用于多孔介质中的纳米纤维的定向对齐的装置和方法与流程

本申请要求2014年5月28日提交的且题为“Apparatus and Method for Directional Alignment of Nanofibers in a Porous Medium”的美国临时申请62/003,982的优先权，通过引用将其并入本文中。

技术领域

本公开涉及在多孔介质中对齐和伸展纳米纤维。纳米纤维包括纳米管、纳米线、长链聚合物分子或类似物。多孔介质可以包括多孔层、织物或复合预浸材料或类似物。具体地，根据一种实施方式，本公开涉及用于多孔介质(包括具有纳米纤维的流体基质)中的纳米纤维的定向对齐的装置、多孔介质以及用于驱使流体基质以特定的流体力学方式穿过多孔介质的设备，使得纳米纤维以优选的方向伸展和对齐。

背景技术：

复合材料是由两种或多种不同的组分材料组合而成的材料。组分材料可以具有明显不同的物理或化学性质，并且在复合材料中仍然彼此不同。另一方面，组合之后的复合材料的宏观性质变得不同于任何单独的组分材料，并且取决于组分材料的相互作用以及它们对外部负载、激励或环境变化的响应。利用不同组分材料的适当组合，与任何单独的组分材料相比，复合材料可以在被定为目标的物理和化学机能方面表现得明显更好。

纤维增强复合材料

纤维增强复合材料是一类常见的复合材料。纤维增强复合材料通常包括两种成分：纤维增强系统和基质。纤维增强系统是以增强复合材料的期望方式布置的一组纤维。基质用于将纤维结合在一起并且将负载转移到纤维中。常见的基质是热固性树脂(例如环氧树脂)、热塑性树脂(例如PEEK)、陶瓷和金属。常见的纤维增强物是碳纤维、玻璃纤维、金属纤维、芳纶纤维和天然纤维。大多数纤维的直径大于3微米(即，微纤维)。纳米技术的最新发展产生了许多新的纤维(即，纳米纤维)，其直径为1纳米至小于1微米。纳米纤维可以是碳基的(碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米线)、金属基的或陶瓷基的，等等。

在许多性能驱动的应用中，纤维增强复合材料被制造成层压板。在层压板中，纤维以层压板的平面内方向来定向，从而最大化产品的力学性质。然而，复合层压板的平面外方向(即，对此定义为“z方向”)中的力学性质相对较弱，因为在复合材料的平面外方向(即，z方向)上，基质是主要的承载系统。为了进一步增加层压板的平面内性能，优选地，纤维是连续的，而不是短且不连续的纤维。通常，连续的纤维是微纤维，因为制造连续微纤维的技术十分成熟。这种连续纤维增强复合材料通常用在航空航天、海洋产业、风力涡轮机以及需要高强度轻质复合材料的其他应用中。

复合材料的制造

复合材料的制造过程包括：(1)整合纤维增强系统和基质，和(2)使复合材料层压板形成为期望的几何结构。一般来说，纤维系统被提供为纤维束(每束包含大约2000-10000个微纤维)、纤维织物(由许多纤维束形成)、或者纤维预制体(其中，纤维束被编织成三维几何结构)。基质(例如环氧树脂)被转化为流体相，并且随后能够逐渐地流入纤维系统中的开放空间并且浸透纤维系统。在该基质浸透过程期间，固态纤维系统被当成“多孔介质”来处理，该多孔介质允许流体基质和空气穿过其中，并且填充多孔介质内的多孔空间。在基质完全浸透纤维系统之后，基质可以转化为固体，并且复合材料在模具内被形成为任何期望的几何结构。

为了热固性树脂基质而言，形成复合材料的另一种替代方法包括使热固性基质半反应(半固化)，并且使纤维/半固化的基质形成为“预浸材料”。半固化的基质预浸材料在室温下呈橡胶状，并且在加热的湿度下变为液态。预浸材料通常在两侧都覆盖有保护膜，并且保存在冷冻柜中以推迟进一步的固化反应并且延长预浸材料的保质期。为了将预浸材料转变为最终的复合材料层压板部分，人员简单地在模具上切割并堆叠预浸材料的期望层，并且施加热量以完全基质的固化反应，使得基质由于其聚合物分子之间的最大级别的交联而到达其完全强度。预浸材料过程也可以应用于热塑性复合材料。

失效

如上所述的复合材料可能由于下述微观力学原因而失效：(1)纤维断裂，(2)基质断裂，(3)纤维/基质界面失效，和(4)纤维微屈曲。如果沿着纤维对齐方向(即，层压板的平面内方向)对复合材料层压板施加张力，则复合材料层压板通常不会失效，直到应力达到纤维断裂限制。这是复合材料层压板理想的理论强度。然而，在实际中，应力可能不会与纤维方向完美地对齐。例如，如果应力在层压板的平面外方向上作用，则会发生失效，如基质断裂和纤维/基质界面失效所证明的那样。通常在复合材料层压板的层状体堆之间观测到这种失效情景。如果失效出现在两个层状体堆之间，其也被称为层间失效。

另外，如果沿着纤维方向施加压缩压力，则在纤维由于压缩而断裂之前有可能发生纤维微屈曲。缺乏平面外方向上的支持是复合材料层压板在基质断裂、纤维/基质界面失效和纤维微屈曲方面的弱点的原因之一。除了微观力学失效之外，复合材料也可能由于热降解而失效，热降解通常与基质和纤维/基质界面的降解相关。

