[发明专利]并入CNT的碳纤维材料及其制造方法

说明书

相关申请的声明

本申请是2007年1月3日提交的美国专利申请号11/619,327的部分继续申请。本申请要求2009年4月10日提交的美国临时申请号61/168,516、2009年4月14日提交的61/169,055、2009年2月27日提交的61/155,935、2009年3月3日提交的61/157,096和2009年5月29日提交的61/182,153的优先权，通过引用将其中每一篇以其整体并入本文。

发明领域

本发明涉及纤维材料，更具体地涉及用碳纳米管改性的碳纤维材料。

发明背景

纤维材料在广泛的各种工业中用于许多不同应用，如商业航空、娱乐、工业和运输业。例如，对于这些和其它应用的常用纤维材料包括碳纤维、纤维素纤维、玻璃纤维、金属纤维、陶瓷纤维和芳族聚酰胺纤维。

用上浆剂常规制造碳纤维以防止材料被环境劣化。另外，其它物理应力如压缩力和自磨损(self abrasion)可损害碳纤维的完整性。用于保护碳纤维免于这些弱点的许多上浆剂制剂实际上是专用的(proprietary)并且被设计为与具体树脂类型结合(interface)。为了实现复合材料中碳纤维材料性能的益处，在碳纤维和基体之间必须具有良好界面。碳纤维上采用的上浆剂可在纤维和树脂基体之间提供物理化学连结(link)，并且从而影响复合材料的机械性能和化学性能。

但是，大多数常规上浆剂与它们被施加至的碳纤维材料相比具有较低的界面强度。因而，上浆的强度和它的经受界面应力的能力最终决定整个复合材料的强度。因此，使用常规上浆，所获得的复合材料将通常具有比碳纤维材料的强度更小的强度。

开发上浆剂和在碳纤维材料上涂布该上浆剂的方法以处理一些上述问题以及赋予碳纤维材料期望的特性将是有用的。本发明满足了该需要并且也提供了相关优势。

发明概述

在一些方面，此处公开的实施方式涉及包括并入碳纳米管(CNT)的碳纤维材料的组合物。并入CNT的碳纤维材料包括可缠绕维度(spoolable dimension)的碳纤维材料和并入至碳纤维材料的碳纳米管(CNT)。并入的CNT长度一致并且分布一致。并入CNT的碳纤维材料还包括围绕碳纤维材料贴合地(conformally)放置的隔离涂层(barrier coating)，而CNT基本上没有隔离涂层。

在一些方面，本文公开的实施方式涉及连续CNT并入方法，其包括：(a)功能化碳纤维材料；(b)在功能化的碳纤维材料上放置隔离涂层；(c)在功能化的碳纤维材料上放置碳纳米管(CNT)形成催化剂；以及(d)合成碳纳米管，从而形成并入碳纳米管的碳纤维材料。

附图简述

图1显示通过连续的CVD方法在AS4碳纤维上生长的多层CNT(MWNT)的透射电子显微镜(TEM)图像。

图2显示通过连续的CVD方法在AS4碳纤维上生长的双层CNT(DWNT)的TEM图像。

图3显示从隔离涂层内部生长的CNT的扫描电子显微镜(SEM)图像，CNT形成纳米颗粒催化剂在隔离涂层处被机械地并入至碳纤维材料表面。

图4显示SEM图像，其显示在碳纤维材料上生长的CNT长度分布的一致性为约40微米目标长度的20%之内。

图5显示SEM图像，其显示隔离涂层对CNT生长的影响。密集的、良好排列的CNT生长在施加隔离涂层的位置，而在没有隔离涂层的位置不生长CNT。

图6显示碳纤维上的CNT的低放大率SEM，其显示在整个纤维中CNT密度的均匀性在大约10%之内。

图7显示按照本发明的例证性实施方式生产并入CNT的碳纤维材料的方法。

图8显示在连续方法中可如何用CNT并入碳纤维材料以达到改进导热性和导电性的目标。

图9显示可如何使用“逆向（reverse）”隔离涂层方法在连续方法中用CNT并入碳纤维材料以达到机械性能、特别是界面特性如剪切强度改进的目标。

图10显示可如何使用“混杂(hybrid)”隔离涂层在另一连续方法中用CNT并入碳纤维材料以达到机械性能、特别是界面特性如剪切强度和层间断裂韧性改进的目标。

图11显示在IM7碳纤维上并入的CNT对层间断裂韧性的影响。基线材料(baseline material)是未上浆的IM7碳纤维，而并入CNT的材料是在纤维表面上并入15微米长CNT的未上浆碳纤维。

详述