粘结元件、粘结基质和具有该粘结元件的复合材料及其制造方法

摘要

一种粘结元件、粘结元件基质和复合材料，它们因该粘结元件的第一层与第二层结构或芯、第一层和第二层结构而具有大量可被优化的吸引人的性质，所述性质包括但不限于机械性质、热性质、磁性质、光学性质和核性质，以及制造该粘结元件和相应的陶瓷和/或复合材料的方法。

说明书

本申请要求于2011年3月5日提交的美国临时申请序列号 61/449,659的优先权，其经此引用并入本文。

发明领域

本发明大体上涉及陶瓷和/或复合材料。更具体而言，本发明涉及 包含改善与陶瓷和/或复合材料相关的机械性质和其它性质的粘结元件 的陶瓷和/或复合材料，以及制造该粘结元件与相应的陶瓷和/或复合材 料的方法。

发明背景

常规的陶瓷材料如水泥、混凝土及其它类似材料可表现出弱的材 料性质。这些弱的材料性质可能要归因于材料中的键合(如水合键)通常 较弱的事实。水合键是含有分子形式的水的键合。水合波特兰水泥是 含有水合键的材料的一个实例，如CaO·2SiO₂·4H₂O和CaO·H₂O。这种 虚弱性会导致陶瓷材料过早失效，这明显是不合意的材料性质。

因此，需要改善键合，更通常改善与陶瓷材料(如水泥、混凝土和 其它类似材料)相关的粘结基质以提供具有改善的材料性质的陶瓷材 料。

本说明书中引用的所有参考文献经此引用全文并入本文。

发明内容

根据本发明示例性实施方式，由于该粘结元件的芯/第一层/第二层 结构，该粘结元件、粘结基质、复合材料和制造所述粘结元件的方法 提供了多种可被优化的吸引人的性质，包括但不限于机械性质、热性 质、磁性质、光学性质和核性质。

在下面的说明书中将列举本发明的附加特征和优点，并且这些附 加特征和优点部分将由该描述变得显而易见，或可以通过实践本发明 而了解。通过在书面描述及其权利要求以及附图中特别指出的结构实 现和获得本发明的目的与其它优点。

要理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述是示例性和解释 性的，并且旨在提供对所要求保护的发明的进一步解释。

附图概述

附图(其被包含用于提供对本发明的进一步理解，该附图并入本说 明书中并构成本说明书的一部分)例示了本发明实施方式并与说明书 一起用于解释本发明的原理。在附图中：

图1(a)～1(c)是本发明示例性实施方式的单个粘结元件的示意性 截面图，图解了三种示例性芯形态：(a)纤维状；(b)椭圆形；和(c)等轴 的。

图2(a)～2(f)是本发明示例性实施方式的复合材料的侧视图和截面 图，图解了(a)在稀释粘结基质中(粘结元件不接触)的1D取向的纤维形 粘结元件，(b)在稀释粘结基质中(粘结元件不接触)的2D取向的薄片形 粘结元件，(c)在稀释粘结基质中(粘结元件不接触)的3D取向的薄片形 粘结元件，和(d)在稀释粘结基质中(粘结元件不接触)的随机取向的薄 片形粘结元件，其中该复合材料包括粘结基质与填料组分如聚合物、 金属、无机粒子、骨料(aggregates)等，(e)粘结元件的浓缩粘结基质(具 有足以建立渗透网络的体积分数)，其中该基质是3D取向的，和(f)随 机取向的粘结元件的浓缩粘结基质(具有足以建立渗透网络的体积分 数)，其中可包括填料组分如聚合物、金属、无机粒子、骨料等。还设 想了包含彼此接触的粘结元件与作为分散单元的其它组分的混合物的 结构，但在这里并未显示。该粘结元件可包含图1中显示的基础多层 结构的任意一种，或者可具有任何其它形态，但对该图以简化形式显 示。为清楚起见，显示代表性芯粒子形貌的横截面。

图3图解了本发明示例性实施方式的双组分复合材料体系中不同 的连接模式。阴影区域显示粘结基质区域，非阴影区域是填料组分， 如金属、骨料、无机粒子或聚合物(图3改编自：R.E.Newnham,D.P. Skinner与L.E.Cross,“Connectivity and piezoelectric-pyroelectric  composites”,Mat.Res.Bull.第13卷,第525-536页,1978)。

图4(a)～4(b)显示了(a)包含粘结基质和随机分布在粘结基质中的 等轴填料粒子的本发明示例性实施方式的3-0复合材料，和(b)包含粘 结基质和取向纤维形状填料组分的本发明示例性实施方式的3-1复合 材料。

图5(a)～5(b)显示了本发明示例性实施方式的粘结基质的(a)二次 电子(SE)和(b)背散射电子(BSE)扫描电子显微镜(SEM)图像，所述粘结 基质由通过非晶二氧化硅封装并被CaCO₃粒子围绕的结晶硅灰石芯纤 维组成。

图6(a)～6(c)显示了本发明示例性实施方式的粘结基质的能量色 散X射线光谱法(EDS)化学映射，图示了Si(图6(a))和Ca(图6(b))映射 的重叠。在图6(c)中，CaSiO₃、SiO₂和CaCO₃的区域由箭头指示。纤 维形硅灰石(CaSiO₃)芯粒子被富SiO₂区域封装并被CaCO₃粒子围绕。

图7显示了在本发明实施方式的P3粘结基质(表6)上的20N的维 氏硬度压痕的场发射扫描电子显微镜法(FESEM)图像。

图8(a)～8(c)显示了(a)压痕(SE图像)、(b)在(b)中标为D的点的更 高倍放大(BSE图像)和(c)芯硅灰石晶粒与二氧化硅相涂层之间的坚固 界面的FESEM显微照片。

图9显示了本发明实施方式的处于压缩状态的P3粘结基质(同样 参见表4)的应力对位移的曲线。

图10显示了本发明实施方式的处于压缩状态的FB4复合材料(参 见表3)的应力对位移的曲线。

图11(a)～11(d)显示了根据本发明实施方式的P3粘结基质(同样参 见表4)与(a)SiO₂和(b)SiO₂、(c)高Ca飞灰(HCFA)和(d)CaCO₃的相互作 用。对P3粘结基质和SiO₂界面的观察(图11(a)和(b))揭示了硅灰石芯 纤维周围的CaCO₃粒子与富二氧化硅涂层已经形成具有外加二氧化硅 粒子的界面。

图12(a)～12(b)图解了本发明实施方式的0-3复合材料的破坏行 为。图12(a)显示了该0-3复合材料，其中70体积%的沙子(二氧化硅) 颗粒状组分分散在结构中具有孔隙的P3粘结基质中(也参见表4)。该 复合材料显示了在压缩过程中的逐渐破坏，并具有≈55MPa的压缩强 度(图12(b))。

图13(a)～13(d)图解了具有不同等级的重复层级结构的本发明示 例性实施方式。图13(a)～13(b)图解了1级层级体系，图13(c)～13(d) 图解了2级层级体系。

图14(a)～(c)显示了本发明实施方式的复合材料的不同光学显微 照片。图14(a)和14(b)分别显示了通过使用1:2:2体积比的FB1纤维芯 (表3)、(300-500)微米沙子和(2-4)毫米砂砾形成的复合材料的光学显微 照片，图14(c)显示了在沙子颗粒的空隙空间中的粘结基质，并且粘结 基质厚层已经围绕沙粒以充当胶合相。

图15显示了在-40℃至100℃之间的热循环过程中(a)微应变对温 度和(b)温度对时间的概图。

图16显示了作为温度的函数的P3(表4)的比热(c_p)图。根据ASTM  E1269进行试验。

图17显示了(a)常规天然砂石和本发明实施方式的砂石仿制品，(b) 常规花岗岩和本发明实施方式的花岗岩仿制品，和(c)常规赤陶和本发 明实施方式的赤陶仿制品的数码相片。

图18显示了反应时间对粘结基质的(a)压缩强度和(b)抗张强度的 作用(104℃，≈300psi的CO₂初始启动压力)。P3粘结基质在20小时反 应后形成(表4)。

图19显示了(a)、(b)和(c)的抗弯强度对位移的图示，(a)本发明实 施方式的具有金属纤维的FB1B粘结基质，(b)本发明实施方式的原始 CPC2基质(曲线A)，本发明实施方式的具有10重量%的金属纤维的 CPC2(曲线C，组合物FRCPC2，表16)和具有2.5重量%的PVA纤维 的CPC2(曲线B)，以及(c)具有10重量%的原样和氧化(生锈)金属纤维 的FB1B粘结基质(组合物FRCPC2和RFRCPC2，表16)的抗弯强度的 比较。

图20显示了本发明实施方式的粘结基质的钢纤维界面的(a)SE和 (b)BSE图像，以及(c)Ca、(d)Si、(e)Fe和(f)O的EDS化学映射。

图21显示了本发明实施方式的的SRC3复合材料(同样参见表18) 的SE FESEM显微结构。

图22显示了(a)FSRBC1复合材料(同样参见表19)的弯曲应力对位 移的图示和(b)显示在INSTRON系统中测试的过程中FSRBC1复合材 料的弯曲的数码相片。

图23显示了根据本发明实施方式的碳酸化橄榄石的显微结构的 FESEM图像——(a)SE和(b)BSE图像，以及在更高放大倍数下不同形 态的碳酸化橄榄石粒子的(c)BSE、(d)SE和(c)BSE图像。

图24显示了根据本发明实施方式的碳酸化透辉石的显微结构的 FESEM图像——(a)SE和(b)BSE图像，以及在更高放大倍数下碳酸化 透辉石粒子的(c)SE和(d)BSE图像。

具体实施方式

现在将详细地参考本发明实施方式，其实例图示在附图中。

粘结元件

图1(a)～1(c)图解了示例性粘结元件的横截面，所述示例性粘结元 件可构成更大的陶瓷或复合材料的至少一部分。如图1(a)～1(c)所示， 给定的粘结元件包括由黑色内部部分表示的芯；由白色中间部分表示 的第一层；和由外部部分表示的第二或封装层。

