專利名稱：作為自屏蔽線材用于增強(qiáng)的電力傳輸線的cnt并入的纖維的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)方面可以涉及電力傳輸領(lǐng)域，并且，更具體而言，涉及作為自屏蔽(自保護(hù)，self-shielding)線材用于增強(qiáng)的電力傳輸?shù)奶技{米管(CNT)并入的纖維。
背景技術(shù)：
有超過(guò)300，OOOkm的電力傳輸線橫跨美國(guó)(而且，還有更多km橫跨世界)，通過(guò)鋁導(dǎo)體以各種額外增強(qiáng)的方式傳輸電力。在輸電工業(yè)中的一個(gè)重要問(wèn)題是與輸送/分布損耗(在2007年高達(dá)6. 5%)有關(guān)的成本以及與懸置其跨距由線本身的強(qiáng)度/剛度限制的電力線有關(guān)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)成本。隨著時(shí)間的推移，線開(kāi)始下垂，從而需要維護(hù)。另外，電力傳輸和數(shù)據(jù)傳送線經(jīng)受信號(hào)失真，這部分地因?yàn)橛善渌€產(chǎn)生的串?dāng)_、雜散電感或雜散電容以及由外部源產(chǎn)生的噪音、干擾。通過(guò)使用其中兩種線材扭曲在一起消除電磁信號(hào)的雙扭線(twisted pairs),和/或通過(guò)結(jié)合屏蔽材料,如在線材護(hù)套(sheathing)/絕緣體中分層的磁箔已經(jīng)克服了信號(hào)失真。雖然已經(jīng)顯示這些技術(shù)減少與串?dāng)_和噪音有關(guān)的問(wèn)題，但這些技術(shù)可以使利用雙扭線或屏蔽線材的組件的重量和成本明顯增加。

發(fā)明內(nèi)容
在本公開(kāi)的一個(gè)方面中，公開(kāi)了包含多個(gè)碳納米管并入的纖維的線材。并入的碳納米管可以平行于或垂直于纖維軸排列。在本公開(kāi)的另一個(gè)方面中，描述了自屏蔽線材或線材護(hù)套，其結(jié)合了可以提高總體產(chǎn)品性能和減少重量和成本的內(nèi)置(built-in)屏蔽能力。線材的電磁屏蔽層(電磁屏蔽，electromagnetic shield)可以包括多個(gè)碳納米管并入的纖維。并入的碳納米管可以圍繞纖維軸放射狀地排列。多個(gè)碳納米管并入的纖維可以圍繞線材圓周地排列，纖維軸平行于線材。在本公開(kāi)的再一個(gè)方面中，描述了電力傳輸電纜，其包括可有助于提高電力傳輸能力以提高整體產(chǎn)品性能、減少重量和成本的高強(qiáng)度芯材。在本公開(kāi)的一些方面中，自屏蔽線材可以包括I)線材，其可以包括多個(gè)碳納米管并入的纖維，其中，并入的碳納米管平行于纖維軸排列；和2)電磁屏蔽層，其可以包括多個(gè)碳納米管并入的纖維，其中，碳納米管圍繞纖維軸放射狀地排列。線材的碳納米管并入的纖維的軸和電磁屏蔽層部分的碳納米管并入的纖維的軸可以是平行的。應(yīng)該理解，從以下詳細(xì)描述來(lái)看，主題技術(shù)的其它配置對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將變得顯而易見(jiàn)，其中通過(guò)說(shuō)明的方式顯示和描述了該主題技術(shù)的各種配置。如將被認(rèn)識(shí)到的，該主題技術(shù)能夠進(jìn)行其它和不同的配置，并且它的一些細(xì)節(jié)能夠在各個(gè)方面進(jìn)行修改，這些均沒(méi)有背離該主題技術(shù)的范圍。因此，附圖和詳細(xì)描述將被認(rèn)為在本質(zhì)上是說(shuō)明性的，而不是限制性的。
附圖簡(jiǎn)介圖I顯示應(yīng)用本公開(kāi)的設(shè)備，通過(guò)連續(xù)CVD方法生長(zhǎng)在AS4碳纖維上的多壁CNT (MWNT)的透射電子顯微鏡(TEM)圖像。圖2顯示應(yīng)用本公開(kāi)的設(shè)備，通過(guò)連續(xù)CVD方法生長(zhǎng)在AS4碳纖維上的雙壁CNT (DffNT)的 TEM 圖像。 圖3顯示從隔離涂層(阻擋層,barrier coating)內(nèi)部生長(zhǎng)的CNT的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，其中，CNT形成納米顆粒催化劑被機(jī)械地并入至碳纖維材料表面。圖4顯示SEM圖像，其證明應(yīng)用本公開(kāi)的設(shè)備在碳纖維材料上生長(zhǎng)的CNT的長(zhǎng)度分布一致性，在約40微米的目標(biāo)長(zhǎng)度的20%內(nèi)。圖5顯示SEM圖像，其證明隔離涂層對(duì)CNT生長(zhǎng)的影響。密集、適當(dāng)排列的CNT生長(zhǎng)在施加隔離涂層的地方，并且，沒(méi)有CNT生長(zhǎng)在不存在隔離涂層的地方。圖6顯示應(yīng)用本公開(kāi)設(shè)備的碳纖維上的CNT的低放大倍率SEM，其顯示纖維上的CNT密度的均勻性在大約10%之內(nèi)。圖7顯示用于生產(chǎn)根據(jù)本公開(kāi)示例性方面的CNT并入的纖維材料的方法。圖8顯示碳纖維材料如何可以在連續(xù)方法中并入有CNT，以導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性提高為目標(biāo)。圖9顯示使用“逆向的(reverse)”隔離涂層方法，纖維材料如何可以在連續(xù)方法中并入有纖維材料，以機(jī)械性能尤其是界面特性諸如剪切強(qiáng)度的提高為目標(biāo)。

圖10顯示使用“混雜”隔離涂層，纖維材料如何可以在另一連續(xù)方法中并入有CNT,以機(jī)械性能尤其是界面特性諸如剪切強(qiáng)度和層間斷裂韌度的提高為目標(biāo)。圖11顯示并入的CNT對(duì)IM7碳纖維的層間斷裂韌度的影響?；€材料(baselinematerial)是未上漿的頂7碳纖維，而CNT并入的材料是在纖維表面上并入15微米長(zhǎng)CNT的未上漿的碳纖維。圖12顯示根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)方面的具有CNT并入的纖維的電力傳輸線，所述CNT并入的纖維同時(shí)起芯材和導(dǎo)體的作用，并且包括多個(gè)碳納米管并入的纖維，其中，并入的碳納米管平行于纖維軸。圖13顯示根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)方面的線材的電磁屏蔽層，其包括圍繞線材圓周地排列的多個(gè)碳納米管并入的纖維，其中，并入的碳納米管圍繞纖維軸放射狀地布置。圖14顯示根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)方面的自屏蔽線材，其具有圍繞圖12線材布置的圖13電磁屏蔽層。圖15顯示根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)方面的具有CNT并入的纖維的電力傳輸線，所述CNT并入的纖維起圖12芯材的作用，單獨(dú)的導(dǎo)體材料圍繞該芯材布置。發(fā)明詳述以下闡述的詳細(xì)描述意圖作為主題技術(shù)的各個(gè)配置的描述，而且并不意圖表示可以實(shí)施主題技術(shù)的唯一配置。附圖被結(jié)合到本文中并構(gòu)成詳細(xì)描述的一部分。詳細(xì)描述包括具體細(xì)節(jié)，用于提供對(duì)主題技術(shù)全面理解的目的。然而，可以在沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施該主題技術(shù)，這對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是明顯的。在一些情況中，以塊狀圖形式顯示悉知的結(jié)構(gòu)和組件，以避免使主題技術(shù)的原理不明顯。相同的組件以同樣的元件編號(hào)標(biāo)記，以便易于理解。本公開(kāi)的一些方面可以涉及具有高強(qiáng)度芯材的電力傳輸電纜，其提供提高的電力傳輸同時(shí)通過(guò)減少重量和降低成本提高整體產(chǎn)品性能。在本公開(kāi)的一些方面中，電力傳輸線包含芯材，該芯材在復(fù)合材料基體中包括多個(gè)碳納米管(CNT)并入的纖維，以提供具有降低的傳輸損耗的電力傳輸介質(zhì)。在一個(gè)方面中，并入的CNT平行于纖維軸排列，以提供提高的電傳導(dǎo)，這在本文中可被稱為“軸向取向”。
本公開(kāi)的另一方面可以涉及線材的電磁屏蔽層，其包括多個(gè)CNT并入的纖維。在一個(gè)方面中，并入的CNT圍繞纖維軸放射狀地排列。多個(gè)碳納米管并入的纖維可以圍繞線材圓周地排列，纖維軸平行于線材，以提供改進(jìn)的電磁屏蔽，這在本文中可被稱為“放射狀取向”。在本公開(kāi)的一些方面中，自屏蔽線材可以包括I)線材，其包括多個(gè)碳納米管并入的纖維，其中，并入的碳納米管以放射狀取向平行于纖維軸排列；和2)電磁屏蔽層，其包括多個(gè)碳納米管并入的纖維，其中，碳納米管也相對(duì)于纖維軸以放射狀取向排列。線材的碳納米管并入的纖維的軸和電磁屏蔽層的碳納米管并入的纖維的軸可以是平行的。在本公開(kāi)的另一方面中，CNT并入的芯材可以被傳導(dǎo)性線材包繞。在一個(gè)方面中，傳導(dǎo)性線材可以作為電力傳輸電纜的電力傳輸介質(zhì)工作。電力傳輸電纜可以包括絕緣保護(hù)層作為最外層。根據(jù)本公開(kāi)的該方面，CNT并入的芯材可以包括以軸向取向排列的CNT并入的纖維，以提供增強(qiáng)的剛度和強(qiáng)度，這對(duì)于提高電力傳輸電纜的跨距特別重要。另外，CNT并入的芯材可以通過(guò)提供另外的有效傳導(dǎo)途徑而有助于減少傳輸損耗。以下描述與本文上面公開(kāi)的用于制造線材、EM屏蔽層和自屏蔽線材的CNT并入的纖維的生產(chǎn)有關(guān)的組合物和方法，并被理解為僅是示例性的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到下面描述的與CNT并入的纖維材料有關(guān)的方法和組合物的方面也可以被等同地應(yīng)用于，例如玻璃、芳族聚酰胺和陶瓷纖維材料。因此，以下公開(kāi)的方法可以用于產(chǎn)生任何CNT并入的纖維材料，而不僅僅是下面示例的CNT并入的纖維材料。本公開(kāi)的一些方面可以部分地涉及碳納米管并入的(“CNT并入的”)纖維材料，其相對(duì)于纖維軸根據(jù)軸向取向和放射狀取向其中之一排列。CNT并入到纖維材料可執(zhí)行許多功能，包括，例如作為上漿劑保護(hù)免受濕氣、氧化、磨損和壓縮引起的損壞。CNT基上漿劑也可用作復(fù)合材料中纖維材料和基體材料之間的界面。CNT也可用作涂布碳纖維材料的幾種上漿劑中的一種。而且，并入到纖維材料上的CNT可以改變纖維材料的各種性能，如例如導(dǎo)熱性和/或?qū)щ娦?，?或拉伸強(qiáng)度，這取決于它們相對(duì)于纖維軸的取向。用于制造CNT并入的纖維材料的方法提供長(zhǎng)度和分布基本均勻的CNT，以在改進(jìn)的纖維材料上均勻地賦予其有用的性能。而且，本文公開(kāi)的方法適合于產(chǎn)生可纏繞維度的CNT并入的纖維材料。本公開(kāi)的一些方面可以部分地涉及制造CNT并入的纖維材料的方法。本文中公開(kāi)的方法可以在將典型的上漿溶液應(yīng)用于纖維材料之前或代替其的應(yīng)用而應(yīng)用于從頭產(chǎn)生的起始纖維材料?？蛇x地，本文中公開(kāi)的方法可利用商業(yè)纖維材料，例如已具有應(yīng)用于其表面的上漿劑的碳絲束。在該方面中，上漿劑可被清除以提供纖維材料和合成的CNT之間的直接界面，盡管隔離涂層和/或過(guò)渡金屬顆?？捎米魈峁╅g接并入的中間層，如在下面進(jìn)一步所說(shuō)明的。CNT合成之后，若需要，另外的上漿劑可以應(yīng)用于纖維材料。本文公開(kāi)的一些方法可以允許沿絲束、帶材、織物和其他3D織造結(jié)構(gòu)的可纏繞長(zhǎng)度，連續(xù)生產(chǎn)均勻長(zhǎng)度和分布的碳納米管。雖然通過(guò)本公開(kāi)的方法，各種墊、織造的和非織造的織物以及類似物可被功能化，但在母體絲束、紡線或者類似物進(jìn)行CNT功能化之后從這些母體材料產(chǎn)生這種更高度有序的結(jié)構(gòu)也是可能的。例如，由CNT并入的纖維絲束可以產(chǎn)生CNT并入的織造織物。如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“纖維材料”指可以并入有碳納米管(CNT)的任何材料。該術(shù)語(yǔ)包括玻璃、芳族聚酰胺和陶瓷纖維材料以及碳纖維材料和類似物。如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“碳纖維材料”指具有碳纖維作為其基本結(jié)構(gòu)成分的任何材料。該術(shù)語(yǔ)包括纖維、絲、紡線、絲束、帶材、織造和非織造織物、板片、墊以及類似物。如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“可纏繞維度”指的是纖維材料具有至少一個(gè)長(zhǎng)度不被限制的維度，允許材料儲(chǔ)存在卷軸或者心軸上。“可纏繞維度”的纖維材料具有至少一個(gè)這樣的維度，該維度指示使用分批或者連續(xù)處理進(jìn)行CNT并入，如在本文中所述。通過(guò)具有800特(tex)值(I特=lg/l，000m)或者620碼/Ib的AS412k碳纖維絲束(GrafiI, Inc. , Sacramento,CA)示例了一種商業(yè)可得的可纏繞維度的纖維材料。具體而言，例如，可以以5、10、20、50和1001b.(對(duì)具有高重量的卷軸，通常是3k/12K絲束)卷軸獲得商業(yè)纖維絲束，盡管更大的卷軸可需要專門(mén)訂購(gòu)。根據(jù)本公開(kāi)一些方面的方法容易以5至201b.卷軸操作，盡管更大的卷軸是可用的。而且，可以結(jié)合預(yù)處理操作，將非常大的可纏繞長(zhǎng)度，例如1001b.或者更大分割成易于處理的尺寸，如兩個(gè)501b卷軸。如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“碳納米管”(CNT，復(fù)數(shù)是CNTs)指的是富勒烯族碳的許多圓柱形同素異形體的任一種，包括單壁碳納米管(SWNT)、雙壁碳納米管(DWNT)、多壁碳納米管(MWNT)。CNT可以被富勒烯類似結(jié)構(gòu)封端或者是開(kāi)口的。CNT包括包封其它材料的那些。如本文中所使用的，“長(zhǎng)度均勻”指在反應(yīng)器中生長(zhǎng)的CNT的長(zhǎng)度。“均勻的長(zhǎng)度”意味著CNT具有這樣的長(zhǎng)度，對(duì)于在大約I微米至大約500微米之間變化的CNT長(zhǎng)度，其公差是全部CNT長(zhǎng)度加減大約20%或者更少。在非常短的長(zhǎng)度，諸如1-4微米，該誤差可在全部CNT長(zhǎng)度的大約加減20%到大約加減I微米之間的范圍內(nèi)，即，稍微多于全部CNT長(zhǎng)度的大約20%。 如本文中所使用的，“分布均勻”指的是碳纖維材料上CNT的密度的一致性?！耙恢碌姆植肌币馕吨谔祭w維材料上CNT具有這樣的密度，其公差大約是正負(fù)10%覆蓋率，覆蓋率被定義為被CNT覆蓋的纖維表面積的百分率。對(duì)于具有5個(gè)壁的8nm直徑CNT，這相當(dāng)于土 1500CNT/ Um20這樣的數(shù)據(jù)假設(shè)CNT內(nèi)部的空間是可填充的。如本文中所使用的，“并入的”意思是結(jié)合的而“并入”意思是結(jié)合的過(guò)程。這種結(jié)合可以包括直接共價(jià)結(jié)合、離子結(jié)合、pi-pi和/或范德華力-介導(dǎo)的(mediated)物理吸附。