JP2022512188A - 炭素繊維整列及び繊維強化複合材料のためのシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、一般に炭素繊維複合材料を含む、繊維強化複合材料に関する。これらの材料は、機械システムのための耐荷重コンポーネント、及び他のアプリケーションにおいて有用である。驚くべきことに、前記炭素繊維は、炭素繊維を間接的に整列させるために使用される磁性材料ではなく、炭素繊維に直接印加される印加磁場を使用して整列させることができる。例えば、炭素繊維は、繊維を整列させるために使用することができる、磁場に応答した異方性反磁性応答を示すことができる。いくつかの場合において、前記炭素繊維は比較的純粋であることができ、及び／又は比較的高弾性率を有することができ、反磁性の性質をもたらすことができる。他の実施形態は、一般にかかる複合材料、かかる複合材料を含むキット、等を製造又は使用するためのシステム及び方法に関する。
Description
本出願は、そのまま参照により組み入れられる、『炭素繊維整列及び繊維強化複合材料のためのシステム及び方法』という表題の、２０１８年１２月１０日に出願された、米国特許仮出願第６２／７７７，４３８号の利益を主張する。
本発明は、一般に炭素繊維複合材料を含む、繊維強化複合材料に関する。
繊維強化複合材料(例えば炭素繊維複合材料)は、織られた繊維の層又は織られていない繊維の層に成形される強化用繊維(例えば炭素繊維)の一般に平面の集まりを特徴とする。これらの層は強化用繊維の強軸の方向（例えば面内）に機械的、熱的、及び電気的性能を提供するが、荷重が繊維に対して横(例えば厚さ方向)に適用された場合、損なった性能を有する。非常に一般的に利用可能な層材料は、強化用繊維の平面の集まりからなり、限定された厚さ方向強化を提供する。
典型的な繊維強化複合材料構造は、積層形であり、ポリマー、セラミック、又は金属マトリクスとともに結合している、いくつかの強化用繊維の層を特徴とする。強化用繊維の異方性挙動は、優れた面内特性を有する複合材料を提供するが、厚さ方向強化の不足が、積層形の複合材料構造層間クラッキング、プライを通る亀裂、及び熱又は電気勾配を受けやすいものにする。最終的に、厚さ方向の強化の不足は、積層複合材料構造の完全性の加速した及び壊滅的な劣化を招き得る。
積層複合材料構造の厚さ方向の特性を向上させる１つの方法は、厚さ方向に炭素繊維を磁気的に整列させることである。この方法において、不連続炭素繊維は、磁性粒子(例えば酸化鉄ナノ粒子)で表面が覆われている。これらの磁性粒子で表面が覆われた炭素繊維は、磁場に対して物理的応答を示し、厚さ方向強化を有する繊維強化複合材料に仕上げられる。しかしながら、磁性粒子はこれらの材料のコストを増加させる可能性があり、ある原価重視の製造アプリケーションにおいては、潜在的にそれらを非現実的なものとする。それゆえ、磁性粒子表面コーティングを使用することなく、炭素繊維を磁気的に整列させて強化された方向依存特性を有する繊維強化複合材料を形成することができる方法を開発する要求がある。
本発明は、一般に炭素繊維複合材料を含む、繊維強化複合材料に関する。本発明の主題は、いくつかの場合において、関連する製品、特定の問題に対する代替解決法、及び／又は１つ以上のシステム及び／又は物品の複数の異なる使用を含む。
１つの態様において、本発明は、一般に物品に関する。１セットの実施形態において、前記物品は、基材を規定する複数の連続繊維、及び前記基材の少なくとも一部に含まれる複数の整列した炭素繊維を含む、複合材料を含む。いくつかの実施形態において、前記複数の炭素繊維は、９４％より大きい炭素含有量及び少なくとも２００ＧＰａの弾性率を有する。ある場合において、前記複合材料は、実質的に常磁性又は強磁性材料がない。
前記物品は、別のセットの実施形態において、基材を規定する複数の連続繊維、及び前記基材の少なくとも一部に含まれる複数の整列した炭素繊維を含む、複合材料を含む。ある実施形態において、前記炭素繊維は、水及び／又はエタノールに個別に含まれ、100mTの磁場を受けたとき、異方性反磁性応答を示す。
本発明の別の態様は、一般に方法に関する。１セットの実施形態によれば、前記方法は、９４％より大きい炭素含有量及び少なくとも２００ＧＰａの弾性率を有する複数の炭素繊維を含む液体を、基材を規定する複数の連続繊維に曝露する工程、前記液体に磁場を印加して前記複数の連続繊維内の炭素繊維の少なくとも一部の整列を生じさせる工程、及び前記整列した炭素繊維を含む複合材料を形成する工程、を含む。
別のセットの実施形態において、前記方法は、基材を規定する複数の連続繊維に複数の炭素繊維を含む液体を曝露する工程、であって、前記炭素繊維はエタノール中に別個に含まれ、２００ｍTの磁場を受けたとき、異方性反磁性応答を示す工程、前記液体に磁場を印加して前記複数の連続繊維内の炭素繊維の少なくとも一部の整列を生じさせる工程、及び前記整列した炭素繊維を含む複合材料を形成する工程、を含む。
別の態様において、本発明は、本明細書に記載されている実施形態のうちの１つ以上、例えば、繊維強化複合材料、を製造する方法を含む。更に別の態様において、本発明は、本明細書に記載されている実施形態のうちの１つ以上、例えば、繊維強化複合材料、を使用する方法を含む。
本発明の他の利点及び新規特徴は、添付の図と併せて考慮されたとき、本発明の種々の非限定的な実施形態の以降の詳細な説明から明らかとなるであろう。
本発明の非限定的な実施形態は、概略的であり、縮尺どおりに描かれることを目的としていない添付の図を参照して実施例を介して説明される。図において、示される同一の又はほぼ同一のコンポーネントは通常単一の数字で表される。明確の目的のため、図ごとにすべてのコンポーンネントがラベルされているわけではなく、当業者に発明を理解させるのに説明が必要ない箇所では、本発明の各実施形態のすべてのコンポーネントが示されているわけではない。図において:
図１は、本発明の１つの実施形態による、炭素繊維における繊維方向と主応力方向との関係を示す；
図２は、本発明のある実施形態による、せん断遅れ理論を示す；
図３は、別の実施形態における、せん断応力に支配される荷重移動を示す；及び
図４は、本発明のある実施形態により、不連続繊維が高弾性率を有することができ、荷重下、著しい歪みを受けないことができ、せん断荷重移動の効果を最小化することを示す；及び
図５Ａ－５Ｂは、本発明の１つの実施形態における、整列した繊維を示す。
本発明は、一般に炭素繊維複合材料を含む、繊維強化複合材料に関する。これらの材料は、機械システムのための耐荷重コンポーネント、及び他のアプリケーションに有用である。驚くべきことに、前記炭素繊維は、炭素繊維を間接的に整列させるのに使用される磁性材料ではなく、炭素繊維に直接印加される印加磁場を使用して、整列させることができる。例えば、前記炭素繊維は、磁場に応答して異方性反磁性応答を示すことができ、繊維を整列させるのに使用することができる。いくつかの場合において、前記炭素繊維は比較的純粋であることができ、及び／又は比較的高弾性率を有することができ、反磁性の性質をもたらすことができる。他の実施形態は、一般にかかる複合材料、かかる複合材料を含むキット、等を製造するための又は使用するためのシステム及び方法に関する。
例えば、ある態様は、一般に厚さ方向において、炭素繊維で増加された平面の強化用繊維を特徴とする、繊維強化複合材料に関する。厚さ方向に配向した炭素繊維は、立体効果（ｓｔｅｒｉｃｓ）及び任意選択のバインダーにより捕えることができる。平面の強化用繊維を横切る炭素繊維の整列により、層間クラッキング、プライを通る亀裂、及び熱又は電気勾配を除くことができる。例えば、不連続炭素繊維は、低エネルギー磁場（例えば、１５０ｍＴ未満）を使用して、平面の強化用繊維の層を横断して整列させることができる。
１セットの実施形態は、一般に反磁性炭素繊維を利用して平面の強化用繊維の層に横断して整列した不連続炭素繊維を特徴とする、繊維強化複合材料を製造することができる方法に関する。反磁性炭素繊維の使用により、磁性粒子等で表面を覆われた炭素繊維を利用する必要性を減らしたり又は除いたりすることができる。いくつかの実施形態において、不連続炭素繊維は９４％より大きい炭素含有量を有することができ、及び／又は低エネルギー磁場（例えば、１５０ｍＴ未満）を使用して、配向するのに十分に反磁性である、高度に配向した分子構造を示すことができる。炭素繊維の非限定的な例は、市販のものを含む、例えば、ピッチ－及び／又はポリマー系（例えばｅｘ－ＰＡＮ又はｅｘ－レーヨン）変形体を含む。いくつかの場合において、これらは、中程度／標準的な弾性率（２００ＧＰａより大きい）炭素繊維、高弾性率（３００ＧＰａより大きい）、又は超高弾性率（５００ＧＰａより大きい）炭素繊維を含むことができる。
１つの態様において、本発明は、磁場を使用して炭素繊維、例えば本明細書に説明されているもの、を整列させるためのシステム及び方法に関する。炭素繊維は、間接的に炭素繊維を整列させるのに使用される磁性材料を使用するのではなく、磁場を介して直接的に整列させることができる。炭素繊維は、複合材料内に埋め込まれていてもよく、又は他のアプリケーションにおいて使用されてもよい。
驚くべきことに、いくつかのタイプの炭素繊維は、反磁性であり、印加磁場を使用して、直接動かすことができる。対照的に、磁場を使用して炭素繊維を整列させるための多くのシステムは、磁性体、例えば磁性粒子、を使用して間接的に炭素繊維を整列させる。したがって、実質的に常磁性又は強磁性材料がない炭素繊維を外部磁場を使用して静かに整列させることができるとは、予期されなかったであろう。例えば、常磁性又は強磁性材料が存在する場合、それらは材料の（質量で）５％未満、１％未満、０．５％未満、０．３％未満、０．１％未満、０．０５％未満、０．０３％未満、０．０１％未満、０．００５％未満、０．００３％未満、又は０．００１％未満を形成することができる。
１セットの実施形態において、前記炭素繊維は比較的高炭素含有量を有する。いかなる理論にも拘束されることを望むものではないが、かかる繊維は低エネルギー磁場で配向させる反磁性の性質を示すことができるとされる。一般に、反磁性は、印加された磁場とは反対方向である誘起磁場の発生による、印加磁場に対する材料の反発である。材料は、典型的には全磁気応答に対して、顕著な常磁性又は強磁性の寄与が不足している場合には、反磁性として分類される。多くの場合、反磁性材料の磁気応答は、非常に弱く、無視できる。しかしながら、比較的高磁場は、かかる反磁性材料において、顕著な物理的応答を誘起させることができる。
したがって、いくつかの場合において、比較的高配向性分子構造を示す炭素繊維は、異方性、高反磁性の反磁性の性質を示すことができる。かかる反磁性の性質により、それらを例えば本明細書に記載されているような、比較的弱い磁場で配向させることができる。例えば、１セットの実施形態において、印加磁場は、印加磁場とは反対方向に、炭素繊維のＣ－Ｃ結合において、強い誘起磁場を発生させることができる。あるタイプの炭素繊維は、異方性反磁性応答を創り出すことができる、繊維方向に平行な高程度のＣ－Ｃ結合を有することができる。したがって、かかる炭素繊維は、炭素繊維が印加磁場に十分に平行に整列するとき、中立な磁気トルクを受けることができる。したがって、好適な磁場を印加することにより、前記炭素繊維をかかる反磁性の性質により、整列させることができる。この応答は、重力の、粘度の、及び／又は粒子間立体効果を克服するのに十分であることができる。
例えば、ある実施形態において、前記炭素繊維は８０質量％より大きい、９０質量％より大きい、９２質量％より大きい、９４質量％より大きい、９５質量％より大きい、９６質量％より大きい、９７質量％より大きい、９８質量％より大きい、９９質量％より大きい、又は９９．５質量％より大きい、炭素含有量を有することができる。かかる炭素繊維は、いくつかの場合において、商業的に得ることができる。例えば、前記炭素繊維は、比較的高炭素含有量を有する炭素繊維を残しながら、例えば、『燃焼させること』により又は（例えば、気体に変わることにより）除くことができる他の成分を酸化することにより、熱分解的に製造することができる。例えば、本明細書に説明されているように、炭素繊維を製造する他の方法がまた可能である。
前記炭素繊維は、いくつかの例において、炭素繊維内でＣ－Ｃ結合の実質的な整列をまた示すことができる。例えば、前記炭素繊維のうちの少なくとも５０％、少なくとも６０％、少なくとも７０％、少なくとも７５％、少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、又は少なくとも９５％は、Ｃ－Ｃ結合の実質的な整列を示すことができる。かかる整列は、例えば、広角Ｘ線回折（ＷＡＸＤ）、又は当業者に公知の他の技術を使用して、決定することができる。
