JP2014506192A5 - - Google Patents
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Description
(関連出願)
本出願は、2010年12月1日に出願された米国仮特許出願第61/418,784号(発明の名称「Articles and Methods Related to the Formation of Nanostructure Reinforced Structures」)に対して米国特許法§119(e)の下、優先権を主張する。この出願は、その全体がすべての目的のために本明細書において参照として援用される。
本出願は、2010年12月1日に出願された米国仮特許出願第61/418,784号(発明の名称「Articles and Methods Related to the Formation of Nanostructure Reinforced Structures」)に対して米国特許法§119(e)の下、優先権を主張する。この出願は、その全体がすべての目的のために本明細書において参照として援用される。
(技術分野)
ナノ構造強化構造物、ならびに関連のシステムおよび方法が、一般に記載される。
ナノ構造強化構造物、ならびに関連のシステムおよび方法が、一般に記載される。
(背景)
細長いナノ構造物は、材料の構造特性を増強するために使用され得る。例えば、カーボンナノチューブは、複合材において使用され得、上記複合材は、2種以上の成分を含む異種構造物であり、上記組み合わせは、各成分の個々の特性、および関連する場合には、相乗効果を利用する。より大きなスケールの繊維(例えば、炭素繊維)がまた、類似の目的で使用されてきた。例えば、複合材はまた、結合物質内でより大きなスケールの繊維(例えば、炭素繊維)を配置することによって作製され得る。しかし、カーボンナノチューブおよび/もしくはより大きなスケールの繊維を含む多くの構造物は、不完全な機械的、熱的、および/もしくは電気的特性を有する。よって、改善された材料および方法が望ましい。
細長いナノ構造物は、材料の構造特性を増強するために使用され得る。例えば、カーボンナノチューブは、複合材において使用され得、上記複合材は、2種以上の成分を含む異種構造物であり、上記組み合わせは、各成分の個々の特性、および関連する場合には、相乗効果を利用する。より大きなスケールの繊維(例えば、炭素繊維)がまた、類似の目的で使用されてきた。例えば、複合材はまた、結合物質内でより大きなスケールの繊維(例えば、炭素繊維)を配置することによって作製され得る。しかし、カーボンナノチューブおよび/もしくはより大きなスケールの繊維を含む多くの構造物は、不完全な機械的、熱的、および/もしくは電気的特性を有する。よって、改善された材料および方法が望ましい。
(要旨)
ナノ構造強化構造物の形成に関連する物品および方法が提供される。本発明の主題は、いくつかの場合には、相互関係のある生成物、特定の問題に対する代替の解決手段、ならびに/または1種以上のシステムおよび/もしくは物品の複数の異なる用途を含む。
ナノ構造強化構造物の形成に関連する物品および方法が提供される。本発明の主題は、いくつかの場合には、相互関係のある生成物、特定の問題に対する代替の解決手段、ならびに/または1種以上のシステムおよび/もしくは物品の複数の異なる用途を含む。
一局面において、物品が提供される。特定の実施形態において、上記物品は、複数の繊維であって、ここで上記複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有し、上記複数の繊維は、上記最小断面寸法の平均を有する複数の繊維;および上記複数の繊維と関連づけて配置されて、凝集性構造物を形成する複数の細長いナノ構造物であって、ここで上記細長いナノ構造物のうちの少なくとも一部は、上記複数の繊維の最小断面寸法の平均の少なくとも約5倍の長さを有する複数の細長いナノ構造物を含む。
いくつかの実施形態において、上記物品は、複数の繊維であって、ここで上記複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有する複数の繊維;および上記複数の繊維と関連づけて配置されて、凝集性構造物を形成し、その結果、上記細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%の全ての末端は、いかなる隣接する繊維とも直接接触した状態にない、複数の細長いナノ構造物を含む。
上記物品は、特定の実施形態において、複数の繊維であって、ここで上記複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有する複数の繊維;および上記複数の繊維と関連づけて配置されて、凝集性構造物を形成し、その結果、上記細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%の長手方向軸は、いかなる隣接する繊維とも交差しない複数の細長いナノ構造物を含む。
いくつかの実施形態において、上記物品は、複数の繊維であって、ここで上記複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有する複数の繊維;および上記複数の繊維と関連づけて配置されて、凝集性構造物を形成し、その結果、上記細長いナノ構造物の長さは、少なくとも2つの繊維に及ぶ複数の細長いナノ構造物を含む。
特定の実施形態において、上記物品は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有する第1の繊維;少なくとも約1μmの最小断面寸法および第2の長手方向軸を有する第2の繊維;ならびに上記第1の繊維と上記第2の繊維との間に位置づけられた細長いナノ構造物および/もしくは細長いナノ構造物の束であって、その結果、上記細長いナノ構造物および/もしくは細長いナノ構造物のアセンブリは、上記第1の繊維および上記第2の繊維と接触した状態にある、細長いナノ構造物および/もしくは細長いナノ構造物の束を含む。
一局面において、物品を作製するための方法が記載される。上記方法は、特定の実施形態において、複数の繊維および複数の細長いナノ構造物を互いと関連づけて、凝集性構造物を形成する工程を包含し、ここで上記複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有し、上記複数の繊維は、上記最小断面寸法の平均を有し、そして上記細長いナノ構造物のうちの少なくとも一部は、上記複数の繊維の最小断面寸法の平均の少なくとも約5倍の長さを有する。
いくつかの実施形態において、上記方法は、複数の繊維および複数の細長いナノ構造物を互いと関連づけて、凝集性構造物を形成する工程を包含し、ここで上記複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有し、上記複数の細長いナノ構造物は、上記複数の繊維の間に配置され、その結果、上記細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%の全ての末端が、いかなる隣接する繊維とも直接接触した状態にない。
上記方法は、いくつかの実施形態において、複数の繊維および複数の細長いナノ構造物を互いと関連づけて、凝集性構造物を形成する工程を包含し、ここで上記複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有し、上記複数の細長いナノ構造物は、上記複数の繊維の間に配置され、その結果、上記細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%の長手方向軸は、いかなる隣接する繊維とも交差しない。
特定の実施形態において、上記方法は、複数の繊維および複数の細長いナノ構造物を互いと関連づけて、凝集性構造物を形成する工程を包含し、ここで上記複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有し、上記複数の細長いナノ構造物は、上記複数の繊維の間に配置され、その結果、上記細長いナノ構造物の長さは、少なくとも2つの繊維に及ぶ。
いくつかの実施形態において、上記方法は、第1の繊維、第2の繊維、ならびに細長いナノ構造物および/もしくは細長いナノ構造物の束を互いと関連づけて、凝集性構造物を形成する工程を包含し、ここで上記第1の繊維および上記第2の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有し、上記細長いナノ構造物および/もしくは細長いナノ構造物の束は、上記第1の繊維と第2の繊維との間に位置づけられ、その結果、上記細長いナノ構造物および/もしくは細長いナノ構造物のアセンブリは、上記第1の繊維および上記第2の繊維と接触した状態にある。
本発明の他の利点および新規な特徴は、添付の図面と関連して考慮した場合に、本発明の種々の非限定的実施形態の以下の詳細な説明から明らかになる。本明細書および参考として援用される文書が、矛盾するおよび/もしくは一致しない開示を含む場合には、本明細書が優先するものとする。
一実施形態において、例えば、以下の項目が提供される。
(項目1)
物品であって、該物品は、
複数の繊維であって、ここで該複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有し、該複数の繊維は、該最小断面寸法の平均を有する、複数の繊維;および
該複数の繊維と関連づけて配置されて、凝集性構造物を形成する複数の細長いナノ構造物であって、ここで該細長いナノ構造物のうちの少なくとも一部は、該複数の繊維の最小断面寸法の平均の少なくとも約5倍の長さを有する、複数の細長いナノ構造物、
を含む、物品。
(項目2)
物品であって、該物品は、
複数の繊維であって、ここで該複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有する、複数の繊維;および
該複数の繊維と関連づけて配置されて、凝集性構造物を形成し、その結果、該細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%の全ての末端は、いかなる隣接する繊維とも直接接触した状態にない、複数の細長いナノ構造物、
を含む、物品。
(項目3)
物品であって、該物品は、
複数の繊維であって、ここで該複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有する、複数の繊維;および
該複数の繊維と関連づけて配置されて、凝集性構造物を形成し、その結果、該細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%の長手方向の軸は、いかなる隣接する繊維とも交差しない、複数の細長いナノ構造物、
を含む、物品。
(項目4)
物品であって、該物品は、
複数の繊維であって、ここで該複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有する、複数の繊維;および
該複数の繊維と関連づけて配置されて、凝集性構造物を形成し、その結果、該細長いナノ構造物の長さは、少なくとも2つの繊維に及ぶ、複数の細長いナノ構造物、
を含む、物品。
(項目5)
物品であって、該物品は、
少なくとも約1μmの最小断面寸法を有する第1の繊維;
少なくとも約1μmの最小断面寸法および第2の長手方向軸を有する第2の繊維;ならびに
該第1の繊維と該第2の繊維との間に配置された細長いナノ構造物および/もしくは細長いナノ構造物の束であって、その結果、該細長いナノ構造物および/もしくは細長いナ
ノ構造物のアセンブリは、該第1の繊維および該第2の繊維と接触した状態にある、細長いナノ構造物および/もしくは細長いナノ構造物の束、
を含む、物品。
(項目6)
物品を作製するための方法であって、該方法は、
複数の繊維および複数の細長いナノ構造物を互いと関連づけて、凝集性構造物を形成する工程、
を包含し、ここで:
該複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有し、
該複数の繊維は、該最小断面寸法の平均を有し、そして
該細長いナノ構造物のうちの少なくとも一部は、該複数の繊維の最小断面寸法の平均の少なくとも約5倍の長さを有する、方法。
(項目7)
物品を作製するための方法であって、該方法は、
複数の繊維および複数の細長いナノ構造物を互いと関連づけて、凝集性構造物を形成する工程
を包含し、ここで:
該複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有し、
該複数の細長いナノ構造物は、該複数の繊維の間に配置され、その結果、該細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%の全ての末端が、いかなる隣接する繊維とも直接接触した状態にない、方法。
(項目8)
物品を作製するための方法であって、該方法は、
複数の繊維および複数の細長いナノ構造物を互いと関連づけて、凝集性構造物を形成する工程、
を包含し、ここで:
該複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有し、
該複数の細長いナノ構造物は、該複数の繊維との間に配置され、その結果、該細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%の長手方向軸は、いかなる隣接する繊維とも交差しない、方法。
(項目9)
物品を作製するための方法であって、該方法は、
複数の繊維および複数の細長いナノ構造物を互いと関連づけて、凝集性構造物を形成する工程、
を包含し、ここで:
該複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有し、
該複数の細長いナノ構造物は、該複数の繊維の間に配置され、その結果、該細長いナノ構造物の長さは、少なくとも2つの繊維に及ぶ、方法。
(項目10)
前記繊維は、繊維のトウとして配置される、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目11)
前記繊維は、織られている、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目12)
前記細長いナノ構造物は、細長いナノ構造物の複数のストリップとして配置される、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目13)
前記繊維は、炭素、Al2O3、SiO2、ガラス、バサルト、セルロース物質、金属、および/もしくはポリマーを含む、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。(項目14)
前記ナノ構造物は、ナノチューブ、ナノ繊維、および/もしくはナノワイヤを含む、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目15)
前記ナノ構造物は、炭素ベースのナノ構造物を含む、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目16)
前記炭素ベースのナノ構造物は、カーボンナノチューブ、カーボンナノ繊維、および/もしくはカーボンナノワイヤを含む、項目15に記載の物品もしくは方法。
(項目17)
前記細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%は、少なくとも約10:1のアスペクト比を有する、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目18)
前記繊維のうちの少なくとも約50%は、少なくとも約10:1のアスペクト比を有する、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目19)
前記細長いナノ構造物のうちの少なくとも一部の長手方向軸は、実質的に整列されている、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目20)
前記繊維のうちの少なくとも一部の長手方向軸は、実質的に整列されている、前記項目のいずれかに記載の物品もしくは方法。
(項目21)
前記整列されている細長いナノ構造物の長手方向軸および前記隣り合って整列されている繊維の長手方向軸によって画定される最小角度は、約45度〜約90度の間である、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目22)
