(57)【要約】【課題】繊維を、連鎖状に順番に相互接続される巻回連結体に形成されるカーボンナノチューブバンドルを用いて形成するシステム及び方法を、提供する。【解決手段】繊維を、ナノチューブ連結体を用いて形成する方法では、第１ナノチューブロープをナノチューブフォレストからスライスする。前記方法では更に、前記第１ナノチューブロープを第１複数周回巻きして第１連結体を形成する。前記方法では更に、第２ナノチューブロープを前記ナノチューブフォレストからスライスする。前記方法では更に、前記第２ナノチューブロープを第２複数周回巻きして第２連結体を形成し、前記第２連結体は、前記第１連結体に連鎖状に相互接続される。【選択図】図１
2014151437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維を、ナノチューブ連結体を用いて形成する方法であって：
第１ナノチューブロープをナノチューブフォレストからスライスする工程と、
前記第１ナノチューブロープを第１複数周回巻きして第１連結体を形成する工程と、
第２ナノチューブロープを前記ナノチューブフォレストからスライスする工程と、
前記第２ナノチューブロープを第２複数周回巻きして第２連結体を形成する工程と、を含み、前記第２連結体は、前記第１連結体に連鎖状に相互接続される、方法。
【請求項２】
更に：
第３ナノチューブロープを前記ナノチューブフォレストからスライスする工程と、
前記第３ナノチューブロープを第３複数回巻きして第３連結体を形成する工程と、を含み、前記第３連結体は、前記第２連結体に相互接続され、そして前記第１連結体、前記第２連結体、及び前記第３連結体は順番に接続される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１ナノチューブロープ、前記第２ナノチューブロープ、及び前記第３ナノチューブロープは、成長して前記ナノチューブフォレストを構成するカーボンナノチューブバンドル、すなわちカーボンナノチューブの束を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
カーボンナノチューブ群、すなわち複数の隣接する前記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ及び多層カーボンナノチューブのうちの一方を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第１連結体、前記第２連結体、及び前記第３連結体の直線セクションに、更に別のナノチューブロープ群、すなわち別の複数の隣接するナノチューブロープ、のうちの１つを巻き付け、そして前記第１ナノチューブロープ、前記第２ナノチューブロープ、及び前記第３ナノチューブロープそれぞれの自由端部を巻き付ける、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記第２ナノチューブロープを巻く工程は、巻取方法及び糸通し方法のうちの１つの方法により完了させる、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記第１ナノチューブロープ及び前記第２ナノチューブロープをスライスする工程は、マイクロマニピュレータにより完了させる、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記第１ナノチューブロープ及び前記第２ナノチューブロープ、並びに第３ナノチューブロープが存在する場合には前記第３ナノチューブロープを少なくとも含む、ナノチューブロープ群、すなわち複数の隣接する前記ナノチューブロープは、炭化珪素繊維及び窒化ホウ素繊維のうちの一方を交互に含む、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
第１複数周回巻きして第１連結体を形成する第１ナノチューブロープと、
第２複数周回巻きして第２連結体を形成する第２ナノチューブロープと、を備え、前記第２連結体は、前記第１連結体に連鎖状に相互接続される、物体。
【請求項１０】
更に：
第３複数周回巻きして第３連結体を形成する第３ナノチューブロープを備え、前記第３連結体は前記第２連結体に相互接続され、そして前記第１連結体、前記第２連結体、及び前記第３連結体は順番に接続される、請求項９に記載の物体。
【請求項１１】
前記第１ナノチューブロープ、前記第２ナノチューブロープ、及び前記第３ナノチューブロープは、成長してナノチューブフォレストを構成するカーボンナノチューブバンドル、すなわちカーボンナノチューブの束を含む、請求項９または１０に記載の物体。
【請求項１２】
カーボンナノチューブ群、すなわち複数の隣接する前記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ及び多層カーボンナノチューブのうちの一方を含む、請求項１１に記載の物体。
【請求項１３】
前記第１連結体、前記第２連結体、及び前記第３連結体の直線セクションに、更に別のナノチューブロープ群、すなわち別の複数の隣接するナノチューブロープ、のうちの１つを巻き付け、そして前記第１ナノチューブロープ、前記第２ナノチューブロープ、及び前記第３ナノチューブロープそれぞれの自由端部を巻き付ける、請求項９または１０に記載の物体。
【請求項１４】
前記第１ナノチューブロープ及び前記第２ナノチューブロープ、並びに第３ナノチューブロープが存在する場合には前記第３ナノチューブロープを少なくとも含む、ナノチューブローブ群、すなわち複数の隣接する前記ナノチューブロープは、各々の前記連結体を形成している際に加撚される、請求項９乃至１３のいずれか１項に記載の物体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は概して、非常に多くの繊維がポリマーのようなマトリックス材料に埋め込まれる構成の複合材料に関するものであり、特に繊維を、連鎖状に順番に相互接続される巻回連結体に形成されるカーボンナノチューブバンドル（カーボンナノチューブ束）を用いて形成するシステム及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブは、円筒状ナノ構造を持つ炭素繊維である。カーボンナノチューブは、従来の炭素繊維よりも直径をより小さくすることができる。カーボンナノチューブは、高い強度を示し、かつ他の多くの材料、特に他の種類の炭素繊維よりも高い弾性率を有することが知られている。複合材料に使用される従来の炭素繊維は、直径が約１０ミクロンであり、そして長さが何メートルもある。カーボンナノチューブは、直径が１〜１０ナノメートル（従来の炭素繊維よりも最大で１０，０００倍小さい）であり、長さは約１センチメートルである。しかしながら、個々のカーボンナノチューブの引っ張り強度は、従来の個々の炭素繊維の引っ張り強度よりも高い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
市販の複合材料に使用される繊維と同様の繊維は、複数のカーボンナノチューブにより形成されていない。従って、個々に成長するカーボンナノチューブよりも長い個々のカーボンナノチューブの強度を構造物内で確保することは、解決すべき継続的かつ困難な課題となっている。
【０００４】
従って、上に説明した問題のうちの１つ以上の問題だけでなく、起こり得る他の問題を考慮に入れた方法及び装置を有することができれば有利である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
例示的な実施形態は、１つの方法を提供する。前記方法は、第１ナノチューブロープをナノチューブフォレストからスライスする工程を含む。前記方法は更に、前記第１ナノチューブロープを第１複数周回巻きして第１連結体を形成する工程を含む。前記方法は更に、第２ナノチューブロープを前記ナノチューブフォレストからスライスする工程を含む。前記方法は更に、前記第２ナノチューブロープを第２複数周回巻きして第２連結体を形成する工程を含む。前記第２連結体は、前記第１連結体に連鎖状に相互接続される。
【０００６】
