本申請要求2014年5月28日提交的且題為“Apparatus and Method for Directional Alignment of Nanofibers in a Porous Medium”的美國臨時申請62/003,982的優(yōu)先權，通過引用將其并入本文中。

技術領域

本公開涉及在多孔介質中對齊和伸展納米纖維。納米纖維包括納米管、納米線、長鏈聚合物分子或類似物。多孔介質可以包括多孔層、織物或復合預浸材料或類似物。具體地，根據(jù)一種實施方式，本公開涉及用于多孔介質(包括具有納米纖維的流體基質)中的納米纖維的定向對齊的裝置、多孔介質以及用于驅使流體基質以特定的流體力學方式穿過多孔介質的設備，使得納米纖維以優(yōu)選的方向伸展和對齊。

背景技術：

復合材料是由兩種或多種不同的組分材料組合而成的材料。組分材料可以具有明顯不同的物理或化學性質，并且在復合材料中仍然彼此不同。另一方面，組合之后的復合材料的宏觀性質變得不同于任何單獨的組分材料，并且取決于組分材料的相互作用以及它們對外部負載、激勵或環(huán)境變化的響應。利用不同組分材料的適當組合，與任何單獨的組分材料相比，復合材料可以在被定為目標的物理和化學機能方面表現(xiàn)得明顯更好。

纖維增強復合材料

纖維增強復合材料是一類常見的復合材料。纖維增強復合材料通常包括兩種成分：纖維增強系統(tǒng)和基質。纖維增強系統(tǒng)是以增強復合材料的期望方式布置的一組纖維。基質用于將纖維結合在一起并且將負載轉移到纖維中。常見的基質是熱固性樹脂(例如環(huán)氧樹脂)、熱塑性樹脂(例如PEEK)、陶瓷和金屬。常見的纖維增強物是碳纖維、玻璃纖維、金屬纖維、芳綸纖維和天然纖維。大多數(shù)纖維的直徑大于3微米(即，微纖維)。納米技術的最新發(fā)展產生了許多新的纖維(即，納米纖維)，其直徑為1納米至小于1微米。納米纖維可以是碳基的(碳納米管、碳納米纖維、碳納米線)、金屬基的或陶瓷基的，等等。

在許多性能驅動的應用中，纖維增強復合材料被制造成層壓板。在層壓板中，纖維以層壓板的平面內方向來定向，從而最大化產品的力學性質。然而，復合層壓板的平面外方向(即，對此定義為“z方向”)中的力學性質相對較弱，因為在復合材料的平面外方向(即，z方向)上，基質是主要的承載系統(tǒng)。為了進一步增加層壓板的平面內性能，優(yōu)選地，纖維是連續(xù)的，而不是短且不連續(xù)的纖維。通常，連續(xù)的纖維是微纖維，因為制造連續(xù)微纖維的技術十分成熟。這種連續(xù)纖維增強復合材料通常用在航空航天、海洋產業(yè)、風力渦輪機以及需要高強度輕質復合材料的其他應用中。

復合材料的制造

復合材料的制造過程包括：(1)整合纖維增強系統(tǒng)和基質，和(2)使復合材料層壓板形成為期望的幾何結構。一般來說，纖維系統(tǒng)被提供為纖維束(每束包含大約2000-10000個微纖維)、纖維織物(由許多纖維束形成)、或者纖維預制體(其中，纖維束被編織成三維幾何結構)?；|(例如環(huán)氧樹脂)被轉化為流體相，并且隨后能夠逐漸地流入纖維系統(tǒng)中的開放空間并且浸透纖維系統(tǒng)。在該基質浸透過程期間，固態(tài)纖維系統(tǒng)被當成“多孔介質”來處理，該多孔介質允許流體基質和空氣穿過其中，并且填充多孔介質內的多孔空間。在基質完全浸透纖維系統(tǒng)之后，基質可以轉化為固體，并且復合材料在模具內被形成為任何期望的幾何結構。

為了熱固性樹脂基質而言，形成復合材料的另一種替代方法包括使熱固性基質半反應(半固化)，并且使纖維/半固化的基質形成為“預浸材料”。半固化的基質預浸材料在室溫下呈橡膠狀，并且在加熱的濕度下變?yōu)橐簯B(tài)。預浸材料通常在兩側都覆蓋有保護膜，并且保存在冷凍柜中以推遲進一步的固化反應并且延長預浸材料的保質期。為了將預浸材料轉變?yōu)樽罱K的復合材料層壓板部分，人員簡單地在模具上切割并堆疊預浸材料的期望層，并且施加熱量以完全基質的固化反應，使得基質由于其聚合物分子之間的最大級別的交聯(lián)而到達其完全強度。預浸材料過程也可以應用于熱塑性復合材料。

失效

如上所述的復合材料可能由于下述微觀力學原因而失效：(1)纖維斷裂，(2)基質斷裂，(3)纖維/基質界面失效，和(4)纖維微屈曲。如果沿著纖維對齊方向(即，層壓板的平面內方向)對復合材料層壓板施加張力，則復合材料層壓板通常不會失效，直到應力達到纖維斷裂限制。這是復合材料層壓板理想的理論強度。然而，在實際中，應力可能不會與纖維方向完美地對齊。例如，如果應力在層壓板的平面外方向上作用，則會發(fā)生失效，如基質斷裂和纖維/基質界面失效所證明的那樣。通常在復合材料層壓板的層狀體堆之間觀測到這種失效情景。如果失效出現(xiàn)在兩個層狀體堆之間，其也被稱為層間失效。

