TWI781203B - 使用邊緣表面改變奈米纖維片之密度 - Google Patents

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Abstract

奈米纖維片的密度可以使用邊緣表面改變，特別是使用弧形邊緣表面改變。如本文所述，奈米纖維片在弧形邊緣表面上被拉伸(並與弧形邊緣表面接觸)。取決於面向與其中奈米纖維片被拉伸的方向相對的方向的弧形表面是凸形還是凹形，確定奈米纖維片密度是相對於所被拉的片增加還是相對於所被拉的片減小。

Description

使用邊緣表面改變奈米纖維片之密度
本揭示一般關於奈米纖維片製造。具體地，本揭示關於使用邊緣表面改變奈米纖維片的密度。
由單壁和多壁奈米管組成的奈米纖維森林可被拉成奈米纖維帶或片。在其預拉伸狀態下，奈米纖維森林包括奈米纖維層(或多個堆疊層)，所述奈米纖維彼此平行並垂直於生長基板的表面。當拉伸成奈米纖維片時，奈米纖維的定向相對於生長基板的表面從垂直平行變為平行。拉伸的奈米纖維片中的奈米管以端對端的構型彼此連接以形成連續的片，其中奈米纖維的縱軸平行於片的平面(即，平行於奈米纖維片的第一和第二主表面)。奈米纖維片可以以多種方式中的任何一種進行處理，包括將奈米纖維片紡絲成奈米纖維紗。
示例1是一種奈米纖維片，其藉由拉伸機構從奈米纖維片源拉出並使用邊緣表面緻密化，該奈米纖維片包含：設置在該奈米纖維片源和該邊緣表面的第一側之間之該奈米纖維片的第一部分，該第一部分具有第一密度；設置在該邊緣表面的第一側和該拉伸機構之間之該奈米纖維片的第二部分，該第二部分具有不同於該第一密度的第二密度；以及設置在該第一部分和該邊緣表面的該第一側之間之該奈米纖維片的過渡部分。
示例2包括示例1的標的，其中第二部分的第二密度大於第一部分的第一密度。
示例3包括示例2的標的，其中第一部分具有第一寬度，第二部分具有小於第一寬度的第二寬度。
示例4包括示例1的標的，其中第二部分的第二密度小於第一部分的第一密度。
示例5包括示例4的標的，其中第一部分具有第一寬度，第二部分具有大於第一寬度的第二寬度。
示例6是一種用於使奈米纖維片緻密化的系統，包含：奈米纖維片源；拉伸機構，其用於對從該奈米纖維片源拉出的奈米纖維片施加張力；以及設置在該奈米纖維片源和該拉伸機構之間之至少一個弧形邊緣。
示例7包括示例6的標的，其中該至少一個弧形邊緣是凹形的並且具有相對於該奈米纖維片的平面中的至少一個定向90°+/-30°的半徑、包含該奈米纖維片之複數個對準的奈米纖維的軸線、或其中該奈米纖維片被拉伸的方向。
示例8包括示例6的標的，其中該至少一個弧形邊緣是凸形的並且具有相對於該奈米纖維片的平面中的至少一個定向90°+/-30°的半徑、包含該奈米纖維片之複數個對準的奈米纖維的軸線、或拉伸的方向。
示例9包括示例6-8中任一項的標的，其中奈米纖維片源還包括：基板；和設置在該基板上的奈米纖維森林。
示例10包括示例6-9中任一項的標的，其中拉伸機構包括捲絲管。
示例11包括示例6-10中任一項的標的，其中所述至少一個弧形邊緣包括分裂的矽晶圓的斷裂表面。
示例12包括示例6-10中任一項的標的，其中所述至少一個弧形邊緣包括刀片。
示例13包括示例12的標的，其中刀片塗有聚四氟乙烯。
示例14包括示例13的標的，其中刀片塗有聚四氟乙烯。
示例15包括示例6-14中任一項的標的，包括：設置成與該奈米纖維片的第一主表面接觸之第一弧形邊緣；以及設置成與該奈米纖維片的第二主表面接觸之第二弧形邊緣。
示例16包括示例6-15中任一項的標的，其中第一弧形邊緣和第二弧形邊緣彼此不共面。
示例17包括示例6-16中任一項的標的，其中第一弧形邊緣和第二弧形邊緣中的至少一個不與拉伸機構共面。
示例18包括示例6-17中任一項的標的，其中第一弧形邊緣和第二弧形邊緣中的至少一個不與奈米纖維片源共面。
示例19包括示例6-18中任一項的標的，其中弧形邊緣轉錄選自圓形、拋物線形或橢圓形的一部分的曲線。
示例20包括示例6-19中任一項的標的，其中弧形邊緣轉錄沿著從奈米纖維片源或從拉伸機構延伸的半徑之曲線。
示例21包括示例6-20中任一項的標的，其中弧形邊緣轉錄具有垂直於奈米纖維片主表面的半徑的曲線。
示例22包括示例6-21中任一項的標的，其中弧形邊緣在兩個不同的平面中彎曲。
示例23包括示例6-22中任一項的標的，其中弧形邊緣的曲率是可調節的。
示例24是一種使奈米纖維片緻密化的方法，包括：提供具有以下特性的奈米纖維片：第一密度；第一個主要表面；和與第一主表面相對的第二主表面；在第一方向上拉伸具有第一密度的奈米纖維片，使得第一主表面和第二主表面中的至少一個在至少一個弧形邊緣上被拉伸並與相應的至少一個弧形邊緣接觸；並且響應於將奈米纖維片在至少一個弧形邊緣上被拉伸並與相應的至少一個弧形邊緣接觸，將奈米纖維片的第一密度改變為第二密度。
