Materiales compuestos modulados de manera composicional y métodos para fabricar los mismos.

Un material compuesto que comprende:

un material de sustrato que define una estructura vacía interior accesible;

en el que el material de sustratocomprende un material consolidado, conductor, seleccionado del grupo que consiste en una espuma y una tela y

un material modulado de manera composicional electrodepositado dispuesto al menos parcialmente dentro de laestructura vacía accesible, incluyendo el material modulado de manera composicional electrodepositado al menosuna porción que consiste en una pluralidad de ciclos de composición con longitudes de onda entre aproximadamente200 nm y 1 nm.

DESCRIPCIONº

Materiales compuestos modulados de manera composicional y metodos para fabricar los mismos.

Solicitudes relacionadas Esta solicitud reivindica el beneficio de la Solicitud de Patente Provisional de EE.UU. N° Serie (U.S.S.N.) 60/707.548, 5 titulada quot;Novel Lightweight Composite Materials and Methods for Making the Same, quot; presentada el 12 de agosto de 2.005. La descripcion completa de U.S.S.N. 60/707.548 se incorpora en la presente memoria por referencia.

Campo de la descripcion La descripcion se refiere en general a materiales compuestos y metodos para fabricarlos. Entre las realizaciones descritas en la presente memoria estan dichos materiales y metodos para fabricar dichos materiales, incluyendo metodos para fabricar materiales modulados de manera composicional electrodepositados. Las realizaciones de los materiales descritos en la presente memoria presentan caracteristicas estructurales a ponderales excepcionales.

Antecedentes En general, las aplicaciones de los materiales avanzadas hoy en dia estan sometidas a entornos y tensiones, que se benefician de combinaciones inusuales de propiedades de los materiales que no pueden ser satisfechas por 15 aleaciones de metales, piezas compactas de ceramica o materiales polimericos solos. Por ejemplo, en aplicaciones balisticas, se busca un material que sea ligero y asi eficaz de combustible, mientras que al mismo tiempo proporcione propiedades de absorcion de gran impacto para evitar la lesion o fallo mecanico a una estructura subyacente disenada para ser golpeada por metralla o un dispositivo de explosion. En aplicaciones de aeronaves o embarcaciones, tambien se buscan materiales que sean fuertes, ligeros y al mismo tiempo resistentes a la corrosion.

Para conseguir estas y otras combinaciones inusuales de propiedades de los materiales, se emplean materiales compuestos (es decir, un material multifase que presenta una proporcion significativa de propiedades de sus dos o mas fases constituyentes) .

Hay muchos tipos de materiales compuestos. Por ejemplo, se conocen en general materiales compuestos reforzados con particulas, materiales compuestos reforzados con fibras y materiales compuestos estructurales o 25 materiales compuestos estratificados. Cada tipo de material compuesto puede incluir dos o mas fases, en el que una fase constituye la mayoria del material y se conoce como el material de la matriz y la segunda fase (y fases potencialmente adicionales) constituye o constituyen en menor medida el material compuesto y se puede dispersar en el material de la matriz o estratificar en el material de la matriz para formar un sandwich. La presencia de la segunda fase y fases adicionales afecta a las propiedades del material compuesto. Es decir, las propiedades del

material compuesto dependen de las propiedades del material de la primera fase y la segunda fase (y fases adicionales) asi como las cantidades de la fase incluida que forma el material compuesto. Asi, las propiedades del material de un material compuesto se pueden adaptar para una aplicacion especifica por la seleccion de concentraciones especificas de las fases, asi como potencialmente, los tamanos, formas, distribucion y orientaciones de las fases incluidas.

En general, un material compuesto estructural incluye dos o mas capas de material, en el que una o mas de las capas puede estar constituida por un material compuesto en y de el mismo (por ej., una capa reforzada de fibras o capa reforzada de particulas) . Cada capa de un material compuesto estructural proporciona una funcion diferente o proporciona una propiedad material especifica para el material compuesto estructural. Por ejemplo, en aplicaciones balisticas una capa puede proporcionar tenacidad para despuntar o deformar de manera plastica cualquier proyectil

afilado, una segunda capa puede proporcionar resistencia al impacto a fin de que absorba la energia cinetica de una balistica que golpee al material compuesto y una tercera capa puede proporcionar resistencia a fin de que se mantenga la integridad estructural del material compuesto incluso despues de que el material compuesto haya sido golpeado por metralla o un proyectil. Tipicamente, las transiciones del material entre estas capas son discontinuas. Es decir, hay un cambio abrupto en las propiedades del material por una interfase formada por dos de las capas. Se 45 sabe que las discontinuidades conducen con frecuencia a roturas en un material compuesto. Por ejemplo, puede tener lugar rotura interlaminar a medida que una onda de esfuerzo del proyectil se desplaza por una placa de material compuesto, haciendo impacto en cada una de las interfases entre las capas.