例示的な実施形態は更に、１つのシステムを提供する。前記システムは、切り込みを、ナノチューブフォレストの上部に入れて、ナノチューブバンドルの第１部分を前記ナノチューブフォレストから分離するように構成されるマイクロマニピュレータを備える。前記マイクロマニピュレータは更に、第１ハンドリングバンドを前記ナノチューブバンドルの前記第１部分の周りに取り付けるように構成される。前記マイクロマニピュレータは更に、前記第１ハンドリングバンドを把持し、そして前記ナノチューブバンドルを前記ナノチューブフォレストから引き離すように構成される。前記マイクロマニピュレータは更に、第２ハンドリングバンドを前記ナノチューブバンドルの前記第２部分の周りに取り付けるように構成される。前記第２ハンドリングバンドは前記第１ハンドリングバンドとほぼ反対側にある。前記第２部分は、前記ナノチューブバンドルの前記第１部分とほぼ反対側にある。前記マイクロマニピュレータは更に、前記ナノチューブバンドルを巻回ステーションに移動させるように構成される。
【０００７】
前記システムは更に、巻回ステーションの巻取り機を含むことができる。前記巻取り機は、前記ナノチューブバンドルを収容するように構成される。前記巻取り機は更に、第１サドルを、第１閉塞ナノチューブ連結体の内部に、かつ該第１閉塞ナノチューブ連結体の第１端部に位置決めするように構成される。前記巻取り機は更に、前記ナノチューブバンドルの第２端部を、第２サドルの開始スロットに取り付けるように構成される。前記巻取り機は更に、前記ナノチューブバンドルを前記第１サドルの回りに、前記第２サドル及び第３サドルを用いて巻回するように構成される。この巻回によって、前記ナノチューブバンドルの周回ループが形成される。結果的に、第２閉塞ナノチューブ連結体が得られる。第２閉塞ナノチューブ連結体は、前記第１閉塞ナノチューブ連結体に連鎖状に相互係止される。
【０００８】
例示的な実施形態は更に、１つの物体を提供する。前記物体は、第１ナノチューブロープであって、該第１ナノチューブロープを第１複数周回巻きして第１連結体を形成する、前記第１ナノチューブロープを含むことができる。前記物体は更に、第２ナノチューブロープであって、該第２ナノチューブロープを第２複数周回巻きして第２連結体を形成する、前記第２ナノチューブロープを含むことができる。前記第２連結体は、前記第１連結体に連鎖状に相互接続される。
【０００９】
特徴、機能、及び利点は、本開示の種々の実施形態において個別に実現することができる、または更に他の実施形態において組み合わせることができ、これらの実施形態では、更なる詳細が、次の説明及び以下の図面を参照することにより明らかになる。
【００１０】
本開示の１つの態様によれば、繊維を、ナノチューブ連結体を用いて形成するシステムが提供され、該システムは：マイクロマニピュレータを備え、該マイクロマニピュレータは：
切り込みを、ナノチューブフォレストの上部に入れてナノチューブバンドルの第１部分を前記ナノチューブフォレストから分離し；第１ハンドリングバンドを前記ナノチューブバンドルの前記第１部分の周りに取り付け；前記第１ハンドリングバンドを把持し、そして前記ナノチューブバンドルを前記ナノチューブフォレストから引き離し；第２ハンドリングバンドを前記ナノチューブバンドルの第２部分の周りに取り付け、前記第２ハンドリングバンドは前記第１ハンドリングバンドとほぼ反対側にあり、そして前記第２部分は前記第１部分とほぼ反対側にあるように構成される。前記ナノチューブバンドルを巻回ステーション及び前記巻回ステーションの巻取り機に移動させ、前記巻取り機は、前記ナノチューブバンドルを収容するように構成され、そして前記巻取り機は更に：
第１サドルを、第１閉塞ナノチューブ連結体の内部に、かつ該第１閉塞ナノチューブ連結体の第１端部に位置決めし；前記ナノチューブバンドルの第２端部を、第２サドルの開始スロットに取り付け；そして前記ナノチューブバンドルを前記第１サドルの周りで、前記第２サドル及び第３サドルを用いて巻回するように構成され、巻回によって、前記ナノチューブバンドルの周回ループが形成され、結果的に、第２閉塞ナノチューブ連結体が得られ、そして前記第２閉塞ナノチューブ連結体は、前記第１閉塞ナノチューブ連結体に連鎖状に相互係止される。有利な点として、前記ナノチューブフォレストはカーボンナノチューブを含むことができる。更に、有利な点として、前記ナノチューブバンドルの両側の巻き緩み端は、前記第２閉塞ナノチューブ連結体にポリマーを使用して取り付けられる。更に有利な点として、前記巻取り機は更に、前記第１閉塞ナノチューブ連結体及び前記第２閉塞ナノチューブ連結体のうちの一方に連鎖状に相互係止される第３閉塞ナノチューブ連結体を形成するように構成される。有利な点として、前記第１閉塞ナノチューブ連結体、前記第２閉塞ナノチューブ連結体、及び前記第３閉塞ナノチューブ連結体は順番に接続される。更に有利な点として、前記巻取り機は、前記第２サドル及び前記第３サドルを制御するように構成される突出可能かつ後退可能なアームを備える。
【００１１】
例示的な実施形態に固有であると考えられる革新的な特徴が添付の請求項に開示される。しかしながら、例示的な実施形態のみならず、好適な使用形態、これらの実施形態の更に別の目的及び特徴は、本開示の例示的な実施形態に関する以下の詳細な説明を、添付の図面と関連付けながら一読することにより最も深く理解されると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、例示的な実施形態による繊維を、カーボンナノチューブ連結体を用いて形成するシステムのブロック図である。
【図２】図２は、例示的な実施形態による繊維を、カーボンナノチューブ連結体を用いて形成する方法を表わすフローチャートである。
【図３】図３は、例示的な実施形態によるカーボンナノチューブ繊維の幾何学構造の図である。
【図４】図４は、例示的な実施形態によるカーボンナノチューブ繊維の別の幾何学構造の図である。
【図５】図５は、例示的な実施形態によるカーボンナノチューブ繊維の別の幾何学構造の図である。
【図６】図６は、例示的な実施形態によるカーボンナノチューブ連結体の直線部分の短セグメントの図である。
【図７】図７は、例示的な実施形態による、巻き付けて結束させた状態のカーボンナノチューブ連結体の直線部分の図である。
【図８】図８は、例示的な実施形態による隣接する繊維を接合合体させた状態のカーボンナノチューブ連結体の図である。
【図９】図９は、例示的な実施形態によるナノチューブバンドルをナノチューブフォレストから分離した状態のナノチューブフォレストの模式図である。
【図１０】図１０は、例示的な実施形態によるハンドリングバンドの図である。
【図１１】図１１は、例示的な実施形態による巻取方法の形態の図である。
【図１２】図１２は、例示的な実施形態による巻取方法の別の形態の図である。
【図１３】図１３は、例示的な実施形態によるサドルを、巻回カーボンナノチューブ連結体から取り外した様子を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
カーボンナノチューブを生成する１つの公知の方法では、これらのカーボンナノチューブを、触媒を基板の表面に有する基板に成長させる。カーボンナノチューブフォレストは、基板の表面に直角に、樹木が地面から成長するのと同様に成長することができる。このようなフォレストは、最大１０ナノメートルの直径であり、かつ中心間が約５〜２０ナノメートル離間している個々のカーボンナノチューブを含むことができる。これらのカーボンナノチューブの長さ、またはフォレストの高さは、約１センチメートルとすることができる。隣接する炭素繊維ナノチューブは、互いに対してファンデルワールス力（ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗａａｌｓ  ｆｏｒｃｅｓ）によって結合することができ、そしてこれらのカーボンナノチューブ自体が配向して、これらの力で保持合体される“ｒｏｐｅｓ（ロープ群）”となる。ファンデルワールス力は、これらのカーボンナノチューブを束ねたときにこれらのカーボンナノチューブが合体した状態を維持するために十分大きい強度を示すことができるが、これらの力は、応力が１つのカーボンナノチューブから隣接するカーボンナノチューブに伝達される構成の複合材料を形成するために十分大きい強度ではない可能性がある。
【００１４】
