專利名稱：防止或除去復合結構結冰的基于cnt的電阻加熱的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及復合材料，更具體地涉及以碳納米管改性的復合材料。
背景技術：
復合材料日益暴露于眾多環(huán)境條件已增加了對這些材料的要求。一種這樣的要求包括防止或除去復合結構結冰。例如，結構諸如航空器空氣動力學表面諸如機翼、尾翼或者發(fā)動機艙的前沿上冰的形成，引起重要的技術和安全關注。薄至一(1)毫米(mm)的一層冰可能足以使飛行中的航空器不穩(wěn)定。已表明，為了防止冰的形成或者消除已經形成的冰，通過用從航空器的至少一個發(fā)動機流出并且通過加壓熱空氣循環(huán)回路傳送進入前沿內部的加壓熱空氣進行加熱，可以防止或除去這種空氣動力學表面的前沿結冰。熱空氣運行以減弱冰與表面結合，使冰動搖， 從而引起航空器后面的滑流從表面(例如機翼)移去冰并且促進其清除。防止結冰或除冰的另一方法包括置于易于堆積冰的表面之下的加熱線圈。但是， 使用植入的加熱元件要求由加熱元件產生的熱有效地傳導至結構的表面以熔化冰。在這點上，由于從植入的加熱裝置至周圍復合材料的傳熱差，有效地加熱復合材料外表面可能是困難的。盡管由于其有利的強度重量比，將復合材料用于結構諸如航空器機翼是期望的，但是由于基體諸如典型的樹脂基體的存在，這種材料通常是絕熱的。因此，由于復合材料的差的傳導性，電阻加熱受到限制。提供電阻加熱的另一方法是在復合結構的表面上施加金屬噴霧涂層。對金屬涂層施加電流，這提供電阻加熱以除去沉積在其上的任何冰。但是，這種金屬涂層導致增加的成本和復雜性，這是由于用于施加涂層的專門制造過程。而且，整體結構的重量增加削弱了由復合結構提供的優(yōu)勢。最后，這種金屬涂層易受電化腐蝕影響，使其在重復使用之后易遭受結構性故障。開發(fā)新的復合結構用于需要防止結冰或除冰的應用是有益的。本發(fā)明滿足該需求，并且也提供相關益處。發(fā)明簡述在一些方面，本文公開的實施方式涉及復合結構，其包括基體材料和包括并入至纖維材料的眾多碳納米管(CNTs)的并入碳納米管(CNT)的纖維材料。放置并入CNT的纖維材料遍及基體材料的一部分，并且該復合結構適合通過并入CNT的纖維材料施加電流以提供基體材料的加熱，從而加熱復合結構。在一些方面，本文公開的實施方式涉及用于防止結冰或除冰應用的制品，該制品包括結合在基體中的眾多并入碳納米管的纖維，從而形成復合材料。該復合材料適合于接收電流并且對電流響應，作為電阻加熱元件操作。
在一些方面，本文公開的實施方式涉及加熱元件，其包括并入CNT的纖維材料，該材料包括并入至纖維材料的眾多CNT，并入CNT的纖維材料具有足夠的比例以便為有需要的機構提供加熱。在一些方面，本文公開的實施方式涉及在復合結構表面上除冰或者防止冰形成的方法，其包括a)提供具有并入CNT的纖維材料的復合結構，和b)對并入CNT的纖維施加電流，從而加熱復合結構。附圖簡述

圖1顯示用于防止結冰或除冰應用的示例性的并入碳納米管的纖維復合材料。圖2顯示具有摻雜的基體的示例性的并入碳納米管的纖維復合材料。圖3顯示施加在用于防止結冰或除冰應用的復合材料上的、示例性的并入碳納米管的纖維復合材料涂層。圖4顯示根據本發(fā)明的一個實施方式，適合于作為電阻加熱元件操作的示例性的并入碳納米管的纖維復合材料。圖5顯示根據本發(fā)明的一個實施方式，配置在適合于作為電阻加熱元件操作的傳導帶中的、示例性的并入碳納米管的纖維復合材料。 圖6顯示通過連續(xù)的CVD方法在AS4碳纖維上生長的多層CNT (MWNT)的透射電子顯微鏡(TEM)圖像。圖7顯示通過連續(xù)的CVD方法在AS4碳纖維上生長的雙層CNT (DffNT)的TEM圖像。圖8顯示從隔離涂層(barrier coating)內生長的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械地并入至碳纖維材料表面。圖9顯示SEM圖像，其表示在碳纖維材料上生長的CNT長度分布的一致性，在大約 40微米的目標長度的20 %之內。圖10顯示SEM圖像，其表示隔離涂層對CNT生長的影響。密集的、良好排列的CNT 生長在施加隔離涂層的位置，并且在沒有隔離涂層的位置不生長CNT。圖11顯示碳纖維上的CNT的低放大率SEM，其表示在整個纖維中CNT密度的均勻性在大約10%之內。圖12顯示根據本發(fā)明的例證性實施方式，生產并入CNT的碳纖維材料的方法。圖13顯示在連續(xù)的方法中CNT如何可以并入碳纖維材料，以改進導熱和導電性為目標。發(fā)明詳述本發(fā)明部分地涉及用于防止結冰或除冰應用的復合結構，其包括基體材料和并入碳納米管(CNT)的纖維材料。并入CNT的纖維材料包括并入至纖維材料的眾多碳納米管 (CNTs)?？梢詫⒉⑷隒NT的纖維材料放置遍及基體材料的一部分，并且該復合結構適合于通過并入CNT的纖維材料施加電流以提供基體材料的加熱，從而除冰或者防止復合結構表面上冰的形成。不被理論束縛，通過提供滲透傳導性，并入CNT的纖維的CNT可以改變體相基體材料的傳導性。已模擬CNT聚合物復合材料中的滲透傳導性(Du等人，Wiys. Rev. B 72: 121404-1-121404-4，O005))。本發(fā)明中，復合結構的滲透傳導性可以是CNT與CNT點接觸、 CNT相互交叉/重疊、或者其結合的結果，如在圖1-4中所示。雖然CNT提供滲透傳導性路徑，但其并入的纖維載體提供對下列的控制1) CNT方向和各向異性的程度，2) CNT濃度，和 3)體相基體材料中CNT的位置。將并入至纖維的CNT結合在復合材料中允許使用復合結構本身作為電阻加熱元件。以這種方式，對結構諸如由這種復合材料形成的航空器(或者直升機)的機翼、機身或者尾翼裝配件除冰或防止其結冰不需要另外的加熱裝置。以其中可以實現(xiàn)質量百分比大于 3 %的纖維水平，引入CNT。并入CNT的纖維材料可以與常規(guī)基體一起使用，并且可以任選地摻雜另外的CNT，該另外的CNT不被并入至纖維，以產生復合結構。通過調節(jié)存在的CNT質量百分比，可以調整并且控制結構的電阻率，以提供適當的熱性質/傳導性質，以便將材料用作電阻加熱元件?；贑NT的復合材料可被用作結構(諸如機翼、機身和尾翼裝配件) 的目標區(qū)域的表面層，或者在整個復合結構上，其中其可被用于制造用于防止結冰或除冰應用的任何制品。并入CNT的纖維復合材料是其本身是電阻加熱元件的復合材料。并入 CNT的纖維復合材料可以采用任何類型的纖維基底，包括例如碳、玻璃、氧化鋁、碳化硅、或者Kevlar。而且，因為許多纖維類型被用于機械增強應用中，并入的CNT在增強機械強度方面可以起附加作用。本領域中使用的用于防止結冰或除冰應用的金屬噴霧涂層“加熱墊”方法使用這樣的制造方法，該方法增加成本和復雜性，在復合結構的過大表面面積上使用的金屬噴霧涂層也可增加總體結構重量。另外地，使用金屬作為電阻加熱元件帶來電化腐蝕的風險 (通過使用玻璃層-結構中弱的界面，解決該問題)，和在重復使用之后結構失敗的風險。最后，因為金屬涂層在復合結構中不是類似的材料，其可能成為復合結構中的弱點。在復合結構中結合CNT減少或者消除每一個這些問題。因為與CNT —起使用傳統(tǒng)的復合材料，制造復合結構的方法基本上保持不變。也已發(fā)展了用于在復合材料纖維上結合CNT的方法，這產生低成本的材料方案，與類似的制造能力結合產生簡單的低成本方案(無重量增加-實際上，如果也使用CNT/纖維材料作為結構元件，可減輕重量)。因為不用金屬提供電路徑， 使用CNT避免了電化腐蝕。最后，因為材料被用于在纖維中結合CNT，如果用作電阻加熱層， 其將不導致整體結構的弱化。如在本文使用，術語“纖維材料”指的是任何這樣的材料，其具有纖維作為其基本結構成分。該術語包含纖維、絲、線、絲束、絲束、帶材、織造的和非織造的織物、板片、墊、和類似的可以是織造的或者非織造的3D結構。如在本文使用，術語“可纏繞維度”指的是碳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。“可纏繞維度”的碳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)處理進行CNT并入，如在本文所示。作為玻璃、碳、陶瓷和類似的產品，可以在商業(yè)上獲得“可纏繞維度”的纖維材料。通過具有800的特(tex) 值(1 特=lg/1, 000m)或者 620 碼/lb 的 AS4 12k 碳纖維絲束(Graf il, Inc. ,Sacramento, CA)舉例說明商業(yè)可得的一種可纏繞維度的碳纖維材料。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/ll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。本發(fā)明的方法容易以5至201b.卷軸操作，盡管更大的卷軸是可用的。而且，預處理操作可被結合，其將非常大的可纏繞長度例如1001b.或者更大分割成為易于處理的尺寸諸如兩個501b卷軸。如在本文使用，術語“碳納米管”(CNT，復數是CNTs)指的是許多富勒烯族碳的圓柱形同素異形體的任一種，包括單層碳納米管(SWNT)、雙層碳納米管(DWNT)、多層碳納米管(MWNT)。CNT可以被富勒烯類似結構封端或者是開口的。CNT包括包封其他材料的那些。如在本文使用，“長度一致”指的是在反應器中生長的CNT的長度?！耙恢碌拈L度” 意味著CNT具有這樣的長度，其公差是總CNT長度加減大約20%或者更少，因為CNT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，該誤差可在從總 CNT長度的大約加減20%直到大約加減1微米之間的范圍，即，稍微多于總CNT長度的大約 20%。在信號控制(雷達吸收)中，CNT的長度(以及覆蓋的密度)可被用于調節(jié)雷達吸收，并且可被優(yōu)化以便對于目標雷達波段吸收最大。如在本文使用，“分布一致”指的是碳纖維材料上CNT密度的一致性。“一致的分布”意味著在碳纖維材料上CNT具有這樣的密度，其公差是大約加減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層的Snm直徑CNT，這相當于士 1500CNT/ μ m2。這個數字表現(xiàn)為CNT內部的空間是可填充的。如在本文使用，術語“并入的”意思是結合的，“并入”意思是結合的過程。這種結合可以包括直接共價結合、離子結合、η-η和/或范德華力-介導的(mediated)物理吸附。 例如，在一些實施方式中，CNT可被直接結合至碳纖維材料。結合可以是間接的，諸如通過隔離涂層和/或置于CNT和碳纖維材料之間的層間過渡金屬納米顆粒，CNT并入至碳纖維材料。在本文公開的并入CNT的碳纖維材料中，碳納米管可被直接地或者間接地“并入”至碳纖維材料，如上所述。CNT被“并入”至碳纖維材料的具體方式被稱作“結合基序(bonding motif)”。如在本文使用，術語“過渡金屬”指的是周期表的d-塊中的元素的任何元素或者合金。