例如，在一些方面中，CNT可被直接結(jié)合至纖維材料。結(jié)合可以是間接的，例如通過(guò)隔離涂層和/或布置在CNT和纖維材料之間的中間過(guò)度金屬納米顆粒，將CNT并入至纖維材料。在本文公開(kāi)的CNT并入的纖維材料中，碳納米管可以如上所述直接地或者間接地“并入”至纖維材料。CNT被“并入”至纖維材料的具體方式被稱作“結(jié)合基序(bonding motif)”。如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“過(guò)渡金屬”指的是周期表d區(qū)中的任何元素或者元素合金。術(shù)語(yǔ)“過(guò)渡金屬”也包括基本過(guò)渡金屬元素的鹽形式，如氧化物、碳化物、氮化物以及類似物。如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“納米顆粒”或NP (復(fù)數(shù)是NPs)或者其語(yǔ)法等價(jià)物指的是以當(dāng)量球形直徑計(jì)尺寸在大約0. I至大約100納米之間的顆粒，盡管NP形狀不必是球形的。尤其地，過(guò)渡金屬NP用作纖維材料上CNT生長(zhǎng)的催化劑。如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“上漿劑(sizing agent) ”、“纖維上漿劑”或者僅“上漿”共同指的是這樣的材料所述材料作為涂層用在纖維的制造中，以保護(hù)纖維的完整性、提供復(fù)合材料中纖維材料和基體材料之間增強(qiáng)的界面相互作用、和/或改變和/或增強(qiáng)纖維材料的特定物理性能。在一些方面中，并入至纖維材料的CNT作為上漿劑起作用。 如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“基體材料”指的是塊狀材料(bulk material)，其可用于以特定的取向包括隨機(jī)取向組織上漿的CNT并入的纖維材料料。通過(guò)賦予基體材料CNT并入的纖維材料的物理和/或化學(xué)性能的一些方面，基體材料可受益于CNT并入的纖維材料的存在。如本文中所使用的,術(shù)語(yǔ)“材料停留時(shí)間(residencetime) ”指的是時(shí)間的量,在本文所述的CNT并入過(guò)程中沿可纏繞維度的玻璃纖維材料被暴露于CNT生長(zhǎng)條件的不連續(xù)的點(diǎn)。該定義包括當(dāng)使用多個(gè)CNT生長(zhǎng)室時(shí)的停留時(shí)間。如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“線速度”指的是可纏繞維度的玻璃纖維材料可被供給經(jīng)過(guò)本文所述的CNT并入方法的速度，其中線速度是CNT室(一個(gè)或多個(gè))長(zhǎng)度除以材料停留時(shí)間所確定的速度。本公開(kāi)的一些方面可以提供組合物，其包括CNT并入的纖維材料。CNT并入的纖維材料包括可纏繞維度的纖維材料、圍繞纖維材料共形地布置的隔離涂層和并入到纖維材料的CNT。CNT向纖維材料的并入可以包括各個(gè)CNT與纖維材料直接結(jié)合或者通過(guò)過(guò)渡金屬NP、隔離涂層或者二者間接結(jié)合的結(jié)合基序。不受理論束縛，用作CNT形成催化劑的過(guò)渡金屬NP可以通過(guò)形成CNT生長(zhǎng)種子結(jié)構(gòu)而催化CNT生長(zhǎng)。在一個(gè)方面中，CNT形成催化劑可以保持在碳纖維材料的底部，通過(guò)隔離涂層鎖定，并且并入至碳纖維材料的表面。在這種情況下，通過(guò)過(guò)渡金屬納米顆粒催化劑首先形成的種子結(jié)構(gòu)足夠用于繼續(xù)的、非催化的、接種的CNT生長(zhǎng)，而不使催化劑沿CNT生長(zhǎng)的前沿移動(dòng)，如在本領(lǐng)域中通常觀察到的。在這種情況下，NP用作CNT與纖維材料的連接點(diǎn)。隔離涂層的存在也可導(dǎo)致另外的間接結(jié)合基序。例如，CNT形成催化劑可以鎖定到隔離涂層中，如上所述，但是不與纖維材料表面接觸。在這種情況下，產(chǎn)生具有布置在CNT形成催化劑和碳纖維材料之間的隔離涂層的堆疊結(jié)構(gòu)。在任一情況中，形成的CNT被并入至碳纖維材料。在一些方面中，一些隔離涂層仍允許CNT生長(zhǎng)催化劑跟隨生長(zhǎng)的納米管的前沿。在這樣的情況中，這可以導(dǎo)致CNT與纖維材料，或者任選地與隔離涂層直接結(jié)合。不管在碳納米管和纖維材料之間形成的實(shí)際結(jié)合基序的性質(zhì)如何，并入的CNT是堅(jiān)固的并且允許CNT并入的纖維材料表現(xiàn)碳納米管性能和/或特性。
再一次，不受理論束縛，當(dāng)在碳纖維材料上生長(zhǎng)CNT時(shí)，可存在于反應(yīng)室中的高溫和/或任何殘留的氧氣和/或濕氣可以破壞碳纖維材料。而且，通過(guò)與CNT形成催化劑本身反應(yīng)，碳纖維材料本身可被破壞。即，在用于CNT合成的反應(yīng)溫度，碳纖維材料可用作催化劑的碳原料。這種過(guò)量的碳可以擾亂碳原料氣的可控引入，并且甚至通過(guò)使其過(guò)載碳，可以用于使催化劑中毒。本公開(kāi)一個(gè)方面中使用的隔離涂層被設(shè)計(jì)以促進(jìn)纖維材料上的CNT合成。不受理論束縛，涂層可以針對(duì)熱降解提供絕熱層(熱障層，thermal barrier)和/或可以是物理阻擋層，以防止纖維材料暴露于高溫環(huán)境。可選地或者另外地，其可將CNT形成催化劑和纖維材料之間表面積接觸最小化，和/或其可減少纖維材料在CNT生長(zhǎng)溫度下暴露于CNT形成催化劑。提供了具有CNT并入的纖維材料的組合物，其中CNT長(zhǎng)度基本均勻。在本文描述的連續(xù)方法中，纖維材料在CNT生長(zhǎng)室中的停留時(shí)間可以調(diào)節(jié)以控制CNT生長(zhǎng)并最終控制CNT長(zhǎng)度。這提供了控制生長(zhǎng)的CNT特定性能的手段。通過(guò)調(diào)節(jié)碳原料和載體氣流量(flow rate)和反應(yīng)溫度，也可以控制CNT長(zhǎng)度。通過(guò)控制例如用于制備CNT的催化劑的尺寸，可以獲得CNT性能的另外控制。例如，具體而言，Inm過(guò)渡金屬納米顆粒催化劑可以用于提供SWNT。更大的催化劑可以用于主要制備MWNT。另外，使用的CNT生長(zhǎng)方法對(duì)于提供在纖維材料上具有均勻地分布的CNT的CNT并入的纖維材料是有用的，同時(shí)避免了可以在預(yù)形成的CNT懸浮或者分散在溶劑溶液中并且用手施加于纖維材料的過(guò)程中發(fā)生的CNT的成束和/或聚集。這種聚集的CNT趨于微弱地粘附于纖維材料，并且微弱地表達(dá)特有的CNT性質(zhì)，如果存在的話。在一些方面中，最大分布密度，其表示為覆蓋百分率，即，被覆蓋的纖維表面積，可以高達(dá)大約55%——假設(shè)為具有5個(gè)壁的大約8nm直徑CNT。通過(guò)將CNT內(nèi)部的空間考慮為“可填充”的空間，計(jì)算該覆蓋率。通過(guò)改變催化劑在表面上的分散以及控制氣體組成和工藝速度，可以實(shí)現(xiàn)不同的分布/密度值。典型地，對(duì)于給定的參數(shù)組，在纖維表面上大約10%之內(nèi)的覆蓋百分率可被實(shí)現(xiàn)。更高的密度和更短的CNT對(duì)改進(jìn)機(jī)械性能是有用的，而具有更低密度的更長(zhǎng)的CNT對(duì)改進(jìn)熱和電性能是有用的，盡管增加的密度仍是有利的。當(dāng)生長(zhǎng)更長(zhǎng)的CNT時(shí)，可以產(chǎn)生更低的密度。這可以是引起更低催化劑顆粒產(chǎn)率的更高溫度和更快生長(zhǎng)的結(jié)果。具有CNT并入的纖維材料的本公開(kāi)一些方面的組合物可以包括纖維材料，如絲、纖維紡線、纖維絲束、帶材、纖維-編織物、織造織物、非織造纖維墊、纖維板片和其它3D織造結(jié)構(gòu)。絲包括具有在大約I微米至大約100微米范圍之間的直徑尺寸的高縱橫比碳纖維。纖維絲束一般是緊密連接的絲的束，并且通常被扭曲在一起以產(chǎn)生紡線。紡線包括嚴(yán)密連接的扭曲絲的束。紡線中每一個(gè)絲直徑是相對(duì)均勻的。紡線具有由其‘特’或者旦(denier)描述的不同重量，‘特’表示為1000線性米的重量克數(shù),旦表示為10，000碼的重量磅數(shù)，典型的特范圍通常在大約200特至大約2000特之間。絲束包括松散連接的未扭曲的絲的束。如在紡線中一樣,絲束中的絲直徑一般是均勻的。絲束也具有不同的重量，并且特范圍通常在200特和2000特之間。通常其特征在于絲束中的數(shù)以千計(jì)的絲，例如12K絲束、24K絲束、48K絲束等等。帶材是可被組裝為織物或者可以表現(xiàn)非織造平壓絲束的材料。帶材的寬度可變化并且一般是類似于帶的兩面結(jié)構(gòu)。本公開(kāi)的方法可以與帶材一個(gè)或者兩個(gè)面上的CNT并入相容。CNT并入的帶材可以類似于平基底表面上的“地毯”或者“森林”。再一次，可以以連續(xù)方式進(jìn)行本公開(kāi)的方法以使多卷帶材(spools of tape)功能化。纖維-編織物表示密集壓緊的纖維的類似繩索的結(jié)構(gòu)。例如，這種結(jié)構(gòu)可由紡線組裝。編織的結(jié)構(gòu)可以包括中空的部分，或者可以繞另一芯材材料組裝編織的結(jié)構(gòu)。在本公開(kāi)的一些方面中，許多初級(jí)纖維材料結(jié)構(gòu)可以組織成織物或者類似薄片的結(jié)構(gòu)。除上述帶材之外，這些包括例如織造織物、非織造纖維墊和纖維板片。由母體絲束、紡線、絲或者類似物可以組裝這種更高度有序的結(jié)構(gòu)，其中CNT已經(jīng)并入母體纖維中?？蛇x地，這種結(jié)構(gòu)可用作本文所述的CNT并入方法的基底。有三種類型的基于用于產(chǎn)生纖維的前體分類的碳纖維材料，其任何一種可·被用于本公開(kāi)人造纖維、聚丙烯腈(PAN)和浙青。來(lái)自人造纖維前體的碳纖維，其是纖維素材料，具有在大約20%的相對(duì)低的碳含量并且該纖維趨于具有低的強(qiáng)度和剛度。聚丙烯腈(PAN)前體提供碳含量為大約55%的碳纖維。基于PAN前體的碳纖維一般比基于其他碳纖維前體的碳纖維具有更高的拉伸強(qiáng)度，這是由于表面缺陷最少?；谑驼闱唷⒚航褂秃途勐纫蚁┑恼闱嗲绑w也可以用于生產(chǎn)碳纖維。盡管浙青成本相對(duì)低并且碳產(chǎn)率高，但在給定的批次中可能有不均勻的問(wèn)題。對(duì)并入至纖維材料有用的CNT包括單壁CNT、雙壁CNT、多壁CNT及其混合物。要使用的確切的CNT取決于CNT并入的纖維材料的應(yīng)用。CNT可用于導(dǎo)熱性和/或?qū)щ娦詰?yīng)用，或者用作絕緣體。在一些方面中，并入的碳納米管是單壁納米管。在一些方面中，并入的碳納米管是多壁納米管。在一些方面中，并入的碳納米管是單壁和多壁納米管的組合。單壁和多壁納米管的特有性能有一些差異，對(duì)于纖維的一些最終用途，該差異指示一種或其它類型納米管的合成。例如，單壁納米管可以是半導(dǎo)體或金屬性的，而多壁納米管是金屬性的。CNT將其特有性能諸如機(jī)械強(qiáng)度、低至中等的電阻率、高導(dǎo)熱性等賦予了 CNT并入的纖維材料。例如，在一些方面中，碳納米管并入的纖維材料的電阻率低于母體纖維材料的電阻率。更一般地，所得CNT并入的纖維表現(xiàn)這些特性的程度可以是纖維材料被碳納米管覆蓋的程度和密度以及CNT相對(duì)于纖維材料軸的取向的函數(shù)。根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)方面，任何量的纖維表面積，纖維的0-55%可以被覆蓋——假設(shè)為8nm直徑、5-壁MWNT (再一次，該計(jì)算認(rèn)為CNT內(nèi)的空間是可填充的)。該數(shù)字對(duì)于更小直徑的CNT更低，對(duì)于更大直徑的CNT更大。55%表面積覆蓋率相當(dāng)于大約15，000CNT/微米2。以取決于CNT長(zhǎng)度的方式，可將進(jìn)一步的CNT性能賦予纖維材料，如上所述。并入的CNT長(zhǎng)度可在如下范圍變化從大約I微米至大約500微米，包括I微米、2微米、3微米、4微米、5微米、6微米、7微米、8微米、9微米、10微米、15微米、20微米、25微米、30微米、35微米、40微米、45微米、50微米、60微米、70微米、80微米、90微米、100微米、150微米、200微米、250微米、300微米、350微米、400微米、450微米、500微米、以及之間的所有值。CNT長(zhǎng)度也可小于大約I微米，例如包括大約0. 5微米。CNT也可大于500微米，包括例如510微米、520微米、550微米、600微米、700微米以及之間的所有值。本公開(kāi)一些方面的組合物可以結(jié)合長(zhǎng)度從大約I微米至大約10微米的CNT。這種CNT長(zhǎng)度在提高剪切強(qiáng)度的應(yīng)用中可以是有用的。CNT也可具有從大約5至大約70微米的長(zhǎng)度。如果CNT以纖維方向排列，這種CNT長(zhǎng)度在提高拉伸強(qiáng)度的應(yīng)用中可以是有用的。CNT也可具有從大約10微米至大約100微米的長(zhǎng)度。這種CNT長(zhǎng)度對(duì)提高電/熱性能以及機(jī)械性能可以是有用的。用于本公開(kāi)一個(gè)方面的方法也可以提供長(zhǎng)度從大約100微米至大約500微米的CNT，其也可以有益于提高電和熱性能。通過(guò)調(diào)節(jié)碳原料和惰性氣體流量以及改變線速度和生長(zhǎng)溫度，容易實(shí)現(xiàn)CNT長(zhǎng)度的這種控制。在一些方面中，包括可纏繞長(zhǎng)度的CNT并入的纖維材料的組合物可具有各種均勻區(qū)域，其具有不同長(zhǎng)度的CNT。例如，可以期望具有第一部分CNT并入的纖維材料，其具有均勻地更短的CNT長(zhǎng)度以增強(qiáng)剪切強(qiáng)度性能；以及第二部分相同的可纏繞材料，其具有均勻更長(zhǎng)的CNT長(zhǎng)度以增強(qiáng)電或者熱性能，用于根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)方面的電力傳輸電纜。將CNT并入至纖維材料的本公開(kāi)一些方面的方法可以允許控制均勻的CNT長(zhǎng)度，并且在連續(xù)方法中允許用CNT以高速使可纏繞纖維材料功能化。材料停留時(shí)間在5至300秒之間,對(duì)于3英尺長(zhǎng)的系統(tǒng)，連續(xù)方法中的線速度可大概在大約0. 5ft/min至大約36ft/min的范圍內(nèi)以及更大。選擇的速度取決于各種參數(shù)，如在下面所進(jìn)一步說(shuō)明的。在一些方面中，大約5至大約30秒的材料停留時(shí)間可以產(chǎn)生長(zhǎng)度在大約I微米至 大約10微米之間的CNT。在一些方面中，大約30至大約180秒的材料停留時(shí)間可以產(chǎn)生長(zhǎng)度在大約10微米至大約100微米之間的CNT。在仍進(jìn)一步的方面中，大約180至大約300秒的材料停留時(shí)間可以產(chǎn)生長(zhǎng)度在大約100微米至大約500微米之間的CNT。本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，這些范圍是近似的，并且通過(guò)反應(yīng)溫度以及載體和碳原料濃度和流量，也可以調(diào)節(jié)CNT長(zhǎng)度。本公開(kāi)的CNT并入的纖維材料可以包括隔離涂層。隔離涂層可以包括，例如烷氧基娃燒、甲基娃氧燒、招氧燒(alumoxane)、氧化招納米顆粒、旋涂玻璃(spin on glass)和玻璃納米顆粒。