(57)【要約】      （修正有）【課題】改善された材料特性を有するセラミック材料を提供するための、改善されたボンディングエレメント、ボンディングマトリックス、及びボンディングエレメントを含む複合材料の提供。【解決手段】ボンディングエレメントの第１の層及び第２の層構造又はコア、第１の層及び第２の層構造の結果としての、機械的特性、熱的特性、磁気的特性、光学的特性及び核特性を含むが、これらに限定されない、最適化することができる広範囲の魅力的な特性を有する複合材料、並びにボンディングエレメント及び対応するセラミック及び／又は複合材料を製作する方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ又は複数の化学元素を含む第１の化学組成を有するコアと、
コアの辺縁部を少なくとも部分的に覆い、第１の化学組成と異なる化学組成であり、第
１の化学組成の化学元素の１つに対応する陽イオンを含む第２の化学組成を有する第１の
層と、
第１の層の辺縁部を少なくとも部分的に覆い、第１及び第２の化学組成と異なる化学組
成であり、第１の化学組成の化学元素の１つに対応する陽イオンを含む第３の化学組成を
有する第２の層と
を含む、ボンディングエレメント。
【請求項２】
第１の化学組成が少なくとも２種の化学元素を含み、第２の化学組成に随伴する陽イオ
ンが第１の化学組成の少なくとも２種の化学元素の第１の化学元素に対応し、第３の化学
組成に随伴する陽イオンが第１の化学組成の少なくとも２種の化学元素の第２の化学元素
に対応する、請求項１に記載のボンディングエレメント。
【請求項３】
第１の化学組成が少なくとも２種の化学元素を含み、第２の化学組成に随伴する陽イオ
ンが第１の化学組成の少なくとも２種の化学元素の第１の化学元素に対応し、第３の化学
組成に随伴する陽イオンが第１の化学組成の少なくとも２種の化学元素の第１の化学元素
に対応する、請求項１に記載のボンディングエレメント。
【請求項４】
第１の化学組成が１つの化学元素のみを含む、請求項１に記載のボンディングエレメン
ト。
【請求項５】
第２の化学組成に随伴する陽イオンが第１の化学組成の化学元素の１つに対応する陰イ
オンと結合している、請求項１に記載のボンディングエレメント。
【請求項６】
第３の化学組成に随伴する陽イオンが反応物に対応する陰イオンと結合している、請求
項５に記載のボンディングエレメント。
【請求項７】
第２の化学組成に随伴する陽イオンが第１の反応物に対応する陰イオンと結合している
、請求項１に記載のボンディングエレメント。
【請求項８】
第３の化学組成に随伴する陽イオンが第２の反応物に対応する陰イオンと結合している
、請求項７に記載のボンディングエレメント。
【請求項９】
第２及び第３の化学組成に随伴する陽イオンがアルカリ土類金属である、請求項１に記
載のボンディングエレメント。
【請求項１０】
第２及び第３の化学組成に随伴する陽イオンがＣａ＋２及びＭｇ＋２から選択される、
請求項９に記載のボンディングエレメント。
【請求項１１】
コアが等軸状である、請求項１に記載のボンディングエレメント。
【請求項１２】
コアが楕円状である、請求項１に記載のボンディングエレメント。
【請求項１３】
コアが繊維状である、請求項１に記載のボンディングエレメント。
【請求項１４】
第１の層が非晶質層である、請求項１に記載のボンディングエレメント。
【請求項１５】
コアが対称形状を有する、請求項１に記載のボンディングエレメント。
【請求項１６】
コアが非対称形状を有する、請求項１に記載のボンディングエレメント。
【請求項１７】
コアが薄片の形状である、請求項１に記載のボンディングエレメント。
【請求項１８】
コアがＣａＳｉＯ３を含む、請求項１に記載のボンディングエレメント。
【請求項１９】
コアがＭｇＳｉＯ３を含む、請求項１に記載のボンディングエレメント。
【請求項２０】
コアが一般式ＭａＭｅｂＯｃ又はＭａＭｅｂ（ＯＨ）ｃを有する少なくとも１つの合成
製剤を含み、Ｍが、反応して炭酸塩を形成し得る１つ又は複数の金属を含み、Ｍｅが、炭
酸化反応中に酸化物を形成し得る１つ又は複数の金属である、請求項１に記載のボンディ
ングエレメント。
【請求項２１】
Ｍがカルシウム又はマグネシウムから選択されるアルカリ土類金属であり、Ｍｅがケイ
素、チタン、アルミニウム、リン、バナジウム、タングステン、モリブデン、ガリウム、
マンガン、ジルコニウム、ゲルマニウム、銅、ニオブ、コバルト、鉛、鉄、インジウム、
ヒ素及びタンタルの群から選択される、請求項２０に記載のボンディングエレメント。
【請求項２２】
第１の層が結晶層である、請求項１に記載のボンディングエレメント。
【請求項２３】
第１の層がアルミニウム、ケイ素又は鉄の酸化物又は水酸化物を含む、請求項１に記載
のボンディングエレメント。
【請求項２４】
第１の層が酸化アルミニウム、酸化ケイ素及び酸化鉄の少なくとも１つを含む、請求項
１に記載のボンディングエレメント。
【請求項２５】
第１の層が水酸化アルミニウム、水酸化ケイ素及び水酸化鉄の少なくとも１つを含む、
請求項１に記載のボンディングエレメント。
【請求項２６】
前駆体物質の化学組成と異なり、前駆体物質の化学組成に見いだされる化学元素に対応
する陽イオンを含む化学組成を有する第１の層と、
第１の層の辺縁部を少なくとも部分的に覆い、第１の層及び前駆体物質の化学組成と異
なり、前駆体物質の化学組成に見いだされる化学元素に対応する陽イオンを含む化学組成
を有する第２の層と
を含むボンディングエレメント。
【請求項２７】
それぞれが、１つ又は複数の化学元素を含む第１の化学組成を有するコアと、コアの辺
縁部を少なくとも部分的に覆い、第１の化学組成と異なる化学組成であり、第１の化学組
成の化学元素の１つに対応する陽イオンを含む第２の化学組成を有する第１の層と、第１
の層の辺縁部を少なくとも部分的に覆い、第１及び第２の化学組成と異なる化学組成であ
り、第１の化学組成の化学元素の１つに対応する陽イオンを含む第３の化学組成を有する
第２の層とを含む、複数のボンディングエレメントを含むボンディングマトリックス。
【請求項２８】
それぞれが、前駆体物質の化学組成と異なり、前駆体物質の化学組成に見いだされる化
学元素に対応する陽イオンを含む化学組成を有する第１の層と、第１の層の辺縁部を少な
くとも部分的に覆い、第１の層及び前駆体物質の化学組成と異なり、前駆体物質の化学組
成に見いだされる化学元素に対応する陽イオンを含む化学組成を有する第２の層とを含む
、複数のボンディングエレメントを含むボンディングマトリックス。
【請求項２９】
第２の層が、石灰石、大理石粉材、炭酸カルシウムに富む骨材、セッコウ、砂及びシリ
カに富む骨材並びにそれらの組合せからなる群から選択される１つ又は複数の活性粒子状
物質と結合している炭酸塩相からなる、請求項２８に記載のボンディングマトリックス。
【請求項３０】
第２の層が連続相又は不連続相である、請求項２８に記載のボンディングマトリックス
。
【請求項３１】
多孔質である、請求項２８に記載のボンディングマトリックス。
【請求項３２】
ボンディングエレメントが１−Ｄ配向、２−Ｄ配向、３−Ｄ配向、ランダム配向で配向
している又はパーコレーションネットワークを形成している、請求項２８に記載のボンデ
ィングマトリックス。
【請求項３３】
ボンディングエレメントの少なくとも一部が互いに接触している、請求項２８に記載の
ボンディングマトリックス。
【請求項３４】
第２の層が、石灰石、大理石粉材、炭酸カルシウムに富む骨材、セッコウ、砂及びシリ
カに富む骨材並びにそれらの組合せからなる群から選択される１つ又は複数の活性粒子状
物質と結合しているＣａＣＯ３からなる、請求項２８に記載のボンディングマトリックス
。
【請求項３５】
水和物不含有セメント系結合材をさらに含む、請求項２７又は２８に記載のボンディン
グマトリックス。
【請求項３６】
ボンディングエレメントをセメント系材料、モルタル及びグラウトとして使用するステ
ップを含む、請求項２７又は２８に記載のボンディングマトリックスを使用する方法。
【請求項３７】
請求項２７又は２８に記載のボンディングマトリックスと、
ボンディングマトリックスに組み込まれた充填材料と
を含む複合材料。
【請求項３８】
充填材料が不活性材料を含む、請求項３７に記載の複合材料。
【請求項３９】
不活性材料が複数の等軸状粒子を含む、請求項３８に記載の複合材料。
【請求項４０】
不活性材料が複数の異方性粒子を含む、請求項３８に記載の複合材料。
【請求項４１】
不活性材料が等軸状粒子と異方性粒子の組合せを含む、請求項３８に記載の複合材料。
【請求項４２】
充填材料が活性材料を含む、請求項３７に記載の複合材料。
【請求項４３】
活性材料が複数の等軸性粒子を含む、請求項４２に記載の複合材料。
【請求項４４】
活性材料が複数の異方性粒子を含む、請求項４２に記載の複合材料。
【請求項４５】
活性材料が等軸状粒子と異方性粒子の組合せを含む、請求項４２に記載の複合材料。
【請求項４６】
充填材料が、
第１の複数の第１のサイズの粒子及び第２の複数の第２のサイズの粒子を含み、第２の
サイズの粒子が第１のサイズの粒子よりサイズが実質的に大きく、ボンディングマトリッ
クス、第１のサイズの粒子及び第２のサイズの粒子が、複合材料が階層構造を形成するよ
うに配置されている、請求項３７に記載の複合材料。
【請求項４７】
ボンディングマトリックスが、隣接する第１のサイズの粒子の間の多孔性空間内に実質
的に配置され、隣接する第１のサイズの粒子が、隣接する第２のサイズの粒子の間の多孔
性空間内に配置されている、請求項４６に記載の複合材料。
【請求項４８】
ボンディングマトリックスが、隣接する第１のサイズの粒子のそれぞれの辺縁部を少な
くとも部分的に覆っている、請求項４７に記載の複合材料。
【請求項４９】
ボンディングエレメントが１−Ｄ配向で整列している、請求項３７に記載の複合材料。
【請求項５０】
ボンディングエレメントが２−Ｄ配向で整列している、請求項３７に記載の複合材料。
【請求項５１】
ボンディングエレメントが３−Ｄ配向で整列している、請求項３７に記載の複合材料。
【請求項５２】
ボンディングエレメントがランダム配向で整列している、請求項３７に記載の複合材料
。
【請求項５３】
約１ＧＰａ〜３０ＧＰａのビッカース硬度を有する、請求項３７に記載の複合材料。
【請求項５４】
１４〜約３，０００ＭＰａの間で変化する圧縮強度及び約３８０ＭＰａ未満の曲げ強度
を有する、請求項３７に記載の複合材料。
【請求項５５】
６０×１０−６／ｐｓｉ未満のクリープひずみを示す、請求項３７に記載の複合材料。
【請求項５６】
７００Ｃ未満のＣｌ−透過性を示す、請求項３７に記載の複合材料。
【請求項５７】
自己補強性であり、６Ｊを超える耐落球衝撃性を有する、請求項３７に記載の複合材料
。
【請求項５８】
鋼繊維で強化され、１０Ｊを超える耐落球衝撃性を有する、請求項３７に記載の複合材
料。
【請求項５９】
破壊時に延性挙動及び強度保持を示す、請求項３７に記載の複合材料。
【請求項６０】
耐熱衝撃性を有する、請求項３７に記載の複合材料。
【請求項６１】
約０．１３Ｗ／ｍ．ｋより大きく、約１９６Ｗ／ｍ．ｋより小さい熱伝導率を有する、
請求項３７に記載の複合材料。
【請求項６２】
以下の特性の少なくとも１つを示す、請求項３７に記載の複合材料。
（ｉ）少なくとも４．０４×１０６ｐｓｉの弾性率、
（ｉｉ）少なくとも３９０ｐｓｉの割裂引張強度、
（ｉｉｉ）ＡＳＴＭ  Ｃ９４４を用いた１．００ｍｍ未満の平均磨滅
（ｉｖ）ＡＳＴＭ  Ｃ６６６による少なくとも３００サイクルの耐凍結融解性、
（ｖ）ＡＳＴＭ  Ｃ６７２を用いて試験するときｘ＜１の耐可視スケーリング性、
（ｖｉ）ＡＳＴＭ  Ｃ１５７により測定される無視できる収縮、及び
（ｖｉｉ）無視できるアルカリ−ケイ酸塩反応。
【請求項６３】
３×１０−６／℃〜１５×１０−６／℃の熱膨張係数を有する、請求項３７に記載の複
合材料。
【請求項６４】
６〜９００Ｊ／モル・Ｋの熱容量を示す、請求項３７に記載の複合材料。
【請求項６５】
０．０４〜０．９の反射係数を有する、請求項３７に記載の複合材料。
【請求項６６】
約１〜約９９体積％の多孔度をさらに有する、請求項３７に記載の複合材料。
【請求項６７】
約１〜約７０体積％の多孔度を好ましくは有する、請求項６６に記載の複合材料。
【請求項６８】
最も好ましくは約１〜１０体積％の多孔度を有する、請求項６７に記載の複合材料。
【請求項６９】
最も好ましくは約５０〜７０体積％の多孔度を有する、請求項６７に記載の複合材料。
【請求項７０】
ボンディングマトリックスが約１〜９９体積％の体積分率を含む、請求項３７に記載の
複合材料。
【請求項７１】
ボンディングマトリックスが好ましくは約８〜９９体積％の体積分率を含む、請求項７
０に記載の複合材料。
【請求項７２】
ボンディングマトリックスが最も好ましくは約８〜３０体積％の体積分率を含む、請求
項７１に記載の複合材料。
【請求項７３】
ボンディングマトリックスが少なくとも１つの相互連結性パターンを示す、請求項３７
に記載の複合材料。
【請求項７４】
１レベル、２レベル、３レベル、４レベル又はそれらの組合せを含む階層構造をさらに
含む、請求項３７に記載の複合材料。
【請求項７５】
水和物不含有セメント系結合材をさらに含む、請求項３７に記載の複合材料。
【請求項７６】
炭酸カルシウム、セッコウ、砂、骨材、鉱物、金属繊維、有機繊維、セラミック繊維、
廃棄コルク顆粒、消泡剤、超微細粒子、低密度骨材、高密度骨材又はそれらの組合せを含
む少なくとも１つの添加物をさらに含む、請求項３７に記載の複合材料。
【請求項７７】
モノリス固体をさらに含む、請求項３７に記載の複合材料。
【請求項７８】
ポリマー、着色剤、分散剤、金属又はそれらの組合せの少なくとも１つをさらに含む、
請求項３７に記載の複合材料。
【請求項７９】
天然石に類似する色及び風合をさらに含む、請求項３７に記載の複合材料。
【請求項８０】
大理石、石灰石、砂岩、花崗岩、テラコッタ、石灰華及び蛇紋岩からなる群から選択さ
れる物質に類似する色及び風合をさらに含む、請求項３７に記載の複合材料。
【請求項８１】
建築コンクリートに類似する色及び風合をさらに含む、請求項３７に記載の複合材料。
【請求項８２】
モルタル、グラウト及び高強度構造レンガからなる群から選択される１つに類似する色
及び風合をさらに含む、請求項３７に記載の複合材料。
【請求項８３】
高強度コンクリート、早強コンクリート、高性能コンクリート、超高性能コンクリート
、気泡コンクリート、セルラーコンクリート、透水性コンクリート、高密度コンクリート
、重量コンクリート、マスコンクリート、プレストレストコンクリート、自己充填コンク
リート、転圧コンクリート、建築コンクリート、吹付けコンクリート、キャスタブルコン
クリート及びゼロスランプコンクリートの１つ又は複数に複合材料を使用するステップを
含む、請求項３７に記載の複合材料を使用する方法。
【請求項８４】
ビルディング、建設物、道路、橋及び他の社会基盤用途の１つ又は複数に複合材料を使
用するステップを含む、請求項３７に記載の複合材料を使用する方法。
【請求項８５】
遮音、放射線遮蔽、耐炎、耐火、極端な気候条件、海洋用途、極低温用途、耐震構造、
ジオシンセティックタイプの構造並びに耐発射体及び爆風用途の１つ又は複数に複合材料
を使用するステップを含む、請求項３７に記載の複合材料を使用する方法。
【請求項８６】
１つ又は複数の電子、光学、磁気、生物医学、生物工学、医薬、農業、電気化学、触媒
、核、エネルギー貯蔵、エネルギー発生、航空宇宙、自動車、胴体保護具及び車両装甲、
テキスタイル、研磨及び切断、化学的分離、光電気、熱電子及び／又はエレクトロルミネ
ッセンス用途に複合材料を使用するステップを含む、請求項３７に記載の複合材料を使用
する方法。
【請求項８７】
複数の前駆体粒子を含み、ある程度の多孔度を有する前駆体物質を準備するステップと
、
液体溶媒を前駆体物質の細孔に導入するステップと、
ガス状反応物を前駆体物質の細孔に導入し、それにより、前駆体粒子を第１の層及び第
２の層を有するボンディングエレメントに変態するステップと
を含む複合材料を製造する方法。
【請求項８８】
前駆体粒子の少なくとも一部が反応物と反応せず、残存してボンディングエレメントの
コアを形成する、請求項８７に記載の方法。
【請求項８９】
前駆体粒子のすべてが変態されて第１及び第２の層を形成し、それにより、ボンディン
グエレメントに前駆体粒子を残さない、請求項８７に記載の方法。
【請求項９０】
液体溶媒を前駆体物質の細孔に導入するステップが、液体が前駆体物質の細孔を満たす
ように前駆体物質を飽和させるステップを含む、請求項８７に記載の方法。
【請求項９１】
液体溶媒を前駆体物質の細孔に導入するステップが、前駆体物質の細孔に液体を部分的
に満たすステップを含む、請求項８７に記載の方法。
【請求項９２】
液体溶媒を前駆体物質の細孔に導入するステップが、
液体を蒸発させるステップと、
液体が前駆体物質の細孔全体に分布するように液体を凝縮させるステップと
をさらに含む、請求項９１に記載の方法。
【請求項９３】
前駆体物質を充填材料と混合するステップをさらに含む、請求項９１に記載の方法。
【請求項９４】
充填材料が不活性材料を含む、請求項８７に記載の方法。
【請求項９５】
不活性材料が複数の等軸状粒子を含む、請求項８７に記載の方法。
【請求項９６】
不活性材料が複数の異方性粒子を含む、請求項８７に記載の方法。
【請求項９７】
不活性材料が等軸状粒子と異方性粒子の組合せを含む、請求項８７に記載の方法。
【請求項９８】
充填材料が活性材料を含む、請求項８７に記載の方法。
【請求項９９】
活性材料が複数の等軸状粒子を含む、請求項９８に記載の方法。
【請求項１００】
活性材料が複数の異方性粒子を含む、請求項９８に記載の方法。
【請求項１０１】
