(57)【要約】  使用中の構造的負荷および機械的応力に耐えることができるような2つ以上の異なる機能と共に、少なくとも１つの付加的な非構造的機能を奏することができる多機能構造体（１０）を製造するための繊維モノリス構造体加工技術。
2005512311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側セラミクス相、
中間金属相、および
外側セラミクス相
を含んでなる多機能繊維モノリス構造体。
【請求項２】
中間金属相が、歪みを測定できるように、制御された配列形式で配置されたインターフェースストリップ（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  ｓｔｒｉｐ）である請求項１に記載の多機能繊維モノリス構造体。
【請求項３】
中間金属相が、温度を測定できるように、制御された配列形式で配置されたインターフェースストリップである請求項１に記載の多機能繊維モノリス構造体。
【請求項４】
中間金属相が、損傷の進行を測定できるように、制御された配列形式で配置されたインターフェースストリップである請求項１に記載の多機能繊維モノリス構造体。
【請求項５】
中間金属相が、温度測定および歪みを測定できるように、制御された配列形式で配置されたインターフェースストリップである請求項１に記載の多機能繊維モノリス構造体。
【請求項６】
中間金属相が、ＷおよびＲｅを含む請求項１に記載の多機能繊維モノリス構造体。
【請求項７】
内側セラミクス相がＺｒＢ２であり、中間金属相がＢＮであり、外側セラミクス相がＢ４Ｃである請求項１に記載の多機能繊維モノリス構造体。
【請求項８】
内側セラミクス相が炭化タングステンであり、中間金属相がタングステン−鉄−ニッケル合金であり、外側セラミクス相が炭化タングステンである請求項１に記載の多機能繊維モノリス構造体。
【請求項９】
穿孔操作中の歪みを測定することができるドリルビットインサートに組み込まれた請求項１に記載の多機能繊維モノリス構造体。
【請求項１０】
歪みを測定することができる工作機械に組み込まれた請求項１に記載の多機能繊維モノリス構造体。
【請求項１１】
電流を発生することができるロケットノズルに組み込まれた請求項１に記載の多機能繊維モノリス構造体。
【請求項１２】
温度を測定することができるロケットノズルに組み込まれた請求項１に記載の多機能繊維モノリス構造体。
【請求項１３】
穿孔操作中の温度および歪みを測定することができるドリルビットに組み込まれた請求項１に記載の多機能繊維モノリス構造体。
【請求項１４】
ケーシングの背部の電子部品の中性子関連損傷を防止するために電子部品ケーシングに組み込まれた請求項１に記載の多機能繊維モノリス構造体。
【請求項１５】
ジルコン酸チタン酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛バリウム、スズ酸ジルコン酸チタン酸鉛、ニオブ酸鉛マグネシウムおよびそれらの混合物からなる群より選択される電気機械的活性セラミクス材料を、熱可塑性ポリマーバインダーおよびポリマー可塑剤と組み合わせて、第１複合ブレンドを形成する工程、
導電性材料を、熱可塑性ポリマーバインダーおよびポリマー可塑剤と組み合わせて、第２複合ブレンドを形成する工程、
第１複合ブレンドを熱プレスして、軸方向芯を有する第１供給ロッドを形成する工程、
第１供給ロッドの軸方向芯を除去して、内径および外径を有する管状供給ロッドを形成する工程、
第２複合ブレンドを熱プレスして、管状供給ロッドの内径に相当する外径を有する第２供給ロッドを形成する工程、
管状供給ロッド内に第２供給ロッドを配して、複合供給ロッドを形成する工程、
複合供給ロッドを押出して、直径の小さくなった複合フィラメントを形成する工程、
複数の複合フィラメントを圧密して、複合フィラメント供給ロッドを形成する工程、および
複合フィラメント供給ロッドを押出して、圧電および電歪特性を有する複合部位を製造する工程
を含んでなる、埋め込み電極を有する圧電／電歪構造体を製造する方法。
【請求項１６】
導電性材料がセラミクス材料である請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
導電性材料が金属材料である請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
導電性材料がセラミクス材料と金属材料とからなる混合物である請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
圧電および電歪セラミクスからなるジルコン酸チタン酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛バリウム、スズ酸ジルコン酸チタン酸鉛およびニオブ酸鉛マグネシウム、並びにそれらの混合物からなる群より選択されるセラミクス材料を含んでなる第１相と、
第１相の形成に用いられるものと異なる材料を含む第２相であって、第１相の少なくとも一部と接触しており、複合部位構造体が第１相と第２相との規則正しいミクロ構造を有する繰り返し構造単位を含む第２相と、
を含むことを特徴とする複合部位構造体。
【請求項２０】
芯材料と殻材料からなり、材料の一つが導電性材料を含み、他の材料が電気的絶縁性材料である、繊維モノリス構造体。
【請求項２１】
芯材料と殻材料からなり、材料の一つのみが圧電材料である、繊維モノリス構造体。
【請求項２２】
第２殻材料で包囲された殻材料で包囲された芯材料から構成され、芯材料と第２殻材料とが異なる起電電位を有する、繊維モノリス構造体。
【請求項２３】
芯材料と第２殻材料との間に回路手段を含む請求項２２に記載の構造体。
【請求項２４】
芯材料と殻材料との間の電位を測定する手段を含む請求項２１または２２に記載の構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー省により付与された認可番号ＤＥ−ＦＣ２６−０１ＮＴ４１０５１および弾道ミサイル防衛局により付与された認可番号ＤＡＳＧ６０−００Ｃ−００６９で米国政府に支持されて成された。従って、政府は、ここに記載の発明に特定の権利を有する。
【０００２】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２００１年１２月４日に出願され「多機能複合構造体（Ｍｕｌｔｉ−Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）」と題する同時継続米国出願番号１０／００５，０８５に基づきその利益を請求するものである。
【０００３】
（発明の属する分野）
