使用納米管鏈接制造纖維的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及使用納米管鏈接制造纖維，其包括從納米管森林切下第一納米管繩。該方法進一步包括以第一多個迂回彎的形式纏繞第一納米管繩以創(chuàng)建第一鏈接。該方法進一步包括從納米管森林切下第二納米管繩。該方法進一步包括以第二多個迂回彎的形式纏繞第二納米管繩以創(chuàng)建第二鏈接，其中在鏈條中所述第二鏈接與所述第一鏈接互連。
【專利說明】使用納米管鏈接制造纖維的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般涉及大量纖維嵌入基體材料如聚合物的復合材料，并且具體地，涉及一種使用碳納米管束制造纖維的系統(tǒng)和方法，其被形成為在鏈條中順序互連的迂回鏈接。
【背景技術(shù)】
[0002]碳納米管是具有圓柱形納米結(jié)構(gòu)的碳纖維。碳納米管在直徑上小于傳統(tǒng)的碳纖維。碳納米管眾所周知是堅固的并相對于許多其他材料具有高模量，特別是相對于其他種類的碳纖維。在復合材料中使用的傳統(tǒng)的碳纖維直徑約十微米并且長度為許多米。碳納米管直徑為一至十納米(比傳統(tǒng)碳纖維較窄達10，000倍)，長度約一厘米。然而，單個的碳納米管的抗張強度大于單個傳統(tǒng)碳纖維的抗張強度。
[0003]類似于那些在商業(yè)復合材料中使用的纖維還沒有由多個碳納米管制造。因此，獲得在結(jié)構(gòu)上比單獨生長的碳納米管更長的單獨碳納米管的強度已經(jīng)呈現(xiàn)出持續(xù)的挑戰(zhàn)。
[0004]因此，具有考慮一個或多個上述討論的問題以及可能的其他問題的方法和裝置將會是有益的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]說明性實施例提供一種方法。該方法包括從納米管森林切下第一納米管繩。該方法還包括以第一多個迂回彎的形式纏繞第一納米管繩以創(chuàng)建第一鏈接。該方法進一步包括從納米管森林切下第二納米管繩。該方法進一步包括以第二多個迂回彎的形式纏繞第二納米管繩以創(chuàng)建第二鏈接，其中所述第二鏈接與所述第一鏈接在鏈條中互連。
[0006]說明性實施例還提供一種系統(tǒng)。該系統(tǒng)可包括顯微操縱器，經(jīng)配置在納米管森林的部切割切口以將納米管束的第一部分從所述納米管森林分離。顯微操縱器還配置為將第一操縱帶(handling band)固定在納米管束的第一部分的周圍。顯微操縱器還配置為夾住第一操縱帶并且拉動納米管束遠離所述納米管森林。顯微操縱器還配置將第二操縱帶固定在納米管束的第二部分的周圍。第二操縱帶與第一操縱帶是大約相對的。第二部分與納米管束的第一部分是大約相對的。顯微操縱器還配置為移動納米管束至卷繞站(windingstation)。
[0007]該系統(tǒng)還可以包括卷繞站的彎曲裝置。彎曲裝置配置為接收所述納米管束。彎曲裝置進一步配置為在第一閉合的納米管鏈接的第一端將第一鞍(saddle)安置在閉合納米管鏈接內(nèi)。彎曲裝置進一步配置為將納米管束的第二端固定至第二鞍的起始槽。彎曲裝置進一步配置為使用第二鞍和第三鞍圍繞第一鞍旋轉(zhuǎn)納米管束。旋轉(zhuǎn)從納米管束創(chuàng)建迂回環(huán)。結(jié)果是第二閉合納米管鏈接。第二閉合納米管鏈接與第一閉合納米管鏈接在鏈條中互鎖。
[0008]說明性實施例還提供一種物體。該物體可包括第一納米管繩，其以第一多個迂回彎纏繞從而創(chuàng)建第一鏈接。該物體還包括第二納米管繩，其以第二多個迂回彎纏繞從而創(chuàng)建第二鏈接。第二鏈接與第一鏈接在鏈條中互連。[0009]特征、功能和好處可在本公開的各種實施例中獨立地實現(xiàn)，或結(jié)合另外的實施例實現(xiàn)，其中進一步的細節(jié)中可以參考下面的描述和附圖看出。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供使用納米管的鏈接的制造纖維系統(tǒng)，其包括:顯微操縱器，配置為:在納米管森林的頂部切割切口以將納米管束的第一部分從納米管森林分離；將第一操縱帶固定在納米管束的第一部分的周圍；夾住第一操縱帶并且拉動納米管束遠離所述納米管森林；將第二操縱帶固定在納米管束的第二部分的周圍，其中第二操縱帶與第一操縱帶是大約相對的，并且其中第二部分與納米管束的第一部分是大約相對的。移動納米管束至卷繞站和卷繞站的彎曲裝置，其中彎曲裝置配置為接收所述納米管束，并且其中彎曲裝置進一步配置為:在第一閉合的納米管鏈接的第一端將第一鞍安置在閉合納米管鏈接內(nèi)；將納米管束的第二端固定至第二鞍的起始槽；并且使用第二鞍和第三鞍圍繞第一鞍旋轉(zhuǎn)納米管束，其中旋轉(zhuǎn)從納米管束創(chuàng)建迂回環(huán)，導致第二閉合納米管鏈接，并且其中第二閉合納米管鏈接與第一閉合納米管鏈接在鏈條中互鎖。有利地，納米管森林可包括碳納米管。進一步有利地，納米管束的松弛端使用聚合物固定到所述第二閉合納米管鏈接。更進一步有利地，彎曲裝置進一步配置為產(chǎn)生在鏈條中與第一閉合納米管鏈接和第二閉合納米管鏈接之一互鎖的第三閉合納米管鏈接。有利地，第一閉合納米管鏈接、第二閉合納米管鏈接和第三閉合的納米管鏈接按順序連接。進一步有利地，彎曲裝置包括配置為控制第二鞍和第三鞍的可伸縮臂。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]被認為代表說明性實施例特性的新穎特征在附加權(quán)利要求中被展示。然而，當結(jié)合附圖閱讀時，通過參考下面的本公開的說明性實施例的詳細描述，將最好地理解說明性實施例以及優(yōu)選使用方式、其進一步的目的和特征，其中:
