(57)【要約】【課題】【解決手段】  シールド電線は、マトリックス材中にカーボンナノ構造（ＣＮＳ）材料を含むＣＮＳシールド層を含み、ＣＮＳシールド層は、モノリシックであり、且つ、誘電層及び導電線の周囲に配置され、誘電層は、ＣＮＳシールド層と導電線の間に配置される。押出成形熱可塑性被覆はＣＮＳ材料を含み、押出成形熱可塑性被覆は少なくとも１本の電線を保護するように構成される。熱可塑性物品はＣＮＳ浸出繊維材料及び可撓性熱可塑性樹脂を含む。【選択図】  図１
2015518635.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリックス材中にカーボンナノ構造（ＣＮＳ）材料を含むＣＮＳシールド層を含むシールド電線であって、前記ＣＮＳシールド層は、モノリシックであり、且つ、導電線及び任意選択の誘電層の周囲に配置され、前記誘電層は、存在する場合、前記ＣＮＳシールド層と前記導電線の間に配置されるシールド電線。
【請求項２】
編組シールドをさらに含む、請求項１に記載のシールド電線。
【請求項３】
前記編組シールドが、前記ＣＮＳシールド層の周囲に配置される、請求項２に記載のシールド電線。
【請求項４】
前記編組シールドが、前記ＣＮＳシールド層と前記誘電層の間に配置される、請求項２に記載のシールド電線。
【請求項５】
前記編組シールドが、第２のＣＮＳ材料をさらに含む、請求項２に記載のシールド電線。
【請求項６】
前記ＣＮＳ材料が、ＣＮＳ浸出繊維材料を含む、請求項１に記載のシールド電線。
【請求項７】
前記ＣＮＳ浸出繊維材料が、ガラス又は炭素繊維を含む、請求項６に記載のシールド電線。
【請求項８】
前記ＣＮＳ浸出繊維材料が、短繊維を含む、請求項６に記載のシールド電線。
【請求項９】
前記ＣＮＳ浸出繊維材料が、連続繊維を含む、請求項６に記載のシールド電線。
【請求項１０】
前記マトリックス材が、熱可塑性又は熱硬化性樹脂を含む、請求項１に記載のシールド電線。
【請求項１１】
前記マトリックス材が、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ、マイラー）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、及びポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）からなる群から選択されるポリマーを含む、請求項１に記載のシールド電線。
【請求項１２】
前記シールド電線が、同軸ケーブルとして構成される、請求項１に記載のシールド電線。
【請求項１３】
前記ＣＮＳシールド層が、水遮断材料をさらに含む、請求項１に記載のシールド電線。
【請求項１４】
ＣＮＳ材料を含む押出成形熱可塑性被覆であって、少なくとも１本の電線を保護するように構成された、押出成形熱可塑性被覆。
【請求項１５】
前記ＣＮＳ材料は、基材から採取され、この基材上に作製される、請求項１４に記載の押出成形熱可塑性被覆。
【請求項１６】
前記ＣＮＳ材料が、短繊維上に浸出される、請求項１４に記載の押出成形熱可塑性被覆。
【請求項１７】
前記短繊維が、ガラス又は炭素を含む、請求項１６に記載の押出成形熱可塑性被覆。
【請求項１８】
水遮断添加剤をさらに含む、請求項１４に記載の押出成形熱可塑性被覆。
【請求項１９】
ＣＮＳ浸出繊維材料と、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ、マイラー）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、及びポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）からなる群から選択される少なくとも１つを含む可撓性熱可塑性樹脂とを含む、熱可塑性物品。
【請求項２０】
水遮断添加剤をさらに含む、請求項１９に記載の熱可塑性物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の提示）
本出願は、２０１０年４月２３日出願の米国特許出願第１２／７６６，８１２号の一部継続出願であり、これは２００９年４月２４日出願の米国仮特許出願第６１／１７２，５０３号及び２００９年４月２８日出願の米国仮特許出願第６１／１７３，４３５号の利益を主張し、上記出願は両方とも参照によりその全体を本明細書に組み込むものとする。
【０００２】
本発明は、一般に、電磁（ＥＭ）放射を吸収する材料に関する。
【背景技術】
【０００３】
電気及び電子回路の性能は、電磁誘導又は外部源から放出される電磁放射による望ましくない妨害から悪影響を受けることがある。このような望ましくない妨害は、電気及び電子回路の効果的な性能を干渉、遮断又は他の方法で低下させることがある。外部電磁障害（ＥＭＩ）から電気及び電子回路をシールドするハウジング構造が開発されている。ＥＭＩシールドは通常、内部密閉空間への電磁界の侵入を制限するようにハウジング構造を構成することによって達成される。ハウジング構造は、導体を使用して製造され、電磁界を阻止するバリアとして作用する「ファラデーケージ」として知られる。特に、及び当技術分野で知られているように、ファラデーケージは導体によって形成された筐体であり、外部電磁障害を阻止するために使用することができる。ハウジング構造が外部電磁力を受けると、導体ハウジング構造内に電流が発生し、この電流が次に外部電磁界の反対でそれを相殺する電磁力を生成する。
【０００４】
同様に、落雷防護システムは導電ハウジングを使用して、導電性ハウジング構造を流れる電流の加熱作用を軽減しながら、落雷電流に低インピーダンス路を提供する。これらの加熱作用の軽減は、落雷による火災の危険を緩和する。
【０００５】
通常、このようなＥＭＩシールドハウジング構造及び／又は落雷防護用途の製造に使用される導体は、銅及びアルミニウムのような導電性が高い金属を含む。しかし、これらの金属は比較的重い。複合材料のようなこれより軽量の材料又は「複合材料」は、炭素などの導電性繊維で作成されているが、通常は絶縁性であり、したがってマトリックス材（例えば樹脂）の存在により、ＥＭＩシールド及び落雷防護特性が不良である。このような複合材料は、その所与の特性により望ましいものであるが、良好なＥＭＩシールド及び／又は落雷防護特性を必要とする用途には適切でない。
【０００６】
複合材料のＥＭＩシールド及び落雷防護特性を改善するために、複合材料に金属充填材、金属コーティング、金網、又は他の金属構成要素が組み込まれてきた。しかし、このような組み込みの結果、重量及び複雑性が増した複合材料になった。ＥＭＩシールド及び／又は落雷防護用途に使用するのに適切な代替複合材料が望まれている。本発明はこの要求を満たし、関連する利点も提供する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
幾つかの態様では、本明細書で開示する実施形態は、少なくともマトリックス材の一部に配置されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）浸出繊維材料を含む電磁障害（ＥＭＩ）シールド用途に使用される複合材料に関する。複合材料は、約０．０１ＭＨｚから約１８ＧＨｚの間の周波数範囲で、電磁（ＥＭ）放射を吸収する、ＥＭ放射を反射する、又はその組み合わせを実行することができる。複合材料のＥＭシールド能力は、電磁障害（ＥＭＩ）シールド効果（ＳＥ）として測定され、約４０デシベル（ｄＢ）から約１３０ｄＢの範囲である。
【０００８】
幾つかの態様では、本明細書で開示する実施形態は、前述した複合材料を製造する方法に関し、該方法は、ＣＮＴ浸出繊維材料をマトリックス材の一部に、マトリックス材内のＣＮＴ浸出繊維材料の配向を制御した状態で配置させることと、マトリックス材を硬化することとを含む。ＣＮＴ浸出繊維材料の制御された配向は、全体的な複合材料構造内でそれに浸出されたＣＮＴの相対的配向を制御する。
【０００９】
幾つかの態様では、本明細書で開示する実施形態は、前述した複合材料を含むパネルに関する。パネルは、ＥＭＩシールド用途に使用するためにデバイスとインタフェースをとるように構成可能にすることができる。パネルはさらに電気アースを備える。
【００１０】
幾つかの態様では、本明細書で開示する実施形態は、マトリックス材中にカーボンナノ構造（ＣＮＳ）材料を含むＣＮＳシールド層を備えるシールド電線を提供し、ＣＮＳシールド層はモノリシックであり、且つ、導電線及び任意選択の誘電層の周囲に配置され、誘電層は、存在する場合、ＣＮＳシールド層と導電線の間に配置される。
【００１１】
幾つかの態様では、本明細書で開示する実施形態は、ＣＮＳ材料を含む押出成形熱可塑性被覆を提供し、押出成形熱可塑性被覆は少なくとも１本の電線を保護するように構成される。
【００１２】
幾つかの態様では、本明細書で開示する実施形態は、ＣＮＳ浸出繊維材料と、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ、マイラー）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、及びポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）からなる群から選択される少なくとも１つを含む可撓性熱可塑性樹脂とを含む熱可塑性物品を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】連続的ＣＶＤプロセスによってＡＳ４炭素繊維上に成長した多層ＣＮＴ（ＭＷＮＴ）の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像を示す。
【図２】連続的ＣＶＤプロセスによってＡＳ４炭素繊維上に成長した２層ＣＮＴ（ＤＷＮＴ）のＴＥＭ画像を示す。
【図３】ＣＮＴ形成ナノ粒子触媒を炭素繊維材料の表面に機械的に浸出したバリアコーティング内から成長させたＣＮＴの走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。
【図４】炭素繊維材料上において目標長さ約４０ミクロンの２０％以内まで成長したＣＮＴの長さ分布の一貫性を実証するＳＥＭ画像を示す。
【図５】バリアコーティングがＣＮＴの成長に与える効果を実証するＳＥＭ画像を示す。高密度で良好に配列されたＣＮＴは、バリアコーティングが適用された場所では成長し、バリアコーティングがない場所ではＣＮＴが成長していない。
【図６】繊維全体のＣＮＴ密度の均一性が約１０％以内であることを実証する炭素繊維上のＣＮＴの低倍率ＳＥＭを示す。
【図７】カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）浸出繊維材料を有するＥＭＩシールド複合材料の断面を示す。
【図８】ＥＭＩシールドパネルのような物品上でコーティング中のＥＭＩシールド材料として使用するように構成されたカーボンナノチューブ浸出トウを示す。
【図９】複合材料のＥＭシールド特性を改善するために複合材料に適用されたカーボンナノチューブ浸出繊維トウコーティングを示す。
【図１０】カーボンナノチューブ浸出繊維のコーティングシステムの概略図を示す。
【図１１】本発明の例示的実施形態によりＣＮＴ浸出炭素繊維材料を生産するプロセスを示す。
【図１２】ＥＭＩシールドを含め、伝熱性及び導電性の改善を目標とする連続的プロセスで炭素繊維材料にＣＮＴを浸出できる方法を示す。
【図１３】ＥＭＩシールドを含め、伝熱性及び導電性の改善を目標とする連続的プロセスでガラス繊維材料にＣＮＴを浸出できる方法を示す。
【図１４】ＣＮＴ浸出ガラス繊維−エポキシ複合材料のＥＭＩシールド効果を示す。
【図１５】ＣＮＴ浸出炭素繊維−エポキシ複合材料のＥＭＩシールド効果を示す。
【図１６】複合材料中のＣＮＴ重量％の関数としてＣＮＴ浸出複合材料の平均ＥＭＩシールド効果のグラフを示す。
【図１７】複合材料中のＣＮＴ重量％の関数としてＣＮＴ浸出複合材料の低周波数帯における平均ＥＭＩシールド効果のグラフを示す。
【図１８】複合材料中のＣＮＴ重量％の関数としてＣＮＴ浸出複合材料の高周波数帯における平均ＥＭＩシールド効果のグラフを示す。
【図１９】本明細書で開示する実施形態によりＣＮＳシールド層でシールドされた導電線の図を示す。
【図２０】本明細書で開示する実施形態によりＣＮＳシールド層で置換することができる箔２０１０がある典型的な同軸ケーブル２０００を示す。
【図２１】本明細書で開示する実施形態によりＣＮＳシールド層で置換することができる箔２１１０がある典型的な電線束２１００を示す。
【図２２】本明細書で開示する実施形態によりＣＮＳシールド層で置換することができる箔２２１０がある典型的な電線束２２００を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、一部はＥＭＩシールドを提供する複合材料を示す。本明細書で開示するＥＭＩシールド複合材料は、マトリックス材の一部に配置されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）浸出繊維材料を有する。ＣＮＴは、その高いアスペクト比により望ましい電磁波吸収性を有する。本発明の複合材料中のＣＮＴは、広範囲のＥＭ放射周波数を吸収し、吸収したエネルギーを例えば電気アースに、及び／又は熱として放散することができる。ＣＮＴは、機械的作用でＥＭ放射を反射することもできる。さらに、ＥＭＩシールド用途では、電磁放射の透過率が最小である限り、吸収と反射の任意の組み合わせが有用である。実際の動作可能なメカニズムに関係なく、また理論に束縛されることなく、本発明の複合材料は、実質的な電磁障害の減少及び／又は防止をもたらすことができる。
【００１５】
本発明のＥＭＩシールド複合材料は、ＥＭＩシールド用途に既に使用されている材料のシールド特性を改善することができる。幾つかの実施形態では、ＣＮＴ浸出繊維は、導電性複合材料ばかりでなく誘電複合材料のＥＭＩシールドを改善し、その結果、軽量で高強度の複合材料を使用することができる。このような複合材料には、本質的にＥＭＩシールド能力が不良であるために、以前は用途が制限されていたものがある。
【００１６】
本発明のＥＭＩシールド複合材料は、様々なレーダ帯域の可視部、赤外線（ＩＲ）部分及び他の部分を含む電磁スペクトルの異なる区間にわたってほぼ黒体である吸収面を提供することができる。黒体様挙動を達成するために、繊維材料上のＣＮＴ密度を制御することができる。したがって、例えばＣＮＴ浸出繊維材料の屈折率を、空気の屈折率と密接に一致するように調整することができる。フレネルの法則によると、これは反射率を最小化した場合のことである。反射率の最小化はＥＭ吸収を最適化するために有用なことがあるが、本発明の複合材料は、ＥＭＩシールド層の透過率を最小化するように設計することもできる。すなわち、吸収は、ＥＭＩシールドを提供できる限り有用である。ＣＮＴ浸出繊維材料によって効果的に吸収されない特定の波長の場合、反射を提供するか、ＣＮＴ浸出繊維材料によって吸収されない放射を吸収することができる二次構造を提供すると有利である。これに関して、代替吸収特性を提供するために異なるＣＮＴ浸出繊維材料の漸進的層形成を提供することが有利なことがある。代替的に、又は多層材料に加えて、これもＣＮＴ浸出繊維材料でよい反射材料を組み込むことが有用になることもある。したがって、例えば、本発明の複合材料は、ＣＮＴ浸出繊維材料を含む複数の吸収及び／又は反射層を有することができる。
【００１７】
繊維材料自体は、ＥＭ放射吸収後にエネルギーを散逸するための効果的な透過経路を生成するのに十分なＣＮＴ密度を複合材料全体に提供するアレイ状にＣＮＴを構成する骨格である。浸出ＣＮＴは、ＥＭ放射の吸収を最大化するために繊維材料上及び複合材料全体に均一な長さ、密度、及び制御された配向を有するように調整することができる。
【００１８】
ＥＭシールド性のためにＣＮＴに頼ることにより、複合材料は導電性又は絶縁性である繊維材料及び／又はマトリックスを使用することができる。さらに、ＥＭＩシールド複合材料は、それが使用される物品の表面構造の一部として一体化することができる。幾つかの実施形態では、表面ばかりではなく物品全体がＥＭＩシールド体として機能することができる。幾つかの態様では、ＣＮＴ浸出繊維材料を、ＥＭＩシールド用途で使用する既製複合材料のコーティングとして使用することができる。
【００１９】
前述したＥＭシールド材料用のＣＮＴ浸出繊維を生成する製造プロセスについて、以下でさらに説明する。このプロセスは、大規模な連続的処理に合わせて修正可能である。プロセスでは、ＣＮＴは、トウ又は粗糸などの巻き取り可能な寸法の炭素、ガラス、セラミック、又は同様の繊維材料上に直接成長する。ＣＮＴ成長の性質は、長さ約５ミクロンから約５００ミクロンの間に調整することができる長さで密集したフォレスト（forest）森林が付着するような性質であり、長さは以下で述べるような様々な要素によって制御される。このフォレストを、ＣＮＴが繊維材料の個々の各フィラメントの表面に対して垂直で、したがって放射状に被覆するように配向することができる。幾つかの実施形態では、繊維材料の軸線に平行な配向を提供するように、ＣＮＴをさらに処理することができる。得られるＣＮＴ浸出繊維材料は、製造したままの状態で巻き付けられるか、ＥＭＩシールド用途で使用するＥＭＩシールド複合材料を生産する際に使用される布地商品に織られ得る。
【００２０】
本明細書で使用する「ＥＭＩシールド複合材料」という用語は、透過率を最小化しながら、電磁放射の吸収又は反射の任意の組み合わせが可能であるマトリックス材中に配置されたＣＮＴ浸出繊維材料を少なくとも有する任意の複合材料を指す。本発明のＥＭＩシールド複合材料は、少なくとも３つの構成要素、すなわち、ＣＮＴ、繊維材料、及びマトリックス材を有する。これらの構成要素は組織的な階層を生成し、ＣＮＴはそれが浸出する繊維材料によって組織化される。ＣＮＴ浸出繊維材料は、次にこれが配置されるマトリックス材によって組織化される。これは、通常は様々な混和、混合、押し出し及び／又は引き抜き技術によって作製される緩いカーボンナノチューブを使用する複合材料とは対照的である。本発明のＥＭＩシールド複合材料のＣＮＴは、送信源に関連する電磁放射を吸収又は反射することができる。吸収したいかなる電磁放射も、例えば電気信号に変換され、電気アースに導かれ、及び／又は熱に変換され得る。
【００２１】
本明細書で使用する「電磁放射」又は「ＥＭ放射」という用語は、約０．０１メガヘルツから約３００ギガヘルツの範囲の任意のＥＭ周波数を指す。本発明のＥＭＩシールド複合材料は、以下でさらに述べるように、例えば低周波数（ＬＦからＵＨＦ）及び高周波数（ＬからＫ帯）のレーダ帯域で特に効果的である。
【００２２】
