CN110650838A - 可拉伸纳米复合表层材料和相关的结构体 - Google Patents

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CN110650838A
CN110650838A CN201880032585.1A CN201880032585A CN110650838A CN 110650838 A CN110650838 A CN 110650838A CN 201880032585 A CN201880032585 A CN 201880032585A CN 110650838 A CN110650838 A CN 110650838A
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nanocomposite
skin
nanotubes
polymer
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贝纳姆·阿什拉菲
迈克尔·贾库宾尼克
柯蒂斯·拉夸
亚丁卡·马蒂涅斯-鲁比
贝诺特·西玛德
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Original Assignee
National Research Council of Canada
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Abstract

提供了一种可拉伸多层纳米复合材料，该可拉伸多层纳米复合材料至少包括纳米复合材料层；和与该纳米复合材料层层压的至少一个附加层，该纳米复合材料层包括用弹性体聚合物改性的纳米管网络。纳米复合材料层和附加层的数量、其性质和组成可以在表面方向和/或厚度方向上不同，从而为所形成的表层提供经调整的机械和物理化学性能，该形成的表层可以用于制备变形或可展开结构体。

Description

可拉伸纳米复合表层材料和相关的结构体
技术领域
技术领域通常涉及纳米复合材料，更具体地涉及一种可拉伸纳米复合表层材料及其相关的结构体。
背景技术
纳米复合材料是用作可变形材料的良好候选材料，同时提供了令人向往的机械抵抗力性能。通常，将纳米管分散在聚合物中或随后将纳米管片材注入聚合物树脂以制备可变形纳米复合材料，例如可弯曲或可拉伸纳米复合材料。
关于纳米复合材料领域的进展，公开号为2015/147573的美国专利申请提供了一些实施例(参见实施例32和90)，这些实施例示出了用于制造可弹性变形的碳纳米管片材的方法，包括将纳米纤维片材沉积在细长的弹性体片材上(多孔弹性体织物或多孔硅橡胶片材)，使得所得的可变形片材能够弹性松弛并重复再拉伸至初始伸长，而不会发生实质性的抵抗力变化。该方法可以进一步包括外敷第二弹性体片材。该方法的原理还可以延伸到生产包括层压在弹性体片材之间的一个或多个纳米管电极片材的可弹性变形的堆叠体。
可变形纳米复合材料的另一个例子由Martinez-Rubi Y等人，Nanotube-Buckypaper/Polyurethane Composites with Enhanced Mechanical Properties，第20届国际复合材料会议，哥本哈根，2015年7月19-24日(以下称为Martinez-Rubi)提供。Martinez-Rubi公开了一种碳纳米管/热塑性聚氨酯复合材料(CNT/TPU)的非织造片材。该CNT/TPU复合材料片材可用作超高分子量聚乙烯(UHMWPE)片材之间的中间层。
可变形纳米复合材料的另一个例子由Koerner H等人，Deformation–morphologycorrelations in electrically conductive carbon nanotube-thermoplasticpolyurethane nanocomposites.Polymer，46(2005)4405-4420提供。Koerner公开了一种可拉伸的单层CNT/TPU复合材料片材或膜。
变形和可展开结构体需要可变形表层以使形状改变的同时在支撑结构上保持连续的外表面。在现有的实施方式中，表层能够以最小的面积变化而重新整形(诸如弯曲)，但是需要一种能够通过引入面积变化而拉伸的表层。现有的可拉伸材料包括弹性体聚合物，例如聚硅氧烷(silicone)、橡胶、热塑性聚合物、形状记忆聚合物和非织造物。这些可用材料中的每一种都可以用作表层材料的候选材料，但是具有缺点，包括对于气动载荷的刚度不足、渗透性、过渡时间尺度等。
构想在需要时能够拉伸至足够的程度、能够可逆拉伸，且还能够提供所需刚度以支撑载荷的这样一种材料对于改进的变形和可展开结构体技术的发展是一种挑战。
发明内容