[0012]圖1是根據(jù)說明性實施例使用碳納米管鏈接制造纖維的系統(tǒng)的方框圖；
[0013]圖2是根據(jù)說明性實施例描繪使用納米管鏈接的制造纖維的方法的流程圖；
[0014]圖3是根據(jù)說明性實施例的碳納米管纖維的幾何尺寸的示圖；
[0015]圖4是根據(jù)說明性實施例的碳納米管纖維的另一種幾何尺寸的示圖；
[0016]圖5是根據(jù)說明性實施例的碳納米管纖維的另一種幾何尺寸的示圖；
[0017]圖6是根據(jù)說明性實施例的碳納米管鏈接的直邊側(cè)的短段的示圖；
[0018]圖7是根據(jù)說明性實施例在纏繞和結(jié)合狀態(tài)的碳納米管鏈接的直邊側(cè)的示圖；
[0019]圖8是根據(jù)說明性實施例連接在一起的鄰近纖維的碳納米管鏈接的示圖；
[0020]圖9是根據(jù)說明性實施例具有從碳納米管森林分離的碳納米管束的碳納米管森林的示意圖；
[0021]圖10是根據(jù)說明性實施例操縱帶的示圖；
[0022]圖11是根據(jù)說明性實施例用于彎曲方法的幾何形狀的示圖；
[0023]圖12是根據(jù)說明性實施例用于彎曲方法的另一種幾何形狀的示圖；以及
[0024]圖13是根據(jù)說明性實施例從卷繞的碳納米管鏈接中除去鞍的示圖。
【具體實施方式】
[0025]創(chuàng)建碳納米管的一種已知的方法是在其表面上具有催化劑的基底上種植它們。碳納米管森林可垂直于基底表面生長，類似于樹從地面生長。這種森林可包括單個碳納米管，其直徑多達十納米并且中心到中心間隔約相距五至二十納米。碳納米管的長度，或森林的高度，可約為一厘米。鄰近的碳纖維納米管可以通過范德華力彼此結(jié)合并且將其自身排列成由這些力保持在一起的“繩”。雖然當碳納米管聚在一起時范德華力足夠強以保持碳納米管在一起，但是這些力不足以強到創(chuàng)建在其中壓力從一個碳納米管傳遞到鄰近的碳納米管的復合物。
[0026]生產(chǎn)碳納米管的另一種已知的方法是將碳納米管放置在基體材料中，如環(huán)氧樹脂或其他已知的聚合物，就像對現(xiàn)有使用傳統(tǒng)碳纖維的復合材料所作的。通過已知的復合材料，纖維的直徑可大于基體聚合物分子的直徑。這種技術(shù)可用于創(chuàng)建大體積分數(shù)的纖維，例如65%。如果使用非環(huán)形纖維或如果具有較小直徑的纖維與具有較大直徑的纖維進行交錯，則可獲得較大的體積分數(shù)。不管使用非環(huán)形纖維還是交錯的較小直徑的纖維，聚合物基體材料的纖維之間都有足夠的空間。聚合物基體材料可以連接到纖維上，并將壓力從一個纖維沿著鄰近的纖維經(jīng)過一個長度傳遞到鄰近的纖維，其可相當于許多纖維的直徑。這些壓力是不期望的。
[0027]在嘗試將如上所討論的碳納米管用于幾何尺寸方面已經(jīng)遇到了挑戰(zhàn)。例如，碳納米管的直徑和聚合物分子的直徑可以是相似的，在實現(xiàn)可接受的高體積分數(shù)的碳納米管方面呈現(xiàn)困難。這種困難可防止聚合物與可接受分數(shù)的碳納米管的外表面保持接觸。
[0028]這種困難甚至可防止聚合物與所有的碳納米管接觸。不依附聚合物的碳納米管只可通過范德華力將壓力傳遞到鄰近的碳納米管。范德華力比聚合物以及傳統(tǒng)纖維之間的化學鍵明顯弱，并且比碳納米管的固有強度弱得多。此外，依靠范德華力需要兩纖維的表面靠近在一起。
[0029]當試圖從碳納米管建立大型結(jié)構(gòu)時所面臨的另一個挑戰(zhàn)是，聚合物不會與單個的碳納米管做出可接受的結(jié)合，因為碳納米管的壁通常是光滑的，并且不包括強結(jié)合發(fā)生的點。
[0030]這種挑戰(zhàn)可以通過官能化碳納米管來克服。官能化涉及使碳納米管受熱或反應(yīng)性化學物質(zhì)的影響。官能化在化學結(jié)合可發(fā)生的碳納米管的壁上創(chuàng)建分裂。然而，官能化碳納米管可以通過損害碳納米管的細胞壁來降低碳納米管的強度。
[0031]碳納米管可以分類為單壁碳納米管和多壁碳納米管。當使用多壁碳納米管時發(fā)生另一個挑戰(zhàn)。多壁碳納米管可包括嵌套在單一結(jié)構(gòu)中的多個單壁碳納米管。在多壁碳納米管之內(nèi)，嵌套在其中的單壁碳納米管可以通過在鄰近的單壁碳納米管的壁之間的范德華力連接。范德華力可比單個的單壁碳納米管的壁強度弱。在復合材料中，假定在聚合物基體和每個多壁碳納米管的最外層的單壁碳納米管之間存在可接受的結(jié)合，那么只有最外層的單壁碳納米管可對復合材料貢獻顯著的強度。每個多壁碳納米管的最內(nèi)層的單壁碳納米管對復合材料的強度貢獻較小。發(fā)生這種結(jié)果是因為沒有東西依附在可以傳遞壓力到鄰近的纖維的最內(nèi)層的單壁碳納米管上。
[0032]說明性實施例關(guān)于由不具有單個碳納米管的強度的碳納米管制成的商用纖維認識并考慮到上述這些問題。說明性實施例還認識到并且考慮到，由長于一厘米的碳納米管創(chuàng)建結(jié)構(gòu)是非常困難的，并且到現(xiàn)在為止是失敗的。