結合物質は、前記繊維の間、前記ナノ構造物の間、および/もしくは前記繊維と前記ナノ構造物との間に存在する、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目23)
前記結合物質は、モノマー、ポリマー、セラミック、および金属のうちの少なくとも1種を含む、項目22に記載の物品もしくは方法。
(項目24)
前記結合物質は、エポキシ、ポリウレタン、ポリビニルアルコール、およびシランのうちの少なくとも1種を含む、項目23に記載の物品もしくは方法。
(項目25)
前記細長いナノ構造物の長手方向軸は、実質的にまっすぐである、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目26)
前記細長いナノ構造物の長手方向軸は、曲がっている、および/もしくは湾曲している、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目27)
前記繊維の長手方向軸は、実質的にまっすぐである、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目28)
前記繊維の長手方向軸は、曲がっている、および/もしくは湾曲している、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目29)
前記細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%は、前記長手方向軸の長さの大部分が、前記細長いナノ構造物が接触した状態にある前記繊維に対して接線方向にあるように配置された長手方向軸を含む、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目30)
前記細長いナノ構造物および/もしくは細長いナノ構造物の束は、前記第1の繊維および前記第2の繊維と直接接触した状態にある、項目5に記載の物品。
(項目31)
前記細長いナノ構造物のうちの少なくとも1つの長手方向軸は、前記第1の繊維の長手方向軸に対して、および/もしくは前記第2の繊維の長手方向軸に対して実質的に平行である、項目5および30のいずれか1項に記載の物品。
(項目32)
前記第1の繊維の長手方向軸は、前記第2の繊維の長手方向軸に対して実質的に直交している、項目5および30〜31のいずれか1項に記載の物品。
(項目33)
前記第1の繊維および前記第2の繊維は、織布もしくは不織布の一部である、項目5および30〜32のいずれか1項に記載の物品。
一実施形態において、例えば、以下の項目が提供される。
(項目1)
物品であって、該物品は、
複数の繊維であって、ここで該複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有し、該複数の繊維は、該最小断面寸法の平均を有する、複数の繊維;および
該複数の繊維と関連づけて配置されて、凝集性構造物を形成する複数の細長いナノ構造物であって、ここで該細長いナノ構造物のうちの少なくとも一部は、該複数の繊維の最小断面寸法の平均の少なくとも約5倍の長さを有する、複数の細長いナノ構造物、
を含む、物品。
(項目2)
物品であって、該物品は、
複数の繊維であって、ここで該複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有する、複数の繊維;および
該複数の繊維と関連づけて配置されて、凝集性構造物を形成し、その結果、該細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%の全ての末端は、いかなる隣接する繊維とも直接接触した状態にない、複数の細長いナノ構造物、
を含む、物品。
(項目3)
物品であって、該物品は、
複数の繊維であって、ここで該複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有する、複数の繊維;および
該複数の繊維と関連づけて配置されて、凝集性構造物を形成し、その結果、該細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%の長手方向の軸は、いかなる隣接する繊維とも交差しない、複数の細長いナノ構造物、
を含む、物品。
(項目4)
物品であって、該物品は、
複数の繊維であって、ここで該複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有する、複数の繊維;および
該複数の繊維と関連づけて配置されて、凝集性構造物を形成し、その結果、該細長いナノ構造物の長さは、少なくとも2つの繊維に及ぶ、複数の細長いナノ構造物、
を含む、物品。
(項目5)
物品であって、該物品は、
少なくとも約1μmの最小断面寸法を有する第1の繊維;
少なくとも約1μmの最小断面寸法および第2の長手方向軸を有する第2の繊維;ならびに
該第1の繊維と該第2の繊維との間に配置された細長いナノ構造物および/もしくは細長いナノ構造物の束であって、その結果、該細長いナノ構造物および/もしくは細長いナ
ノ構造物のアセンブリは、該第1の繊維および該第2の繊維と接触した状態にある、細長いナノ構造物および/もしくは細長いナノ構造物の束、
を含む、物品。
(項目6)
物品を作製するための方法であって、該方法は、
複数の繊維および複数の細長いナノ構造物を互いと関連づけて、凝集性構造物を形成する工程、
を包含し、ここで:
該複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有し、
該複数の繊維は、該最小断面寸法の平均を有し、そして
該細長いナノ構造物のうちの少なくとも一部は、該複数の繊維の最小断面寸法の平均の少なくとも約5倍の長さを有する、方法。
(項目7)
物品を作製するための方法であって、該方法は、
複数の繊維および複数の細長いナノ構造物を互いと関連づけて、凝集性構造物を形成する工程
を包含し、ここで:
該複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有し、
該複数の細長いナノ構造物は、該複数の繊維の間に配置され、その結果、該細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%の全ての末端が、いかなる隣接する繊維とも直接接触した状態にない、方法。
(項目8)
物品を作製するための方法であって、該方法は、
複数の繊維および複数の細長いナノ構造物を互いと関連づけて、凝集性構造物を形成する工程、
を包含し、ここで:
該複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有し、
該複数の細長いナノ構造物は、該複数の繊維との間に配置され、その結果、該細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%の長手方向軸は、いかなる隣接する繊維とも交差しない、方法。
(項目9)
物品を作製するための方法であって、該方法は、
複数の繊維および複数の細長いナノ構造物を互いと関連づけて、凝集性構造物を形成する工程、
を包含し、ここで:
該複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有し、
該複数の細長いナノ構造物は、該複数の繊維の間に配置され、その結果、該細長いナノ構造物の長さは、少なくとも2つの繊維に及ぶ、方法。
(項目10)
前記繊維は、繊維のトウとして配置される、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目11)
前記繊維は、織られている、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目12)
前記細長いナノ構造物は、細長いナノ構造物の複数のストリップとして配置される、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目13)
前記繊維は、炭素、Al2O3、SiO2、ガラス、バサルト、セルロース物質、金属、および/もしくはポリマーを含む、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。(項目14)
前記ナノ構造物は、ナノチューブ、ナノ繊維、および/もしくはナノワイヤを含む、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目15)
前記ナノ構造物は、炭素ベースのナノ構造物を含む、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目16)
前記炭素ベースのナノ構造物は、カーボンナノチューブ、カーボンナノ繊維、および/もしくはカーボンナノワイヤを含む、項目15に記載の物品もしくは方法。
(項目17)
前記細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%は、少なくとも約10:1のアスペクト比を有する、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目18)
前記繊維のうちの少なくとも約50%は、少なくとも約10:1のアスペクト比を有する、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目19)
前記細長いナノ構造物のうちの少なくとも一部の長手方向軸は、実質的に整列されている、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目20)
前記繊維のうちの少なくとも一部の長手方向軸は、実質的に整列されている、前記項目のいずれかに記載の物品もしくは方法。
(項目21)
前記整列されている細長いナノ構造物の長手方向軸および前記隣り合って整列されている繊維の長手方向軸によって画定される最小角度は、約45度〜約90度の間である、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目22)
結合物質は、前記繊維の間、前記ナノ構造物の間、および/もしくは前記繊維と前記ナノ構造物との間に存在する、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目23)
前記結合物質は、モノマー、ポリマー、セラミック、および金属のうちの少なくとも1種を含む、項目22に記載の物品もしくは方法。
(項目24)
前記結合物質は、エポキシ、ポリウレタン、ポリビニルアルコール、およびシランのうちの少なくとも1種を含む、項目23に記載の物品もしくは方法。
(項目25)
前記細長いナノ構造物の長手方向軸は、実質的にまっすぐである、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目26)
前記細長いナノ構造物の長手方向軸は、曲がっている、および/もしくは湾曲している、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目27)
前記繊維の長手方向軸は、実質的にまっすぐである、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目28)
前記繊維の長手方向軸は、曲がっている、および/もしくは湾曲している、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目29)
前記細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%は、前記長手方向軸の長さの大部分が、前記細長いナノ構造物が接触した状態にある前記繊維に対して接線方向にあるように配置された長手方向軸を含む、前記項目のいずれか1項に記載の物品もしくは方法。
(項目30)
前記細長いナノ構造物および/もしくは細長いナノ構造物の束は、前記第1の繊維および前記第2の繊維と直接接触した状態にある、項目5に記載の物品。
(項目31)
前記細長いナノ構造物のうちの少なくとも1つの長手方向軸は、前記第1の繊維の長手方向軸に対して、および/もしくは前記第2の繊維の長手方向軸に対して実質的に平行である、項目5および30のいずれか1項に記載の物品。
(項目32)
前記第1の繊維の長手方向軸は、前記第2の繊維の長手方向軸に対して実質的に直交している、項目5および30〜31のいずれか1項に記載の物品。
(項目33)
前記第1の繊維および前記第2の繊維は、織布もしくは不織布の一部である、項目5および30〜32のいずれか1項に記載の物品。
本発明の非限定的実施形態は、添付の図面を参照しながら、例示によって記載される。添付の図面は模式図であり、一定の縮尺で描かれているとは解釈されない。図面において、図示される各々の同一もしくはほぼ同一の構成要素は、代表的には、単一の数字によって表される。明瞭にする目的で、あらゆる構成要素が全て数字で表示されているわけではなく、図示が当業者に本発明を理解させるために必要とされない場合には、本発明の各実施形態の構成要素は全て示されるわけではない。
図1は、実施形態の1セットに従う、繊維および細長いナノ構造物の配置を含む物品の一部の例示的模式図である。
図2A〜2Bは、綿毛状繊維(fuzzy fiber)複合材物品の模式的斜視図および模式的断面図である。
図2A〜2Bは、綿毛状繊維(fuzzy fiber)複合材物品の模式的斜視図および模式的断面図である。
図3A〜3Cは、いくつかの実施形態に従う、細長いナノ構造物および繊維の配置の例示的模式図である。
図3A〜3Cは、いくつかの実施形態に従う、細長いナノ構造物および繊維の配置の例示的模式図である。
図3A〜3Cは、いくつかの実施形態に従う、細長いナノ構造物および繊維の配置の例示的模式図である。
図4A〜4Bは、特定の実施形態に従う、細長いナノ構造物および繊維の配置の模式図である。
図4A〜4Bは、特定の実施形態に従う、細長いナノ構造物および繊維の配置の模式図である。
図5A〜5Mは、いくつかの実施形態に従う、細長いナノ構造物および繊維の配置の模式図である。
図5A〜5Mは、いくつかの実施形態に従う、細長いナノ構造物および繊維の配置の模式図である。
図5A〜5Mは、いくつかの実施形態に従う、細長いナノ構造物および繊維の配置の模式図である。
図5A〜5Mは、いくつかの実施形態に従う、細長いナノ構造物および繊維の配置の模式図である。
図5A〜5Mは、いくつかの実施形態に従う、細長いナノ構造物および繊維の配置の模式図である。
図5A〜5Mは、いくつかの実施形態に従う、細長いナノ構造物および繊維の配置の模式図である。
図5A〜5Mは、いくつかの実施形態に従う、細長いナノ構造物および繊維の配置の模式図である。
図5A〜5Mは、いくつかの実施形態に従う、細長いナノ構造物および繊維の配置の模式図である。
図5A〜5Mは、いくつかの実施形態に従う、細長いナノ構造物および繊維の配置の模式図である。
図5A〜5Mは、いくつかの実施形態に従う、細長いナノ構造物および繊維の配置の模式図である。
図5A〜5Mは、いくつかの実施形態に従う、細長いナノ構造物および繊維の配置の模式図である。
図5A〜5Mは、いくつかの実施形態に従う、細長いナノ構造物および繊維の配置の模式図である。
図6A〜6Dは、(A)カーボンナノチューブおよび炭素繊維のアセンブリの例示的模式図であり、および(B)〜(D)ポリマー結合剤を染みこませた、複数のカーボンナノチューブ(CNTs)および複数の炭素繊維を含む、割れた複合材の例示的な走査型電子顕微鏡(SEM)画像である。
図6A〜6Dは、(A)カーボンナノチューブおよび炭素繊維のアセンブリの例示的模式図であり、および(B)〜(D)ポリマー結合剤を染みこませた、複数のカーボンナノチューブ(CNTs)および複数の炭素繊維を含む、割れた複合材の例示的な走査型電子顕微鏡(SEM)画像である。
図6A〜6Dは、(A)カーボンナノチューブおよび炭素繊維のアセンブリの例示的模式図であり、および(B)〜(D)ポリマー結合剤を染みこませた、複数のカーボンナノチューブ(CNTs)および複数の炭素繊維を含む、割れた複合材の例示的な走査型電子顕微鏡(SEM)画像である。
図6A〜6Dは、(A)カーボンナノチューブおよび炭素繊維のアセンブリの例示的模式図であり、および(B)〜(D)ポリマー結合剤を染みこませた、複数のカーボンナノチューブ(CNTs)および複数の炭素繊維を含む、割れた複合材の例示的な走査型電子顕微鏡(SEM)画像である。
