KR20090087438A - 탄소 나노 튜브를 포함한 물질, 이러한 물질의 제조 방법 및 용도 - Google Patents

탄소 나노 튜브를 포함한 물질, 이러한 물질의 제조 방법 및 용도 Download PDF

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Abstract

입자 또는 분말 형태의 물질은 탄소 나노 튜브(CNT)를 함유하며, 물질에서 예를 들면 금속은 10nm 내지 100,000nm 두께의 CNT의 층과 교대로 배열되는 10nm 내지 500,000nm 두께의 층으로 라미네이트된다.
이 물질은 기계적 합금에 의해, 즉 반복된 변형, 금속 입자 및 CNT 입자의 분쇄 및 용접에 의해, 바람직하게는 밀링 바디로서 밀링 챔버와 밀링 볼 및 높은 에너지의 볼 충돌을 발생시키는 회전체를 포함하는 볼 밀에서의 밀링에 의해 제조된다.

Description

탄소 나노 튜브를 포함한 물질, 이러한 물질의 제조 방법 및 용도 {Material containing carbon nano tubes, method for their production and use of the materials}
본 발명은 탄소 나노 튜브를 포함한 물질에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이 물질의 제조 방법 및 성형체를 위한 물질의 용도에 관한 것이다.
탄소 나노 튜브는 공지이다. 탄소 나노 튜브에 대한 다른 동의어는 나노-크기의 탄소 튜브 또는 CNT라는 약어이다. 해당업계에서 사용되는 가장 일반적인 명칭, 즉 CNT를 이하에서 사용한다. CNT는 풀러렌(fullerene)이고 폐쇄 다면체 구조를 갖는 탄소 변형체이다. CNT에 관해 공지된 응용 분야는 반도체 분야에서 또는 전통적인 플라스틱(www.de.wikipedia.org "탄소 나노 튜브")의 기계적 성질을 개선하는 분야에서 찾을 수 있다.
본 발명의 목적은 CNT 사용 영역을 확장하는 것이며 이로부터 형성된 신규한 물질 및 물체를 제안하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은 CNT 층과 교대로 배열되는 층에 라미네이트되는 적어도 하나의 고분자 및 적어도 하나의 금속 중 적어도 하나를 포함하는 물질에 의해 이루어진다.
물질은 과립형이나 입자 형태로 유익하게 존재하는데, 여기서 입자 크기는 0.5μm 내지 2000μm, 유익하게 1μm 내지 1000μm이다. 금속 또는 고분자의 개개 층의 두께는 10nm 내지 500,000nm, 유익하게 20nm 내지 200,000nm일 수 있다. CNT의 개개 층의 두께는 10nm 내지 100,000nm, 유익하게 20nm 내지 50,000nm의 범위일 수 있다.
적절한 금속은 철과 비철 금속 및 귀금속이다. 적절한 철 금속은 철, 코발트와 니켈, 이들의 합금 및 강철이다. 비철 금속은 알루미늄, 마그네슘 및 티타늄 등등 및 이들의 합금을 포함한다. 금속의 또 다른 예들은 바나듐, 크롬, 망간, 구리, 아연, 주석, 탄탈 또는 텅스텐 및 이들의 합금, 또는 청동(bronze)과 황동(brass)의 합금일 수 있다. 또한, 로듐, 팔라듐, 백금, 금 및 은이 사용될 수 있다. 상기 금속은 순수하게 또는 혼합물로 조합되어 사용될 수 있다. 알루미늄 및 알루미늄의 합금이 바람직하다. 순수 알루미늄뿐만 아니라 알루미늄 합금도 바람직하다. 본 발명에 따른 방법에서 금속은 입자 또는 과립형 또는 분말 형태로 사용된다. 금속의 전형적인 입자 크기는 5μm 내지 1,000μm, 적절하게 15μm 내지 1,000μm이다.