１セットの実施形態において、前記炭素繊維は、比較的高弾性率（剛性の尺度である、引張弾性率）を有することができる。典型的には、より高弾性率の繊維はより剛性であり、低弾性率の繊維よりもより軽い。炭素繊維は、力が繊維に平行に適用される場合、典型的にはより高弾性率を有する、すなわち、炭素繊維は異方性である。いくつかの実施形態において、炭素繊維は（例えば、力が繊維に平行に適用される場合）、少なくとも１００ＧＰａ、少なくとも２００ＧＰａ、少なくとも３００ＧＰａ、少なくとも４００ＧＰａ、少なくとも５００ＧＰａ、少なくとも６００ＧＰａ、少なくとも７００ＧＰａ、等の弾性率を有することができる。より柔軟な炭素繊維は、より少ない整列を示すことができる、すなわち、低弾性率を有する炭素繊維は、印加磁場内に整列するのではなく、磁場に対してごくわずかに物理的応答を有するか、又は応答を有さないことができることができるとされる。
１セットの実施形態において、前記炭素繊維は、液体（例えば、水、油、ポリマー樹脂、ポリマー溶解物、金属溶解物、アルコール、例えばエタノール、又は別の揮発性有機化合物）内に浮遊し、磁場が印加された場合、異方性の反磁性応答を示すことができる。例えば、いくつかの場合において、前記炭素繊維は、好適な磁場が印加された場合、すなわち、反磁性応答を示す場合、整列させることができる。いくつかの場合において、磁場は、少なくとも１００ｍＴ、少なくとも２００ｍＴ、少なくとも３００ｍＴ、少なくとも５００ｍＴ、少なくとも７５０ｍＴ、少なくとも１Ｔ、少なくとも１．５Ｔ、少なくとも２Ｔ、少なくとも３Ｔ、少なくとも４Ｔ、少なくとも５Ｔ、等であることができる。いくつかの場合において、好適な磁場が適用される場合、前記液体内の浮遊性炭素繊維のうちの少なくとも３０％、少なくとも４０％、少なくとも５０％、少なくとも６０％、少なくとも７０％、少なくとも８０％、又は少なくとも９０％は、整列を示すことができる。
典型的には、炭素繊維は、１つの直交寸法（例えば、その長さ）が実質的にその他の２つの直交寸法（例えば、その幅又は厚さ）よりも実質的に大きい形状を有する。繊維は、いくつかの場合において、実質的にシリンダー状であることができる。すでに述べたように、炭素繊維は、いくつかの例において、比較的剛性であることができる；しかしながら、炭素繊維は、完全に真っ直ぐである必要はない（例えば、その長さは、仮に湾曲していたとしても、繊維自体に沿ってやはり決定することができる）。
１セットの実施形態において、前記炭素繊維は、基材の厚さと実質的に同一、又は基材の厚さよりも小さい、寸法（例えば、特性寸法）を有することができる。例えば、複合材料内の少なくとも一部の炭素繊維は、前記基材の厚さに実質的に及ぶ、平均長を有することができる。しかしながら、他の場合において、前記炭素繊維の特性寸法は、厚さよりも大きいものであることができる。
すでに述べたように、本発明のある実施形態は、一般に炭素繊維を含む複合材料に関する。いくつかの場合において、前記複合材料内の炭素繊維は、少なくとも１ｎｍ、少なくとも３ｎｍ、少なくとも５ｎｍ、少なくとも１０ｎｍ、少なくとも３０ｎｍ、少なくとも５０ｎｍ、少なくとも１００ｎｍ、少なくとも３００ｎｍ、少なくとも５００ｎｍ、少なくとも１マイクロメートル、少なくとも３マイクロメートル、少なくとも５マイクロメートル、少なくとも１０マイクロメートル、少なくとも２０マイクロメートル、少なくとも３０マイクロメートル、少なくとも５０マイクロメートル、少なくとも１００マイクロメートル、少なくとも２００マイクロメートル、少なくとも３００マイクロメートル、少なくとも５００マイクロメートル、少なくとも１ｍｍ、少なくとも２ｍｍ、少なくとも３ｍｍ、少なくとも５ｍｍ、少なくとも１ｃｍ、少なくとも１．５ｃｍ、少なくとも２ｃｍ、少なくとも３ｃｍ、少なくとも５ｃｍ、少なくとも１０ｃｍ、等の平均長、又は特性寸法を有することができる。ある実施形態において、前記炭素繊維は、１０ｃｍ以下、５ｃｍ以下、３ｃｍ以下、２ｃｍ以下、１．５ｃｍ以下、１ｃｍ以下、５ｍｍ以下、３ｍｍ以下、２ｍｍ以下、１ｍｍ以下、５００マイクロメートル以下、３００マイクロメートル以下、２００マイクロメートル以下、１００マイクロメートル以下、５０マイクロメートル以下、３０マイクロメートル以下、２０マイクロメートル以下、１０マイクロメートル以下、５マイクロメートル以下、３マイクロメートル以下、１マイクロメートル以下、５００ｎｍ以下、３００ｎｍ以下、１００ｎｍ以下、５０ｎｍ以下、３０ｎｍ以下、１０ｎｍ以下、５ｎｍ以下、等の平均長、又は特性寸法を有することができる。これらの任意の組み合わせが、また可能である。例えば、複合材料内の炭素繊維は５ｍｍ～１５ｍｍ、又は１ｍｍ～５ｍｍ、１ｍｍ～１ｃｍ、等の平均長を有することができる。
さらに、前記炭素繊維は、任意の好適な平均直径をまた有することもできる。例えば、前記炭素繊維は、少なくとも１０マイクロメートル、少なくとも２０マイクロメートル、少なくとも３０マイクロメートル、少なくとも５０マイクロメートル、少なくとも１００マイクロメートル、少なくとも２００マイクロメートル、少なくとも３００マイクロメートル、少なくとも５００マイクロメートル、少なくとも１ｍｍ、少なくとも２ｍｍ、少なくとも３ｍｍ、少なくとも５ｍｍ、少なくとも１ｃｍ、少なくとも２ｃｍ、少なくとも３ｃｍ、少なくとも５ｃｍ、少なくとも１０ｃｍ、等の平均直径を有することができる。ある実施形態において、前記炭素繊維は、１０ｃｍ以下、５ｃｍ以下、３ｃｍ以下、２ｃｍ以下、１ｃｍ以下、５ｍｍ以下、３ｍｍ以下、２ｍｍ以下、１ｍｍ以下、５００マイクロメートル以下、３００マイクロメートル以下、２００マイクロメートル以下、１００マイクロメートル以下、５０マイクロメートル以下、３０マイクロメートル以下、２０マイクロメートル以下、１０マイクロメートル以下、等の平均直径を有することができる。これらの任意の組み合わせがまた可能である。例えば、ｔｈｅ炭素繊維は、５マイクロメートル～１００マイクロメートル、１０マイクロメートル～１００マイクロメートル、５０マイクロメートル～５００マイクロメートル、１００マイクロメートル～５ｍｍ、等の平均直径を有することができる。
ある実施形態において、前記炭素繊維は、平均で、その厚さ又は直径の少なくとも１０倍又は少なくとも５０倍の長さを有することができる。いくつかの場合において、前記複合材料内の繊維は、少なくとも３、少なくとも５、少なくとも１０、少なくとも３０、少なくとも５０、少なくとも１００、少なくとも３００、少なくとも５００、少なくとも１，０００、少なくとも３，０００、少なくとも５，０００、少なくとも１０，０００、少なくとも３０，０００、少なくとも５０，０００、又は少なくとも１００，０００の平均アスペクト比（直径又は厚さに対する繊維長の比）を有することができる。いくつかの場合において、前記平均アスペクト比は、１００，０００未満、５０，０００未満、３０，０００未満、１０，０００未満、５，０００未満、３，０００未満、１，０００未満、５００未満、３００未満、１００未満、５０未満、３０未満、１０未満、５未満、等であることができる。いくつかの場合において、これらの任意の組み合わせが、また可能である；例えば、アスペクト比は５～１００，０００であることができる。
いくつかの例において、前記炭素繊維は、複合材料の比較的大部分を含むことができる。例えば、前記炭素繊維は、前記複合材料の質量の少なくとも１％、少なくとも２％、少なくとも３％、少なくとも４％、少なくとも５％、少なくとも７％、少なくとも１０％、少なくとも１５％、少なくとも２０％、少なくとも２５％、少なくとも３０％、少なくとも３５％、少なくとも４０％、少なくとも４５％、少なくとも５０％、少なくとも５５％、少なくとも６０％、少なくとも６５％、少なくとも７０％、少なくとも７５％、少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、又は少なくとも９７％を含むことができる。いくつかの場合において、前記炭素繊維は、前記複合材料の質量の９７％以下、９５％以下、９０％以下、８５％以下、８０％以下、７０％以下、６０％以下、５０％以下、４０％以下、３０％以下、２０％以下、又は１０％以下を含む。これらの任意の組み合わせが、また可能である。
前記炭素繊維は、いくつかの実施形態において、複合材料内で少なくとも実質的に整列していることができる。炭素繊維を整列させるための方法は、本明細書において、より詳細に説明される。種々の整列があり得、いくつかの場合において、例えば、光学的に又は顕微鏡的に決定することができる。したがって、いくつかの場合において、整列は定性的に決定することができる。しかしながら、整列は完全である必要はないことは、理解すべきである。いくつかの場合において、前記複合材料内の炭素繊維の少なくとも５％、少なくとも１０％、少なくとも２５％、少なくとも５０％、少なくとも７５％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、又は少なくとも９５％は、例えば、複合材料の試料内で、複数の炭素繊維の平均的な整列の、２０ｏ内、１５ｏ内、１０ｏ内、又は５ｏ内の整列を示すことができる。
ある例において、炭素繊維の整列は、基材に対して実質的に直交している。例えば、平均的な整列は、その位置で、基材の面に対して少なくとも６０ｏ、少なくとも６５ｏ、少なくとも７０ｏ、少なくとも７５ｏ、少なくとも８５ｏ、又は少なくとも８７ｏの方向であることができる。すでに述べたように、基材自体は必ずしも平面である必要はなく、曲がってたり、等であることもできる。
いかなる理論にも拘束されることを望むものではないが、基材に対して実質的に直交している炭素繊維の整列は、基材の強化を提供するのに役立つことができるとされる。これにより、例えば、異なる方向に力を受けた場合、基材の強度を向上させることができる。例えば、基材内の繊維は、３次元に実質的に直交して走っていてよく、それにより、適用される力の方向とは無関係に基材に強度を提供する。前記炭素繊維は、例えば、層間マイクロクラック、プライを通しての亀裂、等とともに、表面の劣化をまた制限することもできる。さらに、いくつかの実施形態において、前記炭素繊維は、その機械的特性に加えて又は機械的特性の代わりに、基材の他の特性、例えば、複合材料内の電気的及び／又は熱的特性を強化することができる。
反磁性炭素繊維を含め、種々の炭素繊維は商業的に得ることができる。いくつかの場合において、炭素繊維は、ポリマー前駆体、例えばポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、レーヨン、ピッチ、等から製造することができる。いくつかの場合において、炭素繊維は、例えば、完成された炭素繊維の最終的な物理的特性を増大させるよう、化学的又は機械的方法を使用して、始めにポリマ－原子を整列させて、フィラメント糸に紡糸することができる。フィラメント糸を紡糸する間に使用される、前駆体複合材料及び機械的方法は、変更することができる。展延又は紡糸の後、ポリマーフィラメント糸は加熱して非炭素原子を追い出して（炭素化又は熱分解）、最終的な炭素繊維を製造することができる。いくつかの実施形態において、かかる技術は、比較的高炭素含有量、例えば、少なくとも９０％、又は本明細書に記載されている他の含有量、を有する炭素繊維を製造するために使用することができる。
前記炭素繊維の少なくとも一部又はすべては、被覆されていなくてもよい。いくつかの場合において、しかしながら、前記炭素繊維のうちの一部又はすべては被覆されていてもよい。非限定的な例として、炭素繊維は、界面活性剤、シランカップリング剤、エポキシ、グリセリン、ポリウレタン、有機金属カップリング剤、ポリマー、セラミック、金属、等で被覆することができる。界面活性剤の非限定的な例は、オレイン酸、ドデシル硫酸ナトリウム、ラウリル硫酸ナトリウム、等を含む。シランカップリング剤の非限定的な例は、アミノ－、ベンジルアミノ－、クロロプロピル－、ジスルフィド－、エポキシ－、エポキシ／メラミン－、メルカプト－、メタクリレート－、テトラスルフィド－、ウレイド－、ビニル－、イソシアナート－、及びビニル－ベンジル－アミノ系シランカップリング剤を含む。有機金属カップリング剤の非限定的な例は、アリール－及びビニル系有機金属カップリング剤を含む。
さらに、本発明のある態様は、一般に前記のように、基材を規定する複数の連続繊維を含む複合材料、及び前記基材内に含まれる複数の炭素繊維に関する。例えば、複数の炭素繊維の少なくとも一部は、例えば、基材を規定する連続繊維間で間隔が空くことにより作り出された、基材の穴、隙間、又は細孔内に含まれることができる。いくつかの場合において、炭素繊維は、穴、隙間、又は細孔内に実質的に整列されたものであってよい。いくつかの実施形態において、バインダーは、複合材料内で、例えば、連続繊維及び／又は炭素繊維と結合するために存在することができる。
