KR20120094055A - Ｃｎｔ 맞춤형 복합재 우주 기반의 구조체 - Google Patents
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Abstract
제1 탄소 나노튜브 주입된 물질 및 제2 탄소 나노튜브 주입된 물질을 가지는 복합재 우주 기반의 구조체를 갖는 장치. 상이한 기능을 제공하기 위해 선택된 탄소 나노튜브 로딩의 범위를 각각 갖는 제1 및 제2 탄소 나노튜브 주입된 물질.
Description
본 출원은 그 전문이 본 명세서에 참조로서 편입되는 2009년 11월 23일에 출원된 미국 가출원 61/263,807호 및 2009년 12월 14일에 출원된 미국 특허 출원 61/286,340호에 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 탄소 나노튜브(CNT)에 관한 것이며, 더 구체적으로 복합재 물질 및 구조체에 포함된 CNT에 관한 것이다.
하이브리드 복합재는 성공 정도에 따라 바뀌며 사용되고 있다. 복합재 내의 2개 또는 3개의 상이한 강화제의 사용은 골재의 추가에 따라 수행되고 있으며, 충전제는 기계적 보강, 비용 감소, 방연, 화학적 저항 등을 포함하는 다양한 목적을 위해 사용된다.
우주 기반의 구조체는 작동가능성 및 효율성에 대한 많은 요구에 영향을 받는다. 전기 회로를 수용하는 구조체는 전자기 유도 또는 전자기 방사에 노출되기 쉬울 수 있고, 충분한 보호 없이 작동을 손상시킬 수 있다. 구조체의 보다 적은 또는 수리가능한 구조적 손상이 빠르게 진행되어 심각해질 수 있거나, 심지어 즉각적인 발견 없이 완전히 고장날 수도 있다. 얼음은 제빙 없이 중요한 구성요소에 형성될 수 있고, 성능 변화하고, 또는 심지어 손상의 원인이 될 수 있다. 구조체 상의 임계 위치에서 전단력, 인장력, 및 압축력은 충분한 구조적 완전성 없이 시간이 흐르면서 고장을 일으킬 수 있다. 미세 균열이 초기 형성시 예방되지 않는다면, 균열 전파는 심각해지거나, 심지어 완전히 고장 날 수 있다. 온도 변화 또는 다른 요소는 충분하지 않은 열 전도성을 가진 구조체에 영향을 줄 수 있다. 충분한 보호 없이 갑작스런 정전 빌드업(buildup)을 구조체에 적용할 수 있다. 우주 기반의 구조체에서의 이러한 추가적인 요구는 각각의 요구를 해결하는데 적합한 재료를 선택하는 것이 어렵기 때문이다.
일부 측면에서, 본 명세서에 개시된 실시예는 매트릭스 물질 및 특정한 기능을 가지는 CNT 주입된 섬유 물질을 포함하는 맞춤형 복합재 물질에 관한 것이다.
일부 측면에서, 본 명세서에 개시된 실시예는 적어도 (1) 구조체에 제1 기능성을 부여하는 제1 탄소 나노튜브 주입된 물질, 및 (2) 구조체에 제2 기능성을 부여하는 제2 탄소 나노튜브 주입된 물질을 갖는 복합재 구조를 갖는 우주에 의해 지지되는 구조체를 포함하는 장치에 관한 것이다. 일부 실시예에서, 복합재 구조는 구조체에 추가적인 기능성을 부여하는 추가적인 탄소 나노튜브 주입된 물질을 갖는다.
일부 측면에서, 본 명세서에 개시된 실시예는 적어도 (1) 구조체에 제1 기능성을 부여하는 제1 탄소 나노튜브 주입된 물질, 및 (2) 구조체에 제2 기능성을 부여하는 제2 탄소 나노튜브 주입된 물질을 갖는 복합재 구조를 갖는 우주에 의해 지지되는 구조체를 제공하는 방법에 관한 것이다. 일부 실시예에서, 복합재 구조는 구조체에 추가적인 기능성을 부여하는 추가적인 탄소 나노튜브 주입된 물질을 갖는다. 탄소 나노튜브 주입된 물질의 탄소 나노튜브 로딩은 해당하는 기능성에 근거하여 선택될 수 있다.
도 1은 연속적인 화학 기상 증착 (CVD) 공정을 매개로 PAN-BASED 탄소 섬유 상에서 성장된 다중벽 CNT(MWNT)의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지를 도시한다.
도 2는 연속적인 CVD 공정을 매개로 PAN-BASED 탄소 섬유 상에서 성장된 이중벽 CNT(DWNT)의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지를 도시한다.
도 3은 CNT 형성(CNT-forming) 나노입자 촉매가 섬유 물질 표면에 기계적으로 주입되는 배리어 코팅(barrier coating) 내부로부터 성장된 CNT의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 도시한다.
도 4는 약 40 마이크론의 타겟 길이의 20% 이내로 섬유 물질에서 성장된 CNT의 길이 분포의 균일성을 나타내는 SEM 이미지를 도시한다.
도 5는 약 10% 이내로 섬유에 걸쳐 CNT 밀도의 균일성을 나타내는 탄소 섬유 상에서의 CNT의 저배율 SEM을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 우주 기반 장치의 투시도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른, 우주 기반 장치의 일부의 측면의 단면도를 도시한다.
도 2는 연속적인 CVD 공정을 매개로 PAN-BASED 탄소 섬유 상에서 성장된 이중벽 CNT(DWNT)의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지를 도시한다.
도 3은 CNT 형성(CNT-forming) 나노입자 촉매가 섬유 물질 표면에 기계적으로 주입되는 배리어 코팅(barrier coating) 내부로부터 성장된 CNT의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 도시한다.
도 4는 약 40 마이크론의 타겟 길이의 20% 이내로 섬유 물질에서 성장된 CNT의 길이 분포의 균일성을 나타내는 SEM 이미지를 도시한다.
도 5는 약 10% 이내로 섬유에 걸쳐 CNT 밀도의 균일성을 나타내는 탄소 섬유 상에서의 CNT의 저배율 SEM을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 우주 기반 장치의 투시도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른, 우주 기반 장치의 일부의 측면의 단면도를 도시한다.
CNT 주입된 섬유를 활용하여 다중스케일의 맞춤형 복합재가 발달해왔다. 그 전문이 본 명세서에서 참조로서 편입되는, 본 출원인의 동시 계류 중인 출원, 미국 특허 공개공보 2010/0279569호 및 2010/0178825호에서 설명된 바와 같이, 개질된 CVD 공정을 활용하는 연속적인 인라인 공정에서, CNT는 유리 및 탄소 섬유의 표면에서 직접 성장할 수 있다. CNT 주입된 섬유 물질로 제조된 복합재 구조는 향상된 기계적 특성, 특히 층간 전단 및 평면 전단을 나타내었다. 추가적으로, 이와 같은 복합재 구조는 CNT 로딩 및 배향에 근거하여, 전기 전도성 및 열 전도성을 향상시켰다. 이러한 CNT 주입된 섬유 물질은, 종래의 섬유 물질에서는 활용할 수 없는 특징을 포함하는 주문 맞춤형 특성을 제공하기 위해, 다양한 배향 및 위치에서 복합재 구조로 사용될 수 있다.
CNT 주입된 섬유 복합재는 예를 들어, 탄소, 유리, 알루미나, 실리콘 카바이드, 또는 케블라(kevlar)를 포함하는 임의의 종류의 섬유 기질로 이용될 수 있다. 더욱이, 많은 섬유 종류가 기계적 보강 적용에 사용되기 때문에, 주입된 CNT는 강화된 기계적 강도에서 추가적인 역할을 수행할 수 있다. CNT 주입된 섬유 물질 내에서 CNT 로딩의 범위는 주어진 복합재 부분을 위해 요구되는 기능성을 제공하기 위해 특정될 수 있다. 더 구체적으로, CNT 로딩은 주문 맞춤형 및 최적화를 위해 각각의 복합재 구조 내에서 특정한 CNT 주입된 섬유 물질의 위치에 근거하여 달라질 수 있다. 구조체의 특정한 위치에서의 바람직한 기능성에 따라, 구조체는 CNT 주입된 섬유 물질 내의 상이한 위치에서 상이한 CNT 로딩 범위, 주어진 CNT 주입된 섬유 물질의 상이한 층(또는 구배)에서 상이한 CNT 로딩 범위, 또는 상이한 CNT 주입된 섬유 물질을 위한 상이한 CNT 로딩 범위를 가질 수 있다. 섬유 상의 그리고 전체적인 복합재에서의 CNT 로딩은 다양한 범위에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 복합재에서 CNT 로딩은 4개의 범위로 나누어질 수 있다. 일부 실시예에서, "낮은(low)" 범위는 0.01% 내지 2%일 수 있다. "낮은(low)" 범위는 대략 0% 내지 2%일 수 있고, 0%, 1%, 2% 및 이들의 분율과 같은 로딩을 포함할 수 있다. "중간(mid)" 범위는 대략 2% 내지 5%일 수 있고, 2%, 3%, 4%, 5% 및 이들의 분율과 같은 로딩을 포함할 수 있다. "높은(high)" 범위는 대략 5% 내지 40%일 수 있고, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40% 및 이들의 분율과 같은 로딩을 포함할 수 있다. "극히 높은(ultra-high)" 범위는 대략 40% 보다 클 수 있다.
섬유 강화된 복합재 구조는, 그 특성이 일련의 주어진 요구를 이행하기 위해 맞추어질 수 있기 때문에, 향상된 우주 기반 적용에 사용된다. 예를 들어, 특정한 라미나(lamina) 적층 순서가 판 강도를 위한 합성 보(composite beam)를 최적화하기 위해 사용할 수 있거나, 다른 순서가 비틀림 강성(torsional rigidity)을 최적화하기 위해 사용할 수 있다. 2가지 상이한 종류의 강화 섬유를 활용하는 하이브리드 복합재는, 기계적, 열적, 전기적 특성 등과 같은 전체 복합재 특성에 대한 각 섬유의 긍정적인 기여로부터 혜택을 얻는다.
우주 기반의 복합재 구조를 위해 적용될 수 있는 넓은 범위의 기능성은 CNT 주입된 섬유 물질에서 CNT 로딩의 상이한 레벨을 통하여 이용가능하다. 이러한 CNT 주입된 섬유 물질은 연속적인 섬유, 절단된 섬유, 또는 직조된 직물을 포함할 수 있다.
이러한 기능성은 전자파(EMI) 실드, 손상 감지, 제빙(de-icing), 층간 및 평면 전단 강도 및 계수, 인장 강도 및 계수, 압축 강도 및 계수, 굽힘 강도 및 계수를 포함하지만 이것으로 제한되는 것은 아닌 기계적 특성, 균열 및 전파 저항성, 열 전도성 향상, 내장된 회로 성능, 및/또는 정전 방전 보호를 포함한다.