[0033]因此，本說明性實施例涉及系統(tǒng)，方法和物體，其中碳納米管束或納米管繩用迂回環(huán)纏繞以形成鏈接。在鏈接創(chuàng)建過程中納米管繩可以扭曲。鏈接由包括碳納米管束的多個順序互鎖的鏈接束的鏈條部分地制成。由碳納米管束的多個順序互鎖的鏈接束制成的鏈條的長度可類似于現(xiàn)有的復合材料纖維的長度而且可具有單個碳納米管的強度。碳納米管的鏈條處于張力狀態(tài)下是強的。鏈條可以接近最大限度地利在鏈條中所有的碳納米管的強度。
[0034]說明性實施例考慮通過使用顯微操縱器從納米管森林切下碳納米管束。操縱帶可繞束的相對端放置以將束保持在一起。然后顯微操縱器可以移動束到卷繞站。在卷繞站彎曲裝置可用多個迂回彎卷繞束以創(chuàng)建環(huán)或鏈接，并且融合束的兩個自由端的每一個到新創(chuàng)建的鏈接。在創(chuàng)建新鏈接中，彎曲裝置可通過先前創(chuàng)建的鏈接卷繞束，以致新創(chuàng)建的鏈接可以在鏈條中與先前創(chuàng)建的鏈接互連。
[0035]說明性實施例還認識并考慮到顯微操縱器可以使用附著在柄狀物上的刀片在碳納米管森林中創(chuàng)建切口，以開始從碳納米管森林分離新束。顯微操縱器可遠離碳納米管森林拉動新束，并將操縱帶放置在束的相對端。在提供束到卷繞站后，彎曲裝置可將第一鞍放置在現(xiàn)有碳納米管的鏈接內(nèi)側(cè)。彎曲裝置然后可以使用第二鞍和第三鞍以通過現(xiàn)有的碳納米管鏈接用迂回、成環(huán)的方式旋轉(zhuǎn)碳納米管束。彎曲裝置可具有可伸縮臂。當鞍圍繞第一鞍旋轉(zhuǎn)時所述臂可替換地保持住和釋放第二和第三鞍。
[0036]說明性實施例進一步認識到，即使單個碳納米管具有相對短的長度，但是可創(chuàng)建包括多個順序鏈式碳納米管鏈接的纖維結(jié)構(gòu)。鏈式納米管鏈接可具有類似于非納米管纖維的長度，但是可具有約單個碳納米管的強度。當鏈條在張力狀態(tài)下并被拉緊時，可以維持碳納米管的強度。碳納米管鏈接的直邊段可以由碳納米管束纏繞，進一步加固纏繞的鏈接和整體鏈條。納米管鏈接的單個鏈條也可以鄰近或并排放置并且結(jié)合在一起。這種布置可產(chǎn)生較厚的和較強的整體結(jié)構(gòu)。
[0037]說明性實施例進一步認識到，在本發(fā)明中鄰近的碳納米管之間幾乎沒有顯著滑動，像在碳納米管被拉長成紗的情況。如果使用多壁碳納米管，內(nèi)部碳納米管可相等地貢獻所得鏈條的強度。
[0038]碳納米管的鏈接端的曲率半徑相比于單個的碳納米管的直徑是足夠大的，以致碳納米管的強度可以忽略的退化可在穿越鏈接端發(fā)生。與此同時，鏈接端的曲率半徑相對于鏈接的長度是小的，以致大多數(shù)的碳納米管材料用在纖維的軸向方向上。
[0039]說明性實施例進一步認識到，在復合材料中碳納米管的體積分數(shù)可以是高的。體積分數(shù)可以像在傳統(tǒng)復合材料中的碳纖維一樣高。碳納米管的幾何尺寸可允許在復合材料中的鄰近鏈條之間充足的空間，以致壓力可以通過基體材料以本質(zhì)上與在傳統(tǒng)的纖維復合材料中相同的方式從鏈條至鏈條傳遞。在每個鏈接的內(nèi)部之內(nèi)，碳納米管的體積分數(shù)可為約100%，并且不需要由基體材料沖淡。
[0040]說明性實施例還認識到，如果碳納米管鏈接的長度足夠長，鄰近的碳納米管之間的剪切力可以等于或大于單個碳納米管的抗張強度。這種特征可確保壓力經(jīng)過鏈接的長度從一個碳納米管傳遞到鄰近的碳納米管。通過隨著鏈接構(gòu)成扭曲碳納米管束，并通過外纏繞鏈接的外面，以保持鄰近的碳納米管緊密的表面接近在一起，剪切力可保持接近最大可能的剪切力。
[0041]現(xiàn)在將注意力轉(zhuǎn)向附圖。圖1是使用根據(jù)說明性實施例所述的碳納米管鏈接的制造纖維系統(tǒng)100的方框圖。在圖1所示的系統(tǒng)100包括顯微操縱器140。顯微操縱器140可以帶有具有多個自由度的多個機械附件或顯微操縱器臂的自動裝置。顯微操縱器140可以與顯微鏡(未示出)一起使用。顯微鏡可允許在給定的碳納米管的小尺寸下所需的運動精確水平。顯微操縱器140可以用一微米或更小的位置分辨率進行操作，并具有識別部件位置和部件的幾何邊緣至至少相同的分辨率的能力。
[0042]顯微操縱器臂142和顯微操縱器臂144可以是被連接至顯微操縱器140并且由其控制的附件。顯微操縱器臂142和顯微操縱器臂144可以包括連接、移動和釋放包括在下文中詳細描述的碳納米管束130的物體的機構(gòu)。顯微操縱器140還可以包括刀片148，顯微操縱器140使用其在碳納米管森林120做切口，并從碳納米管森林120中切掉至少一個碳納米管束130。刀片148可以經(jīng)由柄狀物146連接到微操縱器140。
[0043]碳納米管森林120可以是使用化學氣相沉積技術(shù)或其他已知技術(shù)生長在基底122上的碳納米管簇。碳納米管從基底122的表面在垂直方向上生長。碳納米管束130從碳納米管森林120由刀片148切下。雖然碳納米管束130在圖1中描繪為碳納米管森林120的一部分，但一旦刀片148完成它的切削動作并且顯微操縱器140拉開碳納米管森林120的切口部分以形成碳納米管束130，碳納米管束130不再是碳納米管森林120的一部分。碳納米管束130從此可稱為束130。
