[发明专利]用于原位CNT生长的纤维的表面处理和隔离涂层的系统和方法

说明书

相关申请的声明

在35U.S.C.§119(e)下，本发明要求2009年3月3日提交的临时申请61/157,096以及2009年5月29日提交的61/182,153的优先权，通过引用将每一篇以其整体并入本文。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

不适用

发明领域

本发明涉及碳纳米管(CNT)生长，更具体地涉及在纤维基底上的CNT生长。

发明背景

在纤维基复合材料中，纤维作为增强剂，而基体材料定位纤维，并且在一些情况中，控制其方位。基体材料也作为复合材料内的纤维之间的负荷-传递介质。由于其卓越的机械性质，碳纳米管(CNT)已被用于进一步增强纤维复合材料。但是，在纤维上和/或在复合材料中并入和排列CNTs是有问题的。在纤维上生长碳纳米管的当前方法导致缠结的和未排列的碳纳米管，具有低的碳纳米管的重量百分比/浓度。而且，一些纤维基基底对CNT生长的温度是敏感的。该温度敏感性可以表现为在CNT生长温度下纤维材料的固有不稳定性。CNT生长过程中的温度敏感性也可以是由于纳米颗粒在纤维表面上的活动性造成的CNT纳米颗粒催化剂烧结的结果。在生产更大强度的复合材料中以及在其他机械的、热的和电的应用中，在不同的纤维基基底上原位生长碳纳米管的改进方法是有用的。本发明满足该需求，并且也提供相关的优势。

发明概述

在一些方面，本文公开的实施方式涉及在纤维材料上合成碳纳米管(CNT)的系统，该系统包括表面处理系统，其适合于改性纤维材料的表面以接收隔离涂层，在该隔离涂层上待生长碳纳米管；在表面处理系统下游的隔离涂层施加系统，其适合于将隔离涂层施加至处理的纤维材料表面；和在隔离涂层施加系统下游的隔离涂层固化系统，其用于部分地固化施加的隔离涂层以增强CNT生长催化剂纳米颗粒的接收。

附图简述

图1表示根据本发明实施方式的制备用于原位生长碳纳米管的基底的系统的示意图。

图2表示根据本发明实施方式的制备用于原位生长碳纳米管的纤维丝束的系统的示意图。

图3表示根据本发明方面的处理纤维表面以促进与隔离涂层的粘附和施加隔离涂层和催化剂颗粒的工艺流程。

图4表示冷的等离子体处理系统的实施方式的示意图。

图5表示湿表面处理系统的实施方式的示意图。

图6表示喷射隔离涂层施加系统的实施方式的示意图。

图7表示根据本发明另一实施方式的制备用于原位生长碳纳米管的纤维丝束的系统的示意图。

图8表示根据本发明的另一方面的处理纤维表面以促进与隔离涂层的粘附和施加催化剂颗粒和隔离涂层的工艺流程。

图9表示通过根据本发明实施方式的图7的系统处理的基底的横截面图。

图10表示通过根据本发明另一实施方式的图2的系统处理的基底的横截面图。

图11表示嵌入共形地(conformally)放置在基底上的隔离涂层中的纳米颗粒。

图12表示嵌入隔离涂层中并且与基底表面接触的纳米颗粒。

图13表示在图11中所示的嵌入纳米颗粒上碳纳米管的示例性的生长。

图14表示生产具有增强的标识控制特征(signature control characteristics)的高温陶瓷纤维复合材料的系统。

图15表示在碳纤维上生产CNT的系统。

发明详述

本发明部分地涉及在纤维材料上生长碳纳米管的方法，纤维材料包括可能另外地与CNT生长相关的苛刻条件诸如高温不相容的纤维材料。本发明的方法使用隔离涂层以减少或者防止纳米颗粒烧结和/或保护温度敏感的纤维材料免受与CNT生长相关的高温。本发明的方法生产并入CNT的纤维材料，该纤维材料可被并入复合材料制造中，以提供如此复合材料产品，该产品具有的碳纳米管的重量百分比超过使用松散CNT、骨架上的CNTs——包括表现更低的CNT密度和/或缺少对CNT方位控制的其他并入CNT的纤维所达到的重量百分比。因此，本发明的方法提供生长基本垂直于纤维轴排列的碳纳米管的条件。