根据本发明的示例性实施方式，根据预期用途，粘结元件可以表 现出任何尺寸和形态(即形状)。表1提供了可能形态的非排他性名单。 根据该粘结元件的化学，该第一层可仅包括一层或多个子层，并且可 完全覆盖该芯或部分覆盖该芯。该第一层可以结晶相、非晶相或其组 合存在。该第二层可仅包括一层或多个子层，并且可以完全或部分覆 盖该第一层。该第二层还可包含多个粒子或可以是具有最小可观察的 离散粒子的连续相。

表1规则几何形状(对称立体)

多面体是由平坦表面构成的立体。各表面是多边形。例如，柏拉 图立体、棱柱、角锥非多面体是具有弯曲表面或弯曲与平坦表面混合 的立体。例如，球体、环体、圆柱体、圆锥体。

中空结构：在中心处具有空腔的几何立体

名称 描述 环 ·环形形状 管 ·长的空心物体(通常为圆柱形)

其它定形粉末形态描述词(主要用于不规则立体)

通过转化过程制造粘结元件。下面将更详细地描述该过程。但是， 通常，该过程包括反应性前体粒子的转化。该前体粒子可具有任何所 需的尺寸与形状，并且可具有类似的尺寸与形状，或者它们可以改变。 给定前体粒子的转化将提供具有类似的尺寸与形状的相应粘结元件。 该转化过程通过使前体粒子暴露于反应性液体来进行。与该液体相关 的反应物随后与构成该前体粒子的化学元素反应，更具体而言，该前 体粒子的外周部分中的化学元素。该反应最终导致生成前述的第一和 第二层。

在上述粘结元件的第一实施方式中，前体粒子包含两种或多种化 学元素，如包含多种阳离子的陶瓷材料或包含多种金属的金属材料。 在转化过程中，液体的反应物优先与该化学元素的至少第一种反应， 其中在反应物与至少一种第一化学元素之间的反应导致形成第一和第 二层，该第一层包含前体粒子的衍生物，通常不包括该至少一种第一 化学元素，而该第二层包含该反应物与至少一种第一化学元素的组合。 相比之下，该芯包含与该前体粒子相同或近乎相同的化学组成。例如， 由于特定化学元素从该芯中的选择性浸出，该芯的外周部分可能具有 与前体粒子不同的化学组成。

由此，该芯与该第二层共享该前体粒子的至少一种第一化学元素， 且该芯与该第一层共享该前体粒子的至少另一种化学元素。由该芯与 该第二层共享的该至少一种第一化学元素可以是例如至少一种碱土元 素(铍、镁、钙、锶、钡和镭)。该芯和该第一层共享的至少另一种化学 元素可以是例如硅、钛、铝、磷、钒、钨、钼、镓、锰、锆、锗、铜、 铌、钴、铅、铁、铟、砷和/或钽。

在第二示例性实施方式中，该前体粒子可仍包含两种或多种化学 元素；但是，在该转化过程中，该液体中的反应物优先与该化学元素 的至少第一种反应，其中该反应物与该至少一种第一化学元素之间的 反应导致形成该第一和第二层，该第一层和第二层均包含该反应物与 至少一种第一化学元素的组合。由此，与第一层的化学组成相关的阳 离子符合该前体粒子的两种或多种化学元素的第一种，并且与第二层 相关的阳离子也符合该前体粒子的两种或多种化学元素的第一种。

在又一替代示例性实施方式中，该反应物与该前体粒子的至少一 种第一化学元素之间的反应可以进行至完全，由此由此获得成为该粘 结元件的芯并具有不同于该前体粒子的化学组成的第一层，和至少一 个附加或第二壳层，所述附加或第二壳层包含可包括或不包括该前体 粒子的两种或多种化学元素的至少一种第一化学元素的组成。

该前体粒子可以选自能经受上述转化的任何合适材料。例如，该 前体粒子可包括硅、钛、铝、磷、钒、钨、钼、镓、锰、锆、锗、铜、 铌、钴、铅、铁、铟、砷、钽和/或碱土元素(铍、镁、钙、锶、钡和镭) 的氧化物和非氧化物。例如，该前体粒子可包括氧化物如硅酸盐、钛 酸盐、铝酸盐、磷酸盐、钒酸盐、钨酸盐、钼酸盐、镓酸盐、锰酸盐、 锆酸盐、锗酸盐、铜酸盐、锡酸盐、铪酸盐、铬酸盐、铌酸盐、钴酸 盐、铅酸盐、铁酸盐、铟酸盐、砷酸盐、钽酸盐及其组合。在一个优 选实施方式中，该前体粒子包括硅酸盐如正硅酸盐、俦硅酸盐、环硅 酸盐、链硅酸盐、页硅酸盐、网硅酸盐和/或水化硅酸钙。人们相信， 表2A中列举的各种具体硅酸盐可用作该前体粒子。人们还相信，表 2A中列举的各种具体的非硅酸盐可用作该前体粒子并且含有表2A中 列举的材料的各种岩石可用作该前体粒子。

表2A：反应性前体的名单

1.硅酸盐

人们还相信，某些废料可用作该前体粒子。废料可包括例如矿物、 工业废料或工业化学材料。一些示例性废料包括矿物硅酸盐、铁矿石、 方镁石、石膏、氢氧化铁(II)、飞灰、炉底灰、炉渣、玻璃、油壳、赤 泥、电池废料、再循环混凝土、尾矿、纸灰或来自浓缩反渗透盐水的 盐。

附加的前体粒子可包括不同类型的含有矿物的岩石，如钙硅酸盐 岩、fitch formation、希伯伦片麻岩、层状片麻岩、中段、泥板岩、石 英岩、中级前寒武纪沉积物、具有少量石灰岩层的深色石英岩、高等 级变质沉积黑云母片岩、黑云母片麻岩、云母片岩、石英岩、hoosac  formation、partridge formation、华盛顿片麻岩、泥盆纪志留系格林维尔 湾地层、ocoee supergroup、变质砂岩、变质杂砂岩、Rangeley地层、 闪岩、石灰质大理石与白云质大理石、曼哈顿地层、黄褐色和灰色黑 云母-石英-长片麻岩，和waterford group。

前体粒子还可包括火成岩，例如但不限于安山岩、斜长岩、碧玄 岩、玻安岩、碳酸岩和紫苏花岗岩；沉积材料，例如但不限于泥板岩、 长石砂岩、角砾岩、碎裂岩、白垩、粘土岩、燧石、火石、gitsone、lighine、 石灰岩、泥岩、砂岩、页岩和粉砂岩；变质的材料，例如但不限于闪 岩、变闪长岩、片麻岩、麻粒岩、绿岩、角页岩、大理石、泥质岩、 千枚岩、石英岩、片岩、矽卡岩、板岩、滑石碳酸盐和皂石；以及其 它种类的岩石，例如但不限于石英二长岩、暗拼岩、隐晶岩、霞榴正 长岩、蓝色花岗岩、绿帘石岩、霏细岩、燧石、致密硅岩、霓霞岩、 硬玉岩、碧玉、霓橄粗面岩、闪辉正煌岩、歪碱正长岩、霞云钠长岩、 电气花岗岩、纹长二长岩、云煌岩、均密石英岩、地幔岩、环斑花岗 岩、菱长斑岩、等色岩、铁燧岩、沸方绿岩、霞斜岩和球颗玄武岩。

同样，第一层可包含任何可以衍生自上述各种前体材料的化学组 成的化学组成。

如上所述，该第二层(封装层)可包含反应物与来自该该前体粒子的 至少一种化学元素的组合。根据本发明示例性实施方式，该第二层或 封装层可包含多种可能的化学组成。例如，该封装层可包含具有天然 生成的结构的碳酸盐。该第二层或封装层还可包含其它可能的碳酸盐 化学组成，以及硫酸盐、磷酸盐和能够溶解在溶剂中并与前体粒子反 应的其它阴离子化合物。

表2B提供了使用不同前体材料时可以实现的第一和第二层的不 同类型化学组成的示例性实施方式。表2B中列举的实例不应视为限制 性的或视为可能材料的排它性名单，而是仅应视为示例性的，因为根 据该前体材料可以实现许多附加类型的化学组成。关于第一层，通过 使用不同的前体材料，可以获得二氧化硅、氧化铝或二氧化钛。也可 以通过选择该前体材料对第二层进行改性。例如，表2B中例示的第二 层材料的非排他性名单可包括各种类型的碳酸盐，例如但不限于纯碳 酸盐、多阳离子碳酸盐、具有水或OH基团的碳酸盐、具有水或OH 基团的层状碳酸盐、含阴离子的碳酸盐、含硅酸盐的碳酸盐和含有碳 酸盐的矿物。

表2B：显示不同原料(前体)如何用于生成不同类型封装层的概念

为了进一步提供对于如何实现上述表2B中列举的示例性实施方 式的附加指引，下面是对于如何实现某些此类示例性材料的更详细讨 论。

再次参照图1(a)～1(c)，图解了该粘结元件的三种不同的示例性形 态。与该芯和/或该粘结元件相关的形状或形态可以与该前体粒子的形 状相同或相似。由此，该前体粒子以及由此相应的粘结元件和/或芯可 采用多种形态的任意形态，所述形态包括但不限于球形形状、椭圆形 形状、多边形形状如六边形，或多种其它形状的任意一种。此外，该 前体粒子以及由此相应的粘结元件和/或芯的形态可以是等轴的，或具 有比另一轴更长的一个轴，如在线形或棒形的情况下。更进一步地， 该前体粒子可包含一种晶体(即“单晶的”)或多种晶体(即“多晶的”)。该 前体粒子可以实际上包含多种粒子或包括非晶相。

在第一具体实例中，主要由硅灰石(CaSiO₃)形成的前体粒子与溶解 在水中的二氧化碳反应。人们相信，钙阳离子从硅灰石中浸出，并由 此将硅灰石芯的外周部分改变为钙不足的硅灰石。当钙阳离子继续从 该芯的外周部分浸出时，外周部分的结构最终变得不稳定并分解，由 此将该芯的钙不足的外周部分转化成主要为富二氧化硅的第一层。同 时人们相信，主要为碳酸钙的第二层从水中沉淀。更具体而言，该第 一层和第二层可以根据下面的反应由该前体粒子形成：

