[发明专利]热固性基体中的并入CNT的纤维

说明书

相关申请的说明

该申请在35U.S.C.119(e)下要求2009年11月23日提交的美国临时申请61/263,806和2010年11月22日提交的美国专利申请12/952,144的优先权。

关于联邦政府赞助的研究或开发的说明

不适用。

本发明的背景和领域

本发明一般地涉及碳纳米管(CNT)，并且更具体地涉及并入复合材料中的CNT。

在过去几年中，纳米复合材料已经被广泛研究。已经做出努力以通过混合在多种纳米颗粒材料中来改变基体性质。特别地，CNT已经被用作纳米级增强材料，但由于它们并入基体材料的复杂性，例如粘度随着CNT负载大幅度增加，还没有实现大规模生产潜力。

利用纳米级材料提高复合材料性质的新型复合材料和获取这些复合材料的方法将是有益的。本发明满足该需要，并同时提供了相关优势。

发明内容

在一些方面，在此公开的实施方式涉及结构支撑体，其包括圆柱形结构核、内层和外层，该内层同心地置于该核内，内层包括第一热固性基体中的第一并入CNT的纤维材料，该外层包括第二热固性基体中的第二并入CNT的纤维材料。

在一些方面，在此公开的实施方式涉及复合材料，其包括热固性基体和具有长度在大约20微米至大约500微米之间的CNT的并入CNT的纤维材料。

在一些方面，在此公开的实施方式涉及复合材料，其包括具有长度在大约0.1微米至大约20微米之间的CNT的并入CNT的纤维材料，和热固性基体。该CNT以复合材料的按重量计大约0.1%至按重量计大约5%之间的范围存在。

在一些方面，在此公开的实施方式涉及制造结构支撑体的方法，其包括绕圆柱形心轴以基本上平行于心轴轴线的方向湿卷绕第一并入CNT的纤维，以基本上不平行于心轴轴线的角度绕卷绕的第一并入CNT的纤维湿卷绕基线层(baseline layer)，和以基本上平行于心轴轴线的方向绕基线层湿卷绕第二并入CNT的纤维。每个湿卷绕步骤包括用至少一种热固性基体进行湿卷绕。

附图说明

图1显示经连续CVD方法在AS4碳纤维上生长的多壁CNT(MWNT)的透射电子显微镜(TEM)图像。

图2显示经连续CVD方法在AS4碳纤维上生长的双壁CNT(DWNT)的TEM图像。

图3显示从隔离涂层中CNT生长的扫描电子显微镜(SEM)图像，其中形成CNT的纳米颗粒催化剂被机械并入碳纤维材料表面。

图4显示SEM图像，其显示CNT长度分布的一致性，该CNT在碳纤维材料上生长至大约40微米的目标长度的20%之内。

图5显示说明隔离涂层对CNT生长影响的SEM图像。密集的、良好排列的CNT生长在施加隔离涂层的地方，并且没有CNT生长在隔离涂层缺乏的地方。

图6显示碳纤维上的CNT的低放大率SEM，其显示CNT密度的均匀性，在整个纤维中在大约10%之内。

图7显示根据本发明的例证性实施方式，生产并入CNT的碳纤维材料的方法。

图8显示在连续的方法中CNT如何可以并入碳纤维材料，以导热性和导电性的改进为目标。

图9显示使用“逆向的”隔离涂层方法，在连续的方法中CNT如何可以并入碳纤维材料，以机械性质尤其是界面特性诸如剪切强度的改进为目标。

图10显示IM7碳纤维上并入的CNT对层间断裂韧性的影响。原始材料是未上浆的IM7碳纤维，而并入CNT的材料是在纤维表面上并入15微米长CNT的未上浆的碳纤维。

图11显示纤维上的CNT百分比对S-玻璃纤维上纤维体积百分比的影响。

图12显示根据本发明的一些实施方式的结构支撑体。

本发明提供了复合材料，其包括热固性基体材料和分散遍及至少一部分热固性基体材料的并入碳纳米管(CNT)的纤维材料。可不需要用于CNT分散的额外的处理，制造用热固性基体制造的复合材料结构。额外的益处来源于控制CNT朝向的能力，CNT朝向包括在圆周上垂直或平行于纤维表面。CNT的长度也可与总负载百分比一起被控制。

可以利用涉及热固性基体的传统制造技术用玻璃或碳纤维产生的任何复合材料结构，都可用并入CNT的纤维产生，而不用任何额外的加工步骤。除了增大了热和电导率，这些多尺度(multiscale)复合材料还可显示增加的机械性质。