[发明专利]热塑性基体中CNT并入的纤维

说明书

相关申请的交叉参考

本申请按照35U.S.C.§119要求2009年12月08日提交的美国临时专利申请序列号61/267,794的优先权权益，其通过引用其整体被并入本文。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

不适用。

发明背景和领域

本发明一般地涉及碳纳米管(CNT)，更具体而言，涉及结合到复合材料中的CNT。

在过去几年中，纳米复合材料已经被广泛地研究。已经通过在各种纳米颗粒材料中混合，努力对复合材料的基体性能进行改进。尤其地，CNT已被用作纳米级增强材料，但仍未实现全规模生产潜力（full scale production potential），这是由于它们结合到基体材料的复杂性，如随着CNT载入粘度增加大、梯度的控制和CNT取向。

利用纳米级材料来增强复合材料性能的新复合材料以及获得这些复合材料的方法将是有益的。本发明满足该需求，并且还提供相关的优势。

发明内容

在一些方面中，本文公开的实施方式涉及复合材料，其包括热塑性基体材料和分散在至少部分热塑性基体材料中的碳纳米管(CNT)并入的纤维材料。复合材料可以展示导电性和/或增强的机械强度。

附图简介

为了更完全地理解本公开及其优势，现将参考以下说明结合描述本公开具体实施方式的附图，其中：

图1显示通过连续CVD方法生长在AS4碳纤维上的多壁CNT(MWNT)的透射电子显微镜(TEM)图；

图2显示通过连续CVD方法生长在AS4碳纤维上的双壁CNT(DWNT)的TEM图；

图3显示从隔离涂层(阻挡涂层，barrier coating)内生长的CNT的扫描电子显微镜(SEM)图，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显示SEM图像，其表明生长在碳纤维材料上的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5显示SEM图像，其表明隔离涂层对CNT生长的影响；密集、适当排列的CNT生长在施用隔离涂层的地方，而没有CNT生长在不存在隔离涂层的地方；

图6显示碳纤维上的CNT的低放大率SEM，其表明在纤维上CNT密度的均匀性在大约10%之内；

图7显示用于生产根据本发明示例性实施方式的CNT并入的碳纤维材料的方法；

图8显示纤维材料如何在连续方法中并入有CNT并用于PEEK基热塑性基体材料，以改进导热性和导电性；

图9显示含有CNT并入的纤维材料的PEEK基复合材料的示例性断面；

图10显示玻璃纤维材料可如何在另一连续方法中并入有CNT并用于ABS基热塑性基体材料，以改进断裂韧性；和

图11显示含有CNT并入的纤维材料的ABS基复合材料的示例性断面。

发明详述

本发明提供复合材料，其包含热塑性基体材料和分散在至少部分热塑性基体材料中的碳纳米管(CNT)并入的纤维材料。由热塑性基体制成的复合材料可以被制造而不需要用于CNT分散的另外处理。另外的益处源于控制CNT取向以切向地（circumferentially）垂直于纤维表面的能力。CNT的长度也可以与总载荷量百分比一起被控制。

可利用涉及热塑性基体的常规制造技术通过玻璃或碳纤维产生的任何复合材料结构可以类似地通过CNT并入的纤维材料产生，而不需要任何另外的处理步骤。相对于缺少碳纳米管的类似复合材料，这些多尺度(multiscale)复合材料除了增强导热性和导电性之外，还能显示增强的机械性能。

随着对例如结构、热和电性能的各种需求，纤维复合材料的应用迅速增长。纤维复合材料的一个亚类(subset)是纤维增强热塑性基体复合材料。这些复合材料可以通过玻璃和/或碳纤维以及利用各种技术与未固化的热塑性基体材料结合并通过热循环固化的陶瓷、金属、和/或有机纤维产生。主要通过直径约5-15微米的玻璃或碳纤维应用微尺度(microscale)增强。为了增强机械、热和/或电性能，本发明复合材料结合下述的CNT并入的纤维材料。尤其地，本发明复合材料可以包含以下任意一种：已经并入有碳纳米管的玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维、金属纤维和/或有机纤维。