[0044]顯微操縱器140還可以包括操縱帶150和操縱帶152。如指出的，在將承受商用需求的束中，范德華力沒有強大到足以保持多個碳納米管在一起。顯微操縱器臂142和顯微操縱器臂144可圍繞碳納米管束130固定操縱帶150和操縱帶152以保持碳納米管在碳納米管束130中合成在一起。這個動作可在碳納米管束130從碳納米管森林120分離時發(fā)生。
[0045]系統(tǒng)100還可以包括彎曲裝置170。彎曲裝置170可位于卷繞站190。在碳納米管束130經(jīng)由本文所述的切削和成束動作由顯微操縱器140創(chuàng)建之后，卷繞站190可接收碳納米管束130。彎曲裝置170可以迂回和環(huán)的方式通過由另一個碳納米管束130較早制成的現(xiàn)有鏈接保持碳納米管束130并旋轉(zhuǎn)碳納米管束130。
[0046]彎曲裝置170可以包括鞍192、鞍194和鞍196。鞍194可以放置在現(xiàn)有閉合碳納米管內(nèi)的鏈接之內(nèi)的協(xié)助保持現(xiàn)有的閉合碳納米管鏈接開放的位置?，F(xiàn)有的閉合碳納米管鏈接可以具有穿過其卷繞以形成鏈條的新創(chuàng)建的碳納米管鏈接。當碳納米管束130通過現(xiàn)有的閉合碳納米管鏈接迂回旋轉(zhuǎn)或成環(huán)時，鞍194還可以提供凹入空間來容納碳納米管束130的纖維。當碳納米管束130通過現(xiàn)有的閉合碳納米管鏈接并圍繞其旋轉(zhuǎn)時，鞍192和鞍196可容納碳納米管束130。
[0047]在碳納米管束130的旋轉(zhuǎn)過程中，彎曲裝置170可替換地固定并釋放鞍192和鞍196。鞍192和鞍196的每一個可以具有四個鞍柄狀物，雖然可存在不同數(shù)目的柄狀物。作為一個非限制性的說明性實施例，連接到鞍194和鞍196的柄狀物在圖11中描繪。作為另一個非限制性的說明性實施例，連接到鞍192的柄狀物在圖12中描繪。
[0048]彎曲裝置170可具有彎曲臂172、彎曲臂174、彎曲臂176和彎曲臂178。這些彎曲臂的每一個是可伸縮的。在彎曲臂172、彎曲臂174、彎曲臂176和彎曲臂178的每個的端部可以是保持住并釋放連接到鞍192的柄狀物和連接到鞍196的柄狀物的裝置(未示出)。這種抓取和釋放動作可以在鞍192和鞍196圍繞鞍194旋轉(zhuǎn)時執(zhí)行。鞍192、鞍194和鞍196，它們的柄狀物，以及本文所討論的過程在下文圖2至圖13的討論中更詳細地描述。
[0049]彎曲裝置170還可具有擴展桿180和擴展桿182。當彎曲裝置170使用鞍192和鞍196以迂回的方式旋轉(zhuǎn)碳納米管束130時，擴展桿180和擴展桿182與鞍194 一起共同保持現(xiàn)有閉合碳納米管鏈接開放。這個動作可以用來創(chuàng)建互鎖碳納米管鏈接。
[0050]圖2是根據(jù)說明性實施例描繪使用納米管鏈接的制造纖維方法的方框圖。在圖2中所示的方法200可使用圖1的系統(tǒng)100來實現(xiàn)。在圖2中所描繪的過程可以是通過圖13結(jié)合圖1與圖3所討論的過程的變體。雖然在圖2中呈現(xiàn)的操作描述為由“過程”執(zhí)行，但是所述操作可以使用一個或多個物理設(shè)備來執(zhí)行，如本文在別處描述的。
[0051]方法200可以以使用刀片148經(jīng)由連接到顯微操縱器140的柄狀物146從碳納米管森林120切下第一納米管繩的過程(操作202)作為開始。然后該過程可以使用彎曲裝置170以第一多個迂回彎的方式纏繞第一納米管繩，以創(chuàng)建第一鏈接(操作204)。然后該過程可以使用刀片148從碳納米管森林120切下第二納米管繩(操作206)。然后該過程可以使用彎曲裝置170以第二多個迂回彎的方式纏繞第二納米管繩，以創(chuàng)建第二鏈接，其中所述第二鏈接在鏈條中與所述第一鏈接互連(操作208)。
[0052]在圖2所示的過程僅僅是示例性的。該過程既可以在操作的編號方面也可以在使用什么設(shè)備進行操作方面改變。例如，更多的或不同的刀片、柄狀物和彎曲裝置可以被使用。因此，所要求的發(fā)明不一定由在圖2中描述的操作而受到限制。
[0053]圖3根據(jù)說明性實施例描繪碳納米管纖維的鏈條10。在圖3所示的鏈條10可以是使用圖1的系統(tǒng)并且使用方法200的操作構(gòu)造的鏈條。在圖3中描繪的碳納米管纖維的鏈條10可以是使用圖1的系統(tǒng)并且使用方法200的操作由碳納米管束制成三個鏈接的垂直鏈條。雖然圖3描繪三個鏈接的鏈條，但是鏈條可包括兩個碳納米管鏈接，或者可以包括四個或更多個碳納米管鏈接。
[0054]在說明性實施例中，在圖3描繪的鏈條可包括三個鏈接，鏈接20a、20b和鏈接20c。雖然鏈接20a、鏈接20b和鏈接20c可以出現(xiàn)在圖3中以共享相同的長度、寬度和其他物理特性，但是在實施例中鏈接20a、鏈接20b和鏈接20c中不分享類似相同的物理特性。
[0055]在圖3中的鏈接20a用具有在鏈接20b和鏈接20c中的類似的結(jié)合部件的特性的合成部件描繪。為討論目的，本文中鏈接20a的描述可應(yīng)用于鏈接20b和鏈接20c。為討論目的以及便于表述，當鏈接20a、鏈接20b和鏈接20c的共同特性被討論時，它們可以統(tǒng)稱為鏈接20。
[0056]鏈接20a、鏈接20b和鏈接20c的每一個可包括兩個直邊段22和兩個端部24。鏈接20a、鏈接20b和鏈接20c的每一個可包括多個碳納米管束130迂回彎。
