用于生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)排列的多尺度復(fù)合材料的方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
[0001 ] 要求優(yōu)先權(quán)
[0002] 本申請(qǐng)要求于2013年7月29日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)61/958485的優(yōu)先權(quán)。該在 先申請(qǐng)和本文參考的所有文件的全部?jī)?nèi)容整體地通過(guò)援引并入本文，正如其在本文中完整 地被描述了 一樣。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本申請(qǐng)總體涉及用于生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)的多尺度(multi-scale)復(fù)合材料的方法，其 生成具有更好的完整性的復(fù)合材料。更具體而言，本申請(qǐng)涉及如下的方法:提供分散在基質(zhì) 材料中的排列的高縱橫比(high-aspect-ratio)納米結(jié)構(gòu)、將排列的納米結(jié)構(gòu)和基質(zhì)材料 的混合物轉(zhuǎn)移至相鄰的多孔接收介質(zhì)中、然后在大致保持納米結(jié)構(gòu)排列的同時(shí)將接收多塊 介質(zhì)中的基質(zhì)材料固化。
【背景技術(shù)】
[0004] 包含納米尺度顆粒的復(fù)合材料是眾所周知的。納米材料是一種在納米技術(shù)中采用 基于材料科學(xué)的方法的領(lǐng)域。包含納米尺度結(jié)構(gòu)的材料可以具有由于納米尺度大小的形態(tài) 特征而產(chǎn)生的獨(dú)特性質(zhì)。在此方面，詞語(yǔ)"納米尺度"通常定義為有至少一個(gè)尺寸小于1納 米。然而，在實(shí)際中以及在現(xiàn)有商品中，一些納米結(jié)構(gòu)可能具有遠(yuǎn)大于1納米的最小尺寸。另 一方面，最近的納米技術(shù)發(fā)展也產(chǎn)生了一些尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1納米的結(jié)構(gòu)。因此，為了本申請(qǐng) 的目的，將理解為，"納米尺度"定義為從0.1納米至1000納米。"納米材料"是天然的、伴隨產(chǎn) 生的、或者是生產(chǎn)出來(lái)的材料，其包含納米尺度結(jié)構(gòu)的"納米結(jié)構(gòu)"，諸如處于未結(jié)合狀態(tài)或 作為集料或團(tuán)聚體的纖維、顆粒等。
[0005] 納米技術(shù)的重要方面是在很多納米尺度的材料中很大程度地增加了表面積與體 積的比率，這能夠產(chǎn)生新的量子力學(xué)效應(yīng)。一個(gè)實(shí)例是"量子尺寸效應(yīng)"，其中，具有分散在 基質(zhì)中的顆粒的固體性質(zhì)可由于顆粒尺寸大大減小而變化。僅作為實(shí)例，由于急劇增大了 這些結(jié)構(gòu)中表面積與體積的比率，諸如導(dǎo)電性和光學(xué)熒光等特征可由于納米結(jié)構(gòu)的存在而 很大程度地受到影響。這些顯著的影響通常不能通過(guò)從宏觀尺寸到微觀尺寸的變化而實(shí) 現(xiàn)。然而，當(dāng)?shù)竭_(dá)納米尺度的尺寸范圍時(shí)，它們就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。
[0006] -定數(shù)量的物理性質(zhì)也隨著變化至納米尺度系統(tǒng)而改變。僅作為示例，塊狀材料 中的納米結(jié)構(gòu)可很大程度地影響材料的機(jī)械性能，諸如剛度或彈性。在一些應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)常 規(guī)聚合物可通過(guò)納米結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)，產(chǎn)生可用作金屬的輕質(zhì)替換物的新材料。這種納米技術(shù) 增強(qiáng)材料可使重量減輕，伴隨增加的穩(wěn)定性和改進(jìn)的功能性。由于納米尺度結(jié)構(gòu)的存在，其 他功能性諸如用于生物材料處理的催化活性也可以受到很大程度的影響。