本明細書で使用する「電磁障害」又は「ＥＭＩ」という用語は、別の発生源からの電磁界（ＥＭ界）の近傍にある場合に電子デバイスの動作の妨害を指す。「ＥＭＩシールド」は、このような妨害（干渉）に対して保護することができる材料を使用するプロセスである。このような材料は、妨害電磁放射を吸収及び／又は反射することができる。「ＥＭＩシールド効果」又は「ＥＭＩ−ＳＥ」、「シールド効果」又は「ＳＥ」又はその文法的同等語は、材料が別の発生源のＥＭ界による干渉を減衰する／そこから電子デバイスを保護する能力の標準化した尺度を指す。ＥＭＩ−ＳＥは、シールド前の妨害電磁信号の強度とシールド後のその強度との差の関数として測定され、通常はメガヘルツ（ＭＨｚ）、ギガヘルツ（ＧＨｚ）などのようにヘルツ（Ｈｚ）単位で測定された特定の周波数にてデシベル（ｄＢ）単位で測定される。
【００２３】
本明細書で使用する「ＥＭシールド容量」という用語は、本発明の複合材料が任意の周波数の電磁放射を吸収又は反射する能力を指す。これは標準化したＥＭＩ−ＳＥ測定によって測定することができる。
【００２４】
本明細書で使用する「繊維材料」という用語は、基本的構造構成要素として繊維を有する任意の材料を指す。この用語は繊維、フィラメント、ヤーン、トウ、テープ、織物及び不織布、プライ、マット、立体織物構造などを含む。繊維材料は、炭素、ガラス、セラミック、金属、及び有機繊維、例えばアラミド、又は絹、セルロース繊維などのような天然有機繊維を含む任意の有機又は無機材料でよい。
【００２５】
本明細書で使用する「巻き取り可能な寸法」という用語は、長さに限定されない少なくとも１つの寸法を有し、材料をスプール又はマンドレル上で保存できるようにする繊維材料を指す。「巻き取り可能な寸法」の繊維材料は、本明細書に記載するようなＣＮＴ浸出にバッチ処理又は連続的処理を使用することを示す少なくとも１つの寸法を有する。「巻き取り可能な寸法」の繊維材料は、ガラス、炭素、セラミック、及び同様の製品として商業的に獲得することができる。商業的に入手可能である巻き取り可能な寸法の例示的炭素繊維材料は、テックス値が８００（１テックス＝１ｇ／１，０００ｍ）又は６２０ヤード／ポンドのＡＳ４の１２ｋ炭素繊維トウ（Grafil Inc.、カリフォルニア州サクラメント）で例示される。特に、商業的な炭素繊維トウは、例えば（重い重量を有するスプール、通常は３ｋ／１２Ｋのトウの場合）５、１０、２０、５０及び１００ポンド単位で入手することができるが、これより大きいスプールは特別注文する必要があることがある。本発明のプロセスは、５から２０ポンドのスプールで容易に操作することができるが、これより大きいスプールも使用可能である。さらに、例えば１００ポンド以上の非常に大きい巻き取り可能な長さを、２つの５０ポンドのスプールのように取扱いが容易な寸法に分割する前処理操作を組み込むことができる。
【００２６】
本明細書で使用する「カーボンナノチューブ」（ＣＮＴ、複数形はＣＮＴｓ）という用語は、フラーレン族の炭素でできた任意の数の円筒形同素体を指し、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）、二層カーボンナノチューブ（ＤＷＮＴ）、及び多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）を含む。ＣＮＴは、フラーレン様構造で封止するか、開放端とすることができる。ＣＮＴは他の材料を封入するものを含む。本明細書で開示された様々な繊維基材に浸出されたＣＮＴは、ランダムな分布で個別的ＣＮＴ（individual CNTs）、層共有ＣＮＴ（shared-wall CNTs）、分岐ＣＮＴ（branched CNTs）、架橋ＣＮＴ（crosslinked CNTs）などを含むことができる複雑な形体のアレイで現れる。まとめて、複雑なＣＮＴ形態を本明細書では「カーボンナノ構造」又は「ＣＮＳ」（複数形は「ＣＮＳｓ」）と呼ぶ。ＣＮＳｓは、その複雑な形態により個別的ＣＮＴｓのアレイとは別個である。
【００２７】
本明細書で使用する「長さが均一」という用語は、反応器内で成長したＣＮＴの長さを指す。「均一な長さ」とは、約１ミクロンから約５００ミクロンの間における様々なＣＮＴの長さの場合、全てのＣＮＴの長さが±約２０％以内の許容誤差となるような長さをＣＮＴが有していることを意味する。１〜４ミクロンなどの非常に短い長さでは、この誤差は、全てのＣＮＴの長さの約±２０％から最大で約±１ミクロンまでの範囲内、すなわち、ＣＮＴ全長の約２０％よりも若干大きくなる。ＥＭＩシールドに適用する際に、ＣＮＴ長さ（さらに被覆面積密度）は、ＥＭ放射の吸収及び／又は反射の変調に使用することができ、目標ＥＭ周波数帯における吸収最大値又は反射に合わせて最適化することができる。
【００２８】
本明細書で使用する「分布が均一」とは、炭素繊維材料上のＣＮＴの密度が不変であることをいう。「均一な分布」とは、ＣＮＴが、ＣＮＴによって被覆される繊維の表面積の割合として定義される被覆率の誤差が±約１０％となる場合の炭素繊維材料上の密度を有することを意味する。これは、直径８ｎｍの５層ＣＮＴでは、±１５００ＣＮＴ／μｍ２に相当する。このような形状では、ＣＮＴの内部空間を充填可能であると仮定している。
【００２９】
本明細書で使用する「ＣＮＴ重量％」という用語は、最終複合材料中に存在するＣＮＴの重量又は質量パーセンテージを意味する。このパーセンテージは、複合材料中のＣＮＴの総重量を最終複合構造の総重量で割った比率に１００％を掛けた値を表す。「ＣＮＴ重量％」は、ＣＮＴの分布とＣＮＴ長さを組み合わせた材料特性である。その結果、「ＣＮＴ重量％」は、複合材料中のＣＮＴが平均ＥＭＩ−ＳＥに与える効果を説明するために使用される。例えば、図１６に示すように、０〜６０ｄＢの平均ＥＭＩ−ＳＥには＜１％のＣＮＴ重量％を使用し、６０〜８０ｄＢの平均ＥＭＩ−ＳＥには０．５〜２％の間のＣＮＴ重量％を使用し、＞８０ｄＢの平均ＥＭＩ−ＳＥには＞２％のＣＮＴ重量％を使用する。
【００３０】
本明細書で使用する「浸出する」という用語は、結合するという意味であり、「浸出」とは結合のプロセスを意味する。このような結合としては、直接の共有結合、イオン結合、π−π相互作用、及び／又はファンデルワールス力が仲介する物理吸着を挙げることができる。例えば幾つかの実施形態では、ＣＮＴは炭素繊維材料に直接的に結合される。結合は、例えば、バリアコーティング、及び／又はＣＮＴと炭素繊維材料の間にはさまれて配置された遷移金属ナノ粒子を介した炭素繊維材料へのＣＮＴ浸出など、間接的であってもよい。本明細書で開示されたＣＮＴ浸出炭素繊維材料では、カーボンナノチューブを前述したように直接的又は間接的に炭素繊維材料に「浸出」させることができる。ＣＮＴを炭素繊維材料に「浸出」させる特定の方法を「結合モチーフ」と呼ぶ。
【００３１】
本明細書で使用する「遷移金属」という用語は、周期表のｄブロックにある任意の元素又は元素の合金を指す。「遷移金属」という用語は、塩基性遷移金属元素の塩形態（例えば、酸化物、炭化物、窒化物など）も含む。
【００３２】
本明細書で使用する「ナノ粒子」又はＮＰという用語、又は文法的にそれと同等の用語は、相当球径で約０．１から約１００ナノメートルのサイズの粒子を指すが、ＮＰは球形である必要はない。特に遷移金属ＮＰは、炭素繊維材料上でＣＮＴが成長する触媒として働く。
【００３３】
本明細書で使用する「サイジング剤」、「繊維サイジング剤」、又は単に「サイジング」という用語はまとめて、繊維の一体性を保護する、複合材料中の繊維とマトリックス材との間の界面相互作用を強化する、及び／又は繊維の特定の物理的性質を変更及び／又は強化するコーティングとして、炭素及びガラス繊維（又は保護コーティングを必要とするかもしれない任意の他の繊維）の製造に使用する材料を指す。幾つかの実施形態では、繊維材料に浸出したＣＮＴがサイジングされた繊維として挙動する。すなわち、ＣＮＴは、ＣＮＴがサイジング材料として挙動するように繊維にある程度の保護を提供する。
【００３４】
本明細書で使用する「マトリックス材」という用語は、サイジングされたＣＮＴ浸出炭素繊維材料をランダムな配向などの特定の配向性で組織化する機能を果たすバルク材を指す。ＣＮＴ浸出繊維材料の物理的及び／又は化学的性質のある部分をマトリックス材に付与することにより、マトリックス材にとってＣＮＴ浸出繊維材料の存在は有益となる。ＥＭＩシールドの用途では、マトリックス材は、繊維材料との組み合わせで、ＣＮＴをマトリックスのみと単純に混合して得られるものより良好なＣＮＴ密度及びＣＮＴ配向の制御を提供する。ＣＮＴ浸出繊維材料の密度及び「パッキング」は、吸収した電磁放射をさらに効率的に散逸する、又は効果的な反射を提供する手段を提供することにより、ＥＭＩシールドの有効性を改善する透過経路を提供することができる。
【００３５】
本明細書で使用する「材料滞留時間」という用語は、巻き取り可能な寸法の繊維材料に沿った各ポイントが、本明細書で説明するＣＮＴ浸出プロセス中にＣＮＴ成長状態にさらされる時間量を指す。この定義は、複数のＣＮＴ成長チャンバーを使用する場合の滞留時間を含む。
【００３６】
本明細書で使用する「ラインスピード」という用語は、本明細書で説明するＣＮＴ浸出プロセスにより、巻き取り可能な寸法の繊維材料を供給できる速度を指し、ラインスピードは、ＣＮＴチャンバー長を材料滞留時間で除して算出される速度である。
【００３７】
幾つかの実施形態では、本発明は、マトリックス材の少なくとも一部に配置された（ＣＮＴ）浸出繊維材料を含むＥＭＩシールド複合材料を提供する。複合材料は、約０．０１ＭＨｚから約１８ＧＨｚの間の周波数範囲でＥＭ放射を吸収又は反射することができる。ＥＭＩシールド容量は、電磁障害（ＥＭＩ）シールド効果（ＳＥ）として測定することができ、約４０デシベル（ｄＢ）から約１３０ｄＢの間の範囲とすることができる。例えば、図１７では、ＨＦ、ＶＨＦ及びＵＨＦ帯の場合、ＣＮＴ重量％が増加すると、ＥＭＩ−ＳＥが、４０ｄＢという低い値から複合材料中のほぼ２０％というＣＮＴ重量％で７０ｄＢという高い値まで改善される。図１７によると、ＬＦ帯のＥＭＩ−ＳＥは通常、ＣＮＴ重量％の増加から有意の影響を受けず、７５ｄＢ程度で一定したままである。図１８に関して、Ｌ帯ＥＭＩ−ＳＥも、ＣＮＴの存在下で比較的一定であり、約６０ｄＢのＥＭＩ−ＳＥを一貫して提供する。Ｓ帯及びＣ帯はほぼ同一の応答を有する、というのは、ＥＭＩ−ＳＥが、１重量％ＣＮＴの７０ｄＢから２０重量％ＣＮＴの９０ｄＢという高い値までの範囲になり得るからである。最後に、Ｘ帯及びＫ帯のＥＭＩ−ＳＥは同様の応答を示し、わずか１重量％ＣＮＴでは６０ｄＢのＥＭＩ−ＳＥになり、２０重量％ＣＮＴまで高くなると１２０ｄＢと１３０ｄＢの間のＥＭＩ−ＳＥになる。これらのシールド材料は単なる例示である。例えば複数層のＣＮＴ浸出繊維材料を使用すると、さらなるシールド効果を達成することができ、ＣＮＴ浸出繊維材料の吸収又は反射特性を変更する組み合わせを通して、シールド効果を調整するようにＣＮＴの密度、長さ、及び配向を変更できることが当業者には認識される。
【００３８】
ＳＥはＥＭ放射の周波数の関数であることも、当業者に認識される。したがって、２ＧＨｚにおけるＳＥは１８ＧＨｚにおけるＳＥと異なることがある。ＥＭＩシールドの用途では、ＥＭ放射を吸収又は反射することが望ましいことも、当業者には認識される。対照的に、例えばステルス用途における特徴制御（signature control）のためのレーダ吸収では、ＥＭ放射を吸収及び／又は透過する材料を製造することが望ましい。機械論的見地から、ＥＭＩシールド及びレーダ吸収用途は両方とも、ＣＮＴ浸出繊維材料の存在によって提供される任意の吸収特性の恩恵を受ける。吸収されない放射の透過率又は反射率は、例えばバルクマトリックスの固有特性のような他のパラメータによって決定することができる。幾つかの実施形態では、繊維材料上のＣＮＴの担持量を最大にすることにより、ＥＭＩシールド用途に特に有用である反射性金属のように挙動する複合材料を提供することができる。
【００３９】
ＥＭＩシールド複合材料は、トウ、粗糸、織物などのような繊維材料の「連続的」又は「巻き取り可能な」長さにＣＮＴを浸出することによって通常構築されるＣＮＴ浸出繊維材料を含む。ＳＥ、したがってＥＭ放射吸収力は、例えばＣＮＴ長さ、ＣＮＴの密度、及びＣＮＴの配向に応じて変化することができる。ＣＮＴ浸出繊維材料を作成するプロセスによって、吸収及び／又は反射能力が明瞭に画定されたＥＭＩシールド複合材料を構築することができる。繊維材料上のＣＮＴ長さ及び配向は、以下で述べるＣＮＴ成長プロセスで制御される。成長プロセスによる繊維の周囲のＣＮＴの配向は、繊維の軸の周囲に一般的に半径方向に成長するＣＮＴを提供する。繊維に浸出したＣＮＴの成長後の再配向は、機械的又は化学的手段によって、又は電界を使用することによって達成することができる。幾つかのこのような実施形態では、ＣＮＴは繊維の軸線に沿って位置するように再配向することができる。次に、複合材料中のＣＮＴの相対的配向は、ＣＮＴ浸出繊維を配向する複合材料製造プロセスによって制御される。
【００４０】
本発明のＥＭＩシールド複合材料は、１つ又は複数のＥＭ放射周波数帯を吸収及び／又は反射するように構築することができる。幾つかの実施形態では、異なるＥＭ放射周波数帯の吸収及び／又は反射を最大化するために、単一の巻き取り可能な長さの様々な区間に沿って異なるＣＮＴ長さ及びＣＮＴの配向を有する単一の巻き取り可能な長さのＣＮＴ浸出繊維を提供することができる。あるいは、同じ効果のために、異なるＣＮＴ長さ及び／又は配向の複数の巻き取り可能な長さの繊維材料を複合材料中に配置することができる。いずれの戦略でも、複合材料中に異なるＥＭ放射の吸収及び／又は反射特性を有する層を提供する。ＣＮＴの複数の配向によって、ＥＭＩシールド複合材料が、複数のＥＭ放射源から複合材料に異なる入射角で衝突する電磁放射を吸収及び／又は反射することもできる。
【００４１】
ＣＮＴ浸出繊維材料の特定の１つの区間が、ＥＭ放射の単一の波長でも、ＥＭ吸収性及びＥＭ反射性の両方を呈することができることが、当業者には認識される。したがって、所与のＣＮＴ浸出繊維材料のＥＭシールド効果は、ＥＭ放射を吸収及び反射する複合能力を表し、単に吸収材料又は反射材料である必要はない。多層構造の状況では、様々な層を主に反射性であるように設計することができ、他の層は主に吸収性であるように設計することができる。
【００４２】
複合材料構造中へのＣＮＴのパッキングは、吸収したＥＭ放射のエネルギーが散逸する透過経路を提供することができる。理論に束縛されることなく、これは図７〜図９に例示されているように、ＣＮＴとＣＮＴとの点接触又はＣＮＴとＣＮＴとの嵌合の結果とすることができる。幾つかの実施形態では、ＣＮＴに吸収されるいずれのＥＭエネルギーも、電気信号に変換することができ、この電気信号はコンピュータシステムに統合されて、パネルなどのＥＭＩシールド複合材料を組み込んだ物品の配向を調整し、例えばＥＭ放射伝播源に応答してＥＭ放射の吸収を最大化し、又は検出用途では反射したＥＭ信号におけるＥＭ放射の吸収を最大化することができる。同様に、ＥＭ放射を反射する能力をＣＮＴ密度及び配向と結びつけることもできる。例えば、約１％を超える値など、高いＣＮＴ密度では、ＣＮＴは、一部はＥＭ放射を反射する金属として挙動することができる。
【００４３】
幾つかの実施形態では、ＥＭＩシールド複合材料はステルス用途に使用する物品又は構造全体の一体部品として提供される。このような実施形態では、ＥＭＩシールド特性は、反射メカニズムを最小化しつつ、主に吸収メカニズムによってもたらすことができる。幾つかのこのような実施形態では、ＣＮＴ浸出繊維材料上のＣＮＴの密度を調整して、空気に近い屈折率の材料を提供し、反射を最小化して、ＥＭ放射の吸収を最大化することができる。
【００４４】
ＥＭＩシールドＣＮＴ浸出繊維材料は、全体的な複合材料構造の一部で提供することができる。例えば、複合材料構造は、ＣＮＴ浸出繊維材料を組み込んでＥＭ放射を吸収及び／又は反射する表面「表皮」を有することができる。他の実施形態では、既に存在する別の複合材料又は他の物品の表面上に、コーティングとしてＥＭＩシールド複合材料を適用することができる。幾つかの態様では、コーティングは従来のコーティングで生じるような剥離などの防止に役立つ長い繊維材料を使用する。さらに、コーティングとして使用された場合、オーバーコートを使用してＥＭＩシールド複合材料をさらに保護することができる。また、コーティングとして使用された場合、ＣＮＴ浸出繊維複合材料のマトリックスは、全体構造のバルクマトリックスと非常に近い、又は同一となり、コーティングと構造の間に優れた結合を提供することができる。
【００４５】
浸出したＣＮＴの複数の区間が実質的に均一の長さであるＥＭＩシールド複合材料のＣＮＴ浸出繊維材料が提供される。このことは、大きい断面積にわたって確実な吸収性を有する全体的複合材料製品を提供する。ＣＮＴ浸出繊維材料を生産するために本明細書に記載する連続的プロセスでは、ＣＮＴ成長チャンバー内の繊維材料の滞留時間を調節して、ＣＮＴの成長、及び最終的にＣＮＴ長さを制御することができる。このことは、成長したＣＮＴの特定の性質を制御する手段を提供する。ＣＮＴ長さは、炭素原料及びキャリアガス流量及び反応温度の調節を通しても制御することができる。ＣＮＴの性質の追加的制御は、例えばＣＮＴの準備に使用する触媒のサイズを制御することによって獲得することができる。例えば、１ｎｍの遷移金属ナノ粒子触媒を使用して、特定のＳＷＮＴを提供することができる。主にＭＷＮＴを準備するには、これより大きい触媒を使用することができる。
【００４６】
また、使用されるＣＮＴ成長プロセスは、予備形成したＣＮＴを溶剤溶液中に懸濁又は分散させ、手で繊維材料に適用するプロセスで発生することがあるＣＮＴの束化及び／又は凝集を回避しながら、繊維材料上にＣＮＴが均一に分布したＣＮＴ浸出繊維材料を提供するのに有用である。このような凝集したＣＮＴは、繊維材料への付着が弱い傾向があり、特徴的なＣＮＴの性質は、表出することがあっても弱い表出である。幾つかの実施形態では、被覆率として表現される、すなわち、被覆される繊維の表面積である最大分布密度は、５層で直径約８ｎｍのＣＮＴを仮定すると約５５％という高さになることがある。この被覆率は、ＣＮＴ内部の空間を「充填可能な」空間と見なすことによって計算される。表面上の触媒分散を変化させる、さらにガスの組成及びプロセス速度を制御することによって、様々な分布／密度値を達成することができる。通常、所与のパラメータのセットでは、繊維表面全体で約１０％以内の被覆率を達成することができる。機械的性質を改善するには、密度を高くし、ＣＮＴを短くすることが有用であるが、ＥＭＩシールド及びレーダの吸収を含め、熱及び電気的性質を改善するには、ＣＮＴを長くし、密度を低下させることが有用であり、ただしそれでも密度を高くすることが好ましい。密度の低下は、長めのＣＮＴが成長した場合にもたらされることがある。これは、温度上昇及び成長速度の高速化の結果であることがあり、触媒粒子の収率低下を引き起こす。
【００４７】