另外，如果沿著纖維方向施加壓縮壓力，則在纖維由于壓縮而斷裂之前有可能發(fā)生纖維微屈曲。缺乏平面外方向上的支持是復合材料層壓板在基質斷裂、纖維/基質界面失效和纖維微屈曲方面的弱點的原因之一。除了微觀力學失效之外，復合材料也可能由于熱降解而失效，熱降解通常與基質和纖維/基質界面的降解相關。

現(xiàn)有技術中存在對這些問題的方案，并且這些方案例示在美國專利公開20070128960、美國專利7,537,825和美國專利7,832,983中。第一篇文獻建議在介質中使納米管增長，并且隨后將其與復合材料結合。第二篇文獻建議將碳納米管夾在兩個復合材料層壓板之間，并且第三篇文獻建議使用納米增強材料涂覆束或線的各個碳絲。這些參考文獻均沒有描述以可預測和可重復的方式在最弱平面被加強的復合材料。

另一現(xiàn)有技術文獻，即美國專利7,867,468，建議將纖維基板供給穿過包括碳納米管的溶液(CNT分散)，并且施加直流(DC)電場以將碳納米管吸引和沉積在連接到正端子的碳纖維布上。根據(jù)該專利，CNT沉積在碳纖維上，而在沉積步驟之后未進行對齊。然而，可以應用一個額外的可選步驟，其中，碳纖維和CNT沉積物暴露于大約11-4kV/cm的電場中持續(xù)大約2至4小時，從而導致沉積的CNT將它們自身重新定向成大體上垂直于碳纖維的長度。CNT長度為大約200納米至10微米?，F(xiàn)有技術解決了使用CNT來增強碳纖維復合材料的平面外性質的需求。然而，由于碳纖維布是導電的，上述過程僅能夠在碳纖維布的表面上沉積CNT，并且如果任何CNT能夠意外地穿過碳纖維布的表面，則在導電布內沒有電場來移動或對齊CNT。換言之，其(1)僅能夠用于使十分薄的碳纖維布對齊CNT，如該現(xiàn)有技術的圖3A和3B所示，或者(2)降低厚碳纖維布內的CNT沉積和對齊質量。因此，這種常規(guī)方法需要許多步驟，并且對大規(guī)模生產而言是耗時且低效的。此外，似乎只有長度范圍在大約200納米至大約10微米內的CNT才會產生對齊。由于碳纖維直徑為大約5-7微米，并且玻璃纖維直徑為大約10-30微米，在碳纖維表面上對齊的短CNT可能適于形成“瑣碎織物(fussy fabric)”，但不能有效地且均勻地縫合穿過厚度在大約0.1至1毫米范圍內的厚碳纖維布。此外，現(xiàn)有技術需要電場、導電纖維(例如碳纖維)、導電納米管(例如碳納米管)和相對不導電的基質(例如，環(huán)氧樹脂、不導電的聚合物)來工作。這種電場驅動的沉積和對齊不太可能被應用到一般的復合材料情形。例如，常規(guī)方法在下述情況下不太可能工作：(1)納米管由不導電的納米管替代；(2)碳纖維布太厚以致于不能允許布內的有用電場；(3)導電纖維由不導電的Kevlar纖維替代；(4)CNT在其中分散的基質是導電的(例如一些導電聚合物，或者利用銀粒子或一些離子添加劑來進一步改良基質)；或(5)流體太黏滯，以致于電場不能移動導電納米纖維(例如碳納米管)。對于問題(5)而言，有可能考慮繼續(xù)增大電場。然而，所有的材料具有電擊穿極限(即，介電強度)，因此增大電場并不總是可行的。盡管如此，熟悉復合材料工業(yè)的人員可能發(fā)現(xiàn)許多一般的多級復合材料情況，其中，電場驅動的沉積和對齊可能不起作用。廣泛地期待一種貫穿厚多孔介質(例如厚纖維布)而均勻地縫合納米管或納米纖維的穩(wěn)健且有效的方法。

因此，本公開的目的是提供一種用于在多孔介質中定向對齊納米纖維的穩(wěn)健、有效且適于大規(guī)模生產的裝置和方法，它們靈活且可調整以滿足任何復合材料的要求，從而形成明顯更難以失效的復合材料。該技術可以用于復合材料生產，但是也可以應用于任何其他可以受益于多孔介質內的納米纖維對齊的應用。

技術實現(xiàn)要素：

根據(jù)一種實施方式，用于多孔介質中的納米纖維的定向對齊的裝置包括具有納米纖維的流體基質。提供多孔介質以及用于驅使流體基質徑向通過多孔介質的設備。流體流移動并使多孔介質中的納米纖維對齊，從而即使在厚多孔介質的情況下，也實現(xiàn)了多孔介質內的納米纖維的均勻分布和對齊。

本文所使用的所有術語都具有其常見含義。“多孔介質”一般是這種材料：其包括空間，并且其他介質可以穿過該材料。在一個實例中，僅舉例而言，海綿是吸收流體并且流體可以穿過其中的多孔介質。術語“徑向地”和“徑向流”用于描述以嚴格限定的“徑向方式”進行的移動或流動。如本領域所知的，術語“徑向方式”一般指下述：在圓相關的坐標系中，例如柱面坐標系或球面坐標系中，局部速度可以在數(shù)學上被分解成徑向速度分量和非徑向速度分量(例如柱面坐標中的切向速度分量和軸向速度分量)。所述“徑向方式”一般指非徑向速度分量與徑向速度分量之間的比率被限制為(即，不大于)“小數(shù)值”。理論上，如果所述小數(shù)值趨近于從大約0至大約0.3的值，當前描述的方法將發(fā)揮最佳作用，從而徑向分量總是主導的，并且因此可以在流體流動通過和流入多孔介質時由非徑向分量良好地控制對齊。然而，該范圍外的其他值也是可能的。良好控制的徑向流可以是“匯合流”或“發(fā)散流”?；诹黧w力學，“匯合流”沿著徑向方向伸展流體成分以及納米纖維，而“發(fā)散流”沿著切向方向伸展流體成分以及納米纖維。伸展動作也可以在相同的伸展方向上對齊納米纖維。這種徑向流特性及其對齊和伸展效應將不會被納米纖維、流體或多孔介質的任何電性質所限制。此外，這種流特性及其對齊和伸展效應將在多孔介質內繼續(xù)，并且在使用厚的多孔介質時不會減弱。