活性材料が等軸状粒子と異方性粒子の組合せを含む、請求項９８に記載の方法。
【請求項１０２】
複数の前駆体粒子を含む前駆体物質を準備するステップが前駆体粒子を所望の配向で整
列させるステップを含む、請求項８７に記載の方法。
【請求項１０３】
前駆体粒子を所望の配向で整列させるステップが前駆体粒子を１−Ｄ配向で整列させる
ステップを含む、請求項８７に記載の方法。
【請求項１０４】
前駆体粒子を所望の配向で整列させるステップが前駆体粒子を２−Ｄ配向で整列させる
ステップを含む、請求項８７に記載の方法。
【請求項１０５】
前駆体粒子を所望の配向で整列させるステップが前駆体粒子を３−Ｄ配向で整列させる
ステップを含む、請求項８７に記載の方法。
【請求項１０６】
複数の前駆体粒子を含む前駆体物質を準備するステップが前駆体粒子をランダム配向で
配置するステップを含む、請求項８７に記載の方法。
【請求項１０７】
ボンディングエレメントを製作する方法であって、
（ｉ）反応性前駆体を準備するステップと、
（ｉｉ）反応性前駆体の少なくとも一部を変態して、前駆体の非変態部分の上に第１の
層、及び第１の層の少なくとも一部の上に封入層を形成し、それにより、ボンディングエ
レメントを形成させるステップとを含み、
第１の層が少なくとも１つの第１の陽イオンを前駆体と共有し、
封入層が少なくとも１つの第２の陽イオンを前駆体と共有している、上記方法。
【請求項１０８】
変態が不均化反応による、請求項１０７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、２０１１年３月５日に出願した米国特
許仮出願第６１／４４９，６５９号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、一般的にセラミック及び／又は複合材料に関する。より具体的には、本発明
は、セラミック及び／又は複合材料に関連する機械的及び他の特性を改善するボンディン
グエレメントを含むセラミック及び／又は複合材料、並びにボンディングエレメント並び
に対応するセラミック及び／又は複合材料を製作する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
セメント、コンクリート及び他の同様の材料などの従来のセラミック材料は、脆弱な材
料特性を示し得る。これらの脆弱な材料特性は、材料における結合、例えば、水和物結合
がしばしば弱いという事実に起因し得る。水和物結合は、その分子形態の水を含む結合で
ある。水和ポルトランドセメントは、ＣａＯ・２ＳｉＯ２・４Ｈ２Ｏ及びＣａＯ・Ｈ２Ｏ
などの水和物結合を含む材料の例である。この脆弱性は、明らかに望ましくない材料特性
である、セラミック材料が永久的に破壊された状態になる原因となり得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、改善された材料特性を有するセラミック材料を提供するために、セメント
、コンクリート及び他の同様の材料などのセラミック材料に関連する結合及びより一般的
にはボンディングマトリックスを改善する必要性が存在する。
【０００５】
本明細書において引用したすべての参考文献は、参照によりそれらの全体として組み込
まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の例示的な実施形態によれば、ボンディングエレメント、ボンディングマトリッ
クス、複合材料及び前記ボンディングエレメントを製作する方法は、ボンディングエレメ
ントのコア／第１の層／第２の層構造の結果としての、機械的特性、熱的特性、磁気的特
性、光学的特性及び核特性を含むが、これらに限定されない、最適化することができる広
範囲の魅力的な特性を生じさせる。
【０００７】
本発明のさらなる特徴及び利点は、続く説明において示され、説明からある程度明らか
であり、或いは本発明の実施により確認することができる。本発明の目的及び他の利点は
、本明細書及び本願書の特許請求の範囲並びに添付図面に特に指摘されている構造により
明確に理解され、達成される。
【０００８】
前述の一般的説明及び以下の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、特
許請求する本発明のさらなる説明を行うことを意図するものであることを理解すべきであ
る。
【０００９】
本発明のさらなる理解を可能にするために含め、本明細書に組み込まれ、その一部を構
成する添付図面は、本発明の実施形態を例示し、説明とともに本発明の原理を説明する役
割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】３種の例示的なコア形態：（ａ）繊維状、（ｂ）楕円形及び（ｃ）等軸状を示す、本発明の例示的な実施形態による単一ボンディングエレメントの概略の断面図である。
【図２−１】（ａ）希薄ボンディングマトリックス中の１Ｄ配向繊維状ボンディングエレメント(ボンディングエレメントは接触していない)、（ｂ）希薄ボンディングマトリックス中の２Ｄ配向小板状ボンディングエレメント(ボンディングエレメントは接触していない)、（ｃ）希薄ボンディングマトリックス中の３Ｄ配向小板状ボンディングエレメント(ボンディングエレメントは接触していない)を示す、並びに（ｄ）希薄ボンディングマトリックス中のランダム配向の小板状ボンディングエレメント(ボンディングエレメントは接触していない)を示し、ボンディングマトリックス及びポリマー、金属、無機粒子、骨材等などの充填剤成分を含む、（ｅ）マトリックスが３Ｄ配向したボンディングエレメントの濃縮ボンディングマトリックス(パーコレーションネットワークを構築するのに十分な体積分率を有する)及び（ｆ）ランダム配向ボンディングエレメントの濃縮ボンディングマトリックス(パーコレーションネットワークを構築するのに十分な体積分率を有する)を示し、ポリマー、金属、無機粒子、骨材等などの充填剤成分を含めることができる、本発明の例示的な実施形態による複合材料の側面図及び断面図である。互いに接触しているボンディングエレメントの混合物及び分散型ユニットであるその他のものを含む構造も構想されるが、ここには示さない。ボンディングエレメントは、図1に示す基本的多層構造のいずれかを含み得るか、又はさらなる形態を有し得るが、この図に簡略化した形で示す。明瞭さを期すために代表的なコア粒子の形態の断面を示す。
【図２−２】（ａ）希薄ボンディングマトリックス中の１Ｄ配向繊維状ボンディングエレメント(ボンディングエレメントは接触していない)、（ｂ）希薄ボンディングマトリックス中の２Ｄ配向小板状ボンディングエレメント(ボンディングエレメントは接触していない)、（ｃ）希薄ボンディングマトリックス中の３Ｄ配向小板状ボンディングエレメント(ボンディングエレメントは接触していない)を示す、並びに（ｄ）希薄ボンディングマトリックス中のランダム配向の小板状ボンディングエレメント(ボンディングエレメントは接触していない)を示し、ボンディングマトリックス及びポリマー、金属、無機粒子、骨材等などの充填剤成分を含む、（ｅ）マトリックスが３Ｄ配向したボンディングエレメントの濃縮ボンディングマトリックス(パーコレーションネットワークを構築するのに十分な体積分率を有する)及び（ｆ）ランダム配向ボンディングエレメントの濃縮ボンディングマトリックス(パーコレーションネットワークを構築するのに十分な体積分率を有する)を示し、ポリマー、金属、無機粒子、骨材等などの充填剤成分を含めることができる、本発明の例示的な実施形態による複合材料の側面図及び断面図である。互いに接触しているボンディングエレメントの混合物及び分散型ユニットであるその他のものを含む構造も構想されるが、ここには示さない。ボンディングエレメントは、図1に示す基本的多層構造のいずれかを含み得るか、又はさらなる形態を有し得るが、この図に簡略化した形で示す。明瞭さを期すために代表的なコア粒子の形態の断面を示す。
【図３】本発明の例示的な実施形態による２成分複合材料系における異なる連結パターン(connectivity patterns)を示す図である。網掛け領域は、ボンディングマトリックスの領域を示し、非網掛け領域は、金属、骨材、無機粒子又はポリマーなどの充填剤成分である(図３はR. E. Newnham、D.P. Skinner及びL. E. Cross、「Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites」、Mat. Res. Bull.、13巻、525〜536頁、1978年から転載)。
【図４】（ａ）ボンディングマトリックス及びボンディングマトリックス中にランダムに分布した等軸性充填剤粒子を含む本発明の例示的な実施形態による３−０複合材料及び（ｂ）ボンディングマトリックス及び配向性繊維状充填剤成分を含む本発明の例示的な実施形態による３−１複合材料を示す図である。
【図５】非晶質シリカによって封入され、ＣａＣＯ３粒子によって囲まれた結晶性ケイ灰石コア繊維から構成された本発明の例示的な実施形態によるボンディングマトリックスの（ａ）二次電子（ＳＥ）及び（ｂ）後方散乱電子（ＢＳＥ）走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す図である。
【図６】Ｓｉ（図６（ａ））及びＣａ（図６（ｂ））マップの重ね合せを示す、本発明の例示的な実施形態によるボンディングマトリックスのエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）化学マッピングを示す図である。図６（ｃ）においてＣａＳｉＯ、ＳｉＯ２及びＣａＣＯ３の領域を矢印により示す。繊維状のケイ灰石（ＣａＳｉＯ３）コア粒子がＳｉＯ２に富む領域によって封入され、ＣａＣＯ３粒子によって囲まれている。
【図７】本発明の実施形態によるＰ３ボンディングマトリックス上の２０Ｎのビッカース硬度圧痕（表６）の電界放射走査型電子顕微鏡（ＦＥＳＥＭ）画像を示す図である。
【図８】（ａ）圧痕（ＳＥ画像）、（ｂ）（ＢＳＥ画像）におけるＤと印されたより高倍率の箇所及び（ｃ）コアケイ灰石粒とシリカ相コーティングとの間の強固な界面のＦＥＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図９】本発明の実施形態の圧縮におけるＰ３ボンディングマトリックス（表４も参照）の応力対変位曲線を示す図である。
【図１０】本発明の例示的な実施形態の圧縮におけるＦＢ４複合材料（表３を参照）の応力対変位曲線を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態によるＰ３ボンディングマトリックス（表４も参照）と（ａ）ＳｉＯ２及び（ｂ）ＳｉＯ２、（ｃ）高Ｃａフライアッシュ（ＨＣＦＡ）及び（ｄ）ＣａＣＯ３との相互作用を示す図である。Ｐ３ボンディングマトリックス及びＳｉＯ２界面（図１１（ａ）及び（ｂ））の観察により、ケイ灰石コア繊維の周りのＣａＣＯ３粒子及びシリカに富むコーティングが外部から添加したシリカ粒子との界面を形成したことが明らかになっている。
【図１２】本発明の実施形態による０−３複合材料の破壊挙動を示す図である。図１２（ａ）に構造に空孔を有するＰ３ボンディングマトリックス（表４も参照）中に７０体積％の砂（シリカ）粒子状成分が分散されている０−３複合材料を示す。この複合材料は、圧縮中に劣化破壊を示し、≒５５ＭＰａの圧縮強度を有していた（図１２（ｂ））。
【図１３】異なるレベルの反復階層構造を有する本発明の例示的な実施形態を示す図である。図１３（ａ）〜１３（ｂ）に１レベル階層系を示し、図１３（ｃ）〜図１３（ｄ）に２レベル階層系を示す。
【図１４】本発明の実施形態による複合材料の異なる光学顕微鏡写真である。図１４（ａ）及び１４（ｂ）に、それぞれ１：２：２の容積比のＦＢ１繊維コア（表３）、（３００〜５００）μｍ砂及び（２〜４）ｍｍ砂礫を用いることにより形成された複合材料の光学顕微鏡写真を示し、図１４（ｃ）に、砂粒子の空隙におけるボンディングマトリックスを示すが、ボンディングマトリックスの厚い層が砂粒子を取り囲んで、接着相としても機能していた。
【図１５】−４０℃〜１００℃の温度サイクリング中のＦＢ１Ｂの（ａ）微小ひずみ対温度及び（ｂ）温度対時間プロファイルを示す図である。
【図１６】温度の関数としてのＰ３（表４）の比熱（ｃｐ）のプロットを示す図である。実験は、ＡＳＴＭ  Ｅ１２６９に従って実施した。
【図１７】（ａ）通常の天然砂岩及び本発明の実施形態による砂岩模造品、（ｂ）通常の花崗岩及び本発明の実施形態による花崗岩模造品並びに（ｃ）通常のテラコッタ及び本発明の実施形態によるテラコッタ模造品のデジタル写真である。
【図１８】ボンディングマトリックス（１０４℃及び≒３００ｐｓｉＣＯ２初期開始圧力）の（ａ）圧縮及び（ｂ）引張強度に対する反応時間の影響を示す図である。Ｐ３ボンディングマトリックスは、２０時間の反応の後に形成される（表４）。
【図１９】（ａ）本発明の実施形態による金属繊維を含むＦＢ１Ｂボンディングマトリックス、（ｂ）本発明の実施形態による純粋ＣＰＣ２マトリックス（曲線Ａ）並びに本発明の実施形態による１０重量％金属繊維（曲線Ｃ，組成物ＦＲＣＰＣ２、表１６）及び２．５重量％ＰＶＡ繊維（曲線Ｂ）を含むＣＰＣ２の曲げ強度対変位のプロット、並びに（ｃ）１０重量％の受け取ったままの及び酸化した（さびた）金属繊維を含むＦＢ１Ｂボンディングマトリックスの曲げ強度の比較（ＦＲＣＰＣ２とＲＦＲＣＰ２の比較、表１６）を示す図である。
【図２０】本発明の実施形態による鋼繊維とボンディングマトリックスとの界面の（ａ）ＳＥ及び（ｂ）ＢＳＥ画像並びに（ｃ）Ｃａ、（ｄ）Ｓｉ、（ｅ）Ｆｅ及び（ｆ）ＯのＥＤＳ化学マッピングを示す図である。
【図２１】本発明の実施形態によるＳＲＣ３複合材料（表１８も参照）のＳＥ  ＦＥＳＥＭ微細構造を示す図である。
【図２２】（ａ）ＦＳＲＢＣ１複合材料（表１９も参照）の曲げ応力対変位のプロット及び（ｂ）ＩＮＳＴＲＯＮ系における試験中のＦＳＲＢＣ１複合材料の曲げを示すデジタル写真を示す図である。
【図２３】本発明の実施形態による炭酸カンラン石の微細構造のＦＥＳＥＭ、（ａ）ＳＥ及び（ｂ）ＢＳＥ画像並びに異なる形態の炭酸カンラン石粒子のより高い倍率の（ｃ）ＢＳＥ、（ｄ）ＳＥ及び（ｅ）ＢＳＥ画像を示す図である。
【図２４】本発明の実施形態による炭酸透輝石の微細構造のＦＥＳＥＭ、（ａ）ＳＥ及び（ｂ）ＢＳＥ画像並びに炭酸透輝石粒子のより高い倍率の（ｃ）ＳＥ及び（ｄ）ＢＳＥ画像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
例が添付図面に示されている本発明の実施形態を詳細に参照することとする。
【００１２】
ボンディングエレメント
図１（ａ）〜１（ｃ）により大きなセラミック又は複合材料の少なくとも一部を構成し
得る例示的なボンディングエレメントの断面を示す。図１（ａ）〜１（ｃ）に示すように
、所定のボンディングエレメントは、黒い内側の部分によって表されたコア、白い中間の
部分によって表された第１の層及び外側の部分によって表された第２の又は封入層を含む
。
【００１３】
本発明の例示的な実施形態によれば、ボンディングエレメントは、対象の用途によって
あらゆるサイズ及び形態（すなわち、形状）を示し得る。表１に可能な形態の非排他的な
一覧を示す。第１の層は、ボンディングエレメントの化学的性質によって１層のみ又は多
副層を含み得、コアを完全に覆い又はコアを部分的に覆い得る。第１の層は、結晶相、非
晶質相又はその組合せで存在し得る。第２の層は、１層のみ又は多副層を含み得、また第
１の層を完全に又は部分的に覆い得る。第２の層は、複数の粒子も含み得る又は最小限の
観察可能な分離した粒子を含む連続相であり得る。
【００１４】
【表１】
2019142766.tif 000002
【００１５】
【表２】
2019142766.tif 000003
【００１６】
【表３−１】
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【表３−２】
2019142766.tif 000005
【００１７】
ボンディングエレメントは、変態法により製造される。この方法は、下でより詳細に述
べるものとする。しかし、一般的に該方法は、反応性前駆体粒子の変態を伴う。前駆体粒
子は、所望のサイズ及び形状を有していてもよく、サイズ及び形状が同様であってもよく
、又はそれらが異なっていてもよい。所定の前駆体粒子の変態は、同様なサイズ及び形状
を有する対応するボンディングエレメントをもたらす。変態過程は、前駆体粒子を反応性
液体に曝露することにより進行する。液体に随伴する反応物は、前駆体粒子を構成してい
る化学元素、より具体的には、前駆体粒子の辺縁部における化学元素と反応する。この反
応は、最終的に前述の第１及び第２の層の形成をもたらす。
【００１８】
上述のボンディングエレメントの第１の実施形態において、複数の陽イオンを含むセラ
ミック材料又は複数の金属を含む金属材料などの、前駆体粒子は、２つ以上の化学元素を
含む。変態過程中に、液体中の反応物は、化学元素のうちの少なくとも第１の１つの化学
元素と選択的に反応し、反応物と少なくとも１つの第１の化学元素との反応は、第１及び
第２の層の形成をもたらし、第１の層は、前駆体粒子の誘導体を含み、一般的に少なくと
も１つの第１の化学元素を排除するが、第２の層は、反応物と少なくとも１つの第１の化
学元素との組合せを含む。比較すると、コアは、前駆体粒子と同じ又はほぼ同じ化学組成
を含む。例えば、コアの辺縁部は、コアからの特定の化学元素の選択的浸出により、前駆
体粒子の化学組成と異なる可能性がある。
【００１９】
したがって、コアと第２の層は、前駆体粒子の少なくとも１つの第１の化学元素を共有
し、コアと第１の層は、前駆体粒子の化学元素のうちの少なくとも他の１つを共有する。
