CN101864237A - 导电固体薄膜材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种导电固体薄膜材料。具体地提供了一种涂层组合物，该涂层组合物包括基础组合物，该基础组合物包含至少一种有机材料和大量的碳纳米管，其中碳纳米管的浓度占涂层组合物总重量的0.05％到30％，其中所述基础组合物包含：i)甲基乙基酮，ii)酚醛树脂，和iii)乙醇，其中所述大量碳纳米管中的每一个具有至多约1.0mm的长度，其中所述大量碳纳米管中的每一个的直径在约3nm到约200nm的范围内，其中该涂层组合物具有约1×10-8到约103ohm-m范围内的体积电阻率，并且其中该涂层组合物具有低于约0.2μ的摩擦系数。

Description

导电固体薄膜材料
相关申请
本申请要求以申请日为2009年4月3日且名称为“CONDUCTIVE SOLID FILMMATERIAL”的美国临时申请No.61/166,618为优先权，出于所有目的这里通过引用将其并入本文。
技术领域
本申请涉及导电涂层以及其用途。
背景技术
导电涂层被用于许多应用，例如电荷消散和射频干扰(EMI/RFI)屏蔽。所需要的直流电导率的大小取决于具体的应用。介电基底(如与其它材料摩擦接触的玻璃纤维结构)形成的电荷积聚能够引起很大的静电压，这会造成危险的放电火花。有效释放这种电荷并防止发生火花所需要的表面电阻的大小通常相当低，为106到109Ω/cm2。
发明内容
在一些实施方案中，本发明的涂层组合物包含基础组合物，该基础组合物包含至少一种有机材料和大量的碳纳米管，其中碳纳米管的浓度是涂层组合物总重量的0.05％到30％。
在一些实施方案中，本发明的涂层组合物包含在物理和/或化学性质上与含i)甲基乙基酮，ii)酚醛树  脂，和iii)乙醇的组合物类似的基础组合物。
在一些实施方案中，本发明的涂层组合物包含长度至多约1.0mm的碳纳米管。
在一些实施方案中，本发明的涂层组合物包含直径从约3nm到约200nm不等的碳纳米管。
在一些实施方案中，本发明的涂层组合物被充分设计为具有与金属或者半导体材料相当的电导率。
在一些实施方案中，本发明的涂层组合物被施用于紧固件。
在一些实施方案中，本发明的涂层细合物具有约1×10-8到约103ohm-m范围内的体积电阻率。
在一些实施方案中，本发明的涂层组合物具有低于约0.2μ的摩擦系数。
附图说明
图1示出了不使用本发明的常规紧固件的套筒在经受雷击测试后的放大视图。
图2示出了安装的常规紧固件的局部的放大视图。
图3-6是与本发明的一些实施方案相关的坐标图。
图7示出了本发明的一些实施方案的放大视图。
图8示出了本发明的一些其它实施方案的放大视图。
图9示出了与本发明的一些实施方案相关的坐标图。
由与附图结合的下列描述将清楚那些已公开的优点和改进，以及本发明的其它目的和优点。附图构成本说明书的一部分并且包括了本发明的示例性实施方案，所述附图说明了本发明的多个目的和特征。
具体实施方式
在这里公开了本发明的具体实施方式；然而，应当清楚所公开的实施方案仅仅是说明可通过多种方式来实施本发明。另外，所给出的与本发明的多个实施方案相关的每个实施例的目的是为了说明而非限制。而且，附图不一定是按比例的，一些特征可能被放大来显示特定部件的细节。另外，附图中示出的任何量度、规格等等意图是说明性而非限定性的。因此，这里所公开的具体结构和功能细节不应被理解为限定性的，而仅应理解为教导本领域技术人员以各种方式利用本发明的代表性基础。
本发明提供了一种结合有碳纳米管(“CNT”)的导电性固体薄膜材料(“CSF”)(“CSF-CNT材料”)。
本发明的一个实施方案的用途是用于涂覆中心销钉，和/或适配套筒的内表面和/或外表面。
在一些实施方案中，该导电固体薄膜材料减少或者消除在销钉和套筒之间的内部电弧放电。
CSF材料的实施方案典型地具有下列主要成分：浓度为＜30-40％的甲基乙基酮，浓度为＜5-10％的酚醛树脂，浓度为＜30-40％的乙醇，或者其它类似的合适组成。