现有技术中存在对这些问题的方案，并且这些方案例示在美国专利公开20070128960、美国专利7,537,825和美国专利7,832,983中。第一篇文献建议在介质中使纳米管增长，并且随后将其与复合材料结合。第二篇文献建议将碳纳米管夹在两个复合材料层压板之间，并且第三篇文献建议使用纳米增强材料涂覆束或线的各个碳丝。这些参考文献均没有描述以可预测和可重复的方式在最弱平面被加强的复合材料。

另一现有技术文献，即美国专利7,867,468，建议将纤维基板供给穿过包括碳纳米管的溶液(CNT分散)，并且施加直流(DC)电场以将碳纳米管吸引和沉积在连接到正端子的碳纤维布上。根据该专利，CNT沉积在碳纤维上，而在沉积步骤之后未进行对齐。然而，可以应用一个额外的可选步骤，其中，碳纤维和CNT沉积物暴露于大约11-4kV/cm的电场中持续大约2至4小时，从而导致沉积的CNT将它们自身重新定向成大体上垂直于碳纤维的长度。CNT长度为大约200纳米至10微米。现有技术解决了使用CNT来增强碳纤维复合材料的平面外性质的需求。然而，由于碳纤维布是导电的，上述过程仅能够在碳纤维布的表面上沉积CNT，并且如果任何CNT能够意外地穿过碳纤维布的表面，则在导电布内没有电场来移动或对齐CNT。换言之，其(1)仅能够用于使十分薄的碳纤维布对齐CNT，如该现有技术的图3A和3B所示，或者(2)降低厚碳纤维布内的CNT沉积和对齐质量。因此，这种常规方法需要许多步骤，并且对大规模生产而言是耗时且低效的。此外，似乎只有长度范围在大约200纳米至大约10微米内的CNT才会产生对齐。由于碳纤维直径为大约5-7微米，并且玻璃纤维直径为大约10-30微米，在碳纤维表面上对齐的短CNT可能适于形成“琐碎织物(fussy fabric)”，但不能有效地且均匀地缝合穿过厚度在大约0.1至1毫米范围内的厚碳纤维布。此外，现有技术需要电场、导电纤维(例如碳纤维)、导电纳米管(例如碳纳米管)和相对不导电的基质(例如，环氧树脂、不导电的聚合物)来工作。这种电场驱动的沉积和对齐不太可能被应用到一般的复合材料情形。例如，常规方法在下述情况下不太可能工作：(1)纳米管由不导电的纳米管替代；(2)碳纤维布太厚以致于不能允许布内的有用电场；(3)导电纤维由不导电的Kevlar纤维替代；(4)CNT在其中分散的基质是导电的(例如一些导电聚合物，或者利用银粒子或一些离子添加剂来进一步改良基质)；或(5)流体太黏滞，以致于电场不能移动导电纳米纤维(例如碳纳米管)。对于问题(5)而言，有可能考虑继续增大电场。然而，所有的材料具有电击穿极限(即，介电强度)，因此增大电场并不总是可行的。尽管如此，熟悉复合材料工业的人员可能发现许多一般的多级复合材料情况，其中，电场驱动的沉积和对齐可能不起作用。广泛地期待一种贯穿厚多孔介质(例如厚纤维布)而均匀地缝合纳米管或纳米纤维的稳健且有效的方法。

因此，本公开的目的是提供一种用于在多孔介质中定向对齐纳米纤维的稳健、有效且适于大规模生产的装置和方法，它们灵活且可调整以满足任何复合材料的要求，从而形成明显更难以失效的复合材料。该技术可以用于复合材料生产，但是也可以应用于任何其他可以受益于多孔介质内的纳米纤维对齐的应用。

技术实现要素：

根据一种实施方式，用于多孔介质中的纳米纤维的定向对齐的装置包括具有纳米纤维的流体基质。提供多孔介质以及用于驱使流体基质径向通过多孔介质的设备。流体流移动并使多孔介质中的纳米纤维对齐，从而即使在厚多孔介质的情况下，也实现了多孔介质内的纳米纤维的均匀分布和对齐。

本文所使用的所有术语都具有其常见含义。“多孔介质”一般是这种材料：其包括空间，并且其他介质可以穿过该材料。在一个实例中，仅举例而言，海绵是吸收流体并且流体可以穿过其中的多孔介质。术语“径向地”和“径向流”用于描述以严格限定的“径向方式”进行的移动或流动。如本领域所知的，术语“径向方式”一般指下述：在圆相关的坐标系中，例如柱面坐标系或球面坐标系中，局部速度可以在数学上被分解成径向速度分量和非径向速度分量(例如柱面坐标中的切向速度分量和轴向速度分量)。所述“径向方式”一般指非径向速度分量与径向速度分量之间的比率被限制为(即，不大于)“小数值”。理论上，如果所述小数值趋近于从大约0至大约0.3的值，当前描述的方法将发挥最佳作用，从而径向分量总是主导的，并且因此可以在流体流动通过和流入多孔介质时由非径向分量良好地控制对齐。然而，该范围外的其他值也是可能的。良好控制的径向流可以是“汇合流”或“发散流”。基于流体力学，“汇合流”沿着径向方向伸展流体成分以及纳米纤维，而“发散流”沿着切向方向伸展流体成分以及纳米纤维。伸展动作也可以在相同的伸展方向上对齐纳米纤维。这种径向流特性及其对齐和伸展效应将不会被纳米纤维、流体或多孔介质的任何电性质所限制。此外，这种流特性及其对齐和伸展效应将在多孔介质内继续，并且在使用厚的多孔介质时不会减弱。