図7A〜7Fは、いくつかの実施形態に従う、(A)カーボンナノチューブおよび炭素繊維のアセンブリの例示的模式図、(B)炭素繊維アセンブリの写真、(C)電子試験配置および対応する結果の模式図、(D)機械的試験装置の写真、(E)曲げ弾性率および曲げ強さの例示的プロット、ならびに(F)割れた複合材構造物の例示的SEM画像である。
図7A〜7Fは、いくつかの実施形態に従う、(A)カーボンナノチューブおよび炭素繊維のアセンブリの例示的模式図、(B)炭素繊維アセンブリの写真、(C)電子試験配置および対応する結果の模式図、(D)機械的試験装置の写真、(E)曲げ弾性率および曲げ強さの例示的プロット、ならびに(F)割れた複合材構造物の例示的SEM画像である。
図7A〜7Fは、いくつかの実施形態に従う、(A)カーボンナノチューブおよび炭素繊維のアセンブリの例示的模式図、(B)炭素繊維アセンブリの写真、(C)電子試験配置および対応する結果の模式図、(D)機械的試験装置の写真、(E)曲げ弾性率および曲げ強さの例示的プロット、ならびに(F)割れた複合材構造物の例示的SEM画像である。
図7A〜7Fは、いくつかの実施形態に従う、(A)カーボンナノチューブおよび炭素繊維のアセンブリの例示的模式図、(B)炭素繊維アセンブリの写真、(C)電子試験配置および対応する結果の模式図、(D)機械的試験装置の写真、(E)曲げ弾性率および曲げ強さの例示的プロット、ならびに(F)割れた複合材構造物の例示的SEM画像である。
図7A〜7Fは、いくつかの実施形態に従う、(A)カーボンナノチューブおよび炭素繊維のアセンブリの例示的模式図、(B)炭素繊維アセンブリの写真、(C)電子試験配置および対応する結果の模式図、(D)機械的試験装置の写真、(E)曲げ弾性率および曲げ強さの例示的プロット、ならびに(F)割れた複合材構造物の例示的SEM画像である。
図7A〜7Fは、いくつかの実施形態に従う、(A)カーボンナノチューブおよび炭素繊維のアセンブリの例示的模式図、(B)炭素繊維アセンブリの写真、(C)電子試験配置および対応する結果の模式図、(D)機械的試験装置の写真、(E)曲げ弾性率および曲げ強さの例示的プロット、ならびに(F)割れた複合材構造物の例示的SEM画像である。
図8A〜8Bは、実施形態の1セットに従う、(A)樹脂適用装置の模式図、および(B)割れた複合材構造物の例示的SEM画像である。
図8A〜8Bは、実施形態の1セットに従う、(A)樹脂適用装置の模式図、および(B)割れた複合材構造物の例示的SEM画像である。
(詳細な説明)
ナノ構造強化構造物、ならびに関連のシステムおよび方法が、一般に記載される。いくつかの実施形態において、複数の繊維(例えば、炭素繊維、グラスファイバーなど)は、複数の細長いナノ構造物(例えば、カーボンナノチューブ)と関連づけられて、凝集性構造物を形成し得る。いくつかの実施形態において、上記複数の繊維は、第1のスケール(例えば、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有する)を有し得、上記細長いナノ構造物は、第2の比較的小さなスケールを有し得る(例えば、約100nm未満の最大断面直径を有する)。上記細長いナノ構造物は、例えば、上記ナノ構造物および繊維を、積み重ねる、織る、巻き付ける、曲げる、もしくは別の方法で配置することによって、種々の形態において上記繊維の間および/もしくは周りに配置され得、その結果、上記ナノ構造物および繊維は、互いと関連づけられて、上記凝集性構造物を形成する。いくつかの実施形態において、上記繊維および細長いナノ構造物は、3次元構造を形成するように配置され得る。例えば、細長いナノ構造物は、平行にした(collimated)かもしくは織られた繊維の間の空間に組み込まれて、複合材のトウ、薄片、および/もしくは積層物を形成し得る。いくつかの実施形態において、結合物質(例えば、エポキシのようなポリマー物質)は、上記凝集性構造物に添加されて、例えば、複合材料を形成し得る。上記複数のナノ構造物および/もしくは繊維(および/もしくは上記複数のナノ構造物および繊維の一部)は、それらの長手方向軸が、実質的に整列されて、いくつかの場合においては、上記サンプルの端から端まで連続しているように提供され得る。
ナノ構造強化構造物、ならびに関連のシステムおよび方法が、一般に記載される。いくつかの実施形態において、複数の繊維(例えば、炭素繊維、グラスファイバーなど)は、複数の細長いナノ構造物(例えば、カーボンナノチューブ)と関連づけられて、凝集性構造物を形成し得る。いくつかの実施形態において、上記複数の繊維は、第1のスケール(例えば、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有する)を有し得、上記細長いナノ構造物は、第2の比較的小さなスケールを有し得る(例えば、約100nm未満の最大断面直径を有する)。上記細長いナノ構造物は、例えば、上記ナノ構造物および繊維を、積み重ねる、織る、巻き付ける、曲げる、もしくは別の方法で配置することによって、種々の形態において上記繊維の間および/もしくは周りに配置され得、その結果、上記ナノ構造物および繊維は、互いと関連づけられて、上記凝集性構造物を形成する。いくつかの実施形態において、上記繊維および細長いナノ構造物は、3次元構造を形成するように配置され得る。例えば、細長いナノ構造物は、平行にした(collimated)かもしくは織られた繊維の間の空間に組み込まれて、複合材のトウ、薄片、および/もしくは積層物を形成し得る。いくつかの実施形態において、結合物質(例えば、エポキシのようなポリマー物質)は、上記凝集性構造物に添加されて、例えば、複合材料を形成し得る。上記複数のナノ構造物および/もしくは繊維(および/もしくは上記複数のナノ構造物および繊維の一部)は、それらの長手方向軸が、実質的に整列されて、いくつかの場合においては、上記サンプルの端から端まで連続しているように提供され得る。
上記細長いナノ構造物は、上記ナノ構造物の大部分の全ての末端が、いかなる隣接する繊維とも直接接触した状態にないように、配置され得る。いくつかの場合において、上記細長いナノ構造物は、上記ナノ構造物の大部分の長手方向軸が、いかなる隣接する繊維とも交差しないように配置され得る。
上記細長いナノ構造物の存在は、上記ナノ構造物の非存在下であるが、他は本質的に同じ条件下で観察される機械的、熱的、および/もしくは電気的特性と比較して、有利な機械的、熱的、および/もしくは電気的特性を付与し得、そして/または上記凝集性構造物の機械的、熱的、および/もしくは電気的特性を増強し得る。例えば、細長いナノ構造物を上記凝集性構造物に組み込むと、上記凝集性構造物の破壊靱性、降伏強度、導電率、および/もしくは熱伝導率が増強され得る。
有利なことには、本明細書に記載される物品内の上記細長いナノ構造物は、例えば、上記構造物内の繊維、プライ(ply)、および/もしくは積層物の厚みに対して測定される場合、相対的に長い可能性があり得る。例えば、いくつかの実施形態において、上記細長いナノ構造物のうちの1つ以上は、上記物品内の上記複数の繊維の最小断面寸法の平均の少なくとも約5倍の長さを有し得る。いくつかの実施形態において、細長いナノ構造物は、繊維および/もしくは繊維の群の周りに巻かれ得、そして/または繊維の群を介して伸長し得る。上記細長いナノ構造物は、特定の実施形態において、例えば、細長いナノ構造物が、繊維の表面から伸びている綿毛状繊維において観察され得るように、上記複合材物品内の繊維から放射状に(radially)伸長しない。
いくつかの実施形態において、上記細長いナノ構造物および上記繊維は、別個に生成され得、比較的温和な条件下で(例えば、室温および/もしくは室内圧力において)上記物品(例えば、複合材物品)を形成するように組み立てられ得る。従って、いくつかのこのような実施形態において、上記細長いナノ構造物が伸ばされ、繊維が形成され、そして/または結合物質が添加される条件(これは、例えば、高温、反応性化学物質、高圧などへの曝露を含み得る)は、上記ナノ構造物、繊維、および/もしくは結合物質の構造完全性に影響を及ぼさない。本明細書に記載される種々の体系はまた、高度複合材加工処理の多くの形態(例えば、プリプレグ形成(prepregging)、テーププレグ形成(tape−pregging)、トウ拡大(tow spreading)、注入(infusion)、樹脂注入成形(RTM)、ハンドレイアップ、樹脂フィルム注入(RFI)など)と一致するプロセスを使用して実現され得る。本明細書に記載される繊維および細長いナノ構造物はまた、それらの間隔を空けることが、具体的に目的に合わせて調整されて、例えば、上記組み立てられた物品(例えば、複合材物品)内の特定の領域を選択的に強化するように、組み立てられ得る。
図1は、繊維110および細長いナノ構造物112の配置を含む物品100の一部の例示的模式図である。本明細書に記載される実施形態の全てにおいて、単一の繊維および単一の細長いナノ構造物が、図面に記載されるかもしくは図示される場合は常に、任意の単一の繊維が、繊維の束によって置き換えられ得、そして/または任意の単一の細長いナノ構造物が、細長いナノ構造物の束によって置き換えられ得ることは、理解されるべきである。すなわち、特定の適用に依存して、単一の繊維、および/もしくは繊維の束(繊維のストリップ、繊維のトウ(tows of fibers)、繊維のヤーンなどを含む)は、全て交換され得る;そして/または単一のナノ構造物および/もしくはナノ構造物の束(ナノ構造物のストリップ、ナノ構造物のトウ、ナノ構造物のヤーンなどを含む)は、全て交換され得る。例えば、図1を参照すると、いくつかの実施形態において、繊維110のうちのいずれかは、繊維の束(例えば、数十本の繊維、数百本の繊維、数千本の繊維など)で置き換えられ得、上記繊維の束は、トウ、ストリップ、ヤーン、もしくは任意の他の適切な形態において配置され得る。いくつかの実施形態において、細長いナノ構造物112のうちのいずれかは、細長いナノ構造物の束(例えば、数十の細長いナノ構造物、数百のナノ構造物、数千のナノ構造物など)で置き換えられ得、上記細長いナノ構造物の束は、トウ、ストリップ、ヤーン、もしくは任意の他の適切な形態において配置され得る。
一般に、物体(例えば、細長いナノ構造物、繊維)の束は、補助的な接着剤ありもしくはなしで(すなわち、上記束の物体中もしくは物体上に本質的には存在しない接着剤なしで)、それらが上記束のうちの少なくとも1つの他の部材と接触した状態にあるように、互いに配置された上記複数の物体を含む。特定の実施形態において、上記物体の束は、それ自体が凝集性構造物を形成し得る。例えば、特定の実施形態において、細長いナノ構造物の束は、これらが凝集性構造物を形成するように、互いと絡み合っている(そして例えば、必要に応じて、互いと実質的に整列される長手方向軸を有する)複数のナノ構造物を含み得る。別の例として、繊維の束は、これらが凝集性構造物を形成するように、互いと絡み合っている複数の繊維を含み得る。物体の束の具体例としては、ストリップ、トウ、ヤーンなどが挙げられるが、これらに限定されない。細長い構造物が上記束を形成する特定の実施形態において、上記束内の細長い構造物は、上記束における少なくとも一方の他の細長い構造物と、上記束内の細長い構造物の長手方向軸の実質的に長さ全体にそって接触した状態にあり得る。例えば、いくつかの実施形態において、上記束は、上記ナノ構造物が、トウの一方の末端から他方の末端へと伸び、上記ナノ構造物の各々が、上記トウ内の少なくとも1つの他のナノ構造物と接触した状態にあるように配置された細長いナノ構造物のトウを含む。同様に、上記束は、上記繊維が、上記トウの一本の末端から他方の末端へと伸び、上記繊維の各々が、上記トウ内の少なくとも1つの他の繊維と接触した状態にあるように配置された繊維のトウを含み得る。
特定の実施形態において、物体(例えば、細長いナノ構造物、繊維)の束は、ストリップに配置され得る。一般に、ストリップは、比較的薄い厚みおよび比較的長い長さと幅を含む。特定の実施形態において、細長いナノ構造物もしくは繊維のストリップは、厚み、上記厚みに対して直交する第1の寸法、ならびに上記厚みおよび上記第1の寸法に対して直交する第2の寸法を含み得る。ここで上記第1の寸法および第2の寸法は、上記厚みより、少なくとも約5倍、少なくとも約10倍、少なくとも約50倍、もしくは少なくとも約100倍長い。特定の実施形態において、少なくとも上記第1の寸法および第2の寸法のうちの一方は、上記ストリップの厚みより、少なくとも約50倍、少なくとも約100倍、少なくとも約500倍、もしくは少なくとも約1000倍長い。特定の実施形態において、上記ストリップ内の成分(例えば、細長いナノ構造物もしくは繊維)は、上記ストリップの方向に沿って実質的に整列され得る。例えば、特定の実施形態において、細長いナノ構造物もしくは繊維は、上記ストリップの最も長い寸法に沿って実質的に整列され得るか、またはそれらは、上記ストリップの厚みおよび最も長い寸法に対して直交する寸法に沿って実質的に整列され得る。
物体(例えば、細長いナノ構造物、繊維)の束はまた、特定の実施形態においては、トウもしくはヤーンに配置され得る。一般に、トウとは、複数の実質的に連続するフィラメント(例えば、並んで配置された細長いナノ構造物もしくは繊維)が、細長い束を形成するように配置される束に言及する。一般に、ヤーンとは、複数の実質的に不連続なフィラメント(例えば、並んでおよび/もしくは端部と端部とを繋いで配置される、細長いナノ構造物もしくは繊維)が、細長い束を形成するように配置される束に言及する。ヤーン内の不連続フィラメントは、凝集性構造物において一緒に、例えば、上記不連続フィラメントをねじるかもしくは別の方法で絡み合わせることによって、保持され得る。トウおよび/もしくはヤーン内の上記フィラメントの長手方向軸は、これらが上記トウおよび/もしくは上記ヤーンの長さに対して実質的に平行であるように配置され得る。
特定の実施形態において、トウおよび/もしくはヤーンは、一方向において比較的長い長さを有しかつ長さに対して直交する方向において比較的短いように構成され得る。例えば、特定の実施形態において、トウおよび/もしくはヤーンは、上記トウおよび/もしくはヤーンの最大断面寸法の少なくとも約10倍、少なくとも約50倍、少なくとも約100倍、もしくは少なくとも約1000倍である長さを有し得る。特定の実施形態において、繊維および/もしくは細長いナノ構造物のヤーンおよび/もしくはトウは、織られるか、積み重ねられるか、または別の方法で組み立てられて、織布もしくは不織布のような布を形成し得る。いくつかのこのような実施形態において、繊維(例えば、単一の繊維および/もしくは繊維の束)は、布を形成するために組み立てられ得、細長いナノ構造物(例えば、単一の細長いナノ構造物および/もしくは細長いナノ構造物の束)は、上記繊維の間に位置づけられて、構造的支持および/もしくは増強された導電率を提供し得る。
特定の実施形態において、上記細長いナノ構造物および上記繊維は、これらが凝集性構造物を形成するように互いと関連づけて配置され得る。一般に、凝集性構造物は、曲げられ得るか、動き得るか、または別の方法で壊れることなく操作され得る構造物である。例えば、繊維および細長いナノ構造物は、上記構造物が曲げられるか、動かされるか、もしくは別の方法で操作されるときに上記繊維および/もしくはナノ構造物が互いから実質的に解離しないように、互いに対して空間的に配置されている場合に、凝集性構造物を形成し得る。いくつかの実施形態において、凝集性構造物の成分(例えば、繊維および/もしくは細長いナノ構造物)は、摩擦力が上記成分を一緒に保持するように、上記成分を織るか、絡み合わせるか、または別の方法で配置することによって、一緒に保持され得る。上記凝集性構造物の成分は、特定の実施形態において、ファンデルワールス力より強い力によって、一緒に保持され得る。例えば、いくつかの実施形態において、上記凝集性構造物の成分は、共有結合によって、および/もしくは接着力によって(例えば、結合剤を使用して)一緒に保持され得る。図1に図示される細長いナノ構造物は、絡み合いなく完全に整列されているとして示され、上記細長いナノ構造物の長手方向軸は、特定の実施形態において絡み合わされ得る。さらに、図1に図示される繊維が絡み合わされてない一方で、上記繊維の長手方向軸は、特定の実施形態において、絡み合わされ得る。