일부 적용에서, 높은 레벨의 CNT 로딩은 EMI 실드 기능성을 제공할 수 있다. 그 전문이 본 명세서에서 참조로서 편입되는, 본 출원인의 동시 계류 중인 출원인 미국 특허 공개공보 2010/0270069호에서 설명된 바와 같이, 이러한 기능성은 민감한 전기 회로 상의 전자기 유도 또는 전자기 방사의 바람직하지 않은 효과를 방지할 수 있다. EMI 실드 복합재는 매트릭스 물질의 일부에 놓인 CNT 주입된 섬유 물질을 가질 수 있다. 복합재는 약 0.01 MHz 내지 약 18 GHz 범위의 주파수에서, 전자기 (EM) 방사의 흡수, EM 방사의 반사, 또는 그 조합을 할 수 있다. EMI 실드 효과(shielding effectiveness; SE)로 측정된 복합재의 EM 실드 용량은 약 40 데시벨(dB) 내지 약 130 dB의 범위이다. CNT는 높은 종횡비 때문에 바람직한 전자기 흡수 특성을 가진다. 복합재 내의 CNT는 EM 방사 주파수의 넓은 범위를 흡수할 수 있고, 예를 들어 전기 접지 및/또는 열로서 흡수된 에너지를 소멸할 수 있다. 기계적으로, CNT는 EM 방사를 반사할 수도 있다. 더욱이, EMI 실드 적용을 위하여, 흡수와 반사의 임의의 조합은 전자기 방사의 투과율이 감소하는 한 유용할 수 있다. 실제 작동가능한 메커니즘에 상관없이, 그리고 이론에 경계 없이, 복합재는 실질적인 전자기 간섭을 감소 및/또는 방지함에 의하여 작동할 수 있다. EMI 실드 복합재는 EMI 실드 적용에서 이미 채용된 물질의 실드 특성을 향상시킬 수 있다. CNT 주입된 섬유는 전도성 복합재뿐만 아니라 유전체에 향상된 EMI 실드를 부여할 수 있어서, 낮은 중량, 고강도 복합재를 사용할 수 있다. 일부 이러한 복합재는 본질적으로 낮은 EMI 실드 능력 때문에, 종래에는 적용이 제한될 수 있었다. EMI 실드 복합재는 가시선, 적외선(IR) 및 다양한 레이더 대역의 다른 부분을 포함하는 전자기 스펙트럼의 상이한 영역에 걸쳐 흑체(black body)에 가까운 흡수 표면을 제공할 수 있다. 흑체 유사 거동을 얻기 위해서, 섬유 물질 상의 CNT 밀도가 조절될 수 있다. 따라서, 예를 들어, CNT 주입된 섬유 물질의 굴절률은 공기의 굴절률에 가깝게 조정될 수 있다. 프레넬의 법칙(Fresnel's law)에 따르면, 이것은 반사율이 최소화될 때이다. EM 흡수를 최적화하기 위해, 반사를 최소화하는 것이 유용하지만, 복합재는 EMI 실드 층을 통하여 투과율을 최소화하기 위해 고안될 수도 있다. 다시 말해서, 흡수는 EMI 실드를 제공할 수 있을 정도로 유용하다. CNT 주입된 섬유 물질에 의해 효과적으로 흡수되지 않는 특정한 파장을 위해, CNT 주입된 섬유 물질에 의해 흡수되지 않는 방사를 흡수할 수 있는 제2 구조를 제공하거나 반사율을 제공하는 것이 유용하다. 이와 관련하여, 대안적인 흡수 특성을 제공하기 위해, 상이한 CNT 주입된 섬유 물질의 단계적인 층을 제공하는 것이 유용하다. 대안적으로, 또는 다수의 층을 이룬 물질뿐만 아니라, 또한 이것은 CNT 주입된 섬유 물질일 수도 있는 반사 물질을 포함하기 위해 유용할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 본 발명의 복합재는 CNT 주입된 섬유 물질을 함유하는 다수의 흡수 및/또는 반사 층을 가질 수 있다. EM 방사 흡수 에너지의 소멸을 위한 효과적인 투과 경로를 형성하기 위해 충분한 CNT 밀도를 가지는 전체적인 복합재를 제공하는 배열에서 CNT를 정렬하는 스캐폴드로서 섬유 물질 그 자체가 작용할 수 있다. 주입된 CNT는, EM 방사 흡수를 최대화하기 위해 전체적인 복합재 내에서 및 섬유 물질 상에서, 균일한 길이, 밀도 및 제어된 배향을 가지기 위해 맞춰질 수 있다. EM 실드 특성 및/또는 낙뢰 보호를 위한 CNT에 따라서, 복합재는 전도성 또는 절연성 양자 중 하나인 섬유 물질 및/또는 매트릭스를 활용할 수 있다. 더욱이, EMI 실드 복합재는 사용되는 물품의 표면 구조의 일부로서 통합될 수 있다. 일부 실시예에서, 전체 물품은 단지 표면이 아니라, EMI 실드로 기능 할 수 있다. 일부 실시예에서, CNT 주입된 섬유 물질은 EMI 실드 적용에서 사용하기 위하여 사전 제작된 복합재를 위한 코팅으로 채용될 수 있다. EMI 실드 복합재의 제조 방법은 매트릭스 물질 내에 CNT 주입된 섬유 물질의 조절된 배향을 가지는 매트릭스 물질의 부분에 CNT 주입된 섬유 물질을 배치하는 단계, 및 매트릭스 물질을 경화하는 단계를 포함할 수 있다. CNT 주입된 섬유 물질의 조절된 배향은 전체적인 복합재 구조 내에서 주입된 CNT의 상대적인 배향을 조절할 수 있다. CNT 주입된 섬유를 형성하기 위한 제조 방법은 큰 규모의 연속적인 방법으로 처리될 수 있다. 그 방법에서, CNT는 토우 또는 로빙(roving)과 같은 스풀가능한 치수의 탄소, 유리, 세라믹, 또는 유사한 섬유 물질 상에서 직접 성장한다. 약 5 마이크론 내지 약 500 마이크론 길이로 조정될 수 있는 길이에서, 밀집된 포레스트(forest)가 증착되는 것이 CNT 성장의 본질이며, 상기 길이는 아래 설명되는 다양한 요소에 의해 조절될 수 있다. 이러한 포레스트는, CNT가 섬유 물질의 각 개별 필라멘트의 표면에 수직이게 배향되어서, 방사 범위를 제공할 수 있다. CNT는 섬유 물질의 축에 평행한 배향을 제공하기 위해 더 처리될 수 있다. 최종 CNT 주입된 섬유 물질은 제조된 형태로 채용될 수 있거나, 또는 EMI 실드 적용에 사용되는 EMI 실드 복합재 제조에 사용하기 위해 직물 제품으로 직조될 수 있다. 패널은 EMI 실드 복합재를 포함할 수 있고, EMI 실드 적용에 사용하기 위한 장치를 가지는 계면에 적용될 수 있다. 이러한 패널은 전기 접지를 더 갖출 수 있다.
일부 실시예에서, 낮은 레벨의 CNT 로딩은 손상 감지 기능을 제공할 수 있다. CNT는 저항 또는 신호 전송에서 변화를 측정하기 위해 설치되는 투과 네트워크를 제공할 수 있다. 이러한 측정된 변화는 복합재의 손상이 지속된 양에 대한 정보를 제공할 수 있다. 그 전문이 본 명세서에서 참조로서 편입되는 2010년 10월 7일 출원된 본 출원인의 동시 계류 중인 출원 12/900,405호에서 설명된 바와 같이, 이러한 손상 감지 기능에서 직물, 또는 다중 방향의 토우 기반 또는 절단된 섬유 중 하나는 스킨(skin) 또는 구조물의 형태일 수 있다. 손상 감지 복합재는 매트릭스 물질의 적어도 일부에 CNT 주입된 섬유를 포함할 수 있다. 복합재는 구조적 성분에서 복합재 물질의 완전성을 모니터링하기 위한 임의의 플랫폼에서 활용될 수 있다. 이러한 손상 감지 복합재는 측정할 수 있는 제조 방법의 이점을 취하면서, 가변 소스 신호를 활용하여서, 고도의 조절 및 감도를 가지는 손상 탐지 시스템을 형성할 수 있다. 복합재는 특정한 적용으로 맞춰질 수 있고, 1) 사용 전, 사용 중 및/또는 사용 후 물질 상에 응력의 모니터링을 포함하는 현장 모니터링을 통해 복합재에서 손상의 종류를 탐지; 및 2) 구조적 강화 및 구조적 완전성의 실시간 평가 제공에 의해 심각한 고장 가능성의 감소를 위해 사용될 수 있다. 복합재 물질의 한 성분은 CNT 주입된 섬유다. 섬유 캐리어에 주입된 CNT를 가지는 것은, 종래의 섬유 강화된 복합재 제조 기술을 이용하여 큰 복합재 구조의 제조를 가능하게 하여서, 복합재 물품의 전략적인 부분 또는 복합재 근처에 CNT 요소를 포함한다. 느슨한 CNT와 비교하여, CNT 주입된 섬유를 가지고 CNT 밀도 및 분포가 엄격하게 조절되기 때문에, CNT의 양은 실질적으로 감소할 수 있다. 또한, 섬유 상에 CNT를 가지는 것은 CNT 섬유 조직의 체계 때문에 상승적인 기계적 강도 향상을 가능하게 하여서, 로드 베어링 응력의 재분배에서 도움에 의해 CNT가 구조적 완전성에 대한 기여뿐만 아니라 손상 감지의 이중 역할을 수행할 수 있게 한다. 또한, 섬유 캐리어는 전체 3차원 물품 또는 2차원 "스킨(skin)" 근처에 CNT의 전략적인 배치를 촉진한다. 이러한 전략적인 배치는 섬유 축 및 횡 방향을 따라 전도성을 조절할 수 있게 한다. 복합재의 특성은, 예를 들어 CNT의 밀도, 길이, 배치, 및 배열의 조절에 의해 조정될 수 있다. 따라서, 복합재는 특정한 적용 및/또는 손상 가능성의 감소뿐만 아니라 손상의 어느 종류를 탐지하기 위해 맞춰질 수 있다. 주입된 CNT는 복합재의 전기적 특징에 영향을 줄 수 있고, 복합재 물질 상에 응력의 연속적인, 비연속적인, 또는 간헐적인 모니터링을 가능하게 하는 투과 경로를 형성할 수 있다. 복합재의 휴지 상태는, 예를 들어 전극 쌍과 같은 적절하게 배치된 감지기 쌍에 의해 모니터링될 수 있는, 저항과 같은 측정가능한 전기적 특성을 갖는 관련 투과 경로를 가질 수 있다. 물질이 변형(strain)을 받음에 따라, CNT와 CNT 접촉의 일부가 파손되어 작동 가능한 투과 경로를 더 적게 한다. 결과적으로, 가역성이거나 가역성이 아닐 수 있는 이러한 변형 로드를 받는 동안, 복합재에 걸쳐서 저항이 증가한다. 향상된 전기적 특성에 맞춰진 CNT 주입된 섬유 베어링 CNT를 사용하여 제조된 복합재는 손상 감지 적용에 사용될 수 있다. 또한, 복합재는 복합재 강도를 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 특정한 적용에서, CNT 주입된 섬유는 중요한 구조적 성분에서 손상 탐지를 위한 수단을 제공할 뿐만 아니라 복합재 강도를 향상하기 위해 특정한 위치에서 사용될 수 있다. 하나의 이러한 적용은 하나의 복합재 구조가 다른 복합재 구조(하나의 구조체는 다른 구조체와 수직 또는 평행일 수 있음)에 결속되는 복합재 겹이음(lap joint) 상태이다. 구조체 사이의 결속된 계면은, 구조체의 약한 부분으로 고려되기 때문에, 특히 주목된다. 이 위치에서 CNT 주입된 구조체의 활용은 손상 탐지를 제공하기 위한 성능뿐만 아니라 향상된 층간 전단 강도(ILSS)를 허용한다. 조절된 전기적 신호(진폭 및 주파수에 따른 파형)를 모니터링 하는 단계 및 향상된 탐지 해상도 및 감도를 가지고 구조적 완전성을 평가하는 단계를 포함하는, 복합재 물질 내에서의 응력 탐지 방법에서, 복합재가 사용될 수 있다. 변형을 측정하기 위해 진폭 측정이 사용될 수 있다. 균열 전파를 모니터링 하기 위하여 위상이 사용될 수 있다. 균열 크기를 식별하기 위해 진폭이 사용될 수 있다. 전극의 네트워크는, 복합재 내의 변형, 피로, 손상, 및 균열의 위치를 측정해서 맵핑하기 위해 사용될 수 있는 감지 회로와 결합되거나, 통합될 수 있다. 손상 감지 기능을 통합한 복합재, 시스템, 및 방법은 예를 들어, 상업적 비행 산업부터 탱크 및 군용 장갑차의 탄도 방호 손상 탐지에 이르기까지 다양한 산업에서 사용될 수 있다.