本発明は、多機能を発揮することができる繊維モノリス（ｆｉｂｒｏｕｓ  ｍｏｎｏｌｉｔｈ）構造成分、およびそのような成分を調整するための方法に関する。より詳しくは、本発明は、使用時の構造的負荷および機械的応力に耐えることができるというような２つ以上の異なる機能と共に、歪み測定、発電および／または温度測定を含む非構造的機能も発揮することが可能な構造体に関する。
【０００４】
（発明の背景）
多重機能は、典型的には、システム中の異なる成分を用いて発揮される。換言すると、システムは個別の機能を持つ２つ以上の結合した成分を含む。しかしながら、これらのシステムは、種々の作業を行うのに必要な成分の数および種類が原因で多くの制限および不利益を含む。システムを設計する際に、例えば、寸法および重量制限、材料適合性、成分間の効果的結合および費用を、全て考慮しなくてはならない。
【０００５】
スマートマテリアル（ｓｍａｒｔ  ｍａｔｅｒｉａｌ）は、刺激を受け止め、伝達しまたは加工すると共に、有用な効果を生じることにより応答する材料である。スマートマテリアルの一例は、形状記憶合金である。例えば折り曲げにより最初の形状から変化したときに、形状記憶合金は、特定の熱処理に付されるとその最初の形状に戻ることができる。通常、形状記憶合金からなる成分は、比較的低温で変形させることができ、より高い温度に加熱したときに、その最初の形状に戻る。形状記憶合金として、例えば、金−カドミウム（ＡｕＣｄ）、鉄−白金（ＦｅＰｔ）、ニッケル−チタン（ＮｉＴｉ）、ニッケル−アルミニウム（ＮｉＡｌ）、銅−亜鉛−アルミニウム（ＣｕＺｎＡｌ）および銅−アルミニウム−ニッケル（ＣｕＡｌＮｉ）がある。そのようなスマートマテリアルは既知であるが、典型的には、システムにおいて異なる機能を発揮するために、やはり複数の材料をシステムに用いなければならない。
【０００６】
スマートマテリアルのもう一つの例は、電気機械的機能を有する成分である。そのような成分は、与えられた機械的力（圧電または発電効果）により引き起こされる寸法の変化に曝されたときに、電場を作ることができる、または逆に、適用された電場（電歪またはモーター効果）に曝されたときに機械的変形または形状変化をもたらすことができる。典型的には、圧電および／または電歪セラミクスが、電気機械的機能の基礎として用いられる。
【０００７】
圧電および／または電歪セラミクスとしては、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）、ジルコン酸チタン酸鉛バリウム（ＰＢＺＴ）、スズ酸ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＳＺＴ）、ニオブ酸鉛マグネシウム（ＰＭＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）およびチタン酸バリウムがある。これらのセラミクスは、ほとんどいかなる所定の形状または寸法で製造することができ、化学的に不活性で、湿分および他の雰囲気条件を免れる。さらに、これらのセラミクスは多機能特性を示し、変換器、リニアアクチュエーター、振動器、スイッチ、スピーカー、ベンダー、音響除去装置、センサーおよびスマートシステムを包含する装置において用いられる。
【０００８】
これらの圧電および／または電歪セラミクスの使用は、材料の特定の不利益により制限される。一つの重要な不利益は、セラミクスが脆く弱い傾向があることである。このように、引張り強さ制限が、これらの材料を利用するシステムの設計において制限因子であることが多い。
【０００９】
圧電および／または電歪セラミクスのポーリングは、変換器の製造の重要な一面である。ポーリング処理中、強力な電場がセラミクスにかけられ、次に除かれる。これにより、初期電場と同じ方向のポーリング場が得られる。しかしながら、ポーリング処理は、困難な操作であり、ポーリング処理の完了前に絶縁破壊になり、変換器を損なうことが多い。その結果、圧電／電歪セラミクスは、内側および外側に配された電極を用いて製造しなくてはならず、これにより、ポーリングおよび駆動域が下がる。しかしながら、内側と外側の両方に配置された電極を有する複合圧電および／または電歪セラミクス構造体の製造は、容易な操作ではない。これらの複合構造体を製造する従来の方法は費用と時間がかかる。
【００１０】
従って、向上した機械的特性を有すると共に、システムにおいて多数の作業（構造的と非構造的との両方）を行い、それにより、システムの信頼性を上げ、システムの複雑さを抑え、費用を下げ、あるいは従来の材料を用いて今までに遭遇していた設計制限を改良することができる材料が必要とされている。さらに、内部または埋め込み電極およびセンサーを有する構造体を含むそのような材料製造のための費用のかからない多面的な技術が必要とされている。
【００１１】
（発明の要約）
本発明は、多数の作業の実施に使用可能な特性を有し、同時に特定のシステムにおいて向上した構造的利益を提供する材料を提供することにより、従来の製造システムおよび方法において生じる問題を克服する。本発明は、また、繊維モノリス構造加工技術を用いて多機能セラミクス構造体を製造する方法も提供する。本発明は、さらに、圧電および／または電歪成分の容易なポーリングおよび低駆動電圧を提供し、労働および特別の機械加工を除くことにより費用を抑え、開発サイクルおよび設計信頼性を増加させる。
【００１２】
（発明の詳細な説明）
本発明は、２つ以上の異なる機能を奏することができる多機能構造体および、それを製造するための繊維モノリス構造（「ＦＭ」）加工技術に関する。より詳しくは、本発明は、高温酸化およびアブレーション環境に対する優れた耐久特性、優れた曲げ強度、高い破壊強靭性、発電、非破局的損傷、高酸化耐性、非常に高い融点、耐熱衝撃性、および放射線硬化性中性子吸収のような向上した機械的特性を有するＦＭ材料を利用し、それをスマートマテリアルとして使用する。本発明の材料は、多機能または「スマート」特性を有する構造成分の製造に用いることができる。すなわち、これらの成分は、例えば、構造的負荷および機械的応力に耐えることができると共に、１つまたはそれ以上の非構造的機能を奏することができる。これらの成分は、構造成分としての高水準の性能および信頼性を維持する。
【００１３】
本発明の複合材料は、ミサイルケーシング、ロケット、極超音速輸送手段の先端部およびフィン、運動エネルギー破壊飛翔体の電子ケーシング、切断ツールおよび採掘ツールを含む広く種々の用途で用いることができる。本発明によるスマートまたは多機能構造体としては、例えば、（１）エンジン操作中に電流を発生すると共にロケット上の他のシステムに電力を供給することができるロケットエンジン上のノズルまたはスラスト、（２）ロケットエンジン操作中にロケット推進剤が燃焼する際にその操作温度を測定することができるロケットエンジン上のノズルまたはスラスト、（３）穿孔操作の実行中にその作業表面に適用されるそれ自体の温度および歪みを測定することができるドリルビット、および（４）輸送手段操作中の動的負荷についての情報を測定および出力することができる、自動車ショックおよび／またはストラットにおけるような、負荷に耐えるスプリングがある。