在一个实施方案中，CSF材料可表现出类似流体的行为。在一个实施方案中，该CSF材料可具有低粘度。在一些实施方案中，该CSF材料可被用作润滑剂——在两个移动表面之间引入的物质(通常为液体)，用以减小它们之间的摩擦、改善效率和降低磨损；润滑剂也可具有溶解或者传递异质颗粒以及分配热量的功能。
在一些其它的实施方案中，CSF材料可用作涂层——施用于物体的覆盖物，通常是为了改善基体材料(通常称作基底)的表面性能。这些表面性能可特别包括外观、附着性、润湿性、抗腐蚀性、耐磨性和刮擦性等。可以按液体、气体或者固体形式施用涂层。
在一些实施方案中，优选的CSF材料具有低的摩擦系数，即为显著小于1的摩擦系数。在一些实施方案中，可商购的紧固件涂层，例如Incotec Corp公司的8G铝涂层，Teclube涂层，或者任何铝颜料涂层，可用作该CSF材料。
CNT是具有约3-200nm的纳米直径的碳化合物，其长径比可高达28,000,000∶1。CNT的长度可高达约1.0mm。CNT在沿着管的方向可表观出非常好的热传导性，但是在管轴的横向表现出良好的绝热性(insulation)。CNT表现出的抗拉强度可为钢的约50倍。某些CNT可具有与金属材料或者半导体材料相当的电导率，这取决于CNT的结构。典型地，CNT具有1.3到2g/cm3的密度。CNT可是单壁结构或者多壁结构。CNT可具有少量的杂质，例如金属和/或无定形碳。CNT典型非常耐氧化，且甚至能够耐受在强酸中的长时间浸没。另外，通常认为CNT不是剧毒性的、对环境有害，或者是由贵重的前体或者来源有限的前体制成。
在一些实施方案中，利用可商购的CNT来制备CSF-CNT材料，如来自CheapTubes公司的CNT(IGMWNT 90重量％和IGMWNT 90重量％COOH)，也可使用来自其它供应商如Nanocyl的CNT。
在CSF-CNT材料的实施方案中，CNT可分散在添加有少量表面活性-润湿剂的溶剂中，该试剂用来降低液体的表面张力，使得更容易分散并且降低两种液体间的界面张力。
在一个实施方案中，CSF-CNT材料含有直径为约3-30nm的CNT。
在一个实施方案中，CSF-CNT材料中的充足量CNT可使CSF-CNT材料具有高的导电性而不会显著增加CSF-CNT材料的刚度。
在实施方案中，添加CNT会显著减少或者消除使用高导电性金属来实现与CSF-CNT材料相同的性能的需要，并且与基础CSF材料的刚度性能相比并不显著提高其刚度。
具有浓度为约1％的CNT的CSF-CNT材料的实施方案经历电阻率从＞1012Ω/□到～105Ω/□的下降。具有浓度大于1％的一些CNT的CSF-CNT材料的实施方案经历电阻率到约500Ω/□的进一步降低。使用CSF-CNT材料作为航空紧固件涂层的实施方案提供了，例如，具有期望的高电导率性能且含有最少量或者不含金属颗粒的紧固件。此外，在一些CSF-CNT实施方案中，CNT的尺寸和低载量有对采用CSF-CNT材料实现的涂层的表面品质是有益的。
在一些实施方案中，CSF-CNT材料典型含有浓度占CSF-CNT材料总重量的0.05％到30％的CNT。在一些实施方案中，CSF-CNT材料典型含有浓度占CSF-CNT材料总重量的0.1％到10％的CNT。在一些实施方案中，CSF-CNT材料典型含有浓度占CSF-CNT材料总重量的1％到10％的CNT。在一些实施方案中，CSF-CNT材料典型含有浓度占CSF-CNT材料总重量的3％到15％的CNT。
在一些实施方案中，CSF-CNT材料的组合物可具有约小于103ohm-m的体积电阻率(例如，依照ASTM D257测得)。在一些实施方案中，CSF-CNT材料的组合物可具有约小于102ohm-m的体积电阻率。在一些实施方案中，CSF-CNT材料的组合物可具有约小于10ohm-m的体积电阻率。在一些实施方案中，CSF-CNT材料的组合物可具有约小于10-3ohm-m的体积电阻率。在一些实施方案中，CSF-CNT材料的组合物可具有1×10-8ohm-m至4×10-5ohm-m的体积电阻率。
