專利名稱：Cnt-特制復(fù)合材料?；Y(jié)構(gòu)的制作方法
CNT-特制復(fù)合材料海基結(jié)構(gòu)本申請要求2009年11月23日和2009年12月14日提交的美國臨時專利申請?zhí)?61/263，807和61Λ86，340的優(yōu)先權(quán)，兩者均通過引用其整體被并入本文。關(guān)于聯(lián)邦政府資助的研究或開發(fā)的聲明不適用。發(fā)明的背景和領(lǐng)域本發(fā)明一般地涉及碳納米管(CNT)，以及更具體地涉及結(jié)合入復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)中的 CNT?；祀s復(fù)合材料的使用已經(jīng)獲得不同程度的成功。在復(fù)合材料中使用兩種或三種不同的增強(qiáng)物隨著聚集體(aggregate)和填料的加入而被實(shí)現(xiàn)，所述聚集體和填料用于各種目的，包括機(jī)械加固、成本降低、畑霧防護(hù)、化學(xué)耐性等等。?；?sea-based)結(jié)構(gòu)面臨可操作性和效率上的ー些要求。容納電路的結(jié)構(gòu)易于暴露于電磁傳導(dǎo)或電磁輻射，這在沒有足夠保護(hù)的情況下會消弱操作。與周圍結(jié)構(gòu)或物體相比相對高的結(jié)構(gòu)易受雷擊，這會嚴(yán)重?fù)p害或者甚至破壞沒有導(dǎo)電性的結(jié)構(gòu)或者沒有附加裝置來攜帯電負(fù)載的結(jié)構(gòu)。對結(jié)構(gòu)較小的或可修復(fù)的結(jié)構(gòu)損害在沒有即時檢測到的情況下會迅速發(fā)展成嚴(yán)重的或者甚至完全的損壞。在沒有防冰措施的情況下，冰會在關(guān)鍵部件上形成，改變功能，或者甚至引起故障。在沒有足夠的結(jié)構(gòu)完整性的情況下，結(jié)構(gòu)上關(guān)鍵位置處的剪切力、張カ和壓縮カ隨著時間的推移會引起故障。如果在小的裂縫開始形成時沒有采取預(yù)防措施，則裂縫擴(kuò)展會引起嚴(yán)重的或者甚至完全的損壞。如果沒有足夠的保護(hù)，生物污損(Bio-fouling)會降低效率或者需要昂貴的處理。溫度或其它因素的變化會影響沒有足夠?qū)嵝缘慕Y(jié)構(gòu)。在沒有適當(dāng)雷達(dá)吸收材料的情況下，結(jié)構(gòu)會經(jīng)受雷達(dá)波檢測。對?；Y(jié)構(gòu)的這些和另外的要求導(dǎo)致在選擇適于解決每ー要求的材料中的困難。

發(fā)明內(nèi)容
在ー些方面，本文公開的實(shí)施方式涉及特制(定制，tailored)復(fù)合材料，該特制復(fù)合材料包含基體材料和具有特定功能的CNT并入的纖維材料。在ー些方面，本文公開的實(shí)施方式涉及裝置，該裝置包括具有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的、由水支持的結(jié)構(gòu)，所述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)至少具有(1)第一碳納米管并入的材料，其賦予所述結(jié)構(gòu)第一功能，和(2)第二碳納米管并入的材料，其賦予所述結(jié)構(gòu)第二功能。在一些實(shí)施方式中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有另外的碳納米管并入的材料，其賦予所述結(jié)構(gòu)另外的功能。在ー些方面，本文公開的實(shí)施方式涉及方法，所述方法包括提供具有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的、由水支持的結(jié)構(gòu)，所述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)至少具有(1)第一碳納米管并入的材料，其賦予所述結(jié)構(gòu)第一功能，和(2)第二碳納米管并入的材料，其賦予所述結(jié)構(gòu)第二功能。在ー些實(shí)施方式中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有另外的碳納米管并入的材料，其賦予所述結(jié)構(gòu)另外的功能?？梢愿鶕?jù)相應(yīng)的功能選擇碳納米管并入的材料的碳納米管載荷量(loading)。
附圖簡介
圖 1 顯示通過連續(xù)化學(xué)氣相沉積(continuous chemical vapor disposition) (CVD)法生長在基于PAN的碳纖維上的多壁CNT(MWNT)的透射電子顯微鏡(TEM)圖像。圖2顯示通過連續(xù)CVD法生長在基于PAN的碳纖維上的雙壁CNT (DffNT)的TEM圖像。圖3顯示從隔離涂層(阻擋涂層，barrier coating)內(nèi)生長的CNT的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，其中，CNT形成納米顆粒催化劑被機(jī)械地并入至纖維材料表面。圖4顯示SEM圖像，其表明生長在纖維材料上的CNT長度分布的一致性，在大約40 微米的目標(biāo)長度的20%之內(nèi)。圖5顯示碳纖維上的CNT的低放大率SEM，其表明在纖維上CNT密度的均勻性在大約10%之內(nèi)。圖6顯示根據(jù)本公開ー個實(shí)施方式的?；O(shè)備的帆船桅桿的橫截面圖。發(fā)明詳述利用CNT并入的纖維已經(jīng)開發(fā)了特制的多尺度(multiscale)復(fù)合材料。利用修改的CVD方法，CNT可以以連續(xù)的、流線(in line)方法在玻璃和碳纖維表面上直接生長，所述修改的CVD方法如在申請人的共同未決申請——美國公布號2010/0279569和 2010/0178825——中描述的CVD方法，兩者均通過引用其整體被并入本文。由CNT并入的纖維材料制造的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)已表現(xiàn)增強(qiáng)的機(jī)械性能，尤其在剪切-層間和在平面中。另外，基于CNT載荷量和取向，這些復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有改進(jìn)的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。這些CNT并入的纖維材料可以以各種取向和定位用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，以提供定制的性能，包括當(dāng)前的纖維材料得不到的性能。CNT并入的纖維復(fù)合材料可以應(yīng)用任何類型的纖維基底，包括例如碳、玻璃、氧化鋁、碳化硅或芳綸(Kevlar)。而且，因?yàn)樵S多纖維類型被用于機(jī)械加固應(yīng)用，所以并入的 CNT可以在增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度中發(fā)揮另外的作用。可以規(guī)定CNT并入的纖維材料中的CNT載荷量的范圍，以提供給定復(fù)合材料部分所需要的功能。更具體而言，為了定制和最佳化，CNT 載荷量可以根據(jù)每種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)具體的CNT并入的纖維材料的位置而變化。根據(jù)結(jié)構(gòu)上具體點(diǎn)期望的功能，該結(jié)構(gòu)在CNT并入的纖維材料內(nèi)的不同位置可以有不同的CNT載荷量范圍，在給定的CNT并入的纖維材料的不同層(或梯度)中可以有不同的CNT載荷量范圍，或者對于不同的CNT并入的纖維材料可以有不同的CNT載荷量范圍。纖維上和全體復(fù)合材料中的CNT載荷量可以選自各種范圍。例如，復(fù)合材料中的CNT載荷量可被分成四個范圍。在一些實(shí)施方式中，“低”范圍可以從0.01%到洲?！暗汀狈秶梢詮募s0%到約洲， 包括載荷量如0%、1%、洲及其零數(shù)(fraction)?！爸虚g”范圍可以從約m到約5%，包括載荷量如覬、3%、4%、5%及其零數(shù)。“高”范圍可以從約5%到約40%，包括載荷量如5%、10%、15%、 20%、25%、30%、35%、40%及其零數(shù)。“超高”范圍可以大于約40%。纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)被用于高級的?；鶓?yīng)用中，因?yàn)樗鼈兊男再|(zhì)可以被特制，以滿足給定的要求。例如，特定的層堆疊順序可用于使復(fù)合材料束的彎曲剛度最優(yōu)化， 或者另ー順序可用于使扭轉(zhuǎn)剛性最優(yōu)化。利用兩種不同類型的增強(qiáng)纖維的混雜復(fù)合材料得益于每ー種纖維對整個復(fù)合材料性能一無論是機(jī)械的、熱的、電的等等——的積極貢獻(xiàn)。適用于?；鶑?fù)合材料結(jié)構(gòu)的廣泛范圍的功能可以通過CNT并入的纖維材料中不同水平的CNT載荷量實(shí)現(xiàn)。這種CNT并入的纖維材料可以包括連續(xù)纖維、切短纖維或織造織物。這樣的功能可以包括電磁干擾(EMI)屏蔽、雷擊保護(hù)、損壞檢測、防冰、機(jī)械性能一一包括但不限于層間和平面剪切強(qiáng)度和模量、拉伸強(qiáng)度和模量、壓縮強(qiáng)度和模量、彎曲強(qiáng)度和模量、抗碎裂性和抗延展性、抗生物污損性、導(dǎo)熱性提高、雷達(dá)吸收和/或耐燃性在一些應(yīng)用中，高水平的CNT載荷量可以提供EMI屏蔽和/或雷擊保護(hù)功能。這樣的功能可以防止對敏感電路不期望的電磁傳導(dǎo)或電磁輻射作用，或者提供電流可以經(jīng)過而不明顯降解圍繞基礎(chǔ)纖維(base fiber)的基體的機(jī)構(gòu)，如在申請人的共同未決申請—— 美國公布號2010/0270069——中所描述的，其通過引用其整體被并入本文。EMI屏蔽復(fù)合材料和/或雷擊保護(hù)復(fù)合材料可以具有布置在部分基體材料中的CNT并入的纖維材料。 該復(fù)合材料能吸收電磁(EM)輻射、反射EM輻射或其組合，其頻率范圍在約0.01MHz至約 18GHz之間。復(fù)合材料的EM屏蔽能力——被測量為EMI屏蔽效率(S^——在約40分貝 (dB)至約130dB之間的范圍內(nèi)。CNT具有期望的電磁吸收性能，因?yàn)樗鼈冇懈叩目v橫比(長寬比)。例如，復(fù)合材料中的CNT能吸收寬范圍的EM輻射頻率，并將吸收的能量消散到電接地(electrical ground)和/或作為熱消散。機(jī)械地，CNT也可以反射EM輻射。而且，對于EMI屏蔽應(yīng)用，任何吸收和反射的組合均可以是有用的，只要電磁輻射的透射率被最小化。不考慮實(shí)際的操作機(jī)制并且不受理論束縛，復(fù)合材料可以通過降低和/或防止實(shí)質(zhì)的電磁干擾而起作用。EMI屏蔽復(fù)合材料可以改善已經(jīng)用在EMI屏蔽應(yīng)用中的材料的屏蔽特性。CNT并入的纖維可以賦予電介質(zhì)以及傳導(dǎo)性復(fù)合材料改進(jìn)的EMI屏蔽，導(dǎo)致使用低重量、高強(qiáng)度復(fù)合材料的能力。一些這樣的復(fù)合材料以前由于其固有的弱EMI屏蔽能力而可能在應(yīng)用上受限制。EMI屏蔽復(fù)合材料可以提供吸收表面，所述吸收表面幾乎是橫跨不同區(qū)段的電磁波譜——包括各種雷達(dá)波段的可見部分、紅外線(IR)部分和其它部分——的黑體。