【００１４】
ここで用いられる「繊維モノリス構造複合体」および「繊維モノリス構造」は、境界相により包囲されるが２つ以上の芯および／または殻相を含み得る少なくとも一つのセル相を各々が有する複数のモノリス構造繊維、すなわちフィラメントを含むセラミクスおよび／または金属複合体材料を意味することを意図する。繊維モノリス構造は、非破局的損傷を提供するように非脆性破壊の特徴を示す。
【００１５】
ここで用いられる「セル相」は、稠密で比較的硬質および／または強力であるモノリス構造繊維の中心に配された一次材料を意味することを意図する。セル相は、繊維の長さに沿って軸方向に伸び、横切る断面で繊維を見たときに、セル相が繊維の芯を形成する。「セル相」は、「セル」または「芯」とも呼ばれる。
【００１６】
ここで用いられる「境界相」は、比較的薄い層でモノリス構造繊維のセル相を包囲すると共に、種々の個々のセル相の間に配されて、繊維モノリス構造複合体中に複数の繊維が形成されたときにセル相の間に分離層を形成すると共にセル相を包囲する、より延性のあるおよび／または弱い材料を意味することを意図する。「境界相」は、「殻」、「セル境界」または「境界」とも呼ばれる。
【００１７】
繊維モノリス構造体（「ＦＭ」）は、連続繊維補強セラミクス複合体（ＣＦＣＣ）に類似の機械的特性を有する独自のクラスの構造セラミクスである。そのような特性は、比較的高い破壊エネルギー、損傷許容性、および損害が少ないことである。ＣＦＣＣと対照的に、ＦＭは著しく低コストで製造することができる。ＦＭはモノリス構造セラミクスであるが、通常、費用のかからない原料を用いる粉末加工技術により製造される。ＦＭの高性能特性およびＦＭの製造に関する低コストの結果、ＦＭは、セラミクス複合体について今まで典型的であったよりも広い範囲の用途において用いられる。
【００１８】
図１に示すように、ＦＭ複合体１０のマクロ構成は、通常、各々が少なくとも２つの異なる材料を含む多数のフィラメント１２を含む、すなわち、伸ばされた多結晶セル１４の状態の一次相が、セル境界１６の状態の薄い二次相により分離されている。２つの相の典型的体積分量は、一次相（多結晶セル）については繊維の約５０〜約９９％であり、相互貫入相（セル境界）については繊維の約１〜５０％である。好ましくは、体積分量は、一次相（多結晶セル）については繊維の約８０〜約９５％であり、相互貫入相（セル境界）については繊維の約５〜２０％である。一次すなわちセル相は、典型的に、金属、金属合金、炭化物、窒化物、ホウ化物、酸化物、リン酸塩またはケイ化物およびそれらの組み合わせの構造材料からなる。セルは、個々に包囲され、適合した二次相のセル境界により分離されている。二次相で用いることができる粉末は、フルオロ雲母およびリン酸ランタンのような弱いインターフェースを形成するための化合物、弱いインターフェースを形成するように機能する層内に多孔性を形成するための化合物、グラファイト粉末およびグラファイト含有粉末混合物、および六方晶窒化ホウ素粉末および窒化ホウ素含有粉末混合物を含む。金属性剥離相が望まれる場合、金属の還元性酸化物、例えば、酸化ニッケルおよび酸化鉄、または金属の粉末、例えば、ニッケル、鉄、コバルト、タングステン、アルミニウム、ニオブ、銀、レニウム、クロムまたはそれらの合金の粉末を用いることができる。
【００１９】
有利なことに、グリーンマトリクスフィラメントを提供するためのセルおよび／または境界相組成物において用いることができる粉末は、ダイアモンド、グラファイト、酸化セラミクス、炭化セラミクス、窒化セラミクス、ホウ化セラミクス、ケイ化セラミクス、金属、および金属間化合物を含む。その組成物中で用いるための好ましい粉末には、酸化アルミニウム、酸化バリウム、酸化ベリリウム、酸化カルシウム、酸化コバルト、酸化クロム、酸化ジスプロシウムおよび他の希土類金属酸化物、酸化ハフニウム、酸化ランタン、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ニオブ、酸化ニッケル、酸化スズ、リン酸アルミニウム、リン酸イットリウム、酸化鉛、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛、酸化ケイ素およびケイ酸塩、酸化トリウム、酸化チタンおよびチタン酸塩、酸化ウラニウム、酸化イットリウム、アルミン酸イットリウム、酸化ジルコニウムおよびそれらの合金；炭化ホウ素、炭化鉄、炭化ハフニウム、炭化モリブデン、炭化ケイ素、炭化タンタル、炭化チタン、炭化ウラニウム、炭化タングステン、炭化ジルコニウム、窒化アルミニウム、立方晶窒化ホウ素、六方晶窒化ホウ素、窒化ハフニウム、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ウラニウム、窒化イットリウム、窒化ジルコニウム；ホウ化アルミニウム、ホウ化ハフニウム、ホウ化モリブデン、ホウ化チタン、ホウ化ジルコニウム；二ケイ化モリブデン；リチウムおよび他のアルカリ金属およびそれらの合金；マグネシウムおよび他のアルカリ土類金属およびそれらの合金；チタン、鉄、ニッケル、クロム、コバルト、モリブデン、タングステン、ハフニウム、レニウム、ロジウム、ニオブ、タンタル、イリジウム、白金、ジルコニウム、パラジウムおよび他の遷移金属およびそれらの合金；セリウム、イッテルビウムおよび他の希土類金属およびそれらの合金；アルミニウム；炭素；鉛；スズ；およびケイ素がある。
【００２０】
セル相を含む組成物は、一般的にＦＭに関わる利益を提供するために境界相を含むものと異なる。例えば、組成物は、異なる化合物（例えば、セル相についてはＨｆＣ、境界相についてはＷＲｅ、またはＷＣ−ＣｏおよびＷ−Ｎｉ−Ｆｅ）の組成物または同じ化合物の組成物を含んでよいが、量は異なり（例えば、セル相についてはＷＣ−３％Ｃｏおよび境界相についてはＷＣ−６％Ｃｏ）、また組成物の全体特性は同じでない。例えば、亀裂偏向を制限するように２つの相の間で過度に強力な結合が生じないように組成物を選択することができる。
【００２１】
