[发明专利]碳纤维和碳薄膜及其制造方法

说明书

相关申请之互相参照

本申请要求于2007年10月11日申请的美国临时专利申请60/979,146的利益，它作为一个整体被参照结合于这里，就像完全如下所阐述。

受联邦政府资助的研究之声明

本发明在美国政府支持下完成(由空军科研处授予的授给号FA9550-07-1-0233)。美国政府在本发明中享有某些权利。

技术领域

本发明的各实施方式一般涉及碳纤维和碳薄膜，更具体地，涉及由含丙烯腈的聚合物所形成的碳纤维和碳薄膜，以及制造该碳纤维和碳薄膜的方法。

背景技术

含丙烯腈的聚合物对于用以制造那些用于织物，地毯和碳纤维的纤维而言是重要的工业用聚合物。生产自聚丙烯腈共聚物的丙烯酸类纤维目前是碳纤维占支配地位的前体，这部分地是因为基于聚丙烯腈的碳纤维展现出良好的拉伸和压缩性能。

近来已经开发出一些方法来制造含碳纳米管的聚合物复合物，尤其是含有碳纳米管(CNT)的碳纤维，其中，CNT很好地分散在复合物中。例如，美国专利美国专利No.6,852,410披露了这些方法，该专利作为一个整体被参照结合于这里，就像完全如下所阐述。在其它的一些改进之中，这些方法提供的复合纤维具有更高的拉伸模量和抗拉强度。尽管新的申请不断涌现出来，但确实需要改进的材料。

因此，需要有新的碳纤维和碳薄膜能展现出更高的拉伸模量和抗拉强度。也需要制造碳纤维和薄膜的新方法。本发明的各实施方式正是针对提供这样的材料和方法的要求。

发明内容

本发明的各实施方式针对碳纤维和碳薄膜，以及制造该碳纤维和碳薄膜的方法。高强度和高模量的纤维和薄膜可以有各种各样的用途，包括但不限于：材料的增强(例如，在轮胎帘子线和水泥中)，飞机零件，高性能车辆的厢式车身(例如，F-1比赛用汽车和摩托车)，运动器械(例如，自行车，高尔夫球棍，网球拍，和雪撬)，以及其它高要求的机械性能的用途。因其电导率和热导率，这些碳纤维和碳薄膜在电子设备，燃料电池，电化学电容器等中也能找到各种用途。

概括地说，依照本发明各实施方式制造碳纤维的方法包括通过一台双组分挤出设备将第一组分的一种溶液和第二组分的一种溶液挤出，形成一种双组分聚合物纤维，它有第一组分和第二组分，以及拉伸该双组分聚合物纤维形成牵引的双组分聚合物纤维。该第一组分通常包含一种含丙烯腈的聚合物。在某些情形下，挤出可以利用凝胶-挤出或溶液-挤出来完成。

方法还可以包括使牵引双组分聚合物纤维稳定化的过程。稳定化过程可以在张力下，和/或在氧化性环境中，和/或在约200℃至约400℃的温度下维持少于或等于约36小时的条件下完成。该方法还可以包括使已经稳定化了的聚合物纤维发生炭化。炭化过程可以在张力下，和/或在惰性气氛中，和/或在约500℃至约1800℃的温度下维持少于或等于约2小时的条件下完成。该方法还可以进一步包括使已经炭化了的聚合物纤维发石墨化。石墨化过程可以在张力下，和/或在非含氮的惰性环境中，和/或在1800℃至约2800℃的温度下维持少于或等于约1小时的条件下完成。

该过程还可以包括将牵引的或稳定化的双组分聚合物纤维的第一组分与第二组分分开。该分离过程可以通过将第二组分从牵引的或稳定化的双组分聚合物纤维溶解出去，对牵引的或稳定化的双组分聚合物纤维进行声波震荡处理以降低第一组分与第二组分之间任何的界面相互作用，加热使第二组分熔化以离开牵引的或稳定化的双组分聚合物纤维，加热使第二组分烧掉以离开牵引的或稳定化的双组分聚合物纤维，或者包括至少两种上述工艺的组合来完成。也可将稳定化过程与分离过程同时发生。

拉伸之后，该牵引的聚合物纤维的平均直径约为100nm至约1mm。最终的碳纤维平均直径约为10nm至约10μm。

本发明的各其它实施方式则针对制造含碳纳米管(CNT)的碳纤维或碳薄膜的方法。这些方法包括使CNT与一种含丙烯腈的聚合物接触以形成一种第一组分溶液，挤出该第一组分溶液与一种第二组分溶液，形成一种双组分聚合物-CNT纤维或薄膜前体，它包含一种第一组分和一种第二组分，以及拉伸该双组分聚合物-CNT纤维或薄膜前体，形成一种牵引的双组分聚合物-CNT纤维或薄膜。