[發(fā)明專利]用于多孔介質(zhì)中的納米纖維的定向?qū)R的裝置和方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201580028201.5
• 申請日: 2015-05-28
• 公開（公告）號: CN106660068B
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: K·蕭
• 申請（專利權(quán)）人: 南阿拉巴馬大學(xué)
• 主分類號: B05D5/00
• 分類號: B05D5/00
• 代理公司: 北京派特恩知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11270
• 代理人: 胡春光;張穎玲

描述了用于在多孔介質(zhì)內(nèi)均勻地和定向地對齊和伸展納米纖維的方法和裝置。納米纖維可以包括納米管、納米線、長鏈聚合物分子或類似物。多孔介質(zhì)可以包括多孔層、織物或復(fù)合預(yù)浸材料或類似物。根據(jù)一種實施方式，用于多孔介質(zhì)中的納米纖維的定向?qū)R的裝置包括具有納米纖維的流體基質(zhì)。還提供了多孔介質(zhì)和用于驅(qū)使流體基質(zhì)徑向通過多孔介質(zhì)的設(shè)備。

相關(guān)專利申請的交叉引用

本申請要求2014年5月28日提交的且題為“Apparatus and Method forDirectional Alignment of Nanofibers in a Porous Medium”的美國臨時申請62/003,982的優(yōu)先權(quán)，通過引用將其并入本文中。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及在多孔介質(zhì)中對齊和伸展納米纖維。納米纖維包括納米管、納米線、長鏈聚合物分子或類似物。多孔介質(zhì)可以包括多孔層、織物或復(fù)合預(yù)浸材料或類似物。具體地，根據(jù)一種實施方式，本公開涉及用于多孔介質(zhì)(包括具有納米纖維的流體基質(zhì))中的納米纖維的定向?qū)R的裝置、多孔介質(zhì)以及用于驅(qū)使流體基質(zhì)以特定的流體力學(xué)方式穿過多孔介質(zhì)的設(shè)備，使得納米纖維以優(yōu)選的方向伸展和對齊。

背景技術(shù)

復(fù)合材料是由兩種或多種不同的組分材料組合而成的材料。組分材料可以具有明顯不同的物理或化學(xué)性質(zhì)，并且在復(fù)合材料中仍然彼此不同。另一方面，組合之后的復(fù)合材料的宏觀性質(zhì)變得不同于任何單獨的組分材料，并且取決于組分材料的相互作用以及它們對外部負(fù)載、激勵或環(huán)境變化的響應(yīng)。利用不同組分材料的適當(dāng)組合，與任何單獨的組分材料相比，復(fù)合材料可以在被定為目標(biāo)的物理和化學(xué)機能方面表現(xiàn)得明顯更好。

纖維增強復(fù)合材料

纖維增強復(fù)合材料是一類常見的復(fù)合材料。纖維增強復(fù)合材料通常包括兩種成分：纖維增強系統(tǒng)和基質(zhì)。纖維增強系統(tǒng)是以增強復(fù)合材料的期望方式布置的一組纖維。基質(zhì)用于將纖維結(jié)合在一起并且將負(fù)載轉(zhuǎn)移到纖維中。常見的基質(zhì)是熱固性樹脂(例如環(huán)氧樹脂)、熱塑性樹脂(例如PEEK)、陶瓷和金屬。常見的纖維增強物是碳纖維、玻璃纖維、金屬纖維、芳綸纖維和天然纖維。大多數(shù)纖維的直徑大于3微米(即，微纖維)。納米技術(shù)的最新發(fā)展產(chǎn)生了許多新的纖維(即，納米纖維)，其直徑為1納米至小于1微米。納米纖維可以是碳基的(碳納米管、碳納米纖維、碳納米線)、金屬基的或陶瓷基的，等等。

在許多性能驅(qū)動的應(yīng)用中，纖維增強復(fù)合材料被制造成層壓板。在層壓板中，纖維以層壓板的平面內(nèi)方向來定向，從而最大化產(chǎn)品的力學(xué)性質(zhì)。然而，復(fù)合層壓板的平面外方向(即，對此定義為“z方向”)中的力學(xué)性質(zhì)相對較弱，因為在復(fù)合材料的平面外方向(即，z方向)上，基質(zhì)是主要的承載系統(tǒng)。為了進一步增加層壓板的平面內(nèi)性能，優(yōu)選地，纖維是連續(xù)的，而不是短且不連續(xù)的纖維。通常，連續(xù)的纖維是微纖維，因為制造連續(xù)微纖維的技術(shù)十分成熟。這種連續(xù)纖維增強復(fù)合材料通常用在航空航天、海洋產(chǎn)業(yè)、風(fēng)力渦輪機以及需要高強度輕質(zhì)復(fù)合材料的其他應(yīng)用中。

復(fù)合材料的制造

復(fù)合材料的制造過程包括：(1)整合纖維增強系統(tǒng)和基質(zhì)，和(2)使復(fù)合材料層壓板形成為期望的幾何結(jié)構(gòu)。一般來說，纖維系統(tǒng)被提供為纖維束(每束包含大約2000-10000個微纖維)、纖維織物(由許多纖維束形成)、或者纖維預(yù)制體(其中，纖維束被編織成三維幾何結(jié)構(gòu))。基質(zhì)(例如環(huán)氧樹脂)被轉(zhuǎn)化為流體相，并且隨后能夠逐漸地流入纖維系統(tǒng)中的開放空間并且浸透纖維系統(tǒng)。在該基質(zhì)浸透過程期間，固態(tài)纖維系統(tǒng)被當(dāng)成“多孔介質(zhì)”來處理，該多孔介質(zhì)允許流體基質(zhì)和空氣穿過其中，并且填充多孔介質(zhì)內(nèi)的多孔空間。在基質(zhì)完全浸透纖維系統(tǒng)之后，基質(zhì)可以轉(zhuǎn)化為固體，并且復(fù)合材料在模具內(nèi)被形成為任何期望的幾何結(jié)構(gòu)。