本公开的另一方面在于：既然在流体十分黏稠时，这种流特性及其对齐和伸展也不会降低。因此，本文描述的装置和方法对于在多孔介质中实现纳米纤维对齐而言十分有效并且是高效的。带有弯曲表面的设备具有半径。当多孔介质顺应具有半径的设备时，当与用于使这种径向流穿过多孔材料的设备一起使用时，流体将“径向地”穿过多孔材料的顺应的部分，如下文将更全面地描述和公开的那样。注意到，所述设备可以在装置的不止一个部分中产生径向流(其在上文中被表示为“径向方式”)，例如在下述部分中产生径向流：(1)在“预对齐区”，其在本文中被限定为多孔介质之外且位于其附近的区域；以及(2)在目标多孔介质区，其在本文中被限定为多孔介质的顺应部分之中的区域。理论上，“径向流”模式是期望的，因为除多孔介质的顺应部分内部发生的流模式之外的流模式可能不利地影响纳米纤维的对齐。然而，在一些实施方式中，使流体的“大部分”进入和流入多孔介质的顺应部分以满足“径向流”是可以接受的。如本文所使用的，“大部分”被限定为多孔介质的顺应部分内产生的径向流的至少70％，但在其他实施方式中，其他的流的量也是可能的。在附加实施方式中，在流体进入多孔介质的顺应部分之前，“径向流”始于“最小预对齐距离”。如本文所使用的，“最小预对齐距离”是多孔介质的顺应部分的厚度或纳米纤维的长度中较小者的至少四分之一。“最小预对齐距离”有助于确保纳米纤维在进入目标多孔介质部分之前被预对齐。

在本公开的一个方面，多孔介质是微纤维织物。如前面所讨论的，“微纤维织物”是由小纤维组成的任意材料。技术上而言，仅举例而言，“微”指直径在大约1-300微米范围内的纤维，并且“纳米”纤维指直径在大约0.001-0.99微米的纤维。如本文所使用的，“微纤维织物”可以包括其中的一者或两者，或者任何其他现在已知或将来开发的微纤维。在一种实施方式中，纳米纤维在Z方向上被驱使通过多孔介质，Z方向是垂直于微纤维织物的表面平面的方向。

在另一方面，用于驱使流体基质穿过多孔介质的设备包括包含流体基质的外部流设备以及具有半径的可渗透成形工具，其中，流体基质径向地穿过多孔介质，进入到可渗透成形工具中。在另一方面，确立了严格限定的径向流模式，从而流体基质的大部分流入多孔介质中。此外，在流体基质的大部分进入多孔介质之前，确立了严格限定的径向流模式。此外，在流体基质进入多孔介质之前，在至少最小预对齐距离处确立了严格限定的径向流模式。在一个方面，从流体力学的角度严格限定了径向流，并且径向流被限定为非径向分量和径向分量的比例被限制为(即，不大于)“小数值”的流模式，但其他数值也是可能的。

在本公开的又一方面，外部流设备包括容纳流体基质的箱。可渗透成形工具(其可以是可移动的或静止的)可以具有任何横截面几何结构，例如但不限于：完整圆弧、半圆弧、四分之三圆弧，等等。在一种实施方式中，可渗透成形工具提供了具有半径的弧形表面，该弧形表面直接或间接地与多孔介质连接。在一种实施方式中，成形工具是弧形(例如，圆柱形)辊，其旋转以辅助多孔介质的移动。在附加实施方式中，成形工具可以具有不一致或变化的直径。成形工具定位在箱中，以使得多孔介质在进入箱中，多孔介质在箱中弯曲并且可移动地与成形工具的外部弯曲表面连接。在纳米纤维沉积到多孔介质中之后，多孔介质离开箱。此外，成形工具的内部的压力可以比箱中的流体基质的压力低，从而流体基质径向地流动穿过多孔材料，进入可渗透成形工具中。

在另一方面，外部流设备包括不可渗透层和预浸有流体基质的层。此处，“层”指片状材料。例子包括但不限于塑料膜、蜡纸、橡胶片、织物、薄海绵布，等。

在一个方面，可渗透成形工具包括流体散布和吸收层以及成形工具。在一种实施方式中，成形工具可以包括具有半径的弧形工具。在附加实施方式中，成形工具是弧形辊，其旋转以辅助多孔介质的移动。成形工具可以是可移动的或者静止的，并且可以是任意横截面几何形状，例如但不限于：完整圆弧、半圆弧、四分之三圆弧，等等。成形工具的几何结构提供了具有半径的表面，该表面直接或间接地与多孔介质接触。在一种实施方式中，成形工具可以具有不一致或变化的直径。

在一个方面，用于驱使流体基质穿过多孔材料的设备包括具有半径的可渗透成形工具，其中，可渗透成形工具包含流体基质。在该实施方式中，多孔介质顺应在其通过时顺应弯曲表面，并且流体基质从可渗透成形工具穿过多孔介质。在一个方面，用于驱使流体基质穿过多孔介质的设备还包括与多孔介质连接的外部流设备，从而使得流体基质穿过多孔介质进入到外部流设备中。

