KR20120117998A - 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물질 및 그 제조방법 - Google Patents

탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물질 및 그 제조방법 Download PDF

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carbon nanotube
carbon nanotubes
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carbon
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KR1020127017036A
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투샤르 케이. 샤
해리 씨. 말레키
제임스 에이. 와이쿠카우스키
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어플라이드 나노스트럭처드 솔루션스, 엘엘씨.
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Abstract

적어도 하나의 금속을 갖는 금속 매트릭스 및 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 포함하는 복합재 물질이 본 명세서에 개시된다. 섬유 물질은 유리 섬유, 탄소 섬유, 금속 섬유, 세라믹 섬유, 유기 섬유, 탄화규소 섬유, 탄화붕소 섬유, 질화규소 섬유 및 산화알루미늄 섬유를 포함한다. 복합재 물질은 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질 및, 선택적으로 복수의 탄소 나노튜브를 적어도 오버코팅하는 패시베이션 층을 더 포함한다. 금속 매트릭스는 금속 매트릭스와 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 상용성을 증가시키는 적어도 하나의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 섬유 물질은 금속 섬유 내에서 균일하게, 불균일하게, 또는 구배 방식으로 분포될 수 있다. 불균일 분포는 금속 매트릭스의 상이한 영역으로 상이한 기계적, 전기적 또는 열적 특성을 부여하기 위해 사용될 수 있다.

Description

탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 포함하는 금속 매트릭스 복합재 물질 및 그 제조방법{METAL MATRIX COMPOSITE MATERIALS CONTAINING CARBON NANOTUBE-INFUSED FIBER MATERIALS AND METHODS FOR PRODUCTION THEREOF}
[관련 출원에 대한 기재]
본 출원은 그 전문이 본 명세서에 참조로서 편입된 2009년 12월 1일에 출원된 미국 가출원 61/265,717호의 35 U.S.C. § 119 하에서 우선권을 주장한다. 또한, 본 출원은 2009년 11월 2일에 모두 출원된 미국 가출원 12/611,073호, 12/611,101호 및 12/611,103호와 관련된다.
[기술분야]
본 발명은 일반적으로 복합재에 관한 것이며, 더 구체적으로 섬유 보강된 금속 매트릭스 복합재에 관한 것이다.
나노물질을 포함하는 복합재 물질은 나노규모 레벨에서 실현되는 이로운 특성 증가 때문에 지난 몇 년 동안 광범위하게 연구되었다. 특히, 탄소 나노튜브는 한계 강도 및 열 전도성 때문에 복합재 물질에서 사용을 위해 광범위하게 연구되었다. 이로운 특성이 결합된 나노물질을 매개로 하여 복합재 매트릭스로 전해질 수 있을지라도, 나노 물질, 특히 탄소 나노튜브를 포함하는 복합재 물질의 상업적으로 실행 가능한 제품은 나노물질 결합의 복잡성 때문에 일반적으로 실현되지 않았다. 복합재 매트릭스 내의 탄소 나노튜브 결합시 빈번하게 발생하는 문제는 예를 들어, 탄소 나노튜브 하중까지 증가된 점도, 구배 조절 문제, 및 불특정한 탄소 나노튜브 배향을 포함할 수 있다.
앞서 말한 것에 비추어, 탄소 나노튜브를 포함하는 쉽게 제조되는 복합재 물질은 당 업계의 실질적인 이점이 될 것이다. 본 발명은 이런 필요를 만족시킬 뿐만 아니라 관련된 장점을 제공한다.
다양한 실시예에서, 금속 매트릭스 및 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 포함하는 복합재 물질이 본 명세서에 개시된다. 금속 매트릭스는 적어도 하나의 금속을 포함한다.
일부 실시예에서, 복합재 물질은 적어도 하나의 금속을 포함하는 금속 매트릭스, 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 제 1 부분 및 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 제 2 부분을 포함한다. 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 제 1 부분 및 탄소 나토튜브 주입된 섬유 물질의 제 2 부분은 각각 금속 매트릭스의 제 1 영역 및 제 2 영역으로 분포된다. 제 1 부분으로 주입된 탄소 나노튜브의 평균 길이 및 제 2 부분으로 주입된 탄소 나노튜브의 평균 길이는 상이한 기계적, 전기적 또는 열적 특성을 갖는 금속 매트릭스의 제 1 영역 및 금속 매트릭스의 제 2 영역으로 선택된다.
일부 실시예에서, 금속 매트릭스 및 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 포함한 복합재 물질을 포함하는 물품은 본 명세서에 개시된다. 금속 매트릭스는 적어도 하나의 금속을 포함한다.
다른 다양한 실시예에서, 금속 매트릭스 복합재 제조를 위한 방법은 본 명세서에 개시된다. 방법은 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질 공급 단계 및 금속 매트릭스로 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 결합 단계를 포함한다. 금속 매트릭스는 적어도 하나의 금속을 포함한다.
하기의 상세한 설명을 더 잘 이해할 수 있도록, 전술한 바는 본 발명의 특징을 다소 개략적으로 서술하였다. 이하에서 본 발명의 추가적인 특징 및 이점이 기술될 것이며, 이는 특허청구범위의 요지를 형성한다.
본 발명의 더 완전한 이해를 위하여 그리고 그의 이점을 위하여, 본 발명의 특정한 실시예 설명하는 수반된 도면과 함께 하기의 설명이 참조된다.
도 1은 탄소 섬유로 주입된 탄소 나노튜브의 예시적인 TEM 이미지를 도시한다.
도 2는 탄소 나노튜브가 40 ㎛의 타겟 길이의 + 20% 이내인, 탄소 나노튜브를 가지며 주입된 탄소 섬유의 예시적인 SEM 이미지를 도시한다.
도 3은 탄소 나노튜브 주입된 탄소 섬유의 패브릭 위브(weave)의 예시적인 SEM 이미지를 도시한다.
도 4는 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질 알루미늄 합금 복합재의 예시적인 SEM 이미지를 도시한다.
부분적으로, 본 발명은 금속 매트릭스 및 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 포함한 복합재 물질에 관한 것이다. 또한, 부분적으로, 본 발명은 금속 매트릭스 및 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질 그리고 이러한 복합재 물질을 함유한 물품을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
섬유 물질 및 복합재 매트릭스를 포함하는 복합재 물질에서, 섬유 물질의 강화된 물리적 및/또는 화학적 특성이 복합재 매트릭스(예를 들어, 금속 매트릭스)로 부여된다. 본 발명의 복합재 물질에서, 이런 강화된 특성은 섬유 물질로 주입된 탄소 나노튜브에 의해 추가적으로 증가된다. 섬유 물질에 탄소 나노튜브를 주입함으로써, 섬유 물질만으로는 향상될 수 없는 몇 가지의 특성(예를 들면, 전기 전도성, 열 전도성 및 열 팽창 개선)이 향상될 수 있다. 이런 특성 향상은 본 명세서에서 더욱 상세하게 후술된다.
탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질은 복합재 매트릭스로 탄소 나노튜브 도입을 위한 다목적의 플랫폼이다. 복합재 물질에서 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 사용은 탄소 나노튜브 결합과 관련된 극복해야 하는 상당한 문제를 허용한다. 게다가, 예를 들어, 섬유 물질로 주입된 탄소 나노튜브의 길이 및 밀도 범위의 변화에 의해, 상이한 특성은 복합재 물질로 선택적으로 이동될 수 있다. 예를 들어, 보다 짧은 탄소 나노튜브는 복합재 물질로 구조적 지지체를 이동하는데 이용될 수 있다. 구조적 지지체를 이동시키는 것 이외에, 보다 긴 탄소 나노튜브는 통상적으로 낮은 전도성 또는 비 전도성인 복합재 물질에서 전기적 전도성 투과 경로를 확립하는데 사용될 수 있다. 전기적 전도성은 물리적으로 열 전도성에 관한 것이며, 그리고 열 전도성에서 관련된 향상 및 열팽창계수는 복합재 물질, 특히 금속 매트릭스 복합재에서 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 포함에 의해 이롭게 실현될 수 있다. 게다가, 복합재 물질의 상이한 영역에서 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 불균일 또는 구배 위치는 상이한 복합재 물질 영역으로 바람직한 특성으로 선택적으로 이동하는데 이용될 수 있다.
복합재 물질, 특히 금속 매트릭스 복합재의 적용은 계속하여 확대하고 있다. 이러한 복합재 물질의 기존의 적용 및 새로운 적용은 현재 섬유 강화 기술의 제한을 밀어내기 위해 계속된다. 탄소 나노튜브를 가지며 주입된 섬유 물질을 포함하는 복합재 물질은 현재 기술 장벽이 향상된 구조적 강도 그리고 예들 들어, 전기 전도성 및 열 전도성과 같은 추가적인 이로운 특성 모두를 갖는 복합재 물질을 제공하기 위해 극복할 수 있는 한가지 방법이다. 이것은 복합재 물질의 열 전도성을 향상시키기 위해 복합재 물질에 섬유 물질을 포함시키는 것이 당해 업계의 관습적인 것이 아니다. 또한 다수의 다른 가능성 있는 적용은 복합재 매트릭스로 구조적 강화 또는 다른 특성 향상을 제공하기 위해 바람직한 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 포함하는 복합재 물질을 위해 존재한다. 예를 들어, 본 발명의 금속 매트릭스 복합재를 위한 예시적인 적용은 증가된 내마모성 및 향상된 열 전도성 특성이 바람직한 예를 포함할 수 있다. 이러한 적용에는, 예를 들어 브레이크 로터(brake rotors), 구동축(drive shafts), 공구, 비행기 부품, 히트 싱크(heat sink), 하우징, 베이스 플레이트(base plates) 및 열 스프레더(thermal spreaders)가 포함될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "금속 매트릭스(metal matrix)는 불규칙 배향을 포함하는 특정한 배향으로 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 체계화하는데 제공할 수 있는 복합재 물질에서 적어도 하나의 금속을 나타낸다. 복합재 물질에서, 금속 매트릭스는 예를 들어, 구조적, 전기적 및/또는 열적 특성의 향상을 매개로 하여 본 명세서 내에 포함된 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 갖는 것으로부터 유용하다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "주입된(infused)"은 결합됨을 의미하고 "주입(infusion)"이란 용어는 결합 공정을 언급한다. 이러한, 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질은 결합된 탄소 나노튜브를 갖는 섬유 물질을 나타낸다. 섬유 물질로 탄소 나노튜브의 이러한 결합은 공유결합, 이온결합, pi-pi 상호작용 및/또는 반데르 발스 힘-매개의 물리흡착을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브는 섬유 물질로 직접 결합된다. 다른 실시예에서, 탄소 나노튜브는 탄소 나노튜브의 성장을 중재하기 위해 사용된 배리어 코팅 및/또는 촉매 나노입자를 매개로 하여 섬유 물질에 간접적으로 결합된다. 탄소 나노튜브가 섬유 물질로 주입되는 특정한 방식은 "결합 모티프(bonding motif)"로 언급될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "나노입자(nanoparticle)"는 나노입자가 비록 형태상 구형일 필요는 없지만, 동등한 구형 직경으로 약 0.1 nm 내지 약 100 nm 크기를 가지는 입자를 언급한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "패시베이션 층(passivation layer)"은 그것에 대해 주입된 섬유 물질 및/또는 탄소 나노튜브의 반응을 방지하고 또는 실질적으로 억제하기 위해 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 적어도 한 부분에서 증착되는 층을 언급한다. 패시베이션 층은 예를 들어 고온에서 접할 시 복합재 물질 형성 중에 반응을 방지하고 또는 실질적으로 억제하는데 유용할 수 있다. 더욱이, 패시베이션 층은 복합재 물질의 형성 전에 또는 후에 대기 요소를 갖는 반응을 방지하고 또는 실질적으로 억제할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "사이징 작용제(sizing agent)" 또는 "사이징(sizing)"은 섬유 물질의 완전성을 보호하고, 복합재 내의 섬유 물질과 금속 매트릭스 사이의 향상된 계면 작용을 제공하고, 그리고/또는 섬유 물질의 특별한 물리적 성질을 변경 및/또는 향상시키는 코팅제로 섬유 물질의 제조에 사용되는 물질을 총체적으로 언급한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "스풀가능한 치수(spoolable dimension)"는 길이로 제한되지 않는 적어도 하나의 치수를 가지고, 섬유 물질이 탄소 나노튜브를 갖는 아래의 주입된 스풀(spool) 또는 맨드릴(mandrel)에 저장될 수 있게 하는 섬유 물질을 언급한다. "스풀가능한 치수"의 섬유 물질은 섬유 물질로 탄소 나노튜브 주입을 위한 배치(batch) 또는 연속적인 공정을 위한 사용을 나타내는 적어도 하나의 치수를 갖는다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "전이 금속(transition metal)"은 주기율표(3 내지 12 그룹)의 d-블럭에 있는 임의의 원소 또는 이러한 원소들의 합금을 언급하고, 또한, "전이 금속 염(transition metal salt)"이라는 용어는 예를 들어, 전이 금속 산화물, 탄화물, 질화물 등과 같은 임의의 전이 금속 화합물을 언급한다. 예시적인 전이 금속 촉매 나노입자는 예를 들어, 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 그의 합금, 그의 염, 및 그의 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "길이의 균일성(uniform in length)"은 약 1 ㎛ 내지 약 500 ㎛의 탄소 나노튜브 길이 범위를 위한, 전체 탄소 나노튜브 길이 중 약 ±20% 이하의 공차의 길이를 갖는 탄소 나노튜브의 조건을 언급한다. 매우 짧은 탄소 나노튜브 길이(예를 들어, 1 ㎛ 내지 약 4 ㎛)에서, 그 오차는 약 ±1 ㎛ 범위가 될 수 있는데, 즉 전체 탄소 나노튜브 길이의 약 20%보다 다소 클 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "밀도 분포의 균일성(uniform in density distribution)"은 탄소 나노튜브에 의해 덮인 섬유 물질 표면 지역에서 약 ±10% 범위의 오차를 갖는 섬유 물질 상의 탄소 나노튜브 밀도인 조건을 언급한다.
다양한 실시예에서, 금속 매트릭스 및 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 포함하는 복합재 물질은 본 명세서에 개시된다. 금속 매트릭스는 적어도 하나의 금속을 포함한다.
섬유 물질은 그 전문이 본 명세서의 참조로서 편입되는 모두 2009년 11월 2일 출원된 본 출원인의 함께 계류 중인 미국 특허 출원 12/611,073호, 12/611,101호, 및 12/611,101호에서 나타낸 탄소 섬유, 세라믹 섬유, 금속 섬유, 및 유리 섬유를 포함하는 탄소 나노튜브를 가지며 주입되었다. 도 1은 탄소 섬유로 주입된 탄소 나노튜브의 예시적인 TEM 이미지를 도시한다. 도 2는 탄소 나노튜브가 40 ㎛의 타겟 길이의 + 20% 이내인, 탄소 나노튜브를 가지며 주입된 탄소 섬유의 예시적인 SEM 이미지를 도시한다. 도 1 및 도 2의 이미지에서, 2개 벽 이상을 갖는 단일벽 탄소 나노튜브, 이중벽 탄소 나노튜브, 및 다중벽 탄소 나노튜브와 같은 임의의 탄소 나노튜브가 본 발명의 복합재 물질의 섬유 물질로 주입하기 위해 사용될 수 있을지라도, 탄소 나노튜브는 다중벽 탄소 나노튜브이다.
