(57)【要約】      （修正有）【課題】所望の位置での製造後の変形を容易にする、非強化領域を有する織物カーボン繊維強化鋼マトリックス複合材料を提供する。【解決手段】複合材料１００は、強化炭素繊維１２０がマトリックス１１０に一体化されており、かつスタンピング又は他の変形に適した非強化領域を有する鋼マトリックスを含む。複合材料は、鋼よりも実質的に低い密度を有しており、強化炭素繊維を有する領域内ではかなりの強度を有するが、非強化領域ではより大きな変形性を有すると予想される。鋼複合体複合材料を形成するための方法は、例えば炭素繊維織物等の、少なくとも２つの横方向に離間された強化炭素繊維成分を、鋼ナノ粒子と組み合わせること、及び内部に強化炭素繊維が一体化され、かつ炭素繊維成分間の横方向の空間に非強化領域が配置された鋼マトリックスを形成するために、鋼ナノ粒子を焼結すること、を含む。【選択図】図１Ａ
2020186466.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変形可能な面の領域を有する炭素繊維鋼マトリックス複合体（ＣＦ-ＳＭＣ）であって、
焼結鋼ナノ粒子の連続鋼マトリックス、及び、
前記連続鋼マトリックス内に配置された少なくとも２つの強化領域、
を有しており、
各前記強化領域は、前記連続鋼マトリックス内に封入された強化炭素繊維構造体を含み、
少なくとも２つの前記強化領域の各々は、非強化領域によって互いに離間されており、
前記非強化領域は、前記強化炭素繊維を含まず、加えられた圧力に応答して形状が変化するように構成された変形可能な面を画定している、
炭素繊維マトリックス複合材料（ＣＦ-ＳＭＣ）。
【請求項２】
少なくとも２つの前記強化領域は、互いに重なり合わない、請求項１に記載のＣＦ-ＳＭＣ。
【請求項３】
前記強化炭素繊維の各前記強化領域が、実質的に平坦な炭素繊維織物を含む、請求項１に記載のＣＦ-ＳＭＣ。
【請求項４】
前記強化炭素繊維の各前記強化領域が、互いに実質的に平行である、請求項３に記載のＣＦ-ＳＭＣ。
【請求項５】
７ｇ／ｃｍ３未満の密度を有する、請求項１に記載のＣＦ-ＳＭＣ。
【請求項６】
６ｇ／ｃｍ３未満の密度を有する、請求項１に記載のＣＦ-ＳＭＣ。
【請求項７】
５ｇ／ｃｍ３未満の密度を有する、請求項１に記載のＣＦ-ＳＭＣ。
【請求項８】
前記連続鋼マトリックスが鉄、及び炭素、並びに、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｐ、Ｓ、及びＳｉを含む群から選択される少なくとも１つの元素の、合金を含む、請求項１に記載のＣＦ-ＳＭＣ。
【請求項９】
変形可能な面を有する非強化領域を有する炭素繊維鋼マトリックス複合材料（ＣＦ−ＳＭＣ）であって、
少なくとも２つの強化炭素繊維構造体、
前記少なくとも２つの強化炭素繊維構造体が連続鋼マトリックス内の分離空間によって互いに横方向に離間するように、少なくとも２つの前記強化炭素繊維構造体の周囲及び内部に形成される、焼結鋼ナノ粒子の前記連続鋼マトリックスを有しており、
前記分離空間は、強化炭素繊維を含まない非補強領域を画定し、加えられた圧力に応じて形状が変化するように構成される変形可能な面を画定する、
炭素繊維鋼マトリックス複合材料（ＣＦ−ＳＭＣ）。
【請求項１０】
少なくとも２つの前記強化炭素繊維構造体が互いに重なり合わない、請求項９に記載のＣＦ-ＳＭＣ。
【請求項１１】
少なくとも２つの前記強化炭素繊維構造体が別個の層として提供される、請求項９に記載のＣＦ-ＳＭＣ。
【請求項１２】
５ｇ／ｃｍ３未満の密度を有する、請求項１１に記載のＣＦ-ＳＭＣ。
【請求項１３】
スタンピングに適した変形可能な面を有する非強化領域を有する炭素繊維鋼マトリックス複合材（ＣＦ-ＳＭＣ）構造体を製造する方法であって、
型内で、鋼ナノ粒子と、横方向に離間し、かつ重なり合わないようにして配置されており、少なくとも２つの強化炭素繊維構造体の間の空間が、強化炭素繊維を有しない非強化領域を画定している、２つの強化炭素繊維構造体とを、組み合わせること、
鋼ナノ粒子を焼結して、少なくとも２つの強化炭素繊維構造体の周囲に、連続鋼マトリックスを生成して、加えられた圧力に応答して形状が変化するように構成された変形可能な面を画定すること、
を含む、方法。
【請求項１４】
前記鋼ナノ粒子が、約２０ｎｍ未満の平均最大寸法を有する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
アニオン性元素錯体（ＡＥＲＣ）を溶剤と接触させることによって、前記鋼ナノ粒子を合成することを含み、
前記ＡＥＲＣは、
式：ＦｅａＣｂＭｄＸｙ
を有し、
ここで、Ｆｅは、元素鉄であり、形式的に酸化状態ゼロであり、Ｃは、元素炭素であり、形式的に酸化状態ゼロであり、Ｍは、酸化状態ゼロである１つ以上の元素を表し、ＭはＭｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｐ、Ｓ、及びＳｉを含む群から選択される１つ以上の元素であり、Ｘは、水素化物分子であり、ａは、ゼロより大きい分数値又は整数値であり、ｂはゼロより大きい分数値又は整数値であり、ｄはゼロより大きい分数値又は整数値であり、ｙはゼロより大きい分数値又は整数値であり、ｙはゼロより大きい分数値又は整数値である、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