Tambien se sabe que las capas nanolaminadas pueden proporcionar propiedades del material mejoradas que no se pueden conseguir por sus materiales constituyentes en otras escalas de longitud. Por ejemplo, algunos sistemas 50 multicapa bimetalicos presentan un salto anomalo en el modulo elastico a un espesor de capa de nanoescala especifico, un fenomeno conocido como el efecto supermodulo. En general, se han utilizado para depositar multicapas de nanoescala, sistemas tales como pulverizacion catodica con magnetron DC u otras tecnicas de deposicion que depositan material en la parte superior de una superficie sustancialmente plana.

Los metodos de electrodeposicion y las microestructuras producidas de ese modo se describen, por ej., en los documentos de patente US 2004/031691 A1, US 2004/178076 A1, US 2004/027715 A1, US 2004/154925 A1, US-B1-6 409 907, US-A-2 642 654 y US-A-5 268 235.

Glosario y sumario Los siguientes terminos se usan en toda esta descripcion.

quot;Material Modulado de Manera Composicionalquot; define un material cuya composicion quimica se puede representar por una funcion periodica de una o mas coordenadas espaciales, tales como, por ejemplo, una direccion de crecimiento del material.

quot;Ciclo de Composicionquot; define la deposicion de un ciclo del material modulado de manera composicional (es decir, la deposicion que corresponde a un ciclo de la funcion periodica) .

quot;Electrodeposicionquot; define un procedimiento en que la electricidad conduce a la formacion de un deposito en un electrodo sumergido al menos parcialmente en un bano que incluye un componente, que forma una fase solida en la oxidacion o reduccion.

quot;Componentes Electrodepositadosquot; define los constituyentes de un material depositados usando electrodeposicion. Componentes electrodepositados incluye iones de metal formando un sal de metal, asi como particulas que se depositan en una matriz de metal formada por electrodeposicion.

quot;Nanolaminadoquot; define un material que incluye una pluralidad de capas adyacentes que tienen cada una un espesor menor que aproximadamente 100 nanometros.

quot;Longitud de ondaquot; define una longitud igual al espesor de un ciclo de composicion.

quot;Onda quot; define una senal que varia con el tiempo.

La descripcion en la presente memoria proporciona numerosas realizaciones referentes a materiales compuestos y metodos para fabricarlos. Algunas de estas realizaciones se resumen brevemente.

En general, las realizaciones en la presente memoria proporcionan materiales compuestos y metodos para fabricarlos. El material compuesto incluye un recubrimiento nanolaminado modulado de manera composicional depositado de manera electrica en una estructura vacia accesible, abierta, de un sustrato poroso. Como resultado de incluir un material nanolaminado dentro de la estructura vacia, los materiales compuestos pueden incluir una cantidad mayor de material nanolaminado por unidad de volumen que la que se puede conseguir por deposicion de un material nanolaminado exclusivamente en una superficie bidimensional. Ademas, el material nanolaminado asi como otro material electrodepositado para formar los materiales compuestos son modulados de manera composicional a fin de que las discontinuidades entre las capas se minimicen o incluso se eliminan de manera potencial.

En un aspecto, las realizaciones descritas en la presente descripcion tambien se dirigen a materiales compuestos que incluyen un material sustrato que define una estructura vacia interior accesible y un material modulado de manera composicional electrodepositado dispuestos al menos parcialmente dentro de la estructura vacia accesible. El material modulado de manera composicional electrodepositado incluye al menos una porcion de una pluralidad de ciclos de composicion con longitudes de onda entre aproximadamente 200 nanometros y 1 nanometro. En algunas realizaciones, al menos una porcion incluye una pluralidad de ciclos de composicion con longitudes de onda entre aproximadamente 100 nanometros y 1 nanometro. En otras realizaciones, al menos una porcion incluye una pluralidad de... [Seguir leyendo]

1. Un material compuesto que comprende:

un material de sustrato que define una estructura vacia interior accesible; en el que el material de sustrato comprende un material consolidado, conductor, seleccionado del grupo que consiste en una espuma y una tela y

un material modulado de manera composicional electrodepositado dispuesto al menos parcialmente dentro de la estructura vacia accesible, incluyendo el material modulado de manera composicional electrodepositado al menos una porcion que consiste en una pluralidad de ciclos de composicion con longitudes de onda entre aproximadamente 200 nm y 1 nm.

2. El material compuesto segun la reivindicacion 1, en el que las longitudes de onda dentro de al menos una porcion son sustancialmente equivalentes.

3. El material compuesto segun la reivindicacion 1, en el que las longitudes de onda varian de manera continua dentro de al menos una porcion.