示例25包括示例24的標的，其中將第一密度改變為第二密度發生在接近奈米纖維片和至少一個弧形邊緣之間的接觸線的位置。
示例26包括示例25的標的，其中靠近接觸線的位置包括過渡部分。
示例27包括示例24-26中任一項的標的，其中奈米纖維片是碳奈米管奈米纖維片。
概述
有多種方法可用於使奈米纖維片緻密化。在一些實例中，奈米纖維片可以暴露於溶劑或其他液體。在除去溶劑或其他液體後，將奈米纖維拉到一起，從而增加奈米纖維片的密度(無論是以每單位體積的奈米纖維還是每單位體積的質量測量)。
雖然基於液體的緻密化是有效且方便的，但它確實具有一些缺點。例如，拉伸的未緻密化片中的奈米纖維經常被纏結。而且，拉伸的未緻密化片中的奈米纖維通常不是完全筆直的，而是每個奈米纖維包括各種曲線以及沿其長度的構形或定向的變化。奈米纖維之間的纏結和奈米纖維的非線性構形限制了奈米纖維片可以緻密化的程度。雖然從奈米纖維片施加溶劑和隨後從奈米纖維片中除去溶劑確實導致奈米纖維拉得更近(換句話說，緻密化)，但溶劑的去除通常不足以解開並整齊地拉直奈米纖維。由於奈米纖維的機械和電學性質在沿奈米纖維的縱軸方向上是高度各向異性的，奈米纖維片、紗線和保持奈米纖維纏結和非線性構造的奈米纖維的其他組件具有藉由解開和拉直奈米纖維可以改善的機械和電學性質。
“微梳”奈米纖維片是解開和拉直奈米纖維的一種技術。在該技術中，奈米纖維片被拉越過金屬的邊緣，使用直的(即，具有直線的邊緣)刀片，例如剃刀刀片。刀片邊緣的微米級不規則性起到梳子的作用，有助於在片中解開和拉直奈米纖維。一旦完成微梳，就可以使用溶劑使片緻密化。
然而，微梳和液體緻密化的組合是低效的，因為它需要兩步驟處理來完全處理奈米纖維片。此外，液體緻密化的奈米纖維片的最終密度部分地是在暴露於基於液體的緻密化中使用的液體之前奈米纖維片的密度的函數。換句話說，奈米纖維片在基於液體的緻密化之前越緻密，奈米纖維片在基於液體的緻密化之後將越緻密。
因此，根據本揭示的一個實施方式，描述了使用邊緣表面，特別是使用弧形邊緣表面改變奈米纖維片密度的技術。如本文所述，奈米纖維片在弧形邊緣表面上被拉伸(並與弧形邊緣表面接觸)。取決於弧形表面(相對於奈米纖維片的拉伸方向)是凸形還是凹形確定奈米纖維片密度是相對於所被拉的片增加還是相對於所被拉的片減小。
本文描述的實施方式產生許多益處。一個益處是使奈米纖維在奈米纖維片內伸直和對準的能力，以及因此改善片(或由其生產的紗線)的性質和增加或降低奈米纖維片密度的能力。例如，另一個好處是基於奈米纖維片所在其上被拉伸並與其接觸的邊緣表面的尺寸和曲率來定制奈米纖維片的寬度的能力。這使得無論所提供的奈米纖維片的寬度如何，能夠生產具有期望寬度的奈米纖維片而無需去除材料。例如，另一個好處是以每單位片寬度或片表面積和每單位片體積的多個奈米纖維(或相關參數奈米纖維質量)的形式來改變奈米纖維片的密度之能力。每單位體積改變奈米纖維的密度可以反過來改變被片吸收的溶劑和/或滲透材料的量。在一個實例中，可以拉伸奈米纖維片以降低其體積密度，增加片纖維之間的間隙空間的體積，因此增加滲透材料的量，使其比被片吸收的量多。類似地，如果拉伸奈米纖維片以增加其體積密度，則纖維之間的間隙空間尺寸減小，因此減少了滲透材料的量，而不是可以被片吸收的量。在另一個實例中，可以拉伸奈米纖維片以增加其體積密度，減少片纖維之間的間隙空間的體積，因此減少滲透材料的量，而不是可以被片吸收的量。在一些實施方式中，片密度可以增加大於50%、大於100%或大於200%。在其他實施方式中，片密度可降低大於10%、大於20%或大於50%。類似地，奈米纖維片的面密度可以增加或減少，並且在一些情況下，面密度可以增加超過10%、超過20%或超過50%。在其他實施方式中，面密度可降低超過10%、超過20%或超過50%。
根據本揭示的實施方式製造的奈米纖維片的應用可用於各種應用，其中一些應用包括具有獨立部分的片(即，不與基板直接接觸的部分)。示例應用包括但不限於過濾器、薄膜、電磁干擾(electromagnetic interference；EMI)屏蔽和熱聲揚聲器。在其他應用中，奈米纖維片的獨立部分(例如，具有無支撐中心的片和附接到外圍框架的周邊)可用作一個或多個其他CNT片或包括陶瓷、金屬、聚合物及其薄膜的材料的支撐件。
在描述先於使用邊緣表面緻密化奈米纖維片的技術之前，先描述奈米纖維森林和片。 奈米纖維森林