為了實(shí)現(xiàn)類似黑體的行為，可以控制纖維材料上的CNT密度。因此，例如，CNT并入的纖維材料的折射率可被調(diào)整以密切匹配空氣的折射率。根據(jù)菲涅耳定律，這就是反射被最小化的時候。盡管最小化反射對于最優(yōu)化EM吸收可能是有用的，但復(fù)合材料也可以被設(shè)計(jì)以通過EMI屏蔽層最小化透射率。換言之，在可以提供EMI屏蔽方面，吸收是有用的。對于未被CNT并入的纖維材料有效吸收的特定波長，提供反射或者提供能夠吸收未被CNT并入的纖維材料吸收的輻射的ニ級結(jié)構(gòu)是有益的。在這方面，提供不同的CNT并入的纖維材料的逐步分層(progressive layering)以提供可選的吸收特性可以是有益的?？蛇x地，或者除了多層材料之外，結(jié)合反射材料也可以是有用的，該反射材料也可以是CNT并入的纖維材料。因此，例如，本發(fā)明的復(fù)合材料可以具有包含CNT并入的纖維材料的多個吸收和/或反射層。纖維材料本身可以充當(dāng)以陣列組織CNT的骨架，給整個復(fù)合材料提供足夠的CNT 密度，以產(chǎn)生有效的逾滲通道，用于消散EM輻射吸收或雷擊后的能量。并入的CNT可以被特制成具有均勻的長度、密度，并在纖維材料上和整個復(fù)合材料中具有控制的取向，以最大化EM輻射吸收和/或雷擊保護(hù)。通過依賴于CNT的EM屏蔽性能和/或雷擊保護(hù)，復(fù)合材料可以利用導(dǎo)電或絕緣的纖維材料和/或基體。而且，EMI屏蔽和/或雷擊保護(hù)復(fù)合材料可被整合為其中其被使用的制品的表面結(jié)構(gòu)的部分。在一些實(shí)施方式中，整個制品可用作 EMI屏蔽和/或避雷針，并不僅僅是表面。在一些實(shí)施方式中，CNT并入的纖維材料可用作預(yù)制的復(fù)合材料涂層，用于EMI屏蔽和/或雷擊保護(hù)應(yīng)用。制造EMI屏蔽和/或雷擊保護(hù)復(fù)合材料的方法可以包括將CNT并入的纖維材料布置在部分基體材料中，其中CNT并入的纖維材料在基體材料中具有控制的取向，以及固化基體材料。CNT并入的纖維材料的控制的取可以控制并入其上的CNT在整個復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的相對取向。產(chǎn)生CNT并入的纖維的制造方法可適用于大規(guī)模連續(xù)加工。在該方法中，CNT在碳、玻璃、陶瓷或具有可纏繞維度的相似纖維材料，如絲束或粗紗上直接生長。CNT生長的性質(zhì)使得致密叢(dense forest)在長度上沉積，所述長度可以在約5微米至約500微米長之間調(diào)整，由下面描述的各種因素控制。該叢被定向，以便CNT垂直于纖維材料的每條絲的表面，從而提供放射狀的覆蓋。CNT可以被進(jìn)一步處理，以提供與纖維材料的軸平行的取向。所得CNT并入的纖維材料可以以制造(as-manufactured)的形式被應(yīng)用，或者可以被織造成織物商品，用于生產(chǎn)在EMI屏蔽和/或雷擊保護(hù)應(yīng)用中使用的EMI屏蔽和/或雷擊保護(hù)復(fù)合材料。面板可以包含EMI屏蔽和/或雷擊保護(hù)復(fù)合材料，并可適于用于EMI屏蔽和/或雷擊保護(hù)應(yīng)用的設(shè)備的接口。這樣的面板可進(jìn)一步裝配有電接地。 在一些應(yīng)用中，低水平的CNT載荷量可以提供損壞檢測功能。CNT可以提供被裝備來測量電阻或信號傳輸變化的逾滲網(wǎng)絡(luò)。這種測量的變化可以提供關(guān)于復(fù)合材料所經(jīng)受的損壞量的信息。這種損壞檢測功能可以是表皮或結(jié)構(gòu)——織物或多方向的基于絲束的纖維或切短纖維——的形式，如在申請人2010年10月7日提交的共同未決申請序列號12/900, 405中描述的，其通過引用其整體被并入本文。損壞檢測復(fù)合材料可包含至少部分基體材料中的CNT并入的纖維。復(fù)合材料可用于任何平臺，以監(jiān)測結(jié)構(gòu)組件中復(fù)合材料的完整性。這種損壞檢測復(fù)合材料可利用可變源信號，同時利用可規(guī)?；圃旃に嚕援a(chǎn)生具有高度控制和靈敏性的損壞檢測系統(tǒng)。復(fù)合材料可適于具體應(yīng)用，并可用于1)通過原位監(jiān)測檢測復(fù)合材料的損壞類型，包括監(jiān)測在使用之前，使用期間和/或使用后材料上的應(yīng)力；和2)通過提供結(jié)構(gòu)增強(qiáng)和對結(jié)構(gòu)完整性的實(shí)時評估來減小嚴(yán)重破壞的可能性。復(fù)合材料的一種組分是CNT并入的纖維。在纖維載體上并入CNT有助于利用常規(guī)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造技術(shù)將CNT成分結(jié)合到整個復(fù)合材料中或結(jié)合到復(fù)合材料制品的關(guān)鍵部分中來制造大的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。因?yàn)榕c松散的CNT相比，CNT密度和分布受CNT并入的纖維嚴(yán)格控制，所以CNT的量可以被大量減少。而且，由于CNT-纖維組織層次，在纖維上具有CNT允許相互促進(jìn)機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)，這允許CNT通過幫助重新分布承載應(yīng)力而執(zhí)行檢測損壞以及促進(jìn)結(jié)構(gòu)完整性的雙重任務(wù)。纖維載體也有助于CNT在整個3-維制品或在2-維“表皮”中的策略性布置。該策略性布置允許沿纖維軸和橫向方向控制傳導(dǎo)性。復(fù)合材料的性能可以通過控制，例如CNT密度、長度、布置和排列進(jìn)行調(diào)整。因此，復(fù)合材料可適于特定的應(yīng)用和/或適于檢測任何類型的損壞，以及降低損壞的可能性。并入的CNT可以影響復(fù)合材料的電性能并可用以產(chǎn)生允許連續(xù)、不連續(xù)或間歇檢測復(fù)合材料上的應(yīng)力的逾滲通道。復(fù)合材料的靜止?fàn)顟B(tài)(resting state)可具有有可測量電性能，如例如電阻的相關(guān)逾滲通道，所述電性能可以通過適當(dāng)定位的傳感器對，如電極對來監(jiān)測。因?yàn)椴牧辖?jīng)歷應(yīng)變，一些CNT與CNT的接觸被破壞，產(chǎn)生較少的可操作的逾滲通道。因此，當(dāng)復(fù)合材料經(jīng)歷這種應(yīng)變載荷時，復(fù)合材料上的電阻增加，這是可以是可逆的或者不可逆的。利用負(fù)載為提高電性能而特制的CNT的CNT并入的纖維制備的復(fù)合材料可用于損壞檢測應(yīng)用中。復(fù)合材料也可用于提高復(fù)合材料強(qiáng)度。在具體的應(yīng)用中，CNT并入的纖維可用于特定的位置，以提高復(fù)合材料強(qiáng)度以及提供在重要結(jié)構(gòu)組件處檢測損壞的手段。一個這樣的應(yīng)用是在復(fù)合材料搭接接頭中，其中一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與另一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)結(jié)合(一個結(jié)構(gòu)可以垂直或平行于另一結(jié)構(gòu))。特別感興趣的是結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合界面，因?yàn)樗徽J(rèn)為是結(jié)構(gòu)的脆弱部分。在該位置利用CNT并入的結(jié)構(gòu)允許提高層間剪切強(qiáng)度(ILSS以及提供損壞檢測的能力。復(fù)合材料可用于檢測復(fù)合材料應(yīng)力的方法中，所述方法包括檢測調(diào)制的電信號(波形以及振幅和頻率)并通過提高的檢測分辨率和靈敏性評估結(jié)構(gòu)完整性。振幅測量結(jié)果可用于測量應(yīng)變。相可用于監(jiān)測裂縫擴(kuò)展。頻率可用于鑒別裂縫尺寸。電極網(wǎng)絡(luò)可與檢測電路接合或以另外方式整合，所述檢測電路可用于測量并繪制復(fù)合材料中應(yīng)變、疲勞、損壞和裂縫的位置。整合損壞檢測功能的復(fù)合材料、系統(tǒng)和方法可用于各種工業(yè)中，例如，從商業(yè)飛機(jī)工業(yè)到對坦克和其它軍用裝甲車的彈道裝甲損壞檢測。 中等范圍水平的CNT載荷量可以在一些應(yīng)用中提供防冰功能。根據(jù)需要的抗力(resistance), CNT的量可適于特定結(jié)構(gòu)，或結(jié)構(gòu)的部分，如在申請人2010年4月沈日提交的共同未決申請——序列號12/767，719中描述的，其通過引用其整體被并入本文。防冰復(fù)合材料可以具有基體材料和碳納米管CNT并入的纖維材料。CNT并入的纖維材料可布置在部分基體材料中和適于通過CNT并入的纖維材料施加電流的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，提供對基體材料的加熱，以防冰或防止在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面上形成冰。不受理論束縛，CNT并入的纖維的CNT可以通過提供逾滲傳導(dǎo)性(percolation conductivity)來改變塊狀基體材料的傳導(dǎo)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的逾滲傳導(dǎo)可以是CNT與CNT點(diǎn)接觸、CNT交指(interdigitation)/重疊或其組合的結(jié)果。雖然CNT提供逾滲傳導(dǎo)通道，但它們所并入的纖維載體提供以下控制1)CNT取向和各向異性程度，2)CNT濃度，和:3)CNT在塊狀基體材料中的位置。使并入到纖維的CNT結(jié)合在復(fù)合材料中允許使用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)本身作為電阻加熱元件。以這種方式，使由這樣的復(fù)合材料形成的結(jié)構(gòu)，如航空飛行器(或直升機(jī))的機(jī)翼、機(jī)身或尾翼組件防冰不需要另外的加熱設(shè)備。CNT以可以實(shí)現(xiàn)大于3%的質(zhì)量百分比的纖維水平被引入。CNT并入的纖維材料可以與常規(guī)基體一起使用，并且可以任選地與未并入到纖維的另外的CNT摻雜，以產(chǎn)生復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整存在的CNT質(zhì)量百分比，可以調(diào)節(jié)并控制結(jié)構(gòu)的電阻率，以提供合適的熱性能/傳導(dǎo)性能，將所述材料用作電阻加熱元件?；贑NT的復(fù)合材料可用作結(jié)構(gòu)(如機(jī)翼、機(jī)身和尾翼組件)的目標(biāo)區(qū)域或整個復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上的表面層，其中，它可用于制造用于防冰應(yīng)用的任何制品。CNT并入的纖維復(fù)合材料可以是其本身是電阻加熱元件的復(fù)合材料。本領(lǐng)域中在防冰應(yīng)用中使用的金屬噴涂“加熱墊”方法使用增加成本和復(fù)雜性的制造工藝，在大的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面積上使用的金屬噴涂還會增加整個結(jié)構(gòu)的重量。