섬유 물질은 탄소 나노튜브와 주입될 수 있고 복합재 물질 상에 포함되는 다양한 섬유 물질의 단지 예시이다. 본 명세서에 개시된 임의의 다양한 실시예에서, 탄소 나노튜브와 주입될 수 있는 섬유 물질은 예를 들어, 유리 섬유, 탄소 섬유, 금속 섬유, 세라믹 섬유, 및 유기 섬유(예를 들어, 아라미드 섬유)를 포함한다. 일부 실시예에서, 섬유 물질은 예를 들어, 유리 섬유, 탄소 섬유, 금속 섬유, 세라믹 섬유, 유기 섬유, 탄화규소(SiC) 섬유, 탄화붕소(B4C) 섬유, 질화규소(Si3N4) 섬유, 산화알루미늄(Al2O3) 섬유 및 다양한 그의 조합을 포함한다. 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브의 바람직한 특성은 최종 복합재 물질의 주입되고 향상된 금속 매트릭스인 섬유 물질로 부여하는 것이다. 당업자는 탄소 나노튜브를 가지며 주입될 수 있고, 또한 바람직한 목표로 한 특성을 향상시키기 위한 본 명세서에 개시된 실시예에서 사용될 수 있는 섬유 물질의 임의의 종류를 이해해야 할 것이다. 더욱이, 언급된 주입된 탄소 나노튜브의 섬유 물질 및/또는 양의 동일한 및/또는 부분의 변화에 의해서, 상이한 특성은 복합재 물질에서 언급될 것이다. 이론 또는 메커니즘의 이론의 경계 없이, 출원자는 섬유 물질이 복합재 물질의 금속 매트릭스를 구조적으로 강화한다는 것을 믿는다.
일부 실시예에서, 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질은 탄소 나노튜브가 부족한 섬유 물질을 갖는 복합재 물질에 포함될 수 있다. 예시적인 조합은 탄소 나노튜브 주입된 유리 섬유 및 탄소 나노튜브 주입 없는 세라믹 섬유, 탄소 나노튜브 주입된 탄소 섬유 및 탄소 나노튜브 주입 없는 세라믹 섬유, 및 탄소 나노튜브 주입된 탄소 섬유 및 탄소 나노튜브 주입 없는 유리 섬유를 포함하지만 제한하지 않는다. 게다가, 임의의 종류의 탄소 나노튜브 섬유는 탄소 나노튜브 주입 없는 종류와 같은 섬유 물질을 갖는 복합재 물질에서 포함될 수 있다.
본 명세서에 개시된 다양한 실시예에서 사용될 수 있는 임의의 섬유를 생성하는데 사용되는 전구체에 기초하여 카테고리를 나눈 3가지 종류의 탄소 섬유인 레이온, 폴리아크릴로나이트릴(PAN) 및 피치(Pitch)가 있다. 셀룰로오스 물질인 레이온 전구체로부터 탄소 섬유는 약 20%의 비교적 낮은 탄소 함량을 가지고, 섬유는 낮은 강도와 강성을 가질 수 있다. 일반적으로, PAN 전구체에 기초한 탄소 섬유는 표면 결함의 최소화로 인해 다른 탄소 섬유 전구체에 기초한 탄소 섬유보다 높은 인장 강도를 가진다. 또한, 석유 아스팔트(petroleum asphalt), 콜타르(coal tar), 및 폴리비닐 클로라이드에 기초한 피치 전구체가 탄소 섬유를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 비록 피치는 상대적으로 낮은 비용과 높은 탄소 수득이 가능하지만, 최종 탄소 섬유의 주어진 배치에서 불균일성의 문제가 있을 수 있다.
다양한 실시예에서, 본 발명의 복합재 물질의 섬유 물질은 필라멘트, 얀 섬유 토우, 테이프, 섬유 브레이드, 직물, 비 직물, 섬유 플라이 및 3 차원 직조 또는 비 직조 구조의 제한되지 않는 형태로 있을 수 있다. 예를 들어, 섬유 물질이 탄소 섬유인 실시예에서, 섬유 물질은 탄소 필라멘트, 탄소 섬유 얀, 탄소 섬유 토우, 탄소 테이프, 탄소 섬유 브레이드, 직조 탄소 패브릭, 비직조 탄소 섬유 매트, 탄소 섬유 플라이, 및 다른 3 차원 직조 또는 비직조 구조를 포함하는 제한되지 않는 형태로 있을 수 있다. 예로서, 도 3은 탄소 나노튜브 주입된 탄소 섬유의 직물의 예시적인 SEM 이미지를 도시한다. 다양한 실시예에서, 균일한 길이 및 분포의 탄소 나노튜브는 필라멘트, 섬유 토우, 테이프, 패브릭 및 다른 3 차원 직조 구조의 스풀가능한 길이를 따라 제조될 수 있다. 다양한 필라멘트, 섬유 토우, 얀, 매트, 직물 및 비직물 등이 탄소 나노튜브로 바로 주입될 수 있는 반면에, 이것도 모 섬유 토우, 얀으로부터, 또는 탄소 나노튜브 주입된 섬유로부터 고차 구조물을 발생시키는 것이 가능하다. 예를 들어, 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질은 탄소 나노튜브 주입된 섬유 토우로부터 직물로 변형될 수 있다.
필라멘트는 약 1 ㎛와 100 ㎛ 사이의 크기에서 일반적인 직경 범위를 갖는 높은 종횡비 섬유를 포함한다.
일반적으로 섬유 토우는 일부 실시예에서 얀을 제공하기 위해 함께 꼬일 수 있는 탄소 필라멘트의 다발과 치밀하게 연관되어 있다. 면밀하게, 얀은 꼬인 필라멘트의 번들과 연관되어 있으며, 그 점에서 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 갖는다. 얀을 위한, 전형적인 텍스 범위는 약 200 tex 내지 약 2000 tex이다.
섬유 브레이드는 촘촘하게 패킹된 섬유의 루프(rope) 유사 구조물을 나타낸다. 이러한 루프 유사 구조물은, 예를 들면 얀으로부터 조립될 수 있다. 브레이드 구조물은 비어있는 부분을 포함할 수 있다. 대안적으로, 브레이드 구조는 다른 중심 물질로 조립될 수 있다.
섬유 토우는 꼬이지 않은 필라멘트의 느슨하게 결합된 다발을 포함한다. 얀에서와 같이, 일반적으로, 섬유 토우에서 필라멘트 직경은 균일하다. 또한, 섬유 토우는 다양한 중량을 가지며, 일반적으로 약 200 tex 내지 2000 tex의 범위이다. 게다가 섬유 토우는 종종 섬유 토우에서의 수많은 필라멘트의 수, 예를 들어 12K 토우, 24K 토우, 48 K 토우 등을 특징으로 한다.
테이프는 직물로 조립될 수 있거나 비직조된 평평한 섬유 토우일 수 있는 섬유 물질이다. 테이프는 넓이가 다양하고, 일반적으로 리본과 유사한 양면 구조이다. 본 명세서에 개시된 다양한 실시예에서, 탄소 나노튜브는 테이프의 일면 또는 양면의 섬유 물질로 주입할 수 있다. 게다가, 섬유 물질 상에 주입된 탄소 나노튜브의 상이한 종류, 직경 또는 길이를 갖는 것의 이점은 아래에서 고려된다. 출원자의 계류중인 미국 특허 출원에 개시된, 테이프의 스풀로 탄소 나노튜브의 주입은 연속적인 모드로 수행될 수 있다.
일부 실시예에서, 섬유 물질은 직물 또는 시트 유사 구조물로 조직화될 수 있다. 이것은, 예를 들어 전술한 바와 같이 직조된 직물, 비직조된 섬유 매트 및 섬유 플라이 이외에 테이프를 포함한다. 이러한 고차 구조물은 섬유 물질에 이미 주입된 탄소 나노튜브를 가지고 모 토우, 얀, 필라멘트 등에서 모일 수 있다. 대안적으로 이러한 구조물은 본원에서 설명되는 CNT 주입 공정을 위한 기질로 제공될 수 있다.
출원자의 계류중인 출원에서 설명되는 바와 같이, 섬유 물질은 탄소 나노튜브 성장의 목표를 위해 섬유 물질 상에 촉매 나노입자의 층(일반적으로 단지 단층인)을 제공하기 위해 변경된다. 다양한 실시예에서, 탄소 나노튜브 성장을 중재하기 위해 사용되는 촉매 나노입자는 전이 금속 및 다양한 그의 염이다.
일부 실시예에서, 섬유 물질은 배리어 코팅을 더 포함한다. 예시적인 배리어 코팅은 예를 들어 알콕시실란, 메틸실록산, 알루목산(alumoxane), 알루미나 나노입자, 유리상 스핀(Spin-On Glass) 및 유리 나노입자를 포함할 수 있다. 실시예에서, 예를 들어, 배리어 코팅은 Accuglass T-11 Spin-On Glass(Honeywell International Inc., Morristown, NJ)이다. 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브 합성을 위한 촉매 나노입자는 경화되지 않은 배리어 코팅 물질과 결합될 수 있으며, 그리고 나서 섬유 물질로 함께 적용된다. 다른 실시예에서, 배리어 코팅 물질은 촉매 나노입자의 증착 전에 섬유 물질로 첨가될 수 있다. 일반적으로 배리어 코팅은 탄소 나노튜브 성장을 위해 탄소 원료 물질로 촉매 나노입자의 노출을 허용할 수 있도록 충분히 얇은 두께일 수 있다. 일부 실시예에서, 배리어 코팅의 두께는 촉매 나노입자의 유효 직경과 같거나 또는 더 작다. 일부 실시예에서, 배리어 코팅의 두께는 약 10 nm 내지 약 100 nm이다. 다른 실시예에서, 배리어 코팅의 두께는 40 nm를 포함하는 약 10 nm 내지 약 50 nm이다. 일부 실시예에서, 배리어 코팅의 두께는 약 1 nm, 약 2 nm, 약 3 nm, 약 4 nm, 약 5 nm, 약 6 nm, 약 7 nm, 약 8 nm, 약 9 nm, 약 10 nm, 그 범위 내의 모든 값과 서브레인지(subrange)를 포함하는 약 10 nm 미만이다.
이론의 경계 없이, 배리어 코팅은 섬유 물질과 탄소 나노튜브 사이의 중간층으로서 제공될 수 있고, 기계적으로 탄소 나노튜브는 섬유 물질로 탄소 나노튜브를 주입한다. 이러한 기계적 주입은 섬유 물질로 탄소 나노튜브의 이로운 특성을 이동하는 반면에, 섬유 물질이 탄소 나노튜브의 정렬을 위해 플랫폼으로서 제공하는 견고한 시스템(robust system)을 제공한다. 더욱이, 배리어 코팅이 포함하는 것의 이점은 탄소 나노튜브 성장을 촉진하기 위해 사용된 증가된 온도에서 수분 노출 및/또는 열적 손상으로 인한 화학적 손상으로부터 섬유 물질의 보호를 포함한다. 일부 실시예에서, 배리어 코팅은 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질이 복합재 물질에서 결합되기 전에 제거된다. 그러나, 다른 실시예에서, 복합재 물질은 배리어 코팅이 온전한 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 포함할 수 있다.
촉매 나노입자의 증착 후에, 화학 기상 증착(CVD) 기반의 공정은 섬유 물질 상의 탄소 나노튜브의 연속적인 성장을 위해 일부 실시예에서 사용된다. 최종 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질은 그 자체로 복합재 구조이다. 더욱 일반적으로, 탄소 나노튜브는 당해 업계에 통상의 기술로 알려진 임의의 기술을 사용하여 섬유 물질로 주입될 수 있다. 탄소 나노튜브 합성을 위한 예시적인 기술은 예를 들어, 마이크로캐비티(micro-cavity), 열적 또는 플라즈마 향상된 CVD 기술, 레이저 제거(laser ablation), 아크 방전(arc discharge), 및 고압 탄소 모녹사이드(high pressure carbon monoxide, HiPCO)를 포함한다. 일부 실시예에서, CVD 성장은 성장 공정 중에 전기장의 제공에 의해 플라즈마가 강화될 수 있으며 탄소 나노튜브는 전기장의 방향을 따른다.
일반적으로 본 발명의 복합재의 섬유 물질로 주입된 탄소 나노튜브의 종류는 제한 없이 변경될 수 있다. 본 명세서의 다양한 실시예에서, 섬유 물질 상에 주입된 탄소 나노튜브는 예를 들어 단일벽 탄소 나노튜브(single-walled CNT; SWNT), 이중벽 탄소 나노튜브(double-walled CNT; DWNT), 및 다중벽 탄소 나노튜브(multi-walled CNT; MWNT), 및 그의 임의의 조합을 포함하는 풀러린 족 탄소의 많은 실린더 형태의 동소체 중의 어느 것일 수 있다. 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브는 풀러린-유사 구조에 의해 캡핑될 수 있다. 언급된 다른 방식으로, 탄소 나노튜브는 이러한 실시예에서 단부가 막힌다. 그러나, 다른 실시예에서, 탄소 나노튜브는 단부가 개방되어 있다. 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브는 다른 물질을 캡슐화한다. 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브는 섬유 물질로 주입된 후에 공유결합으로 기능한다. 기능은 예를 들어, 복합재의 매트릭스 물질을 가진 탄소 나노튜브의 상용성을 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 플라즈마 공정은 탄소 나노튜브의 기능을 촉진시키는데 이용된다.
일부 실시예에서, 실질적으로 섬유 물질로 주입된 탄소 나노튜브는 섬유 물질의 종축으로 수직된다. 언급된 다른 방식으로, 섬유 물질로 주입된 탄소 나노튜브는 섬유 표면으로 완곡하게 수직된다. 다른 실시예에서, 실질적으로, 섬유 물질로 주입된 탄소 나노튜브는 섬유 물질의 종축으로 평행하다.
일부 실시예에서, 섬유 물질로 주입된 탄소 나노튜브는 다발이지 않고, 따라서 섬유 물질과 탄소 나노튜브 사이의 강한 결합을 가능하게 한다. 다발이지 않은 탄소 나노튜브는 본 발명의 복합재 물질 내에 나타나는 이로운 탄소 나노튜브 특성을 허용한다. 다른 실시예에서, 섬유 물질로 주입된 탄소 나노튜브는 탄소 나노튜브 합성 중 성장 밀도 감소에 의해 매우 균일하고, 얽힌 탄소 나노튜브 매트의 형성에서 생성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 탄소 나노튜브는 섬유 물질의 종축에 실질적으로 수직인 탄소 나노튜브를 정렬하기 위해 밀집하게 성장하지 않는다.
일부 실시예에서, 섬유 물질로 주입된 탄소 나노튜브의 양은 금속 매트릭스 또는 오직 섬유 물질에 관하여 향상된 복합재 물질의 적어도 한가지 특성으로 선택된다. 이러한 특성은 예를 들어, 인장 강도, 영률, 전단 강도, 전단 탄성률, 인성, 압축 강도, 압축 탄성률, 밀도, 전자기파 흡수성/반사성, 음향 전달성, 전기 전도성 및 열 전도성을 포함할 수 있다. 또한, 복합재 물질 내의 탄소 나노튜브의 존재는 탄소 나노튜브 없는 유사한 복합재 물질보다 더 높은 강도 대 중량비를 갖는 라이터 최종 산출물 복합재 물질 제공한다.
