CN113194776A - 用于碳纤维对齐及纤维增强的复合材料的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明总体上涉及纤维增强的复合材料，包括碳纤维复合材料。这些材料可用于机械系统的承重组件和其他应用中。令人意外地，可以使用直接施加至碳纤维而非施加至用于间接使碳纤维对齐的磁性材料的施加的磁场来使碳纤维对齐。例如，碳纤维可以表现出响应于磁场的各向异性抗磁响应，其可以用于使纤维对齐。在一些情况下，碳纤维可以是相对纯的，和/或具有相对高的模量，这可以产生抗磁性特性。其他实施例总体上涉及用于制备或使用此类复合材料的系统和方法、包含此类复合材料的试剂盒等。

Description

用于碳纤维对齐及纤维增强的复合材料的系统和方法
相关申请
本申请要求2018年12月10日提交的标题为“Systems and Methods for CarbonFiber Alignment and Fiber-Reinforced Composites[用于碳纤维对齐及纤维增强的复合材料的系统和方法]”的美国临时专利申请序列号62/777,438的权益，该专利通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及纤维增强的复合材料，包括碳纤维复合材料。
背景技术
纤维增强的复合材料(例如，碳纤维复合材料)的特征是形成为编织或非编织纺织物层的增强纤维(例如，碳纤维)的通常平面的组装。这些层在增强纤维的强轴的方向上(例如，平面内(in-plane))提供机械、热和电性能，但是当横向于纤维施加负载(例如，贯穿厚度(through-thickness))时性能减弱。最常用的层材料包括增强纤维的平面组装并且提供有限的贯穿厚度的增强。
典型的纤维增强复合材料结构的特征是层压并且与聚合物、陶瓷或金属基质粘合在一起的若干增强纤维层。虽然增强纤维的各向异性行为为组件提供了优异的平面内特性，但是缺乏贯穿厚度的增强使得层压复合材料结构易于产生层间开裂、贯穿层断裂和热梯度或电梯度。最后，缺乏贯穿厚度的增强可能导致层压复合材料结构的完整性的加速且严重退化。
一种改善层压复合材料结构的贯穿厚度的特性的方式是使碳纤维在贯穿厚度方向上磁性对齐。在此过程中，不连续的碳纤维表面涂覆有磁性颗粒(例如，氧化铁纳米颗粒)。这些表面涂覆磁性颗粒的碳纤维表现出对磁场的物理响应，并且组装成具有贯穿厚度的增强的纤维增强的复合材料。然而，磁性颗粒可能增加这些材料的成本，从而潜在地使它们不适用于某些成本敏感的制造应用。因此，需要开发一种过程，其中可以将碳纤维磁性对齐以形成具有提高的方向依赖性特性的纤维增强的复合材料而不使用磁性颗粒表面涂层
发明内容
本发明总体上涉及纤维增强的复合材料，包括碳纤维复合材料。在一些情况下，本发明的主题涉及相互关联的产品、对具体问题的替代性解决方案和/或一个或多个系统和/或制品的多种不同用途。
在一方面，本发明总体上涉及一种制品。在一组实施例中，该制品包含复合材料，该复合材料包含限定基底的多个连续纤维和该基底的至少一部分内含有的多个对齐碳纤维。在一些实施例中，该多个碳纤维具有大于94％的碳含量和至少200GPa的模量。在某些情况下，该复合材料基本上不含顺磁性或铁磁性材料。
在另一组实施例中，该制品包含复合材料，该复合材料包含限定基底的多个连续纤维和该基底的至少一部分内含有的多个对齐碳纤维。在某些实施例中，当单独包含在水和/或乙醇中并且经受100mT磁场时，这些碳纤维表现出各向异性抗磁响应。
本发明的另一方面总体上涉及一种方法。根据一组实施例，该方法包括将包含具有大于94％的碳含量和至少200GPa的模量的多个碳纤维的液体暴露于限定基底的多个连续纤维，将磁场施加至该液体以致使该多个连续纤维内的这些碳纤维中的至少一些对齐，以及形成包含这些对齐的碳纤维的复合材料。
在另一组实施例中，该方法包括将包含多个碳纤维的液体暴露于限定基底的多个连续纤维，其中当单独包含在乙醇中并且经受200mT磁场时，这些碳纤维表现出各向异性抗磁响应，将磁场施加至该液体以致使这些碳纤维中的至少一些在该多个连续纤维内对齐，以及形成包含这些对齐的碳纤维的复合材料。
在另一方面，本发明涵盖制备本文所述的一个或多个实施例，例如纤维增强的复合材料的方法。在又另一方面，本发明涵盖使用本文所述的一个或多个实施例，例如纤维增强的复合材料的方法。
当结合附图考虑时，从以下本发明的各种非限制性实施例的详细描述中，本发明的其他优点和新颖特征将变得显而易见。
附图说明
将参照附图通过举例的方式描述本发明的非限制性实施例，这些附图是示意性的并且不旨在按比例绘制。在附图中，展示的每个相同或几乎相同的组件典型地由单一数字表示。为了清楚起见，并非在每个附图中标记每个组件，在没必要图示使本领域普通技术人员理解本发明时也没有示出本发明的每个实施例的每个组件。图中：
图1例示了根据本发明的一个实施例的纤维取向与碳纤维中主应力方向之间的关系；
图2例示了根据本发明的某些实施例的剪滞理论；
图3例示了在另一个实施例中通过剪切应力控制的负载转移；并且
图4示出了根据本发明的某些实施例不连续纤维可以具有高模量并且在负载下可以不经历显著应变，从而使剪切负载转移的作用最小化；并且
图5A-5B例示了本发明的一个实施例中对齐的纤维。
具体实施方式
本发明总体上涉及纤维增强的复合材料，包括碳纤维复合材料。这些材料可用于机械系统的承重组件和其他应用中。令人意外地，可以使用直接施加至碳纤维而非施加至用于间接使碳纤维对齐的磁性材料的施加的磁场来使碳纤维对齐。例如，碳纤维可以表现出响应于磁场的各向异性抗磁响应，其可以用于使纤维对齐。在一些情况下，碳纤维可以是相对纯的，和/或具有相对高的模量，这可以产生抗磁性特性。其他实施例总体上涉及用于制备或使用此类复合材料的系统和方法、包含此类复合材料的试剂盒等。
例如，某些方面总体上涉及纤维增强的复合材料，其特征是在贯穿厚度方向上用碳纤维加强的平面增强纤维。贯穿厚度取向的碳纤维可以通过空间排列和任选的粘合剂来捕捉。横向于平面增强纤维的碳纤维的对齐可以消除层间开裂、贯穿层断裂和热梯度或电梯度。例如，不连续碳纤维可以使用低能磁场(例如，小于150mT)横向于平面增强纤维的层对齐。
一组实施例总体上涉及以下过程，其中抗磁碳纤维可以用于产生纤维增强的复合材料，其特征是横向于平面增强纤维的层对齐的不连续碳纤维。使用抗磁碳纤维可以减少或消除利用表面涂覆有磁性颗粒等的碳纤维的需要。在一些实施例中，不连续碳纤维可以具有大于94％的碳含量，和/或可以表现出高取向的分子结构，这些结构使用低能磁场(例如，小于150mT)足够抗磁性来进行取向。碳纤维的非限制性实例包括例如基于沥青和/或聚合物(例如，ex-PAN或ex-Rayon)的变体，包括可商购的那些。在一些情况下，这些可以包括中间/标准模量(大于200GPa)碳纤维、高模量(大于300GPa)或超过模量(大于500GPa)碳纤维。
在一方面，本发明涉及用于使用磁场来使碳纤维对齐的系统和方法，诸如本文讨论的那些。碳纤维可以直接经由磁场来对齐，而非使用用于间接使碳纤维对齐的磁性材料。碳纤维可以包埋在复合材料内或用于其他应用。
令人意外地，一些类型的碳纤维是抗磁性的，并且可以直接使用施加的磁场来移动。相比之下，用于使用磁场来使碳纤维对齐的大多数系统使用磁性剂诸如磁性颗粒来间接致使碳纤维对齐。因此，未预期基本上不含顺磁性或铁磁性材料的碳纤维仍然可以使用外部磁场来对齐。例如，如果存在任何顺磁性或铁磁性材料，它们可以形成小于5％、小于1％、小于0.5％、小于0.3％、小于0.1％、小于0.05％、小于0.03％、小于0.01％、小于0.005％、小于0.003％或小于0.001％(按质量计)的材料。
在一组实施例中，碳纤维可以具有相对高的碳含量。不希望受任何理论限制，据信此类纤维可以表现出允许它们用低能磁场进行取向的抗磁性特性。总体上，抗磁性是通过生成与施加的磁场方向相反的感应磁场来使材料排斥施加的磁场。如果材料缺乏对于总体磁响应的明显顺磁性或铁磁性贡献，则该材料典型地被分类为抗磁性。在许多情况下，抗磁性材料的磁响应是非常弱的且可忽略不计的。然而，相对高的磁场可以在此类抗磁性材料中诱导明显的物理响应。
因此，在一些情况下，表现出相对高取向的分子结构的碳纤维可以表现出各向异性的、高抗磁性的抗磁性特性。此类抗磁性特性可以允许它们用相对弱的磁场取向，诸如本文所述的。例如，在一组实施例中，施加的磁场可以在碳纤维的C-C键中生成与施加的磁场方向相反的强感应磁场。某些类型的碳纤维可以拥有与纤维内方向平行的高度C-C键，其可以产生各向异性抗磁响应。因此，当碳纤维完全平行于施加的磁场对齐时，此类碳纤维可以经受中和的磁扭矩。因此，通过施加合适的磁场，碳纤维可以由于此类抗磁性特性而对齐。此响应可以足以克服重力、粘性和/或粒子间空间作用。