如本文所用，術語“奈米纖維”是指直徑小於1μm的纖維。儘管這裡的實施例主要描述為由碳奈米管製造，但是應當理解，其他碳同素異形體，無論是石墨烯、微米級還是奈米級石墨纖維和/或板，甚至是奈米級纖維的其他組合物，例如氮化硼，可以使用下述技術使其緻密化。如本文所用，術語“奈米纖維”和“碳奈米管”包括單壁碳奈米管和/或多壁碳奈米管，其中碳原子連接在一起形成圓柱形結構。在一些實施方式中，如本文所提及的碳奈米管具有4至10個壁。如本文所用，“奈米纖維片”或簡稱“片”是指經由拉伸處理(如PCT揭示號 WO 2007/015710中所述，並藉由引用整體併入本文)而對準的奈米纖維片，使得片的奈米纖維的縱軸平行於片的主表面，而不是垂直於片的主表面(即，以片的沉積形式，通常稱為“森林”)。這分別在圖3和圖4中繪示並示出。
根據所使用的製備方法，碳奈米管的尺寸可以有很大變化。例如，碳奈米管的直徑可以為0.4nm至100nm，並且其長度可以為10μm至大於55.5cm。碳奈米管還能夠具有一些高達132,000,000：1或更高之非常高的縱橫比(長度與直徑的比率)。鑑於各種尺寸可能性，碳奈米管的性質可高度調節或“可微調”。雖然已經確定了碳奈米管的許多有趣特性，但在實際應用中利用碳奈米管的特性需要允許碳奈米管的特徵被保持或被增強之可擴展和可控制的生產方法。
由於其獨特的結構，碳奈米管具有特定的機械、電學、化學、熱學和光學性質，使得它們非常適合於某些應用。特別地，碳奈米管表現出優異的導電性、高機械強度、良好的熱穩定性並且也是疏水的。除了這些性質之外，碳奈米管還可以表現出有用的光學性質。例如，碳奈米管可以用在發光二極體(light-emitting diode；LED)和光檢測器中，以發射或檢測狹窄選擇的波長的光。碳奈米管也可證明對光子傳輸和/或聲子傳輸有用。
根據本發明的各種實施方式，奈米纖維(包括但不限於碳奈米管)可以以各種構型佈置，包括在本文中稱為“森林”的構型中。如本文所用，奈米纖維的“森林”或碳奈米管是指具有大約相等尺寸的奈米纖維陣列，其基本上彼此平行地佈置在基板上。圖1顯示了基板上的奈米纖維的示例性森林。基板可以是任何形狀，但是在一些實施例中，基板具有平坦表面，森林在該平坦表面上組裝。如圖1所示，森林中的奈米纖維的高度和/或直徑可以近似相等。在一些情況下，森林可以“沉積”，意味著奈米管形成在基板上，或者在其他情況下，可以已經從生長基板轉移到第二基板上。
奈米纖維森林的一些實施方式包括奈米纖維，其具有沉積形式的兩個部分。參考圖2A和2B所示，一部分是“直線部分”(終止於“開口端”)，其連接到生長基板並且設置在生長基板附近。另一部分是“弧形部分”(有時也稱為“纏結端”)，其設置在奈米纖維層的暴露表面處並且遠離直線部分的縱向軸線彎曲。這些末端在圖2A以約300X的放大率和10kV的加速電壓拍攝的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope；SEM)影像中示出。圖2B是奈米纖維層的頂視圖，並顯示了弧形部分的纏結性質。
如本文所揭示的奈米纖維森林可以是相對緻密的。具體地，所揭示的奈米纖維森林可具有至少10億奈米纖維/cm2 的密度。在一些具體實施方式中，如本文所述的奈米纖維森林可具有100億/cm2 至300億/cm2 的密度。在其他實例中，如本文所述的奈米纖維森林可具有900億奈米纖維/cm2 的密度。森林可包括高密度或低密度的區域，並且特定區域可能沒有奈米纖維。森林內的奈米纖維也可能表現出纖維間的連通性。例如，奈米纖維森林內的相鄰奈米纖維可以藉由凡得瓦氏力彼此吸引。無論如何，藉由應用本文所述的技術可以增加森林內的奈米纖維密度。
製備奈米纖維森林的方法描述於例如PCT No.WO2007/015710中，其藉由引用整體併入本文。
可以使用各種方法來生產奈米纖維前體森林。例如，在一些實施方式中，奈米纖維可以在高溫爐中生長。在一些實施方式中，催化劑可沉積在基板上，置於反應器中，然後可暴露於供應至反應器的燃料化合物。基板可承受高於800℃或甚至1000℃的溫度，並且可以是惰性材料。基板可以包括設置在下面的矽(Si)晶圓上的不銹鋼或鋁，但是可以使用其他陶瓷基板代替Si晶圓(例如，氧化鋁，氧化鋯，二氧化矽，玻璃陶瓷)。在前體森林的奈米纖維是碳奈米管的實例中，可以使用諸如乙炔的碳基化合物作為燃料化合物。在引入反應器之後，燃料化合物然後可以開始積聚在催化劑上並且可以藉由從基板向上生長來組裝以形成奈米纖維森林。反應器還可以包括氣體入口和氣體出口，其中從氣體入口燃料化合物和載氣可以供應到反應器，並且可以從反應器釋放燃料化合物和載氣至氣體出口。載氣的實例包括氫氣、氬氣和氦氣。這些氣體，特別是氫氣，也可以引入反應器中以促進奈米纖維森林的生長。另外，可以將摻入奈米纖維中的摻雜劑添加到氣流中。
