[发明专利]用于含碳纳米结构混合纤维及相关材料的大规模生产的装置和方法

说明书

与相关申请的交叉引用

本申请要求2011年9月19日提交的美国专利申请系列号13/236,601“用于含碳纳米结构混合纤维及相关材料的大规模生产的装置和方法”（APPARATUSES AND METHODS FOR LARGE-SCALE PRODUCTION OF HYBRIDS CONTAINING CARBON NANOSTRUCTURES AND RELATED MATERIALS）在35U.S.C.§119下的优先权。

关于联邦资助的研究或开发的陈述

不适用。

发明领域

本发明总的来说涉及碳纳米结构，更具体来说涉及碳纳米结构的大规模生产。

背景技术

当前的碳纳米管（CNT）合成技术可以提供大批量用于各种应用的“松散”CNT。这些批量CNT可以在例如复合材料系统中用作改性剂或掺杂剂。这样的改性的复合材料通常表现出增强的性质，其代表了根据CNT的存在所预期的少部分理论提高。不能实现CNT增强的全部潜力，部分地与不能在得到的复合材料中掺杂超过低百分率的CNT（1-4%），以及总体上不能将CNT有效地分散在结构内相关。这种低的载量与CNT对齐的困难和CNT与基质的界面性质相结合，体现在观察到的复合材料性质例如机械强度与CNT的理论强度相比的略微增加中。除了批量CNT掺入的物理限制之外，由于加工效率低以及纯化终端CNT产物所需的后处理，CNT的价格仍然高。对于其他碳纳米结构（CNS）例如石墨烯的生产和应用来说，观察到类似的限制。

克服上述缺陷的一种方法是开发在有用基材例如纤维上直接生长CNS的技术，所述基材可用于组织CNS并提供复合材料中的增强材料。以近乎连续的方式在纤维上生长CNS已经取得进展；然而，这些技术尚未成功地以对于商业化生产来说可行的速率生长CNS。

鉴于上述情况，在商业化水平上连续生产CNS在本领域中是显著有益的。本发明满足了这种需求并也还提供了相关优势。

发明概述

总的来说，本文提供的实施方式涉及能够在长度可缠绕的基材上进行连续CNS合成的装置。

在某些实施方式中，用于生长CNS的装置可以包括：至少两个CNS生长区和配置在其间的至少一个中间区；以及在所述CNS生长区之前的基材入口，其尺寸允许长度可缠绕的基材从其通过。

在某些实施方式中，用于生长CNS的装置可以包括：至少两个CNS生长区，其中每个CNS生长区的横截面积小于从其通过的基材横截面积的约600倍；配置在所述至少两个CNS生长区之间的至少一个中间区；以及所述CNS生长区之前的基材入口，其尺寸允许长度可缠绕的基材从其通过。

在某些实施方式中，用于生长CNS的系统可以包括：至少一个装置，其包括沿着基材通路的至少两个CNS生长区以及配置在其间的至少一个中间区；至少一个卷绕机，其可操作地能够沿着所述基材通路维持长度可缠绕的基材；以及至少一个马达，其可操作连接到所述卷绕机。

在某些实施方式中，用于生长CNS的方法可以包括：将至少一部分长度可缠绕的基材沿着基材通路运输，所述基材通路包括至少两个CNS生长区和配置在其间的至少一个中间区；至少对所述CNS生长区加热；以及将进料气体至少通过所述CNS生长区。

上面相当宽泛地概括了本公开的特点，以便可以更好地理解下面的详细描述。本公开的其他特点和优点将在后文中描述，其形成了权利要求书的主题。

附图简述

为了更完全地理解本公开及其优点，现在将结合描述了本公开具体实施方式的附图对下面的描述进行参考，在所述附图中：

图1示出了根据本公开的某些实施方式，用于生长碳纳米结构的装置的非限制性实例的示意图；

图2示出了根据本公开的某些实施方式，用于生长碳纳米结构的装置的非限制性实例的示意图；

图3示出了根据本公开的某些实施方式，用于生长碳纳米结构的装置的非限制性实例的示意图；

图4示出了根据本公开的某些实施方式，包含用于生长碳纳米结构的装置的系统的非限制性实例的示意图；

图5示出了从用于生长碳纳米结构的装置通过的基材的动态快照；

图6示出了从用于生长碳纳米结构的装置通过的基材的动态快照和显微照片；

图7示出了从用于生长碳纳米结构的装置通过的基材的动态快照；

图8示出了在用于生长碳纳米结构的装置中观察到的示例性温度分布图；