例如，在某些实施例中，碳纤维可以具有按质量计大于80％、大于90％、大于92％、大于94％、大于95％、大于96％、大于97％、大于98％、大于99％或大于99.5％的碳含量。此类碳纤维可以在一些情况下在商业上获得。例如，碳纤维可以例如通过“燃烧”或氧化可以去除(例如，通过转化为气体)的其他组分、从而留下具有相对高碳含量的碳纤维来热解产生。制备碳纤维的其他方法也是可能的，例如如本文详细讨论的。
碳纤维也可以在一些情况下表现出碳纤维内C-C键的基本对齐。例如，至少50％、至少60％、至少70％、至少75％、至少80％、至少85％、至少90％或至少95％的碳纤维可以表现出C-C键的基本对齐。这种对齐可以例如使用广角x射线衍射(WAXD)或本领域普通技术人员已知的其他技术来确定。
在一组实施例中，碳纤维可以具有相对高的模量(拉伸模量，其是硬度的量度)。典型地，更高模量的纤维比低模量纤维更硬且更轻。当平行于纤维施加力，即碳纤维是各向异性时，碳纤维典型地具有更高模量。在一些实施例中，碳纤维可以具有至少100GPa、至少200GPa、至少300GPa、至少400GPa、至少500GPa、至少600GPa、至少700GPa等的模量(例如，当平行于纤维施加力时)。据信，更柔性的碳纤维可以表现出更少的对齐，即，具有低模量的碳纤维可以对于磁场具有微弱的物理响应，或者没有响应而不是在施加的磁场内对齐。
在一组实施例中，当在液体(例如，水、油、聚合物树脂、聚合物熔体、金属熔体、醇诸如乙醇或另一种挥发性有机化合物)内自由浮动并且施加磁场时，碳纤维可以表现出各向异性抗磁响应。例如，在一些情况下，当施加合适的磁场时，碳纤维可以对齐，即，指示抗磁响应。在一些情况下，磁场可以是至少100mT、至少200mT、至少300mT、至少500mT、至少750mT、至少1T、至少1.5T、至少2T、至少3T、至少4T、至少5T等。在一些情况下，当施加合适的磁场时，液体内至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％或至少90％的自由浮动碳纤维可以表现出对齐。
典型地，碳纤维具有一种形状，使得一个正交维度(例如，其长度)比它的其他两个正交维度(例如，其宽度或厚度)基本上更大。在一些情况下，纤维可以是基本上圆柱形的。如所提及的，在一些情况下，碳纤维可以是相对硬的；然而，碳纤维不需要是完全直线的(例如，其长度仍然可以沿纤维本身确定，即使它是弯曲的)。
在一组实施例中，碳纤维可以具有与基底的厚度基本上相同或更小的维度(例如，特征性维度)。例如，复合材料内的至少一些碳纤维可以具有基本上跨越基底的厚度的平均长度。然而，在其他情况下，碳纤维的特征性维度可以大于厚度。
如所提及的，本发明的某些实施例总体上涉及包含碳纤维的复合材料。在一些情况下，复合材料内的碳纤维可以具有至少1nm、至少3nm、至少5nm、至少10nm、至少30nm、至少50nm、至少100nm、至少300nm、至少500nm、至少1微米、至少3微米、至少5微米、至少10微米、至少20微米、至少30微米、至少50微米、至少100微米、至少200微米、至少300微米、至少500微米、至少1mm、至少2mm、至少3mm、至少5mm、至少1cm、至少1.5cm、至少2cm、至少3cm、至少5cm、至少10cm等的平均长度或特征性维度。在某些实施例中，碳纤维可以具有不超过10cm、不超过5cm、不超过3cm、不超过2cm、不超过1.5cm、不超过1cm、不超过5mm、不超过3mm、不超过2mm、不超过1mm、不超过500微米、不超过300微米、不超过200微米、不超过100微米、不超过50微米、不超过30微米、不超过20微米、不超过10微米、不超过5微米、不超过3微米、不超过1微米、不超过500nm、不超过300nm、不超过100nm、不超过50nm、不超过30nm、不超过10nm、不超过5nm等的平均长度或特征性维度。这些中的任何的组合也是可能的。例如，复合材料内的碳纤维可以具有5mm与15mm之间或1mm与5mm之间、1mm与1cm之间等的平均长度。
此外，碳纤维也可以具有任何合适的平均直径。例如，碳纤维可以具有至少10微米、至少20微米、至少30微米、至少50微米、至少100微米、至少200微米、至少300微米、至少500微米、至少1mm、至少2mm、至少3mm、至少5mm、至少1cm、至少2cm、至少3cm、至少5cm、至少10cm等的平均直径。在某些实施例中，碳纤维可以具有不超过10cm、不超过5cm、不超过3cm、不超过2cm、不超过1cm、不超过5mm、不超过3mm、不超过2mm、不超过1mm、不超过500微米、不超过300微米、不超过200微米、不超过100微米、不超过50微米、不超过30微米、不超过20微米、不超过10微米等的平均直径。这些中的任何的组合也是可能的。例如，碳纤维可以具有5微米与100微米之间、10微米与100微米之间、50微米与500微米之间、100微米与5mm之间等的平均直径。
在某些实施例中，碳纤维可以具有平均而言是其厚度或直径的至少10倍或至少50倍的长度。在一些情况下，复合材料内的纤维可以具有至少3、至少5、至少10、至少30、至少50、至少100、至少300、至少500、至少1,000、至少3,000、至少5,000、至少10,000、至少30,000、至少50,000或至少100,000的平均纵横比(纤维长度与直径或厚度的比率)。至一些情况下，平均纵横比可以小于100,000、小于50,000、小于30,000、小于10,000、小于5,000、小于3,000、小于1,000、小于500、小于300、小于100、小于50、小于30、小于10、小于5等。在一些情况下，这些中的任何的组合也是可能的；例如，纵横比可以在5与100,000之间。
在一些情况下，碳纤维可以包含相对大比例的复合材料。例如，碳纤维可以占复合材料的质量的至少1％、至少2％、至少3％、至少4％、至少5％、至少7％、至少10％、至少15％、至少20％、至少25％、至少30％、至少35％、至少40％、至少45％、至少50％、至少55％、至少60％、至少65％、至少70％、至少75％、至少80％、至少85％、至少90％、至少95％或至少97％。在一些情况下，碳纤维包含占复合材料的质量的不超过97％、不超过95％、不超过90％、不超过85％、不超过80％、不超过70％、不超过60％、不超过50％、不超过40％、不超过30％、不超过20％或不超过10％。这些中的任何的组合也是可能的。
在一些实施例中，碳纤维可以至少基本上在复合材料内对齐。用于使碳纤维对齐的方法在本文中详细讨论。各种对齐是可能的，并且在一些情况下可以例如以光学方式或显微镜方式确定。因此，在一些情况下，对齐可以定性地确定。然而，应理解，对齐并不需要是完美的。在一些情况下，复合材料内的碳纤维的至少5％、至少10％、至少25％、至少50％、至少75％、至少85％、至少90％或至少95％可以表现出在例如复合材料的样品内的多个碳纤维的平均对齐的20°内、15°内、10°内或5°内的对齐。
在一些情况下，碳纤维的对齐基本上正交于基底。例如，平均对齐可以取向成相对于在此位置处的基底的平面至少60°、至少65°、至少70°、至少75°、至少85°或至少87°。如所提及的，基底本身可以不一定是平面的，也可以是弯曲的等。
不希望受任何理论限制，据信基本上正交于基底的碳纤维的对齐可以用于提供基底的增强。这可以改善基底的强度，例如在经受不同方向的力时。例如，基底内的纤维可以在3个维度上在基本上正交的方向上运行，从而为基底提供强度，无论施加的力的方向如何。碳纤维还可以限制例如具有层间微开裂、贯穿层断裂等的表面的退化。此外，在一些实施例中，除其机械特性之外或并非其机械特性，碳纤维可以提高复合材料内的基底的其他特性，例如电特性和/或热特性。
各种碳纤维可以在商业上获得，包括抗磁碳纤维。在一些情况下，碳纤维可以由聚合物前体诸如聚丙烯腈(PAN)、人造丝、沥青等生产。在一些情况下，碳纤维可以例如使用化学或机械过程纺成细丝纱线，以便初始地以一种方式使聚合物原子对齐以提高完成的碳纤维的最终物理特性。在纺细丝纱线期间使用的前体组合物和机械过程可以变化。在拉伸或纺丝之后，可以加热聚合物细丝纱线以去除非碳原子(碳化或热解)，以产生最终碳纤维。在一些实施例中，此类技术可以用于生产具有相对高碳含量，例如至少90％或如本文所述的其他含量的碳纤维。
碳纤维中的至少一些或全部可以是未经涂覆的。然而，在一些情况下，碳纤维中的一些或全部可以是经涂覆的。作为非限制性实例，碳纤维可以涂覆有表面活性剂(surfactant)、硅烷偶联剂(silane coupling agent)、环氧树脂(epoxy)、甘油、聚氨酯(polyurethane)、有机金属偶联剂(organometallic coupling agent)、聚合物、陶瓷、金属等。表面活性剂的非限制性实例包括油酸(oleic acid)、十二烷基硫酸钠(sodium dodecylsulfate)、月桂基硫酸钠(sodium lauryl sulfate)等。硅烷偶联剂的非限制性实例包括基于氨基-(amino-)、苄基氨基-(benzylamino-)、氯丙基-(chloropropyl-)、二硫化物-(disulfide-)、环氧基-(epoxy-)、环氧基/三聚氰胺-(epoxy/melamine-)、巯基-(mercapto-)、甲基丙烯酸酯-(methacrylate-)、叔硫基-(tertasulfido-)、脲基-(ureido-)、乙烯基-(vinyl-)、异氰酸酯-(isocynate-)和乙烯基-苄基-氨基硅烷偶联剂(vinly-benzyl-amino-based silane coupling agent)。有机金属偶联剂的非限制实例包括基于芳基-(aryl-)和乙烯基-(vinyl-)的有机金属偶联剂。
