[发明专利]碳纳米纤维/碳纳米线圈涂布的基材和纳米复合材料

说明书

领域

本技术总体上涉及碳涂布的基材和纳米复合材料。

背景

已知玻璃纤维赋予材料轻便性、强度、耐腐蚀性、导电性、耐热性、尺寸稳定性和化学稳定性。因为这样的性质，它广泛地用做航空、建筑物、土木工程、运输和造船中的高级材料。尽管有这些性质，当与碳纤维比较时，它的机械性能，尤其是模量差(表1)。

在本文中统称为碳丝的碳纳米管(CNT)、纳米纤维(CNF)和碳纳米线圈(CNC)在强度方面具有突出的物理性质(例如，杨氏模量～1.5TPa和拉伸强度～100GPa)。将CNT作为小的、不连续的碳丝片段结合在不同的基体中。在直径上是微米尺寸的传统的碳纤维被制造成碳织物。典型地，将织物成形为预成型体并且之后将液体基体材料在压力下加入以形成碳纤维加强的-基体复合材料。然而，如果将CNT加入至液体基体材料，即使在低浓度，它们也倾向于具有增稠效果，这产生几乎不可能的彻底混合。CNT/CNF/CNC至基体中的分散是用于控制性质的关键处理参数，然而，它们典型地与其他含碳材料丛生或成块，这引入引起破损的缺陷点。因此，CNT/CNF/CNC至聚合物基体中的结合仍然是有问题的。

概述

一方面，提供一种包括基材和碳丝的复合体，其中碳丝具有与基材接触的第一末端和远离基材的第二末端。在一些实施方案中，碳丝是碳纳米纤维或碳纳米线圈。在一些实施方案中，碳丝径向地附着至玻璃纤维。在复合体的一些实施方案中，碳纳米纤维/纳米线圈的宽度为20nm至200nm宽并且长度为0.5μm至10μm。

在一些实施方案中，复合体还包含聚合物，其中复合体是碳纤维-聚合物复合材料或碳纳米线圈-聚合物复合材料。在一些实施方案中，聚合物是热固性聚合物。

在一些实施方案中，基材是金属氧化物。在一些实施方案中，基材是玻璃纤维。在一些实施方案中，玻璃纤维的玻璃是A-玻璃、E-玻璃、C-玻璃、D-玻璃、E-CR-玻璃、含硼E-玻璃、无硼E-玻璃、R-玻璃、S-玻璃、T-玻璃、Te-玻璃、二氧化硅/石英玻璃、低K玻璃或中空玻璃。在其他实施方案中，玻璃纤维具有2μm至20μm的直径。在一些实施方案中，玻璃纤维是不连续的单丝、连续的单丝、连续的扁平多丝、连续扭曲多丝，或连续的编织多丝。在其他实施方案中，将多根玻璃纤维织成玻璃织物。在这种其他的实施方案中，玻璃织物可以包括作为平织组织、方平组织、斜纹组织、4端缎纹组织、5端缎纹组织、8端缎纹组织、纱罗组织、仿纱罗组织、随机纤维的编织物；编织纱线、正交、圆柱编织或多维编织。

另一方面，提供一种方法，所述方法包括：将催化剂涂布在基材的表面上以形成催化剂涂布的基材；和将催化剂涂布的基材以足以将碳源气体分解并且将碳作为碳纳米纤维或碳纳米线圈沉积在催化剂涂布的基材的表面上的温度和时间暴露于所述碳源气体。在这种实施方案中，催化剂包括Ni、Ru、Rh、Pd、Ir、Pt、Cr、Mo或W。在一些实施方案中，催化剂包括作为Ni、Ru、Rh、Pd、Ir或Pt的第一金属，以及作为Cr、Mo或W的第二金属。在一些这样的实施方案中，第二金属是Cr。在其他实施方案中，第一金属与第二金属的比例为2∶1以上。在其他实施方案中，温度为400℃至900℃。在一些实施方案中，时间为1分钟至0.5小时。在一些实施方案中，暴露在惰性气氛下进行。在再其他的实施方案中，碳源气体是CH₄、C₂H₆、C₃H₈、CO₂、乙烯或乙炔。在一些这样的实施方案中，碳源气体还包括还原气体。在一些实施方案中，还原气体是Cl₂或H₂。

在一些实施方案中，涂布包括：将基材在包含催化剂的溶液中浸涂。在一些实施方案中，催化剂包括金属。在一些这样的实施方案中，金属包括Ni、Ru、Rh、Pd、Ir、Pt、Cr、Mo或W，或其硫化物、二硫化物、卤化物或硫酸盐。在一些实施方案中，溶液还包括螯合剂。在一些实施方案中，螯合剂包括水、碳水化合物、具有多于一个配位基团的有机酸、类脂、类固醇、氨基酸、肽、磷酸酯、核苷酸、四吡咯、铁胺(ferrioxamine)，离子载体如，但是不限于，短杆菌肽、莫能霉素、缬氨霉素、苯酚类、2，2′-联吡啶二巯基丙醇、亚乙基二氧二亚乙基-二次氮基-四乙酸、乙二醇-双(2-氨基乙基)-N，N.N′，N″-四乙酸、离子载体-次氮基三乙酸、次氮基三乙酸酯邻菲咯啉；水杨酸；三乙醇胺；琥珀酸钠；乙酸钠；乙二胺；乙二胺四乙酸；亚乙基三胺五乙酸；和亚乙基二次氮基四乙酸。