CN107082410A - 碳纳米材料复合片材及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纳米材料复合片材及其制造方法。碳纳米材料复合片材(202)和用于制造碳纳米材料复合片材(202)的方法可以包括碳纳米材料结构(242)的层结合到载体层(204)，载体层(204)由多孔金属化非织造材料制造。

Description

碳纳米材料复合片材及其制造方法

技术领域

本公开总体上涉及复合材料，以及，更具体地，涉及包括例如以碳纳米材料结构的形式结合(粘合，bond)到多孔载体材料的碳纳米材料的多功能碳纳米材料复合片材(复合板，composite sheet)，包括碳纳米材料复合片材的复合结构(composite structure)，以及其制造方法。

背景技术

正用更大百分比的复合材料来设计和制造航空航天器。例如，在航空航天应用中复合材料可以用于建造各种初级和二级结构，如形成航空器(飞机，aircraft)的机身和/或外表皮(例如，机身、机翼等)的复合板。复合材料的使用可以增加强度，减少重量，并提供航空航天器的各种组件的较长的使用寿命。

然而，具有复合材料部件如蒙皮(skin panel)的航空航天器可能需要应用另外的材料以进行雷击保护和/或使相关的航空电子设备和电子产品屏蔽外部电磁干扰。这样的另外的材料可能会不希望地增加航空航天器的重量并增加生产的时间和成本。

因此，本领域技术人员在复合材料的领域继续进行研究和开发工作。

发明内容

在一个实施例中，公开的碳纳米材料复合片材可以包括碳纳米材料结构的层，和包含多孔金属化非织造材料(nonwoven material)的载体层，载体层结合到碳纳米材料结构。

在一个实施例中，公开的制造碳纳米材料复合片材的方法可以包括将碳纳米材料结构的层结合于载体层的步骤，载体层制造自多孔金属化非织造材料。

在一个实施例中，公开的复合结构可以包括至少一个纤维增强聚合物层，和碳纳米材料复合片材，其中碳纳米材料复合片材包括碳纳米材料结构的层，以及包含多孔金属化非织造材料的载体层，载体层结合到碳纳米材料结构。

依据以下详细说明、附图和所附权利要求，所公开的设备和方法的其它实施例将变得显而易见。

附图说明

图1是公开的用于制造公开的碳纳米材料复合片材的方法的一个实施例的流程图；

图2是公开的用于制造公开的碳纳米材料复合片材的系统的一个实施例的示意图；

图3是公开的碳纳米材料复合片材的一个实施例的示意框图；

图4是公开的碳纳米材料复合片材的一个实施例的示意性局部视图(截面图)；

图5是公开的用于制造公开的碳纳米材料复合片材的系统的一个实施例的示意图；

图6是公开的包括公开的碳纳米材料复合片材的复合结构的一个实施例的示意框图；

图7是航空器生产和服务方法的框图；

图8是航空器的示意图；

图9是公开的碳纳米材料复合片材的一个实施例的示意性局部视图(截面图)；

图10是示出公开的碳纳米材料复合片材的不同实施例的屏蔽效率的图。

具体实施方式

以下详细说明参照附图，其说明由本公开内容描述的具体实施例。具有不同的结构和操作的其它实施例并不背离本公开的范围。在不同的附图中，相同的标记数字可以指相同的特征、要素或组件。

在上面提到的图3和8中，连接各种要素和/或部件的实线(如果有的话)可以表示机械、电、流体、光、电磁和其它结合和/或它们的组合。如在本文中所使用的，“结合的(耦合的，连接的，coupled)”是指直接和间接相关的。例如，构件A可以直接关联与构件B，或可以与其间接关联，例如，通过另一个构件C。应当理解的是，不一定表示在所公开的各种要素之间的所有的关系。因此，还可以存在不同于在框图中描述的那些的结合。连接指定各种要素和/或组件的框的虚线(如果有的话)表示在功能和目的上类似于由实线表示的那些结合；然而，由虚线表示的结合可以有选择地加以设置或可以涉及到由本公开内容所公开的可替换的实施例。同样，用虚线表示的要素和/或组件(如果有的话)表明由本公开内容所公开的可替换的实施例。可以从特定实施例省略以实线和/或虚线示出的一种或多种要素而没有偏离本公开内容的范围。环境要素(如果有的话)是用点线表示。为清楚起见，还可以示出虚拟(虚构的)要素。本领域技术人员将理解，可以以各种方式来结合在图3和8中所示的一些特征，而不需要包括在图3和8、其它附图，和/或伴随公开内容中描述的其它特征，即使在本文中没有明确说明这样的一种或多种组合。类似地，不限于提出的实施例的另外的特征可以与本文所示和所述的一些或所有结合。

在上面提到的图1和7中，框可以表示操作和/或它们的部分以及连接各种框的线并不意味着操作或它们的部分的任何特定的顺序或依赖性。由虚线表示的框表明可替换的操作和/或它们的部分。连接各种框的虚线(如果有的话)表示操作或它们的部分的可替换的依赖性。应当理解的是，不一定表示在各种公开的操作之间的所有依赖性。图1和7以及描述本文阐述的方法的操作的伴随公开内容不应被解释为必然确定进行操作的顺序。相反，虽然表明了一个说明性顺序，但是应当理解的是，在适当的时候，可以修改操作的顺序。因此，可以以不同的顺序或同时进行某些操作。另外，本领域技术人员将理解，不需要进行描述的所有操作。

除非另有说明，术语“第一”、“第二”等在本文中仅用作标记，而不旨在对这些术语所涉及的项目强加次序、位置、或分级要求。此外，提及“第二”项目并不要求或排除低编号项目(例如，“第一”项目)和/或较高编号项目(例如，“第三”项目)的存在。

