[发明专利]具有梯度属性的中空纤维及其制造方法

说明书

技术领域

本公开一般涉及具有纳米结构强化物的中空纤维，并且更特别地涉及具有核心纳米结构强化物和梯度属性以便用在航空器和其他结构的复合结构中的核壳式中空碳纤维。

背景技术

纤维强化树脂材料或通常所知的“复合”材料由于其高强重比、耐腐蚀性和其他有利属性而用在各种结构和组成部件中，包括用于航空器、航天器、旋翼飞机、船只、汽车、卡车和其他交通工具的制造。特别地，在航空器制造中，复合结构和组成部件被用来增加数量以便形成航空器的机身、机翼、尾段、蒙皮壁板和其他组成部件。

传统复合材料通常包括纺织配置和/或无纺配置的玻璃、碳或锦纶纤维“片层”。纤维片层能够通过用未固化基质材料（例如环氧树脂）将它们层压在一起而被制成复合部件。然后可以通过施加热量和/或压力使层压件固化以形成最终部件。

复合部件中的纤维材料在纤维的方向上提供相对高的强度。然而，冲击阻力通常由固化基质的性质确定。当基质和纤维的硬度之间存在不匹配时，具有高模量和强度的碳纤维在纤维-基质界面处可能遇到问题。存在比当前使用的高等至中等模量的纤维具有更高模量和强度的已知复合材料。然而，此类已知复合材料已经显示出对纤维与基质之间减少的界面性质的敏感性，因此限制了可从这种较高性能的纤维获得的效益。另外，存在修改纤维胶料或使用不同基质化学品的已知方法。然而，此类已知方法不能克服对纤维与基质之间减少的界面性质的敏感性且同时仍然提供改进的纤维性质。而且，此类已知方法可能增加复合材料的重量并且可能增加复合材料的制造和生产的成本。

进一步，增加复合部件的冲击阻力和断裂韧度的另一途径是通过将纳米结构如碳纳米结构添加到复合材料来增强复合材料的结构特性。碳纳米管是规则的纯碳分子，其形成非常小的圆柱形（在10纳米（即1×10^-8米）的量级上）。碳纳米管表现出不同寻常的强度，并且可以比典型的碳纤维坚固30多倍，比同等重量的钢铁坚固100倍。

存在具有纳米结构强化物如碳纳米管强化物的已知复合材料。然而，此类已知复合材料可能使碳纳米管悬浮在树脂中，导致相邻纤维板层之间的纳米管的随机定向。而且，即使是添加少量碳纳米管到液态树脂中也会趋向于极大地增加其粘性并因而减少其可加工性。进一步，通常用在航天复合材料和其他复合材料中的传统生产的碳纤维可能在纤维的核心中具有无定形微结构，并且在纤维的外部具有规则的石墨结构，这导致此类纤维的主要强度和硬度来自于纤维的外部。

此外，复合结构和部件的总重量的减少对于航空器、航天器和其他交通工具来说可能是合乎期望的，因为增加的重量导致增加的燃料使用，进而导致增加的成本。因此，使得能够制造较低重量的结构和部件的复合纤维材料是有利的和合乎期望的。

因此，在本领域中需要具有可用在复合材料中的更多可调整性质的改进纤维及其制造方法，与已知材料和方法相比其提供更多益处。

发明内容

这种对于具有可用在复合材料中的更多可调整性质的改进纤维及其制造方法的需求已经被满足。如以下详细描述所讨论的，具有更多可调整性质的改进纤维及其制造方法的实施例可以提供比已知材料和方法更显著的益处。

在本公开的实施例中，提供一种中空纤维。该中空纤维包括内体积部分。该内体积部分包括具有多个纳米结构和一个或更多个第一聚合物的第一核心部分。纳米结构在平行于中空纤维的纵向轴线的方向上作为定向模板用于一个或更多个第一聚合物的定向。该内体积部分进一步包括一个或更多个中空的第二核心部分，第一核心部分接触并包围一个或更多个中空的第二核心部分。该中空纤维进一步包括具有一个或更多个第二聚合物的外体积部分，该外体积部分接触并完全包围该内体积部分。该内体积部分的拉伸模量和强度中的至少一个高于该外体积部分的拉伸模量和强度中的至少一个。

在本公开的另一实施例中，提供一种中空纤维。该中空纤维包括内核部分。该内核部分包括具有多个碳纳米管和多个第一聚合物的第一核心部分。碳纳米管在平行于中空纤维的纵向轴线的方向上作为定向模板用于多个第一聚合物的定向。该内核部分进一步包括在中空纤维的长度上延伸的单个中空的第二核心部分配置，该第一核心部分接触并包围该中空的第二核心部分。该中空纤维进一步包括具有一个或更多个第二聚合物的外壳部分，该外壳部分接触并完全包围该内核部分。该内核部分的拉伸模量和强度中的至少一个高于该外壳部分的拉伸模量和强度中的至少一个。