根据本公开的另一方面，用于驱使流体基质穿过多孔材料的设备包括具有半径的弧形可渗透成形工具以及预浸有流体基质的层。多孔介质与弧形可渗透成形工具接触，从而顺应弯曲表面。在附加实施方式中，多孔介质沿着半径可移动地与预浸有流体基质的层连接，以使得流体基质径向地流动穿过多孔介质。在一个方面，该设备还包括流体散布和吸收层，其中，多孔介质经过预浸有流体基质的层，并且进入流体散布和吸收层之间。

根据本公开的附加实施方式，用于多孔介质中的纳米纤维的定向对齐的装置包括箱，该箱用于保持具有纳米纤维的流体基质。在多孔介质进入箱并且至少部分地经过可渗透成形工具的位置提供多孔介质以及至少一个可渗透成形工具(例如具有半径的弧形设备)。多孔介质至少部分地顺应成形工具的弯曲表面，从而流体基质径向地穿过多孔介质。随后，多孔介质离开箱，并且提供收集器，预浸了流体基质的多孔介质在收集器处被收集。在另一方面，创建了严格限定的径向流模式，以确保流体基质的大部分流入多孔介质中。此外，在多孔介质之外并且位于其附近的区域中创建了严格限定的径向流模式。在流体基质进入多孔介质之前，在至少最小预对齐距离处创建了严格限定的径向流模式。在一个方面，径向流被严格限定为非径向分量和径向分量的比例被限制为(即，不大于)“小数值”的流模式，但其他数值也是可能的。

在另一方面，本公开还公开了一种用于将保护膜施加到预浸有流体基质的多孔介质上的保护膜施加器。在一个方面，本公开还包括压缩设备，其用于在离开箱之后从多孔介质挤出多余的流体基质。

在又一方面，多孔介质是微纤维织物，并且纳米纤维在Z方向(即，垂直于微纤维织物的表面平面的方向)上被驱使穿过多孔介质。在一个方面，箱被加压，从而箱内的压力大于可渗透成形工具的内部中的压力，由此使得流体基质从箱流动通过多孔介质，并且进入至少一个可渗透成形工具。在一个方面，纳米纤维的长度至少是微纤维的直径的五倍，但其他长度也是可能的。

在另一方面，至少一个可渗透成形工具也包含具有纳米纤维的流体基质，并且该至少一个可渗透成形工具的内部的压力大于箱的压力，从而流体基质从可渗透成形工具的内部径向地向外流动通过多孔介质，并且进入箱中。在一个方面，存在不止两个的可渗透成形工具。

根据本公开的另一实施方式，用于在多孔介质中定向地对齐纳米纤维的方法包括下述步骤：提供具有纳米纤维的流体基质；使多孔介质顺应成形工具的表面；以及驱使流体基质径向地流动通过多孔介质。在另一方面，提供了严格限定的径向流模式，从而流体基质的大部分流入多孔介质的顺应区域中。此外，在流体基质的大部分进入多孔介质之前，确立了严格限定的径向流模式。此外，在流体基质进入多孔介质之前，在至少最小预对齐距离处确立了严格限定的径向流模式。在一个方面，径向流被限定为非径向分量和径向分量的比例被限制为(即，不大于)“小数值”的流模式。

在方法的一个方面，多孔介质是微纤维织物，并且纳米纤维在Z方向(垂直于微纤维织物的表面平面的方向)上被驱使穿过多孔介质。在附加方面，用于驱使流体基质穿过多孔介质的设备包括包含流体基质的外部流设备以及具有半径的可渗透成形工具，其中，多孔介质经过外部流设备和可渗透成形工具之间，并且流体基质径向地穿过多孔介质，进入可渗透成形工具中。

在本公开的另一方面，用于驱使流体基质穿过多孔材料的设备包括具有半径的可渗透成形工具，其中，可渗透成形工具包含流体基质，并且其中，多孔介质在其经过可渗透成形工具时顺应半径，并且流体基质从可渗透成形工具径向地穿过多孔介质。

附图说明

根据优选实施方式、随附权利要求和附图的下述详细说明，本公开的其他目的、特征和优势将变得更加明显，附图中：

图1是根据一种实施方式的用于在多孔介质中定向对齐纳米纤维的装置的示意图，其中，流是汇合的径向流；

图2是用于在多孔介质中定向对齐纳米纤维的装置的另外的实施方式的示意图，其中，流是分流的径向流；

图3是用于在多孔介质中定向对齐纳米纤维的装置的另外的实施方式；

图4是用于在多孔介质中定向对齐纳米纤维的装置的另外的实施方式；

图5是用于在多孔介质中定向对齐纳米纤维的装置的另外的实施方式；

图6是用于在多孔介质中定向对齐纳米纤维的装置的另外的实施方式；

图7是用于在多孔介质中形成定向对齐的纳米纤维和用于收集浸渍的多孔介质的总系统的示意图；

图8是公共X-Y平面碳纤维的放大视图，其中，根据本公开，纳米纤维已经以Z方向插入；

图9是示出了当流是汇合径向流时的径向流的方向和(r,θ,x)柱面坐标的示意图；

图10A是汇合径向流对纳米纤维的对齐效应的示图；

图10B是汇合径向流对纳米纤维的伸展效应的示图；

图11A是分流径向流对纳米纤维的对齐效应的示图；

图11B是分流径向流对纳米纤维的伸展效应的示图；

图12A是沿X轴测量具有恒定宽度的可渗透成形工具的示图；

图12B是沿X轴测量具有渐细宽度的可渗透成形工具的示图；及

图12C是沿X轴测量具有渐细宽度的可渗透成形工具的额外示图。

具体实施方式

通过图1-11中的实例而示出了本公开的实施方式。参考图1和2，用于多孔介质18中的纳米纤维的定向对齐的装置10包括流体基质12，该流体基质12包括纳米纤维14，并且被容纳在外部流设备16内。应该注意到，本文所使用的所有术语被赋予其本领域所知的以及在下文中进一步描述和讨论的常规含义。多孔介质18是能够在其内部接收东西的任何材料，再次强调，下文将对其进行更全面描述。