如在本文中所使用的，当连同项目的列表一起使用时，短语“至少一种”是指可以使用所列项目的一种或多种的不同组合并且可能仅需要在清单中的项目之一。项目可以是特定的对象、事情、或类别。换句话说，“至少一个”是指可以使用来自列表的项目或多个项目的任何组合，但可以不需要在列表中的所有项目。例如，“项目A、项目B、和项目C中的至少一个”可以意味着项目A；项目A和项目B；项目B；项目A、项目B、和项目C；或项目B和项目C。在一些情况下，“项目A、项目B、和项目C中的至少一种”可以意味着，例如但不限于，项目A的两个、项目B的一个、和项目C的十个；项目B的四个和项目C的七个；或一些其它合适的组合。

本文中提及“实施例”、“一个实施例”、“另一个实施例”、或类似的语言意味着，在至少一种实施方式或实现中包括连同实施例一起描述的一个或多个特征、结构、要素、组件或特性。因此，在整个本公开内容中，短语“在一个实施例中”、“作为一个实施例”、和类似的语言可以但不一定是指相同的实施例。此外，表征任何一个实施例的主题可以但并不一定包括表征任何其它实施例的主题。

下文提供说明性的、非排他性的实施例，其可以是但不一定是要求保护的根据本公开内容的主题。

参照图1，公开了方法100的一个实施例。方法100是公开的用于制造多功能碳纳米材料复合片材202的方法的一个示例性实施方式。如图2所示，系统是公开的用于制造碳纳米材料复合片材202(例如，根据方法100)的系统的一个示例性实施方式。可以对方法100进行修改、添加、或省略，而不背离本公开内容的范围。方法100可以包括更多、更少、或其它步骤。另外，可以以任何合适的顺序来进行步骤。

参照图1，以及参照图3，在一个实施例中，方法100包括将碳纳米材料结构242的层258(例如，一层或多层)结合于载体层204的步骤，如在框122处所示。在一个实施例中，载体层204制造自多孔金属化非织造材料。在一个实施例中，碳纳米材料结构242的层258被永久结合到载体层204。

在一个实施例中，方法100包括将能释放的(releasable)保护膜216结合于载体层204的步骤，如在框124处所示。在一个实施例中，载体层204位于保护膜216和碳纳米材料结构242(例如，碳纳米材料结构242的层258)之间，如图4所示。

参照图1，以及参照图3，在一种示例性实施方式中，方法100包括提供载体层204的步骤，如在框102处所示。通常，载体层204包括任何材料，在其上可以覆盖(overlay)碳纳米材料226，以在载体层204的表面上形成(例如，建造和/或结合)碳纳米材料结构242。载体层204还可被称为载体材料、材料层、过滤层、或滤光层。作为一个一般性实施例，载体层204包括碳纳米材料226(例如，碳纳米材料226的浆料(slurry)238)可以过滤通过的任何多孔材料。多孔材料可以包括孔或多孔膜、片材、毡(veil)、或织物材料(例如，具有通过其浆料238被过滤的多个孔或开口的材料)。载体层204可以是导电或非导电的，其取决于特定的应用和/或所需的性能。非限制性实例包括织造或非织造(例如，湿法成网或熔纺)尼龙、聚酯、PEEK、PEKK、玻璃纤维、碳纤维、金属化聚合物、或金属网/箔(例如，膨胀铜箔)。

参照图3，在一个实施例中，碳纳米材料复合片材202包括碳纳米材料结构242的层258、和载体层204。在一个实施例中，载体层204包括多孔金属化非织造材料。在一个实施例中，载体层204结合到碳纳米材料结构242。

参照图3，作为一个实例，碳纳米材料复合片材202是层压板(laminate)。作为一个实例，碳纳米材料复合片材202是连续片材(continuous sheet)。作为一个实例，载体层204被永久结合到碳纳米材料结构242(例如结合到碳纳米材料结构242的层258)。作为一个实例，碳纳米材料结构242包括随机取向的、均匀分布的碳纳米管(“CNT”)228的结构。作为一个具体的非限制性实例，碳纳米材料结构242具有大约1克碳纳米材料226/平方米(gsm)的基本重量。作为另一个具体的非限制性实例，碳纳米材料结构242具有至少1克碳纳米材料226/平方米(gsm)的基本重量。在一个实施例中，碳纳米材料复合片材202包括至少一个结合于碳纳米材料结构242的聚合物层262。在另一个实施例中，碳纳米材料复合片材202包括至少一个结合于碳纳米材料结构242的聚合物封装层264。作为一个实施例，碳纳米材料复合片材202包括结合于碳纳米材料结构242的预浸材料(prepreg material)266。

参照图2，以及参照图3，基于一种示例性实施方式，以及如图2所示，载体层204可以被提供为(或采取的形式为)载体层204的连续片材(在本文中通常称为片材206)。如在此使用的，“连续的”是指伸长的片材，其具有数量级大于宽度的长度。通常，片材206可以是或可以包括连续布；织物；毡；非编织片材、层片(ply)、或垫子；编织片材、层片、或垫子；等等。载体层204可以是多孔的。载体层204可以是导电或非导电的。如图2所示，作为一个实施例，系统可以包括载体层204的卷形物(roll)(在本文中通常称为卷形物208)。例如，可以将连续片材206制造和卷成卷形物208。

参照图3，以及参照图2和4，作为一个一般性的非限制性实施例，载体层204可以是(或可以采取的形式为)导电材料的多孔的、非编织毡、片材、层片、或垫子。作为一个一般性实施例，载体层204可以包括纤维260，其成环在一起以形成薄非编织片材、层片、或垫子。作为一个具体的非限制性实施例，载体层204(例如，导电载体材料)是(或采取的形式为)碳纤维毡(carbon fiber veil)210。因此，片材206(图2)可以是碳纤维毡210的连续片材。碳纤维毡210包括碳纤维212(例如，碳纤维的多个连续原丝)，其随机成环在一起以形成碳纤维212的薄非编织片材、层片、或垫子。碳纤维毡210可以是多孔的。碳纤维毡210还可以是导电的。在某些示例性实施方式中，可以借助于光粘合剂(未明确说明)将碳纤维212保持在一起。