如下所述，CNT形成催化劑可以加入到未固化的隔離涂層材料，然后被一起應(yīng)用于纖維材料。在其他方面中，在CNT形成催化劑沉積之前，隔離涂層材料可以加入到纖維材料。隔離涂層材料可以具有足夠薄的厚度以允許CNT形成催化劑暴露于原料，用于隨后的CVD生長(zhǎng)。在一些方面中，厚度小于或者大約等于CNT形成催化劑的有效直徑。在一些方面中，隔離涂層的厚度在大約IOnm至大約IOOnm之間的范圍內(nèi)。隔離涂層也可小于IOnm,包括 lnm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、IOnm 以及之間的任{可值。不受理論束縛，隔離涂層可用作纖維材料和CNT之間的中間層，并且用于將CNT機(jī)械地并入到碳纖維材料。這種機(jī)械并入仍提供堅(jiān)固的系統(tǒng)，其中纖維材料用作組織CNT的平臺(tái)，同時(shí)仍賦予碳纖維材料CNT的性能。而且，包括隔離涂層的好處是其提供直接保護(hù)，使纖維材料免受由于暴露于濕氣引起的化學(xué)損害和/或由于在用于促進(jìn)CNT生長(zhǎng)的溫度下加熱纖維材料弓I起的任何熱損害。本文公開(kāi)的并入的CNT可有效地用作常規(guī)纖維材料“上漿劑”的替代。并入的CNT比常規(guī)的上漿材料更加堅(jiān)固并且可以改進(jìn)復(fù)合材料中纖維與基體的界面，更通常地，改進(jìn)纖維與纖維的界面。實(shí)際上，本文公開(kāi)的CNT并入的纖維材料本身是復(fù)合材料，在這個(gè)意義上，CNT并入的纖維材料性能將是纖維材料的性能以及并入的CNT的性能的組合。因此，本公開(kāi)的一些方面可以提供將期望的性能賦予纖維材料的方法，否則該纖維材料缺乏這些性能或者具有不足以測(cè)量的這些性能。纖維材料可被特制或者設(shè)計(jì)以滿足具體應(yīng)用的要求。由于疏水性CNT結(jié)構(gòu)，充當(dāng)上漿劑的CNT可以保護(hù)纖維材料不吸收濕氣。而且，如下面進(jìn)一步示例的，疏水性基體材料與疏水性CNT良好地相互作用以提供改進(jìn)的纖維與基體的相互作用。盡管賦予了具有上述并入的CNT的纖維材料有益的性能，但本公開(kāi)的組合物可進(jìn)一步包括“常規(guī)的”上漿劑。這種上漿劑類型和功能變化廣泛，并且包括例如，表面活性劑、抗靜電劑、潤(rùn)滑劑、硅氧烷、烷氧基硅烷、氨基硅烷、硅烷、硅烷醇、聚乙烯醇、淀粉、及其混合物。這種次要的上漿劑可用于保護(hù)CNT本身，或者為纖維提供并入的CNT的存在沒(méi)有賦予的進(jìn)一步性能。本公開(kāi)一些方面的組合物還可以包括與CNT并入的纖維材料形成復(fù)合材料的基體材料，其可以根據(jù)復(fù)合材料基體芯材排列。這種基體材料可以包括,例如環(huán)氧樹(shù)脂、聚酯、乙烯基酯、聚醚酰亞胺、聚醚酮酮(polyetherketoneketone)、聚鄰苯二酰胺、聚醚酮、聚醚醚酮、聚酰亞胺、酚醛樹(shù)脂和雙馬來(lái)酰亞胺。在本公開(kāi)中有用的基體材料可以包括已知基體材料的任一種(參見(jiàn) Mel M. Schwartz, Composite Materials Handbook (2d ed. 1992))。
更一般地，基體材料可以包括樹(shù)脂(聚合物)-熱固性的和熱塑性的、金屬、陶瓷和水 泥。可用作基體材料的熱固性樹(shù)脂包括鄰苯二甲酸/馬來(lái)酸(maelic)型聚酯、乙烯基酯、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、氰酸酯、雙馬來(lái)酰亞胺和3，6-內(nèi)亞甲基1，2，3，6-四氫化鄰苯二甲酸封端的(nadic end-capped)聚酰亞胺(例如，PMR-15)。熱塑性樹(shù)脂包括聚砜、聚酰胺、聚碳酸酯、聚苯醚、聚硫化物、聚醚醚酮、聚醚砜、聚酰胺-酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚酰亞胺、多芳基化合物和液晶聚酯?？捎米骰w材料的金屬包括鋁合金，諸如鋁6061、2024和713鋁黃銅(aluminiumbraze)?？捎米骰w材料的陶瓷包括碳陶瓷如硅鋁酸鋰、氧化物如氧化鋁和富鋁紅柱石、氮化物如氮化娃和碳化物如碳化娃?？捎米骰w材料的水泥包括碳化物基金屬陶瓷(carbidebase cermets)(碳化鶴、碳化鉻和碳化鈦)、耐火水泥(媽~氧化娃和鋇_碳酸鹽-鎳)、鉻-氧化鋁、鎳-氧化鎂、鐵-碳化鋯。上述基體材料的任何一種可被單獨(dú)或者結(jié)合地使用。圖1-6顯示通過(guò)本文描述的方法制備的纖維材料的TEM和SEM圖像。在下面和在實(shí)施例I-III中進(jìn)一步詳細(xì)描述制備這些材料的程序。圖I和2分別顯示在連續(xù)方法中在AS4碳纖維上制備的多壁和雙壁碳納米管的TEM圖像。圖3顯示在CNT形成納米顆粒催化劑被機(jī)械地并入至碳纖維材料表面之后，從隔離涂層內(nèi)部生長(zhǎng)的CNT的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。圖4顯示SEM圖像，其表明在纖維材料上生長(zhǎng)的CNT長(zhǎng)度分布的一致性，在大約40微米的目標(biāo)長(zhǎng)度的20%之內(nèi)。圖5顯示SEM圖像，其表明隔離涂層對(duì)CNT生長(zhǎng)的影響。密集的、良好排列的CNT生長(zhǎng)在施加隔離涂層的位置，并且在沒(méi)有隔離涂層的位置不生長(zhǎng)CNT。圖6顯示纖維材料上CNT的低放大率SEM，其表明纖維上CNT密度的均勻性在大約10%之內(nèi)。CNT并入的纖維材料可用于多種應(yīng)用中。例如，切短的CNT并入的纖維可用于推進(jìn)劑應(yīng)用中。美國(guó)專利4，072，546描述了使用石墨纖維來(lái)增加推進(jìn)劑燃燒速率。并入到切短碳纖維上的CNT的存在可進(jìn)一步提高這種燃燒速率。CNT并入的纖維材料也可用于阻燃應(yīng)用中。例如，CNT可形成阻止涂有CNT并入的纖維材料層的材料燃燒的保護(hù)性碳化層。CNT并入的傳導(dǎo)性纖維可用于制造超級(jí)導(dǎo)體的電極。在超導(dǎo)纖維的生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)層與纖維材料的足夠粘附是有挑戰(zhàn)性的，這至少部分地由于纖維材料和超導(dǎo)層不同的熱膨脹系數(shù)。本領(lǐng)域中另一困難出現(xiàn)在通過(guò)CVD方法涂布纖維期間。例如，反應(yīng)性氣體，如氫氣或氨氣可侵襲纖維表面和/或在纖維表面上形成不期望的烴化合物，并使超導(dǎo)層的良好粘附更加困難。具有隔離涂層的CNT并入的纖維材料可克服本領(lǐng)域中這些上述挑戰(zhàn)。CNT并入的纖維材料可以增強(qiáng)航空航天和彈道應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)元件。例如，諸如導(dǎo)彈前錐體、機(jī)翼前緣的結(jié)構(gòu)，諸如襟翼和翼面、推進(jìn)器和空氣制動(dòng)器、小飛機(jī)機(jī)身、直升機(jī)殼體和旋轉(zhuǎn)機(jī)翼的主要結(jié)構(gòu)部件，諸如地板、門(mén)、座位、空調(diào)以及副油箱的次要航空器結(jié)構(gòu)部件，以及航空器發(fā)動(dòng)機(jī)部件可以受益于由CNT并入的纖維材料提供的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)。許多其它應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)可以包括，例如掃雷器外殼、頭盔、罩(屏蔽器，radome)、火箭噴嘴、救援擔(dān)架和發(fā)動(dòng)機(jī)元件。在建筑物和建筑中，外部特征的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)包括柱、三角形檐飾、拱頂、上楣柱和框架。同樣地，在內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)中，如遮簾、衛(wèi)生器具、窗戶輪廓以及類似物均可受益于CNT并入的纖維材料的使用。
CNT并入的纖維的電性能也可影響各種能量和電應(yīng)用。例如，CNT并入的纖維材料可以用于風(fēng)カ渦輪機(jī)葉片、太陽(yáng)能結(jié)構(gòu)、電子機(jī)箱如便攜式電腦、手機(jī)、計(jì)算機(jī)機(jī)殼，其中這種CNT并入的材料可以用于例如EMI屏蔽中。其他應(yīng)用包括電カ線、冷卻裝置、燈桿、電路板、電聯(lián)接盒、梯欄桿、光纖、建立在結(jié)構(gòu)中的電カ(power built into structures)諸如數(shù)據(jù)線、計(jì)算機(jī)終端機(jī)座以及商業(yè)設(shè)備如復(fù)印機(jī)、收銀機(jī)和郵寄設(shè)備。根據(jù)本公開(kāi)的ー個(gè)方面，包括CNT并入的纖維芯材和/或CNT并入的纖維屏蔽層的電カ傳輸線可以為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)提供降低的成本，這是由于下垂減少和以較少的支持結(jié)構(gòu)橫跨較長(zhǎng)跨距的能力。根據(jù)本公開(kāi)的ー個(gè)方面，電カ傳輸線可以顯示目標(biāo)傳導(dǎo)性和強(qiáng)度。這種目標(biāo)傳導(dǎo)性和強(qiáng)度可以通過(guò)改變結(jié)構(gòu)中CNT的量和排列來(lái)實(shí)現(xiàn)。提高纖維的目標(biāo)傳導(dǎo)性和強(qiáng)度并不限于CNT排列，并且可以包括但不限于CNT功能化以進(jìn)ー步促進(jìn)CNT與CNT、CNT與基底以及CNT與基體的粘附。而且，纖維類型本身也可以容易地改變，以影響這些性能。根據(jù)本公開(kāi)的ー個(gè)方面，電カ傳輸線也可以容易地配置成常規(guī)擠壓的線材布置，以通過(guò)利用本文所述的CNT并入的纖維提供對(duì)復(fù)雜形狀的進(jìn)入。在本公開(kāi)的ー些方面中，描述了 CNT并入的連續(xù)方法，其包括(a)在可纏繞維度的纖維材料表面布置碳納米管形成催化劑；和(b)在纖維材料上直接合成碳納米管，從而形成碳納米管并入的纖維材料。對(duì)于9英尺長(zhǎng)的系統(tǒng)，該方法的線速度范圍可以在大約1.5ft/min至大約108ft/min之間。本文描述的方法所達(dá)到的線速度允許用短的生產(chǎn)時(shí)間形成商業(yè)上相應(yīng)量的CNT并入的纖維材料。例如，在36ft/min線速度下，在設(shè)計(jì)來(lái)同時(shí)處理5個(gè)單獨(dú)絲束(201b/絲束)的系統(tǒng)中，每天生產(chǎn)的CNT并入的纖維的量(按重量計(jì)纖維上超過(guò)5%并入的CNT)可以超過(guò)100磅或者更多的材料。通過(guò)重復(fù)生長(zhǎng)區(qū)域可以使系統(tǒng)同時(shí)或者以更快的速度生產(chǎn)更多的絲束。而且，如在本領(lǐng)域所已知的，在CNT制造的一些步驟具有極其慢的速度，阻礙連續(xù)的操作方式。例如，在本領(lǐng)域已知的典型方法中，CNT形成催化劑還原步驟可以花費(fèi)1-12小時(shí)完成。CNT生長(zhǎng)本身也可能是耗時(shí)的，例如需要幾十分鐘進(jìn)行CNT生長(zhǎng)，這妨礙在本公開(kāi)ー個(gè)方面中實(shí)現(xiàn)的快速線速度。本文描述的方法克服了這些速度限制步驟。本公開(kāi)ー個(gè)方面的CNT并入的纖維材料形成方法可避免當(dāng)試圖將預(yù)形成的碳納米管懸浮液施加至纖維材料時(shí)發(fā)生的CNT纏結(jié)。即，因?yàn)轭A(yù)形成的CNT沒(méi)有與纖維材料融合，CNT往往成束并且纏結(jié)。結(jié)果是微弱地粘附于纖維材料的CNT差的均勻分布。但是，如果期望的話，本公開(kāi)ー些方面的方法可以通過(guò)減小生長(zhǎng)密度在纖維材料表面上提供高度均勻的纏結(jié)的CNT墊。以低密度生長(zhǎng)的CNT首先被并入纖維材料中。在這種方面中，纖維沒(méi)有生長(zhǎng)得足夠密集以弓I起垂直排列，結(jié)果是在纖維材料表面上纏結(jié)的墊。相比之下，預(yù)形成的CNT的手工施加不保證CNT墊在纖維材料上的均勻分布和密度。如在下面進(jìn)ー步描述的，基于CNT并入的纖維的線材可以提供提高的數(shù)據(jù)/電カ傳輸能力，同時(shí)通過(guò)內(nèi)在分散的CNT性能防止電磁干擾(EMI)。根據(jù)ー個(gè)方面，CNT并入的纖維在屏蔽應(yīng)用中的使用，尤其對(duì)于增加跨距很重要的電カ傳輸線應(yīng)用，通過(guò)消除對(duì)分層護(hù)套結(jié)構(gòu)的需要以及增強(qiáng)剛度和強(qiáng)度而降低成本?，F(xiàn)在描述用于生產(chǎn)根據(jù)本公開(kāi)ー些方面的CNT并入的纖維材料的技木。圖7描述了用于生產(chǎn)根據(jù)本公開(kāi)示例性方面的CNT并入的纖維材料的方法700的流程圖。方法700至少包括下列操作701 :使纖維材料功能化。 702 :施加隔離涂層和CNT形成催化劑到功能化的纖維材料。704 :將纖維材料加熱到足以合成碳納米管的溫度。706 :在負(fù)載催化劑的纖維材料上促進(jìn)CVD介導(dǎo)的CNT生長(zhǎng)。在步驟701，纖維材料被功能化，以促進(jìn)纖維表面潤(rùn)濕并且提高隔離涂層的粘附。為使碳納米管并入至纖維材料，在用隔離涂層共形地涂布的纖維材料上合成碳納米管。在本公開(kāi)的ー個(gè)方面中，這通過(guò)首先用隔離涂層共形地涂布纖維材料，然后按照操作702納米管-形成催化劑布置在隔離涂層上來(lái)完成。在ー些方面中，在催化劑沉積之前可以部分地固化隔離涂層。這可以提供這樣的表面其對(duì)于接收催化劑是容易接收的并且允許其嵌入隔離涂層中，包括允許CNT形成催化劑和纖維材料之間的表面接觸。在這種方面中，在嵌入催化劑之后可完全固化隔離涂層。在ー些方面中，與CNT形成催化劑的沉積同時(shí)，將隔離涂層共形地涂布在纖維材料上。一旦CNT形成催化劑和隔離涂層在適當(dāng)?shù)奈恢?，隔離涂層可被完全固化。在本公開(kāi)的ー些方面中，在催化劑沉積之前，隔離涂層可被完全固化。在這種方面中，可以用等離子體處理完全固化的隔離層涂布的纖維材料以制備接受催化劑的表面。例如，等離子體處理的具有固化隔離涂層的纖維材料可以提供粗糙的表面，其中可以沉積CNT形成催化劑。用于使隔離層表面“粗糙化”的等離子體方法因此促進(jìn)催化劑沉積。粗糙度通常是在納米級(jí)別。在等離子體處理方法中，形成納米深度和納米直徑的凹坑(craters)或者凹陷(depressions)。使用各種不同氣體包括但不限于氬氣、氦氣、氧氣、氮?dú)夂蜌錃庵腥魏我环N或者多種的等離子體可以實(shí)現(xiàn)這種表面改性。在ー些方面中，在碳纖維材料本身中也可直接進(jìn)行等離子體粗糙化。這可以促進(jìn)隔離涂層對(duì)碳纖維材料的粘附。如在下面結(jié)合圖7進(jìn)ー步描述的，將催化劑制備成液體溶液，所述液體溶液含有包含過(guò)渡金屬納米顆粒的CNT形成催化劑。合成的納米管的直徑與上述金屬顆粒的尺寸相關(guān)。在本公開(kāi)的ー些方面中，CNT形成過(guò)渡金屬納米顆粒催化劑的商業(yè)分散體是可得的并且不經(jīng)稀釋即可使用，在其他方面中，催化劑的商業(yè)分散體可被稀釋。是否稀釋該溶液可以取決于如上所述要生長(zhǎng)的CNT的期望密度和長(zhǎng)度。參考圖7的示例性方面，基于化學(xué)氣相沉積(CVD)方法顯示了碳納米管合成，并且該碳納米管合成發(fā)生在高溫下。具體溫度是催化劑選擇的函數(shù)，但是通常在大約500至1000°C的范圍內(nèi)。因此，操作704包括加熱隔離層涂布的碳纖維材料至上述范圍內(nèi)的溫度以支持碳納米管合成。然后，在操作706中進(jìn)行負(fù)載催化劑的纖維材料上的CVD-促進(jìn)的納米管生長(zhǎng)。提高例如含碳原料氣諸如こ炔、こ烯和/或こ醇，可以促進(jìn)CVD方法。CNT合成方法一般使用惰性氣體(氮?dú)?、氬氣、氦?作為主要的載體氣體。以全部混合物的大約0%至大約15%之間的范圍提供碳原料。通過(guò)從生長(zhǎng)室中清除濕氣和氧氣，制備CVD生長(zhǎng)的基本惰性環(huán)境。在CNT合成方法中，CNT生長(zhǎng)在CNT形成過(guò)渡金屬納米顆粒催化劑的位置。強(qiáng)等離子體產(chǎn)生電場(chǎng)的存在可被任選地應(yīng)用以影響納米管生長(zhǎng)。即，生長(zhǎng)趨于沿電場(chǎng)的方向。通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整等離子體噴霧和電場(chǎng)的幾何形狀，可以合成垂直排列的CNT( S卩，垂直于纖維材料)。在某些條件下，即使沒(méi)有等離子體，緊密間隔的納米管也會(huì)保持垂直生長(zhǎng)方向，導(dǎo)致