コアと第２の層により共有される少なくとも１つの第１の化学元素は、例えば、少なくと
も１つのアルカリ土類元素（ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、
バリウム及びラジウム）であり得る。コアと第１の層により共有される化学元素のうちの
少なくとも他の１つは、例えば、ケイ素、チタン、アルミニウム、リン、バナジウム、タ
ングステン、モリブデン、ガリウム、マンガン、ジルコニウム、ゲルマニウム、銅、ニオ
ブ、コバルト、鉛、鉄、インジウム、ヒ素及び／又はタンタルであり得る。
【００２０】
第２の例示的な実施形態において、前駆体粒子は、２つ以上の化学元素を含み得るが、
変態過程中に、液体中の反応物は、少なくとも第１の１つの化学元素と選択的に反応し、
反応物と少なくとも１つの第１の化学元素との反応は、第１及び第２の層の形成をもたら
し、第１の層及び第２の層の両方が反応物と少なくとも１つの第１の化学元素との組合せ
を含む。したがって、第１の層の化学組成に関連する陽イオンは、前駆体粒子の２つ以上
の化学元素のうちの第１の１つに対応し、第２の層に関連する陽イオンも、前駆体粒子の
２つ以上の化学元素のうちの第１の１つに対応する。
【００２１】
代替の例示的な実施形態において、反応物と前駆体粒子の少なくとも１つの第１の化学
元素との反応は、完結まで行わせることができ、それにより、ボンディングエレメントの
コアになり、前駆体粒子の化学組成と異なる化学組成、及び前駆体粒子の２つ以上の化学
元素のうちの少なくとも１つの第１の化学元素を含み得る又は含み得ない組成を含む少な
くとも１つのさらなる又は第２のシェル層を有する第１の層をもたらす。
【００２２】
前駆体粒子は、上述の変態を受け得る適切な物質から選択することができる。例えば、
前駆体粒子は、ケイ素、チタン、アルミニウム、リン、バナジウム、タングステン、モリ
ブデン、ガリウム、マンガン、ジルコニウム、ゲルマニウム、銅、ニオブ、コバルト、鉛
、鉄、インジウム、ヒ素、タンタル及び／又はアルカリ土類元素（ベリリウム、マグネシ
ウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム及びラジウム）の酸化物及び非酸化物を含
み得る。例えば、前駆体粒子は、ケイ酸塩、チタン酸塩、アルミン酸塩、リン酸塩、バナ
ジン酸塩、タングステン酸塩、モリブデン酸塩、没食子酸塩、マンガン酸塩、ジルコニウ
ム酸塩、ゲルミネート（germinates）、銅酸塩、スズ酸塩、ハフニウム酸塩、クロム酸塩
、ニオブ酸塩、コバルト酸塩、鉛酸塩、フェライト、インデート（indates）、ヒ酸塩、
タンタル酸塩及びそれらの組合せを含み得る。好ましい実施形態において、前駆体粒子は
、オルトケイ酸塩、ソロケイ酸塩、シクロケイ酸塩、イノケイ酸塩、フィロケイ酸塩、テ
クトケイ酸塩及び／又はケイ酸カルシウム水和物などのケイ酸塩を含む。表２Ａに示す様
々な特定のケイ酸塩を前駆体粒子として用いることができると考えられる。表２Ａに示す
様々な特定の非ケイ酸塩を前駆体粒子として用いることができ、表２Ａに示す様々な岩石
含有物質も前駆体粒子として用いることができると考えられる。
【００２３】
【表４−１】
2019142766.tif 000006
【表４−２】
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【表４−３】
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【表４−４】
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【００２４】
ある種の廃材も前駆体粒子として用いることができると考えられる。廃材は、例えば、
鉱物、産業廃棄物又は工業用化学物質を含み得る。ある種の例示的な廃材は、ケイ酸金属
塩、鉄鉱石、ペリクレース、石膏、水酸化鉄（ＩＩ）、フライアッシュ、ボトムアッシュ
、鉱滓、ガラス、オイルシェル（oil shells）、赤泥、電池廃棄物、再生コンクリート、
鉱山尾鉱、製紙焼却灰又は濃縮逆浸透ブラインからの塩類を含む。
【００２５】
さらなる前駆体粒子は、ケイ酸カルシウム岩石、フィッチ累層、ヘブロン片麻岩、層状
片麻岩、中間部層、アージライト、ケイ岩、中期先カンブリア紀堆積物、暗色物（dark-c
olored）、微量の石灰岩床を含むフェルドパシック（feldpathic）ケイ岩、高度変堆積黒
雲母片岩、黒雲母片麻岩、雲母片岩、ケイ岩、フーサック累層、パートリッジ累層、ワシ
ントン片麻岩、デボン紀累層、シリル紀小峡谷累層、オコイー超層群、変砂岩、変硬砂岩
、レンジリー累層、角閃岩、方解石性及び苦灰石性大理石、マンハッタン累層、さび色及
び灰色黒雲母−石英−長石片麻岩並びにウォーターフォード層群などの鉱物を含む異なる
種類の岩石を含み得る。
【００２６】
前駆体粒子は、例えば、安山岩、斜長岩、バシナイト（basinite）、無人石、カーボナ
タイト及びチャーノッカイトなどであるが、これらに限定されない火成岩、粘度質岩、花
崗質砂岩、角礫岩、カタクラサイト、白亜、粘土岩、スイ岩、スイ石、ギットソーン（gi
tsone）、リグヒン（lighine）、石灰岩、泥岩、砂岩、頁岩及びシルト岩などであるが、
これらに限定されない堆積物、角閃岩、変閃緑岩、片麻岩、白粒岩、緑色岩、ホルンフェ
ルス、大理石、泥質岩、千枚岩、ケイ岩、シスト（shist）、スカルン、粘板岩、タルク
炭酸塩及び石けん石などであるが、これらに限定されない変成物質並びにアダメライト、
アッピン岩、非顕晶質岩、ボロラン岩、青花崗岩、緑レン岩、フェルサイト、スイ石、軟
ケイ石、アイヨライト、硬玉岩、ジャスプロイド、ケナイト、ボゲサイト、ラルビカイト
、リッチフィールダイト、ラクスリアナイト、マンゲライト、ミネット、ノバキュライト
、パイロライト、ラパキビ花崗岩、菱長石斑岩、ションキン岩、タコナイト、テッシェン
岩、セライト及び球顆玄武岩などであるが、これらに限定されない岩石の他の変種も含み
得る。
【００２７】
同様に、第１の層は、上述の様々な前駆体物質の化学組成由来であり得る化学組成を含
み得る。
【００２８】
先に説明したように、第２の封入層は、反応物と前駆体粒子からの少なくとも１つの化
学元素との組合せを含み得る。本発明の例示的な実施形態によれば、第２又は封入層は、
多くの可能な化学的性質を含み得る。例えば、封入層は、天然に存在する構造を有する炭
酸塩を含み得る。第２又は封入層は、他の可能な炭酸塩化学的性質並びに溶媒に溶解し、
前駆体粒子と反応することができる硫酸塩、リン酸塩及び他の陽イオン化合物も含み得る
。
【００２９】
表２Ｂに異なる前駆体物質を用いるときに実現することができる第１及び第２の層の異
なる種類の化学的性質の例示的な実施形態を示す。表２Ｂに示す例は、可能な物質の限定
的又は網羅的列挙と見なすべきでなく、単に例示的なものと見なすべきである。その理由
は、前駆体物質に応じて、多くの異なるさらなる種類の化学的性質を実現することができ
るからである。第１の層に関して、異なる前駆体物質を用いることにより、シリカ、アル
ミナ又はチタニアを得ることができる。第２の層も前駆体物質の選択によって修飾するこ
とができる。表２Ｂに例示する第２の層の材料の非網羅的一覧は、例えば、純炭酸塩、多
陽イオン炭酸塩、水又はＯＨ基を有する炭酸塩、水又はＯＨ基のいずれかを有する層状炭
酸塩、陰イオンを含む炭酸塩、ケイ酸塩を含む炭酸塩及び炭酸塩を含む鉱物など様々な種
類の炭酸塩を含むが、これらに限定されない。
【００３０】
【表５】
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【００３１】
表２Ｂに列挙した上記の例示的な実施形態をどのように実現するかに関するさらなる指
針をさらに示すために、以下にこれらの例示的な材料のいくつかをどのように得るかにつ
いてのより詳細な考察を示す。
【００３２】
図１（ａ）〜１（ｃ）を再び参照すると、ボンディングエレメントの３種の例示的な形
態が示されている。コア及び／又はボンディングエレメントに伴う形状又は形態は、前駆
体粒子の形状と同じ又は同様であり得る。したがって、前駆体粒子並びに、それに応じて
、対応するボンディングエレメント及び／又はコアは、球状、楕円状、六角形などの多角
形又は多くの他の形状のいずれかを含むが、これらに限定されない多くの形態のいずれか
をとり得る。さらに、前駆体粒子並びに、それに応じて、対応するボンディングエレメン
ト及び／又はコアの形態は、等軸状態又はワイヤー若しくはロッド状の場合のように他よ
りも長い１つの軸を有していてもよい。さらに、前駆体粒子は、１つの結晶（すなわち、
「単結晶性」）又は複数の結晶（すなわち、「多結晶性」）を含み得る。前駆体粒子は、
実際に複数の粒子を含み又は非晶質相を含み得る。
【００３３】
第１の特定の例において、主としてケイ灰石（ＣａＳｉＯ３）で構成されている前駆体
粒子は、水に溶解した二酸化炭素と反応する。カルシウム陽イオンがケイ灰石から浸出さ
れ、それにより、ケイ灰石コアの辺縁部をカルシウム欠乏ケイ灰石に変化させると考えら
れる。カルシウム陽イオンがコアの辺縁部から浸出され続けるとき、辺縁部の構造が最終
的に不安定になって崩れ、それにより、コアのカルシウム欠乏ケイ灰石辺縁部を主として
シリカに富む第１の層に変態する。その間に、主として炭酸カルシウムの第２の層が水か
ら析出すると考えられる。より具体的には、第１の層及び第２の層は、以下の反応により
前駆体粒子から形成され得る。
【００３４】
Ｈ２Ｏ＋ＣａＳｉＯ３＋ＣＯ２＝ＣａＣＯ３＋ＳｉＯ２＋Ｈ２Ｏ
【００３５】
反応性液体の反応物、ここでは二酸化炭素がケイ灰石前駆体コアのＣａ陽イオンと選択
的に反応し、それにより、前駆体コアの辺縁部をシリカに富む第１の層及び炭酸カルシウ
ムに富む第２の層に変態する。また、コア上の第１及び第２の層の存在が、ケイ灰石と二
酸化炭素とのさらなる反応に対するバリアとして働き、それにより、コア、第１の層及び
第２の層を有するボンディングエレメントをもたらす。
【００３６】
第１の実施形態のこれ及び他の例において、陰イオン及び陽イオンの両方が各層におい
て異なる。この例において、コアは、Ｃａ＋２、Ｓｉ＋４及びＯ２−イオンを有し、第２
の層は、主にＳｉ＋４及びＯ２−並びに少量のＣａ＋２イオンを有するが、第２の層は、
Ｃａ＋２及びＣＯ３−２イオンを有する。
【００３７】
第１の実施形態の第２の例において、主として苦土カンラン石（Ｍｇ２ＳｉＯ４）で構
成されている前駆体粒子は、溶解二酸化炭素と反応して、苦土カンラン石の辺縁部を主と
してシリカの第１の層及び主として炭酸マグネシウムの第２の層に変態する。より具体的
には、第１の層及び第２の層は、以下の反応により前駆体粒子から形成され得る。
【００３８】
Ｈ２Ｏ＋ＭｇｘＳｉｙＯｚ＋ＣＯ２＝ｘＭｇＣＯ３＋ｙＳｉＯ２＋Ｈ２Ｏ
【００３９】
反応性液体の反応物、ここでは二酸化炭素が苦土カンラン石前駆体コアのＭｇ陽イオン
と選択的に反応し、それにより、前駆体粒子の辺縁部をシリカに富む第１の層及び炭酸マ
グネシウムに富む第２の層に変態する。また、コア上の第１及び第２の層の存在が、苦土
カンラン石と二酸化炭素とのさらなる反応に対するバリアとして働き、それにより、コア
、第１の層及び第２の層を有するボンディングエレメントをもたらす。
【００４０】
第１の実施形態の第３の例において、主としてタルク（Ｍｇ３Ｓｉ４Ｏ１０（ＯＨ）２
）で形成されている前駆体粒子は、９００℃で１２時間予熱されて脱水タルクを形成し、
溶解二酸化炭素と反応して、タルクの辺縁部を主としてシリカの第１の層及び主としてＭ
ｇＣＯ３・ｘＨ２Ｏ（ｘ＝１〜５）で形成されている第２の層に変態する。より具体的に
は、第１の層及び第２の層は、以下の反応により前駆体粒子から形成され得る。
【００４１】
Ｈ２Ｏ＋Ｍｇ３Ｓｉ４Ｏ１０（ＯＨ）２＋ＣＯ２＝ＭｇＣＯ３・ｘＨ２Ｏ（ｘ＝１〜５
）＋ＳｉＯ２＋Ｈ２Ｏ
【００４２】
反応性液体の反応物、ここでは二酸化炭素がタルクのＭｇ陽イオンと選択的に反応し、
それにより、前駆体粒子の辺縁部をシリカに富む第１の層及びＭｇＣＯ３・ｘＨ２Ｏ（ｘ
＝１〜５）に富む第２の層に変態する。また、コア上の第１及び第２の層の存在が、タル
クと二酸化炭素とのさらなる反応に対するバリアとして働き、それにより、コア、第１の
層及び第２の層を有するボンディングエレメントをもたらす。
【００４３】
第１の実施形態の第４の例において、主として透輝石（ＭｇＣａＳｉ２Ｏ６）で形成さ
れている前駆体粒子は、溶解二酸化炭素と反応して、透輝石の辺縁部を主としてシリカの
第１の層並びに主として炭酸カルシウムＣａＣＯ３及び炭酸マグネシウムＭｇＣＯ３及び
／又はＭｇとＣａの可変比率を有する苦灰石（Ｍｇ，Ｃａ）ＣＯ３の混合物で形成されて
いる第２の層に変態する。第２の層は、例えば、炭酸マグネシウムの第１の副層及び炭酸
カルシウムの第２の副層を含み得る。或いは、第２の層は、ＣａＣＯ３（Ｍｇ，Ｃａ）Ｃ
Ｏ３及びＭｇＣＯ３などの複数の炭酸化粒子を含み得る。
【００４４】
第１の層及び第２の層は、以下の反応の両方の１つ又は組合せにより前駆体粒子から形
成され得る。
【００４５】
Ｈ２Ｏ＋ＭｇＣａＳｉ２Ｏ６＋ＣＯ２＝ＭｇＣＯ３＋ＣａＣＯ３＋ＳｉＯ２＋Ｈ２Ｏ
【００４６】
Ｈ２Ｏ＋ＭｇＣａＳｉ２Ｏ６＋ＣＯ２＝２（Ｍｇｘ，Ｃａｙ）ＣＯ３＋ＳｉＯ２＋Ｈ２
Ｏ
【００４７】
反応性液体の反応物、ここでは二酸化炭素がＣａ及び透輝石のＭｇ陽イオンと選択的に
反応し、それにより、前駆体粒子の辺縁部をシリカに富む第１の層並びに炭酸カルシウム
及び炭酸マグネシウム及び／又はＭｇとＣａの可変比率を有する苦灰石の混合物に富む第
２の層に変態する。また、コア上の第１及び第２の層の存在が、透輝石と二酸化炭素との
さらなる反応に対するバリアとして働き、それにより、コア、第１の層及び第２の層を有
するボンディングエレメントをもたらす。
【００４８】
第１の実施形態の第５の例において、前駆体粒子／コアは、藍閃石（Ｎａ２Ｍｇ３Ａｌ
２Ｓｉ８Ｏ２２（ＯＨ）２）の形を成し、第１の層は、アルミナ及び／又はシリカに富み
、第２の層は、ＭｇＣＯ３及び／又はＮａＡｌＣＯ３（ＯＨ）２である。
【００４９】
第１の実施形態の第６の例において、前駆体粒子／コアは、パリゴルスカイト（（Ｍｇ
，Ａｌ）２Ｓｉ４Ｏ１０（ＯＨ）・４（Ｈ２Ｏ））の形を成し、第１の層は、アルミナ及
び／又はシリカに富み、第２の層は、Ｍｇ６Ａｌ２ＣＯ３（ＯＨ）１６・４Ｈ２Ｏである
。
【００５０】
第１の実施形態の第７の例において、前駆体粒子／コアは、灰柱石（Ｃａ４（Ａｌ２Ｓ
ｉ２Ｏ８）３（Ｃｌ２ＣＯ３，ＳＯ４））の形を成し、第１の層は、アルミナ及び／又は
シリカに富み、第２の層は、Ｃａ２ＳＯ４ＣＯ３・４Ｈ２Ｏである。
【００５１】
第１の実施形態の第８の例において、前駆体粒子／コアは、タンザナイト（Ｃａ２Ａｌ
３Ｏ（ＳｉＯ４）（Ｓｉ２Ｏ７）（ＯＨ））の形を成し、第１の層は、アルミナ及び／又
はシリカに富み、第２の層は、Ｃａ５Ｓｉ２Ｏ８ＣＯ３、Ｃａ５Ｓｉ２Ｏ８ＣＯ３及び／
又はＣａ７Ｓｉ６Ｏ１８ＣＯ３・２Ｈ２Ｏである。
【００５２】
第１の実施形態の第９の例において、前駆体粒子／コアは、（Ｂａ０．６Ｓｒ０．３Ｃ
ａ０．１）ＴｉＯ３の形を成し、第１の層は、チタニアに富み、第２の層は、オレクミン
スカイトＳｒ（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）（ＣＯ３）２である。
【００５３】
表２Ｃに示すように、第２の層は、既に存在するＣＯ３−２陰イオンにさらなる陰イオ
ン及び／又は陽イオンを導入することによって修飾することもできる。したがって、第２
の層は、１つ又は複数の反応物に対応する陰イオンと結合した陽イオンを含む化学組成を
含み得る。第２の層の化学組成に関連する陽イオンは、第１の反応物の陰イオンと結合さ
せることができる。第２の層の化学組成に関連する陽イオンは、第１の反応物以外の反応
物の陰イオンに結合させることができる。第２の層の化学組成に関連する陽イオンは、別
法として、第１の反応物の陰イオンに、及び第２又はより多くの反応物の陰イオンに結合
させることができる。そのようなさらなる陰イオン及び陽イオンを用いて第２の層を修飾
して、耐火性又は耐酸性などのその物理的及び化学的特性を向上させることができる。例
えば、表２Ｃに示すように、第１の層は、シリカに富む層として保持されるが、第２の層
は、余分の陰イオン又は陽イオンを反応に加えることによって修飾することができる。加
えることができるいくつかの例示的な陰イオンは、ＰＯ４−２及びＳＯ４−２を含む。他
の陽イオン又は陰イオンも用いることができる。表２Ｃに示すように、結末は、例えば、
異なるリン酸塩、硫酸塩、フッ化物を含む炭酸塩又はそれらの組合せを含み得る。表２Ｂ
に示すように、表２Ｃに示す例は、例示的なものにすぎず、可能性の網羅的な一覧ではな
いことから、限定的なものと見なすべきでない。
【００５４】
【表６】
2019142766.tif 000011
【００５５】
さらなる例示的な実施形態において、前駆体粒子は、主として銅で形成されていてよく
、水と反応させて、前駆体粒子の辺縁部を主として水酸化銅で形成されている第１の層に
変態することができる。次に、二酸化炭素を用いて、第１の層の辺縁部を主として炭酸銅
の第２の層に変態することができる。第１の層上の第２の層の存在が、二酸化炭素と銅と
のさらなる反応に対するバリアとして働き、それにより、コア、第１の層及び第２の層を
有するボンディングエレメントをもたらす。この例において、元素状銅がコアに存在し、
水酸化銅を形成するＣｕ２＋とＯＨ−との組合せが第１の層を構成し、炭酸銅を形成する
Ｃｕ２＋とＣＯ３２−との組合せが第２の層を構成する。
【００５６】