H₂O＋CaSiO₃＋CO₂＝CaCO₃＋SiO₂＋H₂O

该反应性液体的反应物(在这里是二氧化碳)优先与硅灰石前体芯 的Ca阳离子反应，由此将该前体芯的外周部分转化为富二氧化硅的第 一层和富碳酸钙的第二层。同样，在该芯上第一和第二层的存在充当 了硅灰石与二氧化碳之间进一步反应的屏障，由此获得具有芯、第一 层和第二层的粘结元件。

在第一实施方式的该实例与其它实例中，阴离子与阳离子在各个 层中不同。在该实例中，该芯具有Ca⁺²、Si⁺⁴和O^2-离子，该第一层主 要具有Si⁺⁴和O^2-以及少量的Ca²⁺离子，而该第二层具有Ca²⁺和CO₃^2-离子。

在第一实施方式的第二实例中，主要由镁橄榄石(Mg₂SiO₄)形成的 前体粒子与溶解的二氧化碳反应，将镁橄榄石的外周部分转化成主要 为二氧化硅的第一层和主要为碳酸镁的第二层。更具体而言，该第一 层和第二层可以根据下面的反应由该前体粒子形成：

H₂O＋Mg_xSi_yO_z＋CO₂＝xMgCO₃＋ySiO₂＋H₂O

该反应性液体的反应物(在这里是二氧化碳)优先与镁橄榄石前体 芯的Mg阳离子反应，由此将该前体芯的外周部分转化为富二氧化硅 的第一层和富碳酸镁的第二层。同样，在该芯上第一和第二层的存在 充当了镁橄榄石与二氧化碳之间进一步反应的屏障，由此获得具有芯、 第一层和第二层的粘结元件。

在第一实施方式的第三实例中，主要由滑石(Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂)形成 的前体粒子在900℃下预热12小时以形成脱水滑石，与溶解的二氧化 碳反应，将该滑石的外周部分转化成主要为二氧化硅的第一层和主要 由MgCO₃·xH₂O(x＝l～5)构成的第二层。更具体而言，该第一层和第 二层可以根据下面的反应由该前体粒子形成：

H₂O＋Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂＋CO₂＝MgCO₃·xH₂O(x＝l～5)＋SiO₂＋ H₂O

该反应性液体的反应物(在这里是二氧化碳)优先与滑石的Mg阳 离子反应，由此将该前体粒子的外周部分转化为富二氧化硅的第一层 和富含MgCO₃·xH₂O(x=l-5)的第二层。同样，在该芯上第一和第二层 的存在充当了滑石与二氧化碳之间进一步反应的屏障，由此获得具有 芯、第一层和第二层的粘结元件。

在第一实施方式的第四实例中，主要由透辉石(MgCaSi₂O₆)形成的 前体粒子与溶解的二氧化碳反应，将该透辉石的外周部分转化成主要 为二氧化硅的第一层和主要由具有可变Mg与Ca比例的碳酸钙(CaCO₃) 和碳酸镁(MgCO₃)和/或白云石((Mg,Ca)CO₃)的混合物构成的第二层。 该第二层可包括例如碳酸镁的第一子层和碳酸钙的第二子层。或者， 该第二层可包括多个碳酸化粒子，如CaCO₃、(Mg,Ca)CO₃和MgCO₃。

该第一层和第二层可以根据下列反应的一种或其二者的组合由该 前体粒子形成：

H₂O＋MgCaSi₂O₆＋CO₂＝MgCO₃＋CaCO₃＋SiO₂＋H₂O

H₂O＋MgCaSi₂O₆＋CO₂＝2(Mg_x,Ca_y)CO₃＋SiO₂＋H₂O

该反应性液体的反应物(在这里是二氧化碳)优先与透辉石的Ca和 Mg阳离子反应，由此将该前体粒子的外周部分转化为富二氧化硅的第 一层和富含具有可变Mg与Ca比例的碳酸钙和碳酸镁和/或白云石的混 合物的第二层。同样，在该芯上第一和第二层的存在充当了透辉石与 二氧化碳之间进一步反应的屏障，由此获得具有芯、第一层和第二层 的粘结元件。

在第一实施方式的第五实例中，该前体粒子/芯由蓝闪石 (Na₂Mg₃Al₂Si₈O₂₂(OH)₂)形成，该第一层是富含氧化铝/二氧化硅的，该 第二层是MgCO₃和/或NaAlCO₃(OH)₂。

在第一实施方式的第六实例中，该前体粒子/芯由坡缕石 ((Mg,Al)₂Si₄O₁₀(OH)·4(H₂O))形成，该第一层是富含氧化铝/二氧化硅 的，该第二层是Mg₆Al₂CO₃(OH)₁₆·4H₂O。

在第一实施方式的第七实例中，该前体粒子/芯由钙柱石 (Ca₄(Al₂Si₂O₈)₃(Cl₂CO₃,SO₄))形成，该第一层是富含氧化铝/二氧化硅 的，该第二层是Ca₂SO₄CO₃·4H₂O。

在第一实施方式的第八实例中，该前体粒子/芯由坦桑黝帘石 (Ca₂Al₃O(SiO₄)(Si₂O₇)(OH))形成，该第一层是富含氧化铝/二氧化硅的， 该第二层是Ca₅Si₂O₈CO₃、Ca₅Si₂O₈CO₃和/或Ca₇Si₆O₁₈CO₃·2H₂O。

在第一实施方式的第九实例中，该前体粒子/芯由 (Ba_0.6Sr_0.3Ca_0.1)TiO₃形成，该第一层是富含二氧化钛的，该第二层是 olekminskite(Sr(Sr,Ca,Ba)(CO₃)₂)。

如表2C中示范的那样，该第二层还可以通过向已经存在的CO₃^-2阴离子引入附加阴离子和/或阳离子来进行改性。因此，该第二层可包 含包括与对应于一种或多种反应物的阴离子键合的阳离子的化学组 成。与该第二层的化学组成相关的阳离子可以键合到第一反应物的阴 离子上。与该第二层的化学组成相关的阳离子可以键合到除第一反应 物之外的反应物的阴离子上。与该第二层的化学组成相关的阳离子可 以键合到第一反应物的阴离子上或键合到第二或更多反应物的阴离子 上。此类附加的阴离子和阳离子可用于改性该第二层以提高其物理与 化学性质，如耐火性或耐酸性。例如，如表2C中所示，当第一层保持 为富含二氧化硅的层时，该第二层可以通过向该反应中添加额外的阴 离子或阳离子来进行改性。可以添加的某些示例性阴离子包括PO₄^-2和SO₄^-2。其它阴离子和阳离子也可使用。如表2C中示范的那样，最 终结果可包括例如不同的磷酸盐、硫酸盐、含氟化物的碳酸盐或其组 合。如表2B中那样，表2C中提供的实例仅仅是示例性的，并且不应 被视为限制性的，因为它们并非可能性的穷举名单。

表2C：显示如何通过使用硅灰石作为芯粒子、除CO₃^-2阴离子之外的 阴离子和/或阳离子的不同源如何用于生成改性封装层的概念

在又一示例性实施方式中，前体粒子可以主要由铜形成，并且可 以与水反应，将该前体粒子的外周部分转化为主要由氢氧化铜形成的 第一层。接着，二氧化碳可用于将该第一层的外周部分转化成主要为 碳酸铜的第二层。在该第一层上的第二层的存在充当了铜与二氧化碳 之间进一步反应的屏障，由此获得具有芯、第一层和第二层的粘结元 件。在该实施例中，元素铜在该芯中，待形成氢氧化铜的组合Cu²⁺和 OH^-构成该第一层，待形成碳酸铜的组合Cu²⁺和CO₃^2-构成该第二层。

在其中该前体粒子主要由氧化铜形成的修改的示例性实施方式中 也可以实现类似的结果。该前体粒子随后与水反应，将该前体粒子的 外周部分转化为主要由氢氧化铜形成的第一层。接着，可以使用二氧 化碳将该第一层的外周部分转化成主要为碳酸铜的第二层。在该第一 层上的第二层的存在充当了铜与二氧化碳之间进一步反应的屏障，由 此获得具有芯、第一层和第二层的粘结元件。在该修改实施例中，铜 也存在于该芯中，形成氢氧化铜的Cu²⁺和OH^-组合构成该第一层，形 成碳酸铜的组合Cu²⁺和CO₃^2-构成该第二层。由此，在这些示例性实施 方式中，该芯与该第一和第二层均具有相同的阳离子物类，但具有不 同的阴离子。

在又一示例性实施方式中，主要由青铜形成的前体粒子与水反应， 将该前体粒子的外周部分转化为包括氢氧化铜的第一层。接着，二氧 化碳将该第一层的外周部分转化为包括碳酸铜的第二层。在该第一层 上的第二层的存在充当了二氧化碳与青铜之间进一步反应的屏障，由 此获得具有芯、第一层和第二层的粘结元件。

在再一示例性实施方式中，前体粒子还可以由除铜或青铜之外的 材料形成。该前体材料可以是选自前面讨论的名单中的一种。例如， 该前体材料可包含硅。或者该前体可包含铝。另外，该前体材料可包 含铁。该前体随后可以反应以形成氢氧化物作为该第一层。由此例如 该第一层可以由氢氧化硅形成。或者，该第一层可包含氢氧化铝。又 或者，该第一层可包含氢氧化铁。此外，该第一层可包含氧化物而非 氢氧化物。例如，该第一层可包含氧化硅。在一种替代方案中，该第 一层可包含氧化铝。在再一种替代方案中，该第一层可包含氧化铁。 类似地，该第二层可以由如上所述的碳酸盐构成。由此，例如，该第 二层可包含碳酸硅。在该替代方案中，该第二层可包含碳酸铝。在再 一种替代方案中，该第二层可包含碳酸铁。如上所述，可以使用其它 前体材料，由此芯、第一层和第二层的组成仅仅是示例性的，并且不 应被视为限制性的。