組成物の靭性を増すために、圧力領域、ミクロ亀裂領域、延性相領域または弱い剥離型インターフェースを形成するようにセル境界相を選択することができる。例えば、グラファイトおよび六方晶窒化ホウ素のような低剪断力材料が、優れた弱い剥離型セル境界を形成し、Ｓｉ３Ｎ４／ＢＮおよびＳｉＣ／グラファイトのＦＭ組成物中に存在する。弱いＢＮとグラフィトとのインターフェースは、亀裂を撓ませ剥離を生じ、それによりこれらの複合体の脆性破壊を防止すると共にそれらの破壊靭性を増す。その結果、ＦＭ構造体は、非破局的に損なわれる性能を含む、Ｃ／ＣおよびＳｉＣ／ＳｉＣ複合体のようなＣＦＣＣに類似の破壊挙動を示す。例として、Ｓｉ３Ｎｉ４／ＢＮのＦＭ材料用の置換機能としての典型的曲げ応力を図２に示し、これは、繊維モノリス構造複合体が非脆性で、破壊開始後に重大な耐負荷性能を保持することを示している。
【００２２】
スマートマテリアルとしてのＦＭ複合体は、高められた機械的特性および低下された製造コストを含むＦＭ複合体に関わる多くの利点を提供する。ＦＭ複合体は、２つ以上の所望の材料を１つの複合材料中に組み込ませ、それにより２つの材料の機能特性を組み合わせることもできる。そのような材料の組み合わせに関わる利益には、その材料から形成される構造体の寸法および重量の低下があり、同時に、他の材料と共に複合体に組み込まれた結果として維持またはさらに高められさえする、その材料の有益な特性を構造体に付与する。例えば、熱電材料接合部の寸法を、繊維モノリス構造体製造中に制御して、従来の加工技術を用いて同じ領域に製造されるよりも、所定の領域において多数の結合部が含まれ得るようにし、構造体の重量および体積電位密度の両方を増加させることができる。
【００２３】
低い剪断強度およびＢＮおよびグラファイトのようなコンプライアントセル（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ  ｃｅｌｌ）境界が、ＦＭ複合体成分の熱サイクル中に生じる拡張および収縮を調整し、それにより、熱ショック抵抗が改良される。機械的挙動観点から、そのようなセル境界は、室温および高温の両方における応力非局在化および亀裂偏向機構により、非破局的損傷を可能にする。さらに、延性のあるまたは比較的延性のあるセル境界相の存在は、ＦＭ複合体の損傷許容性および耐磨耗性を増加させる。いかなる理論によっても限定されることは意図しないが、本組成物の損傷許容性の向上は、セル境界が衝撃中の亀裂エネルギーを吸収および偏向させて、損傷が起こった場合に損傷が個々のミクロン寸法セルに分けられるＦＭ構造に起因すると考えられる。
【００２４】
繊維モノリス構造体フィラメントを調製する種々の方法が当該分野において知られており、例えばその全体が本明細書で参考のために取り込まれる米国特許第５，６４５，７８１号に開示の方法がある。通常、図３に示すように、本発明により繊維モノリス構造体フィラメントを調製する方法は、別々に、芯２０および殻２２用の出発材料をブレンドし、第１組成を有する芯２４を形成すると共に第２組成を有する殻２６を形成し、その芯および殻から供給ロッド２８を形成し、供給ロッド３０を１回以上押出してポリマー／セラミクスフィラメント３２を提供することを含む。次に、フィラメントを成形および／または配列して、本発明による所望の構造体を提供することができる。
【００２５】
粉末、熱可塑性ポリマーバインダーおよび他の加工助剤を含む「グリーン」繊維に通常のセラミクス粉末を転化するための方法を用いて、市販のセラミクスおよび金属粉末を使用して繊維モノリス構造複合体が製造される。繊維は、焼結または熱圧後の繊維に似ている伸びた多結晶セルの繊維を作るための「グリーン」状態に成形される。この方法は広く適用することができ、焼結性粉末として入手される熱力学的に適合性の材料から、セル／セル境界二成分繊維を作ることができる。ミクロ構造体の寸法は、グリーン繊維の直径（セル寸法）および被覆厚さ（セル境界）により決められる。グリーン複合繊維が一旦作られると、当業者に知られた任意の方法を用いて、例えば従来の複合体構成（例えば、単軸積み上げ、二軸積み上げ、織布等）を有する所望の成分の形状に成形することができる。熱可塑性バインダーが、バインダー熱焼却ステップにおいて除去され、成分が熱プレスまたは焼結されて、充分に圧密（ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ）され高密度化した成分が得られる。
【００２６】
供給ロッドの芯および殻は、機械的に活性化され凝集塊を含まない粉末から形成される。最終組成物において所望の機械的特性を提供するように、先に列挙した金属、合金、炭化物、窒化物、ホウ化物、酸化物およびケイ化物のような粉末が選択される。芯および殻材料用に、種々の組み合わせの粉末を用いることができる。寸法約０．０１〜約１００ミクロン（μｍ）の範囲の粒径分布を有する粉末を用いることができる。好ましくは、粉末の粒径は約１ミクロン〜約１０ミクロンである。
【００２７】
セラミクス粉末をボールミルして所望の寸法分布を得るために、必要により、マサチューセッツ州ボストン（Ｂｏｓｔｏｎ，  Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ）のＢｏｓｔｏｎ  Ｇｅａｒから市販されているようなミルステーションを用いることができる。所望のセラミクス粉末は、好ましくは、エタノールと共にボールミルされる。セラミクス／エタノールブレンドは、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）または酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）のような粉砕媒体と共にボールミルされて、ボールミルスラリーを作る。Ｓｉ３Ｎ４に加えて、必要に応じて、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）および酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）のような焼結助剤を添加し、ボールミルスラリーと一緒に粉砕する。粉末を、所望の粒径および分布を提供するのに有効な時間粉砕する。一般的な粉砕時間は、出発セラミクス材料に依り、約２４時間〜約１２０時間である。例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）粉末は約１２〜２４時間粉砕され、窒化ケイ素粉末は約２４時間粉砕され、かなり粗い耐熱性セラミクスとして購入される炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）は、典型的には、約７２〜１２０時間の長い間粉砕される。
【００２８】
