(57)【要約】【課題】カーボン繊維およびカーボン・ナノチューブ分子といったカーボン粒子が整列させられたファイバを提供すること。【解決手段】光ファイバを製造するために使用される処理法から派生した処理法を使用してカーボン繊維およびカーボン・ナノチューブ分子といったカーボン粒子がファイバへと整列させられる。より詳細には、カーボン粒子がガラス中に埋め込まれ、その後、線引きされることでそれらを整列させる。整列させられることによって、局所的に近接する様々な粒子の各々の最長寸法に沿った軸が実質的に平行であることが意味される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボン粒子を少なくとも１本の整列したファイバへと組み立てる方法であって、カーボン粒子を含むガラスを線引きしてファイバにする工程を含む方法。
【請求項２】
前記カーボン粒子が（ｉ）カーボン・ナノチューブ分子、および（ｉｉ）カーボン繊維（微少繊維）である、請求項１に記載の発明。
【請求項３】
前記ファイバを捻る工程をさらに含む、請求項１に記載の発明。
【請求項４】
捻り処理を容易にするために前記ファイバを加熱している間に前記ファイバを捻る工程をさらに含む、請求項１に記載の発明。
【請求項５】
線引きしている間にカーボン粒子を含む前記ガラスを加熱する工程をさらに含む、請求項１に記載の発明。
【請求項６】
前記線引きの工程が複数の整列したファイバを作り出し、前記方法が前記複数の整列したファイバを捻る工程をさらに含み、それにより、前記整列したナノチューブ・ファイバが前記ファイバの軸に向かって線引きされることで前記捻る工程を実行する前に前記整列したファイバの間および内部に位置していたガラスを排除する、請求項１に記載の発明。
【請求項７】
カーボン粒子を含む前記ガラスを形成する工程をさらに含む、請求項１に記載の発明。
【請求項８】
前記形成する工程が、ゾルゲル溶液中のカーボン粒子の混合物を固化させ、それによって塊が形成される工程をさらに含む、請求項７に記載の発明。
【請求項９】
前記形成する工程が、前記混合物を形成するために前記ゾルゲル溶液中にカーボン粒子を分散させる工程をさらに含む、請求項８に記載の発明。
【請求項１０】
前記固化させる工程が、前記混合物にエステルを添加する工程をさらに含む、請求項８に記載の発明。
【請求項１１】
前記塊が多孔質である、請求項８に記載の発明。
【請求項１２】
前記塊に少なくとも１つの他の物質を吹き込む工程をさらに含む、請求項８に記載の発明。
【請求項１３】
前記予備形成物を加熱して固め、それによって固められた塊が形成される工程をさらに含む、請求項８に記載の発明。
【請求項１４】
前記塊をさらに大きな塊の中に組み入れることで予備形成物を形成する工程をさらに含む、請求項８に記載の発明。
【請求項１５】
前記組み入れる工程が、前記さらに大きな塊を加熱することでそれを固める工程をさらに含む、請求項１４に記載の発明。
【請求項１６】
前記予備形成物が多数の塊を含むように少なくとも１つの他の塊を前記さらに大きな塊の中に組み入れる工程をさらに含む、請求項１４に記載の発明。
【請求項１７】
前記ファイバからいくぶんかのガラスを除去する工程をさらに含む、請求項１に記載の発明。
【請求項１８】
カーボン粒子を含むガラス・ファイバ。
【請求項１９】
前記カーボン粒子が（ｉ）カーボン・ナノチューブ分子、および（ｉｉ）カーボン繊維である、請求項１８に記載の発明。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はカーボン・ナノチューブ分子およびカーボン繊維のようなカーボン粒子に関し、より詳細には、カーボン粒子が整列したファイバにカーボン粒子を組み立てる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、参照により全文を本明細書に組み入れる同時出願の米国特許出願番号（案件Ｇｒｅｙｗａｌｌ３５−１９）に関連する。
カーボン・ナノチューブ分子のようなカーボン粒子およびカーボン繊維は電気的、機械的、および熱伝導の特性といった極めて望ましい特性の配列を有する。しかしながら粒子は相対的に短く、例えば最も長い粒子が数ミクロン程度である。残念ながら、そのような長さはカーボン粒子の特性が有益であることが判明し得る用途に概して不向きである。