일부 적용에서, 중간 레벨의 CNT 로딩은 열 전도성 기능을 제공할 수 있다. 그 전문이 본 명세서에서 참조로서 편입되는, 2010년 4월 26일 출원된 본 출원인의 동시 계류 중인 출원 12/767,719호에서 설명된 바와 같이, 요구되는 저항에 근거하여, CNT의 양은 특정한 구조체, 또는 구조체의 부분으로 맞춤 될 수 있다. 제빙 복합재는 매트릭스 물질 및 탄소 나노튜브 CNT 주입된 섬유 물질을 가질 수 있다. CNT 주입된 섬유 물질은 매트릭스 물질의 일부를 통하여 배치될 수 있고, 복합재 구조는 복합재 구조 표면 상의 또는 얼음 형성을 제빙하거나 예방하기 위해 매트릭스 물질에 가열을 제공하기 위해 CNT 주입된 섬유 물질을 매개로 하여 전류의 적용을 조정할 수 있다. 이론의 경계 없이, CNT 주입된 섬유의 CNT는 투과 전도성 제공에 의해 벌크 매트릭스 물질의 전도성을 바꿀 수 있다. 복합재 구조의 투과 전도성은 CNT와 CNT의 점 접촉, CNT 교환접촉(interdigitation)/겹침, 또는 이들의 조합의 결과일 수 있다. CNT가 투과 전도성 경로를 제공하는 동안에, 용융되는 섬유 캐리어는 벌크 매트릭스 물질 내의 1) CNT 배향 및 이방성 정도, 2) CNT 농도, 및 3) CNT 위치의 조절을 제공한다. 복합재 물질 내에서, 섬유에 주입된 CNT의 통합은 저항 가열 요소로서 복합재 구조 자체를 사용할 수 있게 한다. 이와 같은 유사한 방식에서, 날개, 동체, 또는 꼬리 부분으로 조립된 비행기(또는 헬리곱터)와 같은 제빙 구조는 추가적인 가열 요소가 필요하지 않은 복합재 물질로 형성된다. 3% 보다 큰 질량 백분율이 얻어질 수 있는 섬유 레벨로 CNT가 도입될 수 있다. CNT 주입된 섬유 물질은 종래의 매트릭스와 사용될 수 있고, 선택적으로 섬유로 주입되지 않은 추가적인 CNT로 도핑되어서, 복합재 구조를 형성할 수 있다. 현재의 CNT 질량백분율을 맞춤으로써, 구조체의 저항률이 조절되고 제어되어서, 열 전도성 요소로서 물질을 사용하기 위해 적합한 열/전도 특성을 제공할 수 있다. CNT 기반의 복합재 물질은 구조체가 목적으로 하는 영역의 표면층(날개, 동체, 및 꼬리 부분으로 조립된 것과 같은), 또는 제빙 적용에 사용하기 위한 임의의 물품을 만들기 위해 사용될 수 있는 전체 복합재 구조체 중 하나로서 사용될 수 있다. CNT 주입된 섬유 복합재는 그 자체가 저항성 가열 요소인 복합재 물질일 수 있다. 제빙 적용에 대한 당 업계에서 이용되는 금속 분무 코팅 "가열 매트(heater mat)" 접근법은 비용 및 복잡성이 증가된 제공 공정에 사용되고, 또한 복합재 구조의 넓은 표면적에 사용되는 금속 분무 코팅은 전체 구조 질량을 증가시킬 수 있다. 또한, 저항성 가열 요소와 같은 금속의 사용은 갈바닉 부식(galvanic corrosion)의 위험(구조 내의 약한 계면-유리 층의 사용에 의해 해결됨)을 가져오고, 반복된 사용 후에 구조 손상의 위험을 가져온다. 마지막으로, 금속 코팅이 복합재 구조 내의 물질과 유사하지 않기 때문에, 금속 코팅은 복합재 구조 내에서 약한 부분으로 작용할 수 있다. 복합재 구조 내에서 CNT의 통합은 이와 같이 각각의 문제를 감소시키거나 제거한다. 종래의 복합재 물질이 CNT와 사용되기 때문에, 복합재 물질을 제조하는 방법은 사실상 변하지 않고 남아있다. 또한, 복합재 섬유 상에 CNT를 결합하는데 사용되는 방법이 발달하여 왔으며, 상기 방법은, 저비용 물질 해결책, 유사한 제조성을 가지면서도 간단한 저비용 해결책을 가져왔다(중량의 증가 없이-실제로, CNT/섬유 물질이 구조적 성분으로도 사용된다면, 중량은 감소될 것이다). 금속이 전기적 경로를 제공하도록 사용되지 않기 때문에, 갈바닉 부식은 CNT를 사용하여 피할 수 있다. 마지막으로, 물질은 섬유 상의 CNT를 통합하기 위해 사용되기 때문에, 물질이 저항성 가열 층으로 사용된다면, 물질은 전체적인 구조체에서 약화를 초래하지 않을 것이다. 따라서, 전기적 포텐셜이 적용될 때, 큰 회로는 생성되어서, CNT는 얼음 상태를 예방하거나 제거하기 위해 큰 저항성 히터로서 작용할 것이다. 이러한 구성은 외부 가열에 대한 필요를 피할 수 있다. 중간 범위 레벨은 너무 적은 CNT가 전류를 형성하기 위해 높은 전압을 요구하기 때문에, 선택될 수 있고, 따라서 너무 많은 CNT는 가열 요소로서 작동하기 위해 충분한 저항을 제공하지 않는다. 이러한 제빙 형성은 CNT 코팅된 리드(lead)를 가진 직물의 하나 이상의 패치 형태일 수 있거나, 또는 전류 경로를 제공하는 단순히 내장형 토우일 수 있다.
일부 적용에서, 중간 범위 레벨의 CNT 로딩은 전단 강도 기능을 제공할 수 있다. CNT는 필라멘트 사이로 로딩 전달을 향상시킬 뿐만 아니라, 매트릭스에 더 큰 전단 강도를 제공할 수 있다. 복합재는 단방향 섬유, 절단된 섬유, 또는 직물로 구성될 수 있다.
일부 구조체는 중심 판에서 높은 전단 로딩을 다루기 위한 복합재 구조를 포함할 수 있지만, 두께를 통하여 전기적으로 절연될 수 있다. CNT 주입된 섬유 물질은 최대 전단 강도 특성을 향상하기 위해서 맞춤형 복합재의 중심 라미나(lamina)로 사용될 수 있다. 개질되지 않은 섬유는 전기적 절연 특성을 제공하기 위해 표면층으로써 사용될 수 있다.
특정한 적용에서, 낮은 레벨의 CNT 로딩은 인장 강도 기능을 제공할 수 있다. 따라서, 기준 필라멘트 강도는 CNT 자체의 강도로 증가될 수 있다. 낮은 CNT 로딩은 높은 섬유 패킹을 수용해서, 섬유 방향에서 복합재 인장 강도가 섬유의 양에 정비례한다면, 복합재를 보다 강하게 한다. 또한, 필라멘트의 폐쇄 패킹은, 필라멘트 사이의 로딩 전달의 효과를 증가시킬 수 있는, CNT 사이의 얽힘을 증가시킬 수 있다. 추가적으로, CNT 물질의 향상된 처리는 기질 필라멘트의 방향으로 CNT를 정렬시켜서, 복합재의 전체적인 인장 강도를 섬유 방향으로 증가시키기 위해 CNT의 강도를 직접 활용할 수 있다.
낮은 레벨의 CNT 로딩은 일부 적용에서 압축 강도 기능을 제공할 수 있다. 따라서, 기준 필라멘트 강도는 CNT 자체의 강도로 증가된다. 낮은 CNT 로딩은 높은 섬유 패킹을 수용해서, 섬유 방향에서 복합재의 압축 강도가 섬유의 양에 정비례한다면, 복합재를 보다 강하게 할 수 있다. 또한, 필라멘트의 폐쇄 패킹은, 필라멘트 사이의 로딩 전달의 효과를 증가시킬 수 있는, CNT 사이의 얽힘을 증가시킬 수 있다. 추가적으로, CNT는 매트릭스의 전단 강성 및 강도를 증가시킬 수 있고, 따라서 필라멘트의 미세-좌굴(micro-buckling)을 방지하는 것을 도울 수 있다.
일부 적용에서, 중간 범위 레벨의 CNT 로딩은 내균열성 기능을 제공할 수 있다. CNT는, 일반적으로 약한 링크인 매트릭스를 강화시킬 수 있다. 일반적으로, 균열은 필라멘트를 통하는 것보다 매트릭스를 통하여 보다 쉽게 전달된다. 따라서, CNT는 균열-제한 메커니즘으로서 기능할 수 있다.
일부 적용에서, 높은 레벨의 CNT 로딩은 열 전도성 기능을 제공할 수 있다. 이러한 적용에서, 그 전문이 본 명세서에서 참조로서 편입되는, 2010년 4월 26일 출원된 본 출원인의 동시 계류 중인 출원 12/767,719호에서 설명된 바와 같이, CNT는 열이 전달될 수 있는 상호연결 경로를 제공할 수 있다. 열 전도성 복합재는 매트릭스 물질과 탄소 나노튜브(CNT) 주입된 섬유 물질을 가질 수 있다. CNT 주입된 섬유 물질은 매트릭스 물질의 일부를 통하여 배치될 수 있고, 복합재 구조는 CNT 주입된 섬유 물질을 매개로 하여 전류의 적용을 조정해서, 매트릭스 물질에 열 전도성을 제공할 수 있다. 이론의 경계 없이, CNT 주입된 섬유의 CNT는 투과 전도성 제공에 의해 벌크 매트릭스 물질의 전도성을 바꿀 수 있다. 복합재 구조의 투과 전도성은 CNT와 CNT의 점 접촉, CNT 교환접촉(interdigitation)/겹침, 또는 이들의 조합의 결과일 수 있다. CNT가 투과 전도성 경로를 제공하는 동안에, 용융되는 섬유 캐리어는 벌크 매트릭스 물질 내의 1) CNT 배향 및 이방성 정도, 2) CNT 농도, 및 3) CNT 위치의 조절을 제공한다. 복합재 물질 내에서, 섬유에 주입된 CNT의 통합은 열 전도성 요소로서 복합재 구조 자체를 사용할 수 있게 한다. 3% 보다 큰 질량 백분율이 얻어질 수 있는 섬유 레벨로 CNT가 도입될 수 있다. CNT 주입된 섬유 물질은 종래의 매트릭스와 사용될 수 있고, 선택적으로 섬유로 주입되지 않은 추가적인 CNT로 도핑되어서, 복합재 구조를 형성할 수 있다. 현재의 CNT 질량백분율을 맞춤으로써, 구조체의 저항률이 조절되고 제어되어서, 열 전도성 요소로서 물질을 사용하기 위해 적합한 열/전도 특성을 제공할 수 있다. CNT 기반의 복합재 물질은 구조체가 목적으로 하는 영역의 표면층, 또는 열 적용에 사용하기 위한 임의의 물품을 만들기 위해 사용될 수 있는 전체 복합재 구조체 중 하나로서 사용될 수 있다. CNT 주입된 섬유 복합재는 그 자체가 저항성 가열 요소인 복합재 물질일 수 있다. CNT 주입된 섬유 복합재는 예를 들어, 탄소, 유리, 알루미나, 탄화규소, 또는 케블라를 포함하는 임의의 섬유 기질의 종류를 이용할 수 있다. 더욱이, 많은 섬유 종류가 기계적 강도 적용에 사용되기 때문에, 주입된 CNT는 기계적 강도 강화에서 추가적인 역활을 수행할 수 있다. 저항성 가열 요소와 같은 금속의 사용은 갈바닉 부식(galvanic corrosion)의 위험(구조 내의 약한 계면-유리 층의 사용에 의해 해결됨)을 가져오고, 반복된 사용 후에 구조 손상의 위험을 가져온다. 마지막으로, 금속 코팅이 복합재 구조 내의 물질과 유사하지 않기 때문에, 금속 코팅은 복합재 구조 내에서 약한 부분으로 작용할 수 있다. 복합재 구조 내에서 CNT의 통합은 이와 같이 각각의 문제를 감소시키거나 제거한다. 종래의 복합재 물질이 CNT와 사용되기 때문에, 복합재 물질을 제조하는 방법은 사실상 변하지 않고 남아있다. 또한, 복합재 섬유 상에 CNT를 결합하는데 사용되는 방법이 발달하여 왔으며, 상기 방법은, 저비용 물질 해결책, 유사한 제조성을 가지면서도 간단한 저비용 해결책을 가져왔다(중량의 증가 없이-실제로, CNT/섬유 물질이 구조적 성분으로도 사용된다면, 중량은 감소될 것이다). 금속이 전기적 경로를 제공하도록 사용되지 않기 때문에, 갈바닉 부식과 열팽창 차이는 CNT를 사용하여 피할 수 있다. 마지막으로, 물질은 섬유 상의 CNT를 통합하기 위해 사용되기 때문에, 물질이 저항성 열 전도 층으로 사용된다면, 물질은 전체적인 구조체에서 약화를 초래하지 않을 것이다. 따라서, 전기적 포텐셜이 적용될 때, 큰 회로는 생성되어서, CNT는 큰 열전도체로서 작용할 것이다. 이러한 열 전도성 형성은 CNT 코팅된 리드(lead)를 가진 직물의 하나 이상의 패치 형태일 수 있거나, 또는 전류 경로를 제공하는 단순히 내장형 토우일 수 있다.
높은 레벨의 CNT 로딩은 특정한 적용에서 내장된 회로 기능을 제공할 수 있다. 이러한 적용에서, CNT는 신호가 전송될 수 있는 것을 통하여 전기적 경로를 제공할 수 있다.
일부 적용에서, 중간 범위 레벨의 CNT로딩은 전정 방전(ESD) 기능을 제공할 수 있다. 물질의 전기 및 열 전도성은 전기 흐름에 대한 경로 제공으로 전하 빌드업(buildup)에 저항성을 제공할 수 있다.
