를 가진 것으로서 일반적으로 지칭된다. 그러나, 규회석 입자는 임의의 일반적인 이방성 형상, 예컨대, 침상 또는 섬유 유사 형태를 가질 수 있다.
도 9를 참조하건대, 보다 작은 규회석 코어로 구성된 물질(표 4 및 도 9에서 조성물 P3)은 압축 시 응력으로 인해 갑작스러운 취성 파괴를 나타낸다. 그러나, 도 10을 참조하건대(표 3 및 도 10에서 조성물 FB4), 결합 매트릭스 내로의 보다 긴 규회석 섬유 코어의 도입은 일련의 균열 편향(deflection)이 일어나게 하는데, 이때 각각의 편향은 응력 축적의 경감(즉, "손상 회복")을 제공하여 궁극적인 파괴의 발생을 지연시킨다. 결합 매트릭스가 갑작스러운 취성 파괴를 보다 점진적인 파괴로 대체시킬 수 있는 또 다른 방식은 캡슐화 층에서 복수의 코어 입자 크기 및 미세한 충전제 입자를 사용하는 것이다(도 12). 예를 들면, 미세한 입자, 예컨대, 실리카 입자는 다공성을 가진 결합 매트릭스 내에 분산될 수 있다. 표 3에서 화합물 FB4를 참조하건대, 코어는 3종의 부피 분율로 3종의 상이한 크기의 입자를 포함할 수 있다. 보다 큰 또는 보다 작은 수의 크기(예를 들면, 2, 4, 5, 6 또는 그 이상) 또는 상이한 부피 분율이 이용될 수 있다. 그 다음, 결합 매트릭스는 그 자체 및 미세한 입자에 결합함으로써 복합물에서 수화물 무함유 시멘팅 상으로서 작용할 수 있다. 이러한 복합물 미세구조는 도 12에 나타낸 바와 같이 점진적인 파괴를 가능하게 할 것이다.
본 예에서, 균열 확장 기작은 결합 매트릭스에서 형성된 상이한 계면으로 인해 변경된다. 코어 입자(들)는 균열 편향제로서 작용할 수 있다. 추가로, 코어와 제1층 사이에 제1 계면이 형성되고, 제1층과 캡슐화 층 사이에 제2 계면이 형성된다. 상기 2종의 상이한 계면은 동일한 또는 상이한 강도를 가질 수 있다. 예를 들면, 제1 계면은 제2 계면보다 더 높은 계면 강도(예를 들면, 기계적 강도)를 가질 수 있다(역의 경우도 성립함). 그 결과, 균열이 개시되고 확장되기 시작한 후, 균열은 보다 강한 상으로부터 편향될 수 있고, 대신에 보다 약한 계면을 따라 확장되어 그 계면 내에서 탈결합을 야기할 수 있다.
결합 매트릭스를 포함하는 복합 물질은 본 개시내용에 기재된 바와 같이 개선된 기계적 성질을 나타낼 수 있다는 것이 입증되었다. 또한, 표 10에서 입증된 바와 같이, 제품은 통상적인 포틀랜드 시멘트보다 더 높은 열 전도성 및 더 낮은 열 팽창 계수를 가질 수 있다. 나아가, 본 발명에 따른 다양한 복합 물질은 매우 다양한 성질, 예컨대, 표 5에 나타낸 성질도 나타낼 수 있다고 생각된다. 복합 물질의 예시적 실시양태가 표 5에 나열된 범위의 하위세트에 상응하는 성질도 가질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들면, 실시양태는 3 x 10-6/℃ 내지 15 x 10-6/℃의 열 팽창 계수를 가진 복합 물질을 포함할 수 있다. 복합 물질의 예시적 실시양태는 약 0.13 W/m.k 초과 내지 약 196 W/m.k 미만의 열 전도성을 나타낼 수 있다. 복합 물질의 예시적 실시양태는 6 내지 900 J/mole·K의 열 용량을 나타낼 수 있다. 복합 물질의 예시적 실시양태는 1 내지 30 GPa의 빅커 경도를 나타낼 수 있다. 추가 예시적 실시양태는 14 내지 약 3,000 MPa의 압축 강도 및 약 380 MPa 미만의 휨 강도를 나타낼 수 있는 복합 물질을 포함한다. 복합 물질의 예시적 실시양태는 60 x 10-6/psi 미만의 크리프(creep) 변형률도 나타낼 수 있다. 복합 물질의 예시적 실시양태는 700 C 미만의 Cl- 투과성을 나타낼 수 있다. 복합 물질의 예시적 실시양태는 자체 강화될 수 있고 6 J 초과의 공(ball) 충돌 저항성을 가질 수 있다. 복합 물질의 예시적 실시양태는 강철 섬유로 강화될 수도 있고 10 J 초과의 공 충돌 저항성을 가질 수 있다. 나아가, 복합 물질의 예시적 실시양태는 상기 하위범위의 성질 및/또는 표 5에 나열된 범위의 성질의 조합을 나타낼 수 있다.
[표 5]
Figure pct00014
Figure pct00015
적용
본원에 기재된 결합 매트릭스 및/또는 결합 요소는 다양한 적용분야에서 사용될 수 있다. 본원에 기재된 바와 같은 이들 결합 요소/매트릭스의 우수한 성질 때문에, 상기 요소/매트릭스는 전자, 광학, 자기, 생체의학, 생물공학, 약학, 농업, 전자화학, 에너지 저장, 에너지 발생, 항공우주, 자동차, 신체 및 차량 방호복, 직물, 연마 및 절삭 적용분야, 및 상기 적용분야들의 임의의 조합과 같은 적용분야에서 사용될 수 있다. 또한, 상기 요소/매트릭스는 광화학, 화학 분리, 광전기, 열이온 및/또는 전기발광 물질로서 사용될 수도 있다.
실례가 되는 예들 중 일부가 하기에 제공되어 있다:
결합 요소 또는 매트릭스는 포틀랜드 시멘트, 석회 시멘트 또는 관련 시멘트성 물질과 같은 시멘트성 상으로서 사용될 수 있다. 이들 고체들은 포틀랜드 시멘트, 석회 시멘트 또는 관련 시멘트성 물질의 임의의 적용분야에서 적용될 수 있다.
결합 요소/매트릭스는 CaCO3 또는 석고 및 모래를 포함하는 첨가제와 블렌딩되어 단일체형(monolithic) 고체를 형성할 수 있다. 단일체형 고체는 연결부 또는 이음매 없이 단일 조각으로서 형성되어 있는 고체이다. 본 명세서의 목적을 위해, 용어 "단일체형"은 미시적 수준에서 균일성을 기술하기 위해 사용되거나 사용되기 위한 것이 아니다. 단일체형 고체의 예는 테라코타 또는 천연 석재, 예컨대, 화강암 및 석회석의 성능 및 외관과 유사할 수 있고/있거나 닮을 수 있다. 외관은 첨가제를 사용하여 상이한 색채 및 질감을 더 형성함으로써 생성될 수 있다. 한 실시양태에서, 이들 단일체형 고체는 통상적인 테라코타 또는 천연 석재가 사용될 수 있는 임의의 적용분야에서 사용될 수 있다.
결합 요소 또는 매트릭스를 모래 또는 다른 광물과 블렌딩하여 모르타르(mortar) 또는 그라우트(grout)를 제조할 수도 있고, 생성된 물질은 통상적인 모르타르 및 그라우트가 사용되는 임의의 적용분야에서 사용될 수 있다.
결합 요소/매트릭스를 금속성 섬유, 유기 섬유 또는 세라믹 섬유와 블렌딩하여 섬유 시멘트를 제조할 수도 있다. 생성된 물질은 통상적인 섬유 시멘트가 사용되는 임의의 적용분야에서 사용될 수 있다.
