JP6695797B2 - ナノ構造状に配列したマルチスケール複合材料の製造方法 - Google Patents
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Description
この非仮出願は、2013年7月29日に出願した米国仮出願61/958,485の利益と優先権を主張する。かかる先の出願及び本明細書で参照するすべての文献は、本明細書に完全に説明されたごとく参照により本明細書に援用する。
この開示は、一般的に、改善された一体性を有する複合材料をもたらすナノ構造マルチスケール複合材料の製造方法に関する。より具体的には、本開示は、マトリックス材料中に分散した、配列した高アスペクト比のナノ構造体を提供し、配列したナノ構造体とマトリックス材料との混合物を隣接する受け入れ多孔質媒体中に移送し、ついでナノ構造体の配列を実質的に維持しながら、マトリックス材料を受け入れ多孔質媒体内で固化させる方法に関する。
ナノスケールの粒子を組み込んだ複合材料は、よく知られている。ナノ材料は、ナノテクノロジーについて物質科学に基づくアプローチを取る分野である。ナノスケールの構造体を組み込んだ材料は、ナノスケールの次元(dimension)を有する形態的特徴から生じる独特の性質を有し得る。この点に関し、用語「ナノスケール」は、しばしば、少なくとも1つの次元において1ナノメートルよりも小さいものと定義される。しかしながら、実際には、そして現存する商業製品において、いくつかのナノ構造体は、1ナノメートルよりも有意に大きな最小次元を有する場合がある。他方、最近のナノテクノロジーの発展は、また、1ナノメートルよりも実質的に小さい次元を有するいくつかの構造体を作り出している。したがって、本開示の目的のためには、「ナノスケール」は、0.1ナノメートルから1000ナノメートルまでと定義されることを理解すべきである。「ナノスケールの材料」は、繊維、粒子等のナノスケールの構造体「ナノ構造体」を、非結合状態で、又は強凝集体若しくは弱凝集体として含有する天然の、偶発的な、又は製造された材料である。
「高アスペクト比ナノ構造体」は、その次元の少なくとも1つがその最も小さい次元のよりも少なくとも5倍長いナノ構造体であり、
「繊維状ナノカーボン」は、大部分量のカーボンを有する組成を持ち、その有効直径が前記ナノスケール範囲(すなわち、0.1ナノメートルから1000ナノメートルまで)内にある長形状(long-shaped)の高アスペクト比ナノ構造体である。
本開示は、ナノ構造体をマトリックス材料内で配列させて、配列した混合物を規定し、ついでナノ構造体が受け入れ多孔質媒体内で共通の方向に主に配列されるように、ナノ構造体の配列を実質的に維持しつつFRP、布帛等の受け入れ多孔質媒体中に移送させるという方法を提供することによって、先行技術に対する利点及び代替を提供するものである。
先に示したように、本開示は、ナノ構造のマルチスケール複合材料を製造するための方法を提供する。例示のプラクティスによると、その方法は、マトリックス材料内に分散した高アスペクト比ナノ構造体を配列させて、高アスペクト比ナノ構造体の実質的な厚さ方向配列を有する前駆体ナノ構造体/マトリックス混合物を生成する工程を含む。前記混合物は、固化しても、液体状態のままであってもよく、その後、マイクロスケールファイバー構造体を含み得る受け入れ多孔質媒体中に流れ移送させる。次に、このマトリックス材料を、受け入れ多孔質媒体内で固化して、マルチスケール複合材料を形成する。高アスペクト比ナノ構造体は、その配向を受け入れ多孔質媒体内で維持する。それにより、高アスペクト比ナノ構造体は、この方法により、実質的にz軸配列し、受け入れ多孔質媒体を刺通する。この点に関し、z軸は、受け入れ多孔質媒体に入る間の混合物の流れ方向に実質的に相当し、混合物が入り込む受け入れ多孔質媒体の表面に実質的に垂直の方向に沿っていることを理解すべきである。したがって、受け入れ多孔質媒体が、その厚さ方向がz軸方向にも配向しているならば、高アスペクト比ナノ構造体は、当該方法が終了した後には、受け入れ多孔質媒体の厚さ方向に配列するものである。