일부 우주 기반 시스템은 가변 조합에서 복합재 구조로 전술한 기능을 포함할 수 있다. 예를 들어, 인공 위성, 로켓, 및 정기 왕복 항공기는 개선된 기능을 제공하기 위해 하나 이상의 복합재 구조를 포함할 수 있다.
구조체 또는 구조체의 부분에 따라서, 다양한 기능은 선택될 수 있다. 구조적 예로서, 복합재 성분은 다양한 로딩에 영향을 받을 수 있다. 성분은 다른 부분이 압축 로딩으로 지지되는 동안, 전단 로딩을 운반하는 조인트를 가질 수 있다. 인장 로딩을 지지하는 부분은 낮은 CNT 로딩 물질을 활용할 수 있는 반면에, 손상 박리에 민감하고 전단에 영향을 받는 부분은 중간 범위 CNT 로딩 물질로 제조될 수 있다.
CNT 주입된 섬유 물질은 CNT 로딩, CNT 길이, 및 CNT 배향을 정확히 조절하여 연속적인 방식으로 제조될 수 있다. 나노규모 강화제를 포함하는 다른 하이브리드 복합재 시스템은 매트릭스로 나노튜브의 나노입자를 적절하게 분산시키기 위한 추가적인 공정 단계를 요구한다. 또한, 옆의 층과 다른 특정한 CNT 로딩을 가지는 라미나(lamina)를 형성하는 능력은 CNT 주입 공정을 통해 얻어질 수 있다. 다중층 복합재에서 예를 들어, 단면 계층화(sectional layering) 또는 CNT 지향성을 포함하는 여분의 공정 단계를 필요로 하지 않고, 가공되지 않은 유리 및 탄소 필라멘트를 위해 사용되는 동일한 제조 기술을 사용하여, CNT 주입된 섬유 물질은 복합재로 통합될 수 있다. 또한, CNT가 섬유 캐리어로 주입되기 때문에, CNT의 균일한 통합, CNT 번들링(bundling), 응집, 등의 관련 문제가 완화한다. CNT 주입된 섬유 물질은 복합재 구조가, 단순히 복합재 매트릭스 물질과 직접 CNT를 혼합함으로써 얻어질 수 있는 것보다, 더 큰 CNT 로딩을 가질 수 있게 한다.
구조적 복합재에서, 약 60% 섬유 대 40% 매트릭스 비율을 가지는 것이 일반적이지만, 주입된 CNT인 제3 요소의 도입은 이와 같이 비율을 바뀌게 한다. 예를 들어, 최대 약 25용적% CNT의 추가로, 매트릭스 범위가 약 40% 내지 약 65%로 달라지면서, 섬유 부분은 약 35% 내지 약 60%로 변할 수 있다. 다양한 비율은 하나 이상의 바람직한 특성을 목표로 하여 맞춰질 수 있는 전체 복합재의 특성을 바꿀 수 있다. CNT의 특성은 CNT로 강화된 섬유에 그 자체의 특성을 부여한다. 맞춤형 복합재에서 이와 같이 강화된 섬유 활용은 섬유 분율에 따라 변하는 증가를 부여하지만, 당 업계에서 공지된 것과 비교하여 맞춤형 복합재의 특성을 훨씬 더 크게 바꿀 수 있다.
도 1-5는 섬유 물질의 TEM 및 SEM 이미지를 도시한다. 도 1 및 도 2는 각각 연속 공정에서 PAN-BASED 탄소 섬유 상에 준비된 MWNT 및 DWNT의 TEM 이미지를 도시한다. 도 3은 CNT 형성 나노입자 촉매가 섬유 물질 표면으로 기계적으로 주입된 후, 배리어 코팅 내부로부터 CNT 성장의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 도시한다. 도 4는 약 40 마이크론의 타겟 길이의 20% 이내로 탄소 섬유 물질에서 성장된 CNT의 길이 분포의 균일성을 나타내는 SEM 이미지를 도시한다. 도 5는 약 10% 이내로 섬유에 걸쳐 CNT 밀도의 균일성을 나타내는 탄소 섬유 상에서의 CNT의 저배율 SEM을 도시한다.
CNT 주입된 섬유 물질은 무수히 많은 적용에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 이것으로 제한되는 것은 아니지만, 인공 위성과 같은 우주 기반 장치는 우주 버스와 같은 우주 기반 구조체를 포함할 수 있다. 복합재는 중량이 중요한 설계 변수인 주어진 인공 위성 협착에 대한 이상적인 선택이다. 인공 위성의 초기 비용은 질량에 정비례한다. 구조체가 가벼운 물질로 건설될 수 있다면, 탑재량은 보다 커질 수 있다(예를 들어, 보다 큰 기기 장치를 포함).
도 6을 참조하면, 인공 위성(10)은 각각 특정한 기능과 특정한 요구를 가지는 여러 가지 특성을 포함한다. 따라서, 복합재는 구조체 내의 위치에 따른, 다양한 기능을 수행해야만 한다. 우주의 혹독한 환경에서, 낮은 지구 궤도, 중간 지구 궤도, 또는 정지 궤도이든, 주요 구조체(또는 우주 버스)(12)는 표면 전하 발달 없이 일시적인 열을 전달할 수 있을 뿐만 아니라 미소 운석 또는 운석 파편으로부터의 영향에 견뎌야만 한다. 중간 범위 CNT 로딩 물질은 발달로부터 위험한 표면 전하도 예방하는 전단에 전도성 매개 저항을 제공할 수 있다.
일반적으로, 인공 위성은 갑작스런 방사뿐만 아니라 운석 파면으로부터 보호되어야만 하는 민감한 장치를 소유한다. 도 7을 참조하면, 높은 CNT 로딩 물질의 외부 층(14)은 갑작스런 전자기 방사를 흡수하기 위해 사용될 수 있다.
주요 구조체(12)와 발사용 로켓 사이의 장착 접합지점(mounting junction)은 출발 중에 높은 전단 응력을 겪을 것이다. 따라서, 복합재의 이러한 영역의 전단 응력은 중간 범위 CNT 로딩 물질을 사용하여 강화할 수 있다.
낮은 지구 궤도에서 우주선은 중합 매트릭스에 매우 높은 부식성인 산소원자를 겪는다. 너무 긴 지속 우주 비행으로, 복합재 성분의 구조적 완전성을 절충될 것이다. 노출되는 복합재 부분의 표면 상에 낮은 CNT 로딩 물질의 손상 감지 층(16)은 인공 위성(10)의 구조의 상태에서 피드백을 제공하기 위해 활용될 수 있다. 또한, 이러한 손상 감지 기능은 실질적으로 미세 균열 및 다른 피로 영향의 원인인 열 순환을 겪는 이러한 인공 위성에 중요하다.
다시 도 7을 참조하면, 낮은 CNT 로딩 물질의 내부 층(18)은 인공 위성(10)으로 강성 및 차원의 안전성을 제공할 수 있다.
임의의 다수의 상이한 우주 기반의 구조체는 다양한 기능과 관련된 CNT 로딩를 근거로 하여 선택되거나 또는 고안된 CNT 주입된 섬유 물질 및 복합재로 구성될 수 있다. 이러한 기능은 EMI 실드, 손상 감지, 제빙 이것으로 제한되는 것이 아닌, 층간 및 평면 전단 강도 및 계수, 인장 강도 및 계수, 압축 강도 및 계수, 굽힘 강도 및 계수를 포함하는 기계적 특징, 균열 및 확산 저항성, 열 전도성 향상, 및 정전 방전 보호를 포함할 수 있지만, 이것으로 제한되는 것은 아니다.
해상 기반의 구조에 특정한 위치로 CNT 주입된 섬유 물질의 적용을 위한 위치는 구조의 특정한 조건에 근거하여 선택될 수 있다. 높은 CNT 로딩을 가지는 CNT 주입된 섬유 물질은 구조상에 특정한 위치에 사용될 수 있다. 더 구체적으로, 높은 CNT 로딩은 (1) 높은 CNT 로딩이 EMI 실드를 제공하기 때문에 EMI에 노출되기 쉬운 위치, (2) 높은 CNT 로딩이 열 전도성을 향상하기 때문에 열 전도성이 바람직한 위치, (3) 높은 CNT 로딩이 전기 신호 전송을 가능하게 하기 때문에 전기 회로가 근접한 위치에서 유용할 수 있다.
유사하게, 중간 범위 CNT 로딩을 가지는 CNT 주입된 섬유 물질은 (1) 중간 범위 CNT 로딩이 제빙에 사용되는 적절한 저항성/전도성을 제공하기 때문에 얼음 형성에 쉽게 노출되는 위치, (2) 중간 범위 CNT 로딩이 전단 강도를 강화하기 때문에 전단력에 쉽게 노출되는 위치, (3) 중간 범위 CNT 로딩이 내균열성을 강화하기 때문에 균열이 쉽게 되는 위치, (4) 중간 범위 CNT 로딩이 정전 방전을 예방하기 때문에 전기적 방전의 빌드업이 쉬운 위치에서 사용될 수 있다.
마찬가지로, 낮은 CNT 로딩을 가지는 CNT 주입된 섬유 물질은 (1) 낮은 CNT 로딩이 손상 감지를 가능하게 하기 때문에 손상이 쉽게 되는 위치, (2) 낮은 CNT 로딩이 인장 강도를 강화하기 때문에 인장력에 쉽게 노출되는 위치, 및/또는 (3) 낮은 CNT 로딩이 압축 강도를 강화하기 때문에 압축력에 쉽게 노출되는 위치인 구조상 특정한 위치에서 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 우주 기반의 구조의 특정한 기능을 고안, 선택, 구성 또는 보장하는 방법은 구조를 선택하고 바람직한 기능을 확인하는 것을 포함한다. 바람직한 기능이 확정된다면, CNT 로딩 범위를 가지는 CNT 주입된 섬유 물질은 상응하는 바람직한 기능에 근거하여 선택될 것이다. 복합재 물질을 포함하는 우주 기반 구조의 제공은 구입, 제조, 또는 다른 방법을 포함할 수 있다. 구조가 제조된다면, CNT 주입된 섬유 물질은 구조의 부분으로서 형성될 것이다. 다른 경우에서, CNT 주입된 섬유 물질은 사전 형성된 복합재 구조로 적용될 것이다. 어느 하나의 시나리오에서, 제1 CNT 주입된 섬유 물질 및 제2 CNT 주입된 섬유 물질이 제공된다. 제1 CNT 주입된 섬유 물질은 CNT 로딩의 제1 범위를 가지고, 제1 기능을 가지는 구조를 제공하기 위해 선택된다. 유사하게, 제2 CNT 주입된 섬유 물질은 CNT 로딩의 제2 범위를 가지고 제2 기능을 가진 구조를 제공하기 위해 선택된다. 제1 CNT 주입된 섬유 물질은 제1 위치에서 구조로 적용되고, 제2 CNT 주입된 섬유 물질은 제2 위치에서 구조로 적용된다. 일부 경우에서, 제1 위치와 제2 위치는 서로 멀지만, 여전히 구조체의 일부이다. 다른 경우에서, 제1 위치와 제2 위치는 매우 근접하고, 중첩되고, 또는 심지어 구조의 같은 위치를 차지할 수 있다. 예를 들어, 제1 CNT 주입된 섬유 물질은 EMI 실드를 위해 유용한 높은 CNT 로딩을 가질 수 있고, 제2 CNT 주입된 섬유 물질은 손상 감지를 위해 유용한 낮은 CNT 로딩을 가질 수 있다. 이러한 시나리오에서, 제2 물질은 구조에 바로 적용되고, 제1 물질은 분리된 층으로서 제2 물질에 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 우주 기반의 구조는 전기적 저항성, 손상 감지, 제빙, 이것으로 제한되는 것은 아닌, 층간 및 평면 전단 강도 및 계수, 인장 강도 및 계수, 압축 강도 및 계수, 굽힘 강도 및 계수를 포함하는 기계적 특성, 균열 및 전파 저항성, 정전 방전 보호, 전자기 간섭 실드, 열 전도성, 전기 신호 전달 기능을 갖는다. 다른 실시예에서, 우주 기반의 구조는 이와 같은 기능의 전부 보다 적은 기능을 갖는다. 예를 들어, 일부 우주 기반의 구조는 전자기 간섭 실드, 손상 감지, 및 강도 기능 또는 정전 방전 저항, 내균열성, 및 제빙 기능을 갖는다. 일부 실시예에서, 우주 기반의 구조는 임의의 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 또는 11가지의 기능을 가질 수 있으며, 상기 기능은 전기저항, 손상 감지, 제빙, 층간 및 평면의 전단 강도 및 계수, 인장 강도 및 계수, 압축 강도 및 계수, 굽힘 강도 및 계수, 균열 및 전파 저항성, 정전 방전 보호, 전자기 간섭 실드, 열 전도성, 및 전기 신호 전송 기능으로부터 선택된다. 우주 기반의 구조는 상기 나열되지 않은 추가적인 기능을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, CNT의 제1 양과 제2 양은 상이하다. 이것은 CNT 형태를 변경하거나 변경하지 않음으로써 수행될 수 있다. 따라서, CNT 형태가 변경되지 않더라도, CNT의 밀도를 변화시키는 것은 원래의 섬유 물질의 특성을 변경시키는데 사용될 수 있다. CNT 형태는, 예를 들어 CNT 길이 및 벽의 개수를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 양과 제2 양은 동일하다. 스풀가능한 물질의 2개의 상이한 신축성을 따르는 이러한 경우에 상이한 특성이 바람직하다면, 이후 CNT 형태는 CNT 길이처럼 변경될 수 있다. 예를 들어, 전기적/열적 적용에는 보다 긴 CNT가 유용할 수 있지만, 기계적 강도 적용에는 보다 짧은 CNT가 유용할 수 있다.