類似于地毯或者森林的CNT的密集排列。隔離涂層的存在也可影響CNT生長(zhǎng)的方向性。通過(guò)噴射或者浸涂溶液或者通過(guò)例如等離子體方法的氣相沉積，可以完成在纖維材料上布置催化劑的操作。技術(shù)的選擇可以與施加隔離涂層的方式一致。因此，在ー些方面中，可以在溶劑中形成催化劑的溶液之后，通過(guò)用該溶液噴射或者浸涂隔離層涂布的金屬纖維材料或者噴射和浸涂的組合，來(lái)施加催化劑。単獨(dú)或者組合使用的任ー技術(shù)可被采用一次、兩次、三次、四次、直至許多次，以提供用CNT形成催化劑基本均勻地涂布的纖維材料。當(dāng)使用浸涂時(shí)，例如纖維材料可被置于第一浸潰浴中，在第一浸潰浴中持續(xù)第一停留時(shí)間。當(dāng)使用第二浸潰浴時(shí)，纖維材料可被置于第二浸潰浴中持續(xù)第二停留時(shí)間。例如，纖維材料可以經(jīng)受CNT形成催化劑的溶液大約3秒至大約90秒之間，這取決于浸潰配置和線速度。使用噴射或者浸涂方法，具有低于大約5%表面覆蓋率至高達(dá)大約80%覆蓋率的催化劑表面密度的纖維材料，其中CNT形成催化劑納米顆粒幾乎是單層的。在ー些方面中，在纖維材料上涂布CNT形成催化劑的方法應(yīng)只是產(chǎn)生單層。例如，ー堆CNT形成催化劑上的CNT生長(zhǎng)可以損害CNT并入至纖維材料的程度。在其他方面中，使用蒸發(fā)技木、電解沉積技術(shù)和本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他方法諸如將過(guò)渡金屬催化劑作為金屬有機(jī)物、金屬鹽或者其他促進(jìn)氣相運(yùn)輸?shù)慕M分加入到等離子體原料氣體，過(guò)渡金屬催化劑可被沉積在纖維材料上。因?yàn)楸竟_(kāi)ー些方面的方法被設(shè)計(jì)為連續(xù)的，可以在一系列的浴中浸涂可纏繞的纖維材料，其中浸涂浴在空間上是分開(kāi)的。在從頭產(chǎn)生初始金屬纖維的連續(xù)方法中，浸潰浴或者CNT形成催化劑的噴射可以是將隔離涂層施加和固化或者部分地固化到纖維材料之后的第一個(gè)步驟。對(duì)于新形成的纖維材料，隔離涂層和CNT形成催化劑的施加可以代替上漿劑的施加來(lái)進(jìn)行。在其他方面中，在其他上漿劑的存在下，在隔離涂層之后CNT形成催化劑可被施加于新形成的纖維。CNT形成催化劑和其他上漿劑的這種同時(shí)施加仍可提供與纖維材料的隔離涂層表面接觸的CNT形成催化劑，以保證CNT并入。使用的催化劑溶液可以是過(guò)渡金屬納米顆粒，其可以是如上所述的任何d-區(qū)過(guò)渡金屬。另外，納米顆?？梢园ㄔ匦问交蛘啕}形式及其混合形式的d-區(qū)金屬的合金和非合金混合物。這種鹽形式包括但不限于，氧化物、碳化物和氮化物。非限制的示例性的過(guò)渡金屬NP包括Ni、Fe、Co、Mo、Cu、Pt、Au和Ag及其鹽和其混合物。在ー些方面中，通過(guò)同時(shí)與隔離涂層沉積將CNT形成催化劑直接施加或者并入至纖維材料，這種CNT形成催化劑被布置在纖維材料上。從各個(gè)供應(yīng)商，包括例如Ferrotec Corporation (Bedford, NH),可容易地商業(yè)獲得許多這些過(guò)渡金屬催化劑。
用于將CNT形成催化劑施加至纖維材料的催化劑溶液可在任何普通的溶劑中，該溶劑允許CNT形成催化劑均勻地到處分散。這種溶劑可包括但不限于，水、丙酮、己烷、異丙醇、甲苯、こ醇、甲醇、四氫呋喃(THF)、環(huán)己烷或者任何其他溶劑，其具有控制的極性以產(chǎn)生CNT形成催化劑納米顆粒的適當(dāng)?shù)姆稚Ⅲw。CNT形成催化劑的濃度可在催化劑與溶劑大約1:1至1:10000的范圍內(nèi)。當(dāng)隔離涂層和CNT形成催化劑同時(shí)施加時(shí)，也可使用這樣的濃度。在ー些方面中，纖維材料的加熱可在大約500°C和1000°C之間的溫度，以在CNT形成催化劑的沉積之后合成碳納米管。在碳原料引入之前或者基本與碳原料引入同時(shí)，在這些溫度下進(jìn)行加熱以便CNT生長(zhǎng)。在ー些方面中，本公開(kāi)提供ー種方法，其包括從纖維材料清除上漿劑，共形地在纖維材料上施加隔離涂層，將CNT形成催化劑施加至纖維材料，將碳纖維材料加熱到至少500°C，以及在纖維材料上合成金屬納米管。在ー些方面中，該CNT并入方法的操作包括從纖維材料清除上漿劑，將隔離涂層施加至纖維材料，將CNT形成催化劑施加至纖維材料，將 纖維加熱至CNT合成溫度和在負(fù)載催化劑的碳纖維材料上進(jìn)行CVD-促進(jìn)的CNT生長(zhǎng)。因此，在使用商業(yè)纖維材料的情況下，構(gòu)造CNT并入的纖維材料的方法可以包括在纖維材料上布置隔離涂層和催化劑之前從纖維材料清除上漿劑的獨(dú)立步驟。合成碳納米管的步驟可以包括形成碳納米管的許多技術(shù)，包括在共同未決的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?004/0245088中公開(kāi)的那些，其通過(guò)引用其整體被并入本文。通過(guò)本領(lǐng)域已知的技術(shù)，包括但不限于微腔、熱或者等離子體-增強(qiáng)的CVD技術(shù)、激光燒蝕、弧光放電和高壓一氧化碳(HiPCO)，可以完成CNT在本公開(kāi)ー些方面的纖維上生長(zhǎng)。具體地，在CVD期間，可直接使用隔離層涂布的纖維材料，其中CNT形成催化劑布置在其上。在ー些方面中，在CNT合成之前，任何常規(guī)的上漿劑可被任選地清除。在ー些方面中，こ炔氣體被電離以產(chǎn)生CNT合成用的冷碳等離子體的噴射。該等離子體被引導(dǎo)向負(fù)載催化劑的纖維材料。因此，在一些方面中，在纖維材料上合成CNT包括(a)形成碳等離子體；和(b)將碳等離子體引導(dǎo)至布置在纖維材料上的催化劑上。生長(zhǎng)的CNT的直徑部分地由CNT形成催化劑的尺寸控制，如上所述。在ー些方面中，上漿的纖維基底被加熱至大約550至大約800°C之間以促進(jìn)CNT合成。為引發(fā)CNT的生長(zhǎng)，兩種氣體被釋放入反應(yīng)器エ藝氣體(process gas)諸如氬氣、氦氣或者氮?dú)猓秃細(xì)怏w諸如こ炔、こ烯、こ醇或者甲烷。CNT生長(zhǎng)在CNT形成催化劑的位置。在ー些方面中，CVD生長(zhǎng)是等離子體-增強(qiáng)的。通過(guò)在生長(zhǎng)過(guò)程期間提供電場(chǎng)，可以產(chǎn)生等離子體。在這些條件下生長(zhǎng)的CNT可以沿電場(chǎng)的方向。因此，通過(guò)調(diào)整反應(yīng)器的幾何形狀，垂直排列的碳納米管可圍繞圓柱形纖維放射狀地生長(zhǎng)。在ー些方面中，對(duì)于圍繞纖維的放射狀生長(zhǎng)，不需要等離子體。對(duì)于具有明顯側(cè)面的碳纖維材料，諸如帶材、墊、織物、板片等，催化劑可被布置在一個(gè)或者兩個(gè)側(cè)面上，并且相應(yīng)地，CNT也可生長(zhǎng)在ー個(gè)或者兩個(gè)側(cè)面上。如上所述，用足以提供連續(xù)的過(guò)程以使可纏繞金屬纖維材料功能化的速度進(jìn)行CNT合成。許多設(shè)備構(gòu)造有利于這種連續(xù)的合成，如下面所例證的。在本公開(kāi)的ー些方面中，可以在“全等離子體(all plasma)”方法中構(gòu)造CNT并入的纖維材料。全等離子體方法可以首先用如上所述的等離子體使纖維材料粗糙化，以改進(jìn)纖維表面潤(rùn)濕特性和提供更加共形的隔離涂層，以及使用特定的反應(yīng)性氣體種類諸如氬氣或者氦氣基等離子體中的氧氣、氮?dú)?、氫氣使纖維材料功能化通過(guò)機(jī)械聯(lián)鎖(mechanicalinterlocking)和化學(xué)粘附來(lái)改進(jìn)涂層粘附力。隔離層涂布的纖維材料經(jīng)過(guò)許多進(jìn)ー步的等離子體介導(dǎo)的步驟，以形成最終的CNT并入的產(chǎn)品。在ー些方面中，全等離子體方法可以包括在固化隔離涂層之后的第二表面改性。這是用于使纖維材料上的隔離涂層表面“粗糙化”以促進(jìn)催化劑沉積的等離子體方法。如上所述，使用各種不同氣體的任何一種或者更多的等離子體，包括但不限于氬氣、氦氣、氧氣、氨氣、氫氣和氮?dú)猓梢詫?shí)現(xiàn)表面改性。在表面改性之后，隔離層涂布的纖維材料進(jìn)行催化劑施加。這是在纖維上沉積CNT形成催化劑的等離子體方法。CNT形成催化劑典型地是如上所述的過(guò)渡金屬。過(guò)渡金屬催化劑可以作為前體加入到等離子體原料氣體中，其形式為鐵磁流體、金屬有機(jī)物、金屬鹽或者其他促進(jìn)氣相運(yùn)輸?shù)慕M分?？稍谑覝叵略谥車h(huán)境中施加催化劑，既不需要真空也不需 要惰性氣氛。在ー些方面中，在催化劑施加之前纖維材料被冷卻。繼續(xù)全等離子體方法，碳納米管合成發(fā)生在CNT生長(zhǎng)反應(yīng)器中。這可以通過(guò)使用等離子體-增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積實(shí)現(xiàn)，其中碳等離子體被噴射至負(fù)載催化劑的纖維上。因?yàn)樘技{米管生長(zhǎng)發(fā)生在高溫(取決于催化劑，典型地在大約500°C至1000°C的范圍)下，因此在暴露于碳等離子體之前，負(fù)載催化劑的纖維可被加熱。對(duì)于并入方法，纖維材料可被任選地加熱直到其軟化。在加熱之后，纖維材料易于接收碳等離子體。例如，通過(guò)使含碳?xì)怏w諸如こ炔、こ烯、こ醇等經(jīng)過(guò)能夠使氣體電離的電場(chǎng)，產(chǎn)生碳等離子體。經(jīng)過(guò)噴嘴，該冷的碳等離子體被引導(dǎo)至碳纖維材料。纖維材料可以非常接近于噴嘴，諸如在噴嘴的大約I厘米之內(nèi)，以接收等離子體。在ー些方面中，加熱器被布置在等離子體噴射器處的纖維材料上，以保持纖維材料的高溫。在本公開(kāi)的ー些方面中，纖維表面上的密集CNT陣列可以在纖維圓周上放射狀地排列(“放射狀取向”)，如所合成的那樣，或者可以在合成后被處理，使得它們平行于纖維軸重新排列(“軸向取向”)。并入到纖維的CNT的生長(zhǎng)后再定向可通過(guò)機(jī)械或化學(xué)手段或通過(guò)使用電場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在本公開(kāi)的ー個(gè)方面中，可以進(jìn)行并入到纖維上的CNT的生長(zhǎng)后再定向，重新排列并入到纖維材料上的CNT，以沿著并平行于纖維材料軸軸向地排列——如果需要軸向取向。在ー個(gè)方面中，如果CNT并入的纖維將作為電カ傳輸介質(zhì)和/或電カ傳輸電纜的增強(qiáng)芯材起作用，則需要軸向取向。在進(jìn)ー步的方面中，如果CNT并入的纖維將作為例如自屏蔽線材的EMI屏蔽層來(lái)起作用，則需要放射狀取向。在本公開(kāi)的ー些方面中，CNT并入的纖維可以結(jié)合在基體中，或者可以作為干燥的、未結(jié)合纖維存在。根據(jù)進(jìn)一歩的方面，多個(gè)CNT并入的纖維可結(jié)合在復(fù)合材料基體中，形成CNT并入的復(fù)合材料芯材，以提供例如增強(qiáng)芯材和/或電カ傳輸介質(zhì)。在使用基體的情況下，它實(shí)質(zhì)上可以包括任何基體材料，包括例如陶瓷、金屬、熱固性或熱塑性材料。根據(jù)本公開(kāi)的ー個(gè)方面，以下反應(yīng)器構(gòu)造對(duì)于連續(xù)碳納米管合成是有用的，以產(chǎn)生用于電カ傳輸線的CNT并入的纖維。連續(xù)的碳納米管合成的另ー構(gòu)造包括直接在金屬纖維材料上合成和生長(zhǎng)碳納米管的專門(mén)的矩形反應(yīng)器。該反應(yīng)器可被設(shè)計(jì)用于生產(chǎn)負(fù)載碳納米管的纖維的連續(xù)流線(in-line)方法中。在ー些方面中，通過(guò)化學(xué)氣相沉積(“CVD”)方法在大氣壓下和在大約550°C至大約800°C范圍的高溫在多區(qū)域反應(yīng)器中生長(zhǎng)CNT。合成發(fā)生在大氣壓下的事實(shí)是有利于反應(yīng)器結(jié)合入纖維上CNT合成的連續(xù)處理生產(chǎn)線的ー個(gè)因素。與使用這種區(qū)域反應(yīng)器的流線連續(xù)處理相符的另一優(yōu)勢(shì)是CNT生長(zhǎng)在幾秒鐘內(nèi)發(fā)生，與在本領(lǐng)域典型的其他方法和設(shè)備構(gòu)造中的幾分鐘(或者更長(zhǎng))不同。根據(jù)各個(gè)方面的CNT合成反應(yīng)器包括下列特征矩形構(gòu)造的合成反應(yīng)器本領(lǐng)域已知的典型CNT合成反應(yīng)器的橫截面是圓形的。對(duì)此有許多原因，包括例如歷史的原因(在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常使用圓柱形反應(yīng)器)和方便性(在圓柱形反應(yīng)器中容易模擬流體動(dòng)力學(xué))，加熱器系統(tǒng)容易接受圓形的管(石英，等等)，并且易于制造。在ー個(gè)方面中，背離圓柱形的慣例，本公開(kāi)提供具有矩形橫截面的CNT合成反應(yīng)器。背離的原因如下I.因?yàn)榭捎煞磻?yīng)器處理的許多碳纖維材料是相對(duì)平的，諸如平的帶材或者形式上類似薄片，因此圓形的橫截面是反應(yīng)器體積的低效利用。這種低效導(dǎo)致圓柱 形CNT合成反應(yīng)器的若干缺點(diǎn)，包括例如，a)保持充分的系統(tǒng)凈化；增加的反應(yīng)器體積需要増加的氣體流量以保持相同水平的氣體凈化。這導(dǎo)致對(duì)于開(kāi)放環(huán)境中的CNT大量生產(chǎn)是低效率的系統(tǒng)；b)増加的碳原料氣體流量；按照上述的a)，惰性氣體流量的相對(duì)增加需要增加碳原料氣體流量。考慮12K碳纖維絲束的體積比具有矩形橫截面的合成反應(yīng)器的總體積小2000倍。在相同的生長(zhǎng)圓柱形反應(yīng)器(即，其寬度容納與矩形橫截面反應(yīng)器相同的平面碳纖維材料的圓柱形反應(yīng)器)中，碳纖維材料的體積比室的體積小17，500倍。盡管氣相沉積過(guò)程諸如CVD典型地僅由壓力和溫度控制，但體積對(duì)沉積的效率具有顯著影響。用矩形反應(yīng)器，仍有過(guò)量的體積。該過(guò)量的體積促進(jìn)不需要的反應(yīng)；然而圓柱形反應(yīng)器具有大約8倍的這種體積。