[0057]符號A-A和B-B是指鏈接20a的橫截面圖。橫截面圖A-A在圖4中描繪，其為碳納米管纖維的另一個幾何尺寸的示意圖，并描繪鏈接20a的直邊段22的橫截面40的示圖。橫截面圖B-B在圖5中描繪，其為碳納米管纖維的另一個幾何尺寸的示意圖，并描繪鏈接20a的端部24的橫截面圖。
[0058]如指出的，如由系統(tǒng)100的組件生產(chǎn)的，并且其中鏈接20是實施例的碳納米管鏈接可以是有多個迂回彎的碳納米管束的產(chǎn)物，如圖1中的束130。在橫截面圖A-A中的每一尺寸是碳納米管束130的一部分，由于束130經(jīng)歷了迂回彎，在圖4中也表示為束130。
[0059]如在圖4的橫截面圖A-A的圓形橫截面40所示，直邊段22可以包括多圈碳納米管束130。在圓形橫截面40的給定點，束130的一個或多個部分可以經(jīng)歷繞其縱軸的扭曲，如在圖4中由束部分50不出的。
[0060]因為碳納米管束130可以用圓形、卵形或跑道形式纏繞，所以碳納米管束130的最外部分圈比碳納米管束130的最內(nèi)部分圈移動更遠。由于碳納米管束130的端部被固定在碳納米管束130的卷繞開始的位置，所以最外部分比最內(nèi)部分移動遠可導致在遠端最內(nèi)部分延伸越過碳納米管束130的最外部分。
[0061]這個結(jié)果使保持遠端困難，或?qū)е绿技{米管束130在碳納米管束130被保持的點的彎曲。未能保持或彎曲會導致碳納米管束130的退化凝聚或使碳納米管束130的處理更困難。
[0062]在本實施例中，碳納米管束130可被給定沿著每個卷繞圈的每個直邊段22圍繞碳納米管束130的縱軸線旋轉(zhuǎn)九十度旋轉(zhuǎn)或一百八十度。這兩種旋轉(zhuǎn)的每一個可有助于減輕碳納米管束130的彎曲。這兩種旋轉(zhuǎn)的每一個還可以限制從碳納米管束130的一側(cè)到另一側(cè)行進全彎或半彎發(fā)生的不均衡。
[0063]在旋轉(zhuǎn)過程中由彎曲裝置170扭曲碳納米管束130的可替換的策略是可用的。第一這種策略可包括在鏈接20的一側(cè)的一個方向扭曲以及在鏈接20的另一側(cè)相反的方向扭曲。第二這種策略可包括周期性地扭曲，但不必是每個彎或每半彎。
[0064]如在圖5中描繪的橫截面圖B-B所示，當包括鏈接20a和鏈接20b的鏈條在適量的張力下，鄰近鏈接的端部24可圍繞彼此纏繞。圖5包括描繪由單個碳納米管束的集合形成的碳納米管束130的切口 C，在圖5中示出為碳纖維納米管60。當在碳納米管森林120中時，碳纖維納米管60聚合在一起。在圖5中描繪的碳纖維納米管60描繪為單壁碳納米管。在實施例中，在圖5中描繪的碳纖維納米管60可以是單壁碳納米管。
[0065]在橫截面圖A-A中，碳納米管束130的部分不一定極為貼近彼此，而在橫截面圖B-B中，碳納米管束130的段可以極為貼近彼此?！皹O為貼近”可以定義為在約鄰近束的外圍的鄰近的碳納米管之間的范德華力至少約為在束內(nèi)的鄰近的碳納米管之間的范德華力的1%的距離。這種差異可升高，因為在圖3中所描繪的鏈條10在鏈條10處于適量的張力下時描繪。當鏈條10展開以形成纖維，張力可增加，并且鏈接20的直邊段22的部分的間隔可減小。
[0066]作為示例性尺寸，碳納米管束130可以以矩形、平行管道形式以二微米乘二微米乘四厘米的三維尺寸從碳納米管森林120切下。鏈接20可具有十分之一至一毫米的縱向尺寸，從而導致在二百至二十彎之間。鏈接20的橫向尺寸在平面方向上約三十五微米并且在鏈接20的端部的彎的方向約五十微米。在這個示例中碳納米管束130會包括約10，000至40，000碳納米管。
[0067]碳納米管束130可以具有兩個端部，其中的每一個連接到鏈接20。如果不被連接，當鏈條10伸展時鏈接20可能散開。
[0068]因此，連接碳納米管束130的端部到鏈接20a的方法在圖6中描述。圖6描述鏈接20的直邊側(cè)22的短部分。圖6描述作為束端35的碳納米管束130束的端部之一。在圖6中束端35可繞鏈接20的纖維的彎纏繞。聚合物的薄層可以應(yīng)用在束端35及其周邊區(qū)域，以保持束端35在適當位置。另一自由端(未示出)可以類似地連接到鏈接20a。
[0069]與碳納米管束130的抗張強度相比，纏繞的束端35與在鏈接20中的剩余部分之間的附著力的剪切強度是小的。然而，與鏈接20的橫截面面積相比，鏈接20的相對長的長度可以創(chuàng)建更大的接觸面積。進一步地，穿過束端35的整個纏繞的總剪切力足以防止束端35解開?？商鎿Q地，如果鏈接20足夠長，束端35的表面和碳納米管束130的鄰近長度之間的范德華力足以防止散開，并且束端35可沿鏈接20直放。
[0070]說明性實施例還包括鏈接20的纏繞直邊段22，以提高鏈接20的耐壓強度。鏈接20的耐壓強度可通過保持在鏈接20的每一側(cè)上的碳納米管束130的部分緊湊而得到提高。
[0071]圖7根據(jù)說明性實施例描繪在纏繞和結(jié)合狀態(tài)的鏈接20的直邊側(cè)。在圖7中描繪的鏈接20的外側(cè)可以用包括至少一個碳納米管束130的附加納米管繩纏繞，或者可以用創(chuàng)建鏈接20的碳納米管束130的松散端纏繞。在圖7中，鏈接20具有纏繞鏈接20的直邊段22的外部纏繞80。拉緊外部纏繞80可引起直邊段22在一起。以并聯(lián)或串聯(lián)方式卷繞的多于一個的碳納米管束130可用于纏繞鏈接20。
