[发明专利]用于多孔介质中的纳米纤维的定向对齐的装置和方法

说明书

描述了用于在多孔介质内均匀地和定向地对齐和伸展纳米纤维的方法和装置。纳米纤维可以包括纳米管、纳米线、长链聚合物分子或类似物。多孔介质可以包括多孔层、织物或复合预浸材料或类似物。根据一种实施方式，用于多孔介质中的纳米纤维的定向对齐的装置包括具有纳米纤维的流体基质。还提供了多孔介质和用于驱使流体基质径向通过多孔介质的设备。

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2014年5月28日提交的且题为“Apparatus and Method forDirectional Alignment of Nanofibers in a Porous Medium”的美国临时申请62/003,982的优先权，通过引用将其并入本文中。

技术领域

本公开涉及在多孔介质中对齐和伸展纳米纤维。纳米纤维包括纳米管、纳米线、长链聚合物分子或类似物。多孔介质可以包括多孔层、织物或复合预浸材料或类似物。具体地，根据一种实施方式，本公开涉及用于多孔介质(包括具有纳米纤维的流体基质)中的纳米纤维的定向对齐的装置、多孔介质以及用于驱使流体基质以特定的流体力学方式穿过多孔介质的设备，使得纳米纤维以优选的方向伸展和对齐。

背景技术

复合材料是由两种或多种不同的组分材料组合而成的材料。组分材料可以具有明显不同的物理或化学性质，并且在复合材料中仍然彼此不同。另一方面，组合之后的复合材料的宏观性质变得不同于任何单独的组分材料，并且取决于组分材料的相互作用以及它们对外部负载、激励或环境变化的响应。利用不同组分材料的适当组合，与任何单独的组分材料相比，复合材料可以在被定为目标的物理和化学机能方面表现得明显更好。

纤维增强复合材料

纤维增强复合材料是一类常见的复合材料。纤维增强复合材料通常包括两种成分：纤维增强系统和基质。纤维增强系统是以增强复合材料的期望方式布置的一组纤维。基质用于将纤维结合在一起并且将负载转移到纤维中。常见的基质是热固性树脂(例如环氧树脂)、热塑性树脂(例如PEEK)、陶瓷和金属。常见的纤维增强物是碳纤维、玻璃纤维、金属纤维、芳纶纤维和天然纤维。大多数纤维的直径大于3微米(即，微纤维)。纳米技术的最新发展产生了许多新的纤维(即，纳米纤维)，其直径为1纳米至小于1微米。纳米纤维可以是碳基的(碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米线)、金属基的或陶瓷基的，等等。

在许多性能驱动的应用中，纤维增强复合材料被制造成层压板。在层压板中，纤维以层压板的平面内方向来定向，从而最大化产品的力学性质。然而，复合层压板的平面外方向(即，对此定义为“z方向”)中的力学性质相对较弱，因为在复合材料的平面外方向(即，z方向)上，基质是主要的承载系统。为了进一步增加层压板的平面内性能，优选地，纤维是连续的，而不是短且不连续的纤维。通常，连续的纤维是微纤维，因为制造连续微纤维的技术十分成熟。这种连续纤维增强复合材料通常用在航空航天、海洋产业、风力涡轮机以及需要高强度轻质复合材料的其他应用中。

复合材料的制造

复合材料的制造过程包括：(1)整合纤维增强系统和基质，和(2)使复合材料层压板形成为期望的几何结构。一般来说，纤维系统被提供为纤维束(每束包含大约2000-10000个微纤维)、纤维织物(由许多纤维束形成)、或者纤维预制体(其中，纤维束被编织成三维几何结构)。基质(例如环氧树脂)被转化为流体相，并且随后能够逐渐地流入纤维系统中的开放空间并且浸透纤维系统。在该基质浸透过程期间，固态纤维系统被当成“多孔介质”来处理，该多孔介质允许流体基质和空气穿过其中，并且填充多孔介质内的多孔空间。在基质完全浸透纤维系统之后，基质可以转化为固体，并且复合材料在模具内被形成为任何期望的几何结构。