由于這種更多的發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)的機(jī)會(huì)，在圓柱形反應(yīng)器室中，期望的反應(yīng)更慢地有效地發(fā)生。對(duì)于連續(xù)方法的進(jìn)行，CNT生長(zhǎng)的這種減慢是有問(wèn)題的。矩形反應(yīng)器構(gòu)造的ー個(gè)好處是可以通過(guò)使用矩形室的小高度減小反應(yīng)器體積，使得該體積比更好以及反應(yīng)更加有效。在本發(fā)明的ー些方面中，矩形合成反應(yīng)器的總體積大于經(jīng)過(guò)合成反應(yīng)器的纖維材料的總體積不超過(guò)約3000倍。在ー些進(jìn)一歩的方面中，矩形合成反應(yīng)器的總體積大于經(jīng)過(guò)合成反應(yīng)器的纖維材料的總體積不超過(guò)約4000倍。在一些仍進(jìn)一歩的方面中，矩形合成反應(yīng)器的總體積大于經(jīng)過(guò)合成反應(yīng)器的纖維材料的總體積不超過(guò)約10，000倍。另外，明顯的是，當(dāng)使用圓柱形反應(yīng)器時(shí)，與具有矩形橫截面的反應(yīng)器相比，需要更多的碳原料氣體以提供相同的流量百分?jǐn)?shù)。應(yīng)當(dāng)理解，在ー些其他方面中，合成反應(yīng)器具有由這樣的多邊形形式描述的橫截面，該多邊形形式不是矩形但與其比較類似，并且相對(duì)于具有圓形橫截面的反應(yīng)器其提供反應(yīng)器體積的相似減??；C)有問(wèn)題的溫度分布；當(dāng)使用相對(duì)小直徑的反應(yīng)器時(shí)，從室的中心至其壁的溫度梯度是最小的。但對(duì)于増大的尺寸，諸如可被用于商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，溫度梯度增加。這種溫度梯度導(dǎo)致纖維材料基底上產(chǎn)品質(zhì)量變化(即，產(chǎn)品質(zhì)量作為放射狀位置的函數(shù)變化)。當(dāng)使用具有矩形橫截面的反應(yīng)器時(shí)，基本避免該問(wèn)題。具體地，當(dāng)使用平的基底時(shí)，反應(yīng)器高度可隨基底的尺寸按比例增大而保持不變。反應(yīng)器的頂部和底部之間的溫度梯度基本上也可被忽略，并且因此，避免了產(chǎn)生的熱問(wèn)題和產(chǎn)品質(zhì)量變化。2.氣體引入因?yàn)樵诒绢I(lǐng)域中通常使用管式爐，典型的CNT合成反應(yīng)器在一端引入氣體并且吸引其經(jīng)過(guò)反應(yīng)器至另一端。在本文公開(kāi)的ー些方面中，氣體可被對(duì)稱地弓I入反應(yīng)器的中心或者目標(biāo)生長(zhǎng)區(qū)域之內(nèi)，這或者通過(guò)側(cè)面或者通過(guò)反應(yīng)器的頂部和底部板進(jìn)行。這提高了 CNT生長(zhǎng)總體速度，因?yàn)樵谙到y(tǒng)的最熱部分，引入的原料氣體連續(xù)地補(bǔ)充，該部分是CNT生長(zhǎng)最活躍的位置。對(duì)由矩形CNT反應(yīng)器表現(xiàn)出的増加的生長(zhǎng)速度，該恒定的氣體補(bǔ)充是重要的方面。分區(qū)。提供相對(duì)冷的浄化區(qū)域的室依附在矩形合成反應(yīng)器的兩端。申請(qǐng)人已確定，如果熱的氣體與外部環(huán)境(即，反應(yīng)器的外部)混合，纖維材料的降解會(huì)増加。冷的浄化區(qū)域提供內(nèi)部系統(tǒng)和外部環(huán)境之間的緩沖。本領(lǐng)域已知的典型的CNT合成反應(yīng)器構(gòu)造典型地需要基底被小心地(并且緩慢地)冷卻。在本矩形CNT生長(zhǎng)反應(yīng)器的出口處的冷的浄化區(qū)域在短的時(shí)間段內(nèi)達(dá)到冷卻，如連續(xù)的流線處理所要求的。非接觸、熱壁的、金屬的反應(yīng)器。在ー些方面中，使用由金屬尤其是不銹鋼制成的熱壁反應(yīng)器。這可能似乎有悖常理，因?yàn)榻饘?，尤其是不銹鋼，更容易發(fā)生碳沉積(即，形成 煙灰和副產(chǎn)物)。因此，多數(shù)CNT反應(yīng)器構(gòu)造使用石英反應(yīng)器，因?yàn)橛休^少的碳沉積，石英容易清潔，并且石英有利于樣品觀察。但是，申請(qǐng)人已觀察到，不銹鋼上増加的煙灰和碳沉積導(dǎo)致更加一致的、更快的、更有效的和更穩(wěn)定的CNT生長(zhǎng)。不受理論束縛，已指出，結(jié)合常壓操作，發(fā)生在反應(yīng)器中的CVD方法是擴(kuò)散有限的。即，催化劑是“過(guò)量供給的”，由于其相對(duì)更高的分壓(比起假設(shè)在部分真空下操作反應(yīng)器)，在反應(yīng)器系統(tǒng)中太多的碳可利用。因此，在開(kāi)放的系統(tǒng)中——尤其在清潔的系統(tǒng)中——太多的碳可粘附至催化劑顆粒，減弱其合成CNT的能力。在ー些方面中，當(dāng)反應(yīng)器是“臟的”時(shí)，即在金屬反應(yīng)器壁上具有沉積的煙灰時(shí)，有意地運(yùn)轉(zhuǎn)矩形反應(yīng)器。一旦碳沉積成為反應(yīng)器壁上的單層，碳容易在其本身上沉積。因?yàn)橛捎谠摍C(jī)制ー些可用的碳被“收回”，以基團(tuán)形式剰余的碳原料以不使催化劑中毒的速度與催化劑反應(yīng)?，F(xiàn)有系統(tǒng)“干凈地”運(yùn)轉(zhuǎn)，如果打開(kāi)其用于連續(xù)的處理，其會(huì)以減小的生長(zhǎng)速度產(chǎn)生低得多的CNT。盡管進(jìn)行如上所述的“臟的”CNT合成一般是有益的，但設(shè)備的某些部分，諸如氣體集合管和入口，當(dāng)煙灰形成阻塞時(shí)可消極地影響CNT生長(zhǎng)過(guò)程。為了解決該問(wèn)題，可用抑制煙灰的涂料諸如ニ氧化硅、氧化鋁或者M(jìn)gO保護(hù)CNT生長(zhǎng)反應(yīng)室的這些區(qū)域。實(shí)踐中，設(shè)備的這些部分可被浸涂在這些抑制煙灰的涂料中。金屬，如INVAR 可與這些涂料一起使用，因?yàn)镮NVAR具有相似的CTE(熱膨脹系數(shù))，這在更高的溫度保證涂層的適當(dāng)粘附力，防止煙灰顯著地聚集在關(guān)鍵區(qū)域。結(jié)合的催化劑還原和CNT合成。在本文公開(kāi)的CNT合成反應(yīng)器中，催化劑還原和CNT生長(zhǎng)都發(fā)生在反應(yīng)器內(nèi)。這是重要的，因?yàn)槿绻鳛閱为?dú)的操作進(jìn)行，還原步驟不能足夠及時(shí)完成用于連續(xù)的方法。在本領(lǐng)域已知的典型的方法中，還原步驟典型地需要1-12小時(shí)完成。根據(jù)本公開(kāi)，兩種操作都發(fā)生在反應(yīng)器中，這至少部分地是由于碳原料氣體引入反應(yīng)器的中心而不是末端的事實(shí)，碳原料氣體引入末端在使用圓柱形反應(yīng)器的技術(shù)中是典型的。當(dāng)纖維進(jìn)入加熱的區(qū)域時(shí)發(fā)生還原過(guò)程；在此時(shí)，氣體已有時(shí)間與壁反應(yīng)，并且在與催化劑反應(yīng)并且引起氧化還原(通過(guò)氫基團(tuán)相互作用)之前冷卻。正是在該過(guò)渡區(qū)域發(fā)生還原。在系統(tǒng)中最熱的等溫區(qū)域，發(fā)生CNT生長(zhǎng)，最大生長(zhǎng)速度出現(xiàn)在接近反應(yīng)器中心附近的氣體入口。在本公開(kāi)的ー些方面中，當(dāng)使用松散地連接的碳纖維材料諸如碳絲束時(shí)，該連續(xù)的方法可以包括展開(kāi)絲束的線股和/或絲的步驟。因此，當(dāng)絲束被打開(kāi)時(shí)，例如，使用基于真空的纖維伸展系統(tǒng)，其可被伸展。當(dāng)使用可能相對(duì)硬的上漿的碳纖維時(shí)，可使用額外的加熱以使絲束“變軟”，以促進(jìn)纖維伸展。包括単獨(dú)的絲的伸展纖維可被充分地伸展開(kāi)，以暴露絲的全部表面積，因此允許絲束在隨后的方法步驟中更加有效地反應(yīng)。對(duì)于3k絲束，這種伸展可以達(dá)到大約4英寸至大約6英寸之間的跨度(across)。伸展的碳絲束可以經(jīng)過(guò)表面處理步驟，該步驟由如上所述的等離子體系統(tǒng)組成。在施加隔離涂層并粗糙化之后，伸展的纖維然后可經(jīng)過(guò)CNT形成催化劑浸潰浴。結(jié)果是碳絲束的纖維，其具有放射狀地分布在纖維的表面上的催化劑顆粒。絲束的負(fù)載催化劑的纖維然后進(jìn)入適當(dāng)?shù)腃NT生長(zhǎng)室，諸如上述的矩形室，其中流通式(flow through)大氣壓CVD或者PE-CVD方法被用于以高達(dá)姆秒鐘數(shù)微米的速度合成碳納米管?，F(xiàn)在具有放射狀地排列的碳納米管的絲束纖維退出碳納米管生長(zhǎng)反應(yīng)器在本公開(kāi)的ー些方面中，CNT并入的碳纖維材料可以經(jīng)過(guò)另ー處理方法，在ー些方面中，該方法是用于使CNT功能化的等離子體方法。CNT的另外的功能化可用于促進(jìn)其對(duì)特定樹(shù)脂的粘附。因此，在ー些方面中，本公開(kāi)提供具有功能化的CNT的CNT并入的纖維材料。作為可纏繞纖維材料的連續(xù)處理的部分，CNT并入的碳纖維材料可以進(jìn)ー步經(jīng)過(guò)上漿浸潰浴，以施加任何另外的在最終產(chǎn)品中可能有益的上漿劑。最終，如果期望濕繞，CNT并入的纖維材料可經(jīng)過(guò)樹(shù)脂浴，并被卷繞在心軸或者卷軸上。所得纖維材料/樹(shù)脂組合將CNT鎖定在纖維材料上，允許更容易的操作和復(fù)合材料制作。在ー些方面中，CNT的并入用于提供改進(jìn)的絲纏繞。因此，在纖維材料諸如碳絲束上形成的CNT經(jīng)過(guò)樹(shù)脂浴以生產(chǎn)樹(shù)脂-浸潰的、CNT并入的碳絲束。在樹(shù)脂浸潰之后，碳絲束可通過(guò)輸送壓頭(delivery head)被定位在旋轉(zhuǎn)心軸的表面上。然后，可以采用已知的方式以精確的幾何圖案將絲束卷繞在心軸上。上述的卷繞方法提供管道、管或者如通過(guò)陽(yáng)模(male mold)特征地產(chǎn)生的其他形態(tài)(form)。但是由本文公開(kāi)的卷繞方法制造的形態(tài)不同于通過(guò)常規(guī)的絲卷繞方法生產(chǎn)的那些。具體地，在本文公開(kāi)的方法中，形態(tài)由包括CNT并入的絲束的復(fù)合材料制成。因此這些形態(tài)受益于通過(guò)CNT并入的絲束所提供的增強(qiáng)的強(qiáng)度以及類似性能。在本公開(kāi)的ー些方面中，CNT并入在可纏繞纖維材料上的連續(xù)方法可達(dá)到大約0. 5ft/min至大約36ft/min之間的線速度。在其中CNT生長(zhǎng)室是3英尺長(zhǎng)并且在750°C生長(zhǎng)溫度下操作的這種方面中，可以以大約6ft/min至大約36ft/min的線速度運(yùn)行方法，以產(chǎn)生例如具有長(zhǎng)度在大約I微米至大約10微米之間的CNT。也可以以大約lft/min至大約6ft/min的線速度運(yùn)行該方法，以產(chǎn)生例如具有長(zhǎng)度在大約10微米至大約100微米之間的CNT0可以以大約0. 5ft/min至大約lft/min的線速度運(yùn)行該方法，以產(chǎn)生例如具有長(zhǎng)度在大約100微米至大約200微米之間的CNT。但是，CNT長(zhǎng)度不僅與線速度和生長(zhǎng)溫度有夫，而且碳原料和惰性載體氣體二者的流量(flow rate)也可影響CNT長(zhǎng)度。例如，在高線速度(6ft/min至36ft/min)下由惰性氣體中少于1%碳原料組成的流量將產(chǎn)生具有長(zhǎng)度在I微米至大約5微米之間的CNT。在高線速度(6ft/min至36ft/min)下由惰性氣體中大于1%碳原料組成的流量將產(chǎn)生具有長(zhǎng)度在5微米至大約10微米之間的CNT。在本公開(kāi)的ー些方面中，ー種以上纖維材料可被同時(shí)通過(guò)該方法運(yùn)行。例如，多種 帶材、絲束、絲、線股以及類似物可被并行地通過(guò)該方法運(yùn)行。因此，任何數(shù)量的預(yù)制纖維材料卷可被并行地通過(guò)該方法運(yùn)行并且在該方法結(jié)束時(shí)被再卷繞。可并行地運(yùn)行的卷繞纖維材料的數(shù)量可以包括ー個(gè)、ニ個(gè)、三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)、六個(gè)、直到CNT生長(zhǎng)反應(yīng)室寬度可以容納的任何數(shù)量。而且，當(dāng)多種纖維材料被通過(guò)該方法運(yùn)行吋，收集卷軸的數(shù)量可少于方法開(kāi)始時(shí)卷軸的數(shù)量。在這種方面中，線股、絲束或者類似物可被發(fā)送經(jīng)過(guò)將這種纖維材料組合為更有序的纖維材料諸如織造織物或者類似物的進(jìn)ー步方法。例如，連續(xù)的方法也可結(jié)合后處理切碎機(jī)，其促進(jìn)形成CNT并入的切短纖維墊。在ー些方面中，本公開(kāi)的方法允許在纖維材料上合成第一量的第一類型的碳納米管，其中選擇第一類型的碳納米管以改變纖維材料的至少ー種第一性能。隨后，本發(fā)明的一些方法允許在纖維材料上合成第二量的第二類型的碳納米管，其中選擇第二類型的碳納米管以改變纖維材料的至少ー種第二性能。在本公開(kāi)的ー些方面中，第一量和第二量的CNT是不同的。這可以通過(guò)CNT類型的變化或者不變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，改變CNT的密度可用于改變最初碳纖維材料的性能，即使CNT類型保持不變。CNT類型例如可以包括CNT長(zhǎng)度和壁的數(shù)量。在本公開(kāi)的ー些方面 中，第一量和第二量是相同的。如果在這種情況下沿可纏繞材料的兩個(gè)不同的延伸(拉伸，stretch)可期望不同的性能，則可以改變CNT類型，諸如CNT長(zhǎng)度。例如，在電/熱應(yīng)用中更長(zhǎng)的CNT可以是有用的，而在機(jī)械加固應(yīng)用中更短的CNT可以是有用的。根據(jù)關(guān)于改變纖維材料的性能的上述討論，在ー些方面中，第一類型的碳納米管和第二類型的碳納米管可以相同，然而在其他方面中，第一類型的碳納米管和第二類型的碳納米管可以不同。同樣地，在一些發(fā)明中，第一性能和第二性能可以相同。例如，EMI屏蔽性能可以是第一量和類型的CNT和第二量和類型的CNT所解決的感興趣性能，但是該性能改變的程度可以不同，如通過(guò)使用不同量和/或類型的CNT所反映的。最后，在ー些方面中，第一性能和第二性能可以不同。再一次，這可以反映CNT類型的改變。例如，對(duì)于較短的CNT，第一性能可以是機(jī)械強(qiáng)度，而對(duì)于較長(zhǎng)的CNT，第二性能可以是電/熱性能。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)了解例如通過(guò)使用不同的CNT密度、CNT長(zhǎng)度以及CNT中壁的數(shù)量諸如單壁、雙壁和多壁特制碳纖維材料性能的能力。在ー些方面中，本公開(kāi)的方法可以提供在纖維材料上合成第一量的碳納米管，使得該第一量允許碳納米管并入的碳纖維材料表現(xiàn)與纖維材料本身表現(xiàn)的第一組性能不同的第二組性能。即，選擇可以改變纖維材料的ー種或者多種性能諸如拉伸強(qiáng)度的量。第一組性能和第二組性能可以包括至少ー種相同性能，因此表示增強(qiáng)了纖維材料的已存在的性能。