水素化物分子の粉末と、鉄粉末を含む予備鋼混合物と、炭素粉末とを含む混合物をボールミル粉砕することによって、ＡＥＲＣを形成することを含む、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〈関連出願の参照〉
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０１９年３月２１日に出願された米国仮出願第６２／８２１，７６２号の利益を主張する。
【０００２】
〈技術分野〉
本開示は、概して、炭素金属マトリックス複合材料に関し、より詳細には、スタンピングに適した非強化領域を有する、鋼と強化炭素繊維との軽量複合体に関する。
【背景技術】
【０００３】
本開示で提供される背景技術の説明は、概して、本開示の文脈を提示するためのものである。本発明者の研究は、この背景技術の項に記載されている限りにおいて、また、出願時に先行技術として適格でない記述の態様において、本技術に対する先行技術として明示的にも暗示的にも認められていない。
【０００４】
軽量鋼には数多くの用途がある。自動車や飛行機において、それは乗り物の軽量化により燃費を向上させる。軟鋼は７．８８ｇ／ｃｍ３の密度を有し、炭素繊維の密度は一般に２ｇ／ｃｍ３未満であるので、２つの材料の複合体は、鋼単独に対して総合的に軽量であり、かなりの強度を有する軽量材料を提供する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
鋼は、典型的には１０００℃を超える温度で従来の鍛造法によって形成されるが、炭素繊維などの特定の構造ポリマーは、５００℃以下で熱分解を受ける。鋼は、典型的にはポリマー材料の典型的な熱分解温度よりもはるかに高い温度で形成されるので、鋼骨格に一体化され、それと結合された強化炭素繊維を有する真の複合体を形成することは困難である。
【０００６】
鋼成分には、多くの場合、製造後のスタンピング、曲げ、又はその他の変形が必要である。構造補強材を有する鋼複合材料は、そのような変形に対して耐性があり、用途によってはその適用を困難にする可能性がある。所望の位置での製造後の変形を容易にする炭素繊維強化鋼の形成を可能にする方法が、望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このセクションは、本開示の一般的な概要を提供し、その全範囲又はその特徴のすべての包括的な開示ではない。
【０００８】
種々の態様において、本教示は、変形に適した炭素繊維鋼マトリックス複合材料（ＣＦ‐ＳＭＣ）を提供する。ＣＦ−ＳＭＣは、焼結鋼ナノ粒子の連続鋼マトリックスと、連続鋼マトリックス内の少なくとも２つの強化領域とを含む。各強化領域は、連続鋼マトリックス内に封入された強化炭素繊維から形成される。少なくとも２つの補強された領域の各々は、非強化領域によって互いに離間されている。
【０００９】
他の態様において、本教示は、目標とする変形に適した非強化領域を有する炭素繊維鋼マトリックス複合材料（ＣＦ−ＳＭＣ）を提供する。ＣＦ−ＳＭＣは、少なくとも２つの強化炭素繊維構造体、及び少なくとも２つの強化炭素繊維構造体の周囲及び内部に形成された、焼結鋼ナノ粒子の連続鋼マトリックスを含む。少なくとも２つの強化炭素繊維構造体は、連続鋼マトリックス内の分離空間によって互いに横方向に離間され、その分離空間は、目標とする変形に適した非強化領域を規定する。
【００１０】
更に他の態様では、本教示がスタンピングに適した非強化領域を有する炭素繊維鋼マトリックス複合材料（ＣＦ−ＳＭＣ）構造を作製するための方法を提供する。この方法は、鋳型内で鋼ナノ粒子と少なくとも２つの強化炭素繊維成分とを組み合わせる工程を含む。少なくとも１つの強化炭素繊維コンポーネントは、横方向に間隔を置いて重なり合わないように配置される。少なくとも２つの強化炭素繊維構造体の間の横方向の空間は、非強化領域を画定する。本方法は、少なくとも２つの強化炭素繊維構造の周囲に連続した鋼マトリックスを生成するために、鋼ナノ粒子を焼結する工程を更に含む。
【００１１】
上記の結合技術を強化するさらなる応用分野及び様々な方法は、本明細書で提供される説明から明らかになるであろう。この概要における説明及び特定の実施例は、例示のみを目的としたものであり、本開示の範囲を限定することを意図したものではない。
【００１２】
本教示は、詳細な説明及び添付の図面からより完全に理解されるのであろう：
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】図１Ａは、２層の強化炭素繊維を有する鋼マトリックスを有する炭素繊維鋼マトリックス複合材料（ＣＦ−ＳＭＣ）の断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、炭素繊維の一部の斜視図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、横方向に間隔をあけて配置された強化炭素繊維と非強化領域とを有するＣＦ−ＳＭＣの上面平面図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、図１Ｃの線１Ｄ−１Ｄに沿って見た、図１ＣのＣＦ−ＳＭＣの側断面図である。