在第一方面，提供了一种可拉伸多层纳米复合材料，其至少包括纳米复合材料层；和与纳米复合材料层层压的至少一个附加层，该纳米复合材料层包括用弹性体聚合物改性的纳米管网络。
在一些实施方式中，纳米管网络由纳米管的非织造片材提供。纳米管在纳米复合材料层限定的平面内可以无规或受控对齐取向。
在一些实施方式中，纳米管包括碳纳米管、氮化硼纳米管、硼-碳-氮纳米管、碳化硅纳米管、其它纳米颗粒、其杂合物或其组合。纳米管包括单壁纳米管和多壁纳米管。纳米复合材料层可以具有在5重量％和90重量％之间，任选地在10重量％和40重量％之间的纳米管含量。
在一些实施方式中，弹性体聚合物包括热塑性弹性体、热塑性聚氨酯、橡胶、硅橡胶或其组合。
上述层中的每种层可以以各种组合的方式组合，并且材料可以包括若干相同类型的层。
在一些实施方式中，纳米复合材料层是第一纳米复合材料层，且至少一个附加层是包括与第一纳米复合材料层的纳米管性质不同的纳米管的另一纳米复合材料层。任选地，纳米复合材料层是第一纳米复合材料层，且至少一个附加层是纳米管含量不同于第一纳米复合材料层的另一纳米复合材料层。可选地，纳米复合材料层是第一纳米复合材料层，且至少一个附加层是类似于第一纳米复合材料层的另一纳米复合材料层。
此外，至少一个附加层可以是包括至少一种弹性体聚合物的纯聚合物层、复合聚合物层或增强聚合物层。该至少一个附加层的弹性体聚合物可以与纳米复合材料层中包括的弹性体聚合物相同。可选地，至少一个附加层的弹性体聚合物不同于纳米复合材料层中包括的弹性体聚合物。
在一些实施方式中，多层材料在其整个表面区域上可以具有不同的机械性能。至少纳米复合材料层在其整个表面区域上可以具有不同的机械性能。
例如，多层材料在整个表面区域上可以具有不同的纳米管含量。在纳米复合材料层的特定区域中纳米管含量可以较高以增强材料的刚度。在另一个实施例中，该材料在整个表面区域上可以具有不同的聚合物含量。在多层纳米复合材料的另一特定区域中聚合物含量可以较高以增强材料的拉伸性。在又一个实施例中，弹性体聚合物的性质和/或纳米管的性质可以在多层材料的整个表面区域上变化。
在一些实施方式中，多层材料包括多个层，在该材料的整个表面区域上该多个层的数量不同。可以调整层的数量以获得适合用作表层材料的给定材料厚度和性能分布。
在其它实施方式中，多层材料具有纳米管:聚合物的比，调整纳米管:聚合物的比以为用于变形结构体或可展开结构体的表层材料提供给定拉伸性分布。
在另一方面，提供了一种表层材料，用于作为表层直接施加于底层结构体上，该表层材料包括用聚合物改性的纳米管网络。聚合物可以包括为表层材料提供拉伸性而选择的弹性体聚合物。
在一些实施方式中，表层材料包括用聚合物改性的非织造纳米管层。此外，至少一个附加层可以层压在用聚合物改性的非织造纳米管层上。
任选地，至少一个附加层是一个或多个纳米复合层。进一步任选地，至少一个附加层是包括热塑性聚氨酯、硅橡胶、橡胶或其组合的纯的或增强的弹性体聚合物层。
在一些实施方式中，表层材料包括多个层压层，调整多个层压层以获得在0.05mm和20mm之间的材料厚度。任选地，材料厚度在0.5mm和3mm之间。
在一些实施方式中，表层材料具有一种组成，调整组成以提供5至50％的可逆拉伸量和50MPa至10GPa的弹性模量的组成。任选地，可逆拉伸量为20％，且弹性模量为500MPa。
在一些实施方式中，表层材料具有纳米管:聚合物的比，调整纳米管:聚合物的比以提供至少100％的一次拉伸量和50MPa至10GPa的刚度。任选地，一次拉伸量为至少200％的拉伸，且刚度为500MPa。
在另一方面，提供了一种可拉伸表层材料，该可拉伸表层材料为上述限定的可拉伸多层纳米复合材料。
在另一方面，提供了一种表层，作为上述限定的可拉伸多层纳米复合材料或表层材料直接施加到支撑表面上。在一些实施方式中，选择该材料中包括的纳米管的性质以为表层提供加热、传感、EMI屏蔽、中子屏蔽性能或其组合。
在另一方面，提供了一种变形结构体，该变形结构体通过将上述限定的表层材料直接施加于支撑结构体上而制备。变形结构体可以为变形航空器的至少一部分，包括机翼前缘、机翼后缘、尾翼、鼻锥或其组合。
在另一方面，提供了一种可展开结构体，该可展开结构体通过将上述限定的表层材料直接施加于可展开支撑结构体上而制备。可展开支撑结构体可以可逆地展开和/或膨胀，导致所述表层材料的拉伸。任选地，当支撑结构体展开时，通过内部气压使表层材料保持在拉伸状态，该内部气压高于可展开结构体外部的压力。该可展开结构体可以为可展开太空居留舱或可展开军事居留舱的至少一部分。
在另一方面，提供了一种结构体，包括底层结构体和如上所限定的表层，该表层通过施加于该底层结构体上以形成该结构体的外表面的至少一部分。