マイクロスケールEガラス繊維システムを修飾して水平(緯糸)Eガラス繊維トウを除去したので、個々に切り取った垂直繊維トウに対し、顕微鏡分析を行うことができた。ついて、図7の真空力装置を用いて、繊維状ナノカーボンとエポン(登録商標)852エポキシのあらかじめ配列させた混合物を超多孔質スポンジからマイクロスケールEガラス繊維システム中へ移送させた。ついで、得られた複合材料を十分に硬化させて、繊維状ナノカーボンが厚さ方向に主に配列した、Eガラス繊維とエポン(登録商標)852エポキシのマトリックスの単一層複合材料を生成した。図10は、Eガラス繊維システム/エポン852/z配列繊維状ナノカーボンの破砕単一層複合体の高倍率での詳細な顕微鏡写真画像を示す。図10に示されているように、繊維状ナノカーボンは、複合材料の厚さ方向に実質的に配列し、また、多くの繊維状ナノカーボンがEガラス繊維アレイを刺通していた。
例1の製造方法をすべての点で繰り返したが、Eガラス繊維システムを炭素繊維システムで置き換えた。CNFの配列と、炭素繊維アレイに対する厚さ方向の刺通が得られた。
複合積層体を、エポキシ内炭素繊維の2つのZ配列CNF刺通プリプレグで形成した。個々のプリプレグを、エポキシ内のカーボンナノファイバーの電場誘起配列を用い、その後、図7に関して記載した真空力装置を用いてマイクロスケール炭素繊維アレイ中に移送することによって各々調製した。図11に示すように、得られた固化CNF配列プリプレグにおいて、CNFは、表面を通して延びている。次に、2つ以上のこのような予備成形プリプレグを、プリプレグ間の界面での局所的再溶融、その後の固化により融合構造を形成することによって複合積層体に合体させることができる。得られた積層構造を図12に示す。図12において、大きな円は、図から突き出る「X」方向に一般に配向した1つの層中のマイクロスケールカーボンマトリックス繊維である。水平な円筒は、隣接するプリプレグ層中のマイクロスケールカーボンマトリックス繊維である。図示のように、プリプレグからのCNFの一部は、プリプレグ層間の界面をよぎって刺通関係で伸びている。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1](a)マトリックス材料内に分散した、厚さ方向に配列した高アスペクト比ナノ構造体を含有する混合物を提供する工程、
(b)前記混合物を、流れ移送方向に沿って受け入れ多孔質媒体中に流れ移送する工程、及び
(c)前記受け入れ多孔質媒体内の前記マトリックス材料を固化して、前記高アスペクト比ナノ構造体が実質的に前記流れ移送方向に沿って配列するように複合材料を形成する工程
を備えるナノ構造マルチスケール複合材料の製造方法。
[2]前記混合物を、第1の多孔質媒体から前記受け入れ多孔質媒体に移送する[1]に記載の方法。
[3]前記第2の多孔質媒体が、前記流れ移送方向に対して交差して配向したマイクロスケール構造体を含む[1]に記載の方法。
[4]前記混合物は、前記流れ移送工程前に固体状態にあり、ついでこれを流れ移送中に一時的に液化させる[1]に記載の方法。
[5]前記高アスペクト比ナノ構造体を、電場又は磁場の印加により前記マトリックス材料内で配列させる[1]に記載の方法。
[6]前記高アスペクト比ナノ構造体が、繊維状ナノカーボンである[1]に記載の方法。
[7]前記高アスペクト比ナノ構造体が、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンナノロッド、及びそれらの組合せからなる群の中から選ばれた繊維状ナノカーボンである[6]に記載の方法。