在一些实施方案中，CSF-CNT材料的组合物可具有约小于0.12μ的摩擦系数(例如，在Falex测试机上测得)。在一些实施方案中，CSF-CNT材料的组合物可具有约小于0.10μ的摩擦系数(例如，在Falex测试机上测得)。在一些实施方案中，CSF-CNT材料的组合物可具有约小于0.2μ的摩擦系数(例如，在Falex测试机上测得)。在一些实施方案中，CSF-CNT材料的组合物可具有约小于0.3μ的摩擦系数(例如在Falex测试机上测得)。在一些实施方案中，CSF-CNT材料的组合物可具有约小于0.5μ的摩擦系数(例如，在Falex测试机上测得)。在一些实施方案中，CSF-CNT材料的组合物可具有约小于0.8μ的摩擦系数(例如，在Falex测试机上测得)。在一些实施方案中，CSF-CNT材料的组合物可具有0.04μ至0.5μ的摩擦系数(例如，在Falex测试机上测得)。在一些实施方案中，CSF-CNT材料的组合物可具有0.04μ至1μ的摩擦系数(例如，在Falex测试机上测得)
在实施方案中，CSF-CNT材料的期望性能还可包括简便性-少数目的组分以及无需特殊的操作工序。
下表1对基于可商购的Teclube涂层的CSF-CNT材料的实施方案的一些性能与Teclube涂层本身的性能进行了比较。表1示出了CSF-CNT材料的一个实施方案，其含有0.02％CNT并且与基础Teclube涂层相比具有显著更低的体积电阻率。图1显示，与不含CNT的Teclube涂层相比，添加CNT不会显著影响流动性，也就是含有CNT的Teclube涂层的厚度。
表1
  涂层   厚度   喷射方式 体积电阻率@10V(ohm-m)
  Teclube   0.0006英寸   普通 2.02×10E12
  含有0.02％CNT的Teclube   0.0005英寸   普通 ＜10E3(低于设备极限)
这种CSF-CNT材料可用于多种用途。在一个实施方案中，该CSF-CNT材料用于涂覆航空紧固件。该CSF-CNT材料的一个实施方案具有充分高的导电性，其足以提供至少部分保护使得不受雷击。典型需要高的导电性(特别是在金属紧固件附近)用以传导大的电流，例如在雷击飞机复合结构时所经历的大电流。该CSF-CNT材料的一个实施方案提供了具有如下性质的紧固件：高的导热性、较低的重量和强的抗氧化性。在实施方案中因为CNT典型地具有约2.0g/cm3的密度——这仅为典型金属颗粒或薄片密度(通常大于8g/cm3)的约四分之一——使用该CSF-CNT材料有助于减小航空紧固件涂层的重量和飞机的总重量。而且，与常规的金属基导电涂层中的金属浓度相比，使用低浓度CNT的该CSF-CNT材料的实施方案作为航空紧固件的涂层能显著提高物理性能，包括导电性和导热性、缩减质量、韧性和耐久性。
在一些实施方案中，该CSF-CNT材料被施用于套筒的外表面，该套筒暴露于容纳紧固件的槽的壁。在一些实施方案中，该CSF-CNT材料被同时施用于套筒的内表面和外表面。在一些实施方案中，该CSF-CNT材料被同时施用于销钉的表面和套筒的内表面。在一些实施方案中，该CSF-CNT材料被施用于销钉的表面。在一些实施方案中，该CSF-CNT材料被施用于套筒和销钉的所有表面。将该CSF-CNT材料施用于套筒的内壁或者销钉的外表面，或者同时施用于这些表面，这降低了销钉引入套筒期间销钉所经受的阻力。在一些实施方案中，在销钉的表面和套筒的内表面之间具有该CSF-CNT涂层能提供对雷击的至少部分保护。
在一些实施方案中，通过喷射或者使用任何其它类似的技术将该CSF-CNT材料施用于制品的表面。在一些实施方案中，当制品保持在有利于CNT(和CSF-CNT材料的特定组合物的其它成分)的生长、和/或附着、和/或沉积到制品表面的环境中时(例如，CNT的可达溶液)，CSF-CNT材料被沉积到制品的表面上。