在用於製造多層奈米纖維森林的過程中，在基板上形成一個奈米纖維森林，然後生長與第一奈米纖維森林接觸的第二奈米纖維森林。多層奈米纖維森林可以藉由多種合適的方法形成，例如藉由在基板上形成第一奈米纖維森林，在第一奈米纖維森林上沉積催化劑，然後從位於第一個奈米纖維森林上的催化劑將另外的燃料化合物引入反應器以促進第二奈米纖維森林的生長。取決於所應用的生長方法、催化劑的類型和催化劑的位置，第二奈米纖維層可以在第一奈米纖維層的頂部上生長，或者在例如用氫氣再新催化劑之後，直接生長在基板上，因此在第一奈米纖維層下生長。無論如何，儘管在第一和第二森林之間存在易於檢測的界面，第二奈米纖維森林可以與第一奈米纖維森林的奈米纖維大致端對端地對準。多層奈米纖維森林可包括任意數量的森林。例如，多層前體森林可包括兩個、三個、四個、五個或更多森林。 奈米纖維板
除了在森林配置中的佈置之外，本案的奈米纖維還可以佈置成片狀配置。如本文所用，術語“奈米纖維片”，“奈米管片”或簡稱“片”是指奈米纖維的佈置，其中奈米纖維在平面中端對端對準。圖3中示出了帶有尺寸標籤之示例性奈米纖維片的圖示。在一些實施方式中，片的長度和/或寬度比片的厚度大100倍以上。在一些實施方式中，長度，寬度或兩者的長度大於片的平均厚度的103 倍，106 倍或109 倍。奈米纖維片可具有例如約5nm至30μm之間的厚度以及適合於預期應用的任何長度和寬度。在一些實施方式中，奈米纖維片可具有1cm至10米的長度和1cm至1米的寬度。提供這些長度僅用於說明。奈米纖維片的長度和寬度受製造設備的配置限制，而不受任何奈米管、森林或奈米纖維片的物理或化學性質的限制。例如，連續過程可以生產任何長度的紙張。這些片在生產時可以捲繞至卷上。
如圖3中可見，奈米纖維端對端對準的軸稱為奈米纖維對準方向。在一些實施方式中，奈米纖維對準的方向可以在整個奈米纖維片中是連續的。奈米纖維不一定彼此完全平行，並且應理解奈米纖維對準的方向是奈米纖維對準方向的平均或一般測量。
可以使用能夠生產片的任何類型的合適方法來組裝奈米纖維片。在一些示例性實施例中，奈米纖維片可以從奈米纖維森林中拉出。從奈米纖維森林中拉出的奈米纖維片的一個例子如圖4所示。
如在圖4中可見，奈米纖維可以從森林側向拉伸，然後端對端地對準以形成奈米纖維片。在從奈米纖維森林中拉伸奈米纖維片的實施方式中，可以控制森林的尺寸以形成具有特定尺寸的奈米纖維片。例如，奈米纖維片的寬度可以近似等於拉伸片的奈米纖維森林的寬度。另外，例如，當已經達到所需的片長度時，藉由結束拉伸過程，可以控制片的長度。
奈米纖維片具有許多可用於各種應用的性質。例如，奈米纖維片可具有可調的不透明度、高機械強度和撓性、導熱性和導電性，並且還可具有疏水性。考慮到奈米纖維在片內的高度對準，奈米纖維片可能非常薄。在一些實例中，奈米纖維片的厚度約為10nm(在正常測量公差範圍內測量)，使其幾乎為二維。在其他實例中，奈米纖維片的厚度可以高達200nm或300nm。因此，奈米纖維片可以增加最小的附加厚度至部件。
與奈米纖維森林一樣，奈米纖維片中的奈米纖維可以藉由將化學基團或元素添加到片的奈米纖維的表面並且提供與個別的奈米纖維不同的化學活性而藉由處理劑功能化。奈米纖維片的功能化可以在先前功能化的奈米纖維上進行，或者可以在先前未功能化的奈米纖維上進行。可以使用本文描述的任何技術進行功能化，包括但不限於CVD和各種摻雜技術。
從奈米纖維森林拉伸的奈米纖維片也可具有高純度，其中奈米纖維片的重量百分比的90%以上，95%以上或99%以上可歸因於奈米纖維，在某些情況下。類似地，奈米纖維片可包含大於90%重量，大於95重量%，大於99%重量或大於99.9%重量的碳。 機械地改變奈米纖維板密度
如上所述，本文揭示的實施方式機械地改變奈米纖維片(或帶)的密度，同時還解開並拉直其中的奈米纖維。如下面更詳細描述的，這是藉由在邊緣表面上拉伸奈米纖維片並與奈米纖維片接觸來實現的。邊緣表面的實例包括但不限於手術刀片，塗有聚四氟乙烯( polytetrafluoroethylene；PTFE)的手術刀片，以及切割的矽晶圓的斷裂表面。在各種實施方式中，邊緣的接觸表面可以具有與奈米纖維片接觸的長度(小於5mm、小於1mm、小於500μm、小於250μm或小於100μm)。接觸表面可以是光滑的，並且沿著邊緣，可以表現出不存在大於例如1μm，2μm、5μm、10μm、50μm或100μm的峰或谷，否則其存在於常規剃刀片中。奈米纖維片的對準的奈米纖維可以沿著與拉伸方向相同的軸定向，其通常也與在邊緣表面上拉伸奈米纖維片的方向相同。
特別地，可以使用PTFE塗覆的手術刀片和切割的矽晶圓的斷裂表面，因為它們具有均勻的邊緣表面，從而產生均勻的奈米纖維片。這與上述微觀測量技術不同，後者依賴於刀片邊緣的不均勻性和缺陷來拉直片中的奈米纖維。與本揭示的實施例不同，傳統微探測技術中使用的刀片中的缺陷產生奈米纖維密度和缺陷密度變化的奈米纖維片。傳統技術中的這些變化包括由刀片中的一些缺陷引起的奈米纖維片的主表面中的縱向撕裂。雖然奈米纖維片的未破裂部分可以更緻密，但縱向撕裂會降低奈米纖維片的使用性。