いくつかの実施形態において、上記細長いナノ構造物は、上記繊維と直接接触した状態にある一方で、他の実施形態においては、1種以上の物質が、上記細長いナノ構造物と上記繊維との間に位置づけられ得る。例えば、特定の実施形態において、上記細長いナノ構造物および上記繊維は、上記ナノ構造物が、図1に図示されるように接線方向に上記繊維と接触するように、直接接触した状態にあり得る。他の実施形態において、結合物質は、上記細長いナノ構造物と上記繊維との間で位置づけられ得る。例えば、上記繊維は、プリプレグ物質の一部であり得る。ここで上記プリプレグ内の結合物質は、上記細長いナノ構造物と上記繊維との間に位置づけられ得る。特定の実施形態において、凝集性構造物内の比較的多数の上記細長いナノ構造物(例えば、上記細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%、少なくとも約75%、少なくとも約90%、少なくとも約95%、少なくとも約99%、もしくは実質的に全て)は、上記ナノ構造物と繊維との間の最短距離が、上記構造物内の上記繊維の最小断面寸法の平均約10倍未満、約5倍未満、もしくは約2倍未満であるように位置づけられ得る。
本明細書に記載される繊維は、少なくとも約5:1の、少なくとも約10:1の、少なくとも約50:1の、少なくとも約100:1の、少なくとも約1000:1の、またはそれより大きいアスペクト比を有する細長い構造物を含み得る。上記繊維は、種々の適切な物質から作製され得る。例えば、特定の実施形態において、上記繊維は、炭素、ポリマー、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、セルロース物質、バサルト、および/もしくは金属を含み得る。本明細書に記載される繊維は、比較的大きな断面寸法を有し得る。いくつかの実施形態において、物品内の上記複数の繊維の各々は、少なくとも約1μm、少なくとも約5μm、もしくは少なくとも約10μmの最小断面寸法を有し得る。本明細書で使用される場合、構造物の「最小断面寸法」とは、測定され得る個々の構造物の2つの対向する境界の間の最小距離に言及する。いくつかの実施形態において、上記複数の繊維の最小断面寸法の平均は、少なくとも約1μm、少なくとも約5μm、もしくは少なくとも約10μmであり得る。複数の構造物の「最小断面寸法の平均」は、数平均に言及する。
本明細書で使用される場合、用語「細長いナノ構造物」とは、約100nm未満の直径、および約10より大きい、約100より大きい、約1000より大きい、約10,000より大きい、もしくはそれより大きいアスペクト比を生じる長さを有する細長い化学的構造物に言及する。当業者は、細長いナノ構造物が、単一分子であり得る(例えば、いくつかのナノチューブの場合には)か、または互いに対して結合される複数の分子を含み得る(例えば、いくつかのナノ繊維の場合には)ことを認識する。いくつかの場合において、上記細長いナノ構造物は、約100nm未満、約50nm未満、約25nm未満、約10nm未満、もしくはいくつかの場合において、約1nm未満の、最大断面直径を有し得る。細長いナノ構造物の「最大断面直径」とは、本明細書で使用される場合、上記細長いナノ構造物の長さ(例えば、カーボンナノチューブの長さ)に対して直角に測定される場合、上記細長いナノ構造物の対向する外側の境界にある2点の間の最大直径に言及する。複数の構造物の「最大断面直径の平均」とは、数平均に言及する。上記細長いナノ構造物は、円筒形もしくは擬円筒形(pseudo−cylindrical)の形状を有し得る。いくつかの実施形態において、上記細長いナノ構造物は、ナノチューブ(例えば、カーボンナノチューブ)であり得る。細長いナノ構造物の他の例としては、ナノ繊維およびナノワイヤが挙げられるが、これらに限定されない。
図1に図示される実施形態のセットにおいて、上記複数の繊維は、上記細長いナノ構造物の断面寸法と比較して、比較的大きな断面寸法を有する。いくつかの実施形態において、本明細書に記載される繊維は、上記組み立てられた物品内の上記細長いナノ構造物の最大断面直径より少なくとも約10倍、少なくとも約50倍、もしくは少なくとも約100倍大きい最小断面寸法を有し得る。
いくつかの実施形態において、上記細長いナノ構造物は、例えば、上記繊維の最小断面寸法に比較して、比較的長くてもよい。図1に図示される実施形態のセットに戻って参照すると、細長いナノ構造物112の長さ113は、上記繊維の最小断面寸法(下の繊維について寸法114として図示される)より実質的に長くてもよい。いくつかの実施形態において、少なくとも上記細長いナノ構造物の一部は、上記複数の繊維の最小断面寸法の平均の少なくとも約5倍、少なくとも約10倍、少なくとも約50倍、少なくとも約100倍、少なくとも約500倍、もしくは少なくとも約1000倍の長さ(および特定の実施形態において、上記複数の繊維の最小断面寸法の平均の約1015倍未満の長さ)を有し得る。いくつかの実施形態において、構造物内の上記細長いナノ構造物のうちの少なくとも約25%、少なくとも約50%、少なくとも約75%、少なくとも約90%、少なくとも約95%、少なくとも約99%、もしくは実質的に全てが、上記複数の繊維の最小断面寸法の平均の少なくとも約5倍、少なくとも約10倍、少なくとも約50倍、少なくとも約100倍、少なくとも約500倍、もしくは少なくとも約1000倍の長さ(および特定の実施形態において、上記複数の繊維の最小断面寸法の平均の約1015倍未満の長さ)を有し得る。いくつかの場合において、比較的短い細長いナノ構造物は、本明細書で記載される物品に含まれ得る。例えば、いくつかの実施形態において、上記物品は、上記複数の繊維の最小断面寸法の平均の約5倍未満、約2倍未満、約1倍未満、もしくは約0.5倍未満である長さを有する細長いナノ構造物を含み得る。具体例として、いくつかの実施形態において、本明細書において記載される物品もしくは構造物は、比較的長い細長いナノ構造物(例えば、どこかに記載される長さの任意の分布を有する)および比較的短い細長いナノ構造物(例えば、どこかに記載される長さの任意の分布を有する)の混合物を含み得る。
いくつかの実施形態において、上記細長いナノ構造物は、「綿毛状繊維」複合材物品(例えば、図2A(模式的斜視図)および図2B(模式的断面図)に図示されるもの)において認められ得るように、上記繊維から放射状に外側に向かって伸びないように、上記物品内に配置され得る。それらが上記繊維から放射状に外側に向かって伸びないように上記細長いナノ構造物を配向することによって、比較的長い細長いナノ構造物が使用され得る。さらに、上記細長いナノ構造物は、上記細長いナノ構造物が上記繊維から放射状に外側に向かって伸びる場合に達成され得るものと比較して、広く種々の位置を想定し得る。
いくつかの実施形態において、物品内の上記複数の細長いナノ構造物は、上記細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%、少なくとも約60%、少なくとも約70%、少なくとも約80%、少なくとも約90%、少なくとも約95%、少なくとも約99%、もしくは実質的に全ての全ての末端が、いかなる隣接する繊維とも直接接触した状態にないように、配置され得る。例えば、図1に図示される実施形態のセットにおいて、細長いナノ構造物112は、2つの末端116を含み、細長いナノ構造物112の各々の末端116の各々は、繊維110のうちのいずれとも直接接触した状態にない。対照的に、図2Bにおいて、ナノ構造物112の末端116は、繊維110と接触した状態にある。上記細長いナノ構造物が2つより多くの末端(例えば、末端部分のうちの1つが二股である細長いナノ構造物の場合には、3つの末端)を含む特定の実施形態において、2つより多くの末端の各々は、繊維との接触がなくてもよい。
いくつかの実施形態において、上記細長いナノ構造物は、それらの長手方向軸が上記物品内の隣接する繊維と交差しないように配置され得る。本明細書で使用される場合、「長手方向軸」とは、上記細長いナノ構造物の基部の断面の幾何的中心および上記細長いナノ構造物の先端の断面の幾何的中心を含む想像線に言及し、上記細長いナノ構造物の末端を、その末端における上記細長いナノ構造物の湾曲の接線に対応する方向において、超えて持続する。例えば、図1に図示される実施形態のセットにおいて、細長いナノ構造物112は、長手方向軸120(破線として図示される)を含む。当業者は、幾何的中心という用語、ならびに細長いナノ構造物の基部および先端の断面の幾何的中心をどのように測定するかを理解する。
いくつかの実施形態において、物品内の上記複数の細長いナノ構造物は、上記細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%、少なくとも約60%、少なくとも約70%、少なくとも約80%、少なくとも約90%、少なくとも約95%、少なくとも約99%、もしくは実質的に全ての長手方向軸が、いかなる隣接する繊維とも交差しないように配置され得る。
いくつかの実施形態において、上記物品もしくは構造物内の上記細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%、少なくとも約60%、少なくとも約70%、少なくとも約80%、少なくとも約90%、少なくとも約95%、少なくとも約99%、もしくは実質的に全ては、上記長手方向軸の長さの大部分(例えば、上記ナノ構造物内の長手方向軸の長さのうちの少なくとも約50%、少なくとも約75%、少なくとも約90%、少なくとも約95%、もしくは少なくとも約99%)が、上記細長いナノ構造物が最も近接して(例えば、接触して)存在する上記繊維に対して接線方向にあるように配置された長手方向軸を含む。すなわち、この実施形態において、ナノ構造物のこのセットの長手方向軸は、最も近接している繊維と交差しない。例えば、図1に図示される実施形態のセットにおいて、細長いナノ構造物112の各々は、その長さ全体に沿って、(ナノ構造物112が接触した状態にある)繊維110に対して接線方向にある長手方向軸120を含む。対照的に、図2A〜2Bにおいて、ナノ構造物112の各々は、少なくとも1つの繊維110と交差する長手方向軸を含み;ナノ構造物112の各々は、繊維と接触した状態にある1つの末端を含み(上記細長いナノ構造物の長手方向軸と第1の繊維との間の第1の交差を生じる)、そして多くの場合において、上記ナノ構造物は、別の繊維のバルクに向けられている対向する末端を含む(上記細長いナノ構造物の長手方向軸と第2の繊維との間の第2の交差を生じる)。従って、図2A〜2Bにおける細長いナノ構造物112のいずれも、繊維110に対して接線方向にない。
いくつかの実施形態において、上記繊維のおよび/もしくは細長いナノ構造物の長手方向軸は、実質的に直線であり得る。例えば、図1における細長いナノ構造物112の長手方向軸120は、実質的に直線である。しかし、いくつかの実施形態において、繊維のおよび/もしくは細長いナノ構造物の長手方向軸が、湾曲していても曲がっていてもよいことは、理解されるべきである。例えば、図5B〜5Dに図示される実施形態(これらは、本明細書の他の箇所において詳細に記載される)のセットにおいて、細長いナノ構造物112は、L字型に曲がっている長手方向軸を含む。
いくつかの実施形態において、上記細長いナノ構造物は、上記物品もしくは構造物内の隣接する繊維の間の空間より実質的に長い可能性がある。よって、上記細長いナノ構造物の長さは、上記構造物内の複数の繊維に及び得る。細長いナノ構造物の長さは、上記ナノ構造物の長さが、ある繊維の第1の側面に1点で接する第1の平面、および上記第1の側面に対向する上記繊維の第2の側面に1点で接する、上記第1の平面に対して平行な、第2の平面と交差する場合に、ある繊維に及ぶといわれる。いくつかの実施形態において、構造物(例えば、複合材構造物)内の上記細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%、少なくとも約60%、少なくとも約70%、少なくとも約80%、少なくとも約90%、少なくとも約95%、少なくとも約99%、もしくは実質的に全ては、上記構造物内の少なくとも約2本の繊維、少なくとも約5本の繊維、少なくとも約10本の繊維、少なくとも約50本の繊維、少なくとも約100本の繊維、少なくとも約1000本の繊維、少なくとも約10,000本の繊維、少なくとも約100,000本の繊維もしくは少なくとも約1,000,000本の繊維に及び得る。例えば、図1に図示される実施形態のセットにおいて、細長いナノ構造物112の各々の長手方向軸120は、3本の繊維110に及ぶ。
図3A〜3Bは、細長いナノ構造物および繊維を組み立てる例示的プロセスを概説する模式図を含む。実施形態のこのセットにおいて、細長いナノ構造物(例えば、カーボンナノチューブ)は、成長基材(growth substrate)310上に伸ばされ、横列をなして配置される。上記ナノ構造物は、例えば、上記成長基材上に成長触媒を堆積し、上記触媒を(例えば、フォトリソグラフィー、スクリーン印刷、もしくは任意の他の適切な方法を使用して)パターン形成(patterning)することによって、横列をなして配置され得る。その結果、上記ナノ構造物は、上記成長基材の上に横列を形成する。上記ナノ構造物が上記触媒を使用して(例えば、化学蒸着を介して)成長する際に、上記触媒の横列に対応するナノ構造物の横列が、形成され得る。当然のことながら、細長いナノ構造物は、他の適切な方法を使用して、横列をなして成長され得る。例えば、いくつかの実施形態において、上記細長いナノ構造物は、実質的に均一に分布した森林状のもの(forest)として成長され得、上記ナノ構造物は、上記ナノ構造物の側面に対して第1の外力を適用することによって横列をなして再度位置づけられ得、このことから、隣接したナノ構造物はより近くに一緒に圧縮され得、横列の形成を生じる。いくつかの実施形態において、第2の外力(上記第1の外力に対して直交する)は、上記ナノ構造物に適用されて、ナノ構造物の束を形成し得る。ナノ構造物(例えば、整列されたナノ構造物)を成長させるためのシステムおよび方法は、例えば、国際特許出願番号PCT/US2007/011914(2007年5月18日出願、発明の名称「Continuous Process for the Production of Nanostructures Including Nanotubes」、WO2007/136755として2007年11月29日に公開;米国特許出願第12/227,516号(2008年11月19日出願、発明の名称「Continuous Process for the Production of Nanostructures Including Nanotubes」、US 2009/0311166として2009年12月17日に公開);国際特許出願番号PCT/US07/11913(2007年5月18日に出願、発明の名称「Nanostructure−reinforced Composite Articles and Methods」、WO 2008/054541として2008年5月8日に公開);国際特許出願番号PCT/US2008/009996(2008年8月22日に出願、発明の名称「Nanostructure−reinforced Composite Articles and Methods」、WO 2009/029218として2009年3月5日に公開);米国特許出願第11/895,621号(2007年8月24日に出願、発明の名称「Nanostructure−Reinforced Composite Articles and Methods」、US 2008/0075954として2008年3月27日に公開)(これらの各々は、全ての目的でそれらの全体において本明細書に参考として援用される)に記載される。
図3A〜3Bに戻って参照すると、いったん上記ナノ構造物が横列をなして配置されたら、繊維は、上記ナノ構造物の間に挿入され得る。繊維は、任意の適切なプロセスを使用して(例えば、手動挿入によってもしくは自動化システムを使用することによって)、上記ナノ構造物の間に挿入され得る。図3Bにおいて、繊維110は、これらの長手方向軸がナノ構造物112の間の溝内で伸長するように配置された。他の箇所で言及されるように、繊維110は、任意の適切な形態因子(例えば、繊維布、繊維のトウ、一方向性の布(unidirectional cloth)など)のものであり得る。いくつかの実施形態において、上記繊維が、上記ナノ構造物の間で組み立てられた後、上記ナノ構造物/繊維体系は、上記成長基材から放出され得る。上記ナノ構造物/繊維体系が放出される前もしくは放出された後、結合物質(例えば、エポキシのようなポリマーを含む)は、任意の適切な手順(例えば、毛細管現象による湿潤(capillarity wetting)、樹脂注入成形(resin infusion transfer molding)(RTM)、ハンドレイアップ、酸化的CVD(o−CVD)、開始性CVD(initiated−CVD)(i−CVD)など)を使用して、上記ナノ構造物と上記繊維との間に分散され得る。いくつかの実施形態において、上記繊維およびナノ構造物が組み立てられた後、外力が上記アセンブリに適用されて、上記ナノ構造物および上記繊維を空間的に緻密にし得る。いくつかの場合において、外力は、結合物質が上記アセンブリに添加されて、複合材を形成する前および/もしくは形成した後に、上記アセンブリに適用されて、上記ナノ構造物および上記繊維を空間的に緻密にし得る。