術語“過渡金屬”也包括基本過渡金屬元素的鹽形式，諸如氧化物、碳化物、氮化物以及類似物。 如在本文使用，術語“納米顆粒”或者NP (復數是NPs)或者其語法等價物指的是尺寸在當量球形直徑大約0. 1至大約100納米之間的顆粒，盡管NPs形狀不必是球形的。具體地，過渡金屬NPs用作碳纖維材料上CNT生長的催化劑。如在本文使用，術語“上漿劑(sizing agent) ”、“纖維上漿劑”或者僅“上漿”共同指的是在碳纖維的制造中使用的材料，作為涂層以保護碳纖維的完整性、提供復合材料中碳纖維和基體材料之間的增強的界面相互作用、和/或改變和/或增強碳纖維的特定物理性質。在一些實施方式中，并入至碳纖維材料的CNT表現(xiàn)為上漿劑。如在本文使用，術語“基體材料”指的是體相材料，其可用于在特定的方向包括隨機方向組織上漿的并入CNT的碳纖維材料。通過對基體材料賦予并入CNT的碳纖維材料的物理和/或化學性質的一些方面，基體材料可以受益于并入CNT的碳纖維材料的存在。如在本文使用，術語“材料停留時間(residence time) ”指的是時間的量，在本文敘述的CNT并入過程期間沿可纏繞維度的玻璃纖維材料被暴露于CNT生長條件的不連續(xù)的點。該定義包括當使用多個CNT生長室時的停留時間。通過體相基體材料可以使本發(fā)明的復合結構模制/成形成為許多結構。例如，基體材料可以形成為這樣的復合結構，該結構是飛機機翼的一部分、直升機槳葉的一部分、航空器發(fā)動機推進器槳葉的一部分。其他應用包括在寒冷的天氣環(huán)境中使用的公路/跑道、 其他飛機、航空、或者汽車部件、風輪機槳葉、雷達結構、和海上系統(tǒng)結構中的用途。在寒冷的天氣環(huán)境中，具有包括表面敏感特征的移動部件的結構也可采用本發(fā)明的復合材料。實際上，本發(fā)明的復合材料甚至可用于其中防止結冰或除冰不是主要考慮的應用中。例如，本發(fā)明的復合材料可用于保持高的操作溫度。本發(fā)明的復合結構可以包括選自環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、水泥、和玻璃的基體材料。 基體材料本身否是傳導的還是絕熱的不重要。并入CNT的纖維材料提供電阻加熱。其他基體材料可以包括，例如聚酯、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、和雙馬來酰亞胺?？捎糜诒景l(fā)明中的基體材料可以包括已知基體材料的任何一種(見Mel M. Schwartz, Composite Materials Handbook(2d ed. 1992)) 0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?？捎米骰w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材料的水泥包括金屬碳化物(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、鎳-氧化鎂、鐵-碳化鋯。其他有用的水泥材料包括，例如可被用于混凝土結構以及類似物中的波特蘭水泥。水泥基體可被用于例如道路防止結冰或除冰應用中。在一些這種實施方式中，可以用例如與街道照明系統(tǒng)結合的電氣系統(tǒng)供給并入CNT的纖維材料。具體地，環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂可被容易地用于如上所述的防止結冰或除冰的許多部件的制造中?？梢栽诒景l(fā)明的復合材料中使用的兩個示例性種類環(huán)氧樹脂包括縮水甘油基環(huán)氧樹脂和非縮水甘油基環(huán)氧樹脂?？s水甘油基環(huán)氧樹脂可以包括基于縮水甘油基醚、 縮水甘油基酯或者縮水甘油基胺的樹脂系統(tǒng)。非縮水甘油基環(huán)氧樹脂可以是脂肪族的或者脂環(huán)族的環(huán)氧樹脂。通過二羥基化合物、二元酸或者二胺和表氯醇的縮合反應，可以制備縮水甘油基環(huán)氧樹脂。通過烯屬雙鍵的過氧化反應可以形成非縮水甘油基環(huán)氧樹脂?？s水甘油基醚環(huán)氧樹脂包括例如雙酚-A的二縮水甘油基醚(DGEBA)和線型酚醛清漆環(huán)氧樹脂。 DGEBA是典型的商業(yè)環(huán)氧樹脂，并且通過使雙酚-A與表氯醇在堿性催化劑的存在下反應合成。線型酚醛清漆環(huán)氧樹脂是酚醛線型酚醛清漆樹脂——一種示例性酚醛樹脂——的縮水甘油基醚。過量的苯酚在酸性催化劑存在下與甲醛反應，以生產酚醛線型酚醛清漆樹脂。通過使酚醛線型酚醛清漆樹脂在氫氧化鈉作為催化劑存在下與表氯醇反應，可以合成線型酚醛清漆環(huán)氧樹脂。本發(fā)明的復合結構可以包括基于玻璃、碳、陶瓷、金屬、和有機材料諸如芳族聚酰胺的并入CNT的纖維材料。和基體材料一樣，基底纖維材料可以是絕熱的或者傳導的。CNT 提供必需的電阻加熱。但是，對于遍及復合結構組織CNT，纖維材料的作用是整體的。在一些實施方式中，并入CNT的纖維材料包括玻璃纖維材料。如上所述，并入CNT 的玻璃纖維材料不必結合隔離涂層，盡管可以任選地使用。在玻璃纖維材料中使用的玻璃類型可以是任何類型，包括例如，E-玻璃、A-玻璃、E-CR-玻璃、C-玻璃、D-玻璃、R-玻璃和 S-玻璃。E-玻璃包括具有按重量計少于的堿性氧化物的鋁硼硅酸鹽玻璃，并且主要用于玻璃增強的塑料。A-玻璃包括具有少量或者沒有氧化硼的堿石灰玻璃。E-CR-玻璃包括具有按重量計少于的堿性氧化物的鋁石灰硅酸鹽，并且具有高的耐酸性。C-玻璃包括具有高的氧化硼含量的堿石灰玻璃，并且用于例如玻璃定長纖維。D-玻璃包括硼硅酸鹽玻璃，并且具有高的介電常數。R-玻璃包括硅鋁酸鹽玻璃，其沒有MgO和CaO，并且具有高的機械強度。S-玻璃包括硅鋁酸鹽玻璃，其沒有CaO但有高的MgO含量，并且具有高的拉伸強度。這些玻璃類型中的一種或者多種可被加工入上述的玻璃纖維材料。在具體的實施方式中，玻璃是E-玻璃。在其他實施方式中，玻璃是S-玻璃。有三種類型的基于用于產生纖維的前驅體分類的碳纖維，其任何一種可被用于本發(fā)明人造纖維、聚丙烯腈(PAN)和浙青。來自是纖維素材料的人造纖維前驅體的碳纖維具有在大約20%的相對低的碳含量并且該纖維趨于具有低的強度和剛性。聚丙烯腈(PAN)前驅體提供碳含量大約55%的碳纖維。基于PAN前驅體的碳纖維一般地比基于其他碳纖維前驅體的碳纖維具有更高的拉伸強度，這是由于表面缺陷最少?；谑驼闱唷⒚航褂秃途勐纫蚁┑恼闱嗲膀岓w也可被用于生產碳纖維。盡管浙青成本相對低并且碳產率高，但在給定的批次中可能有不均勻的問題。在一些實施方式中，如果并入CNT的纖維材料包括陶瓷纖維材料。在陶瓷纖維材料中使用的陶瓷類型可以是任何類型，包括例如，氧化物諸如氧化鋁和氧化鋯，碳化物諸如碳化硼、碳化硅和碳化鎢和氮化物諸如氮化硼和氮化硅。其他陶瓷纖維材料包括例如硼化物和硅化物。陶瓷纖維也可以包括玄武巖纖維材料。陶瓷纖維材料可以存在為具有其他纖維類型的復合材料。例如，找到也結合玻璃纖維的類似織物的陶瓷纖維材料是常見的。本發(fā)明的復合材料可以結合以絲束、粗紗、帶材、線、編織物、織物和其他3D織造結構的形式的纖維材料。雖然通過本文描述的方法也可使各種墊、織造的和非織造的織物和類似物功能化，但在這些母體材料的CNT功能化之后由母體絲束、線或者類似物產生這種更有序的結構也是有可能的。例如，由并入CNT的纖維絲束可產生并入CNT的織造織物。對于并入至碳纖維材料有用的CNT包括單層CNT、雙層CNT、多層CNT及其混合物。 使用的精確的CNT取決于并入CNT的碳纖維的應用。CNT可被用于熱導和/或電導應用，或者作為絕熱體。在一些實施方式中，并入的碳納米管是單層納米管。在一些實施方式中，并入的碳納米管是多層納米管。在一些實施方式中，并入的碳納米管是單層和多層納米管的結合。在單層和多層納米管的特有性質中存在一些差異，對纖維的一些最終用途，該差異決定一種或者另一類型納米管的合成。例如，單層納米管可以是半導體的或者金屬的，而多層納米管是金屬的。提供具有并入CNT的纖維材料的復合材料，其中CNT基本上長度相同。在本文下面描述的連續(xù)方法中，可以調節(jié)纖維材料在CNT生長室中的停留時間以控制CNT生長，并且最終控制CNT長度。這提供了控制生長的CNT特定性質的方法。通過調節(jié)碳原料和載氣流速和反應溫度，也可控制CNT長度。通過控制例如用于制備CNT的催化劑的大小，可以獲得 CNT性質的另外控制。例如，Inm過渡金屬納米顆粒催化劑可被用于特別提供SWNT。更大的催化劑用于主要制備MWNT。另外，下述的CNT生長方法可用于提供這樣的并入CNT的纖維材料，其具有在纖維材料上均勻地分布的CNT，同時避免了 CNT的成束和/或聚集，CNT的成束和/或聚集可能發(fā)生在預形成的CNT懸浮或者分散在溶劑溶液中并且用手施加于纖維材料的方法中。這種聚集的CNT趨于微弱地粘附于纖維材料，并且微弱地表達特有的CNT性質，如果存在的話。 在一些實施方式中，最大分布密度，其表示為覆蓋百分率，即，覆蓋纖維的表面積，可以高達大約55%——假設為具有5層的大約Snm直徑CNT。通過將CNT內部的空間考慮為“可填充”的空間，計算該覆蓋率。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，不同的分布/密度值可被實現(xiàn)。典型地，對于給定的參數組，在纖維表面上大約10%之內的覆蓋百分率可被實現(xiàn)。更高的密度和更短的CNT對改進機械性質是有用的，而具有更低密度的更長的CNT對改進熱和電性質是有用的，盡管增加的密度仍是有利的。當生長更長的CNT時，更低的密度可以產生。這可以是引起更低催化劑顆粒產率的更高溫度和更快生長的結果。CNT使其特有性質諸如機械強度、低至中等的電阻率、高的熱導率、以及類似性質賦予了并入CNT的纖維材料。例如，在一些實施方式中，并入碳納米管的碳纖維材料的電阻率低于母體碳纖維材料的電阻率。更一般地，所得并入CNT的纖維表現(xiàn)這些特性的程度可以是碳纖維被碳納米管覆蓋的程度和密度的函數。任何數量的纖維表面積，纖維的0-55%， 可被覆蓋——假設為8nm直徑、5-層MWNT(再一次，該計算認為CNT內的空間是可填充的)。 該數字對于更小直徑的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/微米2。以取決于CNT長度的方式，可將進一步的CNT性質賦予碳纖維材料，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。本發(fā)明的復合材料可以結合具有長度從大約1微米至大約10微米的CNT的并入 CNT的纖維。這種CNT長度在提高剪切強度的應用中可以是有用的。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長度在提高拉伸強度的應用中可以是有用的。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/熱性質以及機械性質可以是有用的。本發(fā)明中使用的方法也可提供具有長度從大約 100微米至大約500微米的CNT，其可以有益于提高電和熱性質。