いくつかの場合において、前記複合材料は、一般に平面である。しかしながら、かかる基材は（そうあることはできるが）数学的に完全な平面構造である必要はないことを理解すべきである；例えば、基材は変形可能であり、湾曲していても、屈曲していても、折り曲がっていても、巻かれていても、ぼろぼろ、等であってもまたよい。ある実施形態において、前記基材は、少なくとも約０．１マイクロメートル、少なくとも約０．２マイクロメートル、少なくとも約０．３マイクロメートル、少なくとも約０．５マイクロメートル、少なくとも約１マイクロメートル、少なくとも約２マイクロメートル、少なくとも約３マイクロメートル、少なくとも約５マイクロメートル、少なくとも約１０マイクロメートル、少なくとも約３０マイクロメートル、少なくとも約５０マイクロメートル、少なくとも約１００マイクロメートル、少なくとも約３００マイクロメートル、少なくとも約５００マイクロメートル、少なくとも約１ｍｍ、少なくとも約２ｍｍ、少なくとも約３ｍｍ、少なくとも約５ｍｍ、少なくとも約１ｃｍ、少なくとも約３ｃｍ、少なくとも約５ｃｍ、少なくとも約１０ｃｍ、少なくとも約３０ｃｍ、少なくとも約５０ｃｍ、少なくとも約１００ｃｍ、等の平均厚さを有することができる。ある例において、前記平均厚さは、１００ｃｍ未満、５０ｃｍ未満、３０ｃｍ未満、１０ｃｍ未満、５ｃｍ未満、３ｃｍ未満、１ｃｍ未満、５ｍｍ未満、２ｍｍ未満、３ｍｍ未満、１ｍｍ未満、５００マイクロメートル未満、３００マイクロメートル未満、１００マイクロメートル未満、５０マイクロメートル未満、３０マイクロメートル未満、１０マイクロメートル未満、５マイクロメートル未満、３マイクロメートル未満、１マイクロメートル未満、０．５マイクロメートル未満、０．３マイクロメートル未満、又は０．１マイクロメートル未満であることができる。ある実施形態において、これらの任意の組み合わせが、また可能である。例えば、前記平均厚さは、０．１～５，０００ミクロン、１０～２，０００ミクロン、５０～１，０００ミクロン、等であることができる。前記厚さは、基材に沿って均一であることができ又は不均一であることができる。また、基材は剛直であることができ（例えば、本明細書に説明されているように）、又はいくつかの場合において、変形可能であることができる。
いくつかの場合において、連続繊維により作り出される細孔、隙間、又は穴は、比較的小さいものであることができる。細孔、隙間、又は穴のうちの一部又はすべては、例えば、本明細書に説明されているように、いくつかの場合において、整列することができる、炭素繊維を含むことができる。細孔、隙間、又は穴は、１０ｃｍ以下、５ｃｍ以下、３ｃｍ以下、２ｃｍ以下、１ｃｍ以下、５ｍｍ以下、３ｍｍ以下、２ｍｍ以下、１ｍｍ以下、５００マイクロメートル以下、３００マイクロメートル以下、２００マイクロメートル以下、１００マイクロメートル以下、５０マイクロメートル以下、３０マイクロメートル以下、２０マイクロメートル以下、１０マイクロメートル以下、等の平均サイズ又は断面寸法を有することができる。
複合材料は、本明細書により詳細に説明されているものを含め、広範なアプリケーションにおいて、使用することができる。非限定的な例として、複合材料は、種々のアプリケーション、例えば、圧力容器のための強化、風力タービンのコンポーネント、重い構造物を引き上げる際に使用されるシム、スポーツ用品、建築又は建設材料、電子機器用のラミネート又はカプセル材料、バッテリー部品、ベアリング、又は乗り物、例えば自動車、航空機、海上船舶、又は宇宙船用のパネルにおいて、使用することができる。
すでに述べたように、本発明の１セットの実施形態は、一般に連続繊維から形成される基材を含み、複数の炭素繊維を含む、複合材料に関する。連続繊維は、一般に平均して炭素繊維の特性寸法よりも実質的に長い長さを有する。例えば、連続繊維は、炭素繊維の特性寸法の１０倍より大きい、３０倍より大きい、５０倍より大きい、１００倍より大きい、３００倍より大きい、５００倍より大きい、又は１，０００倍より大きい平均長を有することができる。いくつかの実施形態において、連続繊維は、少なくとも３、少なくとも５、少なくとも１０、少なくとも３０、少なくとも５０、少なくとも１００、少なくとも３００、少なくとも５００、少なくとも１，０００、等の平均アスペクト比（例えば、直径又は平均断面寸法に対する長さの）を有する。さらに、ある場合において、連続繊維は、少なくとも１ｎｍ、少なくとも３ｎｍ、少なくとも５ｎｍ、少なくとも１０ｎｍ、少なくとも３０ｎｍ、少なくとも５０ｎｍ、少なくとも１００ｎｍ、少なくとも３００ｎｍ、少なくとも５００ｎｍ、少なくとも１マイクロメートル、少なくとも３マイクロメートル、少なくとも５マイクロメートル、少なくとも１０マイクロメートル、少なくとも３０マイクロメートル、少なくとも５０マイクロメートル、少なくとも１００マイクロメートル、少なくとも３００マイクロメートル、少なくとも５００マイクロメートル、少なくとも１ｍｍ、少なくとも３ｍｍ、少なくとも５ｍｍ、少なくとも１ｃｍ、少なくとも３ｃｍ、少なくとも５ｃｍ、又は少なくとも１０ｃｍの平均長を有することができる。いくつかの例において、より長い平均長がまた可能である。
連続繊維は、一緒に織られていてよく（例えば、二配向性、多配向性、擬似等方性、等）、及び／又は織られていなくてよい（例えば、一配向性、ベール、マット、等）。ある実施形態において、連続繊維の少なくとも一部は、実質的に平行、及び／又は互いに直交する方向であるが、連続繊維の他の配置もまた可能である。ある実施形態において、連続繊維は、織物又は他の基材、例えば、布地、トウ、フィラメント、糸、より糸、等を一緒に規定することができる。いくつかの場合において、基材は他の直交寸法よりも実質的に小さい１つの直交寸法を有することができる（すなわち、基材は厚さを有することができる）。
前記基材を形成する連続繊維は任意の広範な材料を含むことができ、１つのタイプの繊維又は１つより多くのタイプの繊維が基材内に存在することができる。非限定的な例は、炭素、玄武岩、シリコンカーバイド、アラミド、ジルコニア、ナイロン、ホウ素、アルミナ、シリカ、ボロシリケート、ムライト、コットン、又は任意の他の天然又は合成繊維を含む。
連続繊維は、任意の好適な平均直径を有することができる。例えば、連続繊維は、少なくとも１０マイクロメートル、少なくとも２０マイクロメートル、少なくとも３０マイクロメートル、少なくとも５０マイクロメートル、少なくとも１００マイクロメートル、少なくとも２００マイクロメートル、少なくとも３００マイクロメートル、少なくとも５００マイクロメートル、少なくとも１ｍｍ、少なくとも２ｍｍ、少なくとも３ｍｍ、少なくとも５ｍｍ、少なくとも１ｃｍ、少なくとも２ｃｍ、少なくとも３ｃｍ、少なくとも５ｃｍ、少なくとも１０ｃｍ、等の平均直径を有することができる。ある実施形態において、連続繊維は、１０ｃｍ以下、５ｃｍ以下、３ｃｍ以下、２ｃｍ以下、１ｃｍ以下、５ｍｍ以下、３ｍｍ以下、２ｍｍ以下、１ｍｍ以下、５００マイクロメートル以下、３００マイクロメートル以下、２００マイクロメートル以下、１００マイクロメートル以下、５０マイクロメートル以下、３０マイクロメートル以下、２０マイクロメートル以下、１０マイクロメートル以下、等の平均直径を有することができる。これらの任意の組み合わせが、また可能である。例えば、連続繊維は、５マイクロメートル～１００マイクロメートル、１０マイクロメートル～１００マイクロメートル、５０マイクロメートル～５００マイクロメートル、１００マイクロメートル～５ｍｍ、等の平均直径を有することができる。
連続繊維は、任意の好適な平均長をまた有することができる。例えば、連続繊維は、少なくとも約０．５ｃｍ、少なくとも１ｃｍ、少なくとも２ｃｍ、少なくとも３ｃｍ、少なくとも５ｃｍ、少なくとも１０ｃｍ、等の平均長を有することができる。ある実施形態において、連続繊維は、１０ｃｍ以下、５ｃｍ以下、３ｃｍ以下、２ｃｍ以下、１ｃｍ以下、０．５ｃｍ以下、等の平均直径を有することができる。これらの任意の組み合わせが、また可能である；例えば、連続繊維は、１ｃｍ～１０ｃｍ、１０ｃｍ～１００ｃｍ、等の平均長を有することができる。
いくつかの例において、連続繊維は、複合材料のうちの比較的大部分を含むことができる。例えば、ある実施形態において、連続繊維は、複合材料の質量の少なくとも１％、少なくとも２％、少なくとも３％、少なくとも４％、少なくとも５％、少なくとも７％、少なくとも１０％、少なくとも１５％、少なくとも２０％、少なくとも２５％、少なくとも３０％、少なくとも３５％、少なくとも４０％、少なくとも４５％、少なくとも５０％、少なくとも５５％、少なくとも６０％、少なくとも６５％、少なくとも７０％、少なくとも７５％、少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、又は少なくとも９７％を含むことができる。いくつかの場合において、連続繊維は、複合材料の質量の９７％以下、９５％以下、９０％以下、８５％以下、８０％以下、７０％以下、６０％以下、５０％以下、４０％以下、３０％以下、２０％以下、又は１０％以下を含む。これらの任意の組み合わせが、また可能である。
前記複合材料は、ある実施形態において、例えば、炭素繊維に加えて、１つ以上の不連続体をまた含むことができる。不連続体は、凝集体又は個別体を含むことができる。不連続体は、繊維又はプレートレットを含む、種々の形状を有することができる。他の形状は、ナノチューブ、ナノファイバー、ナノシート、等を含むが、限定されない。１セットの実施形態において、不連続体は球状でない。繊維は、１つの直交寸法（例えば、その長さ）がその他の２つの直交寸法（例えば、その幅又は厚さ）よりも実質的に大きい形状を有することができる。プレートレットは、２つの直交寸法（例えば、その直径）がその他の直交寸法（例えば、その幅又は厚さ）よりも実質的に大きい形状を有することができる。いくつかの場合において、プレートレットは実質的にシリンダー状又はディスク型であることができるが、他の形状を有することもできる。さらに、いくつかの場合において、プレートレット及び繊維がいずれも存在することができ、及び／又はある実施形態において、（例えば、プレートレット及び／又は繊維ではなく又はプレートレット及び／又は繊維に加えて）他の形状が存在することができることを理解すべきである。
不連続体、例えばプレートレット及び／又は繊維は、比較的剛性であることができ、又はいくつかの場合において、曲がっていることができ又は柔軟であることができ、又は種々の他の形状を採用する、と理解すべきである。例えば、繊維は、完全に真っ直ぐである必要はなく、又はプレートレットは完全にディスク形状である必要はない。
すでに述べたように、本発明のある実施形態は、一般に不連続繊維を含む複合材料に関する。いくつかの場合において、複合材料内の不連続繊維は、少なくとも１ｎｍ、少なくとも３ｎｍ、少なくとも５ｎｍ、少なくとも１０ｎｍ、少なくとも３０ｎｍ、少なくとも５０ｎｍ、少なくとも１００ｎｍ、少なくとも３００ｎｍ、少なくとも５００ｎｍ、少なくとも１マイクロメートル、少なくとも３マイクロメートル、少なくとも５マイクロメートル、少なくとも１０マイクロメートル、少なくとも２０マイクロメートル、少なくとも３０マイクロメートル、少なくとも５０マイクロメートル、少なくとも１００マイクロメートル、少なくとも２００マイクロメートル、少なくとも３００マイクロメートル、少なくとも５００マイクロメートル、少なくとも１ｍｍ、少なくとも２ｍｍ、少なくとも３ｍｍ、少なくとも５ｍｍ、少なくとも１ｃｍ、少なくとも１．５ｃｍ、少なくとも２ｃｍ、少なくとも３ｃｍ、少なくとも５ｃｍ、少なくとも１０ｃｍ、等の平均長、又は特性寸法を有することができる。ある実施形態において、不連続繊維は、１０ｃｍ以下、５ｃｍ以下、３ｃｍ以下、２ｃｍ以下、１．５ｃｍ以下、１ｃｍ以下、５ｍｍ以下、３ｍｍ以下、２ｍｍ以下、１ｍｍ以下、５００マイクロメートル以下、３００マイクロメートル以下、２００マイクロメートル以下、１００マイクロメートル以下、５０マイクロメートル以下、３０マイクロメートル以下、２０マイクロメートル以下、１０マイクロメートル以下、５マイクロメートル以下、３マイクロメートル以下、１マイクロメートル以下、５００ｎｍ以下、３００ｎｍ以下、１００ｎｍ以下、５０ｎｍ以下、３０ｎｍ以下、１０ｎｍ以下、５ｎｍ以下、等の平均長、又は特性寸法を有することができる。これらの任意の組み合わせが、また可能である。例えば、複合材料内の不連続繊維は、５ｍｍ～１５ｍｍ、又は１ｍｍ～５ｍｍ、１ｍｍ～１ｃｍ、等の平均長を有することができる。