本文的實施例還包括使用弧形表面的邊緣。垂直於弧形表面上的點的向量平行於奈米纖維片的主表面。換句話說，弧形表面的曲率方向可以被認為是圓柱體表面的一部分，其中圓柱體的縱向軸線垂直於奈米纖維片的主表面。在實施方式中，弧形表面的邊緣可以與奈米纖維片的主表面部分或完全共面。在一個實施方式中，藉由使用具有面向奈米纖維片的拉伸方向的凸形面的邊緣表面，奈米纖維片的寬度擴大。雖然片中的奈米纖維被拉直和解開，但是每單位體積的奈米纖維片的奈米纖維的數量減少，因為片的寬度增加。由於各種原因，這對於奈米纖維片是有用的。例如，具有直的和解纏結的奈米纖維的較不緻密的奈米纖維片可能需要以比使用更緻密的奈米纖維片更大的比例滲透另一種材料。
在另一個實施方式中，藉由使邊緣表面具有面向奈米纖維片的拉伸方向的凹面，奈米纖維片在與該表面接觸時拉伸寬度。這不僅使片中的奈米纖維變直和解開，還藉由減小片的寬度來增加每單位體積片的奈米纖維的數量。這可以導致從奈米纖維片紡出的更緻密的奈米纖維紗線。
弧形表面的曲率可以是一致的，或者可以沿著表面邊緣的長度變化。在各種實施例中，曲率可以由例如圓形、拋物線形或橢圓形的部分形成。在某些情況下，曲率是固定的，而在其他情況下，它可以是可調節的。例如，撓性彎曲刀片可以藉由兩個相對的夾緊表面保持壓縮。可以藉由減小或擴大夾具表面之間的距離來調節曲率。對於不同的奈米纖維片源或者藉由成品片中的不同性質，例如密度的變化，可以保證調整。還可以實時調節曲率以確保品質並且可以響應上游或下游分析輸入，例如下游或上游片密度的測量。
圖5A和5B示意性地示出了用於處理奈米纖維片的系統的各種實施方式，如本文所述。可以理解的是，圖5A和5B是側視圖，並且為了方便起見，在這些側視圖中將邊緣弧形表面描繪為平面的，以便強調系統的其他特徵。圖6B和6C中的俯視圖更清楚地示出了弧形表面的彎曲形狀。
如圖5A所示，示例系統500包括刀片504和刀片508以及拉伸機構512。圖5A是奈米纖維森林516、基板520和奈米纖維片524，其在示例系統500的背景下描述以幫助解釋系統500的操作。
如上所述的奈米纖維森林516設置在基板520上。基板520可以是生長基板，如上所述，或者它可以是轉移基板，其中奈米纖維森林在生長基板上生長之後已經放置在轉移基板上。無論如何，奈米纖維森林被吸入奈米纖維片524中。在PCT公開號WO 2007/015710中描述了用於將奈米纖維森林生長和拉伸成奈米纖維片的技術，該專利全文以引用的方式併入本文。
在示例性系統500中，奈米纖維片524經過刀片504的弧形邊緣和刀片508的弧形邊緣並且與刀片504的弧形邊緣和刀片508的弧形邊緣接觸(其示例性的弧形形狀在圖6B和6C中示出)，然後纏繞在拉伸機構512上。在示例系統500中示出了兩個刀片504和508。刀片504與奈米纖維片524的“頂部”主表面接觸並且刀片508與頂部主表面相對的奈米纖維片524的“底部”主表面接觸。以這種方式，與兩個主表面相關聯的奈米纖維被對準和解開。此外，在刀片504、刀片508的邊緣表面是弧形的實施例中，更多的奈米纖維片524的密度發生變化，這將在圖6A、6B和6C的上下文中更詳細地描述。在其他實施例中，僅使用一個刀片。在其他實施例中，使用兩個以上的刀片。
如上所述，刀片504和刀片508中的每一個可以是例如手術刀片、PTFE塗覆的手術刀片、切割的矽晶圓的斷裂表面、或其組合。所有這些選擇提供了邊緣表面，奈米纖維片524可以被拉到該邊緣表面，從而透過例如拉直和解開其中的奈米纖維來改變片的結構。提供均勻的邊緣表面的其他類型的刀片504和刀片508也可用於代替上面具體指出的那些。
刀片504和刀片508的鋒利邊緣對於至少另一個原因也是有幫助的。與奈米纖維片524一樣，奈米纖維片黏附在它們接觸的大多數表面上。然而，奈米纖維片524由於其最小的表面積而不會黏附到刀片504和刀片508的尖銳邊緣。對於那些表面能低的邊緣材料，如PTFE塗層表面，情況尤其如此。低表面能材料可以是具有大水滴角度的材料，例如大於100°、大於105°或大於110°或具有低摩擦係數，例如小於0.3、小於0.2或小於0.1。
使用PTFE塗覆的手術刀片(或其他PTFE塗覆的鋒利邊緣)和切割的矽晶圓的斷裂表面具有另一個益處。在這兩個實施例中，與奈米纖維片524接觸的邊緣是均勻的，缺少例如在標準刀片或其他尖銳金屬表面中發現的凹痕、晶片、不均勻性和局部變化。當片524在局部變化上被拉伸時，這些局部變化可在奈米纖維片524中引入縱向撕裂或局部密度變化。撕裂和變化產生不太均勻的奈米纖維片524，其具有機械和電學性質的位置依賴性變化。結果，提供比傳統鋼邊緣更均勻的邊緣是較佳的。
