在各个实施方式中，本文描述了含有陶瓷基体和碳纳米管并入的纤维材料的复合材料。示例性的陶瓷基体包括，例如二元、三元和四元金属或非金属硼化物、氧化物、氮化物和碳化物。陶瓷基体也可以是水泥。纤维材料可以是连续的或切短的纤维，包括例如，玻璃纤维、碳纤维、金属纤维、陶瓷纤维、有机纤维、碳化硅纤维、碳化硼纤维、氮化硅纤维和氧化铝纤维。复合材料还可包括至少涂覆碳纳米管并入的纤维材料和任选地多种碳纳米管的钝化层。纤维材料可以在陶瓷基体中均匀地分布、不均匀地分布或者以梯度方式分布。不均匀分布可用于形成不同的机械、电或热性能赋予陶瓷基体的不同区域。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般地涉及复合材料，更具体而言，涉及纤维-增强的陶瓷复合材料。
技术介绍
在过去几年中，由于纳米级水平实现了有益性能的提高，含有纳米材料的复合材料已经被广泛地研究。尤其地，由于碳纳米管的极限强度和导电性，碳纳米管是被广泛研究用于复合材料中的纳米材料。尽管有益性能可以通过掺入的纳米材料传递(conveyed)到复合材料基体，但由于将纳米材料掺入到其中的复杂性，尚未广泛实现商业上可行的含有纳米材料，尤其是碳纳米管的复合材料的生产。在将碳纳米管掺入到复合材料基体中时常常遇到的问题可以包括，例如在载入碳纳米管后粘度增加、梯度控制问题和不确定的碳纳米管取向。鉴于上述问题，容易生产的含有碳纳米管的复合材料在本领域中将具有实质性益处。本专利技术满足该需求，并且还提供相关的优势。
技术实现思路
在各个实施方式中，本文描述了含有陶瓷基体和碳纳米管并入的(carbon nanotube-infused)纤维材料的复合材料。在一些实施方式中，复合材料包含陶瓷基体、第一部分碳纳米管并入的纤维材料和第二部分碳纳米管并入的纤维材料。第一部分碳纳米管并入的纤维材料和第二部分碳纳米管并入的纤维材料分别分布在陶瓷基体的第一区域和第二区域中。并入第一部分的碳纳米管的平均长度和并入第二部分的碳纳米管的平均长度被选择，以便陶瓷基体的第一区域和陶瓷基体的第二区域具有不同的机械、电学或热性能。在一些实施方式中，本文描述了含有复合材料的制品，所述复合材料含有陶瓷基体和碳纳米管并入的纤维材料。在其它各种实施方式中，本文描述了制备含有陶瓷基体和碳纳米管并入的纤维材料的复合材料的方法。在一些实施方式中，方法包括提供碳纳米管并入的纤维材料，将碳纳米管并入的纤维材料分布在生陶瓷前体中，和固化所述生陶瓷前体以形成含有陶瓷基体和碳纳米管并入的纤维材料的复合材料。在其它实施方式中，本文描述了制备含有水泥陶瓷基体和碳纳米管并入的纤维材料的复合材料的方法。所述方法包括提供水泥(cement)陶瓷基体，提供碳纳米管并入的纤维材料，将碳纳米管并入的纤维材料分布在水泥中，和固化所述水泥以形成含有所述碳纳米管并入的纤维材料的混凝土(concrete)。以上相当宽泛地概述了本公开内容的特征，以便可以更好地理解下面的详细描述。在下文中将描述本公开内容的另外的特征和优势，其形成权利要求的主题。附图简介为了更完整地理解本公开内容及其优势，现将参考以下说明结合描述本公开内容具体实施方式的附图，其中附图说明图1显示已经并入到碳纤维的碳纳米管的示例性TEM图；图2显示已经并入有碳纳米管的碳纤维的示例性SEM图，其中，碳纳米管在40 μ m 的目标长度的+20%之内；图3显示碳纳米管并入的碳纤维的纤维织物的示例性SEM图；图4和5显示分布在碳化硅陶瓷基体中的碳纳米管并入的碳纤维的示例性SEM 图；和图6显示柱状图，其图解与缺少碳纳米管的陶瓷基体复合材料相比，在以下实施例中描述的示例性碳纳米管并入的碳纤维陶瓷基体复合材料的导电性提高。专利技术详述本公开内容部分地涉及含有陶瓷基体和碳纳米管并入的纤维材料的复合材料。本公开内容也部分地涉及生产含有陶瓷基体和碳纳米管并入的纤维材料的复合材料以及含有这种复合材料的制品的方法。在含有纤维材料和复合材料基体的复合材料中，纤维材料的提高的物理和/或化学性能被赋予复合材料基体(例如，陶瓷基体)。在本专利技术的复合材料中，这些提高的性能进一步被并入到纤维材料的碳纳米管提升。