일부 실시예에서, 섬유 물질은 탄소 나노튜브의 특정한 종류를 가지며 주입될 수 있고, 따라서, 섬유 물질의 바람직한 특성 및 복합재 물질이 얻어질 수 있다. 예를 들어, 복합재 물질의 전기적 특성은 섬유 물질로 다양한 종류, 키랄성(chirality), 직경, 길이, 및 밀도의 주입에 의해 변경될 수 있다. 연관된 열적 특성은 예를 들어, 탄소 나노튜브의 길이의 변화에 의해 특히 언급된다.
전기적 전도성 또는 특정한 전도도는 전류를 물질의 전도 능력을 표시한다. 탄소 나노튜브는 키랄성에 따라 도체, 부도체 또는 반도체가 될 수 있다. 탄소 나노튜브의 키랄성과 관련하여 인식된 명명법 체계가 공식화되었고, 당업자에 의해 인정되고 있으며, 그리고서, 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. 예를 들어, m=n일 때, 최종 튜브는 "암-체어(arm-chair)" 형태라고 불린다. 특정한 단일벽 탄소 나노튜브에서, 암-체어 탄소 나노튜브는 금속이고, 매우 높은 전기 전도성 및 열 전도성을 갖는다. 또한, 이러한 단일벽 탄소 나노튜브는 매우 높은 인장 강도를 갖는다.
키랄성 뿐만 아니라, 또한 탄소 나노튜브의 직경은 전기 전도성 및 연관된 열 전도성의 특성에 영향을 준다. 탄소 나노튜브의 합성에서, 탄소 나노튜브의 직경은 주어진 크기의 촉매 입자의 사용에 의해 조절된다. 일반적으로, 대략, 탄소 나노튜브의 직경은 형성을 촉진하는 촉매 나노입자의 직경이다. 따라서, 탄소 나노튜브의 특성은 예를 들어, 탄소 나노튜브를 합성하기 위해 사용되는 촉매 입자의 크기 조절에 의해 추가적으로 조절될 수 있다. 비제한적인 예의 방식에 의해, 약 1 nm의 직경을 갖는 촉매 나노입자는 단일벽 탄소 나노튜브를 갖는 섬유 물질로 주입되기 위해 사용될 수 있다. 더 큰 촉매 나노입자는 다수 나노튜브 층 또는 단일벽 및 다중벽 탄소 나노튜브의 혼합 때문에, 더 큰 직경을 갖는 다중 벽 탄소 나노튜브를 주로 제조하기 위하여 사용될 수 있다. 일반적으로, 다중벽 탄소 나노튜브는 전류가 불균일하게 재분배할 수 있는 개별 나노튜브 층들 사이의 벽간 반응으로 인해 단일벽보다 전도성이 보다 복잡하다. 대조적으로, 단일벽의 탄소 나노튜브의 상이한 부분을 가로지르는 전류에는 변화가 전혀 없다.
일반적으로 복합재 물질 내의 섬유 물질의 공간 때문에 약 하나의 섬유 직경(예를 들어, 약 5 ㎛ 내지 약 50 ㎛) 보다 크거나 또는 같고, 이러한 길이의 적어도 약 절반의 탄소 나노튜브는 복합재 물질 내에 전기적 전도성 투과 경로를 형성하기 위해 사용된다. 이러한 탄소 나노튜브 길이는 인접한 섬유 사이의 탄소 나노튜브 브릿지(bridging)로 탄소 나노튜브를 통해 전기적으로 전도성 투과 경로를 확립할 수 있다. 따라서, 섬유 물질의 직경 및 복합재 물질 내의 사이의 공간에 따라, 탄소 나노튜브 길이는 전기적 전도성 투과 경로를 확립하기 위해 조정될 수 있다. 전기적 전도성 투과 경로가 확립이 바람직하지 않거나 또는 필요없는 적용에서, 섬유 직경보다 짧은 길이를 갖는 탄소 나노튜브는 구조적 특성을 향상하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 섬유 물질로 주입된 탄소 나노튜브의 길이는 탄소 나노튜브 성장 조건으로 원료 공급 가스 유속 및 압력, 캐리어 가스 유속 및 압력, 반응 온도 및 노출 시간을 포함하는 탄소의 조정을 통한 탄소 나노튜브 합성 중에 조절될 수 있다.
본 발명의 복합재 물질의 일부 실시예에서, 동일한 연속적인 섬유 물질의 상이한 부분을 따라 달라지는 길이를 갖는 탄소 나노튜브가 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질은 금속 매트릭스의 1 가지 특성보다 더욱 강화될 수 있다. 예를 들어, 전단 강도 또는 다른 구조적 특성을 강화하기 위해, 전단 강도 또는 다른 구조적 특성을 강화하도록 균일하게 보다 짧은 탄소 나노튜브를 주입한 섬유 물질의 제 1 섹션, 및 전기적 또는 열적 전도 특성을 강화하도록 균일하게 보다 긴 탄소 나노튜브를 주입한 섬유 물질의 제 2 섹션을 갖는 것이 제공된 복합재 물질에서 바람직할 수 있다.
일부 실시예에서, 일반적으로, 섬유 물질로 주입된 탄소 나노튜브는 길이가 균일하다. 일부 실시예에서, 주입된 탄소 나노튜브의 평균 길이는 약 1 ㎛, 약 2 ㎛, 약 3 ㎛, 약 4 ㎛, 약 5 ㎛, 약 6 ㎛, 약 7 ㎛, 약 8 ㎛, 약 9 ㎛, 약 10 ㎛, 약 15 ㎛, 약 20 ㎛, 약 25 ㎛, 약 30 ㎛, 약 35 ㎛, 약 40 ㎛, 약 45 ㎛, 약 50 ㎛, 약 60 ㎛, 약 70 ㎛, 약 80 ㎛, 약 90 ㎛, 약 100 ㎛, 약 150 ㎛, 약 200 ㎛, 약 250 ㎛, 약 300 ㎛, 약 350 ㎛, 약 400 ㎛, 약 450 ㎛, 약 500 ㎛, 및 그 범위의 모든 값 및 서브레인지를 포함하는 약 1 ㎛ 내지 약 500 ㎛이다. 일부 실시예에서, 주입된 탄소 나노튜브의 평균 길이는 예를 들어 약 0.5 ㎛, 및 그 범위의 모든 값 및 서브레인지를 포함하는 약 1 ㎛ 미만이다. 일부 실시예에서, 주입된 탄소 나노튜브의 평균 길이는 예를 들어 약 1 ㎛, 약 2 ㎛, 약 3 ㎛, 약 4 ㎛, 약 5 ㎛, 약 6 ㎛, 약 7 ㎛, 약 8 ㎛, 약 9 ㎛, 약 10 ㎛, 및 그 범위의 모든 값 및 서브레인지를 포함하는 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛ 이다. 계속해서 다른 실시예에서, 주입된 탄소 나노튜브의 평균 길이는 약 510 ㎛, 약 520 ㎛, 약 550 ㎛, 약 600 ㎛, 약 700 ㎛, 및 그 범위의 모든 값 및 서브레인지를 포함하는 약 500 ㎛ 보다 크다. 다양한 실시예에서, 주입된 탄소 나노튜브의 평균 길이는 탄소 나노튜브 성장 조건으로 노출 시간, 성장 온도, 그리고 탄소 나노튜브 합성 중에 사용되는 원료 공급 가스(예를 들어, 아세틸렌, 에틸렌 및/또는 에탄올) 및 캐리어 가스(예를 들어, 헬륨, 아르곤, 및/또는 질소)의 유속 및 압력에 의해 영향을 받을 수 있다. 일반적으로, 탄소 나노튜브 합성 중에, 원료 공급 가스를 포함하는 탄소는 전체 반응 용적의 약 0.1 % 내지 약 15 %로 제공된다.
일부 실시예에서, 주입된 탄소 나노튜브의 평균 길이는 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛ 이다. 이러한 길이를 갖는 탄소 나노튜브는 예를 들어, 전단 강도를 증가시키기 위한 적용에서 유용하다. 다른 실시예에서, 주입된 탄소 나노튜브의 평균 길이는 약 5 ㎛ 내지 약 70 ㎛ 이다. 이러한 길이를 갖는 탄소 나노튜브는 예를 들어, 특히 탄소 나노튜브가 섬유 방향으로 정렬한다면, 증가된 인장 강도를 포함하는 적용에서 유용할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 주입된 탄소 나노튜브의 평균 길이는 약 10 ㎛ 내지 약 100 ㎛ 이다. 이러한 길이를 갖는 탄소 나노튜브는 예를 들어, 기계적 특성뿐만 아니라 전기 및 열 전도성 특성을 향상시키기 위해 유용할 수 있다. 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브의 평균 길이는 약 100 ㎛ 내지 약 500 ㎛ 이다. 이러한 길이를 갖는 탄소 나노튜브는 예를 들어, 전기 및 열 전도성 특성을 향상시키기 위해 특히 이로울 수 있다.
일부 실시예에서, 탄소 나노튜브의 평균 길이는 탄소 나노튜브 없는 복합재 물질에 대해 복합재 물질의 열팽창 계수가 약 4-폴드 이상만큼 감소시키기 위해 충분하다. 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브의 평균 길이는 탄소 나노튜브 없는 복합재 물질에 대해 복합재 물질의 강성 및 내마모성이 약 3-폴드 이상만큼 개선시키기 위해 충분하다. 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브의 평균 길이는 복합재 물질 내에서 전기 전도성 경로를 확립하기 위해 충분하다. 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브의 평균 길이는 복합재 물질 내에서 열 전도성 경로를 확립하기 위해 충분하다.
일부 실시예에서, 섬유 물질로 주입된 탄소 나노튜브는 섬유 물질 상에서 탄소 나노튜브 밀도가 균일하고, 밀도 분포가 균일하다. 전술된 바와 같이, 균일 밀도 분포의 오차는 탄소 나노튜브와 주입된 섬유 물질 표면 영역의 약 ±10% 이상이다. 비제한 예의 방식으로, 오차는 5개의 벽을 가진 8 nm 직경을 갖는 탄소 나노튜브에 대하여 약 ±1500 CNT/㎛2과 동등하다. 이러한 값은 CNT 내부에 채울 수 있는 공간을 상정한다. 일부 실시예에서, 섬유 물질의 범위 백분율로 표현된 최대 탄소 나노튜브 밀도(즉, 탄소 나노튜브로 덮인 섬유 물질 표면 영역의 백분율)는 약 55% 만큼 높을 수 있고, 5개의 벽을 가진 8 nm 직경을 갖는 탄소 나노튜브, 그리고 채울 수 있는 공간을 상정한다. 55% 섬유 표면적 범위는 언급된 치수를 갖는 탄소 나노튜브를 위해 약 15,000 CNT/마이크론2으로 동일하다. 일부 실시예에서 범위의 밀도는 약 15,000 CNT/마이크론2 까지 이다. 당해 업계의 숙련자는 탄소 나노튜브 밀도의 넓은 범위가 섬유 물질로 탄소 나노튜브를 주입하기 위해 사용된 탄소 나노튜브 성장 조건, 및 실제 성장 조건 자체로 노출 시간, 섬유 물질의 표면에서 촉매 나노입자의 증착의 변화에 의해 얻어질 수 있다는 것을 인지해야 할 것이다. 전술한 바와 같이, 일반적으로 더 높은 분포 밀도를 갖는 더 짧은 탄소 나노튜브는, 일반적으로, 더 적은 분포 밀도를 갖는 더 긴 탄소 나노튜브가 열 및 전기적 특성을 향상시키는데 더욱 유용한 반면에, 기계적 특성(예를 들어, 인장 강도)을 향상시키는데 더욱 유용하다. 그러나, 개선된 분포 밀도는 심지어 더 긴 탄소 나노튜브가 존재 할 때, 여전히 유용할 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 하중이 섬유 방향과 수직으로 적용될 때 물질이 받는 응력을 평가한다. 압축 강도는 압축 하중이 적용될 때 (즉, 하중이 섬유 방향에 평행하게 적용될 때) 물질이 받는 응력을 평가한다.
특히, 다중벽 탄소 나노튜브는 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. 전술한 바와 같이, 인장 강도의 증가는 섬유 물질 상에서 탄소 나노튜브의 밀도 및 분포뿐만 아니라, 탄소 나노튜브의 정확한 특성에 따라 복합재 물질에서 다를 것이다. CNT 주입된 탄소 섬유 물질은, 예를 들어 본 섬유 물질에 대해 인장 특성에서 2배 내지 3배의 증가 또는 그 이상으로 나타낼 수 있다. 일반적인, 예시적인 탄소 나노튜브 주입된 탄소 섬유 물질은 모 섬유 물질보다 3배 높은 전단 강도 및 2.5배 높은 압축 강도를 가질 수 있다. 섬유 물질의 강도에서 이러한 증가는 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질이 분포되는 복합재 물질로 이동된다.
일부 실시예에서, 주입된 탄소 나노튜브를 함유하는 섬유 물질은 금속 매트릭스에서 균일하게 분포된다. 언급된 다른 방식으로, 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질은 금속 매트릭스에서 동종 조직으로 분포된다. 일부 실시예에서, 섬유 물질은 금속 매트릭스에서 무작위로 배향된다. 이러한 경우에, 복합재 물질의 특성은 등방성으로 강화된다. 일부 실시예에서, 섬유 물질은 금속 매트릭스에서 균일하게 분포되거나 정렬된다. 다른 실시예에서, 섬유 물질은 무작위 방식으로 금속 매트릭스에서 균일하게 분포된다.
일부 실시예에서, 섬유 물질은 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질에서 두 가지 또는 그 이상의 상이한 길이를 갖는다. 이러한 실시예에서, 섬유 물질의 분포는 여러가지 방식으로 다시 무작위, 정렬, 또는 그 반대로 배향될 수 있다. 전술한 바와 같이, 다른 길이의 탄소 나노튜브는 동일한 섬유 물질의 상이한 부분으로 주입될 수 있고, 복합재 물질로 상이한 특성 강화의 이동을 위해 사용될 수 있다.
대안적인 실시예에서, 상이한 길이를 갖는 탄소 나노튜브는 복합재 물질에서 균일하게 분포되는 각각의 두 가지 또는 그 이상의 상이한 섬유 물질로 주입될 수 있다. 이러한 섬유 물질은 복합재 물질로 상이한 특성 강화를 다시 이동할 수 있다. 따라서, 복합재 물질로 상이한 특성 강화 이동을 위해, 제 1 길이를 갖는 탄소 나노튜브는 제 1 섬유 물질로 주입될 수 있고, 제 2 길이를 갖는 탄소 나노튜브는 제 2 섬유 물질로 주입될 수 있다. 두 가지 또는 그 이상의 상이한 섬유 물질이 사용될 때, 분포는 여러 가지 방식으로 다시 무작위, 정렬, 또는 그 반대로 배향될 수 있다. 후술되는 바와 같이, 또한 분포는 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 함유하는 한 가지 또는 두 가지 또는 그 이상의 섬유 물질을 위해 불균일한 방식에서 될 수 있다.