具体地，参考图1，用于多孔介质18中的纳米纤维的定向对齐的装置包括可渗透成形工具20，可渗透成形工具20从成形工具20的外部(例如从外部流设备16)抽吸包括纳米纤维14的流体基质12穿过多孔介质18。参考图1，外部流设备16是在纳米纤维14进入可渗透成形工具20之前可以容纳或保持包含纳米纤维14的流体基质12的装置。在一种实施方式中，外部流设备16可以包括保持或容纳具有纳米纤维14的流体基质12的箱(未示出)。也可以利用其他类型的容器(例如海绵)来保持流体基质12。

可渗透成形工具20是一种结构性设备，其在多孔介质18被拉到经过成形工具20的表面时接触多孔介质18，同时源引入包含纳米纤维14的流体基质12。在一种非限制性实施方式中，包含纳米纤维14的流体基质12的源可以是流体基质槽(matric bath)，多孔介质18在与成形工具20接触时而被抽吸通过该流体基质槽。在附加实施方式中，包含纳米纤维14的流体基质12的源可以包括其他结构，例如已经浸有流体基质12的海绵。在其他实施方式中，流体基质的其他类型的源是可能的。

成形工具20既用于驱使流体基质12通过多孔介质18，还在利用纳米纤维14浸渍多孔介质18时控制多孔介质18的形状。在一种实施方式中，可渗透成形工具20是弧形的，其提供在与流体基质12接触时不会撕破或撕裂多孔介质18的光滑表面。在其他实施方式中，其他形状是可能的。在附加实施方式中，可渗透成形工具20包括辊26，该辊26旋转以辅助多孔介质18的移动，如本文将更详细地描述的那样。工具20是可渗透的，从而包含纳米纤维14的流体基质12将流入和流出其内部。此外，工具20是中空的，从而工具20内部的压力可以被控制以辅助包含纳米纤维14的流体基质12的流动。可以以许多方式实现流体基质12的流动，例如通过形成压力差以使得工具20外部上的压力高于其内部上的压力。由此，流体基质12被拉入到可渗透成形工具20中。将仅仅以示例而非限制的方式结合图3和图4进一步示出并且更全面地描述这种“汇合径向流”设置的实例。在图3中以方向箭头24示出了汇合径向流。

现在参考图2，示出了“发散径向流”系统，其中箭头24示出了流体基质12从可渗透成形工具20的内部向外流动通过多孔介质18的方向。在该例子中，流体“径向地”流动到外部流设备16中，如下文将更全面地描述和讨论的那样。外部流设备16可以是用于捕获完全穿过多孔介质18的流体基质12的任意设备，仅仅以示例而非限制的方式，其例如海绵。将仅仅以示例而非限制的方式结合图5和图6进一步示出并且更全面地描述这种“发散径向流”的实例。注意到，并不一定需要具有与多孔介质20接触的外部流设备16。作为实例，可以在不使用图中示出的外部流设备16的情况下使流体基质12流出多孔介质。

现在参考图3和4，示出了汇合流系统的两个实例。图3示出了呈弧形辊26形式的可渗透成形工具20。在本文描述的任一具有辊的实施方式中，应该理解，也可以替代地使用其他类型的成形工具20。呈圆柱体状、弧形的辊26可以是中空和可渗透的，并且辊26具有弯曲(即，圆形)的外表面。在一种实施方式中，弧形辊26的半径沿其长度是恒定的(即，工具20具有恒定的宽度)。如图12A所示，辊26在其端部80附近具有宽度70，该宽度70大致等于其中心82附近的宽度71。具体地，宽度沿着X轴是恒定的。在附加实施方式中，辊26的横截面可以具有不同的形状，例如渐细的配置。在该实施方式中，宽度沿着X轴发生变化。图12B示出了在其中部84附近具有宽度74的辊26，该宽度74小于端部86附近的宽度72。图12C示出了在其中部88附近具有宽度78的辊26，该宽度78大于端部90附近的宽度79。直的圆柱辊26(例如类似于图12A中示出的)将与流体基质12中的许多纳米纤维对齐。然而，在一些情况下，这种类型的辊26可能不会使具有原始对齐的纤维14在精确的X方向上对齐。可以通过略微地改进辊26的形状来解决这个缺陷。辊26的形状的变化可能使纳米纤维14的对齐变为偏离精确的x方向，并且允许径向流(图12A中示出的)提供进一步的对齐。图12B和图12C中示出的渐细的辊26有助于重新对齐那些最初在x方向上定向的纳米纤维14(参见图12A、12B、12C)，并且有助于通过不一致成形的辊26的径向流进一步将它们对齐。图12B和12C示出了替代形状的辊。

