(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
補強素子間の介在ギャップに液体マトリクス材料を有する補強素子の第１層を設けるステップと、
補強素子の第２層を前記介在ギャップ内の前記液体マトリクス材料に浸漬して、前記第２層における前記補強素子を、部分的に補強素子の第１層に埋設し、また前記補強素子の第１層から部分的に突出させるステップと、
第２層における前記補強素子の突出部分を、前記液体マトリクス材料に含浸させるステップと、及び
前記液体マトリクス材料を硬化するステップと、
を有する複合材の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記介在ギャップ内の前記液体マトリクス材料を、前記第２層における前記補強素子の前記突出部分を液体マトリクス材料によって含浸する前に硬化する方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の方法において、さらに、前記補強素子の前記第２層を搬送体から吊り下げて、前記補強素子を前記液体マトリクス材料に浸漬するステップと、および
前記補強素子を前記液体マトリクス材料に浸漬した後に、前記搬送体を前記補強素子の前記第２層から取り外すステップと、
を有する方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法において、前記介在ギャップ内の前記液体マトリクス材料が硬化した後に、前記搬送体を前記補強素子の第２層から取り外す方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法において、前記搬送体を加熱することによって、前記介在ギャップ内の前記液体マトリクス材料を硬化する方法。
【請求項６】
請求項３、４または５に記載の方法において、さらに、前記搬送体上の前記補強素子の前記第２層を成長させるステップを有する方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法において、電磁放射に被曝させることにより、前記液体マトリクス材料を硬化する方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、放射ビームの横断走査によって、前記液体マトリクス材料を電磁放射に被曝させる方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法において、さらに、
１つ又は複数の付加的な補強素子の層を付加する層付加ステップであって、前記先行する層の介在ギャップ内の液体マトリクス材料中に浸漬することによって各層を付加し、これにより前記付加的な層内の前記補強素子を、先行する補強素子の層内に部分的に埋設し、また前記先行する補強素子の層から部分的に突出させる、該層付加ステップと、
前記付加的な層における前記補強素子の前記突出部分を、前記液体マトリクス材料に浸漬するステップと、および、
前記液体マトリクス材料を硬化するステップと、
を有する方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法において、さらに、少なくとも２つの前記補強素子の層を同時に製造するステップを有する方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法において、さらに、前記補強素子を成長させることにより前記各補強素子の層を製造するステップを有する方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法において、局所的に基板を加熱することによって前記各層を成長させ、且つ、
前記補強素子の層を前記基板上で成長させる、方法。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法において、前記補強素子のうち少なくとも２つの層は形状、サイズ、密度、パターン、又は前記補強素子の配向の向きが、互いに異なるものとした方法。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法において、前記液体マトリクス材料の少なくとも２つの層を、異なる時点で硬化する方法。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法において、前記各層における前記補強素子を整列した配向を持たせる方法。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法において、前記補強素子を前記各層の平面に対して平行ではない方向に延在させる方法。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法において、前記補強素子は、カーボンナノチューブまたはカーボンナノ繊維を有するものとした方法。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法によって製造した複合材料。
【請求項１９】
液体マトリクス材料のプールと、
前記液体マトリクス材料のプールに配置する構造プラットフォームと、
順次の補強素子の層を、前記構造プラットフォームに搬送する搬送機構と、および
前記構造プラットフォーム上の液体マトリクス材料を硬化させる硬化手段と、
を備える請求項１８に記載の複合材料の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複合材を製造する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
整列した配向カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を使用した繊維複合材の「ナノステッチング（Nanostitching）」は、非特許文献１（Anastasios John Hart著，博士論文拡張要旨「Chemical, Mechanical, and Thermal Control of Substrate-Bound Carbon Nanotube Growth」，２００６年１２月）に記載されている。この文書は、下記のＵＲＬにおいてオンラインで入手できる。すなわち、pergatory.mit.edu/ajhart/research/documents/ajhartjhdthesisextendedabstractjan07.pdf.
