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由復(fù)合材料制造構(gòu)件的方法和裝置的制作方法

文檔序號:4445677閱讀:124來源:國知局
專利名稱:由復(fù)合材料制造構(gòu)件的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及由復(fù)合材料制造構(gòu)件的方法和裝置。
背景技術(shù)
在液體復(fù)合基質(zhì)中利用電磁場排列碳納米管(CNT)是已知的。例如見"Aligned Single Wall Carbon Nanotube Polymer Composites Using anElectric Field"C. Park, J. Wilkinson, S. Banda, Z. 0unaies, K. E. Wise, G. Sauti, P. T. Lillehei, J. S. Harrison, Journal of Polymer Science Part B :Polymer Physics 2006, 44, 1751-1762。在該文獻(xiàn) 中可以將AC場以各種強(qiáng)度和頻率施加。 這種技術(shù)的問題是該場僅能在一個相對薄的層中排列該CNT。在整個大塊材料中 排列CNT是不可能的,因為該復(fù)合基質(zhì)的粘度必須采用足夠強(qiáng)度的場在整個體積中克服。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一方面提供一種由復(fù)合材料添加性(additively)制造構(gòu)件的方法,
該復(fù)合材料包含基質(zhì)和多個增強(qiáng)元件,該方法包括 形成所述復(fù)合材料的一系列層,每個層形成于前一層之上;禾口 在于所述復(fù)合材料之上形成下一層之前向所述復(fù)合材料施加電磁場,所述電磁場 使得至少一些所述增強(qiáng)元件旋轉(zhuǎn)。 每個層在下一層于其上形成之前,可通過將能量引導(dǎo)到所述層的經(jīng)選擇部分以使 所述層固結(jié)和/或固化。例如在本發(fā)明優(yōu)選實施方式的"粉末床"設(shè)置中,該復(fù)合材料包括 粉末,每個粉末顆粒包括多個包含于基質(zhì)中的增強(qiáng)元件;并且所述能量通過熔融所述基質(zhì) 而固結(jié)每層的經(jīng)選擇部分。在這種情況下,所述電磁場使得至少一些所述粉末顆粒旋轉(zhuǎn)。
通常,當(dāng)施加該電磁場時該復(fù)合材料被攪動,例如通過攪拌或超聲攪動。
在施加該電磁場之前該增強(qiáng)元件可被對齊,且在這種情況下所述元件可共同旋 轉(zhuǎn)。例如所述場可使它們從垂直取向共同旋轉(zhuǎn)到成角度的取向。然而優(yōu)選至少一些所述元 件彼此相對旋轉(zhuǎn),例如從無序狀態(tài)變?yōu)楣餐瑢R(co-aligned)。 通過對至少兩個所述層施加不同的電磁場可以控制所述構(gòu)件的性質(zhì)。例如各層之 間所施加場的方向、模式、強(qiáng)度和/或頻率可以變化。 通常該方法進(jìn)一步包括形成具有不同形狀、尺寸或圖案的至少兩個層。通過使各 層在所期望凈形狀(net-shape)的計算機(jī)模型的控制下形成從而使得構(gòu)件能夠以所謂的 "凈形狀"形成。 該增強(qiáng)元件通常具有伸長的結(jié)構(gòu)例如管、纖維或片。該增強(qiáng)元件可以是實心的或 者管狀的。例如所述增強(qiáng)元件可包括單壁碳納米管(CNT);多壁CNT、碳納米纖維;或者涂覆 有無定形碳或金屬層的CNT。 通常至少一種所述增強(qiáng)元件的長徑比(aspect ratio)大于100,優(yōu)選大于1000, 并且最優(yōu)選大于106。
該增強(qiáng)元件可以由任何材料如碳化硅或氧化鋁形成,但優(yōu)選該增強(qiáng)元件由碳形 成。這之所以被優(yōu)選是因為碳-碳鍵的強(qiáng)度和剛度以及在碳材料中發(fā)現(xiàn)的電學(xué)性質(zhì)。
本發(fā)明的第二方面提供了用于由復(fù)合材料添加性制造構(gòu)件的裝置,該復(fù)合材料包 含基質(zhì)和多個增強(qiáng)元件,該方法包括