碳纳米管并入的纤维材料是用于将碳纳米管引入到复合材料基体的通用平台(versatile platform)。利用复合材料中的碳纳米管并入的纤维材料使在其中掺入碳纳米管有关的重要问题得以克服。另外，通过改变，例如并入到纤维材料的碳纳米管覆盖的长度和密度，可将不同的性能选择性地传递给复合材料。例如，较短的碳纳米管可用于传递结构支持给复合材料。较长的碳纳米管除了传递结构支持之外， 可用于在通常导电差或不导电的复合材料中建立导电性逾渗通道。另外，碳纳米管并入的纤维材料在复合材料不同区域中的不均勻性或梯度布置(gradient placement)可用于选择性地传递期望的性能给不同的复合材料区域。复合材料，尤其是含有水泥和其它陶瓷基体的复合材料的应用继续扩大。这些复合材料的现有应用和新应用继续突破当前纤维增强技术的限制。含并入有碳纳米管的纤维材料的复合材料是可以克服当前的技术障碍以提供同时具有提高的结构强度和另外的有益性能，如例如导电性和导热性的复合材料的一种方式。将导电性传递给复合材料的特别有益的结果是复合材料可以提供电磁干扰(EMI)屏蔽，这在含有常规纤维材料的非导电复合材料中是不可能的。具有EMI屏蔽性能的复合材料可用于隐身应用(stealthapplications)和EMI屏蔽是重要的其它情形中。常规复合材料，尤其是陶瓷复合材料的 EMI屏蔽应用以前尚未被研究过，因为它们通常是非导电的并且不可操作来提供EMI屏蔽效应。对于含有碳纳米管并入的纤维材料的复合材料存在许多其它的潜在应用，其中期望为复合材料基体提供结构增强。如本文中所使用的，术语“陶瓷基体”是指二元系、三元系、四元系或更高级的陶瓷材料，其可用于将碳纳米管并入的纤维材料组织成特定的取向，包括随机取向。陶瓷基体包括但不限于氧化物、碳化物、硼化物和氮化物。陶瓷基体也可以包括含有陶瓷材料的水泥。 在复合材料中，陶瓷基体通过，例如结构性能、电学性能和/或热性能的提高而得益于其中含有的碳纳米管并入的纤维材料。如本文中所使用的，“并入的(infused) ”指结合的，以及“并入(infusion) ”指结合的过程。因此，碳纳米管并入的纤维材料是指与碳纳米管结合的纤维材料。碳纳米管与纤维材料的这种结合可以包括共价结合、离子结合、Pi-Pi相互作用和/或范德华力-介导的(mediated)物理吸附。在一些实施方式中，碳纳米管直接与纤维材料结合。在其它实施方式中，碳纳米管通过隔离涂层和/或用于介导碳纳米管生长的催化纳米颗粒与纤维材料间接结合。将碳纳米管并入到纤维材料的具体方式可以称为结合基序(bonding motif)。如本文中所使用的，术语“纳米颗粒”指以当量球形直径计直径在大约0. Inm至大约IOOnm之间的颗粒，尽管纳米颗粒的形状不必是球形的。如本文中所使用的，术语“钝化层”是指沉积在至少一部分碳纳米管并入的纤维材料上以防止或基本上抑制纤维材料和/或并入在其上的碳纳米管的反应的层。钝化层可以有益于，例如在可能遇到高温时防止或基本上抑制复合材料形成期间的反应。另外，钝化层可以在形成复合材料之前或之后防止或基本上抑制与大气成分的反应。钝化层的示例性材料可以包括，例如，电镀镍、铬、镁、钛、银、锡或二硼化钛。如本文中所使用的，术语“上浆剂(sizing agent) ”或“上浆”统指这样的材料所述材料作为涂层用在纤维材料的制造中，以保护纤维材料的完整性、提供复合材料中纤维材料和陶瓷基体之间提高的界面相互作用、和/或改变和/或提高纤维材料的某些物理性能。如本文中所使用的，术语“可缠绕维度”指这样的纤维材料所述纤维材料具有至少一个长度不被限制的维度，在并入有碳纳米管之后允许纤维材料储存在卷轴或者心轴上。“可缠绕维度”的纤维材料具有至少一个这样的维本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：T·K·沙阿，H·C·马里基，M·卡森，
申请(专利权)人：应用纳米结构方案公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。