【０００３】
繊維複合材内における連続層は、主に繊維面に直交する方向に配向（整列）したカーボンナノチューブによって結合する。
【０００４】
このような技術は、複合材の連続層を連結するが、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の層は相互にオーバーラップしないので、複合材の一方の側面から他方の側面にいたる連続的な結合を行うことはできない。また、このような技術は、ナノ素材のみからなる（nano-only）複合材構造、すなわち、ナノ素材を用いて、配向した状態及び最適化結合状態での完全に分散を得るという基本的課題を解決するものではない。この分野における特筆すべき試みは、非特許文献２（Alan H Windle著，「Two defining moments: A personal view by Prof. Alan H. Windle」，Composites Science and Technology，２００７年，第67巻，ｐ．９２９−９３０）に、「真っ直ぐであり且つ高度に配向（整列）したカーボンナノチューブを高い体積分率で含有する材料を創出する必要がある。このことは、ポリマー溶融体または樹脂中においてカーボンナノチューブを単なる撹拌（又は、音波処理）とは根本的に異なる手法を意味し、あたかも究極のマジックフィラーのようである。」と記載されている。
【０００５】
非特許文献３（E J Garcia， A J Hart， B L Wardle，A H Slocum著，「Fabrication of composite microstructures by capillarity-driven wetting of aligned carbon nanotubes with polymers」，IOP PUBLISHING NANOTECHNOLOGY，Nanotechnology 18 (2007) 165602 (llpp) doi: 10.1088/0957-4484/18/16/165602，２００７年３月２３日）には、林立する長い配向カーボンナノチューブの、熱硬化性樹脂ポリマーによる相互作用又は湿潤化が記載されている。非特許文献３に記載されている浸漬方法においては、先ず、カーボンナノチューブピラーを有するシリコンウェーハを、ｚ軸方向に移動可能な台上に載置する。ポリマーの入った小さいプールをその台の下方に配置する。その台を降下させ、カーボンナノチューブの頂面がポリマープールに接触する状態にする。この瞬間、毛管効果によって生じる吸引力により、ウェーハ全体がポリマーに接触するようポリマーを引込み、ＣＮＴのピラーを完全に浸漬する。この後、台をプールから引き離す。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Anastasios John Hart，「Chemical, Mechanical, and Thermal Control of Substrate-Bound Carbon Nanotube Growth」，２００６年１２月，インターネット＜URL: http://pergatory.mit.edu/ajhart/research/documents/ajhartjhdthesisextendedabstractjan07.pdf.）
【非特許文献２】Alan H Windle，「Two defining moments: A personal view by Prof. Alan H. Windle」，Composites Science and Technology，２００７年，第67巻，ｐ．９２９−９３０
【非特許文献３】E J Garcia，A J Hart，B L Wardle，A H Slocum，「Fabrication of composite microstructures by capillarity-driven wetting of aligned carbon nanotubes with polymers」，IOP PUBLISHING NANOTECHNOLOGY，Nanotechnology 18 (2007) 165602 (l lpp) doi: 10.1088/0957-4484/18/16/165602，２００７年３月２３日
【発明の概要】
【０００７】
本発明の第１の態様は複合材を製造する方法を提供する。この本発明方法は、補強素子間の介在ギャップに液体マトリクス材料を有する補強素子の第１層を設けるステップと、補強素子の第２層を前記介在ギャップ内の前記液体マトリクス材料に浸漬して、前記第２層における前記補強素子を、部分的に補強素子の第１層に埋設し、また前記補強素子の第１層から部分的に突出させるステップと、第２層における前記補強素子の突出部分を、前記液体マトリクス材料に含浸させるステップと、及び前記液体マトリクス材料を硬化するステップと、を有する。