对于图1-6中示出的示例性实施方式，多孔介质18接触工具20的外表面并且顺应弧28。此时，形成“径向流”，如下文将更全面地描述的那样。图3示出了外部流设备16可以包括容纳具有纳米纤维14的流体基质12的箱或槽30。多孔介质18被引入到箱30中，并且顺应在中空的可渗透辊26的弧28周围。在该实施方式中，箱30被加压，从而箱30中的压力高于辊26的内部的压力。由此，在箭头24方向上的汇合流从外部流设备16流入到辊26中。注意，该流是穿过多孔介质18的径向流。在本文中，特别参照图8、9、10和11，将讨论本公开的径向流的有益效果和结果。

参考图4，示出了本公开的汇合流系统的另一实例，其中，外部流设备16包括不可渗透层32。不可渗透层32覆盖了层34，层34在本文中被称为“浸渍层”，其中，已经包括或“浸渍”了流体基质12。在一个实例中，层34可以是浸渍有包括纳米纤维14的流体基质12的海绵。浸渍层34覆盖多孔介质18，多孔介质18又转而覆盖流体散布和吸收层36。在该例子中，流体散布和吸收层36形成了辊26的一部分，在该实施方式中，辊26的该部分是弧形的。辊26的外部形成曲线，这些物件的每一个均形成在该曲线周围，由此创建期望的径向流。施加到不可渗透层32上的力用于将具有纳米纤维14的流体基质12径向地挤出以穿过多孔介质18。多余的流体基质由流体散布和吸收层36吸收。例如，施加到不可渗透层32上的力可以包括由拉动不可渗透层32的端部的机械装置施加的张力。在附加实例中，可以通过使不可渗透层32馈入通过模具以在辊26周围推动层32，而施加压缩力。在其他实施方式中，其他类型的力是可能的，例如磁力或电力。系统的汇合流由箭头24表示。

现在参考图5和6，示出了分散流系统的两个实例。在图5中，成形工具20是弧形的。在图5和6所示的实施方式中，成形工具20被实施为辊26，但在其他实施方式中，其他类型的工具20也是可能的。由上所述，浸渍层34顺应可渗透成形工具20的半径，可渗透成形工具20容纳包含纳米纤维14的流体基质12。多孔介质18顺应浸渍层34。在该实施方式中，外部流设备16包括流体散布和吸收层36。箭头24示出了流体基质12从成形工具20径向地分散流动通过多孔介质18，并且进入外部流设备22。

图6示出了分散流系统，其中，外部流设备16包括用于收集多余的流体基质12和纳米纤维14的箱30。同样地，箭头24示出了流体基质12从成形工具20径向地从浸渍层34分散流动通过多孔介质18，进入外部流设备16。

现在参考图7，仅仅以示例而非限制的目的示出了用于创建多孔介质中的定向定准的纳米纤维14的预浸材料的示例性系统100。在该示例性系统中，用于多孔介质10中的纳米纤维的定向对齐的装置包括源30，该源30用于保持具有纳米纤维14的流体基质12。在该实施方式中，源30包括箱。多孔介质18被引入到箱30中，并且与至少一个成形工具20接触。在一种实施方式中，成形工具20是中空的多孔弧形辊26。在附加实施方式中，弧形辊26沿着其长度具有恒定的半径，并且由此具有恒定的宽度。在附加实施方式中，辊26的横截面可以具有不同的形状，例如渐细的配置，如先前参考图12B和12C描述的那样。在引入到箱30中之前，多孔介质18可以是湿的、干的或者一些组合。图7示出了三个中空的多孔辊26和在其周围迂回延伸的多孔介质18。不可渗透的或者半渗透的封盖40部分地覆盖中空的多孔辊26，由此确保流体基质12从两侧被径向地驱使通过多孔介质18。在离开箱30后，包含纳米纤维14的多孔介质18以“预浸材料”44的形式被收集在收集器42中。

还示出了：在离开箱30后，包含纳米纤维14的多孔介质18可以经过另一中空的多孔辊，或者被挤压，从而移除多余的流体基质12。此外，在收集器42的收集之前，可以在浸渍了流体基质12的多孔介质18上添加保护膜46。

在附加实施方式中，系统100可以包括控制机构95。控制机构95被配置为控制至少一个泵47，泵47连接到辊26以控制辊26中的压力。具体地，泵47连接到中空的多孔弧形辊26以控制辊内的压力，由此控制包含纳米纤维14的流体基质12的流动。在一种实施方式中，控制机构95接收用户输入以设置辊26的内部中的期望压力。在图7描绘的实施方式中，可以以软件、固件、硬件或其任意组合来实现控制机构。作为实例，控制机构95可以是计算机(例如，桌面计算机或笔记本电脑)或者手持式设备，例如智能电话。

在附加实施方式中，控制机构95可以控制连接到箱30的第二泵48内的压力。在控制机构95的指示和控制之下，泵48控制源(例如箱30)内的压力以辅助径向流的控制。具体地，由泵48所控制的箱30的压力和由泵47所控制的辊26内的压力之间的压力差导致流体基质12流动通过多孔介质18。在该实施方式中，箱30可以被密封(未示出)以生成更有效的真空。两个泵47和48的使用允许控制辊26的内部和外部箱30中的压力。辊26的内部的压力控制将会至少在顺应辊26的表面的区域中提供多孔介质18内的压力控制。这最终允许控制液体基质12流入和流出多孔介质18。实际上，由泵47和48施加的压力差控制液体基质流动通过多孔介质18的速率。然而，两个压力源(即，泵47和48)的控制并不是必须的，只要有足够的压力差使得流体基质12流动通过多孔介质18。作为实例，有可能使用泵47，而不存在泵48，来控制辊26中的压力，由此控制液体基质流动的方向和速率。注意到泵47和/或48可以被类似地用于控制其他类型的成形工具(包括本文具体描述的任一实施方式)的液体基质的压力差和流动。