繊維材料に浸出するのに有用なＣＮＴには、単層ＣＮＴ、二層ＣＮＴ、多層ＣＮＴ、及びその混合物が含まれる。使用されるＣＮＴの正確な量は、ＥＭＩシールド複合材料の最終用途に依存する。ＣＮＴは、ＥＭＩシールド及びレーダ吸収に加えて、伝熱性及び／又は導電性用途に使用することができる。幾つかの実施形態では、浸出カーボンナノチューブは単層ナノチューブである。幾つかの実施形態では、浸出カーボンナノチューブは多層ナノチューブである。幾つかの実施形態では、浸出カーボンナノチューブは単層ナノチューブと多層ナノチューブの組み合わせである。単層ナノチューブと多層ナノチューブの特徴的性質には、繊維の幾つかの最終使用において、一方又は他方のタイプのナノチューブの合成を規定する幾つかの違いがある。例えば、多層ナノチューブが金属性である一方、単層ナノチューブを半導体又は金属性とすることができる。したがって、吸収されるＥＭ放射を、例えばコンピュータシステムに組入れ可能な電気信号に変換する場合、ＣＮＴのタイプの制御することが望ましいことがある。
【００４８】
ＣＮＴは、機械的強度、低い程度から中程度の電気抵抗、高い伝熱性などの特徴的性質をＣＮＴ浸出繊維材料に与える。例えば、幾つかの実施形態では、カーボンナノチューブ浸出繊維材料の電気抵抗は、親の繊維材料のみの電気抵抗より低くすることができる。さらに一般的には、得られるＣＮＴ浸出繊維がこれらの性質を表出する程度は、カーボンナノチューブによる炭素繊維の被覆の程度及び密度の関数とすることができる。これらの性質は、これが組み込まれる全体的ＥＭＩシールド複合材料に移行することもできる。直径８ｎｍの５層ＭＷＮＴを仮定すると、任意の量の繊維表面積、すなわち、繊維の０〜５５％を被覆することができる（この場合も、この計算はＣＮＴの内部空間が充填可能であるとみなしている）。この数字は、ＣＮＴの直径が小さいほど低くなり、ＣＮＴの直径が大きいほど高くなる。５５％の表面積被覆率は、約１５，０００ＣＮＴ／μｍ２に相当する。さらに、ＣＮＴの性質は、ＣＮＴの長さに依存する形で炭素繊維材料に付与することができる。浸出ＣＮＴには約１ミクロンから約５００ミクロンに及ぶ様々な長さのものがあり、それは１ミクロン、２ミクロン、３ミクロン、４ミクロン、５ミクロン、６ミクロン、７ミクロン、８ミクロン、９ミクロン、１０ミクロン、１５ミクロン、２０ミクロン、２５ミクロン、３０ミクロン、３５ミクロン、４０ミクロン、４５ミクロン、５０ミクロン、６０ミクロン、７０ミクロン、８０ミクロン、９０ミクロン、１００ミクロン、１５０ミクロン、２００ミクロン、２５０ミクロン、３００ミクロン、３５０ミクロン、４００ミクロン、４５０ミクロン、５００ミクロン、及びその間の全ての値を含む。また、ＣＮＴは約１ミクロン未満の長さでもよく、これは例えば約０．５ミクロンを含む。ＣＮＴは５００ミクロンを超えてもよく、例えば５１０ミクロン、５２０ミクロン、５５０ミクロン、６００ミクロン、７００ミクロン及びその間の全ての値を含む。ＥＭＩシールド用途によっては、ＣＮＴを長さ約１００ｎｍから約２５ミクロンの間で変更することができる。純粋にＥＭＩシールドする用途では、ＣＮＴは長さ約１００ｎｍから約５００μｍの間で変更することができる。本発明のＥＭシールド複合材料は、約１ミクロンから約１０ミクロンの長さを有するＣＮＴを組み込むことができる。このようなＣＮＴ長さは、剪断強度を向上させる用途でも有用なことがある。ＣＮＴは、約５から約７０ミクロンの長さを有することもできる。このようなＣＮＴ長さは、ＣＮＴを繊維方向に位置合わせした場合、引っ張り強度が上がった用途に有用なことがある。ＣＮＴは約１０ミクロンから約１００ミクロンの長さを有することもできる。このようなＣＮＴ長さは、電気的性質／熱的性質、さらに機械的性質の向上に有用なことがある。ＣＮＴ浸出に使用するプロセスは、約１００ミクロンから約５００ミクロンの長さを有するＣＮＴも提供することができ、これもレーダ吸収及びＥＭＩシールドを含む電気的性質及び熱的性質の向上にとって有利なことがある。したがって、ＣＮＴ浸出繊維材料は多機能であり、全体的ＥＭＩシールド複合材料の多くの他の性質を向上させることができる。したがって、幾つかの実施形態では、巻き取り可��な長さのＣＮＴ浸出繊維材料を含む複合材料は、目的とする様々な性質に対応するためにＣＮＴ長さが異なる様々な均一の領域を有することができる。例えば、剪断強度の性質を向上させるためにＣＮＴ長さが均一に短い方のＣＮＴ浸出炭素繊維材料の第一部分と、ＥＭＩシールド効果及び／又はレーダ吸収の性質を向上させるためにＣＮＴ長さが均一に長い方の同じ巻き取り可能な材料の第二部分とを有することが望ましいことがある。例えばＣＮＴ浸出繊維材料において、上述したようにＥＭＩシールド複合材料の少なくとも一部に短い方のＣＮＴを提供することにより、機械的強化を達成することができる。複合材料は、ＥＭ放射をシールドするためにＥＭＩシールド複合材料の表面に長い方のＣＮＴを、機械的強化のために表面の下に配置された短い方のＣＮＴを有する表皮の形態を取ることができる。ＣＮＴ長さの制御は、炭素原料及び不活性ガスの流量を調節することと、ラインスピード及び成長温度の変更とを組み合わせることによって容易に達成される。これで、同じ巻き取り可能な長さの繊維材料の異なる区間でＣＮＴ長さを変更することができる、又は異なるスプールを使用し、異なるスプールを複合材料構造の適切な部分に組み込むことができる。
【００４９】
本発明のＥＭＩシールド複合材料は、ＣＮＴ浸出繊維材料とともに複合材料を形成するマトリックス材を含む。このようなマトリックス材としては、例えば、エポキシ、ポリエステル、ビニルエステル、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトンケトン、ポリフタルアミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、フェノール−ホルムアルデヒド、及びビスマレイミドを挙げることができる。本発明で有用なマトリックス材は、既知のマトリックス材のいずれか（Mel M. Schwartz, Composites Handbook（第２版、１９９２年）を参照）を含むことができる。マトリックス材は、さらに一般的には、熱硬化性と熱可塑性との両方の樹脂（ポリマー）、金属、セラミック、セメント、及びその任意の組合せを含むことができる。
【００５０】
マトリックス材として有用な熱硬化性樹脂は、フタル／マレイン型ポリエステル、ビニルエステル、エポキシ、フェノール類、シアン酸塩、ビスマレイミド、及び末端封止されたナディックポリイミド（例えばＰＭＲ−１５）を含む。熱可塑性樹脂としては、ポリスルホン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキシド、ポリスルフィド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリアリレート、及び液晶ポリエステルが挙げられる。
【００５１】
マトリックス材として有用な金属は、アルミニウム６０６１、アルミニウム２０２４、及び７１３アルミニウム・ブレーズなどのアルミニウムの合金を含む。マトリックス材として有用なセラミックとしては、リチウムアルミノケイ酸塩などの炭素セラミック、アルミナ及びムライトなどの酸化物、窒化ケイ素などの窒化物、及び炭化ケイ素などの炭化物が挙げられる。マトリックス材として有用なセメントとしては、炭化物ベースのサーメット（炭化タングステン、炭化クロミウム、及び炭化チタン）、耐火セメント（タングステントリア及び炭酸バリウムニッケル）、クロミウム−アルミナ、及びニッケル−マグネシア鉄−炭化ジルコニウムが挙げられる。前述したマトリックス材のいずれも、単独又は組み合わせて使用することができる。セラミック及び金属のマトリックス複合材料は、高温用途に使用される電子ボックスのようにＥＭＩシールド特性を使用するスラスト（突き）ベクトル制御表面又は他の高温用途に使用することができる。
【００５２】
幾つかの実施形態では、ＥＭＩシールド複合材料はさらに、複数の遷移金属ナノ粒子を含むことができる。これらの遷移金属ナノ粒子は、幾つかの実施形態ではＣＮＴ成長手順からの潜触媒として存在することができる。理論に束縛されることなく、ＣＮＴ形成触媒として働く遷移金属ＮＰは、ＣＮＴ成長のシード構造を形成することによってＣＮＴ成長に触媒作用を及ぼすことができる。ＣＮＴ形成触媒は、繊維材料の基部に残り、任意選択のバリアコーティングが存在する場合は、それによってロックされ（バリアコーティングの存在は、使用する繊維材料のタイプに依存し、通常は例えば炭素繊維及び金属繊維に使用される）、繊維材料の表面に浸出することができる。このような場合、遷移金属ナノ粒子触媒によって最初に形成されたシード構造は、当技術分野で往々にして観察されるように、触媒がＣＮＴ成長の先端に沿って移動できるようにせずに、シードによる連続的な無触媒ＣＮＴ成長にとって十分である。このような場合、ＮＰはＣＮＴが繊維材料に付着するポイントとして働く。バリアコーティングの存在は、ＣＮＴ浸出のさらなる間接的結合モチーフにつながることがある。例えば、ＣＮＴ形成触媒は、上述したようにバリアコーティング内にロックされることがあるが、繊維材料と表面接触状態ではない。このような場合、ＣＮＴ形成触媒と繊維材料の間にバリアコーティングが配置された積み重なった構造になる。いずれの場合も、形成されたＣＮＴを繊維材料に浸出させる。幾つかの実施形態では、一部のバリアコーティングによって、ＣＮＴ成長触媒が成長中のナノチューブの先端に従うことができる。このような場合、この結果として、ＣＮＴが繊維材料に、又は任意選択でバリアコーティングに直接結合することができる。カーボンナノチューブと繊維材料の間に形成された実際の結合モチーフの性質に関係なく、浸出したＣＮＴは頑強であり、これによってＣＮＴ浸出繊維材料がカーボンナノチューブの性質及び／又は特性を呈することができる。
【００５３】
バリアコーティングがない状態で、潜在的ＣＮＴ成長粒子は、カーボンナノチューブの基部、ナノチューブの先端、その間の何処か、及びその混合に現れることができる。この場合も、繊維材料に対するＣＮＴの浸出は直接的、又は介在する遷移金属ナノ粒子を介して間接的となり得る。幾つかの実施形態では、潜在的ＣＮＴ成長触媒は鉄ナノ粒子を含む。これらは、例えばゼロ価鉄、鉄（ＩＩ）、鉄（ＩＩＩ）、及びその混合物など、様々な酸化状態とすることができる。ＣＮＴ成長による潜在的鉄系ナノ粒子の存在は、全体的複合材料のＥＭＩシールド性をさらに補助することができる。
【００５４】
幾つかの実施形態では、ＣＮＴ浸出繊維は、鉄、フェライト、又は鉄系ナノ粒子溶液を成長後に通過することができる。ＣＮＴは、大量の鉄ナノ粒子を吸収することができ、このことでＥＭＩシールドをさらに補助することができる。したがって、この追加的処理ステップは、ＥＭ放射吸収を改善するために補足的鉄ナノ粒子を提供する。
【００５５】
本発明のＥＭシールド複合材料は、レーダ周波数帯のスペクトル全体を含む広いスペクトルにわたってＥＭ放射を吸収及び／又は反射することができる。幾つかの実施形態では、複合材料は高周波レーダを吸収及び／又は反射することができる。高周波（ＨＦ）レーダ帯域は、約３から約３０ＭＨｚ（１０〜１００ｍ）の範囲の周波数を有する。このレーダ帯域は、沿岸レーダ及び超水平線レーダ（ＯＴＨ）のレーダ用途に有用である。幾つかの実施形態では、複合材料はＰ帯域のレーダを吸収及び／又は反射することができる。これは、約３００ＭＨｚ未満のレーダ周波数を含む。幾つかの実施形態では、複合材料は超短波帯域（ＶＨＦ）のレーダを吸収及び／又は反射することができる。ＶＨＦレーダ帯域は、約３０から約３３０ＭＨｚの範囲の周波数を有する。ＶＨＦ帯域は、地表貫通用途を含む非常に長距離の用途に有用である。幾つかの実施形態では、複合材料は極超短波（ＵＨＦ）帯域のレーダを吸収することができる。ＵＨＦ帯域は、約３００から約１０００ＭＨｚの範囲の周波数を含む。ＵＨＦ帯域の用途には、弾道ミサイル早期警戒システム、地表貫通及び森林貫通用途などの非常に長距離の用途が含まれる。幾つかの実施形態では、複合材料は長（Ｌ）帯域のレーダを吸収及び／又は反射することができる。Ｌ帯域は約１から約２ＧＨｚの範囲の周波数を含む。Ｌ帯域は、例えば航空交通及び監視などの長距離用途に有用なことがある。幾つかの実施形態では、複合材料は短（Ｓ）帯域のレーダを吸収及び／又は反射することができる。Ｓ帯域は約２から約４ＧＨｚの範囲の周波数を含む。Ｓ帯域は、飛行場航空交通管制、長距離気象及び船用レーダなどの用途に有用なことがある。幾つかの実施形態では、複合材料は、約４から約８ＧＨｚの範囲の周波数を有するＣ帯域のレーダを吸収及び／又は反射することができる。Ｃ帯域は、衛星のトランスポンダーに、及び気象用途に使用されてきた。幾つかの実施形態では、複合材料は約８から約１２ＧＨｚの範囲の周波数を有するＸ帯域のレーダを吸収及び／又は反射することができる。Ｘ帯域は、ミサイル誘導、船用レーダ、気象、中分解能マッピング及び地上監視などの用途に有用である。幾つかの実施形態では、複合材料は約１２から約１８ＧＨｚの間の周波数を含むＫ帯域のレーダを吸収及び／又は反射することができる。Ｋ帯域は、気象学者が雲を検出するために使用することができ、警察官がＫ帯域レーダガンを使用して高速走行の自動車運転手を検出するために使用することができる。幾つかの実施形態では、複合材料は約２４から約４０ＧＨｚの間の周波数を含むＫａ帯域のレーダを吸収及び／又は反射する。Ｋａ帯域は、交通信号灯のカメラを作動させるために使用するような写真レーダに使用することができる。
【００５６】
幾つかの実施形態では、複合材料は広義に約４０から約３００ＧＨｚの間であるミリメートル（ｍｍ）帯域のレーダを吸収及び／又は反射する。ｍｍ帯域には、軍事用通信に使用される約４０から約６０ＧＨｚの間のＱ帯域、大気中の酸素によって強力に吸収される約５０から約７５ＧＨｚの間のＶ帯域、約６０から約９０ＧＨｚの間のＥ帯域、実験用自立走行式車両、高分解能気象観測、及び撮像用の視覚センサーに使用される約７５から約１１０ＧＨｚの間のＷ帯域、及び壁貫通レーダ及び撮像システムに使用する約１．６から約１０．５ＧＨｚの間のＵＷＢ帯域が含まれる。
【００５７】
幾つかの実施形態では、複合材料はＫ帯域では約９０ｄＢから約１１０ｄＢの間にＳＥを有する。幾つかの実施形態では、複合材料はＸ帯域では約９０ｄＢから約１００ｄＢの間にＳＥを有する。幾つかの実施形態では、複合材料はＣ帯域では約８０ｄＢから約９０ｄＢの間にＳＥを有する。幾つかの実施形態では、複合材料はＳ帯域では約７０ｄＢから約８０ｄＢの間にＳＥを有する。幾つかの実施形態では、複合材料はＬ帯域では約５０ｄＢと約６０ｄＢの間にＳＥを有する。図１５〜図１８は、本発明によりＥＭＩシールド用途のために構築される例示的パネルのＥＭＩシールド結果を示す。例えば、パネル２２０（図１５）は、約０．１ＭＨｚから１８ＧＨｚの間の範囲で試験された。
【００５８】
上述したように、シールド効果（ＳＥ）は、本発明のＥＭＩシールド複合材料のＥＭ放射吸収及び／又は反射能力を評価する１つの手段である。ＳＥは、ＥＭ吸収及び／又は反射材料による電磁界の減衰程度を測定する。ＳＥは、シールド前の電磁信号の強度とシールド後の強度との差である。減衰／ＳＥは、吸収／反射材料が存在する状態と存在しない状態との間で電磁界強度の比率に対応するデシベル（ｄＢ）で測定される。信号の強度、すなわち、振幅は通常、距離とともに指数関数的に減少し、デシベルの範囲は対数目盛に従う。したがって、５０ｄＢの減衰レーティングは、４０ｄＢの場合の１０倍のシールド強度を示す。概して、約１０から約３０ｄＢの間のシールド範囲は、低レベルのシールドを提供する。６０ｄＢと９０ｄＢの間のシールドは高レベルのシールドと見なされ、９０ｄＢから１２０ｄＢは「例外的」と見なされる。
【００５９】
ＥＭＩシールドの減衰レベルの判定は、特定のシールド用途に依存することがあるが、シールド強度を試験する一般的技術には、オープンフィールド試験、同軸ケーブル試験（coaxial transmission line test）、シールドボックス試験、及びシールド室試験が含まれる。オープンフィールド試験は、電子デバイスの通常の使用条件を可能な限り近い状態でシミュレートするように設計される。アンテナは、試験機器以外に金属性材料がない区域内で、デバイスから様々な距離に配置される。これは通常、放射電磁界強度及び伝導性放出の自由空間測定を可能にするオープンサイトで実行される。結果は、生成されるＥＭＩのレベルを検出する雑音レベルメーターによって記録される。オープンフィールド試験は通常、仕上げ加工した電子製品に使用される。
【００６０】
同軸ケーブル試験は、平面波界電磁波放射を測定して、平面材料のシールド効果を求める方法であり、一般的に比較試験に使用される。基準試験デバイスは、専門の保持ユニット内に位置決めされ、複数の周波数でそれが受ける電圧が記録される。次に、第一対象を負荷デバイスと置換し、これは同じ一連の試験を経験する。基準デバイスと負荷デバイスとの比較で、シールド材料がある状態及びない状態で受けるパワーの比率が決定される。
【００６１】
シールドボックス試験は、切り取り部分がある密封箱を使用する。伝導性コーティングを施したシールドユニットを箱の開口部上に配置し、伝達されたエミッション及び受けたエミッションを測定する。箱の内側及び外側の両方からの電磁信号を記録して比較し、信号間の比率がシールド効果を表す。
【００６２】
状況によっては、区域内の周囲雑音の量を低下させることが困難なことがある。このような状況では、シールド室試験を使用することができる。この試験は通常、少なくとも２つのシールド室があり、その間に壁があって、センサーがそれを貫通することができる。試験デバイス及び試験機器を一方の室内に、センサアレイを他方の室内に配置する。外部信号によって引き起こされるエラーを測定する可能性を低下させるために、シールド用鉛を含めることができる。シールド室試験は、デバイスの感受性を評価するのに適切である。
【００６３】
幾つかの実施形態では、シールド効果を評価する試験法は、ＩＥＥＥ−ＳＴＤ−２９９で規定され、修正したオープンリファレンス技術を使用する標準化された方法でよい。試験は、仕切りがあるチャンバー内で実行され、一方側はＥＭ送信源を提供し、仕切られたチャンバーの他方部分は受信機器を提供する。
【００６４】
幾つかの実施形態では、複合材料は、ＥＭ放射シールド複合材料の約１重量％から約７重量％の範囲で存在するＣＮＴを含む。幾つかの実施形態では、ＣＮＴ担持量は、重量でＥＭＩシールド複合材料の約１％から約２０％の間とすることができる。幾つかの実施形態では、ＥＭＩシールド複合材料中のＣＮＴ担持量は、重量でＥＭＩシールド複合材料の１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、１６％、１７％、１８％、１９％、及び２０％、及びこれらの値の間の任意の分数とすることができる。ＥＭＩシールド複合材料中のＣＮＴ担持量は、１％未満でもよく、例えば約０．１％から約１％の間を含む。ＥＭＩシールド複合材料のＣＮＴ担持量は、２０％を超えてもよく、例えば２５％、３０％、４０％など、で最大約５０％、及びその間の全ての値を含む。