作为另一个一般性的非限制性实施例，载体层204可以是(或可以采取的形式为)非导电材料的多孔的、非编织毡、片材、层片、或垫子。作为具体的非限制性实施例，载体层204(例如，非导电载体材料)可以是(或可以采取的形式为)玻璃纤维(例如，E-玻璃、S-玻璃)、芳纶纤维(例如，Kevlar)、含氟聚合物纤维(例如，超高分子量聚乙烯、高密度聚乙烯、聚四氟乙烯等)或它们的组合的多孔的、非编织毡、片材、层片、或垫子。

作为另一个一般性的非限制性实施例，载体层204可以是(或采取的形式为)介电材料(例如，介电毡)(未明确说明)的多孔的、非编织毡、片材、层片、或垫子。作为具体的非限制性实例，载体层204(例如，介电载体材料)包括但不限于超高分子量聚乙烯(“UHMWPE”)、含氟聚合物、聚酰亚胺、或它们的组合。

用于载体层204的特殊材料可以至少部分地取决于公开的碳纳米材料复合片材202的特定应用和/或功能，如但不限于电磁干扰(“EMI”)屏蔽、闪电防护、环境保护、环境隔离、抗划伤性等。作为一个实例，当希望或需要碳纳米材料复合片材202的更高的电导率时，例如，用于雷击保护和/或低频屏蔽效率，载体层204可以制成自导电材料，例如，碳纤维212(例如，碳纤维毡210)。作为另一个实例，当希望或需要碳纳米材料复合片材202的较低电导率时，载体层204可以制成自非导电材料，例如，玻璃、芳纶、和/或含氟聚合物纤维。

参照图3，在一个实施例中，载体层204包括镍涂覆的纤维(涂覆有镍涂层214的纤维260)。因此，在一个实施例中，载体层204包括金属涂层254。包括金属涂层254的载体层204还可被称为金属涂覆的载体层、金属化载体层、金属涂覆的载体材料、金属化载体材料、金属涂覆的材料层、金属化材料层、金属涂覆的过滤层(metallic coated filter layer)、金属化过滤层、金属涂覆的滤层(metallic coated filtering layer)、金属化滤层、金属涂覆的纤维层、或金属化纤维层。作为一个具体的非限制性实例，金属涂层254是镍涂层214。包括镍涂层214的载体层204还可被称为镍(“Ni”)涂覆的载体层、镍(“Ni”)金属化载体层、镍涂覆的载体材料、镍金属化载体材料、镍涂覆的材料层、镍金属化材料层、镍涂覆的过滤层、镍金属化过滤层、镍涂覆的滤层、镍金属化滤层、镍涂覆的纤维层、或镍金属化纤维层。

除镍之外的其它金属还可以用作金属涂层254。可以选择用于金属涂层254的特定金属，例如，基于所期望的屏蔽效率。

参照图1以及参照图3，在一种示例性实施方式中，方法100可以包括将金属涂层254(例如，镍涂层214)施加于载体层204的步骤，如在框118处所示(图2)。可以通过各种已知的方法或技术，将金属涂层254(例如，镍涂层214)施加于载体层204。在一种示例性实施方式中，可以通过化学气相沉积方法，将镍(镍涂层214)施加于载体层204。在另一种示例性实施方式中，可以通过化学镀镍过程，将镍施加于载体层204。在又一种示例性实施方式中，可以通过镍电镀过程，将镍施加于载体层204。

作为一个实例，碳纤维毡210包括金属涂层254(例如，镍涂层214)。包括金属涂层254的碳纤维毡210还可被称为金属涂覆的碳纤维毡或金属化碳纤维毡。作为一个实施例，可以将镍施加于碳纤维毡210以形成镍涂覆的碳纤维毡。包括镍涂层214的碳纤维毡210还可被称为镍涂覆的碳纤维毡或镍金属化碳纤维毡。可以通过各种已知的方法或技术，将金属涂层254(例如，镍涂层214)施加于碳纤维毡210。作为例子，可以通过化学气相沉积方法、化学镀镍过程、或镍电镀过程，将镍(镍涂层214)施加于碳纤维毡210。

作为一个实例，纤维260包括金属涂层254(例如，镍涂层214)。作为一个实例，可以将金属(例如，镍)施加于纤维260的单个纤维以形成金属(例如，镍)涂覆的纤维。镍涂覆的纤维可以用来形成纤维毡、片材、层片、或垫子(例如，镍涂覆的毡、片材、层片、或垫子)。作为另一个例子，碳纤维212包括金属涂层254(例如，镍涂层214)。作为一个实施例，可以将金属(例如，镍)施加于碳纤维212的单个纤维以形成金属(例如，镍)涂覆的碳纤维。镍涂覆的碳纤维可以用来形成碳纤维毡210(例如，镍涂覆的碳纤维毡)。可以通过各种已知的方法或技术，将金属涂层254(例如，镍涂层214)施加于纤维260或碳纤维212。作为例子，可以通过化学气相沉积方法、化学镀镍过程、或镍电镀过程，将镍施加于纤维260或碳纤维212。

作为一个实例，非导电载体材料或介电载体材料(例如，制成自非导电材料或介电材料的载体层204)包括金属涂层254(例如，镍涂层214)。金属涂层254(例如，镍涂层214)对非导电载体材料或介电载体材料的应用可以提供或基本上产生导电载体层204。例如，可以将金属(例如，镍)施加于非导电载体材料或介电载体材料以形成金属涂覆的(例如，镍涂覆的)载体材料。可以通过各种已知的方法或技术，将金属涂层254(例如，镍涂层214)施加于非导电载体材料或介电载体材料。作为例子，可以通过化学气相沉积方法、化学镀镍过程、或镍电镀过程，将镍施加于非导电载体材料或介电载体材料。