【図２】図２は、図１Ａに示す種類の複合材料を形成するための方法の一部の絵図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本明細書に記載された図は、特定の態様の説明のために、本技術のものの中で、方法、アルゴリズム、及びデバイスの一般的な特徴を例示することが意図されていることに留意されたい。これらの図は、任意の所与の態様の特徴を正確に反映するものではなく、本技術の範囲内で特定の実施形態を定義又は限定することを必ずしも意図するものではない。更に、ある態様は、図の組み合わせからの特徴を組み込んでもよい。
【００１５】
本開示は、概して、強化炭素繊維がマトリックスに一体化された鋼マトリックスを含む複合材料に関する。複合材料は、鋼よりも実質的に密度が低く、かなりの強度を有する。炭素繊維−鋼複合体を形成するための方法は、強化炭素繊維成分、例えば炭素繊維織物を、鋼ナノ粒子と組み合わせ、内部に一体化された強化炭素繊維を有する鋼マトリックスを形成するために、鋼ナノ粒子を焼結することを含む。
【００１６】
従来の鋼は、約１２００℃を超える温度で溶融する。このような高温は、約４５０℃以下で分解する種々の強化炭素繊維を接触時に即座に破壊する。従って、鋼／炭素繊維複合材料を形成するための本技術は、鋼ナノ粒子を採用し、鋼の融点を約４５０℃未満に低下させる。これは、組み合わされて加熱されると、強化炭素繊維成分を破壊することなく、強化炭素繊維成分の周囲で鋼ナノ粒子が焼結することを可能にする。その結果、鋼マトリックス中に侵入した強化炭素繊維の層又は延長繊維が得られる。
【００１７】
本開示の複合材料は、従来の鋼よりもかなり低い密度を有することができ、一例では６０％と低い。また、複合材料は、引張強さを含むかなりの構造的強度を提供することができる。
【００１８】
図１Ａを参照すると、炭素繊維強化鋼マトリックス複合材料（ＣＦ−ＳＭＣ）１００は、連続鋼マトリックス１１０と、鋼マトリックス内に少なくとも部分的に封入されている少なくとも１つの強化炭素繊維１２０とを含む。図示のように、強化炭素繊維１２０は、布帛布、織物、織糸等の層として提供することができる。他の例では、強化炭素繊維１２０は、繊維、糸、又は複数の整列繊維として提供されることができる。したがって、多くの実施態様において、強化炭素繊維は、一体化された複数の炭素繊維を含むことができ、代替的に強化炭素繊維構造体と呼ぶことができることが理解されるであろう。このような強化炭素繊維構造体は、特に、織物、布帛、又は他の実質的に平坦な二次元構造体を含むことができる。
【００１９】
連続鋼マトリックス１１０は、概して、焼結鋼ナノ粒子を含み、少なくとも鉄及び炭素の合金を組成的に含む。連続鋼マトリックス１１０は、任意に、マンガン、ニッケル、クロム、モリブデン、ホウ素、チタン、バナジウム、タングステン、コバルト、ニオブ、リン、硫黄、及びケイ素のいずれか、いくつか、又は全てを含むことができる。鋼マトリックス１１０の様々な元素成分の相対比は、所望の用途に依存することができ、概して、当業者の常識に基づいて選択可能である。例えば、ステンレス鋼を必要とする用途は、全重量の１１重量％又はそれ以上で存在するクロムを含むことができる。開示された一つの実施例において、鋼マトリックスは、鋼マトリックスの重量でそれぞれ９９．０８％、０．１７％、及び０．７５％で存在する鉄、炭素、及びマンガンからなる。ここで使用される「重量」という用語は、「質量」という用語と交換可能であることが理解されるであろう。
【００２０】
いくつかの実施態様では、用語「連続」は、語句「連続鋼マトリックス１１０」で使用されるように、鋼マトリックスが単一の一体体として形成されるか、又は存在することを意味することができる。そのような実施態様において、負の例として、接着剤又は溶接等で一緒に保持された２つの別個の鋼体で形成された構造は不連続である。いくつかの実施態様において、本明細書で使用される用語「連続」は、連続鋼マトリックス１１０がその占有体積全体にわたって実質的に組成的かつ構造的に均一であることを意味することができる。単純化のために、連続鋼マトリックス１１０は、本明細書では代替的に「鋼マトリックス１１０」と呼ばれ、すなわち、用語「連続」は時には意味を変更せずに省略される。
【００２１】
ＣＦ−ＳＭＣ１００の幾つかの実装形態において、少なくとも１つの補強炭素繊維１２０は、連続鋼マトリックス１１０内に完全に封入されることができる。様々な実施態様において、「連続鋼マトリックス１１０内に封入される」という表現は、少なくとも１つの強化炭素繊維１２０が部分的に又は完全に、連続鋼マトリックス１１０内に封入される、封入される、包み込まれる、一体化される、又は他の方法で接触して取り囲まれることを意味することができる。いくつかの実施態様において、「連続鋼マトリックス１１０内に封入される」という表現は、少なくとも１つの強化炭素繊維１２０を含む個々の繊維の少なくとも一部が連続鋼マトリックス１１０によって接触して取り囲まれることを意味することができる。いくつかの実施態様において、「連続鋼マトリックス１１０内に封入される」という表現は、連続鋼マトリックス１１０が部分的に又は完全に、少なくとも１つの強化炭素繊維１２０の周囲に形成されるか、又は他の方法で接触して配置されることを意味することができる。