적절한 고분자들은 열가소성, 탄성 또는 듀로플라스틱(duroplastic) 고분자들이다. 예는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌과 같은 폴리올레핀, 시클로-올레핀 공중합체, 폴리아미드 6, 12, 66, 610 또는 612와 같은 폴리아미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트와 같은 폴리에스테르, 폴리아크릴로니트릴, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐아세테이트, 스티렌-부타디엔 공중합체, 아크릴로니트릴-부타디엔 공중합체, 폴리우레탄, 폴리아크릴레이트 및 공중합체, 알키드 수지, 에폭시드, 페놀-포름알데히드 수지, 요소-포름알데히드 수지 등이다. 본 발명에 따른 방법에서, 고분자는 입자형 또는 과립형 또는 분말 형태로 순수하게 또는 함께 혼합되어 사용되거나 또는 금속과의 혼합물로 사용된다. 고분자의 전형적인 입자 크기는 5μm 내지 1,000μm이고, 적절하게 15μm 내지 1,000μm이다.
예를 들면, 적절한 CNT는 레이저에 의하여 또는 가스 치환에 의하여 아크(arc)에서 촉매적으로 제조된 물질이다. CNT는 단일-벽 또는 다중-벽 또는 2개-벽일 수 있다. CNT는 개방 또는 폐쇄 튜브일 수 있다. CNT의 직경은 0.4nm(나노미터) 내지 50nm이고 길이는 5nm 내지 50,000nm일 수 있다. CNT는 스폰지형 구조(sponge-like structure), 즉 2- 또는 3-차원 골격체(skeletal body)를 가질 수 있으며, 이러한 골격체는 서로 가교-결합된 탄소 나노 튜브를 구성한다. 개별적 튜브의 직경은 상기에서 제공된 범위, 예를 들면 0.4nm 내지 50nm에서 변동한다. 스폰지 구조의 크기(extent), 즉 CNT 골격체의 측면 길이는 각각의 치수(dimension)로 예를 들면 10nm 내지 50,000nm, 유익하게 1,000nm 내지 50,000nm로 제공될 수 있다.
예를 들면, 본 발명에 따른 물질은 물질에 대해 0.1 내지 50중량%의 CNT를 함유할 수 있다. 적절한 양은 물질에서 0.3 내지 40중량%, 바람직하게 0.5 내지 20중량% 및 특히 1 내지 10중량%의 CNT이다. 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 물질의 금속을 구성하면, 물질은 물질에 대해 0.5 내지 20중량%의 CNT를 적절하게 함유할 수 있으며, 여기서 3 내지 17중량%의 CNT가 바람직하며, 3 내지 6중량%의 CNT가 특히 바람직하다.
물질은 상기 금속과 상기 CNT를 포함할 수 있거나, 상기 금속, 고분자 및 CNT를 포함할 수 있거나 또는 상기 고분자와 CNT를 포함할 수 있거나, 또는 상기에 열거된 물질은 또한 추가 첨가물(admixture), 예를 들면 기능성 첨가물을 함유할 수 있다. 예를 들면, 기능성 첨가물은 그을음(soot), 흑연 및 다이아몬드 변형체 형태의 탄소, 유리, 탄소 섬유, 플라스틱 섬유, 무기 섬유, 유리 섬유, 실리케이트, 세라믹 물질, 예를 들면 위스커(whisker)로 공지된 섬유 형태의 알루미늄 또는 규소의 탄화물 또는 질화물, 가령 탄화알루미늄, 질화알루미늄, 탄화규소 또는 질화규소일 수 있다.
