KR20130004559A

KR20130004559A - 손상 감지 복합재 구조물

Info

Publication number: KR20130004559A
Application number: KR20127006100A
Authority: KR
Inventors: 해리 씨. 말레키; 존 안토니 휴지스; 투샤르 케이. 샤
Original assignee: 어플라이드 나노스트럭처드 솔루션스, 엘엘씨.
Priority date: 2009-10-19
Filing date: 2010-10-13
Publication date: 2013-01-11
Also published as: CN102753961A; WO2011049801A1; JP2013508722A; CA2772425A1; EP2491376A1; AU2010308373B2; BR112012005615A2; US20110089958A1; AU2010308373A1; ZA201201370B

Abstract

복합재는 매트릭스 물질; 및 상기 매트릭스 물질의 적어도 일부에 배치된 단방향 어레이의 탄소 나노튜브(carbon nanotube; CNT) 주입 섬유를 포함한다. 물품은 이러한 복합재; 및 상기 복합재의 주변에 배치된 네트워크 전극을 포함한다. 상기 네트워크 전극은 전기 전하를 송신 및 수신한다. 이러한 물품은, 상기 네트워크 전극에 전류를 공급하는 소스; 및 감지회로와 함께, 시스템에 포함된다. 이러한 시스템은 상기 복합재에서 변형률(strain), 피로(fatigue), 손상(damage) 또는 균열(crack)을 포함하는 상태를 일으키는 로드(load)를 상기 물품에 가하는 단계; 및 상기 상태를 모니터하는 단계를 포함하는 방법에 사용된다.

Description

손상 감지 복합재 구조물{DAMAGE-SENSING COMPOSITE STRUCTURES}

[관련 출원에 대한 기재]

본 출원은 2009년 10월 19일에 출원된 미국 가출원 61/253,021호의 우선권을 주장하고, 상기 출원의 전체가 이하에서 참조로 편입된다.

[기술분야]

본 발명은 섬유 물질, 더 구체적으로는 복합재에서의 섬유 물질에 관한 것이다.

구조적 적용에 사용되는 복합재는 치명적 오류를 초래할 수 있는 내부 손상을 일으키기 쉽다. 복합재 구조물에서 (높은 응력, 충격 또는 피로의 결과로서) 균열 개시 및 전파는 전문 장비를 사용하지 않고는 파악하기 어렵다. 복합재 완전성의 확인이 시스템 작동에 중요한 다양한 적용에서, 현장에서 복합재 구조물의 손상을 모니터하는 방법을 개발하는 것은 유익할 것이다. 본 발명은 이러한 필요를 만족시키고 관련 이점을 제공한다.

일부 구현에서, 본원에 기재된 실시예는 a) 매트릭스 물질; 및 b) 상기 매트릭스 물질의 적어도 일부에 배치된 제1 단방향 어레이의 탄소 나노튜브(carbon nanotube; CNT) 주입 섬유를 포함하는 복합재에 관한 것이다.

일부 구현에서, 본원에 기재된 실시예는 a) 복합재; 및 b) 전기 전하를 송신 또는 수신하기 위하여 상기 복합재의 주변에 배치된 네트워크 전극을 포함하는 물품에 관한 것이며, 여기서 상기 복합재는 ⅰ) 매트릭스 물질; 및 ⅱ) 상기 매트릭스 물질의 적어도 일부에 배치된 제1 단방향 어레이의 탄소 나노튜브(carbon nanotube; CNT) 주입 섬유를 포함한다.

일부 구현에서, 본원에 기재된 실시예는 A) 물품; B) 복합재에 걸쳐 저항의 변화를 검지하기 위하여, 네트워크 전극에 연결된 감지 회로; 및 C) 상기 네트워크 전극에 전류를 공급하기 위한 소스를 포함하는 시스템에 관한 것이며, 여기서 상기 물품은 ⅰ) 복합재; 및 ⅱ) 전기 전하를 송신 또는 수신하기 위하여 상기 복합재의 주변에 배치된 네트워크 전극을 포함하고, 상기 복합재는 a) 매트릭스 물질; 및 b) 상기 매트릭스 물질의 적어도 일부에 배치된 제1 단방향 어레이의 탄소 나노튜브(carbon nanotube; CNT) 주입 섬유를 포함한다.

일부 구현에서, 본원에 기재된 실시예는 1) 시스템을 제공하는 단계; 및 2) 복합재에서 변형률(strain), 피로(fatigue), 손상(damage) 및 균열(crack)에서 선택되는 상태를 일으키는 로드(load)를 물품에 가하는 단계; 및 3) 상기 상태의 위치를 모니터하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이며, 여기서 상기 시스템은 A) 물품; 및 B) 복합재에 걸쳐 저항의 변화를 검지하기 위하여, 상기 복합재에 연결된 감지 회로를 포함하고, 상기 물품은 ⅰ) 복합재; 및 ⅱ) 전기 전하를 송신 또는 수신하기 위하여 상기 복합재의 주변에 배치된 네트워크 전극을 포함하고, 상기 복합재는 a) 매트릭스 물질; 및 b) 상기 매트릭스 물질의 적어도 일부에 배치된 제1 단방향 어레이의 탄소 나노튜브(carbon nanotube; CNT) 주입 섬유를 포함한다.

