[发明专利]包括纤维上的碳纳米管的复合材料

说明书

本申请要求2009年11月23日提交的美国临时专利申请号61/263,807和2009年2月17日提交的美国临时专利申请号61/153,143的优先权，通过引用将其并入本文。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

不适用

发明的背景和领域

本发明一般地涉及碳纳米管(CNT)，以及更具体地涉及结合入复合材料中的CNT。

碳纳米管(CNT)具有高碳钢的大约八倍的强度、六倍的韧性——如杨氏模量所表示，和六分之一的密度。由于这些有利的机械性质，CNT已被用作复合材料中的增强元件。CNT基复合材料可以不如许多金属致密，同时提供提高的强度和防腐蚀。CNT也表现出用于热和电应用的有利性质。

生产CNT基复合材料的大多数方法涉及将松散的CNT或者成束的CNT基纱线直接混合入初始复合材料的基体材料中。当以这种方式在典型的树脂类型基体材料中采用CNT时，所得复合材料典型地在完成的复合材料中碳纳米管最大量限制在大约3％的重量百分比。该局限的原因是导致的基体粘度增加和渗入所得复合材料的能力减弱。

CNT也已被用于混杂复合材料中，在该混杂复合材料中两种、三种或者更多不同的增强元件被结合入复合材料中。结合纳米级别增强物的混杂复合材料系统需要另外的处理步骤以适当地分散纳米颗粒，包括CNT。CNT结合入基体具有控制CNT方向的增加的挑战，其增加了处理复杂性。而且，在混杂复合材料系统中也已观察到由于各种因素诸如大的粘度增加造成的对CNT载荷量的限制。

如果在复合材料结构的不同部分中需要可变的CNT载荷量或者不同的CNT类型，那么混杂复合材料制造方法会变得日益复杂。降低CNT复合材料和调制的(tailored)混杂复合材料的制造复杂性并且提供具有提高的CNT载荷能力同时也控制CNT方向的复合材料制品将是有益的。本发明满足这些需求并且也提供相关的优势。

发明概述

在一些方面，在本文公开的实施方式涉及复合材料组合物，其包括分散在基体材料中的多个碳纳米管(CNT)并入(infuse)的纤维。组合物中碳纳米管的量在复合材料的按重量计大约0.1％至按重量计大约60％之间的范围内。

附图简述

图1表示通过连续的CVD方法在AS4碳纤维上生长的多层(或多壁)CNT(MWNT)的透射电子显微镜(TEM)图像。

图2表示通过连续的CVD方法在AS4碳纤维上生长的双层(或双壁)CNT(DWNT)的TEM图像。

图3表示从隔离涂层(barrier coating)内部生长的CNT的扫描电子显微镜(SEM)图像，其中CNT形成纳米颗粒催化剂被机械地并入至碳纤维材料表面。

图4表示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表示SEM图像，其显示隔离涂层对CNT生长的影响。密集的、良好排列的CNT生长在施加隔离涂层的位置，并且在没有隔离涂层的位置不生长CNT。

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

图7表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表示在连续的方法中CNT如何可以并入碳纤维材料，以热和电传导性改进为目标。

图9表示使用“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表示使用“混杂”隔离涂层，在另一连续的方法中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和层间断裂韧性的改进为目标。

图11表示IM7碳纤维上并入的CNT对层间断裂韧性的影响。原始材料(baseline material)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12表示调制的纤维-增强的复合材料结构，在该复合材料结构的不同部分，使用两种类型的并入CNT的纤维。顶层显示出比下层的CNT相对更短长度的CNT。

图13表示调制的纤维-增强的复合材料结构，在该复合材料结构的不同部分，使用两种类型的并入CNT的纤维。顶层显示大致垂直于纤维轴的CNT，而下层显示大致平行于纤维轴的CNT。