【００２２】
幾つかの実装形態において、少なくとも１つの補強用炭素繊維１２０が「鋼マトリックス内に封入される」という表現は、鋼マトリックス１１０が強化炭素繊維１２０の周囲及び強化炭素繊維１２０と共に、鋼マトリックス１１０の表面と補強用炭素繊維１２０の表面との間の十分に高い接触を有するようにして、補強用炭素繊維１２０が鋼マトリックス１１０に対して所定の位置に保持されつつ、形成されることを意味している。幾つかの実装形態において、補強用炭素繊維１２０が「鋼マトリックス内に封入される」という表現は、鋼マトリックス１１０の相互作用面が補強用炭素繊維１２０を構成する個々の高分子繊維の全ての側面に提示されることを意味している。
【００２３】
様々な実施態様において、「鋼マトリックスの表面と補強用炭素繊維の表面との間の十分に高い接触を有するようにして、補強用炭素繊維が鋼マトリックスに対して所定の位置に保持され」という表現は、強化炭素繊維１２０の表面積の少なくとも５０％、又は少なくとも６０％、又は少なくとも７０％、又は少なくとも８０％、又は少なくとも９０％が鋼マトリックスと接触することを意味することができる。
【００２４】
概して、ＣＦ−ＳＭＣ１００の総密度は、純粋な鋼の密度よりも小さくなる。例えば、ＡＩＳＩグレード１００５〜１０２５のような軟鋼は、約７．８８ｇ／ｃｍ３の濃度を有する。対照的に、本開示の例示的なＣＦ−ＳＭＣ１００は、軟鋼の密度の約６１％である４．８ｇ／ｃｍ３の密度を有する。これと比較して、最近開発された鋼‐アルミニウム合金は、軟鋼の約８７％の密度を有する。
【００２５】
図１Ａは、鋼マトリックス１１０の内部に封止された２層の強化炭素繊維１２０を有するＣＦ−ＳＭＣ１００を説明するが、複合材料は、１以上の強化炭素繊維１２０の任意の層数を含むことができることを理解することができる。言い換えると、少なくとも１つの強化炭素繊維１２０は、いくつかの実施態様において、複数の相互に接触するか、又は空間的に分離された強化炭素繊維の層を含むことができる。更に、ＣＦ−ＳＭＣ１００の中の鋼マトリックス１１０に対する強化炭素繊維１２０の重量比は大幅に変動し得ること、また、そのような変動は、炭素繊維（２ｇ／ｃｍ３未満）及び鋼のかなり異なった密度を所与とすると、ＣＦ−ＳＭＣ１００の密度に直接影響を与えることが理解される。
【００２６】
したがって、一部の実施例において、本開示のＣＦ−ＳＭＣ１００は、７ｇ／ｃｍ３より密度が小さくなるであろう。一部の実施例において、本開示のＣＦ−ＳＭＣ１００の密度は、６ｇ／ｃｍ３未満である。一部の実施例において、本開示のＣＦ−ＳＭＣ１００の密度は、５ｇ／ｃｍ３未満である。
【００２７】
図１Ｂは、本教示の少なくとも１つの強化炭素繊維１２０の一部を構成することができるような、例示的な炭素繊維部分１４０の斜視図を示す。例えば、上述したように、少なくとも１つの強化炭素繊維１２０は、図１Ｂの炭素繊維部分１４０と同様の個々の炭素繊維の織物又は他の布帛を含むことができる。このように、図１Ｂの炭素繊維部分１４０は、代替的に、個々の炭素繊維１４０と呼ぶことができるが、本教示で利用される個々の炭素繊維は、図１Ｂに一般的に示されるものよりもはるかに大きい長さ対幅比を有することが多いことを理解されたい。
【００２８】
多くの実施態様において、少なくとも１つの強化炭素繊維は、平均断面直径Ｄを有する個々の炭素繊維１４０を含むことができる。多くのそのような実施態様において、平均断面直径が約５ｍｍ未満、又は約１ｍｍ未満、又は約０．５ｍｍ未満、又は約０．１ｍｍ未満とすることができる。図１Ａを参照すると、種々の実装において、少なくとも１つの強化炭素繊維は、鋼マトリックスの外表面から測定される最小深さ（本明細書では「浸透深さ」と称する）、Ｐまで鋼マトリックスに侵入することができる。様々な実施態様では、侵入深さは少なくとも約１ｃｍ、又は少なくとも約５ｃｍ、又は少なくとも約１０ｃｍとすることができる。従って、鋼マトリックスにおける炭素繊維の侵入は、繊維直径に対する侵入深さの比として定義される長さ対幅の比を有するものとして記述することができる。様々な実施例において、炭素繊維の侵入の長さと幅の比率は、約２００：１より大きく、約１０３：１より大きく、約１０４：１より大きく、又は約１０５：１より大きくすることができる。いくつかの実施態様において、強化炭素繊維が１つの表面１３０Ａから反対側の表面１３０Ｂまで、少なくとも１つの寸法で鋼マトリックスの実質的に全体を横切る。
【００２９】
後述するタイプのもの以外の方法によって作製される炭素繊維強化鋼複合材料は、繊維直径及び浸透深さのこのような浸透次元を達成することができないであろうことは理解されるであろう。例えば、液体（例えば溶解した）炭素繊維を予備成形された多孔質鋼マトリックスに含浸させようとする試みは、深い浸透に対する粘性抵抗を克服するには毛管作用では不十分であり、したがって炭素繊維の浸透がサブセンチメートルの深さに制限されるので、上記のような浸透深さ又は長さ対幅の比を達成しない。