도 1의 A는, CNT 주입 섬유를 갖는, 응력이 가해지지 않은 복합재(unstressed composite)에서 복수의 신호 전파 경로를 나타낸다.
도 1의 B는, 도 1의 A의 복합재에서 기계적 변형의 변형률로 인한 전파 경로의 감소를 나타낸다.
도 2의 A는, 단방향 CNT 주입 섬유의 4개의 적층된 복합층을 갖는 복합재 "스킨(skin)"에 대한 예시적인 구조를 나타낸다. 2개의 중간층은 2개의 외부층에 대하여 90도로 배치된 CNT 주입 섬유의 방향을 갖는다.
도 2의 B는, 도 2의 A에 도시된 층 구조를 갖는 제조 프로토타입(manufactured prototype) "스킨(skin)"을 나타낸다. CNT 주입 섬유는 유리 섬유이다. "스킨"은 복합재 구조물에 걸쳐 저항 변화를 측정할 수 있는 복수의 전극을 갖는다.
도 3의 A는, 도 2의 B의 프로토타입에 대한 측면도를 나타낸다.
도 3의 B는, 도 2의 B/3의 A의 프로토타입에서 단방향으로 정렬된 CNT 주입 섬유의 1개의 층에 대한 단면의 주사 전자 현미경(scanning electron micrograph)을 나타낸다. 복합재의 CNT 주입 섬유 사이의 빈 공간은 에폭시 매트릭스 물질로 채워진다. CNT 주입 섬유는 유리 섬유이다.
도 3의 C는, 2개의 개별적인 CNT 주입 유리 섬유에 인접한 단면에 대한 주사 전자 현미경을 나타낸다.
도 4는, 화살표 방향으로 정렬된 섬유를 갖는 단방향 CNT 주입 섬유 패널을 나타낸다. 패널은 복수의 송신 전극(1A 내지 6A) 및 복수의 수신 전극(1B 내지 6B)을 갖는다. 패널에서 1/8 인치의 구멍처럼 보이는 손상(damage)은 전극 쌍(5A/5B) 근처에서 원으로 도시된다. 섬유 길이를 따라서 측정되는, 관찰된 저항의 증가가 패널 상에서 매핑(mapping)된다. 전극 쌍(5A/5B) 근처의 손상은 이러한 전극 쌍에 걸쳐 큰 저항 증가를 나타낸다.
도 5의 A는, 함께 결합되고, 서로 수직으로 배향되며, 그 패널들 사이에 절연층을 갖는 2개의 개별적인 단방향 패널(플라이)을 나타낸다.
도 5의 B는, 도 5의 A의 결합된 패널 상에 배치된 네트워크 송신 전극(1A 내지 12A) 및 수신 전극(1B 내지 12B)을 나타낸다.
도 6은, 도 5의 A/B에 도시된 구조를 갖는 제조된 3인치×3인치 패널의 중심에서 9/64인치 홀이 천공될 때, 측정된 저항의 증가%를 나타낸다.
도 7은, 도 5의 A/B에 도시된 구조를 갖는 제조된 3인치×3인치 패널의 중심에서 1/4인치 홀이 천공될 때, 측정된 저항의 증가%를 나타낸다.
도 8은, 도 5의 A/B에 도시된 구조를 갖는 제조된 3인치×3인치 패널의 중심에서 21/64인치 홀이 천공될 때, 측정된 저항의 증가%를 나타낸다.
도 9는, 도 5의 A/B에 도시된 구조를 갖는 제조된 3인치×3인치 패널에서, 중심에 21/64인치 홀이 천공되고, 좌측 상단 코너에 0.75인치×0.75인치 홀이 천공될 때, 측정된 저항의 증가%를 나타낸다.
도 10의 A는, 절연층을 갖지 않고, 0/90 배향을 갖는 7.5인치×1인치 테스트 스트립 패널을 나타낸다. 약 0.20인치 직경의 홀을 갖는 전극이 형성되었다. 전극 고리에서 은 페인트 두께는 1/16인치이다.
도 10의 B는, 도 5의 A/5의 B의 0/90 배향을 갖는 7.5인치×1인치 테스트 스트립 패널을 나타낸다. 약 0.20인치 직경의 홀을 갖는 전극이 형성되었다. 전극 고리에서 은 페인트 두께는 1/8인치이다.
도 10의 C는, 도 5의 A/5의 B의 0/90 배향을 갖는 7.5인치×1인치 테스트 스트립 패널을 나타낸다. 약 0.20인치 직경의 홀을 갖는 전극이 형성되었다. 전극 고리에서 은 페인트 두께는 1/4인치이다.
도 10의 D는, 도 10의 A 내지 도 10의 C의 테스트 패널의 전극 구성을 나타낸다.
도 11은, 도 10의 A 내지 도 10의 C의 테스트 패널에 대한 저항 대 전극 표면적의 그래프를 나타낸다.
도 12의 A는, 도 5의 A에 도시된 것과 같은 3층 패널에 대한 수직 핀 전극 구성을 나타낸다.
도 12의 B는, 도 5의 A에 도시된 것과 같은 3층 패널에 대한 수평 핀 전극 구성을 나타낸다.
도 13은, 본 발명의 실시예에 따른 손상 검지를 위한 시스템의 블록 다이어그램(block diagram)을 나타낸다.
도 14는, 손상 검지 시스템 및 방법에 대한 컴퓨터 그래픽 사용자 인터페이스를 가지고 입력/출력 흐름을 나타낸다.
도 15는, 탄도 손상 검지 적용(ballistic damage detection application)에서 연속적인 공정으로 CNT를 유리 섬유 물질에 주입되는 방법을 나타낸다.