결합 요소 또는 결합 매트릭스는 수화물 무함유 콘크리트 적용분야에서 사용될 수 있다. 한 실시양태에서, 상기 결합 요소 또는 결합 매트릭스를 모래 및 응집체 및/또는 응집체들과 블렌딩하여 규칙적 또는 구조적 콘크리트와 유사하고/하거나 닮은 물질을 형성할 수 있다. 생성된 물질은 통상적인 구조적 또는 규칙적 콘크리트가 사용되는 임의의 적용분야, 예를 들면, 댐, 교량, 수영장, 가옥, 도로, 파티오(patios), 지하층, 난간, 평범한 시멘트 타일, 모자이크 타일, 보도 블록, 등주, 하수구 덮개, 또는 이들의 조합물에서 사용될 수 있다.
입자, 분산제 및/또는 폐기물, 예컨대, 코르크, 유리 응집체를 조심스럽게 체질함으로써, 고강도 콘크리트(HSC), 3-D 섬유 유형의 구조물(예를 들면, 콘크리트 천), 급속 강도 콘크리트(RSC), 코르크 기제의 복합물, 유리 콘크리트 및 고성능 콘크리트(HPC)와 유사하고/하거나 닮은 결과 물질을 생성할 수 있다. 상기 결과 물질은 통상적인 HSC, 콘크리트 천, RSC, 코르크 기제의 복합물, 유리 콘크리트 및 HPC가 사용되는 임의의 적용분야에서 사용될 수 있다.
통상적인 진공 콘크리트(VC)가 사용되는 임의의 적용분야에서 사용될 수 있는 진공 콘크리트(VC)와 유사하고/하거나 닮은 물질을 생성하기 위해 공정 동안 증기 및/또는 진공을 추가로 사용할 수 있다. 한 대안적 실시양태에서, 다공성을 조절함으로써, 투수 콘크리트와 유사하고/하거나 닮은 결과 물질을 생성할 수 있다. 상기 물질은 통상적인 투수 콘크리트가 사용되는 임의의 적용분야에서 사용될 수 있다.
한 실시양태에서, 섬유 강화된 조성물 및/또는 초고성능 콘크리트(UHPC)처럼 작용하는 섬유 강화된 콘크리트(FRC)를 제조하기 위해 결합 요소/매트릭스를 섬유, 모래, 응집체 및/또는 다른 첨가제, 예컨대, 소포제 및/또는 초미세 입자, 예컨대, 훈연 실리카 및 CaCO3과 블렌딩한다. 이들 고체들은 통상적인 FRC 및/또는 UHPC가 사용되는 임의의 적용분야에서 사용될 수 있다. 대안적 실시양태에서, 유동성을 조절함으로써(예를 들면, 가공 동안 물 함량을 조정함으로써) 다른 설치 유형의 콘크리트 제품을 생성할 수 있다. 상기 제품은 숏크리트(Shotcrete), 자체 압착 콘크리트, 롤러 압착 콘크리트 또는 이들의 조합물을 포함한다.
또 다른 실시양태에서, 결합 요소/매트릭스를 금속, 예컨대, 알루미늄 및 Ca(OH)2과 블렌딩하고 고온고압멸균하거나 진공 또는 기포재와 같은 상이한 보조제를 사용하여 다공성을 조절함으로써 고온고압멸균 통기(aerated) 콘크리트(AAC)와 유사하고/하거나 닮은 물질을 생성한다. 이 물질은 통상적인 AAC가 사용되는 임의의 적용분야에서 사용될 수 있다.
대안적 실시양태에서, 결합 요소/매트릭스를 모래 및/또는 저밀도 응집체(예를 들면, 팽창된 질석 및 진주암, 경석, 팽창된 슬래그, 팽창된 셰일 또는 이들의 조합물)와 블렌딩하고 다공성을 조절함으로써 이들 복합물을 경량 콘크리트 또는 기공 콘크리트, 경량 통기 콘크리트, 가변 밀도 콘크리트, 발포 콘크리트 또는 초경량 콘크리트, 또는 이들 유형의 콘크리트들과 관련된 임의의 다른 물질로서 사용할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 결합 요소/매트릭스를 고밀도 응집체(예를 들면, 밀도 > 3.2 g/㎤)와 블렌딩하고, 결과 생성물은 중량 콘크리트일 수 있다.
강화된 콘크리트 구조물이 사용되는 임의의 적용분야에서 사용될 수 있는 강화된 콘크리트 물질을 제조하기 위해 본원에 기재된 결합 요소/매트릭스를 강철과 함께 사용할 수 있다(이로써 상기 물질은 강화될 수 있다). 프리스트레스(Pre-stressed) 콘크리트와 유사하고/하거나 닮도록 상기 물질을 프리스트레싱할 수 있다. 한 실시양태에서, 매스(mass) 콘크리트와 유사하고/하거나 닮은 물질을 제조하기 위해 결합 요소/매트릭스를 거대한 블록에 부을 수 있다. 이들 매스 콘크리트 유형의 물질에 대한 적용분야는 중력 댐, 대형 방파제 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 본원에 기재된 결합 요소/매트릭스로부터 유도된 콘크리트는 장식 목적을 위해 상이한 질감을 갖도록 제작될 수도 있다.
몇몇 실시양태에서, 본원에 기재된 결합 요소/매트릭스를 포함하는 복합 물질은 우수한 성질을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 물질은 예컨대, 염화물 함량이 높은 환경에서 강철 강화에 대한 보호를 제공하는 뛰어난 부식 저항성 및 공격적인 황산염 환경에서의 뛰어난 내구성을 가질 수 있다. 복합 물질은 매우 특수한 적용분야, 예컨대, 음향 차폐 및/또는 핵 방사선 차폐에서 사용될 수 있다. 한 실시양태에서, 상기 물질은 바람직한 화염 저항성을 가질 수 있고 내화 적용분야에 적합할 수 있다. 상기 물질은 극한 기후 조건, 예컨대, 동결 조건, 사막에서의 고온, 또는 극한 기후 변동을 견딜 수도 있고/있거나 동결-해동 저항성을 가질 수 있다. 또한, 상기 물질은 특수한 해양 적용분야, 극저온 적용분야 및/또는 폭발 저항성 적용분야에서 사용되기에 적합할 수도 있다. 몇몇 실시양태에서, 상기 물질은 내진 구조물 및/또는 토목섬유 유형 구조물에서 사용될 수 있다.
비-한정적 실시예
실시예 1
도 5a 및 5b는 주로 비결정질 실리카에 의해 코팅된 무작위적으로 배향된 CaSi03 코어 섬유의 이차 전자(SE) 및 후방 산란 전자(BSE) SEM 영상을 보여주고, 이들 코팅된 섬유는 CaCO3 입자로 캡슐화된다. 미세구조의 FESEM에서 EDS에 의한 화학적 맵핑은 규회석 코어 섬유가 SiO2 풍부 영역으로 코팅되어 있고 CaCO3 입자로 캡슐화되어 있다는 것을 보여주었다(도 6). 결합 매트릭스의 상이한 요소들이 CaCO3 입자에 의해 서로 연결되어 있다. 이 조성물의 XRD는 CaSi03 및 CaC03(방해석)이 결정질 상인 반면, 실리카 풍부 영역이 비결정질 상이라는 것을 보여주었다.
표 6은 규회석 코어 섬유 기제의 결합 매트릭스를 사용함으로써 형성된 상이한 조성물(표 3 및 4)을 가진 통상적인 단일체형 물질들의 기계적 성질을 비교한다. 이들 결합 매트릭스는 40 내지 300 MPa의 압축 강도 범위를 보였다. 더욱이, 압축 강도는 섬유 코어 유닛 크기 및 다공성 둘다에 의해 조정될 수 있다. 이 결합 매트릭스에서 관찰된 최고 강도는 화강암과 같은 치수 석재에 필적할만한 강도를 가진다. FB1A 및 FB1B 샘플은 불균화(disproportionation) 반응을 수행하기 전에 각각 압착 및 주조 형성 방법에 의해 제조되었다. 이들 2종의 상이한 세라믹 형성 기법은 원료 물질이 팩킹되는 상이한 방식 때문에 다소 상이한 압축 강도를 가진 물질을 발생시킨다(표 3). 추가로, FB1A 매트릭스 기제의 보다 작은 샘플(직경 12.8 mm)에서 298±5 MPa의 평균 강도가 관찰되었다. 이들 결과는 보다 진행된 가공을 통해 결함 개체군을 더 감소시킴으로써 이들 고체에서 강도를 더 향상시킬 수 있다는 것을 암시한다. 결함 개체군을 감소시켜 보다 큰 샘플이 이들 개선된 기계적 성질을 갖는 결과물을 제공하게 하기 위해 이용될 수 있는 많은 통상적인 분말 가공 방법이 존재한다. 이 최적화 공정은 본 신규 결합 요소 기술의 이용이 제공될 때 통상의 기술을 가진 자에 의해 가능해질 수 있다.