[8]前記混合物を第1の多孔質媒体から前記受け入れ多孔質媒体中に移送し、前記第1の多孔質媒体が、前記受け入れ多孔質媒体よりも大きな多孔率を有する[1]に記載の方法。
[9]前記マトリックス材料が、ポリマーを含む[1]に記載の方法。
[10]前記ポリマーが、エポキシ、ポリエステル、ビニルエステル、ビスマレイミド、ポリイミド、シアナートエステル、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、ポリスルホン及びそれらの組合せからなる群の中から選ばれる[1]に記載の方法。
[11]前記受け入れ多孔質媒体が、マイクロスケール範囲内の大多数の繊維を有するマイクロスケールファイバーシステムを含み、前記マイクロスケールファイバーシステム中の少なくとも複数の繊維が、前記流れ移送方向に対して交差する長さ次元をもって配向する[1]に記載の方法。
[12]前記マイクロスケールファイバーシステムが、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ポリマー繊維、天然繊維、ボロン繊維、ナノチューブ撚糸、ナノファイバー撚糸、紡績ナノチューブマイクロファイバー、紡績ナノファイバーマイクロファイバー、セラミック繊維又はそれらのいずれかの組合せのからなる群の中から選ばれる[11]に記載の方法。
[13]前記流れ移送工程が、前記混合物への圧縮力の適用を含む[1]に記載の方法。
[14]前記流れ移送工程が、固体状態からの前記マトリックス材料の液化を含む[1]に記載の方法。
[15]前記流れ移送工程中に、液化が、前記混合物の前記受け入れ多孔質媒体に向いている表面で開始し、前記混合物の、前記受け入れ多孔質媒体とは反対側を向く外側表面に向けて外側へ進行する[14]に記載の方法。
[16]液化を、熱の適用により生じさせる[14]に記載の方法。
[17]液化中に、液化速度を減少させるために、前記混合物の、前記受け入れ多孔質媒体とは反対側の外側表面を強制的に冷却する[14]に記載の方法。
[18] [1]の方法により製造されたマルチスケール複合材料。
[19](a)固化したマトリックス材料内に分散した厚さ方向に配列した高アスペクト比ナノ構造体を含有する、厚さ方向を有する固体状態の混合物構造体を提供する工程、
(b)液化工程と同時に、前記混合物を流れ移送方向に沿って受け入れ多孔質媒体中に流れ移送する工程であって、前記液化工程は、前記マトリックス材料を前記混合物構造体の厚さ方向において漸進的に液化させるものであり、前記マトリックス材料の液化は、前記流れ移送中に、前記混合物構造体の、前記受け入れ多孔質媒体に向いている表面で開始し、前記混合物構造体の、前記受け入れ多孔質媒体とは反対側を向いている外側表面に向かって外側へ進行するところの工程、
(c)前記高アスペクト比ナノ構造体が前記流れ移送方向に沿って実質的に配列されるように前記受け入れ多孔質媒体内の前記マトリックス材料を固化して複合材料を形成する工程
を含むナノ構造のマルチスケール複合材料の製造方法。
[20] [19]の方法によって製造されたマルチスケール複合材料。
Claims (18)
- (a)マトリックス材料内に分散した、厚さ方向に配列した高アスペクト比ナノ構造体を含有する混合物を提供する工程、
(b)前記混合物を、受け入れ多孔質媒体の厚さ方向に沿って受け入れ多孔質媒体中に流れ移送する工程、及び
(c)前記受け入れ多孔質媒体内の前記マトリックス材料を固化して、前記高アスペクト比ナノ構造体が前記受け入れ多孔質媒体の厚さ方向に沿って配列するように複合材料を形成する工程
を備えるナノ構造マルチスケール複合材料の製造方法。 - 前記混合物を、第1の多孔質媒体から前記受け入れ多孔質媒体に移送する請求項1に記載の方法。