図3A〜3Bに図示される実施形態が、上記ナノ構造物が横列になって配置される物品を図示する一方で、他の配置もまた考えられることは、理解されるべきである。例えば、いくつかの実施形態において、上記ナノ構造物は、ナノ構造物の束の横列および縦列になって配置され得、および上記繊維は、ナノ構造物の束の横列および/もしくは縦列の間の空間内に配置され得る。図3Cは、実施形態のうちの1つのこのようなセットの例示的上面模式図を含む。図3Cにおいて、ナノ構造物112は、3×4行列において配置されており、繊維110は、これらが上記ナノ構造物の間で形成される空間内にあるように、配置された。
成長基材上で成長されたナノ構造物のアセンブリは、図3A〜3Bにおいて図示された一方で、他の実施形態において、上記ナノ構造物が、上記ナノ構造物が形成された後であるが、上記繊維もしくは上記ナノ構造物と組み立てられる前に、上記成長基材から除去され得ることは理解されるべきである。例えば、特定の実施形態において、ナノ構造物(例えば、横列、シート、ヤーン、トウなど)は、基材310から除去され得、その後、基材の非存在下で(本明細書に記載される任意の形成因子を想定するために)繊維110と組み立てられ得る。上記ナノ構造物を除去するという行為は、成長触媒もしくは成長基材の表面から、受容する基材の表面へと直接上記ナノ構造物を移動する工程を包含し得る。いくつかの実施形態において、上記ナノ構造物を除去するという行為は、上記ナノ構造物、上記成長触媒、および/もしくは上記成長基材の表面への、機械的ツール、機械的振動もしくは超音波振動、化学的試薬、熱、または他の外的エネルギー供給源での力の適用を含み得る。いくつかの場合において、上記ナノ構造物は、例えば、圧縮ガスの適用によって除去され得る。いくつかの場合において、上記ナノ構造物は、除去(例えば、剥離)され得、受容する基材への上記ナノ構造物の結合なく、大量に集められ得、上記ナノ構造物は、成長基材からの除去後、それらの元のもしくは「成長したまま(as−grown)」の配向および構造物において(例えば、整列された「森林状のもの」において)残り得る。ナノ構造物を基材から除去するための、またはナノ構造物を第1の基材から第2の基材へ移動させるためのシステムおよび方法は、国際特許出願番号PCT/US2007/011914(2007年5月18日出願、発明の名称「Continuous Process for the Production of Nanostructures
Including Nanotubes」、および米国特許出願第12/618,203号(2009年11月13日出願、発明の名称「Controlled−Orientation Films and Nanocomposites Including Nanotubes or Other Nanostructures」、米国特許公開第2010/0196695号として2010年8月5日に公開)(これらの各々は、全ての目的でその全体にいて本明細書に参考として援用される)に記載される。
Including Nanotubes」、および米国特許出願第12/618,203号(2009年11月13日出願、発明の名称「Controlled−Orientation Films and Nanocomposites Including Nanotubes or Other Nanostructures」、米国特許公開第2010/0196695号として2010年8月5日に公開)(これらの各々は、全ての目的でその全体にいて本明細書に参考として援用される)に記載される。
いくつかの実施形態において、上記ナノ構造物は、成長基材の使用なしで生成され得、上記繊維(例えば、個々にしたナノ構造物、ナノ構造物の束、ナノ構造物のストリップとして、もしくは他の形態において)とともに、基材の非存在下で組み立てられ得る。
図1は、細長いナノ構造物のストリップ(もしくは細長いナノ構造物の束のストリップ)が、繊維のストリップ(もしくは繊維の束のストリップ)に隣接して配置される実施形態のセットを図示する。しかし、他の配置もまた、考えられる。例えば、いくつかの実施形態において、積層内、積層間、トウ内、繊維内、および繊維群内の体系は、本明細書に記載される方法を使用して生成され得る。図4Aに図示される実施形態のセットにおいて、単一の繊維(もしくは単一の繊維の束)は、細長いナノ構造物の横列(もしくはナノ構造物の束の横列)に隣接して配置される。図4Bに図示される実施形態のセットにおいて、上記繊維は、3×3行列において配置され、細長いナノ構造物の横列に隣接して位置づけられる。上記細長いナノ構造物が積層内強化のために使用されるいくつかの実施形態において、上記細長いナノ構造物は、上記積層内界面表面を横断し得る。いくつかの場合において、上記繊維および/もしくは上記細長いナノ構造物のストリップは、図4A〜4Bにおいて寸法180の方向において非常に長い長さを伸長し得る(例えば、上記繊維の最小断面寸法の平均の少なくとも約100倍、少なくとも約1000倍、少なくとも約10,000倍、少なくとも約106倍、もしくは少なくとも約109倍)。なぜなら、繊維および細長いナノ構造物のストリップは、連続して成長され/生成され得るからである。
図5Aは、細長いナノ構造物および繊維の別の例示的配置の模式図を含む。図5Aにおいて、繊維110および細長いナノ構造物112の横列は、互いに積み重ねられる。上記細長いナノ構造物112の長手方向軸は、ベクトル510にそって伸長し得る一方で、いくつかの実施形態において、他の実施形態において、ナノ構造物112の長手方向軸は、ベクトル512に沿って(もしくは任意の他の適切な方向に沿って)伸長し得る。
いくつかの実施形態において、ナノ構造物および繊維のアセンブリは、折りたたまれ得るか、曲げられ得るか、撚られ得るか、または別の方法で機械的に操作され得る。例えば、図5Bに図示される実施形態のセットにおいて、図5Aにおけるアセンブリ500は、矢印520の方向に折りたたまれて、点522における直角を含むアセンブリ500Bを形成した。ナノ構造物および/もしくは繊維のアセンブリを曲げたり、折りたたんだり、撚ったり、もしくは別の方法で機械的に操作することは、いくつかの実施形態においては、型を使用することによって行われ得る。例えば、図5Bに図示される実施形態のセットにおいて、上記アセンブリ500は、折りたたまれて、アセンブリ500Bを形成し、これは、型560内に形成された直角に適合する。図5Bにおいては直角が図示されているが、上記ナノ構造物および/もしくは繊維が、任意の適切な角度を生じるように折りたたまれ得ることは、理解されるはずである。いくつかの実施形態において、ナノ構造物および繊維の上記アセンブリは、例えば、矢印530の方向において外力を適用することによって緻密にされ得る。
いくつかの実施形態において、上記アセンブリ内の繊維および/もしくはナノ構造物は、折りたたまれ得るか、曲げられ得るか、撚られ得るか、または別の方法で機械的に操作され得る。例えば、図5Cに図示される実施形態のセットにおいて、アセンブリ550内のナノ構造物112は、これらが繊維110の間で直角を形成するように曲げられた。図5Dは、図5Cにおける領域531の拡大図を含み、領域532内の繊維110の間のナノ構造物112Aによって形成される角度を図示する。いくつかの実施形態において、ナノ構造物および繊維のアセンブリは、例えば、外力を矢印530の方向において適用することによって、緻密にされ得る。
特定の実施形態において、細長いナノ構造物の束(例えば、ストリップ、トウ、ヤーン、もしくは他の細長いナノ構造物の束)は、複合材構造物内の小さな空間を実質的に満たすために使用され得る。このようにして、上記細長いナノ構造物は、複合材製造において「ヌードル」として公知の充填構造物と類似して、複合材内の空隙空間をふさぐために使用され得る。細長いナノ構造物の束は、伝統的なヌードル構造物の代わりに、もしくはこ
れに加えて使用され得る。上記細長いナノ構造物をこのようにして位置づけることは、小さな空間内で上記構造物を強化し得る。例えば、図5Bに図示される実施形態のセットにおいて、細長いナノ構造物のストリップは、点522において直角に隣接した空間を満たすために使用された。他の実施形態において、細長いナノ構造物の束は、比較的小さな角度(例えば、角度60度以下、角度45度以下、角度30度以下、もしくは角度15度以下)を画定する丸みを帯びた曲がり角もしくは角を満たすために使用され得る。
れに加えて使用され得る。上記細長いナノ構造物をこのようにして位置づけることは、小さな空間内で上記構造物を強化し得る。例えば、図5Bに図示される実施形態のセットにおいて、細長いナノ構造物のストリップは、点522において直角に隣接した空間を満たすために使用された。他の実施形態において、細長いナノ構造物の束は、比較的小さな角度(例えば、角度60度以下、角度45度以下、角度30度以下、もしくは角度15度以下)を画定する丸みを帯びた曲がり角もしくは角を満たすために使用され得る。
細長いナノ構造物および繊維の複数のアセンブリは、いくつかの実施形態において、細長いナノ構造物および繊維のより大きなアセンブリを形成するために繋げられ得る。例えば、図5Eに図示される実施形態のセットにおいて、アセンブリ500Cは、複数のアセンブリ500Bを繋げることによって形成される。
図5Fは、本明細書に記載される方法を使用して形成され得るアセンブリの別のタイプの模式的断面図を含む。図5Fに図示される実施形態のセットにおいて、アセンブリ600は、細長いナノ構造物を折りたたんで、鋭角(例えば、図5Fに図示される実施形態のセットにおいては角度約45度)を形成することによって形成され得、より大きなアセンブリ500Dは、複数のアセンブリ600を繋げることによって形成され得る。いくつかの実施形態において、ナノ構造物および繊維の上記アセンブリは、例えば、外力を矢印530の方向において適用することによって、緻密にされ得る。
図5Gは、さらに別の実施形態のセットの模式図を含む。実施形態のこのセットにおいて、細長いナノ構造物112は、繊維110の間に配置され、例えば、積み重なりもしくは織物の形態にあり得る。他の箇所で言及されるように、細長いナノ構造物のストリップは、図5Gに図示されるが、個々にしたナノ構造物、1本以上のナノ構造物の束、もしくは他のナノ構造物の形態が、図5Gに図示されるナノ構造物のストリップに加えて、もしくはその代わりに、使用され得ることは、理解されるはずである。図5Gに図示されるもののような構造物は、例えば、薄い積層物において、例えば、小型衛星(例えば、cubeSat)において、有用であり得る。
特定の実施形態において、繊維および細長いナノ構造物は、上記細長いナノ構造物が領域を強化するように、配置され得る(ここで、上記繊維が別の方法で接触した状態になる)。いくつかの実施形態において、凝集性構造物は、第1の繊維および第2の繊維、ならびに細長いナノ構造物および/もしくは細長いナノ構造物の束を含み、その結果、上記細長いナノ構造物および/もしくは細長いナノ構造物の束が、上記第1の繊維および第2の繊維と接触した状態にあるように上記繊維の間に位置づけられる。例えば、図3Bにおいて、細長いナノ構造物の中央のストリップは、上記中央のストリップのいずれかの側面で繊維と直接接触した状態にある。同様に、図5A〜5Gにおいて、上記細長いナノ構造物の束の多くは、これらが2本以上の繊維の間にありかつこれらと接触した状態にあるように位置づけられる。
特定の実施形態において、上記細長いナノ構造物(もしくは細長いナノ構造物の束)は、上記細長いナノ構造物が、2本(もしくはより多くの)繊維の間にありかつ上記2本(もしくはより多くの)繊維と直接接触した状態にあるように位置づけられ得る。このような配置の例は、図3Bに図示される。他の実施形態において、上記細長いナノ構造物(もしくは細長いナノ構造物の束)は、上記細長いナノ構造物が2本(もしくはより多くの)繊維の間にありかつ上記2本(もしくはより多くの)繊維と間接的に接触した状態にあるように位置づけられ得る。一般に、2つの物体は、上記2つの物質が直接的に接触していないとしても、固体物質内で残っているままである上記2つの物質の間で少なくとも1つの経路が追跡され得る場合に、間接的に接触した状態にある。例えば、繊維と細長いナノ構造物との間に位置づけられた接着剤によって結合される上記繊維および細長いナノ構造物は、間接的に接触した状態にある。なぜなら、固体物質(すなわち、上記接着剤)中に残っていると同時に上記繊維から上記細長いナノ構造物へと経路が追跡され得るからである。
特定の実施形態において、互いと間接的に接触した状態にある2つの細長い物体は、上記2つの細長い物体の間の最短距離が、上記2つの細長い物体の小さい方の最大断面寸法の約5倍未満、約2倍未満、もしくは約1倍未満であるように位置づけられる。例えば、繊維および細長いナノ構造物は、特定の場合には、上記繊維と上記細長いナノ構造物との間の最短距離が、上記細長いナノ構造物の最大断面寸法の約5倍未満、約2倍未満、もしくは約1倍未満である場合に、間接的に接触した状態にあり得る。
いくつかの実施形態において、細長いナノ構造物(もしくは細長いナノ構造物の束)は、繊維の積み重ねもしくは織物(または繊維の束の積み重ねもしくは織物)において認められ得るように、上記繊維が重なり合う1つ以上の位置において、繊維(もしくは繊維の束)の間に位置づけられ得る。このようにして細長いナノ構造物を位置づけると、繊維(もしくは繊維の束)が、互いと直接接触した状態になる程度を阻害し得、それによって、機械的劣化を制限する(そして特定の場合においては、排除する)。一般に、細長い構造物(例えば、繊維)は、それらの長手方向軸が互いと少なくとも約15度の角度を形成する場合に重なり合い、少なくとも1つの角度から見られる場合に、それらの長手方向軸が交差するといわれる。特定の実施形態において、2つの重なり合っている細長い構造物の間の最短距離は、上記2つの重なり合っている構造物の小さい方の最大断面寸法の約5倍未満、約2倍未満、もしくは約1倍未満である。2つの細長い構造物が重なり合う領域は、一般に、上記長手方向軸が交差する領域に言及する。
図5J〜5Kは、ナノ構造物束が上記繊維と重なり合いの領域内で接触した状態にあるように、上記ナノ構造物束112が繊維110の間に位置づけられる実施形態の1セットを図示する。図5Jは、上面模式図である一方で、図5Kは、側面模式図である。図5J〜5Kにおいて、繊維110は、織物において配置される。他の実施形態において、上記繊維は、例えば、図5L(上面図)および図5M(図5Lの側面図)において示されるように、積み重なった形態に配置され得る。
特定の実施形態において、上記細長いナノ構造物(単数または複数)は、長手方向軸が、互いに対してある角度において配置される2本の繊維(もしくは繊維の束)の間に位置づけられ得る。例えば、特定の場合において、上記繊維の長手方向軸は、図5J〜5Mに図示されるように、互いに対して実質的に直交している可能性がある。いくつかの実施形態において、上記細長いナノ構造物(単数または複数)は、長手方向軸が、少なくとも約15度、少なくとも約30度、少なくとも約45度、少なくとも約60度、もしくは少なくとも約75度という角度を形成する2本の繊維の間で(例えば、重なり合いの領域内で)位置づけられる。
特定の実施形態において、上記細長いナノ構造物(もしくは細長いナノ構造物の束)は、上記ナノ構造物の長手方向軸が少なくとも1つの隣接する繊維と実質的に整列されるように配置され得る。例えば、図5Jにおいて、束112A内の上記細長いナノ構造物の長手方向軸は、繊維110Aの長手方向軸に対して実質的に平行である矢印800の方向において実質的に整列され得る。特定の実施形態において、束112B内の上記細長いナノ構造物の長手方向軸は、繊維110Bの長手方向軸に対して実質的に平行である矢印810の方向において実質的に整列される。