【００３０】
少なくとも１つの強化炭素繊維１２０による連続鋼マトリックス１１０の強化は、切断、破断、曲げ、又は座屈などの構造的摂動に対してＣＦ−ＳＭＣ１００を補強する傾向があることが理解されよう。従って、曲げ又はスタンピングのような構造的変更が望まれる利用においては、本教示のＣＦ−ＳＭＣ１００に非補強セグメントを組み込むことが有用である。図１Ｃは、各々が強化炭素繊維１２０Ａ、１２０Ｂに侵入された２つの別個の強化領域１５０Ａ、１５０Ｂを有する、本教示のＣＦ-ＳＭＣ１００の平面図を示す。２つの強化領域１５０Ａ、１５０Ｂは、強化炭素繊維１２０が存在しない、介在する非強化領域１６０によって分離される。
【００３１】
したがって、ある実施形態において、本教示のＣＦ-ＳＭＣ１００は、図１Ｃに示すように、横方向に分離された少なくとも２つの強化炭素繊維構造１２０Ａ、１２０Ｂを有することができる。図１Ｄは、線１Ｄ−１Ｄに沿って見た、図１ＣのＣＦ−ＳＭＣ１００の側断面図を示す。図１Ｃ及び図１Ｄに示すように、２つの強化炭素繊維構造１２０Ａ及び１２０Ｂは、互いに横方向に分離され、重なり合わない。強化炭素繊維構造１２０Ａ及び１２０Ｃは、同一平面上にないにもかかわらず、互いに横方向に分離されていると言うこともできる。強化炭素繊維構造１２０Ｂ及び１２０Ｃは、重なり合っているので、横方向に分離されず、縦方向にのみ分離される。したがって、非強化領域１６０は、強化炭素繊維構造１２０Ｂ及び１２０Ｃと強化炭素繊維構造１２０Ａとの間に示される横方向分離空間によって画定される。
【００３２】
また、「ＣＦ−ＳＭＣ１００」を形成する方法についても開示している。図２を参照すると、この方法は、鋼ナノ粒子２１０を提供する工程を含む。用語「鋼ナノ粒子２１０」は、概して、１００ｎｍ未満の平均最大寸法を有する鋼の粒子から主になるサンプルを指す。鋼ナノ粒子２１０の個々の粒子は、概して、ＣＦ−ＳＭＣ１００の鋼マトリックス１１０に関して上述した組成のような任意の合金から成る。したがって、鋼ナノ粒子２１０の個々の粒子は、概して、鉄及び炭素を含み、任意選択的に、マンガン、ニッケル、クロム、モリブデン、ホウ素、チタン、バナジウム、タングステン、コバルト、ニオブ、リン、硫黄、及びケイ素のいずれか、いくつか、又は全てを含むことができる。
【００３３】
ＣＦ−ＳＭＣ１００の鋼マトリックス１１０に関して上述したように、鋼ナノ粒子２１０の種々の元素成分の相対比率は、所望の用途に依存することができ、概して、当業者の常識に基づいて選択可能である。開示される実施例において、鋼ナノ粒子２１０の個々の粒子は、それぞれ９９．０８重量％、０．１７重量％、及び０．７５重量％で存在する鉄、炭素、及びマンガンからなる。
【００３４】
種々の態様において、鋼ナノ粒子２１０の平均最大寸法は、ｘ線回折（ＸＲＤ）、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、原子間力顕微鏡、光子相関分光法、ナノ粒子表面積モニタリング、凝縮粒子計数器、示差移動度分析、走査移動度粒子サイジング、ナノ粒子追跡分析、エアロゾル飛行時間型質量分析、又はエアロゾル粒子質量分析を含むがこれらに限定されない任意の適切な方法によって決定することができる。
【００３５】
いくつかの実施態様において、平均最大寸法は、質量による平均であり、いくつかの実施態様において、母集団による平均である。場合によっては、鋼ナノ粒子２１０は、約５０ｎｍ未満、約４０ｎｍ未満、約３０ｎｍ未満、約２０ｎｍ未満、又は約１０ｎｍ未満の平均最大寸法を有することができる。
【００３６】
いくつかの態様において、平均最大寸法は、相対標準偏差を有することができる。いくつかのそのような態様において、相対標準偏差は、０．１未満であり得、したがって、鋼ナノ粒子２１０は単分散であると考えられ得る。
【００３７】
引き続き図２を参照すると、ＣＦ−ＳＭＣ１００を形成するための方法は、追加的に、鋼ナノ粒子２１０と少なくとも２つの補強用炭素繊維成分２２０と組み合わせて、非アニール組合せを生成する工程２１５を含む。少なくとも２つの強化炭素繊維構造体は、概して、横方向に間隔を置いて重なり合わないように配置され、少なくとも２つの強化炭素繊維コンポーネント２２０の間の横方向の空間は、上記のように、非強化領域１６０を画定する。強化炭素繊維成分２２０は、強化炭素繊維成分２２０が上記で定義される鋼マトリックス１１０にまだ統合されていない、又はその内部に封入されていないことを除いて、ＣＦ−ＳＭＣ１００に関する上記のような強化炭素繊維構造体１２０と全く同じである。したがって、強化炭素繊維コンポーネント２２０は、例えば、少なくとも一次元、いくつかの態様では少なくとも二次元で引張強度を付与するように設計された任意の構成で形成された炭素繊維を含むことができる。
【００３８】