前駆体粒子を主として酸化銅で形成することができる例示的な変更実施形態において同
様な結果を得ることもできる。次に前駆体粒子を水と反応させて、前駆体粒子の辺縁部を
主として水酸化銅で形成されている第１の層に変態する。次に、二酸化炭素を用いて、第
１の層の辺縁部を主として炭酸銅の第２の層に変態することができる。第１の層上の第２
の層の存在が、二酸化炭素と銅とのさらなる反応に対するバリアとして働き、それにより
、コア、第１の層及び第２の層を有するボンディングエレメントをもたらす。この変更例
において、銅がコアにも存在し、水酸化銅へのＣｕ２＋とＯＨ−との組合せが第１の層を
構成し、炭酸銅へのＣｕ２＋とＣＯ３２−との組合せが第２の層を構成する。したがって
、これらの例示的な実施形態において、コア並びに第１及び第２の層はすべて、陰イオン
が異なること以外は、同じ陽イオン種を有する。
【００５７】
さらなる例示的な実施形態において、主として青銅で形成されている前駆体粒子が水と
反応して、前駆体粒子の辺縁部を水酸化銅を含む第１の層に変態する。次に、二酸化炭素
が第１の層の辺縁部を炭酸銅を含む第２の層に変態する。第１の層上の第２の層の存在が
、二酸化炭素と青銅とのさらなる反応に対するバリアとして働き、それにより、コア、第
１の層及び第２の層を有するボンディングエレメントをもたらす。
【００５８】
さらなる例示的な実施形態において、前駆体粒子は、銅又は青銅以外の物質で形成する
こともできる。前駆体物質は、先に述べた一覧から選択されるものであり得る。例えば、
前駆体物質は、ケイ素を含み得る。前駆体は、代わりになるべきものとして、アルミニウ
ムを含み得る。前駆体物質は、さもなければ、鉄を含み得る。前駆体は、反応して、第１
の層としての水酸化物を形成する可能性がある。したがって、例えば、第１の層は、水酸
化ケイ素で形成され得る。或いは、第１の層は、水酸化アルミニウムを含み得る。第１の
層は、その代わりに水酸化鉄を含み得る。さらに、第１の層は、水酸化物の代わりに、酸
化物を含み得る。例えば、第１の層は、酸化ケイ素を含み得る。別の方法において、第１
の層は、酸化アルミニウムを含み得る。他の別の方法において、第１の層は、酸化鉄を含
み得る。同様に、第２の層は、上述のような炭酸塩を構成し得る。したがって、例えば、
第２の層は、炭酸ケイ素を含み得る。別の方法において、第２の層は、炭酸アルミニウム
を含み得る。さらに別の実施形態において、第２の層は、炭酸鉄を含み得る。上述のよう
に、他の前駆体物質を用いることができ、したがって、コア、第１の層及び第２の層のこ
れらの組成は、単に例示的なものであり、限定的であると見なすべきでない。
【００５９】
ボンディングエレメントを形成する方法
上述のボンディングエレメントは、例えば、ガス援用水熱液相焼結の方法により形成さ
せることができる。この方法において、複数の前駆体粒子を含む多孔質固体を、多孔質固
体の細孔を部分的に飽和させる溶媒に曝露する。これは、細孔の容積が水で部分的に満た
されていることを意味する。
【００６０】
炭酸塩形成系などのいくつかの系において、細孔を水で完全に満たすことは、望ましく
ないと考えられる。その理由は、反応性ガスが多孔質固体の外表面からガス拡散によって
すべての内部細孔に拡散することができないためである。その代わりに、反応性ガスの反
応物は、液体に溶解し、外表面から内部細孔に液相中を拡散することとなり、これがはる
かに遅い。この液相拡散は、薄い多孔質固体を変態するのに適している可能性があるが、
より厚い多孔質固体には適さないと思われる。
【００６１】
反応物を含むガスは、多孔質固体の部分的に飽和した細孔に導入され、反応物は、溶媒
により溶解される。溶解した反応物は、次に前駆体粒子における少なくとも第１の化学元
素と反応して、前駆体粒子の辺縁部を第１の層及び第２の層に変態する。反応の結果とし
て、溶解反応物は、溶媒から枯渇する。その間に、反応物を含むガスは、部分的に飽和し
た細孔に導入されて、さらなる反応物を溶媒に供給し続ける。
【００６２】
反応物と前駆体粒子の少なくとも第１の化学元素との反応が進行するにつれて、前駆体
粒子の辺縁部が第１の層及び第２の層に変態される。コアの辺縁における第１の層の存在
が、反応物と前駆体粒子の少なくとも第１の化学元素とを分離することによって最終的に
さらなる反応を妨げ、それにより反応を効果的に停止させ、前駆体粒子の未反応中心とし
てのコア、コアの辺縁における第１の層及び第１の層上の第２の層を有するボンディング
エレメントを残す。
【００６３】
変態の結果として、コアは、前駆体粒子と同じ又は同様の形状を有するが、サイズがよ
り小さく、第１の層及び第２の層は、コアを部分的又は完全に覆い、変態過程中に前駆体
粒子を取り囲んでいた細孔のサイズ及び形状によって多孔質層である可能性がある均一又
は非均一の厚さをそれぞれ有し得る。得られるコア、第１の層及び第２の層を含むボンデ
ィングエレメントは、前駆体粒子よりサイズが一般的に大きく、多孔質固体の周囲多孔性
領域に充てんされ、多孔質固体中の隣接物質とおそらく結合している。結果として、多孔
質固体と実質的に同じサイズ及び形状を有するが、それより高い密度を有する生成物の網
状構造が形成され得る。これは、最初の圧粉体より高い密度の物質を製造するための物質
移動による収縮をもたらす伝統的焼結法に優る利点である。
【００６４】
理論により制約されるものでないが、少なくとも第１の化学元素が前駆体粒子から溶媒
中に浸出され、第１の層を形成する有限濃度を除いて第１の化学元素を一般的に排除する
枯渇域を残すため、前駆体コアの変態を達成することができる。浸出された第１の化学元
素は、次いで溶媒の反応物と化合して、第２の層を形成する。前駆体コアの辺縁における
第１及び第２の層の存在は、導入された反応物と前駆体粒子の第１の化学元素とを分離す
ることによってさらなる反応を最終的に妨げ、それにより、反応を実際上停止し得る非常
に遅い反応速度に制限し、コア、コアの辺縁における第１の層及び第１の層上の第２の層
を有するボンディングエレメントを残す。他の理論は、前駆体粒子の複数の化学元素が溶
媒中に溶解し、第１の化学元素が析出して第１の層を形成し、その後、残った陽イオンが
析出して第２の層を形成するということである。
【００６５】
ガス援用水熱液相焼結の方法の１つの例において、複数の前駆体粒子を含む多孔質固体
をオートクレーブチャンバーに入れ、加熱する。チャンバー中で水を蒸発させることによ
って、溶媒としての水が多孔質固体の細孔に導入される。多孔質固体の上の冷却プレート
が蒸発した水を凝縮させ、次にこれが多孔質体上に滴り、多孔質固体の細孔に入り、それ
により多孔質固体の細孔を部分的に飽和させる。しかし、この例における水を導入する方
法は、水を供給することができるいくつかの方法の１つである。他の例において、水を加
熱し、噴霧することができる。
【００６６】
その間に、反応物としての二酸化炭素がポンプによりチャンバーに送入され、二酸化炭
素が多孔質体の部分的に飽和した細孔中に拡散する。細孔に入った時点で、二酸化炭素は
、水に溶解し、それにより、前駆体粒子と二酸化炭素との反応が前駆体粒子の辺縁部を第
１及び第２の層に変態することを可能とする。
【００６７】
第２の実施形態において、セラミック材料又は金属材料などの、前駆体粒子は、１つ又
は複数の化学元素を含む。変態過程中、液体に随伴する第１の反応物は、セラミック又は
金属材料における少なくとも第１の化学元素と反応して、第１の層を形成する。液体に随
伴する第２の反応物は、次に第１の層の辺縁部における第１の化学元素と反応して、第２
の封入層を形成する。したがって、コアは、第１の化学元素を含む、前駆体粒子と同じ化
学組成を含む。第１の層は、第１の反応物と第１の化学元素との組合せである化合物を含
む。第２の層は、第２の反応物と第１の化学元素との組合せである化合物を含む。
【００６８】
製造の方法により制約されるものでないが、上述のボンディングエレメントは、銅など
の少なくとも１つの前駆体粒子を含む多孔質固体を水などの第１の反応物に曝露して、水
と銅との反応により第１の層を形成することによって形成することができる。その後に、
ガス援用水熱液相焼結の方法を実施することができる。この方法において、コア及び第１
の層を、前駆体粒子と反応するその中に溶解した第２の反応物を最初に有していても又は
有していなくてもよい溶媒（水など）に曝露する。その間に、追加量の第２の反応物を含
むガスを多孔質固体構造に導入し、それにより、前駆体粒子とのさらなる反応のために第
２の反応物を溶媒に供給する。
【００６９】
第２の反応物と第１の層との反応が進行するにつれて、第２の反応物が第１の層と反応
し続けて、第１の層の辺縁部を第２の層に変態する。第２の層の形成は、第１の層におけ
る成分の外部溶液によるものであり得、そのような第２の層は、第２の層を構成する化学
元素（陽イオン）の１つの濃度がコア粒子表面から第１の層の末端に行くにつれて高値か
ら低値に変化する、勾配層であり得る。層が非晶質であるか又は一定若しくは可変組成を
有する固溶体で構成されている場合のような、第２の層が勾配組成でもある可能性もある
。
【００７０】
前駆体コアの辺縁における第２の層の存在が、第２の反応物と第１の層とを分離するこ
とによって最終的にさらなる反応を妨げ、反応を効果的に停止させ、コア、コアの辺縁に
おける第１の層及び第１の層上の第２の層を有するボンディングエレメントを残す。得ら
れるボンディングエレメントは、最初の前駆体粒子よりサイズが一般的に大きく、それに
より、多孔質固体の周囲多孔性領域に充てんされ、多孔質固体の隣接物質と結合している
。結果として、該方法は、最初の多孔質固体と実質的に同じ形状を有するが、それより高
い密度を有する生成物の網状構造を得ることを可能にする。これは、最初の圧粉体より高
い密度の物質を製造するための物質移動による収縮をもたらす伝統的焼結法に優る利点で
ある。
【００７１】
ボンディングマトリックス
本発明の例示的な実施形態によるボンディングマトリックスは、先に定義した複数のボ
ンディングエレメントを含む。ボンディングマトリックスは、多孔性であり得る。上で説
明したように、空隙率（degree of porosity）は、温度、反応器設計、前駆体物質及び変
態工程中に導入される液体の量などの多孔度を制御するために用いることができる多くの
変数に依存する。したがって、対象とする用途によって、多孔度を約１体積％〜約９９体
積％のほぼ任意の多孔度に設定することができる。
【００７２】
複合材料
ボンディングマトリックスは、複合材料を製造するために上述の変態工程中に前駆体物
質と混合されるような充填材を組み込み得る。
【００７３】
一般的に、充填材は、例えば、不活性物質及び活性物質などの、ボンディングマトリッ
クスに組み込むことができる多くの種類の物質のいずれか１つを含み得る。不活性物質は
、変態時に化学反応を受けず、核生成部位として働かない物質である。活性物質は、変態
時に化学反応を受けないが、核生成部位として働く第１種及び／又は変態時にボンディン
グマトリックスと化学的に反応する第２種からなり得る。
【００７４】
上で説明したように、不活性物質は、ボンディングマトリックスと物理的又は機械的に
相互作用し得るが、変態時に化学反応を受けず、核生成部位として働かない。不活性物質
は、ポリマー、金属、無機粒子、骨材などを含み得る。特定の例は、玄武岩、花崗岩、再
生ＰＶＣ、ゴム、金属粒子、アルミナ粒子、ジルコニア粒子、炭素粒子、カーペット粒子
、Ｋｅｖｌａｒ（商標）粒子及びそれらの組合せを含み得るが、これらに限定されない。
【００７５】
上で説明したように、第１種の活性物質は、変態時に化学反応を受けないが、核生成部
位として働く。さらに、それは、ボンディングマトリックスと物理的又は機械的に相互作
用し得る。例えば、炭酸塩相を有するボンディングエレメントを第２の層として用いる場
合、この種の活性物質は、例えば、石灰石、大理石粉材及び他の炭酸カルシウム含有物質
を含み得る。
【００７６】
上で説明したように、第２種の活性物質は、変態時にボンディングマトリックスと化学
的に反応する。例えば、水酸化マグネシウムは、充填材として用いることができ、ボンデ
ィングマトリックスからの溶解カルシウム成分相と化学的に反応して、炭酸カルシウムマ
グネシウムを形成し得る。
【００７７】
充填材とボンディングマトリックスとの併用、及び充填材の添加が得られる複合材料の
機能、すなわち材料特性をどのようにさらに改善し得るかについて、さらに述べることと
する。
【００７８】
ボンディングマトリックスは、得られる複合材料のほぼあらゆるパーセンテージを占め
得る。したがって、例えば、ボンディングマトリックスは、複合材料の約１体積％から約
９９体積％を占め得る。したがって、ボンディングマトリックスの体積分率は、７０体積
％など、５０体積％など、４０体積％など、３０体積％など、２０体積％など、約１０体
積％以下などの約９０体積％以下であり得る。ボンディングマトリックスの体積分率の好
ましい範囲は、約８体積％から約９９体積％であり、最も好ましい範囲は、約８体積％か
ら３０体積％である。
【００７９】
ボンディングマトリックス及び充填材を含む複合材料は、多孔性でもあり得る。上で説
明したように、空隙率は、温度、反応器設計、前駆体物質、変態工程中に導入される液体
の量及び充填材が用いられているかどうかなどの多孔度を制御するために用いることがで
きる多くの変数に依存する。したがって、対象とする用途によって、多孔度を約１体積％
〜約９９体積％のほぼ任意の空隙率に設定することができる。例えば、多孔度は、７０体
積％など、５０体積％など、４０体積％など、３０体積％など、２０体積％など、約１０
体積％以下などの約９０体積％以下であり得る。複合材料の多孔度の好ましい範囲は、高
密度及び耐久性のものについては約１体積％から約７０体積％、最も好ましくは約１体積
％から約１０体積％であり、軽量及び低熱伝導率のものについては約５０体積％から約７
０体積％である。
【００８０】
ボンディングマトリックスの配向
ボンディングマトリックス内で、ボンディングエレメントは、多くの配向のいずれか１
つの配向で互いに対して位置決めすることができる。そのようなものとして、ボンディン
グマトリックスは、多くの異なるパターンのいずれか１つを示し得る。例えば、ボンディ
ングエレメントは、１方向（すなわち、「１−Ｄ」配向）に、２方向（すなわち、「２−
Ｄ」配向）に又は３方向（すなわち、「３−Ｄ」配向）に配向させることができる。或い
は、ボンディングエレメントは、ランダムパターン（すなわち、「ランダム」配向）で配
向させることができる。
【００８１】
上述及び他のボンディングエレメントの配向は、多くの方法のいずれか１つにより達成
することができる。これらの方法は、テープキャスティング、押出し、磁界及び電界キャ
スティングを含むが、これらに限定されない。しかし、上述の変態法により前駆体粒子を
変態する前に、これらの方法のいずれか１つにより前駆体を予形成することが行われるこ
とが理解される。当業者は、ボンディングエレメントをどのようにして配向させるかを理
解するであろう。
【００８２】
さらに、ボンディングマトリックス中のボンディングエレメントの濃度は変化し得る。
例えば、容積基準のボンディングエレメントの濃度が比較的高く、ボンディングエレメン
トの少なくとも一部が互いに接触していることがあり得る。充填材がボンディングマトリ
ックスに組み込まれているが、充填材の種類及び／又は充填材の量が、ボンディングエレ
メントの体積希釈のレベルが比較的低くなるような場合に、この状況が生じ得る。他の例
において、容積基準のボンディングエレメントの濃度が比較的低く、たとえあったとして
も、わずかなボンディングエレメントが互いに接触するように、ボンディングエレメント
がボンディングマトリックス内により広く分散している。充填材がボンディングマトリッ
クスに組み込まれており、充填材の種類及び／又は充填材の量が、希釈のレベルが比較的
高くなるような場合に、この状況が生じ得る。さらに、容積基準のボンディングエレメン
トの濃度が、ボンディングエレメントのすべて又はほぼすべてが互いに接触するようなこ
とがあり得る。この状況において、充填材が加えられなかったか、又は充填材が加えられ
た場合、充填材の種類及び／又は充填材の量が、体積希釈のレベルがほぼ非存在であるよ
うなものである。
【００８３】
図２（ａ）〜２（ｄ）にボンディングエレメント間の間隔によって表されている充填材
の組み込みによっておそらく希釈された異なる配向の繊維又は小板状のボンディングエレ
メントを含むボンディングマトリックスを示す。図２（ａ）に、例えば、１−Ｄ配向で整
列した、例えば、ｘ方向に対して整列した繊維状のボンディングエレメントを含むボンデ
ィングマトリックスを示す。図２（ｂ）に２−Ｄ配向で整列した、例えば、ｘ及びｙ方向
に対して整列した小板状のボンディングエレメントを含むボンディングマトリックスを示
す。図２（ｃ）に３−Ｄ配向で整列した、例えば、ｘ、ｙ及びｚ方向に対して整列した小
板状のボンディングエレメントを含むボンディングマトリックスを示す。図２（ｄ）にボ
ンディングエレメントが特定の方向に対して整列していない、ランダム配向の小板状のボ
ンディングエレメントを含むボンディングマトリックスを示す。
【００８４】
図２（ｅ）〜２（ｆ）に２つの異なる配向及び濃度の小板状のボンディングエレメント
を含むボンディングマトリックスを示す。図２（ｅ）に、例えば、３−Ｄ配向で整列した
、例えば、ｘ、ｙ及びｚ方向に対して整列した比較的に高い濃度の小板状のボンディング
エレメントを含むボンディングマトリックスを示す。比較的に高いボンディングエレメン
トの濃度は、ボンディングエレメントの周りの充填材の欠如によって示されており、した