【特許文献１】米国特許出願番号（案件Ｇｒｅｙｗａｌｌ３５−１９）
【特許文献２】米国特許出願番号（案件Ｇｒｅｙｗａｌｌ−Ｙｕｒｋｅ  ＸＸ）
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の原理に従って、光ファイバを製造するために使用される処理法から派生した処理法を使用してカーボン繊維およびカーボン・ナノチューブ分子といったカーボン粒子がファイバへと整列させられ得ることを筆者は理解した。さらに具体的には、カーボン粒子はガラス中に埋め込まれ、次いで線引きされ、それらを整列させる。整列させられることによって、局所的に近接する様々な粒子の各々の最長寸法に沿った軸が実質的に平行になることが意図される。
【０００４】
本発明の一実施形態では、カーボン粒子はカーボン・ナノチューブ分子であって、初期混合物は液体ガラスの形態であるゾルゲル溶液中にカーボン・ナノチューブ分子を分散させることによって形成される。この混合物にエステルが加えられ、多孔質である可能性のある塊へとそれを固化させる。この時点で、最終ファイバの処理法または特性に利益をもたらすように塊の特性に影響を及ぼすために、任意選択で、この塊に１つまたは複数の他の物質を吹き込むことができる。その後、この塊は強固にするために、すなわちもしも存在すればある程度またはすべての空孔を取り除くために加熱することができ、それによって固められた塊を形成する。この加熱は、例えば固められた塊から酸素を引き離し続けるためにガスの存在下で実行される可能性がある。固められた塊はその後、ファイバへと線引きされる。
【０００５】
ファイバへの線引きは、固められた塊を受け入れることが可能な内部に穴を備えたさらに大きなガラス塊、例えば一片のガラス・チューブの中に固められた塊を挿入することによって達成される可能性がある。本発明の態様によると、さらに大きなガラス塊が各々の固められた塊について少なくとも１つで多数の穴を有することを前提条件として多数の固められた塊がこのさらに大きなガラス塊の中に配置されることが可能である。その後、少なくとも１つの固められた塊を含むこのさらに大きなガラス塊は、例えば加熱されてさらに固められ、それにより、固められた塊はさらに大きなガラス塊に同化吸収されていわゆる「予備形成物」になる。
【０００６】
その後、この予備形成物は従来式の光ファイバ技術を使用して線引きされてガラス・ファイバになり、それは大きなガラス塊の中に配置された各々の固められた塊について例えば１本で少なくとも１本のカーボン・ナノチューブ・ファイバを有する。本発明の態様によると、カーボン・ナノチューブ分子を有するこのガラス・ファイバが線引きされるとき、各々の固められた塊から由来するカーボン・ナノチューブ分子はそれぞれ自体で整列し、ガラス・ファイバ内で一体に結合して各々のカーボン・ナノチューブ・ファイバを形成する。任意選択で、カーボン・ナノチューブ・ファイバを含む線引きされたガラス・ファイバは捻られ、必要であれば捻り処理を容易にするために再加熱される可能性があり、それにより、カーボン・ナノチューブ・ファイバがガラス・ファイバの軸に向かって線引きされ、したがってカーボン・ナノチューブ・ファイバ間および内部のガラスをある程度排除する。最後に、場合によってはカーボン・ナノチューブ・ファイバを覆っているガラスのいくぶんか、または全部が、例えば化学的もしくは機械的処理、またはそれらの組合せを使用して除去されることが可能である。
【０００７】
本発明の別の実施形態では、カーボン粒子はカーボン繊維である。
本発明の他の実施形態では、単一ファイバを作製するためにカーボン繊維とカーボン・ナノチューブ分子の両方が使用される。
本発明の他の実施形態では、１本のファイバを作製するためにカーボン繊維が使用され、別のファイバを作製するためにカーボン・ナノチューブ分子が使用され、場合によって設けられる捻り処理の工程で２本のファイバが撚り合わされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下は単に本発明の原理を具体的に示すものである。したがって、当業者は、本明細書に明確に記述されるかまたは示されていないが、本発明の原理を具現化し、その精神および範囲内に含まれる様々な構成を考案することが可能であることを理解されたい。