用于生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)排列的多尺度復(fù)合材料的方法技術(shù)

本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N方法，通過(guò)該方法，在基質(zhì)材料中排列以限定排列的混合物的納米結(jié)構(gòu)被轉(zhuǎn)移至多孔接收介質(zhì)，同時(shí)大致保持納米結(jié)構(gòu)排列，使得納米結(jié)構(gòu)可主要朝共同的方向排列在多孔接收介質(zhì)中。還提供所生成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國(guó)外來(lái)華專(zhuān)利技術(shù)】要求優(yōu)先權(quán)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。
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。
技術(shù)介紹
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。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)。一定數(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。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。一些研究證明，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)。可通過(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”。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。可用于調(diào)節(jié)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。在本文中，使用下述定義：“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0.1納米至1000納米)的結(jié)構(gòu)；“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)；“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0.1納米至1000納米)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
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。根據(jù)一個(gè)示例性的方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┤缦路椒ǎ涸谟傻谝欢嗫捉橘|(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。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。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。根據(jù)一個(gè)示例性特征，本本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種用于生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)的多尺度復(fù)合材料的方法，包括如下步驟：(a)準(zhǔn)備混合物，其包含分散在基質(zhì)材料中的沿厚度排列的高縱橫比納米結(jié)構(gòu)；(b)沿流動(dòng)轉(zhuǎn)移方向?qū)⑺龌旌衔锪鲃?dòng)轉(zhuǎn)移至多孔接收介質(zhì)中；以及(c)固化在所述多孔接收介質(zhì)中的所述基質(zhì)材料以形成復(fù)合材料，使得所述高縱橫比納米結(jié)構(gòu)大致沿所述流動(dòng)轉(zhuǎn)移方向排列。

【技術(shù)特征摘要】
【國(guó)外來(lái)華專(zhuān)利技術(shù)】2013.07.29 US 61/958,4851.一種用于生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)的多尺度復(fù)合材料的方法，包括如下步驟：
(a)準(zhǔn)備混合物，其包含分散在基質(zhì)材料中的沿厚度排列的高縱橫比納米結(jié)構(gòu)；
(b)沿流動(dòng)轉(zhuǎn)移方向?qū)⑺龌旌衔锪鲃?dòng)轉(zhuǎn)移至多孔接收介質(zhì)中；以及
(c)固化在所述多孔接收介質(zhì)中的所述基質(zhì)材料以形成復(fù)合材料，使得所述高縱橫比
納米結(jié)構(gòu)大致沿所述流動(dòng)轉(zhuǎn)移方向排列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述混合物從第一多孔介質(zhì)被轉(zhuǎn)移至所述多孔接
收介質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，第二多孔介質(zhì)包括垂直于所述流動(dòng)轉(zhuǎn)移方向取向
的微尺度結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述混合物在流動(dòng)轉(zhuǎn)移步驟之前為固態(tài)，并且然
后在流動(dòng)轉(zhuǎn)移期間暫時(shí)被液化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過(guò)施加電場(chǎng)或磁場(chǎng)，使所述高縱橫比納米結(jié)構(gòu)
在所述基質(zhì)材料中排列。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述高縱橫比納米結(jié)構(gòu)為納米碳纖維。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述高縱橫比納米結(jié)構(gòu)是納米碳纖維，其選自由
碳納米纖維、碳納米管、碳納米桿及其組合構(gòu)成的組。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，將所述混合物從第一多孔介質(zhì)轉(zhuǎn)移至所述多孔接
收介質(zhì)中，所述第一多孔介質(zhì)具有大于所述多孔接收介質(zhì)的孔隙度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述基質(zhì)材料包括聚合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述聚合物選自由環(huán)氧樹(shù)脂、聚酯、乙烯基
酯、雙馬來(lái)酰亞胺、聚酰亞胺、氰酸酯、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚砜及其組合物構(gòu)成
的組。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述多孔接收介質(zhì)包括微尺度纖維系統(tǒng)，該
系統(tǒng)的大部分纖維在微尺度范圍內(nèi)，并且在所述微尺度纖維系統(tǒng)中的至少多根...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：K·蕭，G·希克曼，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：南阿拉巴馬大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：美國(guó);US