虽然将结合示例性实施方式来描述表层材料，但是应当理解的是，其不旨在将该材料的范围限制在这些实施方式中。相反，其旨在涵盖本说明书所限定的可能包括在内的所有替代、修改和等同实施方式。在阅读以下参考附图给出的非限制性描述后，表层材料及相关应用的对象、优点和其它特征将变得更加明显和更好理解。
附图说明
用于表层材料的可拉伸多层纳米复合材料、表层、变形结构体或可展开结构体的实施方式在以下附图中体现且结合以下附图将被进一步理解。
图1是采用热塑性聚氨酯改性的多壁碳纳米管(CNT-TPU，也称为NT-PU)的非织造纳米复合材料片材(也称为巴克纸复合材料)的SEM图像。
图2A和2B为用于纳米复合材料层的两种相应组合的层压工艺的示意图。
图3为示出了纯聚氨酯片材和相关的聚氨酯改性的碳纳米管片材的循环加载的曲线图。
图4为供电的表层材料样品的热像，示出了发热量。
图5包括2个分别为功率密度和温度相对于电压的曲线图，该电压可通过图4的～1英寸的供电的表层材料样品传递。
图6为拉伸载荷下载荷相对于位移的曲线图，示出了针对可拉伸单层聚氨酯-纳米管复合材料的初始预拉伸和随后的循环。
图7A包括两张照片，分别示出了CNT-TPU的多个单独的层，以及由CNT-TPU的多个单独的层层压得到的多层表层材料。
图7B包括两张照片，分别示出了CNT-TPU的上下两层和TPU的中间层，以及由三个层层压得到的多层表层材料。
图8A是在层压后立即(在切掉纯聚氨酯片材未使用的区域之前)用在垂直(厚度)方向和水平(表面)方向上均不同的组成制造的12”×36”表层的调绘照片。
图8B是8A的12”×36”表层在拉伸表层的整个区域期间的调绘照片。
图9A是包括施加于底层结构体上的用表层材料形成的表层的可拉伸变形结构体的示意图。
图9B是通过3D打印产生的根据图9A的底层结构体的照片。
尽管将结合示例性实施方案描述本发明，但是应当理解的是，其并不旨在将本发明的范围限制为这些实施方案。相反，其旨在涵盖如所附权利要求书所定义的可能包括的所有的替代、修改和等同方案。
具体实施方式
层压用弹性体聚合物改性的纳米管的非织造片材产生可调整的可拉伸表层材料。以下提供有关可拉伸表层材料、其制造、形成的表层和表层在变形和可展开结构体中的应用的实施方式的细节。
应当注意的是，相同的附图标记或注释涉及相似的元件。此外，为了简洁和清楚起见，即为了避免用多个附图标记给附图带来过多的负担，并非所有的附图都含有对所有组件和特征的引用，对某些组件和特征的引用可能仅在一个附图中发现，并且可以从中容易地推断出在其它附图中说明的本发明的组件和特征。附图中示出的实施方案、几何构造、提及的材料和/或尺寸是任选的，并且仅用于示例目的。因此，权利要求书和说明书中提出的描述、实施例、方法和材料不应解释为限制性的，而仅是说明性的。
此外，尽管表层材料及其相应的组成和结构体的实施方案由如本文所解释和说明的某些几何构造组成，但是并非所有这些组成和几何形状都是必要的，因此不应以其限制性意义来理解。应当理解，且对于本领域技术人员来说明显的是，其它合适的组件和它们之间的配合以及其它合适的构造也可以如本文中简要解释的那样用于表层材料，且本领域技术人员可以从中容易地推断出。
在本说明书中，实施方案是本发明的实施例或实施方式。“一个实施方案”、“实施方案”、“一些实施方案”或“一些实施方式”的各种表现不必要均指相同的实施方案。尽管可以在单个实施方案的上下文中描述本发明的各个特征，但是这些特征也可以单独地或以任何合适的组合来提供。相反，在本文中为了清楚起见，尽管可以在分开的实施方案的上下文中描述本发明，但是本发明也可以在单个实施方案中实施。
还应该理解的是，在权利要求书或说明书中提及“一个/种(a)”或“一个/种(an)”元件的情况下，这种参考不应解释为仅存在一个该元件。应该理解的是，在说明书中指出“会(may)”，“可能(might)”，“能够(can)”或“可以(could)”包括某组件、特征、结构或特性的情况下，则不要求该特定的组件、特征、结构或特性必须包括在内。
单层纳米复合材料的实施方式
在第一实施方式中，提供了一种可拉伸纳米复合材料，其包括作为单层的限定了纳米管网络的碳纳米管的非织造片材，其中该纳米管网络是与弹性体聚合物组合的。纳米管网络与聚合物的组合产生聚合物改性的纳米管网络。应当注意的是，弹性体聚合物与纳米管的组合是指聚合物与纳米管表面的缔合或聚合物掺入纳米管网络中。
纳米管包括碳纳米管(CNT)、氮化硼纳米管(BNNT)、硼碳氮纳米管(BCNNT)、碳化硅纳米管(SiCNT)、其它纳米颗粒及其杂合物或组合。纳米管包括单壁纳米管和多壁纳米管。纳米管可以是基本上纯的、掺杂的、功能化的或其组合。
在本文中应当理解的是，纳米管的性质包括类型(CNT、BNNT、BCNNT、SiCNT)、尺寸、结构(单壁、多壁)、状态(掺杂的/功能化的/纯的)。
弹性体聚合物可以包括热塑性弹性体(例如热塑性聚氨酯)、聚硅氧烷、橡胶及其组合。应当注意的是，刚度在本文中被定义为对拉伸或弯曲而引起变形的抵抗力。
