[發(fā)明專利]具有梯度屬性的中空纖維及其制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210530067.7
• 申請日: 2012-12-10
• 公開（公告）號: CN103160941B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: T·K·措齊斯
• 申請（專利權(quán)）人: 波音公司
• 主分類號: D01D5/24
• 分類號: D01D5/24;D01F9/14
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11245
• 代理人: 趙蓉民

技術(shù)領(lǐng)域

本公開一般涉及具有納米結(jié)構(gòu)強化物的中空纖維，并且更特別地涉及具有核心納米結(jié)構(gòu)強化物和梯度屬性以便用在航空器和其他結(jié)構(gòu)的復(fù)合結(jié)構(gòu)中的核殼式中空碳纖維。

背景技術(shù)

纖維強化樹脂材料或通常所知的“復(fù)合”材料由于其高強重比、耐腐蝕性和其他有利屬性而用在各種結(jié)構(gòu)和組成部件中，包括用于航空器、航天器、旋翼飛機、船只、汽車、卡車和其他交通工具的制造。特別地，在航空器制造中，復(fù)合結(jié)構(gòu)和組成部件被用來增加數(shù)量以便形成航空器的機身、機翼、尾段、蒙皮壁板和其他組成部件。

傳統(tǒng)復(fù)合材料通常包括紡織配置和/或無紡配置的玻璃、碳或錦綸纖維“片層”。纖維片層能夠通過用未固化基質(zhì)材料（例如環(huán)氧樹脂）將它們層壓在一起而被制成復(fù)合部件。然后可以通過施加熱量和/或壓力使層壓件固化以形成最終部件。

復(fù)合部件中的纖維材料在纖維的方向上提供相對高的強度。然而，沖擊阻力通常由固化基質(zhì)的性質(zhì)確定。當(dāng)基質(zhì)和纖維的硬度之間存在不匹配時，具有高模量和強度的碳纖維在纖維-基質(zhì)界面處可能遇到問題。存在比當(dāng)前使用的高等至中等模量的纖維具有更高模量和強度的已知復(fù)合材料。然而，此類已知復(fù)合材料已經(jīng)顯示出對纖維與基質(zhì)之間減少的界面性質(zhì)的敏感性，因此限制了可從這種較高性能的纖維獲得的效益。另外，存在修改纖維膠料或使用不同基質(zhì)化學(xué)品的已知方法。然而，此類已知方法不能克服對纖維與基質(zhì)之間減少的界面性質(zhì)的敏感性且同時仍然提供改進(jìn)的纖維性質(zhì)。而且，此類已知方法可能增加復(fù)合材料的重量并且可能增加復(fù)合材料的制造和生產(chǎn)的成本。

進(jìn)一步，增加復(fù)合部件的沖擊阻力和斷裂韌度的另一途徑是通過將納米結(jié)構(gòu)如碳納米結(jié)構(gòu)添加到復(fù)合材料來增強復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特性。碳納米管是規(guī)則的純碳分子，其形成非常小的圓柱形（在10納米（即1×10^-8米）的量級上）。碳納米管表現(xiàn)出不同尋常的強度，并且可以比典型的碳纖維堅固30多倍，比同等重量的鋼鐵堅固100倍。

存在具有納米結(jié)構(gòu)強化物如碳納米管強化物的已知復(fù)合材料。然而，此類已知復(fù)合材料可能使碳納米管懸浮在樹脂中，導(dǎo)致相鄰纖維板層之間的納米管的隨機定向。而且，即使是添加少量碳納米管到液態(tài)樹脂中也會趨向于極大地增加其粘性并因而減少其可加工性。進(jìn)一步，通常用在航天復(fù)合材料和其他復(fù)合材料中的傳統(tǒng)生產(chǎn)的碳纖維可能在纖維的核心中具有無定形微結(jié)構(gòu)，并且在纖維的外部具有規(guī)則的石墨結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致此類纖維的主要強度和硬度來自于纖維的外部。

此外，復(fù)合結(jié)構(gòu)和部件的總重量的減少對于航空器、航天器和其他交通工具來說可能是合乎期望的，因為增加的重量導(dǎo)致增加的燃料使用，進(jìn)而導(dǎo)致增加的成本。因此，使得能夠制造較低重量的結(jié)構(gòu)和部件的復(fù)合纖維材料是有利的和合乎期望的。

因此，在本領(lǐng)域中需要具有可用在復(fù)合材料中的更多可調(diào)整性質(zhì)的改進(jìn)纖維及其制造方法，與已知材料和方法相比其提供更多益處。

發(fā)明內(nèi)容

這種對于具有可用在復(fù)合材料中的更多可調(diào)整性質(zhì)的改進(jìn)纖維及其制造方法的需求已經(jīng)被滿足。如以下詳細(xì)描述所討論的，具有更多可調(diào)整性質(zhì)的改進(jìn)纖維及其制造方法的實施例可以提供比已知材料和方法更顯著的益處。

在本公開的實施例中，提供一種中空纖維。該中空纖維包括內(nèi)體積部分。該內(nèi)體積部分包括具有多個納米結(jié)構(gòu)和一個或更多個第一聚合物的第一核心部分。納米結(jié)構(gòu)在平行于中空纖維的縱向軸線的方向上作為定向模板用于一個或更多個第一聚合物的定向。該內(nèi)體積部分進(jìn)一步包括一個或更多個中空的第二核心部分，第一核心部分接觸并包圍一個或更多個中空的第二核心部分。該中空纖維進(jìn)一步包括具有一個或更多個第二聚合物的外體積部分，該外體積部分接觸并完全包圍該內(nèi)體積部分。該內(nèi)體積部分的拉伸模量和強度中的至少一個高于該外體積部分的拉伸模量和強度中的至少一個。

在本公開的另一實施例中，提供一種中空纖維。該中空纖維包括內(nèi)核部分。該內(nèi)核部分包括具有多個碳納米管和多個第一聚合物的第一核心部分。碳納米管在平行于中空纖維的縱向軸線的方向上作為定向模板用于多個第一聚合物的定向。該內(nèi)核部分進(jìn)一步包括在中空纖維的長度上延伸的單個中空的第二核心部分配置，該第一核心部分接觸并包圍該中空的第二核心部分。該中空纖維進(jìn)一步包括具有一個或更多個第二聚合物的外殼部分，該外殼部分接觸并完全包圍該內(nèi)核部分。該內(nèi)核部分的拉伸模量和強度中的至少一個高于該外殼部分的拉伸模量和強度中的至少一個。