カーボンナノチューブを製造する別の公知の方法では、従来の炭素繊維を用いる現在の繊維複合材料の場合に行なわれるように、カーボンナノチューブ群を、エポキシまたは他の公知のポリマーのようなマトリックス材料に埋め込む。公知の複合材料の場合、繊維の直径は、マトリックスポリマー分子の直径よりも大きくすることができる。この手法を用いて、繊維が占める体積割合を大きくすることができ、例えば６５％にすることができる。より大きな体積割合は、非円形繊維を使用する場合に、またはより小さい直径を持つ繊維を、より大きい直径を持つ繊維と交互に配列する場合に得られる。非円形繊維を用いるか、または交互により小さい直径の繊維が配列される構成を用いるかどうかに関係なく、ポリマーマトリックス材料の場合には、繊維間の間隔を十分大きくすることができる。ポリマーマトリックス材料は繊維に結合することができ、そして応力を１本の繊維から隣接繊維に、多くの繊維径に等しくすることができる隣接繊維に沿った長さにわたって伝達することができる。これらの応力は望ましくない。
【００１５】
上に説明したように、カーボンナノチューブを構造物内で用いようと試みるに際して、大変難しい解決すべき課題が生じてきた。例えば、カーボンナノチューブの直径、及びポリマー分子の直径が同様の直径であることにより、カーボンナノチューブが占める体積割合を許容される程度に大きくすることができるためには困難が伴なう。このような困難により、ポリマーが、カーボンナノチューブの外側表面の許容割合部分に接触する状態を維持することができなくなる虞がある。
【００１６】
このような困難により、ポリマーが、これらのカーボンナノチューブの全てに接触することができなくなる虞さえある。ポリマーに付着していない状態のカーボンナノチューブは、応力を隣接するカーボンナノチューブに、ファンデルワールス力によって伝達することしかできない。ファンデルワールス力には、ポリマー間だけでなく従来の繊維間の化学結合よりもずっと弱く、そしてカーボンナノチューブ固有の強度よりも遥かに弱い。また、ファンデルワールス力を利用するには、２本の繊維の表面が互いに接近している必要がある。
【００１７】
大型構造物をカーボンナノチューブで製造しようと試みる際に直面する別の大変難しい解決すべき課題は、カーボンナノチューブの壁が通常、平滑であり、かつ強い結合を生じる箇所を含まないので、ポリマーが、個々のカーボンナノチューブとの許容できる程度の結合を行なうことができない可能性があることである。
【００１８】
この大変難しい解決すべき課題は、カーボンナノチューブに官能基を導入することにより克服することができる。官能基を導入する際、カーボンナノチューブを熱または反応性化学物質に曝す。官能基を導入すると、カーボンナノチューブの壁が、化学結合が生じる可能性のある箇所で壊れる。しかしながら、カーボンナノチューブに官能基を導入すると、カーボンナノチューブの強度が、カーボンナノチューブのチューブ壁が脆くなることにより低下する虞がある。
【００１９】
カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）及び多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）に分類することができる。大変難しい解決すべき別の課題は、多層カーボンナノチューブを用いる場合に生じる。多層カーボンナノチューブは、入れ子式の単一構造になる複数の単層カーボンナノチューブを含むことができる。多層カーボンナノチューブ内では、多層カーボンナノチューブ内で入れ子構造になるこれらの単層カーボンナノチューブは、隣接する単層カーボンナノチューブの壁の間のファンデルワールス力によって接続することができる。ファンデルワールス力は、個々の単層カーボンナノチューブの壁強度よりも弱い可能性がある。複合材料では、許容できる結合がポリマーマトリックスと各多層カーボンナノチューブの最外殻の単層カーボンナノチューブとの間に生じていると仮定すると、最外殻の単層カーボンナノチューブのみが、複合材料に付与される強度の大部分に寄与することができる。各多層カーボンナノチューブの最内殻の単層カーボンナノチューブは、複合材料の強度に殆ど寄与することができない。この影響は、応力を隣接する繊維に伝達することができる物が最内殻の単層カーボンナノチューブに付着することがないので現われる。
【００２０】
例示的な実施形態では、カーボンナノチューブにより形成され、かつ個々のカーボンナノチューブの強度を持たない市販の繊維についての上記問題を認識し、そして考慮に入れる。例示的な実施形態では更に、構造物を１センチメートルよりも長いカーボンナノチューブから製造する試みが非常に難しく、今日まで失敗してきたことを認識し、そして考慮に入れる。
【００２１】
従って、例示的な実施形態は、カーボンナノチューブバンドルまたはナノチューブロープを巻回ループ状に巻回して連結体を形成するシステム、方法、及び目的に関するものである。ナノチューブロープは連結体形成過程でねじることができる。これらの連結体は、連鎖の一部として形成され、これらの連鎖は、複数の連続相互係止カーボンナノチューブバンドル連結体を含む。連続相互係止カーボンナノチューブバンドル連結体から形成されるこれらの連鎖の長さは、個々のカーボンナノチューブの強度を依然として保持することができる既存の複合材繊維の長さと同様とすることができる。カーボンナノチューブ連鎖は、引っ張り力を受けるときに高い強度を示す。これらの連鎖によって、連鎖に含まれるカーボンナノチューブ群の全てを合わせた強度をほぼ最大限に利用することができる。
【００２２】
例示的な実施形態では、カーボンナノチューブバンドルをナノチューブフォレストから、マイクロマニピュレータを用いてスライスすることを念頭に入れる。ハンドリングバンドをこれらのバンドルの両側端部の近傍に配置して、これらのバンドルを一括保持することができる。次に、マイクロマニピュレータでこれらのバンドルを巻回ステーションに移動させることができる。巻回ステーションでは、巻取り機でバンドルを複数周回巻きして、ループまたは連結体を形成し、そしてバンドルの２つの巻緩み端の各巻緩み端を新規形成連結体に融着させることができる。新規の連結体を形成するために、巻回し治具でバンドルを、既に形成されている連結体に通しながら巻回して、新規に形成される連結体を既に形成されている連結体に連鎖状に相互接続することができる。
【００２３】
例示的な実施形態では更に、マイクロマニピュレータは、ハンドルに取り付けられるブレードを使用して、カーボンナノチューブフォレストに切り込みを入れて、新たなバンドルをナノチューブフォレストから分離することができることを認識し、そして考慮に入れる。マイクロマニピュレータは、新たなバンドルをナノチューブフォレストから引っ張り出し、そしてハンドリングバンドをバンドルの両側端部に配置することができる。バンドルを巻回ステーションに供給した後、巻取り機は、第１サドルを既存のカーボンナノチューブ連結体の内部に配置することができる。次に、巻取り機は、第２サドル及び第３サドルを使用して、カーボンナノチューブバンドルを周回ループ状に、既存のカーボンナノチューブ連結体に通しながら巻回することができる。巻取り機は突出可能かつ後退可能なアームを有することができる。これらのアームは、第２及び第３サドルを、これらのサドルが第１サドルの周りを回転するときに、交互に保持し、そして解放することができる。
【００２４】
例示的な実施形態では更に、個々のカーボンナノチューブは、非常に短い長さではあるものの、複数の連続連鎖ナノチューブ連結体を含む繊維構造を形成することができることを認識し、そして考慮に入れる。連鎖ナノチューブ連結体は、ナノチューブ以外の繊維と同様の長さとすることができ、更には、個々のナノチューブの強度にほぼ近い強度を有することができる。カーボンナノチューブの強度は、連鎖が引っ張り力を受け、そして強く引っ張られるときに維持することができる。カーボンナノチューブ連結体の直線部分は、カーボンナノチューブバンドルで包み込むことができ、包み込み連結体及び連鎖全体の強度を更に高めることができる。個々の連鎖状のナノチューブ連結体は、隣接して配置するか、または並んで配置することができ、そして結合して合体させることができる。この配置により、より厚く、かつより高い強度の全体構造を形成することができる。
【００２５】
例示的な実施形態では更に、本発明では、カーボンナノチューブを糸状に引き出す場合と同じように、隣接するカーボンナノチューブの間に大きな透き間が殆ど生じないことを認識する。多層カーボンナノチューブを用いる場合、内側カーボンナノチューブ群が、結果的に得られる連鎖の強度に同程度に寄与することができる。
【００２６】
カーボンナノチューブ連結体の両端部の曲率半径は、個々のカーボンナノチューブの直径と比較して、十分大きいので、横切るように折り返して巻き回される連結体端部に生じる虞があるカーボンナノチューブ強度の低下は無視できる。同時に、連結体端部の曲率半径は、これらの連結体の長さに対して小さくすることができるので、カーボンナノチューブ材料の殆どの部分が、繊維の軸方向に使用される。