此外，本发明的某些方面总体上涉及包含限定基底的多个连续纤维和该基底内含有的多个碳纤维的复合材料，如上所指出的。例如，多个碳纤维中的至少一些可以包含在基底的例如通过限定基底的连续纤维之间的间距产生的洞、间隙或孔内。在一些情况下，碳纤维在洞、间隙或孔内可以是基本上对齐的。在一些实施例中，可以存在粘合剂，例如以粘合复合材料内的连续纤维和/或碳纤维。
在一些情况下，复合材料通常是平面的。然而，应理解，这种基底不需要是数学上完美的平面结构(虽然它可以是)；例如，该基底还可以是可变形的、弯曲的、弯折的、折叠的、卷绕的、褶皱的等。在某些实施例中，该基底可以具有至少约0.1微米、至少约0.2微米、至少约0.3微米、至少约0.5微米、至少约1微米、至少约2微米、至少约3微米、至少约5微米、至少约10微米、至少约30微米、至少约50微米、至少约100微米、至少约300微米、至少约500微米、至少约1mm、至少约2mm、至少约3mm、至少约5mm、至少约1cm、至少约3cm、至少约5cm、至少约10cm、至少约30cm、至少约50cm、至少约100cm等的平均厚度。在某些情况下，平均厚度可以是小于100cm、小于50cm、小于30cm、小于10cm、小于5cm、小于3cm、小于1cm、小于5mm、小于2mm、小于3mm、小于1mm、小于500微米、小于300微米、小于100微米、小于50微米、小于30微米、小于10微米、小于5微米、小于3微米、小于1微米、小于0.5微米、小于0.3微米或小于0.1微米。在某些实施例中，这些中的任何的组合也是可能的。例如，平均厚度可以是在0.1与5,000微米之间，在10与2,000微米之间，在50与1,000微米之间等。跨基底的厚度可以是均匀的或不均匀的。另外，在一些情况下，基底可以是刚性的(例如，如本文讨论的)，或者可以是可变形的。
在一些情况下，通过连续纤维产生的孔、间隙或洞可以是相对小的。孔、间隙或洞中的一些或全部可以含有碳纤维，其在一些情况下可以是对齐的，例如，如本文讨论的。孔、间隙或洞可以具有不超过10cm、不超过5cm、不超过3cm、不超过2cm、不超过1cm、不超过5mm、不超过3mm、不超过2mm、不超过1mm、不超过500微米、不超过300微米、不超过200微米、不超过100微米、不超过50微米、不超过30微米、不超过20微米、不超过10微米等的平均大小或截面尺寸。
复合材料可以用于各种各样的应用中，包括本文更详细地讨论的那些。作为非限制性实例，复合材料可以用于各种应用中，诸如压力容器的增强件、风力涡轮机的组件、顶升重型结构中使用的垫片、运动装备、建筑或构建材料、电子装置的层压件或密封件、电池组件、轴承或车辆诸如汽车、飞机、船舶或航天器的面板。
如所提及的，本发明的一组实施例总体上涉及包含由连续纤维形成的基底并且含有多个碳纤维的复合材料。连续纤维通常具有平均而言基本上比碳纤维的特征性维度长的长度。例如，连续纤维可以具有大于碳纤维的特征性维度的10倍、大于30倍、大于50倍、大于100倍、大于300倍、大于500倍或大于1,000倍的平均长度。在一些实施例中，连续纤维可以具有至少3、至少5、至少10、至少30、至少50、至少100、至少300、至少500、至少1,000等的平均纵横比(例如，长度与直径或平均截面尺寸的比率)。另外，在一些情况下，连续纤维可以具有至少1nm、至少3nm、至少5nm、至少10nm、至少30nm、至少50nm、至少100nm、至少300nm、至少500nm、至少1微米、至少3微米、至少5微米、至少10微米、至少30微米、至少50微米、至少100微米、至少300微米、至少500微米、至少1mm、至少3mm、至少5mm、至少1cm、至少3cm、至少5cm或至少10cm的平均长度。在一些情况下，更长的平均长度也是可能的。
连续纤维可以编织在一起(例如，双向、多向、准各向同性等)和/或是非编织的(例如，单向、面纱、垫子等)。在某些实施例中，连续纤维中的至少一些是基本上平行的和/或相对于彼此正交取向的，虽然连续纤维的其他构型也是可能的。在某些实施例中，连续纤维可以一起限定织物或其他基底，例如纺织物、丝束、细丝、纱线、股线等。在一些情况下，基底可以具有基本上小于其他正交维度的一个正交维度(即，基底可以具有厚度)。
形成基底的连续纤维可以包含任何各种各样的材料，并且一种类型或多于一种类型的纤维可以存在于基底内。非限制性实例包括碳、玄武岩(basalt)、碳化硅(siliconcarbide)、芳族聚酰胺(aramid)、氧化锆(zirconia)、尼龙、硼、氧化铝(alumina)、二氧化硅(silica)、硼硅酸盐(borosilicate)、莫来石(mullite)、棉、或任何其他天然或合成纤维。
连续纤维可以具有任何合适的平均直径。例如，连续纤维可以具有至少10微米、至少20微米、至少30微米、至少50微米、至少100微米、至少200微米、至少300微米、至少500微米、至少1mm、至少2mm、至少3mm、至少5mm、至少1cm、至少2cm、至少3cm、至少5cm、至少10cm等的平均直径。在某些实施例中，连续纤维可以具有不超过10cm、不超过5cm、不超过3cm、不超过2cm、不超过1cm、不超过5mm、不超过3mm、不超过2mm、不超过1mm、不超过500微米、不超过300微米、不超过200微米、不超过100微米、不超过50微米、不超过30微米、不超过20微米、不超过10微米等的平均直径。这些中的任何的组合也是可能的。例如，连续纤维可以具有5微米与100微米之间、10微米与100微米之间、50微米与500微米之间、100微米与5mm之间等的平均直径。
连续纤维还可以具有任何合适的平均长度。例如，连续纤维可以具有至少约0.5cm、至少1cm、至少2cm、至少3cm、至少5cm、至少10cm等平均长度。在某些实施例中，连续纤维可以具有不超过10cm、不超过5cm、不超过3cm、不超过2cm、不超过1cm、不超过0.5cm等的平均直径。这些中的任何的组合也是可能的；例如，连续纤维可以具有1cm与10cm之间、10cm与100cm之间等的平均长度。
在一些情况下，连续纤维可以包含相对大比例的复合材料。例如，在某些实施例中，连续纤维可以占复合材料的质量的至少1％、至少2％、至少3％、至少4％、至少5％、至少7％、至少10％、至少15％、至少20％、至少25％、至少30％、至少35％、至少40％、至少45％、至少50％、至少55％、至少60％、至少65％、至少70％、至少75％、至少80％、至少85％、至少90％、至少95％或至少97％。在一些情况下，连续纤维占复合材料的质量的不超过97％、不超过95％、不超过90％、不超过85％、不超过80％、不超过70％、不超过60％、不超过50％、不超过40％、不超过30％、不超过20％或不超过10％。这些中的任何的组合也是可能的。
在某些实施例中，复合材料还可以含有一种或多种不连续剂，例如除碳纤维之外。不连续剂可以包括凝聚剂或个体剂。这些剂可以具有各种形状，包括纤维或薄片。其他形状包括但不限于纳米管、纳米纤维、纳米片等。在一组实施例中，不连续剂是非球形的。纤维可以具有一种形状，使得一个正交维度(例如，其长度)比它的其他两个正交维度(例如，其宽度或厚度)基本上更大。薄片可以具有一种形状，使得两个正交维度(例如，其直径)比它的其他正交维度(例如，其宽度或厚度)基本上更大。在一些情况下，薄片可以是基本上圆柱形的或圆盘形的，虽然它也可以具有其他形状。此外，应理解，在一些情况下薄片和纤维均可以存在，并且/或者在某些实施例中可以存在其他形状(例如，不是薄片和/或纤维或除薄片和/或纤维之外)。
应理解，不连续剂诸如薄片和/或纤维可以是相对硬的，或者在一些情况下可以是弯曲的或柔性的，或采取各种其他形状。例如，纤维不需要是完全直线的，或者薄片不需要是完全圆盘形的。