4. El material compuesto segun la reivindicacion 1, en el que el material modulado de manera composicional electrodepositado incluye regiones de deposicion que incluye a longitud de onda mayor que 200 nm.

5. El material compuesto segun la reivindicacion 1, en el que el material modulado de manera composicional electrodepositado incluye al menos uno de: niquel, hierro, cobre, cobalto, oro, plata, platino y combinaciones de los mismos.

6. El material compuesto segun la reivindicacion 1, en el que el material modulado de manera composicional electrodepositado incluye un material de matriz de metal y una pluralidad de particulas dispuestas dentro del material de matriz de metal.

7. El material compuesto segun la reivindicacion 6, en el que la pluralidad de particulas incluyen particulas nanoconformadas.

8. El material compuesto segun la reivindicacion 6, en el que la pluralidad de particulas se selecciona del grupo que consiste en: particulas de carburo, particulas de alumina, particulas de vidrio y particulas polimericas.

9. Un metodo para formar un material compuesto segun la reivindicacion 1, que usa electrodeposicion, comprendiendo el metodo:

hacer fluir un fluido que incluye al menos dos componentes que se pueden electrodepositar por una preforma porosa con una estructura vacia accesible a un caudal, estando la preforma porosa en contacto fisico con un primer electrodo; en el que la preforma porosa comprende un material consolidado, conductor, seleccionado del grupo que consiste en una espuma y una tela;

aplicar un voltaje o una corriente entre el primer electrodo y un segundo electrodo para depositar un material dispuesto al menos parcialmente dentro de la estructura vacia e incluyendo al menos dos componentes que se pueden electrodepositar y

modular el caudal a una frecuencia que depende del tiempo en el que la frecuencia que depende del tiempo oscila durante al menos dos ciclos para modular de manera composicional el material.

10. El metodo segun la reivindicacion 9, que comprende ademas vigilar la concentracion de al menos dos componentes que se pueden electrodepositar para detectar una diferencia de un nivel de concentracion predeterminado.

11. El metodo segun la reivindicacion 10, que comprende ademas ajustar la concentracion de uno o mas de al menos dos componentes que se pueden electrodepositar en la deteccion de la diferencia del nivel de concentracion predeterminado.

12. El metodo segun la reivindicacion 9, en el que la frecuencia dependiente del tiempo oscila segun una onda cuadrada.

13. El metodo segun la reivindicacion 9, en el que la frecuencia dependiente del tiempo oscila segun una onda triangular.

14. El metodo segun la reivindicacion 9, en el que la frecuencia dependiente del tiempo oscila segun una onda senoidal.

15. El metodo segun la reivindicacion 9, en el que al menos dos componentes que se pueden electrodepositar se seleccionan del grupo que consiste en: niquel, hierro, cobre, cobalto, oro, plata, platino y combinaciones de los mismos.

16. El metodo segun la reivindicacion 9, en el que el bano comprende particulas dispuestas dentro de una matriz de metal.

17. El metodo segun la reivindicacion 9, en el que la preforma comprende un elemento graduado.

18. El metodo segun la reivindicacion 9, que comprende ademas electrodepositar una capa modulada de manera composicional en una superficie exterior del material compuesto.

19. El metodo segun la reivindicacion 9, que comprende ademas controlar el pH del bano al tiempo que se modula el caudal.

20. Un metodo para formar un componente, comprendiendo el metodo:

estampar una preforma porosa con una estructura vacia interior accesible en una conformacion predeterminada para formar un objeto; en el que la preforma porosa comprende un material consolidado, conductor, seleccionado del grupo que consiste en una espuma y una tela y

electrodepositar un recubrimiento nanolaminado para llenar una porcion de la estructura vacia interior accesible del objeto para formar el componente.

21. El metodo segun la reivindicacion 20, en el que la conformacion predeterminada del objeto es un panel para un vehiculo.

22. El metodo segun la reivindicacion 20, en el que la conformacion predeterminada del objeto es un armazon para un articulo de deporte.

23. El metodo segun la reivindicacion 20, en el que la conformacion predeterminada del objeto es una placa para blindaje.

24. El metodo segun la reivindicacion 20, en el que electrodepositar el recubrimiento nanolaminado comprende aplicar voltaje o corriente con una frecuencia dependiente del tiempo a un fluido que contiene componentes que se pueden electrodepositar, en el que la frecuencia dependiente del tiempo oscila al menos durante dos ciclos para depositar un material modulado de manera composicional dentro de la estructura vacia interior accesible.

25. El metodo segun la reivindicacion 20, en el que electrodepositar el recubrimiento nanolaminado comprende modular un caudal de un fluido que incluye componentes que se pueden electrodepositar por la estructura vacia interior accesible a una frecuencia dependiente del tiempo, en el que la frecuencia dependiente del tiempo oscila durante al menos dos ciclos.