形成该粘结元件的方法

上述粘结元件可以通过例如气体辅助水热液相烧结的方法来形 成。在该方法中，将包括多个前体粒子的多孔固体暴露于溶剂，所述 溶剂部分充满该多孔固体的孔隙，意味着该孔隙的体积部分被水填充。

在某些体系中，如形成碳酸盐的体系，用水完全填充该孔隙被认 为是不合意的，因为反应性气体不能通过气体扩散由多孔固体的外表 面扩散到所有内部孔隙。相反，反应性气体的反应物将溶解在液体中 并以液相由外表面扩散到内部孔隙中，这种扩散要缓慢得多。这种液 相扩散适于转化薄的多孔固体，但不适于较厚的多孔固体。

将含有反应物的气体引入该多孔固体的部分充满的孔隙中，反应 物被该溶剂溶解。溶解的反应物随后与该前体粒子中的至少第一化学 元素反应以便将该前体粒子的外周部分转化为该第一层与该第二层。 作为反应的结果，溶解的反应物由该溶剂中被消耗。同时，将含有反 应物的气体持续引入到部分充满的孔隙中以便向该溶剂供给附加的反 应物。

当该反应物与该前体粒子的至少第一化学元素之间的反应进行 时，该前体粒子的外周部分转化为该第一层与该第二层。该第一层在 该芯边界处的存在最终通过将反应物与该前体粒子的至少第一化学元 素隔离而阻碍了进一步反应，由此有效地终止该反应，获得具有作为 该前体粒子的未反应中心的芯、在该芯边界处的第一层和在该第一层 上的第二层的粘结元件。

作为该转化的结果，该芯具有与该前体粒子相同或相近的形状， 但是尺寸更小，该第一层与该第二层各自具有部分或完全涂布该芯的 均匀或非均匀厚度，并且根据转化过程中围绕该前体粒子的孔隙的尺 寸与形状可以是多孔层。包含该芯、该第一层和该第二层的所得粘结 元件通常在尺寸上比该前体粒子更大，填充在该多孔固体的周围多孔 区域中并可能与多孔固体中的相邻材料粘结。结果，可以形成产品的 网状结构，其与该多孔固体相比具有基本相同的尺寸与形状，但是具 有更高的密度。这是超越传统烧结法的优点——传统烧结法因传质而 导致收缩，产生比初始粉末压实体密度更高的材料。

在不受理论束缚的情况下，可以实现前体芯的转化，因为至少第 一化学元素从该前体粒子中浸出到该溶剂中，留下耗竭区，该耗竭区 通常除了形成该第一层的一定浓度外排除第一化学元素。浸出的第一 化学元素随后与该溶剂的反应物结合以形成该第二层。在前体芯边界 处的第一和第二层的存在通过将引入反应物与该前体粒子的第一化学 元素分离以最终阻碍进一步反应，由此将该反应限制为极慢的反应速 率(该速率对实践而言是暂停的)，获得具有该芯、在该芯边界处的第一 层和在该第一层上的第二层的粘结元件。另一种理论在于，该前体粒 子的多种化学元素溶解到溶剂中，并且第一化学元素沉淀以形成第一 层，随后剩余的阳离子沉淀以形成第二层。

在气体辅助水热液相烧结法的一个实例中，将包含多个前体粒子 的多孔固体放置在高压釜腔室中并加热。通过蒸发腔室中的水，将作 为溶剂的水引入到该多孔固体的孔隙中。在多孔固体上方的冷却板冷 凝蒸发的水，该水随后滴落到多孔体上，并进入该多孔固体的孔隙中， 由此部分充满该多孔固体的孔隙。但是，在该实施例中引入水的方法 是可以输送水的数种方法之一。在另一实例中，可以将水加热并喷雾。

同时，将作为反应物的二氧化碳泵入该室中，二氧化碳扩散到该 多孔体的部分充满的孔隙中。一旦在该孔隙中该二氧化碳溶解在水中， 由此进行该前体粒子与二氧化碳之间的反应以便将该前体粒子外周部 分转化为该第一和第二层。

在第二实施方式中，该前体粒子包含一种或多种化学元素，如陶 瓷材料或金属材料。在该转化过程中，与液体相关的第一反应物与该 陶瓷或金属材料中的第一化学元素反应以形成该第一层。与液体相关 的第二反应物随后与该第一层的外周部分中的第一化学元素反应以形 成该第二层(封装层)。因此，该芯包含与该前体粒子相同的化学组成， 包括该第一化学元素。该第一层包含作为第一反应物与第一化学元素 的组合的化合物。该第二层包含作为第二反应物与第一化学元素的组 合的化合物。

在不受制造方法限制的情况下，可以将包括至少一种前体粒子， 如铜的多孔固体暴露于第一反应物如水以便通过水与铜的反应形成该 第一层，由此形成上述粘结元件。随后，可以实施气体辅助水热液相 烧结法。在该方法中，将该芯与第一层暴露于溶剂(如水)，该溶剂可以 初始具有或不具有与该前体粒子反应的溶解在其中的第二反应物。同 时，将含有附加量的第二反应物的气体引入到该多孔固体结构中，由 此向该溶剂供给第二反应物用于与该前体粒子的进一步反应。

当第二反应物与第一层之间的反应进行时，该第二反应物继续与 该第一层反应，将该第一层的外周部分转化为该第二层。该第二层的 生成可以通过第一层中的组分的外部溶解进行，并且此类第二层可以 是梯度层，其中构成该第二层的化学元素(阳离子)之一的浓度在由该芯 粒子表面向该第一层末端移动时由高向低变化。还有可能的是，该第 二层也可能是梯度组合，例如当该层是非晶的或者由具有恒定或变化 的组成的固溶体构成时。

在前体芯边界处的该第二层的存在通过分离该第二反应物与该第 一层而最终阻碍了进一步反应，使得有效终止该反应，获得具有该芯、 在该芯边界处的该第一层和在该第一层上的第二层的粘结元件。所得 粘结元件的尺寸通常比原始前体粒子更大，由此填充在该多孔固体的 周围的多孔区域中，并与该多孔固体的相邻材料粘结。结果，可以形 成产品的网状结构，其与原始多孔固体相比具有基本相同的形状，但 是具有更高的密度。这是超越传统烧结法的优点——传统烧结法因传 质而导致收缩，产生比初始粉末压实体密度更高的材料。

粘结基质

根据本发明示例性实施方式，该粘结基质包含如上定义的多个粘 结元件。该粘结基质可以是多孔的。如上所述，孔隙率程度取决于可 用于控制孔隙率的多个变量，如温度、反应器设计、前体材料和在转 化过程中引入的液体的量。由此，取决于预期用途，该孔隙率可以设 定为大约1体积%至大约99体积%的几乎任何孔隙率程度。

复合材料

该粘结基质可以并入填料材料，其与该前体材料在上述转化过程 中混合以生成复合材料。

通常，该填料材料可包括可并入该粘结基质的多种类型的材料的 任意一种，例如惰性材料和活性材料。该惰性材料是在转化过程中不 经历任何化学反应并且不充当成核位点的材料。该活性材料可以由第 一类型和/或第二类型组成，该第一类型在转化过程中不经历任何化学 反应但是充当成核位点，该第二类型在转化过程中与该粘结基质发生 化学反应。

如上所述，该惰性材料在转化过程中不经历任何化学反应，并且 不充当成核位点，尽管其可以与该粘结基质发生物理或机械的相互作 用。该惰性材料可包括聚合物、金属、无机粒子、骨料等等。具体实 例可包括但不限于玄武岩、花岗岩、回收PVC、橡胶、金属粒子、氧 化铝粒子、氧化锆粒子、碳粒子、地毯粒子、Kevlar^TM粒子及其组合。

如上所述，第一类型活性材料在转化过程中不经历任何化学反应 但是充当成核位点。此外，其可以与该粘结基质物理或机械相互作用。 例如，当使用具有碳酸盐相作为该第二层的粘结元件时，这种类型的 活性材料可包括例如石灰岩、大理石粉和其它含碳酸钙材料。

如上所述，第二类型活性材料在转化过程中与该粘结基质发生化 学反应。例如，氢氧化镁可用作填料材料，并且可以与来自粘结基质 的溶解的钙组分相反应以形成碳酸镁钙。

将说明更多关于与粘结基质结合使用填料材料，以及添加填料材 料如何进一步改善所得复合材料的功能，即材料性质。

该粘结基质可以占据所得复合材料的几乎任意百分比。由此，例 如，该粘结基质可以占据该复合材料的大约1体积%至大约99体积%。 因此，该粘结基质的体积分数可以是小于或等于大约90体积%，如70 体积%，如50体积%，如40体积%，如30体积%，如20体积%，如 小于或等于大约10体积%。该粘结基质的体积分数的优选范围是大约 8体积%至大约99体积%，最优选范围是大约8体积%至30体积%。

该复合材料(包括粘结基质与填料)还可以是多孔的。如上所述，孔 隙率程度取决于可用于控制孔隙率的多种变量，如温度、反应器设计、 前体材料、在转化过程中引入的液体的量以及是否使用任何填料。由 此，取决于预期用途，该孔隙率可以设定为大约1体积%至大约99体 积%的几乎任何孔隙率程度。例如，该孔隙率可以是小于或等于大约 90体积%，如70体积%，如50体积%，如40体积%，如30体积%， 如20体积%，如小于或等于大约10体积%。该复合材料的孔隙率的优 选范围是大约1体积%至大约70体积%，对高密度和耐久性而言最优 选为大约1体积%至大约10体积%，对轻重量和低导热性而言最优选 为大约50体积%至大约70体积%。

粘结基质取向

在该粘结基质中，该粘结元件可以以多种取向的任意一种相对于 彼此安置。因此，该粘结基质可以表现出多种不同模式的任意一种。 例如，该粘结元件可以在一个方向上取向(即“1-D”取向)、在两个方向 上(即“2-D”取向)或在三个方向上取向(即“3-D”取向)。或者，该粘结元 件可以以随机模式取向(即“随机”取向)。