如所提及的，本发明的某些实施例总体上涉及包含不连续纤维的复合材料。在一些情况下，复合材料内的不连续纤维可以具有至少1nm、至少3nm、至少5nm、至少10nm、至少30nm、至少50nm、至少100nm、至少300nm、至少500nm、至少1微米、至少3微米、至少5微米、至少10微米、至少20微米、至少30微米、至少50微米、至少100微米、至少200微米、至少300微米、至少500微米、至少1mm、至少2mm、至少3mm、至少5mm、至少1cm、至少1.5cm、至少2cm、至少3cm、至少5cm、至少10cm等的平均长度或特征性维度。在某些实施例中，不连续纤维可以具有不超过10cm、不超过5cm、不超过3cm、不超过2cm、不超过1.5cm、不超过1cm、不超过5mm、不超过3mm、不超过2mm、不超过1mm、不超过500微米、不超过300微米、不超过200微米、不超过100微米、不超过50微米、不超过30微米、不超过20微米、不超过10微米、不超过5微米、不超过3微米、不超过1微米、不超过500nm、不超过300nm、不超过100nm、不超过50nm、不超过30nm、不超过10nm、不超过5nm等的平均长度或特征性维度。这些中的任何的组合也是可能的。例如，复合材料内的不连续纤维可以具有5mm与15mm之间或1mm与5mm之间、1mm与1cm之间等的平均长度。
此外，不连续纤维也可以具有任何合适的平均直径。例如，不连续纤维可以具有至少10微米、至少20微米、至少30微米、至少50微米、至少100微米、至少200微米、至少300微米、至少500微米、至少1mm、至少2mm、至少3mm、至少5mm、至少1cm、至少2cm、至少3cm、至少5cm、至少10cm等的平均直径。在某些实施例中，不连续纤维可以具有不超过10cm、不超过5cm、不超过3cm、不超过2cm、不超过1cm、不超过5mm、不超过3mm、不超过2mm、不超过1mm、不超过500微米、不超过300微米、不超过200微米、不超过100微米、不超过50微米、不超过30微米、不超过20微米、不超过10微米等的平均直径。这些中的任何的组合也是可能的。例如，不连续纤维可以具有10微米与100微米之间、50微米与500微米之间、100微米与5mm之间等的平均直径。
在某些实施例中，不连续纤维可以具有平均而言是其厚度或直径的至少10倍或至少50倍的长度。在一些情况下，复合材料内的纤维可以具有至少3、至少5、至少10、至少30、至少50、至少100、至少300、至少500、至少1,000、至少3,000、至少5,000、至少10,000、至少30,000、至少50,000或至少100,000的平均纵横比(纤维长度与直径或厚度的比率)。至一些情况下，平均纵横比可以小于100,000、小于50,000、小于30,000、小于10,000、小于5,000、小于3,000、小于1,000、小于500、小于300、小于100、小于50、小于30、小于10、小于5等。在一些情况下，这些中的任何的组合也是可能的；例如，纵横比可以在5与100,000之间。
如所提及的，复合材料不仅限于不连续纤维。在某些实施例中，复合材料可以包括薄片，例如不是不连续纤维或除不连续纤维之外。典型地，薄片可以是圆盘形的，虽然其他形状也是可能的。
在一些情况下，薄片可以具有至少10微米、至少20微米、至少30微米、至少50微米、至少100微米、至少200微米、至少300微米、至少500微米、至少1mm、至少2mm、至少3mm、至少5mm、至少1cm、至少1.5cm、至少2cm、至少3cm、至少5cm、至少10cm等的最大维度或特征性维度。在某些实施例中，薄片可以具有不超过10cm、不超过5cm、不超过3cm、不超过2cm、不超过1.5cm、不超过1cm、不超过5mm、不超过3mm、不超过2mm、不超过1mm、不超过500微米、不超过300微米、不超过200微米、不超过100微米、不超过50微米、不超过30微米、不超过20微米、不超过10微米等的最大维度或特征性维度。如果薄片不具有基本上圆形的面(例如，如果薄片具有椭圆形或不规则面)，则特征性维度可以取为具有与薄片的面相同面积的完美圆的直径。这些维度中的任何的组合也是可能的。例如，最大维度或特征性维度可以是5mm与15mm之间或1mm与5mm之间、1mm与1cm之间等。
在某些实施例中，薄片可以具有至少3、至少5、至少10、至少30、至少50、至少100、至少300、至少500、至少1,000等的平均纵横比(最大维度与最小维度或厚度的比率)。在一些情况下，平均纵横比可以小于1,000、小于500、小于300、小于100、小于50、小于30、小于10、小于5等。在一些情況下这些中的任何的组合也是可能的；例如，纵横比可以在5与1,000之间。
不连续剂可以形成或包含任何各种各样的材料，并且可以存在一种类型或多于一种类型的材料。例如，不连续剂可以包含材料诸如玄武岩、碳化硅、氮化硅、芳族聚酰胺、氧化锆、尼龙、硼、氧化铝、二氧化硅、硼硅酸盐、莫来石、氮化物、氮化硼、石墨、玻璃等。不连续剂可以包括任何天然和/或任何合成材料，并且可以是磁性的和/或非磁性的。
在某些实施例中，粘合剂也存在于复合材料内，例如其可以用于粘合连续纤维和碳纤维(和任选地其他材料)。例如，粘合剂可以有利于将连续纤维和碳纤维在复合材料內保持在适当位置。然而，应理解，粘合剂是任选的并且不是在所有情况下都需要。在一些情况下，粘合剂可以包括树脂。粘合剂可以包括热固性塑料(thermoset)或热塑性塑料(thermoplastic)。在某些实施例中，粘合剂可以包括热塑性溶液、热塑性熔体、热塑性粒料、热塑性粉末、热塑性膜、热固性树脂、挥发性化合物诸如挥发性有机化合物、水或油。粘合剂的另外的非限制性实例包括环氧树脂(epoxy)、聚酯(polyester)、乙烯基酯(vinylester)、聚乙烯亚胺(polyethylenimine)、聚醚酮酮(polyetherketoneketone)、聚芳醚酮(polyaryletherketone)、聚醚醚酮(polyether ether ketone)、聚苯硫醚(polyphenylenesulfide)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate)、聚碳酸酯(polycarbonates)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(poly(methyl methacrylate))、丙烯腈丁二烯苯乙烯(acrylonitrile butadiene styrene)、聚丙烯腈(polyacrylonitrile)、聚丙烯(polypropylene)、聚乙烯(polyethylene)、尼龙、硅橡胶(silicone rubber)、聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)、全氟烷氧基烷烃(perfluoroalkoxy alkanes)、丁苯橡胶(styrene butadiene rubber)或预陶瓷单体诸如硅氧烷(siloxane)、硅氮烷(silazane)或碳硅烷(carbosilane)。在某些实施例中，粘合剂还可以包括包含这些材料中的任一种或多种和/或其他材料的混合物。
在一些实施例中，粘合剂可以占复合材料的质量的至少1％、至少2％、至少3％、至少4％、至少5％、至少7％、至少10％、至少15％、至少20％或至少25％，和/或占复合材料的质量的不超过25％、不超过20％、不超过15％、不超过10％、不超过7％、不超过5％、不超过4％、不超过3％、不超过2％或不超过1％。
本发明的另一方面总体上涉及用于制备复合材料诸如本文所述的那些的系统和方法。在一组实施例中，复合材料可以由含有多个碳纤维的液体诸如浆料制备，将合适的基底暴露于该液体。可以施加磁场来操纵碳纤维，例如当此类碳纤维响应于磁场而表现出各向异性抗磁响应时。可以去除过量材料。在一些情况下，复合材料可以例如用粘合剂固结或硬化，该粘合剂可以用于使碳纤维在基底内不动或固定。在某些实施例中，粘合剂可以灌注或浸渍到基底中。
在一些情况下，可以形成液体诸如浆料。浆料可以包括碳纤维。液相可以包括例如热塑性塑料或热固性塑料，例如热塑性溶液、热塑性熔体、热塑性粒料、热塑性粉末、热固性树脂、热固性乳液、热固性粉末、挥发性有机化合物、水或油。热塑性塑料的非限制性实例包括聚乙烯亚胺、聚醚酮酮、聚芳醚酮、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚丙烯腈、聚丙烯、聚乙烯、尼龙、聚偏二氟乙烯、酚醛树脂(phenolics)、环氧树脂、双马来酰亚胺(bismaleimides)、氰酸酯(cyanateesters)、聚酰亚胺(polyimides)等。弹性体的非限制性实例包括硅橡胶和丁苯橡胶等。热固性塑料的非限制性实例包括环氧树脂、聚酯、乙烯基酯等。预陶瓷单体的非限制性实例包括硅氧烷、硅氮烷或碳硅烷等。在一些情况下，例如，可以添加这些中的一种或多种以帮助将碳纤维均匀地分散在液体内。挥发性有机化合物的实例包括但不限于水、异丙醇、丁醇、乙醇、丙酮、甲苯或二甲苯。在一些情况下，颗粒也可以存在于浆料内，例如聚合物颗粒、陶瓷颗粒、金属颗粒等。