拉伸性在本文中进一步定义为在主方向上施加的应力(轴向载荷)下伸长的能力。该伸长可以是永久的，且被进一步描述为一次拉伸或最大拉伸。伸长可以是可逆的，并且被进一步描述为可逆拉伸。拉伸性不同于弯曲性，弯曲性是指当垂直于主方向施加外部载荷时弯曲的能力，即变形的能力(面积变化最小，基本没有伸长)。
应当理解的是，在不脱离本发明范围的情况下，纳米管和弹性体聚合物的含量可以变化以满足所选的机械强度标准。例如，可以增加材料的纳米管含量以增加材料的刚度，以及可以增加弹性体聚合物的含量以增加材料的拉伸性。因此，可拉伸纳米复合材料片材的制造可以包括根据纳米复合材料片材的机械强度标准控制纳米管:聚合物的比。任选地，该材料的纳米管含量在5重量％和90重量％之间，弹性体聚合物含量在10重量％和95重量％之间，从而达到在0.1和10GPa之间的刚度和在10至1000％之间的拉伸性。所得到的片材薄且多孔，即具有在0.005mm和1mm之间，任选地在0.05mm和0.15mm之间的厚度和在10至90体积％之间的孔隙率。
在另一种实施方式中，可以根据多种方法将单层纳米复合材料制造为用弹性体聚合物改性的单层纳米管非织造片材。例如，在第一步中，将弹性体聚合物组分溶解在合适的溶剂(例如丙酮、THF、氯仿)中。单独地，将纳米管(例如，声波地)分散在聚合物非溶剂(例如醇)中。然后将各组分合并以形成均匀的悬浮液。将悬浮液过滤后，通过控制溶剂体系和纳米管浓度来制造具有可调的组成和性能的片材，其中聚合物与纳米管表面缔合，且可以调整纳米管:聚合物的比以将性能从更可延伸调节为更刚性。该方法的材料输出是聚氨酯改性的纳米管的薄、多孔、非织造片材，其具有可控的高纳米管含量(按重量计)。
图1是根据上述方法制造的单层NT-TPU复合材料的SEM图像。Martinez-Rubi等人，Nanotube-buckypaper/polyurethane composites with enhanced mechanicalproperties，ICCM第20届会议，哥本哈根，2015年7月19-24日，和Ashrafi等人，Highlystretchable strain sensor based on Polyurethane-Impregnated Carbon NanotubeBuckypaper，ProcASC，2016通过引用并入本文。
在一些实施方式中，然后将所得到的单层纳米复合材料预拉伸。图6示出了纳米管-聚氨酯复合材料的预加压和应变应力循环以实现可拉伸材料的稳定循环的示例。
多层纳米复合材料的实施方式
在另一种实施方式中，提供了一种可拉伸多层纳米复合材料，其包括至少一个可拉伸非织造纳米复合材料片材。如上所述，该可拉伸非织造纳米复合材料片材包括作为单层的用弹性体聚合物改性的纳米管网络。在可拉伸非织造纳米复合材料片材上层压至少一层附加层。该至少一个附加层可以是另一可拉伸非织造纳米复合材料片材、纯弹性体聚合物的片材或增强弹性体的片材。
有利地，层置使得能够达到给定的材料厚度，同时使纳米管取向主要保持在材料的平面内。应当注意的是，纳米管在单层片材的平面内随机排列，并且在多个单层片材叠置期间保持该排列，同时实现目标厚度。在图7A所示的示例性实施方式中，多层纳米复合材料片材是由相同材料的一堆叠置的多个单层片材通过层压制备的。
在一些实施方式中，材料的制造可以包括根据多层纳米复合材料的目标厚度控制层的数量。
实验表明，层压多个单层非织造纳米复合材料片材能够增加材料的厚度，同时基本上保持或者甚至提高由相同材料的单层片材提供的拉伸性。因此，通过层压可以赋予其它性能，例如增强所形成的多层材料的机械抵抗力、拉伸性和不渗透性。
应当注意的是，层压在单层非织造纳米复合材料片材上的附加层因此可以由能够拉伸和/或提供合适机械抵抗力的任何可用材料制成。层压提供了层结合的多种可能性，以获得针对所形成的材料调整的机械化学性能。层压在机械性能方面的结果取决于层压的片材在组成上是否相同或不同，以及压力和温度。所形成的多层材料较厚且致密，这可以保持与初始非层压片材相似或增强的性能范围。
层压技术包括热压、真空袋成型和高压灭菌。例如，首先将多个聚氨酯改性的单层纳米管片材层置以形成一堆单层片材，然后在热压机中层压以形成较厚的致密多层纳米管-聚氨酯复合材料片材。
图2A和2B提供了多个聚氨酯改性的纳米管材料层(在这些图中称为NT-PU或者在说明书中称为CNT-TPU)和至少一个纯聚氨酯(PU)层层压的示意图。可以层压至少一个附加的聚氨酯层作为如图2A所示的表面层或作为如图2B所示的夹层状结构的中间层。任选地，如图2A和2B所示的离型膜可用于材料的暴露层的外表面，以促进热压步骤之后材料的脱离。图2B的夹层状组合在顶部和底部附近包括刚性较大的层，从而提供高弯曲刚度而使用较少的刚性材料并提高可逆拉伸量。图7B提供了这样形成的夹层状组合作为表层材料的照片。这种材料的结构体提供了对弯曲载荷增加的抵抗力(即，弯曲弹性模量比聚合物高)，同时使致动力的增加最小化(即，使张力下弹性模量的增加最小化)。