【００２７】
例示的な実施形態では更に、カーボンナノチューブが複合材料中に占める体積割合を高めることができることを認識する。この体積割合は、炭素繊維が従来の複合材料中に占める体積割合と同程度の大きさとすることができる。カーボンナノチューブの幾何学構造によって、複合材料中の隣接する連鎖の間隔を十分広くすることができるので、応力を連鎖から連鎖にマトリックス材料を介して、従来の繊維複合材料の場合と殆ど同じようにして伝達することができる。各連結体の内部では、カーボンナノチューブが占める体積割合は、約１００％とすることができ、そしてマトリックス材料で低下させる必要はない。
【００２８】
例示的な実施形態では更に、カーボンナノチューブ連結体の長さが十分長い場合に、隣接するカーボンナノチューブの間のせん断力は、個々のカーボンナノチューブの引っ張り強度に等しいか、または当該引っ張り強度よりも大きくなる可能性があることを認識する。この特徴によって確実に、１本のカーボンナノチューブに起因する応力が、隣接するカーボンナノチューブに連結体の長さ全体にわたって伝達される。せん断力は、カーボンナノチューブバンドルに、連結体を形成するときに撚りを付与することにより、そして連結体の外側を過剰に包み込んで、隣接するカーボンナノチューブの表面が互いに接近したままの状態になることにより最大可能せん断力に近い値に保持される可能性がある。
【００２９】
次に、これらの図に注目する。図１では、繊維をカーボンナノチューブ連結体を用いて形成するシステム１００のブロック図が、例示的な実施形態に従って図示されている。図１に示すシステム１００はマイクロマニピュレータ１４０を含む。マイクロマニピュレータ１４０は、多数の自由度を有する多数の機械付属品またはマイクロマニピュレータアームを備えるロボットとすることができる。マイクロマニピュレータ１４０は、顕微鏡（図示せず）と接続して使用することができる。顕微鏡により、カーボンナノチューブのサイズが小さいことを考えると、所望の精度の移動が可能になる。マイクロマニピュレータ１４０は、１ミクロン以下の位置解像度で動作することができ、そして部品群の位置、及び部品群の幾何学的端面を少なくとも同じ解像度で特定する能力を備えている。
【００３０】
マイクロマニピュレータアーム１４２及びマイクロマニピュレータアーム１４４は、マイクロマニピュレータ１４０に取り付けられ、かつマイクロマニピュレータ１４０によって制御される付属品とすることができる。マイクロマニピュレータアーム１４２及びマイクロマニピュレータアーム１４４は、以下に詳細に説明するように、カーボンナノチューブバンドル１３０を含む物体に取り付き、物体を移動させ、そして解放する機構を含むことができる。マイクロマニピュレータ１４０は更に、ブレード１４８を含むことができ、このブレード１４８をマイクロマニピュレータ１４０が使用することにより、カーボンナノチューブフォレスト１２０に切り込みを入れ、そしてカーボンナノチューブフォレスト１２０から、少なくとも１つのカーボンナノチューブバンドル１３０を切り出す。ブレード１４８は、マイクロマニピュレータ１４０にハンドル１４６を介して取り付けることができる。
【００３１】
カーボンナノチューブフォレスト１２０は、基板１２２に化学気相堆積法または他の公知の方法を用いて成長させたカーボンナノチューブ群の集合体とすることができる。カーボンナノチューブは、基板１２２の表面から垂直方向に成長する。カーボンナノチューブバンドル１３０は、カーボンナノチューブフォレスト１２０からブレード１４８でスライスされる。カーボンナノチューブバンドル１３０は図１では、カーボンナノチューブフォレスト１２０の一部として図示されているが、一旦、ブレード１４８が当該ブレードの切断動作を完了し、そしてマイクロマニピュレータ１４０がカーボンナノチューブフォレスト１２０の切断部分を引っ張り出してカーボンナノチューブバンドル１３０を形成すると、カーボンナノチューブバンドル１３０は、カーボンナノチューブフォレスト１２０の一部ではなくなっている。カーボンナノチューブバンドル１３０は以後、ｂｕｎｄｌｅ（バンドル）１３０と表記することができる。
【００３２】
マイクロマニピュレータ１４０は更に、ハンドリングバンド１５０及びハンドリングバンド１５２を含むことができる。上に説明したように、ファンデルワールス力は、複数のカーボンナノチューブを、商品化要求に応えるバンドルとして束ねて保持するために十分強い訳ではない。マイクロマニピュレータアーム１４２及びマイクロマニピュレータアーム１４４は、ハンドリングバンド１５０及びハンドリングバンド１５２を、カーボンナノチューブバンドル１３０の外周に取り付けて、構成カーボンナノチューブ群を平行にカーボンナノチューブバンドル１３０として束ねて保持することができる。この動作は、カーボンナノチューブバンドル１３０がカーボンナノチューブフォレスト１２０から分離されるときに行なうことができる。
【００３３】
システム１００は更に、巻取り機１７０を含むことができる。巻取り機１７０は、巻回ステーション１９０に配置することができる。巻回ステーション１９０は、カーボンナノチューブバンドル１３０を、カーボンナノチューブバンドル１３０がマイクロマニピュレータ１４０により、本明細書に記載される切断及び束ね動作を経て形成された後に収容することができる。巻取り機１７０は、カーボンナノチューブバンドル１３０を保持することができ、そしてカーボンナノチューブバンドル１３０を周回ループ状に、別のカーボンナノチューブバンドル１３０で先に形成されている既存の連結体に通しながら巻回することができる。
【００３４】
巻取り機１７０は、サドル１９２、サドル１９４、及びサドル１９６を含むことができる。サドル１９４は、既存の閉塞カーボンナノチューブ連結体の内部に、既存の閉塞カーボンナノチューブ連結体の開口状態を保持し易くする位置に配置することができる。既存の閉塞カーボンナノチューブ連結体は、新たに形成されるカーボンナノチューブ連結体を、当該閉塞カーボンナノチューブ連結体に通しながら巻回する状態で有することにより、連鎖を形成することができる。カーボンナノチューブバンドル１３０を既存の閉塞カーボンナノチューブ連結体に通しながら周回状に巻回する、またはループ状にするときに、サドル１９４が凹空間を提供して、カーボンナノチューブバンドル１３０の繊維を保持することもできる。カーボンナノチューブバンドル１３０を、既存の閉塞カーボンナノチューブ連結体の周りに、そして既存の閉塞カーボンナノチューブ連結体に通しながら巻回するときに、サドル１９２及びサドル１９６はカーボンナノチューブバンドル１３０を保持することができる。
【００３５】
巻取り機１７０は、カーボンナノチューブバンドル１３０を巻回しているときに、サドル１９２及びサドル１９６の取り付け、及び取り外しを交互に行なうことができる。サドル１９２及びサドル１９６はそれぞれ、４つのサドルハンドルを有することができるが、異なる数のハンドルを設けてもよい。サドル１９４及びサドル１９６に取り付けられるハンドルが図１１に、１つの非限定的かつ例示的な実施形態として図示されている。サドル１９２に取り付けられるハンドルは図１２に、別の非限定的かつ例示的な実施形態として図示されている。
【００３６】
巻取り機１７０は、巻取りアーム１７２、巻取りアーム１７４、巻取りアーム１７６、及び巻取りアーム１７８を有することができる。これらの巻取りアームの各巻取りアームは、突出可能かつ後退可能とすることができる。巻取りアーム１７２、巻取りアーム１７４、巻取りアーム１７６、及び巻取りアーム１７８の各巻取りアームの端部には固定具（図示せず）を設けることができ、この固定具は、サドル１９２に取り付けられるハンドル、及びサドル１９６のハンドルを把持し、そして解放する。この把持及び解放動作は、サドル１９２及びサドル１９６をサドル１９４の周りに回転させるときに行なうことができる。サドル１９２、サドル１９４、及びサドル１９６、これらのサドルのハンドル、及び本明細書に説明されるプロセスは、図２〜図１３についての説明において、以下に更に詳細に記載される。
【００３７】
巻取り機１７０は更に、拡幅棒１８０及び拡幅棒１８２を有することができる。拡幅棒１８０及び拡幅棒１８２はサドル１９４と一緒になって、既存の閉塞カーボンナノチューブ連結体の開口状態を、巻取り機１７０がサドル１９２及びサドル１９６を用いてカーボンナノチューブバンドル１３０を周回状に巻回しているときに集合的に保持することができる。この動作を利用して、相互係止カーボンナノチューブ連結体を形成することができる。