本公開的另一方面在于：既然在流體十分黏稠時，這種流特性及其對齊和伸展也不會降低。因此，本文描述的裝置和方法對于在多孔介質中實現(xiàn)納米纖維對齊而言十分有效并且是高效的。帶有彎曲表面的設備具有半徑。當多孔介質順應具有半徑的設備時，當與用于使這種徑向流穿過多孔材料的設備一起使用時，流體將“徑向地”穿過多孔材料的順應的部分，如下文將更全面地描述和公開的那樣。注意到，所述設備可以在裝置的不止一個部分中產生徑向流(其在上文中被表示為“徑向方式”)，例如在下述部分中產生徑向流：(1)在“預對齊區(qū)”，其在本文中被限定為多孔介質之外且位于其附近的區(qū)域；以及(2)在目標多孔介質區(qū)，其在本文中被限定為多孔介質的順應部分之中的區(qū)域。理論上，“徑向流”模式是期望的，因為除多孔介質的順應部分內部發(fā)生的流模式之外的流模式可能不利地影響納米纖維的對齊。然而，在一些實施方式中，使流體的“大部分”進入和流入多孔介質的順應部分以滿足“徑向流”是可以接受的。如本文所使用的，“大部分”被限定為多孔介質的順應部分內產生的徑向流的至少70％，但在其他實施方式中，其他的流的量也是可能的。在附加實施方式中，在流體進入多孔介質的順應部分之前，“徑向流”始于“最小預對齊距離”。如本文所使用的，“最小預對齊距離”是多孔介質的順應部分的厚度或納米纖維的長度中較小者的至少四分之一。“最小預對齊距離”有助于確保納米纖維在進入目標多孔介質部分之前被預對齊。

在本公開的一個方面，多孔介質是微纖維織物。如前面所討論的，“微纖維織物”是由小纖維組成的任意材料。技術上而言，僅舉例而言，“微”指直徑在大約1-300微米范圍內的纖維，并且“納米”纖維指直徑在大約0.001-0.99微米的纖維。如本文所使用的，“微纖維織物”可以包括其中的一者或兩者，或者任何其他現(xiàn)在已知或將來開發(fā)的微纖維。在一種實施方式中，納米纖維在Z方向上被驅使通過多孔介質，Z方向是垂直于微纖維織物的表面平面的方向。

在另一方面，用于驅使流體基質穿過多孔介質的設備包括包含流體基質的外部流設備以及具有半徑的可滲透成形工具，其中，流體基質徑向地穿過多孔介質，進入到可滲透成形工具中。在另一方面，確立了嚴格限定的徑向流模式，從而流體基質的大部分流入多孔介質中。此外，在流體基質的大部分進入多孔介質之前，確立了嚴格限定的徑向流模式。此外，在流體基質進入多孔介質之前，在至少最小預對齊距離處確立了嚴格限定的徑向流模式。在一個方面，從流體力學的角度嚴格限定了徑向流，并且徑向流被限定為非徑向分量和徑向分量的比例被限制為(即，不大于)“小數(shù)值”的流模式，但其他數(shù)值也是可能的。

在本公開的又一方面，外部流設備包括容納流體基質的箱?？蓾B透成形工具(其可以是可移動的或靜止的)可以具有任何橫截面幾何結構，例如但不限于：完整圓弧、半圓弧、四分之三圓弧，等等。在一種實施方式中，可滲透成形工具提供了具有半徑的弧形表面，該弧形表面直接或間接地與多孔介質連接。在一種實施方式中，成形工具是弧形(例如，圓柱形)輥，其旋轉以輔助多孔介質的移動。在附加實施方式中，成形工具可以具有不一致或變化的直徑。成形工具定位在箱中，以使得多孔介質在進入箱中，多孔介質在箱中彎曲并且可移動地與成形工具的外部彎曲表面連接。在納米纖維沉積到多孔介質中之后，多孔介質離開箱。此外，成形工具的內部的壓力可以比箱中的流體基質的壓力低，從而流體基質徑向地流動穿過多孔材料，進入可滲透成形工具中。

在另一方面，外部流設備包括不可滲透層和預浸有流體基質的層。此處，“層”指片狀材料。例子包括但不限于塑料膜、蠟紙、橡膠片、織物、薄海綿布，等。

在一個方面，可滲透成形工具包括流體散布和吸收層以及成形工具。在一種實施方式中，成形工具可以包括具有半徑的弧形工具。在附加實施方式中，成形工具是弧形輥，其旋轉以輔助多孔介質的移動。成形工具可以是可移動的或者靜止的，并且可以是任意橫截面幾何形狀，例如但不限于：完整圓弧、半圓弧、四分之三圓弧，等等。成形工具的幾何結構提供了具有半徑的表面，該表面直接或間接地與多孔介質接觸。在一種實施方式中，成形工具可以具有不一致或變化的直徑。

在一個方面，用于驅使流體基質穿過多孔材料的設備包括具有半徑的可滲透成形工具，其中，可滲透成形工具包含流體基質。在該實施方式中，多孔介質順應在其通過時順應彎曲表面，并且流體基質從可滲透成形工具穿過多孔介質。在一個方面，用于驅使流體基質穿過多孔介質的設備還包括與多孔介質連接的外部流設備，從而使得流體基質穿過多孔介質進入到外部流設備中。