层置的方法通过竖直改变多层纳米复合材料片材层与层之间的组成或在片材的整个表面区域上改变多层纳米复合材料片材的组成来提供额外的控制。
在一些实施方式中，附加的可拉伸非织造纳米复合材料层可以以各种方式不同于第一可拉伸非织造纳米复合材料层。例如，可以改变纳米管的类型，使得多层纳米复合材料包括用热塑性聚氨酯改性的CNT的第一非织造单层片材和用热塑性聚氨酯改性的BNNT的第二非织造单层片材。此外，任选地，可以改变弹性体聚合物的类型，使得多层纳米复合材料片材包括用热塑性聚氨酯改性的CNT的第一非织造单层片材和用硅橡胶改性的CNT的第二非织造单层片材。可以理解的是，本领域技术人员明白，可以根据可用纳米管和聚合物组合的类型和数量来进行层的各种组合。
机械性能的竖直变化可以例如通过在层压之前堆叠具有不同组成(纳米管的性质和含量、聚合物的性质和含量)的单层纳米复合材料片材来进行。另外，第一层的纳米管可以在一个方向上取向，而相邻层的纳米管可以在另一个方向上(在片材的平面内)取向以影响各向异性的性能。
在其它实施方式中，多层材料沿着材料的表面区域可以具有不同的机械和物理化学性能。例如，通过降低(或增加)多层材料中某些区域的纳米管:聚合物的比并增加(或减少)这些区域中纯弹性体聚合物层的数量，可以在均匀载荷下在这些区域提供较高的拉伸(或较高的刚度)。
通过并排连接两个或更多个多层或单层纳米复合材料片材可以在多层片材的整个表面区域上获得不同的机械性能。例如，可以将具有不同组成的两个单层纳米复合材料片材并排连接以获得另一更大的在其整个表面区域上具有不同的机械性能的单层材料片材。在该更大的单层材料片材上层压一个或多个附加层以产生最终的在片材的整个表面区域上具有不同的机械性能的多层纳米复合材料片材。在整个表面区域上获得不同性能的另一个方法可以包括制备具有两组不同机械性能的两个多层纳米复合材料片材并通过热压将它们并排连接在一起以产生更大的在片材的整个表面区域上具有不同机械性能的多层材料片材。
表层材料的实施方式
通过层压制备的可拉伸多层纳米复合材料可以直接用作表层材料以形成可拉伸表层。
应当注意的是，表层材料在本文中是指施加到底层结构体上从而形成结构体的外表面的连续多层材料。柔性表层(compliant skin)在本文中是指能够根据底层结构体的形状和施加在其上的拉伸载荷而做出反应的表层。
柔性表层包括可弯曲表层和可拉伸表层。根据各种标准调整表层材料的性能，包括纳米管与弹性体聚合物的比例、纳米管的类型、纳米管的功能、多层材料的层压模式以及各个层的组成。可拉伸表层材料可以有利地用作变形或可展开表层。
在一些实施方式中，多层纳米复合材料的组合的拉伸性(由弹性体聚合物提供)和刚度(由纳米管提供)使得能够产生可以根据底层结构体的形变和/或施加在其上的载荷而改变形状，同时维持足够的刚度以保持外表面的完整性和相关的机械化学性能的合适的变形表层。
为了确保足够的机械抵抗力和拉伸性，形成表层材料的至少一个纳米复合材料层的特征在于纳米管含量在10重量％和90重量％之间，任选地在10重量％和45重量％之间，进一步任选地在20重量％和40重量％之间。可以进行层压以获得厚度在0.05mm和20mm之间，任选地在0.5mm和1.5mm之间，进一步任选地在0.5mm至3mm之间的表层材料，同时保持变形能力。
变形或可展开结构体的实施方式
将多层纳米复合材料用作表层材料以形成变形或可展开结构体。将表层材料作为可拉伸表层直接施加于下方的底层结构体上，这提供连续的空气动力学表面并支撑整个下方底层结构体上的载荷，同时能够实现显著的拉伸(面积变化)。
应当注意的是，将表层材料直接作为表层应用是指将本文所限定的表层材料作为表层使用的能力，而无需将表层材料与附加的增强手段、层或材料结合。还应当注意的是，根据底层结构体的应用和材料表面，通过本领域技术人员可用的手段将表层材料附接到底层结构体的表面。应当进一步注意的是，将要选择的底层结构体设计和材料根据将要用作表层的表层材料而选择。
应当进一步注意的是，表层材料可以在所形成的结构体的某些区域中被底层结构体连续地支撑，而在所形成的结构体的其它区域被不连续地支撑。
例如，可以将表层应用于底层结构体(参见图9B)以形成可拉伸变形结构体(参见图9A)。
在一些实施方式中，基于本文中所描述的多层纳米复合材料，可拉伸表层的制造方法包括调整针对表层所附接的下方底层结构体的外表面的机械抵抗力性能和拉伸性。例如，底层结构体可以包括展开区域，且可拉伸表层可以制造为其一部分在底层结构体的相应区域展开时能够更高的拉伸。