섬유 물질의 특성을 변경하는 것에 관한 상기 논의에 비추어, 일부 실시예에서는 CNT의 제1 형태 및 CNT의 제2 형태가 동일할 수 있지만, 다른 실시예에서는 CNT의 제1 형태 및 탄소 나노튜브의 제2 형태가 상이할 수 있다. 마찬가지로, 일부 실시예에서는 제1 특성 및 제2 특성이 동일할 수 있다. 예를 들어, EMI 차폐 특성은 CNT의 제1 양과 제1 형태 및 CNT의 제2 양과 제2 형태에 의해 나타나는 흥미로운 특성이지만, 사용되는 CNT의 양 및/또는 형태를 상이하게 하여 나타나는 바와 같이, 이러한 특성의 변경 정도는 상이할 수 있다. 마지막으로, 일부 실시예에서, 제1 특성 및 제2 특성은 상이할 수 있다. 또한, 이것은 CNT 형태의 변경을 반영할 수 있다. 예를 들어, 제1 특성은 보다 짧은 CNT에서의 기계적 강도일 수 있지만, 제2 특성은 보다 긴 CNT에서의 전기적/열적 특성일 수 있다. 상이한 CNT 밀도, 상이한 CNT 길이, 및 예를 들어 단일벽, 이중벽 및 다중벽과 같은, CNT에서의 상이한 벽의 개수를 사용해서, 섬유 물질의 특성을 조절할 수 있다는 것을 당업자는 알 수 있을 것이다.
일부 실시예에서, 섬유 물질 상의 제1 양은 섬유 물질 그 자체에 의해 나타나는 제1 그룹의 특성과 구별되는 그룹의 특성을 나타내게 한다. 다시 말해서, 그 양을 선택하는 것은 인장 강도와 같은 탄소 섬유 물질의 하나 이상의 특성을 변경시킬 수 있다. 제1 그룹의 특성 및 제2 그룹의 특성은 적어도 하나의 동일한 특성을 나타낼 수 있어서, 섬유 물질에 이미 존재하는 특성의 향상을 나타낸다. 일부 실시예에서, CNT 주입은, 섬유 물질 그 자체에 의해 나타나는 제1 그룹의 특성 중에는 포함되지 않은 제2 그룹의 특성을 CNT 주입된 섬유 물질에 제공할 수 있다.
CNT 주입된 탄소 및 유리 섬유 물질은 그 전문이 본 명세서에서 참조로서 편입되는 본 출원인의 함께 계류 중인 출원, 미국 특허 2010/0279569호 및 2010/0178825호에서 설명되었다. 이러한 CNT 주입된 섬유 물질은 맞춤형 복합재 에서 강화된 물질로서 사용될 수 있는 종류로 일반적이다. 다른 CNT 주입된 섬유 물질은 금속 섬유, 세라믹 섬유, 및 아라미드 섬유와 같은 유기 섬유를 포함할 수 있다. 상기 참조된 적용에서 공개된 CNT 주입 공정에서, 섬유 물질은 섬유 상에 CNT 착수 촉매 나노입자의 층(일반적으로 단지 단일 층)을 제공하기 위해 개조된다. 촉매 함유 섬유는 연속적으로 일렬인 CNT 성장을 위해 사용되는 CVD 기반의 공정에 노출된다. 성장된 CNT는 섬유 물질로 주입된다. 최종적인 CNT 주입 섬유 물질은 그 자체가 복합재 구조이다.
CNT 주입된 섬유 물질은 섬유 물질의 표면에서 CNT의 특정한 종류로 맞춰질 수 있어서, 다양한 특성이 얻어질 수 있다. 예를 들어, 전기적 특성은 섬유 상의 다양한 CNT 종류, 직경, 길이, 및 밀도의 적용에 의해 개조될 수 있다. 적절한 CNT와 CNT의 브리지를 제공할 수 있는 길이의 CNT는 복합재 전도성을 향상시키는 투과 경로를 위해 필요하다. 일반적으로, 섬유 간격이 약 5 마이크론 내지 약 50 마이크론의 하나의 섬유 직경 보다 크거나 같기 때문에, CNT는 효과적인 전기적 경로를 얻기 위해 적어도 이러한 길이일 수 있다. 더 짧은 CNT 길이는 구조적 특성 강화에 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, CNT 주입된 섬유 물질은 동일한 섬유 물질의 상이한 구역에 따라 CNT의 달라지는 길이를 포함한다. 맞춤형 복합재 강화로서 사용될 때, 이러한 다중기능 CNT 주입된 섬유 물질은 포함되는 복합재의 하나 이상의 특성을 강화한다.
일부 실시예에서, CNT의 제1 양은 섬유 물질로 주입된다. 이러한 양은, CNT 주입된 섬유 물질의 인장 강도, 영률, 전단 강도, 전단 탄성률, 인성, 압축 강도, 압축 탄성률, 밀도, 전자기파 흡수성/반사성, 음향 전달성, 전기 전도성 및 열 전도성으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 특성 값이, 섬유 물질 그 자체의 동일한 특성 값과 구별되도록 선택된다. 최종 CNT 주입된 섬유 물질의 임의의 이러한 특성은 마지막 복합재로 부여될 수 있다.
인장 강도는 3가지 상이한 측정, 즉 1) 탄성 변형에서 물질을 영구적으로 변형시키는 소성 변형으로 물질 변형률이 변화할 때의 응력을 평가하는 항복 강도(Yield strength); 2) 장력, 압축 또는 전단력이 작용할 때 물질이 저항할 수 있는 최대 응력을 평가하는 극한 강도(Ultimate strength); 및 3) 파열점에서 응력-변형률 곡선에서 응력 좌표를 평가하는 파단 강도(Breaking strength)를 포함한다. 복합재 전단 강도는 로딩이 섬유 방향과 수직으로 적용될 때 물질이 받는 응력을 평가한다. 압축 강도는 압축 로딩이 적용될 때 물질이 받는 응력을 평가한다.
특히, MWNT는 63 GPa의 인장 강도가 얻어지도록 측정된 것 중 임의의 물질의 최고 인장 강도를 갖는다. 또한, 이론적인 계산은 CNT의 가능한 인장 강도를 약 300 GPa로 나타내었다. 따라서, CNT 주입된 섬유 물질은 모 섬유 물질에 비해 실질적으로 높은 극한 강도를 갖는 것으로 예측된다. 상술한 바와 같이, 인장 강도의 증가는 섬유 물질 상에서 CNT의 밀도 및 분포뿐만 아니라, CNT의 정확한 특성에 따라 다를 것이다. CNT 주입된 섬유 물질은, 예를 들어 인장 특성에서 2배 내지 3배의 증가를 나타낼 수 있다. 일반적인 CNT 주입된 섬유 물질은 비 기능화된 모 섬유 물질보다 3배 높은 전단 강도 및 2.5배 높은 압축 강도를 가질 수 있다. 이러한 강화된 섬유 물질의 강도의 증가는 CNT 주입된 섬유 물질이 결합된 복합재 내의 증가된 강도로 바뀐다.
영률은 등방성 탄성 물질에 대한 강성의 측정 방법이다. 이것은 후크의 법칙(Hooke's Law)이 유지되는 응력 범위에서 단축 변형률에 대한 단축 응력의 비율로 정의된다. 이것은 샘플 물질에서 인장 시험을 수행하는 동안 만들어진 응력-변형률 곡선의 기울기로부터 실험적으로 결정될 수 있다.
전기 전도성 또는 특정 전도성은 전류를 전도시키는 물질의 성능에 대한 측정이다. CNT 키랄성과 관련된 꼬임의 정도와 같은 특정한 구조적 매개변수를 갖는 CNT는 높은 전도성을 가질 수 있어서, 금속성을 나타낼 수 있다. CNT 키랄성과 관련하여 인식된 명명법 체계(M. S. Dresselhaus, et al. Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes, Academic Press, San Diego, CA pp. 756-760, (1996))가 공식화되었고, 당업자에 의해 인정되고 있다. 따라서, 예를 들어 n과 m이 육각형 그래파이트의 절단 및 포장을 설명하는 정수인 경우, CNT는 이중 지수(n,m)에 의하여 서로 구별되어서, 육각형 그래파이트가 실린더의 표면 상에서 포장되고 에지가 함께 밀봉될 때, 육각형 그래파이트는 튜브를 만든다. 튜브가 CNT 축에 수직일 때만, 육각형의 측면이 노출되어 튜브 에지의 가장자리 주변에서 이러한 패턴은 n회 반복된 암 체어(arm-chair)의 암(arm) 및 시트(seat)와 유사하기 때문에, 2개의 지수가 동일할 때(즉 m=n), 최종 튜브는 "암-체어(arm-chair)" (또는 n,n) 형태라고 불린다. 특정한 SWNT에서, 암-체어 CNT는 금속이고, 매우 높은 전기 전도성 및 열 전도성을 갖는다. 또한, 이러한 SWNT는 매우 높은 인장 강도를 갖는다.
꼬임의 정도 이외에, CNT 직경도 전기 전도성에 영향을 미친다. 상술한 바와 같이, CNT 직경은 조절된 크기의 CNT 형성 촉매 나노입자를 사용하여 조절될 수 있다. 또한, CNT는 반도체 물질로서 형성될 수도 있다. 다중벽 CNT(MWNT)에서 전도성은 보다 복잡할 수 있다. MWNT 내에서 벽간 반응(interwall reaction)은 개별 튜브에 걸쳐 전류를 불균일하게 재분배할 수 있다. 대조적으로, 금속성 단일벽 나노튜브(SWNT)의 상이한 부분을 가로지르는 전류에는 변화가 전혀 없다. 또한, 탄소 나노튜브는 다이아몬드 결정 및 평면 그래파이트 시트에 비하여 매우 높은 열 전도성을 갖는다.
섬유 상에 주입된 CNT는 단일벽 탄소 나노튜브(single-walled carbon nanotubes, SWNT), 이중벽 탄소 나노튜브(double-walled carbon nanotubes, DWNT), 다중벽 탄소 나노튜브(multi-walled carbon nanotubes, MWNT)를 포함하는 플러린 계의 탄소의 임의의 수의 원통 형상의 동소체일 수 있다. CNT는 플러린-유사 구조에 의해 캡핑되거나 또는 단부가 개방될 수 있다. CNT는 다른 물질로 캡슐화되는 것을 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "우주 기반(space-based)"는 일반적으로 작동 상태인 동안에 우주에 의해 지지하는 것임을 의미한다. 특정한 구조는 우주 기반으로 고려되지만, 또한 육상 기반, 해상 기반, 또는 공기 기반으로 고려된다. 예를 들어 화물은 우주 기반, 육상 기반, 해상 기반, 및 공기 기반이 될 수 있다. 마찬가지로, 특정한 운송 수단은 공기 및 우주 모두에서 날 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "주입된(infused)"은 본딩을 의미하고, "주입(infusion)"은 본딩 공정을 의미한다. 이러한 본딩은 공유결합, 이온결합, Pi-Pi, 및/또는 반데르 발스(van der waals force)- 조정된 물리흡착을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, CNT는 섬유 물질로 공유적으로 직접 본딩할 수 있다. 본딩은 CNT와 섬유 물질 사이에 배치된 패시베이팅(passivating) 배리어 코팅 및/또는 중계(intervening) 전이 금속 나노입자를 통한 섬유로의 CNT 주입과 같이 간접적일 수 있다. 본원에 개시된 CNT 주입된 섬유 물질에서, CNT는 상술한 바와 같이 직접 또는 간접으로 섬유 물질에 "주입(infused)"될 수 있다. 섬유 물질로 "주입"된 CNT의 특정한 방식은 "본딩 모티프(bonding motif)"로 불린다.