根據(jù)本公開的另一方面，用于驅使流體基質穿過多孔材料的設備包括具有半徑的弧形可滲透成形工具以及預浸有流體基質的層。多孔介質與弧形可滲透成形工具接觸，從而順應彎曲表面。在附加實施方式中，多孔介質沿著半徑可移動地與預浸有流體基質的層連接，以使得流體基質徑向地流動穿過多孔介質。在一個方面，該設備還包括流體散布和吸收層，其中，多孔介質經過預浸有流體基質的層，并且進入流體散布和吸收層之間。

根據(jù)本公開的附加實施方式，用于多孔介質中的納米纖維的定向對齊的裝置包括箱，該箱用于保持具有納米纖維的流體基質。在多孔介質進入箱并且至少部分地經過可滲透成形工具的位置提供多孔介質以及至少一個可滲透成形工具(例如具有半徑的弧形設備)。多孔介質至少部分地順應成形工具的彎曲表面，從而流體基質徑向地穿過多孔介質。隨后，多孔介質離開箱，并且提供收集器，預浸了流體基質的多孔介質在收集器處被收集。在另一方面，創(chuàng)建了嚴格限定的徑向流模式，以確保流體基質的大部分流入多孔介質中。此外，在多孔介質之外并且位于其附近的區(qū)域中創(chuàng)建了嚴格限定的徑向流模式。在流體基質進入多孔介質之前，在至少最小預對齊距離處創(chuàng)建了嚴格限定的徑向流模式。在一個方面，徑向流被嚴格限定為非徑向分量和徑向分量的比例被限制為(即，不大于)“小數(shù)值”的流模式，但其他數(shù)值也是可能的。

在另一方面，本公開還公開了一種用于將保護膜施加到預浸有流體基質的多孔介質上的保護膜施加器。在一個方面，本公開還包括壓縮設備，其用于在離開箱之后從多孔介質擠出多余的流體基質。

在又一方面，多孔介質是微纖維織物，并且納米纖維在Z方向(即，垂直于微纖維織物的表面平面的方向)上被驅使穿過多孔介質。在一個方面，箱被加壓，從而箱內的壓力大于可滲透成形工具的內部中的壓力，由此使得流體基質從箱流動通過多孔介質，并且進入至少一個可滲透成形工具。在一個方面，納米纖維的長度至少是微纖維的直徑的五倍，但其他長度也是可能的。

在另一方面，至少一個可滲透成形工具也包含具有納米纖維的流體基質，并且該至少一個可滲透成形工具的內部的壓力大于箱的壓力，從而流體基質從可滲透成形工具的內部徑向地向外流動通過多孔介質，并且進入箱中。在一個方面，存在不止兩個的可滲透成形工具。

根據(jù)本公開的另一實施方式，用于在多孔介質中定向地對齊納米纖維的方法包括下述步驟：提供具有納米纖維的流體基質；使多孔介質順應成形工具的表面；以及驅使流體基質徑向地流動通過多孔介質。在另一方面，提供了嚴格限定的徑向流模式，從而流體基質的大部分流入多孔介質的順應區(qū)域中。此外，在流體基質的大部分進入多孔介質之前，確立了嚴格限定的徑向流模式。此外，在流體基質進入多孔介質之前，在至少最小預對齊距離處確立了嚴格限定的徑向流模式。在一個方面，徑向流被限定為非徑向分量和徑向分量的比例被限制為(即，不大于)“小數(shù)值”的流模式。

在方法的一個方面，多孔介質是微纖維織物，并且納米纖維在Z方向(垂直于微纖維織物的表面平面的方向)上被驅使穿過多孔介質。在附加方面，用于驅使流體基質穿過多孔介質的設備包括包含流體基質的外部流設備以及具有半徑的可滲透成形工具，其中，多孔介質經過外部流設備和可滲透成形工具之間，并且流體基質徑向地穿過多孔介質，進入可滲透成形工具中。

在本公開的另一方面，用于驅使流體基質穿過多孔材料的設備包括具有半徑的可滲透成形工具，其中，可滲透成形工具包含流體基質，并且其中，多孔介質在其經過可滲透成形工具時順應半徑，并且流體基質從可滲透成形工具徑向地穿過多孔介質。

附圖說明

根據(jù)優(yōu)選實施方式、隨附權利要求和附圖的下述詳細說明，本公開的其他目的、特征和優(yōu)勢將變得更加明顯，附圖中：

圖1是根據(jù)一種實施方式的用于在多孔介質中定向對齊納米纖維的裝置的示意圖，其中，流是匯合的徑向流；

圖2是用于在多孔介質中定向對齊納米纖維的裝置的另外的實施方式的示意圖，其中，流是分流的徑向流；

圖3是用于在多孔介質中定向對齊納米纖維的裝置的另外的實施方式；

圖4是用于在多孔介質中定向對齊納米纖維的裝置的另外的實施方式；

圖5是用于在多孔介質中定向對齊納米纖維的裝置的另外的實施方式；

圖6是用于在多孔介質中定向對齊納米纖維的裝置的另外的實施方式；

圖7是用于在多孔介質中形成定向對齊的納米纖維和用于收集浸漬的多孔介質的總系統(tǒng)的示意圖；

圖8是公共X-Y平面碳纖維的放大視圖，其中，根據(jù)本公開，納米纖維已經以Z方向插入；

圖9是示出了當流是匯合徑向流時的徑向流的方向和(r,θ,x)柱面坐標的示意圖；

圖10A是匯合徑向流對納米纖維的對齊效應的示圖；

圖10B是匯合徑向流對納米纖維的伸展效應的示圖；

圖11A是分流徑向流對納米纖維的對齊效應的示圖；

圖11B是分流徑向流對納米纖維的伸展效應的示圖；

圖12A是沿X軸測量具有恒定寬度的可滲透成形工具的示圖；

圖12B是沿X軸測量具有漸細寬度的可滲透成形工具的示圖；及

圖12C是沿X軸測量具有漸細寬度的可滲透成形工具的額外示圖。

具體實施方式

通過圖1-11中的實例而示出了本公開的實施方式。參考圖1和2，用于多孔介質18中的納米纖維的定向對齊的裝置10包括流體基質12，該流體基質12包括納米纖維14，并且被容納在外部流設備16內。應該注意到，本文所使用的所有術語被賦予其本領域所知的以及在下文中進一步描述和討論的常規(guī)含義。多孔介質18是能夠在其內部接收東西的任何材料，再次強調，下文將對其進行更全面描述。