다른 실시예에서, 섬유 물질은 금속 매트릭스에서 불균일하게 분포된다. 언급된 다른 방식으로, 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질은 금속 매트릭스에서 동종조직으로 분포될 수 있다. 일부 실시예에서, 불균일 분포는 금속 매트릭스에서 구배 분포된다. 일부 실시예에서, 금속 매트릭스의 제 1 부분은 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 함유하고, 금속 매트릭스의 제 2 부분은 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 함유하지 않는다. 이후 실시예에 대한 비 제한적인 예로서, 본 발명의 금속 매트릭스 복합재는 금속 매트릭스 표면에 가까운 섬유 물질만을 포함함으로써 최외각 영역에서 선택적으로 강화될 수 있다.
불균일하게 분포된 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 함유하는 실시예에서, 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질은 복합재 물질의 특정 부분에만 강화된 특성을 선택적으로 이동하기 위해 사용될 수 있다. 제한되지 않는 실시예의 방식에 의해, 표면에만 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 갖는 복합재 물질은 표면 열전달 특성을 강화하기 위해 사용될 수 있거나, 표면 내충격성을 이동하기 위해 사용될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 상이한 길이를 갖는 탄소 나노튜브는 복합재 물질에서 불균일하게 분포된 두 가지 또는 그 이상의 상이한 섬유 물질로 주입될 수 있다. 예를 들어, 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 상이한 길이를 갖는 섬유 물질은 복합재 물질의 상이한 부분에서 분포될 수 있다. 이러한 실시예에서, 상이한 길이를 갖는 탄소 나노튜브는 분포된 복합재 물질의 부분을 구별하여 강화한다. 제한되지 않는 실시예의 방식에 의해, 내충격성을 향상하기 위해 충분한 길이를 갖는 탄소 나노튜브는 섬유 물질로 주입될 수 있고 복합재 물질의 표면 가까이 분포될 수 있으며, 그리고 전기적 전도성 투과 경로를 확립하기 위해 충분한 길이를 갖는 탄소 나노튜브는 섬유 물질로 주입될 수 있고 복합재 물질의 다른 영역으로 분포될 수 있다. 특성 강화의 다른 조합은 본 발명에 비추어, 당해 업계의 숙련자에 의해 구상될 수 있다. 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질이 복합재 물질에서 균일하게 분포되는 경우에 있어서, 섬유 물질의 증착은 불균일한 분포의 경우에 다양한 방식으로 다시 무작위, 정렬, 또는 반면에 배향될 수 있다.
일부 실시예에서, 복합재 물질은 금속 매트릭스, 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 제 1 부분 및 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 제 2 부분을 포함한다. 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 제 1 부분 및 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 제 2 부분은 개별적으로 금속 매트릭스의 제 1 영역 및 제 2 영역에 분포된다. 제 1 부분으로 주입된 탄소 나노튜브의 평균 길이 및 제 2 부분으로 주입된 탄소 나노튜브의 평균 길이는 선택되고, 금속 매트릭스의 제 1 영역 및 금속 매트릭스의 제 2 영역은 상이한 기계적, 전기적 또는 열적 특성을 갖는다. 금속 매트릭스는 적어도 하나의 금속을 포함한다.
일부 실시예에서, 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 제 1 부분 및 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 제 2 부분은 같은 섬유 물질이다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 섬유 물질의 제 1 부분 및 섬유 물질의 제 2 부분은 본 명세서에 설명된 탄소 섬유 또는 임의의 다른 섬유 물질 둘 다이다. 일부 실시예에서, 또한, 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 제 1 부분 및 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 제 2 부분의 적어도 하나는 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 적어도 오버코팅하는 패시베이션 층(passivation layer)을 포함한다. 이러한 패시베이션 층의 더 상세한 설명은 아래에서 더 상세하게 고려된다.
매우 다양한 금속 매트릭스는 본 명세서에 설명된 복합재 물질 형성에서 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 금속 매트릭스는 예를 들어, 알루미늄, 마그네슘, 구리, 코발트, 니켈, 지르코늄, 은, 금, 티타늄 및 그의 혼합과 같은 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다. 금속 매트릭스의 혼합은 금속 합금이 될 수 있다. 비제한적인 예로서, 예시적인 금속 합금은 니켈-코발트 합금이다. 다른 실시예에서, 적어도 하나의 금속을 함유하는 혼합물은 공정 물질(eutectic substance)이 될 수 있다.
일부 예에서, 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 갖는 금속 매트릭스의 반응이 일어날 수 있다. 이러한 경우에, 금속 매트릭스의 반응 생성물 및 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질은 복합재 물질의 특성에 유해하게 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 매트릭스인 경우에, 탄화 알루미늄은 형성될 수 있고, 복합재 물질의 기계적 강도에 유해한 영향을 줄 수 있는 취성 재료이다. 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 갖는 금속 매트릭스의 잠재 반응의 결과로서, 본 명세서에 설명된 일부 실시예는 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 갖는 금속 매트릭스의 상용성을 증가시키는 금속 매트릭스에서 적어도 하나의 첨가제를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 개선된 상용성은 금속 매트릭스와 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질 사이의 계면에서 반응 생성물의 결과이다. 금속 매트릭스의 반응 생성물 및 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질과 달리, 적어도 하나의 첨가제와 금속 매트릭스의 반응 생성물은 복합재 물질의 특성을 바람직하게 개선한다. 일부 실시예에서, 금속 매트릭스와 적어도 하나의 첨가제의 반응 생성물은 금속 매트릭스와 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질 사이의 물리적 상호작용을 간단히 개선한다. 다른 실시예에서, 금속 매트릭스와 적어도 하나의 첨가제의 반응 생성물은 금속 매트릭스와 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질 사이의 공유결합 형성의 결과이다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 첨가제는 금속 매트릭스와 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 계면에서 탄화물 제품을 형성하기 위해 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 탄소 나노튜브와 반응한다. 탄화물 제품은 금속 매트릭스의 적어도 하나의 금속을 함유하지 않는다. 알루미늄의 경우에, 알루미늄 매트릭스에서 첨가제로서 규소의 적은 양을 포함하는 것은 알루미늄 매트릭스와 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질 사이의 계면에서 탄화규소를 형성하기에 충분하며, 그리고 원하지 않는 알루미늄 탄화물의 형성을 실질적으로 피할 수 있다. 일부 실시예에서, 탄화물 제품은 탄화규소이다. 일부 실시예에서, 금속 매트릭스는 금속 매트릭스는 알루미늄을 포함하고, 적어도 하나의 첨가제는 규소를 포함한다. 금속 매트릭스와 첨가제의 다른 조합은 당해 업계의 숙련자에 의해 구성될 수 있으며, 본 실시예는 제한적인 것으로 고려되지 않아야 한다.
금속 매트릭스와 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질 사이의 개선된 상용성은, 금속 매트릭스로 적어도 하나의 첨가제의 첨가를 위한 대안으로서 또는 조합에서 다른 방식에 의해 성취될 수 있다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 본 복합재 물질도 탄소 나노튜브는 주입된 섬유 물질을 적어도 오버코팅하는 패시베이션 층을 포함한다. 일부 실시예에서, 패시베이션 층도 섬유 물질 상에 주입된 탄소 나노튜브를 오버코트한다. 상기 논의된 바와 같이, 복합재 물질 형성을 위해 사용되는 조건 하에서, 섬유 물질 및/또는 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질은 금속 매트릭스와 반응성을 보일 수 있다. 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질 상의 패시베이션 층의 결합이 제거되거나, 또는 실질적으로 섬유 물질 또는 탄소 나노튜브의 바람직하지 않은 반응을 감소한다. 이러한 패시베이션 층이 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 반응을 실질적으로 최소화하고 또는 차단하기 위해 의도된다는 점에서, 이러한 패시베이션 층은 금속 매트릭스로 적어도 하나의 첨가제의 첨가와 구별할 수 있다. 그에 반해서, 금속 매트릭스의 적어도 하나의 첨가제는 이러한 반응을 기능화하기 위해 특히 첨가된다.
다수의 상이한 패시베이션 층 및 부착을 위한 방법은 본 명세서에 설명된 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 오버코팅하기 위해 적합하다. 일반적으로, 임의의 인습적인 배리어 코팅은 탄소 나노튜브의 바람직하지 않은 화학적 반응을 예방하기 위한 패시베이션 층으로 채용될 수 있다. 인습적인 배리어 코팅은 이전에 논의된 사이징 작용제, 또는, 더 일반적으로, 섬유 물질을 위한 코팅 기반의 실리카 및 알루미나를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 예시적인 패시베이션 층은 예를 들어, 니켈 및 티타늄 다이보라이드를 포함할 수 있다. 또한, 대안적인 패시베이션 층은 예를 들어, 크롬, 마그네슘, 티타늄, 은 및 주석을 포함하기에 적합할 수 있다. 일부 실시예에서, 패시베이션 층은 예를 들어, 무전해 니켈 또는 전기 도금 기술에 의한 부착된 니켈 합금일 수 있다. 일부 실시예에서, 패시베이션 층은 약 1 nm 내지 약 10㎛의 두께를 갖는다.
복합재 물질의 형성 중에 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질이 금속 매트릭스와 반응될 수 있고, 이러한 반응이 일반적으로 바람직하지 않지만, 이러한 반응은 복합재 물질의 특성을 강화시키기 위해 이롭게 사용될 수 있다. 예를 들어, 유해한 반응 생성물이 생성되지 않는다면, 금속 매트릭스와 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질 사이의 반응은 그 사이의 공유결합을 형성할 수 있고 금속 매트릭스와 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질 사이의 상호 작용을 개선할 수 있다.
일부 실시예에서, 섬유 물질로 탄소 나노튜브의 주입은 예를 들어, 수분, 산화, 마모, 및 압축으로부터의 섬유 물질 예방하기 위해 사이징 작용제를 포함하는 많은 기능을 제공할 수 있다. 또한, 탄소 나노튜브 기반의 사이징 작용제는 복합재 물질 내에서 섬유 물질과 금속 매트릭스 사이의 계면으로 제공될 수 있다. 이러한 탄소 나노튜브 기반의 사이징 작용제는 종래의 사이징 작용제뿐 아니라 대신하여 섬유 물질로 적용될 수 있다. 종래의 사이징 작용제는 종류와 기능에 따라 다양하게 달라지며, 예를 들어 계면활성제, 대전방지제, 윤활제, 실록산, 알콕시실란, 아미노실란, 실란, 실라놀, 폴리비닐 알코올, 스타치 및 이들의 혼합물을 포함한다. 이러한 종래의 사이징 작용제는 탄소 나노튜브 자체를 보호할 수 있고, 탄소 나노튜브 단독에 의해 이동되지 않고 추가적인 특성 강화를 섬유 물질로 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 종래의 사이징 작용제는 탄소 나노튜브 주입 전에 섬유 물질로부터 제거될 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, 섬유 물질로 주입된 탄소 나노튜브는 섬유 물질로 직접 결합할 수 있으며, 또는 일부 실시예에서 종래의 사이징 작용제일 수 있는 촉매 나노입자 또는 배리어 코팅을 통하여 간접 결합할 수 있다.
탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 형성 후에, 금속 매트릭스를 포함하는 복합재 물질 및 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질은 주조법(casting), 스퀴즈 주조법(squeeze casting), 열간 프레싱법(hot pressing), 액상 금속 침투법(liquid metal infiltration), 용융 방사법(melt spinning), 열 분부 증착법(thermal spray deposition), 전기 도금법(electrodeposition), 무전해 도금법(electroless deposition), 마찰 용접법(friction welding), 진공 증착법(vapor deposition), 스퍼터링 및 분말 야금법(sputtering and powder metallurgy)을 포함하는 당해 업계의 통상적인 임의의 방법을 사용하여 형성될 수 있다.
당해 업계의 숙련자는 일반적으로, 복합재 물질이 약 60% 섬유 물질 및 약 40% 금속 물질로 채용된다는 것을 인식해야 할 것이다. 주입된 탄소 나노튜브와 같은 제 3 요소의 주입으로, 이런 비율은 변경될 것이다. 예를 들어, 약 25 중량% 탄소 나노튜브의 첨가로, 섬유 물질은 약 5 중량% 내지 약 75 중량%로 변경될 것이고, 금속 매트릭스 물질은 약 25 중량% 내지 약 95 중량%로 변경될 것이다. 상기 논의된 바와 같이, 탄소 나노튜브 하중 백분율은 예를 들어, 섬유 물질로 주입된 탄소 나노튜브의 밀도의 변화, 섬유 물질의 양의 변화, 및/또는 섬유 물질로 주입된 탄소 나노튜브의 길이 변화에 의해 변경될 수 있다.
일부 실시예에서, 섬유 물질의 탄소 나노튜브 중량백분율은 탄소 나노튜브의 평균 길이에 의해 결정된다. 일부 또는 다른 실시예에서, 섬유 물질의 탄소 나노튜브 중량백분율은 섬유 물질로 주입된 탄소 나노튜브의 밀도 범위에 의해 추가적으로 결정된다. 예시적인 실시예에서, 약 5 중량% 미만의 탄소 나노튜브 하중은 기계적 특성 강화에 충분한 한편, 전기적 및 열적 전도성 강화에는 약 5 중량% 이상의 탄소 나노튜브 하중이 일반적으로 더욱 바람직하다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 설명된 복합재 물질은 약 10 중량%의 탄소 나노튜브를 함유한다. 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브는 복합재 물질의 약 0.1 중량% 내지 약 10 중량%이다. 일부 실시예에서, 섬유 물질은 약 40 중량% 탄소 나노튜브를 함유한다. 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브는 복합재 물질의 약 0.5 중량% 내지 40 중량%이다. 전술한 것에 대하여, 본 복합재 물질은 본 명세서에 나타낸 발명의 사상과 범위 내에 속해 있는 반면에 조서물에서 다양하게 변경된다.
적용에 따라, 본 복합재 물질은 연속적인 섬유, 초핑된 섬유의 형성에서 또는 그의 조합 둘 중 하나인 섬유 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 섬유 물질은 연속적인 섬유 또는 초핑된 섬유의 형태이다. 일부 실시예에서, 섬유 물질은 초핑된 섬유이다. 초핑된 섬유의 경우에, 연속적인 섬유는 본 명세서에 설명된 바와 같이 그리고 출원자의 함께 계류중인 특허 출원에서 탄소 나노튜브로 주입될 수 있고, 그리고 나서 당 업계의 통상적으로 알려진 방법에 따라 더 작은 부분으로 잘릴 수 있다. 일부 실시예에서, 연속적인 섬유는 개별적으로 혹은 참조된 상기 직조 또는 비직조 섬유의 임의의 정렬 중 하나로 복합재 물질에서 직접 분포될 수 있다. 일부 실시예에서, 섬유 물질은 스풀가능한 치수이다.
금속 매트릭스 및 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 포함하는 복합재 물질은 다수의 잠재적인 용도를 갖는다. 일부 실시예에서, 금속 매트릭스 및 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 포함하는 복합재 물질을 포함하는 물품은 본 명세서에 개시된다.