[0007] 幾種類(lèi)型的納米材料已經(jīng)被使用來(lái)產(chǎn)生先進(jìn)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。需要高性能、輕質(zhì) 結(jié)構(gòu)的行業(yè)已經(jīng)日益集中在纖維增強(qiáng)塑料(FRP)。該FRP材料通常包括具有從約1微米至 1000微米的有效直徑范圍的多種微尺度纖維。在應(yīng)用中，該微尺度纖維可在FRP疊層內(nèi)以任 意優(yōu)選面內(nèi)方向取向，以增強(qiáng)FRP疊層在優(yōu)選面內(nèi)方向上的強(qiáng)度。由于特殊的設(shè)計(jì)需要或由 于FRP疊層部件的非均勻厚度，諸如錐形幾何形狀等，一些特殊的FRP疊層部件可能具有不 在面內(nèi)方向上取向的微尺度纖維。由于其較高的強(qiáng)度對(duì)重量的比率，可以認(rèn)為FRP材料優(yōu)于 其金屬對(duì)應(yīng)物。然而，由于FRP疊層中的結(jié)合聚合物基質(zhì)相對(duì)較弱，在這些輕質(zhì)材料的耐用 性和損失容限方面的改進(jìn)仍然是需要的。在這方面，大多數(shù)FRP疊層的脆弱是由于在垂直于 局部微尺度纖維取向的方向上缺少有效的纖維增強(qiáng)。例如，在具有面內(nèi)方向取向的微尺度 纖維的典型FRP疊層中，較弱的方向是沿厚度方向。結(jié)果，F(xiàn)RP疊層的很多沿厚度方向相關(guān)的 特性是由聚合物基質(zhì)的特性而不是纖維的特性來(lái)主導(dǎo)的。
[0008] -些研究證明，在聚合物基質(zhì)中適當(dāng)?shù)靥砑蛹{米結(jié)構(gòu)諸如納米纖維、納米管、納米 桿、或納米片能夠急劇增強(qiáng)聚合物基質(zhì)的性能。當(dāng)引入納米結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)FRP材料的性能時(shí)， 存在能夠用于改進(jìn)多尺度復(fù)合材料疊層的兩個(gè)主要過(guò)程：（1)定向地增強(qiáng)纖維/基質(zhì)界面； 以及(2)整體地增強(qiáng)整個(gè)基質(zhì)?？赏ㄟ^(guò)在連續(xù)的纖維系統(tǒng)表面上沉積納米結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)界面 的增強(qiáng)。示例性的沉積方法包括電泳、化學(xué)氣相沉積以及分選。塊狀基質(zhì)的增強(qiáng)通常通過(guò)在 將微尺度纖維系統(tǒng)注入之前向基質(zhì)溶液中添加納米結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行，從而形成所謂的"納米復(fù) 合材料"。
[0009] 除了在這些納米復(fù)合材料的合成方面的進(jìn)步，該技術(shù)處于早期狀態(tài)，仍然有待實(shí) 現(xiàn)系統(tǒng)的改進(jìn)。可以相信，高縱橫比納米結(jié)構(gòu)取向控制（即排列）的不足必然降低高縱橫比 納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)在多尺度復(fù)合材料中的有效性。此外，諸如化學(xué)氣相沉積(CVD)等沉積技術(shù)等 由于高成本及復(fù)雜性而不是理想的解決方案。
[0010] 可用于調(diào)芐基質(zhì)特征的已知的高縱橫比納米結(jié)構(gòu)的實(shí)例包括碳納米管、納米碳纖 維、金屬納米桿、納米粘土和石墨納米片等。已知可通過(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)高縱橫比納米結(jié)構(gòu) 在水中或純聚合物溶液中的排列。然而，容易理解，沒(méi)有技術(shù)已被公開(kāi)可使用電場(chǎng)或磁場(chǎng)來(lái) 實(shí)現(xiàn)高縱橫比納米結(jié)構(gòu)在FRP或其他微尺度復(fù)合材料中的的排列。不限于特定的理論，有懷 疑認(rèn)為，不能使用電場(chǎng)或磁場(chǎng)處理來(lái)在FRP材料中排列高縱橫比納米結(jié)構(gòu)的一個(gè)可能原因 是來(lái)自FRP基質(zhì)中的現(xiàn)有微尺度纖維陣列的非理想干擾。
[0011] 在本文中，使用下述定義：
[0012] "納米結(jié)構(gòu)"是具有至少一個(gè)尺寸處于前述納米尺度范圍內(nèi)（即，從〇.1納米至1〇〇〇 納米)的結(jié)構(gòu)；
[0013] "高縱橫比納米結(jié)構(gòu)"是其中其尺寸中的至少一個(gè)尺寸比其最小尺寸長(zhǎng)至少5倍的 納米結(jié)構(gòu)；