がって、ボンディングエレメントの希釈はほとんど又は全くない。これと対照的に、図２
（ｆ）にランダム配向の状態にある比較的に低い濃度の小板状のボンディングエレメント
を含むボンディングマトリックスを示す。比較的に低いボンディングエレメントの濃度は
、ボンディングエレメントの周りの充填材の存在によって示されており、したがって、ボ
ンディングエレメントの少なくともある程度の希釈が存在する。図２（ｆ）におけるボン
ディングエレメントの濃度及び配向により、複合材料をパーコレーションネットワークと
呼ぶことができる。図２（ｆ）の複合材料は、接触の連続ネットワークが材料の一端から
他端まで形成されているように大部分のボンディングエレメントが互いに接触しているの
で、パーコレーション閾値を達成している。
【００８５】
パーコレーション閾値は、それ以上でボンディングエレメントが、ボンディングエレメ
ントの秩序（図２（ｅ））又はランダム配向（図２（ｆ））いずれかでの長距離連結性（
connectivity）を示す臨界濃度である。
【００８６】
配向及び濃度に加えて、ボンディングマトリックス中のボンディングエレメントは、充
填材との特定の連結パターン（connectivity pattern）を示すように配置することができ
る。そのような連結パターンは、例えば、Newnhamら、「Connectivity and piezoelectri
c-pyroelectric composites」、Mat. Res. Bull.、13巻、525〜536頁に記載されている。
【００８７】
図３に連結パターン０−０，１−０、２−０、３−０、１−１、２−１、３−１、２−
２、３−２、３−２、３−３及び３−３を含む例示的な複合材料のいくつかの異なる連結
パターンを示す。図３において、例示的な複合材料は、２つの構成要素、すなわち、ボン
ディングマトリックスを表し得る第１の（網掛け）構成要素及び充填材を表し得る第２の
（非網掛け）構成要素を有する。異なる種類の連結パターンは、複合材料に関連する所望
の材料特性を達成するために活用することができる。
【００８８】
図４（ａ）〜４（ｂ）にそれぞれボンディングマトリックス（白い部分）及び等軸性充
填材粒子又は異方性繊維を含む複合材料の例を示す。図４（ａ）の場合、等軸性充填材粒
子は、ランダム配向で配置されているが、ボンディングマトリックスは、３つの軸のすべ
てに沿って整列している。したがって、図４（ａ）における複合材料の連結パターンは３
−０連結パターンであると言える。図４（ｂ）の場合、異方性充填剤繊維がｚ方向に対し
て１−Ｄ配向で配置されている。したがって、図４（ｂ）における複合材料の連結パター
ンは３−１連結パターンであると言える。再び、用途及び所望の材料特性に応じて、充填
材は、複数の不活性及び／又は活性物質のうちのいずれか１つであり得る。
【００８９】
階層構造
異なる種類のボンディングマトリックスは、マトリックスの多孔度を変化させることに
より、また異なるサイズのコア繊維を混入することにより、製造することができる（下の
表３及び４においてわかるように）。ＦＢ１組成物がボンディングマトリックスの例であ
る場合（表３）、このボンディングマトリックスを用いて反復１、２、３、４又はより高
次レベル階層構造を形成することができる。階層構造のレベルは、重要な構造機能が導入
されている場合の長さスケールの数を意味し得る（図１３）。図３に示すような異なる連
結性を有する異なる種類の構造を作製するために例えば、１、２、３又はより高レベルの
階層構造を有する異なる種類の粒子状及び繊維成分を用いることができる。
【００９０】
【表７】
2019142766.tif 000012
【００９１】
【表８】
2019142766.tif 000013
【００９２】
階層は、構造がいくつかの長さスケールのパターンをどのように形成するかを表現する
ものである。上述の例は、１例を除き、とりわけ潜在的な有用な機能上の目的で強い材料
を製作することを可能にする密充填を促進し得る方法でボンディングエレメントをどのよ
うに階層的に用いるかというものである。
【００９３】
多レベル反復階層構造の説明図を図１３に示すが、秩序階層構造が、異なる長さスケー
ル、例えば、１つ又は複数の長さスケールで反復し得る。
【００９４】
例えば、１レベル反復階層系は、一般的に一桁異なる、２つの異なるサイズ又は粒径範
囲をブレンドすることにより形成される複合材料と記述することができる。より大きいサ
イズの粒子は、これらに限定されないが、六方最密充填又は立方最密充填又はランダム充
填のような異なる種類の充填に配列して、間隙空間を含むネットワークを形成することが
でき、より小さいサイズの粒子は、より大きいサイズの粒子の空隙に位置することができ
る。理想的には、これらの階層系は、各レベルにおいて同じサイズの粒子を用いて調製す
ることができる。例えば、１ｍｍの直径を有する球状粒子が１０ｍｍの直径を有する充填
球状粒子の間隙空間を満たしている。しかし、実際には、単分散性粒子を得ることは困難
であり、したがって、階層系は、粒径のモード連続分布を用いることによって示される。
例えば、ＦＢ１Ｂ型のボンディングエレメント（ｄ５０≒９μｍ）は、（１００〜５００
）μｍの間で変動する粒径の充填材粒子の空隙に適合することができる（図１３（ａ））
。構造におけるボンディングマトリックスの連結性をさらに向上させるために、ＦＢ１Ｂ
型ボンディングエレメントのコーティングをより粗い充填材粒子に施すこともでき、その
結果として、これらのＦＢ１Ｂ型ボンディングエレメントは、被覆されたより粗い充填材
粒子の間隙空間を満たすことができる（図１３（ｂ））。１レベル階層構造を製作する別
の代替法は、ＦＢ１Ｂ型ボンディングマトリックスの空隙に微細充填材粒子（粒径中央値
＜１μｍ）を使用することであろう。
【００９５】
例えば、２レベル階層系は、粒径が１レベル階層におけるより粗い又はより微細な粒子
と１桁異なるより大きい又は小さい粒子と組み合わされた１レベル階層系の複合材料と記
述することができる。例えば、本例において、（１００〜５００）μｍの間の中間充填材
粒子の空隙にＦＢ１Ｂ型ボンディングエレメントが存在し、その結果として、この１レベ
ル階層系がより粗い１〜５ｍｍの骨材の空隙に均一に分布している（図１３（ｃ））。ボ
ンディングマトリックスの連結性をさらに向上させるために、ＦＢ１Ｂボンディングマト
リックスの薄いコーティング（表３）をより粗い及び中間充填材粒子の両方に施すことが
できる（図１３（ｄ））。
【００９６】
例えば、３レベル階層系は、２レベル階層における最大又は最小粒子と１桁異なるより
大きい又は小さい粒子と組み合わされた２レベル階層系の複合材料と記述することができ
る。例えば、ＦＢ１Ｂマトリックス中の＜１ミクロンの微細な充填材粒子が１レベル階層
を形成し、その後、１００〜５００μｍのより大きい充填材粒子の空隙における１レベル
階層が２レベル階層を形成し、最後に、１〜５ｍｍの充填材凝集体の空隙における２レベ
ル階層が３レベル階層を形成する。同じ方針で、より高次のｎレベル階層系を発生させる
ことができる。階層のレベルが増加するにつれて、種々のレベルを含む長さスケールの範
囲も増加する。したがって、ｎが無限大に増加するとき、長さスケールもそのようになる
。長さスケール及び階層のこの莫大な範囲は、材料に我々の新規なボンディングエレメン
トを配置する無限の方法を提供する。
【００９７】
非反復階層又はランダム充填系も用いることによって充填を向上させるために、異なる
サイズ画分範囲の異なる粒子を含むボンディングエレメントを用いることも可能である。
そのようなものとして、粒子の組織化は、反復及び階層的でない（一部はこれを構造の階
層と見なすことがあるが、異なる長さスケールにおいて幾何学的意味で異なる構造を有す
る）又は微細粒子による大細孔の間隙充填若しくは他の上部への１つの粒子状成分のコー
ティングなどの非ランダム構造を組み込むことなく、粒子をランダムに混合することを意
味するランダム充填である。
【００９８】
これらの充填戦略は、小さい水吸収値によって明らかにすることができる、高バルク密
度をもたらし得る。例えば、ＦＢ１Ｂ（表３）の水吸収は、例えば、７．７±０．６重量
％である（５時間沸騰水試験、ＡＳＴＭ  Ｃ６７）。異なるサイズ範囲の２つの成分を用
いる場合、例えば、ＦＢ１Ｂケイ灰石繊維コアを砂（ＣＰＣ２、表１２）とブレンドする
場合、充填が改善され、水吸収が５．３±０．５重量％に減少する。同様に、３つのサイ
ズ画分の粒子、すなわち、砂（粒径３００〜５００ミクロン）及び玄武岩骨材（粒径６〜
８ｍｍ）とブレンドしたＦＢ１Ｂケイ灰石繊維コアを用いる場合、水吸収が３．１±０．
９重量％にさらに減少する。或いは、１重量％のヒュームドシリカ（ｄ５０＜１μｍ）を
ＣＰＣ２型組成物に加える場合、水吸収が２．６重量％にさらに減少する。
【００９９】
ボンディングマトリックスの使用
上述のボンディングエレメントを含むボンディングマトリックスは、特注生産し、した
がって、セメント又はコンクリートなどのボンディングマトリックスの組み込みにより修
飾することができる微細構造を有するほぼあらゆる物品の材料特性を改善するために用い
ることができる。１つの例において、ボンディングマトリックスは、ポルトランドセメン
トの部分的又は完全代用品として用い、また広範囲のコンクリート製品に一般的に使用さ
れる成分の水和物不含有結合相として用い、それにより、それらの製品に関連する様々な
材料特性を改善することができる。
【０１００】
本発明の例示的な実施形態によるボンディングエレメントを含むボンディングマトリッ
クスの組み込みの結果として改善することができる複合材料の材料特性は、機械的特性、
熱的特性及び耐久性などである。しかし、表１９に示すもの以外の特定の機械的、熱的及
び耐久特性も改善することができる。光学的特性、電子的特性、触媒特性、核特性及び磁
気的特性などのさらなる材料特性も改善することができる。
【０１０１】
例として、本発明の例示的な実施形態によるボンディングマトリックスを含む複合材料
は、圧縮下の損傷許容性の改善を示し得る。以後、例示的なケイ灰石は、簡単のために繊
維形状を有すると一般的に呼ぶ。しかし、ケイ灰石粒子は、針状又は繊維状形状を有する
など、一般的に異方性形態を有し得る。
【０１０２】
図９に関して、より小さいケイ灰石コアから構成されている材料（表４における組成物
Ｐ３、図９）は、圧縮応力による突然の脆性破壊を示す。しかし、図１０（表３における
組成物ＦＢ４、図１０）に関して、ボンディングマトリックスへのより長いケイ灰石繊維
コアの混入により、一連の亀裂ディフレクションが起こり、毎回のディフレクションによ
って応力の蓄積の緩和（すなわち、「損傷回復」）がもたらされ、それにより、極限破壊
の発生が遅延する。ボンディングマトリックスがより緩やかな破壊を伴う突然の脆性破壊
を起こし得る他の状態は、複数のコア粒子サイズ及び封入層における微細な充填材粒子を
用いることによる（図１２）。例えば、シリカ粒子のような微細粒子は、多孔性を有する
ボンディングマトリックス中に分散させることができる。表３における化合物ＦＢ４に関
して、コアは、３つの体積分率の３つの異なるサイズの粒子を含み得る。より大きい若し
くはより小さい数のサイズ（例えば、２、４、５、６又はそれ以上）又は異なる体積分率
を用いることができる。ボンディングマトリックスは、そのとき、それ自体及び微細粒子
に結合することによって複合材料における水和物不含有接着相としての機能を果たし得る
。そのような複合材料の微細構造は、図１２に示すように緩やかな破壊を可能にすると思
われる。
【０１０３】
この例において、ボンディングマトリックスにおいて形成される界面が異なるため、亀
裂進展機構は変化する。コア粒子（単数又は複数）は、亀裂ディフレクタの機能を果たし
得る。さらに、第１の界面はコアと第１の層との間に形成され、第２の界面は第１の層と
封入層との間に形成される。２種の界面は、同じ又は異なる強度を有し得る。例えば、第
１の界面が第２の界面より高い界面強度（例えば、機械的強度）を有し、逆もまた同様で
あり得る。結果として、亀裂が始まり、進展し始めた後に、亀裂がより強い相からディフ
レクトし、代わりにより弱い界面に沿って進展して、そこにおける剥離を引き起こす。
【０１０４】
ボンディングマトリックスを含む複合材料が本開示で述べたように機械的特性の改善を
示すことができることが実証された。また、表１０に示すように、物品は、従来のポルト
ランドセメントより高い熱伝導率及び低い熱膨張係数を有し得る。さらに、本発明による
種々の複合材料は、表５に示すような広範囲の特性も示し得る。複合材料の例示的な実施
形態が表５に示した範囲のサブセットに対応する特性も有し得ることを理解すべきである
。例えば、実施形態は、３×１０−６／℃〜１５×１０−６／℃の熱膨張係数を有する複
合材料を含み得る。複合材料の例示的な実施形態は、約０．１３Ｗ／ｍ．ｋより大きく、
約１９６Ｗ／ｍ．ｋより小さい熱伝導率を示し得る。複合材料の例示的な実施形態は、６
〜９００Ｊ／モル．Ｋの熱容量を示し得る。複合材料の例示的な実施形態は、約１ＧＰａ
〜３０ＧＰａのビッカース硬さを示し得る。さらなる例示的な実施形態は、１４〜約３，
０００ＭＰａの間で変化する圧縮強度及び約３８０ＭＰａより小さい曲げ強度を示し得る
複合材料を含む。複合材料の例示的な実施形態は、６０×１０−６／ｐｓｉ未満のクリー
プひずみも示し得る。複合材料の例示的な実施形態は、７００Ｃ未満のＣｌ−透過率を示
し得る。複合材料の例示的な実施形態は、自己強化性であり、６Ｊより大きい耐落球衝撃
性を有し得る。複合材料の例示的な実施形態は、鋼鉄繊維で強化することもでき、１０Ｊ
より大きい耐落球衝撃性を有する。さらに、複合材料の例示的な実施形態は、上の特性の
部分的範囲及び／又は表５に示した特性の範囲の組合せを示し得る。
【０１０５】
【表９−１】
2019142766.tif 000014
【表９−２】
2019142766.tif 000015
【０１０６】
用途
現在述べているボンディングマトリックス及び／又はボンディングエレメントは、様々
な用途に用いることができる。本明細書で述べるこれらのボンディングエレメント／マト
リックスの特性が優れているため、該エレメント／マトリックスは、電子、光学、磁気、
生物医学、生物工学、医薬、農業、電気化学、エネルギー貯蔵、エネルギー発生、航空宇
宙、自動車、胴体保護具及び車両装甲、テキスタイル並びに研磨及び切断用途、並びに前
述の用途のいずれかの組合せに用いることができる。それは、光化学、化学的分離、光電
気、熱電子及び／又はエレクトロルミネッセンス材料としても用いることができる。
【０１０７】
実例の一部を以下に示す。
【０１０８】
ボンディングエレメント又はマトリックスは、ポルトランドセメント、石灰セメント又
は関連セメント系材料のようなセメント質相として用いることができる。これらの固体は
、ポルトランドセメント、石灰セメント又は関連セメント系材料の用途に適用することが
できる。
【０１０９】
ボンディングエレメント／マトリックスは、ＣａＣＯ３又はセッコウ及び砂を含む添加
物とブレンドして、モノリス固体を形成することができる。モノリス固体は、接合部又は
継目のない一体成形体として形成されている固体である。本明細書の目的のために、「モ
ノリス」という用語は、顕微鏡的レベルでの均一性を記述するために用いていない又は用
いないものとする。モノリス固体の例は、テラコッタ又は花崗岩及び石灰石などの天然石
の性能並びに外観を模倣し且つ／又はそれに類似し得る。外観は、添加物により異なる色
及び風合をさらに形成することによって作ることができる。１つの実施形態において、こ
れらのモノリス固体は、通常のテラコッタ又は天然石が用いられる用途に用いることがで
きる。
【０１１０】
ボンディングエレメント又はマトリックスは、砂又は他の鉱物とブレンドして、モルタ
ル又はグラウトを調製することもでき、得られる材料は、通常のモルタル及びグラウトが
用いられる用途に用いることができる。
【０１１１】
ボンディングエレメント／マトリックスは、金属又は有機又はセラミック繊維とブレン
ドして、繊維セメントを製作することもできる。得られる材料は、通常の繊維セメントが
用いられる用途に用いることができる。
【０１１２】
ボンディングエレメント又はボンディングマトリックスは、水和物不含有コンクリート
用途に用いることができる。１つの実施形態において、それを砂並びに骨材及び／又は複
数の骨材とブレンドして、普通又は構造用コンクリートを模倣し且つ／又はそれに類似す
る材料を形成することができる。得られる材料は、通常の構造用又は普通コンクリートが
用いられる用途、例えば、ダム、橋、水泳プール、家、街路、テラス、地下室、手すり、
普通セメントタイル、モザイクタイル、舗装ブロック、街灯柱、排水管の蓋又はそれらの
組合せに用いることができる。
【０１１３】
粒子、分散剤及び／又はコルク、ガラス骨材などの廃棄物の注意深い分級（sizing）に
より、高強度コンクリート（ＨＳＣ）、３Ｄ繊維タイプ構造物（例えば、コンクリート布
）、速強コンクリート（ＲＳＣ）、コルクベースの複合材料、ガラスコンクリート及び高
性能コンクリート（ＨＰＣ）を模倣し且つ／又はそれに類似する終局材料を製造すること
ができる。終局材料は、通常のＨＳＣ、コンクリート布、ＲＳＣ、コルクベースの複合材
料、ガラスコンクリート及びＨＰＣが用いられる用途に用いることができる。
【０１１４】
工程中水蒸気及び／又は真空をさらに用いて、真空コンクリート（ＶＣ）を模倣し且つ
／又はそれに類似し、通常のＶＣが用いられる用途に用いることができる材料を製造する
ことができる。１つの代替実施形態において、多孔度を制御することにより、透水性コン