另外，將金屬用作電阻加熱元件帶來電化學(xué)腐蝕的風(fēng)險(這通過利用玻璃層——結(jié)構(gòu)中的脆弱界面——來解決)和重復(fù)使用后結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險。最后，因?yàn)榻饘偻繉硬皇菑?fù)合材料結(jié)構(gòu)中類似的材料，所以它可以充當(dāng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的弱點(diǎn)。使CNT結(jié)合在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中減少或消除這些問題中的每一個。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的復(fù)合材料與CNT —起使用，因此制備復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的方法事實(shí)上仍然未變。也開發(fā)了用于將CNT結(jié)合到復(fù)合材料纖維上的方法，其導(dǎo)致低成本材料方案，這與相似的可制造性組合產(chǎn)生簡單的低成本解決方案(重量沒有增加——事實(shí)上，如果CNT/纖維材料也被用作結(jié)構(gòu)組分，重量可以減少)。因?yàn)榻饘俨槐挥糜谔峁╇娡?，利用CNT可以避免電化學(xué)腐蝕。最后，因?yàn)橛糜趯NT結(jié)合到纖維中的材料，如果用作電阻加熱層，它將不會導(dǎo)致總體結(jié)構(gòu)的消弱。因此，當(dāng)施加電勢時可以產(chǎn)生大的電路，以便CNT充當(dāng)大的電阻加熱器，防止或清除冰的狀況。這樣的結(jié)構(gòu)可以避免對外部加熱的需要。中等范圍水平可以被選擇，因?yàn)樘俚腃NT需要高電壓(voltagepotential)來產(chǎn)生電流，然而，太多的CNT不會提供足夠的電阻來充當(dāng)加熱元件。這種防冰方案(formualtion)的形式可以是一片或多片具有CNT涂覆的鉛的織物，或者可以簡單地埋入到提供電流通路的絲束中。在一些應(yīng)用中，中等范圍水平的CNT載荷量可以提供剪切強(qiáng)度功能。CNT可以提供較大的基體剪切強(qiáng)度，以及提高絲之間的載荷量轉(zhuǎn)移。復(fù)合材料可以由單向纖維、切短纖維或織物組成。—些結(jié)構(gòu)可以包括復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，以處理中心平面中的高剪切載荷量，但是在厚度上可以是電絕緣的。CNT并入的纖維材料可用于特制復(fù)合材料的中心層以改進(jìn)最大剪切強(qiáng)度特性。未改性的纖維可被用作表面層以提供電絕緣性能。在某些應(yīng)用中，低水平的CNT載荷量可以提供拉伸強(qiáng)度功能。因此，基線絲強(qiáng)度(baseline filament strength)可以隨著CNT本身的強(qiáng)度而被增強(qiáng)。低CNT載荷量可適于高纖維填充(fiber packing)，導(dǎo)致較強(qiáng)的復(fù)合材料，假設(shè)復(fù)合材料在纖維方向上的拉伸強(qiáng)度與纖維的量成正比。絲的緊密填充也可以增強(qiáng)CNT之間的纏結(jié)，這可以提高絲間載荷量轉(zhuǎn)移的效率。另外，CNT材料的預(yù)先處理可以使CNT在基底絲的方向上排列，以直接利用CNT的強(qiáng)度來提高復(fù)合材料在纖維方向上的總體拉伸強(qiáng)度。低水平的CNT載荷量可以在一些應(yīng)用中提供壓縮強(qiáng)度功能。因此，基線絲強(qiáng)度隨著CNT本身的強(qiáng)度而被增強(qiáng)。低CNT載荷量可適于高纖維填充，導(dǎo)致較強(qiáng)的復(fù)合材料，假設(shè)復(fù)合材料在纖維方向上的壓縮強(qiáng)度與纖維的量成正比。絲的緊密填充也可以增強(qiáng)CNT之間的纏結(jié)，這可以提高絲間載荷量轉(zhuǎn)移的效率。另外，CNT可以提高基體的剪切剛度和強(qiáng)度，從而有助于防止絲的微小扭曲。在一些應(yīng)用中，中等范圍水平的CNT載荷量可以提供抗碎裂功能。CNT可使通常是弱連接的基體變堅(jiān)韌。裂縫一般通過基體比通過絲更容易移動。因此，CNT可以起止裂機(jī)構(gòu)的作用。在具體應(yīng)用中，高水平的CNT載荷量可以提供防生物污損功能(bio-foulingfunctionality)。CNT可以被加工，以便其化學(xué)修飾(官能作用，functionalization)將包括能抑制有機(jī)體在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面上生長的元素或化合物。銀納米顆粒是該功能的一個實(shí)例。高水平的CNT載荷量可以在一些應(yīng)用中提供導(dǎo)熱性功能。在這樣的應(yīng)用中，CNT可以提供相互連接的通路，通過該通路熱可以被傳遞，如在申請人2010年4月沈日提交的共同未決申請——序列號12/767，719中描述的，其通過引用其整體被并入本文。導(dǎo)熱復(fù)合材料可以具有基體材料和碳納米管CNT并入的纖維材料。CNT并入的纖維材料可布置在部分基體材料中和適于通過CNT并入的纖維材料施加電流的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，以提供基體材料的導(dǎo)熱性。不受理論束縛，CNT并入的纖維的CNT可以通過提供逾滲傳導(dǎo)性來改變塊狀基體材料的傳導(dǎo)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的逾滲傳導(dǎo)可以是CNT與CNT點(diǎn)接觸、CNT交指/重疊或其組合的結(jié)果。雖然CNT提供逾滲傳導(dǎo)通道，但它們所并入的纖維載體提供以下控制1)CNT取向和各向異性程度，2)CNT濃度，和;3)CNT在塊狀基體材料中的位置。使并入到纖維的CNT結(jié)合在復(fù)合材料中允許使用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)本身作為導(dǎo)熱元件。CNT以可以實(shí)現(xiàn)大于3%的質(zhì)量百分比的纖維水平被引入。CNT并入的纖維材料可以與常規(guī)基體一起使用，并且可以任選地與未并入到纖維的另外的CNT摻雜，以產(chǎn)生復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整存在的CNT質(zhì)量百分比，可以調(diào)節(jié)并控制結(jié)構(gòu)的電阻率，以提供適當(dāng)?shù)臒嵝阅?傳導(dǎo)性能，將材料用作導(dǎo)熱元件?；贑NT的復(fù)合材料可用作結(jié)構(gòu)目標(biāo)區(qū)域或者整個復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上的表面層，其中，它可用于制造用于熱應(yīng)用中的任何制品。CNT并入的纖維復(fù)合材料可以是其本身是電阻加熱元件的復(fù)合材料。CNT并入的纖維復(fù)合材料可以應(yīng)用任何類型的纖維基底，包括例如碳、玻璃、氧化鋁、碳化硅或芳綸。而且，因?yàn)樵S多纖維類型被用于機(jī)械加固應(yīng)用，所以并入的CNT可以在增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度中執(zhí)行另外的任務(wù)。將金屬用作電阻加熱元件帶來電化學(xué)腐蝕的風(fēng)險(這通過利用玻璃層——結(jié)構(gòu)中的脆弱界面——來解決)和重復(fù)使用后結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險。最后，因?yàn)榻饘偻繉硬皇菑?fù)合材料結(jié)構(gòu)中類似的材料，所以它可以充當(dāng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的弱點(diǎn)。使CNT結(jié)合在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中減少或消除這些問題中的每一個。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的復(fù)合材料與CNT —起使用，因此制備復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的方法事實(shí)上仍然未變。也開發(fā)了用于將CNT結(jié)合到復(fù)合材料纖維上的方法，其導(dǎo)致低成本材料方案，這與相似的可制造性組合產(chǎn)生簡單的低成本解決方案(重量沒有增加——事實(shí)上，如果CNT/纖維材料也被用作結(jié)構(gòu)組件，重量可以減少)。因?yàn)榻饘俨槐挥糜谔峁╇娡罚钥梢岳肅NT避免電化學(xué)腐蝕和熱膨脹差異。最后，因?yàn)橛糜趯NT結(jié)合到纖維中的材料，如果用作電阻導(dǎo)熱層，它將不會導(dǎo)致總體結(jié)構(gòu)的消弱。因此，當(dāng)施加電勢時可以產(chǎn)生大的電路，以便CNT充當(dāng)大的導(dǎo)熱體。這種導(dǎo)熱方案的形式可以為一片或多片具有CNT涂覆的鉛的織物，或者可以簡單地埋入到提供電流通路的絲束中。 在一些應(yīng)用中，梯度的CNT載荷量可以提供雷達(dá)吸收材料(RAM)功能。從結(jié)構(gòu)表面向結(jié)構(gòu)內(nèi)部增加CNT載荷量允許雷達(dá)波穿過并通過內(nèi)部反射被捕獲在結(jié)構(gòu)的外部和內(nèi)部之間，如在申請人的共同未決申請——美國公布號2010/0271523中描述的，其通過引用其整體被并入本文。一些復(fù)合材料是RAM。雷達(dá)吸收復(fù)合材料可以具有布置在部分基體材料中的CNT并入的纖維材料。復(fù)合材料能吸收頻率范圍在約0. 10兆赫至約60千兆赫之間的雷達(dá)。CNT具有期望的電磁吸收性能，這是因?yàn)樗鼈兏叩目v橫比、高的傳導(dǎo)性并在并入纖維材料時可以適于特定的表面覆蓋密度。整個復(fù)合材料中的CNT能夠，例如吸收雷達(dá)并將吸收的能量作為熱消散。雷達(dá)吸收復(fù)合材料可以提高已經(jīng)低的可觀察表面的吸收特性。CNT并入的纖維可以賦予對介質(zhì)(對雷達(dá)是暴露(insolative)的——透明的)以及傳導(dǎo)性(對雷達(dá)是顯著反射的)復(fù)合材料提高的信號控制，導(dǎo)致使用低重量、高強(qiáng)度復(fù)合材料的能力。雷達(dá)吸收復(fù)合材料可以提供在不同區(qū)段的電磁波譜中幾乎是黑體的吸收表面，所述電磁波譜包括可見區(qū)和各種雷達(dá)波段。并入在纖維上的CNT允許特定CNT密度在各個層中的特制排列，以產(chǎn)生雷達(dá)吸收結(jié)構(gòu)。即，通過在材料的深度上提供變化的CNT密度可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)吸收能力。CNT并入的纖維材料可以形成降低雷達(dá)反射率的第一層和消散吸收的雷達(dá)能量的第二層。纖維材料可以充當(dāng)以陣列組織CNT的骨架，該骨架提供在不同深度具有適當(dāng)CNT密度的整體復(fù)合材料，以在一些層中提供內(nèi)部反射和在其它層中提供在雷達(dá)吸收后用于消散能量的有效逾滲通道。