参照图2，在一个实施例中，系统可以包括一个或多个第一辊(roller)224。第一辊224可以是导辊(guide roller)、轧辊(nip roller)、压紧辊(pinchroller)等，其被配置以从卷形物208脱去例如载体层204的片材206(例如，碳纤维毡210)并指导或引导载体层204(沿加工路径)。

参照图1，以及参照图2和3，在一种示例性实施方式中，方法100包括提供碳纳米材料226的步骤，如在框104处所示。碳纳米材料226可以采取各种形式。如图3所示，作为一个一般性的非限制性实例，碳纳米材料226可以是(或采取的形式为)具有各种几何形状的碳纳米颗粒232。作为一个具体的非限制性实例，碳纳米材料226可以是(或采取的形式为)碳纳米管228。作为一个具体的非限制性实例，碳纳米材料226可以是(或采取的形式为)碳纳米球230。作为一个具体的非限制性实例，碳纳米材料226可以是(或采取的形式为)石墨烯234。作为一个具体的非限制性实例，碳纳米材料226可以是碳纳米颗粒232、碳纳米管228、碳纳米球230、和/或石墨烯234的至少一种或它们的组合。碳纳米材料226还可以包括碳的各种其它同素异形体。

各种已知的化学过程可以用来产生碳纳米材料226。例如，根据已知技术制造的各种类型的碳纳米管228可以用作碳纳米材料226。在一种示例性实施方式中，可以在不锈钢片材上生长碳纳米管228。然后可以从片材刮下生长的碳纳米管228。

作为一个实例，碳纳米管228可以是单壁碳纳米管(“SWCNT”)。作为另一个实例，碳纳米管228可以是多壁碳纳米管(“MWCNT”)。作为另一个实例，碳纳米管228可以是预应力多壁碳纳米管(“PSMWCNT”)。作为又一个实例，碳纳米管228可以是SWCNT、MWCNT、和/或PSMWCNT的组合。可以根据已知的技术来制造PSMWCNT。作为一个实例，可以通过将MWCNT放入炸弹室并利用爆炸来快速增加压力以迫使将MWCNT的壁压缩到在其中范德华力占主导地位的距离内，从而实现PSMWCNT。作为一个实例，可以通过将MWCNT暴露于辐射以增加压力来实现PSMWCNT。在一个特定的非限制性实施例中，PSMWCNT可以具有约0.22nm至约0.28nm的壁间距(例如，相比于常规MWCNT的约0.34nm)。由PSMWCNT提供的优点可以包括增强的壁间剪切强度，其进而改善负载传输能力(相比于正常MWCNT的那些)。这提供比正常碳纳米管(“CNT”)高约20％的轴向拉伸强度和杨氏模量。

参照图1，以及参照图2，在一种示例性实施方式中，方法100包括以下步骤：混合碳纳米材料226和液体236以形成碳纳米材料226和液体236的浆料(在本文中通常称为浆料238)(例如，悬浮在液体236中的碳纳米材料226的流体混合物或悬浮液)，如在框106处所示。液体236可以是碳纳米材料226可以分散和悬浮在其中的任何适宜的分散性液体或流体载体材料。通常，液体236可以是与碳纳米材料226非反应性的(例如，碳纳米材料226不溶于液体238)。作为一个具体的非限制性实例，液体236可以是水。作为另一个具体的非限制性实例，液体236可以是有机溶剂。作为另一个具体的非限制性实例，液体236可以是酸。作为另一个具体的非限制性实例，液体236可以是树脂(例如，热塑性或环氧树脂)。还设想适宜的分散性液体(例如，液体236)的其它实例。液体236还可以包括一种或多种化合物，用于改善和/或稳定碳纳米材料226在液体236中的分散体和悬浮液。

参照图1，以及参照图2和3，在一种示例性实施方式中，方法100包括在载体层204上覆盖(例如，分配)碳纳米材料226和液体236的浆料238的步骤，如在框108处所示。方法100包括通过载体层204来过滤碳纳米材料226的步骤，如在框110处所示。方法100包括在载体层204的表面上形成(例如，建造)碳纳米材料结构242的步骤(图3)，如在框112处所示。结合到(例如，形成于和结合于)载体层204的碳纳米材料结构242的组合在本文中可以被称为碳纳米材料前体复合片材246，以及说明于图2。

参照图2，以及参照图3，在一个实施例中，系统包括成形台子(table)240。在成形台子240上发生在碳纳米材料226和载体层204之间的相互作用以构建碳纳米材料结构242(图3)。在一种示例性实施方式中，成形台子240可以包括丝网或筛网，当在载体层204上分配(例如，倒入，喷射等)浆料238时其足以支持载体层204。当在载体层204上覆盖(例如，倒入)浆料238时，浆料238分散在载体层204的表面上。液体236通过载体层204，并通过载体层204(例如，在载体层204的表面上和/或至少部分地在载体层204的表面的下面)来过滤(例如，筛出和保留)碳纳米材料226，以形成碳纳米材料结构242。在一种示例性实施方式中，在输送机(例如，输送带)(未明确说明)上支持载体层204，其沿着加工路径，携带载体层204。输送机可以是丝网或筛网，当通过载体层204来分配和过滤浆料238时，其足以支持载体层204(在平面上)。在一个实施例中，系统(例如，成形台子240)还可以包括真空区，其被配置以提供真空压力，其足以从载体层204的上面(例如，从上表面)拉浆料238并通过载体层204，同时允许碳纳米材料226在表面上缠结(entangle)并沉入(例如，至少部分地分散通过)载体层204。在过滤步骤(框110)以后，在载体层204上碳纳米材料226可以是随机取向的和均匀分布的。