[0072]因為鏈接20的壓縮破壞可由于碳納米管的彎曲不穩(wěn)定性，所以增加耐壓強度的材料可以僅足夠強以防止彎曲的開始。由于外部纏繞80不必像用于創(chuàng)建鏈接20的碳納米管束130—樣強，所以外部纏繞80可以由官能化碳納米管或碳納米管紗制成。由官能化的碳納米管制成的外部纏繞80可以提高鏈接20的結(jié)合至當放置在復合材料中時的基體材料。就像碳納米管束130的自由端的情況，在圖7描繪的作為自由端85的外部纏繞80的自由端，需要通過聚合物或其他方式連接到鏈接20?？商鎿Q地，長的碳納米管紗可用于在連接之前纏繞鏈接20a、鏈接20b和20c或者可以用鄰近的纖維纏繞鏈接20a、鏈接20b和鏈接20c。雖然在圖7中所描繪的纏繞可增加鏈接20的耐壓強度，但是鏈接20本身具有繞鄰近的鏈接20的端部24樞軸旋轉(zhuǎn)的能力，所以彎曲仍然是可能的。
[0073]返回參照圖3來說明鄰近鏈接，鏈接20b可以描述為在鏈接20a和鏈接20c之間。鏈接20a和鏈接20c可以鄰近鏈接20b。任何或全部鏈接20a、鏈接20b和鏈接20c的彎曲可通過其鄰近鏈接的樞軸旋轉(zhuǎn)而引起。在圖7中所描繪的纏繞可以將端部24繞鄰近鏈接的端部24拉的更緊。然而，樞軸運動仍然是可能的。
[0074]為進一步降低樞軸旋轉(zhuǎn)傾向，鄰近纖維的鏈接可以連結(jié)到一起，如圖8所描繪。在圖8中，鏈條10和鏈條90平行于彼此而延伸。僅示出鏈條10和鏈條90的每個的三個鏈接，然而，可呈現(xiàn)更多或更少的鏈接。
[0075]在說明性實施例中，鏈條90可在鏈條10之后移置一個鏈接腿(leg)的直徑。鏈條90可在鏈條10之后移置兩個鏈接腿的直徑。鏈條90可從鏈條10的軸向移置半個鏈接長度。鏈條10和鏈條90可通過鏈接纏繞96在直邊側(cè)22鄰近鏈條10和鏈條90之間的位置結(jié)合。鏈接纏繞96可以防止鏈條10和鏈條90的每一個在端部24樞軸旋轉(zhuǎn)。只有鏈接之一的直邊側(cè)22彎曲時，樞軸旋轉(zhuǎn)是可能的。鏈條10和鏈條90當連接時會形成比單獨的鏈條10或單獨的鏈條90具有更大的耐壓強度的纖維。在實施例中，第三鏈條或進一步的鏈條(未示出)可以相對于鏈條90坐落，以類似于鏈條90相對于鏈條10坐落的方式。在這種擴展的幾何尺寸中，由鏈接纏繞連接的鏈接組可形成薄的平面。
[0076]兩種一般的方法可以用于從由碳納米管制成的鏈接20a、鏈接20b和鏈接20c制造纖維。第一種方法是彎曲方法。第二種方法是螺紋方法。在兩種方法中，過程可以通過從碳納米管森林120收獲碳納米管束130開始。過程始于顯微操縱器刀片148在碳納米管森林的頂部切割切口以分離碳納米管束的頂部遠離碳納米管森林120的其余部分。顯微操縱器臂142然后將操縱帶150放置在碳納米管束130的頂部周圍。顯微操縱器臂142然后放置操縱帶150在碳納米管束130周圍。顯微操縱器臂142然后保持住操縱帶150。顯微操縱器臂142然后拉動碳納米管束130遠離碳納米管森林120。顯微操縱器臂142然后將操縱帶150放置在碳納米管束130的底部周圍。顯微操縱器臂142移動碳納米管束130到卷繞站190。然后卷繞站190將碳納米管束130卷繞作為鏈條中的鏈接。上面描述的方法可以改變，例如通過增加或減少或修改某些操作。
[0077]圖9根據(jù)說明性實施例描繪具有從碳納米管森林分離的碳納米管束的碳納米管森林的示意圖。碳納米管森林900可以是圖1的碳納米管束130。碳納米管束902可以是圖1的碳納米管束130。刀片906可以是刀片圖1的148。柄狀物908可以圖1的柄狀物146。
[0078]基底904可保持碳納米管纖維的碳納米管森林900。碳納米管束902已經(jīng)通過刀片906從碳納米管森林900分離。刀片906可以連接到柄狀物908。刀片906可首先在定義面262和面264的線上沿著碳納米管森林900的面260作切口。刀片906可在方向270降低并且移動，其可以大約垂直于面262。葉片906的降低和移動可遠離碳納米管森林900的其余部分彎曲碳納米管束130的頂部。
[0079]圖10描繪對應(yīng)于圖1的系統(tǒng)100的操縱帶150和操縱帶152的操縱帶300的實施例。操縱帶300可以包括帶310、帶柄狀物320和帶柄狀物330。帶310可以由彈簧狀材料，如彈簧鋼制成。帶310可以彎曲成這樣一種配置，即當帶310處于松弛狀態(tài)時，如圖10所示，帶310可在碳納米管束130的一端的附近緊密配合。帶柄狀物320和帶柄狀物330可以連接，以致當帶柄狀物320和帶柄狀物330向外拉動時，即在圖10中的方向322和方向332，帶310伸展以滑過碳納米管束130的端部。
[0080]圖11根據(jù)說明性實施例描繪彎曲方法的幾何尺寸。在圖11中，鏈條的現(xiàn)有鏈接已經(jīng)由納米管纖維制成，相對于所示的頂部鏈接向下延伸，并且新鏈接希望在現(xiàn)有鏈接的頂部建立，如圖1的鏈條10。
[0081]圖11描繪彎曲裝置400，其可以包括鞍410 (其可以是圖1的鞍192)、鞍420 (其可以是圖1的鞍194)和鞍430 (其可以是圖1的鞍196)。因此，彎曲裝置400可以類似于由圖1的系統(tǒng)100所提供的彎曲裝置170。
[0082]非擴展(unspread)鏈接440可以是在擴展鏈接450緊接的下方的鏈接。擴展鏈接450可經(jīng)由本文所教的方法接收新的互連鏈接。擴展鏈接450可以在四個點受限制，但可以使用不同數(shù)量的點。這四個點可以是非擴展鏈接440、鞍420、擴展桿460和擴展桿470。