還有其它層可以提供內(nèi)部反射和逾滲通道的組合，以消散吸收的雷達(dá)能量?；谶B續(xù)CNT并入方法，并入的CNT可以被特制成在纖維材料上具有均勻的長度、密度和可控的取向。然后，將如此獲得的CNT并入的纖維布置在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，以最大化雷達(dá)吸收。具體地，在復(fù)合材料表面附近，CNT密度可以相對低，產(chǎn)生介電常數(shù)與空氣相似或者折射率接近于空氣的材料，產(chǎn)生雷達(dá)反射率被充分最小化的黑體樣結(jié)構(gòu)。艮口，為了抑制反射，物體的折射率可以接近于空氣的折射率。該最小化反射率的方案從菲涅耳定律看是明顯的R=(n-nci)2/(n+nci)2，其中R是反射率，η是物體的折射率，和Iitl是空氣的折射率。纖維材料上的CNT密度可以在本文下面描述的連續(xù)方法中被調(diào)節(jié)，以便CNT并入的纖維材料可以被調(diào)制，以顯示CNT密度，以便復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的CNT并入的纖維的層中的折射率，η，接近于空氣的折射率，IV通過依賴于CNT進(jìn)行雷達(dá)吸收，復(fù)合材料可以利用傳導(dǎo)性或絕緣纖維材料和/或基體。而且，雷達(dá)吸收復(fù)合材料可以整合為部分表面和/或低可觀察性的總體結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施方式中，整個結(jié)構(gòu)可以起RAM的作用，例如消除磨損、碎裂問題和與涂覆的RAM涂料有關(guān)的類似問題。重要的是，不同于聚氨酯型泡沫，復(fù)合材料RAMS可以是結(jié)構(gòu)性的，允許相對于它們的泡沫對應(yīng)物實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)的重量減少。在一些實(shí)施方式中，CNT并入的纖維材料可用作涂層，同時避免與碎裂/磨損有關(guān)的問題，和由于應(yīng)用延伸長度的纖維材料而造成的類似問題。制造雷達(dá)吸收復(fù)合材料的方法可以包括將CNT并入的纖維材料布置在部分基體材料中，同時控制基體材料中的CNT并入的纖維材料的取向，以及固化基體材料。CNT并入的纖維材料的可控取向可以控制并入其上的CNT的相對取向。產(chǎn)生用于上述雷達(dá)吸收材料的CNT并入的纖維的制造方法可適用于大范圍的連續(xù)加工。在該方法中，CNT可以直接生長在碳、玻璃、陶瓷或具有可纏繞維度的相似纖維材料，如絲束或粗紗上。CNT生長的性質(zhì)使得致密叢可以在長度上沉積，所述長度可以在約100納米至約500微米長之間調(diào)整，該長度由下面描述的各種因素控制。該叢被定向，以便CNT垂直于纖維材料的每條絲的表面，從而提供放射狀的覆蓋。CNT可以被進(jìn)一步處理，以提供與纖維材料軸平行的取向。產(chǎn)生的CNT并入的纖維材可以如所制造的那樣被卷繞，或者可以被織造成織物商品，用于生產(chǎn)在低可觀察結(jié)構(gòu)中使用的雷達(dá)吸收復(fù)合材料。重要的是，連續(xù)方法可以允許產(chǎn)生具有不同CNT密度的CNT并入部分。這容易地允許制造多層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在組裝時有助于總體雷達(dá)吸收能力。面板可以包括雷達(dá)吸收復(fù)合材料并且可以適于，例如作為用于隱身應(yīng)用的運(yùn)輸船、火箭或?qū)椀慕Y(jié)構(gòu)組件的界面(interface)?？谷?阻燃，耐火)復(fù)合材料可以包括基體材料中的碳納米管并入的纖維?？谷紡?fù)合材料可以是紡織品。這樣的抗燃紡織品可以包括基體材料中的碳納米管并入的纖維。CNT并入的紡織品CNT可以在紡織品織造之前以絲束或粗紗水平并入到各種纖維增強(qiáng)物上?？蛇x地，CNT并入可以發(fā)生在將紡織品織造成指定的織造結(jié)構(gòu)之后。CNT可以占據(jù)絲束內(nèi)和絲束間空間，以實(shí)現(xiàn)大量CNT載荷量。抗燃紡織品可以用作原料并用于具有本來不抗燃的樹脂系統(tǒng)的纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中。CNT并入的纖維的紡織品并不要求另外的涂層來保護(hù)其免于暴露于火焰。不受理論束縛，CNT并入的纖維增強(qiáng)物由于復(fù)合材料中的CNT的密度和熱氧化穩(wěn)定性而本身是抗燃的，其可以充當(dāng)阻擋層并僅允許表面樹脂分解，而不會允許復(fù)合材料熱分解的滲透。在一些實(shí)施方式中，CNT沿纖維軸向方向的排列可以允許沿著紡織品表面的熱傳輸，但限制通過厚度的傳導(dǎo)性，這可以進(jìn)一步促進(jìn)抗燃性。并入的CNT在纖維基底上的排列可以通過機(jī)械手段、通過應(yīng)用等離子體或本領(lǐng)域中已知的其它方法來實(shí)現(xiàn)。一些?；到y(tǒng)可以以各種組合將上述功能結(jié)合到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中。例如，復(fù)合材料帆船桅桿、雷達(dá)罩和船殼體、縱梁和甲板可以結(jié)合一種或多種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，以提供增強(qiáng)的功能。根據(jù)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的部分，可以選擇各種功能。作為結(jié)構(gòu)實(shí)例，復(fù)合材料組件可以經(jīng)受各種載荷量。組件可以具有承載剪切載荷的接頭，而另一部分支撐壓縮載荷。經(jīng)受剪切并易于遭受分層破壞的部分可以由中等范圍CNT載荷量的材料制備，而支持拉伸載荷的部分可以利用低CNT載荷量的材料制備?？梢砸赃B續(xù)方式生產(chǎn)CNT并入的纖維材料，其中精確控制CNT載荷量、CNT長度和CNT取向。結(jié)合納米級別增強(qiáng)物的其他混雜復(fù)合材料系統(tǒng)需要額外的處理步驟以適當(dāng)?shù)胤稚⒓{米管的納米顆粒進(jìn)入基體。另外，產(chǎn)生不同于下一層的具有特定CNT載荷量的層的能力可以通過CNT并入方法實(shí)現(xiàn)。使用用于未處理的玻璃和碳絲的相同制造技術(shù)，CNT并入的纖維材料可被結(jié)合入復(fù)合材料，而無需額外的處理步驟，包括例如使CNT定向或者在多層復(fù)合材料中局部分層(sectional layering).而且，因?yàn)镃NT被并入至纖維載體，緩解了關(guān)于CNT的均勻結(jié)合、CNT成束、成團(tuán)以及類似的問題。CNT并入的纖維材料允許復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有比通過直接地簡單混合CNT與復(fù)合材料基體材料可以達(dá)到的更大的CNT載荷量。在結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中，具有大約60%纖維與40%基體比是典型的；然而，第三成分，即并入的CNT的引入允許改變這些比率。例如，加入按體積計(jì)多達(dá)約25%的CNT，纖維部分可在約35%至約60%之間變化，基體范圍變化成約40%至約65%。不同比率可以改變整體復(fù)合材料的性質(zhì)，該性質(zhì)可被特制以一個或多個期望的特性為目標(biāo)。CNT的性質(zhì)使它們本身有助于以其增強(qiáng)的纖維。在特制的復(fù)合材料中使用這些增強(qiáng)的纖維類似地賦予了根據(jù)纖維比例變化的增量(increase)，但是與本領(lǐng)域已知的那些相比仍可以大大地改變特制的復(fù)合材料的性質(zhì)。

圖1-5顯示纖維材料的TEM和SEM圖像。圖1和2分別顯示以連續(xù)方法在PAN基碳纖維上制備的MWNT和DWNT的TEM圖像。圖3顯示了在CNT形成納米顆粒催化劑被機(jī)械地并入至纖維材料表面之后，從隔離涂層內(nèi)部生長的CNT的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。圖4顯示了 SEM圖像，其表明生長在碳纖維材料上的CNT長度分布的一致性，在大約40微米的目標(biāo)長度的20%之內(nèi)。圖5顯示碳纖維上的CNT的低放大率SEM，其表明在整個纖維中CNT密度的均勻性在大約10%之內(nèi)。CNT并入的纖維材料可用于多種應(yīng)用中。例如，但絕不限于海基設(shè)備，如帆船可以包括?；Y(jié)構(gòu)，如帆船桅桿。帆船桅桿之前由木材、金屬制成，近來由復(fù)合材料制成。參考圖6，帆船桅桿10包括若干部件(feature)，每一部件具有特定的功能和特定的要求。這些結(jié)構(gòu)必需經(jīng)得住元件在海中的苛刻條件，但必需盡可能輕，以使船的性能最優(yōu)化。含各種量CNT的纖維復(fù)合材料可用于進(jìn)一步優(yōu)化性能和提高桅桿10的功能。帆船桅桿的一個危險是可能發(fā)生雷擊。雷擊的可能后果包括，例如，對乘客的傷害、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部分層和對船上電系統(tǒng)的損壞。為了避免這些結(jié)果，可以用高CNT載荷量材料的內(nèi)襯12構(gòu)建桅桿10，以提供閃電行進(jìn)的電流通路。該襯里12可以與船的殼體接地。帆船的另一個危險是通常在地面上移動船時，但有時在拖曳通過支流到達(dá)開闊水域的航路上時，與高架電力線接觸。在不期望接觸的情況下，桅桿10可以是電絕緣的，以便電流不傳導(dǎo)通過到達(dá)主船和可能在船上的乘客。因此，桅桿10的上部可以包含具有低的、非常低的、或者沒有CNT載荷量的外層14。在正常操作的過程中，尤其在極端天氣條件下，桅桿10可以經(jīng)受高的拉伸、壓縮和扭曲應(yīng)力。經(jīng)歷高的拉伸和壓縮載荷量的位置，如接近桅桿10的下部的那些位置可以以低CNT載荷量材料增強(qiáng)拉伸和壓縮強(qiáng)度。例如，桅桿10的下部可以具有一個或多個低CNT載荷量材料的外板片或?qū)?6。
