在纤维材料上合成碳纳米管（ＣＮＴ）的系统包括表面处理系统，其适合于改性纤维材料的表面以接收隔离涂层，在该隔离涂层上待生长碳纳米管；在表面处理系统下游的隔离涂层施加系统，其适合于将隔离涂层施加至处理的纤维材料表面；和在隔离涂层施加系统下游的隔离涂层固化系统，其用于部分地固化施加的隔离涂层以增强ＣＮＴ生长催化剂纳米颗粒的接收。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及碳纳米管(CNT)生长，更具体地涉及在纤维基底上的CNT生长。
技术介绍
在纤维基复合材料中，纤维作为增强剂，而基体材料定位纤维，并且在一些情况中，控制其方位。基体材料也作为复合材料内的纤维之间的负荷-传递介质。由于其卓越的机械性质，碳纳米管(CNT)已被用于进一步增强纤维复合材料。但是，在纤维上和/或在复合材料中并入和排列CNTs是有问题的。在纤维上生长碳纳米管的当前方法导致缠结的和未排列的碳纳米管，具有低的碳纳米管的重量百分比/浓度。而且，一些纤维基基底对 CNT生长的温度是敏感的。该温度敏感性可以表现为在CNT生长温度下纤维材料的固有不稳定性。CNT生长过程中的温度敏感性也可以是由于纳米颗粒在纤维表面上的活动性造成的CNT纳米颗粒催化剂烧结的结果。在生产更大强度的复合材料中以及在其他机械的、热的和电的应用中，在不同的纤维基基底上原位生长碳纳米管的改进方法是有用的。本专利技术满足该需求，并且也提供相关的优势。专利技术概述在一些方面，本文公开的实施方式涉及在纤维材料上合成碳纳米管(CNT)的系统，该系统包括表面处理系统，其适合于改性纤维材料的表面以接收隔离涂层，在该隔离涂层上待生长碳纳米管；在表面处理系统下游的隔离涂层施加系统，其适合于将隔离涂层施加至处理的纤维材料表面；和在隔离涂层施加系统下游的隔离涂层固化系统，其用于部分地固化施加的隔离涂层以增强CNT生长催化剂纳米颗粒的接收。附图简述附图说明图1表示根据本专利技术实施方式的制备用于原位生长碳纳米管的基底的系统的示意图。图2表示根据本专利技术实施方式的制备用于原位生长碳纳米管的纤维丝束的系统的示意图。图3表示根据本专利技术方面的处理纤维表面以促进与隔离涂层的粘附和施加隔离涂层和催化剂颗粒的工艺流程。图4表示冷的等离子体处理系统的实施方式的示意图。图5表示湿表面处理系统的实施方式的示意图。图6表示喷射隔离涂层施加系统的实施方式的示意图。图7表示根据本专利技术另一实施方式的制备用于原位生长碳纳米管的纤维丝束的系统的示意图。图8表示根据本专利技术的另一方面的处理纤维表面以促进与隔离涂层的粘附和施加催化剂颗粒和隔离涂层的工艺流程。图9表示通过根据本专利技术实施方式的图7的系统处理的基底的横截面图。图10表示通过根据本专利技术另一实施方式的图2的系统处理的基底的横截面图。图11表示嵌入共形地(conformally)放置在基底上的隔离涂层中的纳米颗粒。图12表示嵌入隔离涂层中并且与基底表面接触的纳米颗粒。图13表示在图11中所示的嵌入纳米颗粒上碳纳米管的示例性的生长。图14表示生产具有增强的标识控制特征(signature control characteristics) 的高温陶瓷纤维复合材料的系统。图15表示在碳纤维上生产CNT的系统。专利技术详述本专利技术部分地涉及在纤维材料上生长碳纳米管的方法，纤维材料包括可能另外地与CNT生长相关的苛刻条件诸如高温不相容的纤维材料。本专利技术的方法使用隔离涂层以减少或者防止纳米颗粒烧结和/或保护温度敏感的纤维材料免受与CNT生长相关的高温。本专利技术的方法生产并入CNT的纤维材料，该纤维材料可被并入复合材料制造中，以提供如此复合材料产品，该产品具有的碳纳米管的重量百分比超过使用松散CNT、骨架上的CNTs—— 包括表现更低的CNT密度和/或缺少对CNT方位控制的其他并入CNT的纤维所达到的重量百分比。因此，本专利技术的方法提供生长基本垂直于纤维轴排列的碳纳米管的条件。本专利技术的方法也防止CNT纳米颗粒催化剂的中毒。在高的生长温度下，催化剂纳米颗粒可与某些纤维材料组合物的表面反应。例如，由碳或者有机组合物制得的纤维材料可以使催化剂纳米颗粒中毒，减少CNT生长。不被理论所束缚，已指出，这种基底-纳米颗粒相互作用导致给催化剂纳米颗粒供应过多碳自由基。