【００６５】
幾つかの実施形態では、ＥＭＩシールド複合材料はカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）浸出炭素繊維材料を含む。ＣＮＴ浸出炭素繊維材料は、巻き取り可能な寸法の炭素繊維材料、炭素繊維材料の周囲に等角的に配置されたバリアコーティング、及び炭素繊維材料に浸出されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含むことができる。炭素繊維材料へのＣＮＴの浸出は、炭素繊維材料に個々のＣＮＴが直接結合する、又は遷移金属ＮＰ、バリアコーティング、又はその両方を介して間接的に結合する結合モチーフを含むことができる。
【００６６】
本発明のＣＮＴ浸出炭素繊維材料は、バリアコーティングを含むことができる。バリアコーティングは、例えばアルコキシシラン、メチルシロキサン、アルモキサン、アルミナナノ粒子、塗布ガラス及びガラスナノ粒子を含むことができる。ＣＮＴ形成触媒は、未硬化バリアコーティング材料に添加し、次にともに炭素繊維材料に適用することができる。他の実施形態では、ＣＮＴ形成触媒を付着させる前にバリアコーティング材料を炭素繊維材料に添加することができる。バリアコーティング材料は、その後のＣＶＤ成長のために、ＣＮＴ形成触媒を炭素原料に曝露できるほど十分に薄い厚さとすることができる。幾つかの実施形態では、厚さはＣＮＴ形成触媒の有効径未満又は有効径にほぼ等しい。幾つかの実施形態では、バリアコーティングの厚さは約１０ｎｍから約１００ｎｍの間の範囲である。バリアコーティングは１０ｎｍ未満とすることもでき１ｎｍ、２ｎｍ、３ｎｍ、４ｎｍ、５ｎｍ、６ｎｍ、７ｎｍ、８ｎｍ、９ｎｍ、１０ｎｍ及びその間の任意の値を含む。
【００６７】
理論に束縛されることなく、バリアコーティングは炭素繊維材料とＣＮＴの間の中間層として働くことができ、炭素繊維材料へのＣＮＴの機械的浸出を提供することができる。このような機械的浸出はなお、炭素繊維材料がＣＮＴの性質を炭素繊維材料に与えながらＣＮＴを組織化するプラットホームとして働く、頑強なシステムを提供する。さらに、バリアコーティングを含めることの利点は、ＣＮＴの成長促進に使用される温度における炭素繊維材料の加熱による水分及び／又は何らかの熱損傷に曝露することによる化学的損傷から炭素繊維材料を直ちに保護することである。
【００６８】
炭素繊維材料上でＣＮＴを成長させる場合、反応チャンバー内に存在し得る高温及び／又は任意の残留酸素及び／又は水分が、炭素繊維材料を損傷することがある。さらに、炭素繊維材料自体がＣＮＴ形成触媒自体との反応によって損傷することがある。すなわち、炭素繊維材料がＣＮＴ合成に使用する反応温度にて触媒に対して炭素原料として挙動することがある。このような余分な炭素は、炭素原料ガスの制御された導入を妨害することがあり、炭素を過剰担持することによって触媒を毒する働きをすることもある。本発明に使用するバリアコーティングは、炭素繊維材料上のＣＮＴの合成を促進するように設計される。理論に束縛されることなく、コーティングは熱劣化に対する熱バリアを提供することができる、及び／又は炭素繊維材料が高温の環境に暴露することを防止する物理的バリアとすることができる。代替的又は追加的に、これは、ＣＮＴ形成触媒と炭素繊維材料の間の表面積接触を最小化することができる、及び／又はＣＮＴ成長温度にて炭素繊維材料がＣＮＴ形成触媒に暴露することを緩和することができる。
【００６９】
繊維の生成に使用する前駆体に基づき分類される３タイプの炭素繊維があり、そのいずれも本明細書に使用することができる。すなわち、レーヨン、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）及びピッチである。セルロース材料であるレーヨン前駆体からの炭素繊維は、約２０％と比較的低い炭素含有率を有し、繊維は強度及び剛性が低い傾向がある。ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）前駆体は、炭素含有率が約５５％の炭素繊維を提供する。ＰＡＮ前駆体に基づく炭素繊維は通常、表面欠陥が最少であるので、他の炭素繊維前駆体に基づく炭素繊維より高い引っ張り強度を有する。
【００７０】
石油系アスファルト、コールタール、及びポリ塩化ビニルに基づくピッチ前駆体も、炭素繊維の生産に使用することができる。ピッチは相対的に費用が低く炭素収率は高いが、所与のバッチに不均一性の問題があることがある。
【００７１】
幾つかの実施形態では、ＣＮＴ浸出繊維材料はガラス繊維材料を含む。ＣＮＴ浸出ガラス繊維材料は、上述したようなバリアコーティングを組み込む必要はないが、任意選択で使用することができる。ガラス繊維材料に使用するガラスのタイプは、例えばＥガラス、Ａガラス、Ｅ−ＣＲガラス、Ｃガラス、Ｄガラス、Ｒガラス、及びＳガラスなど、任意のタイプでよい。Ｅガラスは重量でアルカリ酸化物が１％未満のアルミノホウケイ酸ガラスを含み、主にガラス強化プラスチックに使用される。Ａガラスは酸化ホウ素がほとんど又は全くないアルカリ石灰ガラスを含む。Ｅ−ＣＲガラスは重量でアルカリ酸化物が１％未満のアルミノ石灰ケイ酸を含み、高い耐酸性を有する。Ｃガラスは酸化ホウ素含有率が高いアルカリ石灰ガラスを含み、例えばガラス短繊維に使用される。Ｄガラスはホウケイ酸ガラスを含み、高い比誘電率を有する。ＲガラスはＭｇＯ及びＣａＯがないアルミノケイ酸ガラスを含み、高い機械的強度を有する。Ｓガラスは、ＣａＯはないがＭｇＯ含有率が高いアルミノケイ酸ガラスを含み、高い引っ張り強度を有する。これらのガラスタイプの１つ又は複数を処理して上述したガラス繊維材料にすることができる。特定の実施形態では、ガラスはＥガラスである。他の実施形態では、ガラスはＳガラスである。
【００７２】
幾つかの実施形態では、ＣＮＴ浸出繊維材料がガラスのようなセラミック繊維材料を含む場合、バリアコーティングの使用は、セラミック繊維材料の使用時の任意選択である。セラミック遷移材料に使用するセラミックのタイプは、例えばアルミナ及びジルコニアなどの酸化物、炭化ホウ素、炭化ケイ素、及び炭化タングステンなどの炭化物、及び窒化ホウ素及び窒化ケイ素などの窒化物を含む任意のタイプでよい。他のセラミック繊維材料には、例えばホウ化物及びケイ化物が含まれる。セラミック繊維は、玄武岩繊維材料も含むことができる。セラミック繊維材料は、他の繊維タイプとの複合材料として生じることがある。また、例えばガラス繊維を組み込んだ織物様セラミック繊維材料も一般的である。
【００７３】
幾つかの実施形態では、ＣＮＴ浸出繊維材料は金属繊維材料を含むが、さらに別の実施形態では、ＣＮＴ浸出繊維材料は有機繊維材料を含む。ＥＭＩシールド用途には任意の繊維材料を使用することができ、厳密な繊維材料の選択は、全体的構造の最終用途に依存し得ることが、当業者には認識される。例えば、高温用途の関連で使用されるＥＭＩシールドに、セラミック繊維材料を使用することができる。
【００７４】
ＣＮＴ浸出繊維材料は、フィラメント、ヤーン、トウ、テープ、繊維編組、織布、不織繊維マット、繊維プライ、及び他の３Ｄ織物構造体に基づく繊維材料を含むことができる。フィラメントは、約１ミクロンから約１００ミクロンの間のサイズ範囲の直径を有するアスペクト比が高い繊維を含む。繊維トウは一般的に、密に結合したフィラメントの束であり、通常は一緒に撚り合わされてヤーンとなる。
【００７５】
ヤーンは、撚ったフィラメントを密に結合した束を含む。ヤーン中の各フィラメントの直径は比較的均一である。ヤーンは、１０００リニアメートルのグラム単位の重量として表される「テックス」、又は１０，０００ヤードのポンド単位の重量として表されるデニールで記述される様々な重量を有し、典型的なテックス範囲は通常約２００テックスから約２０００テックスであるが、この値は使用される正確な繊維材料に依存する。
【００７６】
トウは撚っていないフィラメントを緩やかに結合した束を含む。ヤーンと同様に、トウ中のフィラメントの直径は一般的に均一である。トウも様々な重量を有し、テックス範囲は通常２００テックスと２０００テックスの間である。これはトウ中の千本単位のフィラメント数で特徴付けられることが多く、例えば１２Ｋのトウ、２４Ｋのトウ、４８Ｋのトウなどである。この場合も、これらの値は使用される繊維材料のタイプに応じて変化する。
【００７７】
テープは、織物として組み立てることができる材料であるか、扁平な不織トウを表すことができる。テープは様々な幅にさせることができ、一般的にリボンに類似した両面構造である。本発明のプロセスは、テープの片側又は両側のＣＮＴ浸出に適合する。ＣＮＴ浸出テープは、平坦な基材表面上の「カーペット」又は「フォレスト（forest）」に類似していることがある。この場合も、本発明のプロセスは、テープのスプールを機能化（官能化）するために連続モードで実行することができる。
【００７８】
繊維編組は、密に詰まった炭素繊維のロープ様構造体を表す。このような構造体は、例えばヤーンから組み立てることができる。編組構造体は中空部分を含むことができる、又は編組構造体は別の芯材料の周囲に組み立てることができる。
【００７９】
幾つかの実施形態では、幾つかの主要繊維材料構造を組織化して織物又はシート様構造にすることができる。これには、上述したテープに加えて、例えば織物、不織繊維マット及び繊維プライが含まれる。このようなより高次の構造は、親繊維に既にＣＮＴが浸出している状態で、親トウ、親ヤーン、親フィラメントなどから組み立てることができる。あるいは、このような構造は、本明細書に記載するＣＮＴ浸出プロセスの基材として役立たせることができる。
【００８０】
図１〜図６は、本明細書に記載するプロセスによって作製した炭素繊維材料上に作製したＣＮＴのＴＥＭ及びＳＥＭ画像を示す。これらの材料を作製する手順は、以下及び実施例Ｉ〜ＩＩＩでさらに詳述されている。これらの図及び手順は、炭素繊維材料のプロセスを例示しているが、これらのプロセスから大幅に逸脱することなく、以上で列挙したような他の繊維材料を使用できることが、当業者には認識される。図１及び図２は、連続プロセスでＡＳ４炭素繊維上に作製した、それぞれ多層及び２層カーボンナノチューブのＴＥＭ画像を示す。図３は、ＣＮＴ形成ナノ粒子触媒を炭素繊維材料の表面に機械的に浸出させた後に、バリアコーティング内から成長したＣＮＴの走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。図４は、炭素繊維材料上において目標長さ約４０ミクロンの２０％以内まで成長したＣＮＴの長さ分布の一貫性を実証するＳＥＭ画像を示す。図５は、バリアコーティングがＣＮＴの成長に与える効果を実証するＳＥＭ画像を示す。高密度で良好に配列されたＣＮＴは、バリアコーティングが適用された場所で成長し、バリアコーティングがない場所ではＣＮＴが成長していない。図６は、繊維全体のＣＮＴ密度の均一性が約１０％以内であることを実証する炭素繊維上のＣＮＴの低倍率ＳＥＭを示す。
【００８１】
次に図７を参照すると、本発明の幾つかの実施形態による複合材料１００の断面図が概略的に図示されている。複合材料１００は、例えば電気部品のハウジングパネルなどの所望のＥＭ放射シールド特性を有するＥＭＩシールド構造の製造に適切である。複合材料１００は、マトリックス１４０内に存在することがあるトウ又は粗糸などの複数の繊維又はフィラメント１１０を含む。繊維１１０にカーボンナノチューブ１２０を浸出させる。例示的実施形態では、繊維１１０はガラス（例えばＥガラス、Ｓガラス、Ｄガラス）繊維でよい。別の実施形態では、繊維１１０は炭素（グラファイト）繊維でよい。ポリアミド（芳香族ポリアミド、アラミド）（例えばケブラー２９及びケブラー４９）、金属繊維（例えば鋼、アルミニウム、モリブデン、タンタル、チタン、銅、及びタングステン）、一炭化タングステン、セラミック繊維、金属セラミック繊維（例えばケイ酸アルミニウム）、セルロース繊維、ポリエステル、クォーツ、及び炭化ケイ素などの他の繊維も使用することができる。炭素繊維に関して本明細書に記載するＣＮＴ合成プロセスは、任意の繊維タイプのＣＮＴ合成に使用することができる。幾つかの実施形態では、金属繊維は、触媒粒子と合金などの金属繊維との間の望ましくない化学反応を防止するために、触媒粒子を適用する前に適切なバリアコーティングでコーティングすることができる。したがって、金属繊維材料を使用する場合、プロセスは、炭素繊維材料に使用されるプロセスと並列にすることができる。同様に、感熱性アラミド繊維も、ＣＮＴ成長中に使用される典型的な温度から繊維材料を保護するバリアコーティングを使用することができる。
【００８２】
例示的実施形態では、カーボンナノチューブ１２０は一般的に繊維１１０の外面から垂直に成長し、それによって個々の各繊維１１０に半径方向の被覆を提供することができる。カーボンナノチューブ１２０は、繊維１１０上のその場で成長することができる。例えば、ガラス繊維１１０は、約５００℃から７５０℃の所与の温度に維持された成長チャンバーを通して供給することができる。次に、炭素を含有するフィードガスを成長チャンバーに導入することができ、ここで触媒ナノ粒子の存在下で炭素遊離基が解離し、ガラス繊維上でカーボンナノチューブの形成を開始する。
【００８３】
１つの構成では、複合材料１００を生成するために、ＣＮＴ浸出繊維１１０を樹脂槽に送出する。別の構成でもＣＮＴ浸出繊維１１０から織物を織ることができ、その後に織物を樹脂槽に送出する。樹脂槽は、ＣＮＴ浸出繊維１１０及びマトリックス１４０を含む複合材料１００を生成する任意の樹脂を含むことができる。１つの構成では、マトリックス１４０はエポキシ樹脂マトリックスの形態をとることができる。別の構成では、マトリックス１４０は、汎用ポリエステル（オルトフタル酸系ポリエステルなど）、改良したポリエステル（イソフタル酸ポリエステルなど）、フェノール樹脂、ビスマレイミド（ＢＭＩ）樹脂、ポリウレタン、及びビニルエステルのうち１つとすることができる。マトリックス１４０は、航空宇宙及び／又は軍事用途のように高い動作温度での性能を必要とする用途に有用な非樹脂マトリックス（例えばセラミックマトリックス）の形態もとることができる。マトリックス１４０は金属マトリックスの形態もとれることが理解される。
【００８４】
ＣＮＴ浸出繊維１１０又はそれで織った織物に樹脂マトリックスを含浸する真空補助樹脂浸出法及び樹脂押し出し法などの、既知の複合材料製造法を適用することができる。例えば、ＣＮＴ浸出繊維１１０又はその織物を型に敷き、樹脂をその中に浸出することができる。別の構成では、ＣＮＴ浸出繊維１１０又はその織物を型に敷くことができ、次にそれを除去し、それを通して樹脂を引く。別の構成では、ＣＮＴ浸出繊維１１０を巻きによって「０／９０」の配向に織ることができる。これは、例えばＣＮＴ浸出繊維１１０の第１層又はパネルを垂直方向などの第１方向に巻き、次にＣＮＴ浸出繊維１１０の第２層又はパネルを第１方向に対して約９０°である水平方向などの第２方向に巻くことによって遂行することができる。このような「０／９０」配向は、複合材料１００に追加の構造的強度を与えることができる。
【００８５】
カーボンナノチューブ１２０が浸出した繊維１１０を熱硬化性プラスチックマトリックス（例えばエポキシ樹脂マトリックス）１４０に組み込み、複合材料１００を形成することができる。繊維をマトリックスに組み込む方法は当技術分野で周知である。１つの構成では、高圧硬化法を使用してＣＮＴ浸出繊維１１０をマトリックス１４０に組み込むことができる。複合材料のＣＮＴ担持は、所与の複合材料中のカーボンナノチューブの重量百分率を表す。ＣＮＴベースの複合材料を生産するために当技術分野で知られているプロセスは、ばらばらのカーボンナノチューブを発生期複合材料の樹脂／マトリックスと直接混合する（すなわち、巻き取り可能な長さの繊維に結合しない）ことを含む。このようなプロセスの結果として生じる複合材料は、抑制する粘度などのファクターが増加するので、完成した複合材料中のカーボンナノチューブの重量パーセントを最大で約５重量パーセントに制限することができる。他方で、複合材料１００は、本明細書で上述したように２５重量％を超えるＣＮＴ担持量を有することができる。ＣＮＴ浸出繊維１１０を使用して、６０重量パーセントものＣＮＴ担持量を有する複合材料が実証されている。材料のＥＭシールド特性は、その導電性に依存する。複合材料１００の全体的導電性は、一部は複合材料１００のＣＮＴ担持量の関数である。したがって、複合材料１００のシールド効果は、一部は複合材料１００のＣＮＴ担持量の関数である。
【００８６】
ＣＮＴ浸出繊維を自身に組み込んだ上述の複合材料１００は、無数のＥＭＩシールド用途のためにレーダシールド特性などの電磁放射を有する構成要素の作製に適している。複合材料１００は、赤外線（約７００ｎｍから約１５センチメートル）、可視（約４００ｎｍから約７００ｎｍ）及び紫外線（約１０ｎｍから約４００ｎｍ）放射などのレーダスペクトルの電磁放射を効果的に吸収及び／又は反射することが実証されている。
【００８７】
例えばその重量及び強度特性に望ましい複合材構造は、ＥＭＩシールドが比較的不良であるために、電子デバイスの構成要素を作製するのに適切でないことがある。例えば、一部の繊維複合材料は一般的にＥＭ放射を透過し、したがってＥＭＩシールド特性が比較的不良である。例えばガラス繊維複合材料はＥＭ放射の広いスペクトルにわたって一般的に透過性である。これは誘電性でもあり、導電性及び伝熱性が不良である。ＣＮＴをガラス繊維複合材料に組み込むと、得られる複合材料のＥＭ放射吸収性を効果的に向上させる。炭素繊維複合材料は、特定の周波数範囲で良好なＥＭ放射の反射を提供することにより、改善されたＥＭＩシールドから恩恵を受けることがある。炭素繊維材料上のＣＮＴの組み込みは、ＥＭ放射の少なくとも一部の吸収又は改善された反射を追加的に提供することにより、炭素繊維複合材料のＥＭＩシールドを強化することができる。吸収の場合、エネルギーはその後、例えば電気アースに移送される。したがって、ＣＮＴ浸出繊維１１０を有する複合材料１００は、複合材料に関連する低い重量対強度比などの望ましい特性を保持しながら、ＥＭＩシールド特性を向上させる。ＥＭ放射シールドにおける複合材料の効果は、図１６〜図１８に例示されるように、複合材料中のカーボンナノチューブの重量百分率を調整することによって調節することができる。
【００８８】
次に図８を参照すると、ＣＮＴ浸出繊維材料２００の断面図が概略的に図示されている。繊維材料２００は任意選択でマトリックスを含むことができる。マトリックス材の存在に関係なく、ＣＮＴ浸出繊維材料２００を、以前に作製した複合材料の表面に適用し、複合材料のＥＭシールド特性を大幅に向上させることができる。幾つかの実施形態では、既製複合材料はそれ自体で不良のＥＭＩシールドを呈することができる。しかし、その表面に配置されたＣＮＴ浸出繊維材料は、良好なＥＭＩシールドを提供するのに十分な程度のＥＭシールド能力を与えることができる。ＣＮＴ浸出繊維材料２００は、既製複合材料の周囲に巻き付けるか織ることができる。幾つかの実施形態では、マトリックス材が、複合材料に配置する前にＣＮＴ浸出繊維材料２００に以前に存在しなかった場合、配置した後に追加することができる。さらに、このように追加したマトリックス材は、強力な結合を促進するために既製材料と同じマトリックスであるか、同様の特性とすることができる。