본 발명은 부분적으로, 손상 검지 적용을 위하여 매트릭스 물질의 적어도 일부에 CNT 주입 섬유를 포함하는 맞춤형 자가 감지 복합재(tailored self-sensing composite)에 관한 것이다. 복합재는 구성 요소에서 복합재 물질의 완전성을 모니터하는 임의의 플랫폼(platform)으로 사용될 수 있다. 이러한 자가 감지 복합재를 사용하는 본 발명의 방법은 가변 소스 신호를 사용할 수 있고, 한편 측정가능한 제조 공정을 이용하여서, 고도의 제어 및 감도를 갖는 손상 검지 시스템을 제공한다. 복합재는 특정한 적용을 위해 맞추어지고, 1) 사용 전, 사용 중 및/또는 사용 후에, 물질 상에 응력을 모니터하는 것을 포함하여, 현장에서 모니터를 통해 복합재에서 손상 형태를 검지하고; 2) 구조 개선 및 구조 완전성의 실시간 평가를 제공함으로써, 치명적 오류의 가능성을 감소하는데 사용될 수 있다.

본 발명의 복합재 물질의 일 성분은 CNT 주입 섬유이다. 섬유 캐리어 상에 주입된 CNT를 갖는 것은, 복합재 물품의 복합재 또는 전략적 부분에 CNT 요소를 결합하기 위하여, 종래의 섬유 보강된 복합재 제조 기술을 사용하여 대형 복합재 구조물을 제조하는 것을 용이하게 한다. 느슨한 CNT와 비교하여, CNT 주입 섬유를 가지고 CNT 밀도 및 분포가 팽팽하게 제어되므로, CNT의 양은 실질적으로 감소될 수 있다. 또한, 섬유 상에 CNT를 갖는 것은, CNT 섬유 조직 계층구조 때문에 기계적 강도 개선을 상승하게 하고, CNT가 로드 베어링 응력(load bearing stress)의 재분배를 보조함으로써 구조적 완전성에 기여할 뿐만 아니라, 손상을 감지하는 이중 역할을 수행할 수 있게 한다. 또한, 섬유 캐리어는 전체 3차원 물품을 통하여 또는 2차원 "스킨(skin)"에서 CNT의 전략적 배치를 용이하게 한다. 이러한 전략적 배치는 섬유 축 및 가로 방향을 따라서 전도도를 제어할 수 있게 한다.

복합재의 특성은, 예를 들어 CNT 밀도, 길이, 배치 및 정렬을 제어하여 조절될 수 있다. 따라서, 복합재는 특정한 적용에 맞추어져서 어느 유형의 손상을 검지하고, 손상의 가능성을 줄일 수 있다. 도 1의 A 및 도 1의 B에 도시된 바와 같이, 주입된 CNT는 복합재의 전기적 특성에 영향을 미칠 수 있고, 복합재 물질 상에 응력을 연속적, 불연속적 또는 간헐적으로 모니터할 수 있는 전파 경로를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 도 1의 A에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적인 복합재의 안정 상태(resting state)는, 예를 들어 전극 쌍과 같이 적절하게 배치된 감지기 쌍에 의해 모니터 될 수 있는 저항과 같은 측정가능한 전기적 특성과 전파 경로를 관련시켰다. 물질 경험 변형률(material experiences strain)로서, 일부의 CNT와 CNT의 접촉은, 도 1의 B에 도시된 바와 같은 거의 작동하지 않는 전파 경로로 인하여 단절된다. 결과적으로, 가역적이거나 가역적이지 않을 수 있는 이러한 변형률 로드가 가해지는 동안 복합재에 걸쳐서 저항이 증가한다. 이러한 가역성은 본 발명의 방법을 사용하여 평가할 수 있다.

상술한 바와 같이, 개선된 전기적 특성을 위해 맞추어진 CNT를 갖는 CNT 주입 섬유를 사용하여 제조된 복합재가 손상 감지 적용에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 복합재는 복합재 강도를 개선하기 위해 사용될 수 있다. 특별한 적용에서, CNT 주입 섬유는 특정한 위치에 사용되어서, 복합재 강도를 개선하고 중요한 구성 요소에서 손상 검지를 위한 수단을 제공한다. 일 구성 요소가 다른 구성 요소에 결합(일 구조물은 다른 구조물에 수직이거나 평행일 수 있음)된 복합재에서의 랩 조인트(lap joint)가 이러한 일 적용이다. 구조물 사이에 결합된 인터페이스는 구조물에서 약한 부분으로 간주되기 때문에 특히 관심이 있다. 이러한 위치에서 CNT 주입 구조물을 사용하는 것은 개선된 층간 전단 강도(improved Interlaminar Shear Strength; ILSS)뿐 아니라 손상 검지 제공 능력을 갖게 한다.

본 발명의 복합재는 변조된 전기 신호(진폭 및 주파수에 따른 파형)를 모니터하는 단계, 및 개선된 검지 해상도 및 감도로 구조적 완전성을 평가하는 단계를 포함하는, 복합재 물질 내에서 응력을 검지하는 방법에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 변형률을 측정하기 위하여 진폭 측정기(amplitude measurement)가 사용된다. 일부 실시예에서, 균열 전파를 모니터하기 위하여 위상(phase)이 사용된다. 일부 실시예에서, 균열 크기를 확인하기 위하여 주파수(frequency)가 사용된다. 본 발명의 복합재, 시스템 및 방법은, 예를 들어 상업적 항공산업부터 탱크 및 다른 군사 장갑차에 탄도 장갑 손상 검지까지 다양한 산업에 사용될 수 있다.