粉砕操作の完了時に、ミルステーションからボールミルスラリーを集め、セラミクス／エタノール混合物を、「濾過器」としての穴の開けられた粉砕ジャーの蓋を用いて粉砕媒体から分離する。ニューヨーク州ウエストベリー（Ｗｅｓｔｂｕｒｙ，  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ）のＢｒｉｎｋｍａｎ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｉｎｃ．から市販されているＢｕｃｈｉ  Ｒｏｔａｖａｐｏｒ分離器を用いて、セラミクス粉末からエタノールを分離する。Ｂｕｃｈｉ  Ｒｏｔａｖａｐｏｒ分離器中のボールミルしたスラリーから溶媒を蒸発させ、セラミクス粉末を乾燥する。エタノール溶媒は所望により再使用のために再生する、または地方、州および連邦の廃棄物処分要請に従って適当に処分することができる。セラミクス粉末は分離器ジャーから除去され、標識を付けたプラスチックジャー内に置かれる。
【００２９】
個々のセラミクス粉末は、ニュージャージー州サウスハッケンサック（Ｓｏｕｔｈ  Ｈａｃｋｅｎｓａｃｋ，  Ｎｅｗ  Ｊｅｒｓｅｙ）のＣ．Ｗ．Ｂｒａｂｅｎｄｅｒまたはニュージャージー州パラムス（Ｐａｒａｍｕｓ，  Ｎｅｗ  ＪｅｒｓｅｙのＴｈｅｒｍｏ  Ｈａａｋｅより市販されている高剪断ミキサーを用いて、熱可塑性溶融紡糸性ポリマーバインダーと並びに、必要に応じて可塑剤のような１つまたはそれ以上の加工助剤とブレンドされて、「ドープ」とも呼ばれる平滑な均一懸濁複合ブレンドを形成する。熱可塑性バインダーの例には、ユニオン・カーバイド社からＤＰＤＡ−６１８ＮＴとして市販されているエチレンエチルアセテート（ＥＥＡ）、デュポン社（Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ  Ｃｏ）よりＥＬＶＡＸ４７０として市販されているエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）、およびペンシルバニア州フィラデルフィア（Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ，  Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ）のローム・アンド・ハース社（Ｒｏｈｍ  ａｎｄ  Ｈａａｓ）より市販されているＡｃｒｙｌｏｉｄ  Ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ  Ｒｅｓｉｎ（Ｂ−６７）がある。可塑剤の例には、Ｍｉｎｅｒａｌ  Ｏｉｌ  Ｗｈｉｔｅ，Ｈｅａｖｙ，Ｌａｂｇｕａｒｄ（登録商標）として市販されている重質鉱物油（ＨＭＯ）およびユニオン・カーバイド社より市販されている分子量が約５５０のメトキシポリエチレングリコール（ＭＰＥＧ−５５０）がある。複合ブレンドは、溶融繊維押出し工程のための所望のレオロジーを確保する粘度が得られるまで粘度変性添加剤を計量添加しつつ、約１５０℃で配合される。
【００３０】
ミキサーは一定体積の貯蔵部を有するので、バッチで製造される熱可塑性材料／セラミクスブレンド用の処方は、重量基準ではなく体積基準で配合される。例えば、一つのブレンドは、セラミクス粉末を約５０〜約６２体積％、熱可塑性材料を約３７〜約５０体積％、および可塑剤を約０〜約１２体積％からなる。すなわち、セラミクス／熱可塑性ドープのバッチの質量は、セラミクス粉末の密度と共に変化する。例えば、密度３．４４ｇ／ｃｃのＳｉ３Ｎ４のバッチは、約１ｋｇの「グリーン」化合物材料を生成する。
【００３１】
混合後、複合ブレンドを熱プレスして、グリーン複合供給ロッドにする。複合供給ロッドは、第２セラミクス材料の被覆または「殻」により封入された第１セラミクス材料の「芯」からなる。好ましい供給ロッドプレスステーションは、１つまたはそれ以上の加熱された円筒形ダイを有する水圧垂直プレスを含み、これが芯をプレスする。インジアナ州ワバシュ（Ｗａｂａｓｈ，  Ｉｎｄｉａｎａ）のＣａｒｖｅｒ  Ｉｎｃ．から市販されているような加熱された単軸プラテンプレスを用いて、複合供給ロッド用の殻をプレスする。複合供給ロッドの芯と殻の体積比は、異なるセットの機械加工された芯および殻ダイを用いることにより、任意の所望の比に系統的に変化させることができる。例えば、以下の芯／殻体積比の「グリーン」複合供給ロッド（直径２２ｍｍ）が一般的に製造される：９０／１０、８２．５／１７．５、６９／３１および５０／５０。
【００３２】
プレスされた供給ロッドを押出す。１回の押出し処理は、カリフォルニア州ローナート・パーク（Ｒｏｈｎｅｒｔ  ｐａｒｋ，  Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）のＣｏｍｐｕｍｏｔｏｒ製のＣＮＣ誘導電流（ＤＣ）サーボモーターに連結されたミシガン州サギノーのＴｈｏｍｓｏｎ  Ｓａｇｉｎａｗ製のボールスクリューを含むコンピューターで数値制御（ＣＮＣ）されたボール−スクリュー押出し機を含む。ボール−スクリューは、加熱された円筒形ダイの内容物を加圧し押出すために用いられる真鍮金属ロッドに連結される。アセンブリー全体が、金属骨組に取り付けられ垂直に保持される。複合供給ロッドを、紡糸口金を通して押出して、グリーン繊維フィラメントすなわち「スパゲッティー」を製造する。この工程は「単一フィラメント共押出し」（ＳＦＣＸ）とも呼ばれる。
【００３３】
典型的フィラメント寸法は、直径が１００μｍ、２５０μｍ、３２０μｍ、５００μｍ、７５０μｍ、１ｍｍ、２ｍｍまたは４ｍｍである。適当なオリフィス直径を有して作られた紡糸口金を用いて、約０．０１〜約１０ｍｍの直径を有するフィラメントを押出すことができる。押出されたフィラメントは、出発供給ロッドの直径２２ｍｍや押出しフィラメントの直径２５０μｍ（これは、出発供給ロッド直径の約１００倍小さい）のような直径の著しい相違にも拘わらず、最初の供給ロッドの体積割合を維持する。芯および殻用の適切なレオロジー的特性を有する熱可塑性材料／セラミクスブレンドの使用は、最初の供給ロッドの体積比を維持する。好ましくは、芯材料の粘度は、殻材料の粘度とほぼ同じである。ほぼ同じ粘度を有する芯および殻材料の使用により、向上した流動安定性および、供給ロッドの最初の形状の維持を助けるための制御が提供される。
【００３４】
通常、約２５０μｍ以下の直径を有するフィラメントは、単一フィラメント共押出しにより得ることができる。巻き取りおよび押出し工程中に、より小さな直径のグリーンフィラメントは容易に破壊されることがあり、それにより、より小さな直径のフィラメントを製造する性能が制限される。２５０μｍより小さなセル寸法を得るために、約１〜約２ｍｍの直径のフィラメントを押出し、一緒に束ねて直径約２２ｍｍの複合フィラメント供給ロッドを形成することができる。次に、この供給ロッドを紡糸口金を通して押出し、複合フィラメントスパゲッティーを製造する。この複合フィラメント共押出し（ＭＦＣＸ）手順を用いて、１０ミクロン以下に近い寸法のセルを製造することができる。