【００８９】
ＣＮＴ浸出繊維材料２００は、トウ又は粗糸など、繊維材料２１０中に複数の繊維を含む。カーボンナノチューブ１２０が繊維材料２１０に浸出される。接近して位置決めされたカーボンナノチューブ１２０のグループ間のファンデルワールス力が、ＣＮＴ１２０間の相互作用を十分に増加させることができる。幾つかの実施形態では、この結果、カーボンナノチューブ１２０のＣＮＴ「嵌合」がもたらされ、これはフィラメント間結合又は接着を提供することができる。例示的実施形態では、カーボンナノチューブ１２０の嵌合は、ＣＮＴ浸出繊維材料２００を統合するために繊維材料２１０に圧力を適用することによってさらに誘発することができる。フィラメント間結合は、樹脂マトリックスが存在しない状態で繊維トウ、テープ、及び織物の形成を向上させることができる。このフィラメント間結合は、従来の繊維トウ複合材料に使用されるようなフィラメント樹脂結合に対して、剪断強度及び引っ張り強度を増大させることもできる。このようなＣＮＴ浸出繊維トウから形成される複合材料繊維材料は、層間剪断強度、引っ張り強度、及び軸外れ強度の上昇とともに良好なＥＭＩシールド特性を呈する。
【００９０】
幾つかの実施形態では、ＣＮＴはＥＭシールド特性を改善するために個別に十分嵌合する必要はない。例えば、ＣＮＴ間の単純な点接触によって透過経路を形成することができる。このような実施形態では、ＣＮＴのまとまりが「緩くなる」と、提供できる電気経路、又は特定の終端点がない閉ループ経路が少なくなるか、疎らになる。これは、ＥＭ吸収特性に有利である個別の電気経路を提供することができる。というのは、全体的構造内にＥＭ放射を捕捉するために使用される材料に様々なレベルの誘電率を提供するからである。
【００９１】
１つの構成では、ＣＮＴ浸出繊維材料２００は、ガラス繊維複合材料パネル又は炭素繊維複合材料パネルなどの従来の複合材料の表面にコーティングとして適用され、良好なＥＭＩシールド特性をこのような従来の複合材料に与えることができる。１つの構成では、ＣＮＴ浸出繊維材料２００を複合材料構造の周囲に巻き付け、複合材料構造のＥＭＩシールド特性を向上させることができる。樹脂マトリックスなどのマトリックスのコーティングを、複合材料の表面に適用したＣＮＴ浸出繊維材料２００の１つ又は複数の層、又はそれで織った織物に適用し、ＣＮＴ浸出複合繊維２００を外部環境から保護することができる。複数層のＣＮＴ浸出繊維材料を配置して複数のＣＮＴの配向、長さ及び密度を提供し、ＥＭ放射吸収特性を変化させ、様々な周波数帯域でＥＭ放射を吸収し、様々な角度から全体的構造に衝突する源からのＥＭ放射を吸収することができる。
【００９２】
次に図９を参照すると、浸出ＣＮＴが複合材料３５０の頂面３５５に配置された繊維材料２１０のコーティング層が概略的に図示されている。複合材料３５０は、例えば従来の複合材料のガラス又はガラス強化プラスチックの形態をとることができる。別の構成では、複合材料３５０は、炭素繊維複合材料構造又は炭素繊維強化プラスチック構造の形態をとることができる。複合材料３５０は、それ自体で良好なレーダ吸収又はＥＭＩシールド特性を必要とする用途に使用するには一般的に適切ではない。しかし、自身上に浸出したＣＮＴを有する繊維材料２１０のコーティング又は層２３０を複合材料３５０の表面３５５に適用することにより、組み合わせ（すなわち、複合材料３５０とＣＮＴ浸出繊維の組み合わせ）は、大幅に強化されたレーダ吸収又はＥＭＩシールド特性を呈する。例示的実施形態では、繊維２１０は、樹脂マトリックスなどのマトリックスでカーボンナノチューブ２２０を浸出させた繊維トウとすることができる。さらに別の例示的実施形態では、繊維２１０を織って織物を形成することができ、これを複合材料３５０の頂面３５５に適用することができる。
【００９３】
幾つかの実施形態では、ＣＮＴ浸出繊維材料２００を織って織物を形成することができる。１つの構成では、繊維のコーティングは、単層のＣＮＴ浸出繊維の約２０ナノメートル（ｎｍ）から多層のＣＮＴ浸出繊維の約１２．５ｍｍまでの範囲の厚さを有することができる。図示の実施形態は単純さを期して単層の繊維を示しているが、複合材料３５０上のコーティングを形成するために多層の繊維を使用できることが理解される。
【００９４】
ＣＮＴ浸出繊維材料２００を使用することの利点は、重量対強度比及び他の望ましい機械的及び構造的特性などの複合材料の利点を維持しながら、ＥＭＩシールド特性が不良な従来の複合材料と組み合わせて、このようなコーティングを使用できることである。
【００９５】
ＣＮＴ浸出繊維材料２００の層又はコーティングを、複合材料構造の表面上に配置し、複合材料構造のＥＭＩシールド特性を向上させることができる。従来の複合材料に適用されるＣＮＴ浸出繊維材料２００の層又はコーティングをこのように使用すると、複雑な処理をする必要なく、製造に従来の複合材料を使用することが促進される。
【００９６】
次に図１０を参照すると、例示的実施形態によるコーティングシステム４００が図示されている。システム４００は、上流の繊維源からＣＮＴ浸出繊維１１０を受ける。例示的実施形態では、ＣＮＴ浸出繊維を、カーボンナノチューブ１２０が繊維材料上に浸出される成長チャンバーから直接的にコーティングシステム４００に導くことができる。ＣＮＴ浸出繊維１１０は、槽４１０に含まれる化学的溶液４２０内に浸漬され、ＣＮＴ浸出繊維１１０はさらに処理される。ＣＮＴ浸出繊維１１０は、２つの案内ローラ４４０、４５０によって案内される。槽ローラ４３０は、ＣＮＴ浸出繊維１１０を溶液４２０に浸漬させる。例示的実施形態では、溶液４２０は鉄系ナノ粒子溶液である。１つの構成では、溶液４２０は体積で２００のヘキサン溶液に対して１の鉄系溶液を含む。ＣＮＴ浸出繊維１１０上のカーボンナノチューブ１２０は、鉄ナノ粒子を吸収し、それによりＣＮＴ浸出繊維１１０及びそこから作製される任意の複合材料のレーダ吸収又はＥＭＩシールド特性をさらに向上させる。ＣＮＴ浸出繊維１１０から作製した広帯域織物は、同様に処理して鉄系ナノ粒子を組み込めることが理解される。
【００９７】
幾つかの実施形態では、ＥＭ放射シールド複合材料は、制御された方法で繊維材料に浸出させたＣＮＴを有することができる。例えば、ＣＮＴは繊維材料の個々の繊維要素の周囲に半径方向に密に現れて成長することができる。他の実施形態では、ＣＮＴは成長後にさらに処理され、繊維の軸に沿って直接位置合わせすることができる。これは、機械的又は化学的技術を通して、又は例えば電界を適用することによって達成することができる。
【００９８】
ＣＮＴは繊維の軸に対して画定された配向を有することができるので、これでＣＮＴはそこから作成される全体的複合材料構造内で制御された配向を有することができる。これは、上述した巻き及び／又は織りプロセスのいずれかで、又は硬化などのために樹脂マトリックス中のＣＮＴ浸出繊維材料の配向を制御することによって達成することができる。
【００９９】
したがって、幾つかの実施形態では、本発明はこれらのＥＭＩシールド複合材料を製造する方法であって、１）マトリックス材内のＣＮＴ浸出繊維材料の配向を制御した状態で、マトリックス材の一部にＣＮＴ浸出繊維材料を配置することと、２）マトリックス材を硬化することと、を含み、ＣＮＴ浸出繊維材料の制御された配向が自身上に浸出したＣＮＴの相対的配向を制御する方法を提供する。複合材料製造プロセスは、フィラメントの湿式及び乾式巻き、繊維の配置、手積み成形、さらに樹脂浸出を含むが、それに限定されない。これらのプロセスは、ＥＭＩ−ＳＥを向上させるためにパネル、部品、構成要素及び／又は構造の作製に使用することができる。
【０１００】
幾つかの実施形態では、本発明は本発明のＥＭＩシールド複合材料を含むパネルを提供する。パネルは、幾つかの実施形態では、ＥＭシールドに使用するために電子デバイスとインタフェースをとるように構成可能にすることができる。ＣＮＴ浸出繊維材料を有するパネルは、複合材料内で配向が制御されたＣＮＴを有する。パネルは、ＥＭＩシールドを最大化するために連続的ＥＭ放射透過源の入射衝突角についてその角度を調節するメカニズムを備えることができる。例えば、吸収されるＥＭ放射エネルギーがあれば全て電気信号に変換することができ、それはコンピュータシステムに統合されて、ＥＭＩシールドを最大化するためにパネルの配向を変更する。幾つかの実施形態では、ＥＭシールド材料は、検出器用途でＥＭ放射を吸収するためにも使用することができ、ここでは反射したＥＭ放射信号を効率的に捕捉する必要がある。
【０１０１】
以上で簡単に述べたように、本発明は連続的ＣＮＴ浸出プロセスを使用して、ＣＮＴ浸出繊維材料を生成する。プロセスは、（ａ）カーボンナノチューブ形成触媒を巻き取り可能な寸法の繊維材料の表面に配置することと、（ｂ）カーボンナノチューブを炭素繊維材料上に直接合成し、それによってカーボンナノチューブ浸出繊維材料を形成することとを含む。使用されている繊維材料のタイプに応じて、追加のステップを使用することができる。例えば、炭素繊維材料を使用する場合、バリアコーティングを組み込むステップをプロセスに追加することができる。
【０１０２】
長さ９フィートのシステムでは、プロセスのラインスピードは約１．５フィート／分から約１０８フィート／分の範囲とすることができる。本明細書で説明するプロセスによって達成されるラインスピードは、商業的に適量のＣＮＴ浸出繊維材料を短い生産時間で形成可能にする。例えば３６フィート／分のラインスピードでは、独立した５つのトウ（２０ポンド／トウ）を同時に処理するように設計されたシステムにおいて、１日に生産されるＣＮＴ浸出繊維（繊維上に浸出するＣＮＴが５重量％超）の量は１００ポンドを上回る。システムは、成長ゾーンを繰り返すことによって、一度に、又はより高速に大量のトウを生産するように構成され得る。さらに、ＣＮＴの作製工程の中には、当該技術分野で知られているように、連続モードの運転を阻む極低速なものがある。例えば、当技術分野で知られている典型的なプロセスにおいて、ＣＮＴ形成触媒の還元ステップは、実行するのに１〜１２時間かかることがある。ＣＮＴの成長自体も時間がかかることがあり、例えばＣＮＴの成長に数十分が必要で、本発明で実現される迅速なラインスピードを使用できなくする。本明細書で説明するプロセスは、このような律速工程を解消する。
【０１０３】
本発明のＣＮＴ浸出炭素繊維材料形成プロセスは、事前に形成されたカーボンナノチューブの懸濁液を繊維材料に適用しようとする場合に生じるＣＮＴの絡み合いを回避できる。すなわち、事前に形成されたＣＮＴは炭素繊維材料に融合しないため、ＣＮＴが束になって絡みやすくなる。その結果、炭素繊維材料への付着が弱いＣＮＴの均一分布性は不良となる。しかし、本発明のプロセスは、必要に応じて、成長密度を低下させることによって、炭素繊維材料の表面上に高均一に絡み合ったＣＮＴマットを提供できる。低密度で成長したＣＮＴは、最初に炭素繊維材料に浸出する。そのような実施形態では、繊維は垂直方向の配列を生じさせるほどには高密度で成長せず、その結果、炭素繊維材料表面上に絡み合ったマットが生じる。対照的に、事前に形成されたＣＮＴを手作業で塗布する場合、炭素繊維材料上のＣＮＴマットの分布及び密度を確実に均一にすることはできない。
【０１０４】
図１１は、本発明の例示的実施形態によりＣＮＴ浸出炭素繊維材料を生産するプロセス７００の流れ図を示す。炭素繊維材料上のＣＮＴ浸出を例示するこのプロセスのわずかな変形は、例えばガラス又はセラミック繊維などの他のＣＮＴ浸出繊維材料を提供するように変更できることが、当業者には認識される。条件のこのような変更には、例えばガラス及びセラミックでは任意選択であるバリアコーティングを適用するステップを除くことも含む。
【０１０５】
プロセス７００は、少なくとも以下の工程を含む。
【０１０６】
７０１：炭素繊維材料を機能化すること。
【０１０７】
７０２：機能化した炭素繊維材料にバリアコーティング及びＣＮＴ形成触媒を適用すること。
【０１０８】
７０４：カーボンナノチューブの合成に十分な温度まで炭素繊維材料を加熱すること。
【０１０９】
７０６：触媒を含む炭素繊維材料上においてＣＶＤを介したＣＮＴ成長を促進すること。
【０１１０】
工程７０１では、炭素繊維材料を機能化して、繊維の表面湿潤を促進し、バリアコーティングの付着性を向上させる。
【０１１１】
カーボンナノチューブを炭素繊維材料に浸出させるために、例えば、カーボンナノチューブは、バリアコーティングで等角的にコーティングされた炭素繊維材料上で合成される。一実施形態では、これは、工程７０２のように、最初に炭素繊維材料をバリアコーティングで等角的にコーティングし、次にバリアコーティング上にナノチューブ形成触媒を配置することにより達成される。幾つかの実施形態では、バリアコーティングを、触媒の付着前に部分的に硬化させることができる。これにより、ＣＮＴ形成触媒と炭素繊維材料との表面接触が可能となるなど、触媒を受け入れてバリアコーティングに埋め込み可能な表面を提供することができる。このような実施形態では、バリアコーティングは触媒を埋め込んだ後に十分に硬化可能である。幾つかの実施形態では、バリアコーティングは、ＣＮＴ形成触媒の付着と同時に炭素繊維材料に等角的にコーティングされる。ＣＮＴ形成触媒及びバリアコーティングが適切に配置されると、バリアコーティングを十分硬化させることができる。
【０１１２】
幾つかの実施形態では、バリアコーティングは触媒の付着前に十分硬化可能である。このような実施形態では、十分硬化したバリアコーティングを施した炭素繊維材料をプラズマで処理して、触媒を受け入れる表面を作製することができる。例えば、硬化したバリアコーティングを有するプラズマ処理済み炭素繊維材料は、ＣＮＴ形成触媒の付着が可能な粗面化した表面を提供することができる。したがって、バリアコーティングの表面を「粗面化する」プラズマプロセスは、触媒の付着を容易にする。粗さは通常、ナノメートルのスケールである。プラズマ処理プロセスで、深さ及び直径が数ナノメートル単位のクレータ又は窪みが形成される。このような表面改質は、限定するものではないが、アルゴン、ヘリウム、酸素、窒素、及び水素など、種々異なる１以上のあらゆるガスをプラズマに使用して達成される。幾つかの実施形態では、プラズマによる粗面化は、炭素繊維材料自体にも直接実行される。これにより、炭素繊維材料へのバリアコーティングの付着が容易になる。
【０１１３】
以下で、及び図１１に関してさらに説明するように、触媒は、遷移金属ナノ粒子を備えるＣＮＴ形成触媒を含む溶液として作製される。合成されたナノチューブの直径は、前述のように、金属粒子のサイズに関連する。幾つかの実施形態では、ＣＮＴ形成遷移金属ナノ粒子触媒の市販分散液が入手可能であり、希釈せずに使用されるが、他の実施形態では触媒の市販分散体を希釈する。このように溶液を希釈するか否かは、前述のように、成長させるＣＮＴの所望の密度及び長さに基づいて決定することができる。
【０１１４】
図１１の例示的実施形態を参照すると、化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスに基づくカーボンナノチューブ合成が図示され、これは高温で実行される。具体的な温度は、触媒の選択に依存するが、通常は、約５００℃から約１０００℃の範囲である。したがって、工程７０４は、バリアコーティングを施した炭素繊維材料を前述した範囲の温度まで加熱して、カーボンナノチューブの合成を支援することを含む。
【０１１５】
次に、工程７０６では、触媒を含む炭素繊維材料上でＣＶＤにより促進されるナノチューブ成長が行われる。ＣＶＤプロセスは、例えばアセチレン、エチレン、及び／又はエタノールなどの炭素含有原料ガスにより行われる。ＣＮＴ合成プロセスは、主要なキャリアガスとして、一般に、不活性ガス（窒素、アルゴン、ヘリウム）を使用する。炭素原料は、混合物全体の約０％から約１５％の範囲で供給される。ＣＶＤ成長のための略不活性環境は、成長チャンバーから水分及び酸素を除去して準備される。
【０１１６】
ＣＮＴ合成プロセスでは、ＣＮＴは、ＣＮＴ形成遷移金属ナノ粒子触媒の位置で成長する。強プラズマ励起電界の存在を任意に用いて、ナノチューブの成長に影響を与えることができる。すなわち、成長は電界方向に従う傾向がある。プラズマスプレー及び電界の配置を適切に調節することにより、垂直配列の（すなわち、炭素繊維材料に対して垂直な）ＣＮＴを合成できる。一定の条件下では、プラズマがない場合であっても、密集したナノチューブは成長方向を垂直に維持し、その結果、カーペット又は森林に似た高密度アレイのＣＮＴとなる。バリアコーティングの存在もＣＮＴ成長の方向性に影響を及ぼすことができる。
【０１１７】
炭素繊維材料上に触媒を配置する工程は、溶液のスプレー若しくは浸漬コーティングにより、又は、例えば、プラズマプロセスを介した気相蒸着により可能である。手法の選択は、バリアコーティングの適用モードに合わせることができる。したがって、幾つかの実施形態では、溶媒に触媒を含んだ溶液を形成した後、その溶液で、バリアコーティングを施した炭素繊維材料をスプレー若しくは浸漬コーティングすることにより、又はスプレーと浸漬コーティングとの組合せにより、触媒が適用される。単独で、あるいは組み合わせて用いられるいずれか一方の手法は、１回、２回、３回、４回、あるいは何回でも使用され、これにより、ＣＮＴ形成触媒で十分均一にコーティングされた炭素繊維材料を提供することができる。例えば浸漬コーティングを使用した場合、炭素繊維材料を、第１の浸漬槽において、第１の滞留時間だけ第１の浸漬槽内に置くことができる。第２の浸漬槽を使用する場合は、炭素繊維材料を、第２の滞留時間だけ第２の浸漬槽内に置くことができる。例えば、炭素繊維材料は、浸漬構成及びラインスピードに応じて約３秒〜約９０秒間、ＣＮＴ形成触媒の溶液にさらされる。スプレー又は浸漬コーティングのプロセスを使用すると、炭素繊維材料は、表面被覆率で約５％未満から約８０％もの触媒の表面密度を備えて処理され、そのＣＮＴ形成触媒ナノ粒子は殆ど単分子層となる。幾つかの実施形態では、炭素繊維材料上にＣＮＴ形成触媒をコーティングするプロセスは、単分子層だけを生産するはずである。例えば、積み重なったＣＮＴ形成触媒上にＣＮＴが成長すると、炭素繊維材料へのＣＮＴ浸出の程度を損なうことがある。他の実施形態では、遷移金属触媒は、蒸着技術、電界析出技術、及び当業者に既知の他のプロセス（例えば、遷移金属触媒を、有機金属、金属塩又は気相輸送を促進する他の組成物としてのプラズマ原料ガスへ添加することなど）を使用して、炭素繊維材料上に付着し得る。
【０１１８】