【０００８】
本発明は、隣接する補強層間にある量のオーバーラップを設けることで、必要であれば、補強素子が複合材の一方の側面から他方の側面にいたる連続結合を形成することを可能にする。
【０００９】
また、本発明は補強素子の第２層（また、随意に第１層も）を、外部位置で製造することを可能にする。ここで、外部位置とは、液体マトリクス材料から離れた位置で製造することを意味する。このことは、補強素子を１４００°Ｃにもなる高温で製造することを可能にする。この温度は、例えば液体エポキシ樹脂などの、所定タイプの液体マトリクス材料を硬化するのに要する温度よりも相当高い。
【００１０】
複合材は、単に２つの層だけを有するものとすることができるが、より好ましくは、上述の方法は、さらに、１つ又は複数の付加的な補強素子の層を付加する層付加ステップであって、先行する層の介在ギャップ内の液体マトリクス材料中に浸漬することによって各層を付加し、これにより前記付加的な層内の補強素子を、先行する補強素子の層内に部分的に埋設し、前記先行する補強素子の層から部分的に突出させる、該層付加ステップと、付加的な層における補強素子の前記突出部分を、前記液体マトリクス材料に浸漬するステップと、および前記液体マトリクス材料を硬化するステップと、を有する。
【００１１】
以下に説明する実施形態においては、第２層における補強素子の突出部分を液体マトリクス材料に含浸させる前に、介在ギャップのマトリクス材料を硬化する。このことは、液体マトリクス材料を一連の層として硬化させることを可能にする。このとき、各層は異なる時点で硬化する。このような、レイヤ−バイ−レイヤの硬化方法の利点は、硬化した層のそれぞれが異なる断面形状、サイズまたはパターンを有し、「網目状」の部分を付加造形（Additive Fabrication）によって成長させることが可能なことである。しかし、本発明は、複合材の液体マトリクス材料の全てを同時に硬化させる方法にも拡張可能である。すなわち、上記部分が完成するまで液体マトリクス材料の順次層のそれぞれを未硬化に保ち、この後、単一の硬化工程を通じて、加熱によりマトリクスを硬化させる。
【００１２】
個別のマトリクス層における形状、サイズまたはパターンを変えるとともに、補強素子の層のうち少なくとも２層を、互いに異なるものとする（例えば、各補強素子に対して異なる形状、サイズ、密度、又はパターン、又は配向の向きにする）。このことは、補強層を「網目状」として構築することができ、ならびに複合材の補強特性を各層間で異ならせることを可能にする。
【００１３】
典型的には、本発明方法は、さらに、前記補強素子の前記第２層を搬送体から吊り下げて、前記補強素子を前記液体マトリクス材料に浸漬するステップと、および前記補強素子を前記液体マトリクス材料に浸漬した後に、前記搬送体を前記補強素子の前記第２層から取り外すステップと、有する。介在ギャップ内の液体マトリクス材料が硬化する前又は後に、搬送体を補強素子の第２層から取り外すこともできる。後者の場合、介在ギャップ内の液体マトリクス材料は、局所的に搬送体を加熱することによって硬化することができる。
【００１４】
補強素子の第２層を、基板上で成長させ、この後搬送体に移動することもできる。しかし、補強素子の第２層を搬送体上で成長させることがより好ましい。
【００１５】
走査レーザビーム又は他の放射ビームのような、電磁放射に被曝させることにより、液体マトリクス材料を硬化させることができる。このことは、マトリクスを選択的に、即ち、所望の形状、サイズまたはパターンで硬化することを可能にする。
【００１６】
典型的には、補強素子は、チューブ、繊維、又はプレートのような、細長い構造を有するものとする。補強素子は、中実又は管状とすることができる。例えば、補強素子としては、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、又はまたはアモルファスカーボンの層で覆われたカーボンナノチューブがある。この場合、介在ギャップは、個々のカーボンナノチューブ又は個々のナノファイバー間、又はカーボンナノチューブ束又はナノファイバー束間に存在し得る。
【００１７】
典型的には、少なくとも１つの補強層は、アスペクト比が１００以上、好ましくは１０００以上、そして、最も好ましくは、１０6以上のアスペクト比の補強素子により構成する。
【００１８】