本文涵盖的变形结构体包括航空领域中的变形机翼。本文涵盖的可展开结构体包括可展开居留舱，如可展开军事居留舱和可展开太空居留舱。
在一些实施方式中，本文所限定的表层材料可以在高升力***中用作变形机翼的一部分以形成变形前缘来代替缝翼。多层纳米复合材料用作表层材料以形成机翼的变形前缘，从而通过改变形状来增加机翼面积，同时由于表层材料的拉伸而保持连续的表面。纳米管网络的存在提供了所需的刚度，以支撑气动载荷并使辅助支撑结构的重量最小化。
应当理解的是，用弹性体聚合物改性的纳米管的层压非织造片材可以用作机翼或飞机的任何部分(包括机翼后缘、尾翼或鼻锥)的表层材料，以提供连续的变形表面和提高起飞、着陆和巡航条件下的气动效率，并改善航空器的机动性。
在其它实施方式中，表层材料可以用作可展开结构体的外表面的至少一部分，并且当支撑结构体展开时，可以通过内部气压使该材料保持在拉伸状态，内部气压高于可展开结构体外部的压力。
调节多层组件(或表层)区域上的机械性能的实施例是使某些区域(诸如前缘的正前方或易受冲击的位置)具有较高的承载能力，因此在这些区域接受更小的拉伸。可拉伸表层与结构体的其余部分结合的位置也可能经受应力集中，因此调制接近该位置的机械性能可能是有益的。
例如，一个或多个刚度较低的表面或内层分别与表面光洁度和优化性能有关。添加具有不同纳米管含量、纯弹性体或不同弹性体组成的表面层可能对磨损、涂覆性能或表层和结构体之间的结合有利。
应当注意的是，当开发用于变形结构体的可拉伸表层时，最大可逆拉伸量是有利的，而当开发用于可展开结构体的表层时，最大一次拉伸可能是有利的。此外，可以根据飞机或居留舱的形状调整抗冲击性方面的差异。
多功能材料的实施方式
有利地，可以选择并优化纳米管网络以满足可拉伸表层材料的要求，同时执行以下一种或多种功能，包括加热、传感、EMI屏蔽、中子屏蔽及其组合。从而提供了多功能表层材料以及所形成的多功能变形或可展开结构体。
在一些实施方式中，选择碳纳米管(CNT)以在表层材料内提供电网络，从而赋予表层材料加热功能或传感功能中的至少一种。
例如，加热表层材料可以应用于机翼，使得机翼的外表面能够被加热以控制与温度有关的机械性能和/或通过加热使表层在飞行中可除冰以允许其变形。
在另一个实施例中，传感表层材料可以应用于可展开结构体，从而提供对外表面的健康监测，以检测由循环或冲击对表层造成的损害。
在又一个实施例中，可以应用导电表层材料以形成外壳并为外壳内部提供EMI屏蔽。
在其它实施方式中，可以使用BNNT代替CNT，或者除了CNT之外还可以使用BNNT，以为表层材料提供热性能。因此，复合材料的BNNT网络为可展开空间结构体提供了中子辐射屏蔽。
应当理解的是，各个纳米复合材料片材、多层纳米复合材料、表层材料、变形和可展开结构体及与其相关的制造方法的上述任一方面均可以与其任意其它方面相结合，除非两个方面由于其相互排斥而明显不能结合。例如，以上、以下和/或在附图中描述的非织造纳米复合材料片材的各个制造步骤和/或结构元件可以与本文中出现的和/或根据所附权利要求书的多功能变形结构体描述的任何一般制造方法或特征相结合。
实验结果
已经进行了实验以评估聚氨酯改性的CNT非织造片材的几个样品的机械性能，以及单层片层相对于多层层压材料的机械性能。
在这一部分中，术语“约”是指在特定值的如由本领域技术人员所确定的可接受的误差范围内，其部分取决于该值是如何测量或测定的，即测量***的限制。普遍认为，10％的精确测量是可以接受的并且包含了术语“约”。符号“～”应理解为“约”。
UAFTM 472是指基于热塑性酯的聚氨酯胶带，TecoflexTM 80A和100A是基于聚醚的脂肪族热塑性聚氨酯。
表1.使用工业级MWCNT的几种聚氨酯改性的CNT片材与纯聚氨酯的拉伸性能的比较
*测试中没有失效，**文献值
表2.CNT-TPU单层样品和由其十五个层组成的多层层压制件的比较。
Figure BDA0002275276350000122
表2表明，多个层的层压除了增加厚度外，还能够改变机械性能，特别是模量和破坏应变。在本示例中，采用了十五(15)个层，且最终的厚度小于组合的组成层在层压前的厚度。由于质量没有明显降低，因此层压步骤显着降低了CNT和聚氨酯的孔隙率，从而增加了CNT和聚氨酯的体积含量。
在其它情况下(例如，参见表3)，从致密的多层中观察到更高的刚度。这些示例性示例表明，除了简单的层置效应以增加厚度外，形态变化还取决于单层的组成和层压条件。在层压具有不可忽视的作用的同时，可以在类似的范围内调整性能，使其在该范围内提供比弹性体表层高得多的刚度，但是仍提供高的拉伸性。整体组成可能受到压制条件的影响，且层压还可以降低各个层的粗糙度的影响。
表3.用热压机压缩的CNT-TPU单层样品和由其多个层组成的多层层压版本的比较
Figure BDA0002275276350000123