任何合适量的碳纤维可以存在于浆料或其他液体中。例如，浆料的至少10％、至少15％、至少20％、至少25％、至少30％、至少35％、至少40％、至少45％、至少50％、至少55％、至少60％、至少65％、至少70％、至少75％或至少80％的体积可以是碳纤维。在一些情况下，不超过85％、不超过80％、不超过75％、不超过70％、不超过65％、不超过60％、不超过55％、不超过50％、不超过45％、不超过40％、不超过35％、不超过30％、不超过25％、不超过20％、不超过15％或不超过10％可以是碳纤维。在一些情况下，这些中的任何的组合也是可能的。例如，浆料或其他液体可以含有70％与80％之间、75％与85％之间、50％与90％之间等的碳纤维。
在制备浆料或其他液体之后，可以将其施加至或暴露于例如包含连续纤维的基底。在一些情况下，可以将基底置于表面诸如聚合物箔、金属箔或纸上，例如以用于施加液体、磁场、机械振动、加热和/或类似物，例如，如本文所讨论的。
任何合适的方法可以用于将浆料或其他液体施加至基底。作为非限制性实例，可以将液体倒入、涂覆、喷涂或涂刷到基底上，或者可以将基底部分或完全浸入液体内。液体可以用于润湿、涂覆和/或包围连续纤维。
可以施加磁场以例如经由各向异性抗磁响应来操纵碳纤维。例如，磁场可以用于将碳纤维移动到基底中，例如到基底内的孔、间隙或洞中。此外，在一些情况下，磁场可以用于至少基本上使碳纤维在基底内对齐，例如，如本文所讨论的。例如，磁场可以用于使碳纤维的至少50％、至少75％、至少85％、至少90％或至少95％对齐至平均对齐的20°内、15°内、10°内或5°内。在一些实施例中，磁场可以用于使碳纤维在基底内例如在磁场的方向上和/或在基底内在贯穿平面(through-plane)方向上对齐。
可以施加任何合适的磁场。在一些情况下，磁场是恒定磁场。在其他情况下，磁场可以是随时间变化的；例如，磁场可以振荡或在振幅和/或方向上周期性变化，例如以有利于碳纤维的操纵。振荡可以是正弦曲线或另一种重复波形(例如，方波或锯齿波)。频率可以是例如至少0.1Hz、至少0.3Hz、至少0.5Hz、至少1Hz、至少3Hz、至少5Hz、至少10Hz、至少30Hz、至少50Hz、至少100Hz、至少300Hz、至少500Hz等，和/或不超过1000Hz、不超过500Hz、不超过300Hz、不超过100Hz、不超过50Hz、不超过30Hz、不超过10Hz、不超过5Hz、不超过3Hz等。例如，频率可以在1Hz至500Hz之间、10Hz与30Hz之间、50Hz与Hz之间等。此外，频率可以保持基本上恒定，或者在一些情况下频率可以变化。
无论是恒定的还是振荡的，磁场可以具有任何合适的振幅。例如，振幅可以是至少0.001T、至少0.003T、至少0.005T、至少0.01T、至少0.03T、至少0.05T、至少0.1T、至少0.3T、至少0.5T、至少1T、至少3T、至少5T、至少10T等。在一些情况下，振幅可以不超过20T、不超过10T、不超过5T、不超过3T、不超过1T、不超过0.5T、不超过0.3T、不超过0.1T、不超过0.05T、不超过0.03T、不超过0.01T、不超过0.005T、不超过0.003T等。振幅也可以落在这些值的任何组合内。例如，振幅可以是在0.01T与10T之间，在1T与3T之间，在0.5T与1T之间等。振幅可以是基本上恒定的，或者可以在某些实施例中例如在这些值的任何范围内变化。
在一些实施例中，磁场方向(即，最大振幅的方向)可以绕平均方向变化+/-90°、+/-85°、+/-80°、+/-75°、+/-70°、+/-65°、+/-60°、+/-55°、+/-50°、+/-45°、+/-40°、+/-35°、+/-30°、+/-25°、+/-20°、+/-15°、+/-10°、+/-5°。
用于产生合适磁场的各种不同的装置可以在商业上获得，并且包括永磁体或电磁铁。在一些情况下，振荡磁场可以通过将磁铁附接到旋转圆盘并且使圆盘在适当的速度或频率下旋转来产生。永磁体的非限制性实例包括铁磁体、铝镍钴磁体、稀土磁体等。
此外，在一组实施例中，机械振动可以用于操纵颗粒，例如除磁性操纵之外和/或不是磁性操纵。例如，机械振动可以用于将颗粒移动到基底中，例如到基底内的孔、间隙或洞中，和/或至少基本上使碳纤维在基底内对齐，例如，如本文所讨论的。在一些情况下，振动可以用于使碳纤维在基底内对齐和/或将碳纤维移动到基底内的孔、间隙或洞中。
在一组实施例中，可以施加机械振动以致使碳纤维运动至少1微米、至少2微米、至少3微米、至少5微米、至少10微米、至少20微米、至少30微米、至少50微米、至少100微米、至少200微米、至少300微米、至少500微米、至少1,000微米、至少2,000微米、至少3,000微米、至少5,000微米或至少10,000微米。
此外，在一些情况下，机械振动可以是随时间变化的；例如，机械振动可以在振幅和/或方向上周期性变化，例如以有利于碳纤维的操纵。振荡可以是正弦曲线或另一种重复波形(例如，方波或锯齿波)。频率可以是例如至少0.1Hz、至少0.3Hz、至少0.5Hz、至少1Hz、至少3Hz、至少5Hz、至少10Hz、至少30Hz、至少50Hz、至少100Hz、至少300Hz、至少500Hz等，和/或不超过1000Hz、不超过500Hz、不超过300Hz、不超过100Hz、不超过50Hz、不超过30Hz、不超过10Hz、不超过5Hz、不超过3Hz等。例如，频率可以在1Hz至500Hz之间、10Hz与30Hz之间、50Hz与Hz之间等。此外，频率可以保持基本上恒定，或者在一些情况下频率可以变化。如果结合振荡磁场施加，其频率可以独立地是相同或不同的。
在对齐期间和/或之后，在一些实施例中基底内的碳纤维可以是固结的或固定的，例如以防止或限制碳纤维随后移动并且形成相对硬的复合材料。形成复合材料的技术的非限制性实例包括但不限于使液体或浆料固化(solidifying)、硬化、胶凝化、熔化、蒸发、冷冻或冻干。在另一组实施例中，可以使材料诸如热固性聚合物固化(cured)以使复合材料硬化。基底因此可以形成作为固体、凝胶等的复合材料。
在一些情况下，液体可以包含相对挥发性的溶剂，其可以通过加热和/或蒸发(例如，通过等待合适量的时间，或例如在通风橱或其他通风区域中使溶剂蒸发)来去除。挥发性溶剂的非限制性实例包括异丙醇、丁醇、乙醇、丙酮、甲苯或二甲苯。去除溶剂的方法的其他实例包括施加真空、冻干、机械震动等。
在一组实施例中，可以向基底施加热，例如以去除一部分溶剂。例如，可以将基底加热至至少约30℃、至少约35℃、至少约40℃、至少约45℃、至少约50℃、至少约55℃、至少约60℃、至少约65℃、至少约70℃、至少约75℃、至少约80℃、至少约90℃、至少约100℃、至少约125℃、至少约150℃、至少约175℃、至少约200℃、至少约250℃、至少约300℃、至少约350℃、至少约400℃、至少约450℃、至少约500℃等的温度。可以使用施加热的任何合适的方法，例如热电换能器、欧姆加热器、珀耳帖装置、燃烧加热器等。在一些情况下，液体的粘度可能由于加热而降低。可以例如在施加磁场和/或机械振动之前、同时或之后施加加热。在一些情况下，加热可以用于防止或引发热固性预聚合物的交联或固化。
在一组实施例中，粘合剂还可以在复合材料的硬化和/或至少一部分液体的去除之前、期间和/或之后施加。在一些实施例中，粘合剂可以用于例如通过润湿干燥层材料来产生预浸渍的复合材料层材料。粘合剂在一些情况下可以是液体，并且可以在施加至复合材料之后被导致硬化。在一些情况下，粘合剂渗透到至少一部分复合材料中。渗透技术的非限制性实例包括使用重力和毛细管力(通过向粘合剂施加压力迫使其到复合材料中)等。其他实例包括但不限于热压、压延或真空注入。然而，在一些情况下，粘合剂用于涂覆所有或仅一部分基底，例如不一定需要渗透。合适的粘合剂的非限制性实例包括树脂或其他材料，诸如本文所讨论的那些。
在渗透之后，粘合剂可以硬化。在一些情况下，粘合剂可以例如在溶剂蒸发后自发硬化。在某些实施例中，可以施加热来使粘合剂硬化，例如通过将复合材料暴露于温度，诸如以上所述的那些。在一些实施例中，粘合剂可以在暴露于光或催化剂时硬化，例如以便有利于或促进化学或聚合反应以致使粘合剂聚合。例如，热固性聚合物可以在暴露于合适的温度时固化。在另一个实例中，可以将聚合物暴露于紫外线以致使聚合发生。
在各个方面，复合材料诸如本文所讨论的那些可以在各种各样的应用中使用。在本发明的各种实施例中，复合材料诸如本文所述的那些可以表现出各种不同的特征。例如，复合材料诸如本文所讨论的那些可以用于减少或消除应力集中、减少或消除分层、增加平面强度和/或硬度、减少或消除表面磨损、消散电力(例如，在电冲击中)、传递电信号、减弱电磁波、传递电磁波、散热(例如，在热冲击中)、减少或消除热梯度、储存能量、合成ex-PAN碳纤维、合成陶瓷基质复合材料(CMC)等。
例如，在一组实施例中，可以生产具有纤维取向的至少三个轴的复合材料层。此纤维结构可以允许复合材料层将应力分布在随后的层与相邻组件之间，这可以减少或消除应力集中。这可以显著改善动态负载下层压复合材料结构的强度，例如当层压复合材料结构形成有小特征部或与具有明显不同硬度的材料(例如，金属合金或塑料)配合时。