【００３８】
図２は、例示的な実施形態に従って繊維を、カーボンナノチューブ連結体を用いて形成する方法のブロック図を示している。図２に示す方法２００は、図１のシステム１００を用いて実行することができる。図２に図示されるプロセスは、図１、及び図３〜図１３に関連して説明されるプロセスの変形例とすることができる。図２に提示される操作は、“ａ  ｐｒｏｃｅｓｓ（１つのプロセス）”によって実行されるものとして記述されるが、これらの操作は、本明細書の他の箇所に説明されるように、１つ以上の物理デバイスを用いて実行することができる。
【００３９】
方法２００は、当該プロセスにおいて、ブレード１４８をマイクロマニピュレータ１４０に取り付けられるハンドル１４６を介して使用して、第１ナノチューブロープをカーボンナノチューブフォレスト１２０からスライスする（操作２０２）ことから開始することができる。次に、当該プロセスでは、巻取り機１７０を用いて、第１ナノチューブロープを第１複数周回巻きして、第１連結体を形成する（操作２０４）。次に、当該プロセスでは、ブレード１４８を用いて、第２ナノチューブロープをカーボンナノチューブフォレスト１２０からスライスする（操作２０６）。次に、当該プロセスでは、巻取り機１７０を用いて、第２ナノチューブロープを第２複数周回巻きして第２連結体を形成し、第２連結体は第１連結体に連鎖状に相互接続される（操作２０８）。
【００４０】
図２に示すプロセスは例示に過ぎない。当該プロセスは、操作の回数、及びこれらの操作を実行するためにいずれの装置を使用するかの両方に関して変えることができる。例えば、より多くの、または異なるブレード、ハンドル、及び巻取り機を使用することができる。従って、特許請求する発明は、必ずしも図２に記述される操作による限定を受けるものではない。
【００４１】
図３は、連鎖状カーボンナノチューブ繊維１０を例示的な実施形態に従って描いている。図３に示す連鎖１０は、図１のシステムを用いて、かつ方法２００の操作を用いて形成される連鎖とすることができる。図３に示す連鎖状カーボンナノチューブ繊維１０は、カーボンナノチューブバンドルにより、図１のシステムを用いて、かつ方法２００の操作を用いて形成される３つの連結体からなる垂直連鎖とすることができる。図３は、３つのカーボンナノチューブ連結体からなる連鎖を描いているが、連鎖は、２つのカーボンナノチューブ連結体を含むことができる、または４つ以上のカーボンナノチューブ連結体を含むことができる。
【００４２】
例示的な実施形態では、図３に示す連鎖は、３つの連結体、すなわち連結体２０ａ，連結体２０ｂ，及び連結体２０ｃを含むことができる。連結体２０ａ，連結体２０ｂ，及び連結体２０ｃが図３に現われて、同一の長さ、幅、及び他の物理的特徴を共有しているが、１つの実施形態では、連結体２０ａ，連結体２０ｂ，及び連結体２０ｃは、ほぼ同一の物理的特徴を共有しない。
【００４３】
図３の連結体２０ａは、連結体２０ｂ及び連結体２０ｃの類似構成部品に固有の構成部品を備えるものとして描かれている。説明を進めるために、本明細書における連結体２０ａについての説明は、連結体２０ｂ及び連結体２０ｃに当てはめることができる。説明を進めるために、そして説明を容易にするために、連結体２０ａ，連結体２０ｂ，及び連結体２０ｃに共通する特徴が説明されている場合、これらの連結体は、一括して連結体２０と表記することができる。
【００４４】
連結体２０ａ，連結体２０ｂ，及び連結体２０ｃの各々は、２つの直線セクション２２と、そして２つの端部セクション２４と、を含むことができる。連結体２０ａ，連結体２０ｂ，及び連結体２０ｃの各連結体は、複数巻のカーボンナノチューブバンドル１３０を含むことができる。
【００４５】
記号Ａ−Ａ及びＢ−Ｂは、連結体２０ａの断面図を指している。断面図Ａ−Ａは図４に描かれ、図４は、カーボンナノチューブ繊維の別の幾何学構造の図であり、そして連結体２０ａの直線セクション２２の断面４０の図を描いている。断面図Ｂ−Ｂは図５に描かれ、図５は、カーボンナノチューブ繊維の別の幾何学構造の図であり、そして連結体２０ａの端部セクション２４の断面図を描いている。
【００４６】
上に説明したように、システム１００の構成要素によって形成され、かつ１つの実施形態である連結体２０を有するカーボンナノチューブ連結体は、図１のバンドル１３０のようなカーボンナノチューブバンドルを複数周回巻きした製品とすることができる。断面図Ａ−Ａに含まれる各方形は、図４のバンドル１３０としても表示され、かつバンドル１３０を１周回巻したときのカーボンナノチューブバンドル１３０の１つのセグメントとすることができる。
【００４７】
図４の断面図Ａ−Ａの円形断面４０内に図示されているように、直線セクション２２は、複数巻したカーボンナノチューブバンドル１３０を含むことができる。円形断面４０の所定の箇所では、バンドル１３０の１つ以上のセグメントには、図４のバンドルセグメント５０により図示されているように、当該バンドルの長手軸まわりの撚りを付与することができる。
【００４８】
カーボンナノチューブバンドル１３０は円形、卵形、または競馬場形に巻き付けることができるので、１巻きしたカーボンナノチューブバンドル１３０の最外殻部分は、１巻きしたカーボンナノチューブバンドル１３０の最内殻部分よりも長い距離を走行することになる。カーボンナノチューブバンドル１３０の一方の端部が、カーボンナノチューブバンドル１３０を巻回し始める箇所に固定されている状態では、最外殻部分が最内殻部分よりも長い距離を走行すると、最内殻部分が、カーボンナノチューブバンドル１３０の最外殻部分を最遠端の位置で通り越して延びてしまう。
【００４９】
この結果、最遠端を保持するのが困難になってしまうか、またはカーボンナノチューブバンドル１３０の座屈が、カーボンナノチューブバンドル１３０が保持される箇所で生じる。保持できないか、または座屈が生じると、カーボンナノチューブバンドル１３０の結束性が低下する、またはカーボンナノチューブバンドル１３０のハンドリングが一層難しくなる。
【００５０】
この実施形態では、カーボンナノチューブバンドル１３０には、各１回の巻き回しについて各直線セクション２２に沿ったカーボンナノチューブバンドル１３０の長軸回りの９０度の回転、または１８０度の回転の何れかの回転が付与される。これらの２種類の回転の何れの回転によっても、カーボンナノチューブバンドル１３０の座屈を軽減し易くすることができる。これらの２種類の回転の何れの回転によっても更に、カーボンナノチューブバンドル１３０の一方の側から、１周巻きの時点の巻回起点、または半周巻きの時点の巻回起点の何れかの巻回起点に至る束走行部の不均一性を抑制することができる。
【００５１】
カーボンナノチューブバンドル１３０に、巻取り機１７０による回転中に撚りを付与する別の手法を利用することができる。このような第１の手法では、１つの方向に連結体２０の一方の側に撚りを付与し、そして反対方向に、連結体２０の他方の側に撚りを付与することができる。このような第２の手法では、必ず１回巻きごとに、または半回巻きごとにではないが、周期的に撚りを付与することができる。
【００５２】
図５の断面図Ｂ−Ｂに図示されているように、隣接する連結体の端部セクション２４は、連結体２０ａ及び連結体２０ｂを含む連鎖に中程度の引っ張り力が加わっている状態で、互いの端部セクションの回りに巻き付けることができる。図５は、図５に炭素繊維ナノチューブ群６０として描かれている個々のカーボンナノチューブの集合体により形成されるカーボンナノチューブバンドル１３０を描いた切り欠き部Ｃを含む。これらの炭素繊維ナノチューブ６０は、これらの炭素繊維ナノチューブがカーボンナノチューブフォレスト１２０に含まれているときに結束して集合体となっている。図５に示す炭素繊維ナノチューブ群６０は、単層カーボンナノチューブとして描かれている。１つの実施形態では、図５に示す炭素繊維ナノチューブ群６０は、単層カーボンナノチューブとすることができる。
【００５３】