前述及其它粘结元件取向可以通过多种方法的任意一种来实现。 这些方法包括但不限于流延成型、挤出、磁场和电场浇铸。但是，要 理解的是，根据这些方法的任意一种预成型该前体可以在根据上述转 化方法转化该前体粒子之前发生。普通技术人员将理解如何取向该粘 结元件。

此外，在该粘结基质中粘结元件的浓度可以改变。例如，按体积 计算的粘结元件浓度可以相对高，其中至少一部分粘结元件彼此接触。 如果填料材料并入该粘结基质，但填料材料的类型和/或填料材料的量 使得粘结元件的体积稀释水平相对较低，将会发生这种情况。在另一 实施例中，按体积计的粘结元件浓度相对较低，其中该粘结元件更宽 泛地分布在粘结基质中，使得即使有也极少的粘结元件彼此接触。如 果填料材料并入该粘结基质，并且填料材料的类型和/或填料材料的量 使得稀释水平相对较高，将会发生这种情况。此外，按体积计的粘结 元件浓度可以使得所有或几乎所有粘结元件彼此接触。在这种情况下， 可以不添加填料材料，或者如果添加填料材料的话，填料材料的类型 和/或填料材料的量使得体积稀释的水平几乎不存在。

图2(a)～2(d)图解了可能通过并入填料材料稀释(如粘结元件之间 的孔隙所表示的那样)的以不同取向包括纤维或薄片形粘结元件的粘 结基质。例如，图2(a)图解了包括以1-D取向排列，例如相对于x方 向排列的纤维形粘结元件的粘结基质。图2(b)图解了包括以2-D取向 排列，例如相对于x和y方向排列的薄片形粘结元件的粘结基质。图2(c) 图解了包括以3-D取向排列，例如相对于x、y和z方向排列的薄片形 粘结元件的粘结基质。图2(d)图解了包括以随机取向的薄片形粘结元 件的粘结基质，其中粘结元件并未相对于任何特定方向排列。

图2(e)～2(f)图解了以两种不同取向和浓度包括薄片形粘结元件的 粘结基质。例如，图2(e)图解了包括以3-D取向排列，例如相对于x、 y和z方向排列的相对高浓度的薄片形粘结元件的粘结基质。相对高的 粘结元浓度通过在粘结元件周围缺乏填料材料来表示；由此，几乎不 存在至不存在粘结元件的稀释。相反，图2(f)图解了包括相对低浓度的 薄片形粘结元件的粘结基质，该薄片形粘结元件以随机取向设置。相 对低的粘结元件浓度通过在粘结元件周围存在填料材料来表示；由此， 存在至少一定程度的粘结元件的稀释。由于图2(f)中粘结元件的浓度与 取向，该复合材料可以称为渗透网络。图2(f)的复合材料实现了渗透阈 值，因为大比例的粘结元件彼此接触，使得由材料一端至另一端形成 接触的连续网络。

渗透阈值是临界浓度，高于该浓度，粘结元件以粘结元件的有序 (图2(e))或无规取向(图2(f))表现出长距离连接。

除了取向与浓度之外，可以布置粘结基质中的粘结元件，以使它 们表现出与填料材料的特定连接模式。此类连接模式描述在例如 Newnham等人的“Connectivity and piezoelectric-pyroelectric  composites”(Mat.Res.Bull.第13卷,第525-536页,1978)中。

图3图解了示例性复合材料的多种不同的连接模式，包括连接模 式0-0、1-0、2-0、3-0、1-1、2-1、3-1、2-2、3-2、3-2、3-3和3-3。在 图3中，该示例性复合材料具有两种组分——代表粘结基质的第一(阴 影的)组分和代表填料材料的第二(非阴影)组分。不同类型的连接模式 可以用于实现与该复合材料相关的所需材料性质。

图4(a)～4(b)图解了分别包含粘结基质(白色部分)与等轴填料粒子 或各向异性纤维的复合材料的实例。在图4(a)的情况下，等轴填料粒 子以随机取向布置，而粘结基质沿所有三个轴排列。由此，可以说， 图4(a)中复合材料的连接模式是3-0连接模式。在图4(b)的情况下，该 各向异性纤维相对于z方向以1-D取向布置。由此，可以说，图4(b) 中复合材料的连接模式是3-1连接模式。再次，取决于用途和所需材 料性质，该填料材料可以是多种惰性和/或活性材料的任意一种。

层级结构

通过改变基质孔隙率和通过并入不同尺寸的芯纤维(如在下表3和 4中所见)，可以产生不同类型的粘结基质。如果FB1(表3)组合物是粘 结基质的一个实例，这种粘结基质可用于形成重复的1、2、3、4或更 高级别的层级结构。这种层级结构的级别可以代表引入重要结构特征 的长度等级的数目(图13)。不同类型的颗粒状和纤维组分可以以例如1 级、2级、3级或更高级别的层级结构使用以制造如图3中所示的具有 不同连接的不同类型结构。

表3：通过使用不同芯纤维尺寸形成的不同粘结基质中压缩强度的变化

表4：采用d₅₀=9微米的纤维芯制造的粘结元件的孔隙率对压缩强度的 作用

组合物 孔隙率(%) 压缩强度(MPa) P1 45 10 P2 38 40±5 P3 23 110±10 FB1A 17 163±8

层级描述结构如何在几种长度等级上形成模式。上述实例仅仅是 如何以可以促进致密堆积的方式层级使用粘结元件的一个例子，在其 它潜在的可用的功能目的中，其尤其可用于制造坚固的材料。

在图13中显示了多级别重复层级结构的图示，其中有序层级结构 可以以不同的长度等级重复，如1个或更大的长度等级。

例如，1级重复层级体系可以描述为通过混合两种不同尺寸或粒度 范围(通常相差一个数量级)所形成的复合材料。较大尺寸的粒子可以以 不同的堆积类型(例如如六方密堆积或立方密堆积，或随机堆积，但是 不限于这些)布置以形成含有填隙空位空间的网络，并且较小尺寸的粒 子可以安置在较大尺寸的粒子的填隙空位中。理想地，这些层级体系 可以通过使用在各等级中具有相同尺寸的粒子来制备，例如，具有1 毫米直径的球形粒子填充具有10毫米直径的堆积球形粒子的填隙空位 空间。但是，在实践中，难以获得单分散粒子，因此将通过使用粒度 的模态连续分布描述该层级体系。例如，FB1B型粘结元件(d₅₀≈9微米) 适合于粒度为(100-500)微米不等的填料颗粒的空隙(图13(a))。为了进 一步提高该结构中粘结基质的连接性，也可将FB1B型粘结元件的涂 层施加到更粗糙的填料粒子上，因此，这些FB1B型粘结元件可以填 充涂布的更粗糙的填料粒子的空隙空间(图13(b))。制造1级层级结构 的另一替代方法是在FB1B粘结基质的空隙中使用微细的填料粒子(<1 微米的中值粒度)。

例如，2级层级体系可以描述为与更大或更小的粒子(其粒度与1 级层级中较粗或较细的粒子相差一个数量级)结合的1级层级体系的复 合材料。例如，在本实例中，FB1B型粘结元件在(100-500)微米之间的 中等填料粒子的空隙中，随后该1级层级体系均匀地分布在更粗的1-5 毫米骨料的空隙中(图13(c))。为了进一步提高该粘结基质的连接性， 可以在更粗和中等填料粒子上施加FB1B粘结基质(表3)的薄涂层(图 13(d))。

例如，3级层级体系可以描述为与更大或更小的粒子(其粒度与2 级层级中最大或最小的粒子相差一个数量级)结合的2级层级体系的复 合材料。例如，<1微米的微细填料粒子在TB1B基质的空隙中，形成 1级层级，随后该1级层级在100-500微米的更大填料粒子的空隙中， 形成2级层级，最后该2级层级在1-5毫米填料骨料中，形成3级层 级。沿着相同的线，可以生成更高等级的n级层级体系。当层级级别 提高时，包括不同等级的长度等级的范围也提高。由此，当n提高至 无穷大时，长度等级也同样提高至无穷大。长度等级与层级的这种巨 大范围提供了在材料中配置我们的新型粘结元件的无限方式。

还有可能使用具有来自不同的粒级范围的不同粒子的粘结元件， 以便通过使用非重复性层级或随机堆积体系来提高堆积。因此，粒子 的组织不是重复性和层级的——有些人会认为，这是层级结构，但在 几何学意义上在不同的长度等级下具有不同的结构，或者粒子的组织 是随机堆积的，这意味着粒子随机混合，而不会混入非随机结构，例 如用在另一粒子上的微细粒子或一种颗粒状组分的涂层间隙堆积大的 孔隙。

这些堆积策略可以导致高堆积密度，这表现为小的吸水率值。例 如，FB1B的吸水率(表3)为7.7+0.6重量%(5小时沸水试验，ASTM C 67)。如果使用不同尺寸范围的两种组分，例如，当FB1B硅灰石纤维 芯与沙子(CPC2，表12)共混时，改善了堆积，吸水率降低至5.3+0.5 重量%。类似地，当使用来自三种粒级的粒子时，即与沙子(粒度为 300-500微米)和玄武岩骨料(粒度为6-8毫米)共混的FB1B硅灰石纤维 芯，吸水率进一步降低至3.1+0.9重量%。或者，如果在CPC2型组合 物中添加1重量%的锻制二氧化硅(d₅₀<1微米)时，那么吸水率进一步 降低至2.6重量%。

粘结基质的用途

该粘结基质，包括上述粘结元件，可用于定制，并由此改善几乎 任何具有能够通过并入该粘结基质改性的显微结构的制品(如水泥或 混凝土)的材料性质。在一个实例中，该粘结基质可以用作波特兰水泥 的部分或完全替代品，并用作通常用于多种混凝土产品的组分的无水 合物粘结相，由此改善与这些产品相关的各种材料性质。