而且，在碳纳米管核化(成核)之前，表面碳从碳或者有机纤维扩散进入催化剂纳米颗粒可以抑制CNT生长。在一些实施方式中，本文使用的方法防止或者减少催化剂纳米颗粒与纤维材料表面的相互作用，从而允许在纤维材料上碳纳米管以增加的产率以及在纤维上增强的碳纳米管排列生长。本专利技术的方法也减少在纤维材料的表面上纳米颗粒的烧结。当加热负载CNT纳米颗粒催化剂的纤维材料时，催化剂纳米颗粒可以在纤维材料表面上扩散。依赖于精确的纤维组成，纳米颗粒表面活动性可以导致不期望量的纳米颗粒烧结，导致减少的CNT生长。通过使用本专利技术的隔离涂层减少这种纳米颗粒与纳米颗粒的相互作用。在一些实施方式中，以液体形式将本专利技术方法中使用的隔离涂层施加至纤维，并且随后固化。可基本与隔离涂层同时地将CNT纳米颗粒催化剂放置在纤维上，包括使催化剂与液体形式的隔离涂层混合。在一些实施方式中，在施加隔离涂层之后，可将催化剂施加至纤维。在这种实施方式中，在CNT纳米颗粒催化剂沉积之前，可以任选地部分固化隔离涂层。通过施加液体形式的隔离涂层，可容易地控制涂层厚度，并且纳米颗粒可以密集地压紧，而没有任何模板化作用(templating effect)，如在下面进一步解释的。一旦已将隔离涂层和纳米颗粒催化剂施加至纤维材料，可以完全地固化隔离涂层，将纳米颗粒“锁定(locking)”在适当的位置。在该点，负载催化剂的纤维材料准备用于碳纳米管合成。纤维材料、隔离涂层和CNT纳米颗粒催化剂的这种构造提供下列的特征的一个或者更多1)减少或者防止纳米颗粒烧结；2)通过绝热的隔离涂层保护纤维材料；3)减少或者防止纳米颗粒-基底相互作用。如在本文使用的，当用于指施加隔离涂层至基底时，术语“共形地沉积 (conformally depositing) ”指的是如此过程，其中隔离涂层沉积在基底上，并且与基底表面接触，不管基底的几何形状如何。隔离涂层在已沉积纳米颗粒的基底上的共形沉积不干扰当期望时至少一部分纳米颗粒表面的暴露。在这种实施方式中，可以形成隔离涂层以填充纳米颗粒之间的空间，而不完全地包封纳米颗粒。这可以通过改变液体形式的隔离涂层的浓度和/或粘度得以实现。如在本文使用，术语“隔离涂层”指的是用于减少或者防止在基底表面上不期望的纳米颗粒与纳米颗粒的相互作用诸如烧结和附聚的任何涂层。该术语也包括用于减少或者防止不期望的纳米颗粒与基底相互作用的涂层。可进一步选择“隔离涂层”用于附着至特定的基底和/或保护基底不处于反应中使用的反应性环境，在该反应中纳米颗粒被用作催化剂、种子材料或者反应物。本专利技术的隔离涂层是可以以液体形式诸如凝胶、悬浊液、分散体以及类似物施加至基底的绝热体。通过提供液体形式的隔离涂层，随后其可被部分地或者完全地固化。固化过程通常涉及应用热。示例性的隔离涂层包括，例如旋涂(spin-on) 玻璃或者氧化铝。如在本文使用，术语“附聚(agglomeration) ”指的是任何过程，其中放置在基底上的纳米颗粒熔合在一起。附聚的条件可以包括加热至全部纳米颗粒或者部分纳米颗粒诸如其表面的熔点。另外，附聚指的是加速在基底上纳米颗粒表面扩散的条件，其包括加热。关于后面的条件，术语“附聚”可以与术语“烧结”可互换地使用。如在本文使用，术语“纳米颗粒”或者NP (复数是NPs)或者其语法等价物指的是尺寸在当量球形直径大约0. 1至大约100纳米之间的颗粒，尽管NPs形状不必须是球形的。本文档来自技高网...
【技术保护点】
在所述隔离涂层施加系统下游的隔离涂层固化系统，其用于部分固化该施加的隔离涂层以增强ＣＮＴ生长催化剂纳米颗粒的接收。１．在纤维材料上合成碳纳米管（ＣＮＴ）的系统，其包括：表面处理系统，其适合于改性所述纤维材料的表面以接收隔离涂层，在所述隔离涂层上待生长碳纳米管；在所述表面处理系统下游的隔离涂层施加系统，其适合于将所述隔离涂层施加至该处理的纤维材料表面；和
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：H·C·马来茨基，
申请(专利权)人：应用纳米结构方案公司，
类型：发明
国别省市：US
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