選擇刀片504和刀片508的定向和放置以改善刀片504和刀片508的邊緣表面在奈米纖維片524內解開和拉直奈米纖維的能力。這種改進以兩種方式實現。首先，放置刀片504和刀片508，使得相應的邊緣表面(或刀片本身)與奈米纖維片524的相應主表面成一角度。該角度可以是正交的或非正交的。這些角度在圖5A中示出為角度a和b。角度a和b可以相同或不同，並且當其接近或離開刀片504和刀片508時，相對於奈米纖維片524的平面測量的以下範圍內的任何一個範圍內：從10°到90°；從45°到89°；從45°至60°；從60°到89°；從85°到89°；從75°到89°；從80°到90°。
第二，刀片504和刀片508相對於彼此放置，以將額外的拉伸應力(或簡稱“張力”)施加到設置在刀片504和刀片508之間的奈米纖維片524的一部分之外，超過由拉伸機構512(例如電動捲絲管或其他拉伸機構)所提供的張力。除了僅由刀片504和刀片508的邊緣表面提供的拉直和解開之外，這種增加的張力有助於奈米纖維片524中奈米纖維的拉直和解開。在一些實例中，拉伸應力為約0.1MPa至1MPa的級上。在示例系統500中，刀片504相對於刀片508的放置由角度c表示。類似地，藉由刀片508相對於拉伸機構512的放置來增加張力，其由角度d表示。角度c是刀片504和刀片508之間的奈米纖維片524的截面相對於奈米纖維森林516和刀片504之間的奈米纖維片524的截面之間的角度。類似地，角度
Figure 107126696-A0305-003-021
是在刀片508和拉伸機構512之間的奈米纖維片524的截面相對於刀片504和刀片508之間的奈米纖維片524的截面之間的角度。在各種實施例中，角度c和d可以例如大於1°、大於5°、大於10°、大於20°、大於45°、小於120°、小於90°或小於45°。
簡要地轉向圖5B和其中所示的示例系統550，將觀察到系統500的角度c和角度d比圖5B中所示的對應角度g和角度h更淺(即，不太尖銳或者替代地，更接近0°的角度)。這是因為與系統500相比，系統550中刀片504和508之間以及刀片508和拉伸機構512之間的垂直位移增加。角度g和h的增加因此可以增加施加到該奈米纖維片524部分的張力。這種增加的張力可以增加奈米纖維片524中的奈米纖維被拉直並彼此對準的程度。
返回到示例系統500，拉伸機構512將拉力施加到奈米纖維森林516，從而從基板520上的奈米纖維森林516拉伸奈米纖維片524。拉伸機構512的示例包括機動旋轉機構，如捲絲管。拉伸機構可以在奈米纖維片的整個長度上提供張力或拉力，從而從片源拉伸奈米纖維片。在一些實例中，張力足以直接從基板上的奈米纖維森林拉伸奈米纖維片，使得來自奈米纖維森林的奈米纖維從基板去除並由奈米纖維片緻密化系統逐步加工。張力可以是恆定的，或者可以藉由改變由馬達、彈簧或其他機構施加到拉伸機構的扭矩來改變。張力的大小也可用於影響紗線的奈米纖維之間的對準。一般而言，奈米纖維之間的張力大小越大，奈米纖維與奈米粒子之間以及奈米粒子之間的對準程度越高。如上所述，可以與刀片504及刀片508的相對位置協調地選擇由拉伸機構施加的拉力。 弧形邊緣表面
下面在6A-6G的背景下描述對弧形邊緣表面的奈米纖維片的影響。拉伸奈米纖維片的方向用標記箭頭表示在圖6A-6G每個圖中示出。圖6A至6C示出了與弧形表面正交的向量與奈米纖維片的拉伸方向平行(或反平行)的實施方式。圖6D至6G示出了其中弧形表面的半徑垂直於奈米纖維片的拉伸方向和對準的奈米纖維的軸的實施方式。
圖6A示出了使用直邊表面向奈米纖維片的奈米纖維施加力的實例。如圖所示，尚未接觸邊緣表面604的奈米纖維片的部分600具有寬度W1，其與已經在邊緣表面上拉伸(即，接觸)並拉過邊緣表面的部分608的寬度相同。
圖6B示出了其中用於向奈米纖維片的奈米纖維施加力的邊緣表面612是弧形的並且具有朝向奈米纖維片600被拉出的方向設置的凸形面616的實例。如圖所示，奈米纖維片部分600在其被拉的(或更一般地，如所供給的)狀態下具有寬度W1。如圖6B所示，在凸形邊緣表面616上方並與凸形邊緣表面616接觸拉伸奈米纖維片600使得奈米纖維片600在第二部分624中變寬至寬度W2，其中寬度W2大於寬度W1。該奈米纖維片的第二部分624可以在其供應(或被拉)狀態下比奈米纖維片的部分600較不緻密。在一些實例中，這種加寬在奈米纖維片600和凸形表面616之間的實際接觸之前開始。這在圖6B中示出，過渡部分628包括從W1到W2增加的寬度。該過渡部分628(以及下面描述的其他部分)可以在奈米纖維片和邊緣表面之間或接觸線附近的接觸線處發生。