本発明のプロセスは連続的となるように設計されるので、一連の槽で巻き取り可能な炭素繊維材料に浸漬コーティングを施すことが可能である（この場合、浸漬コーティング槽は空間的に分離されている）。発生期の炭素繊維材料を新たに生成する連続プロセスでは、ＣＮＴ形成触媒の浸漬コーティング又はスプレーは、バリアコーティングを炭素繊維材料に適用して、硬化又は部分硬化した後の第１段階となり得る。バリアコーティング及びＣＮＴ形成触媒の適用は、新たに形成される炭素繊維材料のために、サイジングの適用に代えて行われる。他の実施形態では、ＣＮＴ形成触媒は、バリアコーティング後に、他のサイジング剤の存在下で、新たに形成された炭素繊維に適用される。ＣＮＴ形成触媒及び他のサイジング剤のこのような同時適用によっても、炭素繊維材料のバリアコーティングと表面接触するＣＮＴ形成触媒を供給し、これにより、ＣＮＴの浸出を確実にすることができる。
【０１１９】
使用する触媒溶液は遷移金属ナノ粒子でよく、これは前述したように任意のｄブロック遷移金属でよい。また、ナノ粒子には、元素形態又は塩形態のｄブロック金属の合金及び非合金混合物、並びにその混合物が含まれる。このような塩形態としては、限定するものではないが、酸化物、炭化物、及び窒化物が挙げられる。限定しない例示的な遷移金属ＮＰとしては、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕ及びＡｇ及びその塩、並びに、その混合物が挙げられる。幾つかの実施形態では、このようなＣＮＴ形成触媒は、バリアコーティングの付着と同時に、ＣＮＴ形成触媒を炭素繊維材料に直接適用する又は浸出させることによって、炭素繊維材料に付着する。これらの遷移金属触媒の多くは、例えばFerrotec Corporation（ニューハンプシャー州ベッドフォード）などの様々な供給業者から市販されており容易に入手可能である。
【０１２０】
ＣＮＴ形成触媒を炭素繊維材料に適用するために使用する触媒溶液は、ＣＮＴ形成触媒を全体にわたって均一に分散可能にするいかなる共通溶媒でもよい。このような溶媒としては、限定するものではないが、水、アセトン、ヘキサン、イソプロピルアルコール、トルエン、エタノール、メタノール、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、シクロヘキサン、又はＣＮＴ形成触媒ナノ粒子の適切な分散系を形成するために極性が制御された他のいかなる溶媒も含まれる。ＣＮＴ形成触媒の濃度は、触媒対溶媒で、約１：１から１：１００００の範囲とすることができる。このような濃度は、バリアコーティングとＣＮＴ形成触媒を同時に適用する場合にも使用することができる。
【０１２１】
幾つかの実施形態では、ＣＮＴ形成触媒の付着後、カーボンナノチューブを合成するために、炭素繊維材料は、約５００℃と１０００℃の間の温度に加熱される。これらの温度への加熱は、ＣＮＴ成長のための炭素原料を導入する前に、又はそれと略同時に行われる。
【０１２２】
幾つかの実施形態では、本発明は、炭素繊維材料からサイジング剤を除去することと、炭素繊維材料にバリアコーティングを等角的に適用することと、ＣＮＴ形成触媒を炭素繊維材料に適用することと、炭素繊維材料を少なくとも５００℃に加熱することと、炭素繊維材料上でカーボンナノチューブを合成することと、を含むプロセスを提供することができる。幾つかの実施形態では、ＣＮＴ浸出プロセスの工程は、炭素繊維材料からサイジングを除去することと、バリアコーティングを炭素繊維材料に適用することと、ＣＮＴ形成触媒を炭素繊維に適用することと、繊維をＣＮＴ合成温度まで加熱することと、触媒を含む炭素繊維材料をＣＶＤで促進されたＣＮＴ成長させることとを含む。したがって、市販の炭素繊維材料を使用する場合、ＣＮＴ浸出炭素繊維材料を構成するためのプロセスは、バリアコーティング及び触媒を炭素繊維材料上に配置する前に、炭素繊維材料からサイジングを除去する個別の工程を含むことができる。
【０１２３】
カーボンナノチューブを合成する工程は、参照により本明細書に組み込まれる同時係属の米国特許出願ＵＳ２００４／０２４５０８８号に開示されているものなど、カーボンナノチューブを形成する多くの手法を含むことができる。本発明の繊維上で成長するＣＮＴは、限定するものではないが、マイクロキャビティ、熱又はプラズマ促進ＣＶＤ法、レーザアブレーション、アーク放電、及び高圧一酸化炭素（ＨｉＰＣＯ）など、当該技術分野において既知の手法により得られる。ＣＶＤ中は特に、バリアコーティングを施され、その上にＣＮＴ形成触媒が配置された炭素繊維材料を直接使用することができる。幾つかの実施形態では、ＣＮＴ合成の前に従来のサイジング剤を全て除去することができる。幾つかの実施形態では、アセチレンガスをイオン化して、ＣＮＴ合成のための低温炭素プラズマジェットを生じさせる。プラズマは、触媒を担持する炭素繊維材料に向かって配向される。このように、幾つかの実施形態では、炭素繊維材料上のＣＮＴ合成は、（ａ）炭素プラズマを形成すること、及び（ｂ）炭素繊維材料上に配置された触媒の方向に炭素プラズマを配向することを含む。成長したＣＮＴの直径は、前述のように、ＣＮＴ形成触媒のサイズにより決定される。幾つかの実施形態では、サイジングした繊維基材を約５５０℃〜約８００℃に加熱して、これによりＣＮＴの合成を容易にする。ＣＮＴの成長を開始するために、アルゴン、ヘリウム、又は窒素などのプロセスガスと、アセチレン、エチレン、エタノール又はメタンなどの炭素含有ガスと、の２つのガスが反応器に流される。ＣＮＴはＣＮＴ形成触媒の位置で成長する。
【０１２４】
幾つかの実施形態では、ＣＶＤ成長はプラズマで促進される。プラズマは、成長プロセス中に電界を与えることによって生成される。この条件下で成長するＣＮＴは、電界方向に従う。したがって、反応器の配置を調節することにより、垂直に配列されたカーボンナノチューブを円筒形繊維の周囲に半径方向に成長させることができる。幾つかの実施形態では、繊維の周囲から半径方向に成長させるためにプラズマは必要とされない。テープ、マット、布地、プライなどのように明確な面を有する炭素繊維材料の場合は、触媒を片面又は両面に配置させることができ、それに応じてＣＮＴも片面又は両面で成長することができる。
【０１２５】
前述したように、ＣＮＴ合成は、巻き取り可能な炭素繊維材料を機能化する連続プロセスを提供するのに十分な速度で行われる。以下に例示されるように、このような連続的な合成は、多くの装置構成により容易となる。
【０１２６】
幾つかの実施形態では、ＣＮＴ浸出炭素繊維材料は「全プラズマ」プロセスで構成される。全プラズマプロセスは、前述のように、炭素繊維材料をプラズマで粗面化することから始まり、これにより、繊維表面の湿潤特性を向上させて、より等角的なバリアコーティングを提供するとともに、機械的連動を介してコーティングの付着、及びアルゴン又はヘリウム系プラズマ内で酸素、窒素、水素などの特定の反応ガス種を使用することによる炭素繊維材料の機能化を用いた化学的付着を向上させることができる。
【０１２７】
バリアコーティングを施した炭素繊維材料は、更なる多数のプラズマ介在工程を通過して、最終的なＣＮＴ浸出製品を形成する。幾つかの実施形態では、全プラズマプロセスは、バリアコーティングが硬化した後の第２の表面改質を含むことができる。これは、炭素繊維材料上のバリアコーティング表面を「粗面化」して、触媒の付着を容易にするプラズマプロセスである。前述したように、表面改質としては、限定するものではないが、アルゴン、ヘリウム、酸素、アンモニア、水素、及び窒素などの種々異なる１以上のガスからなるプラズマを用いて実現可能である。
【０１２８】
表面改質後に、バリアコーティングを施した炭素繊維材料は触媒の適用へと進む。これは、ＣＮＴ形成触媒を繊維上に付着させるプラズマプロセスである。ＣＮＴ形成触媒は、通常、前述したような遷移金属である。遷移金属触媒は、強磁性流体、有機金属、金属塩、又は気相輸送を促進する他の組成物の形態の前駆体として、プラズマ原料ガスに添加され得る。触媒は周囲環境内で室温にて適用可能であり、真空雰囲気も不活性雰囲気のいずれも必要ではない。幾つかの実施形態では、触媒を適用する前に、炭素繊維材料は冷却される。
【０１２９】
全プラズマプロセスを継続すると、カーボンナノチューブの合成がＣＮＴ成長反応器内で起こる。これは、プラズマ促進化学蒸着を使用することによって達成することができ、炭素プラズマが触媒を含む繊維にスプレーされる。カーボンナノチューブの成長は高温（通常は触媒に応じて約５００から１０００℃の範囲）で起こるので、触媒を含む繊維は炭素プラズマにさらされる前に加熱される。浸出プロセスのために、炭素繊維材料は、軟化するまで任意に加熱されてよい。加熱後、炭素繊維材料は炭素プラズマを受ける準備が整う。炭素プラズマは、例えばアセチレン、エチレン、エタノールなどの炭素含有ガスを、ガスのイオン化が可能な電界に通すことにより生成される。この低温炭素プラズマは、スプレーノズルを介して炭素繊維材料へと配向される。炭素繊維材料は、プラズマを受けるために、スプレーノズルから約１センチメートル以内など、スプレーノズルにごく近接していてもよい。幾つかの実施形態では、プラズマスプレーにて炭素繊維材料の上にヒータが配置され、炭素繊維材料を高温に維持する。
【０１３０】
連続的なカーボンナノチューブ合成の別の構成は、炭素繊維材料上でカーボンナノチューブを直接合成し、成長させる専用の矩形反応器を含む。反応器は、カーボンナノチューブを担持する繊維を生産するための連続的なインラインプロセス用に設計され得る。幾つかの実施形態では、ＣＮＴは、化学蒸着（「ＣＶＤ」）により、大気圧、かつ、約５５０℃から約８００℃の範囲の高温で、マルチゾーン反応器内で成長する。合成が大気圧で生じるということは、繊維上でＣＮＴを合成するための連続的な処理ラインに反応器を組み込むことを容易にする１つの要素である。このようなゾーン反応器を使用する連続的なインライン処理に合致する別の利点は、ＣＮＴの成長が秒単位で生じることであり、当技術分野で典型的な他の手法及び装置構成における分単位（又はもっと長い）とは対照的である。
【０１３１】
様々な実施形態によるＣＮＴ合成反応器は、以下の特徴を含む。
【０１３２】
矩形に構成された合成反応器：
当技術分野で既知の標準的なＣＮＴ合成反応器は横断面が円形である。これには、例えば、歴史的理由（ラボラトリでは円筒状の反応器が使用されることが多い）と利便性（流体力学は円筒状反応器にモデル化すると容易になり、また、加熱器システムは円管（石英など）に容易に対応する）、並びに、製造の容易性など、幾つかの理由がある。
本発明は、従来の円筒形状を変えて、矩形断面を有するＣＮＴ合成反応器を提供する。変更の理由は以下の通りである：
１．反応器により処理できる多くの炭素繊維材料は、例えば、平坦なテープ又はシート状の形態のように比較的平面的であるので、円形横断面では反応器の体積の利用が不十分である。この不十分な利用は、円筒状のＣＮＴ合成反応器にとって、例えば、以下のａ）ないしｃ）に挙げるような幾つかの欠点となる。
ａ）十分なシステムパージの維持。反応器の体積が増加すると、同レベルのガスパージを維持するためにガス流量を増加させる必要がある。これは、開放環境におけるＣＮＴの大量生産には不十分なシステムとなる。
ｂ）炭素原料ガス流量の増加。前記ａ）のように、不活性ガス流量を相対的に増加させるには、炭素原料ガス流量を増加させる必要がある。１２Ｋの炭素繊維トウの体積が、矩形横断面を有する合成反応器の全体積に対して２０００分の１であることを考慮されたい。同等の円筒状成長反応器（すなわち、矩形横断面の反応器と同じ平坦化された炭素繊維材料を収容できるだけの幅を有する円筒状の反応器）では、炭素繊維材料の体積はチャンバー体積の１７，５００分の１になる。ＣＶＤなどのガス付着プロセスは、通常、圧力及び温度のみに支配されるが、体積は付着の効率に顕著な影響を及ぼす。矩形反応器の場合でも、なお過剰な体積がある。この過剰な体積は、無用の反応を助長するが、それでも円筒状反応器では、その体積が約８倍もある。このように競合する反応が生じる可能性が高まるので、所望の反応が生じるには、円筒形反応器のチャンバーでは一層遅くなってしまう。このようなＣＮＴ成長の速度低下は、連続プロセスの進行にとって問題となる。矩形反応器構成の１つの利点は、矩形チャンバーの低い高さを用いて反応器の容積を減少させ、これにより体積比を向上させて、反応をさらに効率化できることである。本発明の幾つかの実施形態には、矩形合成反応器の全体積が、合成反応器を通過している炭素繊維材料の全体積に対して僅か約３０００倍にしかすぎないものがある。他の幾つかの実施形態の中には、矩形合成反応器の全体積が、合成反応器を通過している炭素繊維材料の全体積の約４０００倍にしかすぎないものもある。さらに他の幾つかの実施形態の中には、矩形合成反応器の全体積は、合成反応器を通過している炭素繊維材料の全体積に対して約１０，０００倍未満のものがある。また、円筒状反応器を使用した場合、矩形横断面を有する反応器と比較すると、同じ流量割合を提供するためには、より大量の炭素原料ガスが必要であることに留意されたい。当然のことながら、他の幾つかの実施形態の中には、矩形ではないが、これに類似し、かつ、円形横断面を有する反応器に対して、反応器の体積を同様に低減する多角形状で表される横断面を有する合成反応器がある。
ｃ）問題となる温度分布。比較的小径の反応器を使用する場合、チャンバー中心からその壁面までの温度勾配はごく僅かである。しかし、工業規模の生産に使用されるなど、サイズの増加とともに、温度勾配が増大する。このような温度勾配は、炭素繊維材料基材毎に製品品質がばらつく（すなわち、製品品質が半径方向の位置に応じて変化する）原因となる。この問題は、矩形横断面を有する反応器を使用した場合に殆ど回避される。特に、平面的な基材を使用する場合、基材のサイズが大きくなったときに、反応器の高さを一定に維持することができる。反応器の頂部と底部との間の温度勾配は基本的に無視することができ、その結果、熱的な問題及びそれによる製品品質のばらつきが回避される。
２．ガス導入。当技術分野では、通常、管状炉を使用するので、典型的なＣＮＴ合成反応器は、ガスを一端に導入し、それを反応器に通して他端から引き出している。本明細書で開示する幾つかの実施形態では、ガスが、反応器の両側面又は反応器の頂面及び底面のいずれかを通して対照的に、反応器の中心、又は対象とする成長ゾーン内に導入される。これにより、流入する原料ガスが、ＣＮＴの成長が最も活発であるシステムの最高温度部分に連続的に補給されるので、全体的なＣＮＴの成長速度が向上する。このような一定のガス補給は、矩形のＣＮＴ反応器が示す成長速度向上の重要な側面である。
【０１３３】
ゾーン分け：
比較的低温のパージゾーンを提供するチャンバーは、矩形合成反応器の両端から延びる。出願人は、仮に高温ガスが外部環境（すなわち、反応器の外部）と接触すると、炭素繊維材料の劣化が増大することを究明した。低温のパージゾーンは、内部システムと外部環境との間の緩衝となる。当技術分野で既知の典型的なＣＮＴ合成反応器の構成は、通常、基材を慎重に（及び緩やかに）冷却することが求められる。本発明の矩形ＣＮＴ成長反応器の出口における低温のパージゾーンは、連続的なインライン処理に必要とされるような短期間での冷却を実現する。
【０１３４】
非接触、ホットウォール型、金属製反応器：
幾つかの実施形態では、金属、特にステンレス鋼で作成されたホットウォール型反応器を使用する。これは、金属、特にステンレス鋼が炭素の付着を受けやすい（すなわち、煤及び副生成物が形成されやすい）ために、常識に反するようにも考えられる。したがって、大部分のＣＮＴ反応器構成は石英反応器を使用する。その方が炭素の付着が少なく、石英の方が洗浄しやすく、石英が試料の観察を容易にするからである。しかし、出願人は、ステンレス鋼における煤及び炭素の付着が増加した結果、より着実、より高速、より効率的、かつ、より安定的なＣＮＴ成長がもたらされること、を見つけた。理論に拘束されることなく、大気圧運転と連動して、反応器内で起こるＣＶＤプロセスでは拡散が制限されることが示されている。すなわち、触媒に「過度に供給される」、つまり、過量の炭素が、（反応器が不完全真空下で運転している場合よりも）その相対的に高い分圧により、反応器システム内で使用可能である。その結果、開放システム、特に清浄な開放システムでは、過量の炭素が触媒粒子に付着して、ＣＮＴの合成能力を低下させる。幾つかの実施形態では、反応器に「汚れが付いて」いる、すなわち、金属反応器壁に煤が付着している場合に、矩形反応器を意図的に運転する。炭素が反応器壁上の単分子層に付着すると、炭素は、自身上に容易に付着することになる。使用可能な炭素の中には、このメカニズムにより「回収される」ものがあるので、遊離基の形態で残っている炭素原料が、触媒を被毒させない速度で触媒と反応する。既存のシステムは「清浄に」運転されるが、連続処理のために開放状態であれば、成長速度が低下して、はるかに低い収率でしかＣＮＴを生産できない。
【０１３５】
ＣＮＴ合成を、前述のように「汚れが付いて」いる状態で実施するのは概して有益であるが、それにもかかわらず、ガスマニホールド及びガス入口などの装置の特定部分は、煤が閉塞状態を引き起こした場合にＣＮＴの成長プロセスに悪影響を及ぼすことがある。この問題に対処するために、ＣＮＴ成長反応チャンバーのこのような部分を、例えば、シリカ、アルミナ、又はＭｇＯなどの煤抑制コーティングで保護することができる。実際には、装置のこのような部分は、これらの煤抑制コーティングで浸漬コーティングが施される。これらのコーティングには、ＩＮＶＡＲ（登録商標）などの金属を使用することができる。何故なら、ＩＮＶＡＲは同様のＣＴＥ（熱膨張率）を有し、より高温におけるコーティングの適切な付着を確実に行い、重要なゾーンにおける煤の大量蓄積を防止するからである。
【０１３６】
触媒還元及びＣＮＴ合成の組合せ：
本明細書で開示するＣＮＴ合成反応器では、触媒還元及びＣＮＴ成長のいずれもが反応器内で生じる。このことが重要であるのは、還元工程が個別の工程として実施されると、連続プロセスで使用するのに十分タイムリーに行えなくなるからである。当技術分野で既知の典型的なプロセスでは、還元工程の実施には、通常、１〜１２時間かかる。本発明によれば、両工程は１つの反応器内で起こるが、これは、少なくとも１つには、炭素原料ガスを導入するのが、円筒状反応器を使用する当技術分野で典型的な反応器の端部ではなく、中心部であることに起因する。還元プロセスは、繊維が加熱ゾーンに入ると生じる。この時点までに、ガスには、触媒と反応して（水素とラジカルの相互作用を介した）酸化還元を引き起こす前に、壁と反応して冷却するまでの時間がある。還元が生じるのはこの遷移領域である。システムの最高温度の等温ゾーンにて、ＣＮＴが成長し、最速の成長速度は反応器の中心付近にあるガス入口の近傍で生じる。
【０１３７】