具體地，參考圖1，用于多孔介質18中的納米纖維的定向對齊的裝置包括可滲透成形工具20，可滲透成形工具20從成形工具20的外部(例如從外部流設備16)抽吸包括納米纖維14的流體基質12穿過多孔介質18。參考圖1，外部流設備16是在納米纖維14進入可滲透成形工具20之前可以容納或保持包含納米纖維14的流體基質12的裝置。在一種實施方式中，外部流設備16可以包括保持或容納具有納米纖維14的流體基質12的箱(未示出)。也可以利用其他類型的容器(例如海綿)來保持流體基質12。

可滲透成形工具20是一種結構性設備，其在多孔介質18被拉到經過成形工具20的表面時接觸多孔介質18，同時源引入包含納米纖維14的流體基質12。在一種非限制性實施方式中，包含納米纖維14的流體基質12的源可以是流體基質槽(matric bath)，多孔介質18在與成形工具20接觸時而被抽吸通過該流體基質槽。在附加實施方式中，包含納米纖維14的流體基質12的源可以包括其他結構，例如已經浸有流體基質12的海綿。在其他實施方式中，流體基質的其他類型的源是可能的。

成形工具20既用于驅使流體基質12通過多孔介質18，還在利用納米纖維14浸漬多孔介質18時控制多孔介質18的形狀。在一種實施方式中，可滲透成形工具20是弧形的，其提供在與流體基質12接觸時不會撕破或撕裂多孔介質18的光滑表面。在其他實施方式中，其他形狀是可能的。在附加實施方式中，可滲透成形工具20包括輥26，該輥26旋轉以輔助多孔介質18的移動，如本文將更詳細地描述的那樣。工具20是可滲透的，從而包含納米纖維14的流體基質12將流入和流出其內部。此外，工具20是中空的，從而工具20內部的壓力可以被控制以輔助包含納米纖維14的流體基質12的流動。可以以許多方式實現(xiàn)流體基質12的流動，例如通過形成壓力差以使得工具20外部上的壓力高于其內部上的壓力。由此，流體基質12被拉入到可滲透成形工具20中。將僅僅以示例而非限制的方式結合圖3和圖4進一步示出并且更全面地描述這種“匯合徑向流”設置的實例。在圖3中以方向箭頭24示出了匯合徑向流。

現(xiàn)在參考圖2，示出了“發(fā)散徑向流”系統(tǒng)，其中箭頭24示出了流體基質12從可滲透成形工具20的內部向外流動通過多孔介質18的方向。在該例子中，流體“徑向地”流動到外部流設備16中，如下文將更全面地描述和討論的那樣。外部流設備16可以是用于捕獲完全穿過多孔介質18的流體基質12的任意設備，僅僅以示例而非限制的方式，其例如海綿。將僅僅以示例而非限制的方式結合圖5和圖6進一步示出并且更全面地描述這種“發(fā)散徑向流”的實例。注意到，并不一定需要具有與多孔介質20接觸的外部流設備16。作為實例，可以在不使用圖中示出的外部流設備16的情況下使流體基質12流出多孔介質。

現(xiàn)在參考圖3和4，示出了匯合流系統(tǒng)的兩個實例。圖3示出了呈弧形輥26形式的可滲透成形工具20。在本文描述的任一具有輥的實施方式中，應該理解，也可以替代地使用其他類型的成形工具20。呈圓柱體狀、弧形的輥26可以是中空和可滲透的，并且輥26具有彎曲(即，圓形)的外表面。在一種實施方式中，弧形輥26的半徑沿其長度是恒定的(即，工具20具有恒定的寬度)。如圖12A所示，輥26在其端部80附近具有寬度70，該寬度70大致等于其中心82附近的寬度71。具體地，寬度沿著X軸是恒定的。在附加實施方式中，輥26的橫截面可以具有不同的形狀，例如漸細的配置。在該實施方式中，寬度沿著X軸發(fā)生變化。圖12B示出了在其中部84附近具有寬度74的輥26，該寬度74小于端部86附近的寬度72。圖12C示出了在其中部88附近具有寬度78的輥26，該寬度78大于端部90附近的寬度79。直的圓柱輥26(例如類似于圖12A中示出的)將與流體基質12中的許多納米纖維對齊。然而，在一些情況下，這種類型的輥26可能不會使具有原始對齊的纖維14在精確的X方向上對齊?？梢酝ㄟ^略微地改進輥26的形狀來解決這個缺陷。輥26的形狀的變化可能使納米纖維14的對齊變?yōu)槠x精確的x方向，并且允許徑向流(圖12A中示出的)提供進一步的對齊。圖12B和圖12C中示出的漸細的輥26有助于重新對齊那些最初在x方向上定向的納米纖維14(參見圖12A、12B、12C)，并且有助于通過不一致成形的輥26的徑向流進一步將它們對齊。圖12B和12C示出了替代形狀的輥。