[0083]在圖12中，其為彎曲方法的另一個幾何尺寸的示意圖，鞍410(其可以是圖1的鞍192)的細節(jié)圖A描繪鞍柄狀物412、鞍柄狀物414、鞍柄狀物416和鞍柄狀物418。鞍410可具有起始槽。例如，槽490可以接收并保持碳纖維納米管。對于在圖11中的鞍430，鞍柄狀物432和鞍柄狀物434可被標記。
[0084]圖1的系統(tǒng)100的彎曲裝置170可具有伸縮的彎曲臂172、彎曲臂174、彎曲臂176和彎曲臂178 (圖1的全部)。在彎曲臂172、彎曲臂174、彎曲臂176和彎曲臂178的每一個的端部是保持住鞍410之一的柄狀物的裝置(未示出)。彎曲臂172、彎曲臂174、彎曲臂176和彎曲臂178可被定位，使它們可以保持住彎曲鞍410的鞍柄狀物412和鞍柄狀物414，并且可以保持住彎曲鞍410的鞍柄狀物432和鞍柄狀物434。[0085]彎曲裝置170可繞中心線480旋轉(zhuǎn)，其可與鞍194的軸線共線。從圖11的右側(cè)向中心線480下觀察,旋轉(zhuǎn)是順時針方向。在起始槽490下面碳納米管束130的低端,碳納米管束130的較低部分與操縱帶150放置在起始槽490中。鞍410可如圖所示11定向。
[0086]碳納米管束130的其余部分可在適量的張力下安放碳納米管束130的鞍410之后移動。當彎曲裝置170旋轉(zhuǎn)時，碳納米管束130的上端和鞍410之間的距離允許減少，從而保持恒定的張力。
[0087]在另一個說明性實施例中，可呈現(xiàn)附加的鞍。例如，第二鞍，如圖1的鞍194，當其圍繞鞍410和第二鞍卷繞時可以有助于對準碳納米管束130。
[0088]當彎曲裝置170旋轉(zhuǎn)時，并且方向是保持鞍柄狀物的彎曲裝置170部分接近擴展鏈接450的方向，彎曲裝置170可改變其保持的鞍柄狀物。例如，在圖11的方向，彎曲裝置170將保持鞍柄狀物434。作為旋轉(zhuǎn)的一部分，旋轉(zhuǎn)動作會暫時停止。在這種情況下，彎曲臂172和彎曲臂174之一將延伸并保持住鞍柄狀物432。當這個柄狀物被固定，鞍柄狀物434將被釋放，并且保持鞍柄狀物434的彎曲臂172或彎曲臂174將縮回。然后，旋轉(zhuǎn)動作重新開始。當鞍410到達擴展鏈接450之間的位置時，在另一半旋轉(zhuǎn)之后可發(fā)生類似的操作。如果彎曲臂172和彎曲臂174的伸縮足夠快，當柄狀物交換發(fā)生時旋轉(zhuǎn)運動不需要完全停止。
[0089]下面是在前面的段落中所述的從碳納米管束130產(chǎn)生一個鏈接20的彎曲方法的概要。此概要并不一定受所要求的發(fā)明的限制，并且可以改變，如本文其他地方描述的。
[0090]1.裝配鞍192、鞍194和鞍196，放置鞍192、鞍194和鞍196在彎曲裝置170上，并且定位彎曲裝置170。
[0091]2.將操縱帶150放置在鞍192的起始槽490的碳納米管束130的下端。
[0092]3.通過在碳納米管束130的上端移動操縱帶152，旋轉(zhuǎn)碳納米管束130在上部鞍的剩余部分。
[0093]4.將彎曲裝置170旋轉(zhuǎn)半彎。
[0094]5.彎曲裝置170夾住在低部鞍上的鄰近柄狀物并且釋放在第一柄狀物的夾力。
[0095]6.在碳納米管束130方向嵌入一半或四分之一扭曲。
[0096]7.重復以上步驟4至步驟6，直到卷繞完成。
[0097]8.卷繞鏈接的直邊段22周圍的碳納米管束130的自由端。移除在碳納米管束130的頂部的操縱帶150，切掉多余部分，并移動操縱帶遠離鏈接。
[0098]9.從起始槽490在碳納米管束130的底部斷開操縱帶，繞鏈接的其他直邊段22纏
繞端部。
[0099]10.應(yīng)用聚合物至固定端。
[0100]為便于從卷繞鏈接20移除鞍192、鞍194和鞍196，鞍192、鞍194和鞍196可以拆分為二以及用于組裝的對準銷，如圖13所描繪的。在圖13中，其為從卷繞碳納米管鏈接移除鞍的示意圖，鞍500可以由鞍的半部分510和鞍的半部分520安裝在一起而形成。鞍部分520可以包括對準銷530和對準銷540，其分別安裝入在鞍部分520中的對準孔532和對準孔534。起始槽542由半槽540A和半槽540b形成。這些布置可以改變，例如通過改變銷和孔的數(shù)量，改變哪個鞍的半部分具有銷或孔，替換銷和孔，使用多個鞍件，使用不對稱的截面鞍件以及許多其他的替換物。因此，上述描述不一定受所要求的發(fā)明的限制。[0101]彎曲方法的替換方法是螺紋方法。螺紋方法可以使用圖11所描繪的基本幾何尺寸。然而，不像使用顯微操縱器140和彎曲裝置170的彎曲方法，螺紋方法不使用彎曲裝置170。螺紋方法替代地單獨使用顯微操縱器140。一種可能的螺紋方法的步驟如下。此概要并不一定受所要求的發(fā)明的限制，并且可以改變，如本文其他地方描述的。
[0102]11.通過將兩部分推動在一起將卷繞鞍(未示出)放置在適當位置。
[0103]12.將操縱帶150放置在起始槽中碳納米管束130的底部。
[0104]13.穿過擴展鏈接在鞍下刻螺紋。在碳納米管束130的頂部固定保持操縱帶150，并從操縱器140的左側(cè)穿到右側(cè)。如果是鏈條的第一鏈接，操作是相同的，除了無螺紋通過的物理鏈接。
[0105]14.調(diào)出(bring up)并纏繞上部鞍周圍，隨著碳納米管束130從上部鞍向下行進在碳納米管束130的方向插入一半或四分之一扭曲。