본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "매트릭스 물질(matrix material)"은 임의의 배향을 포함하여, 특별한 배향으로 사이즈화 된 CNT 주입 섬유 물질을 조직화하도록 기능할 수 있는 벌크(bulk) 물질을 언급한다. 이러한 매트릭스 물질은 CNT 주입 섬유 물질의 물리적 특성 및/또는 화학적 특성의 일부 측면을 매트릭스 물질로 제공함에 의하여 CNT 주입 섬유 물질의 존재에 대한 혜택을 얻을 수 있다. 매트릭스 물질은, 예를 들어 에폭시, 폴리에스테르, 비닐에스테르, 폴리에테르이미드, 폴리에테르케톤케톤, 폴리프탈아미드, 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리이미드, 페놀-포름알데하이드 및 비스말레이미드를 포함할 수 있다. 본 발명에서 유용한 매트릭스 물질은 임의의 공지된 매트릭스 물질(Mel M. Schwartz, Composite Materials Handbook (2d ed. 1992) 참조)을 포함할 수 있다. 매트릭스 물질은, 더 일반적으로 열경화성 수지(폴리머)와 열가소성 수지(폴리머), 금속, 세라믹 및 시멘트를 포함할 수 있다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "탄소 나노튜브(CNT)"는 단일벽 탄소 나노튜브(single-walled carbon nanotube; SWNT), 이중벽 탄소 나노튜브(double-walled carbon nanotube; DWNT), 및 다중벽 탄소 나노튜브(multi-walled carbon nanotube; MWNT)를 포함하는 풀러린 족 탄소의 많은 실린더 형태의 동소체 중의 어느 것을 언급한다. CNT는 풀러린-유사 구조에 의해 캡핑되거나 또는 단부가 개방될 수 있다. CNT는 다른 물질로 캡슐화되는 것을 포함한다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "주입된(infused)"은 결합됨을 의미하고, 용어 "주입(infusion)"은 결합 공정을 의미한다. 그러한 결합은 공유결합, 이온결합, pi-pi 및/또는 반데르 발스 힘-매개의 물리흡착을 포함할 수 있다. 예를 들어, CNT는 섬유 캐리어에 공유적으로 직접 결합될 수 있다. 결합은 CNT와 섬유 사이에 배치된 패시베이팅(passivating) 장벽 코팅 및/또는 중계(intervening) 전이 금속 나노입자를 통한 섬유로의 CNT 주입과 같이 간접적일 수 있다. 본원에서 개시된 CNT 주입 섬유에서, 탄소 나노튜브는 상술된 바와 같이 직접적으로 또는 간접적으로 섬유에 "주입"될 수 있다. CNT가 탄소 섬유 물질에 "주입"되는 특별한 방식은 "결합 모티프(bonding motif)"로 언급된다. CNT 주입 섬유의 실제 결합 모티프에 관계없이, 본원에 기재된 주입 공정은 느슨한, 미리 가공된 CNT를 섬유에 단순히 적용하는 것보다 더 강한 결합을 제공한다. 이러한 관점에서, 촉매 적재된 섬유 기질 상에서 CNT 합성은 반데르 발스 부착만 있는 경우보다 강한 "주입"을 제공한다. 또한, 이하의 본원에 기재된 공정에 의해 제조된 CNT 주입 섬유는, 특히 고밀도에서 이웃하는 CNT 사이에 공유 벽 모티프를 나타낼 수 있는, 매우 얽혀진 분지형 탄소 나노튜브의 네트워크를 제공한다. 일부 실시예에서, 예를 들어 전기장의 존재 하에서 성장이 영향을 받아서, 대체 성장 형태를 제공한다. 또한, 저밀도에서의 성장 형태는 섬유에 강한 주입을 제공할 수 있지만, 분지형 공유 벽 모티프로부터 이탈될 수 있다.

일부 실시예에서, 본 발명은 매트릭스 물질 및 상기 매트릭스 물질의 적어도 일부에 배치된 제1 단방향 어레이의 탄소 나노튜브(CNT) 주입 섬유를 포함하는 복합재를 제공한다. 복합재 구조물은 적층 "스킨(skin)"-유사 구조물, 다중 적층 또는 계층 구조물, 고체 비계층의 3차원 물품 및 이러한 복합재 구조물의 조합을 포함할 수 있다. 당업계에서, 복합재(composite)라는 용어는 2 이상의 상이한 물질을 기계적으로 함께 있게 하여서 생성되는 물질을 의미하는 것으로 알려져 있다. 최종 물질은 분리된 각 성분(매트릭스 및 CNT 주입 섬유)과 다른 특징을 갖거나, 2개의 물질이 함께 있음으로써 개선된 특징을 갖는다. 고급 복합재는 매트릭스 물질(예를 들어, 에폭시 수지)과 함께, 수지와 섬유(종종 탄소/흑연, 케블라 또는 유리)의 결합물을 사용한다. 섬유는 높은 강성을 제공하는 한편, 둘러싸는 수지 매트릭스는 구조물을 함께 지지한다. 이론에 제한되지 않고, 벌크 상(bulk phase) 또는 매트릭스 물질은 넓은 표면적에 걸쳐 로드(load)를 수용하고, 일반적으로 보다 큰 로드를 이동시킬 수 있는 보강 섬유로 로드를 전달한다. 본 발명은 그 표면 상에 주입된 CNT를 갖는 섬유와 함께 매트릭스를 이용하는 고급 복합재를 제공한다. 섬유에 주입된 CNT의 존재는 섬유만 갖는 복합재에 제공된 기계적 강성을 증가시킨다. 또한, 섬유 보강 형태가 매트릭스를 통하여 놓이는 방식은, 도 1의 A에 도시된 바와 같은 전파 경로를 생성한다. 이러한 경로는 복합재에 가해지는 변형률, 피로, 균열 및 다른 손상을 평가할 수 있는 CNT 네트워크에 의해 생성된다.