さらに、不連続繊維は、任意の好適な平均直径をまた有することもできる。例えば、不連続繊維は、少なくとも１０マイクロメートル、少なくとも２０マイクロメートル、少なくとも３０マイクロメートル、少なくとも５０マイクロメートル、少なくとも１００マイクロメートル、少なくとも２００マイクロメートル、少なくとも３００マイクロメートル、少なくとも５００マイクロメートル、少なくとも１ｍｍ、少なくとも２ｍｍ、少なくとも３ｍｍ、少なくとも５ｍｍ、少なくとも１ｃｍ、少なくとも２ｃｍ、少なくとも３ｃｍ、少なくとも５ｃｍ、少なくとも１０ｃｍ、等の平均直径を有することができる。ある実施形態において、不連続繊維は、１０ｃｍ以下、５ｃｍ以下、３ｃｍ以下、２ｃｍ以下、１ｃｍ以下、５ｍｍ以下、３ｍｍ以下、２ｍｍ以下、１ｍｍ以下、５００マイクロメートル以下、３００マイクロメートル以下、２００マイクロメートル以下、１００マイクロメートル以下、５０マイクロメートル以下、３０マイクロメートル以下、２０マイクロメートル以下、１０マイクロメートル以下、等の平均直径を有することができる。これらの任意の組み合わせが、また可能である。例えば、不連続繊維は、１０マイクロメートル～１００マイクロメートル、５０マイクロメートル～５００マイクロメートル、１００マイクロメートル～５ｍｍ、等の平均直径を有することができる。
ある実施形態において、不連続繊維は、平均して、その厚さ又は直径の少なくとも１０倍又は少なくとも５０倍である長さを有することができる。いくつかの場合において、複合材料内の繊維は、少なくとも３、少なくとも５、少なくとも１０、少なくとも３０、少なくとも５０、少なくとも１００、少なくとも３００、少なくとも５００、少なくとも１，０００、少なくとも３，０００、少なくとも５，０００、少なくとも１０，０００、少なくとも３０，０００、少なくとも５０，０００、又は少なくとも１００，０００の平均アスペクト比（直径又は厚さに対する繊維長の比）を有することができる。いくつかの場合において、平均アスペクト比は、１００，０００未満、５０，０００未満、３０，０００未満、１０，０００未満、５，０００未満、３，０００未満、１，０００未満、５００未満、３００未満、１００未満、５０未満、３０未満、１０未満、５未満、等であることができる。いくつかの場合において、これらの任意の組み合わせが、また可能である；例えば、アスペクト比は、５～１００，０００であることができる。
すでに述べたように、複合材料は、不連続繊維のみに限定されない。ある実施形態において、複合材料は不連続繊維ではなく又は不連続繊維に加えてプレートレットを含むことができる。典型的には、プレートレットはディスク形状であることができるが、他の形状もまた可能である。
いくつかの場合において、プレートレットは、少なくとも１０マイクロメートル、少なくとも２０マイクロメートル、少なくとも３０マイクロメートル、少なくとも５０マイクロメートル、少なくとも１００マイクロメートル、少なくとも２００マイクロメートル、少なくとも３００マイクロメートル、少なくとも５００マイクロメートル、少なくとも１ｍｍ、少なくとも２ｍｍ、少なくとも３ｍｍ、少なくとも５ｍｍ、少なくとも１ｃｍ、少なくとも１。５ｃｍ、少なくとも２ｃｍ、少なくとも３ｃｍ、少なくとも５ｃｍ、少なくとも１０ｃｍ、等の最大寸法又は特性寸法を有することができる。ある実施形態において、ｔｈｅプレートレットは、１０ｃｍ以下、５ｃｍ以下、３ｃｍ以下、２ｃｍ以下、１。５ｃｍ以下、１ｃｍ以下、５ｍｍ以下、３ｍｍ以下、２ｍｍ以下、１ｍｍ以下、５００マイクロメートル以下、３００マイクロメートル以下、２００マイクロメートル以下、１００マイクロメートル以下、５０マイクロメートル以下、３０マイクロメートル以下、２０マイクロメートル以下、１０マイクロメートル以下、等の最大寸法又は特性寸法を有することができる。プレートレットが実質的に円形の面を有さない場合（例えば、プレートレットが楕円形又は不規則な面を有する場合）、特性寸法はプレートレットの面として、同一の面積を有する完全な円の直径とみなすことができる。これらの寸法の任意の組み合わせが、また可能である。例えば、最大寸法又は特性寸法は、５ｍｍ～１５ｍｍ、又は１ｍｍ～５ｍｍ、１ｍｍ～１ｃｍ、等であることができる。
ある実施形態において、プレートレットは、少なくとも３、少なくとも５、少なくとも１０、少なくとも３０、少なくとも５０、少なくとも１００、少なくとも３００、少なくとも５００、少なくとも１，０００、等の平均アスペクト比（最小寸法又は厚さに対する最大寸法の比）を有することができる。いくつかの場合において、平均アスペクト比は１，０００未満、５００未満、３００未満、１００未満、５０未満、３０未満、１０未満、５未満、等であることができる。いくつかの場合において、これらの任意の組み合わせが、また可能である；例えば、アスペクト比は５～１，０００であることができる。
不連続体は、形成することができ又は任意の広範な種類の材料を含むことができ、１つ又は１つより多くのタイプの材料が存在することができる。例えば、不連続体は、材料、例えば玄武岩、シリコンカーバイド、窒化ケイ素、アラミド、ジルコニア、ナイロン、ホウ素、アルミナ、シリカ、ボロシリケート、ムライト、窒化物、窒化ホウ素、黒鉛、ガラス、等を含むことができる。不連続体は、任意の天然及び／又は任意の合成材料を含むことができ、磁性及び／又は非磁性であることができる。
ある実施形態において、バインダーが複合材料内にまた存在することができ、例えば、連続繊維と炭素繊維（及び要すれば他の材料）とを結合するのに使用することができる。例えば、バインダーは、連続繊維及び炭素繊維を複合材料内の位置に固定するのを促進することができる。しかしながら、バインダーは任意選択的であり、すべての場合においては必要とされないことは理解すべきである。いくつかの場合において、バインダーは、樹脂を含むことができる。バインダーは、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含むことができる。ある実施形態において、バインダーは熱可塑性溶液、熱可塑性溶解物、熱可塑性ペレット、熱可塑性粉末、熱可塑性フィルム、熱硬化性樹脂、揮発性化合物、例えば揮発性有機化合物、水、又は油を含むことができる。バインダーの更なる非限定的な例は、エポキシ、ポリエステル、ビニルエステル、ポリエチレンイミン、ポリエーテルケトンケトン、ポリアリールエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリ（メチルメタクリレート）、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリアクリロニトリル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロン、シリコーンゴム、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ペルフルオロアルコキシアルカン、スチレンブタジエンゴム、又はプレセラミックモノマー、例えばシロキサン、シラザン、又はカルボシランを含む。バインダーは、ある実施形態において、これらの材料及び／又は他の材料のうちの任意の１つ以上を含む混合物をまた含むことができる。
いくつかの実施形態において、バインダーは、複合材料の質量の少なくとも１％、少なくとも２％、少なくとも３％、少なくとも４％、少なくとも５％、少なくとも７％、少なくとも１０％、少なくとも１５％、少なくとも２０％、又は少なくとも２５％を含むことができ、及び／又は複合材料の質量の２５％以下、２０％以下、１５％以下、１０％以下、７％以下、５％以下、４％以下、３％以下、２％以下、又は１％以下を含むことができる。
本発明の別の態様は、一般に複合材料、例えば本明細書に記載のもの、を製造するためのシステム及び方法に関する。１セットの実施形態において、複合材料は、液体、例えば、好適な基材が曝露される、複数の炭素繊維を含む、スラリーから調製することができる。磁場は、例えば、かかる炭素繊維が磁場に応答して異方性反磁性応答を示す場合、前記炭素繊維を操作するために印加することができる。過剰の材料は除くことができる。いくつかの場合において、複合材料は、例えば、基材内で炭素繊維を動かなくしたり又は固定するのに使用することができるバインダーで、固める又は硬化することができる。バインダーは、ある実施形態において、基材内に注入したり又は浸透させることができる。
いくつかの場合において、液体、例えばスラリー、を形成することができる。スラリーは、炭素繊維を含むことができる。液相は、例えば、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂、例えば、熱可塑性溶液、熱可塑性溶解物、熱可塑性ペレット、熱可塑性粉末、熱硬化性樹脂、熱硬化性エマルジョン、熱硬化性粉末、揮発性有機化合物、水、又は油を含むことができる。熱可塑性樹脂の非限定的な例は、ポリエチレンイミン、ポリエーテルケトンケトン、ポリアリールエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリ（メチルメタクリレート）、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリアクリロニトリル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロン、ポリフッ化ビニリデン、フェノール類、エポキシ類、ビスマレイミド類、シアン酸エステル、ポリイミド類、等を含む。エラストマーの非限定的な例は、シリコーンゴム及びスチレンブタジエンゴム、等を含む。熱硬化性樹脂類の非限定的な例は、エポキシ、ポリエステル、ビニルエステル、等を含む。プレセラミックモノマーの非限定的な例は、シロキサン、シラザン、又はカルボシラン、等を含む。いくつかの場合において、例えば、液体内で炭素繊維を均一に分散する際に、補助するために添加することができる。揮発性有機化合物の例は、水、イソプロパノール、ブタノール、エタノール、アセトン、トルエン、又はキシレンを含むが、限定されない。粒子は、いくつかの場合において、スラリー、例えば、ポリマー粒子、セラミック粒子、金属粒子、等内にまた存在することができる。
任意の好適な量の炭素繊維が、スラリー又は他の液体中に存在することができる。例えば、スラリーの体積の少なくとも１０％、少なくとも１５％、少なくとも２０％、少なくとも２５％、少なくとも３０％、少なくとも３５％、少なくとも４０％、少なくとも４５％、少なくとも５０％、少なくとも５５％、少なくとも６０％、少なくとも６５％、少なくとも７０％、少なくとも７５％、又は少なくとも８０％が、炭素繊維であることができる。いくつかの場合において、８５％以下、８０％以下、７５％以下、７０％以下、６５％以下、６０％以下、５５％以下、５０％以下、４５％以下、４０％以下、３５％以下、３０％以下、２５％以下、２０％以下、１５％以下、又は１０％以下が、炭素繊維であることができる。いくつかの場合において、これらの任意の組み合わせが、また可能である。例えば、スラリー又は他の液体は７０％～８０％、７５％～８５％、５０％～９０％、等の炭素繊維を含むことができる。
スラリー又は他の液体を調製した後、それを、例えば、連続繊維を含む基材に適用又は曝露することができる。いくつかの場合において、基材は、液体、表面、例えば、ポリマー箔、金属箔、又は紙上に磁場、機械的振動、加熱及び／又は例えば、本明細書に説明されているようなもの、の適用のために、置くことができる。
任意の好適な方法は、基材にスラリー又は他の液体を適用するのに使用することができる。非限定的な例として、液体を基材に注ぐことができ、被覆することができ、噴霧することができ、又は塗ることができ、又は基材は液体に部分的に又は完全に浸すことができる。液体は、連続繊維を湿らし、被覆し、及び／又は囲うのに使用することができる。
磁場は、例えば、異方性反磁性応答を介して、炭素繊維を操作するのに印加することができる。例えば、磁場は、炭素繊維を基材内に、例えば基材内の細孔、隙間、又は穴に移動するのに、使用することができる。さらに、いくつかの場合において、磁場は、例えば、本明細書に説明されているように、炭素繊維を基材内に実質的に整列させるのに使用することができる。例えば、磁場は、炭素繊維のうちの少なくとも５０％、少なくとも７５％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、又は少なくとも９５％を平均的な整列の２０ｏ内、１５ｏ内、１０ｏ内、又は５ｏ内に整列させるのに使用することができる。磁場は、いくつかの実施形態において、炭素繊維を、例えば、磁場の方向に、基材内に、及び／又は面通過（ｔｈｒｏｕｇｈ－ｐｌａｎｅ）方向に基材内に整列させるために使用することができる。