典型的には、第２層における補強素子の埋設部分は、アスペクト比が１００以上、好ましくは１０００以上とする。埋設部分の長さと突出部分の長さの比は、典型的には、１％未満であるが、材料密度を増加させる必要がある場合には、この割合はそれよりも高くすることができる（５０％以上も可能である）。
【００１９】
好ましくは、少なくとも１つの補強層は、直径が１００ｎｍ未満の補強素子を有するものとすることができる。
【００２０】
補強素子は、任意の材料、例えば炭化ケイ素又はアルミナで形成することができるが、好ましくは、補強素子はカーボンにより形成する。このカーボンは、カーボン−カーボン結合の強度及び剛性の点で好ましい。
【００２１】
補強素子は、各層の面に対して平行に延在しうるが、更に好ましくは、補強素子は、各層の面に対して平行ではない方向に延在するものとする。最も好ましくは、少なくとも一部の補強素子は、各層の平面に対してほぼ直交する方向に延在する。
【００２２】
本発明の第２の態様は複合材の製造装置を提供する。本発明装置は、液体マトリクス材料のプールと、前記液体マトリクス材料のプールに配置する構造プラットフォームと、順次の補強素子の層を、前記構造プラットフォームに搬送する搬送機構と、および前記構造プラットフォーム上の液体マトリクス材料を硬化させる硬化手段と、を備える。
【００２３】
本発明の実施形態を、以下に添付図面につき説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】ＡＬＭチャンバおよびＣＶＤ−ＣＮＴチャンバを示す概略的な図である。
【図２】第１触媒層の堆積（蒸着）を示す図である。
【図３】カーボンナノチューブの第１層の成長を示す図である。
【図４】チャンバ間のドアの開放を示す図である。
【図５】ＡＬＭチャンバに搬送体を搬送した状態を示す図である。
【図６】液状ポリマー内に降下したカーボンナノチューブの先端を示す図である。
【図７】搬送体を上方に引き上げた状態を示す図である。
【図８】搬送体をＣＶＤ-ＣＮＴチャンバに戻した状態を示す図である。
【図９】選択的に樹脂の第１層を硬化するようレーザーを走査する状態を示す図である。
【図１０ａ】液状樹脂内に降下させた構築プラットフォームを示す図である。
【図１０ｂ】図１０ａに示すように降下させた後の、構築プラットフォームの拡大図である。
【図１１】第２触媒層の堆積（蒸着）を示す図である。
【図１２】カーボンナノチューブの第２層の成長を示す図である。
【図１３】チャンバ間のドアを開放する状態を示す図である。
【図１４】ＡＬＭチャンバに搬送体を搬送した状態を示す図である。
【図１５ａ】第１層における介在ギャップに降下させたカーボンナノチューブの先端を示す図である。
【図１５ｂ】図１５ａに示すようにカーボンナノチューブの第２層を搬送した後における、構造プラットフォームの拡大図である。
【図１６】搬送体を上方に引き上げた状態示す図である。
【図１７】搬送体をＣＶＤ-ＣＮＴチャンバ室に戻した状態を示す図である。
【図１８】樹脂の第２層を選択的に硬化するようレーザーを走査する状態を示す図である。
【図１９ａ】液状樹脂内に降下した構造プラットフォームを示す図である。
【図１９ｂ】図１９ａに示すように降下させた後の、構造プラットフォームの拡大図である。
【図２０】第３層を付加した後の、複合材部分の概略的な図である。
【図２１】図２０のＡ−Ａ線上の断面図である。
【図２２】図２０のＡ−Ａ線上の断面図であり、カーボンナノチューブの代替的な分布を示す。
【図２３】配向ＣＮＴバルクポリマー複合材を製造する装置の概略的な図である。
【図２４】図２３に示した装置を用いた製造プロセスにおける工程を示す図である。
【図２５】図２３に示した装置を用いた製造プロセスにおける工程を示す図である。
【図２６】図２３に示した装置を用いた製造プロセスにおける工程を示す図である。
【図２７】図２３に示した装置を用いた製造プロセスにおける工程を示す図である。
【図２８】図２３に示した装置を用いた製造プロセスにおける工程を示す図である。
【図２９】図２３に示した装置を用いた製造プロセスにおける工程を示す図である。
【図３０】図２３に示した装置を用いた製造プロセスにおける工程を示す図である。
【図３１】図２３に示した装置を用いた製造プロセスにおける工程を示す図である。
【図３２】図２３に示した装置を用いた製造プロセスにおける工程を示す図である。
【図３３】図２３に示した装置を用いた製造プロセスにおける工程を示す図である。
【図３４】図２３に示した装置を用いた製造プロセスにおける工程を示す図である。