本明細書の他の箇所において言及されるように、外力は、アセンブリの前および/もしくは後に、上記ナノ構造物および/もしくは繊維に適用されて、上記アセンブリ内の上記ナノ構造物および/もしくは繊維の密度を増大させ得る。力を上記ナノ構造物、繊維、および/もしくはナノ構造物および繊維のアセンブリに適用することから、比較的高い体積の繊維画分(Vf)および/もしくは比較的高い体積のナノ構造物画分(VNS)を有する物品を生成し得る。いかなる特定の理論にも拘束されることは臨まないが、ナノ構造物(例えば、カーボンナノチューブ)(例えば、垂直のアレイにおいて観察されるもののような整列されたカーボンナノチューブ)の構成の圧縮は、いくつかの実施形態において、比較的容易であり得る。なぜなら、上記ナノ構造物の長手方向軸に対して直交する方向における係数(the modulus)は、比較的低く(例えば、約1MPa)あり得るのに対して、軸方向における(長手方向軸に沿った)剛性は、数百MPaであり得るからである。外力の、複数のナノ構造物への適用は、例えば、米国特許出願第12/618,203号(2009年11月13日出願、発明の名称「Controlled−Orientation Films and Nanocomposites Including Nanotubes or Other Nanostructures」、米国特許出願公開第2010/0196695号として2010年8月5日に公開)(これは、全ての目的でその全体において本明細書に参考として援用される)に記載される。
上記細長いナノ構造物および/もしくは繊維は、いくつかの実施形態において、比較的高い体積の上記物品もしくは構造物の画分が、上記繊維および/もしくは細長いナノ構造物によってふさがれるように、配置され得る(すなわち、隣接する繊維と細長いナノ構造物との間に開放された空間がほとんどない可能性がある)。いくつかの実施形態において、繊維および/もしくは細長いナノ構造物によってふさがれる上記物品もしくは構造物の体積のパーセンテージは、少なくとも約20%、少なくとも約30%、少なくとも約40%、少なくとも約50%、もしくは少なくとも約60%であり得る。
本明細書に記載されるシステムおよび方法は、実質的に整列されたナノ構造物を生成するために使用され得るか、またはいくつかの実施形態においては、実質的に整列されたナノ構造物の使用を包含し得る。上記実質的に整列されたナノ構造物は、物質上でもしくは物質内に配置される場合に、上記物質の特性を増強するために十分な長さおよび/もしくは直径を有し得る。いくつかの実施形態において、実質的に整列されたナノ構造物のセットは、成長基材の表面に形成され得、上記ナノ構造物は、上記ナノ構造物の長手方向軸が上記成長基材の表面に関して実質的に非平面であるように、配向され得る。いくつかの場合において、上記ナノ構造物の長手方向軸は、上記成長基材の表面に関して実質的に垂直な方向において配向され、ナノ構造物アレイもしくは「森林状のもの」を形成する。上記ナノ構造物の「森林状のもの」におけるナノ構造物のアラインメントは、いくつかの実施形態において、その後の加工処理(例えば、他の表面へ、繊維の間および/もしくは繊維に沿っての移動、ならびに/または上記森林状のものと、二次的物質(例えば、ポリマー)と合わせること)のときすら、実質的に維持され得る。整列されたナノ構造物および整列されたナノ構造物を含む物品を生成するためのシステムおよび方法は、例えば、国際特許出願番号PCT/US2007/011914(2007年5月18日出願、発明の名称「Continuous Process for the Production of Nanostructures Including Nanotubes」;および米国特許第7,537,825号(2009年5月26日発行、発明の名称「Nano−Engineered Material Architectures: Ultra−Tough Hybrid Nanocomposite System」)(これらは、それらの全体において本明細書に参考として援用される)に記載される。いくつかの実施形態において、実質的に整列されたナノ構造物および/もしくは繊維を組み込むことは有利であり得る。なぜなら、整列されたナノ構造物および/もしくは繊維は、結合物質が、上記ナノ構造物および/もしくは繊維との間で(例えば、毛細管による湿潤を介して)散らばり得る程度を増強し得るからである。さらに、いくつかの実施形態において、実質的に整列されたナノ構造物および/もしくは繊維は、他の箇所で記載されるように、整列されていないものと比較して、比較的圧縮しやすい可能性がある。
いくつかの実施形態において、上記細長いナノ構造物の長手方向軸のうちの少なくとも約50%、少なくとも約60%、少なくとも約70%、少なくとも約80%、少なくとも約90%、少なくとも約95%、少なくとも約99%、もしくは実質的に全ては、上記整列された細長いナノ構造物の長手方向軸と上記隣接する整列された繊維の長手方向軸とによって定義される最小角度が、約45度〜約90度の間、約60度〜約90度の間、約75度〜約90度の間、約85度〜約90度の間、もしくは約88度〜約90度の間であるように、上記繊維の長手方向軸のうちの少なくとも約50%、少なくとも約60%、少なくとも約70%、少なくとも約80%、少なくとも約90%、少なくとも約95%、少なくとも約99%、もしくは実質的に全てに対して位置づけられる。例えば、図1に図示される実施形態のセットにおいて、上記ナノ構造物および繊維は、上記ナノ構造物の長手方向軸のうちの実質的に全てと、上記繊維のうちの実質的に全てとの間で形成される最小角度が、約90度であるように配置される。図5Hに図示される実施形態のセットにおいて、上記ナノ構造物および繊維は、上記ナノ構造物の長手方向軸のうちの実質的に全てと、上記繊維の長手方向軸のうちの実質的に全てとの間で形成される最小角度が約45度であるように配置される。
本明細書の他の箇所で言及されるように、複合材物品は、上記繊維の間、上記ナノ構造物の間、および/もしくはいくつかの実施形態においては、上記繊維と上記ナノ構造物との間に結合物質を含めることによって、形成され得る。上記結合物質(もしくは結合物質に対する前駆物質)は、任意の適切な方法を使用して、上記ナノ構造物および/もしくは繊維の間に形成され得る。例えば、いくつかの実施形態において、上記結合物質(もしくは上記結合物質に対する前駆物質)は、毛細管による湿潤、樹脂注入形成(resin infusion transfer molding)(RTM)、ハンドレイアップ、酸化的化学蒸着(o−CVD)、開始性化学蒸着(i−CVD)などを介して堆積され得る。
種々のタイプの結合物質が、本明細書に記載される実施形態に従って使用され得る。いくつかの場合において、上記結合物質(例えば、ポリマー結合物質)は、上記ナノ構造物および/もしくは繊維を均一に「湿潤にする」ために選択され得、そして/または1つ以上の積層物を結合するために選択され得る。いくつかの場合において、上記結合物質は、特定の粘度(例えば、50,000cP以下、10,000cP以下、5,000cP以下、1,000cP以下、500cP以下、250cP以下、もしくは100cP以下)を有するように選択され得る。いくつかの実施形態において、上記結合物質は、150〜250cPの間の粘度を有するように選択され得る。
いくつかの場合において、上記結合物質は、モノマー、ポリマー、セラミック、金属、および/もしくはシランを含み得る。上記結合物質は、いくつかの実施形態において、上記ナノ構造物および/もしくは繊維を支持するためにさらに加工処理され得る。
いくつかの場合において、上記ポリマー物質は、熱硬化性物質もしくは熱可塑性物質を含み得る。例えば、いくつかの実施形態において、上記結合物質は、熱硬化性物質(例えば、エポキシ、ゴム強化エポキシ(rubber strengthened epoxy)、BMI、PMK−15、ポリエステル、ビニルエステルなど)および/もしくは熱可塑性物質(例えば、ポリアミド、ポリイミド、ポリアリーレンスルフィド、ポリエーテルイミド、ポリエステルイミド、ポリアリーレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルイミド、ポリプロピレン、ポリオレフィン、ポリケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエステル、ならびにこれらのアナログおよび混合物)を含み得る。いくつかの実施形態において、上記結合物質は、ポリウレタンおよび/もしくはポリビニルアルコールを含み得る。
熱硬化性物質の具体例としては、以下が挙げられる:Microchem SU−8(UV硬化エポキシ、2000.1〜2100のグレード、および3cP〜10,000cPの範囲の粘度)、Buehler Epothin(低粘度、約150cP、室温硬化エポキシ)、West Systems 206 + 109 Hardener(低粘度、約200cP、室温硬化エポキシ)、Loctite Hysol 1C (20分で硬化する導電性エポキシ、粘度200,000〜500,000cP)、Hexcel RTM6(樹脂注入成形エポキシ(resin transfer molding epoxy)、プロセスの間の粘度、約10cP)、Hexcel HexFlow VRM 34(構造的VARTMもしくは真空補助樹脂注入成形エポキシ、プロセスの間の粘度、約500cP)。熱可塑性物質の例としては、以下が挙げられる:ポリスチレン、もしくはMicrochem PMMA(UV硬化熱可塑性物質、10cP〜約1,000cPの範囲のグレード)。一実施形態において、上記ポリマー物質は、PMMA、EpoThin、WestSystems EPON、RTM6、VRM34、977−3、SU8、もしくはHysol1Cであり得る。
細長いナノ構造物のアセンブリ(例えば、整列されたナノ構造物)への結合物質の添加は、例えば、国際特許出願番号PCT/US2007/011914(2007年5月18日出願、発明の名称「Continuous Process for the Production of Nanostructures Including Nanotubes」、WO2007/136755として2007年11月29日に公開);米国特許出願第12/227,516号(2008年11月19日出願、発明の名称「Continuous Process for the Production of Nanostructures Including Nanotubes」、US 2009/0311166として2009年12月17日に公開);国際特許出願番号PCT/US07/11913(2007年5月18日出願、発明の名称「Nanostructure−reinforced Composite Articles and Methods」、WO 2008/054541として2008年5月8日に公開);国際特許出願番号PCT/US2008/009996(2008年8月22日出願、発明の名称「Nanostructure−reinforced Composite Articles and Methods」、WO 2009/029218として2009年3月5日に公開);米国特許出願第11/895,621(2007年8月24日出願、発明の名称「Nanostructure−Reinforced Composite Articles and Methods」、US 2008/0075954として2008年3月27日に公開);および米国特許出願第12/618,203号(2009年11月13日出願、発明の名称「Controlled−Orientation Films and Nanocomposites Including Nanotubes or Other Nanostructures」、米国特許出願公開番号2010/0196695として2010年8月5日に公開)(これらの各々は、全ての目的でその全体において本明細書に参考として援用される)に記載されている。細長いナノ構造物のアセンブリへ結合物質を添加するための化学蒸着の使用は、例えば、米国特許出願第12/630,289号(2009年12月3日出願、発明の名称「Multifunctional Composites Based on Coated Nanostructures」、米国特許出願公開番号2010/0255303として2010年10月7日に公開)(これは、全ての目的でその全体において本明細書に参考として援用される)に記載される。
種々のタイプの繊維は、本明細書に記載される物品、システム、および方法と関連して使用されうる。いくつかの実施形態において、上記繊維は、炭素(例えば、炭素繊維の場合)、ポリマー(例えば、押し出しポリマーフィラメント)、Al2O3、二酸化ケイ素(例えば、グラスファイバー(例えば、SiO2を含むもの))、セルロース物質(例えば、綿、レーヨンなど)、バサルト(例えば、バサルト繊維)および/もしくは金属を含み得る。上記繊維は、任意の適切な様式において配置されうる。例えば、いくつかの場合において、複数の繊維が、1つ以上のトウに配置されうる。いくつかの実施形態において、上記繊維および/もしくは繊維の束は、布を形成するために、織られ得るか、編まれうるか、または別の方法で組み立てられ得る。
いくつかの実施形態において、上記細長いナノ構造物は、細長い炭素ベースのナノ構造物を含み得る。本明細書で使用される場合、用語「細長い炭素ベースのナノ構造物」とは、芳香族環の縮合したネットワークを有しかつ重量で少なくとも炭素を約30%含む細長いナノ構造物に言及する。いくつかの実施形態において、上記細長い炭素ベースのナノ構造物は、重量で少なくとも約40%、少なくとも約50%、少なくとも約60%、少なくとも約70%、少なくとも約80%、少なくとも約90%、もしくは少なくとも約95%の炭素、またはこれより多くを含み得る。用語「縮合したネットワーク」とは、例えば、ビフェニル基(ここで2個のフェニル環が単結合によって結合され、縮合していない)を含まなくてもよい。細長い炭素ベースのナノ構造物の例としては、カーボンナノチューブ(例えば、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブなど)、カーボンナノワイヤ、カーボンナノ繊維などが挙げられる。
いくつかの実施形態において、本明細書に記載される細長い炭素ベースのナノ構造物は、カーボンナノチューブを含み得る。本明細書で使用される場合、用語「カーボンナノチューブ」は、当該分野でその通常の意味を与えられ、主に炭素原子を含む主に六員環(例えば、六員の芳香族環)の縮合したネットワークを含む、実質的に円筒形の分子もしくはナノ構造物に言及する。いくつかの場合において、カーボンナノチューブは、継ぎ目のない円筒形構造物へと形成されるグラファイトのシートに似ているかもしれない。上記カーボンナノチューブがまた、六員環以外の環もしくは格子構造物を含み得ることは、理解されるべきである。上記カーボンナノチューブの末端は、キャップされてもよいし(すなわち、曲がったもしくは非平面の芳香族構造物で)、またはキャップされなくてもよい。いくつかの実施形態において、カーボンナノチューブは、ナノメートルの桁での最大断面直径およびマイクロメートルの桁での長さを有し得るか、またはマイクロメートルの10分の1の桁で、100、1000、10,000、100,000、106、107、108、109より大きい、もしくはこれより大きいアスペクト比を生じる。カーボンナノチューブの例としては、単層カーボンナノチューブ(SWNT)、二層カーボンナノチューブ(DWNT)、多層カーボンナノチューブ(MWNT)(例えば、同心のカーボンナノチューブ)、その無機誘導体などが挙げられる。いくつかの実施形態において、上記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブである。いくつかの場合において、上記カーボンナノチューブは、多層カーボンナノチューブ(例えば、二層カーボンナノチューブ)である。いくつかの場合において、上記カーボンナノチューブは、約100nm未満、約50nm未満、約25nm未満、約10nm未満、またはいくつかの場合において、約1nm未満の最大断面直径を有し得る。