参照图3，还进行了循环测试以估计非织造的聚氨酯改性的CNT片材(来自表1)和相同类型的纯聚氨酯片材的可逆拉伸量。基本上垂直的回线(loop)显示出模量(线的斜率)远大于纯聚氨酯(基本上水平的回线)的可逆拉伸。因此，通过显著增加的斜率(较大的刚度)，观察到了超过20％变形的循环，这证实了纳米复合材料可以提供具有显著更好的承载能力的目标拉伸。基于对纳米管-聚氨酯复合材料片材的这些和类似测量，确定了基于弹性体聚合物改性的纳米管的表层材料的弹性应变和刚度(弹性模量)的可能范围。
表4.厚度约为1.5mm的表层材料的样品和由特定的CNT-TPU片材(厚度约为0.1mm)和纯聚氨酯层组合而成的样品的性能比较
Figure BDA0002275276350000131
*单独的CNT-TPU层约100微米厚，太薄以至于不能在该弯曲试验中测量。
参见表4，在聚氨酯改性的CNT片材与纯聚氨酯层层压形成夹层架构的实施例(诸如，如图7B所示)中，表层的弯曲刚度(由弯曲弹性模量表示)大幅增加，同时使抗拉刚度(由拉伸模量表示)和由此使拉伸表层和结构体所需的致动力的增加最小化。与单独的NT-PU层相比，这种表层架构还增加了拉伸性(可逆应变)。表4列出了使用该夹层架构的示例性表层材料的性能。
应当注意的是，所形成的表面材料的所估计的至少20％的拉伸能力预计例如表层材料应该提供足够的弹性以允许翼型的前缘下垂并以足够的刚度和强度适应航空器机翼的拉伸。
已经进行了其它实验，以通过为连接到电极的材料供电来验证聚氨酯-CNT表层材料的热容量。图5示出了表层的碳纳米管网络用于电加热的用途。测试条件与实际的机翼表层在大小和周围环境的热损失方面有所不同，但是图6的曲线图证实，可以达到适合除冰要求的功率密度，并且表层可以承受适当的高温。由于面积小，这些小电压导致高功率密度。实验证明，表层可以输出(put out)高功率并承受高温。
图8A和8B示出了在竖直(厚度)方向(纯聚氨酯片材层置在CNT-TPU纳米复合材料层之间)和水平(表面)方向(相连的CNT-TPU片材连接在一起以构成表面)上均用不同的组成制造的12”x 36”表层。

Claims (46)

1.一种可拉伸多层纳米复合材料，至少包括：
纳米复合材料层，所述纳米复合材料层包括用弹性体聚合物改性的纳米管网络；和
与所述纳米复合材料层层压的至少一个附加层。
2.根据权利要求1所述的材料，其中所述纳米管网络由纳米管的非织造片材提供。
3.根据权利要求2所述的材料，其中所述纳米管在所述纳米复合材料层的平面内无规取向。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的材料，其中所述纳米管包括碳纳米管、氮化硼纳米管、硼-碳-氮纳米管、碳化硅纳米管、其它纳米颗粒、其杂合物或其组合。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的材料，其中所述纳米管包括单壁纳米管和多壁纳米管。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的材料，其中所述纳米复合材料层具有在5重量％和90重量％之间的纳米管含量。
7.根据权利要求6所述的材料，其中所述纳米管含量在10重量％和40重量％之间。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的材料，其中所述弹性体聚合物包括热塑性弹性体、热塑性聚氨酯、橡胶、硅橡胶或其组合。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的材料，其中所述纳米复合材料层是第一纳米复合材料层，且所述至少一个附加层是包括与所述第一纳米复合材料层的纳米管性质不同的纳米管的另一纳米复合材料层。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的材料，其中所述纳米复合材料层是第一纳米复合材料层，且所述至少一个附加层是纳米管含量不同于所述第一纳米复合材料层的另一纳米复合材料层。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的材料，其中所述纳米复合材料层是第一纳米复合材料层，且所述至少一个附加层是类似于所述第一纳米复合材料层的另一纳米复合材料层。
12.根据权利要求1至8中任一项所述的材料，其中所述至少一个附加层是包括至少一种弹性体聚合物的纯聚合物层、复合聚合物层或增强聚合物层。
13.根据权利要求12所述的材料，其中所述至少一个附加层的所述弹性体聚合物与所述纳米复合材料层中包括的所述弹性体聚合物相同。
