专利名称：结合碳颗粒纤维的方法及含有碳颗粒的玻璃纤维的制作方法
技术领域：
本发明涉及碳颗粒，比如碳纳管微粒(carbon nanotubemolecules)和碳微丝，以及更具体地涉及结合碳颗粒成为纤维，在其中碳颗粒是对齐的。
背景技术：
碳颗粒，比如碳纳管微粒和碳微丝具有一系列很需要的性能，包括电性能、力学性能和热传导性能。然而，颗粒是较短的，例如，最长的颗粒的数量级为数微米。不幸的是这样的长度对于能证明碳颗粒是有利的各种用途通常并不适宜。
发明内容
本发明人已知道，按照本发明的原理，碳颗粒，比如碳微丝和碳纳管微粒可以使用制造光学纤维方法派生的方法结合成为对齐的纤维。更具体地，碳颗粒是埋入玻璃内，它随后拉伸以使它们对齐。使碳颗粒对齐意味着在一个局部附近区域内每个不同的颗粒沿着最长尺寸的轴线是基本上平行的。
在本发明的一个实施例中，碳颗粒是碳纳管微粒，以及一个开始的混合物是借助分散碳纳管微粒在溶胶-凝胶溶液内形成，该溶液是液体玻璃的一种形式。一种酯添加入混合物，使混合物固结为一个玻璃体，玻璃体可能是多孔的。此时，玻璃体内可以任选地灌注一种或多种其它材料，以影响玻璃体的性能，从而有利于纤维的处理或最终的性能。玻璃体可以随后加热以固结，即除去某些或全部可能有的微孔，从而形成一个固结玻璃体。加热可以在一种气体的参与下进行，例如保持固结玻璃体远离氧。固结玻璃体随后拉伸成为一条纤维。
拉伸为一条纤维可以借助插入固结玻璃体到一个带有一个孔的较大的玻璃体(例如，一段玻璃管)内，该孔能够接收固结玻璃体。按照本发明的一个方面，多个固结玻璃体可以放置在较大的玻璃体内，如果这个较大玻璃体具有多个孔，至少对每个固结玻璃体有一个孔。包括至少一个固结玻璃体的较大玻璃体随后继续固结，例如通过加热，从而使固结玻璃体与较大玻璃体融合为一个单一的所谓的“预制件”。
预制件随后使用普通的光学纤维技术拉伸，成为一条玻璃纤维，该玻璃纤维具有至少一个碳纳管纤维在其中，例如，对于每个固结玻璃体有一条纤维放置在较大玻璃体内。按照本发明的一个方面，当含有碳纳管微粒的玻璃纤维拉伸时，来自每个固结玻璃体的碳纳管微粒，分别地对齐和连接到一起以形成在玻璃纤维内的每条碳纳管纤维。任选地，如果需要含有碳纳管纤维的玻璃纤维可以扭转并再加热，以便于扭转，引起碳纳米管纤维并朝玻璃纤维的轴线拉伸，从而使在碳纳管纤维之间和之内的某些玻璃被排挤。最后，优选地，包覆碳纳管纤维的部分或全部可以除去，例如，使用化学或机械方法，或用两者的结合处理。
在本发明的另一实施例中，碳颗粒是碳微丝。
在本发明的又另一实施例中，碳微丝和碳纳管微粒同时使用以制造一个单一的纤维。
在本发明的又另一实施例中，碳微丝使用于制造一条纤维，以及碳纳米管微粒使用于制造另一条纤维，以及两条纤维在任选的扭转阶段内扭转。
在附图中图1示出按照本发明的原理用于结合碳颗粒成为对齐的纤维的一个典型过程；图2示出一个典型的固结玻璃体，带有碳微粒分散在其中；图3示出多个固结玻璃体，各玻璃体放置在一个较大玻璃体的一个相应的孔内；图4示出一个预制件，其中拉伸过程已开始，以便制出在玻璃纤维内的对齐的碳颗粒纤维；
图5示出对齐的碳颗粒纤维的扭转以及最终的结合的扭转对齐碳颗粒纤维；以及图6示出一个结合的扭转对齐碳颗粒纤维，一部分玻璃已被除去。
具体实施例方式
下面仅说明本发明的原理。因此可以理解，本领域的熟练人员能够设想各种不同的安排，虽然没有明确地在此处说明或示出，这些不同的安排也体现本发明的原理也包括在本发明的精神和范围内。再者，此处列举的全部实例和有限制的语言原则上仅作为教学目的有意地表达，以帮助读者了解本发明的原理以及发明人对本领域发展的贡献的概念，以及构造为不限制在这些特别列举的实例和条件。并且，全部此处列举的本发明的原理，方面和实施例以及其特定的实例有意地包括它们的结构和功能的等同物。此外，有意地使这些等同物包括现在已知的等同物，以及未来发展的等同物，即不管其结构如何，包括执行相同功能而发展的任何元件。