根据本发明示例性实施方式，可以因并入粘结基质(包括粘结元件) 而改善的该复合材料的材料性质包括机械性质、热性质和耐久性。但 是，同样可以改善除了表109中列举的那些之外的具体的机械性质、 热性质与耐久性性质。还可以改善附加的材料性质，如光学性质、电 子性质、催化性质、核性质与磁性质。

举例而言，包含本发明示例性实施方式的粘结基质的复合材料可 以在压缩下表现出改善的损伤容限。下在文中，为了简单起见，示例 性硅灰石粒子通常被称为具有纤维形状。但是，该硅灰石粒子可具有 任何大致上各向异性的形态，如具有针形或类纤维形状。

参照图9，由于压缩中的应力，由较小的硅灰石芯组成的材料(表 4中的组合物P3，图9)表现出突发的脆性破坏。但是，参照图10(表3 中的组合物FB4，图10)，在粘结基质中并入更长的硅灰石纤维芯导致 发生了一系列的裂纹偏转，其中各偏转提供应力积累的释放(即“破坏复 原”)，由此延缓最终破损的发生。粘结基质随着逐渐破坏而突发脆性破 坏的另一方式是通过使用多种芯粒度和在封装层中使用细材料粒子 (图12)。例如，微细粒子，如二氧化硅粒子可以分散在具有孔隙率的 粘结基质中。参照表3中的化合物FB4，该芯可以以三种体积分数包 含三种不同尺寸的粒子。可以使用较大或较小数量的尺寸(例如2、4、 5、6或更多种)或不同的体积分数。该粘结基质随后可以通过粘结到其 本身和微细粒子上充当该复合材料中的无水合物胶合相。如图12中所 示范的那样，此类复合材料显微结构将允许逐渐破坏。

在该实例中，由于在该粘结基质中形成的不同界面而改变了裂纹 扩展机制。该芯粒子可以充当裂纹偏转剂。此外，在该芯和该第一层 之间形成第一界面，在该第一层和该封装层之间形成第二界面。这两 个不同的界面可具有相同或不同的强度。例如，第一界面可以比第二 界面具有更高的界面强度(例如机械强度)，反之亦然。结果，在裂纹被 引发并开始扩展后，裂纹可以由更坚固的相偏转并沿着更弱的界面扩 展，导致在该界面内的剥离。

已经证明，如本公开中所述那样，包括该粘结基质的复合材料可 以表现出改善的机械性质。同样，如表10中所示范的那样，该制品可 具有比常规波特兰水泥更高的导热性和更低的热膨胀系数。此外，人 们相信，本发明的各种复合材料还可以表现出多种性质，如表5中显 示的那些。应理解的是，复合材料的示例性实施方式还可具有对应于 对应于表5中列举的范围的子集的性质。例如，实施方式可包括具有 3×10^-6/℃至15×10^-6/℃的热膨胀系数的复合材料。复合材料的示例性实 施方式可以表现出大于大约0.13W/m.k和小于大约196W/m.k的导热 性。复合材料的示例性实施方式可以表现出6至900J/mole-K的热容 量。复合材料的示例性实施方式可以表现出大约1Gpa至30Gpa的维 氏硬度。进一步的示例性实施方式包括可以表现出14至大约3,000MPa 不等的压缩强度和小于大约380MPa的抗弯强度的复合材料。复合材 料的示例性实施方式还可以表现出小于60×10^-6/psi的蠕变应变。复合 材料的示例性实施方式可以表现出小于700C的Cl^-渗透性。复合材料 的示例性实施方式可以是自补强的，并具有大于6J的抗落球冲击性。 复合材料的示例性实施方式还可以用钢纤维补强，并具有大于10J的 抗落球冲击性。此外，复合材料的示例性实施方式可以表现出表5中 列举的性质和/或性质范围的上述子范围的组合。

表5：实施方式的复合材料的不同性质的上限与下限

¹http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=d8d230a8d9664bc390199dab7bc56 ele&ckck=l

²http://www.insaco.com/matpages/mat_display.asp?M=SIC-RB

³http ://en . wikipedia. org/wiki/Fracture_toughnes s

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 (2008-11-21). “Material slicker than Teflon discovered by  accident”.http://www.newscientist.corn/article/dnl6102-material-slicker-than-teflon-discovered-by-a  ccident.html. Retrieved 2008-12-25.

⁹http://en.wikipedia.0rg/wiki/Albedo#cite_note-heat_island-O

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.

应用

本文描述的粘结基质和/或粘结元件可用于各种应用。由于本文中 所述的这些粘结元件/基质的优异性质，该元件/基质可用于电子、光学、 磁、生物医药、生物技术、药物、农业、电化学、能量储存、发电、 太空、汽车、人体与车辆装甲、纺织和研磨与切削应用以及前述应用 的任意组合。其还可用作光化学材料、化学分离材料、光电材料、热 离子材料和/或电致发光材料。

下面提供某些示例性实例：

该粘结元件或基质可用作胶结相，类似波特兰水泥、石灰水泥或 相关胶结材料。这些固体可以应用于波特兰水泥、石灰水泥或相关胶 结材料的任何用途。

该粘结元件/基质可以与添加剂(包括CaCO₃或石膏，以及沙子)混 合，以形成整料固体。整料固体是以单块形式形成而不具有接头或接 缝的固体。对本说明书而言，术语“整料”不用于或意在用于描述微观 级别的均匀性。整料固体的实例可以模拟和/或模仿赤陶或天然石料(如 花岗岩和石灰岩)的性能以及外观。可以通过用添加剂进一步形成不同 颜色与纹理来产生该外观。在一个实施方式中，这些整料固体可用于 其中使用常规赤陶或天然石料的任何应用。

该粘结元件或基质还可以与沙子或其它矿物共混以制备砂浆或薄 浆，所得材料可用于其中使用常规砂浆和薄浆的任何应用。

该粘结元件/基质还可以与金属、或有机、或陶瓷纤维共混以制造 纤维水泥。所得材料可用于其中使用常规纤维水泥的任何应用。

该粘结元件或粘结基质可用于不含水合物的混凝土应用。在一个 实施方式中，其可以与沙子与骨料和/或多种骨料共混以形成模拟和/ 或模仿常用混凝土或结构混凝土的材料。所得材料可用于其中使用常 规结构混凝土或常用混凝土的任何应用，例如水坝、桥梁、游泳池、 家庭、街道、庭院、地下室、栏杆、普通水泥砖、马赛克砖、路面石 料、灯柱、渠盖或其组合。

通过小心地调整粒子、分散剂和/或废料(如软木、玻璃骨料)的尺 寸，可以制造模拟和/或模仿高强度混凝土(HSC)、3D纤维类型构件(例 如混凝土布料)、快速强度混凝土(RSC)、软木基复合材料、玻璃混凝 土和高性能混凝土(HPC)的所得材料。所得材料可用于其中使用常规 HSC、混凝土布料、RSC、软木基复合材料、玻璃混凝土、HPC的任 何应用。

工艺过程中的蒸汽和/或真空可以进一步用于制造模拟/模仿真空 混凝土(VC)和可用于其中使用常规VC的任何应用的材料。在一个替 代实施方式中，通过控制孔隙率，可以制造模拟/模仿透水混凝土的所 得材料。该材料可用于其中使用常规透水混凝土的任何应用。

在一个实施方式中，该粘结元件/基质与纤维、沙子、骨料和/或其 它添加剂(如消泡剂)和/或超细粒子(如锻制二氧化硅和CaCO₃)共混以 制造纤维补强混凝土(FRC)，其表现如同纤维补强复合材料和/或超高 性能混凝土(UHPC)。这些固体可用于其中使用常规FRC和/或UHPC 的任何应用。在一个替代实施方式中，通过控制流动性(例如通过在加 工过程中调整水含量)，可以制造其它安装类型的混凝土产品。该产品 包括喷射混凝土、自密实混凝土、碾压滚凝土或其组合。

在另一个实施方式中，该粘结元件/基质与金属如铝和Ca(OH)₂共 混并用高压釜处理，或通过使用不同辅助手段(如真空或气空气夹带) 控制孔隙率，由此制造模拟/模仿高压釜加气混凝土(AAC)的材料。该 材料可用于其中使用常规AAC的任何应用。

在一个替代实施方式中，该粘结元件/基质与沙子和/或低密度骨料 (例如膨胀蛭石和珍珠岩、浮石、膨胀炉渣、膨胀页岩或其组合)共混， 并通过控制孔隙率，这些复合材料可以用作轻质混凝土或多孔混凝土、 轻质加气混凝土、可变密度混凝土、泡沫混凝土或超轻质混凝土或涉 及这些类型的混凝土的任何其它材料。在另一个实施方式中，该粘结 元件/基质与高密度骨料(例如密度>3.2g/cm³)共混，所得产品可以是重 质混凝土。

本文中所述粘结元件/基质可以与钢材结合使用(并由此补强)以制 造补强混凝土材料，其可用于其中使用补强混凝土构件的任何应用。 该材料可以预应力处理以模拟/模仿预应力混凝土。在一个实施方式中， 可以将该粘结元件/基质浇铸到巨大区段中以制造模拟/模仿大规模混 凝土的材料。这些大规模混凝土类型材料的应用包括重力坝、大型防 波堤或其组合。衍生自本文所述粘结元件/基质的混凝土还可以以不同 纹理制造以用于装置目的。

在某些实施方式中，包含本文所述粘结元件/基质的复合材料可具 有优异的性质。例如，其可具有优异的耐腐蚀性，如在具有高氯化物 含量的环境中提供对钢筋的保护，以及在腐蚀性硫酸盐环境中的优异 的耐久性。复合材料可用于高度专业化应用，如声音屏蔽和/或核辐射 屏蔽。在一个实施方式中，该材料可具有合意的耐火性，并适于耐火 材料应用。该材料还可以耐受极端天气条件，例如冷冻条件、在沙漠 中的高温，或极端天气波动，和/或耐冷冻/解冻性。该材料还适用于专 业化船用、低温和/或防爆应用。在某些实施方式中，该材料可用于抗 震构件和/或土工合成类构件。