일반적으로 섬유 물질의 부분에 주입된 CNT는 균일한 길이이다. 본원에 사용된 바와 같이 "길이의 균일성(uniform in length)"은 반응기에서 성장한 CNT의 길이를 나타낸다. "균일한 길이(uniform length)"은 CNT 길이는 약 1 마이크론 내지 약 500 마이크론으로 달라지는, 전체 CNT 길이 중 약 ±20% 이하의 공차의 길이를 가지는 것을 의미한다. 1 마이크론 내지 4 마이크론과 같이 매우 짧은 길이에서, 이와 같은 오차는 전체 CNT 길이의 약 ±20%로부터 약 ±1 마이크론까지의 범위가 될 수 있는데, 즉 전체 CNT 길이의 약 20%보다 다소 클 수 있다.
일반적으로, 섬유 물질의 부분에 주입된 CNT는 또한 균일한 분포이다. 본원에 사용된 바와 같이 "분포의 균일성(uniform in distribution)"은 섬유 물질 상에 CNT의 밀도의 균일성을 나타낸다. "균일 분포(uniform length)"는 CNT로 덮인 섬유의 표면적의 백분율로 정의된 약 ±10% 범위의 오차를 가지는 섬유 물질에서 CNT가 밀도를 가지는 것을 의미한다. 이것은 5개의 벽을 가진 8 nm 직경 CNT에 대하여 ±1500 CNT/㎛2과 동등하다. 이러한 값은 CNT 내부에 채울 수 있는 공간을 상정한다.
본 발명은 부분적으로 탄소 나노튜브 주입된("CNT-주입된") 섬유 물질에 관한 것이다. 섬유 물질로 CNT의 주입은 예를 들어, 수분, 산화, 마모, 및 압축으로부터의 손상을 예방하기 위해 사이징 작용제를 포함하는 많은 기능을 제공할 수 있다. 또한, CNT 기반의 사이징은 복합재 내에서 섬유 물질과 매트릭스 물질 사이의 계면으로 제공될 수 있다. 또한, CNT는 섬유 물질을 코팅하는 여러 사이징 작용제 중 하나로서 제공될 수 있다.
또한, 섬유 물질 상에 주입된 CNT는, 예를 들어 열 전도성 및/또는 전기 전도성, 및/또는 인장 강도와 같은 섬유 물질의 다양한 특성을 변경할 수 있다. CNT 주입된 섬유 물질을 제조하기 위해 이용된 공정은 실질적으로 균일한 길이 및 분포를 갖는 CNT를 제공해서, 개질된 섬유 물질을 통해 균일하게 유용한 특성을 부여한다. 또한, 본원에 개시된 공정은 스풀가능한 치수의 CNT 주입된 섬유 물질의 제조에 적합하다.
본 발명은 부분적으로 CNT 주입된 섬유 물질의 제조 공정에 관한 것이다. 본원에 개시된 공정은 섬유 물질에 종래의 사이징 용액의 적용 전에, 또는 적용에 대신하여 새로이 생성된 섬유 물질에 적용될 수 있다. 대안적으로 본원에 개시된 공정은 상업적인 섬유 물질, 예를 들어, 표면에 이미 적용된 사이징을 갖는 탄소 토우를 활용할 수 있다. 이러한 실시예에서, 후술하는 바와 같이, 비록 배리어 코팅 및/또는 전이 금속 입자가 간접 주입을 제공하는 중간 층으로 제공될 수 있을지라도, 섬유 물질과 합성된 CNT 사이의 직접적인 계면을 제공하기 위하여 사이징이 제거될 수 있다. CNT 합성 이후, 추가적인 사이징 작용제는 필요에 따라 섬유 물질에 적용될 수 있다.
본원에 개시된 공정은 토우, 테이프, 직물 및 다른 3D 직조된 구조물의 스풀가능한 길이를 따라 균일한 길이 및 분포를 갖는 CNT의 연속 공정을 가능하게 한다. 여러 가지 매트, 직조 및 비직조 직물 등이 본 발명의 공정에 의해 기능화될 수 있지만, 이러한 모 CNT 기능화 후에 모 토우, 얀 등으로부터 보다 고차의 구조물을 생성할 수도 있다. 예를 들어, CNT 주입된 직조 직물은 CNT 주입된 탄소 섬유 토우로부터 생성될 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "섬유 물질(fiber material)"은 기본적인 구조 성분으로서 필라멘트 또는 필라멘트의 번들을 가지는 임의의 재료를 나타낸다. 상기 용어는 섬유, 필라멘트, 얀, 토우, 토우, 테이프, 직조 및 비직조 직물, 플라이, 매트 등을 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "스풀가능한 치수(spoolable dimensions)"는 스풀 또는 맨드릴(mandrel)상에 물질을 유지하는 것을 허용하는 길이를 제한되지 않은 적어도 하나의 치수를 가지는 섬유 물질을 나타낸다. "스풀가능한 치수(spoolable dimensions)"의 섬유 물질은 본원에 개시된 배치 또는 CNT 주입을 위한 연속 공정 둘 중 하나의 사용을 나타내는 적어도 하나의 치수를 갖는다. 상업적으로 이용가능한 스풀가능한 치수의 하나의 섬유 물질은 800(1 tex = 1 g/1,000 m)의 tex 값 또는 620 yard/lb(Grafil, Inc., Sacramento, CA)를 가지는 ASK 12K 탄소 섬유 토우가 전형적인 예이다. 특히, 예를 들어 비록 큰 스풀이 특별한 주문에 요구될지라도, 상업적인 탄소 섬유 토우는 예를 들어, 5 lb., 10 lb., 20 lb., 50 lb., 및 100 lb.( 높은 중량을 가지는 스풀을 위해, 보통 3k/12k 토우) 스풀을 얻을 수 있다. 본 발명의 공정은 비록 더 큰 스풀이 이용될지라도, 5 lb. 내지 20 lb., 스풀로 손쉽게 작동한다. 더욱이, 전처리 작용은 예를 들어 100 lb. 또는 그 이상의 매우 큰 스풀가능한 길이를 가진 2개의 50 lb. 스풀과 같은 처리하기 쉬운 치수로 나누는 것을 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "탄소 나노튜브(carbon nanotube)"(CNT)는 단일벽 탄소 나노튜브(single-walled carbon nanotubes,SWNT), 이중벽 탄소 나노튜브(double-walled carbon nanotubes, DWNT), 다중벽 탄소 나노튜브(multi-walled carbon nanotubes, MWNT)를 포함하는 플러린 계의 탄소의 임의의 수의 원통 형상의 동소체를 나타낸다. 탄소 나노튜브는 플러린-유사 구조에 의해 캡핑되거나 또는 단부가 개방될 수 있다. CNT는 다른 물질로 캡슐화되는 것을 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "나노입자(nanoparticle)" 또는 NP, 또는 이와 문언적으로 동등한 용어는 비록 NP가 형태상 구형일 필요는 없지만, 동등한 구형 직경으로 약 0.1 나노미터 내지 약 100 나노미터의 입자 사이즈를 나타낸다. 특히, 전이 금속 NP는 섬유 물질에서 CNT 성장을 위한 촉매로서 작용한다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "전이 금속(transition metal)"은 주기율표의 d-블록에서 임의의 원소 또는 이러한 원소들의 합금을 나타낸다. 또한, "전이 금속"이라는 용어는 산화물, 탄화물, 질화물 등과 같은 전이 염기성 전이 금속 원소의 염 형태를 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "사이징 작용제(sizing agent)", "섬유 사이징 작용제(fiber sizing agent)", 또는 단지 "사이징(sizing)"은 섬유의 완전성을 보호하고, 복합재 내의 탄소 섬유와 매트릭스 물질 사이의 향상된 계면 작용을 제공하고, 및/또는 섬유의 특별한 물리적 성질을 변경 및/또는 향상시키는 코팅으로 섬유의 제조에 사용되는 물질을 총체적으로 언급한다. 일부 실시예에서, CNT 주입된 섬유 물질은 사이징 작용제로 거동한다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "매트릭스 물질(matrix material)"은 임의의 배향을 포함하여, 특별한 배향으로 사이즈화된 CNT 주입된 섬유 물질을 조직화하도록 기능할 수 있는 벌크(bulk) 물질을 언급한다. 이러한 매트릭스 물질은 CNT 주입된 섬유 물질의 물리적 성질 및/또는 화학적 성질의 일부 측면을 매트릭스 물질로 제공함에 의하여 CNT 주입된 섬유 물질의 존재에 대한 혜택을 얻을 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "물질 체류 시간(material residence time)"은 본원에서 설명되는 CNT 주입 공정 동안 스풀가능한 치수의 섬유 물질이 CNT 성장 조건에 노출되는 분리 지점에서 시간의 양을 나타낸다. 이러한 정의는 다중 CNT 성장 챔버를 사용할 때 체류 시간을 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "선속도(linespeed)"는 본원에서 설명되는 CNT 주입 공정을 통해서 스풀가능한 치수의 섬유 물질이 공급될 수 있는 속도를 언급하며, 선속도는 CNT 챔버(들) 길이를 물질 체류 시간으로 나누어서 결정되는 속도이다.
일부 실시예에서, 본 발명은 CNT 주입된 섬유 물질을 포함하는 조성물을 제공한다. CNT 주입된 탄소 섬유 물질은 스풀가능한 치수의 섬유 물질, 섬유 물질에 대해 등각으로 배치된 배리어 코팅, 및 섬유 물질에 주입된 CNT를 포함할 수 있다. 섬유 물질로 CNT의 주입은 섬유 물질로 각각의 CNT의 직접 본딩, 또는 전이 금속 NP, 배리어 코팅을 매개로 한 간접 본딩, 또는 둘 다의 본딩 모티프를 포함할 수 있다.
이론의 경계 없이, CNT 형성 촉매로 제공된 전이 금속 NP는 CNT 성장 시드 구조물의 형성에 의해 CNT 성장을 촉진할 수 있다. 일 실시예에서, CNT 형성 촉매는 배리어 코팅에 의해 막히고 섬유 물질의 표면에 주입된 섬유 물질의 계를 유지할 수 있다. 이러한 경우에, 전이 금속 나노 입자 촉매에 의해 초기에 형성된 시드 구조는 당 업계에서 흔히 관찰되는 바와 같이 촉매가 CNT 성장의 선단 에지를 따른 이동을 허용하지 않는 연속 비촉매 시드 CNT 성장에 충분하다. 이러한 경우에, NP는 섬유 물질로 CNT에 부착물의 포인트로 제공된다. 배리어 코팅의 존재도 추가의 간접 본딩 모티프를 이끌 수 있다. 예를 들어, CNT 형성 촉매는 상술한 바와 같이 배리어 코팅으로 막을 수 있지만, 표면상에 섬유 물질을 가진 접촉이 없다. 이러한 경우에, 이것은 CNT 형성 촉매와 섬유 물질 사이에 배치된 배리어 코팅과 함께 스택된 구조의 결과이다. 어느 경우에나, 형성된 CNT는 섬유 물질로 주입된다. 일부 실시예에서, 일부 배리어 코팅은 여전히 CNT 형성 촉매가 성장된 나노튜브의 선단 에지를 따르는 것을 허용한다. 이러한 경우에, 이것은 선택적으로 섬유 물질 또는 배리어 코팅으로 CNT의 직접 본딩의 결과이다. 탄소 나노튜브와 섬유 물질 사이에 형성된 실제 본딩 모티프의 본질에 상관없이, 주입된 CNT는 견고하고, CNT 주입된 섬유 물질이 탄소 나노 튜브 성질 및/또는 특징을 보이는 것을 허용한다.
또한, 이론의 경계 없이, 섬유 물질에서 CNT가 성장할 때, 반응 챔버에 존재할 수 있는 상승된 온도 및/또는 어느 나머지 산소 및/또는 습기는 섬유 물질을 손상시킬 수 있다. 또한, 섬유 물질 그 자체는 CNT 형성 촉매 자체와의 반응에 의해 손상될 수 있다. 이것은 CNT 합성을 위해 사용된 반응 온도에서 섬유 물질이 탄소 공급원료를 촉매로 작용하게 한다. 이러한 과잉 탄소는 탄소 공급원료 가스의 제어된 도입을 방해하고, 심지어 그것을 탄소로 오버로딩(overloading)하여 촉매를 독(poison)으로 작용하게 할 수 있다. 본 발명에서 사용된 배리어 코팅은 섬유 물질에서 CNT 합성이 용이하도록 고안된다. 이론에 제한됨이 없이, 코팅은 열 분해에 대한 열 배리어를 제공할 수 있고/있거나 상승된 온도의 환경에 섬유 물질의 노출을 억제하는 물리적 배리어일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 그것은 CNT 형성 촉매와 섬유 물질 사이의 표면 접촉을 최소화할 수 있고/있거나 CNT 성장 온도에서 CNT 형성 촉매에 섬유 물질의 노출을 완화할 수 있다.