도 1은 폴리머 매트릭스와 같은 매트릭스 물질에서 CNT 주입 섬유를 갖는 본 발명의 예시적인 복합재 물질의 단면도를 나타낸다. 복합재의 반대쪽에 송신 전극 및 수신 전극과 같은 네트워크 전극의 사용은, 예를 들어 복합재를 통하여 저항을 측정할 수 있게 한다. 도 1의 A에서, 섬유 축은 도면 평면에 수직, 즉 관측자 위치로 나오는 방향이다. 일부 실시예에서, 전극은 섬유 축에 수직으로 배치된다. 일부 실시예에서, 전극은 섬유 축을 따라서 배치될 수 있으며, 또한 다른 실시예에서, 전극은 섬유 축을 따른 것과 섬유 축에 수직인 것의 조합으로 배치될 수 있다. 정확한 구성과 관계없이, 동일한 전류로서 저항에서 측정가능한 증가는 적은 가변 전파 경로를 갖는 복합재를 통과하므로, 도 1의 B에 도시된 복합재에 가해진 변형률은 전파 경로의 손실을 초래한다. 유사한 방식으로, 감소된 저항을 생성할 수 있고, 여기서 많은 가변 전파 경로로 인하여 CNT와 CNT의 접촉을 증가시키는 압축 로드와 같은 로드가 복합재에 가해질 수 있다.

도 1의 A에서 CNT 주입 섬유가 섬유 축에 대한 CNT의 명백한 방사상 표시를 나타내는 복합재를 도시하지만, 일부 실시예에서, CNT가 섬유 축을 따라 놓이도록, 일반적인 CNT 배향을 재배향할 수 있다. 일부 이러한 실시예에서, CNT 주입 섬유는 와이어로 작용할 수 있고, 전류의 방향은, 가로방향에서 섬유에서 섬유까지 점핑하는 보다 더 적은 양의 전류를 가지고, 실질적으로 섬유 축을 따라서 유리하게 향할 수 있다.

단방향 어레이의 CNT 주입 섬유는 종래의 복합재 제조 기술을 통해서 얻어질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 감을 수 있는(spoolable) 양의 CNT 주입 섬유는 프레임에 대하여 일 방향으로 직조될 수 있고, 프레임은 경화성 매트릭스 물질에 침지되어서, 도 2의 A에 예시된 바와 같은 실질적으로 2차원 플라이 유사 구조물를 생성할 수 있다(도 2의 A는 순차적으로 적층되는 4개의 이러한 플라이 유사 구조물을 도시한다). 각 플라이 유닛은 단방향 어레이의 섬유 물질을 갖는다. 도 2의 A는 장방 형태를 도시하였지만, 각각의 단방향 어레이는 원형, 장방형, 삼각형, 사다리꼴 등을 포함하는 다른 기하학적 형태를 취할 수 있다는 것을 당업자는 이해할 수 있을 것이다. 단방향 어레이는 임의의 기하학적 형태로 제공될 수 있다. 각각의 단방향 어레이는 대형 패널로 형성될 수 있고, 독특한 형상은, 예를 들어 대형 패널에서 절단될 수 있다. 연속적인 CNT 주입 공정 특성 때문에, 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유를 갖는 복합재의 차원에 특별한 제한은 없다. 직조된 패널은 비행기 날개 및/또는 동체, 선체 등과 같은 대형 구조물을 가공하는데 유용한 치수를 수용하는데 충분한 사이즈를 포함할 수 있다. 플라이 형태의 구조물은, 도 2의 A에서 도시된 바와 같은 다중벽 구조물로 적층될 수 있다. 도 2의 A에 도시된 바와 같이, 플라이 쌍은 섬유 방향(도 2의 A에서 화살표로 도시된 섬유 방향)에 대하여 상쇄되거나, 동일한 방향으로 적층될 수 있다.

도 2의 A는 0도-90도-90도-0도의 섬유 배향을 갖는 4개의 플라이 적층(ply stack)을 나타낸다. 즉, 제1 쌍의 플라이는 서로 90도 각도로 배치된 섬유를 갖는다. 제2 쌍의 플라이는 동일한 방향으로 배향되고, 제3 및 제4 플라이는 다시 90도의 상대적인 배향으로 배치된 섬유를 갖는다. 따라서, 제1 플라이와 제4 플라이는 동일한 방향으로 정렬된다. 도 2의 B는 송신 전극 및 수신 전극을 구비하는 방식으로 제조된 실제 복합재를 나타낸다. 이러한 적층된 플라이 구조물의 경우, 전극 쌍은 2개의 플라이에 대하여 섬유 축을 따라서, 그리고 다른 2개의 플라이에 대하여 섬유 축에 수직으로 배향될 것이다. CNT 주입된 유리 섬유 복합재의 섬유 축을 따라서 관측된 단면부를 도 3의 A 내지 도 3의 C에 도시하였다. 도 3의 B는 이러한 표면에서 성장된 CNT 가닥을 갖는 회색의 원형 구조물로서 개별 유리 섬유의 SEM 이미지를 나타낸다. 복합재 사이의 빈 공간은 매트릭스 물질로 채워진다. 도 3의 C는 2개의 인접한 유리 섬유 사이의 계면을 확대하여 관측한 것이다.