多くの実施態様において、組み合わせる工程２１５は、鋼ナノ粒子２１０の少なくとも１つの層と強化炭素繊維成分２２０の少なくとも１つの層とを連続的に組み合わせることを含み、それによって、非アニール組合せは、鋼ナノ粒子２１０及び強化炭素繊維成分２２０のそれぞれの１つ又は複数の層からなる。鋼ナノ粒子２１０の任意の数の層及び強化炭素繊維成分２２０の任意の数の層を使用することができる。ＣＦ−ＳＭＣ１００の外表面で強化炭素繊維１２０が望まれる実施態様において、強化炭素繊維成分２２０は、非アニール組合せにおいて、連続して層化された最初及び／又は最後の成分となるのであろう；そして、ＣＦ−ＳＭＣ１００の外表面の間で強化炭素繊維１２０が望まれる実施態様において、強化炭素繊維成分２２０が先行し、続いてスチールナノ粒子２１０の層が続くことが理解されるであろう。
【００３９】
組み合わせる工程２１５は、概して、形成されるべきＣＦ−ＳＭＣ１００の所望の形状に対応する空隙空間を有するダイ、鋳造、モールド、又は他の形状の構造体内で、鋼ナノ粒子２１０と強化炭素繊維成分２２０とを組み合わせることを含もう。いくつかの特定の実施態様において、鋼ナノ粒子２１０の少なくとも１つの層と強化炭素繊維コンポーネント２２０の少なくとも１つの層が、熱プレスダイ２５０内で組み合わされる。
【００４０】
一部の実施例において、ＣＦ−ＳＭＣ１００を形成する方法は、強化炭素繊維成分２２０の中の非連結結合における鋼ナノ粒子２１０を互いに操作する工程を含むことができる。このような操作工程は、非アニールの組合せにおける鋼ナノ粒子２１０と強化炭素繊維成分２２０との間の接触の表面積を最大にするのに有効であり得、最終的に形成されるＣＦ−ＳＭＣ１００の鋼マトリックス１１０への補強炭素繊維１２０の統合の有効性を改善する。鋼ナノ粒子２１０を強化炭素繊維成分２２０の隙間に操作することは、鋼ナノ粒子２１０と強化炭素繊維成分２２０との間の接触表面積を増加させるのに有効な任意の手順（プレス、撹拌、振盪、振動、超音波処理、又は任意の他の適切な手順を含むが、これらに限定されない）によって達成され得る。
【００４１】
ＣＦ−ＳＭＣ１００を形成するための方法は、更に、鋼ナノ粒子２１０を焼結し、鋼ナノ粒子２１０を鋼マトリックス１１０に変換して、補強炭素繊維成分２２０が鋼マトリックス１１０に一体化された補強炭素繊維１２０になるようにし、したがって、非アニール組合せをＣＦ−ＳＭＣ１００に変換する工程を、含む。焼結工程は、概して、非アニール組合せを４５０℃未満の温度に加熱し、鋼ナノ粒子２１０を焼結するのに十分に高い温度に加熱することを含む。いくつかの実施態様において、焼結工程は、アニールされていない組合せを４００℃超かつ４５０℃未満の温度に加熱することを含むことができる。いくつかの実施態様において、焼結工程は、非アニール組合せを４２０℃超かつ４５０℃未満の温度に加熱することを含むことができる。
【００４２】
いくつかの実施態様において、焼結工程は、高温圧縮によって、すなわち、高温の印加と同時に高圧２６０を印加することによって達成することができる。高温圧縮を採用するいくつかの実施態様において、高圧は、少なくとも３０ＭＰａであってよく、いくつかの実施態様において、高圧は、少なくとも６０ＭＰａであってよい。温度及び圧力の焼結条件に応じて、焼結工程の持続時間は、変化させることができる。いくつかの実施態様において、焼結工程は、２〜１０時間の範囲内の持続時間にわたって実行することができ、開示された一実施例において、４時間の持続時間にわたって実行される。
【００４３】
炭素繊維強化鋼マトリックス複合材料（ＣＦ‐ＳＭＣ）は、鋼粉と炭素繊維布の交互層をダイに充填させて作られる。使用される鋼粉末は、ナノ粒子、＜４５ミクロン粉末、又は２つのサイズレジームの混合物であり得る。炭素繊維布の織りは、強化材の周りの鋼マトリックスが固結後に連続することができるように、繊維間の浸透を可能にするのに十分なほど緩い。
【００４４】
炭素繊維布及び鋼粉末は、酸化表面が形成されるのを防止するため、不活性雰囲気下（アルゴングローブボックス内）で、ダイ内で組み立てられる。次いで、最終的なパンチとダイのアセンブリは、アルゴン流下で、６０ＭＰａの圧力で、８００℃で１時間圧縮される。
【００４５】
炭素繊維は、鋼よりも密度が低く（〜３．７５倍）、引張強さが高い。鋼マトリックスへの複数の炭素繊維層の添加は、最終複合体の重量を低下させ（低い炭素繊維密度の関数として）、複合体の機械的強度への寄与の関数としての引張強さを増加させる。
【００４６】
いくつかの例において、所望の組成、平均最大寸法、及び／又は平均最大寸法の相対標準偏差を有する鋼ナノ粒子２１０を提供することは、従来の方法によって達成することが困難であり得ることが理解されよう。例えば、粉砕、アークデトネーション、又は他の公知の手順を介してバルク鋼を粒状鋼に断片化することを含む「トップダウン」アプローチは、しばしば、均一で堅牢な鋼マトリックス１１０への効果的な焼結には大きすぎる及び／又は不均一すぎる鋼粒子を提供する。溶解したカチオンの化学的還元を含むアプローチ等の「ボトムアップ」アプローチは、関連するカチオンの不相溶性、又は更には入手不能性のために、様々な合金ナノ粒子には不適切であることが多い。例えば、鋼を形成するためのカチオン性鉄との化学的共還元に適したカチオン性炭素は、得ることが困難であり得る。更に、これらの技術又は他の技術が実験室規模で所与の組成の鋼ナノ粒子２１０を製造するのに有効であり得る場合でさえ、スケールアップは、実行不可能であるか、又は不経済であることが判明し得る。