추가적으로, 탄소 나노튜브 주입된 전도성 탄소 섬유는 초전도를 위한 전극의 제조에 사용된다. 초전도 섬유의 제조에 있어서, 적어도 부분적으로, 섬유 물질의 열팽창 계수와 초전도 층의 열팽창 계수가 상이하기 때문에, 섬유 물질에 초전도 층의 충분한 접착력을 얻는 것은 도전적일 수 있다. 또한, 이러한 이점은 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 포함하는 본 복합재 물질을 포함하는 금속성 전도체에서 실현될 수 있다. 당 업계의 다른 어려운 점은 CVD 공정에 의한 섬유 물질의 코팅 중에 발생한다. 예를 들어, (수소 가스 또는 암모니아와 같은) 반응 가스가 섬유 표면을 공격하고/하거나 섬유 표면 상에 바람직하지 않은 탄화수소 화합물을 형성해서, 초전도 층의 양호한 접착을 어렵게 만들 수 있다. 탄소 나노튜브 주입된 탄소 섬유 물질은 이와 같이 언급된 당해 업계의 난점을 극복할 수 있다.
상술된 바와 같이, 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 갖는 복합재 물질은 탄소 나노튜브의 존재 때문에, 향상된 내마모성을 보여줄 수 있다. 금속 매트릭스 및 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 포함하는 복합재 물질의 존재로부터 이점일수 있는 물품은 제한 없이, 브레이크 로터, 자동차 구동샤프트, 공구, 베어링, 항공 부품, 및 자전거 프레임을 포함한다.
탄소 나노튜브에 효과적인 큰 표면적은 물로부터 유기 오일의 분리와 같은 물의 여과 장치 및 다른 추출 공정에 적합한 본 복합재 물질을 만든다. 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 포함하는 복합재 물질은 지하수면(water table), 물 저장 장치, 또는 가정 및 사무실 사용을 위한 인라인 필터(in-line filters)로부터 유기 독소를 제거하는데 사용될 수 있다.
유전 기술에서, 본 복합재 물질은 예를 들어, 파이프 베어링(pipe bearing), 파이핑 보강부(piping reinforcement), 및 고무 오링(rubber o-ring)을 포함하는 드릴 장비의 제조에 유용하다. 게다가, 전술한 바와 같이, 탄소 나노튜브 주입된 섬유는 추출 공정에 사용될 수 있는데, 지질학 층으로부터 가치 있는 석유 매장물을 함유하는 층을 얻기 위해 적용될 수 있다. 예를 들어, 상당한 물 및/또는 모래가 존재하는 층으로부터 원유를 추출하기 위해서, 본 복합재 물질이 사용될 수 있으며, 본 복합재 물질은 고 비등점 때문에 추출하기 어려운 중유를 추출하는데 유용할 수 있다. 예를 들어, 천공된 파이핑 시스템과 결합하여, 천공된 파이핑에 오버코팅된 본 복합재 물질에 의해 이러한 중유의 위킹(wicking)은 오일 셰일(oil shale) 층 및 중유로부터 고 비등점을 가진 부분을 연속적으로 제거하도록, 진공 시스템 등에 동작가능하게 연결될 수 있다. 또한, 당해 업계에 알려진 종래의 열 또는 촉매된 분해 방법과 함께 또는 대신에, 이러한 공정이 사용될 수 있다.
또한, 본 복합재 물질은 대기 우주 및 탄도 적용에서 구조적 성분을 강화할 수 있다. 예를 들어 미사일에서 노즈 콘(nose cones)과 같은 구조, 항공기 날개의 선단 에지(leading edge), 1차 구조 부분(예를 들어, 플랩(flaps) 및 에어로포일(aerofoils), 프로펠러 및 에어 브레이크(air brake), 작은 비행기의 기체, 헬리곱터 쉘(helicopter shell) 및 로터 블레이드(rotor blades)), 항공기 2차 구조 부분(예를 들어, 바닥, 도어, 시트, 에어컨, 및 2차 탱크), 그리고 비행기 모터 부분은 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 포함하는 본 복합재 물질에 의해 제공된 구조적 강화로부터 유용할 수 있다. 많은 다른 적용에서 구조적 강화는 예를 들어 소해함 선체(mine sweeper hull), 헬멧, 레이돔(radom), 로켓 노즐(rocket nozzles), 구조 스트레쳐(rescue stretcher), 및 엔진 부품을 포함할 수 있다. 빌딩과 건축물에서, 외부 특징의 구조적 강화는 예를 들어, 기둥(column), 페디먼트(pediment), 돔(dome), 처마 돌림띠(cornic), 및 거푸집(formwork)을 포함한다. 마찬가지로, 내부 빌딩 강화는 예를 들어, 블라인드, 위생-도기(sanitary-ware), 창틀(window profile) 등과 같은 구조를 포함한다.
해양 산업에서, 구조적 강화는 보트 선체(boat hull), 스트링거(stringer), 돛대, 프로펠러, 방향키 및 갑판(deck)을 포함할 수 있다. 또한, 본 복합재 물질은 화물 수송업 산업의 견지에서 예를 들어, 트레일러 벽을 위한 패널(panel), 철도 차량용 바닥 패널(floor panel), 트럭 캡(truck cab), 외부 바디 몰딩(exterior body molding), 버스 몸체 쉘, 및 화물(cargo container)에 사용될 수 있다. 자동차 적용에서, 복합재 물질은 인테리어 부분(예를 들어, 장식, 시트, 및 계기 패널), 외부 구조(예를 들어, 몸체 패널, 개구(opening), 하부 몸체, 및 전면과 후면 모듈), 및 자동차 엔진 부품 및 연료 기계적 영역부(예를 들어, 엑셀(exle)과 서스펜션(suspension), 연료와 배기 시스템, 및 전기 및 전자 부품))에 사용될 수 있다.
본 복합재 물질의 다른 적용은 예를 들어, 교각 건설, 강화된 콘크리트 제품(예를 들어, 다웰 바(dowel bar), 보강 철근(reinforcing bar), 포스트 텐셔닝(post-tensioning) 및 프리 스트레싱 텐돈(pre-stressing tendon)), 스테이-인-플레이스(stay-in-place) 골재, 전력 전송 및 수송 구조(예를 들어, 전신주, 송신주 및 가로장(cross-arm)), 고속도로 안전 및 길가 특징물(예를 들어, 표시 지지대, 가드 레일, 푯말 및 지지대), 방음벽, 시자체의 파이프(municipal pipe) 및 저장 탱크를 포함한다.
또한, 본 복합재 물질은 수상 및 스노우 스키, 자전거, 카약, 카누 및 노, 스노우 보드, 골프 클럽 샤프트(golf club shaft), 골프 카트, 낚싯대, 및 수영장과 같은 다양한 레저 용품에 사용될 수 있다. 다른 소비재와 사무기기는 예를 들어, 기어, 팬, 주택, 가스 압력 통, 가전제품의 부품(예를 들어, 세탁기, 드럼 세탁기, 드라이어, 음식물 쓰레기 처리기, 에어컨 및 가습기)을 포함한다.
또한, 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 전기적 특성은 다양한 에너지와 전기 분야에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 본 복합재 물질은 풍력 발전 터빈 날(blade), 태양전지 구조, 및 전자 인클로져(예를 들어, 랩탑, 휴대폰, 컴퓨터 케비넷, 여기서 주입된 탄소 나노튜브는 전자파 차폐(EMI shielding)를 제공하기 위해 사용될 수 있음)에서 사용될 수 있다. 다른 적용은 전력선, 냉각 장치, 등주(light pole), 회로 판, 전기 연결 박스, 사다리 레일, 광섬유, 데이터 라인, 컴퓨터 터미널 하우징과 같은 전력 내장형 구조, 및 사무 기기(예를 들어, 복사기, 금전 복사기 및 우편 장치)를 포함한다.
다른 다양한 실시예에서, 금속 매트릭스 및 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 포함하는 복합재 물질의 제조 방법이 본 명세서에 개시되어 있다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질 제공 단계, 및 금속 매트릭스로 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 결합 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 금속 매트릭스로 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 결합은 예를 들어, 주조법(casting), 스퀴즈 주조법(squeeze casting), 열간 프레싱법(hot pressing), 액상 금속 침투법(liquid metal infiltration), 용융 방사법(melt spinning), 열 분무 증착법(thermal spray deposition), 전기 도금법(electrodeposition), 무전해 도금법(electroless deposition), 마찰 용접법(friction welding), 진공 증착법(vapor deposition), 스퍼터링 및 분말 야금법(sputtering and powder metallurgy)과 같은 기술에 의해 발생한다. 상기 방법의 다양한 실시예에서, 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질이 결합 시에는, 금속 매트릭스가 액체 상태이다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 결합 후에, 금속 매트릭스를 응고하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 본 발명의 방법의 금속 매트릭스는 예를 들어, 알루미늄, 마그네슘, 구리, 코발트, 니켈, 및 그의 혼합물일 수 있다. 일부 실시예에서, 금속 매트릭스는 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질과 상기 금속 매트릭스의 상용성을 증가시키는 적어도 하나의 첨가제를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 적어도 하나의 첨가제는 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 탄소 나노튜브와 반응하여 금속 매트릭스와 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 계면에서 카바이드 산물을 형성한다. 상기 논의된 바와 같이, 이러한 실시예에서, 카바이드 산물은 상기 금속 매트릭스의 적어도 하나의 금속을 함유하지 않는다.
일부 실시예에서, 상기 방법은 상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 적어도 일부를 패시베이션 층으로 오버코팅 하는 것을 더 포함한다. 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브는 또한 상기 패시베이션 층으로 오버코팅된다. 일부 실시예에서, 상기 패시베이션 층은 예를 들어, 전기 도금 또는 화학적 증착과 같은 기술에 의해 부착될 수 있다. 예시적인 패시베이션 층은 예를 들어, 니켈, 티타늄 디보라이드, 크롬, 마그네슘, 티타늄, 은 및 주석을 포함한다. 일반적으로, 어떠한 통상적인 배리어 코팅이 예를 들어, 실리카- 및 알루미나 기반의 코팅과 같은 사이징 작용제를 포함하는 패시베이션 층으로서 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 방법은 복합재 물질의 밀도를 높이는 것을 더 포함한다. 예시적인 고밀화 방법은 당업계의 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 알려져 있고, 예를 들어, 압축, 소결 및 전류-활성 압력 보조 고밀화(current-activated pressure assisted densification)를 포함한다. 고밀화는 내충격성을 향상하기 위해 본 발명의 복합재 물질의 방호구 적용에 특히 유익할 수 있다.
상기 방법의 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질은 금속 매트릭스 내에 균일하게 분포된다. 다른 실시예에서, 상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질은 금속 매트릭스 내에 불균일하게 분포된다. 일부 실시예에서, 불균일한 분포는 금속 매트릭스 내에서 구배 분포(gradient distribution)일 수 있다.
상기 방법의 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질은 제 1 길이의 탄소 나노튜브를 갖는 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 제 1 부분 및 제 2 길이의 탄소 나노튜브를 갖는 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 제 2 부분을 포함한다. 상기 제 1 부분은 상기 금속 매트릭스의 제 1 영역 및 상기 금속 매트릭스의 제 2 부분에서 편입된다. 상술한 바와 같이, 이러한 배열의 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질은 금속 매트릭스의 상이한 영역으로 상이한 구조적, 전기적 또는 열적 특성을 전달할 수 있다.
상기 방법의 일부 실시예에서, 섬유 물질은 초핑된(chopped) 섬유이다. 다른 실시예에서, 섬유 물질은 연속적인 섬유 물질이다. 일부 실시예에서, 초핑된 섬유와 연속적인 섬유의 혼합물이 본 발명의 복합재 물질에 채용된다.
본 명세서에 개시된 실시예는 그 전문이 본 명세서에 참조로서 각각 편입된 미국 특허 출원 제 12/611,073호, 제 12/611,101호 및 제 12/611,103호에 개시된 방법에 의해 손쉽게 제조되는 탄소 나노튜브 주입된 섬유를 제공한다.
섬유 물질에 탄소 나노튜브를 주입하기 위해, 탄소 나노튜브는 섬유 물질 상에 직접 합성된다. 일부 실시예에서, 이는 섬유 물질 상에 탄소 나노튜브 형성 촉매 제 1 증착에 의해 완수된다. 다수의 제조 공정이 이러한 촉매 증착 전에 수행될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 섬유 물질은 선택적으로 촉매를 수용하는 표면을 제조하기 위해 플라즈마로 처리될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 처리된 유리 섬유 물질은 탄소 나노튜브 형성 촉매가 증착될 수 있는 조도화된 유리 섬유 표면을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 또한 플라즈마는 섬유 표면을 "세척(clean)"하기 위해 제공된다. 이에 따라, 섬유 표면을 "조도화(roughing)"하는 플라즈마 공정은 촉매 증착을 촉진한다. 전형적으로, 조도(roughness)는 나노미터 스케일이다. 플라즈마 처리 공정에서, 나노미터 깊이 및 나노미터 직경의 크레이터(craters) 또는 침강(depression)이 형성된다. 이러한 표면 개질은 이에 한정하는 것은 아니나, 아르곤, 헬륨, 산소, 질소 및 수소를 포함하는 어떠한 하나 이상의 여러 가지 다른 가스의 플라즈마를 사용하여 달성될 수 있다.
일부 실시예에서, 채용된 섬유 물질이 이와 결합되는 사이징 물질(sizing material)을 갖는 경우, 이러한 사이징 물질은 촉매 증착 전에 선택적으로 제거될 수 있다. 선택적으로, 사이징 물질은 촉매 증착 후에 제거될 수 있다. 일부 실시예에서, 사이징 물질 제거는 탄소 나노튜브 합성 중에 또는 가열 단계 전 탄소 나노튜브 합성 직전에 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 일부 사이징 작용제는 전체 탄소 나노튜브 합성 공정에 걸쳐 남아있을 수 있다.
상기 탄소 나노튜브 형성 촉매의 증착 전 또는 증착에 수반하는 다른 선택적인 단계는 상기 섬유 물질의 배리어 코팅의 적용이다. 배리어 코팅은 탄소 섬유, 유기 섬유, 금속 섬유 등과 같은 민감한 섬유 물질의 온전함을 보호하도록 디자인된다. 이러한 배리어 코팅은 예를 들어, 알콕시실란, 알루목산, 알루미나 나노입자, 스핀 온 글라스(Spin-On Glass) 및 유리 나노입자를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 탄소 나노튜브 형성 촉매는 경화되지 않은 배리어 코팅 물질에 첨가될 수 있고, 그 다음 섬유 물질에 함께 적용될 수 있다. 다른 실시예에서, 배리어 코팅 물질은 탄소 나노튜브 형성 촉매의 증착 전에 섬유 물질에 첨가될 수 있다. 이러한 실시예에서, 배리어 코팅은 촉매 증착 전에 부분적으로 경화될 수 있다. 배리어 코팅 물질은 후속적인 CVD 성장을 위해 탄소 원료 공급 가스로 탄소 나노튜브 형성 촉매의 노출을 허용할 수 있도록 충분히 얇은 두께일 수 있다. 일부 실시예에서, 배리어 코팅 두께는 탄소 나노튜브 형성 촉매의 유효 직경과 같거나 또는 더 작다. 탄소 나노튜브 형성 촉매 및 배리어 코팅이 준비되면, 배리어 코팅은 완전히 경화될 수 있다. 일부 실시예에서, 촉매의 자리로 탄소 나노튜브 공급스톡 가스의 접근을 여전히 허용하는 한, 배리어 코팅의 두께는 탄소 나노튜브 형성 촉매의 유효 직경보다 클 수 있다. 이러한 배리어 코팅은 탄소 나노튜브 형성 촉매로 탄소 원료 물질 가스의 접근을 허용하기 위해 충분히 다공성일 수 있다.