본 발명에 따른 물질은 금속, 고분자 및 CNT를 각각의 비율로 기계적으로 합금하여 제조될 수 있다. 기계적 합금(mechanical alloying)은 금속 또는 고분자의 분말 입자 및 CNT를 분쇄하고 용접하는, 반복된 변형에 의해 수행될 수 있다. 본 발명에 따르면, 높은 에너지의 볼 충돌을 갖는 볼 밀(ball mill)이 기계적 합금에 특히 적절하다. 적절한 에너지 공급은 예를 들면 볼 밀에서 달성되며, 볼 밀의 밀링 챔버(milling chamber)는 원통형, 바람직하게 원형 원통형의 단면을 갖고, 이러한 밀링 챔버는 일반적으로 수평으로 배치된다. 밀링 생성물 및 밀링 볼은 챔버의 원통축(cylinderical axis)에 대해 회전하는 밀링 챔버에 의해 움직이게 되고, 원통축의 방향으로 밀링 챔버 내부로 이어지는 그리고 다수의 캠(cam)들로 고정된 구동 회전체(driven rotary body)에 의해 더욱 가속화된다. 밀링 볼의 속도는 4m/s 이상, 적절하게는 11m/s 이상에서 유익하게 설정된다. 유익하게, 밀링 볼의 속도는 11 내지 14m/s이다. 또한, 회전체 상에 다수의 캠들이 전체 길이에 분포되어 배치된 회전체가 유익하다. 예를 들면, 캠들은 밀링 챔버의 반지름의 1/10 내지 9/10, 바람직하게는 4/10 내지 8/10에 걸쳐 배열될 수 있다. 또한, 원통축으로 밀링 챔버의 전체 길이보다 더 연장하는 길이의 회전체가 유익하다. 회전체 및 밀링 챔버가 서로 독립적으로 또는 동시적으로 구동되고, 외부 드라이브에 의해 움직이게 된다. 밀링 챔버와 회전체는 동일한 방향으로 회전할 수 있거나, 또는 바람직하게 반대 방향으로 회전할 수 있다. 밀링 챔버가 비워지고 밀링 공정이 진공 상태에서 작동될 수 있거나, 또는 밀링 챔버가 보호 또는 불활성 기체로 채워질 수 있다. 보호기체의 예는 예를 들면 N2, CO2이고 불활성 기체의 예는 He 또는 Ar이다. 밀링 챔버와 여기에서 가공된 생성물이 가열되거나 냉간될 수 있다. 일부의 경우에 있어서, 밀링은 극저온으로 수행될 수 있다.
전형적인 밀링 기간은 10시간 이하이다. 최소의 밀링 기간은 적절하게 15분이다. 바람직한 밀링 기간은 15분 내지 5시간이다. 특히 바람직하게, 밀링 기간은 30분 내지 3시간, 특히 2시간까지이다.
볼 충돌은 에너지 전달의 주된 기반이다. 에너지 전달은 식 Ekin = mv2로 나타낼 수 있으며, 여기서 m은 볼의 질량이고 v는 볼의 상대속도이다. 볼 밀에서의 기계적 합금은 예를 들면 2.5mm의 직경과 약 50g의 무게를 갖는 강철 볼을 사용하여, 또는 동일한 직경과 0.4g의 무게를 갖는 산화지르코늄 볼(ZrO2)을 사용하여 일반적으로 수행된다.
볼 밀로의 에너지 공급에 수반하여, 금속과 고분자 층들 및 CNT 층들이 바람직하게 분포된 물질이 제조된다. 더 많은 에너지가 공급됨에 따라 개개 층들의 두께가 바뀔 수 있다. 에너지 공급뿐만 아니라 밀링 공정에 제공되는 CNT 구조의 두께가 밀링된 물질에 있는 CNT 층의 두께를 조절할 수 있다. 에너지 공급을 증가시키면, 개별 층들의 두께가 감소될 수 있고 각각의 층은 층의 표면적에 대해 확장될 수 있다. 예를 들면, 표면적에서의 확장을 증가시키면, 개개의 CNT 층들이 접촉할 수 있으며, 이는 2 차원의 완전한 CNT 층들 또는 2차원으로 확장하는 CNT 층을 형성하며, 이러한 층들은 입자를 통해 접촉한다. 따라서, 첫째로 CNT의 우수한 성질, 예를 들면 열 전도도와 전기 전도도 및 둘째로 금속의 연성이나 고분자의 탄성이 본 발명의 물질에서 실제적으로 보유된다.
본 발명에 따른 물질의 성질의 또 다른 조절은 서로 다른 출발 물질들로부터 2개 이상의 물질을 혼합함으로써 및/또는 제조하는 동안 서로 다른 수준들의 에너지 공급으로 달성될 수 있다. 또한, CNT가 없는 플라스틱 또는 금속과 같은 물질과 CNT를 포함하는 하나 이상의 물질은 혼합되거나 기계적으로 합금, 즉 분쇄될 수 있다. 상기 하나 이상의 물질과 함께 사용가능한 서로 다른 재료들은 혼합되거나 또는 제2 분쇄(grinding) 또는 몇차례의 분쇄들을 거치게 될 수 있다. 예를 들면, 제2 분쇄 또는 연속하는 분쇄는 10시간 이하의 밀링 기간을 가질 수 있다. 제2 분쇄를 위한 최소 시간은 적절하게 5분이다. 10분 내지 5시간의 제2 분쇄 기간이 바람직하다. 15분 내지 3시간, 특히 2시간까지의 제2 밀링 기간이 특히 바람직하다.