断面図Ａ−Ａでは、カーボンナノチューブバンドル１３０のセグメント群は、必ずしも互いに極めて近接している訳ではないが、断面図Ｂ−Ｂでは、カーボンナノチューブバンドル１３０のセグメント群は、互いに極めて近接することができる。“ｃｌｏｓｅ  ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ（極めて近接している）”とは、隣接するバンドルの外周面の回りに在る隣接するカーボンナノチューブの間に働くファンデルワールス力が、１つのバンドル内の隣接するカーボンナノチューブの間に働くファンデルワールス力の少なくとも約１％に相当するときの距離として定義することができる。この差は、図３に示す連鎖１０が、連鎖１０に中程度の引っ張り力が加わっている状態として描かれているので生じる可能性がある。連鎖１０を並べて配置して繊維を形成する場合、引っ張り力が増大し、そして連結体２０の直線セクション２２のセグメント群の間の間隔が狭くなる。
【００５４】
例示的なサイズとして、カーボンナノチューブバンドル１３０は、カーボンナノチューブフォレスト１２０から、２ミクロン×２ミクロン×４センチメートルの寸法の矩形並列管状に切り出すことができる。連結体２０は、１／１０ミリメートル〜１ミリメートルの長手寸法を有することにより、２００回〜２０回の範囲で巻き回すことができる。連結体２０の横寸法は、平坦方向に約３５ミクロンとし、そして連結体２０の端部の巻き方向に約５０ミクロンとすることができる。カーボンナノチューブバンドル１３０はこの例では、約１０，０００〜４０，０００本のカーボンナノチューブを含むことになる。
【００５５】
カーボンナノチューブバンドル１３０は、２つの端部を有することができ、これらの端部の各端部は、連結体２０に取り付けられる。取り付けられないままで放置される場合、連結体２０は、連鎖１０を引き伸ばすと、ほどけてしまう可能性がある。
【００５６】
従って、カーボンナノチューブバンドル１３０の両端部を連結体２０ａに取り付ける手段を図６に示す。図６は、連結体２０の直線部分２２の短セグメントを図示している。図６は、カーボンナノチューブバンドル１３０の両端部のうちの一方の端部をバンドル端部３５として図示している。図６のバンドル端部３５は、連結体２０の巻回繊維の回りに巻き付けることができる。薄いポリマー層をバンドル端部３５及び当該バンドル端部の周囲領域の上に塗布して、バンドル端部３５を所定の位置に保持することができる。他方の自由端部（図示せず）は、連結体２０ａに同様にして取り付けることができる。
【００５７】
連結体２０における巻き付けバンドル端部３５とセグメント群の残りの部分との間の接着せん断強度は、カーボンナノチューブバンドル１３０の引っ張り強度と比較して小さい可能性がある。しかしながら、連結体２０の長さが比較的長いことによって、連結体２０の断面積と比較して、接触面積をより大きくすることができる。更に、巻き付けたバンドル端部３５全体に沿って作用する合計せん断力は、バンドル端部３５が巻きほどけない程度のものでしかない。別の構成として、連結体２０が十分長い場合、バンドル端部３５の表面とカーボンナノチューブバンドル１３０の隣接する長さ部分との間に働くファンデルワールス力は、ほどけを防止するために十分な大きさであり、そしてバンドル端部３５は、連結体２０に沿って真っ直ぐに配置することができる。
【００５８】
例示的な実施形態は更に、連結体２０の巻き付け直線セクション２２を含むことにより、連結体２０の圧縮強度を高める。連結体２０の圧縮強度は、カーボンナノチューブバンドル１３０のセグメント群を連結体２０の各側で圧密状態を保持することにより高めることができる。
【００５９】
図７は、巻き付けて結束させた状態の連結体２０の直線部分を例示的な実施形態に従って図示している。図７に示す連結体２０の外周には、少なくとも１つのカーボンナノチューブバンドル１３０を含む更に別のナノチューブロープを巻き付けることができる、または連結体２０を形成するために使用されるカーボンナノチューブバンドル１３０の両側の巻緩み端を巻き付けることができる。図７では、連結体２０は、連結体２０の直線セクション２２の回りに巻き付けた外側巻回体８０を有する。外側巻回体８０をきつく引っ張ると、直線セクション２２を合体させることができる。平行に巻回される、または直列に巻回される１本よりも多くのカーボンナノチューブバンドル１３０を用いて連結体２０に巻き付けることができる。
【００６０】
連結体２０の圧縮不良が、カーボンナノチューブの座屈不安定性に起因している可能性があるので、圧縮強度を高める材料だけが、座屈の開始を抑制するために十分な強度を有していればよい。外側巻回体８０は、連結体２０を形成するために使用されるカーボンナノチューブバンドル１３０の強度と同程度の強度を有する必要がないので、外側巻回体８０は、官能基を導入したカーボンナノチューブまたはカーボンナノチューブ糸により形成することができる。官能基を導入したカーボンナノチューブにより形成される外側巻回体８０は、複合材料に埋め込まれる場合には、マトリックス材料との連結体２０の結合を強めることができる。カーボンナノチューブバンドル１３０の自由端部の場合と同じように、図７に自由端部８５として図示される外側巻回体８０の自由端部は連結体２０に、ポリマーまたは他の手段によって取り付けられる必要がある。別の構成として、取り付け前に、長いカーボンナノチューブ糸を使用して、連結体２０ａ，連結体２０ｂ，及び連結体２０ｃに巻き付けることができる、または長いカーボンナノチューブ糸を連結体２０ａ，連結体２０ｂ，及び連結体２０ｃに、隣接する繊維として巻き付けることができる。図７に示す巻き付けによって連結体２０の圧縮強度を高めることができるが、連結体２０自体を、隣接する連結体２０の端部セクション群２４の回りに巻回することができるので、座屈が依然として起こり得る。
【００６１】
隣接する連結体を図示している図３に戻ってこの図を参照するに、連結体２０ｂは、連結体２０ａと連結体２０ｃとの間に在るものとして図示することができる。連結体２０ａ及び連結体２０ｃは、連結体２０ｂに隣接させることができる。連結体２０ａ，連結体２０ｂ，または連結体２０ｃの何れかの、または全ての座屈は、これらの連結体に隣接する連結体を巻回することにより生じてしまう。図７に示す巻き付けによって、端部セクション群２４を、隣接する連結体の端部セクション群２４の回りに強く密着して引き出すことができる。しかしながら、巻回移動を用いることもできる。
【００６２】
巻回によって生じる不具合を更に減らすために、隣接する繊維の連結体群を図８に示すように、接合合体させることができる。図８では、連鎖１０及び連鎖９０が互いに平行に延在している。連鎖１０及び連鎖９０の各連鎖の連結体を３つしか図示していないが、より多くの、またはより少ない連結体を設けることができる。
【００６３】
例示的な実施形態では、連鎖９０は、連鎖１０よりも後方に連結体脚部直径１つ分だけずらして配置することができる。連鎖９０は、連鎖１０よりも後方に連結体脚部直径２つ分だけずらして配置してもよい。連鎖９０は、連鎖１０から軸方向に連結体長さの半分だけずらして配置することができる。連鎖１０及び連鎖９０は、連結巻回体群９６によって、直線部分２２が連鎖１０と連鎖９０との間で隣接する箇所で結束させることができる。連結巻回体群９６は、連鎖１０及び連鎖９０の各連鎖が、端部セクション群２４の位置で回動するのを防止することができる。回動は、これらの連結体のうちの１つの連結体の直線部分２２が湾曲している場合にのみ起こり得る。連鎖１０及び連鎖９０は接合されると、連鎖１０単独、または連鎖９０単独よりも大きい圧縮強度を有することができる繊維を形成することになる。１つの実施形態では、第３連鎖または更に別の連鎖（図示せず）を連鎖９０に対して、連鎖９０が連鎖１０に対して配置されるのと同様にして、配置することができる。この拡張構造では、連結巻回体群によって接続される連鎖群の集合体が薄い平面を構成することができる。
【００６４】
２つの一般的方法を用いて、繊維をカーボンナノチューブにより構成される連結体２０ａ，連結体２０ｂ，及び連結体２０ｃから形成することができる。第１の方法は巻取方法である。第２の方法は通糸方法である。両方の方法では、プロセスは、カーボンナノチューブバンドル１３０をカーボンナノチューブフォレストから切り出すことにより始めることができる。当該プロセスは、マイクロマニピュレータブレード１４８で、カーボンナノチューブフォレストの上部に切り込みを入れて、カーボンナノチューブバンドルの上部をカーボンナノチューブフォレスト１２０の残りの部分から分離する。次に、マイクロマニピュレータアーム１４２でハンドリングバンド１５０をカーボンナノチューブバンドル１３０の上部の近傍に配置する。次に、マイクロマニピュレータアーム１４２でハンドリングバンド１５０を把持する。次に、マイクロマニピュレータアーム１４２でカーボンナノチューブバンドル１３０を、カーボンナノチューブフォレスト１２０から引き離す。マイクロマニピュレータアーム１４２でハンドリングバンド１５０をカーボンナノチューブバンドル１３０の下部の近傍に配置する。マイクロマニピュレータアーム１４２でカーボンナノチューブバンドル１３０を巻回ステーション１９０に移動させる。次に、巻回ステーション１９０は、カーボンナノチューブバンドル１３０を１本の連結体として巻回して連鎖を形成することができる。上に説明した方法は、例えば幾つかの操作を追加する、または削除する、或いは変更することにより変えることができる。