이론의 경계없이, 상기 배리어 코팅은 섬유 물질과 탄소 나노튜브 사이의 중간층으로 제공될 수 있고, 또한 섬유 물질에 탄소 나노튜브를 기계적으로 주입하는 것을 도울 수 있다. 이러한 기계적 주입은 섬유 물질이 탄소 나노튜브 조직화를 위한 플랫폼으로서 여전히 제공되는 견고한 시스템(robust system)을 제공하며, 배리어 코팅을 이용한 기계적 주입의 이점은 전술된 간접 타입 융합과 유사하다. 더욱이, 배리어 코팅을 포함하는 이점은 수분의 노출로 인해 생긴 화학적 손상 및/또는 탄소 나노튜브 성장을 촉진하기 위해 사용되는 온도에서 섬유 물질의 가열로 인한 임의의 열적 손상으로부터 섬유 물질에 즉각적인 보호를 제공하는 것이다.
하기에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 탄소 나노튜브 형성 촉매는 전이 금속 나노입자로서 탄소 나노튜브 형성 촉매를 함유하는 용액으로 제조될 수 있다. 합성된 탄소 나노튜브의 직경은 상기한 바와 같이 전이 금속 나노입자의 크기와 관련된다.
탄소 나노튜브 합성은 상승된 온도에서 일어나는 화학 증착(CVD)에 기초할 수 있다. 특정한 온도는 촉매 선택과 상관성이 있으나, 전형적으로 약 500℃ 내지 약 1000℃일 수 있다. 따라서, 탄소 나노튜브 합성은 탄소 나노튜브 성장을 지지하기 상기 언급된 범위의 온도로 섬유 물질을 가열하는 것을 포함한다.
그 다음, 촉매-적재된 섬유 물질 상에서 CVD-촉진 탄소 나노튜브 성장이 수행된다. 예를 들어, CVD 공정은 아세틸렌, 에틸렌, 및/또는 에탄올과 같은 탄소 함유 원료 공급 가스에 의해 촉진될 수 있다. 일반적으로, 탄소 나노튜브 합성 공정은 1차 운반 가스로서 불활성 가스(질소, 아르곤 및/또는 헬륨)를 사용한다. 일반적으로, 탄소 함유 원료 공급 가스는 전체 혼합물의 약 0% 내지 약 15% 범위로 제공된다. CVD 성장을 위한 실질적인 불활성 환경은 성장 챔버로부터 수분 및 산소를 제거함으로써 마련될 수 있다.
탄소 나노튜브 합성 공정에서, 탄소 나노튜브 성장에 실시가능한 전이 금속 촉매 나노입자의 자리에서 탄소 나노튜브가 성장한다. 탄소 나노튜브 성장에 영향을 주기 위해, 강한 플라즈마 생성 전기장의 존재가 선택적으로 이용될 수 있다. 즉, 상기 탄소 나노튜브 성장은 전기장의 방향을 따르는 경향이 있다. 플라즈마 분무 및 전기장의 기하학적 구조를 적절히 조절해서, 수직 배열 탄소 나노튜브(즉, 섬유 물질의 종축에 수직임)가 합성될 수 있다. 특정 조건 하에서는, 심지어 플라즈마가 존재하지 않더라도, 가까이 배치된 탄소 나노튜브는 수직적인 성장 방향을 유지할 수 있으며, 이는 카펫(carpet) 또는 포레스트(forest)와 유사한 탄소 나노튜브의 밀집된 배열을 일으킬 수 있다.
섬유 물질에 촉매 나노입자를 배치하는 수행은 용액을 분무 또는 딥 코팅(dip coating)하여, 또는 예를 들어, 플라즈마 공정을 통한 기상 증착에 의하여 완수될 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 용매에서 촉매 용액을 형성한 후, 섬유 물질을 상기 용액으로 분무 또는 딥 코팅하거나, 분무와 딥 코팅의 조합에 의해서, 촉매가 적용될 수 있다. 단독으로 또는 조합해서 사용되는 기술은 1번, 2번, 3번, 4번, 몇 번까지도 사용되어서, 충분히 균일하게 코팅된 탄소 나노튜브의 형성을 작동가능하게 하는 촉매 나노입자를 함유하는 섬유 물질을 제공할 수 있다. 딥 코팅이 사용될 경우, 섬유 물질은 예를 들어, 제 1 딥 배스(dip bath)에서 제 1 체류시간 동안 제 1 딥 배스에 놓일 수 있다. 제 2 딥 배스를 사용할 경우, 섬유 물질은 제 2 체류 시간 동안 제 2 딥 배스에 놓일 수 있다. 예를 들어, 섬유 물질은 딥 구성물 및 선 속도(linespeed)에 따라 약 3초 내지 약 90초 동안 탄소 나노튜브 형성 촉매의 용액에 적용될 수 있다. 분무 또는 딥 코팅 공정을 사용하여, 약 5% 이하의 흡착률(surface coverage) 내지 약 80%의 높은 흡착률의 촉매 표면 밀도를 갖는 섬유 물질이 얻어질 수 있다. 높은 표면 밀도에서(예를 들어 약 80%), 탄소 나노튜브 형성 촉매 나노입자는 거의 단층이다. 일부 실시예에서, 섬유 물질에서 탄소 나노튜브 형성 촉매를 코팅하는 공정은 단층을 생성할 뿐이다. 예를 들어, 탄소 나노튜브 형성 촉매의 스택(stack)에서의 탄소 나노튜브 성장은, 섬유 물질에 탄소 나노튜브의 주입 정도를 약화시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 증발 기술, 전해질 증착 기술, 및 금속 유기물, 금속염 또는 가스상 이동을 촉진하는 다른 구성물로서 플라즈마 원료 물질 가스에 전이 금속 촉매의 첨가와 같은 당업자에게 공지된 다른 공정을 사용하여, 전이 금속 촉매 나노입자가 섬유 물질에 부착될 수 있다.
탄소 나노튜브 주입된 섬유 제조 공정은 연속적인 것으로 고안되기 때문에, 스풀가능한 섬유 물질은 공간적으로 분리된 일련의 배스에서 딥 코팅될 수 있다. 새로운 섬유가 다시 생성되는 연속적인 공정에서, 노로부터 새로 형성된 유리 섬유와 같이, 탄소 나노튜브 형성 촉매의 딥 배스 또는 분무는 새로 형성된 섬유 물질을 충분히 냉각한 후, 제 1 단계일 수 있다. 일부 실시예에서, 새로 형성된 유리 섬유의 냉각은 탄소 나노튜브 형성 촉매 입자가 분산된 물의 냉각 젯(cooling jet)으로 수행될 수 있다.
일부 실시예에서, 연속적인 공정으로 섬유를 생성하고 이를 탄소 나노튜브로 주입할 경우에, 탄소 나노튜브 형성 촉매의 적용이 사이징 적용 대신에 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 탄소 나노튜브 형성 촉매는 다른 사이징 작용제의 존재 하에서 새로 형성된 섬유 물질에 적용될 수 있다. 탄소 나노튜브 형성 촉매와 다른 사이징 작용제의 이러한 동시적인 적용은 탄소 나노튜브 주입을 확보하기 위해 상기 섬유 물질과의 표면 접촉시 상기 탄소 나노튜브 형성 촉매를 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 탄소 나노튜브 형성 촉매는 분무 또는 딥 코팅에 의해 초기 섬유에 적용될 수 있고, 한편 상기 섬유 물질은 예를 들어 탄소 나노튜브 형성 촉매가 섬유 물질의 표면에 약간 매립되도록 어닐링 온도 부근 또는 이하의 온도에서 충분히 연화된 상태로 존재한다. 고온 유리 섬유 물질 상에 탄소 나노튜브 형성 촉매 증착시, 예를 들어, 탄소 나노튜브 형성 촉매의 용융점을 초과하여, 결과적으로 나노입자의 융합 및 탄소 나노튜브 특성(예를 들어, 직경)의 제어 손실이 일어나지 않도록 주의해야 한다.
탄소 나노튜브 형성 촉매 용액은 임의의 d-블록 전이 금속의 전이 금속 나노입자일 수 있다. 또한, 상기 나노입자는 원소 형태, 염 형태 및 이의 혼합물로 d-블록 금속의 합금 및 비합금 혼합물을 포함할 수 있다. 이러한 염 형태는 이에 한정하는 것은 아니나, 산화물, 탄화물 및 질화물, 아세테이트, 질산염 등을 포함한다. 비제한적인 예시 전이 금속 나노입자는 예를 들어 Ni, Fe, Co, Mo, Cu, Pt, Au 및 Ag, 및 이의 염, 및 이의 혼합물을 포함한다. 일부 실시예에서, 이러한 탄소 나노튜브 형성 촉매는 섬유 물질에 직접적으로 탄소 나노튜브 형성 촉매를 적용하거나 주입함으로써, 섬유 물질에 부착된다. 많은 나노입자 전이 금속 촉매는 예를 들어, Forrotec Corporation(Bedford, NH)을 포함하는 다양한 공급처로부터 상업적으로 쉽게 구입가능하다.
탄소 나노튜브 형성 촉매를 탄소 섬유 물질에 적용하는데 사용되는 촉매 용액은 탄소 나노튜브 형성 촉매를 균일하게 분산시킬 수 있는 임의의 일반적인 용매일 수 있다. 이러한 용매는, 이에 한정하는 것은 아니나, 물, 아세톤, 헥산, 이소프로필 알코올, 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 테트라하이드로퓨란(THF), 사이클로헥산 또는 탄소 나노튜브 형성 촉매 나노입자의 적당한 분산을 이룰 수 있는 제어된 극성을 갖는 임의의 다른 용매를 포함할 수 있다. 촉매 용액에서 탄소 나노튜브 형성 촉매의 농도는 촉매 대 용매가 약 1:1 내지 1:10000 범위일 수 있다.
일부 실시예에서, 섬유 물질에 탄소 나노튜브 형성 촉매를 적용한 후에, 섬유 물질은 선택적으로 연화 온도로 가열될 수 있다. 이 단계는 시드 성장을 조장하기 위해 섬유 물질의 표면에 탄소 나노튜브 형성 촉매가 매립되는 것을 도울 수 있으며, 앞 가장자리의 팁에서 성장하는 탄소 나노튜브를 띄우는 팁 성장(tip growth)을 방지한다. 일부 실시예에서, 섬유 물질 상에 탄소 나노튜브 형성 촉매의 증착 이후 섬유 물질의 가열은 약 500℃ 내지 약 1000℃ 온도일 수 있다. 이러한 온도 가열은 탄소 나노튜브 성장을 위해 사용될 수 있고, 섬유 물질 상에 직접 탄소 나노튜브 형성 촉매의 증착을 허용하는 섬유 물질 상에 임의의 기존 사이징 작용제를 제거하기 위해 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 또한 탄소 나노튜브 형성 촉매는 가열 전에 사이징 코팅의 표면 상에 놓일 수 있다. 가열 단계는 섬유 물질의 표면 상에 부착된 탄소 나노튜브 형성 촉매는 남기고 사이징 물질을 제거하도록 사용될 수 있다. 이러한 온도에서의 가열은 탄소 나노튜브 성장을 위한 탄소 함유 원료 공급 가스의 도입 전에 또는 실질적으로 주입과 동시에 수행될 수 있다.
일부 실시예에서, 섬유 물질에 탄소 나노튜브를 주입하는 공정은 섬유 물질로부터 사이징 작용제를 제거하는 단계, 사이징 제거 후에 섬유 물질에 탄소 나노튜브 형성 촉매를 적용하는 단계, 적어도 약 500℃로 섬유 물질을 가열하는 단계, 및 섬유 물질 상에 탄소 나노튜브를 합성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브 주입 공정의 수행은 섬유 물질로부터 사이징을 제거하는 단계, 섬유 물질에 탄소 나노튜브 형성 촉매를 적용하는 단계, 탄소 나노튜브 합성을 위한 작동 가능한 온도로 섬유 물질을 가열하는 단계 및 촉매-적재된 섬유 물질 상에 탄소 플라즈마를 분무하는 단계를 포함한다. 따라서, 상업적인 섬유 물질이 사용될 경우, 탄소 나노튜브 주입된 탄소 섬유의 제조 공정은, 섬유 물질 상에 촉매를 부착하는 단계 이전에, 섬유 물질로부터 사이징을 제거하는 별도의 단계를 포함할 수 있다. 일부 상업적인 사이징 물질이 존재할 경우, 이는 섬유 물질과 탄소 나노튜브 형성 촉매의 표면 접촉을 방지할 수 있고, 섬유 물질에 대한 탄소 나노튜브 주입을 저해할 수 있다. 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브 합성 조건 하에서 사이징 제거가 보장되는 경우에, 사이징 제거는 탄소 나노튜브 형성 촉매의 부착 이후 내지 탄소 함유 원료 공급 가스를 제공하기 직전 또는 제공 동안에 수행될 수 있다.
탄소 나노튜브를 합성하는 단계는, 이것으로 제한되는 것은 아니지만, 마이크로 캐비티(micro-cavity), 열적 또는 플라즈마 향상된 CVD 기술, 레이저 제거(ablation), 아크 방전(arc discharge), 고압 탄소 모녹사이드(high pressure carbon monoxide, HiPCO)를 포함하는 탄소 나노튜브 형성을 위한 다수의 기술을 포함할 수 있다. 특히, CVD 동안, 그 위에 배치된 탄소 나노튜브 형성 촉매와 함께 사이징된 섬유 물질이 직접 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브 합성 동안에 어떠한 통상적인 사이징 작용제가 제거될 수 있다. 일부 실시예에서, 다른 사이징 작용제는 제거되지 않지만, 사이징을 통한 탄소 함유 원료 공급 가스의 확산 때문에 섬유 물질로의 탄소 나노튜브 합성 및 주입을 방해하지 않는다. 일부 실시예에서, 아세틸렌 가스가 이온화되어서, 탄소 나노튜브 합성을 위한 저온 탄소 플라즈마의 분출을 생성한다. 상기 플라즈마는 촉매-적재된 섬유 물질을 향해 배향된다. 따라서, 일부 실시예에서, 섬유 물질 상에서 탄소 나노튜브를 합성하는 것은 (a) 탄소 플라즈마를 형성하는 단계; 및 (b) 섬유 물질에 배치된 촉매 상에 탄소 플라즈마를 배향하는 단계를 포함한다. 성장된 탄소 나노튜브의 직경은 탄소 나노튜브 형성 촉매의 크기에 따라 결정된다. 일부 실시예에서, CNT 합성을 촉진하기 위해 사이징된 섬유 물질은 약 550℃ 내지 약 800℃로 가열된다. 탄소 나노튜브의 성장을 개시하기 위하여, 불활성 가스(예를 들어, 아르곤, 헬륨, 또는 질소) 및 탄소 함유 원료 공급 가스(예를 들어, 아세틸렌, 에틸렌, 에탄올 또는 메탄올)의 두 가지 이상의 가스가 반응기로 주입된다. 탄소 나노튜브는, 탄소 나노튜브 형성 촉매의 자리에서 성장한다.