另一组实施例总体上涉及一种具有层间区域的贯穿平面增强的复合材料层。此纤维增强允许复合材料层有效地将应力分布在相邻层之间以阻碍裂纹形成并且防止裂纹在层间区域中传播。层间区域的靶向增强可以显著改善冲击和循环负载下层压复合材料结构的强度。当层压复合材料结构形成有长片的复合材料层时，例如其中各层之间的层间区域中的单个裂纹可能潜在地损害总体结构的结构完整性，此配制可以是有用的。
又一组实施例总体上涉及一种具有贯穿平面增强的复合材料层，例如贯穿平面的单向织物。此纤维增强可以增强靶向贯穿平面负载(例如，点负载和高压负载)。靶向贯穿平面增强可以显著改善预期贯穿平面机械负载下层压复合材料结构的强度和硬度。这可以可用于有效处理在未固化状态下在处理期间可能易于变形的具有贯穿平面增强的复合材料层，同时形成层压复合材料结构的外壳。
又另一组实施例总体上涉及一种具有贯穿平面取向的碳纤维的复合材料层。在一些情况下，贯穿平面增强可以显著改善聚合物基质对于由机械磨损(例如，磨耗)和/或化学腐蚀(例如，氧化)造成的损伤的抵抗力。此配制可以可用于例如形成保护结构免受机械和化学磨损的表面。
在一组实施例中，提供了一种具有提高的贯穿平面导电性的复合材料层。这可以显著改善对于在快速释放电能(例如，闪电)时由电荷积累诱导的局部热生成所导致的损伤的抵抗力。此配制特别可用于形成保护结构免受由电释放导致的损伤的表面。在另一组实施例中，提供了一种具有提高的近各向同性导电性的复合材料层。这可以有效地传导电信号。在又一组实施例中，提供了一种具有提高的各向同性导电性的复合材料层。此材料可以有效地减弱入射电磁波。在又另一组实施例中，提供了一种具有低射频干扰和提高的贯穿平面导热性以有效地传递电磁波而没有过热的复合材料层。
另一组实施例总体上涉及一种具有提高的贯穿平面导热性以用于加热下的足够结构完整性的复合材料层。这在一些实施例中可以可用于增加快速温度波动下的结构完整性。又另一组实施例总体上涉及一种具有贯穿平面导热性和低导电性的复合材料层。此配制可以可用于例如在电子组件中有效地移动和分布热通量。
又一组实施例总体上涉及一种具有贯穿平面导电性的基于碳的复合材料层。这可以可用于从电解质吸附离子物种并且有效地分布电荷。
一组实施例总体上涉及一种具有贯穿平面碳纤维催化剂的复合材料层。在适当的温度下，PAN(聚丙烯腈)基质可以氧化和碳化以形成碳基质。另一组实施例总体上涉及一种具有贯穿平面碳纤维或碳化硅催化剂的复合材料层。在适当的温度下，聚合物基质可以氧化以形成陶瓷基质。
国际专利申请公布号WO 2018/175134，标题为“Fiber-Reinforced Composites,Methods Therefor and Articles Comprising the Same[纤维增强复合材料、其方法及含有该复合材料的制品]”，通过引用以其整体并入本文。此外，2018年12月10日提交的标题为“Systems and Methods for Carbon Fiber Alignment and Fiber-ReinforcedComposites[用于碳纤维对齐及纤维增强的复合材料的系统和方法]”的美国临时专利申请序列号62/777,438通过引用以其整体并入本文。
以下实例旨在说明本发明的某些实施例，但并不是例证本发明的全部范围。
实例1
此实例示出了当不连续增强纤维在负载方向上取向时，它们可以表现出优异的强度和模量。另外，与它们的更小或相等强度的连续对应物相比，不连续纤维可以提供成本节省。然而，取向是重要的，因为不连续和连续纤维两者在接近与应力相切(tangent)时，它们的拉伸性能明显降低。参见图1，示意性地示出了碳纤维中纤维取向与主应力方向之间的关系。
纤维在负载方向上的适当取向可以用于确保负载有效地从基质转移到增强纤维。施加在复合材料上的负载可以分布在基质与纤维增强物之间。基质与增强纤维之间的应变差可能产生在其界面处的剪切应力。此剪切机制有利于基质与纤维之间的拉伸负载转移。此外，部分负载轴向转移到增强纤维。可以对剪切(τ，tau)与轴向(σf，sigma-f)负载转移之间的相互作用进行建模，例如，如图2所示。
根据剪滞理论，对于大多数层压复合材料结构，在使用碳和玻璃纤维增强时，5mm与15mm之间的长度可以是合适的。在这些大小规模下，制造期间个体纤维的取向可以由粘性力和剪切力控制，从而需要使用预制备编织或非编织连续纤维材料来微调方向增强。在大多数复合材料中，将增强纤维浸入在主体聚合物基质中；负载主要通过聚合物基质转移到增强纤维，从而产生由剪切应力控制的负载转移。参见图3，示出了厚复合材料中纤维和基质的界面处应力的分布。
在对齐不连续纤维的厚度与长度在相同数量级下的复合材料中，轴向负载转移增加。不连续纤维经常具有高模量并且在负载下可以不经历显著应变，从而使剪切负载转移的作用最小化(参见图4)。复合材料膜中通过使不连续纤维对齐产生的此重新分布的负载转移机制可以允许更高效率的负载转移，并且避免与常规纤维增强复合材料相关联的关键纤维长度限制。聚合物基质中不连续纤维的对齐程度(例如，从随机取向到非常取向)可以进行微调以在轴向与剪切负载转移之间进行平衡。这在图4中示出：薄复合材料中纤维和基质的界面处应力的分布
增加的负载转移效率表明复合材料膜中贯穿平面取向的不连续纤维将保持坚固地锁定在周围的基质内；从而增加复合材料在贯穿平面负载下的强度和韧性以及对于磨损和开裂的抵抗力。类似地，各向异性材料，包括碳、玻璃、玄武岩、硼或芳族聚酰胺的纤维和氧化铝、氮化硼和石墨的微薄片可以类似地利用贯穿平面对齐来实现极大提高的贯穿平面的热特性和电特性，其可以可用于提供电磁波传递/减弱和有效的热分布/隔离。
实例2
在此实例中，将研磨的基于PAN的碳纤维(150微米长度)随机分布在水中并且在显微镜下观察。这在图5A中示出。
将相同的样品搅动并置于稀土永磁体下，该稀土永磁体具有强度范围是0.1T至0.3T的表面磁场。观察到研磨的碳纤维在施加的磁场下变得竖直对齐。需要澄清，这些研磨的碳纤维不含任何表面涂层。在将样品暴露于磁场时，在显微镜下对其进行观察。在水中竖直对齐的研磨碳纤维的图像在图5B中示出，其示出发生了一定的对齐。
虽然已经在本文中描述和说明了本发明的几个实施例，但是本领域普通技术人员将容易设想用于执行功能和/或获得本文所述的结果和/或一个或多个优点的多种其他手段和/或结构，并且此类变化和/或修改中的每一个都被认为在本发明的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易地理解，本文所述的所有参数，尺寸，材料和构造意指示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或构造将取决于一个或多个使用本发明的教导的特定应用。本领域的技术人员仅使用常规实验就将认识到或能够确定在本文所述的本发明这些具体实施例的许多等同方案。因此，应当理解，前述实施例仅通过举例方式给出，并且在所附权利要求及其等效内容的范围内，可以以与具体描述和要求保护的方式不同的其他方式实践本发明。本发明涉及本文所述的每个单独的特征、系统、制品、材料、试剂盒和/或方法。此外，如果此类特征、系统、制品、材料、试剂盒和/或方法不是相互矛盾的，则两个或更多个此类特征、系统、制品、材料、试剂盒和/或方法的任何组合均包括在本发明的范围内。
在本说明书和通过引用结合的文献包含冲突和/或不一致的披露内容的情况下，以本说明书为准。如果通过引用结合的两个或更多个文献包含相对于彼此冲突和/或不一致的披露内容，则以生效日期较晚的文献为准。
如本文所定义和使用的所有定义应被理解为优先于字典定义、通过引用结合的文献中的定义和/或所定义术语的普通含义。
除非明确相反地指出，否则如本文中在说明书和权利要求中使用的不定冠词“一个/一种(a/an)”应理解为意指“至少一个/种”。
如在本文中在说明书和权利要求中使用的短语“和/或”应理解为意指这样结合的要素中的“任一者或两者”，即在一些情况下同时存在并且在其他情况下分离地存在的要素。用“和/或”列出的多个要素应以相同的方式解释，即，如此结合的要素中的“一个或多个”。除了由“和/或”子句明确标识的要素以外，还可以任选地存在其他要素，无论与那些具体标识的那些要素相关还是无关。因此，作为非限制性实例，在与开放式语言如“包含”结合使用时，对“A和/或B”的提及在一个实施例中可以指仅A(任选地包括除B以外的要素)；在另一个实施例中，指仅B(任选地包括除A以外的要素)；在又另一个实施例中，指A和B(任选地包括其他元素)；等。
如本说明书和权利要求书中所用，“或”应当理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。例如，当分隔列表中的项时，“或”或“和/或”应被理解为包含性的，即包含至少一个，但也包括多个要素或要素列表中的多于一个，以及任选的其他未列出的项。只有明确相反的术语如“仅一个”或“恰好一个”或者当在权利要求中使用时，“由...组成”将指包含多个要素或要素列表中的恰好一个要素。一般来讲，如本文所用的术语“或”仅应被理解为表示前面带有排他性术语如“任一个”、“一个”、“仅一个”或“恰好一个”的排他性替代物(即“一个或两个中的另一个，但不是两个”)。