【図３５】図２３に示した装置を用いた製造プロセスにおける工程を示す図である。
【図３６】図２３に示した装置を用いた製造プロセスにおける工程を示す図である。
【図３７】図２３に示した装置を用いた製造プロセスにおける工程を示す図である。
【図３８】図２３に示した装置を用いた製造プロセスにおける工程を示す図である。
【図３９】図２３に示した装置を用いた製造プロセスにおける工程を示す図である。
【図４０】図２３に示した装置を用いた製造プロセスにおける工程を示す図である
【図４１】図２３に示した装置を用いた製造プロセスにおける工程を示す図である。
【図４２】図２３に示した装置を用いた製造プロセスにおける工程を示す図である。
【図４３】ＡＬＭチャンバ及びＣＶＤ−ＣＮＴチャンバのスタックを示す概略的な図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、左側に付加層製造（ＡＬＭ）チャンバを、右側に化学気相蒸着カーボンナノチューブ（ＣＶＤ−ＣＮＴ）成長チャンバを示す概略的な線図である。これら２つのチャンバは、ドア１０によって仕切る。
【００２６】
ＡＬＭチャンバは、未硬化の液体光硬化樹脂２を収容するバット１を備える。構造プラットフォーム３を、バット１に取り付け、必要に応じて上下に移動することができる。
【００２７】
ＣＶＤ−ＣＮＴチャンバは、電気加熱回路６に接続したシリコン搬送体４を収容する。このチャンバは、ガス吸気口７、ガス排気口８およびドア９を有する。
【００２８】
図２につき説明すると、触媒堆積用のシステム５は、シリコン搬送体４上に触媒材料１２を、所定の形状、パターンおよび密度で堆積する。このシステム５は、搬送体４上にコロイド液滴のアレイをスプレーするプリンティングヘッドを備えることができ、またコロイドが蒸発するとき、コロイド液滴に懸濁する金属触媒粒子が堆積する。触媒粒子は、例えば、金属、好ましくは遷移金属である、Ｆｅ、ＮｉもしくはＣｏ、またはそれらの合金とすることができる。そして、コロイド液は、例えば、アルコール、水、オイル、又はそれらの混合物とすることができる。代案として、このシステム５は、例えば、金属を蒸発させるような他の工程によって、触媒を堆積させることもできる。
【００２９】
触媒を堆積した後に、続いて、加熱と、酸素および水素ガスを用いた酸化還元との組み合わせによって、触媒の調整を行い、カーボンナノチューブ１３の層を化学気相蒸着プロセスによって、図３に示すように成長させる。特に、炭素含有ガスをＣＶＤ−ＣＮＴチャンバ内にガス吸気口７から導入し、搬送体４を電気加熱回路６によって局所的に加熱する。より詳細には、回路６は、搬送体４に電流を流し、これにより搬送体４が抵抗発熱を生じるようにする。ナノチューブの成長は、電源２１によって動作する電極２０を用いて、チェンバ内においてプラズマを発生することによって促進される。
【００３０】
図示の実施形態では、カーボンナノチューブ１３は、配向（整列）し、また各層の平面に対して直交する方向に延在する。しかし、電極２０の位置を変化して、カーボンナノチューブ１３が各層の平面に対してある角度（代表的には、４５°〜９０°）で延在するようにすることもできる。
【００３１】
図４につき説明すると、カーボンナノチューブ１３の第１層を成長させた後に、チャンバ間のドア９、１０を開放し、搬送体４を、電気抵抗加熱回路６から切り離し、１８０°回転させ、また図５に示すように、ＡＬＭチャンバに移動する。
【００３２】
図６につき説明すると、搬送体４を降下させ、カーボンナノチューブ１３の先端を構造プラットフォーム３の上方における液状ポリマーの薄層内に貫入させる。強い表面相互作用により毛管作用の効果を生じ、カーボンナノチューブ間の介在ギャップに液状ポリマーが吸い込まれる。カーボンナノチューブ１３の第１層は、液状ポリマーに部分的にのみ貫入させ、これにより繊維の基部がポリマー層の表面から突出する。
【００３３】
図７に示す次のステップにおいて、搬送体４を取り外す。このとき、カーボンナノチューブ１３は、表面相互作用のために、ポリマー層に埋設されたままとなる。
【００３４】
カーボンナノチューブ１３は、”Chemical, Mechanical, and Thermal Control of Substrate-Bound Growth, Extended Abstract of Doctoral Thesis, Anastasios John Hart, December 2006”に記載の「ベースグロース（base growth）」によって成長させることができる。この場合、触媒粒子を介してカーボンナノチューブ１３を搬送体４に付着させる。この触媒粒子は、搬送体４をカーボンナノチューブ１３の層から取り外すときも、搬送体４に付着したままである。この触媒粒子層は、典型的には（次のカーボンナノチューブ層を成長させるために再利用可能でない限り）、酸洗浄によって除去する。