일부 실시예에서, CVD 성장은 플라즈마-강화(plasma-enhanced)된다. 성장 공정 동안 전기장을 제공하여 플라즈마가 생성될 수 있다. 이러한 조건에서 성장된 탄소 나노튜브는 전기장의 방향을 따를 수 있다. 따라서, 반응기의 기하학적 구조를 조절해서, 수직으로 배열된 탄소 나노튜브는 상기 탄소 나노튜브가 섬유 물질의 종축에 대해 수직적으로(즉, 방사상 성장) 성장될 수 있다. 일부 실시예에서, 플라즈마는 섬유 물질에 대하여 방사상 성장을 요구하지 않는다. 예를 들어 테이프, 매트, 직물, 플라이 등과 같은 분별되는 면을 갖는 섬유 물질에 대하여, 탄소 나노튜브 형성 촉매는 섬유 물질의 일면 또는 양면에 배치될 수 있다. 마찬가지로, 이러한 조건 하에서, 탄소 나노튜브는 섬유 물질의 일면 또는 양면에서 성장될 수 있다.
전술한 바와 같이, 탄소 나노튜브 합성은 탄소 나노튜브와 함께 스풀가능한 섬유 물질을 주입하기 위한 연속 공정을 제공하기에 충분한 속도로 수행된다. 수많은 장치 구조물은 아래 예시된 바와 같이 이러한 연속적인 합성을 용이하게 한다.
일부 실시예에서, 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질은 "올 플라즈마(all plasma)" 공정으로 제조될 수 있다. 이러한 실시예에서, 섬유 물질은 수많은 플라즈마-매개 단계를 통해서 최종적인 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 형성한다. 플자즈마 공정의 제 1 단계는, 섬유 표면 개질 단계를 포함할 수 있다. 이는 섬유 물질의 표면을 "조도화(roughing)"하여 전술한 바와 같이 촉매 부착을 용이하게 하는 플라즈마 공정이다. 또한, 전술한 바와 같이, 이로 한정하는 것은 아니나, 아르곤, 헬륨, 산소, 암모니아, 수소 및 질소를 포함하는 임의의 하나 이상의 다양한 다른 가스의 플라즈마를 사용하여 표면 개질을 달성할 수 있다.
표면 개질 이후, 섬유 물질은 촉매 적용으로 진행된다. 본 발명의 올 플라즈마 공정에서, 이 단계는 섬유 물질에 탄소 나노튜브 형성 촉매를 부착하기 위한 플라즈마 공정이다. 전형적으로, 탄소 나노튜브 형성 촉매는 전술한 바와 같이 전이 금속이다. 전이 금속 촉매는 이에 한정하는 것은 아니나, 자성 유체(ferrofluid), 금속 유기물(metal organic), 금속염, 이의 혼합물 또는 기상 운반을 촉진하는 어떠한 다른 조성물을 전구체로서 플라즈마 원료 공급 가스에 첨가될 수 있다. 탄소 나노튜브 형성 촉매는 진공이나 불활성 대기가 요구되지 않는 주변 환경의 실온에서 적용될 수 있다. 일부 실시예에서, 섬유 물질은 촉매 적용 전에 냉각된다.
상기 올 플라즈마 공정에 이어서, 탄소 나노튜브 합성은 탄소 나노튜브 성장 반응기에서 일어난다. 탄소 나노튜브 성장은 플라즈마 강화 화학 기상 증착을 사용해서 달성될 수 있고, 여기서, 탄소 플라즈마는 촉매-적재된 섬유에 분무된다. 탄소 나노튜브 성장은 (전형적으로, 촉매에 따라서 약 500℃ 내지 1000℃ 범위의) 상승된 온도에서 일어나기 때문에, 촉매-적재된 섬유는 탄소 플라즈마에 노출되기 전에 가열될 수 있다. 탄소 나노튜브 주입 공정을 위해, 섬유 물질은 연화가 일어날 때까지 선택적으로 가열될 수 있다. 가열 이후, 섬유 물질은 탄소 플라즈마를 받도록 준비된다. 예를 들어, 탄소 플라즈마는 가스를 이온화할 수 있는 전기장을 통하여, 예를 들어, 아세틸렌, 에틸렌, 에탄올 등과 같은 탄소 함유 원료 공급 가스를 통과시켜서 생성된다. 이러한 저온 탄소 플라즈마는 분무 노즐을 통해서 섬유 물질로 배향된다. 섬유 물질은 플라즈마를 받기 위해 분무 노즐의 약 1cm 이내와 같이, 분무 노즐에 가까이 인접될 수 있다. 일부 실시예에서, 플라즈마 분무기에서 섬유 물질 상부에 가열기가 배치되어 섬유 물질의 상승된 온도를 유지한다.
연속적인 탄소 나노튜브 합성의 다른 양태는 섬유 물질 상에서 직접적으로 탄소 나노튜브의 합성 및 성장을 위한 특정한 장방형 반응기를 포함한다. 상기 반응기는 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 제조하는 연속적인 인라인(in-line) 공정으로 사용되도록 고안될 수 있다. 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브는 멀티존(multi-zone) 반응기에서, 대기압 및 약 550℃ 내지 800℃ 범위의 상승된 온도에서 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD)을 통하여 성장된다. 탄소 나노튜브 합성이 대기압에서 일어나는 점은 섬유 물질로 탄소 나노튜브 주입에 대한 연속적인 공정 라인으로 반응기의 통합을 용이하게 하는 일 요인이다. 이러한 존(zone) 반응기를 사용하는 연속적인 인라인 공정에 부합하는 다른 장점은 탄소 나노튜브 성장이, 당해 기술분야에서 전형적인 다른 절차 및 장치 배열에서의 분(minute) 단위 시간(또는 더 긴 시간)과는 달리, 초(second) 단위로 일어난다는 것이다.
다양한 실시예에 따른 탄소 나노튜브 합성 반응기는 이하의 특징을 포함한다.
장방형 형태의 합성 반응기: 당해 기술분야에서 공지된 전형적인 탄소 나노튜브 합성 반응기의 단면은 원형이다. 이는 예를 들어, 관례적인 이유(예를 들면, 실린더형 반응기가 종종 실험실에서 사용됨) 및 편리성(예를 들면, 유동 역학(flow dynamecs)은 실린더형 반응기에서 모델링하기 쉽고, 가열기 시스템은 원형 튜브(석영 등)를 용이하게 수용함), 제조의 용이성을 포함하는 많은 이유가 있다. 실린더형 관례를 일탈하여, 본 발명은 장방형 단면을 갖는 탄소 나노튜브 합성 반응기를 제공한다. 이러한 일탈의 이유는 하기와 같다:
1) 반응기 용적의 비효율적인 사용. 반응기에 의해 제조되는 많은 섬유 물질은 상대적으로 평면(예를 들어, 평평한 테이프, 시트 유사 형태, 또는 스프레드 토우 또는 로빙)이기 때문에, 원형 단면은 반응기 용적의 비효율적인 사용이다. 이러한 비효율성은 예를 들어, 이하를 포함하여 실린더형 CNT 합성 반응기의 여러 가지 결점을 초래한다: a) 충분한 시스템 퍼지(purge)를 유지하는 단계로서; 증가된 반응기 용적은 동일한 수준의 가스 퍼지를 유지하기 위하여 증가된 가스 유동 속도(gas flow rate)를 요구하며, 이는 개방 환경에서 높은 용적의 탄소 나노튜브 제조에 비효율성을 초래하며, 그리고 b) 증가된 탄소 함유 원료 공급 가스 흐름 속도로서; 상기 a)에 따른, 시스템 퍼지를 위한 불활성 가스 흐름에서의 상대적인 증가는 증가된 탄소 함유 원료 공급 가스 흐름 속도를 요구한다. 예시적인 12K 유리 섬유 로빙의 용적은 장방형 단면을 갖는 합성 반응기의 전체 용적보다 2000배 적은 것으로 고려된다. 균등한 성장 실린더형 반응기에서(즉, 장방형 단면 반응기와 동일한 평면화된 탄소 섬유 물질을 수용하는 폭을 갖는 실린더형 반응기), 유리 섬유 물질의 용적은 챔버 용적보다 17,500배 적다. CVD와 같은 가스 증착 공정이 전형적으로 압력과 온도만의 지배를 받더라도, 용적은 증착의 효율성에 현저한 영향을 미칠 수 있다. 장방형 반응기를 이용하는 경우에 여전히 초과 용적이 존재하며, 이러한 초과 용적은 원하지 않는 반응을 촉진한다. 그러나, 실린더형 반응기는 원하지 않는 반응을 촉진하는데 이용가능한 용적의 약 8배를 갖는다. 경쟁 반응이 일어날 더 큰 기회로 인하여, 실린더형 반응기에서 더 느리게 원하는 반응이 효율적으로 일어난다. 탄소 나노튜브 성장에서 이러한 둔화(slow down)는 연속적인 성장 공정의 전개에 문제가 된다. 장방형 반응기 형태의 다른 이점은 장방형 챔버를 위한 작은 높이를 사용함으로써 반응기 용적이 보다 감소될 수 있어서, 그 용적비는 더 좋아지고 반응이 더 효율적으로 될 수 있다는 것이다. 본 명세서에 개시된 일부 실시예에서, 장방형 합성 반응기의 전체 용적은 합성 반응기를 통과하는 섬유 물질의 전체 용적보다 약 3000배 이하이다. 또한, 일부 실시예에서, 장방형 합성 반응기의 전체 용적은 합성 반응기를 통과하는 섬유 물질의 전체 용적보다 약 4000배 이하이다. 또한, 일부 실시예에서, 장방형 합성 반응기의 전체 용적은 합성 반응기를 통과하는 섬유 물질의 전체 용적보다 약 10,000배 이하이다. 또한, 실린더형 반응기를 사용할 때, 더 많은 탄소 함유 원료 공급 가스는 장방형 단면을 갖는 반응기와 비교하여 동일한 흐름 퍼센트를 제공하는 것이 요구된다. 일부 다른 실시예에서, 합성 반응기는 장방형이 아닌 다각형 형태로 나타나는 단면도를 갖지만, 상대적으로 그와 유사하고 원형 단면을 갖는 반응기와 비교하여 반응 용적에서 유사한 감소를 제공하는 것으로 인식되어야 한다. 그리고, c) 온도 분포의 문제로서, 상대적으로 작은 직경의 반응기가 사용될 때, 챔버의 중심으로부터 챔버의 벽으로 온도 구배는 최소화되지만, 상업적 규모의 제조에 사용되는 것과 같이 크기가 증가하면, 이러한 온도 구배는 증가된다. 온도 구배는 섬유 물질에 걸쳐 생산물의 질적 변화를 초래한다(즉, 품질은 방사성 위치에 따라 변화한다). 이러한 문제는 장방형 단면을 갖는 반응기를 사용할 때 실질적으로 회피된다. 특히, 평면 기질이 사용될 때, 반응기 높이는 기질 규모의 크기가 상향됨에 따라 일정하게 유지될 수 있다. 반응기의 상부 및 하부 사이의 온도 구배는 실질적으로 무시할 수 있고, 결과적으로, 발생되는 열 문제 및 품질 변화가 회피된다.
2) 가스 도입. 일반적으로, 종래 기술에서는 튜브형 노(tublar furnace)가 사용되기 때문에, 전형적인 탄소 나노튜브 합성 반응기는 일 단부(one end)에서 가스를 도입하고 다른 단부(other end)에서 반응기를 통하여 이를 끌어당긴다. 본 명세서에서 개시된 일부 실시예에서, 반응기의 측면을 통하여 또는 반응기의 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 통하여 대칭적으로, 반응기의 중심 또는 타겟 성장대로 가스가 유도될 수 있다. 이것은 들어오는 원료 공급 가스가 탄소 나노튜브 성장이 가장 활발한 시스템의 가장 고온 부분에서 연속적으로 보충되기 때문에 전체 탄소 나노튜브 성장 속도를 향상시킨다.
지대(Zoning). 상대적으로 냉각 퍼지(purge) 지대를 제공하는 챔버는 장방형 합성 반응기의 양 단부로부터 연장된다. 출원인은 고온 가스가 외부 환경(즉, 반응기의 외부)과 혼합된다면, 섬유 물질의 분해(degradation)가 증가될 수 있음을 알아내었다. 냉각 퍼지 지대는 내부 시스템과 외부 환경 사이에 버퍼(buffer)를 제공한다. 당해 기술 분야에서 공지된 탄소 나노튜브 합성 반응기 구조는 전형적으로 기질이 조심스럽게 (그리고 천천히) 냉각되는 것을 요구한다. 본 발명의 장방형 탄소 나노튜브 성장 반응기의 출구에서 냉각 퍼지 지대는 연속적인 인라인 공정에서 요구되는 바와 같이 단기간의 시간 동안에 냉각을 달성한다.
비접촉, 고온 벽(hot-walled), 금속 반응기. 일부 실시예에서, 금속(예를 들어, 스테인리스강(stainless steel))으로 구성된 고온 벽 금속 반응기가 사용된다. 이러한 타입의 반응기 사용은 금속, 특히 스테인리스강은 탄소 증착(즉, 그을음(soot) 및 부산물 형성)되기 더 쉽기 때문에 반직관적으로 보일 수 있다. 따라서, 대부분의 탄소 나노튜브 합성 반응기는 석영 반응기를 사용하는데, 이것은 탄소 증착이 덜하고, 석영이 세척하기에 용이하며, 석영이 시료 관찰을 용이하게 하기 때문이다. 그러나, 출원인은, 스테인리스강에서 증가된 그을음 및 탄소 증착이 더 균일하고, 더 효율적인고, 더 빠르고, 그리고 더 안정한 탄소 나노튜브 성장을 일으키는 것을 관찰하였다. 이론의 경계없이, 대기 수행(atmospheric operation)과 함께, 반응기에서 일어나는 CVD 공정은 확산 제한되는 것으로 나타났다. 즉, 탄소 나노튜브 형성 촉매가 "과잉공급(overfed)"되고, 과다한 탄소는 (부분적인 진공하에서 반응기가 동작하는 것보다) 그것의 상대적으로 높은 분압으로 인해 반응기 시스템에서 활용가능하다. 결과적으로, 개방 시스템에서, 특히 클린(clean) 시스템에서, 과다 탄소는 탄소 나노튜브 형성 촉매의 입자에 접착할 수 있으며, 이는 그들의 탄소 나노튜브 합성 능력을 떨어뜨린다. 일부 실시예에서, 반응기가 금속 반응기 벽에 증착된 그을음을 갖는 "더티(dirty)" 상태일 경우, 장방형 반응기를 고의적으로 실행한다. 반응기의 벽의 단층에 탄소가 증착되면, 탄소는 그 자체 위에 쉽게 증착될 것이다. 일부 활용가능한 탄소가 이러한 메커니즘으로 인하여 "철회(withdrawn)"되기 때문에, 방사상 형태로 남아있는 탄소 원료 공급물질은 촉매가 유해하지않는 속도로 탄소 나노튜브 촉매와 반응한다. 기존 시스템은 "깨끗하게(cleanly)" 작동하나, 연속적인 공정에 대해 개방된다면, 감속된 성장 속도로 크게 감소된 수율의 탄소 나노튜브를 제조한다.