幾つかの実施形態では、例えば、炭素トウなど、緩くまとまった炭素繊維材料を使用する場合、連続プロセスは、トウのストランド及び／又はフィラメントを展開する工程を含むことができる。したがって、トウがスプールから繰り出されるときに、例えば、真空ベースの開繊システムを使用して開繊される。サイジングされて比較的堅い炭素繊維材料を使用する場合、トウを「軟化」して繊維の開繊を容易にするために、更なる加熱を使用できる。個々のフィラメントを含んで構成される開繊繊維は、フィラメントの全表面積をさらせるように十分分離して開繊され、こうして後続の処理工程でトウがさらに効率的に反応できるようにする。このような開繊は、３ｋのトウ全体を約４インチから約６インチに近づけることができる。開繊した炭素トウは、前述のようにプラズマシステムで構成される表面処理工程を通過することができる。バリアコーティングを適用して粗面化した後、開繊繊維は、次に、ＣＮＴ形成触媒の浸漬槽を通過することができる。その結果、触媒粒子が表面上で半径方向に分布した炭素トウの繊維になる。触媒を含んだトウの繊維は、その後、前述のように、例えば、矩形チャンバーなどの適切なＣＮＴ成長チャンバーに入り、ここで大気圧ＣＶＤ又はＰＥ−ＣＶＤプロセスを通る流れを使用して、毎秒数ミクロンもの高い速度でＣＮＴを合成する。トウの繊維は、こうして半径方向に配列されたＣＮＴを備えて、ＣＮＴ成長反応器を出る。
【０１３８】
幾つかの実施形態では、ＣＮＴ浸出炭素繊維材料はさらに別の処理プロセスを通過することができ、これは、幾つかの実施形態では、ＣＮＴの機能化（官能化）に使用されるプラズマプロセスである。ＣＮＴの追加の機能化は、特定の樹脂に対する付着を促進するために用いられる。したがって、幾つかの実施形態では、本発明は機能化したＣＮＴを有するＣＮＴ浸出炭素繊維材料を提供する。
【０１３９】
巻き取り可能な炭素繊維材料の連続処理の一部として、ＣＮＴ浸出炭素繊維材料はさらにサイジング浸漬槽を通過して、これにより最終製品に有益となり得る任意のサイジング剤を更に適用することができる。最終的に、湿式巻きが求められる場合、ＣＮＴ浸出炭素繊維材料は樹脂槽を通過して、これをマンドレル又はスプールに巻き付けることができる。その結果得られる炭素繊維材料／樹脂の組合せは、ＣＮＴを炭素繊維材料上に固着し、これにより、取り扱い及び複合材料製造をさらに容易にすることが可能となる。幾つかの実施形態では、ＣＮＴ浸出を用いて、フィラメントの巻きを改良する。したがって、例えば、炭素トウなどの炭素繊維材料上に形成されたＣＮＴが樹脂槽を通過して、これにより樹脂を含浸させたＣＮＴ浸出炭素トウを生成する。樹脂含浸後、炭素トウは、送出ヘッドによって回転するマンドレルの表面に位置決めされる。そして、トウは、既知の方法により正確な幾何学的パターンでマンドレルに巻き付けられる。
【０１４０】
前述の巻きプロセスは、パイプ、チューブ、又は雄型を介して特徴的に生産されるような他の形態を提供する。しかし、本明細書で開示する巻きプロセスから作られる形態は、従来のフィラメント巻きプロセスで生産されるものとは異なる。特に本明細書で開示するプロセスでは、その形態は、ＣＮＴ浸出トウを含む複合材料から作られる。したがって、このような形態にとって、ＣＮＴ浸出トウによって提供される強度向上などは有益となるであろう。
【０１４１】
幾つかの実施形態では、巻き取り可能な炭素繊維材料上にＣＮＴを浸出させるための連続プロセスは、約０．５フィート／分から約３６フィート／分のラインスピードを達成できる。この実施形態において、ＣＮＴ成長チャンバーが長さ３フィートであり、７５０℃の成長温度で稼動する場合、例えば、約１ミクロンから約１０ミクロンの長さを有するＣＮＴを生成するために、約６フィート／分から約３６フィート／分のラインスピードでプロセスが行われる。また、例えば、約１０ミクロンから約１００ミクロンの長さを有するＣＮＴを生成するために、約１フィート／分から約６フィート／分のラインスピードでプロセスを行うこともできる。例えば、約１００ミクロンから約２０００ミクロンの長さを有するＣＮＴを生成するために、約０．５フィート／分から約１フィート／分のラインスピードでプロセスが行われる。ＣＮＴの長さは、ラインスピード及び成長温度のみに関係しているだけでなく、炭素原料及び不活性キャリアガスの両方の流量もＣＮＴの長さに影響を与える。例えば、高速のラインスピード（６フィート／分から３６フィート／分）で、不活性ガス中の炭素原料が１％未満からなる流量では、約１ミクロンから約５ミクロンの長さを有するＣＮＴとなる。高速のラインスピード（６フィート／分から３６フィート／分）で、不活性ガス中の炭素原料が１％を超える流量では、約５ミクロンから約１０ミクロンの長さを有するＣＮＴとなる。
【０１４２】
幾つかの実施形態では、複数の炭素繊維材料が同時にプロセスに通される。例えば、テープ、トウ、フィラメント、ストランドなどが複数で並行してプロセスに通される。したがって、炭素繊維材料の既製スプールは、いくつでも並行してプロセスに通され、プロセスの最後で再び巻き取られる。並行して通すことが可能な炭素繊維材料のスプール数は、１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、又は、最大でＣＮＴ成長反応器チャンバーの幅に収まるいかなる数も含まれる。さらに、複数の炭素繊維材料にプロセスされる場合、回収スプール数は、プロセス開始時のスプール数より少なくすることができる。このような実施形態では、ストランド、トウなどは、このような炭素繊維材料を組み合わせて、織物などのより高次の炭素繊維材料にする他のプロセスに送られてもよい。また、連続プロセスは、例えば、ＣＮＴ浸出短繊維マットの形成を容易にする後処理チョッパを組み込むこともできる。
【０１４３】
繊維材料にＣＮＴを浸出させる本発明のプロセスは、均一なＣＮＴ長さの制御を可能にし、連続プロセスでは巻き取り可能な繊維材料をＣＮＴで高速にて機能化できるようにすることができる。５秒から３００秒の材料滞留時間で、長さ３フィートのシステムの連続プロセスにおけるラインスピードは、約０．５フィート／分から約３６フィート／分の間のいずれかの範囲、及びそれより大きい値とすることができる。選択されるラインスピードは、以下でさらに説明するような様々なパラメータによって決定される。
【０１４４】
幾つかの実施形態では、約５秒から約３０秒の材料滞留時間は、約１ミクロンから約１０ミクロンの長さを有するＣＮＴを生産することができる。幾つかの実施形態では、約３０秒から約１８０秒の材料滞留時間は、約１０ミクロンから約１００ミクロンの間の長さを有するＣＮＴを生産することができる。さらに別の実施形態では、約１８０秒から約３００秒の材料滞留時間は、約１００ミクロンから約５００ミクロンの間の長さを有するＣＮＴを生産することができる。当業者であれば、これらの範囲がおおよそのものであり、ＣＮＴの長さは、反応温度、キャリア及び炭素原料の濃度及び流量によっても調節可能であることを認識できる。
【０１４５】
幾つかの実施形態では、本発明はマトリックス材中にカーボンナノ構造（ＣＮＳ）材料を含むＣＮＳシールド層を備えるシールド電線を提供し、ＣＮＳシールド層は、モノリシックであり、且つ、誘電層及び導電線の周囲に配置され、誘電層はＣＮＳシールド層と導電線の間に配置される。幾つかの実施形態では、当技術分野でＥＭＩシールドとして一般的に使用される金属箔及び／又は編組を置換するものとして、ＣＮＳシールド層が提供される。
【０１４６】
同軸ケーブルに見られるような典型的な編組シールドは、比較的低い周波数範囲でＥＭＩシールドを提供する際に効果的であるが、周波数が上昇するにつれ効果が低下する。効果の低下は、少なくとも一部は、編組シールドを通ってＲＦエネルギーが漏れ得る織物中のギャップに起因する。織物に残されたギャップは、通常、オプティカル（optical）被覆率のパーセンテージで表される。編組が良質であるほど、オプティカル被覆率が向上する。
【０１４７】
より高い周波数における効果の低下を緩和するために、最高級のケーブル、典型的には金属箔又はアルミニウム処理マイラーを編組シールドの補足物として使用する。箔材料のテープは通常、ほぼ１００％のオプティカル被覆率を提供するために使用される。テープを捻り、その結果、被覆率が１００％未満のシームになる。箔層は、図２１に示すようなモノリシックであるか、図２２に示すように個々の電線対を被覆してもよい。これらの材料を使用すると、ケーブル製造の複雑さ及び費用が増大する。
【０１４８】
ＣＮＳ材料をＰＴＦＥ、ＰＶＣ及びマイラーのようなポリマーに入れることにより、ケーブル被覆又は容易に適用される内層に一体であるＥＭＩシールドを作成して、製造を簡素化すると共に費用を削減することが可能である。ＣＮＳを含む熱可塑性樹脂を使用することにより、高周波シールドのために完全に箔及び金属処理したテープを使用する代わりとすることができる。他の利点の中には、金属箔の代わりにすることで、ケーブルの軽量化に役立てることもある。幾つかの実施形態では、絶縁性外側被覆に薄い内層を追加し、ケーブルの新しいクラスを提供することにより、箔の使用を完全になくし、ＣＮＳを含む熱可塑性樹脂を既存の押出成形の外側被覆に使用することができる。幾つかの実施形態では、本開示は２用途のケーブル被覆を製造する方法を提供する。例えば、ＣＮＳを水遮断性熱可塑性樹脂に追加することにより、ワイヤケーブルはＥＭＩシールド性及び耐水性の両方にすることができる。
【０１４９】
次に図１９を参照すると、１つの例示的実施形態によるシールド電線１９００が図示されている。シールド電線１９００は任意選択の誘電層１９２０及び導電線１９３０の周囲に配置されたカーボンナノ構造（ＣＮＳ）シールド層１９１０を含む。図２０は、図１９のＣＮＳシールド層１９１０に類似した構成である金属箔２０１０を有する典型的な同軸ケーブル２０００を示す。本明細書で開示する実施形態により、同軸ケーブル２０００の金属箔２０１０は図１９のようにＣＮＳシールド層１９１０と交換することができる。さらに、置換したＣＮＳシールド層１９１０の位置は、図２０で金属箔２０１０が見える位置に限定する必要がない。幾つかの実施形態では、ＣＮＳシールド層は編組２０２０の周囲に配置された別個の層とすることができる。幾つかの実施形態では、ＣＮＳシールド層は、外側被覆２０３０の内面上の層として一体化することができる。幾つかの実施形態では、ＣＮＳシールド層は外側被覆２０３０とすることができる。すなわち、外側被覆は、本明細書で開示されるＣＮＳ材料とともに直接押出成形することができる。さらに別の実施形態では、複数のＣＮＳシールド層を使用してもよい。例えば幾つかの実施形態では、外側被覆２０３０及び交換した金属箔２０１０は両方ともＣＮＳシールド層を含むことができる。さらに別の実施形態では、編組２０２０もＣＮＳを含むことができる。
【０１５０】
図１９は単に１本の導電線１９３０を図示しているが、ＣＮＳシールド層１９１０は任意の数の電線を包囲できることが当業者には認識される。例えば図２１に示すように、電線束２１００は金属箔２１１０を含むことができ、金属箔は図１９のようにＣＮＳシールド層１９１０と交換される。この場合も、図２１のＣＮＳシールド層の位置は、金属箔２１１０が示されている位置に限定する必要がない。幾つかの実施形態では、ＣＮＳシールド層は編組２１２０の周囲に配置された別個の層とすることができる。幾つかの実施形態では、ＣＮＳシールド層は外側被覆２１３０の内面上の層として一体化することができる。幾つかの実施形態では、ＣＮＳシールド層は外側被覆２１３０とすることができる。すなわち、外側被覆は、本明細書で開示されるＣＮＳ材料とともに直接押出成形することができる。さらに別の実施形態では、複数のＣＮＳシールド層を使用してもよい。例えば幾つかの実施形態では、外側被覆２１３０及び交換した金属箔２１１０は両方ともＣＮＳシールド層を含むことができる。さらに別の実施形態では、編組２１２０もＣＮＳを含むことができる。
【０１５１】
さらなる例では、図２２はそれぞれが金属箔２２１０にくるまれたペア線を有するケーブル２２００を示す。金属箔２２１０は、本明細書の上記で開示された実施形態と一致するＣＮＳシールド層と交換することができる。したがって、図２２のＣＮＳシールド層の位置は、金属箔２２１０が示された位置に限定する必要がない。幾つかの実施形態では、ＣＮＳシールド層は編組２２２０の周囲に配置された別個の層とすることができる。幾つかの実施形態では、ＣＮＳシールド層は外側被覆２２３０の内面上の層として一体化することができる。幾つかの実施形態では、ＣＮＳシールド層は外側被覆２２３０とすることができる。すなわち、外側被覆は、本明細書で開示されるＣＮＳ材料とともに直接押出成形することができる。さらに別の実施形態では、複数のＣＮＳシールド層を使用してもよい。例えば幾つかの実施形態では、外側被覆２２３０及び交換した金属箔２２１０は両方ともＣＮＳシールド層を含むことができる。さらに別の実施形態では、編組２２２０もＣＮＳを含むことができる。幾つかの実施形態では、本発明は、撚線対の周囲に配置されたＣＮＳ浸出層を含むケーブルシステムを提供する。
【０１５２】
幾つかの実施形態では、本明細書で開示されたシールド電線はさらに図２０〜図２２に示すような編組シールドを含むことができる。幾つかのこのような実施形態では、編組シールドをＣＮＳシールド層の周囲に配置することができる。他の実施形態では、編組シールドをＣＮＳシールド層と誘電層の間に配置することができる。さらに別の実施形態では、編組シールドはさらに第２ＣＮＳ材料を含む。幾つかの実施形態では、ＣＮＳシールド層を編組シールドと交換することができる。
【０１５３】
幾つかの実施形態では、本明細書で開示されるシールド電線はＣＮＳ浸出繊維材料を含むＣＮＳ材料を使用することができる。幾つかのこのような実施形態では、ＣＮＳ浸出繊維材料はガラス又は炭素繊維を含む。幾つかの実施形態では、ＣＮＳ浸出繊維材料は短繊維（chopped fiber）を含む。他の実施形態では、ＣＮＳ浸出繊維材料は連続繊維を含む。さらに別の実施形態では、採収したＣＮＳを合成して熱可塑性樹脂にし、ＣＮＳシールド層を形成することができる。このような実施形態では、ＣＮＳをばらばらのＣＮＴとは別個であると見なし、本明細書で上述した複雑な形態を特徴とする。さらに、幾つかの実施形態では、本明細書で使用するＣＮＳは、単層カーボンナノチューブ、２層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、又はその混合物を含むことができる。ＣＮＳ構造は様々な形態のＣＮＳの要素を含むが、これは、共有する層、架橋、分岐、及びその組み合わせなどの複雑な形態によって個々のＣＮＴのアレイとは別個である。
【０１５４】
本明細書で開示されるＣＮＳシールド層のＣＮＳは、機械的用途と導電性及び伝熱性用途との両方で本明細書で開示される実施形態と矛盾しない多くの長さにすることができる。したがって、ＣＮＳは約１ミクロンから約５００ミクロンの範囲の長さで変更することができ、例えば１ミクロン、２ミクロン、３ミクロン、４ミクロン、５ミクロン、６ミクロン、７ミクロン、８ミクロン、９ミクロン１０ミクロン、１５ミクロン、２０ミクロン、２５ミクロン、３０ミクロン、３５ミクロン、４０ミクロン、４５ミクロン、５０ミクロン、６０ミクロン、７０ミクロン、８０ミクロン、９０ミクロン、１００ミクロン、１５０ミクロン、２００ミクロン、２５０ミクロン、３００ミクロン、３５０ミクロン、４００ミクロン、４５０ミクロン、５００ミクロン、及びその間の全ての値が含まれる。ＣＮＴは長さが例えば０．５ミクロンなど、約１ミクロン未満でもよい。ＣＮＴは５００ミクロンを超えてもよく、例えば５１０ミクロン、５２０ミクロン、５５０ミクロン、６００ミクロン、７００ミクロン、及びその間にある全ての値及びその分数が含まれる。
【０１５５】
幾つかの実施形態では、ＣＮＳシールド層に使用されるＣＮＳは機能化（官能化）することができる。幾つかのこのような実施形態では、機能化は、ＣＮＳ構造をそれが組み込まれる熱可塑性樹脂に共有結合させる手段として役立つことができる。
【０１５６】
幾つかの実施形態では、本明細書で開示されるシールド電線は、本明細書で開示されるような熱可塑性又は熱硬化性樹脂を含むマトリックス材を使用することができる。幾つかの実施形態では、マトリックス材はポリオレフィンとすることができる。幾つかの実施形態では、マトリックス材はポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン、ポリプロピレン、ネオプレン、クロロスルホン化ポリエチレン、熱可塑性ＣＰＥ、低スモークゼロハロゲン、プレナム、熱可塑性エラストマー、エチレンクロロトリフルオロエチレン（ＥＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、フルオロポリマー樹脂ＦＥＰ／ＰＦＡ、エチレンプロピレンジエンモノマーゴム（ＥＰＤＭ）、ナイロン、シリコーン、ゴム、ポリウレタン、気泡ポリオレフィン、フッ化炭化水素、エチレンプロピレンゴム、架橋ポリエチレン（ＸＬＰＥ）絶縁体、又はその組み合わせとすることができる。幾つかのこのような組み合わせでは、マトリックス材は例えば同時押出成形することができる。幾つかの実施形態では、当業者に理解されるように、前述した材料のいずれも所望の程度まで架橋することもできる。このような架橋の程度は、目的とする性質に基づいて選択することができる。非限定的な例により、マトリックス材は可撓性で変形可能にできれば有利である。幾つかの実施形態では、樹脂は溶融加工するが、任意の標準的な加工技術を使用することができる。
【０１５７】
幾つかの実施形態では、マトリックス材は熱又はＵＶ照射で収縮可能である熱可塑性樹脂を含む。幾つかの実施形態では、収縮可能な熱可塑性樹脂は冷間収縮可能である。収縮可能な熱可塑性樹脂は、例えばＰＴＦＥなどのフッ素樹脂、バイトン（Viton）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、シリコーンゴム、ＰＶＣ、及び他のポリオレフィン材料をベースにすることができる。幾つかの実施形態では、収縮可能な材料はエラストマーをベースにすることができる。幾つかのこのような実施形態では、エラストマーは天然ポリイソプレン、すなわち、シス−１，４−ポリイソプレン天然ゴム（ＮＲ）及びトランス−１，４−ポリイソプレングッタペルカ、合成ポリイソプレン（イソプレンゴム(Isoprene Rubber)のＩＲ）、ポリブタジエン（ＢＲ−ブタジエンゴム）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ポリクロロプレン、ネオプレン、ベイプレン、ブチルゴム（イソブチレンとイソプレンの共重合体ＩＲＲ）、ハロゲン化ブチルゴム（クロロブチルゴム：ＣＩＩＲ；ブロモブチルゴム：ＢＩＩＲ）、スチレン−ブタジエンゴム（スチレンとブタジエンの共重合体、ＳＢＲ）、ブナＮゴムとも呼ばれるニトリルゴム（ブタジエンとアクリロニトリルの共重合体、ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）サーバン及びゼトポール、ＥＰＭ（エチレンプロピレンゴム、エチレンとプロピレンの共重合体）及びＥＰＤＭゴム（エチレンプロピレンジエンゴム、エチレンとプロピレンとジエン成分の三元重合体）エピクロロヒドリンゴム（ＥＣＯ）、ポリアクリルゴム（ＡＣＭ、ＡＢＲ）、シリコーンゴム（ＳＩ、Ｑ、ＶＭＱ）、フルオロシリコーンゴム（ＦＶＭＱ）、フルオロエラストマー（ＦＭ及びＦＥＰＭ）、バイトン、テクノフロン（Tecnoflon）、フルオレル（Fluorel）、アフラス（Aflas）及びダイ−エル（Dai-El）、過フルオロエラストマー（ＦＦＫＭ）、テクノフロン（Tecnoflon）ＰＦＲ、カルレッツ(Kalrez)、ケムラッツ（Chemraz）、パーラスト（Perlast）、ポリエーテルブロックアミド（ＰＥＢＡ）、クロロスルホン化ポリエチレン（ＣＳＭ）、（Ｈｙｐａｌｏｎ）、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）、熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）、レジリン、エラスチン及び多硫化ゴムから選択することができる。