通過調節(jié)碳原料和惰性氣體流速以及改變線速度和生長溫度，容易實現(xiàn)CNT長度的這種控制。在一些實施方式中，包括可纏繞長度的并入CNT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，可以期望的是具有并入CNT的碳纖維材料的第一部分，其具有均勻地較短的CNT長度以增強剪切強度性質，以及相同可纏繞材料的第二部分，其具有均勻較長的CNT長度以增強電或熱性質。以該方式，可以設計復合結構，以具有設計用于防止結冰或除冰應用的表面結構，同時主體具有較短的CNT以增強機械強度?？衫p繞的纖維材料的連續(xù)CNT合成有利于復合材料的設計和流線型加工。在一些實施方式中，本發(fā)明的復合結構可進一步包括分散遍及基體材料的眾多 “松散的” CNT?！八缮⒌摹币馑际荂NT被引入基體材料中而不并入纖維材料。例如，這對于進一步增加滲透路徑是有用的。“松散的”CNT可用于增強或者微調所得的納米復合結構的電導率。用大量松散的CNT摻雜基體可以增加滲透路徑，進一步增加復合材料傳導率。較少松散的CNT減少滲透路徑，以降低傳導率。用松散的CNT可以精確控制納米復合結構的傳導率，產生可根據作為系統(tǒng)包括防止結冰或除冰系統(tǒng)的目標的加熱功率進行調節(jié)的特定電阻。在一些實施方式中，通過僅使用并入CNT的纖維，或者與松散的CNT結合，可以獲得電阻率的范圍。例如，并入CNT的碳纖維可以提供小于大約10歐姆-米的電阻率，包括但不限于，小于10、9、8、7、6、5、4、3、2、1、0. 5、或者0. 1歐姆-米，以及其間的任何值。玻璃纖維可以提供更寬系列的電阻率，從IO5歐姆-米至低至小于0. 1歐姆-米，包括但不限于，105、104、103、100、50、20、10、5、4、3、2、1、0· 5或者0. 1歐姆-米，以及其間的任何值?？梢愿鶕o定大小的結構的期望電阻，調節(jié)電阻率。通過至少下列因素可以完成調節(jié)電阻率 1)并入CNT的纖維類型的選擇，如通過上述的玻璃和碳纖維之間的差異舉例的，幻每一種并入CNT的纖維的量，3)并入至纖維的CNT的密度，和4)松散的CNT包括例如金屬SWNT、 MWNT或者類似物的任選使用。本發(fā)明的復合結構可以容易適合于通過所述并入CNT的纖維材料施加電流，以提供基體材料的加熱，從而除冰或者防止冰在復合結構的表面上形成。在一些實施方式中，提供的電流是在從大約< 1至大約M伏特之間電壓下的DC電流。在其他實施方式中，提供的電流是在從大約60至大約480伏特之間電壓下的AC電流。復合材料的并入CNT的纖維材料可被連接至提供任一類型電流的導線。在一些實施方式中，可以將與電源的連接與例如在航空器中的已有電系統(tǒng)結合。在一些實施方式中，本發(fā)明提供加熱元件，其包括并入CNT的纖維材料，該材料包括并入至纖維材料的眾多CNT，并入CNT的纖維材料提供電阻加熱。在一些這種實施方式中，可以放置加熱用并入CNT的纖維材料遍及基體材料的一部分。作為加熱元件，纖維材料可作為選自絲束、線、帶材、帶的絲狀結構供給，并且可由選自碳、玻璃、陶瓷、和如本文上述的有機物的材料制成。在一些實施方式中，加熱元件不需要包括基體材料。例如，并入CNT的纖維材料其本身可被用作裸露的加熱元件。這種加熱元件通過焦耳加熱的過程將電轉化為熱。經過元件的電流遇到電阻，導致元件的加熱。本發(fā)明的加熱元件可以以類似于已知加熱元件諸如鎳鉻電熱絲、帶、或者條的方式起作用。利用并入CNT的纖維的加熱元件可以是絲或者帶， 直的或者盤繞的。例如，本發(fā)明的加熱元件可被用于許多商品中，諸如烤箱、吹風機、用于工業(yè)加熱的爐子、地板采暖、屋頂加熱、道路加熱以熔雪、和干燥器中。本發(fā)明的上述復合材料和加熱元件可被用于除冰或者防止冰在復合結構表面上形成的方法中。這種方法包括提供如上所述的復合結構或者加熱元件，并且對并入CNT的纖維施加電流，從而產生電阻加熱。如上所述，電流的施加可以是DC或者AC電流的形式。在一些實施方式中，本發(fā)明提供用于防止結冰或除冰應用的制品，該制品包括結合至基體中的眾多并入碳納米管的纖維，從而形成復合材料。該復合材料適合于接收電流， 并且對電流響應，與電阻加熱元件一樣操作。該制品任選地摻雜有遍及基體的松散的碳納米管。制品的示例性實施方式包括航空器表面，其包括并入(CNT)的纖維復合材料。已指出碳納米管至少沿著碳納米管的軸是良好的熱導體，適合用于這種應用。理論上預測碳納米管在室溫下能夠傳遞高達大約6000瓦每米每開，這比金屬諸如銅的傳熱能力高超過 15倍。也已指出，碳納米管，尤其是單層碳納米管，可以是良好的電導體，這取決于納米管的結構。例如，具有手性向量(n，m)其中η = m的“扶手椅”納米管是金屬性的，并且理論上運載大約4X IO9安培每平方厘米(A/cm2)的電流密度，這比金屬諸如銅的載流能力高超過 1000倍。已知多層碳納米管也是良好的導體。在一種構造中，制品包括并入CNT的纖維復合材料，該復合材料具有滲入基體中的并入CNT的纖維。使用在此和下文進一步描述的一種或者多種技術可以使這種并入CNT 的纖維生長。包括多至大約12，000個纖維的纖維絲束可被運輸至纖維伸展站，該站分離纖維。然后纖維進入纖維表面改性站，用于使纖維的表面“粗糙化”以促進催化劑沉積。表面改性之后，將催化劑施加至纖維。碳納米管合成發(fā)生在CNT生長室中，其中所述負載催化劑的纖維首先被加熱。加熱之后，在示例性化學氣相沉積方法中，纖維易于接收碳原料氣。作為催化劑暴露于碳原料氣的結果，碳納米管生長或者被“并入”在纖維上?，F(xiàn)在參考圖1，根據本發(fā)明的第一實施方式示意性地圖解復合材料100的橫截面視圖。復合材料100適合于制作結構，諸如空氣動力學表面結構，包括航空器(包括直升機)的機翼、機身和尾翼裝配件，具有期望的熱和電特性。復合材料100的增強的電導率保證電流的有效傳導，這可被用于電阻加熱應用。類似地，復合材料100的增強的熱導率保證由電流的通過產生的熱有效地傳遞至復合材料100的表面。復合材料100包括基體140中的眾多纖維或者絲110。用碳納米管120并入纖維110。在示例性實施方式中，纖維110可以是玻璃(例如，E-玻璃、S-玻璃、D-玻璃)纖維。在另一實施方式中，纖維110可以是碳 (石墨)纖維。其他纖維諸如聚酰胺(芳族的聚酰胺、芳族聚酰胺(Aramid))(例如，芳綸 29 (Kevlar 29)和芳綸49(Kevlar 49))、金屬纖維(例如，鋼、鋁、鉬、鉭、鈦、和鎢)、一碳化鎢、陶瓷纖維、金屬陶瓷纖維(例如，鋁-二氧化硅)、纖維素纖維、聚酯、石英和碳化硅也可被使用。在示例性實施方式中，通常在纖維110的外表面上生長碳納米管120?？梢栽谠辉诶w維110上生長碳納米管120。例如，玻璃纖維110可被供給經過保持在大約500°C至 750°C的給定溫度的生長室。然后在催化劑納米顆粒的存在下，將含碳原料氣引入至生長室，其中碳自由基分解并且引發(fā)玻璃纖維上碳納米管的形成。在一種構造中，為產生復合材料100，并入CNT的纖維110被傳遞至樹脂浴。在另一構造中，可由并入CNT的纖維110紡織織物，并且織物被傳遞至樹脂浴。樹脂浴包含用于生產包括并入CNT的纖維110和基體140的復合材料100的任何樹脂。在一種構造中，基體140可以采取環(huán)氧樹脂基體的形式。在另一構造中，基體140可以是通用聚酯(諸如鄰苯二甲酸聚酯)、改進的聚酯(諸如間苯二甲酸聚酯)、酚醛樹脂、聚氨酯和乙烯基酯中的一種?；w140也可采取非樹脂基體(例如，陶瓷基體)的形式，該形式對需要更高操作溫度下的性能的應用諸如航空航天和/或軍事相關應用是有用的?？梢岳斫饣w140也可采取金屬基體的形式?？梢岳靡阎膹秃喜牧现圃旆椒?，諸如真空輔助的樹脂并入方法和樹脂擠出方法，用于以樹脂基體浸漬并入CNT的纖維110或者由其織造的織物。例如，并入CNT的纖維110或者由其織造的織物可被放置在模具中，并且將樹脂并入其中。在另一構造中，并入CNT的纖維110或者由其織造的織物可被放置在模具中，該模具然后被抽空以吸引樹脂經過其中。在另一構造中，可以通過纏繞以"0/90"方向紡織并入CNT的纖維110，S卩，在一個方向(比如，在大約0° )纏繞并入CNT的纖維100的第一層或者面板，并且在垂直于第一層或者面板的另一方向(即，在大約90° )纏繞并入CNT的纖維110的第二層或者面板。 認為，以"0/90"方向，復合材料100可改進碳納米管120的相互交叉，產生復合材料100 的改進的熱導率。用碳納米管120并入的纖維110被結合在熱固性塑料基體(例如，環(huán)氧樹脂基體)140中以產生復合材料100。在基體中結合纖維的方法在本領域是眾所周知的，并且因此不進一步詳細描述。在一種構造中，使用高壓固化方法可將并入CNT的纖維110結合在基體140中。已指出，復合材料的CNT載荷量表示給定復合材料中碳納米管的重量百分比。 生產基于CNT的復合材料的大多數方法包括直接將碳納米管混合入起始復合材料的樹脂/ 基體。在最終的復合材料中，由該類方法產生的復合材料限于最大大約五的碳納米管。另一方面，復合材料100可具有CNT載荷量超過25wt%。已表明，使用并入CNT的纖維 110，復合材料具有高達60wt%的CNT載荷量。材料通過電阻加熱的產熱能力取決于其電導率。復合材料100的總電導率至少部分地是復合材料100的CNT載荷量的函數。因此，復合材料100的產熱能力至少部分地是復合材料100的CNT載荷量的函數。同樣地，材料的傳熱效率取決于其熱導率。復合材料100的總熱導率至少部分地是復合材料100的CNT載荷量的函數。因此，復合材料100的傳熱效率至少部分地是復合材料100的CNT載荷量的函數。因此，由于電阻加熱以及復合材料100的傳熱效率，復合材料100的高CNT載荷量增強產熱能力。通過調整復合材料100的CNT重量百分比，可以調節(jié)復合材料100的傳導率為給定要求。具有結合在其中的并入CNT的纖維的上述復合材料100適合于制作具有期望的電和熱特性的結構，例如用于防止結冰或除冰應用。也考慮，復合材料100可被用于制作航空器的機翼結構或者其元件、雷達結構以及可能暴露于環(huán)境并且冰在其上不期望的積累可能不利地影響其操作的其他結構。例如，對于其重量和強度特性有用的復合結構有時不適合于防止結冰或除冰應用，這是因為其相對差的熱導性?？梢杂媒饘賴婌F涂覆這種復合材料以改進其熱導性。但是，這種方法可能增加重量、復雜性和成本(例如，對于金屬增強的復合材料)，并且由于電化腐蝕易于損壞。具有并入CNT的纖維110的復合材料100消除了對金屬噴霧的需要，同時保持與復合材料相關的有用特性。另外，復合材料100消除了對單獨的電阻加熱元件的需要，因為復合材料100本身被配置為作為電阻加熱元件起作用?，F(xiàn)在參考圖2，根據本發(fā)明的另一實施方式，示意性地圖解復合材料200的橫截面視圖。并入CNT的纖維復合材料200大體類似于復合材料100并且包括眾多纖維210和基體140。在一些這種實施方式中，用碳納米管220摻雜基體140。在一種構造中，基體140 可以是樹脂基體。也可使用本文所述的其他基體材料。