【００３５】
三次以上のＦＭシステムを、本発明に従って調製して、更なる組成物の特性の利益を提供するおよび／または殻材料を遮断することもできる。三次ＦＭシステム５０を図４に示す。三次システム５０は、内側の第１セラミクス相５６と異なる材料または第１セラミクス相５６と同一または類似の材料からなる第２セラミクス相５２を含む。第２セラミクス相５２は、各ＦＭフィラメント５８の外側表面に配され、中間境界相５４を包囲する。さらなるセラミクス相および／または境界相材料を所望によりフィラメントの周囲に層形成することにより、システムにおいてさらなる機能を奏するおよび／またはシステムにさらなる特性を付与することができる。例えば、複数の異なる殻と組み合わせた芯材料を用いることができる。
【００３６】
複数のフィラメントを一緒に束ねて、別の殻内に配置することができる。このフィラメント配列により、ＦＭ複合体を形成するように配列した場合に、本質的に「ハニカム」構造が得られる。束ねた配列は、フィラメントの機械的挙動を維持するが、外側環境および厳しい条件から「弱い」殻材料を遮断する。
【００３７】
フィラメント調製用の工程に種々に修飾し調節すると、フィラメント調製に用いられる特定の組成を変化させることができる。例えば、粘度を調節し、押出しダイの直径を変化させ、または芯および殻の相対体積を変化させることができる。当業者に知られている押出しおよび／または他のフィラメント形成方法も利用することができる。例えば、連続的共押出し修飾法も用いることができる。
【００３８】
押出した複合グリーンフィラメントは、通常、柔軟性があり、本発明の構造体に形成することができる。通常、フィラメントを束ね、織り、巻き取り、編み、切り、プレスし、または積み重ねて、真の形状に近いプレフォームを得ることができる。典型的二次元（２Ｄ）積み重ねにおいて、複合フィラメントはコンピューター数的制御（ＣＮＣ）ドラムワインダー上に巻き取られる。ワインダーは、カリフォルニア州ローナート・パークのＣｏｍｐｕｍｏｔｏｒ製のサーボモーターにより駆動される。カリフォルニア州ローナート・パークのＣｏｍｐｕｍｏｔｏｒ製の単軸動作コントローラーを用いて、フィラメントをドラムの回りに巻き取るときのフィラメントの位置を調節する。ＣＮＣドラムワインダーを用いて所望の繊維配列を有する二次元部分を作ることができる。
【００３９】
巻き取り後、複合フィラメントシートを所望の形状および寸法に切断する。切断されたシートを、任意の２Ｄ構造に積み重ねることができる（すなわち、単軸、０°／９０°、準等方性等）。２Ｄプレフォームを積み重ねた後、単軸プラテンプレスを用いて構成部品を熱ラミネートする。
【００４０】
本発明のもう一つの態様において、グリーンフィラメントをまとめ、または束ねて、円筒形または他の予め決められた形状にする。束ねられたフィラメントを切断して予め決められた長さにして、加工、成形または他の方法で処理し、所望の形状を有すると共に構造体の軸に通常平行に延びるＦＭフィラメントを有する構造体を提供する。所望により構造体の表面を横切るように１つまたはそれ以上のＦＭ層を配して、構造体の機械的特性を高める。ＤＭ複合構造体を熱ラミネートして、ＦＭフィラメントを圧密する。
【００４１】
もう一つの態様において、当業者に知られている迅速プロトタイプ技術または任意の修正迅速プロトタイプ技術を用いてＦＭ構造体を製造することができる。例えば、供給ロッドを、加熱したバレルを有する自由型製造装置に装入することができる。溶融した材料を形成し、原料処理量が高くなるように調節することができる体積流量を有する細かい蒸着ノズル中に直接供給する。溶融した材料を、高圧ノズルを通して泡パッド上に押出す。泡パッドは、４軸の運動できるコンピューター数的制御（ＣＮＣ）プラテン上に設けられる。固体自由型製造技術により、単一連続繊維から複合部分を提供する。
【００４２】
ＦＭ複合体を形成するように一緒に束ねられ、加工の結果としてフィラメントの形状の断面が本質的に六角形になるような、通常円筒形のＦＭフィラメントに言及して本発明を記載したが、当業者に認められる他の構造も考えられる。例えば、正方形、長方形または三角形断面を有するフィラメントを、それに応じて押出しダイの形状を変化させることにより得ることができる。従って、ラミネーション段階において用いられるダイの形状も、所望により変形することができる。すなわち、ＦＭ複合体におけるフィラメントの異なる形状および配置を得ることができ、これは、ＦＭ複合体の得られる機械的特性に衝撃を与えることができる。
【００４３】
ウィスコンシン州ウォータータウン（Ｗａｔｅｒｔｏｗｎ，  Ｗｉｓｃｏｎｓｉｎ）のＬｉｎｄｂｅｒｇから市販されているようなバインダー熱焼却炉を用いて、形成された複合体被覆およびＦＭ複合構造体からポリマーバインダーを除去する。熱プレス、熱アイソスタティックプレスまたは無圧焼結を含む焼結処理により、複合体被覆およびＦＭ複合構造体が最終的に圧密され高密度化される。マサチューセッツ州ソマーヴィル（Ｓｏｍｅｒｖｉｌｌｅ，  Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ）のＶａｃｕｕｍ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓから市販されているような典型的誘導熱プレスは、２４００℃の最高温度および１００トンの最大負荷が可能であり、真空、アルゴンおよび窒素雰囲気を含む幾つかの異なる環境において操作することができる。
【００４４】
本発明のもう一つの態様において、繊維モノリス構造複合体から、埋め込み電極を有する多機能圧電および／または電歪構造体が形成される。特に、繊維モノリス構造複合体のセル境界材料は、圧電および／または電歪セラミクス、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）、ジルコン酸チタン酸鉛バリウム（ＰＢＺＴ）、スズ酸ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＳＺＴ）およびニオブ酸鉛マグネシウム（ＰＭＮ）を含み、これは、固体圧電および／または電歪構造体になる。セル材料は、酸化ルテニウムのような導電性セラミクスおよび、銀／パラジウム（Ａｇ／Ｐｄ）およびニッケルチタン金属間化合物（ＮｉＴｉ）のような金属合金、またはそれらの組み合わせを含み、これらは、圧電および／または電歪ＦＭ構造体中に埋め込まれた一連の電極となる。
【００４５】