任意の好適な磁場を印加することができる。いくつかの場合において、磁場は定常磁場である。他の場合において、磁場は時間変動のものであることができる；例えば、磁場は炭素繊維の操作を促進する大きさで及び／又は方向に、振動して又は周期的に変化することができる。振動は、正弦関数又は別の繰り返し波形（例えば、四角波又はノコギリ波）であることができる。周波数は、例えば、少なくとも０．１Ｈｚ、少なくとも０．３Ｈｚ、少なくとも０．５Ｈｚ、少なくとも１Ｈｚ、少なくとも３Ｈｚ、少なくとも５Ｈｚ、少なくとも１０Ｈｚ、少なくとも３０Ｈｚ、少なくとも５０Ｈｚ、少なくとも１００Ｈｚ、少なくとも３００Ｈｚ、少なくとも５００Ｈｚ、等、及び／又は１０００Ｈｚ以下、５００Ｈｚ以下、３００Ｈｚ以下、１００Ｈｚ以下、５０Ｈｚ以下、３０Ｈｚ以下、１０Ｈｚ以下、５Ｈｚ以下、３Ｈｚ以下、等であることができる。例えば、周波数は、１Ｈｚ～５００Ｈｚ、１０Ｈｚ～３０Ｈｚ、５０Ｈｚ～Ｈｚ、等であることができる。さらに、周波数は実質的に一定に保持することができ、又は周波数は、いくつかの場合において、変化することができる。
磁場は、定常のものであれ又は周期振動のものであれ、任意の好適な大きさを有することができる。例えば、大きさは、少なくとも０．００１Ｔ、少なくとも０．００３Ｔ、少なくとも０．００５Ｔ、少なくとも０．０１Ｔ、少なくとも０．０３Ｔ、少なくとも０．０５Ｔ、少なくとも０．１Ｔ、少なくとも０．３Ｔ、少なくとも０．５Ｔ、少なくとも１Ｔ、少なくとも３Ｔ、少なくとも５Ｔ、少なくとも１０Ｔ、等であることができる。大きさは、いくつかの場合において、２０Ｔ以下、１０Ｔ以下、５Ｔ以下、３Ｔ以下、１Ｔ以下、０．５Ｔ以下、０．３Ｔ以下、０．１Ｔ以下、０．０５Ｔ以下、０．０３Ｔ以下、０．０１Ｔ以下、０．００５Ｔ以下、０．００３Ｔ以下、等であることができる。大きさは、これらの値の任意の組み合わせの範囲にまた入る。例えば、大きさは０．０１Ｔ～１０Ｔ、１Ｔ～３Ｔ、０．５Ｔ～１Ｔ、等であることができる。大きさは、実質的に一定であることができ、又はある実施形態において、例えば、これらの値の任意の範囲内で、変化することができる。
いくつかの実施形態において、磁場方向（すなわち、最大の大きさの方向）は、平均方位について＋／－９０ｏ、＋／－８５ｏ、＋／－８０ｏ、＋／－７５ｏ、＋／－７０ｏ、＋／－６５ｏ、＋／－６０ｏ、＋／－５５ｏ、＋／－５０ｏ、＋／－４５ｏ、＋／－４０ｏ、＋／－３５ｏ、＋／－３０ｏ、＋／－２５ｏ、＋／－２０ｏ、＋／－１５ｏ、＋／－１０ｏ、＋／－５ｏで変化することができる。
好適な磁場を生み出すための種々の異なる装置は商業的に得ることができ、永久磁石又は電磁石を含む。いくつかの場合において、周期振動は磁石を回転ディスクに取り付け、ディスクを適切な速度又は周波数で回転させることにより作り出すことができる。永久磁石の非限定的な例は、鉄磁石、アルニコ磁石、貴金属磁石、等を含む。
さらに、１セットの実施形態において、機械的振動を、例えば、磁気的操作に加えて及び／又は磁気的操作ではなく、粒子を操作にするのに使用することができる。例えば、機械的振動は、粒子を基材内に、例えば、基材内の細孔、隙間、又は穴に移動するのに、及び／又は例えば、本明細書に説明されているように、基材内に炭素繊維を少なくとも実質的に整列させるのに使用することができる。いくつかの場合において、振動は基材内に炭素繊維を整列させるのに使用することができ、及び／又は炭素繊維を基材内の穴、隙間、又は細孔に移動するのに使用することができる。
１セットの実施形態において、機械的振動は、少なくとも１マイクロメートル、少なくとも２マイクロメートル、少なくとも３マイクロメートル、少なくとも５マイクロメートル、少なくとも１０マイクロメートル、少なくとも２０マイクロメートル、少なくとも３０マイクロメートル、少なくとも５０マイクロメートル、少なくとも１００マイクロメートル、少なくとも２００マイクロメートル、少なくとも３００マイクロメートル、少なくとも５００マイクロメートル、少なくとも１，０００マイクロメートル、少なくとも２，０００マイクロメートル、少なくとも３，０００マイクロメートル、少なくとも５，０００マイクロメートル、又は少なくとも１０，０００マイクロメートルの炭素繊維の動きを生じさせるのに適用することができる。
さらに、いくつかの場合において、機械的振動は時間変動であることができる；例えば、機械的振動は、例えば、炭素繊維の操作を促進するために、大きさ及び／又は方向で、周期的に変化することができる。振動は、正弦関数の又は別の繰り返し波形（例えば、四角波又はノコギリ波）であることができる。周波数は、例えば、少なくとも０．１Ｈｚ、少なくとも０．３Ｈｚ、少なくとも０．５Ｈｚ、少なくとも１Ｈｚ、少なくとも３Ｈｚ、少なくとも５Ｈｚ、少なくとも１０Ｈｚ、少なくとも３０Ｈｚ、少なくとも５０Ｈｚ、少なくとも１００Ｈｚ、少なくとも３００Ｈｚ、少なくとも５００Ｈｚ、等、及び／又は１０００Ｈｚ以下、５００Ｈｚ以下、３００Ｈｚ以下、１００Ｈｚ以下、５０Ｈｚ以下、３０Ｈｚ以下、１０Ｈｚ以下、５Ｈｚ以下、３Ｈｚ以下、等であることができる。例えば、周波数は１Ｈｚ～５００Ｈｚ、１０Ｈｚ～３０Ｈｚ、５０Ｈｚ～Ｈｚ、等であることができる。さらに、周波数は実質的に一定に保持することができ、又は周波数は、いくつかの場合において、変化することができる。周期振動磁場と併用して適用された場合、それらの周波数は独立して同一又は異なるものであることができる。
整列の間及び／又は整列の後、基材内の炭素繊維は、例えば、炭素繊維の次の動きを抑制又は制限し、比較的固い複合材料を形成するために、いくつかの実施形態において、固める又は固定することができる。複合材料を形成する技術の非限定的な例は、固化、硬化、ゲル化、溶解、蒸発、冷凍、又は液体又はスラリーを凍結乾燥させることを含む。別のセットの実施形態において、材料、例えば熱硬化性樹脂は、硬化して複合材料を固めることができる。基材は、したがって、固体、ゲル、等である複合材料を形成することができる。
いくつかの場合において、液体は、加熱及び／又は蒸発により除くことができる（例えば、好適な量の時間待つことにより、又は例えば、ドラフト又は他の換気部分において、溶媒を蒸発させることにより）、比較的揮発性の溶媒を含むことができる。揮発性溶媒の非限定的な例は、イソプロパノール、ブタノール、エタノール、アセトン、トルエン、又はキシレンを含む。溶媒を除く方法の他の例は、真空、凍結乾燥、機械的振とう、等の適用を含む。
１セットの実施形態において、例えば、溶媒の部分を除くために、加熱を基材に適用することができる。例えば、基材を少なくとも約３０ｏＣ、少なくとも約３５ｏＣ、少なくとも約４０ｏＣ、少なくとも約４５ｏＣ、少なくとも約５０ｏＣ、少なくとも約５５ｏＣ、少なくとも約６０ｏＣ、少なくとも約６５ｏＣ、少なくとも約７０ｏＣ、少なくとも約７５ｏＣ、少なくとも約８０ｏＣ、少なくとも約９０ｏＣ、少なくとも約１００ｏＣ、少なくとも約１２５ｏＣ、少なくとも約１５０ｏＣ、少なくとも約１７５ｏＣ、少なくとも約２００ｏＣ、少なくとも約２５０ｏＣ、少なくとも約３００ｏＣ、少なくとも約３５０ｏＣ、少なくとも約４００ｏＣ、少なくとも約４５０ｏＣ、少なくとも約５００ｏＣ、等の温度まで加熱することができる。熱を適用する任意の好適な方法、例えば、熱電トランデューサ、オーミックヒータ、ペルチェ装置、燃焼ヒータ、等を使用することができる。いくつかの場合において、液体の粘度は、加熱の結果として減少させることができる。熱は、例えば、磁場及び／又は機械的振動の前に、同時に又は後に、適用することができる。いくつかの場合において、加熱は、熱硬化性プレポリマーの架橋又は硬化を抑制し又は開始するために使用することができる。
１セットの実施形態において、バインダーは、例えば、複合材料の硬化及び／又は前記液体の少なくとも一部の除去の前、間、及び／又は後にまた適用することができる。いくつかの実施形態において、バインダーは、例えば、乾燥プライ材料を湿らせることにより、前含浸複合材料プライ材料を製造するために使用することができる。バインダーは、いくつかの場合において、液体であることができ、複合材料への適用の後に硬化させることができる。いくつかの場合において、バインダーは、前記複合材料の少なくとも一部に浸透される。浸透技術の非限定的な例は、圧力をバインダーにかけ、バインダーを複合材料に押し込むことによる、重力及び毛細管力、等を使用するものを含む。他の例は、ホットプレス、カレンダー（ｃａｌｅｎｄａｒｉｎｇ）、又は真空注入を含むが、限定されない。しかしながら、バインダーは、例えば、必ずしも浸透の必要なく、いくつかの場合において、基材のすべて、又は一部のみを被覆するために使用される。好適なバインダーの非限定的な例は、樹脂又は他の材料、例えば本明細書に説明されているものを含む。
浸透の後、前記バインダーは硬化させることができる。いくつかの場合において、前記バインダーは、溶媒の真空蒸発の際、同時に硬化させることができる。ある実施形態において、熱は、バインダー、例えば、前記複合材料を温度、例えば前記のようなもの、に曝露することにより、バインダーを硬化するのに、適用することができる。いくつかの実施形態において、バインダーは、例えば、化学又は重合反応を促進又は推進してバインダ―を重合させる、光又は触媒へ曝露した際、硬化することができる。例えば、熱硬化性樹脂は、好適な温度に曝露した際、硬化することができる。別の例において、ポリマーは、紫外光に曝露して重合を起こすことができる。
本明細書に説明されているような複合材料は、種々の態様で、広範なアプリケーションにおいて、使用することができる。本明細書に説明されているような複合材料は、本発明の種々の実施形態において、種々の異なる特徴を示すことができる。例えば、複合材料、例えば本明細書に説明されているものは、応力集中を減少させる又は除くために、層間剥離を減少させる又は除くために、平面の強度及び／又は剛性を増加させるために、表面の摩耗を減少させる又は除くために、電気を分散するために（例えば、電気的ショックにおける）、電気信号を伝送するために、電磁波を軽減するために、電磁波を伝送するために、熱を分散するために（例えば、熱的ショックにおける）、熱勾配を減少させる又は除くために、エネルギーを蓄えるために、ｅｘ－ＰＡＮ炭素繊維を合成するために、セラミックマトリクス複合材料（ＣＭＣ）を合成するために等に有用であり得る。
例えば、１セットの実施形態において、少なくとも３軸の繊維の配向性を有する複合材料プライを製造することができる。この繊維構造により、複合材料プライに次のプライと隣接するコンポ―ネント間の応力を分散させることができ、応力集中を減らし又は除くことができる。これにより、例えば、積層複合材料構造が小さな特徴又は劇的に異なる剛性（例えば金属アロイ又はプラスチック）を有する材料を有するもので形成される場合、動的荷重下、積層複合材料の強度が著しく向上し得る。
別のセットの実施形態は、一般に層間領域の面通過強化を有する複合材料プライに関する。この繊維強化により複合材料プライに隣接する層間の応力を効率的に分散させ、クラックの形成を妨げ及び層間領域における伝搬由来のクラックを防止する。層間領域の標的の強化により、衝撃及び循環荷重下、積層複合材料構造の強度を著しく向上させることができる。この処方は、積層複合材料構造が複合材料プライの長いシートで形成されるとき、例えば、プライ間の層間領域における単一のクラックが潜在的に構造全体の構造的完全性を傷つけることができる箇所で、有用であることができる。
更に別のセットの実施形態は、一般に面通過強化、例えば、面通過一配向性構造を有する複合材料プライに関する。この繊維強化により、対象の面通過荷重（例えば点荷重及び高圧荷重）を強化することができる。対象の面通過強化により、起こり得る面通過力学的荷重下、積層複合材料構造の強度及び剛性を著しく向上させることができる。これは、積層複合材料構造のための外壁を形成する間、未硬化状態で取り扱う間、容易に変形することができる、面通過強化を有する複合材料プライを効果的に取り扱うのに有用であることができる。
更に別のセットの実施形態は、一般に面通過配向した炭素繊維を有する複合材料プライに関する。いくつかの場合において、面通過強化は、機械的損耗（例えば摩耗）及び／又は化学的腐食（例えば酸化）由来のダメージに対するポリマーマトリクスの耐性を著しく向上させることができる。この処方は、例えば、機械的及び化学的損耗から構造を保護する表面を形成するのに有用であることができる。