14.根据权利要求12所述的材料，其中所述至少一个附加层的所述弹性体聚合物不同于所述纳米复合材料层中包括的所述弹性体聚合物。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的材料，在其整个表面区域上具有不同的机械性能，其中至少所述纳米复合材料层在其整个表面区域上具有不同的机械性能。
16.根据权利要求15所述的材料，在整个所述表面区域上具有不同的纳米管含量。
17.根据权利要求16所述的材料，其中所述纳米管含量在所述纳米复合层的特定区域中较高以增强所述材料的刚度。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的材料，在整个所述表面区域具有不同的聚合物含量。
19.根据权利要求18所述的材料，其中所述聚合物含量在所述多层纳米复合材料的另一特定区域中较高以增强所述材料的拉伸性。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的材料，其中所述弹性体聚合物的性质在所述材料的整个所述表面区域上变化。
21.根据权利要求15至20中任一项所述的材料，其中所述纳米管的性质在所述材料的整个所述表面区域上变化。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的材料，包括多个层，所述多个层的数量在所述材料的整个所述表面区域上不同。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的材料，包括多个层，调整所述多个层以获得适合用作表层材料的给定材料厚度和性能分布。
24.根据权利要求23所述的材料，具有纳米管:聚合物的比，调整所述纳米管:聚合物的比以为用于变形结构体或可展开结构体的所述表层材料提供给定拉伸性分布。
25.一种表层材料，用于作为表层直接施加于底层结构体上，所述表层材料包括用聚合物改性的纳米管网络。
26.根据权利要求25所述的表层材料，其中所述聚合物包括为所述表层材料提供拉伸性而选择的弹性体聚合物。
27.根据权利要求25或26所述的表层材料，包括用聚合物改性的非织造纳米管层。
28.根据权利要求27所述的表层材料，包括层压在所述用聚合物改性的非织造纳米管层上的至少一个附加层。
29.根据权利要求28所述的表层材料，其中所述至少一个附加层是一个或多个纳米复合层。
30.根据权利要求29所述的表层材料，其中所述至少一个附加层是包括热塑性聚氨酯、硅橡胶、橡胶或其组合的纯的或增强的弹性体聚合物层。
31.根据权利要求25至30中任一项所述的表层材料，包括多个层压层，调整所述多个层压层以获得在0.05mm和20mm之间的材料厚度。
32.根据权利要求31所述的表层材料，其中所述材料厚度在0.5mm和3mm之间。
33.根据权利要求25至32中任一项所述的表层材料，具有组成，调整所述组成以提供5至50％的可逆拉伸量和50MPa至10GPa的弹性模量。
34.根据权利要求33所述的表层材料，其中所述可逆拉伸量为20％，且所述弹性模量为500MPa。
35.根据权利要求25至34中任一项所述的表层材料，具有纳米管：聚合物的比，调整所述纳米管：聚合物的比以提供至少100％的一次拉伸量和50MPa至10GPa的刚度。
36.根据权利要求35所述的表层材料，其中所述一次拉伸量为至少200％的拉伸，且所述刚度为500MPa。
37.一种可拉伸表层材料，所述可拉伸表层材料为根据权利要求1至24中任一项所述的材料。
38.一种表层，作为根据权利要求1至36中任一项所述的材料直接施加到支撑表面上。
39.根据权利要求38所述的表层，其中选择所述材料中包括的纳米管的性质以为所述表层提供加热、传感、EMI屏蔽、中子屏蔽性能或其组合。
40.一种变形结构体，通过将根据权利要求25至37中任一项所述的表层材料直接施加于支撑结构体上而制备。
41.根据权利要求40所述的变形结构体，所述变形结构体为变形航空器的至少一部分，包括机翼前缘、机翼后缘、尾翼、鼻锥或其组合。
42.一种可展开结构体，通过将根据权利要求25至37中任一项所述的表层材料直接施加于可展开支撑结构体上而制备。
43.根据权利要求42所述的可展开结构体，其中所述可展开支撑结构体可逆地展开和/或膨胀，导致所述表层材料的拉伸。
44.根据权利要求42或43所述的可展开结构体，其中当所述支撑结构体展开时，通过内部气压使所述表层材料保持在拉伸状态，所述内部气压高于所述可展开结构体外部的压力。
45.根据权利要求42至44中任一项所述的可展开结构体，为可展开太空居留舱或可展开军事居留舱的至少一部分。
46.一种结构体，包括底层结构体和根据权利要求38或39所述的表层，所述表层通过施加于所述底层结构体上以形成所述结构体的外表面的至少一部分。
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