さらに、本明細書に列挙されるすべての例および条件的言葉は主に、読者が本発明の原理および当該技術を促進するために発明人（ら）によって寄与される概念を理解することを手助けするための単なる教示目的であることを主として明らかに意図されており、そのような特に引用された例および条件に限定するものではないと解釈されるべきである。さらに、本明細書で本発明の原理、態様、および実施形態、ならびにそれらの特定の例を列挙する記述のすべてはそれらの構造的および機能的な均等物の両方を包含するように意図されている。付け加えると、そのような均等物は現在知られている均等物および将来開発される均等物、すなわち構造に関係なく同じ機能を実行するすべての開発された要素の両方を含むことが意図される。
したがって、例えば、本明細書の図面が本発明の原理を具現化する概念的な図を表わし得ることは当業者によって理解されるであろう。
【０００９】
本特許請求の範囲では、特定の機能を実行するための手段として表現されたあらゆる要素はその機能を実行するあらゆる方式も包含すると意図され、例えばａ）その機能を実行する回路素子の組合せ、またはｂ）その機能を実行するためのあらゆる形式の、したがってファームウェア、マイクロコードなどを含めたソフトウェアであって、そのソフトウェアを実行するための適切な回路と組み合わされたソフトウェアを含む。そのような特許請求の範囲によって規定される本発明は、列挙される様々な手段によって提供される機能が、特許請求の範囲が指示する方式で組み合わされ、まとめられるという事実にある。したがって出願人はそれらの機能を提供することが可能なあらゆる手段を本明細書に示されたそれらと均等であると考える。
【００１０】
本明細書で明確に特定しない限り、図面は原寸に比例して示されていない。
同時に提出された出願である米国特許出願番号（案件Ｇｒｅｙｗａｌｌ−Ｙｕｒｋｅ  ＸＸ）は全文を本明細書に参照で組み入れられる。
説明の中で、図のうちの異なる図中で同じ番号を付された部品は同じ部品に関する。
【００１１】
図１は、光ファイバを製造するために使用される処理法から派生した処理法を使用してカーボン繊維、カーボン・ナノチューブ分子といったカーボン粒子を整列したファイバへと組み立てるための本発明の原理に従った例の処理法を示している。整列させられることによって、局所的に近接する様々な粒子の各々の最長寸法に沿った軸が実質的に平行であることが意味される。
【００１２】
図１の処理法は工程１０１で始められ、このときカーボン粒子がガラス塊の中に分散させられる。本発明の一実施形態では、これは、液体ガラスの形である可能性のあるゾルゲル溶液中での例えばカーボン・ナノチューブ分子、カーボン繊維、または両方の組合せといったカーボン粒子の分散を通じて初期混合物を形成することによって達成される可能性がある。その後、この混合物にエステルが加えられ、多孔質である可能性のある塊へとそれを固化させる。この時点で、最終ファイバの処理法または特性に利益をもたらすよう塊の特性に影響を及ぼすために、任意選択で、この塊に１つまたは複数の他の物質を吹き込むことができる。その後、この塊は強固にするために、すなわちもし存在すればある程度またはすべての空孔を取り除くために加熱することができ、それによって固められた塊を形成する。この加熱は、例えば固められた塊から酸素を引き離し続けるためにガスの存在下で実行される可能性がある。図２は内部に分散させられたカーボン粒子２０３を備えて固められた例のガラス塊２０１を示している。
【００１３】
固められた塊２０１は工程１０５で直接線引きされてファイバにされることが可能であり、この線引き工程は本明細書で下記にさらに検討される。しかしながら、任意選択で、固められた塊は工程１０３で予備形成物へと組み入れられる可能性があり、それにより、都合の良いことに従来式のガラス・ファイバ線引き設備が使用されることが可能となる。
【００１４】