在ー些方面中，CNT并入可以將第二組性能賦予碳納米管并入的碳纖維材料，該第二組性能不包括在纖維材料本身表現(xiàn)的第一組性能中。在本公開(kāi)的ー些方面中，選擇第一量的碳納米管，以便碳納米管并入的纖維材料的至少ー種性能的值與纖維材料本身的相同性能的值不同，所述至少ー種性能選自拉伸強(qiáng)度、楊氏模量、剪切強(qiáng)度、剪切模量、韌性、壓縮強(qiáng)度、壓縮模量、密度、EM波吸收率/反射率、聲音透射率、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。拉伸強(qiáng)度可以包括三種不同的測(cè)量方法1)屈服強(qiáng)度，其評(píng)價(jià)材料應(yīng)變從彈性變形變化為塑性變形、引起材料永久地變形的應(yīng)カ；2)極限強(qiáng)度，其評(píng)價(jià)當(dāng)材料遭受拉伸、壓縮或者剪切時(shí)可經(jīng)受的最大應(yīng)カ；和3)斷裂強(qiáng)度，其評(píng)價(jià)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上在斷裂點(diǎn)的應(yīng)力坐標(biāo)。復(fù)合材料剪切強(qiáng)度評(píng)價(jià)當(dāng)垂直于纖維方向施加負(fù)載時(shí)材料受損的應(yīng)力。壓縮強(qiáng)度評(píng)價(jià)當(dāng)施加壓縮負(fù)荷時(shí)材料受損的應(yīng)カ。特別地，多壁碳納米管具有目前測(cè)量的任何材料的最高拉伸強(qiáng)度，已達(dá)到63GPa的拉伸強(qiáng)度。而且，理論計(jì)算已指出大約300GPa的CNT的可能拉伸強(qiáng)度。因此，CNT并入的纖維材料被預(yù)期與母體纖維材料相比具有顯著更高的極限強(qiáng)度。如上所述，拉伸強(qiáng)度的増加取決于使用的CNT的精確屬性，以及其在纖維材料上的密度和分布。例如，CNT并入的纖維材料可以表現(xiàn)拉伸性能的ニ至三倍増加。示例性的CNT并入的纖維材料可具有比母體未功能化的纖維材料高達(dá)三倍的剪切強(qiáng)度以及高達(dá)2. 5倍的壓縮強(qiáng)度，這對(duì)于增加根據(jù)本公開(kāi)ー些方面的電カ傳輸電纜的跨距特別重要。楊氏模量是各向同性弾性材料的剛度的量度。其被定義為胡克定律適用的應(yīng)カ范圍內(nèi)的單軸應(yīng)力與單軸應(yīng)變的比率。這可通過(guò)實(shí)驗(yàn)由應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率確定，該應(yīng)力-應(yīng)變曲線在材料的樣品上進(jìn)行的拉伸試驗(yàn)期間產(chǎn) 生。導(dǎo)電性或者比電導(dǎo)是材料傳導(dǎo)電流的能力的量度。具有特定結(jié)構(gòu)參數(shù)諸如與CNT手性相關(guān)的扭曲程度的CNT可以是高度傳導(dǎo)的，因此表現(xiàn)金屬的性質(zhì)。關(guān)于CNT手性，公認(rèn)的命名法系統(tǒng)(M. S. Dresselhaus 等 Science of Fullerenes and CarbonNanotubes, Academic Press, San Diego, CA pp. 756-760, (1996))已被規(guī)范化并且被本領(lǐng)域技術(shù)人員公認(rèn)。因此，例如，通過(guò)雙指數(shù)(n，m)CNT被彼此區(qū)分，其中η和m是描寫(xiě)六邊形石墨的相交(cut)和包封(wrapping)的整數(shù),所以當(dāng)其包封在圓柱體的表面上且邊緣被封閉在一起時(shí)其形成管。當(dāng)兩個(gè)指數(shù)相同吋，m=n，所得的管認(rèn)為是“扶手椅”(或者η，η)型，因?yàn)楫?dāng)垂直于CNT軸切割管時(shí)僅六邊形的邊暴露，并且其在管邊外圍周圍的圖案類似于重復(fù)η次的扶手椅的椅臂和椅座。扶手椅CNT，特別是SWNT，是金屬性的，并且具有極其高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。另外，這種SWNT具有極其高的拉伸強(qiáng)度。除扭曲程度之外，CNT直徑也影響導(dǎo)電性。如上所述，通過(guò)使用控制尺寸的CNT形成催化劑納米顆粒，CNT直徑可被控制。CNT也可被形成為半導(dǎo)體材料。多壁CNT (MWNT)的傳導(dǎo)性可以更加復(fù)雜。MWNT內(nèi)的壁間反應(yīng)(interwall reaction)可以不均勻地重新分布電流在各管上。經(jīng)過(guò)對(duì)比，在金屬性的單壁納米管(SWNT)的不同部分上電流沒(méi)有變化。與金剛石晶體和平面的石墨片相當(dāng)，碳納米管也具有非常高的導(dǎo)熱性。CNT并入的碳纖維材料不僅在上述性能方面可受益于CNT的存在，也可在方法中提供更輕的材料。因此，這種更低密度和更高強(qiáng)度的材料轉(zhuǎn)變?yōu)楦蟮膹?qiáng)度與重量比。在本公開(kāi)的ー個(gè)方面中，CNT并入的纖維的更大的強(qiáng)度與重量比可以提供改進(jìn)的電カ傳輸電纜，其包括高強(qiáng)度CNT并入的芯材，用于減少下垂，同時(shí)提高電カ傳輸能力?？梢岳斫猓静挥绊懕竟_(kāi)各個(gè)方面功能的改進(jìn)也被包括在本文提供的本公開(kāi)的定義內(nèi)。因此，下列實(shí)施例意欲闡明而并非限制本公開(kāi)。實(shí)施例I該實(shí)施例顯示了在連續(xù)方法中纖維材料如何可以并入有CNT以導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性提聞為目標(biāo)。在該實(shí)施例中，以CNT在纖維上的最大載荷量為目標(biāo)。具有特值800的34_70012k碳纖維絲束(Grafil Inc. , Sacramento, CA)被用作碳纖維基底。該碳纖維絲束中各個(gè)絲具有大約7μπι的直徑。圖8描述了根據(jù)本公開(kāi)示例性方面生產(chǎn)CNT并入的纖維材料的系統(tǒng)800。系統(tǒng)800包括碳纖維材料輸出和張緊站(payout and tensioner station) 805、上衆(zhòng)劑清除和纖維伸展站810、等離子體處理站815、隔離涂層施加站820、空氣干燥站825、催化劑施加站830、溶劑閃蒸站835、CNT并入站840、纖維成束站845和碳纖維材料攝取筒管(bobbin) 850，如所示相互連接。輸出和張緊站805包括輸出筒管806和張緊器807。輸出筒管將碳纖維材料860輸送至所述エ藝；通過(guò)張緊器807將纖維張緊。對(duì)該實(shí)施例，以2ft/min的線速度處理碳纖維。纖維材料860被運(yùn)輸至包括上漿劑清除加熱器865和纖維伸展器870的上漿劑清除和纖維伸展站810。在該站，清除在纖維860上的任何“上漿剤”。典型 地，通過(guò)燒掉纖維的上漿劑完成清除。各種加熱方法的任何一種可被用于該目的，包括例如紅外加熱器、馬弗爐以及其他非接觸加熱方法。也可化學(xué)地完成上漿劑清除。纖維伸展器分離纖維的各個(gè)成員。各種技術(shù)和設(shè)備可被用于伸展纖維，諸如在平的、相同直徑的棒上和下、或者在可變直徑的棒上和下、或者在具有放射狀擴(kuò)展的凹槽和捏合輥的棒上、在震動(dòng)的棒上等等，拉動(dòng)纖 維。通過(guò)暴露更多的纖維表面積，伸展纖維提高下游操作諸如等離子體施加、隔離涂層施加和催化劑施加的效率?？稍谡麄€(gè)纖維伸展器870中放置多個(gè)上漿劑清除加熱器86，這允許逐漸、同時(shí)使纖維脫漿和伸展。輸出和張緊站805和上漿劑清除和纖維伸展站810在纖維エ業(yè)中被常規(guī)地使用；本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉其設(shè)計(jì)和應(yīng)用。燒掉上漿劑需要的溫度和時(shí)間作為下列的函數(shù)變化(I)上漿材料和(2)碳纖維材料860的商業(yè)來(lái)源/特性?？稍诖蠹s650°C清除碳纖維材料上的常規(guī)上漿劑。在該溫度，需要長(zhǎng)達(dá)15分鐘以保證上漿劑完全燒掉。將溫度升高到該燃燒溫度以上可減少燃燒時(shí)間。熱重分析可用于確定具體商品的上漿劑的最低燃燒溫度。取決于上漿劑清除需要的時(shí)間，上漿劑清除加熱器可以不必包括在適當(dāng)?shù)腃NT并入方法中；而是，可単獨(dú)地(例如，并行地，等等)完成清除。以該方式，無(wú)上漿劑的碳纖維材料的存貨可被累計(jì)和卷繞，用于不包括纖維清除加熱器的CNT并入的纖維生產(chǎn)線。然后在輸出和張緊站805，對(duì)無(wú)上漿劑纖維進(jìn)行卷繞?？梢栽诒劝ㄉ蠞{劑清除的生產(chǎn)線更高的速度下操作該生產(chǎn)線。未上漿的纖維880被運(yùn)輸至等離子體處理站815。對(duì)該實(shí)施例，以“下游”方式從距離伸展的碳纖維材料Imm的距離，使用常壓等離子體處理。氣態(tài)原料由100%氦氣組成。等離子體增強(qiáng)的纖維885被運(yùn)輸至隔離涂層站820。在該例證性的實(shí)施方式中，在浸潰涂布配置中使用硅氧烷基隔離涂層溶液。該溶液是以按體積40比I的稀釋率在異丙醇中稀釋的‘Accuglass T-Il Spin-On Glass，(Honeywell InternationalInc.，Morristown, NJ)。所得的碳纖維材料上的隔離涂層厚度大約是40nm?？稍谑覝叵掠谥車h(huán)境中施加隔離涂層。隔離層涂布的碳纖維890被運(yùn)輸至空氣干燥站825，以部分固化納米級(jí)別的隔離涂層。空氣干燥站發(fā)送加熱的空氣流經(jīng)過(guò)伸展的整個(gè)碳纖維。使用的溫度可在100°c至大約500°C的范圍?？諝飧稍镏螅綦x層涂布的碳纖維890被運(yùn)輸至催化劑施加站830。在該實(shí)施例中，氧化鐵基CNT形成催化劑溶液被用于浸潰涂布配置中。該溶液是通過(guò)按體積200比I的稀釋率在己燒中稀釋的‘EFH-1’ (Ferrotec Corporation, Bedford, NH)。在碳纖維材料上實(shí)現(xiàn)單層的催化劑涂層。稀釋之前的‘EFH-Γ具有按體積計(jì)3-15%范的圍納米顆粒濃度。氧化鐵納米顆粒具有組分Fe2O3和Fe3O4,并且直徑是大約8nm。負(fù)載催化劑的碳纖維材料895被輸送到溶劑閃蒸站835。溶劑閃蒸站發(fā)送空氣流經(jīng)過(guò)伸展的整個(gè)碳纖維。在該實(shí)施例中，可以應(yīng)用室溫空氣，以閃蒸負(fù)載催化劑的碳纖維材料上剩下的所有己烷。在溶劑閃蒸之后，負(fù)載催化劑的纖維895最終前進(jìn)至CNT并入站840。在該實(shí)施例中，具有12英寸生長(zhǎng)區(qū)域的矩形反應(yīng)器被使用以在大氣壓下應(yīng)用CVD生長(zhǎng)。總氣流的98. 0%是惰性氣體(氮?dú)?，其他2. 0%是碳原料(こ炔)。生長(zhǎng)區(qū)域保持在750°C。對(duì)上面提及的矩形反應(yīng)器，750°C是相對(duì)高的生長(zhǎng)溫度，其允許可能的最高生長(zhǎng)速度。在CNT并入之后，在纖維成束站845，CNT并入的纖維897被再次成束。該操作使纖維的各個(gè)線股重新組合，使在站810進(jìn)行的伸展操作有效地逆向進(jìn)行。 成束的、CNT并入的纖維897繞攝取纖維筒管850卷繞以儲(chǔ)存。CNT并入的纖維897負(fù)載有長(zhǎng)度大約為50 μ m的CNT，然后準(zhǔn)備用于具有增強(qiáng)的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的復(fù)合材料中。值得注意的是，可在環(huán)境隔絕的惰性氣氛或者真空下進(jìn)行上述的ー些操作。例如，如果纖維材料的上漿劑被燒掉，纖維可與環(huán)境隔絕，以允許脫氣并且防止?jié)駳鈸p壞。為方便起見(jiàn)，在系統(tǒng)800中，除在生產(chǎn)線開(kāi)始時(shí)的纖維材料輸出和張緊以及在生產(chǎn)線結(jié)束時(shí)的纖維攝取之外，為所有操作提供環(huán)境隔絕。實(shí)施例II本實(shí)施例顯示纖維材料在連續(xù)方法中如何可以并入有CNT，以改進(jìn)機(jī)械性能，尤其是界面(interfacial)特性，如剪切強(qiáng)度為目標(biāo)。在這種情況下，以纖維上較短CNT的載荷量為目標(biāo)。在本實(shí)施例中，使用特值為793的、34-70012k未上漿的碳纖維絲束(GrafilInc. , Sacramento, CA)作為碳纖維基底。該碳纖維絲束中各個(gè)絲具有大約7 μ m的直徑。圖9描述了根據(jù)本公開(kāi)示例性方面生產(chǎn)CNT并入的纖維的系統(tǒng)900，其包括系統(tǒng)800中所描述的許多相同的站和エ藝。系統(tǒng)900包括碳纖維材料輸出和張緊站902、纖維伸展站908、等離子體處理站910、催化劑施加站912、溶劑閃蒸站914、第二催化劑施加站916、第二溶劑閃蒸站918、隔離涂層施加站920、空氣干燥站922、第二隔離涂層施加站924、第二空氣干燥站926、CNT并入站928、纖維成束站930和碳纖維材料攝取筒管932，如所示相互連接。輸出和張緊站902包括輸出筒管904和張緊器906。輸出筒管將碳纖維材料901輸送至所述エ藝；通過(guò)張緊器906使纖維張紫。對(duì)該實(shí)施例，以2ft/min的線速度處理碳纖維。纖維材料901被運(yùn)輸至纖維伸展站908。因?yàn)樵摾w維的制備沒(méi)有使用上漿劑，所以上漿劑清除エ藝沒(méi)有被結(jié)合作為纖維伸展站908的部分。纖維伸展器以與纖維伸展器870中所述的相似方式分離纖維的各個(gè)成員。纖維材料901被運(yùn)輸至等離子體處理站910。對(duì)該實(shí)施例，以“下游”方式從距離伸展的碳纖維材料12mm的距離，使用常壓等離子體處理。氣態(tài)原料由氧氣以全部惰性氣體流(氦氣)的I. 1%量的組成?？刂铺祭w維材料表面上的氧氣含量是增強(qiáng)隨后涂層的粘附的有效方式，并且因此對(duì)于增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料的機(jī)械性能是期望的。等離子體增強(qiáng)的纖維911被輸送至催化劑施加站912。在該實(shí)施例中，氧化鐵基CNT形成催化劑溶液被用于浸潰涂布配置中。該溶液是按體積計(jì)200比I的稀釋率在己烷中稀釋的‘EFH-1’ (Ferrotec Corporation, Bedford, NH)。在碳纖維材料上實(shí)現(xiàn)單層的催化劑涂層。稀釋之前的‘EFH-Γ具有按體積計(jì)3-15%范圍的納米顆粒濃度。氧化鐵納米顆粒具有Fe2O3和Fe3O4組成，并且直徑是大約8nm。負(fù)載催化劑的碳纖維材料913被運(yùn)輸至溶劑閃蒸站914。溶劑閃蒸站發(fā)送空氣流經(jīng)過(guò)伸展的整個(gè)碳纖維。在該實(shí)施例中，可以應(yīng)用室溫空氣，以閃蒸在負(fù)載催化劑的碳纖維材料上剩下的所有己烷。在溶劑閃蒸之后，負(fù)載催化劑的纖維913被運(yùn)輸至催化劑施加站916，其與催化劑施加站912相同。溶液是按體積計(jì)800比I的稀釋率在己烷中稀釋的‘EFH-1’。對(duì)該實(shí)施例，包括多個(gè)催化劑施加站的配置被利用以使等離子體增強(qiáng)的纖維911上的催化劑覆蓋率 最優(yōu)化。負(fù)載催化劑的碳纖維材料917被運(yùn)輸至溶劑閃蒸站918，其與溶劑閃蒸站914相同。在溶劑閃蒸之后，負(fù)載催化劑的碳纖維材料917被運(yùn)輸至隔離涂層施加站920。在該實(shí)施例中，硅氧烷基隔離涂層溶液被用在浸潰涂布配置中。