[표 6]
Figure pct00016
도 7은 실시예 D에 기재된 미세구조를 가진 복합 물질(조성물 P3, 표 4)에 대한 빅커 경도 압입을 보여준다. 이 복합 물질은 약 1.6 GPa의 경도를 가졌다. 그 후, 균열 확장을 이해하기 위해 압입의 모서리로부터 나오는 균열을 연구하였다(도 8). B 영역 및 D 영역은 실리카 풍부 영역과 CaCO3 풍부 영역 사이의 계면에서 탈결합함으로써 균열이 상이한 섬유형 규회석 코어 섬유 주변에서 벗어난다는 것을 보여준다(도 8(a)). 이들 코어 섬유는 균열 편향제로서 작용하고, 그 후 균열은 이들 주변을 벗어났고 계면 경계에 존재하는 CaCO3 풍부 상을 통해 확장되었다(도 8(b)). 따라서, 코팅된 실리카와 CaCO3 풍부 영역 사이의 계면은 코어 규회석 입자와 실리카 상 코팅물 사이의 강력한 계면에 비해 약하다(도 8(c)). 이 독특한 계면 구조는 균열이 갑작스러운 취성 파괴에 대한 구조물의 손상 저항성을 증가시키는 탈결합에 의해 편향되는 구조물을 디자인하는 데에 이용될 수 있다. P3 조성물은 취성 파괴를 보였고 110 MPa의 압축 강도(도 9) 및 12 MPa의 인장 강도를 가졌다.
상이한 첨가제, 예컨대, 탄화물, 규산염, 유리 및 유리 세라믹 또는 심지어 상이한 유형의 금속 및 중합체를 사용하여 복합 물질을 제조함으로써 이들 복합 물질의 경도를 조정하는 것도 가능하다. 간결한 기재를 위해, 상이한 첨가제와 블렌딩된 30 부피%의 P3 결합 매트릭스를 가정하여 경도 계산을 수행한 후, 혼합물 계산의 규칙을 이용하여 상이한 범위의 경도 값을 계산할 수 있다. 예를 들면, 표 7에 나타낸 바와 같이, BeO를 첨가함으로써 1 내지 1.3 GPa의 경도를 달성할 수 있고, B4C를 첨가하여 21 내지 27 MPa의 경도를 달성할 수도 있다. 다른 예시적 실시양태에서, 상기 물질은 약 1 내지 약 30 GPa의 빅커 경도를 가질 수 있다.
[표 7]
Figure pct00017
유사하게, 결합 요소를 사용하여 열 전도성에도 영향을 미칠 수 있다. 또한, 결합 요소를 사용하여 열 팽창에 영향을 미칠 수 있다. 이들 변경의 예시적 실시양태는 하기 표 8에 제공되어 있다.
[표 8]
Figure pct00018
표 3 및 4는 압축 강도가 어떻게 코어 섬유 크기에 따라 변화되는지를 보여준다. 코어 섬유의 평균 크기가 70 ㎛에서 9 ㎛까지 감소되었기 때문에, 압축 강도는 60 MP에서 300 MPa만큼 높은 수준까지 증가되었지만, 예컨대, 도 9에서와 같은 응력 대 변위 곡선은 이들 물질들이 재앙적인 취성 파괴(우아한 파괴가 아님)를 겪는다는 것을 보여준다.
조성물 FB4는 상이한 크기 분율의 매우 큰 코어 섬유(약 2800 내지 150 ㎛)를 사용하여 손상 저항성을 부여함으로써 개발된다. 응력 대 변위 측정 동안(도 10) 초기에 응력은 변위에 비례하여 변화되었다. 72 MPa의 최종 압축 강도(UCS)에 도달한 후, 응력은 파괴로 인해 급격히 떨어졌고, 그 후 샘플은 그의 원래의 강도를 회복하였고(손상 저항성의 징후, 또는 다시 말해 우아한 파괴 또는 연성 또는 연성 파괴); 그 후, 이 주기는 파괴 전에 3회 계속되었다. 따라서, 계면 구조는 이 결합 매트릭스의 손상 저항성에 있어서 주요한 역할을 수행하였다(도 10). 이러한 종류의 구조물은 "자체 강화된 시멘트성 복합물(SRCC)"로서 지칭될 수 있다. 이 경우, 신규성은 섬유 기제의 결합 요소가 시멘트성 유닛(활성 섬유 또는 충전제)로서 작용할 뿐만 아니라 손상 저항성을 위한 균열 편향제로서도 작용한다는 것이다.
요약하건대, 코어 섬유의 크기는 결합 매트릭스의 기계적 성질을 조절하는 데에 있어서 주요한 역할을 수행한다. 코어 섬유의 평균 입자 크기가 작은 경우(약 < 70 ㎛), 이들 결합 매트릭스는 우아한 파손 또는 파괴보다는 취성 파괴와 함께 큰 압축 강도(300 MPa만큼 높음)를 보였다. 큰 코어 섬유(약 150 내지 2800 ㎛)가 사용되는 경우(조성물 FB4, 표 3), 균열 편향 및 이들 큰 활성 섬유 계면의 탈결합은 손상 저항성(연성 또는 우아한 파괴)을 유도함에 있어서 중요한 역할을 수행한다.
평균 입자 크기가 9 ㎛인 규회석 코어 섬유로 구성된 무작위적으로 배향된 결합 매트릭스에서 다공성을 조절함으로써 매우 다양한 구조를 생성할 수 있다. 표 4는 결합 매트릭스의 압축 강도에 대한 다공성의 영향을 보여준다. 결합 매트릭스에서 45%에서 17%로의 다공성 감소는 10 MPa에서 163 MPa로의 결합 매트릭스의 압축 강도 증가를 야기하였다.
상기 실시예는 이들 물질들의 성질이 어떻게 변화될 수 있는지를 보여준다. 이 결합 요소가 사용될 수 있는 많은 미세구조가 존재한다.
실시예 2
도 11은 SiO2, 높은 Ca 비산회(HCFA) 및 CaC03과 P3 결합 매트릭스(P3 조성물, 표 4)의 상호작용을 보여준다. P3 결합 매트릭스와 SiO2 계면의 관찰(도 11(a) 및 11(b))은 규회석 코어 섬유 주위의 CaC03 입자 및 실리카 풍부 코팅물이 외부적으로 첨가된 실리카 입자와 함께 결합된 계면을 형성한다는 것을 보여준다. P3 결합 매트릭스-HCFA 계면에서, HFCA와 결합 매트릭스 사이에 탈결합의 징후가 없다(도 11(b)). 유사하게, P3 결합 매트릭스-CaCO3 계면에서, 외부적으로 첨가된 CaCO3 입자는 결합 요소와 함께 확산 계면을 형성하였다.
도 12(a)는 70 부피%의 모래(실리카) 미립자 성분이 구조에서 다공성을 갖는 P3 결합 매트릭스(표 4)에 분산되어 있는 0-3 복합물의 전형적인 예를 보여준다. 이 복합 물질은 압축 동안 점진적인 파괴를 보였고 약 55 MPa의 압축 강도를 가졌다(도 12(b)). 30 부피%의 P3 결합 매트릭스는 그 자체뿐만 아니라 모래 입자에 결합함으로써 복합 물질에서 수화물 무함유 시멘팅 상으로서 작용한다.
