[发明专利]使用纳米增强材料对用于复合材料中的增强纤维丝束的改性

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2006年5月2日提交的美国临时申请第60/796,995号的优先权权益，其全部内容通过引用的方式并入本发明。

发明领域

本发明大体上涉及纳米增强纤维，更具体地说，涉及用于复合材料用途中的纳米增强纤维丝束(tows)或纱线的制造方法。

背景技术

碳纤维是能够显示高强度和高刚度的轻质材料。碳纤维通常通过聚丙烯腈(PAN)、沥青、或人造丝前体的高温热解来制造。聚丙烯腈(PAN)基纤维的高温热处理(约1000℃以上)产生基本上为100％的碳以及更定向的石墨烯(graphene)微结构和明显更高的模量。当模量增加时，纤维通常变得更加难以加工，从而引起因热处理和后续加工(例如，织造)而导致的成本增加。例如，目前在织造物中，织造物中的中等模量(～270GPa)纤维的成本大概是标准模量(～220GPa)纤维成本的两倍，但在强度和刚度上仅显示约20％的改进。

在使用中，碳纤维可以被加工或织造，然后用树脂浸渍以形成复合结构。与金属相比，碳纤维复合材料能够显示明显更高的强度/重量比，从而得到至多约50％的潜在重量节省。与金属结构相比，碳纤维复合材料还能够具有优越的疲劳特性，并且耐腐蚀。由于这些有利的结构特性，碳纤维复合材料适用于包括航空器和航空器组件在内的多种制品中。

已经进行了许多尝试以克服与碳纤维形成相关的加工困难同时改进碳纤维用于各种复合结构中的结构特性。这些努力包括使用碳纳米管增强材料来改进各种类型碳纤维的强度和刚度。

美国专利第7,153,452号提到包括量为约0.01重量％至约1.0重量％的碳纳米管增强材料的中间相沥青基碳纤维。其它努力集中在利用聚丙烯腈(PAN)基纤维的结构改进上。这种努力包括在将碳纳米管引入至聚丙烯腈(PAN)前体中之前使用电纺丝方法来使碳纳米管定向和分散。人们认为，碳纳米管的分散和定向直接影响碳纳米管作为增强材料的效果。Titchenal等人，“SWNT and MWNT Reinforced CarbonNanocomposite Fibrils”(单壁碳纳米管和多壁碳纳米管增强的碳纳米复合纤维)，Drexel University，Society for the Advancement of Materialand Process Engineering。除电纺丝之外，还可以使用机械方法和磁方法在将碳纳米管添加至聚丙烯腈(PAN)前体中之前使其定向。

仍需要提高或改进碳纤维和聚丙烯腈(PAN)基纤维的结构特性的更有效的方法。还需要在复合结构中使用该纤维。

发明内容

本发明涉及制造具有提高的强度和刚度的碳纤维(包括纤维丝束和纱线)的方法。本发明还涉及包含该碳纤维的复合材料。

本发明的纤维可以包含约0.1至约20重量％的一种或多种纳米增强材料。在另一个实施方式中，纳米增强材料可以包含约2至约8重量％的纤维。

在制造纤维的一个实施方式中，可以将纳米增强材料加入到含溶剂、粘合剂(adhesive)或纤维上浆料(fiber sizing)或其组合的液体溶液中，然后倾倒到一种或多种纤维上。在另一个实施方式中，纳米增强材料可以用粉末来涂覆，并被引入到一种或多种纤维中。该方法还可以包括将纳米增强材料如碳纳米管(图1)或纳米纤维(图2)粘附到展开的碳丝束或纱线(图3)中，以形成改性纤维丝束或纱线。可以使纳米增强材料如碳纳米管(～1TPa模量)或纳米纤维在微米尺寸碳纤维的方向上定向(即，在聚丙烯腈(PAN)前体碳化之后)。可以将碳纳米管或纳米纤维用金属涂覆或者进行官能化以进一步改性。

包含纳米增强材料的碳纤维丝束或纱线可以进行加工(织造、单向化(unidirectional)等)，以便用热固性树脂或热塑性树脂浸渍，从而形成各种复合结构或材料。

附图说明

图1说明了各种碳单壁构型，其可用于本发明所述的纳米增强涂覆过程中。

图2说明了碳纳米纤维。

图3说明了如本发明所述的将纳米增强材料施用至纤维的方法的一个实施方式。

图4说明了涂覆有纳米增强材料的展开丝束(spread tow)和重新合并的丝束。

具体实施方式

本发明披露了通过将纳米增强材料粘附至丝束或纱线的单根长丝(filament)上来提高纤维(包括纤维丝束或纱线)的结构特性和多功能性的方法。纳米增强材料可以在丝束或纱线已被制造之后(即，不在纤维的纺纱或制造过程中)添加。丝束或纱线可以被展开以使长丝暴露以用于后续的纳米增强材料的粘附。

下面是本文所用若干术语的背景：