非限制性工作实施例

实施例1

图5a和5b显示了被主要为非晶二氧化硅涂布的随机取向的 CaSiO₃芯纤维的二次电子(SE)和背散射电子(BSE)SEM图像，这些涂布 的纤维用CaCO₃粒子封装。通过纤维结构的FESEM中的EDS化学映 射显示硅灰石芯纤维被富二氧化硅区域涂布并被CaCO₃粒子封装(图 6)。由CaCO₃粒子将粘结基质的不同元件结合在一起。这种组合物的 XRD表明，CaSiO₃和CaCO₃(方解石)是结晶相，而富二氧化硅区域是 非晶的。

表6比较了通过使用硅灰石芯纤维基粘结基质形成的具有不同组 成(表3和4)的常规整料材料的机械性质。这些粘结基质表现出40至 300MPa的压缩强度范围。此外，可以通过纤维芯单元尺寸与孔隙率 来调整压缩强度、在该粘结基质中观察到的最高强度具有可以与类似 花岗岩的规格石料相比的强度。在进行歧化反应之前分别通过挤压和 浇铸成型法制备FB1A和FB1B样品。这两种不同的陶瓷成型技术因 不同的原材料堆积方式而获得具有略微不同的压缩强度的材料(表3)。 此外，已经观察到，基于FB1A基质的较小样品(直径=12.8毫米)具有 298±5MPa的平均强度。这些结果表明，可以进一步通过更先进的处 理减少缺陷总数，从而进一步提高这些固体中的强度。存在许多可用 于减少缺陷总数并由此获得具有这些改善的机械性质的更大样品的常 规粉末处理方法。被赋予使用这种新颖的粘结元件技术的本领域普通 技术人员可以实施这种优化方法。

表6：比较不同材料的压缩强度

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 Geology78(2005)321343。

²S.Mindess,J.F.Young和D.Darwin,Concrete,第二版,Prentice Hall(2003)。

³http://www.supremesurface.com/花岗岩/花岗岩.html,

⁴http://content.wavin.com/WAXUK.NSF/pages/Terracotta-Performance-Data- EN/$FILE/performance_data.pdf

图7显示了具有实施例D中描述的显微结构的复合材料(组成P3， 表4)的维氏硬度压痕。这种复合材料具有～1.6Gpa的硬度。随后研究 源自压痕边角的裂纹，以理解裂纹的扩展(图8)。B和D区域显示了通 过在富二氧化硅和富CaCO₃区域之间的界面中的剥离，裂纹已经在不 同的纤维状硅灰石芯纤维附近偏离(图8(a))。这些芯纤维充当裂纹偏转 剂，并且随后裂纹在它们周围偏离并扩展穿过界面边界处存在的富 CaCO₃相(图8b)。因此，相比于芯硅灰石晶粒与二氧化硅相涂层之间 的牢固界面，涂布的二氧化硅与富CaCO₃区域之间的界面是弱的(图 8(c))。这种独特的界面结构可用于设计这样的结构——其中裂纹通过 剥离而偏转，这提高了这些结构针对突发脆性破坏的损伤容限。P3组 合物显示出脆性破坏，并具有110MPa的压缩强度(图9)和12MPa的 抗张强度。

通过用不同的添加剂，如碳化物、硅酸盐、玻璃、和玻璃陶瓷或 甚至不同类型的金属与聚合物制造复合材料，可以进一步调整这些复 合材料的硬度。为了简单起见，假定30体积%的P3粘结基质与不同 添加剂共混，并随后使用混合物计算的规则计算硬度值的不同范围， 由此进行硬度计算。例如，如表7中所示，通过添加BeO，可以实现 1-1.3Gpa的硬度，通过添加B₄C，可以实现21-27MPa的硬度。在其 它示例性实施方式中，该材料可具有大约1Gpa至大约30Gpa的维氏 硬度。

表7：使用P3粘结元件制造的不同复合材料的计算硬度值的总结

类似地，还可以使用该粘结元件影响导热性。同样，该粘结元件 可用于影响热膨胀。这些变化的示例性实施方式提供在表8中。

表8：使用P3粘结元件[1-6]制造的不同复合材料的计算的导热性与热 膨胀的总结

表3～4显示了压缩强度如何随芯纤维尺寸改变。当芯纤维的平均 尺寸由70微米降低至9微米时，压缩强度由60MPa升至高达300MPa， 但是如图9中的应力对位移曲线显示，这些材料经受了灾难性的脆性 断裂(非平稳破坏)。

通过使用不同粒级的非常大的芯纤维(～2800-150微米)开发了组合 物FB4以提供损伤容限。起初在应力对位移测量的过程中(图10)，应 力随位移线性变化。当达到72MPa的最终压缩强度(UCS)后，应力因 破坏而急剧降低，此后样品重回其原始强度(损伤容限的标志，或者换 言之，平稳破坏或韧性或延性破坏)；随后，该循环在继续3次后发生 破坏。由此，界面结构在该粘结基质的损伤容限方面起主要作用(图10)。 这些类型的结构将称为“自补强胶合复合材料(SRCC)”。在此情况下， 新颖性在于纤维基粘结元件充当胶合单元(活性纤维或填料)，并且还充 当用于损伤容限的裂纹偏转剂。

总之，芯纤维的尺寸在控制粘结基质的力学方面起主要作用。如 果芯纤维的平均粒度小(大约<70微米)，那么这些粘结力学表现出大的 压缩强度(高达300MPa)，其具有脆性而非平稳断裂或破坏。如果使用 大的芯纤维(～150-2800微米)(组合物FB4，表3)，那么这些大的活性 纤维界面的裂纹偏转与剥离在引发损伤容限(或延性或平稳破坏)方面 起重要作用。

通过控制在由平均粒度为9微米的硅灰石芯纤维组成的随机取向 粘结基质中的孔隙率，可以产生多种结构。表4显示了孔隙率对粘结 基质的压缩强度的影响。粘结基质中孔隙率由45%降低至17%导致粘 结基质的压缩强度由10MPa提高至163MPa。

上面的实施例显示了如何改变这些材料的性质。存在许多其中使 用该粘结元件的显微结构。

实施例2

图11显示了SiO₂、高Ca飞灰(HCFA)和CaCO₃与P3粘结基质(P3 组合物，表4)的相互作用。对P3粘结基质和SiO₂界面的观察(图11(a) 和(b))揭示了硅灰石芯纤维周围的CaCO₃粒子与富二氧化硅涂层已经 形成了与外加二氧化硅粒子的粘结界面。在P3粘结基质-HCFA界面 中，在HFCA与粘结基质之间不存在剥离的迹象(图11(b))。类似地， 在P3粘结基质-CaCO₃界面中，外加的CaCO₃粒子已经形成了与粘结 元件的扩散界面。

图12(a)显示了0-3复合材料的典型实例，其中70体积%的沙子(二 氧化硅)颗粒状组分分散在该结构中具有孔隙率的P3粘结基质中(表 4)。这种复合材料显示出在压缩过程中的逐渐破坏，并具有≈55MPa 的压缩强度(图12(b))。30体积%的P3粘结基质通过将其自身与沙粒粘 结而在该复合材料中充当无水合物胶合相。

图14(a)和(b)分别显示了通过使用1:2:2体积比的FB1纤维芯、 (300-500)微米沙子和(2-4)毫米沙子骨料形成的复合材料的光学显微照 片。在更高的放大倍数下，可以看出，粘结基质在沙子粒子的空隙空 间中，并且粘结基质厚层已经围绕沙子粒子以充当胶合相。表9显示 了在一个实施方式中通过CTL,Illinois的认证ASTM性质测试和本显 微结构的机械性质。这些值不应被视为限制性的，而是仅应视为示例 性的。例如，附加实施方式可包括具有耐磨性的复合材料，其具有使 用ASTM C944小于1.00毫米而非必须精确为0.38毫米的平均磨损。 该复合材料具有类似于高性能混凝土的机械性质，并且在这种特定情 况下，使用20体积%的粘结基质粘结整个结构。

表9：通过CTL(Construction Technology Laboratory,Skokie,Dlinois)进 行的典型无水合物混凝土(HFC4)的ASTM认证

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

实施例3：

图15显示了对于两个连续循环，在热循环过程中由-40℃至100℃ 的FB1B的热应变变化。在热循环过程中没有观察到热滞后或相变的 迹象。表10总结了P2和P3组合物的热性质。图16显示了P3(表4) 由RT至500℃的比热变化。比热由0.711(J/g-℃)逐渐提高至 1.274(J/g-℃)。没有观察到P3组合物的相变或热性质改变。明显地， 其纯形式的或并入复合材料组合物中的类似类型的粘结元件可用于高 温应用，如耐火等等。

表10：P2和P3组合物(表3)的热性质的总结

通过使用表10，可以通过使用粘结元件并使用混合物近似的简单 规则计算不同复合材料的导热性和热膨胀。例如，30体积%的P3粘结 基质与软木的复合材料将具有0.55W/m.K的计算的导热性。类似地， 30体积%的P3粘结基质与AlN的复合材料将具有146～196W/m.K的 导热性。此外，可以通过改变粘结元件的含量与孔隙率进一步调节这 些值。例如，还可以使用10体积%的多孔P2基质粘结珍珠岩并具有 低至0.13W/m.K的导热性。简而言之，存在可用于调整热性质的大量 组合与排列。

初步结果也显示，FB1A样品能够承受由200℃的热冲击并随后在 水中骤冷的10次循环。

实施例4：

性质类似于混合水泥、高性能砂浆以及石材，如花岗岩、砂岩和 赤陶。

硅灰石基粘结基质(表3和4)具有大理石或石灰石的外观。其可以 以初始形式为装饰目的用做建筑施工材料。其还可以通过添加不同的 着色添加剂来调整外观(表11)。图17显示了通过在粘结基质中添加着 色剂制备的砂岩、花岗岩和赤陶拟态的典型实例。CPC组合物系列(表 12)用于制备不同的砂岩拟态。由于粘结元件与沙子共混，使得这些组 合物材料可以用作砂浆、薄浆或高强度结构砖的替代物。类似地，通 过在粘结基质中添加不同颜色(表3和4)，可以生成不同类型的颜色与 纹理。以这种方式，可以制造复合材料以表现出类似本文中描述的天 然石材的颜色与纹理。或者，可以制造该复合材料以表现出类似建筑 混凝土的颜色与纹理。表13总结了不同石材的物理性质。除了石英岩 与花岗岩，所有列举的固体的压缩强度均小于69 MPa。CPC系列的所 有不同复合材料的平均压缩强度均大于69 MPa (表12)。此外，FB1A 和FB1B组合物(没有任何添加剂的粘结基质，表3和先前的描述)的平 均压缩强度为147-300 MPa。几何陶瓷材料的物理性质显然优于天然石 材。通过采用前面解释的概念，可以模拟其它天然岩石，如凝灰石、 蛇纹石等等。