用碳納米管220摻雜基體140進一步增強基體140的熱導率和電導率，并且因此增強整體復合材料200的熱導率和電導率?，F(xiàn)在參考圖3，示意性地圖解放置在復合材料350的頂表面355上的并入CNT的纖維復合材料100的涂層。在一種構造中，復合材料350可以采取常規(guī)的復合材料玻璃或者玻璃增強塑料的形式。在另一構造中，復合材料350可以采取碳纖維復合結構或者碳纖維增強的塑料結構的形式。復合材料350其本身通常不適合用于利用良好電導性和熱導性的防止結冰或除冰應用。但是，通過施加包括并入CNT的纖維210的涂層或者層100至復合材料350的表面355上，結合(即，復合材料350和并入CNT的纖維復合材料100的結合) 表現(xiàn)顯著增強的電導性和熱導性。在一種構造中，可以紡織并入CNT的纖維210，以形成織物。在一種構造中，纖維 210的涂層可具有范圍從大約20納米(nm)至大約12. 5毫米(mm)的厚度。雖然為了簡明起見，圖解的實施方式描述了單層的纖維210，但可以理解多層的纖維210可被用于在復合材料350上形成涂層?？蛇M一步理解，并入CNT的纖維復合材料200 (具有用碳納米管摻雜的基體140)的涂層或者層可結合常規(guī)的復合結構，用于防止結冰或除冰應用。使用并入CNT的纖維復合材料100作為另一復合材料上的涂層的優(yōu)勢是并入CNT 的纖維復合材料100的涂層能夠使用具有差的熱導性和/或電導性的材料，用于防止結冰或除冰應用，同時保持其在重量和強度方面的優(yōu)勢和其他期望的特性?，F(xiàn)在參考圖4，圖解的是并入CNT的纖維復合材料100，其配置用于防止結冰或除冰應用。電源電壓450經過并入CNT的纖維電極MOa和MOb電連接至復合材料100，以產生經過復合材料100的電流。由于電阻加熱，流經并入CNT的纖維110和相關碳納米管130 的電流產生熱。在并入CNT的纖維110上不連續(xù)位置，產生的熱通過并入CNT的纖維110 被有效地傳遞至復合材料100的表面?？梢哉{整并入CNT的纖維110的間隔以提供不同水平的加熱。并入CNT的纖維110之間的該距離可以在范圍0.25至大于2英寸之間。復合材料100消除了對單獨的電阻加熱元件的需要?，F(xiàn)在參考圖5，圖解的是配置用于防止結冰或除冰應用的并入CNT的纖維復合材料100?？梢岳斫?，可以類似地配置復合材料200用于防止結冰或除冰應用。電壓電源450 被電連接至復合材料100以產生經過復合材料100的電流。由于電阻加熱，流經并入CNT 的纖維110和相關碳納米管130的電流產生熱。通過并入CNT的纖維110和相關的碳納米管130 (和碳納米管220——在復合材料200的情況下)，產生的熱被有效地傳遞至復合材料100的表面。復合材料100、200消除了對單獨的電阻加熱元件的需要。示例性的并入CNT的纖維材料是并入碳納米管(“并入CNT的”)的碳纖維材料。 關于碳纖維材料的下列討論僅是示例性的。在本文提供的關于碳纖維材料的教導和指導下，本領域技術人員可了解利用本文所述的方法制造其他并入CNT的纖維材料的能力，包括玻璃纖維材料、陶瓷纖維材料、金屬纖維材料和有機纖維材料，包括但不限于芳族聚酰胺纖維、纖維素纖維材料和其他天然的和合成的有機纖維。例如，并入至碳纖維材料的CNT可以改變碳纖維材料的各種性質，諸如熱和/或電傳導性、和/或拉伸強度。用于制造并入CNT的碳纖維材料的方法提供CNT基本一致的長度和分布，以均勻地在正改進的碳纖維材料上給予其有用的性質。此外，本文公開的方法適合于產生可纏繞維度的并入CNT的碳纖維材料。本公開描述制造并入CNT的碳纖維材料的方法。本文公開的方法可被應用于之前從頭產生的起始碳纖維材料，或者代替地，將典型的上漿溶液應用于碳纖維材料?？蛇x地， 本文公開的方法可以利用商業(yè)的纖維材料，例如已具有施加至其表面的上漿劑的碳絲束。 在這種實施方式中，上漿劑可被清除以提供碳纖維材料和合成的CNT之間的直接界面，盡管隔離涂層和/或過渡金屬顆?？勺鳛樘峁╅g接并入的中間層，如在下面進一步解釋。CNT合成之后，若需要，進一步的上漿劑可被施加于纖維材料。在一些實施方式中，本發(fā)明提供包括并入碳納米管(CNT)的碳纖維材料的復合材料。并入CNT的碳纖維材料包括可纏繞維度的碳纖維材料、繞碳纖維材料共形地放置的隔離涂層、和并入至碳纖維材料的碳納米管(CNT)。CNT至碳纖維材料的并入可以包括各個 CNT至碳纖維材料的直接結合或者通過過渡金屬NP、隔離涂層或者二者間接結合的結合基序。不被理論束縛，用作CNT形成催化劑的過渡金屬NP通過形成CNT生長種子結構可以催化CNT生長。在一個實施方式中，CNT形成催化劑可以保持在碳纖維材料的底部，通過隔離涂層鎖定，并且并入至碳纖維材料的表面。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構足夠用于繼續(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，如在本領域中通常觀察到的。在這種情況下，NP作為CNT與碳纖維材料的連接點。隔離涂層的存在也可導致另外的間接結合基序。例如，CNT形成催化劑可被鎖定在隔離涂層中，如上所述，但是不與碳纖維材料表面接觸。在這種情況下，具有放置在CNT形成催化劑和碳纖維材料之間的隔離涂層的堆疊結構產生。在任一情況中，形成的CNT被并入至碳纖維材料。在一些實施方式中，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，這可以導致CNT與碳纖維材料，或者任選地與隔離涂層的直接結合。不管在碳納米管和碳纖維材料之間形成的實際結合基序的準確性質如何，并入的 CNT是堅固的并且允許并入CNT的碳纖維材料表現(xiàn)碳納米管性質和/或特性。再一次，不被理論束縛，當在碳纖維材料上生長CNT時，可存在于反應室中的高溫和/或任何殘留的氧氣和/或濕氣可以破壞碳纖維材料。而且，通過與CNT形成催化劑本身反應，碳纖維材料本身可被破壞。即，在用于CNT合成的反應溫度，碳纖維材料可表現(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。本發(fā)明中使用的隔離涂層被設計以促進這種富含碳的碳纖維材料上的CNT合成。不被理論束縛，涂層可以為熱降解提供絕熱層和/或可以是物理的隔層，防止碳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形成催化劑和碳纖維材料之間接觸表面積最小化，和/或其可減小在CNT生長溫度下碳纖維材料暴露于CNT 形成催化劑。具有并入CNT的碳纖維材料的本發(fā)明組合物可以包括碳纖維材料，諸如，碳絲、碳纖維紡線、碳纖維絲束、碳帶材、碳纖維-編織物、織造碳織物、非織造碳纖維墊、碳纖維板片和其他3D織造結構。碳絲包括具有直徑在大約1微米至大約100微米范圍之間尺寸的高縱橫比碳纖維。碳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生紡線。紡線包括嚴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’或者旦描述的不同重量，‘特’表示為1000線性米的重量克數，旦表示為10，000 碼的重量磅數，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絲數以千計，例如1 絲束、24K絲束、48K絲束等等。碳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。碳帶材的寬度可變化并且一般是類似于帶的兩面的結構。本發(fā)明的方法可適于在帶材的一個或者兩個面并入CNT。并入CNT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)的模式進行本發(fā)明的方法以使帶材卷功能化。碳纖維-編織物表示密集壓緊的纖維的類似繩索的結構。例如，這種結構可由碳紡線組裝。編織的結構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構。在一些實施方式中，許多主要的碳纖維材料結構可被組織為織物或者類似薄片的結構。除上述的帶材之外，這些包括例如織造的碳織物、非織造的碳纖維墊和碳纖維板片。 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構，其中CNT已經并入母體纖維中。可選地，這種結構可用作本文描述的CNT并入方法的基底。將CNT并入至碳纖維材料的本發(fā)明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以高速度使可纏繞碳纖維材料功能化。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的范圍以及更大。選擇的速度取決于各種參數，如在下面進一步解釋。在一些實施方式中，大約5至大約30秒的材料停留時間可產生具有長度在大約1 微米至大約10微米之間的CNT。在一些實施方式中，大約30至大約180秒的材料停留時間可產生具有長度在大約10微米至大約100微米之間的CNT。在仍進一步的實施方式中，大約180至大約300秒的材料停留時間可產生具有長度在大約100微米至大約500微米之間的CNT。本領域技術人員明白，這些范圍是近似的，并且通過反應溫度以及載體和碳原料濃度和流速，也可調節(jié)CNT長度。本發(fā)明的并入CNT的碳纖維材料包括隔離涂層。隔離涂層可以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碳纖維材料。在其他實施方式中，在沉積CNT形成催化劑之前，隔離涂層材料可被加入碳纖維材料。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。不被理論束縛，隔離涂層可用作碳纖維材料和CNT之間的中間層，并且用于將CNT 機械地并入碳纖維材料。這種機械并入還提供堅固的系統(tǒng)，其中碳纖維材料用作組織CNT 的平臺，而仍賦予碳纖維材料CNT的性質。而且，包括隔離涂層的好處是其提供直接保護， 使碳纖維材料免受由于暴露于濕氣引起的化學損害和/或由于在用于促進CNT生長的溫度下加熱碳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)的碳纖維“上漿劑”的替代。并入的CNT 比常規(guī)的上漿材料更加堅固并且可以改進復合材料中的纖維與基體界面，更通常地，改進纖維與纖維界面。實際上，本文公開的并入CNT的碳纖維材料本身是復合材料，在這個意義上，并入CNT的碳纖維材料性質是碳纖維材料的性質以及并入的CNT的性質的結合。因此， 本發(fā)明的實施方式提供了將期望的性質給予碳纖維材料的方法，該纖維材料否則缺乏這些性質或者具有不足量的這些性質。碳纖維材料可被調制或者設計以滿足具體應用的要求。 由于疏水的CNT結構，用作上漿劑的CNT可以保護碳纖維材料不吸收濕氣。而且，如下面進一步例證，疏水基體材料與疏水CNT良好地相互作用以提供改進的纖維與基體相互作用。