[0014] "纖維納米碳"是長(zhǎng)形的高縱橫比納米結(jié)構(gòu)，其組分具有大量碳，并且其有效直徑 在前述納米尺度范圍內(nèi)（即，從〇. 1納米至1000納米）。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本申請(qǐng)通過(guò)提供如下方法來(lái)提供優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和替代方案，其中，納米結(jié) 構(gòu)被排列在基質(zhì)材料中以限定排列的混合物，然后轉(zhuǎn)移至諸如FRP、織物等多孔接收介質(zhì) 中，同時(shí)大致保持納米結(jié)構(gòu)的排列，使得納米結(jié)構(gòu)在多孔接收介質(zhì)中可以主要在共同方向 上排列。
[0016] 根據(jù)一個(gè)示例性的方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┤缦路椒?在由第一多孔介質(zhì)攜載的基質(zhì)材 料中排列高縱橫比納米結(jié)構(gòu)，以生成沿厚度方向排列的高縱橫比納米結(jié)構(gòu)和基質(zhì)材料的由 第一多孔基質(zhì)攜載的混合物，然后在保持納米結(jié)構(gòu)排列的同時(shí)，將具有排列納米結(jié)構(gòu)的混 合物轉(zhuǎn)移至多孔接收介質(zhì)中并固化基質(zhì)材料，以形成納米復(fù)合材料，其中，高縱橫比納米結(jié) 構(gòu)可主要在復(fù)合材料的沿厚度尺寸方向上排列。
[0017] 根據(jù)另一示例性的方面，本申請(qǐng)還提供了示例性方法，用于在保持在沿厚度尺寸 方向的顆粒排列的同時(shí)，通過(guò)液化將具有排列的納米結(jié)構(gòu)的混合物轉(zhuǎn)移至相鄰的多孔接收 介質(zhì)中。
[0018] 根據(jù)另一方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N方法，其使用熱控制來(lái)幫助沿厚度方向排列的 高縱橫比納米結(jié)構(gòu)和基質(zhì)材料的液化和固化。在此方面，定向加熱和冷卻可用于便于控制 地液化和固化并有助于排列、液化和固化。
[0019] 根據(jù)一個(gè)示例性特征，本申請(qǐng)?zhí)峁┝巳缦路椒?在基質(zhì)材料中排列高縱橫比納米 結(jié)構(gòu)，以產(chǎn)生沿厚度方向排列的納米結(jié)構(gòu)和基質(zhì)材料的混合物，然后在保持沿厚度尺寸方 向上的顆粒排列的同時(shí)，將具有排列的納米結(jié)構(gòu)的混合物轉(zhuǎn)移至相鄰的多孔接收介質(zhì)中， 其中，在復(fù)合材料的生產(chǎn)過(guò)程中，排列的高縱橫比納米結(jié)構(gòu)和基質(zhì)材料能夠在固體和液體 之間改變其狀態(tài)。
[0020] 根據(jù)另一示例性特征，基質(zhì)材料可以為熱固性樹(shù)脂或熱塑性樹(shù)脂。
[0021 ]根據(jù)另一示例性特征，多孔接收介質(zhì)可以包含微纖維系統(tǒng)。
[0022] 根據(jù)另一示例性特征，排列的高縱橫比納米結(jié)構(gòu)可以通過(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)來(lái)排列。
[0023] 根據(jù)另一示例性特征，排列的高縱橫比納米結(jié)構(gòu)可以為諸如但不限于纖維納米 碳、碳納米管、以及金屬納米桿等長(zhǎng)形結(jié)構(gòu)。
[0024] 根據(jù)另一示例性特征，排列的高縱橫比納米結(jié)構(gòu)可以為諸如但不限于石墨烯、納 米片和納米粘土等板狀。
[0025] 除了提供如上所述的理想排列特征外，本申請(qǐng)其他可能的特征包括：（i)納米結(jié)構(gòu) 適當(dāng)?shù)膸缀涡螤?，以?ii)織物、FRP等中的納米結(jié)構(gòu)與微尺度纖維陣列之間的有利相互作 用(諸如但不限于高縱橫比納米結(jié)構(gòu)與微尺度纖維之間的互鎖、高縱橫比納米結(jié)構(gòu)從周?chē)?的基質(zhì)中拉出以及當(dāng)橋接復(fù)合材料中的裂紋時(shí)由長(zhǎng)形高縱橫比納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行的間隙橋 接），以及（iii)納米結(jié)構(gòu)與基質(zhì)系統(tǒng)之間有利的界面，其能夠提供在諸如各種靜態(tài)載荷狀 態(tài)、低速或高速碰撞等理想加載條件下納米結(jié)構(gòu)與微尺度纖維增強(qiáng)系統(tǒng)之間良好的負(fù)載轉(zhuǎn) 移。
[0026]可以理解，經(jīng)過(guò)閱讀本申請(qǐng)的下述具體描述和/或經(jīng)過(guò)使用所述實(shí)施方式，本申請(qǐng) 的其他方面、優(yōu)點(diǎn)和特征將變得明顯。因此，應(yīng)該理解該描述僅為示例性和解釋性，本申請(qǐng) 不限于所示出和描述的任意實(shí)施方式。相