以下の特許および特許出願は、全ての目的でそれらの全体において本明細書に参考として援用される:国際特許出願番号PCT/US2007/011914(2007年5月18日出願、発明の名称「Continuous Process for the Production of Nanostructures Including Nanotubes」、WO2007/136755として2007年11月29日に公開);米国特許出願第12/227,516(2008年11月19日出願、発明の名称「Continuous Process for the Production of Nanostructures Including Nanotubes」、US 2009/0311166として2009年12月17日に公開);国際特許出願番号PCT/US07/11913(2007年5月18日出願、発明の名称「Nanostructure−reinforced Composite Articles and Methods」、WO 2008/054541として2008年5月8日に公開);国際特許出願番号PCT/US2008/009996(2008年8月22日出願、発明の名称「Nanostructure−reinforced Composite Articles and Methods」、WO 2009/029218として2009年3月5日に公開);米国特許出願第11/895,621(2007年8月24日出願、発明の名称「Nanostructure−Reinforced Composite Articles and Methods」、US 2008/0075954として2008年3月27日に公開);米国特許第7,537,825号(2009年5月26日発行、発明の名称「Nano−Engineered Material Architectures: Ultra−Tough Hybrid Nanocomposite System」);米国特許出願第11/895,621号(2007年8月24日出願、発明の名称「Nanostructure−Reinforced Composite Articles」、米国特許出願公開番号2008/0075954として2008年3月27日に公開);米国仮特許出願第61/114,967号(2008年11月14日出願、発明の名称「Controlled−Orientation Films and Nanocomposites Including Nanotubes or Other Nanostructures」);米国特許出願第12/618,203号(2009年11月13日出願、発明の名称「Controlled−Orientation Films and Nanocomposites Including Nanotubes or Other Nanostructures」、米国特許出願公開番号2010/0196695として2010年8月5日に公開);米国特許出願第12/630,289号(2009年12月3日出願、発明の名称「Multifunctional Composites Based on Coated Nanostructures」、米国特許出願公開番号2010/0255303として2010年10月7日に公開);米国特許出願第12/847,905号(2010年7月30日出願、発明の名称「Systems and Methods Related to the Formation of Carbon−Based Nanostructures」);米国仮特許出願第61/264,506号(2009年11月25日出願、および発明の名称「Systems and Methods for Enhancing Growth of Carbon−Based Nanostructures」);および米国仮特許出願第61/418,784号(2010年12月1日出願、および発明の名称「Articles and Methods Related to the Formation of Nanostructure Reinforced Structures」)。本明細書に記載される物品、システム、および方法は、上記に示した特許および/もしくは特許出願のうちのいずれかに記載されるものと組み合わされてもよい。本明細書で言及される全ての特許および特許出願は、全ての目的でその全体において本明細書に参考として援用される。
以下の実施例は、本発明の特定の実施形態を例示すると解釈されるが、本発明の全範囲を例示するものではない。
(実施例1)
本実施例は、カーボンナノチューブおよび炭素繊維を含む複合材料の製作を記載する。第1に、一方向性の炭素繊維(厚み 数μmおよび長さ 約100mmを有する)のトウを、航空宇宙グレードのエポキシ樹脂(RTM6)中で僅かに濡らした。整列されたカーボンナノチューブのストリップ(約150μm厚、約1.5cm幅、および約1mm長)を、上記僅かに濡らした炭素繊維トウに取り付けた。上記炭素繊維トウ(カーボンナノチューブが取り付けられている)のうちの4本を、図6Aに示される配向において手で組み立てた。上記カーボンナノチューブストリップは、上記標本の中心においてのみ現れた。なぜなら、それらは、15mm長であったのに対して、トウの長さは、約100mmであったからである。次いで、上記標本を、ハンドレイアッププロセスを使用してRTM6エポキシ樹脂に浸し、硬化させた。
本実施例は、カーボンナノチューブおよび炭素繊維を含む複合材料の製作を記載する。第1に、一方向性の炭素繊維(厚み 数μmおよび長さ 約100mmを有する)のトウを、航空宇宙グレードのエポキシ樹脂(RTM6)中で僅かに濡らした。整列されたカーボンナノチューブのストリップ(約150μm厚、約1.5cm幅、および約1mm長)を、上記僅かに濡らした炭素繊維トウに取り付けた。上記炭素繊維トウ(カーボンナノチューブが取り付けられている)のうちの4本を、図6Aに示される配向において手で組み立てた。上記カーボンナノチューブストリップは、上記標本の中心においてのみ現れた。なぜなら、それらは、15mm長であったのに対して、トウの長さは、約100mmであったからである。次いで、上記標本を、ハンドレイアッププロセスを使用してRTM6エポキシ樹脂に浸し、硬化させた。
上記複合材標本を、機械加工し、手で壊した。破断表面を、図6B〜6Dに示されるように、走査型電子顕微鏡(SEM)を使用して画像化した。上記SEM画像は、炭素繊維/エポキシ領域およびカーボンナノチューブ/エポキシの領域を明らかに示す(図6B)。上記炭素繊維フィラメントを、上記破断プロセスの間に上記樹脂から部分的に引っ張り出したところ、きれいな表面を示した。上記カーボンナノチューブ樹脂は、樹脂が豊富な領域、上記炭素繊維トウの中間領域に埋め込まれた(図6C〜6D)。上記エポキシ樹脂の破断表面において、上記カーボンナノチューブを、上記樹脂から部分的に引っ張り出した(図6D)。
(実施例2)
本実施例は、プレプレグおよび整列されたカーボンナノチューブのストリップを含む複合材物品の製作および試験を記載する。
本実施例は、プレプレグおよび整列されたカーボンナノチューブのストリップを含む複合材物品の製作および試験を記載する。
本実施例において、整列されたカーボンナノチューブの4本のストリップおよび5つのプレプレグシートを使用した。上記プリプレグ材料は、整列された、一方向性の炭素繊維を含んだ。上記炭素繊維は、直径 数μmを有し、これを、硬化されていないポリマー結合物質の中に位置づけた。上記プリプレグシートを、厚み 約150μmを有するより大きなプリプレグシートから切り出した。上記5つの切断されたプロプレグシートの各々は、厚み 約150μm、幅 約3mm、および長さ 約300mmを有した。上記炭素繊維を、長さ方向(すなわち、上記300mm寸法)において実質的に整列させた。
上記カーボンナノチューブストリップを、触媒を100μm×15mmストリップのウェハ上に堆積させ、上記ナノチューブを、標準的化学蒸着(CVD)技術を使用して上記触媒から成長させることによって、調製した。上記カーボンナノチューブは、高さ約1.5mmに成長した。成長した後、上記整列されたカーボンナノチューブを、上記成長基材から外して、各々、長さ 約1.5mm、幅 約15mmおよび厚み 約100μmを有するストリップを形成した。上記カーボンナノチューブを、上記ストリップの長さ(すなわち、上記1.5mm寸法)に沿って実質的に整列された。
上記プリプレグシートおよび上記カーボンナノチューブストリップを、図7Aに図示される配向において手で組み立てた。例示目的で、図7Aは、部分的断面として図示される。上記組み立てられたサンプルにおいて、上記プリプレグストリップは、x方向に(図7Aに図示される座標軸に言及する)約150μm、y方向に約3mm、およびz方向に約300mm伸長した。上記組み立てられたサンプルにおいて、上記カーボンナノチューブストリップは、x方向において約100μm、y方向において約1.5mm、およびz方向において約15mm伸長した。よって、図7Aに図示されるように組み立てた場合、上記カーボンナノチューブは、上記標本の中心近くに位置した。上記カーボンナノチューブストリップおよびプリプレグシートを組み立てた後、上記組み立てた部分を、矢印700の方向に圧縮した。
アセンブリの後、上記部分をオートクレーブの中で硬化させ、上記プリプレグストリップ中の上記(硬化していない)エポキシ樹脂を、カーボンナノチューブストリップの中へと流して、階層的な複合材を形成した。「比較」サンプルを、同じようにして製作したが、上記カーボンナノチューブストリップを含めなかった。3つの比較サンプルを製作し、カーボンナノチューブストリップを含む5つのサンプルを製作した。上記製作したサンプルを、図7Bに示す。
各サンプルを、2方向において単純なDC電気抵抗について試験した:一方の方向は、上記炭素繊維のアラインメントに沿っており、もう一方の方向は、上記カーボンナノチューブのアラインメントに沿って(そして上記炭素繊維のアラインメントに対して実質的に直交して)いた。これら試験の結果を、図7Cに図示する。上記カーボンナノチューブストリップを含むサンプルおよび上記比較サンプル(カーボンナノチューブストリップなし)はともに、上記炭素繊維の配向に沿った方向において測定した場合、約1Ω cmの面内抵抗を示した。上記炭素繊維の配向に対して直交する方向において測定した場合、上記整列されたカーボンナノチューブストリップを含むサンプルは、約12Ω cmの面内抵抗を示した。上記カーボンナノチューブストリップなしの比較サンプルは、約40Ω cmより遙かに高い面内抵抗を示した。これら導電率の結果は、上記導電性のカーボンナノチューブの存在が、上記組み立てられたサンプルの導電率を増強することを示した。
さらに、各サンプルを、面内機械的特性について試験した。1mm/分の負荷率での標準的曲げ試験を行った。これは、上記炭素繊維が整列された上記サンプルの方向において弾性率の抽出を可能にした。上記試験装置を、図7Dに示し、その試験結果を図7Eにまとめる。上記結果は、曲げ弾性率(Ef)および強度(σf)が、上記カーボンナノチューブの存在によって実質的に影響を受けないことを示す。このことは、本実施例に記載されるプロセスが、上記炭素繊維に実質的に損傷を与えないことを示す。この結果は、重要であった。なぜなら他の、炭素繊維をカーボンナノチューブ(例えば、綿毛状繊維)で改変しようという試みが、いくつかの場合において、上記炭素繊維に損傷を与えたからである。曲げ強さにおける僅かな増大は、統計的有意性の範囲内であり、上記サンプル全体は、上記複合材の面内特性を維持することを示した。さらなる試験(例えば、モードI破断および有孔圧縮試験(open−hole compression testing))から、より大きな標本において、カーボンナノチューブの存在の積極的な影響が明らかになると予測される。
最後に、上記サンプルの断面の走査型電子顕微鏡(SEM)画像を、図7Fに示されるように得た。上記SEM画像から、破断したサンプルにおいて、上記カーボンナノチューブの間に位置づけられたポリマー結合物質の存在が明らかになった。
(実施例3)
本実施例は、乾燥繊維および整列されたカーボンナノチューブのストリップを含む複合材物品の製作および試験を記載する。
本実施例は、乾燥繊維および整列されたカーボンナノチューブのストリップを含む複合材物品の製作および試験を記載する。
本実施例において、整列されたカーボンナノチューブの4本のストリップおよび炭素繊維の5本のトウを使用した。上記組み立てられたジオメトリは、実施例2のものに類似であり、図7Aに図示される。上記炭素繊維トウは、整列された、一方向性の炭素繊維を含み、エポキシも他の結合物質も含まなかった。上記炭素繊維は、数μmの直径を有した。上記5本の炭素繊維トウの各々は、厚み 約150μm、幅 約3mm、および長さ 約300mmを有した。上記炭素繊維は、上記長さ方向(すなわち、上記300mm寸法)において実質的に整列した。
上記カーボンナノチューブストリップを、触媒を100μm×15mmストリップのウェハ上に堆積させ、上記ナノチューブを、標準的な化学蒸着(CVD)技術を使用して上記触媒から成長させることによって調製した。上記カーボンナノチューブは、高さ 約1.5mmへと成長した。成長した後、上記整列されたカーボンナノチューブを上記成長基材から外して、各々、長さ 約1.5mm、幅 約15mmおよび厚み 約100μmを有するストリップを形成した。上記カーボンナノチューブは、上記ストリップの長さ(すなわち、上記1.5mm寸法)に沿って実質的に整列した。
上記炭素繊維トウおよび上記カーボンナノチューブストリップを、図7Aに図示されるものに類似の配向において手で組み立てた。上記組み立てたサンプルにおいて、上記炭素繊維トウは、x方向(図7Aに図示される座標軸に言及する)において約150μm、y方向において約3mm、およびz方向において約300mm伸長した。上記組み立てたサンプルにおいて、上記カーボンナノチューブストリップは、x方向において約100μm、y方向において約1.5mm、およびz方向において約15mm伸長した。
アセンブリ後に、上記サンプルを、標準的な樹脂注入装備の中に入れ、RTM6エポキシを、図8Aに示されるように、上記乾燥アセンブリの中に染みこませた。次いで、上記標本を硬化させた。比較サンプルもまた、類似のプロセスを使用して作製したが、上記カーボンナノチューブストリップを含まなかった。
各サンプルを、実施例2に記載されるものに類似して、いくつかの面内方向における単純なDC電気抵抗について試験した。 上記炭素繊維の配向に対して直交する方向において測定する場合、上記整列されたカーボンナノチューブストリップを含むサンプルは、上記整列されたカーボンナノチューブストリップなしのサンプルの面内電気抵抗より遙かに低い面内抵抗を示した。さらに、上記サンプルの厚み全体の導電率(すなわち、図7Aのx軸に沿った導電率)を測定した。上記カーボンナノチューブのストリップを含むサンプルは、約9×10−2 S/mの導電率を示した一方で、上記整列されたカーボンナノチューブのストリップなしのサンプルは、わずか約3×10−2 S/mの導電率を示した。
最後に、上記サンプルのSEM画像を、図8Bに図示されるように撮影した。上記SEM画像から、最終複合材において、上記カーボンナノチューブ、および上記カーボンナノチューブの間のエポキシの存在が明らかになった。
本発明のいくつかの実施形態が記載され、本明細書で例示されてきたが、当業者は、種々の他の手段および/もしくは機能を発揮するための構造および/もしくは結果を得ることおよび/もしくは本明細書に記載される利点のうちの1つ以上を容易に想定し、このような変更および/もしくは改変の各々が、本発明の範囲内にあるとみなされる。より一般には、当業者は、本明細書に記載される全てのパラメーター、寸法、物質、および形態が、例示であることが意味され、実際のパラメーター、寸法、物質、および/もしくは形態が、本発明の教示が使用される具体的な適用(単数または複数)に依存することを、容易に理解する。当業者は、単なる慣用的な実験法を使用して、本明細書に記載される本の具体的実施形態に対する多くの等価物を認識し、これを確かめ得る。従って、前述の実施形態が、例示によって提示されるに過ぎず、添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内にあることは理解されるべきであり、本発明は、具体的に記載され、特許請求されるとおりのもの以外に実施され得る。本発明は、本明細書に記載される各個々の特徴、システム、物品、物質、キット、および/もしくは方法に関する。さらに、2つ以上の個のような特徴、システム、物品、物質、キット、および/もしくは方法の任意の組み合わせは、このような特徴、システム、物品、物質、キット、および/もしくは方法が相補に矛盾しなければ、本発明の範囲内に含まれる。
不定冠詞「1つの、ある(a)」および「1つの、ある(an)」は、本明細書および特許請求の範囲で使用される場合、明らかに矛盾することが示されなければ、「少なくとも1つ」を意味すると理解されるものとする。