【００４７】
これらの理由のために、鋼ナノ粒子２１０を提供する工程は、多くの実施態様において、アニオン性元素試薬錯体（ＡＥＲＣ）を使用する新規な鋼ナノ粒子２１０合成によって実施することができる。ＡＥＲＣは、概して、水素化物分子と錯体を形成し、以下の式Ｉを有する１つ以上の元素からなる試薬である：
【００４８】
式：Ｑ０・Ｘｙ          式Ｉ
【００４９】
式中、Ｑ０は、１つ以上の元素の組合せを表し、それぞれは形式的には酸化状態ゼロであり、必ずしも互いに対して等モル比ではない；Ｘは、水素化物分子を表し、ｙはゼロより大きい整数値又は分数値である。式ＩのＡＥＲＣは、（ｉ）所望のモル比で存在する１つ又は複数の元素のそれぞれの粉末、及び（ｉｉ）ｙに対応する組み合わされた１つ又は複数の元素に対してモル比で存在する水素化物分子の粉末を含む混合物をボールミル粉砕することによって形成することができる。多くの実施態様において、水素化物分子は、水素化ホウ素であり、いくつかの特定の実施態様において、水素化物分子は、水素化ホウ素リチウムである。
【００５０】
式ＩのＡＥＲＣを適切な溶媒及び／又はリガンド分子と接触させることは、本質的に１つ以上の元素からなるナノ粒子の形成をもたらし、１つ以上の元素は、それらがＡＥＲＣ中に存在するのと同等の比率でナノ粒子中に存在する。
【００５１】
したがって、鋼ナノ粒子２１０合成での使用に適したＡＥＲＣは、概して次の式を有している：
【００５２】
ＦｅａＣｂＭｄＸｙ          （式ＩＩ）
【００５３】
式中、Ｆｅは元素鉄であり、形式的に酸化状態ゼロであり、Ｃは元素炭素であり、形式的に酸化状態ゼロであり、Ｍは酸化状態ゼロである１つ以上の元素を表し、Ｍは、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｐ、Ｓ、及びＳｉを含む群から選択される１つ以上の元素のそれぞれを表し、Ｘは、式Ｉに関して定義される水素化物分子であり、ａはゼロより大きい分数値又は整数値であり、ｂはゼロより大きい分数値又は整数値であり、ｄはゼロより大きい分数値又は整数値であり、ｙは、ゼロより大きい分数値又は整数値である。ａ、ｂ、及びｃの値は、概して、鋼の所望の組成における様々な成分のモル比に対応することが理解されるであろう。更に、Ｍ及びｄは、単純化のためだけに特異値として示されており、互いに対して非等モル量で存在する複数の元素に対応することができることを理解されたい。式ＩＩのＡＥＲＣは、代替的に、鋼-ＡＥＲＣと呼ぶことができる。
【００５４】
鋼−ＡＥＲＣの形成は、（Ｉ）ホウ水素化リチウムなどの水素化物分子の粉末、及び（ＩＩ）（ｉ）鉄粉末、（ｉｉ）炭素粉末、及び（ｉｉｉ）任意に、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｐ、Ｓ、及びＳｉを含む群から選択される１つ以上の元素の粉末（複数可）を含む予鋼混合物をボールミル処理することによって達成することができる。この混合物は、鉄粉末、炭素粉末、及び１つ以上の選択された元素の任意の粉末を、所望の鋼製品中のこれらの種々の成分の重量比と同一の重量比で含むべきである。例えば、１２重量％のＮｉ、１７重量％のＣｒ、２．５重量％のＭｏ、１重量％のＳｉ、２重量％のＭｎ、０．０８重量％のＣ、０．０４５重量％のＰ、及び０．０３重量％のＳを有するステンレス鋼タイプ３１６製品を合成するために、ボールミル粉砕のための水素化物分子の粉末と混合される予鋼混合物は、列挙された重量％で存在するこれらの元素のそれぞれの粉末を含むべきである。
【００５５】
したがって、いくつかの実施態様では、鋼ナノ粒子を合成するための開示されたプロセスは、式Ｉ又はＩＩによって定義されるような鋼-ＡＥＲＣを溶媒と接触させる工程を含む。いくつかの実施態様において、鋼ナノ粒子を合成するための開示されたプロセスは、式Ｉ又はＩＩによって定義されるような鋼-ＡＥＲＣをリガンドと接触させる工程を含む。いくつかの実施態様において、鋼ナノ粒子を合成するための開示されたプロセスは、式Ｉ又はＩＩによって定義されるような鋼-ＡＥＲＣを溶媒及びリガンドと接触させる工程を含む。スチール−ＡＥＲＣを適切な溶剤又はリガンドに接触させることは、スチール−ＡＥＲＣの組成、すなわち、鋼−ＡＥＲＣを形成する予鋼混合物の組成によって決定される合金組成を有する鋼ナノ粒子２１０を形成させる。
【００５６】
適切なリガンドの非限定的な例は、非イオン性、カチオン性、アニオン性、両性、両性イオン性、及びポリマー性リガンド、並びにそれらの組み合わせを含むことができる。このようなリガンドは、典型的には炭化水素ベース、オルガノシランベース、又はフルオロカーボンベースの親油性部分を有する。限定を意味するものではないが、適切であり得るリガンドのタイプの例は、硫酸アルキル及びスルホネート、石油及びリグニンスルホネート、リン酸エステル、スルホコハク酸エステル、カルボキシレート、アルコール、エトキシル化アルコール及びアルキルフェノール、脂肪酸エステル、エトキシル化酸、アルカノールアミド、エトキシル化アミン、アミンオキシド、ニトリル、アルキルアミン、第四アンモニウム塩、カルボキシベタイン、スルホベタイン、又はポリマーリガンドを含む。いくつかの特定の実施態様では、リガンドは、ニトリル、アミン、及びカルボン酸塩のうちの少なくとも一つであってよい。