일부 실시예에서, 본 발명의 복합재에 직조된 플라이 구조물이 사용될 수 있다. 직조된 구조물에서 사용된 섬유 형태는 균일하거나, 2 이상의 다른 섬유 형태가 직조될 수 있다. 예를 들어 직조된 구조물은, CNT와 함께 주입될 수 있는, 직조된 유리 섬유와 세라믹 섬유의 혼합물, 이것들 중 하나, 또는 이것들 양쪽 모두를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, CNT 주입 섬유는 CNT 주입이 부족한 섬유와 함께 직조될 수 있다. 일부 이러한 실시예에서, CNT 주입이 부족한 섬유는 전기적으로 절연 섬유일 수 있다. 예시적인 조합물은, CNT 주입이 부족한 세라믹 섬유와 직조된 CNT 주입 유리 섬유, CNT 주입이 부족한 유리 섬유와 직조된 CNT 주입 세라믹 섬유, CNT 주입이 부족한 세라믹 섬유와 직조된 CNT 주입 탄소 섬유 및 CNT 주입이 부족한 유리 섬유와 직조된 CNT 주입 탄소 섬유를 포함하며, 이것으로 제한되는 것은 아니다. 일부 실시예에서, 직조된 구조물은 당해 기술분야에서 공지된 임의의 종래 방식으로 직조된 1, 2, 3, 4 또는 그 이상의 섬유 형태를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 직조된 구조물은 제2 CNT 주입 섬유를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 2개 섬유의 CNT 밀도는 동일하거나 상이할 수 있다.

본 발명의 복합재 물질은 본원에서 상술된 플라이 및/또는 직조된 구조물을 사용해서, 3차원 다중 적층 복합재 구조물을 제조할 수 있다. 단방향 어레이의 섬유 물질을 제공하기 위하여, 사출 성형(injection molding), 압축 성형(compression molding), 진공 주입(vacuum infusion), 인발(pultrusion), 압출(extrusion), 핸드 레이업(hand layup)[오픈 성형(open molding)], 수지 이송 성형(resin transfer molding), 진공 보조식 수지 이송 성형(vacuum assisted resin transfer molding) 등과 같은 다른 방법이 적용될 수 있다. 사용되는 방법에 따라서, 복합재 구조물의 다향한 구성에 접근가능하다.

일부 실시예에서, 본 발명의 복합재는 매트릭스 물질 및 CNT 주입 섬유 물질을 포함한다. 본 발명의 복합재는 열경화제, 열가소제, 세라믹 및 시멘트에서 선택되는 매트릭스 물질을 가질 수 있다. 또한, 다른 매트릭스 물질보다, 손상 검지 적용에서 감도가 낮아질 수 있지만, 금속 매트릭스 물질과 같은 다른 매트릭스 물질이 사용될 수 있다.

매트릭스 물질로서 유용한 열경화성 수지는 프탈릭(phthalic)/마에릭(maelic) 형태의 폴리에스테르, 비닐 에스테르, 에폭시, 페놀, 시아네이트, 비스말레이미드, 및 나딕(nadic)이 단부에 캡핑된 폴리이미드(예를 들어, PMR-15)를 포함한다. 열경화성 수지는 폴리설폰, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리아미드-이미드, 폴리에테르이미드, 폴리이미드, 폴리아릴레이트, 및 액체 결정 폴리에스테르를 포함한다.

매트릭스 물질로 유용한 세라믹은 리튬 알루미노실리케이트(lithium aluminosilicate)와 같은 탄소 세라믹, 알루미나 및 멀라이트(mullite)와 같은 산화물, 실리콘 니트라이드(silicon nitride)와 같은 질화물, 및 실리콘 카바이드와 같은 탄화물을 포함한다. 매트릭스 물질로 유용한 시멘트는 탄화물-기반의 시멘트(텅스텐 카바이드, 크롬 카바이드, 및 티타늄 카바이드), 내화 시멘트(텅스텐-토리아(thoria) 및 바륨-카보네이트-니켈), 크롬-알루미나, 니켈-마그네시아 철-지르코늄 카바이드를 포함한다. 상술된 매트릭스 물질의 어느 것은 단독으로 또는 조합해서 사용될 수 있다.

일부 실시예에서, 본 발명의 복합재는 단일벽 탄소 나노튜브, 이중벽 탄소 나노튜브, 및 다중벽 탄소 나노튜브; 및 이들의 혼합물에서 선택되는, 주입된 CNT를 사용한다. 특정 실시예에서, 본 발명의 복합재는 다중벽 CNT인 주입된 CNT를 사용한다. 본 발명의 복합재의 전기적 특성은 섬유 상에 다양한 형태, 직경, 길이 및 밀도의 CNT를 적용해서 변경될 수 있다. 전기 전도도 또는 고유 전도성은 물질이 전류를 전도하는 능력의 측정이다. CNT 키랄성과 관련되는, 꼬임의 정도와 같은 특정한 구조적 매개 변수를 갖는 CNT는 높은 전도성을 가져서, 금속성을 나타낼 수 있다. 공지된 명명 체계(M. S. Dresselhaus, et al. Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes, Academic Press, San Diego, CA pp. 756-760, (1996))가 공식화되어 있고, CNT 키랄성과 관련된 기술분야에서 통상의 기술자에게 알려져 있다. 따라서, 예를 들어 n과 m이 절단되어 포장된 6각형 흑연을 설명하는 정수인 경우, CNT는 이중 지수(n, m)에 의해 서로 구별되어서, 그것이 실린더의 표면 상에 포장되고 에지가 함께 밀봉될 때, 튜브를 만든다. 튜브가 CNT 축에 수직으로 절단될 때, 6각형의 가장자리만 노출되고, 튜브 에지 주변에서 그 패턴은 n회 반복된 암 체어(arm chair)의 암(arm) 및 시트(seat)와 유사하기 때문에, 2개의 지수가 동일하면(m=n), 최종 튜브는 "암 체어(arm-chair)" (또는 n, n) 형식이라고 한다. 특히, 단일벽 CNT(SWNT)에서, 암 체어 CNT는 금속이고 매우 높은 전기 전도성 및 열 전도성을 갖는다. 또한, 이러한 단일벽 CNT(SWNT)는 매우 높은 인장 강도를 갖고, 다중벽 CNT는 전도성이다.