クリートを模倣／それに類似する終局材料を製造することができる。該材料は、通常の透
水性コンクリートが用いられる用途に用いることができる。
【０１１５】
１つの実施形態において、ボンディングエレメント／マトリックスを繊維、砂、骨材及
び／又は消泡剤などの他の添加物及び／又はヒュームドシリカ及びＣａＣＯ３などの超微
細粒子とブレンドして、繊維強化複合材料及び／又は超高性能コンクリート（ＵＨＰＣ）
のように機能する繊維強化コンクリート（ＦＲＣ）を調製する。これらの固体は、通常の
ＦＲＣ及び／又はＵＨＰＣが用いられる用途に用いることができる。代替実施形態におい
て、流動性を制御すること（例えば、処理中に水含量を調節することにより）により、他
の据付タイプ（installation types）のコンクリート製品を製造することができる。製品
は、吹付けコンクリート、自己充填コンクリート、転圧コンクリート又はそれらの組合せ
を含む。
【０１１６】
別の実施形態において、ボンディングエレメント／マトリックスをアルミニウム及びＣ
ａ（ＯＨ）２などの金属とブレンドし、オートクレーブにかけ、又は真空のような異なる
補助手段を用いることにより多孔度を制御することにより、又は空気混入により、オート
クレーブ養生気泡コンクリート（ＡＡＣ）を模倣／それに類似する材料を製造する。この
材料は、通常のＡＡＣが用いられる用途に用いることができる。
【０１１７】
代替実施形態において、ボンディングエレメント／マトリックスを砂及び／又は低密度
骨材（例えば、膨張バーミキュライト及びパーライト、軽石、膨張スラグ、膨張シェール
又はそれらの組合せ）とブレンドし、多孔度を制御することにより、これらの複合材料を
軽量コンクリート又はセルラーコンクリート、軽量気泡コンクリート、可変密度コンクリ
ート、発泡コンクリート又は超軽量コンクリート又はこれらのタイプのコンクリートに関
連する他の材料として用いることができる。別の実施形態において、ボンディングエレメ
ント／マトリックスを高密度骨材（例えば、密度＞３．２ｇ／ｃｍ３）とブレンドすると
、得られる生成物は、重量コンクリートであり得る。
【０１１８】
現在述べているボンディングエレメント／マトリックスは、鋼鉄と併用して用いて（そ
れにより強化する）、強化コンクリート材料を製作することができ、これは、強化コンク
リート構造物が用いられる用途に用いることができる。該材料は、プレストレスコンクリ
ートを模倣／それに類似させるためにプレストレス処理することができる。１つの実施形
態において、ボンディングエレメント／マトリックスを巨大ブロックに注入して、マスコ
ンクリートを模倣／それに類似する材料を製造することができる。これらのマスコンクリ
ートタイプの材料の用途は、重力式ダム、大防波堤又はそれらの組合せを含み得る。現在
述べているボンディングエレメント／マトリックス由来のコンクリートは、装飾目的のた
めに異なる風合で作製することもできる。
【０１１９】
いくつかの実施形態において、現在述べているボンディングエレメント／マトリックス
を含む複合材料は、優れた特性を有し得る。例えば、それは、高塩化物含量を有する環境
中の鋼鉄補強の防護を可能にすることなどの優れた耐食性及び攻撃的な硫酸塩環境中の優
れた耐久性を有し得る。複合材料は、遮音及び／又は核放射線遮蔽などの高度に特化され
た用途に用いることができる。１つの実施形態において、該材料は、望ましい耐火性を有
し得、耐火用途に適し得る。該材料はまた、例えば、凍結状態、砂漠における高温又は極
端な気候変動などの極端な気候条件に耐え且つ／又は凍結融解抵抗性であり得る。該材料
はまた、耐特殊海洋、極低温及び／又は爆風抵抗性用途に用いるのに適し得る。いくつか
の実施形態において、該材料は、耐震構造及び／又はジオシンセティックタイプの構造に
用いることができる。
【実施例】
【０１２０】
〔実施例１〕
図５ａ及び５ｂに主として非晶質シリカにより覆われたランダム配向ＣａＳｉＯ３コア
繊維の二次電子（ＳＥ）及び後方散乱電子（ＢＳＥ）像を示す。これらの被覆繊維は、Ｃ
ａＣＯ３粒子により封入されている。微細構造のＦＥＳＥＭにおけるＥＤＳによる化学マ
ッピングにより、ケイ灰石コア繊維がＳｉＯ２に富む領域により覆われ、ＣａＣＯ３粒子
により封入されていることが示された（図６）。ボンディングマトリックスの異なるエレ
メントがＣａＣＯ３粒子によって一緒に保持されている。この組成物のＸＲＤにより、Ｃ
ａＳｉＯ３及びＣａＣＯ３（方解石）は結晶相であるが、シリカに富む領域は非晶質であ
ることが明らかになった。
【０１２１】
表６でケイ灰石コア繊維ベースのボンディングマトリックスを用いて形成した異なる組
成（表３及び４）を有する通常のモノリス材料の機械的特性を比較する。これらのボンデ
ィングマトリックスは、４０〜３００ＭＰａの範囲の圧縮強度を示した。さらに、圧縮強
度は、繊維コアの単位サイズ及び多孔度の両方により調節することができる。このボンデ
ィングマトリックスで観測された最高強度は、定石石状花崗岩と同等の強度を有する。Ｆ
Ｂ１Ａ及びＦＢ１Ｂ試料は、不均化反応を行う前にそれぞれプレス及びキャスティング成
形法により調製した。これらの２つの異なるセラミック成形技術は、原料が異なる方法で
充填しているため、わずかに異なる圧縮強度を有する材料をもたらす（表３）。さらに、
ＦＢ１Ａマトリックスベースのより小さい試料（直径＝１２．８ｍｍ）で２９８±５ＭＰ
ａの平均強度が観測された。これらの結果から、より高度の加工により欠陥ポピュレーシ
ョンをさらに減少させることによって、これらの固体の強度をさらに増大させることが可
能であることがわかる。欠陥ポピュレーションを減少させることができ、ひいてはこれら
の改善された機械的特性を有するより大きい試料を得ることを可能にする粉末加工の多く
の従来法が存在する。この最適化の方法は、この新規なボンディングエレメント技術を用
いるならば、当業者によって可能となる。
【０１２２】
【表１０】
2019142766.tif 000016
【０１２３】
図７に例Ｄで述べた微細構造を有する複合材料（組成物Ｐ３、表４）におけるビッカー
ス硬度圧痕を示す。この複合材料は、約１．６ＧＰａの硬度を有していた。亀裂進展を理
解するために、圧痕の隅部から広がった亀裂をその後試験した（図８）。Ｂ及びＤ領域は
、シリカに富む領域とＣａＣＯ３に富む領域との界面における剥離によって、亀裂が異な
る繊維状のケイ灰石コア繊維の周りをそれていたことを示している（図８（ａ））。これ
らのコア繊維は、亀裂ディフレクタとしての役割を果たし、亀裂は、その後それらの周り
をそれ、界面境界に存在するＣａＣＯ３に富む相を経て進展した（図８ｂ）。したがって
、被覆シリカとＣａＣＯ３に富む領域との間の界面は、コアケイ灰石粒とシリカ相コーテ
ィングとの間の頑強な界面と比べて弱い（図８（ｃ））。この特有の界面構造は、突然の
脆性破壊に対するこれらの構造の損傷許容性を増大させる剥離によって亀裂がディフレク
トする構造を設計するのに用いることができる。Ｐ３組成物は、脆性破壊を示し、１１０
ＭＰａの圧縮強度（図９）及び１２ＭＰａの引張強度を有していた。
【０１２４】
炭化物、ケイ酸塩、ガラス及びガラスセラミック又は様々な種類の金属及びポリマーの
ような異なる添加物を含む複合材料を製作することによってこれらの複合材料の硬度を調
整することがさらに可能である。簡単のために、硬度の計算を、異なる添加物とブレンド
された３０体積％Ｐ３ボンディングマトリックスを仮定することによって行い、その後、
混合計算の規則（rule of mixture calculation）を用いることにより、異なる硬度値の
範囲を計算することができる。例えば、表７に示すようにＢｅＯを加えることによって、
１〜１．３ＧＰａの硬度を達成することができ、Ｂ４Ｃを加えることによって、２１〜２
７ＭＰａの硬度を達成することもできる。他の例示的な実施形態において、材料は、約１
ＧＰａ〜約３０ＧＰａのビッカース硬度を有し得る。
【０１２５】
【表１１】
2019142766.tif 000017
【０１２６】
同様に、ボンディングエレメントは、熱伝導率に影響を与えるためにも用いることがで
きる。また、ボンディングエレメントは、熱膨張に影響を与えるために用いることができ
る。これらの変化の例示的な実施形態を表８に示す。
【０１２７】
【表１２】
2019142766.tif 000018
【０１２８】
表３〜４にコア繊維のサイズによって圧縮強度がどのように変化するかを示す。コア繊
維の平均サイズが７０ミクロンから９ミクロンに減少するとき、圧縮強度は、６０ＭＰａ
から３００ＭＰａと高値に増加したが、図９におけるような応力対変位曲線は、これらの
材料が破局的な脆性破壊（漸次破壊でない）を受けることを示す。
【０１２９】
組成物ＦＢ４は、損傷許容性を付与するために異なるサイズ画分の非常に大きなコア繊
維（約２８００〜１５０μｍ）を用いることによって開発されている。最初は応力対変位
測定中に（図１０）、応力は、変位とともに直線的に変化した。７２ＭＰａの極限圧縮強
度（ＵＣＳ）に達した後に、応力は、破壊により急に低下し、その後、試料は、その最初
の強度を取り戻し（損傷許容性、言い換えれば、漸次破壊又は延性又は延性破壊の徴候）
、その後、破壊の前にこのサイクルを３回続けた。したがって、界面構造がこのボンディ
ングマトリックスの損傷許容性に主要な役割を果たしていた（図１０）。これらの種類の
構造は、「自己補強セメント系複合材料（ＳＲＣＣ）」と呼ぶこととする。この場合、新
規性は、繊維ベースのボンディングエレメントが両セメント質単位（活性繊維又は充填材
）としての役割を果たしていること、並びにそれらが損傷許容性を持つための亀裂ディフ
レクタとしての役割も果たしていることである。
【０１３０】
要約すると、コア繊維のサイズは、ボンディングマトリックスの力学を制御するうえで
主な役割を果たす。コア繊維の平均粒子サイズが小さい（約＜７０μｍ）場合、これらの
ボンディングマトリックスは、大きい圧縮強度（３００ＭＰａと高い）を示し、漸次破損
又は破壊ではなく脆性破壊を示す。大きいコア繊維（約１５０〜２８００μｍ）を用いる
場合（組成物ＦＢ４、表３）、亀裂ディフレクション及びこれらの大きい活性繊維界面の
剥離が損傷許容性（又は延性又は漸次破壊）の誘導に重要な役割を果たす。
【０１３１】
９μｍの平均粒子サイズを有するケイ灰石コア繊維からなるランダム配向ボンディング
マトリックスにおける多孔度を制御することにより、様々な構造を構築することができる
。表４にボンディングマトリックスの圧縮強度に対する多孔度の影響を示す。ボンディン
グマトリックスにおける多孔度の４５％から１７％への減少により、ボンディングマトリ
ックスの圧縮強度の１０ＭＰａから１６３ＭＰａへの増加がもたらされた。
【０１３２】
上述の実施例は、これらの材料の特性をどのようにして変化させることができるかを示
すものである。このボンディングエレメントを用いることができる多くの微細構造が存在
する。
【０１３３】
〔実施例２〕
図１１にＳｉＯ２、高Ｃａフライアッシュ（ＨＣＦＡ）及びＣａＣＯ３とＰ３ボンディ
ングマトリックス（Ｐ３組成物、表４）との相互作用を示す。Ｐ３ボンディングマトリッ
クス及びＳｉＯ２界面（図１１（ａ）及び（ｂ））の観察により、ケイ灰石コア繊維の周
りのＣａＣＯ３粒子及びシリカに富むコーティングは、外部から加えたシリカ粒子との結
合界面を形成していたことがわかる。Ｐ３ボンディングマトリックス−ＨＣＦＡ界面に、
ＨＣＦＡとボンディングマトリックスとの間の剥離の徴候は存在しなかった（図１１（ｂ
））。同様にＰ３ボンディングマトリックス−ＣａＣＯ３界面において、外部から加えた
ＣａＣＯ３粒子がボンディングエレメントとの拡散界面を形成していた。
【０１３４】
図１２（ａ）に、７０体積％の砂（シリカ）粒子状成分が構造に多孔性を有するＰ３ボ
ンディングマトリックス（表４）中に分散している０−３複合材料の典型的な例を示す。
この複合材料は、圧縮中に劣化破壊を示し、≒５５ＭＰａの圧縮強度を有していた（図１
２（ｂ））。３０体積％のＰ３ボンディングマトリックスは、それ自体並びに砂粒子に結
合することによって複合材料中で水和物不含有接着相として働いている。
【０１３５】
図１４（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ１：２：２の容積比のＦＢ１繊維コア、（３００〜
５００）μｍ砂及び（２〜４）ｍｍ砂骨材を用いることにより形成した複合材料の光学顕
微鏡写真を示す。より高倍率では、ボンディングマトリックスが砂粒子の空隙に存在し、
ボンディングマトリックスの厚い層が砂粒子を取り囲んで、接着相としての役割も果たし
ていることがわかる。表９にイリノイ州のＣＴＬによる認定ＡＳＴＭ特性試験及び１つの
実施形態における本微細構造の機械的特性を示す。これらの値は、限定的なものと見なす
べきではなく、例示的なものにすぎないと見なすべきである。例えば、さらなる実施形態
は、正確に０．３８ｍｍでなければならないのではなく、ＡＳＴＭ  Ｃ９４４を用いて１
．００ｍｍ未満の平均磨滅を有する耐摩耗性を有する複合材料を含み得る。この複合材料
は、高性能コンクリートのような機械的特性を有し、この特定の場合において、２０体積
％のボンディングマトリックスを用いて、構造全体を結合させた。
【０１３６】
【表１３】
2019142766.tif 000019
【０１３７】
〔実施例３〕
図１５に２連続サイクルにわたる熱サイクリング時の−４０〜１００℃におけるＦＢ１
Ｂの熱ひずみの変化を示す。熱サイクリング中に熱ヒステリシス又は相変化の徴候は認め
られなかった。表１０にＰ２及びＰ３組成物の熱的特性を要約する。図１６にＰ３（表４
）のＲＴから５００℃までの比熱の変化を示す。比熱は、０．７１１（Ｊ／ｇ℃）から１
．２７４（Ｊ／ｇ℃）に徐々に増加した。Ｐ３組成物の相変化又は熱的特性の変化は認め
られなかった。明らかに、純粋な形の、又は複合材料に混入された同様なタイプのボンデ
ィングエレメントは、耐火などの高温での用途に用いることができる。
【０１３８】
【表１４】
2019142766.tif 000020
【０１３９】
表１０を用いることにより、異なる複合材料の熱伝導率及び熱膨張は、ボンディングエ
レメントを用いることにより、また混合物近似の単純な規則を用いて計算することができ
る。例えば、３０体積％Ｐ３ボンディングマトリックスとコルクとの複合材料は、０．５
５Ｗ／ｍ．ｋの計算熱伝導率を有する。同様に、３０体積％Ｐ３ボンディングマトリック
スとＡＩＮとの複合材料は、１４６〜１９６Ｗ／ｍ．ｋの熱伝導率を有し得る。さらに、
これらの値は、ボンディングエレメントの含量及び多孔度を変化させることによってさら
に調整することができる。例えば、パーライトを結合し、０．１３Ｗ／ｍ．ｋと低い熱伝
導率を有するように１０体積％の多孔質Ｐ２マトリックスを使用することも可能である。
手短に言うと、熱的特性を調節するために用いることができる多くの組合せ及び置換が存
在する。
【０１４０】
予備的結果からも、ＦＢ１Ａ試料が、２００℃とし、次いでそれらを水中で急冷するこ
とによる１０サイクルの熱衝撃に耐えることができたことが示された。
【０１４１】
〔実施例４〕
ブレンドセメント、高強度モルタル並びに花崗岩、砂岩及びテラコッタのような石のよ
うな特性
【０１４２】
ケイ灰石ベースのボンディングマトリックス（表３及び４）は、大理石及び石灰石の外
観を有する。それは、装飾目的のための清潔な形態の建築建設材料として用いることがで
きる（表１１）。図１７にボンディングマトリックスに着色剤を加えることによって調製
した砂岩、花崗岩及びテラコッタ模造品の典型的な例を示す。ＣＰＣ組成物系列（表１２
）を用いて、異なる砂岩模造品を調製した。ボンディングエレメントを砂とブレンドする
ので、これらの組成物材料は、モルタル、グラウト又は高強度構造レンガの代用品として
も用いることができる。同様に、ボンディングマトリックス（表３及び４）に異なる色を
加えることにより、様々な種類の色及び風合を得ることができる。そのような方法で、本
明細書で述べた天然石に類似する色及び風合を示す複合材料を製作することができる。或
いは、本明細書で述べた建築コンクリートに類似する色及び風合を示す複合材料を製作す
ることができる。表１３に異なる石の物理的特性を要約する。クアルザイト及び花崗岩を
除いて、すべての列挙した固体の圧縮強度は、６９ＭＰａ未満である。ＣＰＣ系列のすべ
ての異なる複合材料の平均圧縮強度は、６９ＭＰａより大きい（表１２）。さらに、ＦＢ
１Ａ及びＦＢ１Ｂ組成物（添加物を含まないボンディングマトリックス、表３及び先の考
察）の平均圧縮強度は、１４７〜３００ＭＰａである。明らかに、ジオミメティック（ge
omimetic）セラミック材料の物理的特性は、天然石より良好である。先に説明した概念を
用いることによって、トラベンタイン、蛇紋岩等のような他の天然岩石を模倣することも
可能である。
【０１４３】
【表１５】
2019142766.tif 000021
【０１４４】
【表１６】
2019142766.tif 000022
【０１４５】
【表１７】
2019142766.tif 000023
【０１４６】
さらに、低い水吸収を有する構造物を作製することも可能である。例えば、ＣＰＣ２（
表１２）は、５重量％の水吸収を有する。それは、砂岩（表１４）と既に同等である。１
重量％のヒュームドシリカ（ｄ５０＜１μｍ）をＣＰＣ２型組成物に加えることによって
、水吸収を２．６重量％にさらに低下させることができる。
【０１４７】
【表１８】
2019142766.tif 000024
【０１４８】
構造コンクリートとＨＦＣとの比較
構造コンクリートは、３５ＭＰａの圧縮強度を有する。ケイ灰石コア繊維と砂及び様々
な種類の骨材との複合材料を製作することにより、構造コンクリートと同等である幅広い