將奈米纖維片的寬度從供給部600的寬度W1機械地改變為第二部分624處的較大寬度W2的結果具有將第二部分的密度降低至比供應部分600的密度小之密度的效果。
除了邊緣表面632的凹形面636設置成面向奈米纖維片被拉出的方向之外，圖6C示出了類似於圖6B中所示的情況。類似於圖6B中描繪的場景，圖6C中描繪的場景包括具有寬度W1的供應的奈米纖維片部分600。當奈米纖維片在如圖6C所示定向的凹形邊緣表面632上被拉時，奈米纖維片的寬度減小(即，凹形面636朝向拉伸方向設置)。奈米纖維片的該較窄部分644的寬度W3小於寬度W1。還如圖6C所示，寬度的減小可以在奈米纖維片和凹形邊緣表面636之間的實際接觸之前開始，如過渡部分648所示。
將奈米纖維片的寬度從在供給部600處的寬度W1機械地改變到在部分644處的窄寬度W3的結果也具有將部分644的密度增加到比供應部分600的密度大的密度的效果。
在一個實施方式中，可以認為從奈米纖維森林(或其他奈米纖維片源)拉伸並根據本文所述的實施方式加工的奈米纖維片具有三個部分。第一部分(例如，部分600)具有對應於從奈米纖維森林中拉出或者由奈米纖維片源(例如，奈米纖維片的捲軸)提供之奈米纖維片的密度。該第一部分設置在奈米纖維片的源(圖6A-6C中未示出)和弧形邊緣表面(例如，弧形邊緣表面612,632)之間。第二部分具有不同於第一部分的密度-無論是較低密度(例如，部分624)還是較高密度(例如，部分644)。該第二部分設置在弧形邊緣表面和拉伸機構(未示出)之間。另一部分設置在這些第一和第二部分之間，並且是兩者之間的過渡(例如，部分628,648)。該過渡部分具有介於第一部分和第二部分的密度之間的中間密度。在一些實施例中，該過渡部分的密度在第一部分和第二部分之間均勻地減小或增加。
圖6D至6G示出了如圖6A至6C中所示的那些的替代配置，其中弧形表面被配置和佈置成使得弧形表面的半徑基本垂直於奈米纖維片的拉伸方向。在相關的實施例中，弧形表面的半徑可以在與拉伸軸或對準的奈米纖維的軸或兩者的0°-90°、0°-80°、0°-70°、0°-60°、20°-90°、20°-70°或30°-90°的方向被定向至拉伸方向中或被定向遠離拉伸方向。圖6D示出了一個實施例，其中弧形表面652(例如彎曲刀片)的邊緣656用於加寬奈米纖維片的寬度。與上述實施例類似，處於拉伸(或供應)狀態的奈米纖維片部分600具有寬度W1。奈米纖維片在邊緣結構弧形表面652的凸形弧形邊緣656上被拉伸並與邊緣結構弧形表面652的凸形弧形邊緣656接觸。凸形弧形邊緣656使奈米纖維片600在奈米纖維片的第二部分654中加寬到寬度W4，其中寬度W4大於寬度W1。如上所述，第二部分654在其供應或拉伸狀態下可以比奈米纖維片的第一部分600較不緻密。還如先前實施方式中所述，在一些實施例中，奈米纖維片的加寬可以在奈米纖維片和凸形弧形邊緣656之間接觸之前開始。這在圖6D中示出是過渡區域658和過渡區域658內的奈米纖維片上箭頭所示。圖6E中出現圖6D的橫截面圖。
圖6F示出了一個實施例，其中凹形弧形邊緣662的邊緣666用於將奈米纖維片的寬度從其被拉或供給狀態減小。如上所述，供應的奈米纖維片部分600具有寬度W1。這被拉在結構662的凸形邊緣666上並與結構662的凸形邊緣666接觸。雖然如圖6G中所示的整個結構662是弧形和凹形的，但是應當理解，這僅是一個實施例，並且只有邊緣666需要是凸形的，並且結構662可以是任何形狀(例如圖6E中所示的刀片652)。無論如何，與凸形邊緣666的接觸導致寬度W1減小到寬度W5，該寬度W5小於奈米纖維片的第二部分664中的寬度W1。在示例中，第二部分664比供應部分600更緻密。與先前描述的示例一樣，寬度減小可以發生在邊緣666和奈米纖維片之間的接觸之前的過渡部分668中。這由圖6F和6G中的箭頭表示。圖6F中的橫截面圖出現在圖6G中。 示例方法
圖7示出了在本揭示的實施例中用於機械地改變奈米纖維片的密度的示例性方法700。如上所述，方法700開始於提供704奈米纖維片。奈米纖維片包括第一密度，並且具有第一主表面和第二主表面。具有第一密度的奈米纖維片在至少一個弧形邊緣表面上拉伸708並與至少一個弧形邊緣表面接觸。該拉伸708提供奈米纖維片的至少一個主表面與相應的邊緣表面之間的物理接觸。響應於拉伸708，奈米纖維片的第一密度變化712至第二密度。使用凸形邊緣表面，第一密度減小716至小於第一密度的第二密度。使用凹形邊緣表面，第一密度增加720至大於第一密度的第二密度。
進一步的考慮因素