１セットの実施形態において、増大した面通過電気伝導性を有する複合材料プライが提供される。これにより、電気的エネルギーの迅速な放電（例えば雷）の際、電荷の蓄積により誘起される局所的な熱の発生により生じるダメージへの耐性を著しく向上させることができる。この処方は、放電によるダメージから構造を保護する表面を形成するために、特に有用である。別のセットの実施形態において、増大した近等方性電気伝導性を有する複合材料プライが提供される。これにより、効果的に電気信号を伝導することができる。更に別のセットの実施形態において、増大した等方性電気伝導性を有する複合材料プライが提供される。この材料は、入射電磁波を効果的に低減させることができる。更に別のセットの実施形態において、低ラジオ周波数干渉及び増大した面通過熱伝導性を有し、過熱なく効果的に電磁波を伝達する複合材料プライが提供される。
別のセットの実施形態は、一般に加熱下での十分な構造的完全性のための増大した面通過熱伝導性を有する複合材料プライに関する。これは、いくつかの実施形態において、迅速な温度変化の下、構造的完全性を向上させるのに有用であることができる。更に別のセットの実施形態は、一般に面通過熱伝導性及び低電気伝導性を有する複合材料プライに関する。この処方は、例えば、電子機器において、効率的に熱流束を移動し及び分配するのに有用であることができる。
更に別のセットの実施形態は、一般に面通過電気伝導性を有する炭素系複合材料プライに関する。これは、電解質からイオン種を吸収するのに及び効率的に電荷を分散するのに有用であることができる。
１セットの実施形態は、一般に面通過炭素繊維触媒を有する複合材料プライに関する。適度な温度で、ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）マトリクスは酸化及び炭素化されてカーボンマトリクスを形成することができる。別のセットの実施形態は、一般に面通過炭素繊維又はシリコンカーバイド触媒を有する複合材料プライに関する。適度な温度で、ポリマーマトリクスは酸化されてセラミックマトリクスを形成することができる。
『繊維強化複合材料、そのための方法及び同一のものを含む物品』という表題の、国際公開第２０１８／１７５１３４号は、そのまま参照により本明細書に組み入れられる。さらに、『炭素繊維整列及び繊維強化複合材料のためのシステム及び方法』という表題の、２０１８年１２月１０日に出願された、米国特許仮出願第６２／７７７，４３８号は、そのまま参照により本明細書に組み入れられる。
以降の実施例は、本発明のある実施形態を説明することを目的としているが、本発明のすべての範囲を示さない。
本実施例は、不連続強化用繊維が荷重方向に配向した場合、顕著な強度及び弾性率を示すことができることを示す。さらに、不連続繊維は、小さいか又は等しい強度のそれらの連続カウンターパートと比較して、コスト削減を提供することができる。しかしながら、不連続及び連続繊維は応力に対して正接に近づくにつれ、不連続及び連続繊維のいずれの引張性能も劇的に減少するので、配向性は重要である。炭素繊維における繊維の配向性と主応力との関係を概略的に示す、図１を参照されたい。
荷重の方向における繊維の適切な配向性は、マトリクスから強化用繊維への効率的な荷重移動を確実なものとするのに使用することができる。複合材料に印加された荷重は、マトリクスと強化繊維との間に分散することができる。マトリクスと強化繊維間の歪み差は、それらの界面にせん断応力をもたらすことができる。このせん断メカニズムにより、マトリクス及び繊維間の引張荷重移動が促進される。さらに、荷重の一部は、強化用繊維に対して軸方向に伝達される。せん断（τ，タウ）及び軸方向（σｆ，シグマ－ｆ）荷重伝達間の相互作用は、例えば、図２に示すように、モデル化することができる。
せん断遅れ理論によると、多くの積層複合材料構造にとって、炭素及びガラス繊維強化を使用した場合、５ｍｍ～１５ｍｍの長さが好適であり得る。これらのサイズの大きさでは、製造の間の個々の繊維の配向性は、粘性力及びせん断力に支配され得る、したがって、配向性強化を調節するためにあらかじめ織られた又は織られていない連続繊維材料の使用を必要とする。多くの複合材料において、強化用繊維はバルクのポリマーマトリクスに浸される；荷重はまずポリマーマトリクスを介して強化用繊維に伝達され、せん断応力に支配される荷重伝達がもたらされる。厚い複合材料における繊維及びマトリクスの界面での応力の分布を示す、図３を参照されたい。
整列した不連続繊維の長さと同じ大きさのオーダーの厚さを有する複合材料において、軸方向荷重伝達が増加する。不連続繊維はしばしば高弾性率を有し、荷重の下、重大な歪みを受けないことができ、せん断荷重伝達の影響を最小化する（図４を参照されたい）。コンポジットフィルムにおいて不連続繊維を整列させることにより可能となるこの再分散荷重伝達メカニズムは、高効率荷重伝達を可能とし、従来の繊維強化複合材料と関連する、臨界繊維長限界を回避する。ポリマーマトリクス中の不連続繊維における整列の程度（例えばランダム配向性のものから極度に配向性のものまで）を調節して、軸方向とせん断荷重伝達との均衡をとることができる。これは、薄い複合材料内の繊維及びマトリクスの界面での応力の分散とともに、図４に示される。
増加した荷重伝達効率は、コンポジットフィルム内の面通過配向性不連続繊維が周囲のマトリクス内に強固に閉じ込められたままとなること；面通過荷重下での複合材料の強度及び粘り強さ、及び損耗及びクラッキングに対する耐性の増加を暗に示す。同様に、炭素、ガラス、玄武岩、ホウ素、又はアラミドの繊維及びアルミナ、窒化ホウ素、及び黒鉛のマイクロプレートレット、を含む、異方性材料は、同様に面通過整列を利用して非常に増大した面通過熱及び電気特性を達成することができ、電磁波伝達／減衰及び効果的な熱分配／孤立を提供するために有用であることができる。
この実施例において、粉砕されたＰＡＮ系炭素繊維（１５０ミクロン長）は水中にランダムに分散しており、顕微鏡下で観測した。これを図５Ａに示す。
同一の試料を強度０．１Ｔ～０．３Ｔに及ぶ表面磁場を有する永久希土類磁石の下で撹拌及び静置した。粉砕された炭素繊維を観測したところ、印加磁場下、垂直に整列するようになったことが観測された。明確にするため、これらの粉砕された炭素繊維は、何らの表面コーティングも含まなかった。試料を磁場に曝している間、試料を顕微鏡下で観測した。水中で垂直に整列した粉砕された炭素繊維の画像を図５Ｂに示すが、整列が生じているものもあることを示す。
本発明のいくつかの実施形態が本明細書で述べられ、説明されてきたが、当業者はその機能を実行するために、及び／又は本明細書に記載されている結果及び／又は１つ以上の利益を得るために、容易に種々の他の手段及び／又は構成を想像するであろう。そして、かかる変形及び／又は改変の各々は、本発明の範囲内にあるものとみなされる。より一般的には、当業者は、本明細書で述べられている、すべてのパラメータ、寸法、材料、及び構成が例示的であることを意味すること、及び実際のパラメータ、寸法、材料、及び／又は構成は、具体的な適用又は本発明の教示が使用されるアプリケーションに依存するであろうことが、容易にわかるであろう。当業者は、ルーティンにすぎない実験を使用して、本明細書で述べられている具体的な発明の実施形態と同等の多くのものを認識する、すなわち確かめることができるであろう。それゆえ、前記実施形態は、実施例のみを経由して示されること、及び添付の請求項及びそれと同等の範囲内において、具体的に明細書に述べられ、請求項に請求されている以外にも、本発明は実行することができることが理解することができる。本発明は、本明細書で述べられている、各個々の特徴、システム、物品、材料、キット、及び／又は方法に関する。さらに、かかる特徴、システム、物品、材料、キット、及び／又は方法の２つ以上の任意の組み合わせは、かかる特徴、システム、物品、材料、キット、及び／又は方法が相互に矛盾していないのであれば、本発明の範囲に含まれる。
本明細書及び参照により組み入れられる文書が衝突及び／又は不一致の開示を含む場合、本明細書が支配するものとする。参照により組み入れられる２つ以上の文書が互いに衝突及び／又は不一致の開示を含む場合、後の有効データを有する文書が支配するものとする。
すべての定義は、本明細書において定義され及び使用されるとき、辞書での定義、参照により本明細書に組み入れられる文書における定義、及び／又は定義された用語の通常の意味を支配すると理解すべきである。
不定冠詞『ａ』及び『ａｎ』は、本明細書において及び請求項において使用されるとき、明確に反対に示されていない限り、『ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ（少なくとも１つ）』を意味すると理解すべきである。
『ａｎｄ／ｏｒ（及び／又は）』という表現は、本明細書において及び請求項において使用されているとき、非常に共同した要素、すなわち、いくつかの場合において、共同的に存在している要素、他の場合において、選言的に存在している要素の『ｅｉｔｈｅｒ ｏｒ ｂｏｔｈ（いずれか一方又は両方）』を意味するものと解すべきである。『ａｎｄ／ｏｒ（及び／又は）』で列記される複数の要素は、同様に、すなわち、非常に共同した要素のうちの『ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ（１つ以上）』であると解すべきである。具体的に特定される要素と関連するものであれ関連しないものであれ、『ａｎｄ／ｏｒ（及び／又は）』節により具体的に特定される要素以外の他の要素が、要すれば、存在することができる。それゆえ、非限定的な例として、『Ａ ａｎｄ／ｏｒ Ｂ（Ａ及び／又はＢ）』の言及は、非限定的な文言、例えば『ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む）』と併せて使用されるとき、１つの実施形態において、Ａのみを（要すればＢ以外の要素を含む）、別の実施形態において、Ｂのみを（要すればＡ以外の要素を含む）、更に別の実施形態において、Ａ及びＢいずれも（要すれば他の要素を含む）；等をいうことができる。
本明細書において及び請求項において使用されるとき、『又は（ｏｒ）』は、前記『及び／又は（ａｎｄ／ｏｒ）』と同一の意味を有すると解すべきである。例えば、リスト中のアイテムを分離するとき、『又は（ｏｒ）』又は『及び／又は（ａｎｄ／ｏｒ）』は、包含的、すなわち、数又はリストの要素の、要すれば、更なるリストされてないアイテムの、少なくとも１つの包含であるが、１つより多くを含む包含であると解すべきである。それと反対の意味で明確に示されている用語のみ、例えば『のうちの１つのみ（ｏｎｌｙ ｏｎｅ ｏｆ）』又は『のちょうど１つ（ｅｘａｃｔｌｙ ｏｎｅ ｏｆ）』、又は、請求項において使用されるとき、『からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）』のみが、数又はリストの要素のちょうど１つの要素の包含を指すこととなる。一般に、用語『又は（ｏｒ）』は、本明細書で使用するとき、排他性の用語、例えば、『いずれか（ｅｉｔｈｅｒ）』、『のうちのひとつ（ｏｎｅ ｏｆ）』、『のうちの１つのみ（ｏｎｌｙ ｏｎｅ ｏｆ）』、又は『のうちのちょうど１つ（ｅｘａｃｔｌｙ ｏｎｅ ｏｆ）』が先行するとき、排他的選択肢（すなわち『ｏｎｅ ｏｒ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｂｕｔ ｎｏｔ ｂｏｔｈ（一方のもの又は他方のものであるが、両方のものではない）』を示していると解されるだけとする。
本明細書及び本請求項において使用されるとき、リストの１つ以上の要素を参照した、表現『少なくとも１つ（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）』は、要素のリストにおける任意の１つ以上の要素から選択される、少なくとも１つの要素を意味するものと解すべきであるが、要素のリスト内に具体的に列記された各及びすべての要素の少なくとも１つを必ずしも含むわけではなく、要素のリストにおける要素の任意の組み合わせを排除するものではないことを理解すべきである。この定義により、要素は、具体的に特定される要素と関係があろうが無関係であろうが、表現『少なくとも１つ（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）』が参照する要素のリスト内に具体的に特定された要素以外に、要すれば要素が存在することができることをまた可能とさせる。したがって、非限定的な例として、『Ａ及びＢのうちの少なくとも１つ（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ ｏｆ Ａ ａｎｄ Ｂ）』、（又は、等価に、『Ａ又はＢのうちの少なくとも１つ（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ ｏｆ Ａ ｏｒ Ｂ）』、又は、等価に『Ａ及び／又はＢのうちの少なくとも１つ（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ ｏｆ Ａ ａｎｄ／ｏｒ Ｂ）』）は、１つの実施形態において、Ｂが存在しない（及び要すればＢ以外の要素を含む）、少なくとも１つの、要すれば１つより多くを含む、Ａ、を指すことができ；別の実施形態において、Ａが存在しない（及び要すればＡ以外の要素を含む）、少なくとも１つの、要すれば１つより多くを含む、Ｂを指すことができ；更に別の実施形態において、少なくとも１つの、要すれば１つより多くを含む、Ａ、及び少なくとも１つの、要すれば１つより多くを含む、Ｂ（及び要すれば他の要素を含む）；等を指すことができる。