【００３５】
代案として、カーボンナノチューブ１３を「先端成長（tip growth）」メカニズムによって成長させることができる。この場合には、触媒粒子は複合材側に移動する。このことは、（触媒粒子の重量に起因して）望ましくない。反対に、触媒粒子が複合材に何らかの有益な性質をもたらす場合には望ましい。
【００３６】
図８に示すように、この後、搬送体４をＣＶＤ−ＣＮＴチャンバに戻し、そして、ドア９及び１０を閉じる。
【００３７】
図９および１０ａにつき説明すると、レーザー１１を励起して、カーボンナノチューブ１３の層表面全体を走査し、樹脂の領域を選択的に硬化する。その結果、カーボンナノチューブ層１３を取り囲む、交差結合（架橋）及び硬化済みのポリマーマトリクス層１４から成るベース層を生成する。つぎに、図１０ａおよび１０ｂに示すように、構造プラットフォーム３を液状樹脂２中に降下させ、基層の表面全体にわたり液状樹脂の流れを、マトリクス層１４から突出するカーボンナノチューブ１３間の介在ギャップ１８に流入させる。
【００３８】
ここで、図１０ａに示すカーボンナノチューブ１３の幅および長さは、縮尺通りではない点に留意されたい。実際には、ナノチューブの直径は、隣接したナノチューブ間の間隔よりもかなり小さい。図１０ｂは、多少典型的な例である。ナノチューブ間の比較的大きいギャップを示しているが、この図も縮尺通りではなく、ナノチューブのアスペクト比は１０7ほどかそれ以上である。（例えば、直径１０ｎｍに対して、長さが１００μｍ）。
【００３９】
このプロセスを、図１１〜１９に示すように繰り返す。図１１に示すように、既存の触媒層が再利用されないと仮定して、触媒の第２層を堆積し、また図１２に示すように、カーボンナノチューブ１６の第２層を成長させる。図１４に示すように、カーボンナノチューブ１６の第２層をＡＬＭチャンバに搬送し、図１５ａに示すように降下させ、カーボンナノチューブ１６の先端を液状ポリマー層２に貫入させる。第２層１６の繊維を液状ポリマー層２に浸漬すると共に、カーボンナノチューブ１３の第１層内に部分的に埋設し、カーボンナノチューブ１３の第１層から部分的に突出させる。図１５ｂに示すように、第２層１６のカーボンナノチューブの先端を、第１層１３のカーボンナノチューブ間の介在ギャップ１８内に突入させ、オーバーラップ領域を形成する。図１５ｂに示すように、毛管作用によっても、カーボンナノチューブ１３の先端より上方に、液状樹脂をしみ込ませる。実際、毛管作用によって、液状樹脂は図１５ｂに示したよりも更に上方にしみ込ませることができ、潜在的には搬送体４に隣接するカーボンナノチューブ１６の基部まで達することができる。
【００４０】
２つの層間におけるオーバーラップ量（すなわち、第２層１６の埋設済み部分の長さと突出部分の長さの比率）は、図１５ｂにおいては、説明上、比較的高く示していることに留意されたい。しかし、実際には、オーバーラップ量は、０．０１％程度と低くてもよい。
【００４１】
つぎに、図１６に示すように、搬送体４を取り外し、図１７に示すように、ＣＶＤ−ＣＮＴチャンバに戻す。図１８において、レーザー１１を励起し、図１９ａ及び１９ｂに示すような、第２硬化層１７を形成する。そして、図１９ａに示すように、構造プラットフォーム３をバット中に降下して、構造プラットフォームの表面にわたり液状樹脂の流れを、マトリクス層１７から突出するカーボンナノチューブ１６間の介在ギャップに液状樹脂を流入させる。
【００４２】
この後、このプロセスを、複合材部品を生産するよう数回繰り返すことができる。例えば、図２０は、マトリクス層２２内にカーボンナノチューブ２３の第３層を含む３層部分を示す。
【００４３】
図３〜２０においては、カーボンナノチューブ１３、１７、２３の層は、隣接するカーボンナノチューブを一定間隔として示す。しかし、これは、単に模式的に示すものであり、図２１のように、カーボンナノチューブ間の間隔はランダム且つ不規則であっても良い。ここで、図２１は、図２０におけるＡ−Ａ線上の線図的断面図である。
【００４４】
図２１においては、カーボンナノチューブが、比較的、ほとんど束を形成していない点に留意されたい。言い換えれば、オーバーラップ領域における２層間の個々のカーボンナノチューブが高頻度で混合している。別の実施形態においては、図２２に示すように、触媒粒子をグループ化させ、カーボンナノチューブ１３ａ、１６ａの束を形成することができる。このように、図２１の場合においては、第２層の束１６ａの先端が、第１層の束１３ａ間の介在ギャップに貫入する。