参照图3和4，以及参照图1和2，在一个实施例中，至少一些碳纳米材料226通过载体层204的厚度被散置(散布，intersperse)并与载体层204缠结，以致碳纳米材料结构242被永久结合到载体层204，如图4所示。在一种示例性实施方式中，在浆料238(图2)的覆盖步骤(框108)和过滤步骤(框110)(图1)期间，碳纳米材料226可以变得在多个方向上彼此缠结以在载体层204的表面上形成碳纳米材料结构242(例如，碳纳米材料226的积聚)(框112)。因此，碳纳米材料结构242是片材结构，其包括碳纳米材料226的缠结网络(例如，碳纳米颗粒结构包括碳纳米颗粒232的缠结网络，碳纳米管结构包括碳纳米管228的缠结网络，碳纳米球结构包括碳纳米球230的缠结网络，或石墨烯结构包括石墨烯234的缠结网络)。可以在载体层204的表面上随机分布或定向碳纳米材料226。可替换地，可以在载体层204的表面上均匀分布或定向碳纳米材料226。

作为一种具体的非限制性示例性实施方式，载体层204(例如，碳纤维毡、镍涂覆的碳纤维毡等)沿着系统的加工路径(没有明确标识)，例如在输送机上移动。可以在载体层204上，作为液体236和碳纳米材料226(例如，碳纳米管228、碳纳米球230、碳纳米颗粒232、石墨烯234)的浆料238来施加碳纳米材料226。可以控制载体层204(例如，输送机)移动的速度，以提供浆料238，因而碳纳米材料226穿过底层载体层204的均匀分布。

用来形成碳纳米材料结构242的碳纳米材料226积累的密度可以取决于各种因素，其包括但不限于碳纳米材料226的尺寸和/或几何形状、碳纳米材料226的类型、碳纳米材料结构242的特定应用(例如，在特定RF频率下所期望的屏蔽效率或衰减，雷击保护的所期望水平，所期望的电导率水平，所期望的表面电阻率等)、碳纳米材料结构242的所期望的厚度、碳纳米材料结构242的所期望的重量等。作为一个具体的非限制性实施例，碳纳米材料226可以具有约1克/平方米(gsm)的基本重量。作为一个具体的非限制性实施例，碳纳米材料226可以具有小于约1.0的相对密度。如图1所示，根据需要，可以重复分配(框108)和过滤(框110)步骤，以构建碳纳米材料结构242。

参照图4，作为一个实施例，可以在不同碳纳米材料226之间的各种交叉位置244处发生在碳纳米材料226之间的缠结。缠结的碳纳米材料226的网络可以包括足够量的碳纳米材料226以提供足够数量的交叉位置244，从而实现稳定的碳纳米材料结构242。

取决于碳纳米材料226(例如，碳纳米管228、碳纳米球230、碳纳米颗粒232、石墨烯234等)的类型和/或几何形状，碳纳米材料226的尺寸可能会有所不同。作为一个具体的非限制性实例，碳纳米管228可以具有极高的长径比(长度与直径比)，例如，至少2,500:1。例如，碳纳米管228可以具有约0.5毫米至约4毫米的长度和约1纳米至约50纳米的直径。还设想但不限于碳纳米材料226的其它合适的尺寸。

由于碳纳米材料226的小尺寸，所以在载体层204整个中至少一些碳纳米材料226可以至少部分地分散和整合。例如，至少一些碳纳米材料226可以至少部分地通过载体层204的厚度(例如，通过厚度)(没有明确标识)加以穿透和散布并与载体层204缠结和整合。因此，在方法100(图1)的过滤(框110)和建造(框112)步骤以后，碳纳米材料结构242有效地结合于载体层204(例如，形成碳纳米材料前体复合片材246)。作为一个实施例，在邻接(例如，在或接近)载体层204的表面处，可以浓缩碳纳米材料226。作为一个实施例，在载体层204的整个厚度中，可以部分地散置和缠结碳纳米材料226。作为一个实施例，在载体层204的整个厚度中，可以完全散置和缠结碳纳米材料226。

参照图1，以及参照图2，在一种示例性实施方式中，方法100包括以下步骤：将压力和热的至少一种施加于碳纳米材料前体复合片材246(例如，将压力和热的至少一种施加于碳纳米材料结构242和载体层204的结合的组合)，如在框114处所示，整合碳纳米材料结构242和载体层204，如在框116处所示，以及形成碳纳米材料复合片材202，如在框120处所示。将压力和热的至少一种施加于碳纳米材料前体复合片材246(例如，施加于碳纳米材料结构242和载体层204)的步骤还可被称为层压。作为一个实施例，施加热可以包括干燥碳纳米材料前体复合片材246。例如，可以将热施加于碳纳米材料前体复合片材246，以足以从载体层204和/或碳纳米材料结构242干燥(例如，蒸发)任何剩余液体236。作为一个一般性的非限制性实施例，可以加热碳纳米材料前体复合片材246到在约200°F和约300°F(例如，220°F)之间以除去液体236以及干燥碳纳米材料前体复合片材246并形成碳纳米材料复合片材202。作为一个实施例，施加压力可以包括压缩碳纳米材料前体复合片材246。例如，可以将压力施加于碳纳米材料前体复合片材246，以足以压缩碳纳米材料前体复合片材246并形成碳纳米材料复合片材202。作为一个一般性的非限制性实施例，可以从约8密耳的厚度将碳纳米材料前体复合片材246压缩以形成厚度为约6密耳(例如，6.3密耳)的碳纳米材料复合片材202。施加热、压力、或它们的组合进一步将碳纳米材料结构242和载体层204结合和整合在一起。施加于碳纳米材料前体复合片材246(例如，通过轧辊250)的压力和/或热可以是均匀的并且有助于产生均匀和单一的碳纳米材料复合片材202。