도 14(a) 및 14(b)는 FB1 섬유 코어, 300 내지 500 ㎛ 모래 및 2 내지 4 mm 모래 응집체 각각을 1:2:2의 부피비로 사용함으로써 형성된 복합 물질의 광학현미경사진을 보여준다. 고배율에서, 결합 매트릭스가 모래 입자의 빈 공간 내에 존재하고, 결합 매트릭스의 두꺼운 층이 모래 입자를 둘러싸 시멘팅 상으로서도 작용한다는 것을 알 수 있다. 표 9는 CTL(미국 일리노이주 소재)에 의한 인증된 ASTM 성질 시험, 및 한 실시양태에서 본 발명의 미세구조의 기계적 성질을 보여준다. 이들 값은 한정하기 위한 것으로서 간주되어서는 안 되고 단지 예시하기 위한 것으로서 간주되어야 한다. 예를 들면, 추가 실시양태는 평균 마모가 정확히 0.38 mm이어야 하는 대신에 ASTM C944의 이용을 통해 측정되었을 때 1.00 mm 미만인 마멸 저항성을 가진 복합 물질을 포함할 수 있다. 이 복합 물질은 고성능 콘크리트와 유사한 기계적 성질을 갖고, 이 특정 경우에서 20 부피%의 결합 매트릭스를 사용하여 전체 구조물을 결합시켰다.
[표 9]
Figure pct00019
실시예 3
도 15는 2회 연속 주기를 위한 열 순환 동안 FB1B의 열 변형률이 -40℃에서 100℃까지 변화되었다는 것을 보여준다. 열 순환 동안 열 이력현상 또는 상 변화의 징후가 관찰되지 않았다. 표 10은 P2 및 P3 조성물의 열적 성질을 요약한다. 도 16은 실온에서 500℃까지 P3(표 4)의 비열 변화를 보여준다. 비열은 0.711(J/g℃)에서 1.274(J/g℃)까지 점진적으로 증가하였다. 상 변화 또는 P3 조성물의 열적 성질의 변화가 관찰되지 않았다. 분명하게는, 순수한 형태로 존재하거나 복합 조성물 내로 도입된 유사한 유형의 결합 요소는 고온 적용분야, 예컨대, 화염 저항성 적용분야에서 사용될 수 있다.
[표 10]
Figure pct00020
표 10을 이용함으로써, 결합 요소를 사용하고 혼합물 근사법의 단순 규칙을 이용하여 상이한 복합 물질의 열 전도성 및 열 팽창을 계산할 수 있다. 예를 들면, 코르크와 함께 30 부피%의 P3 결합 매트릭스로 구성된 복합 물질은 0.55 W/m.k의 계산된 열 전도성을 가질 것이다. 유사하게, AIN과 함께 30 부피%의 P3 결합 매트릭스로 구성된 복합 물질은 146 내지 196 W/m.k의 열 전도성을 가질 수 있다. 나아가, 이들 값들은 결합 요소의 함량 및 다공성을 변화시킴으로써 더 조절될 수 있다. 예를 들면, 진주암에 결합하고 0.13 W/m.k만큼 낮은 열 전도성을 가진 10 부피%의 다공성 P2 매트릭스를 사용하는 것도 가능하다. 요약하건대, 열적 성질을 조정하기 위해 사용할 수 있는 다수의 조합 및 순열이 존재한다.
예비 결과는 FB1A 샘플이 200℃로부터의 열 충격 후 이들을 물로 급랭시키는 단계로 구성된 10 주기를 견딜 수 있었다는 것도 보여주었다.
실시예 4
블렌딩된 시멘트와 유사한 성질, 고강도 모르타르 및 석재, 예컨대, 화강암, 사암 및 테라코타
규회석 기제의 결합 매트릭스(표 3 및 4)는 대리석 또는 석회석의 외관을 가진다. 상기 매트릭스는 장식 목적을 위해 자연 상태 그대로의 형태로 건축 건설 재료로서 사용될 수 있다. 상이한 착색제 첨가제를 첨가하여 외관을 조정하는 것도 가능하다(표 11). 도 17은 착색제를 상기 결합 매트릭스에 첨가함으로써 제조된 사암, 화강암 및 테라코타 모방체의 전형적인 예를 보여준다. CPC 조성물 시리즈(표 12)를 사용하여 상이한 사암 모방체를 제조하였다. 결합 요소가 모래와 블렌딩되어 있기 때문에, 이들 조성물 물질들은 모르타르, 그라우트 또는 고강도 구조 벽돌에 대한 대용물로서도 사용될 수 있다. 유사하게, 상이한 착색제를 결합 매트릭스에 첨가함으로써(표 3 및 4) 상이한 유형의 색체 및 질감을 발생시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 본원에 기재된 천연 석재와 유사한 색채 및 질감을 나타내는 복합 물질을 제조할 수 있다.
대안적으로, 본원에 기재된 건축 콘크리트와 유사한 색채 및 질감을 나타내는 복합 물질을 제조할 수 있다. 표 13은 상이한 석재의 물리적 성질을 요약한다. 규암 및 화강암을 제외하고, 모든 나열된 고체의 압축 강도는 69 MPa 미만이다. CPC 시리즈의 모든 상이한 복합 물질들의 평균 압축 강도는 69 MPa보다 크다(표 12). 더욱이, FB1A 및 FB1B 조성물(임의의 첨가제를 갖지 않은 결합 매트릭스, 표 3 및 상기 논의)의 평균 압축 강도는 147 내지 300 MPa이다. 명확하게는, 지오미메틱(geomimetic) 세라믹 물질의 물리적 성질은 천연 석재보다 더 우수하다. 상기 설명된 개념을 이용함으로써 트라버틴, 사문석 등과 같은 다른 천연 암석을 모방하는 것도 가능하다
[표 11]
Figure pct00021
[표 12]
Figure pct00022
[표 13]
Figure pct00023
나아가, 낮은 물 흡수를 보이는 구조물을 제작하는 것도 가능하다. 예를 들면, CPC2(표 12)는 5 중량%의 물 흡수를 가진다. 이것은 이미 사암에 필적할만하다(표 14). 1 중량%의 훈연 실리카(d50 < 1 ㎛)를 CPC2 유형의 조성물에 첨가함으로써 물 흡수를 2.6 중량%까지 더 감소시킬 수 있다.
[표 14]
Figure pct00024
구조 콘크리트와 HFC의 비교
구조 콘크리트는 35 MPa의 압축 강도를 가진다. 상이한 유형의 응집체와 함께 모래 및 규회석 코어 섬유로 구성된 복합 물질을 제조함으로써 구조 콘크리트에 필적할만한 매우 다양한 강도를 달성할 수 있다. 표 15는 구조 콘크리트의 강도와 유사한 강도를 보임으로써 구조 콘크리트의 모든 적용분야에서 적합한 수화물 무함유 콘크리트(HFC)의 몇몇 단순한 조성물을 보여준다.
[표 15]
Figure pct00025
여기서 최종 조성물을 기재하는 것보다 오히려 초기 조성물을 "복합물"로서 기재한다. 화학 조성 및 상 조성의 관점에서 정확한 최종 생성물은 알 수 없다. 다른 한편으로, 초기 조성물은 정확히 특정될 수 있다. 이것은 단지 본 실시예뿐만 아니라 모든 기재된 실시예에 적용된다.
고강도 및 고성능 HFC 와 HSC (고강도 콘크리트) 및 고성능 콘크리트( HPC )의 비교
상기 실시예에서 논의된 바와 같이, HFC4 복합 물질은 기계적 강도 면에서 고성능 콘크리트처럼 작용한다(표 9). 또한, 상기 물질은 1 등급 HPC처럼 CI 투과성도 가진다. 흥미롭게는, HFC4는 3 등급 고성능 콘크리트처럼 높은 마멸 저항성, 스케일링 저항성 및 수축을 가진다. 기포 혼합물의 첨가가 없을 때조차도 HFC4가 ASTM C666에 의해 특정될 때 300 동결-해동 주기를 견뎌냈지만, 그의 DF(내구성 지수)가 10까지 감소하였다는 것을 인지하는 것이 흥미롭다. 콘크리트 제제의 모래 및 응집체 성분에 대한 변경은 ASTM C666에 의해 특정될 때 163 주기 후 이 내구성 지수를 93까지 증가시킬 수 있다.
