[發明專利]包括利用原子層沉積而沉積有材料以用于增加剛度和強度的纖維的紡織物

無效

• 申請號: 201280036124.4
• 申請日: 2012-06-29
• 公開（公告）號: CN103890228A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發明（設計）人: 李相忍
• 申請（專利權）人: 威科ALD有限公司
• 主分類號: C23C16/00
• 分類號: C23C16/00
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 王茂華

技術領域

本公開涉及利用原子層沉積在纖維或紡織物上沉積材料，以增加剛度或者向纖維或紡織物提供其它有用的特性。

背景技術

纖維通常缺少針對各種應用而言足夠的強度或剛度。因此，為了更高的強度和剛度，經常將多條纖維互鎖為紗線（yarn）。然后將紗線用于生產紡織物、鉤織物、編織物和繩索。可替換地，纖維（例如碳纖維）可以與其它材料（例如聚合物）組合，以產生牢固而經濟上可行的復合物。此類復合物的示例除其他之外包括碳纖維增強聚合物（CFRP）。除了碳纖維，CFRP還可以包括凱芙拉（Kevlar）、鋁或玻璃纖維以用于增加強度和改善性質。

為了增加強度或剛度，纖維可以包覆（coat）有材料。然而，當這種纖維被彎曲超過一定的曲率或者拉長超過一定的程度時，纖維傾向于在它們的表面上形成破裂或其它缺陷。圖1是經受彎曲力F的包覆有材料102的纖維100的截面圖。隨著纖維100被彎曲（如圖1所示），纖維100的上部和包覆材料102經受張應力（在圖1中表示為“T”），而纖維100的下部經受壓應力（在圖1中表示為“C”）。當張應力超過一定的限度（例如當纖維100被彎曲超過一個角度），包覆材料可能由于內聚破壞（由標號104示出）和粘著破壞（由標號108示出）而破裂。類似的破裂可以在纖維100和包覆材料102被拉拽或者經受張應力時產生。除了由這些包覆材料所提供的功能的退化之外，在包覆材料上形成的破裂還導致纖維的強度或剛度降低。

當使用細纖維時，在纖維上包覆材料的傳統方法可能是不夠的。即，材料可能不能以保形（conformal）的形式包覆在纖維上，并且包覆材料的厚度可能沒有薄到足以獲得希望的功能和性質。

發明內容

本發明的實施例涉及在纖維或含纖維材料上沉積材料以增加纖維或含纖維材料的強度或剛度。將源前體注入到纖維或含纖維材料上，隨后將反應物前體注入到纖維或含纖維材料上，以利用原子層沉積（ALD）在纖維或含纖維材料上沉積材料的層。通過將層的至少外部部分轉換為另一種材料來在層的至少部分中引起壓應力。經轉換的材料與未轉換的材料相比具有更大的體積，并且因此在層中引入壓應力。

在一個實施例中，轉換包括氧化、硝化或碳化未轉換的材料。

在一個實施例中，沉積的材料包括多晶材料。通過氧化、硝化或碳化多晶材料的外表面和晶界的至少部分來引起壓應力。

在一個實施例中，多晶材料包括半導體、金屬化合物或金屬中的至少一種。多晶材料層可以包括TiN。

在一個實施例中，在經氧化、硝化或碳化的多晶材料層的表面上沉積非晶態材料層。非晶態材料層可以包括Al₂O₃或SiO₂中的至少一種。

在一個實施例中，纖維包括碳纖維。

在一個實施例中，反應物前體包括通過使氣體暴露于等離子體中而生成的自由基（radical）。

在一個實施例中，沉積的層包括非晶態材料。非晶態材料可以是Al₂O₃或SiN。

實施例還涉及紡織物，其包括多個纖維，其中每個纖維利用原子層沉積（ALD）在其表面上沉積有材料的層，以增加強度或剛度。經處理的層通過氧化、硝化或碳化材料層的部分而在材料的表面上形成，以在沉積的材料層中引起壓應力。經處理的層至少部分地擴散到材料層的晶界中。材料層中的壓應力增加每個纖維的強度或剛度。

在一個實施例中，沉積的層包括多晶材料。通過氧化、硝化或碳化多晶材料的外表面和晶界的至少部分而引起壓應力。

附圖說明

圖1是示出在傳統纖維中的內應力以及在纖維上的包覆材料的破壞的截面圖。

圖2A是根據一個實施例的沉積有多晶材料層的纖維的截面圖。

圖2B是根據一個實施例的多晶材料表面和晶界的至少部分被氧化、硝化或碳化的圖2A的纖維的截面圖，。

圖2C是根據一個實施例的沉積有非晶態層的圖2B的纖維的截面圖。

圖3A是根據一個實施例的沉積有材料的纖維的截面圖。

圖3B是根據另一實施例的沉積有材料的纖維的截面圖。

圖4是根據一個實施例的用于利用原子層沉積在纖維或紡織物上沉積材料的裝置的透視圖。

圖5是根據一個實施例的用于在纖維或紡織物上沉積材料的裝置的截面圖。

圖6是根據另一實施例的用于在纖維或紡織物上沉積材料的裝置的截面圖。

圖7是示出根據一個實施例的在纖維或含纖維材料上沉積材料的方法的流程圖。