この目的のために、先ず工程１０３の一部として、固められたガラス塊２０１が中に穴を備えて固められた塊を受け入れることが可能なさらに大きなガラス塊、例えば一片のガラス・チューブの中に配置される。本発明の態様によると、さらに大きなガラス塊が各々の固められた塊について少なくとも１つで多数の穴を有することを前提条件として多数の固められた塊がこのさらに大きなガラス塊の中に配置されることが可能である。これは図３に示されており、そこでは固められた塊２０１の各々がさらに大きなガラス塊３０５のそれぞれの穴３０７の中に配置される。単一のさらに大きなガラス塊の中に配置される様々な固められた塊が必ずしも同じである必要がないことに留意されたい。例えば、１つの固められた塊はカーボン繊維を有する可能性があり、別の塊はカーボン・ナノチューブ分子を有する可能性があり、第３の塊はカーボン繊維とカーボン・ナノチューブ分子の混合物を有する可能性がある。当業者はその用途に適切なタイプもしくは複数タイプの固められた塊を選択することが可能であろう。
【００１５】
工程１０３で予備形成物の形成を完了するために、少なくとも１つの固められた塊を含むさらに大きなガラス塊はその後、例えば加熱されてさらに固められ、それにより、固められた塊はさらに大きなガラス塊に同化吸収されていわゆる「予備形成物」になる。
【００１６】
その後、工程１０５で従来式の光ファイバ技術を使用してこの予備形成物が線引きされ、内部に少なくとも１本の整列したカーボン粒子ファイバ、例えばさらに大きなガラス塊の中に配置された各々の固められた塊について１本を有するガラス・ファイバになる。
【００１７】
図４は線引き処理が開始されることでガラス・ファイバ４０９内で整列したカーボン粒子ファイバ４０７を作り出す予備形成物３０９を示している。本発明の態様によると、ガラス・ファイバ４０９が線引きされるとき、各々の固められた塊２０１から由来するカーボン粒子がそれぞれ自体で整列し、一体に結合してガラス・ファイバの中で、例えば点４１１の付近で各々整列したカーボン粒子ファイバを形成する。整列させられることによって、局所的に近接する様々なカーボン粒子の各々の最長寸法に沿った軸が実質的に平行であることが意味される。これは図４に見ることが可能であり、そこでは予備形成物３０９に対して点４１１よりも近いカーボン粒子は無秩序に配向し、その一方で予備形成物３０９から見て点４１１よりも遠いファイバ４０９内のカーボン粒子は実質的に同じ方向を指し示している。
【００１８】
任意選択で、工程１０７で、線引きされたガラス・ファイバが捻られる可能性がある。そのような捻り処理は、カーボン・ナノチューブ・ファイバがガラス・ファイバの軸に向かって線引きされ、それによってカーボン粒子間および中のガラスのいくぶんかを排除する原因となる。必要であれば、捻り処理を容易にするためにガラス・ファイバが再び加熱される可能性がある。カーボン粒子ファイバ４０７の捻り処理および結果的に生じる組み合わさって捻られて整列したカーボン粒子ファイバ５１３が図５に示されている。
【００１９】
最後に、任意選択の工程１０９で、整列したカーボン粒子ファイバを覆っているガラスのいくぶんか、または全部が、例えば化学的もしくは機械的処理、またはそれらの組合せを使用して除去されることが可能である。また、組み合わさって捻られて整列したカーボン粒子ファイバ間のガラスも除去することが可能である。この除去はファイバの全長に沿って、またはその一部のみに沿って実行される可能性がある。図６は組み合わさって捻られて整列したカーボン粒子ファイバ５１３を示しており、ガラスの一部が除去されている。
都合の良いことに、この処理法は整列したカーボン粒子ファイバの間もしくは周囲にガラスを有する可能性のある整列したカーボン粒子ファイバを作り出す。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の原理に従ってカーボン粒子を整列したファイバへと組み立てるための例の処理法を示す図である。
【図２】内部に分散させられたカーボン粒子を備えて固められた例のガラス塊を示す図である。
【図３】さらに大きなガラス塊のそれぞれの穴の中に各々配置される多数の固められた塊を示す図である。
【図４】線引き処理が開始されることでガラス・ファイバ内で整列したカーボン粒子ファイバを作り出す予備形成物を示す図である。
【図５】整列したカーボン粒子を捻り、組み合わさって捻れて並んだカーボン粒子ファイバが結果的に生じる工程を示す図である。
【図６】組み合わさって捻れて並んだカーボン粒子ファイバを示す図であってガラスの一部が除去されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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