CNT 주입된 섬유 물질을 가지는 조성물은 CNT가 실질적으로 길이의 균일성을 갖도록 제공된다. 본원에 사용된 연속 공정에서, CNT 성장 챔버 상에서 섬유 물질의 체류 시간은 궁극적으로 CNT 성장 및 CNT 길이를 조정하기 위해 조절될 수 있다. 이것은 CNT 성장의 특정한 특징을 조정하기 위한 방법을 제공한다. 또한, CNT 길이는 탄소 공급원료와 운반 기체 유량 및 반응 온도의 조절을 통해 조정될 수 있다. CNT 특징의 추가적인 조정은 예를 들어 CNT를 준비하기 위해 사용된 촉매 사이즈의 조정에 의해 얻어질 수 있다. 예를 들어, 1 nm 전이 금속 나노입자 촉매는 특별히 SWNT를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 더욱 큰 촉매는 주로 MWNT를 준비하기 위해 사용될 수 있다.
추가적으로, 채용된 CNT 성장 공정은 사전 형성된 CNT가 용매 용액 상에 현탁되거나 분산되고 탄소 섬유 물질로 수동에 의해 적용되는 공정에서 일어날 수 있는 CNT의 결속 및/또는 응집을 방지하면서, 섬유 물질 상에 균일하게 분배된 CNT를 갖는 CNT 주입된 섬유 물질을 제공하는데 유용하다. 이러한 응집된 CNT는 탄소 섬유 물질에 약하게 접착되는 경향이 있고, 특정한 CNT 성질을 약하게 나타낸다. 일부 실시예에서, 범위 백분율로 나타낸 최대 분포 밀도는 섬유 피복된 표면적에서 5개의 벽과 약 8 nm 직경 CNT를 상정할 때, 약 55%만큼 높을 수 있다. 이와 같은 범위는 "채울 수 있는" 공간으로 CNT 내부 공간을 고려하여 계산된다. 다양한 분포/밀도 값은 공정 속도와 조정된 가스 조성물뿐만 아니라 표면상의 분산된 촉매에 따라 얻어질 수 있다. 일반적으로 일련의 주어진 변수를 위해, 약 10%이내의 범위 백분율이 섬유 표면에 걸쳐 얻어질 수 있다. 증가된 밀도가 여전히 양호할지라도, 낮은 밀도와 긴 CNT가 열적 특징 및 전기적 특징을 향상시키는데 유용한 반면, 높은 밀도와 짧은 CNT는 기계적 특징을 향상시키는데 유용하다. 낮은 밀도는 긴 CNT가 성장할 때 발생할 수 있다. 이것은 낮은 촉매 입자 수득률 때문에 높은 온도와 보다 빠른 성장의 결과일 수 있다.
CNT 주입된 섬유 물질을 가지는 본 발명의 조성물은 탄소 필라멘트, 섬유 얀, 섬유 토우, 탄소 테이프, 섬유-브레이드, 직조 직물, 비직조 섬유 매트, 섬유 플라이 및 3D 직조 구조물을 포함할 수 있다. 필라멘트는 약 1 마이크론 내지 약 100 마이크론 사이즈 직경 범위를 가지는 높은 종횡비 섬유를 포함한다. 일반적으로 섬유 토우는 필라멘트 다발과 조밀하게 연관되어 있고, 일반적으로 함께 꼬여서 얀이 된다.
얀은 꼬여진 필라멘트의 다발과 인접하게 결합된다. 얀에서 각 필라멘트의 직경은 비교적 균일하다. 얀은 1000 선 미터(linear meter)에 대한 그램의 중량으로 표현되는 텍스(tex), 또는 10,000 야드(yard)에 대한 파운드의 중량으로 표현되는 데니어(denier)에 의해 정의되는 변하는 중량을 가지며, 일반적으로, 전형적인 텍스 범위는 약 200 tex 내지 약 2000 tex이다.
토우는 꼬이지 않은 필라멘트의 느슨하게 결합된 다발을 포함한다. 얀에서와 같이, 일반적으로, 토우에서 필라멘트 직경은 균일하다. 또한, 토우는 다양한 중량을 가지며, 일반적으로 약 200 tex 내지 2000 tex의 범위이다. 토우는 종종 토우에서의 수많은 필라멘트의 수, 예를 들어 12K 토우, 24K 토우, 48 K 토우 등으로 특징된다.
테이프는 직물로 조립될 수 있거나 비직조된 평평한 토우일 수 있다. 테이프는 넓이가 다양하고, 일반적으로 리본과 유사한 양면 구조이다. 본 발명의 공정은 테이프의 일면 또는 양면에 CNT 주입과 양립가능하다. CNT 주입 테이프는 평평한 기질 표면에서 "카페트(carpet)" 또는 "포레스트(forest)"와 유사할 수 있다. 또한, 본 발명의 공정은 연속적인 모드로 수행되어서 테이프의 스풀을 기능화할 수 있다.
섬유 브레이드는 촘촘하게 패킹된 탄소 섬유의 루프(rope) 유사 구조물을 나타낸다. 이러한 구조는, 예를 들면 탄소 얀으로부터 모일 수 있다. 브레이드 구조물은 비어있는 부분을 포함하거나, 다른 중심 물질로 모일 수 있다.
일부 실시예에서, 많은 1차 섬유 물질 구조물은 직물 또는 시트 유사 구조물로 조직화될 수 있다. 이것은, 예를 들어 상술한 바와 같이 직조된 직물, 비직조된 섬유 매트 및 섬유 플라이 이외에 테이프를 포함한다. 이러한 고차 구조물은 모 섬유에 이미 주입된 CNT를 가지고 모 토우, 얀, 필라멘트 등에서 모일 수 있다. 대안적으로 이러한 구조물은 본원에서 설명되는 CNT 주입 공정을 위한 기질로 제공될 수 있다.
본 발명에 사용될 수 있는 임의의 섬유를 만드는데 사용된 전구체에 근거하여 분류된 탄소 섬유의 세가지 타입, 즉 레이온, 폴리아크릴로나이트릴(PAN), 피치가 있다. 셀루로오즈 물질인 레이온 전구체로부터 탄소 섬유는 약 20%의 상대적으로 낮은 탄소 함량을 가지고, 섬유는 낮은 강도와 강성을 가지는 경우가 있다. 폴리아크릴로나이트릴(PAN) 전구체는 약 55%의 탄소함량을 가진 탄소 섬유를 제공한다. 일반적으로 PAN 전구체에 근거한 탄소 섬유는 표면 결함의 감소로 다른 탄소 섬유 전구체에 근거한 탄소 섬유보다 더 높은 인장 강도를 가진다.
페트로륨 아스팔트, 콜타르, 및 폴리비닐 염화물에 근거한 피치 전구체도 탄소 섬유를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 비록 피치가 상대적으로 비용이 낮고 탄소 수득률이 높지만, 주어진 배치에서 불균일의 문제를 일으킨다.
섬유 물질로 주입하기 위한 유용한 CNT는 단일벽 CNT, 이중벽 CNT, 다중벽 CNT, 및 그 혼합물을 포함한다. 사용되는 정확한 CNT는 CNT 주입된 섬유의 적용에 의해 결정된다. CNT는 열 전도성 및 전기 전도성 적용 또는 부도체로서 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 주입된 탄소 나노튜브는 단일벽 나노튜브이다. 일부 실시예에서, 주입된 탄소 나노튜브는 단일벽과 다중벽의 조합이다. 섬유의 일부 최종 용도를 위해, 나노튜브의 하나 또는 다른 타입의 합성에 영향을 주는 단일벽 및 다중벽의 특성 특징에 몇 가지 다른 점이 있다. 예를 들어, 다중벽 나노튜브가 금속인 반면에, 단일벽 나노튜브는 반도체 또는 금속일 수 있다.
CNT는 CNT 주입된 섬유 물질로 기계적 강도, 낮고 적당한 전기 저항, 높은 열 전도성, 등과 같은 특성 특징을 부여한다. 일부 실시예에서, 예를 들어 CNT 주입된 섬유 물질의 전기 저항은 모 섬유 물질의 전기 저항보다 낮다. 더 일반적으로, 최종적인 CNT 주입 섬유가 이러한 특징을 나타내는 정도는 탄소 나노튜브에 대한 섬유 크기 및 밀도 범위에 따라 다르다. 0% 내지 55%로의 섬유 표면적의 임의의 양은 가령 8nm 직경, 5개 벽 MWNT(다시, 이 계산은 CNT의 채울 수 있는 내부 공간으로 계산됨)으로 덮일 수 있다. 이 숫자는 CNT의 직경이 작을수록 낮고, CNT의 직경이 클수록 크다. 55% 섬유 표면적 범위는 약 15,000 CNT/미크론2으로 같다. 추가의 CNT 특징은 상술한 CNT 길이에 따른 방식으로 섬유 물질로 부여될 수 있을 것이다. 주입된 CNT는 1 마이크론, 2 마이크론, 3 마이크론, 4 마이크론, 5 마이크론, 6 마이크론, 7 마이크론, 8 마이크론, 9 마이크론, 10 마이크론, 15 마이크론, 20 마이크론, 25 마이크론, 30 마이크론, 35 마이크론, 40 마이크론, 45 마이크론, 50 마이크론, 60 마이크론, 70 마이크론, 80 마이크론, 90 마이크론, 100 마이크론, 150 마이크론, 200 마이크론, 250 마이크론, 300 마이크론, 350 마이크론, 400 마이크론, 500 마이크론, 사이의 모든 값을 포함하는 약 1 마이크론 내지 약 500 마이크론 길이 범위로 달라질 수 있다. 또한, 예를 들어 CNT는 약 0.5 마이크론을 포함하는 길이에서 약 1 마이크론보다 작을 수 있다. 또한, 예를 들어 CNT는 510 마이크론, 520 마이크론, 550 마이크론, 600 마이크론, 700 마이크론 및 사이의 모든 값을 포함하는 500 마이크론보다 클 수 있다.
본 발명의 조성물은 약 1 마이크론 내지 약 10 마이크론의 길이를 가지는 CNT를 나타낼 수 있다. 이러한 CNT 길이는 전단 강도를 증가시키기 위한 적용에 유용할 수 있다. 또한, CNT는 약 5 마이크론 내지 약 70 마이크론의 길이를 가질 수 있다. 이러한 CNT 길이는 만약 CNT가 섬유 방향에서 정렬한다면, 인장 강도를 증가시키기 위한 적용에 유용할 수 있다. 또한, CNT는 약 10 마이크론 내지 약 100 마이크론의 길이를 가질 수 있다. 이러한 CNT 길이는 기계적 특징뿐만 아니라 전기/열적 특징을 증가시키는데 유용할 것이다. 본 발명에 이용된 공정은 전기 및 열적 특징을 증가시키기 위해 유용할 수 있는 약 100 마이크론 내지 약 500 마이크론을 가지는 CNT를 제공할 수도 있다. CNT 길이의 이러한 조절은 탄소 원료 물질과 변하는 선속도와 성장 온도와 연관된 불활성 기체의 유량 조정을 통해 쉽게 얻어진다.
일부 실시예에서, CNT 주입된 섬유 물질의 스풀가능한 길이를 포함하는 조성물은 CNT의 상이한 길이를 가지는 다양하고 균일한 면적을 가질 수 있다. 예를 들어, 전단 강도 특징을 강화시키기 위해 균일하고 짧은 CNT 길이를 가지는 CNT 주입된 섬유 물질의 제1 부분과 전기 또는 열적 특징을 강화시키기 위해 균일하고 긴 CNT 길이를 가지는 스풀가능한 물질의 제2 부분을 가지는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 섬유 물질로 CNT 주입을 위한 공정은 CNT 길이를 균일하게 조절할 수 있고, 연속 공정에서 고속으로 스풀가능한 섬유 물질이 CNT로 기능화될 수 있게 한다. 5초 내지 300초의 물질 체류 시간과 3 피트 길이 시스템을 위한 연속 공정에서 선속도는 어디에서도 약 0.5 ft/min 내지 약 36 ft/min 및 더 큰 범위일 것이다. 속도는 아래의 설명으로 다양한 변수에 따라 선택된다.