對于其中剪切強(qiáng)度極為重要的位置，可以使用低到中等范圍的CNT載荷量材料。帆船桅桿常常具有一個或多個交叉構(gòu)件18，用于各條繩索的連接。交叉構(gòu)件18可以是與主梁(main spar) 20連接的復(fù)合材料束，其常常作為初始復(fù)合材料的部分。交叉構(gòu)件18和主梁之間的接合部22易于疲勞，并且是主要的裂縫起始點(diǎn)。中等范圍CNT載荷量材料可用于增強(qiáng)該接合部22，以滿足剪切強(qiáng)度要求。低CNT載荷量材料的外損壞檢測表皮M可以提供對復(fù)合材料完整性和損壞延伸——如果發(fā)生——的實(shí)時反饋。此外，任何時間處于水中的船經(jīng)受生物污垢。因此，船暴露于水的部分可以具有一個或多個高CNT載荷量材料的外層，其通過特殊加工而制成，以包括化學(xué)化合物來抗擊在桅桿10的部分或船上任何其它復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上生長的有機(jī)體的作用。一些不同海基結(jié)構(gòu)中的任意一種均可由復(fù)合材料和根據(jù)與各種功能有關(guān)的CNT載荷量而設(shè)計(jì)和選擇的CNT并入的纖維材料構(gòu)成。這樣的功能可以包括、但不限于EMI屏蔽、雷擊保護(hù)、損壞檢測、防冰、機(jī)械性能，包括但不限于層間和平面剪切強(qiáng)度和模量、拉伸強(qiáng)度和模量、壓縮強(qiáng)度和模量、彎曲強(qiáng)度和模量、抗碎裂性和抗延展性、抗生物污損性、導(dǎo)熱性提供和雷達(dá)吸收。根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體條件，可以選擇用于將CNT并入的纖維材料施用到?；Y(jié)構(gòu)上具體位置處的位置。具有高CNT載荷量的CNT并入的纖維材料可以在結(jié)構(gòu)上的某些位置處被使用。具體而言，高CNT載荷量在下列位置中可以是有用的(1)易于暴露于EMI的位置，因?yàn)楦逤NT載荷量提供EMI屏蔽，(2)易受雷擊的位置，因?yàn)楦逤NT載荷量提供雷擊保護(hù)，(3)易于生長有機(jī)體的位置，因?yàn)楦逤NT載荷量防止生物污損，和/或(4)期望導(dǎo)熱性的位置，因?yàn)楦逤NT載荷量增強(qiáng)導(dǎo)熱性。相似地，具有中等范圍CNT載荷量的CNT并入的纖維材料可用于結(jié)構(gòu)上的特定位置中，如(1)在易于形成冰的位置，因?yàn)橹械确秶鶦NT載荷量提供適當(dāng)?shù)碾娮?傳導(dǎo)性，用于防冰，(2)在易于暴露于剪切力的位置，因?yàn)橹械确秶鶦NT載荷量增強(qiáng)剪切強(qiáng)度，和/或(3)在易于破裂的位置，因?yàn)橹械确秶鶦NT載荷量增強(qiáng)抗碎裂性。同樣，具有低CNT載荷量的CNT并入的纖維材料可用于結(jié)構(gòu)上的某些位置中，如⑴在易于損壞的位置，因?yàn)榈虲NT載荷量有助于損壞檢測，⑵在易受張力的位置，因?yàn)榈虲NT載荷量增強(qiáng)拉伸強(qiáng)度，和/或( 在易受壓縮力的位置，因?yàn)榈虲NT載荷量增強(qiáng)壓縮強(qiáng)度。最后，具有梯度CNT載荷量的CNT并入的纖維材料可用于期望雷達(dá)吸收的位置。梯度允許雷達(dá)波在最外層被吸收，同時從最內(nèi)層反射雷達(dá)波，防止波進(jìn)入結(jié)構(gòu)，但也防止雷達(dá)波從結(jié)構(gòu)反射出來。另一個實(shí)例是入水(water-going)船的殼體。這些經(jīng)受部分潛在水中的苛刻條件。復(fù)合材料船殼體需要結(jié)合高CNT部分，以在船將遭受直接雷擊的情況下提供改進(jìn)的接地。另外，處理的CNT可結(jié)合到殼體表面，以提供生物污損保護(hù)。為了其拉伸和壓縮強(qiáng)度性能，殼體的硬內(nèi)殼由低CNT含量材料制成。肋材和其它內(nèi)部結(jié)構(gòu)的位置結(jié)合中等范圍的CNT含量材料，以增加剪切強(qiáng)度和抗碎裂性。 另外的海基結(jié)構(gòu)可以是雷達(dá)罩。這將結(jié)合高CNT材料在表面上用于雷擊保護(hù)，和結(jié)合低CNT材料以提供剛度和強(qiáng)度。另外，CNT材料會被選擇性地分層和定位，用于雷達(dá)吸收。通過暴露于自然環(huán)境(element)的表面上功能化的CNT材料可以提供防生物污損功能。同樣，中等范圍CNT的內(nèi)層可用作電阻加熱元件，以執(zhí)行防冰功能。根據(jù)設(shè)計(jì)需要可以結(jié)合另外的功能。在一些實(shí)施方式中，設(shè)計(jì)、選擇、建造或以其它方式確保海基結(jié)構(gòu)特定功能的方法可以包括選擇結(jié)構(gòu)和確定期望的功能。一旦確定了期望的功能，具有CNT載荷量范圍的CNT并入的纖維材料可以根據(jù)相應(yīng)的期望功能被選擇。提供包含復(fù)合材料的海基結(jié)構(gòu)可包括購買、制造或其它手段。如果結(jié)構(gòu)被制造，CNT并入的纖維材料可以作為結(jié)構(gòu)的部分被形成。在其它實(shí)例中，CNT并入的纖維材料可施用到預(yù)形成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中。在任何一種情況下，第一 CNT并入的纖維材料和第二 CNT并入的纖維材料被提供。第一 CNT并入的纖維材料具有第一范圍的CNT載荷量并且被選擇以提供具有第一功能的結(jié)構(gòu)。相似地，第二 CNT并入的纖維材料具有第二范圍的CNT載荷量并且被選擇以提供具有第二功能的結(jié)構(gòu)。第一CNT并入的纖維材料在第一位置處被施用到結(jié)構(gòu)，以及第二 CNT并入的纖維材料在第二位置處被施用到結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)例中，第一位置和第二位置相互遠(yuǎn)離，但仍是結(jié)構(gòu)的部分。在其它實(shí)例中，第一位置和第二位置可以非常接近、重疊、或者甚至占據(jù)結(jié)構(gòu)的相同位置。例如，第一 CNT并入的纖維材料可以具有對EMI屏蔽有用的高CNT載荷量，而第二 CNT并入的纖維材料可以具有對損壞檢測有用的低CNT載荷量。在這樣的情況下，第二材料可直接施用于結(jié)構(gòu)，同時第一材料作為單獨(dú)的層施用到第二材料。在一個實(shí)施方式中，?；Y(jié)構(gòu)具有耐燃性、電阻、損壞檢測、機(jī)械性能——包括但不限于層間和平面剪切強(qiáng)度和模量、拉伸強(qiáng)度和模量、壓縮強(qiáng)度和模量、彎曲強(qiáng)度和模量、抗碎裂性和抗延展性、防冰、電磁干擾屏蔽、雷擊保護(hù)、生物污垢預(yù)防、導(dǎo)熱性和雷達(dá)吸收功能。在其它實(shí)施方式中，?；Y(jié)構(gòu)具有比所有這些功能少的功能。例如，一些?；Y(jié)構(gòu)具有電磁干擾屏蔽、損壞檢測和強(qiáng)度功能或雷達(dá)吸收、抗碎裂性和雷擊保護(hù)功能。在一些實(shí)施方式中，?；Y(jié)構(gòu)可以具有選自以下的任意一、二、三、四、五、六、七、八、九、十、十一、十二或十三種功能耐燃性、電阻、損壞檢測、防冰、層間和平面剪切強(qiáng)度和模量、拉伸強(qiáng)度和模量、壓縮強(qiáng)度和模量、彎曲強(qiáng)度和模量、抗碎裂性和抗延展性、電磁干擾屏蔽、雷擊保護(hù)、生物污垢預(yù)防、導(dǎo)熱性和雷達(dá)吸收功能。海基基結(jié)構(gòu)可以具有上面沒有列出的另外的功能。在一些實(shí)施方式中，CNT的第一量和第二量在具體結(jié)構(gòu)的不同區(qū)域是不同的。這可以伴隨CNT類型的變化或不伴隨CNT類型的變化。因此，改變CNT的密度可用于改變原纖維材料的性能，即使CNT類型保持不變。CNT類型可以包括，例如CNT長度和壁的數(shù)量。在一些實(shí)施方式中，第一量和第二量是相同的。在這種情況下，如果沿著可纏繞材料的兩個不同延伸期望不同的性能，則可以改變CNT類型，如CNT長度。例如，較長的CNT在電/熱應(yīng)用中可以是有用的，而較短的CNT在機(jī)械加固應(yīng)用中可以是有用的。鑒于關(guān)于改變纖維材料性能的上述論述，在一些實(shí)施方式中，第一類型的CNT和第二類型的CNT可以是相同的，雖然在其它實(shí)施方式中第一類型的CNT和第二類型的CNT可以不同。同樣地，在一些實(shí)施方式中，第一性能和第二性能可以是相同的。例如，EMI屏蔽性能可以是由第一量和類型的CNT和第二量和類型的CNT解決的感興趣的性能，但該性能改變的程度可以不同，如由應(yīng)用的不同量和/或類型的CNT所反映的。最后，在一些實(shí)施方式中，第一性能和第二性能可以不同。此外，這可以反映CNT類型的變化。例如，第一性能可以是具有較短CNT的機(jī)械強(qiáng)度，而第二性能可以是具有較長CNT的電/熱性能。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到通過應(yīng)用不同的CNT密度、CNT長度和CNT中壁的數(shù)量，如例如單壁、雙壁和多壁來特制纖維材料性能的能力。在一些實(shí)施方式中，纖維材料上第一量的CNT顯示不同于由纖維材料本身所顯示的第一組性能的一組性能。即，選擇可以改變纖維材料的一種或多種性能，如拉伸強(qiáng)度的量。第一組性能和第二組性能可以包括相同性能中的至少一種，因此表示增強(qiáng)了纖維材料的已存在的性能。在一些實(shí)施方式中，CNT并入可以將第二組性能賦予CNT并入的纖維材料，該第二組性能不包括在纖維材料本身表現(xiàn)的第一組性能中。CNT并入的碳和玻璃纖維材料已經(jīng)描述在申請人的共同未決申請——美國公布號2010/0279569和2010/0178825中，兩者均通過引用其整體被并入本文。這樣的CNT并入的纖維材料是可在特制復(fù)合材料中用作增強(qiáng)材料的示例性類型。其它CNT并入的纖維材料可以包括金屬纖維、陶瓷纖維和有機(jī)纖維，如芳族聚酰胺纖維。在以上參考的申請中公開的CNT-并入方法中，改進(jìn)纖維材料以在纖維上提供CNT引發(fā)催化劑納米顆粒的層(典型地只是單層)。然后使負(fù)載催化劑的纖維暴露于用于連續(xù)地流線生長CNT的基于CVD的方法。生長的CNT被并入纖維材料。所得的CNT并入的纖維材料本身是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。用纖維材料表面上的特定類型的CNT可以特制CNT并入的纖維材料，以便可以獲得不同的性能。例如，通過在纖維上應(yīng)用不同類型、直徑、長度和密度CNT，電性能可被改進(jìn)。提高復(fù)合材料傳導(dǎo)性的逾滲通道需要可以提供適當(dāng)?shù)腃NT與CNT橋連的長度的CNT。因?yàn)槔w維間距典型地等于或者大于一個纖維直徑，從大約5至大約50微米，因此CNT可以是至少該長度以實(shí)現(xiàn)有效的電通路。更短長度的CNT可被用于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)性能。在一些實(shí)施方式中，CNT并入的纖維材料包括沿相同纖維材料的不同部分變化長度的CNT。當(dāng)用作特制復(fù)合材料增強(qiáng)物時，這種多功能的CNT并入的纖維材料增強(qiáng)它們所結(jié)合的復(fù)合材料的多于一種性能。在一些實(shí)施方式中，第一量的CNT被并入至纖維材料。選擇該量以使至少一種性能的值與纖維材料本身的相同性能的值不同，所述性能選自CNT并入的纖維材料的拉伸強(qiáng)度、楊氏模量、剪切強(qiáng)度、剪切模量、韌性、壓縮強(qiáng)度、壓縮模量、密度、電磁波吸收率/反射率、聲音透射率(acoustic transmittance)、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。所得CNT并入的纖維材料的這些性能的任何一種可被賦予最終的復(fù)合材料。拉伸強(qiáng)度可以包括三種不同的測量方法1)屈服強(qiáng)度，其評價材料應(yīng)變從彈性變形變化為塑性變形、引起材料永久地變形的應(yīng)力；幻極限強(qiáng)度，其評價當(dāng)材料被置于拉伸、壓縮或者剪切時可經(jīng)受的最大應(yīng)力；和3)斷裂強(qiáng)度，其評價應(yīng)力-應(yīng)變曲線上在斷裂點(diǎn)的應(yīng)力坐標(biāo)。復(fù)合材料剪切強(qiáng)度評價當(dāng)垂直于纖維方向施加負(fù)載時材料受損的應(yīng)力。壓縮強(qiáng)度評價當(dāng)施加壓縮負(fù)荷時材料受損的應(yīng)力。