일반적으로, 전술한 바와 같은 탄소 나노튜브 합성 "더티"를 수행하는 것이 유익하더라도, 장치(예를 들어, 가스 매니폴드(manifold) 및 흡입구)의 특정 부분은, 그을음이 장애물(blockage)을 생성할 때, 탄소 나노튜브 성장 공정에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 탄소 나노튜브 성장 반응 챔버의 이러한 영역은 실리카, 알루미나, 또는 MgO와 같이 그을음 억제 코팅제(soot inhibiting coating)로 보호될 수 있다. 실제로, 장치의 이러한 부분은 그을음 억제 코팅제로 딥 코팅될 수 있다. INVAR®와 같은 금속이 이러한 코팅제로 사용될 수 있는데, INVAR는 유사한 열팽창계수(coefficient of thermal expansion; CTE)를 가져서, 고온에서 적합한 코팅제의 접착을 보장하고, 중요한 지대에서 그을음이 상당히 크게 성장하는 것을 억제하기 때문이다.
결합된 촉매 환원 및 탄소 나노튜브 합성. 본 명세서에서 공개된 탄소 나노튜브 합성 반응기에서, 촉매 환원 및 탄소 나노튜브 성장은 모두 반응기 내에서 일어난다. 이것은 환원 단계가 분리된 동작으로 수행된다면, 연속적인 공정에서 사용하기에 충분하도록 시기적절이 수행될 수 없기 때문에 중요하다. 당해 기술분야에서 공지된 전형적인 공정에서, 일반적으로, 환원 단계는 수행되는데 1 내지 12 시간이 걸린다. 적어도 부분적으로, 실린더형 반응기를 사용하는 기술 분야에서 일반적인 단부가 아닌, 반응기의 중심에서 탄소 원료 물질 가스가 도입된다는 사실 때문에, 두 개의 동작 모두 본 발명에 따른 반응기에서 일어난다. 환원 공정은 섬유가 가열된 지대로 들어가면서 일어난다. 이러한 점에 의하여, 가스는 (수소 라디칼 상호작용에 의하여) 촉매를 환원시키기 전에, 벽과 반응해서 냉각되는 시간을 가진다. 환원이 일어나는 이러한 전이 영역이 있다. 시스템의 가장 뜨거운 등온 지대에서, 반응기의 중심 근처의 가스 흡입구에 인접해서 일어나는 가장 큰 성장률을 가지고 탄소 나노튜브 성장이 일어난다.
일부 실시예에서, 예를 들어, 토우 또는 로빙을 포함하는 느슨하게 결합된 섬유 물질(예, 유리 로빙과 같이)이 사용될 때, 연속적인 공정은 토우 또는 로빙의 스트랜드 및/또는 필라멘트를 펼치는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 토우 또는 로빙이 스풀되지 않을 때, 그것은 예를 들어, 진공 기반의 섬유 스프레딩 시스템(vacumn-based fiber spreading system)을 사용하여 스풀될 수 있다. 예를 들어, 상대적으로 강성일 수 있는 사이즈된 유리 섬유 로빙 사용할 때, 추가적인 가열이 수행되어, 로빙을 "연화(soften)"해서 섬유 스프레딩을 용이하게 할 수 있다. 각각의 필라멘트를 포함하는 스프레드 섬유는 효율적으로 떨어져서 스풀되고 필라멘트의 전체 표면적에 노출되어서, 후속 공정 단계에서 로빙이 더 효율적으로 반응할 수 있게 한다. 예를 들어, 스프레드 토우 또는 로빙은 전술한 바와 같이 플라즈마 시스템으로 구성된 표면 처리 단계를 통과할 수 있다. 조도화된, 스프레드 섬유는 탄소 나노튜브 형성 촉매 딥 배스를 통과할 수 있다. 결과적으로 그 표면에 방사상으로 분포된 촉매 입자를 가지는 유리 로빙의 섬유가 된다. 그 다음, 로빙의 촉매 함유 섬유는, 전술한 장방형 챔버와 같은 적합한 탄소 나노튜브 성장 챔버로 들어가고, 여기서, 대기압 CVD 또는 플라즈마 향상된 CVD(PE-CVD) 공정을 통한 흐름이 사용되어, 수 마이크론(micron)/초(second)와 같이 높은 속도로 탄소 나노튜브를 합성한다. 이제, 방사상으로 배열된 탄소 나노튜브를 갖는 로빙 섬유는 탄소 나노튜브 성장 반응기를 나온다.
본 발명의 다양한 실시예의 활용에 실질적으로 영향을 미치지 않는 변경은 본 명세서에서 제공된 발명의 범위 이내에 포함되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 이하의 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하는 것이 아니다.
실시예
실시예 Ⅰ: 감소된 열팽창 계수를 갖는 알루미늄 금속 매트릭스 복합재의 형성
탄소 나노튜브 주입된 탄소 섬유의 액체 금속 압력 침투에 의해 알루미늄 금속 매트릭스 복합재를 제조하였다. 탄소 섬유는 전술한 연속적인 주입 공정에 의해 제조된 55㎛의 평균 길이를 갖는 탄소 나노튜브로 주입된, Grafil Inc.(Sacramento, CA) 34-700, 12k 필라멘트였다. 하부에 배치된 몰드와 가열된 침투 관을 포함하는 압력 실드 챔버 내에서 금속 매트릭스 복합재를 제조하였다. 테스트 타일을 제조하기 위해 몰드의 하부에 탄소 나노튜브 주입된 탄소 섬유를 단방향 배열로 배치하였다. 몰드 내의 탄소 나노튜브 주입된 탄소 섬유의 상부 상에 알루미늄 소스를 배치하였다. 알루미늄 소스는 Al12Si2FeCu0 .5Ni0 .5Zn0 .35Mn의 조성을 갖는 알루미늄 합금 Al 413이었다. 진공을 가해서 챔버 및 침투 관을 675℃로 가열하여, 탄소 나노튜브 주입된 탄소 섬유 상부의 알루미늄 합금을 용융하였다. 알루미늄 합금 용융에서, 질소 가스를 통해 적용된 1500 psi의 압력을 사용하여, 탄소 나노튜브 주입된 탄소 섬유로 알루미늄 합금을 침투시켜서, 6.75" ×3.0"×0.55" 테스트 타일을 형성하였다. 최종 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질 알루미늄 합금 복합재는 35-100℃에서, 두께 방향으로 18.64 ppm/℃ 및 평면 방향으로 7.57 ppm/℃의 평균 열팽창계수를 가졌다. 도 4는 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질 알루미늄 합금 복합재의 예시적인 SEM 이미지를 도시한다. 상기 논의된 바와 같이, 상기 방법은 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질과 금속 매트릭스 사이의 계면에서 탄화규소를 형성하기 위해, 알루미늄 금속 매트릭스에 규소를 포함하여 개질될 수 있으며, 이에 의하여 탄소와 알루미늄 사이의 원하지 않는 상호 작용을 방지한다.
본 발명이 개시된 실시예를 참조하여 설명되었지만, 이것은 단지 본 발명의 예시라는 것을 당업자는 쉽게 이해할 것이다. 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims (49)

  1. 적어도 하나의 금속을 포함하는 금속 매트릭스; 및
    탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 포함하는
    복합재 물질.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 매트릭스는 알루미늄, 마그네슘, 구리, 코발트, 니켈, 지르코늄, 은, 금, 티타늄, 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는
    복합재 물질.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 매트릭스는 상기 금속 매트릭스와 상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 상용성을 증가시키는 적어도 하나의 첨가제를 더 포함하는
    복합재 물질.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 첨가제는 상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 탄소 나노튜브와 반응하여 상기 금속 매트릭스와 상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 계면에서 탄화물 제품을 형성하고,
    상기 탄화물 제품은 상기 금속 매트릭스를 포함하는 적어도 하나의 금속을 포함하지 않는
    복합재 물질.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 탄화물 제품이 탄화규소인
    복합재 물질.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 금속 매트릭스는 알루미늄을 포함하고, 상기 적어도 하나의 첨가제는 규소를 포함하는
    복합재 물질.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질은 유리 섬유, 탄소 섬유, 금속 섬유, 세라믹 섬유, 유기 섬유, 탄화규소 섬유, 탄화붕소 섬유, 질화규소 섬유, 산화알루미늄 섬유 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 섬유 타입을 포함하는
    복합재 물질.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 적어도 오버코팅하는 패시베이션 층(passivation layer)을 더 포함하는
    복합재 물질.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브는 상기 패시베이션 층으로 오버코팅되는
    복합재 물질.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 패시베이션 층은 니켈, 티타늄 다이보라이드, 크롬, 마그네슘, 티타늄, 은 또는 주석을 포함하는
    복합재 물질.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 물질은 초핑된 섬유(chopped fiber) 및 연속적인 섬유(continuous fiber)로 구성된 그룹으로부터 선택되는
    복합재 물질.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브는 복합재 물질의 약 0.1 중량% 내지 약 10 중량%를 포함하는
    복합재 물질.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브는 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 약 0.5 중량% 내지 약 40 중량%를 포함하는
    복합재 물질.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 물질은 상기 금속 매트릭스 내에 균일하게 분포되는
    복합재 물질.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 물질은 상기 금속 매트릭스 내에 불균일하게 분포되는
    복합재 물질.
  16. 제15항에 있어서,
    불균일 분포는 상기 금속 매트릭스 내에 구배(gradient) 분포를 포함하는
    복합재 물질.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 포함하는 탄소 나노튜브는 상기 섬유 물질의 종축에 실질적으로 수직인
    복합재 물질.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 포함하는 탄소 나노튜브는 상기 섬유 물질의 종축에 실질적으로 평행한
    복합재 물질.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 물질을 포함하는 탄소 나노튜브의 중량 백분율은 상기 탄소 나노튜브의 평균 길이에 의해 결정되는
    복합재 물질.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 섬유 물질을 포함하는 탄소 나노튜브의 중량 백분율은 상기 섬유 물질로 주입된 상기 탄소 나노튜브의 밀도 범위에 의해 추가로 결정되는
    복합재 물질.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 밀도 범위는 최대 약 15,000 탄소 나노튜브/㎛2 인
    복합재 물질.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브의 평균 길이는 약 1 ㎛ 내지 약 500 ㎛인
    복합재 물질.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브의 평균 길이는 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛인
    복합재 물질.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브의 평균 길이는 약 10 ㎛ 내지 약 100 ㎛인
    복합재 물질.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브의 평균 길이는 약 100 ㎛ 내지 약 500 ㎛인
    복합재 물질.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브의 평균 길이는, 탄소 나노튜브 없는 복합재 물질에 비해 상기 복합재 물질의 열팽창 계수를 약 4-폴드(fold) 이상으로 감소시키는
    복합재 물질.
  27. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브의 평균 길이는, 탄소 나노튜브 없는 복합재 물질에 비해 상기 복합재 물질의 강성 및 내마모성을 약 3-폴드 이상으로 개선시키는
    복합재 물질.
  28. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브의 평균 길이는 상기 복합재 물질 내에서 전기 또는 열 전도성 경로를 확립하는
    복합재 물질.
  29. 적어도 하나의 금속을 포함하는 금속 매트릭스; 및
    상기 금속 매트릭스의 제 1 영역 내의 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 제 1 부분 및 상기 금속 매트릭스의 제 2 영역 내의 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 제 2 부분을 포함하며,
    상기 제 1 부분에 주입되는 탄소 나노튜브의 평균 길이 및 상기 제 2 부분에 주입되는 탄소 나노튜브의 평균 길이는, 상기 금속 매트릭스의 제 1 영역 및 상기 금속 매트릭스의 제 2 영역이 상이한 기계적, 전기적 또는 열적 특성을 갖도록 선택되는
    복합재 물질.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 제 1 부분 및 상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 제 2 부분은 동일한 섬유 물질을 포함하는
    복합재 물질.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 제 1 부분 및 상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 제 2 부분은 상이한 섬유 물질을 포함하는
    복합재 물질.
  32. 제29항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 제 1 부분 및 상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 제 2 부분 중 적어도 하나는, 상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 적어도 오버코팅하는 패시베이션 층을 더 포함하는
    복합재 물질.
  33. 제29항에 있어서,
    상기 금속 매트릭스는 알루미늄, 마그네슘, 구리, 코발트, 니켈 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는
    복합재 물질.
  34. 제29항에 있어서,
    상기 금속 매트릭스는 상기 금속 매트릭스와 상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 상용성을 증가시키는 적어도 하나의 첨가제를 더 포함하는
    복합재 물질.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 첨가제는 상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 탄소 나노튜브와 반응하여 상기 금속 매트릭스와 상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 계면에서 탄화물 제품을 형성하고,
    상기 탄화물은 상기 금속 매트릭스를 포함하는 적어도 하나의 금속을 포함하지 않는
    복합재 물질.
  36. 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 제공하는 단계; 및
    적어도 하나의 금속을 포함하는 금속 매트릭스 내에 상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 결합하는 단계를 포함하는
    방법.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 금속 매트릭스 내에 상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 결합하는 단계는, 주조법(casting), 스퀴즈 주조법(squeeze casting), 액상 금속 침투법(liquid metal infiltration), 액상 금속 압력 침투법(liquid metal pressure infiltration), 분무 증착법(spray deposition) 및 분말 야금법(powder metallurgy)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 기술을 포함하는
    방법.
  38. 제36항에 있어서,
    상기 금속 매트릭스는 알루미늄, 마그네슘, 구리, 코발트, 니켈 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는
    방법.
  39. 제36항에 있어서,
    상기 금속 매트릭스는 상기 금속 매트릭스와 상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 상용성을 증가시키는 적어도 하나의 첨가제를 더 포함하는
    방법.
  40. 제39항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 첨가제는 상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 탄소 나노튜브와 반응하여 상기 금속 매트릭스와 상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 계면에서 탄화물 제품을 형성하고,
    상기 탄화물 제품은 상기 금속 매트릭스를 포함하는 적어도 하나의 금속을 포함하지 않는
    방법.
  41. 제36항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 적어도 일부분을 패시베이션 층으로 오버코팅하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  42. 제41항에 있어서,
    상기 패시베이션 층은 전기 도금법 및 화학 증착법으로 구성된 그룹으로부터 선택된 기술에 의해 증착되는
    방법.
  43. 제41항에 있어서,
    상기 패시베이션 층은 니켈 또는 티타늄 다이보라이드를 포함하는
    방법.
  44. 제36항에 있어서,
    상기 복합재 물질의 밀도를 높이는 단계를 더 포함하는
    방법.
  45. 제36항에 있어서,
    상기 섬유 물질은 상기 금속 매트릭스 내에 균일하게 분포되는
    방법.
  46. 제36항에 있어서,
    상기 섬유 물질은 상기 금속 매트릭스 내에 불균일하게 분포되는
    방법.
  47. 제46항에 있어서,
    상기 불균일 분포는 상기 금속 매트릭스 내에 구배 분포를 포함하는
    방법.
  48. 제36항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질은 제 1 길이를 갖는 탄소 나노튜브를 포함하는 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 제 1 부분, 및 제 2 길이를 갖는 탄소 나노튜브를 포함하는 탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질의 제 2 부분을 포함하고,
    상기 제 1 부분은 상기 금속 매트릭스의 제 1 영역 내에 포함되고, 상기 제 2 부분은 상기 금속 매트릭스의 제 2 영역 내에 포함되는
    방법.
  49. 복합재 물질을 포함하는 물품에 있어서,
    상기 복합재 물질은,
    적어도 하나의 금속을 포함하는 금속 매트릭스; 및
    탄소 나노튜브 주입된 섬유 물질을 포함하는
    물품.
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