参照图2，以及参照图1，系统可以包括一个或多个干燥器248(例如，以施加热)和/或一个或多个第二辊250(例如，以施加压力或压力和热)。可以将干燥器248定位于邻接(例如，靠近)碳纳米材料前体复合片材246，沿着按照成形台子240的加工路径，以及被配置以干燥碳纳米材料前体复合片材246(例如，除去残留在碳纳米材料前体复合片材246中的液体236)并形成碳纳米材料复合片材202。第二辊250可以是导辊、轧辊、压紧辊等，其被配置以沿着加工路径拉、指导或引导碳纳米材料前体复合片材246。第二辊250还可以被配置以压缩碳纳米材料前体复合片材246并形成碳纳米材料复合片材202。第二辊250可以是加热辊，其被配置以增加碳纳米材料前体复合片材246的温度，例如，以干燥碳纳米材料前体复合片材246，同时通过第二辊250来压缩碳纳米材料前体复合片材246。虽然，通过实例，仅第二辊250的单个相反对示于图2和5，但本领域技术人员将认识到，可以沿着加工路径来布置第二辊250的多对以在多个阶段中逐步压缩(例如，达到约0.5密耳至约1.0密耳)。

将压力和/或热施加于碳纳米材料前体复合片材246(例如，碳纳米材料结构242和载体层204的组合)(框114)可以进一步散布和整合碳纳米材料226与载体层204，例如，将碳纳米材料结构242和载体层204结合在一起(框122)。

在施加压力和/或热步骤(框114)(图1)以后，可以将碳纳米材料复合片材202卷成碳纳米材料复合片材202的卷形物(在本文中通常称为卷形物252)。

参照图5，以及参照图4，在一种示例性实施方式中，载体层204还可以包括保护膜216。例如，当卷成卷形物252时，保护膜216可以保护碳纳米材料复合片材202。在碳纳米材料复合片材202用于特定应用之前，从碳纳米材料复合片材202除去保护膜216，例如，当用来制造复合结构300时(图6)。保护膜216还可被称为保护层或脱模膜。

作为一个实施例，保护膜216可以被提供为(或采取的形式为)保护膜216的片材(在本文中通常称为片材222)。作为一个具体的非限制性实施例，保护膜216可以制造自聚四氟乙烯玻璃材料，如ARMALON^TM聚四氟乙烯玻璃层压板。

作为一个实施例，系统可以包括连续片材222，其被卷成保护膜216的卷形物(在本文中通常称为卷形物220)。作为一个实施例，保护膜216可以可释放地结合于载体层204(例如，碳纤维毡210)。

第一辊224可以被配置以从卷形物208脱去载体层204以及从卷形物220脱去保护膜216并指导或引导载体层204和保护膜216(沿着加工路径)。第一辊224还可以被配置以将片材206和片材222压缩成密切接触。

参照图9，在一个实施例中，碳纳米材料复合片材202可以包括介电层256。介电层256可以结合于载体层204。作为一个实施例，在碳纳米材料226和液体236的浆料238的覆盖步骤(框108)以前，可以将介电层256施加于载体层204。如图9所示，可以将载体层204布置在介电层256和碳纳米材料结构242之间。作为一个实施例，介电层256对载体层204的应用可以类似于上文参照保护膜216的应用所描述的过程。然而，不可以从载体层204除去介电层256。在一个实施例中，碳纳米材料复合片材202可以包括介电层256和保护膜216，其施加于载体层204。例如，可以将保护膜216施加(例如，可释放地结合)于介电层256(例如，将介电层256布置在载体层204和保护膜216之间)。介电层256可以是多孔的或非多孔的(例如，可以制成自多孔材料或非多孔材料)。

参照图6，公开了复合结构300的一个实施例。在一个实施例中，复合结构300包括至少一个纤维增强聚合物层302和碳纳米材料复合片材202。碳纳米材料复合片材202可以包括碳纳米材料结构242的层258、和载体层204。载体层204可以包括多孔金属化非织造材料。载体层204可以结合到碳纳米材料结构242。在一个实施例中，载体层204可以永久结合到碳纳米材料结构242。在一个实施例中，碳纳米材料复合片材202是层压板。在一个实施例中，碳纳米材料结构242可以包括碳纳米管228(或其它类型的碳纳米材料226)的随机取向的、均匀分布的结构。

因此，在一个实施例中，复合结构300可以是复合层压板。作为一个实施例，复合结构300可以包括一个或多个纤维增强聚合物层302(例如，在图6的实施例中示出三个纤维增强聚合物层302)。每个纤维增强聚合物层302可以包括增强纤维材料(未明确说明)的片材、垫子、或层片，通过聚合物基质(未明确说明)，其结合在一起。纤维材料可以包括任何合适的织造或非织造(例如，针织、编织或缝合)连续增强纤维或长丝。聚合物基质材料可以包括任何合适的热固性树脂(例如，环氧树脂)或热塑性树脂。

各种已知的方法或技术可以用来制造纤维增强聚合物层302。作为一个实施例，每个纤维增强聚合物层302可以包括预浸渍有聚合物基质材料(例如，预浸料)的增强纤维材料的片材，还被称为干铺层(dry layup)。作为一个实施例，每个纤维增强聚合物层302可以包括增强纤维材料的片材并将聚合物基质材料施加于增强纤维材料，还被称为湿铺层(wetlayup)。

复合结构300还包括至少一层的碳纳米材料复合片材202。各种已知的方法或技术可以用来制造复合结构300。在一种示例性实施方式中，可以连续铺设纤维增强聚合物层302和碳纳米材料复合片材202，例如，在模具(未明确说明)内。可以共固化纤维增强聚合物层302和碳纳米材料复合片材202以形成复合结构300。作为一个实施例，以及如图6所示，碳纳米材料复合片材202是复合铺层的最外层(例如，限定复合结构300的外表面层)。作为一个实施例，碳纳米材料复合片材202是复合铺层的内层(例如，限定复合结构300的内层)。

复合结构300可以包括任何所期望的三维(“3D”)形状。3D形状可以包括各种尺寸，其包括复合结构300的长度尺寸、宽度尺寸、高度尺寸和/或截面尺寸。作为一个具体的非限制性实例，复合结构300可以是航空器的蒙皮。

因此，可以将公开的碳纳米材料复合片材202并入用于制造复合结构300的生产过程。碳纳米材料复合片材202可以提供相对于EMI具有有效的屏蔽和有效的雷击保护的复合结构300，而无需另外的材料。