對于圖1-6中示出的示例性實施方式，多孔介質18接觸工具20的外表面并且順應弧28。此時，形成“徑向流”，如下文將更全面地描述的那樣。圖3示出了外部流設備16可以包括容納具有納米纖維14的流體基質12的箱或槽30。多孔介質18被引入到箱30中，并且順應在中空的可滲透輥26的弧28周圍。在該實施方式中，箱30被加壓，從而箱30中的壓力高于輥26的內部的壓力。由此，在箭頭24方向上的匯合流從外部流設備16流入到輥26中。注意，該流是穿過多孔介質18的徑向流。在本文中，特別參照圖8、9、10和11，將討論本公開的徑向流的有益效果和結果。

參考圖4，示出了本公開的匯合流系統(tǒng)的另一實例，其中，外部流設備16包括不可滲透層32。不可滲透層32覆蓋了層34，層34在本文中被稱為“浸漬層”，其中，已經包括或“浸漬”了流體基質12。在一個實例中，層34可以是浸漬有包括納米纖維14的流體基質12的海綿。浸漬層34覆蓋多孔介質18，多孔介質18又轉而覆蓋流體散布和吸收層36。在該例子中，流體散布和吸收層36形成了輥26的一部分，在該實施方式中，輥26的該部分是弧形的。輥26的外部形成曲線，這些物件的每一個均形成在該曲線周圍，由此創(chuàng)建期望的徑向流。施加到不可滲透層32上的力用于將具有納米纖維14的流體基質12徑向地擠出以穿過多孔介質18。多余的流體基質由流體散布和吸收層36吸收。例如，施加到不可滲透層32上的力可以包括由拉動不可滲透層32的端部的機械裝置施加的張力。在附加實例中，可以通過使不可滲透層32饋入通過模具以在輥26周圍推動層32，而施加壓縮力。在其他實施方式中，其他類型的力是可能的，例如磁力或電力。系統(tǒng)的匯合流由箭頭24表示。

現(xiàn)在參考圖5和6，示出了分散流系統(tǒng)的兩個實例。在圖5中，成形工具20是弧形的。在圖5和6所示的實施方式中，成形工具20被實施為輥26，但在其他實施方式中，其他類型的工具20也是可能的。由上所述，浸漬層34順應可滲透成形工具20的半徑，可滲透成形工具20容納包含納米纖維14的流體基質12。多孔介質18順應浸漬層34。在該實施方式中，外部流設備16包括流體散布和吸收層36。箭頭24示出了流體基質12從成形工具20徑向地分散流動通過多孔介質18，并且進入外部流設備22。

圖6示出了分散流系統(tǒng)，其中，外部流設備16包括用于收集多余的流體基質12和納米纖維14的箱30。同樣地，箭頭24示出了流體基質12從成形工具20徑向地從浸漬層34分散流動通過多孔介質18，進入外部流設備16。

現(xiàn)在參考圖7，僅僅以示例而非限制的目的示出了用于創(chuàng)建多孔介質中的定向定準的納米纖維14的預浸材料的示例性系統(tǒng)100。在該示例性系統(tǒng)中，用于多孔介質10中的納米纖維的定向對齊的裝置包括源30，該源30用于保持具有納米纖維14的流體基質12。在該實施方式中，源30包括箱。多孔介質18被引入到箱30中，并且與至少一個成形工具20接觸。在一種實施方式中，成形工具20是中空的多孔弧形輥26。在附加實施方式中，弧形輥26沿著其長度具有恒定的半徑，并且由此具有恒定的寬度。在附加實施方式中，輥26的橫截面可以具有不同的形狀，例如漸細的配置，如先前參考圖12B和12C描述的那樣。在引入到箱30中之前，多孔介質18可以是濕的、干的或者一些組合。圖7示出了三個中空的多孔輥26和在其周圍迂回延伸的多孔介質18。不可滲透的或者半滲透的封蓋40部分地覆蓋中空的多孔輥26，由此確保流體基質12從兩側被徑向地驅使通過多孔介質18。在離開箱30后，包含納米纖維14的多孔介質18以“預浸材料”44的形式被收集在收集器42中。

還示出了：在離開箱30后，包含納米纖維14的多孔介質18可以經過另一中空的多孔輥，或者被擠壓，從而移除多余的流體基質12。此外，在收集器42的收集之前，可以在浸漬了流體基質12的多孔介質18上添加保護膜46。

在附加實施方式中，系統(tǒng)100可以包括控制機構95?？刂茩C構95被配置為控制至少一個泵47，泵47連接到輥26以控制輥26中的壓力。具體地，泵47連接到中空的多孔弧形輥26以控制輥內的壓力，由此控制包含納米纖維14的流體基質12的流動。在一種實施方式中，控制機構95接收用戶輸入以設置輥26的內部中的期望壓力。在圖7描繪的實施方式中，可以以軟件、固件、硬件或其任意組合來實現(xiàn)控制機構。作為實例，控制機構95可以是計算機(例如，桌面計算機或筆記本電腦)或者手持式設備，例如智能電話。

在附加實施方式中，控制機構95可以控制連接到箱30的第二泵48內的壓力。在控制機構95的指示和控制之下，泵48控制源(例如箱30)內的壓力以輔助徑向流的控制。具體地，由泵48所控制的箱30的壓力和由泵47所控制的輥26內的壓力之間的壓力差導致流體基質12流動通過多孔介質18。在該實施方式中，箱30可以被密封(未示出)以生成更有效的真空。兩個泵47和48的使用允許控制輥26的內部和外部箱30中的壓力。輥26的內部的壓力控制將會至少在順應輥26的表面的區(qū)域中提供多孔介質18內的壓力控制。這最終允許控制液體基質12流入和流出多孔介質18。實際上，由泵47和48施加的壓力差控制液體基質流動通過多孔介質18的速率。然而，兩個壓力源(即，泵47和48)的控制并不是必須的，只要有足夠的壓力差使得流體基質12流動通過多孔介質18。作為實例，有可能使用泵47，而不存在泵48，來控制輥26中的壓力，由此控制液體基質流動的方向和速率。注意到泵47和/或48可以被類似地用于控制其他類型的成形工具(包括本文具體描述的任一實施方式)的液體基質的壓力差和流動。