強度を達成することが可能である。表１５に構造コンクリートと同様の強度を示し、した
がって、構造コンクリートのすべての用途に適する水和物不含有コンクリート（ＨＦＣ）
のいくつかの単純組成物を示す。
【０１４９】
【表１９】
2019142766.tif 000025
【０１５０】
ここでの初期組成物は、最終組成物を記述するよりもむしろ「複合材料」として記述す
る。化学及び相組成について正確な最終生成物は、不明である。他方で、初期組成物は、
正確に指定することができる。これは、この実施例だけでなく、すべての記載する実施例
に当てはまる。
【０１５１】
高強度及び性能ＨＦＣとＨＳＣ（高強度コンクリート）及び高性能コンクリート（ＨＰ
Ｃ）との比較
先の実施例で述べたように、ＨＦＣ４複合材料は、機械的強度の点で高性能コンクリー
トと同様に機能する（表９）。さらに、それは、グレード１のＨＰＣと同様のＣｌ透過性
も有する。興味深いことに、ＨＦＣ４は、グレード３の高性能コンクリートと同様の高い
耐摩耗性、耐スケーリング性及び収縮を有する。興味深いことに、空気混入混合物を添加
しない場合でさえ、ＨＦＣ４は、ＡＳＴＭ  Ｃ６６６により規定されているように３００
凍結融解サイクルで存続したが、そのＤＦ（耐久性係数）が１０に低下した。コンクリー
ト製剤の砂及び骨材成分の修飾により、ＡＳＴＭ  Ｃ６６６による１６３サイクルの後に
この耐久性係数が９３に増大し得る。
【０１５２】
高度の加工方法を用いることにより、ＨＦＣ複合材料におけるより優れた充填を達成す
ることができる（表１４）。例えば、水吸収は、ＨＦＣ４における８．３重量％からＨＳ
ＨＦＣ１及びＨＳＨＦＣ２における３．１及び４．７重量％に低下した。予想通りに、圧
縮強度もこれらの複合材料において増大した。ＨＦＣ４は、４７ＭＰａの圧縮強度を示し
たが、ＨＳＨＦＣ１及びＨＳＨＦＣ２の圧縮強度は、それぞれ８０ＭＰａ及び６５ＭＰａ
に増大した。
【０１５３】
早強セメント又はコンクリート
図１８に機械的強度に対する反応時間の変化を示す。５時間の反応の後に、６０ＭＰａ
の圧縮強度に達する。これらの系は、早強接着相を調製するのに、又は複合材料系におけ
るコンクリートとして用いることができる。ポルトランドセメントコンクリートは、その
ような短時間でこれをしない。
【０１５４】
エンジニアド（engineered）ＨＦＣ組成物とＵＨＰＣ（超高性能コンクリート）との比
較
図１９に１０重量％のＤＲＡＭＩＸ鋼繊維（ＺＰ３０５、Ｂｅｋａｅｒｔ  Ｃｏｒｐｏ
ｒａｔｉｏｎ、Ｍａｒｉｅｔｔａ、ＧＡ）で強化したＦＢ１Ｂボンディングマトリックス
の典型的な延性破壊を示す。ＤＲＡＭＩＸは、フック状の末端を接着した約３０ｍｍの長
さと約０．５ｍｍの直径を有する独占冷間引抜低Ｃ鋼繊維である。しかし、他の様々な鋼
繊維を用いて同様の結果を得ることができると予想される。
【０１５５】
ＣＰＣ２型組成物（表１２）も１０重量％（４体積％）の鋼繊維（ＦＲＣＰＣ２、表１
６）を侵入させた。これらの組成物は、ＣＰＣ組成物よりほぼ１．４倍高い曲げ強度と同
時に延性破壊も示した（図１９ｂ）。同様に、ＣＰＣ２に２．５重量％のＰＶＡ繊維（Ｒ
ＦＳ４００、ＮＹＣＯＮ  ＰＶＡ、１８ｍｍ繊維、Ｆａｉｒｌｅｓｓ  Ｈｉｌｌｓ、ＰＡ
）を侵入させた場合、それらは、より低い強度で破壊したが、高度の強度保持を示した。
【０１５６】
【表２０】
2019142766.tif 000026
【０１５７】
ボンディングエレメントと鋼鉄のとの相互作用を調整し、増大させるために、これらの
繊維を空気中で酸化させた（さび形成）。その後、１０重量％（４体積％）のさびた繊維
もＣＰＣ２マトリックスに混入した（ＲＦＲＣＰＣ２、表１６）。界面における剥離の増
大により、これらの新しい組成物は、高度の延性を示した（図１９ｃにおける領域ＩＩ）
。図２０に鋼−ボンディングマトリックス界面を示す。明らかに、硬化反応中に最初の界
面が鋼表面と相互作用した。これらの複合材料は、「水熱制御界面エンジニアド延性複合
材料」と呼ばれる。
【０１５８】
鋼繊維の界面は、特有の組成及び構造を有する可能性があると考えられる。
【０１５９】
表１７にＤｕｃｔａｌ（登録商標）（Ｌａｆａｒｇｅ（米国／カナダ領域、Ｃａｌｇａ
ｒｙ、Ａｌｂｅｒｔａ、Ｃａｎａｄａ、Ｔ２Ｗ４Ｙ１）により開発された独占超高性能コ
ンクリート）とＦＢ１Ｂ（ケイ灰石コア繊維ベースのボンディングマトリックス、表２Ｂ
）の特性の比較を示す。ＦＢ１Ｂは、Ｄｕｃｔａｌ（登録商標）−ＦＯ（熱処理なし）と
比較して高い圧縮及び曲げ強度を有するが、Ｄｕｃｔａｌ（登録商標）−ＦＭ又はＤｕｃ
ｔａｌ（登録商標）−ＡＦ（熱処理したＤｕｃｔａｌ（登録商標）−ＦＭ）と比較してわ
ずかに低い圧縮及び曲げ強度を有する。ＦＢ１Ｂの熱膨張は、Ｄｕｃｔａｌ（登録商標）
のすべての異種より高い。ＦＢ１Ｂは、脆性破壊を示す。鋼繊維を用い、粒子及び繊維を
工学的に処理することにより、超高性能を有する複合材料を作製することが可能である。
これらの材料は、次節で述べる超高性能コンクリート材料のすべての用途に用いることが
できる可能性がある。
【０１６０】
【表２１】
2019142766.tif 000027
【０１６１】
新規な延性及び耐衝撃性構造
表１８により長いケイ灰石繊維コア（ｄ５０＝８００μｍ）を用いることにより作製し
た異なる複合材料を要約する。図２１にＳＲＣ３複合材料（表１８）の典型的な微細構造
を示す。これらの自己補強構造におけるより長い繊維の濃度が増加するにつれて、曲げ強
度は低下するが、表２０に要約するように、耐衝撃性はさらに改善する。例えば、もとの
ＦＢ１Ｂボンディングマトリックスは、０．７５ｆｔ．ｌｂの衝撃で破壊するが、それら
をより長い繊維コアで自己補強した場合、それらは、４．５ｆｔ．ｌｂの衝撃で破壊する
。花崗岩、石灰華、大理石のような伝統的なモノリス材料は、１．２ｆｔ．ｌｂで破壊す
るが、Ｍｅｔｒｏ−Ｄａｄｅ承認Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ  Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｔｈｉｃｋｓ
ｅｔ  ９０（Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ  Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｐｉｔ
ｔｓｂｕｒｇｈ、ＰＡ）は、２．２ｆｔ．ｌｂの衝撃で破壊する。ＳＲＣＣが様々な種類
の建設材料のうちで最高の耐衝撃性の１つを有することが明らかである。
【０１６２】
【表２２】
2019142766.tif 000028
【０１６３】
スーパーブレンド
先の実施例で、「自己補強セメント系複合材料（ＳＲＣＣ）」及び「水熱制御界面エン
ジニアド延性複合材料」の概念を説明した。これらの２つのアププローチを統合し、スー
パーブレンドと呼ばれる新たなクラスの材料（表１９）を作製することが可能である。図
２２ａにＦＳＲＢＣ１複合材料の延性挙動を示す。次の４つの主な領域が変形中に観測さ
れた：（Ｉ）弾性、（ＩＩ）塑性、（ＩＩＩ）強度保持及び（ＩV）劣化破壊。図２２ｂ
に三点曲げ時のこの複合材料の曲げを示す。これらの固体は、高い耐衝撃性を有する（表
２０）。例えば、ＦＳＲＢＣ１は、１３ｆｔ．ｌｂの耐衝撃性を有し、これは、Ｐｉｔｔ
ｓｂｕｒｇｈ  Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｔｈｉｃｋｓｅｔ  ９０のそれより約６倍高い。
【０１６４】
【表２３】
2019142766.tif 000029
【０１６５】
【表２４】
2019142766.tif 000030
【０１６６】
これらの種類の固体は、耐爆性及び耐衝撃性の特性、超高性能及び高性能コンクリート
状特性を必要とする用途、高凍結融解、有害環境用途のような耐損傷用途に用いることが
できる。さらに、耐硫酸塩性、耐塩化物性などであるが、これらに限定されない特殊用途
による様々な種類の添加物を含むブレンドの代用とすることが可能である。表１９に苦灰
石充填材をＣａＣＯ３又は砂の代わりにも用いることができる例を示す。
【０１６７】
〔実施例５〕
ボンディングエレメントの新規化学的性質
同様に、上述のケイ灰石と異なるが、本発明において述べた新規なボンディングエレメ
ントを形成するための不均化反応を用いる共通の能力を有する化学的性質を用いることに
よって広範囲の構造を設計することも可能である。例えば、図２３及び２４にカンラン石
（Ｍｇ２ＳｉＯ４）及び透輝石（ＭｇＣａＳｉ２Ｏ６）前駆体由来のボンディングマトリ
ックスの微細構造を示す。これらのボンディングマトリックスは、それぞれ１６２±１５
ＭＰａ及び約９３ＭＰａの圧縮強度を有する。例えば、カンラン石は、未反応シリカ層（
枯渇域）及び構造全体を結合する接着相として機能するＭｇＣＯ３結晶によって囲まれた
未反応Ｍｇ２ＳｉＯ４コアからなる（図２３ｃ）。これらの未反応コアは、異なる形態を
有し得る。例えば、図２３ｄにＭｇＣＯ３結晶がカップ状のカンラン石粒の内側にどのよ
うに析出したかを示す。
【０１６８】
図２４にコアとしての透輝石の微細構造を示す。これらの粒は、非晶質シリカ、並びに
苦灰石（ＣａＣＯ３・ＭｇＣＯ３）及び／又はマグネタイト（ＭｇＣＯ３）及び／又はＭ
ｇＣＯ３によって囲まれている。ケイ灰石の場合と同様に、これらの材料は、先に述べた
様々な方法により新規微細構造を製作するのに用いることができる。さらに、上述のよう
に、この不均化反応を受け得る、鉱物であり、廃棄物でもある莫大な数のセラミックが存
在する。
【０１６９】
本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、本発明において様々な修正及び変更を行
うことができることは、当業者には明らかである。したがって、添付の特許請求の範囲及
びそれらの等価物の範囲内にあるならば、本発明は、本発明の修正形態及び変形形態を含
むものとする。
【図１】
2019142766.tif 000031
【図２−１】
2019142766.tif 000032
【図２−２】
2019142766.tif 000033
【図３】
2019142766.tif 000034
【図４】
2019142766.tif 000035
【図５】
2019142766.tif 000036
【図６】
2019142766.tif 000037
【図７】
2019142766.tif 000038
【図８】
2019142766.tif 000039
【図９】
2019142766.tif 000040
【図１０】
2019142766.tif 000041
【図１１】
2019142766.tif 000042
【図１２】
2019142766.tif 000043
【図１３】
2019142766.tif 000044
【図１４】
2019142766.tif 000045
【図１５】
2019142766.tif 000046
【図１６】
2019142766.tif 000047
【図１７】
2019142766.tif 000048
【図１８】
2019142766.tif 000049
【図１９】
2019142766.tif 000050
【図２０】
2019142766.tif 000051
【図２１】
2019142766.tif 000052
【図２２】
2019142766.tif 000053
【図２３】
2019142766.tif 000054
【図２４】
2019142766.tif 000055
【手続補正書】
【提出日】令和1年5月21日(2019.5.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の前駆体粒子を含み、ある程度の多孔度を有する前駆体物質を準備するステップと、
液体溶媒を前駆体物質の細孔に導入するステップと、
ガス状反応物を前駆体物質の細孔に導入し、それにより、前駆体粒子をボンディングエレメントに変態するステップと
を含む複合材料を製造する方法であって、
前記複合材料が、
ボンディングマトリックスと、
ボンディングマトリックスに組み込まれた充填材料と
を含み、
前記ボンディングマトリックスは、複数のボンディングエレメントを含み、
ボンディングエレメントはそれぞれ、
コアと、
コアの辺縁部を少なくとも部分的に覆う第1の層と、
第１の層の辺縁部を少なくとも部分的に覆う第２の層と
を含み、
前記コアが、化学元素Ｍ、Ｍｅ、およびＯ（酸素）および／またはＯＨ基を有する少なくとも１つの合成製剤を含み、
Ｍが、カルシウム又はマグネシウムから選択されるアルカリ土類金属であり、
Ｍｅが、ケイ素、チタン、アルミニウム、リン、バナジウム、タングステン、モリブデン、ガリウム、マンガン、ジルコニウム、ゲルマニウム、銅、ニオブ、コバルト、鉛、鉄、インジウム、ヒ素、及びタンタルの群から選択される、
複合材料を製造する方法。
【請求項２】
前駆体粒子の少なくとも一部が反応物と反応せず、残存してボンディングエレメントの
コアを形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前駆体粒子の残りが変態されて第１の層及び第２の層を形成し、それにより、ボンディングエレメントに前駆体粒子を残さない、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
液体溶媒を前駆体物質の細孔に導入するステップが、前駆体物質の細孔に液体を部分的
に満たすステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
液体溶媒を前駆体物質の細孔に導入するステップが、
液体を蒸発させるステップと、
液体が前駆体物質の細孔全体に分布するように液体を凝縮させるステップと
をさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前駆体物質を充填材料と混合するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
充填材料が、第１の複数の第１のサイズの粒子及び第２の複数の第２のサイズの粒子を含み、
第２のサイズの粒子が第１のサイズの粒子よりサイズが実質的に大きく、ボンディングマトリックス、第１のサイズの粒子及び第２のサイズの粒子が、複合材料が階層構造を形成するように配置されている、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
複数の前駆体粒子を含む前駆体物質を準備するステップが、前駆体粒子を所望の配向で整列させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前駆体粒子を所望の配向で整列させるステップが、前駆体粒子を１−Ｄ配向で整列させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前駆体粒子を所望の配向で整列させるステップが、前駆体粒子を２−Ｄ配向で整列させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前駆体粒子を所望の配向で整列させるステップが、前駆体粒子を３−Ｄ配向で整列させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
複数の前駆体粒子を含む前駆体物質を準備するステップが、前駆体粒子をランダム配向で配置するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
ボンディングエレメントを製作する方法であって、
（ｉ）反応性前駆体を準備するステップと、
（ｉｉ）反応性前駆体の少なくとも一部を変態して、前駆体の非変態部分の少なくとも一部の上に第１の層、及び第１の層の少なくとも一部の上に第２の層を形成し、それにより、ボンディングエレメントを形成させるステップとを含み、
前記ボンディングエレメントは、コアを含み、
前記コアが、化学元素Ｍ、Ｍｅ、およびＯ（酸素）および／またはＯＨ基を有する少なくとも１つの合成製剤を含み、
Ｍが、カルシウム又はマグネシウムから選択されるアルカリ土類金属であり、
Ｍｅが、ケイ素、チタン、アルミニウム、リン、バナジウム、タングステン、モリブデン、ガリウム、マンガン、ジルコニウム、ゲルマニウム、銅、ニオブ、コバルト、鉛、鉄、インジウム、ヒ素、及びタンタルの群から選択され、
前記第１の層が、シリカに富む層を含み
前記第2の層が、炭酸カルシウムおよび／または炭酸マグネシウムに富む層を含む、方法。
【請求項１４】
変態が不均化反応による、請求項１３に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６９】
本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、本発明において様々な修正及び変更を行
うことができることは、当業者には明らかである。したがって、添付の特許請求の範囲及
びそれらの等価物の範囲内にあるならば、本発明は、本発明の修正形態及び変形形態を含
むものとする。
本願は以下の発明に関するものである。
（１）  １つ又は複数の化学元素を含む第１の化学組成を有するコアと、
コアの辺縁部を少なくとも部分的に覆い、第１の化学組成と異なる化学組成であり、第
１の化学組成の化学元素の１つに対応する陽イオンを含む第２の化学組成を有する第１の
層と、
第１の層の辺縁部を少なくとも部分的に覆い、第１及び第２の化学組成と異なる化学組
成であり、第１の化学組成の化学元素の１つに対応する陽イオンを含む第３の化学組成を
有する第２の層と
を含む、ボンディングエレメント。