일부 실시예에서, 약 5초 내지 약 30초의 물질 체류 시간은 약 1 마이크론 내지 약 10 마이크론의 길이를 가지는 CNT를 제조할 수 있다. 일부 실시예에서, 약 30초 내지 약 180초의 물질 체류 시간은 약 10 마이크론 내지 약 100 마이크론의 길이를 가지는 CNT를 제조할 수 있다. 다른 실시예에서, 약 180초 내지 약 300초의 물질 체류 시간은 약 100 마이크론 내지 약 500 마이크론의 길이를 가지는 CNT를 제조할 수 있다. 당업자는 이 범위가 근사치이고 CNT 길이는 반응 온도, 그리고 운반 및 탄소 공급원료 농도 및 유량에 의해 조정될 수 있음을 인식할 수 있을 것이다.
본 발명의 CNT 주입된 섬유 물질은 배리어 코팅을 포함한다. 예를 들어, 배리어 코팅은 알콕시실란, 메틸실록산, 알루목산, 알루미나, 나노입자, 스핀 온 글라스(Spin-On Glass) 및 유리 나노입자를 포함할 수 있다. 아래의 설명에서, CNT 형성 촉매는 비경화된 배리어 코팅으로 첨가될 수 있고, 그 다음 섬유 물질로 동시에 적용된다. 다른 실시예에서, 배리어 코팅 물질은 CNT 형성 촉매의 증착 전에 섬유 물질로 첨가될 수 있다. 배리어 코팅 물질은 후속적인 CVD 성장을 위해 탄소 원료 물질로 CNT 형성 촉매의 노출을 허용할 수 있도록 충분히 얇은 두께일 수 있다. 일부 실시예에서, 두께는 CNT 형성 촉매의 유효 직경과 같거나 또는 더 작다. 일부 실시예에서, 배리어 코팅의 두께는 약 10 nm 내지 약 100 nm이다. 배리어 코팅은 1 nm, 2 nm, 3 nm, 4 nm, 5 nm, 6 nm, 7 nm, 8 nm, 9 nm, 10 nm 및 그 범위의 임의의 값을 포함하는 10 nm 미만일 수 있다.
이론의 경계 없이, 배리어 코팅은 섬유 물질과 CNT 사이의 중간 층으로 제공될 수 있고, 섬유 물질로 CNT를 기계적으로 주입하기 위해 제공된다. 이러한 기계적 주입은 섬유 물질로 CNT의 특징을 계속해서 부여하는 반면에, CNT의 조직화를 위한 플랫폼으로서 공급하는 섬유 물질에 로버스트 시스템(robust system)을 계속해서 제공한다. 더욱이, 배리어 코팅을 포함하는 이점은 CNT 성장을 촉진하기 위해 사용된 온도에서 섬유 물질의 가열로 인한 임의의 열적 손상 및/또는 수분의 노출로 인해 생긴 화학적 손상으로부터 섬유 물질에 즉각적인 보호를 제공하는 것이다.
본원에 설명된 주입된 CNT는 종래의 탄소 섬유 "사이징(sizing)"의 대체물로서 효과적이게 기능할 수 있다. 주입된 CNT는 종래의 사이징 물질보다 더 강건하고 복합재 물질 상에서 섬유 대 매트릭스 계면을 향상시킬 수 있고, 더 일반적으로, 섬유 대 섬유 계면을 향상시킨다. 실제로, 본원에 기재된 CNT 주입된 섬유 물질은, CNT 주입된 섬유 물질 특성이 주입된 CNT의 특성과 섬유 물질의 특성의 조합일 것이라는 의미에서, 그 자체가 복합재 물질이다. 그 결과로, 본 발명의 실시예는 이러한 특징이 결여되어 있거나 이러한 특징을 불충분한 정도로 갖는 탄소 섬유 물질에 바람직한 특징을 부여하기 위한 수단을 제공한다. 섬유 물질은 특정한 적용의 요구를 충족시키기 위해서 설계되거나 맞추어질 수 있다. 사이징으로서 CNT 거동은 소수성 CNT 구조에 때문에 수분 흡수로부터 섬유 물질을 보호할 수 있다. 더욱이, 아래에 더 예시되는 바와 같이, 소수성 매트릭스 물질은 향상된 섬유와 매트릭스 상호작용을 제공하기 위해 소수성 CNT와 쉽게 상호작용한다.
상술된 주입된 CNT를 가지는 섬유 물질로 부여된 이로운 특징에도 불구하고, 본 발명의 조성물은 종래의 사이징 작용제를 더 포함할 수 있다. 이러한 사이징은 종류와 기능에 따라 다양하게 달라지며, 예를 들어 계면활성제, 대전방지제, 윤활제, 실록산, 알콕시실란, 아미노실란, 실란, 실라놀, 폴리비닐 알코올, 스타치 및 이들의 혼합물을 포함한다. 이러한 제2 사이징 작용제는 자체의 CNT를 보호하기 위해 사용될 수 있고, 주입된 CNT의 존재에 의해 부과되지 않는 섬유로 특징을 더 제공할 수 있다.
본 발명의 조성물을 CNT 주입된 섬유 물질로 조성물을 형성하기 위해 매트릭스 물질을 더 포함할 수 있다. 이러한 매트릭스 물질은 예를 들어, 에폭시, 폴리에스테르, 비닐에스테르, 폴리에테르이미드, 폴리에테르케톤케톤, 폴리프탈아미드, 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리이미드, 페놀-포름알데히드, 비스말레이미드를 포함할 수 있다. 본 발명에 유용한 매트릭스 물질은 임의로 알려진 매트릭스 물질(Mel M. Schwartz, Composite Materials Handbook(2d ed. 1992))을 포함할 수 있다. 더 일반적으로 매트릭스 물질은 열경화성이나 열가소성 중 하나인 수지(폴리머), 금속, 세라믹, 및 시멘트를 포함할 수 있다.
매트릭스 물질로 유용한 열경화성 수지는 프탈릭/말릭 종류 폴리에스테르, 비닐 에스테르, 에폭시, 페놀릭, 사이어네이트, 비스말레이미드, 및 나딕 말단 캡핑된 폴리이미드(예를 들어, PMR-15)를 포함한다. 열가소성 수지는 폴리술폰, 폴리마이드, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌, 산화물, 폴리설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤, 폴리에테르 술폰, 폴리아미드-이미드, 폴리에테르이미드, 폴리이미드, 폴리아릴레이트, 및 액정(liquid crystalline) 폴리에스테르를 포함한다.
매트릭스 물질에 유용한 금속은 알루미늄 6061, 2024 및 713 알루미늄 브레이즈와 같은 알루미늄 합금을 포함한다. 매트릭스 물질에 유용한 세라믹은 리튬 알루미노규산염과 같은 탄소 세라믹, 알루미나 및 물라이트와 같은 산화물, 실리콘 질화물과 같은 질화물, 및 실리콘 탄화물과 같은 탄화물을 포함한다. 매트릭스 물질에 유용한 시멘트는 탄화물계 시멘트(텅스텐 탄화물, 크롬 탄화물, 및 티타늄 탄화물), 내화 시멘트(텅스텐-토리아 및 바륨-탄화물-니켈), 크롬-알루미나, 니켈-마그네시아 철-지르코늄 탄화물을 포함한다. 임의의 상술한 매트릭스 물질은 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.
본 발명이 개시된 실시예를 참조하여 설명되었지만, 이것은 단지 본 발명의 예시라는 것을 당업자는 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
Claims (19)
- 복합재 구조를 포함하는 우주에 의해 지지되는 구조체를 포함하며,
상기 복합재 구조는, 적어도,
상기 구조체에 제1 기능성을 부여하는 제1 탄소 나노튜브 주입된 물질로서, 상기 제1 기능성은 전기 저항, 손상 감지, 인장 강도, 압축 강도, 제빙(de-icing), 전단 강도, 굽힘 강도, 내균열성, 정전 방전 보호, 전자파 실드, 열 전도성 및 전기 신호 전송으로부터 선택되는, 제1 탄소 나노튜브 주입된 물질; 및
상기 구조체에 제2 기능성을 부여하는 제2 탄소 나노튜브 주입된 물질로서, 상기 제2 기능성은 전기 저항, 손상 감지, 인장 강도, 압축 강도, 제빙, 전단 강도, 굽힘 강도, 내균열성, 정전 방전 보호, 전자파 실드, 열 전도성 및 전기 신호 전송으로부터 선택되는, 제2 탄소 나노튜브 주입된 물질
을 포함하는 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 복합재 구조는 제3 탄소 나노튜브 주입된 물질을 포함하는
장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 탄소 나노튜브 주입된 물질의 탄소 나노튜브 로딩(loading)은 0% 내지 2%인
장치.
- 제3항에 있어서,
상기 제1 탄소 나노튜브 주입된 물질은 손상 받기 쉬운 상기 구조체 상에 위치되고,
상기 제1 기능성은 손상 감지인
장치.
- 제3항에 있어서,
상기 제1 탄소 나노튜브 주입된 물질은 인장되기 쉬운 상기 구조체 상에 위치되고,
상기 제1 기능성은 인장 강도인
장치.
- 제3항에 있어서,
상기 제1 탄소 나노튜브 주입된 물질은 압축되기 쉬운 상기 구조체 상에 위치되고,
상기 제1 기능성은 압축 강도인
장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 탄소 나노튜브 주입된 물질의 탄소 나노튜브 로딩은 2% 내지 5%인
장치.
- 제7항에 있어서,
상기 제1 탄소 나노튜브 주입된 물질은 얼음을 형성하기 쉬운 상기 구조체 상에 위치되고,
상기 제1 기능성은 제빙(de-icing)인
장치.
- 제7항에 있어서,
상기 제1 탄소 나노튜브 주입된 물질은 전단되기 쉬운 상기 구조체 상에 위치되고,
상기 제1 기능성은 전단 강도인
장치.
- 제7항에 있어서,
상기 제1 탄소 나노튜브 주입된 물질은 균열되기 쉬운 상기 구조체 상에 위치되고,
상기 제1 기능성은 내균열성인
장치.
- 제7항에 있어서,
상기 제1 탄소 나노튜브 주입된 물질은 정전 방전의 빌드업되기 쉬운 상기 구조체 상에 위치되고,
상기 제1 기능성은 정전 방전 보호인
장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 탄소 나노튜브 주입된 물질의 탄소 나노튜브 로딩은 5% 내지 40%인
장치.
- 제12항에 있어서,
상기 제1 탄소 나노튜브 주입된 물질은 전자기 간섭에 노출되기 쉬운 상기 구조체 상에 위치되고,
상기 제1 기능성은 전자파 실드인
장치.
- 제12항에 있어서,
상기 제1 탄소 나노튜브 주입된 물질은 열 전도성을 제공하도록 상기 구조체 상에 위치되고,
상기 제1 기능성은 열 전도성인
장치.
- 제12항에 있어서,
상기 제1 탄소 나노튜브 주입된 물질은 전기 회로에 근접한 상기 구조체 상에 위치되고,
상기 제1 기능성은 전기 신호 전송인
장치.
- 복합재 구조를 포함하는 우주에 의해 지지되는 구조체를 제공하는 단계를 포함하며,
상기 복합재 구조는, 적어도,
상기 구조체에 제1 기능성을 부여하는 제1 탄소 나노튜브 주입된 물질로서, 상기 제1 기능성은 전기 저항, 손상 감지, 인장 강도, 압축 강도, 제빙, 전단 강도, 굽힘 강도, 내균열성, 정전 방전 보호, 전자파 실드, 열 전도성 및 전기 신호 전송으로부터 선택되는, 제1 탄소 나노튜브 주입된 물질; 및
상기 구조체에 제2 기능성을 부여하는 제2 탄소 나노튜브 주입된 물질로서, 상기 제2 기능성은 전기 저항, 손상 감지, 인장 강도, 압축 강도, 제빙, 전단 강도, 굽힘 강도, 내균열성, 정전 방전 보호, 전자파 실드, 열 전도성 및 전기 신호 전송으로부터 선택되는, 제2 탄소 나노튜브 주입된 물질
을 포함하는 방법.
- 제16항에 있어서,
상기 제1 탄소 나노튜브 주입된 물질과 상기 제2 탄소 나노튜브 주입된 물질이 중첩하는
방법.
- 제16항에 있어서,
상기 제1 기능성을 결정하는 단계; 및
상기 제1 기능성에 근거하여 상기 제1 탄소 나노튜브 주입된 물질의 제1 탄소 나노튜브 로딩을 선택하는 단계를 더 포함하는
방법.
- 제18항에 있어서,
상기 제2 기능성을 결정하는 단계; 및
상기 제2 기능성에 근거하여 상기 제2 탄소 나노튜브 주입된 물질의 제2 탄소 나노튜브 로딩을 선택하는 단계를 더 포함하는
방법.
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