包括碳纳米材料复合片材202的复合结构300可以具有宽带EMI屏蔽效率，在航空航天应用中，其可能是特别有益的，因为每个无线电频率(“RF”)带可能会不同地影响电子器件和航空电子设备。作为一个实施例，包括载体层204(例如，碳纤维毡210)和碳纳米材料结构242的碳纳米材料复合片材202可以提供在中频(在约100MHz和约1GHz之间)下和在高频(大于约1GHz)下的有效EMI屏蔽。作为一个实施例，包括具有镍涂层214的载体层204(例如，镍涂覆的碳纤维毡210)和碳纳米材料结构242的碳纳米材料复合片材202可以提供在低频(小于约100MHz)、中频(在约100MHz和约1GHz之间)下，以及在高频(大于约1GHz)下的有效EMI屏蔽。

介电材料作为载体层204或结合于载体层204的介电层256的应用可以为底层复合结构300提供阻挡层，用于闪电防护，其中通过例如在雷击的情况下将雷电流保持在表面，以及在它进入底层复合结构300并对底层复合结构300造成损害以前，允许碳纳米材料复合片材202传导走能量。

在不同实施例中，可以选择所选用于碳纳米材料复合片材202的材料，以针对特定频率或频率范围提供所期望的EMI屏蔽效率(以分贝为单位)(“dB”)。作为一个实施例，碳纳米材料结构242(形成自缠结的碳纳米材料226的网络)可以提供在中频和高频下具有有效EMI屏蔽的碳纳米材料复合片材202。导电载体层204(例如，形成自导电材料或金属涂覆的材料)可以提供在低频下具有有效EMI屏蔽的碳纳米材料复合片材202。因此，包括具有金属涂层254(例如，镍涂层214)的载体层204(例如，碳纤维毡210)和碳纳米材料结构242的碳纳米材料复合片材202可以提供在低频、中频、和高频下的有效EMI屏蔽。用作金属涂层254的镍可以有益地提供在低频下的最高屏蔽性能或有效性。

不限于任何特定的理论，降低载体层204的电阻可以等于电导率的增加，因而，EMI屏蔽效率的增加，例如，尤其是在低频下。

如图10所示，示出复合片材202的各种材料配置的EMI屏蔽效率。图10示出第一载体层204a、碳纳米材料结构242、第一碳纳米材料复合片材202a、第二载体层204b、第二碳纳米材料复合片材202b、第三载体层204c、和第三碳纳米材料复合片材202c的屏蔽效率的实例。

作为一个实施例，碳纳米材料结构242包括碳纳米材料226的缠结网络。碳纳米材料结构242可以提供在约100MHz至约1GHz的频率范围内约58dB至约62dB的屏蔽效率。

作为一个实施例，第一载体层204a包括导电材料。导电材料可以包括导电材料层、具有金属涂层(例如，镍涂层)的导电材料层、或具有金属涂层的非导电材料层。第一载体层204a可以具有约0.1欧姆的电阻。第一载体层204a可以提供在约100MHz至约1GHz的频率范围内约58dB至约68dB的屏蔽效率。

作为一个实施例，第一碳纳米材料复合片材202a包括第一载体层204a和碳纳米材料结构242。第一碳纳米材料复合片材202a可以提供在约100MHz至约1GHz的频率范围内约61dB至约78dB的屏蔽效率。

作为一个实施例，第二载体层204b包括导电材料。导电材料可以包括导电材料层、具有金属涂层(例如，镍涂层)的导电材料层、或具有金属涂层的非导电材料层。第二载体层204b可以具有约0.04欧姆的电阻。第二载体层204b可以提供在约100MHz至约1GHz的频率范围内约65dB至约75dB的屏蔽效率。

作为一个实施例，第二碳纳米材料复合片材202b包括第二载体层204b和碳纳米材料结构242。第二碳纳米材料复合片材202b可以提供在约100MHz至约1GHz的频率范围内约67dB至约86dB的屏蔽效率。

作为一个实施例，第三载体层204c包括导电材料。导电材料可以包括导电材料层、具有金属涂层(例如，镍涂层)的导电材料层、或具有金属涂层的非导电材料层。第三载体层204c可以具有约0.02欧姆的电阻。第三载体层204c可以提供在约100MHz至约1GHz的频率范围内约74dB至约78dB的屏蔽效率。

作为一个实施例，第三碳纳米材料复合片材202c包括第三载体层204c和碳纳米材料结构242。第三碳纳米材料复合片材202c可以提供在约100MHz至约1GHz的频率范围内约65dB至约97dB的屏蔽效率。

可以在航空器制造以及如图7所示的服务方法1100和如图8所示的航空器1200的情况下来描述本文公开的碳纳米材料复合片材202和复合结构300以及用于其制造的方法的实施例。

在预生产期间，说明性方法1100可以包括航空器1200的规范和设计(specification and design)，如在框1102处所示，其可以包括具有碳纳米材料复合片材202的复合结构300的设计，以及材料获得，如在框1104处所示。在生产过程中，可以发生航空器1200的部件和子组件制造，如在框1106处所示，以及系统整合，如在框1108处所示。如本文所描述的，可以作为生产的一部分、部件和子组件制造步骤(框1106)和/或作为系统整合的一部分(框1108)，来完成碳纳米材料复合片材202的生产和碳纳米材料复合片材202在复合结构300中的应用。此后，航空器1200可以通过认证和交付(certification anddelivery)，如框1110所示，以便投入使用，如在框1112处所示。而在服务中，可以计划航空器1200的日常维护和服务，如在框1114处所示。日常维护和服务可以包括航空器1200的一个或多个系统的修改、重新配置、整修等。

可以由系统整合商、第三方、和/或操作者(例如，客户)来进行说明性方法1100的每个过程。出于本说明书的目的，系统整合商可以包括但不限于任何数量的航空器制造商和主系统分包商；第三方可以包括但不限于任何数量的供应商、分包商、和供应商；以及操作者可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。

