防止或除去复合结构结冰的基于CNT的电阻加热制造技术

复合结构包括基体材料和并入碳纳米管(CNT)的纤维材料，该纤维材料包括并入至纤维材料的众多碳纳米管(CNTs)。并入CNT的纤维材料被放置遍及基体材料的一部分。该复合结构适合于施加电流经过并入CNT的纤维材料以提供复合结构的加热。加热元件包括并入CNT的纤维材料，该纤维材料包括并入至纤维材料的众多CNT。并入CNT的纤维材料具有足够的比例，以便为有该需要的结构提供加热。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的声明本申请要求2009年4月27日提交的美国临时申请61/173,027的优先权，并且通过引用以其整体并入本文。专利
本专利技术涉及复合材料，更具体地涉及以碳纳米管改性的复合材料。专利技术背景复合材料日益暴露于众多环境条件已增加了对这些材料的要求。一种这样的要求包括防止或除去复合结构结冰。例如，结构诸如航空器空气动力学表面诸如机翼、尾翼或者发动机舱的前沿上冰的形成，引起重要的技术和安全关注。薄至一(1)毫米(mm)的一层冰可能足以使飞行中的航空器不稳定。已表明，为了防止冰的形成或者消除已经形成的冰，通过用从航空器的至少一个发动机流出并且通过加压热空气循环回路传送进入前沿内部的加压热空气进行加热，可以防止或除去这种空气动力学表面的前沿结冰。热空气运行以减弱冰与表面结合，使冰动摇，从而引起航空器后面的滑流从表面(例如机翼)移去冰并且促进其清除。防止结冰或除冰的另一方法包括置于易于堆积冰的表面之下的加热线圈。但是，使用植入的加热元件要求由加热元件产生的热有效地传导至结构的表面以熔化冰。在这点上，由于从植入的加热装置至周围复合材料的传热差，有效地加热复合材料外表面可能是困难的。尽管由于其有利的强度重量比，将复合材料用于结构诸如航空器机翼是期望的，但是由于基体诸如典型的树脂基体的存在，这种材料通常是绝热的。因此，由于复合材料的差的传导性，电阻加热受到限制。提供电阻加热的另一方法是在复合结构的表面上施加金属喷雾涂层。对金属涂层施加电流，这提供电阻加热以除去沉积在其上的任何冰。但是，这种金属涂层导致增加的成本和复杂性，这是由于用于施加涂层的专门制造过程。而且，整体结构的重量增加削弱了由复合结构提供的优势。最后，这种金属涂层易受电化腐蚀影响，使其在重复使用之后易遭受结构性故障。开发新的复合结构用于需要防止结冰或除冰的应用是有益的。本发明满足该需求，并且也提供相关益处。专利技术简述在一些方面，本文公开的实施方式涉及复合结构，其包括基体材料和包括并入至纤维材料的众多碳纳米管(CNTs)的并入碳纳米管(CNT)的纤维材料。放置并入CNT的纤维材料遍及基体材料的一部分，并且该复合结构适合通过并入CNT的纤维材料施加电流以提供基体材料的加热，从而加热复合结构。在一些方面，本文公开的实施方式涉及用于防止结冰或除冰应用的制品，该制品包括结合在基体中的众多并入碳纳米管的纤维，从而形成复合材料。该复合材料适合于接收电流并且对电流响应，作为电阻加热元件操作。在一些方面，本文公开的实施方式涉及加热元件，其包括并入CNT的纤维材料，该材料包括并入至纤维材料的众多CNT，并入CNT的纤维材料具有足够的比例以便为有需要的机构提供加热。在一些方面，本文公开的实施方式涉及在复合结构表面上除冰或者防止冰形成的方法，其包括：a)提供具有并入CNT的纤维材料的复合结构，和b)对并入CNT的纤维施加电流，从而加热复合结构。附图简述图1显示用于防止结冰或除冰应用的示例性的并入碳纳米管的纤维复合材料。图2显示具有掺杂的基体的示例性的并入碳纳米管的纤维复合材料。图3显示施加在用于防止结冰或除冰应用的复合材料上的、示例性的并入碳纳米管的纤维复合材料涂层。图4显示根据本专利技术的一个实施方式，适合于作为电阻加热元件操作的示例性的并入碳纳米管的纤维复合材料。图5显示根据本专利技术的一个实施方式，配置在适合于作为电阻加热元件操作的传导带中的、示例性的并入碳纳米管的纤维复合材料。图6显示通过连续的CVD方法在AS4碳纤维上生长的多层CNT(MWNT)的透射电子显微镜(TEM)图像。图7显示通过连续的CVD方法在AS4碳纤维上生长的双层CNT(DWNT)的TEM图像。图8显示从隔离涂层(barrier coating)内生长的CNT的扫描电子显微镜(SEM)图像，其中CNT形成纳米颗粒催化剂被机械地并入至碳纤维材料表面。图9显示SEM图像，其表示在碳纤维材料上生长的CNT长度分布的一致性，在大约40微米的目标长度的20％之内。