如本说明书和权利要求书中所用，关于一个或多个要素的列表，短语“至少一个”应理解为表示选自要素列表中任一个或多个要素的至少一个要素，但不一定包括要素列表中具体列出的每一个要素中的至少一个，并且不排除要素列表中要素的任何组合。所述定义还允许除了在短语“至少一个”所指的要素列表内具体标识的要素之外，可任选地存在要素，无论是与具体标识的那些要素相关还是无关。因此，作为非限制性实例，“A和B中的至少一者”(或等效地“A或B中的至少一者”，或等效地“A和/或B中的至少一者”)可以在一个实施例中指至少一个A，任选地包括多于一个A，而不存在B(并且任选地包括除B之外的要素)；在另一个实施例中指至少一个B，任选地包括多于一个B，而不存在A(并且任选地包括除A之外的要素)；在又一个实施例中指至少一个A，任选地包括多于一个A，以及至少一个B，任选地包括多于一个B(并且任选地包括其他要素)；等等。
当在本文中关于数字使用单词“约”时，应当理解，本发明的还另一实施例包括不因单词“约”的存在而修改的数字。
还应当理解，除非有相反的明确说明，否则在本文要求保护的包括多于一个步骤或动作的任何方法中，该方法的步骤或动作的顺序不一定限于列举该方法的步骤或动作时的顺序。
在权利要求书以及以上说明书中，所有过渡短语如“包含”，“包括”，“携带”，“具有”，“含有”，“涉及”，“持有”，“由……构成”等应理解为开放式的，即意味着包括但不限于。如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节规定的，仅过渡短语“由……组成”和“基本上由……构成”应分别是封闭的或半封闭的过渡短语。

Claims (110)

1.一种制品，其包含：
复合材料，该复合材料包含限定基底的多个连续纤维和该基底的至少一部分内含有的多个对齐碳纤维，其中该多个碳纤维具有大于94％的碳含量和至少200GPa的模量，并且其中该复合材料基本上不含顺磁性或铁磁性材料。
2.如权利要求1所述的制品，其中当单独包含在乙醇中并且经受100mT磁场时，这些碳纤维表现出各向异性抗磁响应。
3.如权利要求1或2中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维包含在该基底内并且基本上正交于该基底定位。
4.如权利要求1-3中任一项所述的制品，其中该多个碳纤维具有大于95％的碳含量。
5.如权利要求1-4中任一项所述的制品，其中该多个碳纤维具有大于99％的碳含量。
6.如权利要求1-5中任一项所述的制品，其中该多个碳纤维具有至少300GPa的模量。
7.如权利要求1-6中任一项所述的制品，其中该多个碳纤维具有至少500GPa的模量。
8.如权利要求1-7中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维中的至少5％是对齐的。
9.如权利要求1-8中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维中的至少50％是对齐的。
10.如权利要求1-9中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维具有形成这些碳纤维的基本上取向的C-C键。
11.如权利要求1-10中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维中的至少一些由沥青前体产生。
12.如权利要求1-11中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维中的至少一些由聚合物前体产生。
13.如权利要求1-12中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维具有小于5mm的平均长度。
14.如权利要求1-13中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维具有5nm与15mm之间的平均长度。
15.如权利要求1-14中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维具有5微米与100微米之间的平均直径。
16.如权利要求1-15中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维占该复合材料的按质量计至少3％。
17.如权利要求1-16中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维占该复合材料的按质量计不超过97％。
18.如权利要求1-17中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维具有至少5的长度与直径的平均纵横比。
19.如权利要求1-18中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维具有小于100,000的长度与直径的平均纵横比。
20.如权利要求1-19中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维具有小于100的长度与直径的平均纵横比。
21.如权利要求1-20中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维中的至少一些具有基本上跨越该基底的厚度的平均长度。
22.如权利要求1-21中任一项所述的制品，其中该复合材料的至少1质量％包含该多个对齐碳纤维。
23.如权利要求1-22中任一项所述的制品，其中该复合材料的至少5质量％包含该多个对齐碳纤维。
24.如权利要求1-23中任一项所述的制品，其中该复合材料的至少20质量％包含该多个对齐碳纤维。
25.如权利要求1-24中任一项所述的制品，其中该复合材料的不超过85质量％包含该多个对齐碳纤维。
26.如权利要求1-25中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维中的至少一些涂覆有涂层。
27.如权利要求26所述的制品，其中该涂层包含表面活性剂、硅烷偶联剂、环氧树脂、甘油、聚氨酯和/或有机金属偶联剂。
28.如权利要求26或27中任一项所述的制品，其中该涂层包含聚合物、陶瓷和/或金属。
29.如权利要求1-28中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维中的至少一些是未经涂覆的。
30.如权利要求1-29中任一项所述的制品，其中该多个连续纤维限定织物。
31.如权利要求1-30中任一项所述的制品，其中该多个连续纤维中的至少一些限定丝束。
32.如权利要求1-31中任一项所述的制品，其中该多个连续纤维中的至少一些限定细丝、纱线、股线、面纱或垫子。
33.如权利要求1-32中任一项所述的制品，其中该多个连续纤维中的至少一些组装在一起来限定该基底。
34.如权利要求1-33中任一项所述的制品，其中该多个连续纤维中的至少一些交织在一起来限定该基底。
35.如权利要求1-34中任一项所述的制品，其中该多个连续纤维中的至少一些是双向的。
36.如权利要求1-35中任一项所述的制品，其中该多个连续纤维中的至少一些是多向的。
37.如权利要求1-36中任一项所述的制品，其中该多个连续纤维中的至少一些是准各向同性的。
38.如权利要求1-37中任一项所述的制品，其中该多个连续纤维中的至少一些不是编织在一起的。
39.如权利要求1-38中任一项所述的制品，其中该多个连续纤维中的至少一些是单向的。
40.如权利要求1-39中任一项所述的制品，其中该多个连续纤维中的至少一些包含天然纤维。
41.如权利要求1-40中任一项所述的制品，其中该多个连续纤维中的至少一些包含合成纤维。
42.如权利要求1-41中任一项所述的制品，其中该多个连续纤维中的至少一些包含碳、玄武岩、碳化硅、芳族聚酰胺、氧化锆、尼龙、硼、氧化铝、二氧化硅、硼硅酸盐、莫来石、热塑性塑料和/或棉。
43.如权利要求1-42中任一项所述的制品，其中该多个连续纤维中的至少一些是基本上平行的。
44.如权利要求1-43中任一项所述的制品，其中该多个连续纤维具有至少5毫米的平均长度。
45.如权利要求1-44中任一项所述的制品，其中该多个连续纤维具有5微米与100微米之间的平均直径。
46.如权利要求1-45中任一项所述的制品，其中该多个连续纤维具有大于或等于100的长度与直径的平均纵横比。
47.如权利要求1-46中任一项所述的制品，其中该基底具有小于10cm的平均厚度。
48.如权利要求1-47中任一项所述的制品，其中该复合材料进一步包含粘合该多个连续纤维和该多个对齐碳纤维的粘合剂。