本態様において用いられる粉末は、燃焼合成技術により製造することができる。燃焼合成技術は、金属硝酸塩および有機燃料（例えば、スクロースまたはグリシン）を含む水溶液の調製を含む。この水溶液は噴霧乾燥され、液滴の自然発火を引き起こす。硝酸塩と燃料との間の熱分解反応により、化学的に均質でふわふわした前駆体粉末が形成される。前駆体粉末は、粉末の焼成に充分な温度で充分な時間加熱される。例えば、粉末は約８００℃で約５時間焼成される。次に、これらはボールミルされて、粉末を脱凝集塊する。
【００４６】
この技術を用いて形成することができる圧電挙動を示す粉末は、Ｐｂ０．９４５Ｌａ０．０５５Ｚｒ０．５６Ｔｉ０．４４Ｏ３およびＰｂ０．９６５Ｌａ０．０５５Ｚｒ０．５６Ｔｉ０．４４Ｏ３（焼結助剤としてＰｂＯ５重量％を含む）を含む。雰囲気焼成繊維用の高い焼結密度を得るために、過剰のＰｂＯを焼結助剤として添加する。この技術を用いて形成することができる電歪挙動を示す粉末はＰｂ０．９１４Ｌａ０．０８６Ｚｒ０．６５Ｔｉ０．３５Ｏ３およびＰｂ０．９２４Ｌａ０．０８６Ｚｒ０．６５Ｔｉ０．３５Ｏ３（焼結助剤として５重量％のＰｂＯを含む）を含む。雰囲気焼成繊維用の高い焼結密度を得るために、過剰のＰｂＯを焼結助剤として添加する。本発明により、相が純粋で充分に結晶性のＰＬＺＴ組成物を製造することができる。平均粒径（ｄ５０）は、レーザー散乱技術により測定して約０．７〜約１．２μｍの間である。
【００４７】
銀粉末を、出発化合物として硝酸銀および水酸化ナトリウムを用いる沈降技術により合成することができる。この技術により製造された銀粉末は、純Ａｇ金属粉末に加えて、ＡｇＯ＋、Ａｇ２Ｏおよび表面酸化Ａｇ金属粉末を含み得る。
【００４８】
本発明による繊維モノリス構造複合体は、先に記載した方法を用いて調製される。例えばＰＬＺＴ複合体ブレンドは、次のものを含む：潤滑油および可塑剤として、ＰＬＺＴ粉末５５体積％、エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）コポリマー１７．５体積％、エチレンエチルアセテート（ＥＥＡ）コポリマー１７．５体積％および重質鉱物油（ＨＭＯ）１０体積％。例えば、銀粉末複合体ブレンドは次のものを含む：潤滑油および可塑剤として、銀粉末５２体積％、エチレンエチルアクリレート（ＥＥＡ）コポリマー４６体積％、およびメトキシポリエチレングリコール（ＭＰＥＧ）２体積％。
【００４９】
他の態様において、ＦＭ繊維および複合体材料を調製する別の方法を利用することができる。表１に列挙する同時継続米国特許出願に記載のものを含む別の組成物および方法が、本明細書において参考のためにその全体が取り込まれ、本発明で用いるものと考えられる。
【表１】
2005512311.tif 000003
【００５０】
以下の実施例は、本発明の説明を意図しており、決して、本発明の範囲を制限または限定するものと見なすべきでない。
【００５１】
（実施例）
実施例１
多機能二ホウ化ジルコニウム／窒化ホウ素／炭化ホウ素（ＺｒＢ２／ＢＮ／Ｂ４Ｃ）繊維モノリス構造複合体が、本発明により調製される。この複合体において、ＺｒＢ２は内側第１セラミクス相であり、ＢＮは境界相であり、Ｂ４Ｃは外側第２セラミクス相である。ＺｒＢ２／ＢＮ／Ｂ４Ｃ三次ＦＭ複合体システムは、少なくとも以下の機能を提供する：高温に耐えることができる強力な構造材料、モノリス構造セラミクスと比較して高い破壊強靭性、優れた熱ショック抵抗、発電、および放射線硬化性中性子吸収剤。発電機能の組み込みにより、ロケットや極超音速輸送手段に搭載する電池または発電のための別の手段を削除または低減することができ、システムの複雑さが低下し、信頼性が増加し、重量およびコストが削減される。中性子を吸収するホウ素の性能が、材料システムのためのさらなる利益を提供する。硬化した三次ＦＭシステムにおけるホウ素原子が高密度であるため、システムは中性子放射線を吸収する。中性子で硬化した高温構造体材料は、中性子の影響を受け易く傷つきやすい電子機器である、運動エネルギー破壊飛翔体システムにおいて大変望ましい。この材料システムは、核融合関連用途において中性子吸収性シールドとして用いることもできる。
【００５２】
実施例２
構造複合体としてのＺｒＢ２／ＢＮ／Ｂ４Ｃの得られる機械的特性は、構成複合体、ＺＩＲＢＯＲＯＮ（商標）およびＢ４Ｃの特性の組み合わせを含み、三次ＦＭ構造により影響される。ＺＩＲＢＯＲＯＮ（商標）繊維モノリス構造体は、ＺｒＢ２セルおよびＢＮセル境界を有する。このＦＭ材料は、高温酸化的および消耗性環境に対する優れた耐熱性物質であり、優れた曲げ強度、非破局的損傷、および高酸化耐性、非常に高い融点、および優れた熱ショック励行を有する。ＺＩＲＢＯＲＯＮ（商標）ＦＭ材料の基本特性を以下の表２に示す。
【表２】
2005512311.tif 000004
【００５３】
ＺＩＲＢＯＲＯＮ（商標）システムへのＢ４Ｃの添加は、観察された熱的および機械的特性を維持するが、これは、Ｂ４Ｃも非常に優れた構造材料であることによる。Ｂ４Ｃは優れた曲げ強度（＞４００ＭＰａ）、非常に高い弾性率（＞４００ＧＰａ）、高い融点（約２４００℃）および低い密度（２．５ｇ／ｃｍ３）を有する。また、Ｂ４ＣはＺｒＢ２と反応しない。Ｂ４Ｃ（５．６ｐｐｍ／Ｋ）とＺｒＢ２（５．９ｐｐｍ／Ｋ）の熱拡散は非常に近く、Ｂ４Ｃ−ＺｒＢ２複合体が、熱的機械的損失を起こすことなく加工および過酷な温度勾配に耐えることができる。
【００５４】
実施例３
ＺｒＢ２／ＢＮ／Ｂ４Ｃ繊維モノリス構造体を製造し、１９５０℃で熱プレスすることにより圧密した。ＺｒＢ２／ＢＮ／Ｂ４Ｃ繊維モノリス構造体を圧密する条件を表３に提供する。機械的特性測定を表４に示す。
【表３】
2005512311.tif 000005
【表４】
2005512311.tif 000006
【００５５】
実施例４
実施例３の二ホウ化ジルコニウム／窒化ホウ素／炭化ホウ素ＦＭ複合体を、発電システムとして用いる。原子炭素含量が１３．３〜１９（ホウ素が高められたＢ４Ｃ）である炭化ホウ素は、ゼーベック係数が高く（＞１００ミクロボルト／Ｋ）、比較的熱伝導性が低い。これらは、ｐ形小ポーラロン半導体であり、約１０００Ｋ（約５０ジーメンス）の優れた伝導性を有する。これにより、１０００Ｋでの０．５／Ｋの優れたＺＴの顕著な熱的電気的挙動が得られる。この利点は、高い温度で増加する。Ｂ４Ｃの適合性および優れた熱的機械的特性故に、ＺｒＢ２／ＢＮ／Ｂ４Ｃシステムは、例えば、熱フラックスから発電する。このシステムにおいて、炭化ホウ素はｐ対であり、ＢＮは絶縁材であり、ＺｒＢ２はｎ対である。
【００５６】
実施例５