일부 실시예에서, CNT 주입 섬유 물질의 CNT는 섬유 표면 상에서 직접 성장되어서, 섬유 표면의 반경으로 연장되는 정렬된 CNT의 "포레스트(forest)"를 형성한다. 따라서, 본 발명의 복합재는 섬유 축에 실질적으로 수직 정렬되는 주입된 CNT를 가질 수 있다. CNT의 총 원주 범위는 각 섬유의 전체 길이에 걸쳐 얻어질 수 있다. 일부 실시예에서, CNT 성장 공정은 섬유 길이에 걸쳐 CNT 밀도 기울기를 형성하는데 사용될 수 있다. 이러한 기울기는 복합재 구조물 내의 기울기 전기 전도성을 형성하는데 사용될 수 있다.

일부 실시예에서, 본 발명의 복합제는 섬유 축을 따라서 실질적으로 정렬되는 주입된 CNT를 가질 수 있다. 섬유 축에 평행한 정렬을 위하여, 주입된 CNT를 재배향하는 것은 압출/인발 공정과 같은 기계적인 기술을 사용하여 수행될 수 있다. 기계적인 CNT 재배향과 함께 또는 기계적인 CNT 재배향 대신에 다른 방법이 사용될 수 있다. 예시적인 공정은 전기장에서 재정렬, 및 특정 용매 및/또는 계면 활성제를 사용하는 화학적 방법을 포함한다. 따라서, CNT는 연속적인 섬유 표면을 따라 섬유 축의 방향과 일치하도록 제조될 수 있다. 이하 추가로 본원에 기재된 CNT 주입 공정은 섬유 캐리어 상에 CNT의 조직화를 통하여 복합재 내의 CNT 배향을 더욱 제어한다. 또한, CNT 주입 섬유는 당해 기술에서 사용되는 방법과 관련하여 복합재를 통해 CNT 분산의 보다 나은 제어를 제공해서, CNT 함유 복합재 물질, 특히 느슨한 CNT를 사용하는 것을 제조한다. 또한, 이것은 CNT 전용 섬유, 얀 및 로프 등과 같은 높은 CNT 밀도의 섬유보다 더 비용 효율적이다.

일부 실시예에서, 본 발명의 복합재는, 복합재의 약 0.01중량% 내지 약 30중량%의 범위로 존재하는 주입된 CNT를 가질 수 있고, 0.01중량%, 0.5중량%, 1.0중량%, 1.5중량%, 2.0중량%, 2.5중량%, 3.0중량%, 3.5중량%, 4.0중량%, 4.5중량%, 5.0중량%, 6.0중량%, 7.0중량%, 8.0중량%, 9.0중량%, 10.0중량%, 11.0중량%, 12.0중량%, 13.0중량%, 14.0중량%, 15.0중량%, 16.0중량%, 17.0중량%, 18.0중량%, 19.0중량%, 20.0중량%, 25.0중량%, 및 30.0중량%를 포함하고, 이러한 분율 사이의 모든 값을 포함할 수 있다. 하이 앤드(high end)에서, 가능한 경로에서의 % 변화가 매우 적기 때문에, CNT 전파 경로는 상당히 많아질 수 있고, 복합재 손상 검지는 감도가 떨어질 수 있다. CNT 로딩(loading)의 로우 앤드(low end)에서, 적은 초기의 가변 전파 경로를 가지고, 임의의 경로 단절은 예를 들어 관찰된 저항 변화에 실질적으로 큰 영향을 줄 수 있기 때문에, 감도가 높을 수 있다. 그러나, 목표 감도에 따라서, 손상 감지는 복합재의 0.01중량% 내지 약 30중량%의 전 범위에 걸쳐 작동될 수 있다. 특정 실시예에서, 복합재에서 CNT의 범위는 약 0.01중량% 내지 약 1.0중량%의 범위이며, 0.01중량%, 0.02중량%, 0.03중량%, 0.04중량%, 0.05중량%, 0.06중량%, 0.07중량%, 0.08중량%, 0.09중량%, 0.10중량%, 0.15중량%, 0.20중량%, 0.25중량%, 0.30중량%, 0.35중량%, 0.40중량%, 0.45중량%, 0.50중량%, 0.55중량%, 0.60중량%, 0.65중량%, 0.70중량%, 0.75중량%, 0.80중량%, 0.85중량%, 0.90중량%, 0.95중량%, 1.00중량%를 포함하고, 그 사이의 임의의 값을 포함할 수 있다. 복합재에서 CNT 로딩의 이러한 범위는 높은 수준의 감도를 원할 때 사용될 수 있다.