图10显示SEM图像，其表示隔离涂层对CNT生长的影响。密集的、良好排列的CNT生长在施加隔离涂层的位置，并且在没有隔离涂层的位置不生长CNT。图11显示碳纤维上的CNT的低放大率SEM，其表示在整个纤维中CNT密度的均匀性在大约10％之内。图12显示根据本专利技术的例证性实施方式，生产并入CNT的碳纤维材料的方法。图13显示在连续的方法中CNT如何可以并入碳纤维材料，以改进导热和导电性为目标。专利技术详述本专利技术部分地涉及用于防止结冰或除冰应用的复合结构，其包括基体材料和并入碳纳米管(CNT)的纤维材料。并入CNT的纤维材料包括并入至纤维材料的众多碳纳米管(CNTs)。可以将并入CNT的纤维材料放置遍及基体材料的一部分，并且该复合结构适合于通过并入CNT的纤维材料施加电流以提供基体材料的加热，从而除冰或者防止复合结构表面上冰的形成。不被理论束缚，通过提供渗透传导性，并入CNT的纤维的CNT可以改变体相基体材料的传导性。已模拟CNT聚合物复合材料中的渗透传导性(Du等人，Phys.Rev.B 72：121404-1-121404-4，(2005))。本专利技术中，复合结构的渗透传导性可以是CNT与CNT点接触、CNT相互交叉/重叠、或者其结合的结果，如在图1-4中所示。虽然CNT提供渗透传导性路径，但其并入的纤维载体提供对下列的控制：1)CNT方向和各向异性的程度，2)CNT浓度，和3)体相基体材料中CNT的位置。将并入至纤维的CNT结合在复合材料中允许使用复合结构本身作为电阻加热元件。以这种方式，对结构诸如由这种复合材料形成的航空器(或者直升机)的机翼、机身或者尾翼装配件除冰或防止其结冰不需要另外的加热装置。以其中可以实现质量百分比大于3％的纤维水平，引入CNT。并入CNT的纤维材料可以与常规基体一起使用，并且可以任选地掺杂另外的CNT，该另外的CNT不被并入至纤维，以产生复合结构。通过调节存在的CNT质量百分比，可以调整并且控制结构的电阻率，以提供适当的热性质/传导性质，以便将材料用作电阻加热元件。基于CNT的复合材料可被用作结构(诸如机翼、机身和尾翼装配件)的目标区域的表面层，或者在整个复合结构上，其中其可被用于制造用于防止结冰或除冰应用的任何制品。并入CNT的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.04.27 US 61/173,0271.复合结构，其包括：
基体材料；
并入碳纳米管(CNT)的纤维材料，其包括并入至纤维材料的众多碳
纳米管(CNTs)；其中所述并入CNT的纤维材料被放置遍及所述基体材
料的一部分；并且
其中所述复合结构适合用于施加电流经过所述并入CNT的纤维材
料，以提供所述基体材料的加热，从而加热所述复合结构。
2.权利要求1所述的复合结构，其中所述基体材料形成为是飞机
机翼一部分的复合结构。
3.权利要求1所述的复合结构，其中所述基体材料形成为是直升
机桨叶一部分的复合结构。
4.权利要求1所述的复合结构，其中所述基体材料形成为是航空
器发动机推进器桨叶一部分的复合结构。
5.权利要求1所述的复合结构，其中所述基体材料选自环氧树脂、
酚醛树脂、水泥、玻璃、热塑性塑料和热固性塑料。
6.权利要求1所述的复合结构，其中所述并入CNT的纤维的所述
纤维包括玻璃。
7.权利要求1所述的复合结构，其中所述并入CNT的纤维的所述
纤维包括碳。
8.权利要求1所述的复合结构，其中所述并入CNT的纤维的所述
纤维包括陶瓷。
9.权利要求1所述的复合结构，其中所述众多CNT选自单层CNT、
双层CNT、多层CNT及其混合物。
10.权利要求1所述的复合结构，其中所述众多CNT长度一致并
且分布均匀。
11.权利要求1所述的复合结构，其中众多CNT具有长度为大约1
微米至大约500微米。
12.权利要求1所述的复合结构，其中所述众多CNT具有长度为
从大约1微米至大约10微米。
13.权利要求1所述的复合结构，其中所述众多CNT具有长度为
大约10微米至大约100微米。
14.权利要求1所述的复合结构，其中所述众多CNT具有长度为
大约100微米至大约500微米。
15.权利要求1所述的复合结构，其中分布的均匀性的特征在于密
度至多大约每平方微米(μm2)15,000个纳米管。
16.权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·K·沙，H·C·马里基，D·J·阿德科克，
申请(专利权)人：应用纳米结构方案公司，
类型：发明
国别省市：