盡管給予了具有并入的CNT的碳纖維材料上述有益的性質，但本發(fā)明的組合物可進一步包括“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，表面活性齊 、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CNT本身，或者為纖維提供并入CNT的存在沒有給予的進一步性質。圖5-10表示通過本文描述的方法制備的碳纖維材料的TEM和SEM圖像。在下面和在實施例I-III中進一步詳細描述制備這些材料的程序。圖5和6分別表示多層和雙層碳納米管的TEM圖像，在連續(xù)的方法中在AS4碳纖維上制備所述碳納米管。圖7表示在CNT 形成納米顆粒催化劑被機械地并入至碳纖維材料表面之后，從隔離涂層內生長的CNT的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。圖8表示SEM圖像，其表明在碳纖維材料上生長的CNT長度分布的一致性，在大約40微米的目標長度的20%之內。圖9表示SEM圖像，其表明了隔離涂層對CNT生長的影響。密集的、良好排列的CNT生長在施加隔離涂層的位置，并且在沒有隔離涂層的位置不生長CNT。圖10表示碳纖維上的CNT的低放大率SEM，其表明纖維上CNT 密度的均勻性在大約10%之內。并入CNT的碳纖維材料可被用于無數應用中。例如，切碎的并入CNT的碳纖維可被用于推進劑應用中。美國專利號4，072，546描述使用石墨纖維提高推進劑燃燒速度。并入至切碎的碳纖維上的CNT的存在可以進一步提高該燃燒速度。并入CNT的碳纖維材料也可被用于阻燃劑應用中。例如，CNT可以形成保護性的焦化層，其阻止涂覆有并入CNT的碳纖維材料層的材料的燃燒。并入CNT的傳導性碳纖維可被用于制造超導體的電極。在超導纖維的生產中，部分地由于纖維材料和超導層的不同熱膨脹系數，實現(xiàn)超導層與載體纖維的充分附著可能是有挑戰(zhàn)性的。在用CVD方法的纖維涂覆期間，在本領域出現(xiàn)另一困難。例如，反應氣體諸如氫氣或者氨氣，可進攻纖維表面和/或在纖維表面上形成不期望的烴化合物，并且使得超導層的良好附著更加困難。具有隔離涂層的并入CNT的碳纖維材料可以克服本領域的這些上述挑戰(zhàn)。在一些實施方式中，本發(fā)明提供并入CNT的連續(xù)方法，其包括(a)在可纏繞維度的碳纖維材料的表面上放置碳納米管形成催化劑；和(b)在碳纖維材料上直接合成碳納米管，從而形成并入碳納米管的碳纖維材料。對于9英尺長的系統(tǒng)，該方法的線速度可以在大約1. 5ft/min至大約108ft/min之間的范圍。通過本文描述的方法達到的線速度允許用短的生產時間形成商業(yè)相關量的并入CNT的碳纖維材料。例如，在36ft/min線速度，在設計來同時處理5個單獨的絲束QOlb/絲束)的系統(tǒng)中，并入CNT的碳纖維的量(纖維上按重量計超過5%的并入的CNT)可以每天生產超過100磅或者更多的材料。可以使系統(tǒng)通過重復生長區(qū)域以一次或者以更快的速度生產更多的絲束。而且，如在本領域已知，在CNT制作中的一些步驟具有極其慢的速度，防止了操作的連續(xù)方式。例如，在本領域已知的典型方法中，CNT形成催化劑還原步驟可以花費1-12小時完成。CNT生長本身也可以是耗時的，例如需要幾十分鐘用于CNT生長，這排除在本發(fā)明中實現(xiàn)的快速線速度。本文描述的方法克服了這類速度限制步驟。本發(fā)明的并入CNT的碳纖維材料形成方法可避免當試圖將預形成的碳納米管的懸浮液施加至纖維材料時發(fā)生的CNT纏結。即，因為預形成的CNT未并入碳纖維材料，CNT 往往成束并且纏結。結果是微弱地粘附于碳纖維材料的CNT差的均勻分布。但是，如果期望，在碳纖維材料的表面上通過減小生長密度，本發(fā)明的方法可以提供高度均勻的纏結的 CNT墊。以低密度生長的CNT首先被并入碳纖維材料中。在這種實施方式中，纖維沒有生長足夠密集以引起垂直排列，結果是碳纖維材料表面上纏結的墊。相比之下，預形成的CNT的手工施加不保證CNT墊在碳纖維材料上的均勻分布和密度。圖11描述根據本發(fā)明的例證性實施方式，生產并入CNT的碳纖維材料的方法700 的流程圖。方法700包括至少下列操作701 使碳纖維材料功能化。702 施加隔離涂層和CNT形成催化劑至功能化的碳纖維材料。704 加熱碳纖維材料至對于碳納米管合成足夠的溫度。706 在負載催化劑的碳纖維上促進CVD介導的CNT生長。在步驟701，使碳纖維材料功能化以改進纖維的表面潤濕性并且改進隔離涂層的粘附力。為使碳納米管并入至碳纖維材料，例如，在用隔離涂層共形地涂布的碳纖維材料上合成碳納米管。在一個實施方式中，按照操作702，這通過首先用隔離涂層共形地涂布碳纖維材料，然后放置納米管-形成催化劑于隔離涂層上完成。在一些實施方式中，在催化劑沉積之前可部分地固化隔離涂層。這可以提供這樣的表面其對于接收催化劑是接收性的并且允許其嵌入隔離涂層中，包括允許在CNT形成催化劑和碳纖維材料之間的表面接觸。 在這種實施方式中，在嵌入催化劑之后可完全固化隔離涂層。在一些實施方式中，與CNT形成催化劑的沉積同時地將隔離涂層共形地涂布在碳纖維材料上。CNT形成催化劑和隔離涂層處于適當的位置后，隔離涂層可被完全地固化。在一些實施方式中，在催化劑沉積之前，隔離涂層可被完全固化。在這種實施方式中，可以用等離子體處理完全固化的隔離涂布的碳纖維材料，以制備接受催化劑的表面。例如，具有固化的隔離涂層的等離子體處理的碳纖維材料可以提供粗糙的表面，CNT形成催化劑可被沉積在該表面中。用于使隔離的表面“粗糙化”的等離子體方法因此促進催化劑沉積。粗糙度典型地是在納米級別。在等離子體處理方法中，形成納米深度和納米直徑的凹坑(craters)或者凹陷(expressions)。使用任何一種或者多種各種不同氣體的等離子體， 包括但不限于氬氣、氦氣、氧氣、氮氣和氫氣，可實現(xiàn)這種表面改性。在一些實施方式中，在碳纖維材料本身中也可直接進行等離子體粗糙化。這可以促進隔離涂層對碳纖維材料的粘附。如在下面和連同圖11進一步描述的，制備催化劑為包含CNT形成催化劑的液體溶液，該催化劑包括過渡金屬納米顆粒。合成納米管的直徑與金屬顆粒的尺寸相關，如上所述。在一些實施方式中，CNT形成過渡金屬納米顆粒催化劑的商業(yè)分散體是可得的并且不經稀釋即可使用，在其他實施方式中，催化劑的商業(yè)分散體可被稀釋。是否稀釋該溶液可以取決于待生長的CNT的期望密度和長度，如上所述。參考圖11的例證性實施方式，基于化學氣相沉積(CVD)方法，說明碳納米管合成， 并且在高溫發(fā)生該碳納米管合成。具體溫度是催化劑選擇的函數，但是典型地在大約500至1000°C的范圍。因此，操作704包括加熱隔離涂布的碳纖維材料至上述范圍內的溫度以支持碳納米管合成。在操作706中，然后進行負載催化劑的碳纖維材料上的CVD-促進的納米管生長。 由例如含碳原料氣諸如乙炔、乙烯和/或乙醇，可促進CVD方法。CNT合成方法一般使用惰性氣體(氮氣、氬氣、氦氣)作為主要的載體氣體。提供碳原料為全部混合物的大約0%至大約15%之間的范圍。通過從生長室中清除濕氣和氧氣，準備CVD生長的基本惰性環(huán)境。在CNT合成方法中，CNT生長在CNT形成過渡金屬納米顆粒催化劑的位置。強的等離子體-產生電場的存在可被任選地應用以影響納米管生長。即，生長趨于沿電場的方向。通過適當地調整等離子體噴射和電場的幾何形狀，垂直排列的CNT(即，垂直于碳纖維材料)可被合成。在一定的條件下，即使沒有等離子體，緊密地間隔開的納米管保持垂直生長方向，導致類似于地毯或者森林的CNT的密集排列。隔離涂層的存在也可影響CNT生長的方向性。通過噴射或者浸漬涂布溶液或者通過例如等離子體方法的氣相沉積，可完成在碳纖維材料上放置催化劑的操作。技術的選擇可以與施加隔離涂層的方式一致。因此，在一些實施方式中，在溶劑中形成催化劑的溶液之后，通過用該溶液噴射或者浸漬涂布隔離涂布的碳纖維材料或者噴射和浸漬涂布結合，催化劑可被施加。單獨或者結合地使用的任一技術可被使用一次、兩次、三次、四次、直到許多次，以提供用CNT形成催化劑充分均勻地涂布的碳纖維材料。當使用浸漬涂布時，例如碳纖維材料可被置于第一浸漬浴中，在第一浸漬浴中持續(xù)第一停留時間。當使用第二浸漬浴時，碳纖維材料可被置于第二浸漬浴中持續(xù)第二停留時間。例如，碳纖維材料可被置于CNT形成催化劑的溶液大約3秒至大約90秒之間， 這取決于浸漬配置和線速度。使用噴射或者浸漬涂布方法，碳纖維材料具有低于大約5%表面覆蓋率至高達大約80%覆蓋率的催化劑表面密度，其中CNT形成催化劑納米顆粒幾乎是單層的。在一些實施方式中，在碳纖維材料上涂布CNT形成催化劑的方法應只是產生單層。 例如，在一堆CNT形成催化劑上的CNT生長可能損害CNT并入至碳纖維材料的程度。在其他實施方式中，使用蒸發(fā)技術、電解沉積技術和本領域技術人員已知的其他方法諸如將過渡金屬催化劑作為金屬有機物、金屬鹽或者其他促進氣相運輸的組分加入等離子體原料氣體，可將過渡金屬催化劑沉積在碳纖維材料上。因為本發(fā)明的方法被設計為連續(xù)的，可以在一連串的浴中浸漬涂布可纏繞碳纖維材料，其中浸漬涂布浴在空間上是分開的。在從頭產生初始碳纖維的連續(xù)方法中，浸漬浴或者CNT形成催化劑的噴射可以是第一個步驟，然后施加和固化或者部分地固化隔離涂層至碳纖維材料。對新形成的碳纖維材料，代替施加上漿劑，可進行隔離涂層和CNT形成催化劑的施加。在其他實施方式中，在其他上漿劑的存在下，在隔離涂層之后CNT形成催化劑可被施加在最新形成的碳纖維上。CNT形成催化劑和其他上漿劑的這種同時施加仍可提供與碳纖維材料的隔離涂層表面接觸的CNT形成催化劑，以保證CNT并入。使用的催化劑溶液可以是過渡金屬納米顆粒，其可以是如上所述的任何d-塊過渡金屬。另外，納米顆?？梢园ㄒ栽氐男问交蛘咭喳}形式及其混合物的d-塊金屬的合金和非合金混合物。這種鹽形式包括但不限于，氧化物、碳化物和氮化物。非限制性示例過渡金屬NPs包括Ni、Fe、Co、Mo、Cu、Pt、Au和Ag及其鹽和混合物。在一些實施方式中，通過與隔離涂層沉積同時地直接施加或者并入CNT形成催化劑至碳纖維材料，這種CNT形成催化劑被放置在碳纖維上。從各個供應商，包括例如i^errotec Corporation (Bedford, NH)， 許多這些過渡金屬催化劑是容易商業(yè)獲得的。用于施加CNT形成催化劑至碳纖維材料的催化劑溶液可在任何普通的溶劑中，該溶劑允許CNT形成催化劑均勻地到處分散。這種溶劑可包括但不限于，水、丙酮、己烷、異丙醇、甲苯、乙醇、甲醇、四氫呋喃(THF)、環(huán)己烷或者任何其他溶劑，其具有控制的極性以產生 CNT形成催化劑納米顆粒的適當分散體。CNT形成催化劑的濃度可在催化劑與溶劑之比為大約1 1至1 10000的范圍。當隔離涂層和CNT形成催化劑同時施加時，也可使用這樣的濃度。在一些實施方式中，碳纖維材料的加熱可在大約500°C和1000°C之間的溫度，以在CNT形成催化劑的沉積之后合成碳納米管。在碳原料的引入之前或者基本與碳原料的引入同時，在這些溫度下進行加熱以便CNT生長。