表11：不同类型的着色剂

颜色 颜料 红色 氧化铁(赤铁矿) 黄色 氧化铁 绿色 氧化铬 蓝色 氧化钴 黑色 碳，氧化铁(磁铁矿) 棕色 氧化铁

表12：不同共混物的组成的总结

所有组合物按体积%计。

*通过CTL(Skokie, IL)检定

表13：不同石材的物理性质

此外，还可以制造具有低吸水率的构件。例如，CPC2(表12)具有 5重量%的吸水率。这已经可以与砂岩(表14)相比。通过在CPC2类型 组合物中添加1重量%的锻制二氧化硅(d₅₀<1微米)，该吸水率可以进 一步降低至2.6重量%。

表14：高强度无水合物混凝土的压缩强度(通过CTL检定)

所有组合物按体积%计。

*通过CTL(Skokie,IL)检定

玄武岩的密度＝2.9g/c.c，硅灰石的密度＝2.9g/c.c，白云岩的密 度＝2.7g/c.c，沙子的密度＝2.6g/c.c，CaCO₃的密度＝2.7g/c.c，钢的 密度＝7.8g/c.c，砾石的密度＝2.6g/c.c

结构混凝土与HFC的比较

结构混凝土具有35MPa的压缩强度。通过制造硅灰石芯纤维与沙 子和不同类型的骨料的复合材料，能够获得可与结构混凝土相比的多 种强度。表15显示了无水合物混凝土(HFC)的几种简单组成，其表现 出类似于结构混凝土的强度，并因此适于所有结构混凝土的应用。

表15：无水合物混凝土的不同组成的压缩强度

所有组合物按体积%计。

*通过CTL(Skokie,IL)检定

这里的初始组合物描述为“复合材料”而不是描述最终组合物。关 于化学和相组成，准确的最终产物是未知的。在另一方面，可以明确 地规定初始组成。这对所有描述的实例均成立，不仅对此实施例。

比较高强度和高性能HFC与HSC(高强度混凝土)和高性能混凝土(HPC)

如前面的实例中所述，HFC4复合材料在机械强度方面表现得类似 于高性能混凝土(表9)。此外，其还具有类似于第1等级HPC的Cl渗 透性。有趣的是，HFC4具有类似于第3等级高性能混凝土的高耐磨性、 抗剥落性和收缩。有趣的是注意到即使不添加加气混合物，HFC4也能 够安全通过ASTMC666规定的300次冷冻-解冻循环，但是，其DF(耐 久性因子)降低至10。对该混凝土配方的沙子与骨料组分的改性可以在 通过ASTMC666进行的163次循环后将该耐久性因子提高至93。

通过使用先进的处理方法，可以在HFC复合材料(表14)中实现更 好的堆积。例如，吸水率在HSHFC1和HSHFC2中由8.3重量%降低 至3.1和4.7重量%。如预期的那样，在这些复合材料中，压缩强度也 提高了。HFC4表现出47MPa的压缩强度，而HSHFC1和HSHFC2 的压缩强度分别提高至80MPa和65MPa。

早强水泥或混凝土

图18显示了反应时间对机械强度的变化。在5小时的反应时间后， 达到60MPa的压缩强度。这些体系可用于制备早强胶合相，或用作复 合体系中的混凝土。波特兰水泥混凝土在这么短的时间内无法做到这 些。

比较工程设计HFC组合物与UHPC(超高性能混凝土)

图19显示了用10重量%的DRAMIX钢纤维(ZP305,Bekaert  Corporation,Marietta,GA)补强的FB1B粘结基质的典型延性破坏。 DRAMIX是专有的冷拔低C钢纤维，长度≈30毫米，直径≈0.5毫米， 具有胶结在一起的钩状末端。但是，预计使用各种其它钢纤维也可以 实现类似的结果。

也可以用10重量%(4体积%)的钢纤维(FRCPC2，表16)渗入CPC2 型组合物(表12)。这些组合物显示出比CPC组合物高接近1.4倍的抗 弯强度，并同时显示延性破坏(图19b)。类似地，当用2.5重量%的PVA 纤维(RFS400,NYCON PVA,18毫米纤维,Fairless Hills,PA)渗入CPC2 时，它们在较低的强度下被破坏，但是显示出提高的强度保持率。

表16：通过改性CPC2制造的不同组合物的总结

所有组合物按体积%计。

为调整与提高粘结元件与钢的相互作用，将这些纤维在空气中氧 化(生锈)。随后，将10重量%(4体积%)的生锈纤维也放入CPC2基质 (RFRCPC2，表16)。由于在界面处的提高的剥离，这些新组合物表现 出提高的延性(图19c中的区域II)。图20显示了钢-粘结基质界面。明 显地，在固化反应过程中，初始界面与钢界面相互作用。这些复合材 料称为“水热控制界面工程设计延性复合材料”。

人们相信，钢纤维的界面可具有独特的组成与结构。

表17显示了由Lafarge(US/Canada Region,Calgary,Alberta,Canada, T2W4Y1)开发的(一种专有超高性能混凝土)与FB1B(硅灰石 芯纤维基粘结基质，表2B)的性质的比较。与-FO(未经热处理) 相比，FB1B具有更高的压缩强度和抗弯强度，但是与-FM或 -FM经过热处理)相比具有略低的压缩强度和抗弯 强度。FB1B的热膨胀高于所有不同种类的FB1B具有脆性 破坏。通过使用钢纤维和进一步工程设计粒子与纤维，可以制造具有 超高性能的复合材料。这些材料可以潜在地用于超高性能混凝土材料 的所有用途，下面的章节将对此进行讨论。

表17：比较硅灰石芯纤维基粘结基质与(超高性能混凝土的一 种类型)的性质

新型延性和耐冲击性结构

表18总结了通过使用更长的硅灰石芯(d₅₀=800微米)制造的不同复 合材料。图21显示了SRC3复合材料(表18)的典型显微结构。当在这 些自补强结构中更长的纤维的浓度提高时，抗弯强度降低，但是如表 20中总结的那样，抗冲击性进一步改善。例如，初始的FB1B粘结基 质在0.75ft.lb冲击下破坏，但是，当它们用更长的纤维芯自补强时， 它们在4.5ft.lb冲击下破坏。类似花岗岩、凝灰石、大理石的传统整料 1.2ft.lb下破坏，但是，Metro-Dade承认的Pittsburgh Corning Thickset 90(Pittsburgh Corning Corporation,Pittsburgh,PA)在2.2ft.lb冲击下破 坏。显而易见的是，SRCC在不同类型的建筑材料中具有最高的耐冲击 性。

表18：自补强复合材料的组成的总结

所有组合物按体积%计。

超级共混物

在前面的实施例中解释了“自补强胶合性复合材料(SRCC)”和“水 热控制界面工程设计延性复合材料”的概念。有可能整合这两种方法并 制造称为超级共混物的一类新材料(表19)。图22a显示了FSRBC1复 合材料的延性行为。在形变过程中观察到四个主要区域：(I)弹性，(II) 塑性，(III)强度保持，和(IV)逐渐破坏。图22b显示了在3点弯曲过程 中该复合材料的弯曲。这些固体具有高耐冲击性(表20)。例如，FSRBC1 具有13ft.lb的耐冲击性，这比Pittsburgh-Corning Thickset90高大约6 倍。

表19：用于制造超级共混物的不同组成

所有组合物按体积%计。

表20采用球冲击(通过Trinity/ERD,Columbia,SC的检定)的不同组合 物的耐冲击性

*内部测试

F–失败,P–通过

这些类型的固体可用于需要抗爆炸和抗冲击性质(类似超高性能 和高性能混凝土的性质)的用途，类似高冷冻-解冻的抗损伤用途、有害 环境用途。此外，根据专业应用，如耐硫酸盐、耐绿化率等等(但不限 于此)，进一步有可能用不同类型的添加剂替代该共混物。表19显示 了其中使用白云石填料取代CaCO₃或沙子的实例。

实施例5

粘结元件的新型化学

类似地，还可能通过使用不同于上面的硅灰石的化学但是具有采 用该歧化反应以形成本发明中所述的新型粘结元件的能力来设计多种 结构。例如，图23和24显示了衍生自橄榄石(Mg₂SiO₄)和透辉石 (MgCaSi₂O₆)前体的粘结基质的微结构。这些粘结基质分别具有162±15 MPa和～93MPa的压缩强度。例如，橄榄石由被未反应的二氧化硅层(耗 竭区)和充当粘结整个结构的胶结相的MgCO₃晶体围绕的未反应的 Mg₂SiO₄芯组成(图23c)。这些未反应的芯可具有不同的形态，例如， 图23d显示了MgCO₃晶体如何沉淀在杯状橄榄石晶粒内部。

图24显示了作为芯的透辉石晶粒的微结构。这些晶粒被非晶二氧 化硅、以及白云石(CaCO₃·MgCO₃)和/或菱镁矿(MgCO₃)和/或CaCO₃粒 子围绕。如同硅灰石一样，这些材料可用于通过上述各种方法制造新 型微结构。此外，如上所述，存在大量可以经受此类歧化反应的陶瓷， 它们是矿物和废弃产品。

对本领域技术人员显而易见的是，在本发明中可以进行各种修改 和变化，而不离开本发明的精神或范围。因此，预期本发明覆盖本发 明的修改与变化，只要它们在所附权利要求书及其等效方案的范围内。