特別地，MWNT具有目前測量的任何材料的最高拉伸強(qiáng)度，已達(dá)到63GPa的拉伸強(qiáng)度。而且，理論計(jì)算已指出大約300GPa的CNT的可能拉伸強(qiáng)度。因此，CNT并入的纖維材料被預(yù)期與母體纖維材料相比具有顯著更高的極限強(qiáng)度。如上所述，拉伸強(qiáng)度的增加取決于使用的CNT的精確屬性，以及纖維材料上的密度和分布。例如，CNT并入的纖維材料可以表現(xiàn)拉伸性質(zhì)的二至三倍增加。示例性的CNT并入的纖維材料可具有比母體未功能化的纖維材料高達(dá)三倍的剪切強(qiáng)度以及高達(dá)2. 5倍的壓縮強(qiáng)度。增強(qiáng)纖維材料的強(qiáng)度的這種增加轉(zhuǎn)化為結(jié)合了 CNT并入的纖維材料的復(fù)合材料中強(qiáng)度的增加。楊氏模量是各向同性彈性材料的剛度的量度。其被定義為胡克定律適用的應(yīng)力范圍內(nèi)的單軸應(yīng)力與單軸應(yīng)變的比率。這可被通過實(shí)驗(yàn)由應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率確定，該應(yīng)力-應(yīng)變曲線在材料的樣品上進(jìn)行的拉伸試驗(yàn)期間產(chǎn)生。導(dǎo)電性或者比電導(dǎo)是材料傳導(dǎo)電流的能力的量度。具有特定結(jié)構(gòu)參數(shù)諸如與CNT手性相關(guān)的扭曲程度的CNT可以是高度傳導(dǎo)的，因此表現(xiàn)金屬的性質(zhì)。關(guān)于CNT手性，公認(rèn)的命名法系統(tǒng)(M. S. Dresselhaus 等 Science of Fullerenes and CNTs, AcademicPress, San Diego, CA pp. 756-760，(1996))已被標(biāo)準(zhǔn)化并且被本領(lǐng)域技術(shù)人員公認(rèn)。因此，例如，通過雙指數(shù)(n，m)CNT被彼此區(qū)分，其中η和m是描寫六邊形石墨的相交(cut)和包封(wrapping)的整數(shù)，所以當(dāng)其包封在圓柱體的表面上且邊緣被封閉在一起時其形成管。當(dāng)兩個指數(shù)相同時，m=n，所得的管認(rèn)為是“扶手椅”(或者η，η)型，因?yàn)楫?dāng)垂直于CNT軸切割管時僅六邊形的邊暴露，并且其在管邊外圍周圍的圖案類似于重復(fù)η次的扶手椅的椅臂和椅座。扶手椅CNT，特別是單壁CNT (SffNT)，是金屬性的，并且具有極其高的電和熱傳導(dǎo)率。另外，這種SWNT具有極其高的拉伸強(qiáng)度。除扭曲程度之外，CNT直徑也影響導(dǎo)電性。如上所述，通過使用控制尺寸CNT形成催化劑納米顆粒，CNT直徑可被控制。CNT也可被形成為半導(dǎo)體材料。MWNT的傳導(dǎo)性可以是更加復(fù)雜的。MWNT內(nèi)的壁間反應(yīng)(interwall reaction)可以非均勻地重新分布電流在各管上。經(jīng)過對比，在金屬性的SWNT的不同部分上電流沒有變化。與金剛石晶體和平面的石墨片相當(dāng)，CNT也具有非常高的導(dǎo)熱性。并入至纖維上的CNT可以是富勒烯族碳的許多圓柱形同素異形體的任一種，包括SffNT, DffNT和MWNT。CNT可以被富勒烯類似結(jié)構(gòu)封端或者是開口的。CNT包括包封其他材料的那些。如本文中所使用的，術(shù)語“?；币话阋鉃樵诓僮鳡顟B(tài)時能夠被水支持。某些結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是?；?，但也被認(rèn)為是地面基(land-based)、空氣基(air-based)或空間基(space-based)的。例如，貨柜可以是?；⒌孛婊?、空氣基和空間基的。同樣，某些結(jié)構(gòu)可被認(rèn)為是?；模M管明顯與海相距遠(yuǎn)。例如，因?yàn)橛伤С?、所以湖中的帆船被認(rèn)為是?；?，盡管事實(shí)上它是在湖中，與任何海均相距遙遠(yuǎn)。如在本文中所用，術(shù)語“并入的”意思是結(jié)合的而“并入”意思是結(jié)合的過程。這種結(jié)合可以包括直接共價結(jié)合、離子結(jié)合、n-n和/或范德華力-介導(dǎo)的(mediated)物理吸附。例如，在一些實(shí)施方式中，CNT可被直接結(jié)合至纖維材料。結(jié)合可以是間接的，諸如通過隔離涂層和/或置于CNT和纖維材料之間的層間過渡金屬納米顆粒，CNT并入至纖維材料。在本文公開的CNT并入的纖維材料中，CNT可被直接地或者間接地“并入”至纖維材料，如上所述。CNT被“并入”至纖維材料的具體方式被稱作“結(jié)合基序(bonding motif)”。并入至纖維材料部分上的CNT通常長度一致。如本文中所使用的，”長度一致”指的是在反應(yīng)器中生長的CNT的長度?！?一致的長度”意味著CNT具有這樣的長度，其公差是全部CNT長度加減大約20%或者更少，因?yàn)镃NT長度在大約1微米至大約500微米之間變化。在非常短的長度，諸如1-4微米，該誤差可在范圍從在全部CNT長度的大約加減20%直到大約加減1微米之間，即，稍微多于全部CNT長度的大約20%。并入至纖維材料部分上的CNT在分布上通常也是一致的。如本文中所使用的，“分布一致”指的是纖維材料上CNT的密度的一致性?！?一致的分布”意味著在纖維材料上CNT具有這樣的密度，其公差大約是正負(fù)10%覆蓋率，覆蓋率被定義為被CNT覆蓋的纖維的表面積的百分率。對具有5個壁的Snm直徑CNT，這相當(dāng)于士 1500CNT/ym2。這樣的圖假設(shè)CNT內(nèi)部的空間是可填充的。本公開部分地涉及CNT并入的纖維材料。CNT并入至纖維材料可以用于許多功能，包括，例如作為上漿劑以保護(hù)免受濕氣、氧化、磨損和壓縮損壞。CNT基的上漿也可用作復(fù)合材料中纖維材料和基體材料之間的界面。CNT也可用作涂布纖維材料的幾種上漿劑的一種。而且，例如，并入至纖維材料的CNT可以改變纖維材料的各種性質(zhì)，如熱和/或電傳導(dǎo)性、和/或拉伸強(qiáng)度。用于制造CNT并入的纖維材料的方法提供CNT基本一致的長度和分布，以均勻地在改進(jìn)的纖維材料上賦予其有用的性質(zhì)。一些這樣的方法適合于產(chǎn)生可纏繞維度的CNT并入的纖維材料。本公開也部分地涉及CNT并入的纖維材料。各種方法可被應(yīng)用于之前從頭產(chǎn)生的起始纖維材料，或者代替地，將典型的上漿溶液應(yīng)用于纖維材料?？蛇x地，該方法可利用商業(yè)纖維材料，例如已具有施加至其表面的上漿劑的碳絲束。在這種實(shí)施方式中，上漿劑可被清除以提供纖維材料和合成的CNT之間的直接界面，盡管隔離涂層和/或過渡金屬顆?？捎米魈峁╅g接并入的中間層，如在下面進(jìn)一步解釋。CNT合成之后，若需要，另外的上漿劑可被施加于纖維材料。一些方法允許沿絲束、帶材和其他3D織造的結(jié)構(gòu)的可纏繞長度，連續(xù)產(chǎn)生具有一致長度和分布的CNT。雖然通過某些方法，各種墊、織造的和非織造的織物以及類似物可被功能化，但在母體絲束、線或者類似物進(jìn)行CNT功能化之后從這些母體材料產(chǎn)生這種更高度有序的結(jié)構(gòu)是可能的。例如，由CNT并入的碳纖維絲束可以產(chǎn)生CNT并入的織造織物。如本文中所使用的，術(shù)語”纖維材料”指的是具有絲或絲的束作為其基本結(jié)構(gòu)成分的任何材料。該術(shù)語包括纖維、絲、線、絲束、帶材、帶、織造的和非織造的織物、板片、墊以及類似物。如本文中所使用的，術(shù)語“可纏繞維度”指的是纖維材料具有至少一個長度不被限制的維度，允許材料儲存在卷軸或者心軸上?！翱衫p繞維度”的纖維材料具有至少一個這樣的維度，該維度指示使用分批或者連續(xù)處理進(jìn)行CNT并入，如在本文所描述的。通過具有800的特(tex)數(shù)值(1特=lg/l，000m)或者620碼/lb的AS4Uk碳纖維絲束(Grafi 1, Inc.，Sacramento, CA)舉例說明一種商業(yè)可得的可纏繞維度的纖維材料。具體地，例如，可以以5、10、20、50和1001b.(對具有高重量的卷軸，通常是3k/l^(絲束)卷軸獲得商業(yè)的碳纖維絲束，盡管更大的卷軸可需要專門訂購。某些方法容易以5至201b.卷軸操作，盡管更大的卷軸是可用的。而且，預(yù)處理操作可被結(jié)合，其將非常大的可纏繞長度，例如1001b.或者更多分割成為易于處理的尺寸，如兩個501b卷軸。如本文中所使用的，術(shù)語“碳納米管”(CNT，復(fù)數(shù)是CNTs)指的是富勒烯族碳的許多圓柱形同素異形體的任一種，包括單壁碳納米管(SWNT)、雙壁碳納米管(DWNT)、多壁碳納米管(MWNT)。碳納米管CNT可以被富勒烯類似結(jié)構(gòu)封端或者是開口的。碳納米管包括包封其他材料的那些。如本文中所使用的，術(shù)語“過渡金屬”指的是周期表d區(qū)中的任何元素或者元素合金。術(shù)語“過渡金屬”也包括基本過渡金屬元素的鹽形式，如氧化物、碳化物、氮化物以及類似物。
如本文中所使用的，術(shù)語“納米顆粒”或者NP (復(fù)數(shù)是NPs)或者其語法等價物指的是以當(dāng)量球形直徑計(jì)尺寸在大約0. 1至大約100納米之間的顆粒，盡管NP形狀不必是球形的。具體地，過渡金屬NP用作纖維材料上CNT生長的催化劑。如本文中所使用的，術(shù)語“上漿劑(sizing agent) ”、“纖維上漿劑”或者僅“上漿”共同指的是這樣的材料所述材料作為涂層用在纖維的制造中，以保護(hù)纖維的完整性、提供復(fù)合材料中纖維和基體材料之間增強(qiáng)的界面相互作用、和/或改變和/或增強(qiáng)纖維的特定物理性質(zhì)。在一些實(shí)施方式中，并入至纖維材料的CNT作為上漿劑起作用。如本文中所使用的，術(shù)語“基體材料”指的是塊狀材料(bulk material)，其可用于在特定的方向包括隨機(jī)方向組織上漿的CNT并入的纖維材料。通過賦予基體材料CNT并入的纖維材料的物理和/或化學(xué)性能的一些方面，基體材料可受益于CNT并入的纖維材料的存在。如本文中所使用的，術(shù)語“材料停留時間(residence time) ”指的是時間的量，在CNT并入過程期間沿可纏繞維度的纖維材料被暴露于CNT生長條件的不連續(xù)的點(diǎn)。該定義包括當(dāng)使用多個CNT生長室時的停留時間。如本文中所使用的，術(shù)語”線速度”指的是可纏繞維度的纖維材料可被供給經(jīng)過CNT并入方法的速度，其中線速度是CNT室(一個或多個)長度除以材料停留時間所確定的速度。在一些實(shí)施方式中，本公開提供組合物，其包括CNT并入的的纖維材料。CNT并入的纖維材料包括可纏繞維度的纖維材料、圍繞纖維材料共形地布置的隔離涂層和并入至纖維材料的CNT。CNT向纖維材料的并入可以包括各CNT向纖維材料的直接結(jié)合或者通過過渡金屬NP、隔離涂層或者二者間接結(jié)合的結(jié)合基序。不受理論束縛，用作CNT形成催化劑的過渡金屬NP可以通過形成CNT生長種子結(jié)構(gòu)催化CNT生長。在一個實(shí)施方式中，CNT形成催化劑可以保持在纖維材料的底部，通過隔離涂層鎖定，并且并入至纖維材料的表面。在這種情況下，通過過渡金屬納米顆粒催化劑首先形成的種子結(jié)構(gòu)足夠用于繼續(xù)的非催化的接種CNT生長，而不使催化劑沿CNT生長的前沿移動，如在本領(lǐng)域中通常觀察到的。