예를 들면, 높은 CNT 함량을 갖는 본 발명에 따른 물질과 낮은 CNT 함량의 물질 또는 서로 다른 수준의 에너지가 공급된 물질들이 제2 밀링 공정에서 처리될 수 있다. 또한, CNT-함유 금속, 예를 들면 CNT-함유 알루미늄과 같이 하나의 CNT를 포함하는 물질은 제2 밀링 공정에서 CNT가 없는 금속, 예를 들면 또한 CNT가 없는 알루미늄으로 처리될 수 있다. 제2 밀링 공정 또는 몇차례의 밀링 공정들 또는 기계적 합금은 생성 물질이 완전히 균질화되지 않는 한에서만 지속 되지만, 최종 물질에서 각 재료 또는 물질에 고유한 성질은 유지되고 효과는 보완적이다.
전술된 방법을 사용하여, CNT 자체로 목표로한 가공을 불가능하게 만드는 CNT에 고유한 성질들이 가령, 금속의 비중(specific weight)에 대해 낮은 비중 및 금속을 통한 CNT의 불량한 가교결합성이 극복될 수 있다. 따라서, 예를 들면 서로 다른 밀도를 위하여, 알루미늄에 대해 2.7g/cm3 및 CNT에 대해 1.3g/cm3의 밀도가 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 물질은 예를 들면 용사 압착법(spray compacting), 열용사법(thermal spray method), 플라즈마 용사법(plasma spraying), 압출법(extrusion method), 소결법(sintering method), 압력제어형 함침법(pressure-controlled infiltration method) 또는 압력 주조법(pressure casting)에 의해 제조되는 층 및 반제품을 포함하는 성형체에 사용된다.
본 발명에 따른 물질은 예를 들면 용사 압착법에 의해 결과적으로 성형체로 가공될 수 있다. 용사 압착법에서, 금속 용융물, 예를 들면 강철, 마그네슘 또는 바람직하게는 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 용융물이 가열된 도가니를 지나 분무 헤드로 지나가게 되고, 여기서 미세한 액적으로 미립화되고, 기판 또는 베이스 위로 분무된다. 초기에 여전히 용융 액체로서 존재하는 액적은 미립화 장치(atomisation device)로부터 아래에 놓여있는 기판으로 낙하비행하는 동안 냉간한다. 입자 흐름은 기판에 고속으로 접촉하여 소위 퇴적물(deposit)로 성장하고, 완전히 경화하며, 더욱 냉간한다. 용사 압착법에서, 형성 공정을 위하여 작은 용융 입자들의 "액체에서 고체"로의 특정 상 전이를 사용하는데, 이러한 상 전이는 상태로서 정확히 정의하는 것이 어려우며, 작은 용융 입자는 폐쇄 물질 화합물(closed material compound)로 함께 성장한다. 이러한 경우에는, CNT를 함유한 본 발명에 따른 물질은 분말 형태로 미립화 장치에 공급되고 미세 금속 액적은 금속 용융물의 미립화 공정으로부터 분무된다. 공정은 CNT를 함유하는 물질이 용융되지 않거나 표면에서만 용융되고 해혼합(de-mixing)이 존재하지 않도록 제어된다. 물질과 금속 액적의 입자 흐름은 고속으로 기판에 충돌하고 퇴적물로 성장한다. 턴테이블, 회전 로드 또는 플레이트와 같은 기판에 따라, 형성체로서 볼트와 같은 강체(solid body), 튜브와 같은 중공체(hollow body) 또는 시트(sheet) 또는 프로파일과 같은 물질 스트립(material strip)들이 제조된다. 퇴적물은 매립된 CNT와 금속의 밀집한(intimate) 균질 혼합물인데, 구조물에서 구성성분이 바람직하게 고르게 배열되어 있다. 예를 들면, 퇴적물은 볼트의 형태를 가질 수 있다. 볼트의 압출과 같은 후속적 처리 단계에서, 얇은 판 구조(lamellar structure)를 갖는 매우 치밀하고 결점이 없는 반제품(튜브, 쉬트 등등) 또는 성형체가 제조될 수 있다. 반제품 및 성형체는 예를 들면 정도가 다양한 구조적 이방성 및 전기 전도도, 열 전도도, 강도 및 연성과 같은 기계적 및 물리적 성질을 갖는다. 본 발명에 따른 물질의 또 다른 응용은 중성자-흡수 커튼, 방사선 완화 또는 방사선 보호를 위한 층의 생성의 범주에 존재한다.