在一些实施方案中，当CSF-CNT层的厚度在约3微米(μm)到25微米(μm)之间时，获得了具有CSF-CNT材料层所提供的益处。在一些实施方案中，当CSF-CNT层的厚度在约5微米(μm)到20微米(μm)之间时，获得了具有CSF-CNT材料层所提供的益处。在一些实施方案中，当CSF-CNT层的厚度在约3微米(μm)到15微米(μm)之间时，获得了具有CSF-CNT材料层所提供的益处。在一些实施方案中，当CSF-CNT层的厚度在约10微米(μm)到25微米(μm)之间时，获得了具有CSF-CNT材料层所提供的益处。在一些实施方案中，当CSF-CNT层的厚度在约10微米(μm)到20微米(μm)之间时，获得了具有CSF-CNT材料层所提供的益处。在一些实施方案中，当CSF-CNT层的厚度在约3微米(μm)到10微米(μm)之间时，获得了具有CSF-CNT材料层所提供的益处。
图1是不含CSF-CNT涂层的常规紧固件套筒在雷击测试后的宏观水平照片，显示了套筒的被严重破坏的表面。
图2是显示常规紧固件的套筒与容纳紧固件的槽的壁之间的间隙内的孔洞的宏观水平照片。在实施方案中，CSF-CNT涂层可基本上填充该孔洞，阻止或者降低闪电引起的电火花发生的几率。
图3是显示在CSF-CNT的一些实施方案中增加CNT的浓度(总重量的百分比)是如何影响这些实施方案作为涂层的表面电阻率的坐标图。涂层被施用在玻璃纤维基底上。
图4是显示在CSF-CNT材料的实施方案中增加CNT浓度(总重量的百分比)是如何影响该实施方案的体积电阻率的坐标图。该坐标图显示，对于该特定的实施方案而言，增加0.050％的CNT引起体积电阻率的期望下降。涂层被施用在金属基底上。
图5是显示在CSF-CNT材料的实施方案(样品1)中增加CNT浓度是如何影响该实施方案的摩擦系数的坐标图。该坐标图显示，增加这个特定CSF-CNT涂层中的CNT浓度导致摩擦系数缓慢且逐步地增加。使用Falex测试机以200磅的载荷进行摩擦系数的测量。
图6是显示在CSF-CNT材料的另一个实施方案中CNT的高浓度(总重量的百分比)是如何影响该实施方案的摩擦系数的坐标图。该坐标图显示在这个特定的CSF-CNT涂层中增加CNT的浓度导致摩擦系数一致增长。使用Falex测试机以500磅的载荷进行摩擦系数的测量。
图7是其中具有不同浓度(总重量的百分比)CNT的CSF-CNT涂层的实施方案的物理一致性的宏观水平照片。左上角的照片示出了不含CNT的CSF涂层的物理一致性。左下角的照片示出了其中含有0.05％CNT的CSF-CNT涂层的物理一致性。右上角的照片示出了其中含有0.5％CNT的CSF-CNT涂层的物理一致性。右下角的照片示出了其中含有1％CNT的CSF-CNT涂层的物理一致性。
图8是其中具有不同浓度(总重量的百分比)CNT的CSF-CNT涂层的实施方案的物理一致性的宏观水平照片。左上角的照片(在较低的放大倍率下拍摄)显示出其中含有10％CNT的CSF-CNT涂层的物理一致性。右上角的照片(在较高的分辨率下拍摄)显示出其中含有10％CNT的CSF-CNT涂层的物理一致性。下部的照片显示了其中含有5％CNT的CSF-CNT涂层的物理一致性。
图9是显示含有不同浓度(总重量的百分比)CNT的CSF-CNT材料的实施方案中对表面导电性(顶到底，粉色线)和摩擦系数(底到顶，蓝色线)的影响的坐标图。在一些实施方案中，在约0.05％到约3.0％之间的CNT浓度提供了表面导电性的期望增加且不会引起该实施方案摩擦系数的显著增加。

Claims (7)

1.一种涂层组合物，包括：
基础组合物，包含至少一种有机材料；
大量的碳纳米管；和
其中碳纳米管的浓度占所述涂层组合物总重量的0.05％到30％。
2.如权利要求1所述的涂层组合物，其中基础组合物包含：
i)甲基乙基酮，
ii)酚醛树脂，和
iii)乙醇。
3.如权利要求1所述的涂层组合物，其中所述大量碳纳米管中的每一个具有至多约1.0mm的长度。
4.如权利要求1所述的涂层组合物，其中所述大量碳纳米管中每一个的直径在从约3nm到约200nm的范围内。
5.如权利要求1所述的涂层组合物，其中涂层组合物具有约1×10-8到约103ohm-m范围内的体积电阻率。
6.如权利要求1所述的涂层组合物，其中该涂层组合物被施用于紧固件。
7.如权利要求1所述的涂层组合物，其中该涂层组合物具有低于约0.2μ的摩擦系数。
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