已經出於說明的目的呈現了本揭示的實施例的前述描述；它並非旨在窮舉或將申請專利範圍限制於所揭示的精確形式。相關領域的技術人員可以理解，鑑於以上揭示內容，許多修改和變化是可能的。
說明書中使用的語言主要是出於可讀性和指導目的而選擇的，並且可能未選擇它來描繪或限制本發明的標的。因此，本揭示的範圍旨在不受該詳細描述的限制，而是受基於此處的應用發布的任何申請專利範圍的限制。因此，實施例的揭示內容旨在說明而非限制本發明的範圍，本發明的範圍在所附申請專利範圍中闡述。
500‧‧‧系統504‧‧‧刀片508‧‧‧刀片512‧‧‧拉伸機構516‧‧‧奈米纖維森林520‧‧‧基板524‧‧‧奈米纖維片550‧‧‧系統600‧‧‧部分、奈米纖維片、奈米纖維片部分、供應部分604‧‧‧邊緣表面608‧‧‧部分612‧‧‧弧形邊緣表面616‧‧‧凸形面、凸形邊緣表面、凸形表面624‧‧‧第二部分628‧‧‧過渡部分632‧‧‧邊緣表面、凹形邊緣表面、弧形邊緣表面636‧‧‧凹形面、凹形表面、凹形邊緣表面644‧‧‧部分648‧‧‧過渡部分652‧‧‧弧形表面、邊緣結構弧形表面、刀片654‧‧‧第二部分656‧‧‧邊緣、凸形弧形邊緣658‧‧‧過渡區域662‧‧‧凹形弧形邊緣、結構664‧‧‧第二部分666‧‧‧凸形邊緣、邊緣668‧‧‧過渡部分700‧‧‧方法704‧‧‧步驟708‧‧‧步驟712‧‧‧步驟716‧‧‧步驟720‧‧‧步驟W1‧‧‧寬度W2‧‧‧寬度W3‧‧‧寬度W4‧‧‧寬度W5‧‧‧寬度c‧‧‧角度d‧‧‧角度g‧‧‧角度h‧‧‧角度
圖1示出了一個實施方式中基板上的奈米纖維的示例性森林。
圖2A是具有多個個別奈米管的碳奈米管森林(在本文中替代地稱為“層”)的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope；SEM)影像的透視圖，在每個實施方式中，每個奈米管包括直線部分和弧形部分。
圖2B是在一個實施方式中由碳奈米管森林的各個奈米纖維的弧形部分組成的纏結部分的平面圖SEM影像。
圖3是在一個實施方式中，識別片的相對尺寸的奈米纖維片的示意圖，並且示意性地示出了在平行於片表面的平面中端對端地對準的片內的奈米纖維。
圖4是從奈米纖維森林橫向拉伸的奈米纖維片的影像，如圖2A中示意性所示該奈米纖維從端到端對準。
圖5A和5B是在實施例中用於使用邊緣表面改變奈米纖維片密度的系統的各種配置的側視圖。
圖6A、6B和6C是在實施例中用於改變奈米纖維片密度的邊緣表面的平面圖。
圖6D、6E、6F和6G是在實施例中用於改變奈米纖維片密度的替代配置的邊緣表面的平面圖和剖視圖。
圖7是在一個實施例中使用邊緣表面機械地改變奈米纖維片的密度的方法流程圖。
附圖僅出於說明的目的描繪了本揭示的各種實施例。從以下詳細討論，許多變化、配置和其他實施例將是明確的。
600‧‧‧部分、奈米纖維片、奈米纖維片部分、供應部分
612‧‧‧弧形邊緣表面
616‧‧‧凸形面、凸形邊緣表面、凸形表面
624‧‧‧第二部分
628‧‧‧過渡部分
W2‧‧‧寬度

Claims (6)

  1. 一種奈米纖維片，其藉由拉伸機構從奈米纖維片源拉出並具有變更的密度，該奈米纖維片的密度藉由將該奈米纖維片源拉伸越過並抵靠撓性弧形邊緣而變更，該奈米纖維片包含：設置在該奈米纖維片源和該撓性弧形邊緣面向該奈米纖維片源的第一側之間之該奈米纖維片的第一部分，該第一部分具有較靠近該奈米纖維片的第一部，該第一部具有第一片密度和第一體積密度，以及較靠近該撓性弧形邊緣的該第一側的第二部，該第二部具有第二片密度和第二體積密度，該撓性弧形邊緣被從第一形狀改變至形成該第二片密度和該第二體積密度之第二形狀；以及設置在該撓性弧形邊緣的該第二側和該拉伸機構之間之該奈米纖維片的第二部分，該第二側與該第一側相對，並且該第二部分具有類似於該第二片密度的第三片密度和不同於該第二體積密度的第三體積密度；以及其中該第一部分在接觸該撓性弧形邊緣之後過渡到該第二部分，使得該第一部分被相鄰地連接到該第二部分，並且其中該奈米纖維片上的該撓性弧形邊緣的複數個接觸點將該奈米纖維片分成該第一部分和該第二部分。
  2. 根據請求項1之奈米纖維片，其中該第三 體積密度大於該第一體積密度。
  3. 根據請求項2之奈米纖維片，其中該第三片密度大於該第一片密度。
  4. 根據請求項2之奈米纖維片，其中該第三片密度小於該第一片密度。
  5. 根據請求項4之奈米纖維片，其中與該第一部分的複數個奈米纖維相比，該第二部分的複數個奈米纖維被拉直且較少被纏結。
  6. 根據請求項1之奈米纖維片，其中緊鄰該撓性弧形邊緣的該第二側的該第二部分的的起始部具有該第三體積密度。
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