【００４５】
図２３は、配向したＣＮＴバルクポリマー複合材を製造するための装置を示す概略的な図である。参照符号１００で示す、この装置の境界線は、液状樹脂材を収容する「バット」と称する。バットは、例えば、Ｈｅｘｃｅｌ ＲＴＭ６又は同様の熱硬化性液状樹脂１０２を収容する。部品ベッド１０３は、ｚ軸方向に精密移動可能とする。液状樹脂材料の上面を確実に平坦化するためのドクターブレード１０４を、水平平面上で移動可能にする。抵抗加熱基板１０５を、ｚ軸方向に精密移動可能とする。電源１０６は、基板１０５を抵抗加熱するよう構成する。インクジェット装置１０７を設け、溶液又は懸濁液内に保持される触媒材料を堆積させる。代案として、金属ターゲットを蒸発させて、抵抗加熱基板１０５に堆積させる装置を設けることができる。ガス供給源１０８により、炭化水素ガスまたは一酸化炭素、水素ガス並びに不活性ガス、およびこれらの組み合わせを含む混合ガスを供給する。ガス排気口を、参照符号１０９で示す。
【００４６】
図２４に示すように、触媒堆積装置１０７は、抵抗加熱基板１０５を横断して移動し、触媒材料１１０を堆積する。
【００４７】
図２５に示すように、電源１０６をオンにし、基板１０５を加熱する。これにより、触媒材料１１０をガス流動下において、熱し、小球化（spherulises）し、また活性化（還元）する。活性化された触媒材料は、参照符号１１０′で示す。
【００４８】
図２６に示すように、抵抗加熱基板１０５を、電源１０６によって継続的に加熱する。ガス供給源１０８から炭素含有ガス及びキャリアガスの流れを導入することで、カーボンナノチューブ１１１のアレイを核生成及び成長が、あらかじめ堆積した触媒１１０によって触発される。
【００４９】
この後、ガス供給１０８および電源１０６をオフにし、図２７に示すように、部品ベッド１０３を液状樹脂１０２内で降下させる。
【００５０】
図２８に示すように、部品ベッドを上方に移動し、樹脂のプール１１２を隆起させる。
【００５１】
図２９に示すように、ドクターブレード１０４を部品ベッドにわたり横断させ、先に隆起させた樹脂のプール１１２を平らにする。
【００５２】
図３０に示すように、基板１０５を下降して、カーボンナノチューブ１１１を液状樹脂１１３内に浸漬する。この移動は精密制御され、カーボンナノチューブ１１１の長さの比例分が液状樹脂面から突出する状態に保持する。
【００５３】
図３１に示すように、電源１０６のスイッチオンにし、基板１０５を加熱する。カーボンナノチューブは極めて熱伝導率が高いため、カーボンナノチューブネットワーク１１１の熱伝導は急速である。加熱されたカーボンナノチューブは、液状樹脂材料に非常に効率的に熱伝導する。そして、急速に材料を架橋及び硬化して、硬化層１１４を生成する。
【００５４】
図３２に示すように、基板１０５を引き戻す。カーボンナノチューブ１１と硬化樹脂層１１４との間の粘着力は高いため、カーボンナノチューブは、基板１０５から分離され、硬化樹脂層１１４内の所定位置に保持される。
【００５５】
つぎに、図２４〜３２に示す工程を図３３〜４２に示すように繰り返し、第２硬化樹脂層１１９に埋設したカーボンナノチューブ１１６の第２層を生成する。
【００５６】
図４０に示すように、基板１０５を降下させ、カーボンナノチューブ１１６を液状樹脂１１３内に浸漬し、カーボンナノチューブ１１１間の介在ギャップに液状樹脂を貫入させる。図４３は、図１に示す装置に類似する別の装置を示す。ここでは、単一のＡＬＭチャンバ２００を、ＣＶＤ−ＣＮＴチャンバ２０１のスタックに対して用いる。複数のカーボンナノチューブ層を、各ＣＶＤ−ＣＮＴチャンバ２０１内で同時に成長させ、必要に応じて、順次にＡＬＭチャンバ２００に搬送する。このことは、カーボンナノチューブの成長が比較的遅い場合に、本発明方法の速度を最大化する。
【００５７】
本発明を、一つ又は複数の好ましい実施形態につき説明したが、添付の特許請求の範囲に記載した本発明の範囲内において、さまざまな変更または改変が可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９ａ】
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【図１９ｂ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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