- 前記受け入れ多孔質媒体が、前記受け入れ多孔質媒体の厚さ方向に対して交差するように配向したマイクロスケール構造体を含む請求項1に記載の方法。
- 前記混合物は、前記流れ移送工程前に固体状態にあり、ついでこれを流れ移送中に一時的に液化させる請求項1に記載の方法。
- 前記高アスペクト比ナノ構造体を、電場又は磁場の印加により前記マトリックス材料内で配列させる請求項1に記載の方法。
- 前記高アスペクト比ナノ構造体が、繊維状ナノカーボンである請求項1に記載の方法。
- 前記高アスペクト比ナノ構造体が、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンナノロッド、及びそれらの組合せからなる群の中から選ばれた繊維状ナノカーボンである請求項6に記載の方法。
- 前記混合物を第1の多孔質媒体から前記受け入れ多孔質媒体中に移送し、前記第1の多孔質媒体が、前記受け入れ多孔質媒体よりも大きな多孔率を有する請求項1に記載の方法。
- 前記マトリックス材料が、ポリマーを含む請求項1に記載の方法。
- 前記ポリマーが、エポキシ、ポリエステル、ビニルエステル、ビスマレイミド、ポリイミド、シアナートエステル、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、ポリスルホン及びそれらの組合せからなる群の中から選ばれる請求項1に記載の方法。
- 前記受け入れ多孔質媒体が、マイクロスケール範囲内の大多数の繊維を有するマイクロスケールファイバーシステムを含み、前記マイクロスケールファイバーシステム中の少なくとも複数の繊維が、前記受け入れ多孔質媒体の厚さ方向に対して交差する長さ次元をもって配向する請求項1に記載の方法。
- 前記マイクロスケールファイバーシステムが、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ポリマー繊維、天然繊維、ボロン繊維、ナノチューブ撚糸、ナノファイバー撚糸、紡績ナノチューブマイクロファイバー、紡績ナノファイバーマイクロファイバー、セラミック繊維又はそれらのいずれかの組合せのからなる群の中から選ばれる請求項11に記載の方法。
- 前記流れ移送工程が、前記混合物への圧縮力の適用を含む請求項1に記載の方法。
- 前記流れ移送工程が、固体状態からの前記マトリックス材料の液化を含む請求項1に記載の方法。
- 前記流れ移送工程中に、液化が、前記混合物の前記受け入れ多孔質媒体に向いている表面で開始し、前記混合物の、前記受け入れ多孔質媒体とは反対側を向く外側表面に向けて外側へ進行する請求項14に記載の方法。
- 液化を、熱の適用により生じさせる請求項14に記載の方法。
- 液化中に、液化速度を減少させるために、前記混合物の、前記受け入れ多孔質媒体とは反対側の外側表面を強制的に冷却する請求項14に記載の方法。
- (a)固化したマトリックス材料内に分散した厚さ方向に配列した高アスペクト比ナノ構造体を含有する、厚さ方向を有する固体状態の混合物構造体を提供する工程、
(b)液化工程と同時に、前記混合物を受け入れ多孔質媒体の厚さ方向に沿って受け入れ多孔質媒体中に流れ移送する工程であって、前記液化工程は、前記マトリックス材料を前記混合物構造体の厚さ方向において漸進的に液化させるものであり、前記マトリックス材料の液化は、前記流れ移送中に、前記混合物構造体の、前記受け入れ多孔質媒体に向いている表面で開始し、前記混合物構造体の、前記受け入れ多孔質媒体とは反対側を向いている外側表面に向かって外側へ進行するところの工程、
(c)前記高アスペクト比ナノ構造体が前記受け入れ多孔質媒体の厚さ方向に沿って配列されるように前記受け入れ多孔質媒体内の前記マトリックス材料を固化して複合材料を形成する工程
を含むナノ構造のマルチスケール複合材料の製造方法。
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