본 물질은 다른 방법으로 성형체 또는 층으로서 사용될 수 있으며, 여기서 성형체는 플라즈마 용사 또는 냉간 기체 용사와 같은 열 용사 방법에 의해 제조된다. 열 용사 방법에서, 분말형 물질들이 에너지 공급원 내부로 주입되고, 공급원에서 공정 변형에 의존하여 오직 가열되거나, 용융되거나 또는 완전히 용융되며, 코팅될 표면 방향으로 고속으로(방법 및 변수의 선택에 따라, 몇m/s 내지 1500m/s) 가속화되며, 여기서 발생하는 입자는 층으로 퇴적된다. 이상적으로 가열되거나 표면에서만 용융되는 입자가 매우 높은 운동 에너지로 기판에 충돌하는 경우, CNT는 바람직하게 액적면(droplet plane)에, 즉 조사(irradiation) 및 충격(impact)의 방향에 대해 가로로 놓인다. 이것은 인장 강도와 같은 물성의 이방성을 제어한다.
또한, 본 발명의 기반을 형성하는 CNT-함유 물질은 압출법, 소결법 또는 다이캐스팅법(diecasting method)에 의해 성형체로 가공될 수 있다. 압력 또는 다이캐스팅에서, 높은 금속 압력으로 느리게 특히 층상으로 연속적으로 몰드를 충진하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 복합 물질은 액화된 금속으로 다공성 섬유 또는 입자 성형체를 침윤(infiltration)시켜 제조될 수 있다.
이러한 압력 또는 다이캐스팅법에서, 본 발명에 따른 물질이 적합하게 제공되며, CNT를 함유하는 금속이 분말 매트릭스 물질로서 주조 몰드에 제공된다. 물질의 용융점 아래 있는 용융점을 갖는 금속, 예를 들면 알루미늄-함유 물질에 있어서, 750℃이하의 용융점을 갖는 금속이 가열된 주조 몰드 안으로 천천히 가압된다. 액체 금속은 가해진 압력 하에서 분말 매트릭스 물질을 침투한다. 그 다음에 주조 몰드는 냉각되고 성성체는 몰드에서 제거된다. 또한, 이 방법은 연속적으로 수행될 수 있다. 하나의 변형 실시예에 있어서, 금속, 예를 들면 알루미늄은, 요변성 거동(thixotropic behaviour)을 가지며, CNT가 혼입된 예비생성물(preproduct)로 가공된다. 액화 금속 대신에, 특정 상태(일부 액체, 일부 고체)에서 요변성인 CNT를 함유하는 미리 가열된 금속이 주조 몰드 안으로 가압된다. 또한, 개개의 입자들에서 금속이 CNT 층과 교대로 배치되는 층에 배열되어 있는 입자 또는 과립 형태의 물질을 주조 몰드에 벌크 생성물로서 넣고, 주조 몰드를 가열하고, 생성되는 성형체에 공극 또는 핀홀이 없도록 압력 하에서 완전하게 몰드를 충진하는 것이 가능하다. 결국, 성기게 혼합된 금속 분말, 예를 들면 알루미늄 분말 또는 요변성을 갖는 알루미늄과 CNT는 성기게 혼합되고, 열의 영향하에 주조 몰드 안으로 가압되어 금속을 용융시킬 수 있으며, 여기서 CNT는 스폰지 형태 또는 예를 들면 0.5mm의 최대 직경을 갖는 클러스터이다. 양호한 성형체, 예를 들면 막대형 성형체가 압력 주조법을 사용하여 비연속적으로 또는 연속적으로 생성될 수 있다. 예를 들면, 요변성 성질을 갖는 알루미늄은 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 용융시키고 경화할 때까지 일정한 교반(agitation) 하에서 급속 냉간시킴으로써 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 물질 및 성형체는 양호한 열 전도도 및 전기 전도도를 갖는다. 본 발명에 따른 물질의 성형체의 온도 거동은 우수하다. 열 팽창은 낮다. 크리프는 개선된다. 알루미늄과 같은 금속에 CNT를 첨가함으로써, 예를 들면 입자 구조가 실제적으로 0.6 내지 0.7μm으로 정제된 것을 관찰할 수 있다. 금속으로의 CNT의 첨가는 재결정화를 방지하거나 또는 영향을 줄 수 있다. 균열 성장이 금속에 있는 CNT에 의해 감소되거나 방지될 수 있다.