因此，例如本领域的技术人员可以理解，此处的附图可以代表实施本发明原理的概念图。
在权利要求书中，作为实现一个特定功能的一个方式表达的任何元件有意地包括实现此功能的任何途径，例如，包括a)实现此功能的电路元件的一个结合，或b)任何形状的软件，包括与正确的电路相结合用于使软件执行功能的固件，微码等。这些权利要求限定的本发明属于这样的事实，由所列举方法提供的功能度是以权利要求要求的方式组合和结合到一起。申请人因此将能提供这些功能度的任何方法列为这里所示的等同物。
除非另有明确的说明，附图不是按照比例绘制的。同时提交的申请，美国专利申请系列号No(Case Crey wall-Yurke XX)在此完全结合作为参考。
在说明书中不同附图中相同的标号表示相同的部件。
图1示出按照本发明原理的一个典型过程，使用制造光学纤维方法派生的方法，用于结合碳颗粒，比如碳微丝，碳纳管微粒成为对齐的纤维。“对齐”意味在一个局部附近区域内每个不同的颗粒沿着最长尺寸的轴是基本上平行的。
图1的过程由步骤101开始，这时碳颗粒分散在玻璃体内。在一个实施例中，达到这点是通过分散碳颗粒，例如碳纳管微粒，碳微丝或两者的结合在一个溶胶-凝胶溶液内，该溶液是液体玻璃的一种形式，这样形成一个开始混合物，在此之后，一种酯添加至混合物中，使混合物固结为一个玻璃体，该玻璃体可能是多孔的。此时，玻璃体可以任选地灌注一种或多种其它材料，以影响玻璃体的性能，从而有利于纤维的处理或最终性能。玻璃体可以随后加热以固结，即消除某些或全部可能有的微孔，从而形成一个固结玻璃体。加热可以在一种气体的参与下进行，例如，保持固结玻璃体远离氧。图2示出一个典型的固结玻璃体201，碳颗粒203分散在其中。
固结玻璃体201可以在步骤105内直接地拉伸为一条纤维，拉伸步骤将在下面进一步讨论。然而，任选地，在步骤103内固结玻璃体可以具体是一个预制件，从而使有利地可以使用普通的玻璃纤维拉伸设备。
为了此目的，首先，作为步骤103的一部分，固结玻璃体201放置在带有一个孔的较大的玻璃体(例如一段玻璃管)内，该孔可接收固结玻璃体。按照本发明的一个方面，多个固结玻璃体可以放置在较大的玻璃体内，只要这个较大玻璃体具有多个孔，至少对每个固结玻璃体有一个孔。这点示于图3内，在此处每个固结玻璃体201放置在较大玻璃体305的一个相应的孔307内。应注意，放置在一个单独的较大玻璃体内的多个固结玻璃体不需要是相同的。例如，一个固结玻璃体可以含有碳微丝，而另一个可以含有碳纳管微粒，以及第三个可以含有碳微丝和碳纳管微粒的混合物。本领域的技术人员可以选择固结玻璃体的一种或多种类型，以适合于它们的用途。
为了在步骤103内完成预制件的成形，较大玻璃体包括至少一个固结玻璃体，随后进一步固结，例如通过加热，从而使各固结玻璃体与较大玻璃体融合成为一个单一的所谓的“预制件”。
在步骤105内，预制件使用普通的光学纤维技术拉伸为一条玻璃纤维，它具有至少一条对齐的碳颗粒纤维在其内，例如，放置在较大玻璃体内的每个固结玻璃体中有一条对齐的碳颗粒纤维。
图4示出一个预制件309，其中拉伸过程已开始，以由其制造在玻璃纤维409内的对齐的碳颗粒纤维407。按照本发明的一个方面，当玻璃纤维409拉伸时，来自每个固结玻璃体201的碳颗粒本身分别地对齐，以及连接到一起，形成在玻璃纤维内的每个对齐的碳颗粒纤维，例如在点411的附近区域。对齐意味在一个局部区域内每个不同的颗粒沿着最长尺寸的轴是基本上平行的。这点可以在图4内看出，在此处比点411更接近预制件309的碳颗粒是无规则地取向，而在纤维409内比点411离开预制件309更远的碳颗粒是指向基本上相同的方向。