溶液是按體積計(jì)40比I的稀釋率在異丙醇中稀釋的 iAccuglass T-Il Spin-On Glass’ (Honeywell InternationalInc.，Morristown, NJ)。所得的碳纖維材料上的隔離涂層厚度大約是40nm?？稍谑覝叵掠谥車h(huán)境中施加隔離涂層。隔離層涂布的碳纖維921被運(yùn)輸至空氣干燥站922，以部分固化隔離涂層?？諝飧稍镎景l(fā)送加熱的空氣流經(jīng)過(guò)伸展的整個(gè)碳纖維。使用的溫度可在100°c至大約500°C的范圍內(nèi)。在空氣干燥之后，隔離層涂布的碳纖維921被運(yùn)輸至隔離涂層施加站924，其與隔離涂層施加站820相同。溶液是按體積計(jì)120比I的稀釋率在異丙醇中稀釋的‘AccuglassT-Il Spin-On Glass’。對(duì)該實(shí)施例，包括多個(gè)隔離涂層施加站的配置被利用以使負(fù)載催化劑的纖維917上的隔離涂層覆蓋率最優(yōu)化。隔離層涂布的碳纖維925被運(yùn)輸至空氣干燥站926，以部分固化隔離涂層，并且該空氣干燥站926與空氣干燥站922相同。在空氣干燥之后，隔離層涂布的碳纖維925最終前進(jìn)至CNT并入站928。在該實(shí)施例中，具有12英寸生長(zhǎng)區(qū)域的矩形反應(yīng)器被使用以在大氣壓下應(yīng)用CVD生長(zhǎng)?？倸饬鞯?7. 75%是惰性氣體(氮?dú)?，其他2. 25%是碳原料(乙炔)。生長(zhǎng)區(qū)域保持在650°C。對(duì)上面提及的矩形反應(yīng)器，650°C是相對(duì)低的生長(zhǎng)溫度，其允許控制較短CNT的生長(zhǎng)。在CNT并入之后，在纖維成束器930處，CNT并入的纖維929被再次成束。該操作使纖維的各個(gè)線股重新組合，使在站908進(jìn)行的伸展操作有效地逆向進(jìn)行。成束的、CNT并入的纖維931繞攝取纖維筒管932卷繞以儲(chǔ)存。CNT并入的纖維929加載有長(zhǎng)度大約為5 μ m的CNT，然后準(zhǔn)備用于具有增強(qiáng)的機(jī)械性質(zhì)的復(fù)合材料中。 在該實(shí)施例中，在隔離涂層施加站920和924之前纖維材料經(jīng)過(guò)催化劑施加站912和916。這種涂布排序與實(shí)施例I中闡明的順序“相反”，這可以改進(jìn)CNT對(duì)碳纖維基底的錨定。在CNT生長(zhǎng)過(guò)程期間，隔離涂層被CNT剝離(lifted off)基底，這允許與纖維材料更直接的接觸(通過(guò)催化劑NP界面)。因?yàn)橐詸C(jī)械性能而不是熱/電性能的增加為目標(biāo)，所以“相反”順序的涂層配置是期望的。值得注意的是可在環(huán)境隔絕的惰性氣氛或者真空下進(jìn)行上述的一些操作。為方便起見(jiàn)，在系統(tǒng)900中，除在生產(chǎn)線開(kāi)始時(shí)的碳纖維材料輸出和張緊以及在生產(chǎn)線結(jié)束時(shí)的纖維攝取之外，為所有操作提供環(huán)境隔絕。實(shí)施例III本實(shí)施例顯示在連續(xù)方法中纖維材料如何可以并入有CNT，以機(jī)械性能尤其是界面特性諸如層間剪切的提高為目標(biāo)。在本實(shí)施例中，以纖維上較短CNT的載荷量為目標(biāo)。在本實(shí)施例中，具有特值793的34_70012k未上衆(zhòng)碳纖維絲束(Grafil Inc. , Sacramento, CA)被用作碳纖維基底。該碳纖維絲束中各個(gè)絲具有大約7μ m的直徑。 圖10描述了根據(jù)本公開(kāi)示例性方面生產(chǎn)CNT并入的纖維的系統(tǒng)1000，并且包括系統(tǒng)800中所描述的許多相同的站和工藝。系統(tǒng)1000包括碳纖維材料輸出和張緊站1002、纖維伸展站1008、等離子體處理站1010、涂層施加站1012、空氣干燥站1014、第二涂層施加站1016、第二空氣干燥站1018、CNT并入站1020、纖維成束站1022和碳纖維材料攝取筒管1024,如所示相互連接。輸出和張緊站1002包括輸出筒管1004和張緊器1006。輸出筒管將碳纖維材料1001輸送至所述工藝；通過(guò)張緊器1006使纖維張緊。對(duì)該實(shí)施例，以5ft/min的線速度處理碳纖維。纖維材料1001被運(yùn)輸至纖維伸展站1008。因?yàn)樵摾w維的制造沒(méi)有使用上漿劑，所以上漿劑清除工藝沒(méi)有被結(jié)合作為纖維伸展站1008的部分。纖維伸展器以與纖維伸展器870中所述的相似方式分離纖維的各個(gè)成員。纖維材料1001被運(yùn)輸至等離子體處理站1010。對(duì)該實(shí)施例，以“下游”方式從距離伸展的碳纖維材料12mm的距離，使用常壓等離子體處理。氣態(tài)原料由氧氣以全部惰性氣體流(氦氣)的I. 1%的量組成。控制碳纖維材料表面上的氧氣含量是增強(qiáng)隨后涂層的粘附的有效方式，并且因此對(duì)于增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料的機(jī)械性能是期望的。等離子體增強(qiáng)的纖維1011被運(yùn)輸至涂層施加站1012。在該實(shí)施例中，氧化鐵基催化劑和隔離涂層材料被組合為單一的‘混合，溶液中，并且被用于浸潰涂布配置中?！旌?，溶液是 I 體積份 ‘EFH-1’、5 份 ‘Accuglass T-Il Spin-On Glass’、24 份己烷、24 份異丙醇和146份四氫呋喃。使用這種‘混合’涂料的好處是其限制(marginalize)高溫下纖維降解的影響。不受理論束縛，由于催化劑NP在高溫(對(duì)CNT的生長(zhǎng)至關(guān)重要的相同溫度)的燒結(jié)，碳纖維材料的降解被加大。通過(guò)用其自身的隔離涂層包封每一催化劑NP，有可能控制該影響。因?yàn)橐詸C(jī)械性能而不是熱/電性能的提高為目標(biāo)，保持碳纖維基材料的完整性是期望的，因此‘混合，涂層可被使用。負(fù)載催化劑的和隔離層涂布的碳纖維材料1013被運(yùn)輸至空氣干燥站1014，以部分固化隔離涂層。空氣干燥站發(fā)送加熱的空氣流經(jīng)過(guò)伸展的整個(gè)碳纖維。使用的溫度可在100°C至大約500°C的范圍內(nèi)。在空氣干燥之后，負(fù)載催化劑和隔離涂層的碳纖維1013被運(yùn)輸至涂層施加站1016，其與涂層施加站1012相同。相同的’混合’溶液被使用(按體積計(jì)I份‘EFH-1’、5份‘Accuglass T-Il Spin-On Glass’、24份己燒、24份異丙醇和146份四氫呋喃)。對(duì)該實(shí)施例，包括多個(gè)涂層施加站的配置被利用以使等離子體增強(qiáng)的纖維1011上的‘混合’涂
層的覆蓋率最優(yōu)化。負(fù)載催化劑和隔離涂層的碳纖維1017被運(yùn)輸至空氣干燥站1018，以部分固化隔尚涂層，該空氣干燥站1018與空氣干燥站1014相同。在空氣干燥之后，負(fù)載催化劑和隔離涂層的碳纖維1017最終前進(jìn)至CNT并入站1020。在該實(shí)施例中，具有12英寸生長(zhǎng)區(qū)域的矩形反應(yīng)器被使用以利用在大氣壓下的CVD 生長(zhǎng)。總氣流的98. 7%是惰性氣體(氮?dú)?，其他I. 3%是碳原料(乙炔)。生長(zhǎng)區(qū)域保持在675°C。對(duì)上面提及的矩形反應(yīng)器，675°C是相對(duì)低的生長(zhǎng)溫度，其允許控制較短CNT的生長(zhǎng)。在CNT并入之后，在纖維成束器1022處，CNT并入的纖維1021被再次成束。該操作使纖維的各個(gè)線股重新組合，使在站1008進(jìn)行的伸展操作有效地逆向進(jìn)行。成束的、CNT并入的纖維1021繞攝取纖維筒管1024被卷繞，以便儲(chǔ)存。CNT并入的纖維1021負(fù)載有長(zhǎng)度大約為2 μ m的CNT，然后準(zhǔn)備用于具有增強(qiáng)的機(jī)械性能的復(fù)合材料中。值得注意的是，可在環(huán)境隔絕的惰性氣氛或者真空下進(jìn)行上述的一些操作。為方便起見(jiàn)，在系統(tǒng)1000中，除在生產(chǎn)線開(kāi)始時(shí)的碳纖維材料輸出和張緊以及在生產(chǎn)線結(jié)束時(shí)的纖維攝取之外，為所有操作提供環(huán)境隔絕。上述組合物和方法涉及本公開(kāi)一些方面的CNT并入的纖維的生產(chǎn)。根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)方面，以上描述的用于生產(chǎn)CNT并入的纖維的組合物和方法可用于制造根據(jù)本公開(kāi)一些方面的線材、EM屏蔽層和自屏蔽線材一如下面進(jìn)一步描述的，諸如包括多個(gè)CNT并入的纖維的線材，其中根據(jù)軸向取向，并入的CNT平行于纖維軸排列，如圖12所示。圖12顯示了電力傳輸線1200，其具有同時(shí)用作芯材和導(dǎo)體的CNT并入的纖維1210。代表性地，電力傳輸線1200可包括多個(gè)CNT并入的纖維1210，其中根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)方面的軸向取向，并入的CNT1210與纖維軸是平行的1212。在本公開(kāi)的一些方面中，電力傳輸線1200可包含CNT并入的芯材1220，其可在復(fù)合材料基體中包括多個(gè)CNT并入的纖維1210。代表性地，并入的CNT1210相對(duì)于纖維軸根據(jù)軸向取向1212排列。根據(jù)一個(gè)方面，電力傳輸線1200可為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)提供降低的成本，這是由于下垂減少和以較少的支持結(jié)構(gòu)橫跨較長(zhǎng)跨距的能力。在電力傳輸應(yīng)用中使用CNT并入的纖維的情況中，在傳輸線芯材1220中結(jié)合CNT并入的纖維1210可以通過(guò)提供另外的有效傳導(dǎo)途徑以及提供增強(qiáng)的剛度和強(qiáng)度而有助于減少傳輸損耗。提供增強(qiáng)的剛度和強(qiáng)度對(duì)于例如增大電力傳輸線的跨距以減少基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安裝成本特別重要，如圖12、14和15所示。在本公開(kāi)的一個(gè)方面中，線材的電磁屏蔽層可包括多個(gè)碳納米管并入的纖維，其中并入的碳納米管相對(duì)于纖維軸根據(jù)放射狀取向1322排列，如圖13所示。圖13顯示線材1310的電磁屏蔽層1330，其包括多個(gè)碳納米管并入的纖維1320，該碳納米管并入的纖維1320圍繞線材芯材1310圓周地排列1322，其中，根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)方面，并入的CNT圍繞纖維軸放射狀地布置1322。代表性地，多個(gè)CNT并入的纖維1320可以相對(duì)于線材1310根據(jù)放射狀取向1322圓周地排列，同時(shí)纖維軸平行于線材1310，以形成根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)方面的CNT并入的纖維屏蔽層1330。圖14顯示根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)方面的自屏蔽線材1400，其具有圍繞CNT并入的纖維芯材1420布置的、圖13的電磁屏蔽層1430。代表性地，根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)方面，自屏蔽線材1400可以包括I)線材芯材1420，其包括多個(gè)CNT并入的纖維1410，其中并入的CNT平行于纖維軸排列1412 ;和2)電磁屏蔽層1430，其包括多個(gè)CNT并入的纖維1440，其中CNT圍繞纖維軸放射狀地排列1442。線材芯材1420的CNT并入的纖維1410的軸和電磁屏蔽層1430的CNT并入的纖維1440的軸平行。圖15顯示根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)方面的電力傳輸線1500，其具有例如圖12所示CNT并入的纖維芯材1520，其中單獨(dú)的導(dǎo)體材料1530圍繞芯材1520布置。在本公開(kāi)的另一方面中，導(dǎo)體線材1530，如鋁或銅，用作電荷轉(zhuǎn)移介質(zhì)并包繞CNT并入的纖維復(fù)合材料芯材1520，其中最外層上有任選的熱塑性膜1540，用于環(huán)境保護(hù)，如圖15所示。如在本文中所述，CNT并入的芯材1520可被稱為“增強(qiáng)芯材”，其中導(dǎo)體線材作為電力傳輸介質(zhì)工作。 鋁或銅導(dǎo)體可以以與本領(lǐng)域中當(dāng)前應(yīng)用的那些類似的許多配置圍繞CNT并入的復(fù)合材料芯材1520排列。CNT并入的纖維1510可平行于導(dǎo)體線材1530排列，但也可以被扭曲在單獨(dú)固化的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的不連續(xù)的束中，以進(jìn)一步增強(qiáng)其類似于常規(guī)導(dǎo)體的載流能力。盡管在圖13-15中顯示為最外層，但熱塑性膜1540可以布置在纖維芯材1520和傳導(dǎo)性線材1530之間。CNT并入的纖維可提供例如圖13和14所示的自屏蔽線材。使纖維并入有碳納米管的處理步驟可以用于產(chǎn)生對(duì)于線材和屏蔽層組分都必需的纖維。為了產(chǎn)生自屏蔽線材的線材部分，在并入工藝之后，進(jìn)行將管沿纖維軸“躺(lay)”下的另外處理步驟。在一些方面中，處理的效率可通過(guò)使用相同的纖維組分制造線材和屏蔽層來(lái)實(shí)現(xiàn)，盡管不必要使用相同的纖維類型。在數(shù)據(jù)或信號(hào)傳輸?shù)那闆r下，基于CNT并入的纖維的線材可提供足夠的數(shù)據(jù)傳遞能力，同時(shí)通過(guò)由CNT并入的纖維屏蔽層提供的、內(nèi)在分散的CNT性能來(lái)防止電磁干擾(EMI)，如圖13和14所示。在屏蔽應(yīng)用中使用CNT并入的纖維的情況下，CNT并入的纖維的結(jié)合不僅通過(guò)消除對(duì)分層護(hù)套結(jié)構(gòu)的需要而降低成本，它也提供增強(qiáng)的剛度和強(qiáng)度，尤其對(duì)于電力傳輸線應(yīng)用，這對(duì)增大跨距是重要的。這些CNT并入的纖維的各種配置可用于電力傳輸或數(shù)據(jù)傳送線中，作為電荷轉(zhuǎn)移介質(zhì)本身(圖12)，或者作為常規(guī)金屬線材介質(zhì)用的護(hù)套材料(圖13)。在CNT并入的纖維被用作電荷轉(zhuǎn)移介質(zhì)(線材)的情況下，具有沿纖維軸排列的CNT的纖維可用于線材“結(jié)構(gòu)”的芯材中，因?yàn)镃NT沿著其軸的方向最有效地運(yùn)載電流。就在芯材材料外面，CNT根據(jù)放射狀取向排列的CNT并入的纖維可用作該線材的屏蔽材料(圖14)。在纖維上以放射狀取向排列的CNT因此導(dǎo)致沿護(hù)套半徑放射狀排列的CNT。該放射狀取向?qū)τ诮档虴MI效應(yīng)是最有利的(垂直排列的CNT沖擊EMI)，盡管對(duì)于提供有效的EMI屏蔽這不是首要必備的。根據(jù)一個(gè)方面，CNT并入的纖維可以根據(jù)軸向取向排列在復(fù)合材料基體中以提供增強(qiáng)芯材，用于電力傳輸電纜中(圖15)。在一些方面中，僅存在線材芯材1220，如圖12所示，熱塑性材料膜1230在最外層上，以提供絕緣的環(huán)境隔離層(該隔離層在所有方面中被用于隔離通過(guò)線材轉(zhuǎn)移的電荷以及提供環(huán)境保護(hù))。該方面可提供足夠水平的EMI保護(hù)。