在這種情況下，NP作為CNT與纖維材料的連接點(diǎn)。隔離涂層的存在也可導(dǎo)致另外的間接結(jié)合基序。例如，CNT形成催化劑可被鎖定在隔離涂層中，如上所述，但是不與纖維材料表面接觸。在這種情況下，產(chǎn)生具有布置在CNT形成催化劑和纖維材料之間的隔離涂層的堆疊結(jié)構(gòu)。在任一情況中，形成的CNT被并入至纖維材料。在一些實(shí)施方式中，一些隔離涂層仍允許CNT生長催化劑跟隨生長的納米管的前沿。在這樣的情況中，這可以導(dǎo)致CNT與纖維材料，或者任選地與隔離涂層的直接結(jié)合。不管在CNT和纖維材料之間形成的實(shí)際結(jié)合基序的性質(zhì)如何，并入的CNT是堅(jiān)固的并且允許CNT并入的纖維材料表現(xiàn)CNT性能和/或特性。再一次，不受理論束縛，當(dāng)在纖維材料上生長CNT時，可存在于反應(yīng)室中的高溫和/或任何殘留的氧氣和/或濕氣可以破壞纖維材料。而且，通過與CNT形成催化劑本身反應(yīng)，纖維材料本身可被破壞。即，在用于CNT合成的反應(yīng)溫度，纖維材料可表現(xiàn)為催化劑的碳原料。這種過量的碳可以擾亂碳原料氣的受控制引入，并且甚至通過使其過載碳，可以用于使催化劑中毒。本公開中使用的隔離涂層被設(shè)計(jì)以促進(jìn)纖維材料上的CNT合成。不被理論束縛，涂層可以為熱降解提供絕熱層和/或可以是物理的阻擋層，防止纖維材料暴露于高溫下的環(huán)境。可選地或者另外地，其可將CNT形成催化劑和纖維材料之間表面積接觸最小化，和/或其可減小在CNT生長溫度下纖維材料暴露于CNT形成催化劑。提供具有CNT并入的纖維材料的組合物，在其中CNT長度基本一致。在連續(xù)的方法中，CNT生長室中纖維材料的停留時間可被調(diào)節(jié)以控制CNT生長和最終地控制CNT長度。這提供了控制生長的CNT的特定性質(zhì)的手段。通過調(diào)節(jié)碳原料和載體氣流速和反應(yīng)溫度，CNT長度也可被控制。通過控制，例如用于制備CNT的催化劑的尺寸，可以獲得CNT性質(zhì)的另外控制。例如，特別地，Inm過渡金屬納米顆粒催化劑可被用于提供SWNT。更大的催化劑可被用于主要制備MWNT。另外，使用的CNT生長方法對于提供在纖維材料上具有均勻地分布的CNT的CNT并入的纖維材料是有用的，同時避免了可在該方法中發(fā)生的CNT的成束和/或聚集，在該方法中預(yù)形成的CNT懸浮或者分散在溶劑溶液中并且用手施加于纖維材料。這種聚集的CNT趨于微弱地粘附于纖維材料，并且微弱地表達(dá)特有的CNT性質(zhì)，如果存在的話。在一些實(shí)施方式中，最大分布密度，其表示為覆蓋百分率，即，覆蓋纖維的表面積，可以高達(dá)大約55%——假設(shè)為具有5個壁的大約8nm直徑CNT。通過將CNT內(nèi)部的空間考慮為“可填充”的空間，計(jì)算該覆蓋率。通過改變催化劑在表面上的分散以及控制氣體組成和工藝速度，可實(shí)現(xiàn)不同的分布/密度值。典型地，對于給定的參數(shù)組，在纖維表面上大約10%之內(nèi)的覆蓋百分率可被實(shí)現(xiàn)。更高的密度和更短的CNT對改進(jìn)機(jī)械性能是有用的，而具有更低密度的更長的CNT對改進(jìn)熱和電性能是有用的，盡管增加的密度仍是有利的。當(dāng)生長更長的CNT時，可以產(chǎn)生更低的密度。這可以是引起更低催化劑顆粒產(chǎn)率的更高溫度和更快生長的結(jié)^ ο具有CNT并入的纖維材料的本公開的組合物可以包括纖維材料，如，單條絲、纖維紡線、纖維絲束、帶材、纖維-編織物、織造織物、非織造纖維墊、纖維板片和其他3D織造結(jié)構(gòu)。絲包括具有直徑在大約1微米至大約100微米范圍之間的尺寸的高縱橫比纖維。纖維絲束一般是緊密連接的絲的束，并且通常被扭曲在一起以產(chǎn)生紡線。紡線包括嚴(yán)密連接的扭曲絲的束。紡線中每一個絲直徑是相對均勻的。紡線具有由其‘特’或者旦(denier)描述的不同重量，‘特’表示為1000線性米的重量克數(shù)，旦表示為10，000碼的重量磅數(shù)，典型的特范圍通常在大約200特至大約2000特之間。絲束包括松散連接的未扭曲的絲的束。如在紡線中一樣，絲束中的絲直徑一般是均勻的。絲束也具有不同的重量，并且特范圍通常在200特和2000特之間。通常其特征在于絲束中的數(shù)以千計(jì)的絲，例如II絲束、24K絲束、48K絲束等等。帶材是可被組裝為織物或者可以表現(xiàn)非織造的平壓絲束的材料。帶材的寬度可變化并且一般是類似于帶的兩面的結(jié)構(gòu)。形成的方法可以與帶材一個或者兩個面上的CNT并入相容。CNT并入的帶材可以類似于平基底表面上的“地毯”或者“森林”。再一次，可以以連續(xù)的模式進(jìn)行這樣的方法以使帶材卷功能化。纖維-編織物表示密集壓緊的纖維的類似繩索的結(jié)構(gòu)。例如，這種結(jié)構(gòu)可由紡線組裝。編織的結(jié)構(gòu)可以包括中空的部分，或者可以繞另一核心材料組裝編織的結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施方式中，許多主要的纖維材料結(jié)構(gòu)可被組織為織物或者類似薄片的結(jié)構(gòu)。除上述的帶材之外，這些包括例如織造的織物、非織造的纖維墊和纖維板片。由母體絲束、紡線、絲或者類似物可組裝這種更高度有序的結(jié)構(gòu)，其中CNT已經(jīng)并入母體纖維中?？蛇x地，這種結(jié)構(gòu)可用作CNT并入方法的基底。有三種類型的基于用于產(chǎn)生纖維的前體分類的碳纖維，其任何一種可被用于本公開人造纖維、聚丙烯腈(PAN)和浙青。來自人造纖維前體的碳纖維，其是纖維素材料，具有在大約20%的相對低的碳含量并且該纖維趨于具有低的強(qiáng)度和剛度。聚丙烯腈(PAN)前體提供碳含量大約55%的碳纖維。基于PAN前體的碳纖維一般比基于其他碳纖維前體的碳纖維具有更高的拉伸強(qiáng)度，這是由于表面缺陷最少?；谑驼闱?、煤焦油和聚氯乙烯的浙青前體也可被用于生產(chǎn)碳纖維。盡管浙青成本相對低并且碳產(chǎn)率高，但在給定的批次中可能有不均勻的問題。對于并入至纖維材料有用的CNT包括SWNT、DffNT, MWNT及其混合物。待使用的確切的CNT取決于CNT并入的纖維材料的應(yīng)用。CNT可用于導(dǎo)熱性和/或?qū)щ娦詰?yīng)用，或者用作絕緣體。在一些實(shí)施方式中，并入的CNT是SWNT。在一些實(shí)施方式中，并入的CNT是MWNT0在一些實(shí)施方式中，并入的CNT是SWNT和MWNT的組合。SWNT和MWNT的特有性能有一些差異，對于纖維的一些最終用途，該差異指示一種或其它類型納米管的合成。例如，SffNT可以是半導(dǎo)體或金屬的，而MWNT是金屬的。CNT使其特有性質(zhì)諸如機(jī)械強(qiáng)度、低至中等的電阻率、高的導(dǎo)熱率、以及類似性質(zhì)賦予了 CNT并入的纖維材料。例如，在一些實(shí)施方式中，CNT并入的纖維材料的電阻率低于母體纖維材料的電阻率。更一般地，所得CNT并入的纖維材料表現(xiàn)這些特性的程度可以是纖維被CNT覆蓋的程度和密度的函數(shù)。任何數(shù)量的纖維表面積，纖維的0-55%可被覆蓋——假設(shè)為8nm直徑、5-壁MWNT (再一次，該計(jì)算認(rèn)為CNT內(nèi)的空間是可填充的)。該數(shù)字對于更小直徑的CNT更低，對于更大直徑的CNT更大。55%表面積覆蓋率等于大約15，000CNT/ym2。以取決于CNT長度的方式，可將進(jìn)一步的CNT特性賦予纖維材料，如上所述。并入的CNT長度可在如下范圍變化從大約1微米至大約500微米，包括1微米、2微米、3微米、4微米、5微米、6微米、7微米、8微米、9微米、10微米、15微米、20微米、25微米、30微米、35微米、40微米、45微米、50微米、60微米、70微米、80微米、90微米、100微米、150微米、200微米、250微米、300微米、350微米、400微米、450微米、500微米、以及其間的所有值。CNT長度也可小于大約1微米，例如包括大約0. 5微米。CNT也可大于500微米，包括例如510微米、520微米、550微米、600微米、700微米以及其間的所有值。本公開的組合物可以結(jié)合具有長度從大約1微米至大約10微米的CNT。這種CNT長度在提高剪切強(qiáng)度的應(yīng)用中可以是有用的。CNT也可具有從大約5至大約70微米的長度。如果在纖維方向排列CNT，這種CNT長度在提高拉伸強(qiáng)度的應(yīng)用中可以是有用的。CNT也可具有從大約10微米至大約100微米的長度。這種CNT長度對提高電/熱性質(zhì)以及機(jī)械性質(zhì)可以是有用的。CNT可以具有從大約100微米至大約500微米的長度，其也可以有益于提高電和熱性能。通過碳原料和惰性氣體流速的調(diào)節(jié)以及改變線速度和生長溫度，容易實(shí)現(xiàn)CNT長度的這種控制。在一些實(shí)施方式中，包括可纏繞長度的CNT并入的纖維材料的組合物可具有各種均勻區(qū)域，其具有不同長度的CNT。例如，可以期望的是具有CNT并入的纖維材料的第一部分，其具有均勻地更短的CNT長度以增強(qiáng)剪切強(qiáng)度性能，以及相同可纏繞材料的第二部分，其具有均勻更長的CNT長度以增強(qiáng)電或者熱特性。將CNT并入至纖維材料的某些方法允許具有一致性的CNT長度的控制，并且在連續(xù)的方法中允許用CNT以高的速度使可纏繞纖維材料功能化。材料停留時間在5至300秒之間，對于3英尺長的系統(tǒng)，連續(xù)方法中的線速度可大概在大約0. 5ft/min至大約36ft/min的范圍內(nèi)以及更大。選擇的速度取決于各種參數(shù)，如在下面所進(jìn)一步解釋的。在一些實(shí)施方式中，大約5至大約30秒的材料停留時間可產(chǎn)生長度在大約1微米和大約10微米之間的CNT。在一些實(shí)施方式中，大約30至大約180秒的材料停留時間可產(chǎn)生長度在大約10微米至大約100微米之間的CNT。在仍進(jìn)一步的實(shí)施方式中，大約180至大約300秒的材料停留時間可產(chǎn)生長度在大約100微米至大約500微米之間的CNT。本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，這些范圍是近似的，并且通過反應(yīng)溫度以及載體和碳原料濃度和流速，也可調(diào)節(jié)CNT長度。本公開的CNT并入的纖維材料任選地包括隔離涂層。隔離涂層可包括，例如烷氧基硅烷、甲基硅氧烷、鋁氧烷(alumoxane)、氧化鋁納米顆粒、旋涂玻璃(spin on glass)和玻璃納米顆粒。如下所述，CNT形成催化劑可被加入未固化的隔離涂層材料并且然后被一起施加于纖維材料。在其他實(shí)施方式中，在CNT形成催化劑沉積之前，隔離涂層材料可被加入纖維材料。隔離涂層材料的厚度可以足夠薄以允許CNT形成催化劑暴露于碳原料，用于隨后的CVD生長。在一些實(shí)施方式中，厚度小于或者大約等于CNT形成催化劑的有效直徑。在一些實(shí)施方式中，隔離涂層的厚度在大約IOnm至大約IOOnm之間的范圍。隔離涂層也可小于 1 Onm,包括 1 nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、1 Onm、禾口其間任何值。不受理論束縛，隔離涂層可用作纖維材料和CNT之間的中間層，并且用于將CNT機(jī)械地并入纖維材料。這種機(jī)械并入仍提供堅(jiān)固的系統(tǒng)，其中纖維材料用作組織CNT的平臺，同時仍賦予CNT的性質(zhì)于纖維材料。