用語『ａｂｏｕｔ（約）』が数字を参照して本明細書において使用されるとき、本発明の更に別の実施形態が、用語『ａｂｏｕｔ（約）』の存在により改変されていないその数字を含むと理解すべきである。
明確に反対に示されていない限り、１つより多くの工程又は行動を含む本明細書において請求されている任意の方法において、方法の工程又は行動の順序は、方法の工程又は行動が記載されている順序に必ずしも限定されないとも理解すべきである。
請求項において、並びに上記明細書において、すべての移行句、例えば『ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む）』、『ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）』、『ｃａｒｒｙｉｎｇ（有する）』、『ｈａｖｉｎｇ（有する）』、『ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ（含む）』、『ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ（含む）』、『ｈｏｌｄｉｎｇ（有する）』、『ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ（からなる）』、等は、非制限的であること、すなわち、含むが限定されないを意味すると理解すべきである。移行句『ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ（からなる）』及び『ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ（実質的にからなる）』のみが、アメリカ合衆国特許庁審査便覧、セクション２１１１．０３に規定されているように、各々閉鎖又は半閉鎖移行句であるものする。
Claims (110)
- 基材を規定する複数の連続繊維、及び前記基材の少なくとも一部に含まれる複数の整列した炭素繊維を含む複合材料であって、
前記複数の炭素繊維は９４％より大きい炭素含有量及び少なくとも２００ＧＰａの弾性率を有し、
前記複合材料は実質的に常磁性又は強磁性材料がない、
複合材料
を含む、物品。 - 前記炭素繊維がエタノール中に別個に含まれ、１００ｍＴの磁場を受けたとき、異方性反磁性応答を示す、請求項１に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維が前記基材内に含まれ、前記基材に対して実質的に直交して配置されている、請求項１又は２のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の炭素繊維が９５％より大きい炭素含有量を有する、請求項１－３のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の炭素繊維が９９％より大きい炭素含有量を有する、請求項１－４のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の炭素繊維が少なくとも３００ＧＰａの弾性率を有する、請求項１－５のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の炭素繊維が少なくとも５００ＧＰａの弾性率を有する、請求項１－６のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維の少なくとも５％が整列している、請求項１－７のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維の少なくとも５０％が整列している、請求項１－８のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維が炭素繊維を形成する実質的に配向したＣ－Ｃ結合を有する、請求項１－９のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維の少なくとも一部がピッチ前駆体に起因する、請求項１－１０のいずれか一項に記載の物品。
- 複数の整列した炭素繊維の少なくとも一部がポリマー前駆体に起因する、請求項１－１１のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維が５ｍｍ未満の平均長を有する、請求項１－１２のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維が５ｎｍ～１５ｍｍの平均長を有する、請求項１－１３のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維が５マイクロメートル～１００マイクロメートルの平均直径を有する、請求項１－１４のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維が前記複合材料の少なくとも３質量％を含む、請求項１－１５のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維が前記複合材料の９７質量％以下を含む、請求項１－１６のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維が、少なくとも５である、直径に対する長さの平均アスペクト比を有する、請求項１－１７のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維が、１００，０００未満である、直径に対する長さの平均アスペクト比を有する、請求項１－１８のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維が、１００未満である、直径に対する長さの平均アスペクト比を有する、請求項１－１９のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維の少なくとも一部が実質的に前記基材の厚さに及ぶ平均長を有する、請求項１－２０のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複合材料の少なくとも１質量％が前記複数の整列した炭素繊維を含む、請求項１－２１のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複合材料の少なくとも５質量％が前記複数の整列した炭素繊維を含む、請求項１－２２のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複合材料の少なくとも２０質量％が前記複数の整列した炭素繊維を含む、請求項１－２３のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複合材料の８５質量％以下が前記複数の整列した炭素繊維を含む、請求項１－２４のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維の少なくとも一部がコーティングで被覆されている、請求項１－２５のいずれか一項に記載の物品。
- 前記コーティングが界面活性剤、シランカップリング剤、エポキシ、グリセリン、ポリウレタン、及び／又は有機金属カップリング剤を含む、請求項２６に記載の方法。
- 前記コーティングがポリマー、セラミック、及び／又は金属を含む、請求項２６又は２７のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維の少なくとも一部が被覆されていない、請求項１－２８のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の連続繊維が生地を規定する、請求項１－２９のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の連続繊維の少なくとも一部がトウを規定する、請求項１－３０のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の連続繊維の少なくとも一部がフィラメント、糸、より糸、ベール、又はマットを規定する、請求項１－３１のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の連続繊維の少なくとも一部が一緒に集められて前記基材を規定する、請求項１－３２のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の連続繊維の少なくとも一部が一緒に織り交ぜられて前記基材を規定する、請求項１－３３のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の連続繊維の少なくとも一部が二配向性である、請求項１－３４のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の連続繊維の少なくとも一部が多配向性である、請求項１－３５のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の連続繊維の少なくとも一部が擬似等方性である、請求項１－３６のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の連続繊維の少なくとも一部が一緒に織られていない、請求項１－３７のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の連続繊維の少なくとも一部が一配向性である、請求項１－３８のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の連続繊維の少なくとも一部が天然繊維を含む、請求項１－３９のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の連続繊維の少なくとも一部が合成繊維を含む、請求項１－４０のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の連続繊維の少なくとも一部が炭素、玄武岩、シリコンカーバイド、アラミド、ジルコニア、ナイロン、ホウ素、アルミナ、シリカ、ボロシリケート、ムライト、熱可塑性樹脂、及び／又はコットンを含む、請求項１－４１のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の連続繊維の少なくとも一部が実質的に平行である、請求項１－４２のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の連続繊維が少なくとも５ミリメートルの平均長を有する、請求項１－４３のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の連続繊維が５マイクロメートル～１００マイクロメートルの平均直径を有する、請求項１－４４のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の連続繊維が、１００より大きいか又は等しい、直径に対する長さの平均アスペクト比を有する、請求項１－４５のいずれか一項に記載の物品。
- 前記基材が１０ｃｍ未満の平均厚さを有する、請求項１－４６のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複合材料が前記複数の連続繊維及び前記複数の整列した炭素繊維と結合するバインダーを更に含む、請求項１－４７のいずれか一項に記載の物品。
- 前記バインダーが樹脂を含む、請求項４８に記載の物品。
- 前記バインダーが熱可塑性の溶液、溶解物、ペレット、粉末、及び／又は樹脂を含む、請求項４８又は４９のいずれか一項に記載の物品。