在一些實施方式中，本發(fā)明提供一種方法，其包括從碳纖維材料清除上漿劑，共形地在碳纖維材料上施加隔離涂層，施加CNT形成催化劑至碳纖維材料，加熱碳纖維材料至至少500°C，以及在碳纖維材料上合成碳納米管。在一些實施方式中，該CNT并入方法的操作包括從碳纖維材料清除上漿劑，施加隔離涂層在碳纖維材料，施加CNT形成催化劑至碳纖維，加熱纖維至CNT合成溫度和在負載催化劑的碳纖維材料上進行CVD-促進的CNT生長。因此，在使用商業(yè)碳纖維材料的情況，構造并入CNT的碳纖維的方法可以包括在碳纖維材料上布置隔離涂層和催化劑之前從碳纖維材料清除上漿劑的獨立步驟。合成碳納米管的步驟可以包括形成碳納米管的許多技術，包括在共同未決的美國專利申請?zhí)朥S 2004/0M5088中公開的那些，該專利通過引用并入本文。通過本領域已知的技術，包括但不限于微腔、熱或者等離子體-增強的CVD技術、激光燒蝕、弧光放電和高壓一氧化碳(HiPCO)，在本發(fā)明的纖維上生長的CNT可被完成。具體地，在CVD期間，可直接使用CNT形成催化劑布置在其上的隔離涂層的碳纖維材料。在一些實施方式中，在CNT合成之前，任何常規(guī)的上漿劑可被清除。在一些實施方式中，乙炔氣體被電離以產生CNT合成用的冷碳等離子體的噴射。該等離子體被引導向負載催化劑的碳纖維材料。因此，在一些實施方式中，在碳纖維材料上合成CNT包括(a)形成碳等離子體；和(b)引導碳等離子體至碳纖維材料上布置的催化劑上。生長的CNT的直徑由CNT形成催化劑的尺寸控制，如上所述。在一些實施方式中，上漿的纖維基底被加熱至大約550至大約800°C之間以促進CNT合成。為引發(fā)CNT的生長，兩種氣體被釋放入反應器工藝氣體諸如氬氣、氦氣或者氮氣，和含碳氣體諸如乙炔、乙烯、乙醇或者甲烷。在CNT形成催化劑的位置生長CNT。在一些實施方式中，CVD生長是等離子體-增強的。通過在生長過程期間提供電場，等離子體可產生。在這些條件下生長的CNT可以沿電場的方向。因此，通過調整反應器的幾何形狀，垂直排列的碳納米管可繞圓柱形纖維放射狀地生長。在一些實施方式中，對繞纖維的放射狀生長，等離子體不是必需的。對具有明顯的側面的碳纖維材料，諸如帶材、墊、 織物、板片以及類似物，催化劑可被布置在一個或者兩個側面上，并且相應地，CNT也可被生長在一個或者兩個側面上。如上所述，用足以提供連續(xù)的過程以使可纏繞碳纖維材料功能化的速度進行CNT 合成。許多設備構造有利于這種連續(xù)的合成，如下面舉例。在一些實施方式中，可以在“全等離子體(all plasma)”方法中構造并入CNT的碳纖維材料。全等離子體方法可以始于用如上所述的等離子體使碳纖維材料粗糙，以改進纖維表面潤濕特性和提供更加共形的隔離涂層，以及由于使用特定的反應性氣體種類諸如氬氣或者氦氣基等離子體中的氧氣、氮氣、氫氣，通過使用碳纖維材料功能化，經由機械連鎖和化學粘附改進涂層粘附力。 隔離涂層的碳纖維材料經過許多進一步的等離子體-介導的步驟以形成最終的并入CNT的產品。在一些實施方式中，所述全等離子體方法可以包括隔離涂層固化之后的第二表面改性。這是使碳纖維材料上隔離涂層的表面“粗糙化”的等離子體方法以促進催化劑沉積。如上所述，使用任何一種或者更多各種不同氣體的等離子體，包括但不限于氬氣、 氦氣、氧氣、氨氣、氫氣和氮氣，表面改性可得以實現(xiàn)。 在表面改性之后，隔離涂層的碳纖維材料進行催化劑施加。這是在纖維上放置CNT 形成催化劑的等離子體方法。CNT形成催化劑典型地是如上所述的過渡金屬。過渡金屬催化劑可被加入等離子體原料氣體作為前驅體，形式為鐵磁流體、金屬有機物、金屬鹽或者其他促進氣相運輸的組分?？稍谑覝叵轮車h(huán)境中施加催化劑，既不需要真空也不需要惰性氣氛。在一些實施方式中，在催化劑施加之前碳纖維材料被冷卻。繼續(xù)全等離子體方法，碳納米管合成發(fā)生在CNT生長反應器中。這可以通過使用等離子體-增強的化學氣相沉積實現(xiàn)，其中碳等離子體被噴射至負載催化劑的纖維上。因為碳納米管生長發(fā)生在高溫(取決于催化劑，典型地在大約500至1000°C的范圍)，因此在暴露于碳等離子體之前，負載催化劑的纖維可被加熱。對并入方法，碳纖維材料可被任選地加熱直到其變軟。在加熱之后，碳纖維材料易于接收碳等離子體。例如，通過使含碳氣體諸如乙炔、乙烯、乙醇、以及類似氣體經過能夠使氣體電離的電場，產生碳等離子體。經過噴嘴，該冷的碳等離子體被引導至碳纖維材料。碳纖維材料可以非常接近于噴嘴，諸如在噴嘴的大約1厘米之內，以接收等離子體。在一些實施方式中，加熱器被置于等離子體噴射器處的碳纖維材料上，以保持碳纖維材料的高溫。連續(xù)的碳納米管合成的另一構造包括直接在碳纖維材料上合成和生長碳納米管的專門的矩形反應器。該反應器可被設計用于生產負載碳納米管的纖維的連續(xù)流線方法中。在一些實施方式中，通過化學氣相沉積(“CVD”)方法在大氣壓下和在大約550°C至大約800°C的范圍中的高溫在多區(qū)域反應器中生長CNT。合成發(fā)生在大氣壓下的事實是有利于反應器結合入纖維上CNT合成的連續(xù)處理生產線的一個因素。與使用這種區(qū)域反應器的流線連續(xù)處理相符的另一優(yōu)勢是CNT生長在幾秒鐘內發(fā)生，與在本領域典型的其他方法和設備構造中的幾分鐘(或者更長)不同。根據各種實施方式的CNT合成反應器包括下列特征矩形構造的合成反應器本領域已知的典胡CNT合成反應器的橫截面是圓形的。 對此有許多原因，包括例如歷史的原因(在實驗室中經常使用圓柱形反應器)和方便(在圓柱形反應器中容易模擬流體動力學，加熱器系統(tǒng)容易接受圓形的管(石英，等等))，并且易于制造。背離圓柱形的慣例，本發(fā)明提供具有矩形橫截面的CNT合成反應器。背離的原因如下1.因為可由反應器處理的許多碳纖維材料是相對平的，諸如平的帶材或者形式上類似薄片，因此圓形的橫截面是反應器體積的低效利用。這種低效導致圓柱形CNT合成反應器的若干缺點，包括例如，a)保持充分的系統(tǒng)凈化；增加的反應器體積需要增加的氣體流速以保持相同水平的氣體凈化。這導致對于開放的環(huán)境中的CNT大量生產是低效率的系統(tǒng)；b)增加的碳原料氣體流量；按照上述的a)，惰性氣體流量的相對增加需要增加碳原料氣體流量。考慮1 碳纖維絲束的體積比具有矩形橫截面的合成反應器的總體積小2000 倍。在相同的生長圓柱形反應器(即，其寬度容納與矩形橫截面反應器相同的平面碳纖維材料的圓柱形反應器)中，碳纖維材料的體積比室的體積小17，500倍。盡管氣相沉積過程諸如CVD典型地僅由壓力和溫度控制，但體積對沉積的效率具有顯著影響。用矩形反應器， 仍有過量的體積。該過量的體積促進不需要的反應；然而圓柱形反應器具有大約8倍的體積。由于這種更多的發(fā)生競爭反應的機會，在圓柱形反應器室中，期望的反應更慢地有效地發(fā)生。對于連續(xù)方法的進行，CNT生長的這種減慢是有問題的。矩形反應器構造的一個好處是可以通過使用矩形室的小高度減小反應器體積，使得該體積比更好以及反應更加有效。在本發(fā)明的一些實施方式中，矩形合成反應器的總體積比經過合成反應器的碳纖維材料的總體積大大約3000倍以下。在一些進一步的實施方式中，矩形合成反應器的總體積比經過合成反應器的碳纖維材料的總體積大大約4000倍以下。在一些仍進一步的實施方式中，矩形合成反應器的總體積比經過合成反應器的碳纖維材料的總體積大大約10，000倍以下。另外，明顯的是，當使用圓柱形反應器時，與具有矩形橫截面的反應器相比，需要更多的碳原料氣體以提供相同的流量百分數。應當理解，在一些其他實施方式中，合成反應器具有由這樣的多邊形形式描述的橫截面，該多邊形形式不是矩形但與其比較類似，并且相對于具有圓形橫截面的反應器其提供反應器體積的相似減?。籧)有問題的溫度分布；當使用相對小直徑的反應器時，從室的中心至其壁的溫度梯度是最小的。但對于增大的尺寸，諸如可被用于商業(yè)規(guī)模生產，溫度梯度增加。這種溫度梯度導致整個碳纖維材料基底上產品質量變化(即，產品質量作為徑向位置的函數變化)。當使用具有矩形橫截面的反應器時，基本避免了該問題。具體地，當使用平的基底時，反應器高度可隨基底的尺寸按比例增大而保持不變。反應器的頂部和底部之間的溫度梯度基本上可被忽略，并且因此，避免了發(fā)生的熱問題和產品質量變化。2.氣體引入因為在本領域中通常使用管式爐，典型的CNT合成反應器在一端引入氣體并且吸引其經過反應器至另一端。在本文公開的一些實施方式中，氣體可被對稱地弓I入反應器的中心或者目標生長區(qū)域之內，這或者通過側面或者通過反應器的頂部和底部板。這提高了 CNT生長總體速度，因為在系統(tǒng)的最熱部分，引入的原料氣體連續(xù)地補充，該部分是CNT生長最活躍的位置。對由矩形CNT反應器表現(xiàn)出的增加的生長速度，該恒定的氣體補充是重要的方面。分區(qū)。提供相對冷的凈化區(qū)域的室依附在矩形合成反應器的兩端。申請人已確定， 如果熱的氣體與外部環(huán)境(即，反應器的外部)混合，碳纖維材料的降解會增加。冷的凈化區(qū)域提供內部系統(tǒng)和外部環(huán)境之間的緩沖。本領域已知的典型的CNT合成反應器構造典型地需要基底被小心地(并且緩慢地)冷卻。在本矩形CNT生長反應器的出口處的冷的凈化區(qū)域在短的時間段內達到冷卻，如連續(xù)的流線處理所要求的。非接觸、熱壁的、金屬的反應器。在一些實施方式中，使用由金屬尤其是不銹鋼制成的熱壁反應器。這可能似乎有悖常理，因為金屬，尤其是不銹鋼，更容易發(fā)生碳沉積(即， 形成煙灰和副產物)。因此，多數CNT反應器構造使用石英反應器，因為有較少的碳沉積，石英容易清潔，并且石英有利于樣品觀察。但是，申請人已觀察到，不銹鋼上增加的煙灰和碳沉積導致更加一致的、更快的、更有效的和更穩(wěn)定的CNT生長。不被理論束縛，已指出，就常壓操作而言，發(fā)生在反應器中的CVD方法是擴散有限的。即，催化劑是“過量供給的”，由于其相對更高的分壓(比起假設在部分真空下操作反應器)，在反應器系統(tǒng)中太多的碳可利用。因此，在開放的系統(tǒng)中一尤其在清潔的系統(tǒng)中一太多的碳可粘附至催化劑顆粒，減弱其合成CNT的能力。在一些實施方式中，當反應器是“臟的”時，即在金屬反應器壁上具有沉積的煙灰，有意地運轉矩形反應器。一旦碳沉積成為反應器的壁上的單層，碳容易在其本身上沉積。因為由于該機制一些可用的碳被“收回”，以基團形式剩余的碳原料以不使催化劑中毒的速度與催化劑反應?，F(xiàn)有系統(tǒng)“干凈地”運轉，如果打開其用于連續(xù)的處理，其會以減小的生長速度產生CNT的低得多的產率。盡管進行如上所述的“臟的”CNT合成一般是有益的，但設備的某些部分，諸如氣體集合管和入口，當煙灰形成阻塞時可消極地影響CNT生長過程。為了解決該問題，可用抑制煙灰的涂料諸如二氧化硅、氧化鋁或者MgO保護CNT生長反應室的這些區(qū)域。實踐中，設備的這些部分可被浸涂在這些抑制煙灰的涂料中。這些涂料可用于金屬諸如INVAR ，因為 INVAR具有相似的CTE (熱膨脹系數)，這在更高的溫度保證涂層的適當粘附力，防止煙灰顯著地聚集在關鍵區(qū)域。結合的催化劑還原和CNT合成。