現(xiàn)在參考圖8，示出了流體基質12穿過多孔介質18的徑向流的預期效果和結果。此處，多孔介質18包括碳纖維介質，其包括定向在X-Y平面50內的碳纖維48。碳納米纖維14被示為在Z方向52上被驅動通過多孔介質18。

圖9示出了徑向流(如該術語在本文中所使用的那樣)在柱面坐標中主要地沿著其徑向方向流動。圖9示出了朝著柱面坐標的中心的匯合徑向流。圖10A和10B示出了匯合徑向流，即，以圖9中示出的柱面坐標中的和由附圖標記29表示的柱面坐標系中的徑向坐標中的任意半徑，朝著圓的內側的徑向流。匯合徑向流在徑向方向上伸展(圖10B)并且對齊(圖10A)納米纖維14和流體基質12。相反地，圖11A和11B示出了發(fā)散徑向流，即，朝著由附圖標記29表示的柱面坐標系中的徑向坐標的徑向流，其在切向方向上伸展(圖11B)并且對齊(圖11A)納米纖維14和流體基質12。

通過持續(xù)的解釋，已經液體中的納米纖維(包括但不限于碳納米纖維、碳納米管以及長鏈聚合物分子)可以由諸如簡單擠出過程(即，由包含納米纖維的聚合物熔體制成的擠出桿)的剪力流來旋轉。具體地，液體流會影響納米纖維的對齊。然而，研究人員還不清楚如何在多孔介質中對齊納米纖維。由于多孔介質中的流動特性明顯比簡單擠出過程中的剪力流更加復雜，研究人員過去在對齊多孔介質中的納米纖維方面做出的努力是不成功的。本公開是基于獨特的流變學配置，其可以連續(xù)地且穩(wěn)健地以恒定方向對齊和伸展液體粒子?；谠摢毺氐牧髯儗W配置的對齊和伸展效應足夠強，從而甚至在用在穿過多孔介質18的流時也展現(xiàn)出主導力量。當納米纖維14分散在流體基質12(熱固性樹脂、熔融金屬、熱塑性塑料等)中時，納米纖維14也會由液體流對齊和伸展。在濕法過程期間，該獨特的流變學流在多孔介質18的整個厚度方向(即z方向)上對齊和伸展納米纖維14。即，在多孔介質18內的整個厚度方向上，納米纖維14將被對齊和伸展。隨后，包含z對齊和伸展的納米纖維14的多孔介質18可能需要進一步的收集和封包步驟，如上所述，這取決于多孔介質18產品的應用。為了復合預浸材料44的制造應用的情況，包含z對齊和伸展的納米纖維14(例如，碳納米管)的微纖維布(多孔介質18)會需要適當?shù)臏囟瓤刂蒲h(huán)以根據(jù)基質材料的類型而將流體基質12轉換為凝膠或固體或粘彈性材料。因此，z對齊的納米纖維加強的微纖維增強的復合預浸材料44被形成，并且準備好進行封包和運輸。隨后，這種復合預浸材料44可以用于通過許多流行的復合材料制造工藝(例如高壓釜真空袋法、熱壓法等)來制造復合材料層壓板部件。z對齊的納米纖維(或者納米管或納米線)加強的微纖維增強的復合預浸材料(即，多孔層)的制造工藝的構思在圖7中示出。

通過進一步解釋，柱面坐標(x,r,θ)(參見圖9、10和11)中用于液體的獨特的向中心流(匯合流)的理論速度解可以被寫成：

u_x＝0 (2)

u_θ＝0 (3)

其中，u_r、u_x、u_θ分別是x,r,θ方向上的速度分量。符號“l(fā)”表示圓柱的長度。注意到，“-Q”表示朝向中心流動的總流速。(參見圖9、10A和10B)

用于給定流動場的應變張量的速度的分量為：

僅有的兩個非零分量是和等式(4)給出了正應變率其表明那個空間處的液體粒子在徑向方向(r方向)上的拉伸應變率之下。因此，流體基質12和納米纖維14將在徑向方向(r方向)上對齊和伸展。等式(5)給出了負應變率其表明那個空間處的液體粒子在θ方向上的壓縮應變率之下。因此，流體基質12和納米纖維14將在θ方向上被壓縮。組合等式(4)和等式(5)所述的流應變率效應，納米纖維14(以及包含在流體基質12中的液體顆粒)將在r方向上被有效地伸展和對齊，如圖9、10A和10B所示。

參考圖9，可滲透(即，多孔)成形工具20或輥26的r方向在多孔層18(例如微纖維布)的z方向52(整個厚度方向)上。由于液體12從源流動通過微纖維布，即，多孔介質18，并且隨后例如流向可滲透中空圓柱弧形輥26的中心，納米纖維14將由流(u_r)被帶入到微纖維布多孔介質18中，并且同時通過應變率張量(和)而伸展和對齊。注意到，和的幅度與1/r²成比例。因此，如果可滲透中空圓柱輥26具有較小的半徑，則對齊和伸展效應將顯著提升。另一方向，u_r的幅度與1/r成比例。這意味著在給定的流速Q，當輥26具有較小的半徑時，納米纖維14和流體12流動通過微纖維布18的速度將增加。然而，申請人已經確定這種速度增加不會和伸展和對齊效應一樣明顯。所有效應都會與流速Q成比例。這些關系提供了對于不同材料系統(tǒng)優(yōu)化輥26、直徑和流速的靈活性。注意到，當流體基質12和納米纖維14流動通過多孔介質18內的微纖維48之間的空間時，這些流動效應也會很好地起作用。由多孔介質18內的所有主要流動通道(即，局部液體速度類似于或高于相鄰空間附近的液體的體積平均速度的開放空間)提供的整體流動特性遵循同樣的匯合流特征，該匯合流特征將總是導致θ方向上的壓縮、r方向上的對齊和伸展，如等式(4)和等式(5)所述。

