含有碳纳米管并入的纤维材料的金属基体复合材料及其制造方法技术

本文描述了含有具有至少一种金属的金属基体和碳纳米管并入的纤维材料的复合材料。金属基体包括铝、镁、铜、钴、镍、锆、银、金、钛及其各种混合物。纤维材料包括玻璃纤维、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。复合材料还可以包括至少涂覆碳纳米管并入的纤维材料和任选地，多个碳纳米管的钝化层。金属基体可以包括至少一种增加金属基体与碳纳米管并入的纤维材料的相容性的添加剂。纤维材料在金属基体中可以均匀地、不均匀地或者以梯度方式分布。不均匀分布可用于赋予金属基体的不同区域不同的机械、电或热性能。

【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-增强的金属基体复合材料。
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，本文描述了含有金属基体和碳纳米管并入的(carbonnanotube-infused)纤维材料的复合材料。该金属基体含有至少一种金属。在一些实施方式中，复合材料包含含有至少一种金属的金属基体、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金属基体的第一区域和第二区域中。并入到第一部分的碳纳米管的平均长度和并入到第二部分的碳纳米管的平均长度被选择，以便金属基体的第一区域和金属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，所述复合材料含有金属基体和碳纳米管并入的纤维材料。该金属基体含有至少一种金属。在其它各种实施方式中，本文描述了制备金属基体复合材料的方法。该方法包括提供碳纳米管并入的纤维材料，和将碳纳米管并入的纤维材料掺入到金属基体中。该金属基体含有至少一种金属。 以上相当宽泛地概述了本公开的特征，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及其优势，现将参考以下说明结合描述本公开具体实施方式的附图，其中图I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；和图4显示碳纳米管并入的纤维材料铝合金复合材料的示例性SEM图。专利技术详述本公开部分地涉及含有金属基体和碳纳米管并入的纤维材料的复合材料。本公开也部分地涉及生产含有金属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，金属基体)。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。通过将碳纳米管并入到纤维材料，一些不能被纤维材料单独提高的性能可以被提高(例如，导电性，导热性和热膨胀改进)。这些性能提高在下文中被更详细地考虑。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)。利用复合材料中碳纳米管并入的纤维材料使与其中碳纳米管掺入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，还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。导电性在物理上与导热性有关，并且，导热性和热膨胀系数的有关改进可以通过将碳纳米管并入的纤维材料包含在复合材料，尤其是金属基体复合材料中而有利地实现。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匀性或梯度布置(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，尤其是金属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。为了影响复合材料的导热性而将纤维材料包含在复合材料中在本领域中还不常见。对于含有碳纳米管并入的纤维材料的复合材料也存在许多其它潜在的应用，其中给复合材料基体提供结构增强或其它性能增强是期望的。例如，本专利技术金属基体复合材料的示例性应用可以包括其中期望提高耐磨性和增强导热性性能的实例。这样的应用可以包括非限制性用途，如例如制动盘、驱动轴、工具、航空器部件、散热片、住宅、底板和均热器。如本文中所使用的，术语“金属基体”指复合材料中的至少一种金属，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。在复合材料中，金属基体通过，例如结构性能、电性能和/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O. 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金属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倉泛。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度所述维度指示使用分批或者连续处理，以将碳纳米管并入到纤维材料。如本文中所使用的，术语“过渡金属”是指周期表(第3到12族)d区中的任何元素或者元素合金，术语“过渡金属盐”是指任何过渡金属化合物，如例如，过渡金属氧化物、碳化物、氮化物等等。示例性的过渡金属催化纳米颗粒包括，例如，Ni、Fe、Co、Mo、Cu、Pt、Au、Ag、其合金、其盐及其混合物。如本文中所使用的，“长度一致”是指对于范围在约Ιμπι至约500 μ 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】2009.12.01 US 61/265,7171.复合材料，包含 金属基体，所述金属基体包含至少一种金属；和 碳纳米管并入的纤维材料。2.权利要求I所述的复合材料，其中所述金属基体包含至少一种选自下列的金属铝、镁、铜、钴、镍、错、银、金、钛及其混合物。3.权利要求I所述的复合材料，其中所述金属基体还包含至少一种添加剂，所述添加剂增加所述金属基体与所述碳纳米管并入的纤维材料的相容性。4.权利要求3所述的复合材料，其中所述至少一种添加剂与所述碳纳米管并入的纤维材料的碳纳米管反应，以在所述金属基体和所述碳纳米管并入的纤维材料的界面处形成碳化物产物； 其中所述碳化物产物不包含构成所述金属基体的所述至少一种金属。5.权利要求4所述的复合材料，其中所述碳化物产物是碳化硅。6.权利要求3所述的复合材料，其中所述金属基体包含铝，并且所述至少一种添加剂包含硅。7.权利要求I所述的复合材料，其中所述碳纳米管并入的纤维材料包含选自下列的至少一种纤维类型玻璃纤维、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、氧化铝纤维及其组合。8.权利要求I所述的复合材料,还包含 钝化层，其至少涂覆所述碳纳米管并入的纤维材料。9.权利要求8所述的复合材料，其中所述碳纳米管也由所述钝化层涂覆。10.权利要求8所述的复合材料，其中所述钝化层包含镍、二硼化钛、铬、镁、钛、银或锡。11.权利要求I所述的复合材料，其中所述纤维材料选自切短的纤维和连续纤维。12.权利要求I所述的复合材料，其中所述碳纳米管按重量计占所述复合材料的约O. 1%和约10%之间。13.权利要求I所述的复合材料，其中碳纳米管按重量计占所述碳纳米管并入的纤维材料的约O. 5%约和40%之间。14.权利要求I所述的复合材料，其中所述纤维材料均匀分布在所述金属基体中。15.权利要求I所述的复合材料，其中所述纤维材料不均匀分布在所述金属基体中。16.权利要求15所述的复合材料，其中所述不均匀分布包括在所述金属基体中的梯度分布。17.权利要求I所述的复合材料，其中构成所述碳纳米管并入的纤维材料的所述碳纳米管基本上垂直于所述纤维材料的纵轴。18.权利要求I所述的复合材料，其中构成所述碳纳米管并入的纤维材料的所述碳纳米管基本上平行于所述纤维材料的纵轴。19.权利要求I所述的复合材料，其中构成所述纤维材料的所述碳纳米管的重量百分比由所述碳纳米管的平均长度决定。20.权利要求19所述的复合材料，其中构成所述纤维材料的所述碳纳米管的重量百分比进一步由并入到所述纤维材料的所述碳纳米管的覆盖密度决定。21.权利要求20所述的复合材料，其中所述覆盖密度高达约15，000个碳纳米管/μ m2。22.权利要求I所述的复合材料，其中所述碳纳米管的平均长度在约Iμ m和约500 μ m之间。23.权利要求I所述的复合材料，其中所述碳纳米管的平均长度在约Iμ m和约10 μ m之间。24.权利要求I所述的复合材料，其中所述碳纳米管的平均长度在约IOym和约100 μ m之间。25.权利要求I所述的复合材料，其中所述碳纳米管的平均长度在约IOOym和约500 μ m之间。26.权利要求I所述的复合材料，其中所述碳纳米管的平均长度足以使所述复合材料的热膨胀系数相对于缺乏碳纳米管的复合材料降低约4倍或更多。27.权利要求I所述的复合材料，其中所述碳纳米管的平均长度足以使所述复合材料的硬度和耐磨性相对于缺乏碳纳米管的复合材料提高约3倍或更多。28.权利要求I所述的复合材料，其中所述碳纳米管的平均长度足以在所述复合材料中建立导电...

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