構(gòu)造平臺; 系統(tǒng),所述系統(tǒng)用于在所述構(gòu)造平臺上形成復(fù)合材料的一系列層,每個層形成于 前一層之上;禾口 電極,所述電極用于在于所述復(fù)合材料之上形成下一層之前向所述復(fù)合材料施加 電磁場,所述電磁場使得至少一些所述增強(qiáng)元件旋轉(zhuǎn)。 本發(fā)明的第三方面提供了 一種復(fù)合粉末,每個粉末顆粒包含多個包含在基質(zhì)中的 增強(qiáng)元件。 本發(fā)明的第四方面提供一種制造復(fù)合粉末的方法,所述方法包括將纖維切為一系 列長度體,每個長度體均構(gòu)成粉末顆粒,該纖維包含多個包含于基質(zhì)中的增強(qiáng)元件。
通常所述纖維中的所述增強(qiáng)元件至少部分地彼此對齊。


現(xiàn)在將參照附圖來描述本發(fā)明的實施方式,其中 圖1是纖維的截面圖; 圖2顯示了被切成一系列長度體的纖維; 圖3顯示了顆粒在三維空間中無規(guī)排列的聚合物粉末的層; 圖4顯示了粉末床添加性制造系統(tǒng); 圖5顯示了利用電磁場排列的層; 圖6顯示了將聚合物粉末熔融成固結(jié)層的能量源;禾口 圖7顯示了三層的構(gòu)件。
具體實施例方式
圖1顯示了纖維1的長度的一部分。纖維1包含多個包含在聚合物基質(zhì)中的單壁 碳納米管(SWNT)2。 SWNT 2平行于纖維1的長度方向排列。 纖維1可通過包括電紡和熔紡在內(nèi)的多種方式形成。在電紡的情況下,通過對粘 性聚合物溶液的液滴(最通常在金屬針尖上)施加電場從而由該溶液拉出纖維1。該溶液 包含無規(guī)排列的SWNT,但在電紡過程中SWNT變得至少部分對齊。例如參見
-電紡碳納米管-聚合物復(fù)合材料的性能(CHARACTERISTICSOF ELECTROSPUN CARBON應(yīng)0TUBE-P0LYMERC0MP0SITES) , Heidi Schreuder-Gibson, Kris Senecal, MichaelSe皿ett, Zhongping Huang, JianGuo Wen, Wenzhi Li, Dezhi Wangl, Shaoxian Yang, Yi Tul, Zhifeng Ren & Changmo Sung,網(wǎng)絡(luò)來源http://lib. store, yahoo, net/ lib/nanolab2000/Composites. pdf-題名為"碳納米管_聚合物納米復(fù)合材料的電紡纖維的制備和電特性"的論文摘 要(Synopisis of the thesis entitled PREPARATION ANDELECTRICAL CHARACTERIZATION OF ELECTROSPUN FIBERSOF CARBON NANOTUBE-POLYMER NANOCOMPOSITES), BIBEKANANDA
5SUNDARAY,網(wǎng)絡(luò)來源 http://www. physics, iitm. ac. in/research_files/synopsis/bibek. pdf 該纖維1隨后被切成如圖2中所示的一系列短長度體3,每個長度體3構(gòu)成粉末顆粒。 該粉末隨后可被用作如圖3-6所示的粉末床添加性制造過程中的原料。注意為了 便于圖示,在圖3-6中將粉末顆粒3示意性顯示為球形而不是伸長的圓柱形。
如圖3所示,粉末顆粒3最初在三維空間中無規(guī)排列。 圖4顯示粉末床添加性制造系統(tǒng)。輥(未示出)從一對供料容器(未示出)中的 一個里獲取粉末原料并且在構(gòu)造平臺IO上滾壓粉末的連續(xù)床。如圖4所示,該輥在相鄰的 聚合物粉末顆粒之間給予一定填充度(degree of packing)。 在添加層制造系統(tǒng)中并入強(qiáng)電磁場源(即電極11, 12)和超聲攪動源,例如超聲變 巾畐器(ultrasonic horn) 14。 在超聲攪動下顆粒3可圍繞它們自己的軸自由旋轉(zhuǎn),這在一旦施加電磁場時就會 使得顆粒旋轉(zhuǎn)并且在場的方向上彼此排列起來,如圖5所示。 可以施加各種形式的電磁場。例如所述場可為直流的(DC)或交流的(AC)。電成 分或磁成分是占優(yōu)的。對合適場的實例的描述可見于 http://www.trnmag. com/Stories/2004/042104/Magnets_align_nanotubes_in_ reSin_Brief_042104. html.這篇文獻(xiàn)描述了單壁碳納米管與觸變性樹脂混合的工藝。當(dāng)該 混合物暴露于大于15特斯拉的磁場時,納米管沿場的方向排列。"