本公開的另一可選特征在于離心流(分散流)，納米纖維14和流體基質12將在θ上對齊和伸展(參見圖11A和11b)。對于需要θ方向納米纖維對齊和伸展的一些應用而言，這種可選的特征可能是有用。例如，這通過簡單地倒置圖5和6示出的設置的流動方向來輕易地實現(xiàn)。

通過連續(xù)的解釋，本公開涉及在基質承載多孔層(膜、織物等)中定向對齊和/或伸展納米粒子的方法，該方法包括下述步驟：(a)在包含納米纖維的流體基質的源中建立納米粒子分散(該納米粒子也可以是長鏈聚合物、納米管、納米纖維、納米棒、納米尺寸的橢圓形粒子或類似物)，以及(b)利用成形工具20使多孔層18、膜、織物等接觸源，該成形工具具有圓柱形或弧形柱的工具表面，該表面導致工具20的徑向方向上的流，從而推動流體基質12通過多孔介質18。該徑向流在多孔介質18內以優(yōu)選方向(Z方向52)伸展和對齊納米纖維14。

在本公開的其他實施方式中，徑向流可以是匯合徑向流或發(fā)散徑向流。匯合徑向流一般指沿著成形工具20的曲率半徑流向成形工具的流體基質12(例如參見圖1、3和4)。發(fā)散徑向流一般指流向圓柱形或弧形柱工具、工具20的外部的流體基質12(例如參見圖2、5和6)。在本公開的另一種實施方式中，匯合徑向流尤其被用于在基質承載的多孔介質18(膜、織物等)中沿著成形工具20的徑向方向而定向地對齊和/或伸展納米纖維14。在本公開的另一種實施方式中，分散徑向流尤其被用于在基質承載的多孔介質18(膜、織物等)中沿著成形工具20的切向方向而定向地對齊和/或伸展納米纖維14。

此外，本公開描述了用于在基質承載的多孔介質18(膜、織物等)中定向對齊和/或伸展納米纖維14的裝置，包括(a)用于建立包含納米纖維分散的流體基質的源的裝置，其中，納米纖維也可以是長鏈聚合物、納米管、納米纖維、納米棒、納米尺寸的橢圓形粒子或類似物，以及(b)用于利用一設備使多孔介質18(膜、織物等)接觸流體基質源的裝置，該設備具有圓柱形或弧形柱的工具表面，該工具表面導致工具的徑向方向上的流，從而推動流體基質12通過多孔介質18(膜、織物等)。注意到饋入的多孔層18可以是干的、濕的、部分濕的、或者部分填充有其他內容物的，等等，只要流體基質12仍然可以流動。該徑向流用于在多孔介質18內以優(yōu)選方向伸展和對齊納米纖維14。

在本公開的一種實施方式中，該設備包含縱向地設置在具有流體基質12的箱中的至少一個中空的、可滲透的成形工具20，例如輥26。在該實施方式中，成形工具20或輥26的內側壓力不同于多孔介質18(膜、織物等)的外表面處的流體基質12的壓力(該壓力作用在成形工具20的表面上)，以導致流體基質12的徑向流。在另一種實施方式中，本公開涉及以各種方式使得徑向流可行，例如成形工具20的內部可以具有端口或其他類似的流機構，例如將流體基質12從成形工具20抽出或者在期望時將流體基質12注射到成形工具20中的流動池或流動源。

在本公開的另一種實施方式中，所術設備是弧形成形工具20，其驅使流體基質12在徑向方向上穿透多孔介質18(膜、織物等)。在本公開的另一種實施方式中，可以從包含流體基質12的海綿狀多孔介質、浸漬層34朝著多孔介質18(膜、織物等)驅使徑向流。在本公開的另一種實施方式中，驅使流體基質12的徑向流的壓力差可以是靜態(tài)壓力差。在本公開的另一種實施方式中，驅使流體基質12的徑向流的壓力差可以由流運動所導致的剪切應力引起。

如前所述，與基質、纖維微屈曲和纖維/基質界面相關的弱點在現(xiàn)有技術中的由微纖維加強的復合材料層壓板中是公知的，復合材料層壓板包括聚合物基質復合材料，例如碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料，芳綸/環(huán)氧樹脂復合材料以及金屬基質復合材料，例如硼/鋁和石墨/鎂。納米技術領域的最近發(fā)展使得能夠成功生產許多不同類型的納米纖維，例如碳納米管(CNT)、碳納米纖維(CNF)以及不同類型的納米線。本公開允許微纖維層壓板中的納米纖維的分散和定向對齊，并且克服了當前復合材料的許多傳統(tǒng)弱點。根據(jù)申請人的公開，微纖維將在x-y平面50(平面內方向)形成加強網絡，并且納米纖維14將穿透微纖維網絡、多孔介質18，并且在z方向52(平面外方向)上增加強化。這種期望的3D多尺寸加強結構(參見圖8)提供了層壓板的機械性質、熱性質和電性質。然而，迄今為止，并不存在用于穩(wěn)健地在z方向上對齊微纖維層壓板中的納米纖維14的方法。