在另外的方面中，如圖13所示，常規(guī)線材1310(鋁或銅)被用作電荷轉(zhuǎn)移介質(zhì)，并且CNT并入的纖維被用作EMI屏蔽護(hù)套1330，熱塑性膜1340在最外層上，用于環(huán)境保護(hù)。在這種情況下，CNT可以根據(jù)放射狀取向排列在纖維上，以提供最大EMI屏蔽特性，而在其它方面中，CNT可以根據(jù)軸向取向平行于纖維軸排列，以提供足夠水平的EMI屏蔽，但也提高整體線材結(jié)構(gòu)的拉伸強(qiáng)度和剛度。在本公開(kāi)的一些方面中，以下技術(shù)及其任何組合可用于實(shí)現(xiàn)沿纖維軸的CNT排列1)機(jī)電技術(shù)-通過(guò)使用電場(chǎng)或磁場(chǎng)，在生長(zhǎng)過(guò)程中CNT可平行于纖維排列；因此，通過(guò)施加的力場(chǎng)引導(dǎo)排列可以使CNT排列；2)機(jī)械技術(shù)-各種機(jī)械技術(shù)，包括擠出、拉擠、氣體壓力輔助模具(gas pressure aided dies)、常規(guī)的模具和心軸,可用于在纖維方向上施加剪切力以引導(dǎo)排列；和3)化學(xué)技術(shù)-化學(xué)品，包括溶劑、表面活性劑和微乳液，可用于引導(dǎo)排列，這通過(guò)材料從這些化學(xué)品中拉出時(shí)纖維方向上的覆蓋效應(yīng)(sheathing effect)來(lái)進(jìn)行。如圖12所示，這些CNT并入的纖維的一種配置可用于電力傳輸線，作為增強(qiáng)芯材1220，但根據(jù)軸向取向1212沿纖維方向排列的CNT提供有益的傳導(dǎo)性，因?yàn)镃NT沿著它們的軸的方向傳導(dǎo)電流。而且，沿著它們的軸，拉伸強(qiáng)度和剛度提高也是最大的。在本公開(kāi)的一個(gè)方面中，僅存在CNT并入的纖維增強(qiáng)芯材1220，如圖12所示，其中它同時(shí)充當(dāng)導(dǎo)體和增強(qiáng)材料，并且在最外層上可具有任選的熱塑性材料膜1230或其它保護(hù)涂層，以提供絕緣的環(huán)境隔離層。在本公開(kāi)的一些方面中，該隔離層任選地用來(lái)隔離通過(guò)線材轉(zhuǎn)移的電荷以及提供環(huán)境保護(hù)。應(yīng)該注意，在本公開(kāi)的一些方面中，CNT并入的纖維屏蔽層1430(圖14)和/或?qū)w線材1530(圖15)可包繞增強(qiáng)芯材1220，同時(shí)膜1230布置在其間。在本公開(kāi)的一些方面中，生長(zhǎng)在復(fù)合纖維材料表面上的CNT可以具有O. 1-500微米之間的長(zhǎng)度。具體而言，為提高增強(qiáng)纖維傳導(dǎo)性的整體可能性，期望較長(zhǎng)(大于約50微米)的CNT，這是由于CNT與CNT相互作用的可能性較大。為提高母體復(fù)合纖維的拉伸性能，可采用中等長(zhǎng)度(在約10和約50微米之間)的CNT。這種長(zhǎng)度具有橋接CNT的能力，而不會(huì)大大減小復(fù)合材料中的纖維體積。為提高復(fù)合材料韌性，可以采用短(小于約10微米)的CNT。這種長(zhǎng)度提供有效的界面改進(jìn)，而不影響復(fù)合纖維體積或要求CNT排列。在本公開(kāi)的一些方面中，CNT根據(jù)軸向取向平行于纖維軸排列，并可利用許多技術(shù)，如等離子體和化學(xué)方法被功能化，以提高CNT與CNT、CNT與纖維、CNT與基體以及纖維與基體的橋接和結(jié)合。功能化可提供整個(gè)線材結(jié)構(gòu)提聞的拉伸強(qiáng)度和剛度。因此，提聞的剛度可有助于提高線跨越支持結(jié)構(gòu)間較大距離的能力，而沿電力線的軸排列的CNT提供對(duì)例如導(dǎo)電性的最大增強(qiáng)，如圖12，14和15所示。CNT并入后處理可包括但不限于CNT的重新定向、CNT的功能化和CNT的涂布。功能化可包括例如CNT的氟化、酸浸蝕和與利用由浸蝕方法導(dǎo)致的任何暴露的官能團(tuán)的化學(xué)作用組合的酸浸蝕。示例性的化學(xué)作用包括暴露的酮、醛和羧酸官能團(tuán)的化學(xué)作用。因此，浸蝕后化學(xué)作用可包括，例如酯鍵形成、酰胺鍵形成、席夫堿形成、還原性胺化等等。這種功能化可用于例如增強(qiáng)CNT并入的纖維和基體材料之間的界面。涂層也可以用于增強(qiáng)CNT并入的纖維-基體材料界面。在一些方面中，這種涂層可以包括例如Kentera系統(tǒng)(ZyvexPerformance Materials, Columbus, OH)。
應(yīng)該理解，在公開(kāi)的方法中，步驟的具體順序或?qū)哟问菍?duì)示例性方法的說(shuō)明。應(yīng)該理解，根據(jù)設(shè)計(jì)偏好，方法中步驟的具體順序或?qū)哟慰杀恢匦屡帕?。一些步驟可同時(shí)進(jìn)行。所附方法權(quán)利要求以例子順序表示各個(gè)步驟的要件，而并不意為限制所示的具體順序或?qū)哟?。提供以上描述，以使本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍疚乃龅母鱾€(gè)方面。以上描述提供主題技術(shù)的各種實(shí)例 ，而主題技術(shù)并不限于這些實(shí)例。對(duì)這些方面的各種改進(jìn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是很明顯的，并且本文限定的總原理可應(yīng)用于其它方面。因此，權(quán)利要求并不意圖限于本文所示的方面，而是符合與權(quán)利要求語(yǔ)言一致的全部范圍，其中以單數(shù)提及要件并不意為“一個(gè)和僅一個(gè)”一除非明確如此說(shuō)明，而是意為“一個(gè)或多個(gè)”。除非另有說(shuō)明，術(shù)語(yǔ)“一些”指一個(gè)或多個(gè)。男性的代名詞(例如，他的)包括女性和中性(例如，她的和它的)，反之亦然。標(biāo)題和副標(biāo)題一如果有的話一僅為了方便起見(jiàn)，而并不限制本公開(kāi)。用語(yǔ)如“方面(aspect)”并不意味該方面對(duì)于主題技術(shù)是必要的，或者該方面應(yīng)用于主題技術(shù)的所有配置。涉及一個(gè)方面的公開(kāi)可以應(yīng)用于所有的配置，或者一個(gè)或多個(gè)配置。一個(gè)方面可以提供一個(gè)或多個(gè)實(shí)例。用語(yǔ)如方面可以指一個(gè)或多個(gè)方面，反之亦然。用語(yǔ)如“實(shí)施方式(embodiment)”并不意味該實(shí)施方式對(duì)于主題技術(shù)是必要的，或者該實(shí)施方式應(yīng)用于主題技術(shù)的所有配置。涉及一個(gè)實(shí)施方式的公開(kāi)可以用應(yīng)到所有實(shí)施方式，或者一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式。一個(gè)實(shí)施方式可以提供一個(gè)或多個(gè)實(shí)例。用語(yǔ)如實(shí)施方式可以指一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，反之亦然。用語(yǔ)如“配置(configuration)”并不意味該配置對(duì)于主題技術(shù)是必要的，或者該配置應(yīng)用于主題技術(shù)的所有配置。涉及一個(gè)配置的公開(kāi)可以應(yīng)用于所有的配置，或者一個(gè)或多個(gè)配置。一個(gè)配置可以提供一個(gè)或多個(gè)實(shí)例。用語(yǔ)如配置可以指一個(gè)或多個(gè)配置，反之亦然。詞語(yǔ)“示例性的”在本文中用來(lái)表示“用作實(shí)例或說(shuō)明”。本文所述的任何作為“示例性的”方面或設(shè)計(jì)不一定被解釋為相對(duì)于其它方面或設(shè)計(jì)是優(yōu)選的或有利的。在該公開(kāi)中描述的各個(gè)方面的要件的所有結(jié)構(gòu)和功能等價(jià)物——其為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知或以后將知——通過(guò)參考明確地并入本文中，并意圖被權(quán)利要求所包括。而且，本文中公開(kāi)的任何內(nèi)容并不意圖貢獻(xiàn)給公眾，無(wú)論該公開(kāi)是否在權(quán)利要求書(shū)中明確
地?cái)⑹?。除非?quán)利要求的要件明確采用短語(yǔ)“裝置，用于......”敘述，如果是方法權(quán)利要
求，除非該要件明確采用短語(yǔ)“步驟，用于......”敘述，否則不能根據(jù)35U.S.C. § 112來(lái)解
釋權(quán)利要求的要件。此外，就術(shù)語(yǔ)“包括(include)”、“具有(have)”或類似物在說(shuō)明書(shū)或權(quán)利要求書(shū)中使用來(lái)說(shuō)，該術(shù)語(yǔ)意圖包括類似的術(shù)語(yǔ)方式“包含(comprise)”，如同“包含”被用作權(quán)利要求中的過(guò)渡詞時(shí)所解釋的。
權(quán)利要求
1.用作自屏蔽線材的復(fù)合材料，包含 碳納米管(CNT)并入的纖維芯材，其包含在復(fù)合材料基體中排列的多個(gè)CNT并入的纖維，所述CNT并入的纖維芯材中的每一 CNT并入的纖維包含CNT直接并入在纖維材料表面上的復(fù)合纖維材料；和 熱塑性材料膜，其形成在所述CNT并入的纖維芯材的最外層上。
2.權(quán)利要求I所述的復(fù)合材料,進(jìn)一步包含 CNT并入的纖維屏蔽層，其包含圍繞所述CNT并入的纖維芯材 的多個(gè)CNT并入的纖維，所述CNT并入的纖維屏蔽層中的每一 CNT并入的纖維包含CNT直接并入在纖維材料表面上的復(fù)合纖維材料，所述CNT并入的芯材為所述線材提供電荷轉(zhuǎn)移介質(zhì)。
3.權(quán)利要求I所述的復(fù)合材料，其中所述CNT并入的芯材被配置以為所述線材提供電荷轉(zhuǎn)移介質(zhì)。
4.權(quán)利要求I所述的復(fù)合材料,進(jìn)一步包含 傳導(dǎo)性線材，其圍繞所述CNT并入的芯材并被配置以提供電荷轉(zhuǎn)移介質(zhì)。
5.權(quán)利要求4所述的復(fù)合材料，其中所述傳導(dǎo)性線材由鋁和銅之一組成。
6.權(quán)利要求2所述的復(fù)合材料，其中所述CNT并入的纖維屏蔽層中的每一CNT并入的纖維放射狀地排列，并垂直于所述纖維材料的軸。
7.權(quán)利要求I所述的復(fù)合材料，其中所述CNT并入的纖維芯材中的每一CNT并入的纖維沿著所述纖維材料的軸軸向排列，并垂直于所述纖維材料的軸。
8.權(quán)利要求6所述的復(fù)合材料，其中所述CNT并入的纖維芯材中的每一CNT并入的纖維沿著所述纖維材料的軸軸向排列，并垂直于所述纖維材料的軸。
9.權(quán)利要求2所述的復(fù)合材料，其中所述熱塑性材料膜形成在所述CNT并入的纖維芯材和所述CNT并入的纖維屏蔽層之間。
10.權(quán)利要求I所述的復(fù)合材料，進(jìn)一步包含多個(gè)過(guò)渡金屬納米顆粒。
11.權(quán)利要求10所述的復(fù)合材料，其中所述納米顆粒包含鐵。
12.權(quán)利要求2所述的復(fù)合材料，其中所述CNT并入的纖維屏蔽層中的每一CNT并入的纖維布置在至少部分基體材料中。
13.權(quán)利要求I所述的復(fù)合材料，其中所述CNT以所述復(fù)合材料的按重量計(jì)約1%至按重量計(jì)約20%的范圍存在。
14.權(quán)利要求I所述的復(fù)合材料，其中所述纖維材料選自玻璃、碳和陶瓷。
15.權(quán)利要求I所述的復(fù)合材料，其中并入在所述纖維材料上的第一CNT的長(zhǎng)度在0. I到500微米的范圍內(nèi)。
16.權(quán)利要求I所述的復(fù)合材料，其中并入在所述纖維材料上的第一CNT的長(zhǎng)度在10到50微米的范圍內(nèi)。
17.用于電磁干擾(EMI)屏蔽應(yīng)用的復(fù)合材料,包含 傳導(dǎo)性線材； CNT并入的纖維屏蔽層，其包含圍繞所述傳導(dǎo)性線材的多個(gè)CNT并入的纖維，每一 CNT并入的纖維包含CNT直接并入在所述纖維材料表面上的復(fù)合纖維材料，并且每一 CNT并入的纖維沿著所述纖維材料的軸放射狀地排列并垂直于所述纖維材料的軸，所述傳導(dǎo)性線材提供電荷轉(zhuǎn)移介質(zhì)；和熱塑性材料膜，其形成在所述CNT并入的纖維屏蔽層的最外層上。
18.制造復(fù)合材料的方法，所述復(fù)合材料包含布置在至少部分基體材料中的碳納米管(CNT)并入的纖維材料，所述方法包括 以基體材料中CNT并入的纖維材料的受控取向?qū)NT并入的纖維材料布置在部分所述基體材料中；和 固化所述基體材料，其中所述CNT并入的纖維材料的受控取向控制并入其上的CNT的相對(duì)取向，以使所述CNT并入的纖維材料相對(duì)于所述纖維材料的軸而排列； 將并入到所述纖維材料上的所述CNT重新排列以沿著所述纖維材料的軸軸向排列并平行于所述纖維材料的軸，如果需要軸向取向。
19.板，包含 復(fù)合材料，所述復(fù)合材料包含 碳納米管(CNT)并入的纖維芯材，其包括在復(fù)合材料基體中排列的多個(gè)CNT并入的纖維，所述CNT并入的纖維芯材中的每一個(gè)第一 CNT并入的纖維包含CNT直接并入在纖維材料表面上的復(fù)合纖維材料，并且所述CNT并入的纖維芯材中的每一 CNT并入的纖維沿著所述纖維材料的軸軸向排列并垂直于所述纖維材料的軸； CNT并入的纖維屏蔽層，其包含圍繞所述CNT并入的纖維芯材的多個(gè)CNT并入的纖維，所述CNT并入的纖維屏蔽層中的每一 CNT并入的纖維包含CNT直接并入在纖維材料表面上的復(fù)合纖維材料，并且所述CNT并入的纖維屏蔽層中的每一 CNT并入的纖維放射狀地排列，并垂直于所述纖維材料的軸，所述CNT并入的芯材提供電荷轉(zhuǎn)移介質(zhì)；和熱塑性材料膜，其形成在所述CNT并入的纖維屏蔽層的最外層， 其中所述板適于與用作自屏蔽線材的裝置連接，和 其中所述板進(jìn)一步裝配有電接地。
20.板，包含 復(fù)合材料，所述復(fù)合材料包含 傳導(dǎo)性線材； CNT并入的纖維屏蔽層，其包含圍繞所述傳導(dǎo)性線材的多個(gè)CNT并入的纖維，每一個(gè)第二 CNT并入的纖維包含CNT直接并入在纖維材料表面上的復(fù)合纖維材料，并且每一 CNT并入的纖維放射狀地排列，并垂直于所述纖維材料的軸，所述傳導(dǎo)性線材提供電荷轉(zhuǎn)移介質(zhì)；和 熱塑性材料膜，其形成在所述CNT并入的纖維屏蔽層的最外層上， 其中所述板適于與用作自屏蔽線材的裝置連接，和 其中所述板進(jìn)一步裝配有電接地。
全文摘要
線材包含多個(gè)碳納米管并入的纖維，其中并入的碳納米管平行于纖維軸排列。線材的電磁屏蔽層包含多個(gè)碳納米管并入的纖維，其中并入的碳納米管圍繞纖維軸放射狀地排列。多個(gè)碳納米管并入的纖維圍繞線材圓周地排列，纖維軸平行于線材。自屏蔽線材包含1)線材，所述線材包含多個(gè)碳納米管并入的纖維，其中并入的碳納米管平行于纖維軸排列；和2)電磁屏蔽層，所述電磁屏蔽層包含多個(gè)碳納米管并入的纖維，其中碳納米管圍繞纖維軸放射狀地排列。線材中的碳納米管并入的纖維的軸和電磁屏蔽層中的碳納米管并入的纖維的軸平行。
文檔編號(hào)B82B1/00GK102712176SQ201180005720
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2011年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月15日
發(fā)明者D·J·阿德科克, H·C·馬來(lái)茨基, T·K·沙 申請(qǐng)人:應(yīng)用納米結(jié)構(gòu)方案公司