如图7所示，通过说明性方法1100产生的航空器1200可以包括机身1202，例如，具有包括碳纳米材料复合片材202的复合蒙皮，以及多个高级系统1204和内部1206。高级系统1204的实例包括一个或多个推进系统1208、电子系统1210、液压系统1212和环境系统1214。可以包括任何数量的其它系统。虽然示出航空航天实例，但本文公开的原理可应用于其它行业，如机动车行业、海洋产业等。

在制造和服务方法1100的任何一个或多个阶段中可以采用本文示出或描述的装置和方法。例如，可以以类似于当航空器1200是在服务(框1112)时所产生的部件或子组件的方式来制造对应于部件和子组件制造(框1106)的部件或子组件。此外，在生产阶段(框1108和1110)中，可以采用装置、方法、或它们的组合的一个或多个实施例，例如，通过增加航空器1200的有效EMI屏蔽和/或闪电防护。类似地，可以采用装置、方法、或它们的组合的一个或多个实施例，例如但不限于当航空器1200在服务(框1112)时以及在维护和服务阶段(框1114)。

此外，本公开包括根据以下项的实施方式：

项1.一种碳纳米材料复合片材，包括：

a)碳纳米材料结构的层，以及

b)包含多孔金属化非织造材料的载体层，该载体层结合到碳纳米材料结构。

项2.根据项1的复合片材，其中载体层永久结合到碳纳米材料结构。

项3.根据项1的复合片材，其中复合片材包括层压板。

项4.根据项1的复合片材，其中碳纳米材料结构包括碳纳米管(CNT)的随机取向的、均匀分布的结构。

项5.根据项1的复合片材，其中碳纳米材料结构具有至少1克碳纳米材料/平方米(gsm)的基本重量。

项6.根据项1的复合片材，其中载体层包含镍涂覆的纤维。

项7.根据项4的复合片材，其中CNT包括单壁CNT(SWCNT)。

项8.根据项4的复合片材，其中CNT进一步包括多壁CNT(MWCNT)。

项9.根据项1的复合片材，其中至少一些碳纳米材料通过载体层的厚度被散置并与载体层缠结，以致碳纳米材料结构永久结合到载体层。

项10.根据项1的复合片材，其中复合片材是连续片材。

项11.根据项1的复合片材，其中碳纳米材料包含碳纳米管、碳纳米颗粒、碳纳米球、和石墨烯的至少一种。

项12.根据项1的复合片材，进一步包含至少一个聚合物层或聚合物封装层，其结合于碳纳米材料结构。

项13.根据项1的复合片材，进一步包含结合于碳纳米材料结构的预浸材料。

项14.一种用于制造碳纳米材料复合片材的方法，所述方法包括：

将碳纳米材料结构的层结合于载体层，载体层制造自多孔金属化非织造材料。

项15.根据项14的方法，其中碳纳米材料结构的层永久结合到载体层。

项16.根据项14的方法，进一步包括将能释放的保护膜结合于载体层，其中载体层位于在保护膜和碳纳米材料结构之间。

项17.一种复合结构，包括：

至少一个纤维增强聚合物层；以及

碳纳米材料复合片材，其中碳纳米材料复合片材包含：

a)碳纳米材料结构的层，以及

b)包含多孔金属化非织造材料的载体层，该载体层结合到碳纳米材料结构。

项18.根据项17的复合结构，其中载体层永久结合到碳纳米材料结构。

项19.根据项17的复合结构，其中复合片材包括层压板。

项20.根据项17的复合结构，其中碳纳米材料结构包括碳纳米管(CNT)的随机取向的、均匀分布的结构。

虽然已示出和描述了公开的碳纳米材料层压板、复合结构、以及其制造方法的不同实施例，但在阅读本说明书以后本领域技术人员可以作出改变。目前的应用包括这样的改变并仅限于权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种碳纳米材料复合片材，包括：

a)碳纳米材料结构(242)的层(258)，以及

b)包含多孔金属化非织造材料的载体层(204)，所述载体层(204)结合至所述碳纳米材料结构(242)。

2.根据权利要求1所述的复合片材，其中，所述载体层(204)被永久地结合至所述碳纳米材料结构(242)。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的复合片材，其中，所述复合片材(202)包括层压板。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的复合片材，其中，所述碳纳米材料结构(242)包括随机取向的、均匀分布的碳纳米管CNT(228)的结构。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的复合片材，其中，所述碳纳米材料结构(242)具有至少1克碳纳米材料/平方米的基本重量。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的复合片材，其中，所述载体层(204)包含镍涂覆的纤维。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的复合片材，其中，所述CNT(228)包括单壁CNT。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的复合片材，其中，所述CNT进一步包括多壁CNT。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的复合片材，其中，形成所述碳纳米材料结构(242)的至少一些碳纳米材料(226)通过所述载体层(204)的厚度散置并与所述载体层(204)缠结，使得所述碳纳米材料结构(242)被永久地结合到所述载体层(204)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的复合片材，其中，所述碳纳米材料结构包括碳纳米管、碳纳米颗粒、碳纳米球、以及石墨烯中的至少一种。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的复合片材，进一步包含结合至所述碳纳米材料结构(242)的至少一个聚合物层(262)或聚合物封装层(264)。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的复合片材，进一步包含结合至所述碳纳米材料结构(242)的预浸材料(266)。

13.一种制造碳纳米材料复合片材的方法，所述方法包括：

将碳纳米材料结构(242)的层结合至载体层(204)，所述载体层(204)由多孔金属化非织造材料制造。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述碳纳米材料结构(242)的层被永久地结合至所述载体层(204)。

15.根据权利要求13至14中任一项所述的方法，进一步包括将能释放的保护膜结合至所述载体层(204)，其中，所述载体层(204)位于所述保护膜(216)和所述碳纳米材料结构(242)之间。