49.如权利要求48所述的制品，其中该粘合剂包括树脂。
50.如权利要求48或49中任一项所述的制品，其中该粘合剂包括热塑性溶液、熔体、粒料、粉末和/或树脂。
51.如权利要求48-50中任一项所述的制品，其中该粘合剂包括热塑性塑料、热固性塑料、金属、挥发性化合物、水和/或油。
52.如权利要求48-51中任一项所述的制品，其中该粘合剂包括环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、聚乙烯亚胺、聚醚酮酮、聚芳醚酮、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚丙烯腈、聚丙烯、聚乙烯、尼龙、硅橡胶、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、全氟烷氧基烷烃和/或丁苯橡胶。
53.如权利要求48-52中任一项所述的制品，其中该粘合剂包括预陶瓷单体。
54.如权利要求48-53中任一项所述的制品，其中该预陶瓷单体包括硅氧烷、硅氮烷和/或碳硅烷。
55.一种制品，其包含：
复合材料，该复合材料包含限定基底的多个连续纤维和该基底的至少一部分内含有的多个对齐碳纤维，其中这些碳纤维在单独包含在水中并且经受100mT磁场时表现出各向异性抗磁响应。
56.如权利要求55所述的制品，其中该多个抗磁碳纤维具有大于94％的碳含量和至少200GPa的模量，并且其中该复合材料基本上不含顺磁性或铁磁性材料。
57.如权利要求55或56中任一项所述的制品，其中该多个碳纤维具有大于95％的碳含量。
58.如权利要求55-57中任一项所述的制品，其中该多个碳纤维具有大于99％的碳含量。
59.如权利要求55-58中任一项所述的制品，其中该多个碳纤维具有至少300GPa的模量。
60.如权利要求55-59中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维包含在该基底内并且基本上正交于该基底定位。
61.如权利要求55-60中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维具有形成这些碳纤维的基本上取向的C-C键。
62.如权利要求55-61中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维中的至少一些由沥青前体产生。
63.如权利要求55-62中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维中的至少一些由聚合物前体产生。
64.如权利要求55-63中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维占该复合材料的按质量计至少3％。
65.如权利要求55-64中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维占该复合材料的按质量计不超过97％。
66.如权利要求55-65中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维具有至少5的长度与直径的平均纵横比。
67.如权利要求55-66中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维中的至少一些具有基本上跨越该基底的厚度的平均长度。
68.如权利要求55-67中任一项所述的制品，其中该复合材料的至少1质量％包含该多个对齐碳纤维。
69.如权利要求55-68中任一项所述的制品，其中该复合材料的不超过85质量％包含该多个对齐碳纤维。
70.如权利要求55-69中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维中的至少一些涂覆有涂层。
71.如权利要求70所述的制品，其中该涂层包含表面活性剂、硅烷偶联剂、环氧树脂、甘油、聚氨酯和/或有机金属偶联剂。
72.如权利要求70或71中任一项所述的制品，其中该涂层包含聚合物、陶瓷和/或金属。
73.如权利要求55-72中任一项所述的制品，其中该多个对齐碳纤维中的至少一些是未经涂覆的。
74.如权利要求55-73中任一项所述的制品，其中该多个连续纤维限定织物。
75.如权利要求55-74中任一项所述的制品，其中该多个连续纤维中的至少一些组装在一起来限定该基底。
76.如权利要求55-75中任一项所述的制品，其中该多个连续纤维中的至少一些交织在一起来限定该基底。
77.如权利要求55-76中任一项所述的制品，其中该多个连续纤维中的至少一些不是编织在一起的。
78.如权利要求55-77中任一项所述的制品，其中该多个连续纤维中的至少一些包含天然纤维。
79.如权利要求55-78中任一项所述的制品，其中该多个连续纤维中的至少一些包含合成纤维。
80.如权利要求55-79中任一项所述的制品，其中该多个连续纤维中的至少一些包含碳、玄武岩、碳化硅、芳族聚酰胺、氧化锆、尼龙、硼、氧化铝、二氧化硅、硼硅酸盐、莫来石、热塑性塑料和/或棉。
81.如权利要求55-80中任一项所述的制品，其中该基底具有小于10cm的平均厚度。
82.如权利要求55-81中任一项所述的制品，其中该复合材料进一步包含粘合该多个连续纤维和该多个对齐碳纤维的粘合剂。
83.一种方法，其包括：
将包含具有大于94％的碳含量和至少200GPa的模量的多个碳纤维的液体暴露于限定基底的多个连续纤维；
将磁场施加至该液体以使这些碳纤维中的至少一些在该多个连续纤维内对齐；以及
形成包含这些对齐碳纤维的复合材料。
84.如权利要求83所述的方法，其中该磁场是至少100mT。
85.如权利要求83或84中任一项所述的方法，其中该磁场是至少200mT。
86.如权利要求83-85中任一项所述的方法，其包括使该液体硬化以形成该复合材料。
87.如权利要求83-86中任一项所述的方法，其中该液体包含水。
88.如权利要求83-87中任一项所述的方法，其中该多个抗磁碳纤维具有大于94％的碳含量和至少200GPa的模量，并且其中该复合材料基本上不含顺磁性或铁磁性材料。
89.如权利要求83-88中任一项所述的方法，其中该多个碳纤维具有大于95％的碳含量。
90.如权利要求83-89中任一项所述的方法，其中该多个碳纤维具有大于99％的碳含量。
91.如权利要求83-90中任一项所述的方法，其中该多个碳纤维具有至少300GPa的模量。
92.如权利要求83-91中任一项所述的方法，其包括使该多个对齐碳纤维中的至少5％对齐。
93.如权利要求83-92中任一项所述的方法，其包括使该多个对齐碳纤维中的至少50％对齐。
94.如权利要求83-93中任一项所述的方法，其中该复合材料的至少1质量％包含该多个对齐碳纤维。
95.如权利要求83-94中任一项所述的方法，其中该复合材料的至少5质量％包含该多个对齐碳纤维。
96.如权利要求83-95中任一项所述的方法，其中该复合材料的至少20质量％包含该多个对齐碳纤维。
97.如权利要求83-96中任一项所述的方法，其中该复合材料的不超过85质量％包含该多个对齐碳纤维。
98.一种方法，其包括：
将包含多个碳纤维的液体暴露于限定基底的多个连续纤维，其中这些碳纤维在单独包含在乙醇中并且经受200mT磁场时表现出各向异性抗磁响应；
将磁场施加至该液体以使这些碳纤维中的至少一些在该多个连续纤维内对齐；以及
形成包含这些对齐碳纤维的复合材料。
99.如权利要求98所述的方法，其包括使该液体硬化以形成该复合材料。
100.如权利要求98或99中任一项所述的方法，其中该液体包含水。
101.如权利要求98-100中任一项所述的方法，其中该多个抗磁碳纤维具有大于94％的碳含量和至少200GPa的模量，并且其中该复合材料基本上不含顺磁性或铁磁性材料。
102.如权利要求98-101中任一项所述的方法，其中该多个碳纤维具有大于95％的碳含量。
103.如权利要求98-102中任一项所述的方法，其中该多个碳纤维具有大于99％的碳含量。
104.如权利要求98-103中任一项所述的方法，其中该多个碳纤维具有至少300GPa的模量。
105.如权利要求98-104中任一项所述的方法，其包括使该多个对齐碳纤维中的至少5％对齐。
106.如权利要求98-105中任一项所述的方法，其包括使该多个对齐碳纤维中的至少50％对齐。
107.如权利要求98-106中任一项所述的方法，其中该复合材料的至少1质量％包含该多个对齐碳纤维。
108.如权利要求98-107中任一项所述的方法，其中该复合材料的至少5质量％包含该多个对齐碳纤维。
109.如权利要求98-108中任一项所述的方法，其中该复合材料的至少20质量％包含该多个对齐碳纤维。
110.如权利要求98-109中任一项所述的方法，其中该复合材料的不超过85质量％包含该多个对齐碳纤维。
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