【０１５８】
幾つかのこのような実施形態では、マトリックス材はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ、マイラー）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、及びポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）からなる群から選択されるポリマーを含む。当業者には、本明細書で開示される様々なケーブル用途に使用するのに適切なものとして他の樹脂も認識される。幾つかの実施形態では、本明細書で開示されるシールド電線は、マトリックス材中に水遮断性材料を含むＣＮＳシールド層を使用することができる。幾つかのこのような実施形態では、マトリックス材自体が水遮断性であるか、水遮断添加剤をマトリックス材に含めることができる。１つのこのような例示的水遮断材料はポリラテックスである。他の水遮断添加剤が当業者には明白であり、様々なポリマー及びホモポリマー、ポリエステル、チキソトロープＰ−９０−ゲル、ＭＰシリコーン、プロピレンサーマフィル、非晶質ポリアルファオレフィン共重合体、ナイロン、ブチル緩衝剤、ポリイソブチレン、ビチューメン、及び他の合成樹脂、合成ポリマー、及び高度精製鉱物油を任意の組み合わせを含む。
【０１５９】
幾つかの実施形態では、本発明はＣＮＳ材料を含む押出成形熱可塑性被覆を提供し、押出成形熱可塑性被覆は少なくとも１本の電線を保護するように構成される。本発明の押出成形熱可塑性被覆は、ＥＭＩシールド、又は二元機能耐水性及びＥＭＩシールドなど、本明細書に記載する電線保護用途に使用される。幾つかの実施形態では、本明細書で開示される押出成形熱可塑性被覆は、基材から採収されたＣＮＳ材料を用いてもよく、この基材上でＣＮＳ材料が作製される。他の実施形態ＣＮＳを短繊維上に浸出する。幾つかのこのような実施形態では、短繊維はガラス又は炭素を含む。幾つかの実施形態では、本明細書で開示される押出成形熱可塑性被覆はさらに水遮断添加剤を含む。幾つかの実施形態では、押出成形熱可塑性被覆は、単独の電線、電線束、誘電性コーティングを含む電線束などに適切なサイズとすることができる。
【０１６０】
幾つかの実施形態では、押出成形熱可塑性被覆は、電線以外の物品にＥＭＩシールドを提供するように構成された形状で提供することができる。したがって、幾つかの実施形態では、本発明は、ＣＮＳ浸出繊維材料と、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ、マイラー）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、及びポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）からなる群から選択される少なくとも１つを含む可撓性の熱可塑性樹脂とを含む熱可塑性物品を提供する。これらの熱可塑性樹脂は可撓性が高いので、シールド電線以外の物品は、コンピュータ構成要素など、容易に入手可能である。本発明の物品は、衣類又は可撓性機械的継手などの品物に含めることもできる。幾つかの実施形態では、このような熱可塑性物品はさらに水遮断添加剤を含むことができ、この場合もＣＮＳを含む熱可塑性樹脂に２つの役割を提供する。
【０１６１】
実施例Ｉ
本実施例は、連続プロセスで炭素繊維材料にＣＮＴを浸出させて、これにより、ＥＭＩシールド特性の向上を図る方法を示す。
【０１６２】
本実施例では、繊維上におけるＣＮＴの担持量を最大にすることが目的となる。テックス値が８００の３４−７００の１２ｋ炭素繊維トウ（Grafil Inc.、カリフォルニア州サクラメント）を炭素繊維基材として実施する。この炭素繊維トウの個々のフィラメントは、約７μｍの直径を有する。
【０１６３】
図１２は、本発明の例示的実施形態によりＣＮＴ浸出繊維を生産するシステム８００を示す。システム８００には、炭素繊維材料繰り出し及びテンショナーステーション８０５、サイジング除去及び繊維開繊ステーション８１０、プラズマ処理ステーション８１５、バリアコーティング適用ステーション８２０、空気乾燥ステーション８２５、触媒適用ステーション８３０、溶媒フラッシュオフステーション８３５、ＣＮＴ浸出ステーション８４０、繊維バンドラーステーション８４５、及び炭素繊維材料巻き取りボビン８５０が、図示のように相互に関連して含まれる。
【０１６４】
繰り出し及びテンショナーステーション８０５は、繰り出しボビン８０６及びテンショナー８０７を含む。繰り出しボビンは、炭素繊維材料８６０をプロセスへと送出し、繊維はテンショナー８０７により張力を加えられる。本実施例では、炭素繊維は２フィート／分のラインスピードで処理される。
【０１６５】
繊維材料８６０は、サイジング除去ヒータ８６５及び繊維開繊器８７０を含むサイジング除去及び繊維開繊ステーション８１０に送出される。このステーションで、繊維８６０にある全ての「サイジング」が除去される。通常、除去はサイジングを繊維から焼き払って遂行する。それには、様々な加熱手段のいずれも使用することができ、これは例えば赤外線ヒータ、マッフル炉、及び他の非接触型加熱プロセスを含む。サイジング除去は、化学的に遂行することもできる。繊維開繊器は、繊維の個々の要素を分離する。繊維の開繊には、例えば、平坦で直径が均一なバーの上下で、又は、可変直径のバーの上下で、又は半径方向に延在する溝を有するバー及び混練ローラ上、振動バー上などで繊維を引き出すなど、様々な技術及び装置を使用することができる。繊維の開繊は、より多くの繊維表面積をさらすことにより、例えば、プラズマの適用、バリアコーティングの適用、触媒の適用など、下流工程の効果を高める。
【０１６６】
繊維開繊器８７０全体に複数のサイジング除去ヒータ８６５を配置することができ、これによって繊維のサイジング除去と開繊を徐々に同時に実行することができる。繰り出し及びテンショナーステーション８０５及びサイジング除去及び繊維開繊ステーション８１０は、繊維産業で日常的に使用され、当業者はその設計及び使用法に通じている。
【０１６７】
サイジングを焼き払うために必要な温度及び時間は、（１）サイジング材料、及び（２）炭素繊維材料８６０の販売元／アイデンティティに応じて変化する。炭素材料上の従来のサイジングは、約６５０℃で除去することができる。この温度では、サイジングの完全な焼き払いを確実に行うのに１５分程度かかることがある。この燃焼温度より上まで温度を上昇させると、燃焼時間を短縮することができる。熱重量分析を使用して、特定の商品のサイジングの最低燃焼温度を割り出す。
【０１６８】
サイジング除去に必要な時間調整に応じて、サイジング除去ヒータは必ずしもＣＮＴ浸出プロセスに完全に含めるとは限らず、むしろ除去は別個に（例えば並列などで）実行することができる。この方法において、サイジングがない炭素繊維材料製品は、繊維除去ヒータを含まないＣＮＴ浸出繊維生産ラインで使用するために集積されてスプールに巻かれている。次に、サイジングがない繊維を、繰り出し及びテンショナーステーション８０５内でスプールに巻く。この生産ラインは、サイジング除去を含むラインより高速で動作することができる。
【０１６９】
サイジングされていない繊維８８０は、プラズマ処理ステーション８１５に送出される。本実施例では、大気圧プラズマ処理を、開繊した炭素繊維材料より１ｍｍの距離から「下流」方式で使用する。ガス原料は１００％ヘリウムで構成される。
【０１７０】
プラズマで強化された繊維８８５は、バリアコーティングステーション８２０に送出される。例示的な本実施例では、浸漬コーティングの構成にシロキサン系バリアコーティング溶液を使用する。溶液は、体積で４０倍の希釈率によりイソプロピルアルコール中に希釈した「Accuglass T-11 Spin-On Glass」（Honeywell International Inc.、ニュージャージー州モリスタウン）である。炭素繊維材料上において得られるバリアコーティングの厚さは約４０ｎｍである。バリアコーティングは、周囲環境内で室温にて適用することができる。
【０１７１】
バリアコーティングを施した炭素繊維８９０は、ナノ規模のバリアコーティングを部分的に硬化させるために、空気乾燥ステーション８２５に送出される。空気乾燥ステーションは、開繊した炭素繊維全体に加熱した空気流を送る。使用する温度は、約１００℃〜約５００℃の範囲とすることができる。
【０１７２】
空気乾燥後、バリアコーティングを施した炭素繊維８９０は触媒適用ステーション８３０に送出される。本実施例では、浸漬コーティングの構成に酸化鉄ベースのＣＮＴ形成触媒溶液を使用する。溶液は、体積で２００倍の希釈率によりヘキサン中に希釈した「ＥＦＨ−１」（Ferrotec Corporation、ニューハンプシャー州ベッドフォード）である。単層の触媒コーティングが炭素繊維材料上で得られる。希釈前の「ＥＦＨ−１」は、３〜１５体積％の範囲のナノ粒子濃度を有する。酸化鉄ナノ粒子はＦｅ２Ｏ３及びＦｅ３Ｏ４の組成であり、直径が約８ｎｍである。
【０１７３】
触媒を含む炭素繊維材料８９５は、溶媒フラッシュオフステーション８３５に送出される。溶媒フラッシュオフステーションは、開繊した炭素繊維全体に空気流を送る。本実施例では、触媒を含む炭素繊維材料上に残った全てのヘキサンをフラッシュオフするために、室温の空気を使用することができる。
【０１７４】
溶媒フラッシュオフの後、触媒を含む繊維８９５は、最終的にＣＮＴ浸出ステーション８４０へと進む。本実施例では、１２インチの成長ゾーンを有する矩形反応器を使用して、大気圧でのＣＶＤ成長を利用する。全ガス流の９７．６％は不活性ガス（窒素）であり、他の２．４％は炭素原料（アセチレン）である。成長ゾーンは７５０℃に保持される。前述の矩形反応器の場合、７５０℃は、成長速度を考えられる最速のものにする比較的高い成長温度である。
【０１７５】
ＣＮＴの浸出後、ＣＮＴ浸出繊維８９７は、繊維バンドラーステーション８４５で再び束化される。この工程は、ステーション８１０で行われた開繊工程を事実上逆転することで、繊維の個々のストランドを再結合する。
【０１７６】
束化したＣＮＴ浸出繊維８９７を、保存のために巻き取り繊維ボビン８５０に巻き付ける。ＣＮＴ浸出繊維８９７に、長さ約６０μｍのＣＮＴを装填し、これでＥＭＩシールド性能が向上した複合材料に使用する準備が整う。
【０１７７】
繊維リボン８５０上のＣＮＴ浸出繊維８９７を巻き直してパネルにし、エポキシ樹脂を浸出する。次に、浸出した複合材料構造を、１００ｐｓｉの圧力、２５０°Ｆを超える温度のオートクレーブ内にて、選択されたエポキシ樹脂システムに必要な特定のプロフィールで、硬化させる。得られるＣＮＴ浸出複合材料パネルは、図１４のパネル＃１３２で表されるように、２〜１８ＧＨｚで８３ｄＢの平均ＥＭＩ−ＳＥを呈する。
【０１７８】
前述の工程には、環境隔離のために、不活性雰囲気又は真空中で行われるものがあることに注目されたい。例えば、炭素繊維材料からサイジングを焼き払っている場合、繊維を環境隔離して、これによりガス放出を阻止するとともに、水分による損傷を防止することができる。便宜上、システム８００において、環境隔離は、生産ラインの初めにおける炭素繊維材料の繰り出し及び張力付与、及び、生産ラインの終端における繊維取り込みは除いて、全ての工程に提供される。
【０１７９】
実施例ＩＩ
この例は、ＥＭＩシールド特性の向上を必要とする用途の連続プロセスで、発生期のガラス繊維材料にＣＮＴを浸出することができる方法を示す。
【０１８０】
図１３は、本発明の例示的実施形態によりＣＮＴ浸出繊維を生産するシステム９００を示す。システム９００は、図示のように相互関係を有するガラス繊維材料繰り出し及びテンショナーシステム９０２、ＣＮＴ浸出システム９１２、及び繊維ワインダー９２４を含む。
【０１８１】
繰り出し及び張力調整システム９０２は、繰り出しボビン９０４及びテンショナー９０６を含む。繰り出しボビンは繊維スプールを保持して、ガラス繊維材料９０１を毎分１フィートのラインスピードでプロセスに送出し、繊維の張力はテンショナー９０６によって１〜５ポンド以内に維持される。繰り出し及び張力調整ステーション９０２は、繊維産業で日常的に使用されており、当業者にはその設計及び使用法がよく知られている。
【０１８２】
張力調整された繊維９０５は、ＣＮＴ浸出システム９１２に送出される。ステーション９１２は、触媒適用システム９１４及びマイクロキャビティＣＶＤ系ＣＮＴ浸出ステーション９２５を含む。
【０１８３】
この例示的実施例では、触媒溶液は、張力調整した繊維９３０を浸漬槽９３５に通すなど、浸漬プロセスによって適用される。この実施例では、強磁性流体ナノ粒子溶液が１に対してヘキサン２００の体積比で構成される触媒溶液を使用する。ＩＬＳＳの向上を目的とするＣＮＴ浸出繊維のプロセスラインスピードで、繊維は浸漬槽に３０秒間留まる。触媒は、真空も不活性雰囲気も必要とせずに、周囲環境の室温で適用することができる。
【０１８４】
次に、触媒を含むガラス繊維９０７は、成長前低温不活性ガスパージゾーン、ＣＮＴ成長ゾーン、及び成長後ガスパージゾーンで構成されるＣＮＴ浸出ステーション９２５へと進められる。上述したようなＣＮＴ成長ゾーンからの放出ガスを冷却するために、室温窒素ガスを成長前パージゾーンに導入する。繊維の酸化を防止するために、放出ガスを急速窒素パージによって３５０℃より低い温度まで冷却する。繊維はＣＮＴ成長ゾーンに入り、ここでは、９８％質量流量の不活性ガス（窒素）と、ガスマニホールドによって中心に導入される原料ガス（アセチレン）を含有する２％質量流量の炭素との混合物が、高温で加熱される。この実施例では、システムの長さは２．５フィートであり、ＣＮＴ成長ゾーン内の温度は７５０℃である。この実施例では、触媒を含む繊維はＣＮＴ成長環境に６０秒間曝露され、その結果、長さ６０ミクロンで体積百分率２．５％のＣＮＴがガラス繊維表面に浸出する。ＣＮＴ浸出ガラス繊維は最終的に成長後パージゾーンを通過し、ここでは、３５０℃で放出ガスだけでなく繊維も冷却して、繊維表面及びＣＮＴの酸化を防止する。
【０１８５】
ＣＮＴ浸出繊維９０９が繊維ワインダー９２４上に回収され、これでＥＭＩシールド能力の向上を必要とする様々な用途のいずれでも使用する準備が整う。
【０１８６】
ＣＮＴ浸出繊維９０９は、エポキシ樹脂を使用してフレームに湿式巻きされる。フレームは、得られるパネルに対して０°及び９０°の配向で、繊維を配列するために使用される。繊維をパネルに巻き付ける時に、複合材料を、２００ｐｓｉの圧力、２５０°Ｆを超える温度の加熱したキャビティプレス内にて、使用するエポキシ樹脂システムに特有の温度プロフィールで硬化する。得られるパネルは、図１５のパネル＃２２０で示すように、複合材料中に６．５％を超えるＣＮＴ重量％を有し、２〜１８ＧＨｚで９２ｄＢの向上した平均ＥＭＩ−ＳＥを生成する。
【０１８７】
上述した実施形態は本発明の例示にすぎず、当業者は本発明の範囲から逸脱することなく、上述した実施形態の多くの変形を考案することができる。例えば、本明細書では本発明の例示的実施形態を徹底的に説明し、理解するために、多数の明確な詳細が提供されている。しかし、本発明はこれらの詳細の１つ又は複数を使用せず、又は他のプロセス、材料、構成要素などで実践できることが、当業者には認識される。
【０１８８】
さらに、場合によっては、例示的実施形態の態様が曖昧になることを回避するために、周知の構造、材料、又は工程は詳細に図示又は説明していない。図に示されている様々な実施形態は例示的であり、必ずしも忠実な縮尺で描かれていないことが理解される。明細書を通して「１つの実施形態」又は「ある実施形態」又は「幾つかの実施形態」と言及した場合、それは実施形態に関連して述べた特定の形体、構造、材料、又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれるが、必ずしも全ての実施形態に含まれるものではない、という意味である。その結果、明細書を通して様々な箇所で「１つの実施形態では」、「ある実施形態では」又は「幾つかの実施形態では」というフレーズが現れ、これは必ずしも全てが同じ実施形態に言及するものではない。さらに、特定の形体、構造、材料、又は特性を１つ又は複数の実施形態で任意の適切な方法で組み合わせることができる。したがって、このような変形は請求の範囲及びその同等物の範囲に含まれるものとする。
【図１】
2015518635.tif 000003
【図２】
2015518635.tif 000004
【図３】
2015518635.tif 000005
【図４】
2015518635.tif 000006
【図５】
2015518635.tif 000007
【図６】
2015518635.tif 000008
【図７】
2015518635.tif 000009
【図８】
2015518635.tif 000010
【図９】
2015518635.tif 000011
【図１０】
2015518635.tif 000012
【図１１】
2015518635.tif 000013
【図１２】
2015518635.tif 000014
【図１３】
2015518635.tif 000015
【図１４】
2015518635.tif 000016
【図１５】
2015518635.tif 000017
【図１６】
2015518635.tif 000018
【図１７】
2015518635.tif 000019
【図１８】
2015518635.tif 000020
【図１９】
2015518635.tif 000021
【図２０】
2015518635.tif 000022
【図２１】
2015518635.tif 000023
【図２２】
2015518635.tif 000024
【国際調査報告】
2015518635.tif 000025