語句「および/もしくは」は、本明細書および特許請求の範囲で使用される場合、そのように結合される要素の「いずれかもしくは両方」、すなわち、いくつかの場合においては接続的に存在し、他の場合においては離接的に存在する要素を意味すると理解されるものとする。他の要素は、明確に矛盾することが示されなければ、具体的に同定される要素に関連しようが関連しなかろうが、必要に応じて、上記「および/もしくは」節によって具体的に同定される要素以外に存在し得る。従って、非限定的例として、「Aおよび/もしくはB」への言及は、開放系の言語(例えば、「含む」)とともに使用される場合、一実施形態において、AありBなし(必要に応じて、B以外の要素を含む)に言及し得;別の実施形態において、BありAなし(必要に応じて、A以外の要素を含む)に言及し;さらに別の実施形態において、AおよびBの両方(必要に応じて、他の要素を含む)に言及し得る;などである。
本明細書および特許請求の範囲において使用される場合、「もしくは」は、上記で定義されるように「および/もしくは」と同じ意味を有すると理解されるものとする。例えば、列挙中の項目を分離する場合、「もしくは」または「および/もしくは」は、包括的であると解釈されるものとする(すなわち、数値もしくは要素の列挙の少なくとも1つの包含(しかし、1つより多くも含む)、および必要に応じて、列挙されていないさらなる項目の包含)。矛盾すると明らかに示される用語のみ(例えば、「〜のうちの1つのみ」もしくは「〜のうちの正確に1つ」、もしくは特許請求の範囲において使用される場合、「〜からなる」は、数値もしくは要素の列挙の正確に1つの要素の包含に言及する。一般に、用語「もしくは」は、本明細書で使用される場合、排他の用語が前にある場合には、排除選択肢(すなわち、「一方もしくは他方であって、両方ではない」)を示すと解釈されるに過ぎない(例えば、「いずれか」、「〜のうちの1つ」、「〜のうちの1つのみ」、もしくは「〜のうちの正確に1つ」)。特許請求の範囲において使用される場合、「〜から本質的になる」とは、特許法の分野において使用されるその通常の意味を有するものとする。
本明細書および特許請求の範囲において使用される場合、語句「少なくとも1つ」は、1つ以上の要素の列挙に言及して、要素の列挙中の要素のうちのいずれか1つ以上から選択される少なくとも1つの要素を意味することが理解されるものとするが、上記要素の列挙内に具体的に列挙された各要素およびあらゆる要素のうちの少なくとも1つを必ずしも含むわけではなく、上記要素の列挙中の要素の任意の組み合わせを排除しない。この定義はまた、具体的に同定される要素に関連していようが関連していまいが、要素が、必要に応じて、語句「少なくとも1つ」が言及する要素の列挙内で具体的に同定された要素以外に存在し得ることを許容する。従って、非限定的な例として、「AおよびBのうちの少なくとも一方」(もしくは、同等に、「AもしくはBのうちの少なくとも一方」、または同等に、「Aおよび/もしくはBのうちの少なくとも一方」)は、一実施形態においては、少なくとも1つ(必要に応じて1より多くを含む)のAありBなし(および必要に応じて、B以外の要素を含む);別の実施形態においては、少なくとも1つ(必要に応じて、1より多くを含む)のBありAなし(および必要に応じて、A以外の要素を含む);さらに別の実施形態においては、少なくとも1つ(必要に応じて、1より多くを含む)のAおよび少なくとも1つ(必要に応じて、1より多くを含む)のB(および必要に応じて他の要素を含む)に言及し得る;など。
特許請求の範囲、および上記の本明細書において、全ての移行句(例えば、「含む(comprising)」、「含む(including)」、「有する(carrying)」、「有する(having)」、「含む(containing)」、「伴う(involving)」、「保持する(holding)」などは、開放系である、すなわち、含むがそれに限定されないことを意味すると理解されるべきである。移行句「〜からなる」および「〜から本質的になる」のみが、米国特許審査手続便覧第2111.03節に示されるように、それぞれ、閉鎖系の表現もしくは半閉鎖系の表現であるとする。
Claims (59)
- 物品であって、該物品は、
複数の繊維であって、ここで該複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有する、複数の繊維と、
複数の細長いナノ構造物と
を含む物品であって、
該複数の繊維および該複数の細長いナノ構造物は、該細長いナノ構造物の長さが少なくとも2つの繊維に及ぶように凝集性構造物を形成する、物品。 - 物品であって、該物品は、
複数の繊維であって、ここで該複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有する、複数の繊維と、
複数の細長いナノ構造物と
を含む物品であって、
該複数の繊維および該複数の細長いナノ構造物は、該細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%の長手方向軸がいかなる隣接する繊維とも交差しないように凝集性構造物を形成する、物品。 - 物品であって、該物品は、
複数の繊維であって、ここで該複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有し、該複数の繊維は、該最小断面寸法の平均を有する、複数の繊維と、
複数の細長いナノ構造物と
を含む物品であって、
該複数の繊維および該複数の細長いナノ構造物は、該細長いナノ構造物のうちの少なくとも一部が該複数の繊維の最小断面寸法の平均の少なくとも約5倍の長さを有するように凝集性構造物を形成する、物品。 - 物品であって、該物品は、
複数の繊維であって、ここで該複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有する、複数の繊維と、
複数の細長いナノ構造物と
を含む物品であって、
該複数の繊維および該複数の細長いナノ構造物は、該細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%の全ての末端がいかなる隣接する繊維とも直接接触した状態にないように凝集性構造物を形成する、物品。 - 物品であって、該物品は、
少なくとも約1μmの最小断面寸法を有する第1の繊維;
少なくとも約1μmの最小断面寸法および第2の長手方向軸を有する第2の繊維;ならびに
該第1の繊維と該第2の繊維との間に配置された細長いナノ構造物および/もしくは細長いナノ構造物の束であって、その結果、該細長いナノ構造物および/もしくは細長いナノ構造物のアセンブリは、該第1の繊維および該第2の繊維と接触した状態にある、細長いナノ構造物および/もしくは細長いナノ構造物の束、
を含む、物品。 - 前記細長いナノ構造物のうちの少なくとも一部は、織る、巻き付ける、および/または曲げることによって、前記繊維のうちの少なくとも一部の間および/または周りに配置される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の物品。
- 前記細長いナノ構造物のうちの少なくとも一部は、前記繊維のうちの少なくとも一部の間に織られている、請求項6に記載の物品。
- 前記ナノ構造物のうちの少なくとも一部の長手方向軸は、前記物品の1つの端から第2の端まで連続している、請求項1〜7のいずれか1項に記載の物品。
- 前記繊維のうちの少なくとも一部の長手方向軸は、実質的に整列されている、請求項1〜8のいずれか1項に記載の物品。
- 前記複数の繊維は、繊維のトウである、請求項1〜9のいずれか1項に記載の物品。
- 前記繊維は、織られている、請求項1〜10のいずれか1項に記載の物品。
- 前記複数の細長いナノ構造物は、細長いナノ構造物の複数のストリップである、請求項1〜11のいずれか1項に記載の物品。
- 前記繊維は、炭素、Al2O3、SiO2、ガラス、バサルト、セルロース物質、金属、および/もしくはポリマーを含む、請求項1〜12のいずれか1項に記載の物品。
- 前記ナノ構造物は、ナノチューブ、ナノ繊維、および/もしくはナノワイヤを含む、請求項1〜13のいずれか1項に記載の物品。
- 前記ナノ構造物は、炭素ベースのナノ構造物を含む、請求項1〜14のいずれか1項に記載の物品。
- 前記炭素ベースのナノ構造物は、カーボンナノチューブ、カーボンナノ繊維、および/もしくはカーボンナノワイヤを含む、請求項15に記載の物品。
- 前記細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%は、少なくとも約10:1のアスペクト比を有する、請求項1〜16のいずれか1項に記載の物品。
- 前記繊維のうちの少なくとも約50%は、少なくとも約10:1のアスペクト比を有する、請求項1〜17のいずれか1項に記載の物品。
- 前記細長いナノ構造物のうちの少なくとも一部の長手方向軸は、実質的に整列されている、請求項1〜18のいずれか1項に記載の物品。
- 前記整列されている細長いナノ構造物の長手方向軸および前記隣り合って整列されている繊維の長手方向軸によって画定される最小角度は、約45度〜約90度の間である、請求項1〜19のいずれか1項に記載の物品。
- 結合物質は、前記繊維の間、前記ナノ構造物の間、および/もしくは前記繊維と前記ナノ構造物との間に存在する、請求項1〜20のいずれか1項に記載の物品。
- 前記結合物質は、モノマー、ポリマー、セラミック、および金属のうちの少なくとも1種を含む、請求項21に記載の物品。
- 前記結合物質は、エポキシ、ポリウレタン、ポリビニルアルコール、およびシランのうちの少なくとも1種を含む、請求項22に記載の物品。
- 前記細長いナノ構造物の長手方向軸は、実質的にまっすぐである、請求項1〜23のいずれか1項に記載の物品。
- 前記細長いナノ構造物の長手方向軸は、曲がっている、および/もしくは湾曲している、請求項1〜23のいずれか1項に記載の物品。
- 前記繊維の長手方向軸は、実質的にまっすぐである、請求項1〜25のいずれか1項に記載の物品。
- 前記繊維の長手方向軸は、曲がっている、および/もしくは湾曲している、請求項1〜25のいずれか1項に記載の物品。
- 前記細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%は、長手方向軸を含み、その結果、前記長手方向軸の長さの大部分が、前記細長いナノ構造物が接触した状態にある前記繊維に対して接線方向にある、請求項1〜27のいずれか1項に記載の物品。
- 前記細長いナノ構造物および/もしくは細長いナノ構造物の束は、前記第1の繊維および前記第2の繊維と直接接触した状態にある、請求項5に記載の物品。
- 前記細長いナノ構造物のうちの少なくとも1つの長手方向軸は、前記第1の繊維の長手方向軸に対して、および/もしくは前記第2の繊維の長手方向軸に対して実質的に平行である、請求項5および29のいずれか1項に記載の物品。
- 前記第1の繊維の長手方向軸は、前記第2の繊維の長手方向軸に対して実質的に直交している、請求項5および29〜30のいずれか1項に記載の物品。
- 前記第1の繊維および前記第2の繊維は、織布もしくは不織布の一部である、請求項5および29〜31のいずれか1項に記載の物品。
- 物品を作製するための方法であって、該方法は、
複数の繊維および複数の細長いナノ構造物から凝集性構造物を形成する工程、
を包含し、ここで:
該複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有し、
該複数の繊維は、該最小断面寸法の平均を有し、そして
該細長いナノ構造物のうちの少なくとも一部は、該複数の繊維の最小断面寸法の平均の少なくとも約5倍の長さを有する、方法。 - 物品を作製するための方法であって、該方法は、
複数の繊維および複数の細長いナノ構造物から凝集性構造物を形成する工程
を包含し、ここで:
該複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有し、
該細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%の末端が、いかなる隣接する繊維とも直接接触した状態にない、方法。 - 物品を作製するための方法であって、該方法は、
複数の繊維および複数の細長いナノ構造物から凝集性構造物を形成する工程、
を包含し、ここで:
該複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有し、
該細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%の長手方向軸は、いかなる隣接する繊維とも交差しない、方法。 - 物品を作製するための方法であって、該方法は、
複数の繊維および複数の細長いナノ構造物から凝集性構造物を形成する工程、
を包含し、ここで:
該複数の繊維の各々は、少なくとも約1μmの最小断面寸法を有し、
該細長いナノ構造物の長さは、少なくとも2つの繊維に及ぶ、方法。 - 前記細長いナノ構造物のうちの少なくとも一部は、織る、巻き付ける、および/または曲げることによって、前記繊維のうちの少なくとも一部の間および/または周りに配置される、請求項33〜36のいずれか1項に記載の方法。
- 前記細長いナノ構造物のうちの少なくとも一部は、前記繊維のうちの少なくとも一部の間に織られている、請求項37に記載の方法。
- 前記ナノ構造物のうちの少なくとも一部の長手方向軸は、前記物品の1つの端から第2の端まで連続している、請求項33〜38のいずれか1項に記載の方法。
- 前記繊維のうちの少なくとも一部の長手方向軸は、実質的に整列されている、請求項33〜39のいずれか1項に記載の方法。
- 前記複数の繊維は、繊維のトウである、請求項33〜40のいずれか1項に記載の方法。
- 前記繊維は、織られている、請求項33〜41のいずれか1項に記載の方法。
- 前記複数の細長いナノ構造物は、細長いナノ構造物の複数のストリップである、請求項33〜42のいずれか1項に記載の方法。
- 前記繊維は、炭素、Al2O3、SiO2、ガラス、バサルト、セルロース物質、金属、および/もしくはポリマーを含む、請求項33〜43のいずれか1項に記載の方法。
- 前記ナノ構造物は、ナノチューブ、ナノ繊維、および/もしくはナノワイヤを含む、請求項33〜44のいずれか1項に記載の方法。
- 前記ナノ構造物は、炭素ベースのナノ構造物を含む、請求項33〜45のいずれか1項に記載の方法。
- 前記炭素ベースのナノ構造物は、カーボンナノチューブ、カーボンナノ繊維、および/もしくはカーボンナノワイヤを含む、請求項46に記載の方法。
- 前記細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%は、少なくとも約10:1のアスペクト比を有する、請求項33〜47のいずれか1項に記載の方法。
- 前記繊維のうちの少なくとも約50%は、少なくとも約10:1のアスペクト比を有する、請求項33〜48のいずれか1項に記載の方法。
- 前記細長いナノ構造物のうちの少なくとも一部の長手方向軸は、実質的に整列されている、請求項33〜49のいずれか1項に記載の方法。
- 前記整列されている細長いナノ構造物の長手方向軸および前記隣り合って整列されている繊維の長手方向軸によって画定される最小角度は、約45度〜約90度の間である、請求項33〜50のいずれか1項に記載の方法。
- 結合物質は、前記繊維の間、前記ナノ構造物の間、および/もしくは前記繊維と前記ナノ構造物との間に存在する、請求項33〜51のいずれか1項に記載の方法。
- 前記結合物質は、モノマー、ポリマー、セラミック、および金属のうちの少なくとも1種を含む、請求項52に記載の方法。
- 前記結合物質は、エポキシ、ポリウレタン、ポリビニルアルコール、およびシランのうちの少なくとも1種を含む、請求項53に記載の方法。
- 前記細長いナノ構造物の長手方向軸は、実質的にまっすぐである、請求項33〜54のいずれか1項に記載の方法。
- 前記細長いナノ構造物の長手方向軸は、曲がっている、および/もしくは湾曲している、請求項33〜54のいずれか1項に記載の方法。
- 前記繊維の長手方向軸は、実質的にまっすぐである、請求項33〜56のいずれか1項に記載の方法。
- 前記繊維の長手方向軸は、曲がっている、および/もしくは湾曲している、請求項33〜56のいずれか1項に記載の方法。
- 前記複数の細長いナノ構造物のうちの少なくとも約50%は、長手方向軸を含み、その結果、前記長手方向軸の長さの大部分が、前記細長いナノ構造物が接触した状態にある前記繊維に対して接線方向にある、請求項33〜58のいずれか1項に記載の方法。
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