진보된 가공 방법을 이용함으로써 HFC 복합 물질에서 보다 우수한 팩킹을 달성할 수 있다(표 14). 예를 들면, 물 흡수는 HFC4에서 8.3 중량%부터 HSHFC1 및 HSHFC2에서 3.1 및 4.7 중량%까지 감소하였다. 예측된 바와 같이, 압축 강도도 이들 복합 물질에서 증가하였다. HFC4는 47 MPa의 압축 강도를 보였지만, HSHFC1 및 HSHFC2의 압축 강도는 각각 80 및 65 MPa까지 증가하였다.
초기 강도 시멘트 또는 콘크리트
도 18은 기계적 강도에 대한 반응 시간의 변화를 보여준다. 5시간의 반응 시간 후, 60 MPa의 압축 강도에 도달한다. 이들 시스템들은 초기 강도 시멘팅 상을 제조하는 데에 사용될 수 있거나 복합 시스템에서 콘크리트로서 사용될 수 있다. 포틀랜드 시멘트 콘크리트는 이러한 짧은 시간 내에 이것을 수행하지 못한다.
조작된 HFC 조성물과 UHPC(초고성능 콘크리트)의 비교
도 19는 10 중량%의 드라믹스(DRAMIX) 강철 섬유(ZP305, 베카트 코포레이션(Bekaert Corporation), 미국 조지아주 마리에타 소재)로 보강된 FB1B 결합 매트릭스의 전형적인 연성 파괴를 보여준다. 드라믹스는 함께 접착된 훅 단부와 함께 길이 약 30 mm 및 직경 약 0.5 mm를 가진 특허받은 냉간 압연 저탄소 강철 섬유이다. 그러나, 다양한 다른 강철 섬유를 사용하여 유사한 결과를 달성할 수 있을 것으로 예측된다.
CPC2 유형의 조성물(표 12)도 10 중량%(4 부피%)의 강철 섬유(FRCPC2, 표 16)와 함께 침윤시켰다. 이들 조성물은 CPC 조성물보다 거의 1.4배 더 높은 휨 강도 및 동시에 연성 파괴도 보였다(도 19b). 유사하게, CPC2가 2.5 중량%의 PVA 섬유(RFS400, NYCON PVA, 18 mm 섬유, 미국 펜실베니아주 페어리스 힐스 소재)와 함께 침윤되었을 때, 이들은 보다 낮은 강도에서 파괴되었지만 향상된 강도 보유를 보였다.
[표 16]
Figure pct00026
결합 요소와 강철의 상호작용을 조정하고 향상시키기 위해, 이들 섬유들을 공기 중에서 산화시켰다(녹 형성). 그 후, 10 중량%(4 부피%)의 녹슨 섬유도 CPC2 매트릭스 내에 넣었다(RFRCPC2, 표 16). 계면에서의 향상된 탈결합으로 인해, 이들 새로운 조성물들은 향상된 연성을 보였다(도 19c에서 영역 II). 도 20은 강철-결합 매트릭스 계면을 보여준다. 분명하게는, 경화 반응 동안, 원래의 계면은 강철 표면과 상호작용하였다. 이들 복합 물질들은 "수열 조절된 계면 조작된 연성 복합물"로서 지칭된다.
강철 섬유의 계면은 독특한 조성 및 구조를 가질 수 있다고 생각된다.
표 17은 덕탈(Ductal)®(라파지(Lafarge)(미국/캐나다 지역, 캐나다 T2W 4Y1 알버타 칼가리 소재)에 의해 개발된 특허받은 초고성능 콘크리트)과 FB1B(규회석 코어 섬유 기제의 결합 매트릭스, 표 2B)의 성질의 비교를 보여준다. FB1B는 덕탈®-FO(열처리되지 않음)보다 더 높은 압축 및 휨 강도를 가졌지만, 덕탈®-FM 또는 덕탈®-AF(열처리된 덕탈®-FM)보다 약간 더 낮은 압축 및 휨 강도를 가진다. FB1B의 열 팽창은 덕탈®의 모든 상이한 변경물들보다 더 높다. FB1B는 취성 파괴를 가진다. 강철 섬유를 사용하고 입자 및 섬유를 더 조작함으로써 초고성능을 가진 복합 물질을 제작할 수 있다. 이들 물질들은 하기 단락에서 논의될 초고성능 콘크리트 물질의 모든 적용분야에서 잠재적으로 사용될 수 있다.
[표 17]
Figure pct00027
신규 연성 및 충돌 저항성 구조물
표 18은 보다 긴 규회석 섬유 코어(d50 = 800 ㎛)를 사용함으로써 제작된 상이한 복합 물질들을 요약한다. 도 21은 SRC3 복합 물질(표 18)로 구성된 전형적인 미세구조를 보여준다. 보다 긴 섬유의 농도가 이들 자체 보강된 구조물에서 증가되기 때문에, 휨 강도는 감소되지만, 표 20에 요약된 바와 같이 충돌 저항성은 더 개선된다. 예를 들면, 자연 상태 그대로의 FB1B 결합 매트릭스는 0.75 ft.lb 충돌에서 파괴되는 반면, 이들이 보다 긴 섬유 코어로 자체 보강되어 있을 때 이들은 4.5 ft.lb 충돌에서 파괴된다. 전통적인 단일체형 물질, 예컨대, 화강암, 트라버틴, 대리석 등은 1.2 ft.lb에서 파괴되는 반면, 메트로-데이드 승인된 피츠버그 코닝 틱셋(Metro-Dade approved Pittsburgh Corning Thickset) 90(피츠버그 코닝 코포레이션(Pittsburgh Corning Corporation), 미국 펜실베니아주 피츠버그 소재)은 2.2 ft.lb 충돌에서 파괴된다. SRCC가 상이한 유형의 건설 재료들 중에서 가장 높은 충돌 저항성을 가진 것 중 하나라는 것은 분명하다.
[표 18]
Figure pct00028
수퍼- 블렌드
"자체 보강된 시멘트성 복합물(SRCC)" 및 "수열 조절된 계면 조작된 연성 복합물"의 개념은 상기 실시예에서 설명되었다. 이들 2종의 방법을 통합하여 수퍼-블렌드(표 19)로서 지칭되는 신규 클래스의 물질을 제작하는 것이 가능하다. 도 22a는 FSRBC1 복합 물질의 연성 거동을 보여준다. 4개의 주요 영역들이 변형 동안 관찰되었다: (I) 탄성, (II) 플라스틱, (III) 강도 보유 및 (IV) 점진적인 파괴. 도 22b는 3-점 굽힘 동안 이 복합 물질의 굽힘을 보여준다. 이들 고체들은 높은 충돌 저항성을 가진다(표 20). 예를 들면, FSRBC1은 피츠버그 코닝 틱셋 90에 대한 충돌 저항성보다 약 6배 더 높은 13 ft.lb의 충돌 저항성을 가진다.
[표 19]
Figure pct00029
[표 20]
Figure pct00030
이들 유형의 고체들은 폭발 및 충돌 저항성, 초고성능 및 고성능 콘크리트 유사 성질을 필요로 하는 적용분야, 손상 저항성 적용분야, 예컨대, 높은 동결-해동 및 불리한 환경 적용분야에서 사용될 수 있다. 나아가, 특수한 적용분야, 예컨대, 황산염 저항성, 염화물 저항성 등(그러나, 이들로 한정되지 않음)을 필요로 하는 적용분야에 따라 블렌드를 상이한 유형의 첨가제로 대체하는 것도 가능하다. 표 19는 백운석 충전제가 CaCO3 또는 모래 대신에 사용될 수 있는 일례를 보여준다.