- 前記バインダーが熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、金属、揮発性化合物、水、及び／又は油を含む、請求項４８－５０のいずれか一項に記載の物品。
- 前記バインダーが、エポキシ、ポリエステル、ビニルエステル、ポリエチレンイミン、ポリエーテルケトンケトン、ポリアリールエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリ（メチルメタクリレート）、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリアクリロニトリル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロン、シリコーンゴム、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ペルフルオロアルコキシアルカン、及び／又はスチレンブタジエンゴムを含む、請求項４８－５１のいずれか一項に記載の物品。
- 前記バインダーがプレセラミックモノマーを含む、請求項４８－５２のいずれか一項に記載の物品。
- 前記プレセラミックモノマーがシロキサン、シラザン、及び／又はカルボシランを含む、請求項４８－５３のいずれか一項に記載の物品。
- 基材を規定する複数の連続繊維、及び前記基材の少なくとも一部に含まれる複数の整列した炭素繊維を含む複合材料であって、
前記炭素繊維が別個に水中に含まれ、１００ｍＴの磁場を受けたとき、異方性反磁性応答を示す、複合材料
を含む、物品。 - 前記複数の反磁性炭素繊維が９４％より大きい炭素含有量及び少なくとも２００ＧＰａの弾性率を有し、
前記複合材料が実質的に常磁性又は強磁性材料がない、
請求項５５に記載の物品。 - 前記複数の炭素繊維が９５％より大きい炭素含有量を有する、請求項５５又は５６のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の炭素繊維が９９％より大きい炭素含有量を有する、請求項５５－５７のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の炭素繊維が少なくとも３００ＧＰａの弾性率を有する、請求項５５－５８のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維が前記基材に含まれ及び前記基材に実質的に直交して配置されている、請求項５５－５９のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維が炭素繊維を形成する実質的に配向したＣ－Ｃ結合を有する、請求項５５－６０のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維の少なくとも一部がピッチ前駆体に起因する、請求項５５－６１のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維の少なくとも一部がポリマー前駆体に起因する、請求項５５－６２のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維が前記複合材料の少なくとも３質量％を含む、請求項５５－６３のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維が前記複合材料の９７質量％以下を含む、請求項５５－６４のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維が、少なくとも５である、直径に対する長さの平均アスペクト比を有する、請求項５５－６５のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維の少なくとも一部が前記基材の厚さに実質的に及ぶ平均長を有する、請求項５５－６６のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複合材料の少なくとも１質量％が前記複数の整列した炭素繊維を含む、請求項５５－６７のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複合材料の８５質量％以下が前記複数の整列した炭素繊維を含む、請求項５５－６８のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維の少なくとも一部がコーティングで被覆されている、請求項５５－６９のいずれか一項に記載の物品。
- 前記コーティングが界面活性剤、シランカップリング剤、エポキシ、グリセリン、ポリウレタン、及び／又は有機金属カップリング剤を含む、請求項７０に記載の物品。
- 前記コーティングがポリマー、セラミック、及び／又は金属を含む、請求項７０又は７１のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の整列した炭素繊維の少なくとも一部が被覆されていない、請求項５５－７２のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の連続繊維が生地を規定する、請求項５５－７３のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の連続繊維の少なくとも一部が一緒に集められて前記基材を規定する、請求項５５－７４のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の連続繊維の少なくとも一部が一緒に織り交ぜられて前記基材を規定する、請求項５５－７５のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の連続繊維の少なくとも一部が一緒に織られていない、請求項５５－７６のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の連続繊維の少なくとも一部が天然繊維を含む、請求項５５－７７のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の連続繊維の少なくとも一部が合成繊維を含む、請求項５５－７８のいずれか一項に記載の物品。
- 前記複数の連続繊維の少なくとも一部が炭素、玄武岩、シリコンカーバイド、アラミド、ジルコニア、ナイロン、ホウ素、アルミナ、シリカ、ボロシリケート、ムライト、熱可塑性樹脂、及び／又はコットンを含む、請求項５５－７９のいずれか一項に記載の物品。
- 前記基材が１０ｃｍ未満の平均厚さを有する、請求項５５－８０のいずれ一項に記載の物品。
- 前記複合材料が前記複数の連続繊維及び前記複数の整列した炭素繊維と結合するバインダーを更に含む、請求項５５－８１のいずれか一項に記載の物品。
- ９４％より大きい炭素含有量及び少なくとも２００ＧＰａの弾性率を有する複数の炭素繊維を含む液体を基材を規定する複数の連続繊維に曝露する工程；
前記液体に磁場を印加して、複数の連続繊維内の前記炭素繊維の少なくとも一部の整列を生じさせる工程；及び
前記整列した炭素繊維を含む複合材料を形成する工程、
を含む、方法。 - 前記磁場は少なくとも１００ｍＴである、請求項８３に記載の方法。
- 前記磁場は少なくとも２００ｍＴである、請求項８３又は８４のいずれか一項に記載の方法。
- 前記液体を硬化して前記複合材料を形成させる工程を含む、請求項８３－８５のいずれか一項に記載の方法。
- 前記液体が水を含む、請求項８３－８６のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複数の反磁性炭素繊維が９４％より大きい炭素含有量及び少なくとも２００ＧＰａの弾性率を有し、前記複合材料が実質的に常磁性又は強磁性材料がない、請求項８３－８７のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複数の炭素繊維が９５％より大きい炭素含有量を有する、請求項８３－８８のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複数の炭素繊維が９９％より大きい炭素含有量を有する、請求項８３－８９のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複数の炭素繊維が少なくとも３００ＧＰａの弾性率を有する、請求項８３－９０のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複数の整列した炭素繊維の少なくとも５％を整列させる工程を含む、請求項８３－９１のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複数の整列した炭素繊維の少なくとも５０％を整列させる工程を含む、請求項８３ー９２のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複合材料の少なくとも１質量％が前記複数の整列した炭素繊維を含む、請求項８３－９３のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複合材料の少なくとも５質量％が前記複数の整列した炭素繊維を含む、請求項８３－９４のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複合材料の少なくとも２０質量％が前記複数の整列した炭素繊維を含む、請求項８３－９５のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複合材料の８５質量％以下が複数の整列した炭素繊維を含む、請求項８３－９６のいずれか一項に記載の方法。
- 複数の炭素繊維を含む液体を基材を規定する複数の連続繊維に曝露する工程であって、前記炭素繊維はエタノール中に別個に含まれ、２００ｍＴの磁場を受けたとき、異方性反磁性応答を示す工程；
前記液体に磁場を印加して、前記複数の連続繊維内の炭素繊維の少なくとも一部の整列を生じさせる工程；及び
前記整列した炭素繊維を含む複合材料を形成する工程、
を含む、方法。 - 前記液体を硬化して前記複合材料を形成する工程を含む、請求項９８に記載の方法。
- 前記液体が水を含む、請求項９８又は９９のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複数の反磁性炭素繊維が９４％より大きい炭素含有量及び少なくとも２００ＧＰａの弾性率を有し、前記複合材料が実質的に常磁性又は強磁性材料がない、請求項９８－１００のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複数の炭素繊維が９５％より大きい炭素含有量を有する、請求項９８－１０１のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複数の炭素繊維が９９％より大きい炭素含有量を有する、請求項９８－１０２のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複数の炭素繊維が少なくとも３００ＧＰａの弾性率を有する、請求項９８－１０３のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複数の整列した炭素繊維の少なくとも５％を整列させる工程を含む、請求項９８－１０４のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複数の整列した炭素繊維の少なくとも５０％を整列させる工程を含む、請求項９８－１０５のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複合材料の少なくとも１質量％が前記複数の整列した炭素繊維を含む、請求項９８－１０６のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複合材料の少なくとも５質量％が前記複数の整列した炭素繊維を含む、請求項９８－１０７のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複合材料の少なくとも２０質量％が前記複数の整列した炭素繊維を含む、請求項９８－１０８のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複合材料の８５質量％以下が前記複数の整列した炭素繊維を含む、請求項９８－１０９のいずれか一項に記載の方法。
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