现在参考图8，示出了流体基质12穿过多孔介质18的径向流的预期效果和结果。此处，多孔介质18包括碳纤维介质，其包括定向在X-Y平面50内的碳纤维48。碳纳米纤维14被示为在Z方向52上被驱动通过多孔介质18。

图9示出了径向流(如该术语在本文中所使用的那样)在柱面坐标中主要地沿着其径向方向流动。图9示出了朝着柱面坐标的中心的汇合径向流。图10A和10B示出了汇合径向流，即，以图9中示出的柱面坐标中的和由附图标记29表示的柱面坐标系中的径向坐标中的任意半径，朝着圆的内侧的径向流。汇合径向流在径向方向上伸展(图10B)并且对齐(图10A)纳米纤维14和流体基质12。相反地，图11A和11B示出了发散径向流，即，朝着由附图标记29表示的柱面坐标系中的径向坐标的径向流，其在切向方向上伸展(图11B)并且对齐(图11A)纳米纤维14和流体基质12。

通过持续的解释，已经液体中的纳米纤维(包括但不限于碳纳米纤维、碳纳米管以及长链聚合物分子)可以由诸如简单挤出过程(即，由包含纳米纤维的聚合物熔体制成的挤出杆)的剪力流来旋转。具体地，液体流会影响纳米纤维的对齐。然而，研究人员还不清楚如何在多孔介质中对齐纳米纤维。由于多孔介质中的流动特性明显比简单挤出过程中的剪力流更加复杂，研究人员过去在对齐多孔介质中的纳米纤维方面做出的努力是不成功的。本公开是基于独特的流变学配置，其可以连续地且稳健地以恒定方向对齐和伸展液体粒子。基于该独特的流变学配置的对齐和伸展效应足够强，从而甚至在用在穿过多孔介质18的流时也展现出主导力量。当纳米纤维14分散在流体基质12(热固性树脂、熔融金属、热塑性塑料等)中时，纳米纤维14也会由液体流对齐和伸展。在湿法过程期间，该独特的流变学流在多孔介质18的整个厚度方向(即z方向)上对齐和伸展纳米纤维14。即，在多孔介质18内的整个厚度方向上，纳米纤维14将被对齐和伸展。随后，包含z对齐和伸展的纳米纤维14的多孔介质18可能需要进一步的收集和封包步骤，如上所述，这取决于多孔介质18产品的应用。为了复合预浸材料44的制造应用的情况，包含z对齐和伸展的纳米纤维14(例如，碳纳米管)的微纤维布(多孔介质18)会需要适当的温度控制循环以根据基质材料的类型而将流体基质12转换为凝胶或固体或粘弹性材料。因此，z对齐的纳米纤维加强的微纤维增强的复合预浸材料44被形成，并且准备好进行封包和运输。随后，这种复合预浸材料44可以用于通过许多流行的复合材料制造工艺(例如高压釜真空袋法、热压法等)来制造复合材料层压板部件。z对齐的纳米纤维(或者纳米管或纳米线)加强的微纤维增强的复合预浸材料(即，多孔层)的制造工艺的构思在图7中示出。

通过进一步解释，柱面坐标(x,r,θ)(参见图9、10和11)中用于液体的独特的向中心流(汇合流)的理论速度解可以被写成：

u_x＝0 (2)

u_θ＝0 (3)

其中，u_r、u_x、u_θ分别是x,r,θ方向上的速度分量。符号“l”表示圆柱的长度。注意到，“-Q”表示朝向中心流动的总流速。(参见图9、10A和10B)

用于给定流动场的应变张量的速度的分量为：

仅有的两个非零分量是和等式(4)给出了正应变率其表明那个空间处的液体粒子在径向方向(r方向)上的拉伸应变率之下。因此，流体基质12和纳米纤维14将在径向方向(r方向)上对齐和伸展。等式(5)给出了负应变率其表明那个空间处的液体粒子在θ方向上的压缩应变率之下。因此，流体基质12和纳米纤维14将在θ方向上被压缩。组合等式(4)和等式(5)所述的流应变率效应，纳米纤维14(以及包含在流体基质12中的液体颗粒)将在r方向上被有效地伸展和对齐，如图9、10A和10B所示。

参考图9，可渗透(即，多孔)成形工具20或辊26的r方向在多孔层18(例如微纤维布)的z方向52(整个厚度方向)上。由于液体12从源流动通过微纤维布，即，多孔介质18，并且随后例如流向可渗透中空圆柱弧形辊26的中心，纳米纤维14将由流(u_r)被带入到微纤维布多孔介质18中，并且同时通过应变率张量(和)而伸展和对齐。注意到，和的幅度与1/r²成比例。因此，如果可渗透中空圆柱辊26具有较小的半径，则对齐和伸展效应将显著提升。另一方向，u_r的幅度与1/r成比例。这意味着在给定的流速Q，当辊26具有较小的半径时，纳米纤维14和流体12流动通过微纤维布18的速度将增加。然而，申请人已经确定这种速度增加不会和伸展和对齐效应一样明显。所有效应都会与流速Q成比例。这些关系提供了对于不同材料系统优化辊26、直径和流速的灵活性。注意到，当流体基质12和纳米纤维14流动通过多孔介质18内的微纤维48之间的空间时，这些流动效应也会很好地起作用。由多孔介质18内的所有主要流动通道(即，局部液体速度类似于或高于相邻空间附近的液体的体积平均速度的开放空间)提供的整体流动特性遵循同样的汇合流特征，该汇合流特征将总是导致θ方向上的压缩、r方向上的对齐和伸展，如等式(4)和等式(5)所述。