실시예 5
결합 요소의 신규 화학물질
유사하게, 상기 규회석과 상이하되 불균화 반응을 이용하여 본 발명에 기재된 신규 결합 요소를 형성하는 공통된 능력을 가진 화학물질을 사용함으로써 매우 다양한 구조물들을 디자인하는 것도 가능하다. 예를 들면, 도 23 및 24는 감람석(Mg2Si04) 및 투휘석(MgCaSi206) 전구체로부터 유도된 결합 매트릭스의 미세구조를 보여준다. 이들 결합 매트릭스들은 각각 162±15 MPa 및 약 93 MPa의 압축 강도를 가진다. 예를 들면, 감람석은 미반응된 실리카 층(고갈 대역), 및 전체 구조물에 결합하는 시멘팅 상으로서 작용하는 MgCO3 결정에 의해 둘러싸인 미반응된 Mg2Si04 코어로 구성된다(도 23c). 이들 미반응된 코어는 상이한 형상을 가질 수 있다( 예를 들면, 도 23d는 MgCO3 결정이 어떻게 컵 형태의 감람석 입자 내부에 침전되는지를 보여준다).
도 24는 코어로서의 투휘석 입자의 미세구조를 보여준다. 이들 입자는 비결정질 실리카, 및 백운석(CaC03 ·MgC03) 및/또는 마그네사이트(MgC03) 및/또는 CaC03 입자에 의해 둘러싸여 있다. 규회석의 경우와 마찬가지로, 이들 물질들은 전술된 다양한 방법들을 통해 신규 미세구조를 제조하는 데에 사용될 수 있다. 나아가, 전술된 바와 같이, 이 불균화 반응을 겪을 수 있는 매우 많은 수의 세라믹(광물 및 폐기물 둘다임)이 존재한다.
본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명에서 다양한 변경 및 변화가 만들어질 수 있다는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 변경 및 변화가 첨부된 특허청구범위 및 이의 등가물의 범위 내에 있는 한, 본 발명은 이들 변경 및 변화를 포함하고자 한다.

Claims (108)

1종 이상의 화학 원소를 포함하는 제1 화학 조성을 갖는 코어;
상기 코어의 주변(periphral) 부분을 적어도 부분적으로 덮는 제1층으로서, 상기 제1 화학 조성과 상이한 화학 조성이되 상기 제1 화학 조성의 화학 원소들 중 하나에 상응하는 양이온을 포함하는 제2 화학 조성을 가진 제1층; 및
상기 제1층의 주변 부분을 적어도 부분적으로 덮는 제2층으로서, 상기 제1 화학 조성 및 제2 화학 조성과 상이한 화학 조성이되 상기 제1 화학 조성의 화학 원소들 중 하나에 상응하는 양이온을 포함하는 제3 화학 조성을 가진 제2층
을 포함하는 결합 요소(bonding element).
제1항에 있어서,
제1 화학 조성이 2종 이상의 상이한 화학 원소를 포함하고, 제2 화학 조성과 관련된 양이온이 제1 화학 조성의 2종 이상의 상이한 화학 원소들 중 제1 화학 원소에 상응하고, 제3 화학 조성과 관련된 양이온이 제1 화학 조성의 2종 이상의 상이한 화학 원소들 중 제2 화학 원소에 상응하는, 결합 요소.
제1항에 있어서,
제1 화학 조성이 2종 이상의 상이한 화학 원소를 포함하고, 제2 화학 조성과 관련된 양이온이 제1 화학 조성의 2종 이상의 상이한 화학 원소들 중 제1 화학 원소에 상응하고, 제3 화학 조성과 관련된 양이온이 제1 화학 조성의 2종 이상의 상이한 화학 원소들 중 제1 화학 원소에 상응하는, 결합 요소.
제1항에 있어서,
제1 화학 조성이 하나의 화학 원소만을 포함하는, 결합 요소.
제1항에 있어서,
제2 화학 조성과 관련된 양이온이 제1 화학 조성의 화학 원소들 중 하나에 상응하는 음이온과 결합되는, 결합 요소.
제5항에 있어서,
제3 화학 조성과 관련된 양이온이 반응물에 상응하는 음이온과 결합되는, 결합 요소.
제1항에 있어서,
제2 화학 조성과 관련된 양이온이 제1 반응물에 상응하는 음이온과 결합되는, 결합 요소.
제7항에 있어서,
제3 화학 조성과 관련된 양이온이 제2 반응물에 상응하는 음이온과 결합되는, 결합 요소.
제1항에 있어서,
제2 화학 조성 및 제3 화학 조성과 관련된 양이온이 알칼리 토금속인, 결합 요소.
제9항에 있어서,
제2 화학 조성 및 제3 화학 조성과 관련된 양이온이 Ca2 + 및 Mg2 +로부터 선택되는, 결합 요소.
제1항에 있어서,
코어가 등축형 코어인, 결합 요소.
제1항에 있어서,
코어가 타원형 코어인, 결합 요소.
제1항에 있어서,
코어가 섬유형 코어인, 결합 요소.
제1항에 있어서,
제1층이 비결정질 층인, 결합 요소.
제1항에 있어서,
코어가 대칭 형태를 가진, 결합 요소.
제1항에 있어서,
코어가 비-대칭 형태를 가진, 결합 요소.
제1항에 있어서,
코어가 플레이크(flake)의 형태로 존재하는, 결합 요소.
제1항에 있어서,
코어가 CaSi03을 포함하는, 결합 요소.
제1항에 있어서,
코어가 MgSi03을 포함하는, 결합 요소.
제1항에 있어서,
코어가 일반 화학식 MaMebOc 또는 MaMeb(OH)c(이때 M은, 반응하여 탄산염을 형성할 수 있는 1종 이상의 금속을 포함하고, Me는 탄산염화 반응 동안 산화물을 형성할 수 있는 1종 이상의 금속임)로 표시되는 1종 이상의 합성 제제를 포함하는, 결합 요소.
제20항에 있어서,
M이 칼슘 및 마그네슘으로부터 선택된 알칼리성 토금속이고, Me가 규소, 티탄, 알루미늄, 인, 바나듐, 텅스텐, 몰리브덴, 갈륨, 망간, 지르코늄, 게르마늄, 구리, 니오븀, 코발트, 납, 철, 인듐, 비소 및 탄탈륨으로 구성된 금속 군으로부터 선택되는, 결합 요소.
제1항에 있어서,
제1층이 결정질 층인, 결합 요소.
제1항에 있어서,
제1층이 알루미늄, 규소 또는 철의 산화물 또는 수산화물을 포함하는, 결합 요소.
제1항에 있어서,
제1층이 산화알루미늄, 산화규소 및 산화철 중 하나 이상을 포함하는, 결합 요소.
제1항에 있어서,
제1층이 수산화알루미늄, 수산화규소 및 수산화철 중 하나 이상을 포함하는, 결합 요소.
전구체 물질의 화학 조성물과 상이한 화학 조성이되 상기 전구체 물질의 화학 조성물에서 발견된 화학 원소에 상응하는 양이온을 포함하는 화학 조성을 가진 제1층; 및
상기 제1층의 주변 부분을 적어도 부분적으로 덮는 제2층으로서, 상기 제1층 및 상기 전구체 물질의 화학 조성물과 상이한 화학 조성이되 상기 전구체 물질의 화학 조성물에서 발견된 화학 원소에 상응하는 양이온을 포함하는 화학 조성을 가진 제2층
을 포함하는 결합 요소.