実施例３の二ホウ化ジルコニウム／窒化ホウ素／炭化ホウ素ＦＭ複合体を、中性子吸収システムとして用いる。同位体１０Ｂが増加したホウ素系材料は構造材料として作用することができ、硬化されて中性子を放射するさらなる利益も提供する。この中性子吸収性能は、１０Ｂの高中性子捕捉断面から生じると考えられる。１０Ｂ同位体は、僅かに１９．７８％のＢの天然存在度を有するが、１０Ｂが高められたＢ４Ｃ、ＺｒＢ２およびＢＮが容易に得られ、１０Ｂは１００％近くまで増える。１０Ｂが高められたホウ化物材料を用いて、核硬化構造セラミクスを開発することができる。ＺｒＢ２／ＢＮ／Ｂ４Ｃシステムは、１０Ｂ原子を高密度で有し、複合体ケーシング中での中性子捕捉反応の可能性が増し、放射線感受性成分への放射線損傷を排除する。このシステムは、ミサイルケーシングおよび電子ケーシングとして適用される場合、ケーシングの後の電子の中性子関連損傷を防止することができる。
【００５７】
実施例６
以下の組成のセラミクス／金属ＦＭ構造体を製造した：ＺｒＯ２／Ｎｉ、Ａｌ２Ｏ３／Ｎｉ、ＷＣ／Ｎｉ、ＷＣ／Ｎｂ、ＨｆＣ／ＷＲｅおよびＺｒＣ／ＷＲｅ。各相の比を選択する際の特性を最適化するために、機械的モデリングを利用した。これらの材料は、向上した破壊現象（靭性）を示した。延性相での亀裂緩和および／または鈍化は、モノリス構造セラミクスに対して、靭性の改良に貢献すると考えられた。
【００５８】
図５は、室温での４点曲げ方式で試験したＺｒＯ２／Ｎｉ複合体について観察された典型的な荷重たわみ曲線（ｌｏａｄ−ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｃｕｒｖｅ）である。サンプルは、５７４ＭＰａのピーク見かけ曲げ強度に達し、最初の破壊事象が起こった後に耐負荷性能をゆっくりと低下する。この特定のサンプルは、モノリス構造ＺｒＯ２セラミクスの略５０倍である２２００Ｊ／ｍ２の非弾性破壊現象を達成した。
【００５９】
セラミクス／金属ＦＭ構造体に外側セラミクス相を添加すると、システム全体についての向上した構造特性を提供する。
【００６０】
実施例７
もう一つのシステムは、三次炭化タングステン／タンスグテン−鉄−ニッケル金属合金／炭化タングステンＦＭ複合体を含む。構造材料として、このＦＭは、優れた靭性、損耗、および耐可能性を示す。これは、歪みゲージとしても機能し、高温環境での使用に適したスマート構造になる。三次セラミクス／金属／セラミクスＦＭシステムは、絶縁材として作用する外側セラミクス相および分離材として作用する金属相を提供する。
【００６１】
実施例８
実施例７のＷＣ／Ｗ−Ｆｅ−Ｎｉ／ＷＣ  ＦＭ複合体を、歪み測定システムとして用いることができる。高温において適用された負荷下で、この三次ＦＭシステム中で金属相の抵抗が変化する。抵抗の変化を測定し、適用歪みに転化するが、これは試験片の端部にＤＣ電圧を適用することにより達成される。測定された抵抗変化を校正し、システム上の適用歪みに転化する。このＦＭシステムを歪みゲージとして操作するために、各端部において金属相を結合するための結合手段が必要である。これは、試験片の端部を終わらせることによりグリーン製造中に達成される。
【００６２】
端子を有する試験片を調製する。構造を修正することなく、端子の付加により、構造体が、損耗（ｗｅａｒ）／磨耗（ａｂｒａｓｉｏｎ）抵抗および適用歪みのモニタリングを含む多機能を奏することができる。その結果、適用中に、損耗損傷、被覆の寿命、および構造体中の破局的損傷について構造体をモニターすることができる。例えば、ドリルビットに三次ＦＭ被覆を乗せると、被覆内の歪みをモニターしつつドリルビットの破壊が検出される。被覆が損傷すると、歪みはいかなる値も示さず、被覆内の損傷を示す。
【００６３】
実施例９
フィラメント軸に沿って埋め込まれた銀電極を有するＰＬＺＴ／銀（Ａｇ）フィラメントを、本発明に従って調製する。まず、ＰＬＺＴ複合体ブレンドを熱プレスして２２ｍｍのＰＬＺＴ供給ロッドを形成する。次に、ＰＬＺＴ供給ロッドの芯を穿孔して、供給ロッド内に６ｍｍの中心チャンネルを提供する。次に、銀複合体ブレンドを、熱プレスしてＡｇ供給ロッドを形成する。Ａｇ供給ロッドを、ボールスクリュー押し出し機を用いて押出して、６ｍｍの押出しＡｇロッドを形成する。押出したＡｇロッドを、ＰＬＺＴロッド内に挿入して、複合ＰＬＺＴ／Ａｇ供給ロッドを形成する。実施例の複合ＰＬＺＴ／Ａｇ供給ロッド中の銀の体積分量は約６．５体積％である。
【００６４】
複合ＰＬＺＴ／Ａｇ供給ロッドを、複合供給ロッドの体積分量および形状を維持しつつ、２ｍｍの複合単一フィラメントに押出した。この複合フィラメントを、等しい長さの部分に切断し、束ね、再び圧密して、多セル供給ロッドにする。例えば、等しい長さの９０の部分を束ね、再び圧密して多セル供給ロッドを形成することができる。多セル供給ロッドを押出して、約２１０μｍの公称グリーン直径を有する銀成分の六方配列格子を含むＰＬＺＴの２ｍｍ多セルフィラメントが形成される。
【００６５】
保護的ＰｂＯ雰囲気下、ＰＬＺＴ／Ａｇ単一フィラメントおよびＰＬＺＴ／Ａｇ複合セルラーフィラメントを９２５℃で５時間焼結した。ＰＬＺＴ／Ａｇ単一フィラメントのオームメーター測定値は、軸に沿って１５ｃｍの長さに３オーム（ｏｈｍ）を超える抵抗を示した。走査形電子顕微鏡観察により、繊維中の多孔質チャンネル中に球状の銀粒子があることが分かり、溶融銀の形成が示された。
【００６６】
本発明に種々の変性を加えて、特定のシステムにおいて２つ以上の機能を奏することができる材料の特性をさらに向上させることが可能である。すなわち、本発明の実施の変形例および変化は、本発明の前記詳細な説明を考慮すると当業者に明らかである。好ましい態様を前述し添付の図面に示したが、本発明の範囲をこれらおよび他の特定の態様に限定する意図はない。その結果、いかなるそのような変形例および変化も、特許請求の範囲の範囲に含まれると解される。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明による単軸繊維モノリス構造複合体の斜視断面図である。
【図２】本発明による繊維モノリス構造複合体の別の機能としての曲げ応力を示すグラフである。
【図３】本発明による複合繊維を調製する方法を示す模式的フロー図である。
【図４】本発明による三次複合システムを示す単軸繊維モノリス構造複合体の斜視断面図である。
【図５】本発明による繊維モノリス構造複合体の別の機能としての負荷を示すグラフである。
【図１】
2005512311.tif 000007
【図２】
2005512311.tif 000008
【図３】
2005512311.tif 000009
【図４】
2005512311.tif 000010
【図５】
2005512311.tif 000011
【国際調査報告】
2005512311.tif 000012
2005512311.tif 000013
2005512311.tif 000014