도 1 내지 5는 큰 배율의 현미경을 통해 관찰된 출발 생성물 및 최종생성 물질을 도시한다.
도 1은 확대된 알루미늄 입자 및 CNT 응집체의 혼합물을 도시한다. (1)은 밝은 알루미늄 입자를 나타내고, (2)는 어두운 CNT 응집체를 나타낸다.
도 2는 기계적 합금 후 분말 또는 입자 형태의 본 발명에 따른 물질을 확대하여 도시한다. 유리된 CNT가 보이지 않는다. 모든 CNT는 반복적으로 변형되고, 분쇄되고 및 용접되었던 알루미늄 입자에 흡수된다.
도 3은 물질을 통과한 단면을 도시한다. 물질의 입자 내에서 층 구조 또는 층을 볼 수 있다. 이들은 교대로, 도면에서 회색 음영의 알루미늄 층들 그리고 밝은/어두운 선으로 포함된 것은 CNT 층들이다.
도 4는 물질을 통과한 단면을 도시한다. 물질의 입자 내에서 층 구조 또는 층을 볼 수 있다. 이들은 교대로 밝은 구조로서의 알루미늄 금속(3) 층들 그리고 알루미늄 내에 어두운 선으로 포함된 것으로서 CNT(4) 층들이다. 도 3의 물질과 비교하면, 도 4의 물질은 더 작은 CNT 부분들을 갖는데, 이러한 CNT 부분들은 알루미늄의 두꺼운 층에 의해 분리된다. 입자 둘레에 회색 영역(5)은 수지를 형성하며, 수지 내에서 물질은 미세하게 흡수되어 매립된다.
도 5는 가령 예를 들면 본 발명의 물질의 제조에 사용될 수 있는 CNT의 스폰지 구조를 도시한다. 또한, 이러한 스폰지 구조는 예를 들면 압력 주조법에서 사용될 수 있다.
11m/s 이상의 볼 속도가 구현되는 볼 밀에서 높은 에너지의 분쇄에 의하여 CNT 및 순수 알루미늄 분말을 기계적 합금함으로써, 서로 다른 물질이 서로 다른 밀링 기간에 의해 만들어진다. 물질은 분말 압출법으로 추가로 가공되며, 일련의 막대형 시편체(specimen body)가 제조된다. 시편체는 표에 열거된 테스트를 거치게 된다. 표 1에 제공된 온도는 압출법 동안의 처리 온도를 나타낸다. 시편체는 6중량%의 CNT를 함유한다. 30, 60 및 120분의 시간의 숫자는 물질을 생성하기 위한 기계적 합금 시의 밀링 기간을 나타낸다. 실시예 1은 CNT가 없는 순수 알루미늄의 비교 테스트이다.