【００５７】
好適な溶媒の非限定的な例は、非結合又は過渡結合相互作用の手段によってＡＥＲＣの構成要素と相互作用することができる任意の分子種、又は分子種の組合せを含んでいることができる。異なる実施形態において、鋼−ＡＥＲＣからの鋼ナノ粒子２１０の合成に適切な溶剤は、直鎖、分岐、若しくは環状アルキル、又はアルコキシ；又は一環又は多環のアリル若しくはヘテラリルを含むが、これらに限定されない炭化水素又は芳香族種であり得る。いくつかの実施態様において、溶媒は、非配位又は立体障害エーテルである。記載されている溶媒という用語は、いくつかのバリエーションにおいて、重水素化形態又はトリチウム化形態を含み得る。いくつかの実施態様において、溶媒は、ＴＨＦ等のエーテルであってもよい。
【実施例】
【００５８】
本発明を、以下の実施例に関して更に説明する。これらの実施例は本発明の特定の実施形態を例示するために提供されるものであり、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではないことを理解されたい。
【００５９】
〈実施例１  鋼ナノ粒子合成〉
ボールミルジャーに、０．０１３６ｇの炭素、０．０６ｇのマンガン、７．９２６４ｇの鉄、及び６．２８ｇの水素化ホウ素リチウムを添加する。これを不活性雰囲気下で４時間ボールミル粉砕する。鋼‐ＡＥＲＣ製品をＴＨＦで洗浄し、９９．０８％Ｆｅ、０．１７％Ｃ、０．７５％Ｍｎの組成を有する鋼ナノ粒子を形成した。生成した鋼ナノ粒子が単離される。
【００６０】
〈実施例２  鋼複合体の形成〉
実施例Ｉの鋼ナノ粒子は、ダイ内で互いに横方向に離間して織られた炭素繊維の２つの部分を有するパンチ及びダイに装填される。鋼ナノ粒子粉末は、この装填工程の間に、炭素繊維織物の２つの部分の繊維間の隙間に入り込むように促進される。次いで、この材料を４３０℃、６０ＭＰａで４時間焼結する。この製品は、図１Ａ及び図２に示すように、鋼マトリックスに一体化された強化炭素繊維を有する鋼複合体であり、２本の炭素繊維織物の間の横方向の空間に位置する非強化領域を有する。
【００６１】
前述の説明は本質的に単に例示的なものであり、本開示、その適用、又は用途を限定することを決して意図しない。本明細書で使用されるように、Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つの語句は、非排他的論理「又は」を使用して、論理（Ａ、Ｂ又はＣ）を意味すると解釈されるべきであることを理解すべきである。方法内の様々な工程は、本開示の原理を変更することなく、異なる順序で実行されてもよく、様々な工程は特に言及されない限り、独立して、又は同時に実行されてもよい。
【００６２】
範囲の開示は、全範囲内の全ての範囲及び細分された範囲の開示を含む。本明細書で使用される見出し（「背景」及び「概要」など）及び副見出しは、本開示内のトピックの一般的な編成のみを意図し、技術の開示又はその任意の態様を限定することを意図しない。記載された特徴を有する複数の実施形態の記載は、追加の特徴を有する他の実施形態、又は記載された特徴の異なる組み合わせを組み込む他の実施形態を排除することを意図しない。
【００６３】
本明細書で使用されるように、用語「有する」及び「含む」、並びにそれらの変形は、非限定的であることが意図され、その結果、連続する項目又はリストの列挙は、この技術のデバイス及び方法においても有用であり得る他の同様の項目の排除ではない。同様に、用語「できる」及び「であってよい」並びにそれらの変形は、非限定的であることが意図され、その結果、実施形態は、特定の要素若しくは特徴を含むことができ、又は含むことができるという列挙は、それらの要素又は特徴を含まない本技術の他の実施形態を排除しない。
【００６４】
本開示の広範な教示は、様々な形態で実施することができる。したがって、本開示は特定の例を含むが、本明細書及び以下の特許請求の範囲を検討することにより、当業者には他の修正が明らかになるので、本開示の真の範囲はそのように限定されるべきではない。本明細書において、１つの態様、又は様々な態様への言及は、実施形態に関連して説明された特定の特徴、構成、又は特徴が、少なくとも１つの実施形態又は態様に含まれることを意味する。「一態様で」（又はその変形で）という語句の出現は、必ずしも同じ態様又は実施形態を指すものではない。
【００６５】
特定の実施形態が記載されてきたが、現在予期されていない、代替、修正、変形、改良、及び実質的な等価物が、出願人又は他の当業者に生じ得る。したがって、添付の特許請求の範囲は、提出され、修正される場合、そのような代替、修正、改良、及び実質的な均等物の全てを包含することが意図される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２】
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【外国語明細書】
2020186466000001.pdf