而且，包括隔離涂層的好處是其提供直接保護(hù)，使纖維材料免受由于暴露于濕氣引起的化學(xué)損害和/或由于在用于促進(jìn)CNT生長的溫度下加熱纖維材料引起的任何熱損害。本文公開的并入的CNT可有效地作為常規(guī)的纖維“上漿劑”的替代。并入的CNT比常規(guī)的上漿材料更加堅(jiān)固并且可以改進(jìn)復(fù)合材料中的纖維與基體界面，更通常地，改進(jìn)纖維與纖維界面。實(shí)際上，本文公開的CNT并入的纖維材料本身是復(fù)合材料，在這個意義上，CNT并入的纖維材料性能是纖維材料的性能以及并入的CNT的性能的組合。因此，本公開的實(shí)施方式提供了將期望的性能賦予纖維材料的方法，該纖維材料否則缺乏這些性能或者具有不足量的這些性能。纖維材料可被特制或者設(shè)計(jì)以滿足具體應(yīng)用的要求。由于疏水的CNT結(jié)構(gòu)，用作上漿劑的CNT可以保護(hù)纖維材料不吸收濕氣。而且，如下面進(jìn)一步例證的，疏水基體材料與疏水CNT良好地相互作用以提供改進(jìn)的纖維與基體相互作用。盡管賦予了具有上述并入的CNT的纖維材料有益的性能，但本公開的組合物可進(jìn)一步包括“常規(guī)的”上漿劑。這種上漿劑類型和功能變化廣泛，并且包括例如，表面活性劑、抗靜電劑、潤滑劑、硅氧烷、烷氧基硅烷、氨基硅烷、硅烷、硅烷醇、聚乙烯醇、淀粉、及其混合物。這種次要的上漿劑可用于保護(hù)CNT本身，或者為纖維提供并入的CNT的存在沒有賦予的進(jìn)一步性能。本公開的組合物還可以包括與CNT并入的纖維材料形成復(fù)合材料的基體材料。這種基體材料可以包括，例如環(huán)氧樹脂、聚酯、乙烯基酯、聚醚酰亞胺、聚醚酮酮(polyetherketoneketone)、聚鄰苯二酰胺、聚醚酮、聚醚醚酮、聚酰亞胺、酚醛樹脂、和雙馬來酰亞胺。在本公開中有用的基體材料可以包括已知基體材料的任何一種(見MelM. Schwartz, Composite Materials Handbook(2d ed.1992))。更一般地,基體材料可以包括樹脂(聚合物)——熱固性的和熱塑性的、金屬、陶瓷和水泥。可用作基體材料的熱固性樹脂包括鄰苯二甲酸/馬來酸(maelic)型聚酯、乙烯基酯、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、氰酸酯、雙馬來酰亞胺和內(nèi)亞甲基四氫化鄰苯二甲酸封端的聚酰亞胺(例如，PMR-15)。熱塑性樹脂包括聚砜、聚酰胺、聚碳酸酯、聚苯醚、聚硫醚、聚醚醚酮、聚醚砜、聚酰胺-酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚酰亞胺、多芳基化合物和液晶聚酯?？捎米骰w材料的金屬包括鋁的合金，諸如鋁6061、20M和713鋁黃銅(aluminium braze)?？捎米骰w材料的陶瓷包括碳陶瓷諸如硅鋁酸鋰、氧化物諸如氧化鋁和富鋁紅柱石、氮化物諸如氮化硅和碳化物諸如碳化硅?？捎米骰w材料的水泥包括碳化物基金屬陶瓷(carbide base cermets)(碳化鎢、碳化鉻和碳化鈦)、耐火水泥(鎢-氧化釷和鋇-碳酸鹽-鎳)、鉻-氧化鋁和鎳-氧化鎂、鐵-碳化鋯。上述基體材料的任何一種可被單獨(dú)或者組合地使用。盡管本發(fā)明已經(jīng)通過參考公開的實(shí)施方式被描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易理解，這些對于本發(fā)明僅是說明性的。應(yīng)該理解，可以進(jìn)行各種修改而不背離本發(fā)明的精神。
權(quán)利要求
1.設(shè)備，包括包含復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的、由水支持的結(jié)構(gòu)，所述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)至少包括第一碳納米管并入的材料，其賦予所述結(jié)構(gòu)第一功能，所述第一功能選自電阻、損壞檢測、拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、防冰、剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、抗碎裂性、電磁干擾屏蔽、雷擊保護(hù)、生物污垢預(yù)防、導(dǎo)熱性和雷達(dá)吸收；第二碳納米管并入的材料，其賦予所述結(jié)構(gòu)第二功能，所述第二功能選自電阻、損壞檢測、拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、防冰、剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、抗碎裂性、電磁干擾屏蔽、雷擊保護(hù)、生物污垢預(yù)防、導(dǎo)熱性和雷達(dá)吸收。
2.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)包含第三碳納米管并入的材料。
3.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述第一碳納米管并入的材料的碳納米管載荷量為0%。
4.權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中所述第一碳納米管并入的材料位于容易暴露于高架電 カ線的結(jié)構(gòu)上，和其中所述第一功能是電阻。
5.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述第一碳納米管并入的材料的碳納米管載荷量在0% 和2%之間。
6.權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述第一碳納米管并入的材料位于容易損壞的結(jié)構(gòu)上，和其中所述第一功能是損壞檢測。
7.權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述第一碳納米管并入的材料位于容易拉伸的結(jié)構(gòu)上，和其中所述第一功能是拉伸強(qiáng)度。
8.權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述第一碳納米管并入的材料位于容易壓縮的結(jié)構(gòu)上，和其中所述第一功能是壓縮強(qiáng)度。
9.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述第一碳納米管并入的材料的碳納米管載荷量在洲和5%之間。
10.權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述第一碳納米管并入的材料位于容易形成冰的結(jié)構(gòu)上，和其中所述第一功能是防冰。
11.權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述第一碳納米管并入的材料位于容易剪切的結(jié)構(gòu)上，和其中所述第一功能是剪切強(qiáng)度。
12.權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述第一碳納米管并入的材料位于容易破裂的結(jié)構(gòu)上，和其中所述第一功能是抗碎裂性。
13.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述第一碳納米管并入的材料的碳納米管載荷量在 5%禾ロ 40%之間。
14.權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中所述第一碳納米管并入的材料位于容易暴露于電磁干擾的結(jié)構(gòu)上，和其中所述第一功能是電磁干擾屏蔽。
15.權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中所述第一碳納米管并入的材料位于容易暴露于雷擊的結(jié)構(gòu)上，和其中所述第一功能是雷擊保護(hù)。
16.權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中所述第一碳納米管并入的材料位于容易生長有機(jī)體的結(jié)構(gòu)上，和其中所述第一功能是生物污垢預(yù)防。
17.權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中所述第一碳納米管并入的材料位于提供導(dǎo)熱性的結(jié)構(gòu)上，和其中所述第一功能是導(dǎo)熱性。
18.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述第一碳納米管并入的材料的碳納米管載荷量是梯度的。
19.權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中所述第一碳納米管并入的材料位于提供雷達(dá)吸收的結(jié)構(gòu)上，和其中所述第一功能是吸收雷達(dá)波。
20.方法，包括提供包含復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的、由水支持的結(jié)構(gòu)，所述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)至少包括第一碳納米管并入的材料，其賦予所述結(jié)構(gòu)第一功能，所述第一功能選自電阻、損壞檢測、拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、防冰、剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、抗碎裂性、電磁干擾屏蔽、雷擊保護(hù)、生物污垢預(yù)防、導(dǎo)熱性和雷達(dá)吸收；第二碳納米管并入的材料，其賦予所述結(jié)構(gòu)第二功能，所述第二功能選自電阻、損壞檢測、拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、防冰、剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、抗碎裂性、電磁干擾屏蔽、雷擊保護(hù)、生物污垢預(yù)防、導(dǎo)熱性和雷達(dá)吸收。
21.權(quán)利要求20所述的方法，其中所述第一碳納米管并入的材料和所述第二碳納米管并入的材料重疊。
22.權(quán)利要求20所述的方法，進(jìn)ー步包括測定所述第一功能；和根據(jù)所述第一功能選擇所述第一碳納米管并入的材料的第一碳納米管載荷量。
23.權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)ー步包括測定所述第二功能；和根據(jù)所述第二功能選擇所述第二碳納米管并入的材料的第二碳納米管載荷量。
全文摘要
具有復(fù)合材料?；Y(jié)構(gòu)的設(shè)備，該復(fù)合材料?；Y(jié)構(gòu)具有第一碳納米管并入的材料和第二碳納米管并入的材料。第一和第二碳納米管并入的材料均具有被選擇來提供不同功能的碳納米管載荷量范圍。
文檔編號D02G3/02GK102597345SQ201080050936
公開日2012年7月18日 申請日期2010年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月23日
發(fā)明者H·C·馬里基, J·A·休斯, M·R·奧伯丁, S·C·克蘭, S·J·馬克庫拉, T·K·沙阿 申請人:應(yīng)用納米結(jié)構(gòu)方案公司