本公开的另一可选特征在于离心流(分散流)，纳米纤维14和流体基质12将在θ上对齐和伸展(参见图11A和11b)。对于需要θ方向纳米纤维对齐和伸展的一些应用而言，这种可选的特征可能是有用。例如，这通过简单地倒置图5和6示出的设置的流动方向来轻易地实现。

通过连续的解释，本公开涉及在基质承载多孔层(膜、织物等)中定向对齐和/或伸展纳米粒子的方法，该方法包括下述步骤：(a)在包含纳米纤维的流体基质的源中建立纳米粒子分散(该纳米粒子也可以是长链聚合物、纳米管、纳米纤维、纳米棒、纳米尺寸的椭圆形粒子或类似物)，以及(b)利用成形工具20使多孔层18、膜、织物等接触源，该成形工具具有圆柱形或弧形柱的工具表面，该表面导致工具20的径向方向上的流，从而推动流体基质12通过多孔介质18。该径向流在多孔介质18内以优选方向(Z方向52)伸展和对齐纳米纤维14。

在本公开的其他实施方式中，径向流可以是汇合径向流或发散径向流。汇合径向流一般指沿着成形工具20的曲率半径流向成形工具的流体基质12(例如参见图1、3和4)。发散径向流一般指流向圆柱形或弧形柱工具、工具20的外部的流体基质12(例如参见图2、5和6)。在本公开的另一种实施方式中，汇合径向流尤其被用于在基质承载的多孔介质18(膜、织物等)中沿着成形工具20的径向方向而定向地对齐和/或伸展纳米纤维14。在本公开的另一种实施方式中，分散径向流尤其被用于在基质承载的多孔介质18(膜、织物等)中沿着成形工具20的切向方向而定向地对齐和/或伸展纳米纤维14。

此外，本公开描述了用于在基质承载的多孔介质18(膜、织物等)中定向对齐和/或伸展纳米纤维14的装置，包括(a)用于建立包含纳米纤维分散的流体基质的源的装置，其中，纳米纤维也可以是长链聚合物、纳米管、纳米纤维、纳米棒、纳米尺寸的椭圆形粒子或类似物，以及(b)用于利用一设备使多孔介质18(膜、织物等)接触流体基质源的装置，该设备具有圆柱形或弧形柱的工具表面，该工具表面导致工具的径向方向上的流，从而推动流体基质12通过多孔介质18(膜、织物等)。注意到馈入的多孔层18可以是干的、湿的、部分湿的、或者部分填充有其他内容物的，等等，只要流体基质12仍然可以流动。该径向流用于在多孔介质18内以优选方向伸展和对齐纳米纤维14。

在本公开的一种实施方式中，该设备包含纵向地设置在具有流体基质12的箱中的至少一个中空的、可渗透的成形工具20，例如辊26。在该实施方式中，成形工具20或辊26的内侧压力不同于多孔介质18(膜、织物等)的外表面处的流体基质12的压力(该压力作用在成形工具20的表面上)，以导致流体基质12的径向流。在另一种实施方式中，本公开涉及以各种方式使得径向流可行，例如成形工具20的内部可以具有端口或其他类似的流机构，例如将流体基质12从成形工具20抽出或者在期望时将流体基质12注射到成形工具20中的流动池或流动源。

在本公开的另一种实施方式中，所术设备是弧形成形工具20，其驱使流体基质12在径向方向上穿透多孔介质18(膜、织物等)。在本公开的另一种实施方式中，可以从包含流体基质12的海绵状多孔介质、浸渍层34朝着多孔介质18(膜、织物等)驱使径向流。在本公开的另一种实施方式中，驱使流体基质12的径向流的压力差可以是静态压力差。在本公开的另一种实施方式中，驱使流体基质12的径向流的压力差可以由流运动所导致的剪切应力引起。

如前所述，与基质、纤维微屈曲和纤维/基质界面相关的弱点在现有技术中的由微纤维加强的复合材料层压板中是公知的，复合材料层压板包括聚合物基质复合材料，例如碳纤维/环氧树脂复合材料，芳纶/环氧树脂复合材料以及金属基质复合材料，例如硼/铝和石墨/镁。纳米技术领域的最近发展使得能够成功生产许多不同类型的纳米纤维，例如碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维(CNF)以及不同类型的纳米线。本公开允许微纤维层压板中的纳米纤维的分散和定向对齐，并且克服了当前复合材料的许多传统弱点。根据申请人的公开，微纤维将在x-y平面50(平面内方向)形成加强网络，并且纳米纤维14将穿透微纤维网络、多孔介质18，并且在z方向52(平面外方向)上增加强化。这种期望的3D多尺寸加强结构(参见图8)提供了层压板的机械性质、热性质和电性质。然而，迄今为止，并不存在用于稳健地在z方向上对齐微纤维层压板中的纳米纤维14的方法。