任选地，在步骤107内，拉伸的玻璃纤维可以扭转。这种扭转引起碳纳管纤维被朝着玻璃纤维的轴线拉伸，从而使在碳颗粒之间和之内的某些玻璃被排挤。如果需要，为便于扭转过程，玻璃纤维可以重新加热。对齐的碳颗粒纤维407的扭转以及最终的结合的扭转对齐的碳颗粒纤维513示于图5。
最后，在任选的步骤109内，包覆对齐的碳颗粒纤维的玻璃的部分或全部可以除去，例如，使用化学或机械方法或两者的接合来处理。还有，在结合的扭转对齐的碳颗粒纤维之间的玻璃也可以除去。清去玻璃可以沿着纤维的整个长度或仅沿着它的一部分进行。图6示出一个结合的扭转对齐的碳颗粒纤维513，一部分玻璃已除去。
优选地，此过程用来制造对齐的碳颗粒纤维，它们可以包括玻璃在校直的碳颗粒纤维之间或围绕它们。
权利要求
1.一种结合碳颗粒成为至少一条对齐的纤维的方法，此方法包括拉伸含有碳颗粒的玻璃成为一条纤维。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于上述的碳颗粒是(i)碳纳管微粒和(ii)碳微丝。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于还包括扭转上述的纤维的步骤。
4.按照权利要求1的方法，其特征在于还包括扭转上述的纤维的步骤同时加热上述纤维以便于它的扭转。
5.按照权利要求1的方法，其特征在于还包括在扭转时加热含有碳颗粒的上述玻璃的步骤。
6.按照权利要求1的方法，其特征在于，上述拉伸步骤产生多个对齐的纤维，此方法还包括扭转上述多个对齐的纤维的步骤，从而使上述多个对齐的纤维朝上述纤维的轴线拉伸，从而使在进行上述扭转之前，位于上述对齐的纤维之间和之内的玻璃被排挤。
7.按照权利要求1的方法，其特征在于还包括形成含有碳颗粒的上述玻璃的步骤。
8.按照权利要求7的方法，其特征在于，上述形成步骤还包括在一个溶胶-凝胶溶液内固结碳颗粒的混合物，从而形成一个玻璃体的固结步骤。
9.按照权利要求8的方法，其特征在于，上述形成步骤还包括在上述溶胶-凝胶溶液内分散碳颗粒的步骤。
10.按照权利要求8的方法，其特征在于，上述固结步骤还包括把酯加至上述混合物中的步骤。
11.按照权利要求8的方法，其特征在于，上述的玻璃体是多孔的。
12.按照权利要求8的本发明，其特征在于还包括使用至少一种其它材料灌注入上述玻璃体中的步骤。
13.按照权利要求8的方法，其特征在于还包括加热上述预制件以固结上述预制件从而形成一个固结体的步骤。
14.按照权利要求8的方法，其特征在于还包括结合上述玻璃体到一个较大玻璃体以形成一个预制件的步骤。
15.按照权利要求14的方法，其特征在于，上述结合步骤还包括加热上述较大玻璃体以固结该较大的玻璃体的步骤。
16.按照权利要求14的方法，其特征在于还包括结合至少另一个玻璃体到上述较大玻璃体中从而使上述预制件含有多个玻璃体的步骤。
17.按照权利要求1的方法，其特征在于还包括从上述纤维除去一些玻璃部分的步骤。
18.一种含有碳颗粒的玻璃纤维。
19.按照权利要求18的玻璃纤维，其特征在于，上述的碳颗粒是(i)碳纳管微粒，以及(ii)碳微丝。
全文摘要
使用由制造光学纤维方法派生的方法把碳颗粒，比如碳微丝和碳纳管微粒结合成为对齐的纤维。更具体地，碳颗粒是埋入玻璃内，随后拉伸以使碳颗粒对齐，“对齐”意味在一个局部附近区域内每个不同的颗粒沿着最长尺寸轴线是基本上平行的。
文档编号C03B37/012GK1660710SQ20051005242
公开日2005年8月31日 申请日期2005年2月25日 优先权日2004年2月27日
发明者D·S·格雷沃尔 申请人:朗迅科技公司