在本文公開的CNT合成反應器中，催化劑還原和 CNT生長都發(fā)生在反應器內。這是重要的，因為如果作為單獨的操作進行，還原步驟不能足夠及時完成用于連續(xù)的方法。在本領域已知的典型的方法中，還原步驟典型地需要1-12小時完成。根據本發(fā)明，兩種操作都發(fā)生在反應器中，這至少部分地是由于碳原料氣體引入反應器的中心而不是末端的事實，碳原料氣體引入末端在使用圓柱形反應器的技術中是典型的。當纖維進入加熱的區(qū)域時發(fā)生還原過程；在此時，氣體已有時間與壁反應，并且在與催化劑反應并且引起氧化還原(通過氫基團相互作用)之前冷卻。正是在該過渡區(qū)域發(fā)生還原。在系統(tǒng)中最熱的等溫區(qū)域，發(fā)生CNT生長，最大生長速度出現(xiàn)在接近反應器中心附近的氣體入口。在一些實施方式中，當使用松散地連接的碳纖維材料諸如碳絲束時，該連續(xù)的方法可以包括展開絲束的線股和/或絲的步驟。因此，當絲束被打開，例如，使用基于真空的纖維伸展系統(tǒng)，其可被伸展。當使用可能相對硬的上漿的碳纖維時，可使用額外的加熱以使絲束“變軟”，以促進纖維伸展。包括單獨的絲的伸展纖維可被充分地伸展開，以暴露絲的全部表面積，因此允許絲束在隨后的方法步驟中更加有效地反應。對于3k絲束，這種伸展可以達到大約4英寸至大約6英寸之間跨度(across)。伸展的碳絲束可以經過表面處理步驟，該步驟由如上所述的等離子體系統(tǒng)組成。在施加隔離涂層并粗糙化之后，伸展的纖維然后可經過CNT形成催化劑浸漬浴。結果是碳絲束的纖維，其具有放射狀地分布在纖維的表面上的催化劑顆粒。絲束的催化負載的纖維然后進入適當的CNT生長室，諸如上述的矩形室，其中經過大氣壓CVD或者PE-CVD方法的流動被用于以高達每秒鐘數微米的速度合成 CNT?，F(xiàn)在具有放射狀地排列的CNT的絲束纖維退出CNT生長反應器。在一些實施方式中，并入CNT的碳纖維材料可以經過另一處理方法，在一些實施方式中，該方法是用于使CNT功能化的等離子體方法。CNT的另外的功能化可用于促進其對特定樹脂的粘附力。因此，在一些實施方式中，本發(fā)明提供具有功能化CNT的并入CNT的碳纖維材料。作為可纏繞碳纖維材料的連續(xù)處理的一部分，并入CNT的碳纖維材料可以進一步經過上漿浸漬浴，以施加任何另外的在最終產品中可能有益的上漿劑。最終，如果期望濕繞，并入CNT的碳纖維材料可經過樹脂浴，并被卷繞在心軸或者卷軸上。所得碳纖維材料 /樹脂結合將CNT鎖定在碳纖維材料上，允許更容易的操作和復合材料制作。在一些實施方式中，CNT并入用于提供改進的絲纏繞。因此，在碳纖維諸如碳絲束上形成的CNT經過樹脂浴以生產樹脂-浸漬的、并入CNT的碳絲束。在樹脂浸漬之后，碳絲束可通過壓力差 (delivery head)被置于旋轉心軸的表面上。然后，以精確的幾何形狀圖案，以已知的方式， 絲束可被卷繞在心軸上。上述的卷繞方法提供管道、管或者如通過陽模特征地生產的其他形式。但是由本文公開的卷繞方法制造的形式不同于通過常規(guī)的絲卷繞方法生產的那些。具體地，在本文公開的方法中，形式由包括并入CNT的絲束的復合材料制造。因此這些形式受益于增強的強度以及類似性質，如通過并入CNT的絲束所提供的。在一些實施方式中，CNT并入在可纏繞碳纖維材料上的連續(xù)方法可達到在大約 0. 5ft/min至大約36ft/min之間的線速度。在其中CNT生長室是3英尺長并且在750°C生長溫度下操作的這種實施方式中，可以以大約6ft/min至大約36ft/min的線速度運轉方法，以產生例如具有長度在大約1微米至大約10微米之間的CNT。也可以以大約lft/min 至大約6ft/min的線速度運轉該方法，以產生例如具有長度在大約10微米至大約100微米之間的CNT?？梢砸源蠹s0. 5ft/min至大約lft/min的線速度運轉該方法，以產生例如具有長度在大約100微米至大約200微米之間的CNT。但是，CNT長度不僅與線速度和生長溫度有關，而是，碳原料和惰性載體氣體二者的流速也可影響CNT長度。例如，由高線速度(6ft/ min至36ft/min)的惰性氣體中少于1 %碳原料組成的流速將產生具有長度在1微米至大約5微米之間的CNT。由高線速度(6ft/min至36ft/min)的惰性氣體中大于1 %碳原料組成的流速將產生具有長度在5微米至大約10微米之間的CNT。在一些實施方式中，多于一種碳材料可被同時地運轉經過該方法。例如，多種帶材、絲束、絲、線股以及類似物可被并行地運轉經過該方法。因此，任何數量的預制碳纖維材料卷可被并行地運轉經過該方法并且在方法結束時再卷繞。可并行地運轉的卷繞碳纖維材料的數量可以包括一、二、三、四、五、六、直到可適應于CNT生長反應室的寬度的任何數量。 而且，當多種碳纖維材料被運轉經過該方法時，收集的卷數量可少于方法開始時卷的數量。 在這種實施方式中，碳線股、絲束或者類似物可被發(fā)送經過將這種碳纖維材料結合成為更有序的碳纖維材料諸如織造織物或者類似物的進一步過程。例如，連續(xù)的方法也可結合后處理切碎機，其促進形成并入CNT的切短纖維墊。在一些實施方式中，本發(fā)明的方法允許在碳纖維材料上合成第一量的第一類型的碳納米管，其中選擇第一類型的碳納米管以改變碳纖維材料的至少一種第一性質。隨后，本發(fā)明的方法允許在碳纖維材料上合成第二量的第二類型的碳納米管，其中選擇第二類型的碳納米管以改變碳纖維材料的至少一種第二性質。在一些實施方式中，第一量和第二量的CNT是不同的。這可以通過CNT類型的變化或者不變化來實現(xiàn)。因此，即使CNT類型保持不變，改變CNT的密度可用于改變最初碳纖維材料的性質。CNT類型例如可以包括CNT長度和層數。在一些實施方式中，第一量和第二量是相同的。如果在這種情況下沿可纏繞材料的兩個不同距離，不同的性質是期望的，則可改變CNT類型，諸如CNT長度。例如，在電/熱應用中較長的CNT可以是有用的，而在機械加固應用中較短的CNT可以是有用的。
根據關于改變碳纖維材料的性質的上述討論，在一些實施方式中，第一類型的碳納米管和第二類型的碳納米管可以相同，然而在其他實施方式中第一類型的碳納米管和第二類型的碳納米管可以不同。同樣地，在一些實施方式中第一性質和第二性質可以相同。例如，EMI屏蔽性質可以是第一量和類型的CNT和第二量和類型的CNT所解決的性質，但是該性質改變的程度可以不同，如通過使用不同量和/或類型的CNT所反映的。最后，在一些實施方式中，第一性質和第二性質可以不同。再一次，這可以反映CNT類型的改變。例如，對于較短的CNT，第一性質可以是機械強度，而對于較長的CNT，第二性質可以是電/熱性質。 本領域技術人員了解例如通過使用不同的CNT密度、CNT長度以及CNT層數諸如單層、雙層和多層，調節(jié)碳纖維材料性質的能力。在一些實施方式中，本發(fā)明的方法提供在碳纖維材料上合成第一量的碳納米管， 使得該第一量允許并入碳納米管的碳纖維材料具有與碳纖維材料本身表現(xiàn)的第一組性質不同的第二組性質。即，選擇可以改變碳纖維材料的一種或者多種性質諸如拉伸強度的量。 第一組性質和第二組性質可以包括至少一種相同性質，因此表示增強了碳纖維材料的已存在的性質。在一些實施方式中，CNT并入可以將第二組性質賦予并入碳納米管的碳纖維材料，該第二組性質不包括在碳纖維材料本身表現(xiàn)的第一組性質中。在一些實施方式中，第一量的碳納米管被選擇，以便于使至少一種性質的值與碳纖維材料本身的相同性質的值不同，該至少一種性質選自并入碳納米管的碳纖維材料的拉伸強度、楊氏模量、剪切強度、剪切模量、韌性、壓縮強度、壓縮模量、密度、EM波吸收率/反射率、聲音透射率(acoustic transmittance)、導電性和導熱性。拉伸強度可以包括三種不同的測量方法1)屈服強度，其評價材料應變從彈性變形變化為塑性變形、引起材料永久變形的應力；幻極限強度，其評價當被置于張力、壓縮或者剪切時材料可以經受的最大應力；和3)斷裂強度，其評價應力-應變曲線上斷裂點的應力坐標。復合材料剪切強度評價當垂直于纖維方向施加負載時材料受損的應力。壓縮強度評價當施加壓縮負載時材料受損的應力。特別地，多層碳納米管具有目前測量的任何材料的最高拉伸強度，已達到63GPa 的拉伸強度。而且，理論計算已指出大約300GPa的CNT的可能拉伸強度。因此，并入CNT 的碳纖維材料被預期與母體碳纖維材料相比具有顯著更高的極限強度。如上所述，拉伸強度的增加取決于使用的CNT的精確屬性，以及碳纖維材料上的密度和分布。例如，并入CNT 的碳纖維材料可以表現(xiàn)拉伸性質二至三倍的增加。示例性的并入CNT的碳纖維材料可具有比母體未功能化的碳纖維材料高達三倍的剪切強度以及高達2. 5倍的壓縮強度。楊氏模量是各向同性彈性材料的韌性的測量。其被定義為胡克定律適用的應力范圍內的單軸應力與單軸應變的比例。這可被實驗地由應力-應變曲線的斜率確定，該應力-應變曲線在材料的樣品上進行的測試期間產生。導電性或者比電導是材料傳導電流的能力的量度。具有特定結構參數諸如與CNT 手性相關的扭曲程度的CNT可以是高度傳導的，因此表現(xiàn)金屬的性質。關于CNT手性，公認的命名法系統(tǒng)(M. S. Dresselhaus 等 Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes, Academic Press, San Diego, CA pp. 756-760，(1996))已被標準化并且為本領域技術人員公認。因此，例如，通過雙指數(n，m)CNT彼此區(qū)分，其中η和m是描寫六邊形石墨的相交和包封的整數，所以當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。當兩個指數相同時，m = n，所得管認為是“扶手椅”(或者η，η)型，因為當垂直于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η次的扶手椅的椅臂和椅座。 扶手椅CNT，特別是SWNT，是金屬的，并且具有極其高的電和熱傳導率。另外，這種SWNT具有極其高的拉伸強度。除扭曲程度之外，CNT直徑也影響導電性。如上所述，通過使用控制尺寸的CNT形成催化劑納米顆粒，CNT直徑可被控制。CNT也可被形成為半導體材料。多層CNT (MWNT)的傳導性可以是更加復雜的。MWNT內的層間反應可以非均勻地重新分布電流在各管上。相反，在金屬的單層納米管(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，碳納米管也具有非常高的導熱率。并入CNT的碳纖維材料不僅在上述性質方面可受益于CNT的存在，也可在方法中提供更輕的材料。因此，這種更低的密度和更高的強度材料轉變?yōu)楦叩膹姸扰c重量比?？梢岳斫猓静挥绊懕景l(fā)明各種實施方式的活性的改進也被包括在本文提供的本發(fā)明定義范圍內。因此，下列實施例意欲闡明而并非限制本發(fā)明。實施例I該實施例說明在連續(xù)的方法中如何可以將CNT并入碳纖維材料，以熱和電傳導性的提高為目標以用于防止結冰或除冰應用。在該實施例中，以CNT在纖維上的最大載荷量為目標。