【００６５】
図９は、カーボンナノチューブバンドルをカーボンナノチューブフォレストから分離する状況にあるカーボンナノチューブフォレストの模式図を、例示的な実施形態に従って図示している。カーボンナノチューブフォレスト９００は、図１のカーボンナノチューブフォレスト１２０とすることができる。カーボンナノチューブバンドル９０２は、図１のカーボンナノチューブバンドル１３０とすることができる。ブレード９０６は図１のブレード１４８とすることができる。ハンドル９０８は図１のハンドル１４６とすることができる。
【００６６】
基板９０４は、カーボンナノチューブ繊維のカーボンナノチューブフォレスト９００を保持することができる。カーボンナノチューブバンドル９０２は、カーボンナノチューブフォレスト９００からブレード９０６で分離されている。ブレード９０６はハンドル９０８に接続することができる。ブレード９０６でまず、切り込みを、カーボンナノチューブフォレスト９００の面２６０に沿って、かつ面２６２及び面２６４を定義する直線群に沿って入れることができる。ブレード９０６を押し下げ、そして面２６２に略直交する方向２７０に移動させることができる。ブレード９０６を押し下げ、そして移動させると、カーボンナノチューブバンドル１３０の上部を、カーボンナノチューブフォレスト９００の残りの部分から離れる方向に曲げることができる。
【００６７】
図１０は、図１のシステム１００のハンドリングバンド１５０及びハンドリングバンド１５２に対応するハンドリングバンド３００の１つの実施形態を図示している。ハンドリングバンド３００は、バンド３１０と、バンドハンドル３２０と、そしてバンドハンドル３３０と、を含むことができる。バンド３１０は、スプリングスチールのようなバネ状材料により形成することができる。バンド３１０は、バンド３１０が図１０に示すような弛緩状態のときに、バンド３１０をカーボンナノチューブバンドル１３０の一方の端部の回りに密に当接することができるような形状に曲げることができる。バンドハンドル３２０及びバンドハンドル３３０は、バンドハンドル３２０及びバンドハンドル３３０が、外側に引っ張られると、すなわち図１０の方向３２２及び方向３３２に引っ張られると、バンド３１０が広がってカーボンナノチューブバンドル１３０の一方の端部が滑り落ちるように取り付けることができる。
【００６８】
図１１は、巻取方法の形態を例示的な実施形態に従って図示している。図１１では、ナノチューブ繊維により既に形成されている連鎖の既存の連結体群が、図示の上部連結体に対して下方に延在し、そして新たな連結体を図１の連鎖１０のような既存の連鎖の上部に設けようとしている。
【００６９】
図１１は、巻取り機４００を図示しており、この巻取り機４００は、サドル４１０（当該サドル４１０は、図１のサドル１９２とすることができる）、サドル４２０（当該サドル４２０は、図１のサドル１９４とすることができる）、及びサドル４３０（当該サドル４３０は、図１のサドル１９６とすることができる）を含むことができる。このように、巻取り機４００は、図１のシステム１００が提供する巻取り機１７０に類似させることができる。
【００７０】
非拡幅連結体４４０は、拡幅連結体４５０の真下の連結体とすることができる。拡幅連結体４５０は、新たに相互接続される連結体を、本明細書において教示される方法を利用して受け入れることができる。拡幅連結体４５０は、４箇所で拘束することができるが、異なる数の箇所を利用してもよい。４箇所は、非拡幅連結体４４０、サドル４２０、拡幅棒４６０、及び拡幅棒４７０とすることができる。
【００７１】
巻取方法の別の形態の図である図１２では、サドル４１０（当該サドル４１０は、図１のサドル１９２とすることができる）の拡大図Ａは、サドルハンドル４１２、サドルハンドル４１４、サドルハンドル４１６、及びサドルハンドル４１８を図示している。サドル４１０は開始スロットを有することができる。例えば、スロット４９０は、炭素繊維ナノチューブを収容し、そして保持することができる。図１１のサドル４３０の場合、サドルハンドル４３２及びサドルハンドル４３４に記号を付すことができる。
【００７２】
図１のシステム１００の巻取り機１７０は、突出し、そして後退する巻取りアーム１７２、巻取りアーム１７４、巻取りアーム１７６、及び巻取りアーム１７８（図１の全て）を有することができる。巻取りアーム１７２、巻取りアーム１７４、巻取りアーム１７６、及び巻取りアーム１７８の各巻取りアームの端部には、サドル４１０の１つのハンドルを把持する固定具（図示せず）が設けられる。巻取りアーム１７２、巻取りアーム１７４、巻取りアーム１７６、及び巻取りアーム１７８は、これらの巻取りアームが、巻取りサドル４１０のサドルハンドル４１２及びサドルハンドル４１４を把持し、そして巻取りサドル４１０のサドルハンドル４３２及びサドルハンドル４３４を把持することができるように配置することができる。
【００７３】
巻取り機１７０は、サドル１９４の軸と一直線上に位置させることができる中心線４８０の回りに回転することができる。図１１の右側から中心線４８０に沿って眺めると、当該回転は時計回りとなる。カーボンナノチューブバンドル１３０の下側部分は、開始スロット４９０に、開始スロット４９０の下方のカーボンナノチューブバンドル１３０の下側端部に位置するハンドリングバンド１５０を用いて収容される。サドル４１０は図１１に示す通りの姿勢とすることができる。
【００７４】
カーボンナノチューブバンドル１３０の残りの部分は、サドル４１０の背後で移動させることができ、これにより、カーボンナノチューブバンドル１３０に中程度の引っ張り力が加わるようにする。巻取り機１７０が回転すると、カーボンナノチューブバンドル１３０の上側端部とサドル４１０との間の距離を短くすることができるので、引っ張り力を一定に保つことができる。
【００７５】
別の例示的な実施形態では、更に別のサドルを設けることができる。例えば、図１のサドル１９４のような第２サドルによって、カーボンナノチューブバンドル１３０をサドル４１０及び第２サドルに巻き回すときのカーボンナノチューブバンドル１３０の位置合わせを容易にすることができる。
【００７６】
巻取り機１７０が回転し、そして姿勢が、サドルハンドルを保持している方の巻取り機１７０の構成部分が、拡幅連結体４５０に接近するような姿勢になると、巻取り機１７０は、巻取り機１７０が保持するサドルハンドルを変更することができる。例えば、図１１の姿勢では、巻取り機１７０は、サドルハンドル４３４を保持していることになる。回転の一部として、回転運動を一時的に停止することができる。この場合、巻取りアーム１７２及び巻取りアーム１７４のうちの一方の巻取りアームが突出し、そしてサドルハンドル４３２を把持することになる。一旦、このハンドルが固定されると、サドルハンドル４３４を解放し、そしてサドルハンドル４３４を保持する巻取りアーム１７２または巻取りアーム１７４を後退させる。次に、回転運動を再開することができる。同様の操作は、別の半回転の後に、サドル４１０が拡幅連結体４５０の中間の位置に到達するときに行なうことができる。巻取りアーム１７２及び巻取りアーム１７４の突出及び後退が十分高速に行なわれる場合、回転運動は、把持している方のハンドルを変更するときに完全に停止させる必要はない。
【００７７】
以下の内容は、１本の連結体２０をカーボンナノチューブバンドル１３０から形成するこれまでの節で説明してきた巻取方法の概要である。この概要は、特許請求する発明を必ずしも限定するものではなく、本明細書の他の箇所に記載されるように、変更することができる。
【００７８】
１．サドル１９２、サドル１９４、及びサドル１９６を組み立て、サドル１９２、サドル１９４、及びサドル１９６を巻取り機１７０に配置し、そして巻取り機１７０を位置決めする。
２．ハンドリングバンド１５０を、サドル１９２の開始スロット４９０に収まるカーボンナノチューブバンドル１３０の上側端部に配置する。