실시예 번호 인장 강도 N/mm2 브리넬 경도 탄성 모듈러스 KN/mm2
문헌, 순수 Al(벌크) 70-100 35.9 70
실시예 1: 순수 Al, 630℃ 138-142 40.1 71-81
실시예 2: 30분, 630℃ 222-231 66.4 98-101
실시예 3: 60분, 645℃ 236-241 71.1 71-78
실시예 4: 120분, 645℃ 427-471 160.2 114-125
인장 강도와 경도가 각각 약 400%까지 증가했음이 표로부터 분명하다. 값은 물질에 있는 CNT 함량 및 물질을 만드는 밀링 기간과 같은 밀링 공정에 의해 조절될 수 있다. 탄성 모듈러스는 80%까지 증가할 수 있다. 탄성 모듈러스는 물질의 제조에 있어서 기계적 합금 동안의 밀링 기간에 의해 및 압출법에서의 공정 온도에 의해 영향을 받을 수 있다.
입자 또는 분말 형태의 물질은 탄소 나노 튜브(CNT)를 함유하며, 물질에서 예를 들면 금속은 10nm 내지 100,000nm 두께의 CNT의 층과 교대로 배열되는 10nm 내지 500,000nm 두께의 층으로 라미네이트된다.
이 물질은 기계적 합금에 의해, 즉 반복된 변형, 금속 입자 및 CNT 입자의 분쇄 및 용접에 의해, 바람직하게는 밀링 바디로서 밀링 챔버와 밀링 볼 및 높은 에너지의 볼 충돌을 발생시키는 회전체를 포함하는 볼 밀에서의 밀링에 의해 제조된다.

Claims (24)

  1. 적어도 하나의 금속 및 적어도 하나의 플라스틱 중 적어도 하나가 CNT 층과 교대로 배치되는 층에서 라미네이트되는, 탄소 나노 튜브(CNT)를 포함하는 물질.
  2. 제 1항에 있어서, 물질은 입자 형태로 존재함을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 포함하는 물질.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 물질의 입자 크기가 0.5μm 내지 2000μm, 유익하게 1μm 내지 1000μm임을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 포함하는 물질.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 또는 플라스틱의 개개 층의 두께는 10nm 내지 500,000nm, 유익하게 20nm 내지 200,000nm임을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 포함하는 물질.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, CNT의 개개 층의 두께는 10nm 내지 100,000nm, 유익하게 20nm 내지 50,000nm임을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 포함하는 물질.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 물질의 입자 내에서 적어도 하 나의 금속 또는 플라스틱은 고르게 배열된 층 두께의 CNT의 층과 교대로 배치되는 층에 라미네이트됨을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 포함하는 물질.
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 물질의 입자 내에서 적어도 하나의 금속 또는 플라스틱은 CNT의 층과 교대로 배치되는 층에 라미네이트되며, 여기서 입자 내에서 CNT 층의 컨센트레이션(concentration)이 더 높고 금속 또는 플라스틱 층의 컨센트레이션이 더 낮은 영역이 존재함을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 포함하는 물질.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 물질의 입자를 통해, 몇몇 CNT 층들이 일부 영역에서 접촉할 수 있으며, 입자를 통해 연속적인 CNT 침투를 형성할 수 있음을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 포함하는 물질.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 함유된 금속은 순수한 또는 함께 혼합된, 철 및 비철 금속, 귀금속이며, 적합하게는 철, 코발트와 니켈 계열 및, 이들의 합금 및 강철로부터의 철 금속, 알루미늄, 마그네슘과 티타늄 계열 및 이들의 합금의 비철 금속, 바나듐, 크롬, 망간, 구리, 아연, 주석, 탄탈 또는 텅스텐 계열 및 이들의 합금의 금속, 또는 청동 및 황동 계열의 합금, 또는 로듐, 팔라듐, 백금, 금과 은 계열로부터의 금속임을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 포함하는 물질.
  10. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 함유된 고분자는 순수한 또는 함께 혼합된, 열가소성, 탄성 또는 듀로플라스틱 고분자이며, 바람직하게 폴리올레핀, 시클로-올레핀 공중합체, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리아크릴로니트릴, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐아세테이트, 스티렌-부타디엔 공중합체, 아크릴로니트릴-부타디엔 공중합체, 폴리우레탄, 폴리아크릴레이트 및 공중합체, 알키드 수지, 에폭시드, 페놀-포름알데히드 수지, 요소-포름알데히드 수지임을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 포함하는 물질.