具有特值800的34-700 12k 碳纖維絲束(Grafil Inc. , Sacramento, CA)被作為碳纖維基底。該碳纖維絲束中各個絲具有大約7μπι的直徑。圖12描述根據本發(fā)明的例證性實施方式生產并入CNT的纖維的系統(tǒng)800。系統(tǒng)800包括碳纖維材料輸出和張緊站805、上漿劑清除和纖維伸展站810、等離子體處理站 815、隔離涂層施加站820、空氣干燥站825、催化劑施加站830、溶劑閃蒸站835、CNT并入站 840、纖維成束站845、和碳纖維材料攝取筒管850，如所示相互連接。輸出和張緊站805包括輸出筒管806和張緊器807。輸出筒管運輸碳纖維材料860 至工藝；通過張緊器807張緊纖維。對該實施例，以2ft/min的線速度處理碳纖維。纖維材料860被運輸至包括上漿劑清除加熱器865和纖維伸展器870的上漿劑清除和纖維伸展站810。在該站，清除在纖維860上的任何“上漿劑”。典型地，通過燒掉纖維的上漿劑完成清除。各種加熱方法的任何一種可被用于該目的，包括例如紅外加熱器、馬弗爐以及其他非接觸加熱方法。也可化學地完成上漿劑清除。纖維伸展器分離纖維的單個組元。各種技術和設備可被用于伸展纖維，諸如在平的、相同直徑的棒上和下、或者在可變直徑的棒上和下、或者在具有放射狀地延伸的凹槽和捏合輥的棒上、在震動的棒上、等等，拉動纖維。通過暴露更多的纖維表面積，伸展纖維提高了下游操作諸如等離子體應用、隔離涂層施加和催化劑施加的效率?？煞胖枚鄠€上漿劑清除加熱器865，遍及纖維伸展器870，這允許逐漸、同時脫漿和伸展纖維。輸出和張緊站805和上漿劑清除和纖維伸展站810通常用于纖維工業(yè)中；本領域技術人員熟悉其設計和應用。燒掉上漿劑需要的溫度和時間作為下列的函數變化(1)上漿材料和(2)碳纖維材料860的商業(yè)來源/成分。可在大約650°C清除碳纖維材料上的常規(guī)上漿劑。在該溫度， 需要長達15分鐘以保證上漿劑完全燒掉。升高溫度高于該燃燒溫度可減少燃燒時間。熱重分析用于確定具體商品的上漿劑的最低燃燒溫度。取決于上漿劑清除需要的時間，上漿劑清除加熱器可以不必包括在適當的CNT并入方法中；而是，可單獨地(例如，平行地，等等)完成清除。以該方式，無上漿劑的碳纖維材料的存貨可被累積和卷繞，用于不包括纖維清除加熱器的CNT并入纖維生產線。然后在輸出和張緊站805，對無上漿劑纖維進行卷繞?？梢栽诒劝ㄉ蠞{劑清除的生產線更高的速度下操作該生產線。未上漿的纖維880被運輸至等離子體處理站815。對該實施例，以“向下的”方式從距離伸展的碳纖維材料Imm的距離，使用常壓等離子體處理。氣態(tài)原料由100%氦氣組成。等離子體增強的纖維885被運輸至隔離涂層站820。在該例證性的實施方式中， 在浸漬涂布構造中使用基于硅氧烷的隔離涂層溶液。該溶液是通過按體積40比1的稀釋
iAccuglass T-IlSpin-On Glass' (Honeywell International Inc., Morristown, NJ)。碳纖維材料上的所得隔離涂層厚度大約是40nm?？稍谑覝叵轮車h(huán)境中施加隔離涂層。隔離涂層的碳纖維890被運輸至空氣干燥站825，以部分固化納米級別的隔離涂層?？諝飧稍镎景l(fā)送加熱空氣流經過伸展的全部碳纖維。使用的溫度可在100°c至大約 500°C的范圍?？諝飧稍镏?，隔離涂層的碳纖維890被運輸至催化劑施加站830。在該實施例中，氧化鐵基CNT形成催化劑溶液被用于浸漬涂布構造。該溶液是通過按體積200比1的稀釋率在己烷中稀釋的‘EFH-1，(Ferrotec Corporation，Bedford，NH)。在碳纖維材料上實現(xiàn)單層的催化劑涂層。稀釋之前的‘EFH-Γ具有納米顆粒濃度在按體積計3-15%范圍。 氧化鐵納米顆粒具有組分狗203和狗304，并且直徑是大約8nm。負載催化劑的碳纖維材料895被運輸至溶劑閃蒸站835。溶劑閃蒸站發(fā)送空氣流經過伸展的全部碳纖維。在該實施例中，室溫空氣可被使用以閃蒸留在負載催化劑的碳纖維材料上的所有己烷。在溶劑閃蒸之后，負載催化劑的纖維895最終前進至CNT并入站840。在該實施例中，具有12英寸生長區(qū)域的矩形反應器被使用以在大氣壓下應用CVD生長。總氣流的 98. 0%是惰性氣體(氮氣)，其他2. 4%是碳原料(乙炔)。生長區(qū)域保持在750°C。對上面提及的矩形反應器，750°C是相對高的生長溫度，其允許可能的最高生長速度。在CNT并入之后，在纖維成束站845，并入CNT的纖維897被再次成束。該操作使纖維的單獨線股重新結合，使在站810進行的伸展操作有效地逆向進行。成束的、并入CNT的纖維897繞攝取纖維筒管850卷繞以儲存。并入CNT的纖維 897負載有長度大約為50 μ m的CNT，然后準備用于復合材料中，具有增強的熱和電傳導性。然后纏繞并入CNT的纖維897，作為表面層施加在已有復合結構上，如圖3中所示， 以便使用如圖4中所示的整合的電路提供防止結冰或除冰能力。所得電阻加熱元件具有小于5歐姆-米的電阻率。值得注意的是可在環(huán)境隔絕的惰性氣氛下或者真空下進行一些上述操作。例如， 如果碳纖維材料的上漿劑正被燒掉，纖維可與環(huán)境隔絕，以限制排氣并且防止被濕氣損壞。 為了方便，在系統(tǒng)800中，為所有操作提供環(huán)境隔絕，除了在生產線開始時的碳纖維材料輸出和張緊以及在生產線結束時的纖維攝取之外。應當理解，上述實施方式僅僅是闡明本發(fā)明，且本領域技術人可想到上述實施方式的許多改變，而不偏離本發(fā)明的范圍。例如，在該說明書中，提供許多具體的細節(jié)以便提供對本發(fā)明示例性實施方式的詳盡描述和理解。但是，本領域技術人員了解，本發(fā)明可以不使用一種或者多種那些細節(jié)，或者用其他方法、材料、元件等實施。此外，在一些情況中，為了避免混淆示例性實施方式的方面，熟知的結構、材料或者操作未顯示或者未詳細描述。應理解，在圖中所示的各種實施方式是示例性的，并且沒有必要按比例制圖。貫穿整個說明書提及“ 一個實施方式，，或“實施方式，，或“ 一些實施方式”指關于該實施方式(一個或多個)描述的具體特性、結構、材料或者特性包括在本發(fā)明的至少一個實施方式中，但沒有必要包括在所有實施方式中。因此，在說明書各個地方的短語“在一個實施方式中”、“在實施方式中”或者“在一些實施方式中”不必都指相同的實施方式。而且，在一個或者多個實施方式中，具體的特征、結構、材料或者特性可以以任何適宜的方式組合。因此意圖將這些變化包括在權利要求和它們的等價物的范圍內。
權利要求
1.復合結構，其包括 基體材料；并入碳納米管(CNT)的纖維材料，其包括并入至纖維材料的眾多碳納米管(CNTs)；其中所述并入CNT的纖維材料被放置遍及所述基體材料的一部分；并且其中所述復合結構適合用于施加電流經過所述并入CNT的纖維材料，以提供所述基體材料的加熱，從而加熱所述復合結構。
2.權利要求1所述的復合結構，其中所述基體材料形成為是飛機機翼一部分的復合結構。
3.權利要求1所述的復合結構，其中所述基體材料形成為是直升機槳葉一部分的復合結構。
4.權利要求1所述的復合結構，其中所述基體材料形成為是航空器發(fā)動機推進器槳葉一部分的復合結構。
5.權利要求1所述的復合結構，其中所述基體材料選自環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、水泥、玻璃、熱塑性塑料和熱固性塑料。
6.權利要求1所述的復合結構，其中所述并入CNT的纖維的所述纖維包括玻璃。
7.權利要求1所述的復合結構，其中所述并入CNT的纖維的所述纖維包括碳。
8.權利要求1所述的復合結構，其中所述并入CNT的纖維的所述纖維包括陶瓷。
9.權利要求1所述的復合結構，其中所述眾多CNT選自單層CNT、雙層CNT、多層CNT及其混合物。
10.權利要求1所述的復合結構，其中所述眾多CNT長度一致并且分布均勻。
11.權利要求1所述的復合結構，其中眾多CNT具有長度為大約1微米至大約500微米。
12.權利要求1所述的復合結構，其中所述眾多CNT具有長度為從大約1微米至大約 10微米。
13.權利要求1所述的復合結構，其中所述眾多CNT具有長度為大約10微米至大約100 微米。
14.權利要求1所述的復合結構，其中所述眾多CNT具有長度為大約100微米至大約 500微米。
15.權利要求1所述的復合結構，其中分布的均勻性的特征在于密度至多大約每平方微米(μ m2) 15，000個納米管。
16.權利要求1所述的復合結構，其中所述纖維材料選自絲、絲束、線、帶材、單向帶材、 纖維-編織物、織造的織物、非織造的纖維墊、纖維板片和3D織造結 構。
17.權利要求1所述的復合結構，其中所述并入CNT的纖維材料被放置在所述復合結構的表面附近。
18.權利要求1所述的復合結構，其中所述并入CNT的纖維材料被放置遍及整個復合結構。
19.權利要求1所述的復合結構，還包括分散遍及所述基體材料、未并入所述纖維材料的眾多CNT。
20.權利要求1所述的復合結構，其中所述電流包括在從大約1至大約M伏特之間的電壓下的DC電流。
21.權利要求1所述的復合結構，其中所述電流包括在大約60至大約480伏特之間的電壓下的AC電流。
22.用于防止結冰或除冰應用的制品，所述制品包括結合在基體中的眾多并入碳納米管的纖維，從而形成復合材料，其中所述復合材料適合于接收電流，并且對電流響應，作為電阻加熱元件起作用。
23.根據權利要求22所述的制品，其中所述基體摻雜有碳納米管。
24.加熱元件，其包括并入CNT的纖維材料，所述纖維材料包括并入至纖維材料的眾多 CNT，所述并入CNT的纖維材料具有足夠的比例，以提供加熱。
25.權利要求25所述的加熱元件，還包括基體材料，其中所述并入CNT的纖維材料被放置遍及所述基體材料的一部分。
26.權利要求M所述的加熱元件，其中所述纖維材料是選自絲束、線、帶材、帶、墊、板片、3D織造的和3D非織造的材料的絲狀結構。
27.權利要求M所述的加熱元件，其中所述纖維材料包括選自碳、玻璃、陶瓷和有機物的材料。
28.在復合結構的表面上除冰或者防止冰形成的方法，所述方法包括a)提供權利要求1所述的復合結構；b)對所述并入CNT的纖維施加電流，從而加熱所述復合結構。
29.權利要求觀所述的方法，其中所述電流包括在大約1至大約M伏特之間的電壓下的DC電流。
30.權利要求28所述的方法，其中所述電流包括在大約60至大約480伏特之間的電壓下的AC電流。
全文摘要
復合結構包括基體材料和并入碳納米管(CNT)的纖維材料，該纖維材料包括并入至纖維材料的眾多碳納米管(CNTs)。并入CNT的纖維材料被放置遍及基體材料的一部分。該復合結構適合于施加電流經過并入CNT的纖維材料以提供復合結構的加熱。加熱元件包括并入CNT的纖維材料，該纖維材料包括并入至纖維材料的眾多CNT。并入CNT的纖維材料具有足夠的比例，以便為有該需要的結構提供加熱。
文檔編號G06F19/00GK102460447SQ201080029046
公開日2012年5月16日 申請日期2010年4月26日 優(yōu)先權日2009年4月27日
發(fā)明者D·J·阿德科克, H·C·馬里基, T·K·沙 申請人:應用納米結構方案公司