３．カーボンナノチューブバンドル１３０の上側端部にあるハンドリングバンド１５２を移動させることにより、カーボンナノチューブバンドル１３０の残りの部分を上側サドルの上で巻回する。
４．巻取り機１７０を２分の１回転させる。
５．巻取り機１７０で下側サドルの隣接ハンドルを把持し、そして第１ハンドルの把持を解放する。
６．配向したカーボンナノチューブバンドル１３０に半回転または４分の１回転の撚りを付与する。
７．上記工程４〜６を巻回が完了するまで繰り返す。
８．カーボンナノチューブバンドル１３０の自由端部を連結体の直線部分２２の回りに巻回する。ハンドリングバンド１５０をカーボンナノチューブバンドル１３０の上部から取り外し、余剰部分を切り離し、そしてハンドリングバンドを連結体から離れるように移動させる。
９．カーボンナノチューブバンドル１３０の下部にあるハンドリングバンド１５０を開始スロット４９０から取り外し、端部を連結体の他方の直線部分２２の回りに巻き付ける。
１０．ポリマーを塗布して両端部を固定する。
【００７９】
巻回した連結体２０からのサドル１９２、サドル１９４、及びサドル１９６の取り外しを容易にするために、図１３に示すように、サドル１９２、サドル１９４、及びサドル１９６を、組み立てに使用される中央の位置合わせピンの位置で分割する。サドルを、巻回カーボンナノチューブ連結体から取り外したときの様子を図示している図１３では、サドル５００は、サドル半体５１０及びサドル半体５２０を嵌め合わせることにより形成することができる。サドル半体５１０は、位置合わせピン５３０及び位置合わせピン５４０を含むことができ、これらの位置合わせピンをそれぞれ、サドル半体５２０の位置合わせ孔５３２及び位置合わせ孔５３４に嵌め込む。開始スロット５４２は、スロット半体５４０ａ及びスロット半体５４０ｂにより形成することができる。これらの配置は、例えばピン群及び孔群の数を変える、何れのサドル半体がピン群または孔群を有するようにするかを変える、ピン群及び孔群を交互に配置する、多数のサドル部材を使用する、非対称に分割されるサドル部材を使用する、そして多くの他の別の構成を用いることにより変更することができる。このように、上記説明は、必ずしも特許請求する発明を限定するものではない。
【００８０】
巻取方法に代わる別の方法が糸通し方法である。糸通し方法では、図１１に示す基本構造を用いることができる。しかしながら、マイクロマニピュレータ１４０及び巻取り機１７０を使用する巻取方法とは異なり、糸通し方法では、巻取り機１７０を使用しないようにすることができる。巻取り機を使用するのではなく、糸通し方法では、マイクロマニピュレータ１４０を単独で使用することができる。１つの採用可能な糸通し方法の工程群は以下の通りである。この概要は、必ずしも特許請求する発明を限定するものではなく、本明細書の他の箇所で説明されるように、変更することができる。
【００８１】
１１．巻回サドル（図示せず）を、サドル半体を押圧合体させることにより所定の場所に配置する。
１２．ハンドリングバンド１５０を、開始スロットに収容されるカーボンナノチューブバンドル１３０の下部に配置する。
１３．サドル下の拡幅連結体に糸通しする。ハンドリングバンド１５０の保持部をカーボンナノチューブバンドル１３０の上部に取り付け、そしてマイクロマニピュレータ１４０の左側から右側に通過させる。連鎖の第１連結体の場合、操作は、糸通しする物理的連結体が無いことを除き、同じである。
１４．繰り出し、そして上側サドルに巻き付け、配向したカーボンナノチューブバンドル１３０に半回転または４分の１回転の撚りを、カーボンナノチューブバンドル１３０が上側サドルから下方に走行するときに付与する。
１５．上記工程１３及び１４を巻回が完了するまで繰り返す。
１６．カーボンナノチューブバンドル１３０の自由端部を連結体の直線部分２２の回りに巻回する。ハンドリングバンド１５２を上部から取り外し、余剰部分を切り取り、そしてハンドリングバンド１５２を連結体２０から離れるように移動させる。
１７．下部にあるハンドリングバンド１５０を開始スロットから取り外し、そして端部を連結体の他方の直線部分２２の回りに巻き付ける。
１８．ポリマーを塗布して両端部を固定する。
【００８２】
このプロセスは、変更することができる。例えば、連結体２０には、幾つかの平行バンドル３０を同時に巻回することができる。他の例示的な実施形態では、炭素繊維ナノチューブ以外のナノ繊維を通すことができる。例えば、炭化珪素繊維または窒化ホウ素繊維からなるナノ繊維を、上記方法を用いて巻回することができる。
【００８３】
形成した連結体２０を用いて、成長してカーボンナノチューブフォレスト１２０を構成するカーボンナノチューブの平均強度を測定することができる。カーボンナノチューブ連鎖１０の繊維を、反応炉内を走行させることにより、グラファイト層を連鎖１０の回りに堆積させることができる。このような層は、従来の複合材加工品に含まれるポリマーと反応することができる。
【００８４】
異なる例示的な実施形態に関する記載を提示して、例示及び説明を行ってきたが、当該記載を網羅的に行なおうとしているのではない、または当該記載を開示される構成の実施形態に限定しようとしているのではない。多くの変形及び変更が存在することは、この技術分野の当業者には明らかであろう。更に、異なる例示的な実施形態は、他の例示的な実施形態とは異なる特徴を提供することができる。選択される実施形態または実施形態群は、これらの実施形態の原理、実際の用途を最も良く説明するために、そしてこの技術分野の他の当業者が、想定される特定の使用に適合するように種々の変更が加えられる種々の実施形態の開示内容を理解することができるように選択され、そして記載されている。
【符号の説明】
【００８５】
１０  連鎖
２０ａ  連結体
２０ｂ  連結体
２０ｃ  連結体
２２  直線セクション
２４  端部セクション
３０  平行バンドル
３０ａ  図５に示される平行バンドル
３０ｂ  図５に示される平行バンドル
３５  バンドル端部
４０  直線セクション２２の断面
５０  バンドルセグメント
８０  外側巻回体
８５  自由端部
９０  連鎖
９６  連結巻回体群
１２０  カーボンナノチューブフォレスト
１２２  基板
１３０  カーボンナノチューブバンドル
１４０  マイクロマニピュレータ
１４２  マイクロマニピュレータアーム
１４４  マイクロマニピュレータアーム
１４６  ハンドル
１４８  ブレード
１５０  ハンドリングバンド
１５２  ハンドリングバンド
１７０  巻取り機
１７２  巻取りアーム
１７４  巻取りアーム
１７６  巻取りアーム
１７８  巻取りアーム
１８０  拡幅棒
１８２  拡幅棒
１９０  巻回ステーション
１９２  サドル
１９４  サドル
１９６  サドル
２０２  操作
２０４  操作
２０６  操作
２０８  操作
２６０  カーボンナノチューブフォレスト９００の面
２６２  面
２６４  面
２７０  面２６２に略直交する方向
３００  ハンドリングバンド
３１０  バンド
３２０  バンドハンドル
３２２  図１０に示される方向
３３０  バンドハンドル
３３２  図１０に示される方向
４００  巻取り機
４１０  サドル
４１２  サドルハンドル
４１４  サドルハンドル
４１６  サドルハンドル
４１８  サドルハンドル
４２０  サドル
４３０  サドル
４３２  サドルハンドル
４３４  サドルハンドル
４４０  非拡幅連結体
４５０  拡幅連結体
４６０  拡幅棒
４７０  拡幅棒
４８０  中心線
４９０  スロット
５００  サドル
５１０  サドル半体
５２０  サドル半体
５３０  位置合わせピン
５３２  位置合わせ孔
５３４  位置合わせ孔
５４０  位置合わせピン
５４０ａ  スロット半体
５４０ｂ  スロット半体
５４２  開始スロット
９００  カーボンナノチューブフォレスト
９０２  カーボンナノチューブバンドル
９０４  基板
９０６  ブレード
９０８  ハンドル
【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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【外国語明細書】
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2014151437000002.pdf
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