1종 이상의 화학 원소를 포함하는 제1 화학 조성을 가진 코어;
상기 코어의 주변 부분을 적어도 부분적으로 덮는 제1층으로서, 상기 제1 화학 조성과 상이한 화학 조성이되 상기 제1 화학 조성의 화학 원소들 중 하나에 상응하는 양이온을 포함하는 제2 화학 조성을 가진 제1층; 및
상기 제1층의 주변 부분을 적어도 부분적으로 덮는 제2층으로서, 상기 제1 화학 조성 및 제2 화학 조성과 상이한 화학 조성이되 상기 제1 화학 조성의 화학 원소들 중 하나에 상응하는 양이온을 포함하는 제3 화학 조성을 가진 제2층
을 각각 포함하는 복수의 결합 요소
를 포함하는 결합 매트릭스.
전구체 물질의 화학 조성물과 상이한 화학 조성이되 상기 전구체 물질의 화학 조성물에서 발견된 화학 원소에 상응하는 양이온을 포함하는 화학 조성을 가진 제1층; 및
상기 제1층의 주변 부분을 적어도 부분적으로 덮는 제2층으로서, 상기 제1층 및 상기 전구체 물질의 화학 조성물과 상이한 화학 조성이되 상기 전구체 물질의 화학 조성물에서 발견된 화학 원소에 상응하는 양이온을 포함하는 화학 조성을 가진 제2층
을 각각 포함하는 복수의 결합 요소
를 포함하는 결합 매트릭스.
제28항에 있어서,
제2층이, 석회석, 대리석 분진, 탄산칼슘 풍부 응집체(aggregate), 석고, 모래 및 실리카 풍부 응집체, 및 이들의 조합물로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 활성 미립자와 결합하는 탄산염 상(phase)으로 구성되는, 결합 매트릭스.
제28항에 있어서,
제2층이 연속 상 또는 불연속 상인, 결합 매트릭스.
제28항에 있어서,
결합 매트릭스가 다공성인, 결합 매트릭스.
제28항에 있어서,
결합 요소가 1-D 배향, 2-D 배향 또는 3-D 배향으로 배향되어 있거나, 무작위적으로 배향되어 있거나, 삼출 네트워크(percolation network)를 형성하는, 결합 매트릭스.
제28항에 있어서,
결합 요소들 중 적어도 일부가 서로 접촉하고 있는, 결합 매트릭스.
제28항에 있어서,
제2층이, 석회석, 대리석 분진, 탄산칼슘 풍부 응집체, 석고, 모래 및 실리카 풍부 응집체, 및 이들의 조합물로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 활성 미립자와 결합하는 CaCO3으로 구성되는, 결합 매트릭스.
제27항 또는 제28항에 있어서,
수화물 무함유 시멘트성 결합제(bond)를 추가로 포함하는 결합 매트릭스.
결합 요소를 시멘트성 물질, 모르타르(mortar) 및 그라우트(grout)로서 사용하는 단계를 포함하는, 제27항 또는 제28항의 결합 매트릭스를 사용하는 방법.
제27항 또는 제28항에 따른 결합 매트릭스; 및
상기 결합 매트릭스에 도입된 충전제 물질
을 포함하는 복합 물질.
제37항에 있어서,
충전제 물질이 불활성 물질을 포함하는, 복합 물질.
제38항에 있어서,
불활성 물질이 복수의 등축형 입자를 포함하는, 복합 물질.
제38항에 있어서,
불활성 물질이 복수의 이방성 입자를 포함하는, 복합 물질.
제38항에 있어서,
불활성 물질이 등축형 입자와 이방성 입자의 조합물을 포함하는, 복합 물질.
제37항에 있어서,
충전제 물질이 활성 물질을 포함하는, 복합 물질.
제42항에 있어서,
활성 물질이 복수의 등축형 입자를 포함하는, 복합 물질.
제42항에 있어서,
활성 물질이 복수의 이방성 입자를 포함하는, 복합 물질.
제42항에 있어서,
활성 물질이 등축형 입자와 이방성 입자의 조합물을 포함하는, 복합 물질.
제37항에 있어서,
충전제 물질이 제1 복수의 제1 크기 입자 및 제2 복수의 제2 크기 입자를 포함하고, 이때 상기 제2 크기 입자가 상기 제1 크기 입자보다 크기 면에서 실질적으로 더 크고,
복합 물질이 계층 구조를 형성하도록, 결합 매트릭스, 제1 크기 입자 및 제2 크기 입자가 정렬되어 있는, 복합 물질.
제46항에 있어서,
결합 매트릭스가 인접 제1 크기 입자들 사이의 다공성 공간 내에 실질적으로 정렬되어 있고, 상기 인접 제1 크기 입자들이 인접 제2 크기 입자들 사이의 다공성 공간 내에 정렬되어 있는, 복합 물질.
제47항에 있어서,
결합 매트릭스가 인접 제1 크기 입자들 각각의 주변 부분을 적어도 부분적으로 덮는, 복합 물질.
제37항에 있어서,
결합 요소가 1-D 배향으로 정렬되어 있는, 복합 물질.
제37항에 있어서,
결합 요소가 2-D 배향으로 정렬되어 있는, 복합 물질.
제37항에 있어서,
결합 요소가 3-D 배향으로 정렬되어 있는, 복합 물질.
제37항에 있어서,
결합 요소가 무작위 배향으로 정렬되어 있는, 복합 물질.
제37항에 있어서,
약 1 내지 30 GPa의 빅커(Vicker) 경도를 가진 복합 물질.
제37항에 있어서,
14 내지 약 3,000 MPa의 압축 강도 및 약 380 MPa 미만의 휨 강도를 가진 복합 물질.
제37항에 있어서,
60 x 10-6/psi 미만의 크리프(creep) 변형률을 나타내는 복합 물질.
제37항에 있어서,
700 C 미만의 Cl- 투과성을 나타내는 복합 물질.
제37항에 있어서,
자체 강화되어 있고 6 J 초과의 공(ball) 충돌 저항성을 가진 복합 물질.
제37항에 있어서,
강철 섬유로 강화되어 있고 10 J 초과의 공 충돌 저항성을 가진 복합 물질.
제37항에 있어서,
파괴(failure) 동안 연성(ductile) 거동 및 강도 보유를 나타내는 복합 물질.
제37항에 있어서,
열 충격 저항성을 가진 복합 물질.
제37항에 있어서,
약 0.13 W/m.k 초과 내지 약 196 W/m.k 미만의 열 전도성을 가진 복합 물질.
제37항에 있어서,
하기 성질들 중 하나 이상을 나타내는 복합 물질:
(i) 4.04 x 106 psi 이상의 탄성률(modulus of elasticity);
(ii) 390 psi 이상의 분할(split) 인장 강도;
(iii) ASTM C944를 이용하여 시험할 때 1.00 mm 미만의 평균 마모;
(iv) ASTM C666을 이용하여 시험할 때 300 이상의 주기의 동결-해동 저항성;
(v) ASTM C672를 이용하여 시험할 때 x<1의 가시 스케일링(visible scaling) 저항성;
(vi) ASTM C157로 측정할 때 무시할만한 수축; 및
(vii) 무시할만한 알칼리-규산염 반응.
제37항에 있어서,
3 x 10-6/℃ 내지 15 x 10-6/℃의 열 팽창 계수를 가진 복합 물질.
제37항에 있어서,
6 내지 900 J/mole·K의 열 용량을 가진 복합 물질.
제37항에 있어서,
0.04 내지 0.9의 반사율 계수를 가진 복합 물질.
제37항에 있어서,
약 1 내지 약 99 부피%의 다공성(porosity)을 추가로 포함하는 복합 물질.
제66항에 있어서,
바람직하게는 약 1 내지 약 70 부피%의 다공성을 포함하는 복합 물질.
제67항에 있어서,
가장 바람직하게는 약 1 내지 약 10 부피%의 다공성을 포함하는 복합 물질.
제67항에 있어서,
가장 바람직하게는 약 50 내지 약 70 부피%의 다공성을 포함하는 복합 물질.
제37항에 있어서,
결합 매트릭스가 약 1 내지 99 부피%의 부피 분율을 차지하는, 복합 물질.
제70항에 있어서,
결합 매트릭스가 바람직하게는 약 8 내지 99 부피%의 부피 분율을 차지하는, 복합 물질.