[0106]15.重復以上步驟3至步驟4，直到卷繞完成。
[0107]16.圍繞鏈接20的直邊側(cè)22卷繞碳納米管束130的自由端。在頂部移除操縱帶150，切掉多余部分，并遠離鏈接20移動操縱帶152。
[0108]17.從起始槽在底部斷開操縱帶150，并且繞鏈接的其他直邊側(cè)22纏繞端部。
[0109]18.應(yīng)用聚合物至固定端。
[0110]此過程可改變。例如，鏈接20可以同時由若干平行束30卷繞。在其他說明性實施例中，除了碳纖維納米管，納米纖維可具有螺紋。例如，由碳化硅纖維或氮化硼纖維制成的納米纖維可使用上述方法進行卷繞。
[0111]鏈接20的形成可用于測量在碳納米管森林120中生長的碳納米管的平均強度。碳納米管鏈條10的纖維可以通過反應(yīng)器運行以圍繞鏈輪10沉積石墨層。這種層可以與來自傳統(tǒng)的機件的聚合物反應(yīng)。
[0112]不同的說明性實施例的描述已經(jīng)呈現(xiàn)用于說明和描述，并且不傾向于詳盡或以所公開的形式限制所述實施例。許多修改和改變對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。進一步地，與其他說明性實施例相比，不同的說明性實施例可提供不同的特征。所述實施例或所選擇的實施例選擇和描述是為了最好地解釋本實施例的原理、實際應(yīng)用，并且確保其他本領(lǐng)域技術(shù)人員理解對于如適合預期的特定使用的具有各種修改的各種實施例的本公開。
【權(quán)利要求】
1.一種使用納米管鏈接制造纖維的方法，其包括: 從納米管森林切下第一納米管繩； 以第一多個迂回彎的形式纏繞第一納米管繩以創(chuàng)建第一鏈接； 從所述納米管森林切下第二納米管繩； 以第二多個迂回彎的形式纏繞第二納米管繩以創(chuàng)建第二鏈接，其中在鏈條中所述第二鏈接與所述第一鏈接互連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進一步包括: 從所述納米管森林切下第三納米管繩；以及 以第三多個迂回彎的形式纏繞第三納米管繩以創(chuàng)建第三鏈接，其中所述第三鏈接與所述第二鏈接互連，并且其中所述第一鏈接、所述第二鏈接和所述第三鏈接順序連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述第一納米管繩、所述第二納米管繩和所述第三納米管繩包括在所述納米管森林中生長的多束納米管。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中納米管包括單壁納米管和多壁納米管中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4所述的方法，其中所述第一鏈接、所述第二鏈接和所述第三鏈接的直邊段分別用額外的納米管繩之一和所述第一納米管繩、所述第二納米管繩以及所述第三納米管繩的自由端來纏繞。
6.根據(jù)任何前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述第二納米管繩的纏繞通過彎曲方法和螺紋方法中的一種來完成。
7.根據(jù)任何前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述第一納米管繩和所述第二納米管繩的切下通過顯微操縱器完成。
8.根據(jù)任何前述權(quán)利要求所述的方法，其中納米管繩二者擇其一地包括碳化硅纖維和氮化硼纖維中的一種。
9.一種物體,其包括: 以第一多個迂回彎的形式被纏繞以創(chuàng)建第一鏈接的第一納米管繩；以及 以第二多個迂回彎的形式被纏繞以創(chuàng)建第二鏈接的第二納米管繩，其中在鏈條中所述第二鏈接與所述第一鏈接互連。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的物體，其進一步包括: 以第三多個迂回彎的形式被纏繞以創(chuàng)建第三鏈接的第三納米管繩，其中所述第三鏈接與所述第二鏈接互連，并且其中所述第一鏈接、所述第二鏈接和所述第三鏈接順序連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求9-10所述的物體，其中所述第一納米管繩、所述第二納米管繩和所述第三納米管繩包括在所述納米管森林中生長的多束納米管。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的物體，其中納米管包括單壁納米管和多壁納米管中的一種。
13.根據(jù)權(quán)利要求9-10所述的物體，其中所述第一鏈接、所述第二鏈接和所述第三鏈接的直邊段分別用額外的納米管繩之一和所述第一納米管繩、所述第二納米管繩以及所述第三納米管繩的自由端來纏繞。
14.根據(jù)權(quán)利要求9-13所述的物體，其中在創(chuàng)建鏈接期間納米管繩是扭曲的。
【文檔編號】B82B1/00GK103979486SQ201410048532
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年2月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月12日
【發(fā)明者】J·R·豪爾 申請人:波音公司