[发明专利]在复合材料中产生和分散纳米结构体的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年9月2日提交的美国申请13/224443的权益，该申请在此通过引用以其全部内容纳入。

背景技术

将增强纳米结构体分散在基体材料中以形成复合材料是一种新兴技术。由加入增强纳米结构体带来的复合材料在材料性质和性能方面超过基体材料的潜在改进，对强化包括石油和天然气、CO₂封存等在内的井下工业中使用的坚固物品来说，提供了有吸引力的途径。

为了实现通过添加增强纳米结构体提供强化的机械性质，需要使增强纳米结构体在复合材料内基本均匀分布。然而，具有高润湿性的纳米结构体在基体材料中完全且均匀的分散经常是困难和昂贵的。此外，增强纳米结构体的团簇和不均匀的分散导致所得复合材料机械性质变化，这会产生弱化区域以及在诸如弹性、强度、导热性和热膨胀系数的性质方面各向异性的特性。

因此，仍然需要使纳米结构体均匀地分散在基体材料内并由此形成复合材料。

发明概述

在一种实施方式中，披露了制造复合粉末的方法。该方法包括在反应器中提供基体颗粒；流化该基体颗粒；将纳米结构体材料引入该反应器；均匀地分散该纳米结构体材料；和使该纳米结构体材料均匀地沉积到该基体颗粒上以形成复合粉末。

在另一种实施方式中，制造纳米结构体增强的复合物的方法包括在反应器中提供基体颗粒；流化该基体颗粒；将纳米结构体材料引入该反应器；均匀地分散该纳米结构体材料；使该纳米结构体材料均匀地沉积到该基体颗粒上以形成复合粉末；由该纳米结构体材料在该基体颗粒上产生纳米结构体；和加工该复合粉末以形成具有由基体颗粒形成的基体的纳米结构体增强的复合物，其中该纳米结构体均匀地分布在纳米结构体增强的复合物的基体中。

附图简述

现在参考附图，其中相同要素在各图中用相同数字标记：

图1显示了不含纳米结构体材料涂层的基体颗粒的扫描电子显微镜图像。

图2A和2B显示了含有纳米结构体材料涂层的基体颗粒的扫描电子显微镜图像。

详细说明

本文披露的是在基体材料中产生和分散纳米结构体的方法，该方法可用于生产纳米结构体增强的复合物。纳米结构体在基体材料内的均匀分散与单独的原始基体材料相比提供了强化的材料性质。由于纳米结构体的机械强度以及相关的性质，少量分散在基体中的纳米结构体就足以在纳米结构体增强的复合物中提供强化的耐久性和耐磨性。此外，发明人发现，在本文披露的方法中形成的在基体内纳米结构体分散的均匀性带来了令人惊奇的强固的和有弹性的纳米结构体增强的复合物。

纳米结构体增强的复合物包含基体，该基体具有在整个该基体中以高度均匀性分散的纳米结构体。为了获得纳米结构体的均匀分散，将基体颗粒与纳米结构体材料混合，它们在纳米结构体增强的复合物中分别形成基体和纳米结构体。

在一种实施方式中，在反应器中提供基体颗粒并使它们在其中流化。还将纳米结构体材料引入该反应器。由于基体颗粒与纳米结构体材料的相对运动，纳米结构体材料均匀地分散在基体颗粒中。基体颗粒与纳米结构体材料彼此接触，纳米结构体材料沉积在基体颗粒上。也就是说，纳米结构体材料吸附到基体颗粒的表面上。吸附可以是，例如，物理吸附或化学吸附。此外，纳米结构体材料均匀地沉积在基体颗粒上以形成复合粉末。

在一种实施方式中，将复合粉末从反应器取出并进一步加工以形成具有由基体颗粒形成的基体的纳米结构体增强的复合物。在该纳米结构体增强的复合物中，纳米结构体均匀地分布在基体中。纳米结构体在反应器中或在复合粉末的加工期间在基体颗粒上产生。

在一种实施方式中，基体颗粒表面上的纳米结构体由纳米结构体材料产生。虽然在以下给出了纳米结构体材料的详细情况，但简单来说，纳米结构体材料是纳米结构体或可以形成纳米结构体的材料。因此，在一种实施方式中，纳米结构体材料是纳米结构体的前体，并且纳米结构体材料在它沉积或被沉积到基体颗粒上后转化(物理地或化学地)到纳米结构体中。或者，将纳米结构体材料作为纳米结构体引入到反应器中，从而使纳米结构体沉积到基体颗粒上而不会影响纳米结构体材料到纳米结构体的物理或化学转化。