（２）  第１の化学組成が少なくとも２種の化学元素を含み、第２の化学組成に随伴する
陽イオンが第１の化学組成の少なくとも２種の化学元素の第１の化学元素に対応し、第３
の化学組成に随伴する陽イオンが第１の化学組成の少なくとも２種の化学元素の第２の化
学元素に対応する、前記（１）に記載のボンディングエレメント。
（３）  第１の化学組成が少なくとも２種の化学元素を含み、第２の化学組成に随伴する
陽イオンが第１の化学組成の少なくとも２種の化学元素の第１の化学元素に対応し、第３
の化学組成に随伴する陽イオンが第１の化学組成の少なくとも２種の化学元素の第１の化
学元素に対応する、前記（１）に記載のボンディングエレメント。
（４）  第１の化学組成が１つの化学元素のみを含む、前記（１）に記載のボンディング
エレメント。
（５）  第２の化学組成に随伴する陽イオンが第１の化学組成の化学元素の１つに対応す
る陰イオンと結合している、前記（１）に記載のボンディングエレメント。
（６）  第３の化学組成に随伴する陽イオンが反応物に対応する陰イオンと結合している
、前記（５）に記載のボンディングエレメント。
（７）  第２の化学組成に随伴する陽イオンが第１の反応物に対応する陰イオンと結合し
ている、前記（１）に記載のボンディングエレメント。
（８）  第３の化学組成に随伴する陽イオンが第２の反応物に対応する陰イオンと結合し
ている、前記（７）に記載のボンディングエレメント。
（９）  第２及び第３の化学組成に随伴する陽イオンがアルカリ土類金属である、前記（
１）に記載のボンディングエレメント。
（１０）  第２及び第３の化学組成に随伴する陽イオンがＣａ＋２及びＭｇ＋２から選択
される、前記（９）に記載のボンディングエレメント。
（１１）  コアが等軸状である、前記（１）に記載のボンディングエレメント。
（１２）  コアが楕円状である、前記（１）に記載のボンディングエレメント。
（１３）  コアが繊維状である、前記（１）に記載のボンディングエレメント。
（１４）  第１の層が非晶質層である、前記（１）に記載のボンディングエレメント。
（１５）  コアが対称形状を有する、前記（１）に記載のボンディングエレメント。
（１６）  コアが非対称形状を有する、前記（１）に記載のボンディングエレメント。
（１７）  コアが薄片の形状である、前記（１）に記載のボンディングエレメント。
（１８）  コアがＣａＳｉＯ３を含む、前記（１）に記載のボンディングエレメント。
（１９）  コアがＭｇＳｉＯ３を含む、前記（１）に記載のボンディングエレメント。
（２０）  コアが一般式ＭａＭｅｂＯｃ又はＭａＭｅｂ（ＯＨ）ｃを有する少なくとも１
つの合成製剤を含み、Ｍが、反応して炭酸塩を形成し得る１つ又は複数の金属を含み、Ｍ
ｅが、炭酸化反応中に酸化物を形成し得る１つ又は複数の金属である、前記（１）に記載
のボンディングエレメント。
（２１）  Ｍがカルシウム又はマグネシウムから選択されるアルカリ土類金属であり、Ｍ
ｅがケイ素、チタン、アルミニウム、リン、バナジウム、タングステン、モリブデン、ガ
リウム、マンガン、ジルコニウム、ゲルマニウム、銅、ニオブ、コバルト、鉛、鉄、イン
ジウム、ヒ素及びタンタルの群から選択される、前記（２０）に記載のボンディングエレ
メント。
（２２）  第１の層が結晶層である、前記（１）に記載のボンディングエレメント。
（２３）  第１の層がアルミニウム、ケイ素又は鉄の酸化物又は水酸化物を含む、前記（
１）に記載のボンディングエレメント。
（２４）  第１の層が酸化アルミニウム、酸化ケイ素及び酸化鉄の少なくとも１つを含む
、前記（１）に記載のボンディングエレメント。
（２５）  第１の層が水酸化アルミニウム、水酸化ケイ素及び水酸化鉄の少なくとも１つ
を含む、前記（１）に記載のボンディングエレメント。
（２６）  前駆体物質の化学組成と異なり、前駆体物質の化学組成に見いだされる化学元
素に対応する陽イオンを含む化学組成を有する第１の層と、
第１の層の辺縁部を少なくとも部分的に覆い、第１の層及び前駆体物質の化学組成と異
なり、前駆体物質の化学組成に見いだされる化学元素に対応する陽イオンを含む化学組成
を有する第２の層と
を含むボンディングエレメント。
（２７）  それぞれが、１つ又は複数の化学元素を含む第１の化学組成を有するコアと、
コアの辺縁部を少なくとも部分的に覆い、第１の化学組成と異なる化学組成であり、第１
の化学組成の化学元素の１つに対応する陽イオンを含む第２の化学組成を有する第１の層
と、第１の層の辺縁部を少なくとも部分的に覆い、第１及び第２の化学組成と異なる化学
組成であり、第１の化学組成の化学元素の１つに対応する陽イオンを含む第３の化学組成
を有する第２の層とを含む、複数のボンディングエレメントを含むボンディングマトリッ
クス。
（２８）  それぞれが、前駆体物質の化学組成と異なり、前駆体物質の化学組成に見いだ
される化学元素に対応する陽イオンを含む化学組成を有する第１の層と、第１の層の辺縁
部を少なくとも部分的に覆い、第１の層及び前駆体物質の化学組成と異なり、前駆体物質
の化学組成に見いだされる化学元素に対応する陽イオンを含む化学組成を有する第２の層
とを含む、複数のボンディングエレメントを含むボンディングマトリックス。
（２９）  第２の層が、石灰石、大理石粉材、炭酸カルシウムに富む骨材、セッコウ、砂
及びシリカに富む骨材並びにそれらの組合せからなる群から選択される１つ又は複数の活
性粒子状物質と結合している炭酸塩相からなる、前記（２８）に記載のボンディングマト
リックス。
（３０）  第２の層が連続相又は不連続相である、前記（２８）に記載のボンディングマ
トリックス。
（３１）  多孔質である、前記（２８）に記載のボンディングマトリックス。
（３２）  ボンディングエレメントが１−Ｄ配向、２−Ｄ配向、３−Ｄ配向、ランダム配
向で配向している又はパーコレーションネットワークを形成している、前記（２８）に記
載のボンディングマトリックス。
（３３）  ボンディングエレメントの少なくとも一部が互いに接触している、前記（２８
）に記載のボンディングマトリックス。
（３４）  第２の層が、石灰石、大理石粉材、炭酸カルシウムに富む骨材、セッコウ、砂
及びシリカに富む骨材並びにそれらの組合せからなる群から選択される１つ又は複数の活
性粒子状物質と結合しているＣａＣＯ３からなる、前記（２８）に記載のボンディングマ
トリックス。
（３５）  水和物不含有セメント系結合材をさらに含む、前記（２７又は２８）に記載の
ボンディングマトリックス。
（３６）  ボンディングエレメントをセメント系材料、モルタル及びグラウトとして使用
するステップを含む、前記（２７又は２８）に記載のボンディングマトリックスを使用す
る方法。
（３７）  前記（２７又は２８）に記載のボンディングマトリックスと、
ボンディングマトリックスに組み込まれた充填材料と
を含む複合材料。
（３８）  充填材料が不活性材料を含む、前記（３７）に記載の複合材料。
（３９）  不活性材料が複数の等軸状粒子を含む、前記（３８）に記載の複合材料。
（４０）  不活性材料が複数の異方性粒子を含む、前記（３８）に記載の複合材料。
（４１）  不活性材料が等軸状粒子と異方性粒子の組合せを含む、前記（３８）に記載の
複合材料。
（４２）  充填材料が活性材料を含む、前記（３７）に記載の複合材料。
（４３）  活性材料が複数の等軸性粒子を含む、前記（４２）に記載の複合材料。
（４４）  活性材料が複数の異方性粒子を含む、前記（４２）に記載の複合材料。
（４５）  活性材料が等軸状粒子と異方性粒子の組合せを含む、前記（４２）に記載の複
合材料。
（４６）  充填材料が、
第１の複数の第１のサイズの粒子及び第２の複数の第２のサイズの粒子を含み、第２の
サイズの粒子が第１のサイズの粒子よりサイズが実質的に大きく、ボンディングマトリッ
クス、第１のサイズの粒子及び第２のサイズの粒子が、複合材料が階層構造を形成するよ
うに配置されている、前記（３７）に記載の複合材料。
（４７）  ボンディングマトリックスが、隣接する第１のサイズの粒子の間の多孔性空間
内に実質的に配置され、隣接する第１のサイズの粒子が、隣接する第２のサイズの粒子の
間の多孔性空間内に配置されている、前記（４６）に記載の複合材料。
（４８）  ボンディングマトリックスが、隣接する第１のサイズの粒子のそれぞれの辺縁
部を少なくとも部分的に覆っている、前記（４７）に記載の複合材料。
（４９）  ボンディングエレメントが１−Ｄ配向で整列している、前記（３７）に記載の
複合材料。
（５０）  ボンディングエレメントが２−Ｄ配向で整列している、前記（３７）に記載の
複合材料。
（５１）  ボンディングエレメントが３−Ｄ配向で整列している、前記（３７）に記載の
複合材料。
（５２）  ボンディングエレメントがランダム配向で整列している、前記（３７）に記載
の複合材料。
（５３）  約１ＧＰａ〜３０ＧＰａのビッカース硬度を有する、前記（３７）に記載の複
合材料。
（５４）  １４〜約３，０００ＭＰａの間で変化する圧縮強度及び約３８０ＭＰａ未満の
曲げ強度を有する、前記（３７）に記載の複合材料。
（５５）  ６０×１０−６／ｐｓｉ未満のクリープひずみを示す、前記（３７）に記載の
複合材料。
（５６）  ７００Ｃ未満のＣｌ−透過性を示す、前記（３７）に記載の複合材料。
（５７）  自己補強性であり、６Ｊを超える耐落球衝撃性を有する、前記（３７）に記載
の複合材料。
（５８）  鋼繊維で強化され、１０Ｊを超える耐落球衝撃性を有する、前記（３７）に記
載の複合材料。
（５９）  破壊時に延性挙動及び強度保持を示す、前記（３７）に記載の複合材料。
（６０）  耐熱衝撃性を有する、前記（３７）に記載の複合材料。
（６１）  約０．１３Ｗ／ｍ．ｋより大きく、約１９６Ｗ／ｍ．ｋより小さい熱伝導率を
有する、前記（３７）に記載の複合材料。
（６２）  以下の特性の少なくとも１つを示す、前記（３７）に記載の複合材料。
（ｉ）少なくとも４．０４×１０６ｐｓｉの弾性率、
（ｉｉ）少なくとも３９０ｐｓｉの割裂引張強度、
（ｉｉｉ）ＡＳＴＭ  Ｃ９４４を用いた１．００ｍｍ未満の平均磨滅
（ｉｖ）ＡＳＴＭ  Ｃ６６６による少なくとも３００サイクルの耐凍結融解性、
（ｖ）ＡＳＴＭ  Ｃ６７２を用いて試験するときｘ＜１の耐可視スケーリング性、
（ｖｉ）ＡＳＴＭ  Ｃ１５７により測定される無視できる収縮、及び
（ｖｉｉ）無視できるアルカリ−ケイ酸塩反応。
（６３）  ３×１０−６／℃〜１５×１０−６／℃の熱膨張係数を有する、前記（３７）
に記載の複合材料。
（６４）  ６〜９００Ｊ／モル・Ｋの熱容量を示す、前記（３７）に記載の複合材料。
（６５）  ０．０４〜０．９の反射係数を有する、前記（３７）に記載の複合材料。
（６６）  約１〜約９９体積％の多孔度をさらに有する、前記（３７）に記載の複合材料
。
（６７）  約１〜約７０体積％の多孔度を好ましくは有する、前記（６６）に記載の複合
材料。
（６８）  最も好ましくは約１〜１０体積％の多孔度を有する、前記（６７）に記載の複
合材料。
（６９）  最も好ましくは約５０〜７０体積％の多孔度を有する、前記（６７）に記載の
複合材料。
（７０）  ボンディングマトリックスが約１〜９９体積％の体積分率を含む、前記（３７
）に記載の複合材料。
（７１）  ボンディングマトリックスが好ましくは約８〜９９体積％の体積分率を含む、
前記（７０）に記載の複合材料。
（７２）  ボンディングマトリックスが最も好ましくは約８〜３０体積％の体積分率を含
む、前記（７１）に記載の複合材料。
（７３）  ボンディングマトリックスが少なくとも１つの相互連結性パターンを示す、前
記（３７）に記載の複合材料。
（７４）  １レベル、２レベル、３レベル、４レベル又はそれらの組合せを含む階層構造
をさらに含む、前記（３７）に記載の複合材料。
（７５）  水和物不含有セメント系結合材をさらに含む、前記（３７）に記載の複合材料
。
（７６）  炭酸カルシウム、セッコウ、砂、骨材、鉱物、金属繊維、有機繊維、セラミッ
ク繊維、廃棄コルク顆粒、消泡剤、超微細粒子、低密度骨材、高密度骨材又はそれらの組
合せを含む少なくとも１つの添加物をさらに含む、前記（３７）に記載の複合材料。
（７７）  モノリス固体をさらに含む、前記（３７）に記載の複合材料。
（７８）  ポリマー、着色剤、分散剤、金属又はそれらの組合せの少なくとも１つをさら
に含む、前記（３７）に記載の複合材料。
（７９）  天然石に類似する色及び風合をさらに含む、前記（３７）に記載の複合材料。
（８０）  大理石、石灰石、砂岩、花崗岩、テラコッタ、石灰華及び蛇紋岩からなる群か
ら選択される物質に類似する色及び風合をさらに含む、前記（３７）に記載の複合材料。
（８１）  建築コンクリートに類似する色及び風合をさらに含む、前記（３７）に記載の
複合材料。
（８２）  モルタル、グラウト及び高強度構造レンガからなる群から選択される１つに類
似する色及び風合をさらに含む、前記（３７）に記載の複合材料。
（８３）  高強度コンクリート、早強コンクリート、高性能コンクリート、超高性能コン
クリート、気泡コンクリート、セルラーコンクリート、透水性コンクリート、高密度コン
クリート、重量コンクリート、マスコンクリート、プレストレストコンクリート、自己充
填コンクリート、転圧コンクリート、建築コンクリート、吹付けコンクリート、キャスタ
ブルコンクリート及びゼロスランプコンクリートの１つ又は複数に複合材料を使用するス
テップを含む、前記（３７）に記載の複合材料を使用する方法。
（８４）  ビルディング、建設物、道路、橋及び他の社会基盤用途の１つ又は複数に複合
材料を使用するステップを含む、前記（３７）に記載の複合材料を使用する方法。
（８５）  遮音、放射線遮蔽、耐炎、耐火、極端な気候条件、海洋用途、極低温用途、耐
震構造、ジオシンセティックタイプの構造並びに耐発射体及び爆風用途の１つ又は複数に
複合材料を使用するステップを含む、前記（３７）に記載の複合材料を使用する方法。
（８６）  １つ又は複数の電子、光学、磁気、生物医学、生物工学、医薬、農業、電気化
学、触媒、核、エネルギー貯蔵、エネルギー発生、航空宇宙、自動車、胴体保護具及び車
両装甲、テキスタイル、研磨及び切断、化学的分離、光電気、熱電子及び／又はエレクト
ロルミネッセンス用途に複合材料を使用するステップを含む、前記（３７）に記載の複合
材料を使用する方法。
（８７）  複数の前駆体粒子を含み、ある程度の多孔度を有する前駆体物質を準備するス
テップと、
液体溶媒を前駆体物質の細孔に導入するステップと、
ガス状反応物を前駆体物質の細孔に導入し、それにより、前駆体粒子を第１の層及び第
２の層を有するボンディングエレメントに変態するステップと
を含む複合材料を製造する方法。
（８８）  前駆体粒子の少なくとも一部が反応物と反応せず、残存してボンディングエレ
メントのコアを形成する、前記（８７）に記載の方法。
（８９）  前駆体粒子のすべてが変態されて第１及び第２の層を形成し、それにより、ボ
ンディングエレメントに前駆体粒子を残さない、前記（８７）に記載の方法。
（９０）  液体溶媒を前駆体物質の細孔に導入するステップが、液体が前駆体物質の細孔
を満たすように前駆体物質を飽和させるステップを含む、前記（８７）に記載の方法。
（９１）  液体溶媒を前駆体物質の細孔に導入するステップが、前駆体物質の細孔に液体
を部分的に満たすステップを含む、前記（８７）に記載の方法。
（９２）  液体溶媒を前駆体物質の細孔に導入するステップが、
液体を蒸発させるステップと、
液体が前駆体物質の細孔全体に分布するように液体を凝縮させるステップと
をさらに含む、前記（９１）に記載の方法。
（９３）  前駆体物質を充填材料と混合するステップをさらに含む、前記（９１）に記載
の方法。
（９４）  充填材料が不活性材料を含む、前記（８７）に記載の方法。
（９５）  不活性材料が複数の等軸状粒子を含む、前記（８７）に記載の方法。
（９６）  不活性材料が複数の異方性粒子を含む、前記（８７）に記載の方法。
（９７）  不活性材料が等軸状粒子と異方性粒子の組合せを含む、前記（８７）に記載の
方法。
（９８）  充填材料が活性材料を含む、前記（８７）に記載の方法。
（９９）  活性材料が複数の等軸状粒子を含む、前記（９８）に記載の方法。
（１００）  活性材料が複数の異方性粒子を含む、前記（９８）に記載の方法。
（１０１）  活性材料が等軸状粒子と異方性粒子の組合せを含む、前記（９８）に記載の
方法。
（１０２）  複数の前駆体粒子を含む前駆体物質を準備するステップが前駆体粒子を所望
の配向で整列させるステップを含む、前記（８７）に記載の方法。
（１０３）  前駆体粒子を所望の配向で整列させるステップが前駆体粒子を１−Ｄ配向で
整列させるステップを含む、前記（８７）に記載の方法。
（１０４）  前駆体粒子を所望の配向で整列させるステップが前駆体粒子を２−Ｄ配向で
整列させるステップを含む、前記（８７）に記載の方法。
（１０５）  前駆体粒子を所望の配向で整列させるステップが前駆体粒子を３−Ｄ配向で
整列させるステップを含む、前記（８７）に記載の方法。
（１０６）  複数の前駆体粒子を含む前駆体物質を準備するステップが前駆体粒子をラン
ダム配向で配置するステップを含む、前記（８７）に記載の方法。
（１０７）  ボンディングエレメントを製作する方法であって、
（ｉ）反応性前駆体を準備するステップと、
（ｉｉ）反応性前駆体の少なくとも一部を変態して、前駆体の非変態部分の上に第１の
層、及び第１の層の少なくとも一部の上に封入層を形成し、それにより、ボンディングエ
レメントを形成させるステップとを含み、
第１の層が少なくとも１つの第１の陽イオンを前駆体と共有し、
封入層が少なくとも１つの第２の陽イオンを前駆体と共有している、上記方法。
（１０８）  変態が不均化反応による、前記（１０７）に記載の方法。