  11. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 금속으로서 알루미늄 또는 알루미늄의 합금이 사용됨을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 포함하는 물질.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, CNT의 직경은 0.4nm 내지 50nm이고, 길이는 5nm 내지 50,000nm임을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 포함하는 물질.
  13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, CNT는 탄소 나노 튜브로 만들어진 2- 또는 3-차원 골격체(skeletal body), 바람직하게는 10nm 내지 50,000nm의 측면 길이를 갖는 골격체를 가짐을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 포함하는 물질.
  14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, 물질은 물질에 대해 0.1 내지 50중량% 양의 CNT, 적절하게 0.3 내지 40중량% 양의 CNT, 바람직하게 0.5 내지 20중량% 양의 CNT, 및 특히 1 내지 6중량% 양의 CNT를 포함함을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 포함하는 물질.
  15. 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서, 알루미늄 또는 알루미늄 합금은 물질의 금속을 구성하고 물질은 0.5 내지 10중량%의 CNT, 바람직하게 3 내지 6중량%의 CNT를 포함함을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 포함하는 물질.
  16. CNT에 있는 금속 또는 플라스틱의 부분이 기계적 합금(mechanical alloying)에 의해 과립, 입자 또는 분말의 형태로 가공되는, 제 1항에 따른 물질의 제조 공정.
  17. 제 16항에 있어서, 기계적 합금은 금속 또는 플라스틱의 입자 및 CNT 입자의 반복된 변형, 분쇄 및 용접에 의해, 바람직하게는 높은 에너지의 볼 충돌을 갖는 밀링 바디(milling body)로서 밀링 챔버와 밀링 볼을 포함하는 볼 밀에서의 기계적 합금에 의해 수행됨을 특징으로 하는 물질의 제조 방법.
  18. 제 16항 또는 제 17항에 있어서, 볼 밀은 원통형, 바람직하게 원형 원통형 단면을 갖는 밀링 챔버이며, 밀링 볼은 챔버의 원통축에 대해 회전하는 밀링 챔버에 의해 움직이고, 원통 축의 방향으로 밀링 챔버 내부까지 이어지고 다수의 캠으로 고정되는 구동 회전체(driven rotary body)에 의해 가속화됨을 특징으로 하는 물질의 제조 방법.
  19. 제 16항 내지 제 18항 중 어느 한 항에 있어서, 밀링 볼의 속도는 적어도 11m/s이며, 유익하게 밀링 볼의 속도는 11 내지 14m/s임을 특징으로 하는 물질의 제조 방법.
  20. 제 16항 내지 제 19항 중 어느 한 항에 있어서, 밀링 기간은 10시간 이하이고 최소의 밀링 기간은 5분이며, 바람직하게 밀링 기간은 15분 내지 5시간, 특히 바람직하게 30분 내지 3시간, 특히 2시간까지임을 특징으로 하는 물질의 제조 방법.
  21. 제 16항 내지 제 20항 중 어느 한 항에 있어서, 회전체는 전체 길이에 걸쳐 분포된 다수의 캠을 가지며, 유익하게는 회전체는 원통축으로 밀링 챔버의 전체 길이보다 더 길게 확장함을 특징으로 하는 물질의 제조 방법.
  22. 제 16항 내지 제 20항 중 어느 한 항에 있어서, 출발 물질 및 에너지 공급의 수준 중 적어도 하나가 동일한 또는 서로 다른 2개 이상의 서로 다른 물질이 혼합 되거나 또는 제2 밀링 또는 수차례의 밀링을 거치게 됨을 특징으로 하는 물질의 제조 방법.
  23. 제 16항 내지 제 21항 중 어느 한 항에 있어서, CNT가 없는 금속 또는 플라스틱이 사용되고, 출발 물질 및 에너지 공급의 수준 중 적어도 하나가 동일한 또는 서로 다른 2개 이상의 서로 다른 물질이 혼합되거나 또는 제2 밀링 또는 수차례의 밀링을 거치게 됨을 특징으로 하는 물질의 제조 방법.
  24. 용사 압착법, 용사 방법, 플라즈마 용사, 압출법, 소결법, 압력제어형 함침법 또는 압력 주조법에 의해 제조되는 성형체를 위한 제 1항에 따른 물질의 용도.
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