利用電場排列的單壁碳納米管聚合物復(fù)合材料"(AlignedSingle Wall Carbon Nanotube Polymer Composites Using an ElectricField), C.Park, J.Wilkinson, S. Banda, Z. 0unaies, K. E. Wise, G. Sauti, P. T. Lillehei, J. S. Harrison, Journal of Polymer Science Part B :PolymerPhysics 2006,44, 1751-1762.在這篇文獻(xiàn)中,可以以各 種強(qiáng)度和頻率施加AC場以排列CNT。 在該場持續(xù)存在下,如圖6所示的熱源15隨后被開啟以熔融聚合物基質(zhì)材料并且 形成固結(jié)層16,同時保持了 CNT的整體定向。該熱源15例如可是激光,其使激光束跨越該 構(gòu)造平臺進(jìn)行掃描并且引導(dǎo)能量至所述床的經(jīng)選擇部分。該熱量熔融并固結(jié)所述床的經(jīng)選 擇部分,并且在該過程完畢之后可將任何未熔融粉末去除。 隨后重復(fù)該過程以形成如圖7所示的具有一系列層16, 21, 22的構(gòu)件20。激光束 在計算機(jī)模型的控制下進(jìn)行掃描和調(diào)控以形成具有所需凈形狀的各獨(dú)立層。注意16, 21各 層中的CNT在下一層形成于其之上之前被排列。通過以逐步的或順次的方式排列CNT(而 不是試圖同時排列所有層中的全部CNT),僅需要相對少量的能量就可以取得所期望的排列 程度。 注意可通過向至少兩個層中的原料施加不同的電磁場來控制該構(gòu)件的性質(zhì)。例如 在圖7中,SWNT在層16中相對構(gòu)造平臺以90°排列,在層21中相對構(gòu)造平臺以-45°排 列,在層22中相對構(gòu)造平臺以+45°排列。與其取向的變化一樣,所施加的場的模式、強(qiáng)度 或頻率也可在各層之間變化。 盡管上文參考一個或多個優(yōu)選實施方式對本發(fā)明進(jìn)行了描述,但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到可以 做出各種變化或改進(jìn)而不背離由所附權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的范圍。
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例如在第一替代性設(shè)置中復(fù)合材料可包含容納于槽中的光固化性液體。該槽包含 被提升為稍高于液面以形成液體薄層的構(gòu)造平臺。該薄層隨后被暴露于電磁場以使增強(qiáng)元 件旋轉(zhuǎn)。然后用激光以所選擇的圖案掃描該薄層以選擇性地固化液體。 在第二替代性設(shè)置中復(fù)合材料可從供料頭沉積到構(gòu)造區(qū)域的經(jīng)選擇部分。這種過 程的實例是所謂的"粉末進(jìn)料"法,其中粉末原料從噴嘴射出,并且在其離開該噴嘴時被熔 融。使該噴嘴跨越構(gòu)造平臺進(jìn)行掃描,并且熔融粉末流根據(jù)需要被打開或者關(guān)閉。在此情 況下,增強(qiáng)元件可以在其離開供料頭時旋轉(zhuǎn),也可以在它們被沉積之后于構(gòu)造平臺上旋轉(zhuǎn)。 注意與上面描述的方法一樣,該構(gòu)件被構(gòu)建為一系列層,但在這種情況下該層可為非平面 的和/或非水平的。
權(quán)利要求
一種由復(fù)合材料添加性制造構(gòu)件的方法,所述復(fù)合材料包含基質(zhì)和多個增強(qiáng)元件,所述方法包括形成所述復(fù)合材料的一系列層,每個層形成于前一層之上;和在于所述復(fù)合材料之上形成下一層之前向所述復(fù)合材料施加電磁場,所述電磁場使得至少一些所述增強(qiáng)元件旋轉(zhuǎn)。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法,所述方法進(jìn)一步包括每個層在下一層于其上形成之前, 將能量引導(dǎo)到所述每個層的經(jīng)選擇部分,所述能量使每個層的所述經(jīng)選擇部分固化和/或 固結(jié)。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法,其中所述復(fù)合材料包含粉末,每個粉末顆粒包含多個包 含于基質(zhì)中的增強(qiáng)元件;并且其中所述能量通過熔融所述基質(zhì)將粉末床的經(jīng)選擇部分固結(jié)。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法,其中所述電磁場使得至少一些所述粉末顆粒旋轉(zhuǎn)。
5. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法,所述方法進(jìn)一步包括在施加所述電磁場時攪 動所述復(fù)合材料。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法,其中所述復(fù)合材料被超聲攪動。
7. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法,其中至少一些所述增強(qiáng)元件相對于彼此旋轉(zhuǎn)。
8. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法,所述方法進(jìn)一步包括對至少兩個所述層施加 不同的電磁場。
9. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法,所述方法進(jìn)一步包括形成具有不同形狀、尺 寸或圖案的至少兩個所述層。
10. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法,其中所述增強(qiáng)元件包括碳納米管或碳納米 纖維。
11. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法,其中所述增強(qiáng)元件包括單壁碳納米管。
12. —種通過前述權(quán)利要求中任一項所述的方法制造的復(fù)合構(gòu)件。
13. 由復(fù)合材料添加性制造構(gòu)件的裝置,所述復(fù)合材料包含基質(zhì)和多個增強(qiáng)元件,所述 方法包括構(gòu)造平臺;系統(tǒng),所述系統(tǒng)用于在所述構(gòu)造平臺上形成復(fù)合材料的一系列層,每個層形成于前一 層之上;和電極,所述電極用于在于所述復(fù)合材料之上形成下一層之前向所述復(fù)合材料施加電磁 場,所述電磁場使得至少一些所述增強(qiáng)元件旋轉(zhuǎn)。
14. 一種復(fù)合粉末,每個粉末顆粒包含多個包含在基質(zhì)中的增強(qiáng)元件。
15. 如權(quán)利要求14所述的粉末,其中所述增強(qiáng)元件包括碳納米管或碳納米纖維。
16. 如權(quán)利要求14或15所述的粉末,其中所述增強(qiáng)元件包括單壁碳納米管。
17. 如權(quán)利要求14、 15或16所述的粉末,其中每個粉末顆粒中的所述增強(qiáng)元件至少部 分地彼此對齊。
18. —種制造復(fù)合粉末的方法,所述方法包括將纖維切為一系列長度體,每個長度體均 構(gòu)成粉末顆粒,所述纖維包含多個包含于基質(zhì)中的增強(qiáng)元件。
19.如權(quán)利要求18所述的方法,其中所述纖維中的所述增強(qiáng)元件至少部分地彼此對齊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種由復(fù)合材料制造構(gòu)件的方法,該復(fù)合材料包含基質(zhì)和多個增強(qiáng)元件(CNT),該方法包括形成所述復(fù)合材料的一系列層,每個層在其前一層之上形成;和在于所述復(fù)合材料之上形成下一層之前向所述復(fù)合材料施加電磁場,所述電磁場使得至少一些所述增強(qiáng)元件旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明還公開了一種裝置,所述裝置包括構(gòu)造平臺、用于在所述構(gòu)造平臺上形成復(fù)合材料的一系列層的系統(tǒng)和用于施加電磁場的電極。本發(fā)明公開了作為本申請的第二方面的包含CNT和基質(zhì)的復(fù)合粉末以及制造方法。
文檔編號B29C70/62GK101778713SQ200880103375
公開日2010年7月14日 申請日期2008年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月16日
發(fā)明者丹尼爾·馬克·約翰斯, 本杰明·萊昂內(nèi)爾·法默 申請人:空中客車英國有限公司
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