[发明专利]防止或除去复合结构结冰的基于CNT的电阻加热

说明书

相关申请的声明

本申请要求2009年4月27日提交的美国临时申请61/173,027的优先权，并且通过引用以其整体并入本文。

发明领域

本发明涉及复合材料，更具体地涉及以碳纳米管改性的复合材料。

发明背景

复合材料日益暴露于众多环境条件已增加了对这些材料的要求。一种这样的要求包括防止或除去复合结构结冰。例如，结构诸如航空器空气动力学表面诸如机翼、尾翼或者发动机舱的前沿上冰的形成，引起重要的技术和安全关注。薄至一(1)毫米(mm)的一层冰可能足以使飞行中的航空器不稳定。

已表明，为了防止冰的形成或者消除已经形成的冰，通过用从航空器的至少一个发动机流出并且通过加压热空气循环回路传送进入前沿内部的加压热空气进行加热，可以防止或除去这种空气动力学表面的前沿结冰。热空气运行以减弱冰与表面结合，使冰动摇，从而引起航空器后面的滑流从表面(例如机翼)移去冰并且促进其清除。

防止结冰或除冰的另一方法包括置于易于堆积冰的表面之下的加热线圈。但是，使用植入的加热元件要求由加热元件产生的热有效地传导至结构的表面以熔化冰。在这点上，由于从植入的加热装置至周围复合材料的传热差，有效地加热复合材料外表面可能是困难的。尽管由于其有利的强度重量比，将复合材料用于结构诸如航空器机翼是期望的，但是由于基体诸如典型的树脂基体的存在，这种材料通常是绝热的。因此，由于复合材料的差的传导性，电阻加热受到限制。

提供电阻加热的另一方法是在复合结构的表面上施加金属喷雾涂层。对金属涂层施加电流，这提供电阻加热以除去沉积在其上的任何冰。但是，这种金属涂层导致增加的成本和复杂性，这是由于用于施加涂层的专门制造过程。而且，整体结构的重量增加削弱了由复合结构提供的优势。最后，这种金属涂层易受电化腐蚀影响，使其在重复使用之后易遭受结构性故障。

开发新的复合结构用于需要防止结冰或除冰的应用是有益的。本发明满足该需求，并且也提供相关益处。

发明简述

在一些方面，本文公开的实施方式涉及复合结构，其包括基体材料和包括并入至纤维材料的众多碳纳米管(CNTs)的并入碳纳米管(CNT)的纤维材料。放置并入CNT的纤维材料遍及基体材料的一部分，并且该复合结构适合通过并入CNT的纤维材料施加电流以提供基体材料的加热，从而加热复合结构。

在一些方面，本文公开的实施方式涉及用于防止结冰或除冰应用的制品，该制品包括结合在基体中的众多并入碳纳米管的纤维，从而形成复合材料。该复合材料适合于接收电流并且对电流响应，作为电阻加热元件操作。

在一些方面，本文公开的实施方式涉及加热元件，其包括并入CNT的纤维材料，该材料包括并入至纤维材料的众多CNT，并入CNT的纤维材料具有足够的比例以便为有需要的机构提供加热。

在一些方面，本文公开的实施方式涉及在复合结构表面上除冰或者防止冰形成的方法，其包括：a)提供具有并入CNT的纤维材料的复合结构，和b)对并入CNT的纤维施加电流，从而加热复合结构。

附图简述

图1显示用于防止结冰或除冰应用的示例性的并入碳纳米管的纤维复合材料。

图2显示具有掺杂的基体的示例性的并入碳纳米管的纤维复合材料。

图3显示施加在用于防止结冰或除冰应用的复合材料上的、示例性的并入碳纳米管的纤维复合材料涂层。

图4显示根据本发明的一个实施方式，适合于作为电阻加热元件操作的示例性的并入碳纳米管的纤维复合材料。

图5显示根据本发明的一个实施方式，配置在适合于作为电阻加热元件操作的传导带中的、示例性的并入碳纳米管的纤维复合材料。

图6显示通过连续的CVD方法在AS4碳纤维上生长的多层CNT(MWNT)的透射电子显微镜(TEM)图像。

图7显示通过连续的CVD方法在AS4碳纤维上生长的双层CNT(DWNT)的TEM图像。

图8显示从隔离涂层(barrier coating)内生长的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9显示SEM图像，其表示在碳纤维材料上生长的CNT长度分布的一致性，在大约40微米的目标长度的20％之内。

图10显示SEM图像，其表示隔离涂层对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。