제71항에 있어서,
결합 매트릭스가 가장 바람직하게는 약 8 내지 30 부피%의 부피 분율을 차지하는, 복합 물질.
제37항에 있어서,
결합 매트릭스가 하나 이상의 상호연결 패턴을 보이는, 복합 물질.
제37항에 있어서,
1-수준, 2-수준, 3-수준, 4-수준 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 포함하는 계층 구조(hierarchic structure)를 추가로 포함하는 복합 물질.
제37항에 있어서,
수화물 무함유 시멘트성 결합제를 추가로 포함하는 복합 물질.
제37항에 있어서,
탄산칼슘, 석고, 모래, 응집체, 광물, 금속성 섬유, 유기 섬유, 세라믹 섬유, 폐기 코르크 과립, 소포제, 초미세 입자, 저밀도 응집체, 고밀도 응집체 또는 이들의 조합물을 포함하는 1종 이상의 첨가제를 추가로 포함하는 복합 물질.
제37항에 있어서,
단일체형(monolithic) 고체를 추가로 포함하는 복합 물질.
제37항에 있어서,
중합체, 착색제, 분산제, 금속 및 이들의 조합물 중 하나 이상을 추가로 포함하는 복합 물질.
제37항에 있어서,
천연 석재와 유사한 색채 및 질감을 추가로 포함하는 복합 물질.
제37항에 있어서,
대리석, 석회석, 사암, 화강암, 테라코타, 트라버틴(travertine) 암석 및 사문석 암석으로 구성된 군으로부터 선택된 물질과 유사한 색채 및 질감을 추가로 포함하는 복합 물질.
제37항에 있어서,
건축 콘크리트와 유사한 색채 및 질감을 추가로 포함하는 복합 물질.
제37항에 있어서,
모르타르, 그라우트 및 고강도 구조 벽돌로 구성된 군으로부터 선택된 하나와 유사한 색채 및 질감을 추가로 포함하는 복합 물질.
제37항의 복합 물질을 사용하는 방법으로서,
고강도 콘크리트, 급속 강도 콘크리트, 고성능 콘크리트, 초고성능 콘크리트, 통기(aerated) 콘크리트, 기공(cellular) 콘크리트, 투수 콘크리트, 고밀도 콘크리트, 중량 콘크리트, 매스(mass) 콘크리트, 프리스트레스(pre-stressed) 콘크리트, 자체-압축 콘크리트, 롤러-압축 콘크리트, 건축 콘크리트, 분무 콘크리트, 주조가능한 콘크리트 및 제로-슬럼프(zero-slump) 콘크리트 중 하나 이상에서 상기 복합 물질을 사용하는 단계를 포함하는 방법.
제37항의 복합 물질을 사용하는 방법으로서,
건축, 건설, 도로, 교량 및 다른 사회기반시설 적용분야 중 하나 이상에서 상기 복합 물질을 사용하는 단계를 포함하는 방법.
제37항의 복합 물질을 사용하는 방법으로서,
음향 차폐, 방사선 차폐, 화염 저항성, 내화성, 극한 기후 조건, 해양 적용분야, 극저온 적용분야, 내진 구조물, 토목섬유 유형 구조물, 및 발사체(projectile) 및 폭발 저항성 적용분야 중 하나 이상에서 상기 복합 물질을 사용하는 단계를 포함하는 방법.
제37항의 복합 물질을 사용하는 방법으로서,
전자, 광학, 자기, 생체의학, 생물공학, 약학, 농업, 전자화학, 촉매, 핵, 에너지 저장, 에너지 발생, 항공우주, 자동차, 신체 및 차량 방호복, 직물, 연마 및 절삭, 화학 분리, 광전기, 열이온 및/또는 전기발광 적용분야 중 하나 이상에서 상기 복합 물질을 사용하는 단계를 포함하는 방법.
복합 물질을 제조하는 방법으로서,
복수의 전구체 입자를 포함하고 일정한 정도의 다공성을 가진 전구체 물질을 제공하는 단계;
액체 용매를 상기 전구체 물질의 공극 내로 도입하는 단계; 및
기체 반응물을 상기 전구체 물질의 공극 내로 도입하여, 상기 전구체 입자가 제1층 및 제2층을 가진 결합 요소로 변환되게 하는 단계
를 포함하는 방법.
제87항에 있어서,
전구체 입자의 적어도 일부가 반응물과 반응하지 않고 남아 결합 요소의 코어를 형성하는, 방법.
제87항에 있어서,
전구체 입자의 전부가 변환되어 제1층 및 제2층을 형성함으로써 결합 요소에서 전구체 입자를 남기지 않는, 방법.
제87항에 있어서,
액체 용매를 전구체 물질의 공극 내로 도입하는 단계가, 상기 액체가 상기 전구체 물질의 공극을 충전시키도록 상기 전구체 물질을 포화시키는 단계를 포함하는, 방법.
제87항에 있어서,
액체 용매를 전구체 물질의 공극 내로 도입하는 단계가 상기 전구체 물질의 공극을 상기 액체로 부분적으로 충전시키는 단계를 포함하는, 방법.
제91항에 있어서,
액체 용매를 전구체 물질의 공극 내로 도입하는 단계가
상기 액체를 증발시키는 단계; 및
상기 액체가 상기 전구체 물질의 공극 전체에 분산되는 방식으로 상기 액체를 응축시키는 단계
를 추가로 포함하는, 방법.
제91항에 있어서,
전구체 물질을 충전제 물질과 혼합하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제87항에 있어서,
충전제 물질이 불활성 물질을 포함하는, 방법.
제87항에 있어서,
불활성 물질이 복수의 등축형 입자를 포함하는, 방법.
제87항에 있어서,
불활성 물질이 복수의 이방성 입자를 포함하는, 방법.
제87항에 있어서,
불활성 물질이 등축형 입자와 이방성 입자의 조합물을 포함하는, 방법.
제87항에 있어서,
충전제 물질이 활성 물질을 포함하는, 방법.
제98항에 있어서,
활성 물질이 복수의 등축형 입자를 포함하는, 방법.
제98항에 있어서,
활성 물질이 복수의 이방성 입자를 포함하는, 방법.
제98항에 있어서,
활성 물질이 등축형 입자와 이방성 입자의 조합물을 포함하는, 방법.
제87항에 있어서,
복수의 전구체 입자를 포함하는 전구체 물질을 제공하는 단계가 상기 전구체 입자를 원하는 배향으로 정렬하는 단계를 포함하는, 방법.
제87항에 있어서,
전구체 입자를 원하는 배향으로 정렬하는 단계가 상기 전구체 입자를 1-D 배향으로 정렬하는 단계를 포함하는, 방법.
제87항에 있어서,
전구체 입자를 원하는 배향으로 정렬하는 단계가 상기 전구체 입자를 2-D 배향으로 정렬하는 단계를 포함하는, 방법.
제87항에 있어서,
전구체 입자를 원하는 배향으로 정렬하는 단계가 상기 전구체 입자를 3-D 배향으로 정렬하는 단계를 포함하는, 방법.
제87항에 있어서,
복수의 전구체 입자를 포함하는 전구체 물질을 제공하는 단계가 상기 전구체 입자를 무작위 배향으로 정렬하는 단계를 포함하는, 방법.
(i) 반응성 전구체를 제공하는 단계; 및
(ii) 상기 반응성 전구체의 적어도 부분을 변환시켜 상기 전구체의 비-변환된 부분 상에서 제1층을 형성하고 상기 제1층의 적어도 부분 상에서 캡슐화 층을 형성함으로써 결합 요소를 형성하는 단계로서, 이때 상기 제1층이 상기 전구체와 하나 이상의 제1 양이온을 공유하고, 상기 캡슐화 층이 상기 전구체와 하나 이상의 제2 양이온을 공유하는, 단계
를 포함하는, 결합 요소를 제조하는 방법.
제107항에 있어서,
변환이 불균화(disproportionation) 반응을 통해 달성되는, 방법.
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