효과적인 CNT와 CNT 브리지를 제공할 길이의 CNT가 사용되어서, 복합재에 전도성을 부여하는 전파 경로(도 1의 A/B)를 생성한다. 일반적으로, 섬유 간격은 하나의 섬유 직경(5 내지 50 마이크론)과 동등하거나 그 이상이기 때문에, 이 길이보다 더 짧은 CNT는 효과적인 전기적 경로를 감소시킬 수 있다. 긴 CNT는 얽혀져서, 손상 감지 능력, 감도 및 해상도뿐 아니라 전도성을 개선시킬 수 있다. 주입된 CNT는 약 1 마이크론 내지 약 500 마이크론 범위의 다양한 길이를 가질 수 있으며, 1 마이크론, 2 마이크론, 3 마이크론, 4 마이크론, 5 마이크론, 6 마이크론, 7 마이크론, 8 마이크론, 9 마이크론, 10 마이크론, 15 마이크론, 20 마이크론, 25 마이크론, 30 마이크론, 35 마이크론, 40 마이크론, 45 마이크론, 50 마이크론, 60 마이크론, 70 마이크론, 80 마이크론, 90 마이크론, 100 마이크론, 150 마이크론, 200 마이크론, 250 마이크론, 300 마이크론, 350 마이크론, 400 마이크론, 450 마이크론, 500 마이크론 및 그 사이의 모든 값을 포함할 수 있다. 또한, CNT는 약 1 마이크론 미만의 길이를 가질 수 있고, 예를 들어 약 0.5 마이크론을 포함한다. 또한, CNT는 500 마이크론 이상의 범위를 가질 수 있고, 예를 들어, 510 마이크론, 520 마이크론, 550 마이크론, 600 마이크론, 700 마이크론 및 그 사이의 모든 값을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 본 발명의 복합재는 약 100 나노미터 내지 약 5 마이크론 길이 범위의 주입된 CNT를 갖는다.

본 발명의 복합재는 유리 섬유, 아라미드 섬유, 무명 섬유(cotton fiber)와 같은 다른 유기 섬유, 세라믹 섬유 및 이들의 혼합물에서 선택된 섬유를 기반으로 하는 CNT 주입 섬유를 포함할 수 있다. CNT 주입 섬유 물질은 필라멘트, 섬유 얀, 섬유 토우, 테이프, 섬유 브레이드, 직조된 직물, 부직 섬유 매트, 섬유 플라이 및 3차원 직조 구조물을 포함할 수 있다. CNT 주입 공정은 WO/2008/085634호 및 출원 중인 미국 특허 출원 11/619,327호에 개시되어 있고, 그 전체 내용이 본원에서 참조로 편입된다. 간단하게, 복합재의 제조에 사용되는 섬유는 CNT 개시 촉매 나노입자의 층으로 처리되고, 이후 이것은 연속해서 일렬로 CNT를 성장시키는데 사용되는 CVD 기반의 공정에 노출된다. 최종 CNT 주입 섬유는 다양한 특성이 얻어질 수 있도록 섬유 표면 상의 특정한 CNT 유형에 맞추어질 수 있다. 그 공정은 섬유 물질의 감을 수 있는 양으로 증가하여야 한다. 예를 들어, 연속적인 인 라인 공정은 섬유의 약 1 파운드 스풀 내지 약 50 파운드 스풀 범위의 감을 수 있는 길이 상에 CNT 주입 섬유를 얻을 수 있다.

일부 실시예에서, 본 발명의 복합재는 연속적인 섬유인 섬유 구조물을 갖는 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유를 포함한다. 대규모 연속적인 길이의 CNT 주입 섬유를 제조하는 능력에 부합해서, 이러한 연속적인 섬유는 임의의 포스트 CNT 주입 처리(post CNT infusion treatment) 이후, 복합재의 제조에 쉽게 적용된다. 이러한 포스트 CNT 주입 처리는, CNT의 재배향, CNT의 기능화 및 CNT의 코팅을 포함할 수 있으며, 이것으로 제한되지 않는다. 기능화는, 예를 들어 CNT의 플루오르화, 산성 에칭 및 에칭 공정으로부터 임의의 노출된 기능화를 활용하는 화학과 결합된 산성 에칭을 포함할 수 있다. 예시적인 화학은 노출된 케톤, 알데하이드 및 카복실산 기능기의 그것을 포함한다. 따라서, 포스트 에칭 화학은, 예를 들어 에스테르 결합 형성, 아미드 결합 형성, 쉬프 기반 형성(Schiff base formation), 환원적 아민화(reductive amination) 등을 포함할 수 있다. 이러한 기능화는, 예를 들어 CNT 주입 섬유와 매트릭스 물질 사이의 계면을 개선하는데 사용될 수 있다. 또한, CNT 주입 섬유와 매트릭스 물질 계면을 개선하는데 코팅제가 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 코팅제는, 예를 들어 켄테라 시스템(Kentera system)(Zyvex Performance Materials, Columbus, OH)을 포함할 수 있다.

변형 실시예에서, 본 발명의 복합재는 섬유 물질이 복수의 불연속 섬유를 포함하는 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유를 사용할 수 있다. 이러한 실시예에서, CNT 주입 섬유 제조 절차는 CNT 주입된 연속 섬유를 생성하기 위하여 사용될 수 있다. CNT 주입된 연속 섬유는, 예를 들어 초퍼 건(chopper gun)을 순차적으로 통과하여서, 보다 작은 섬유 필라멘트를 형성할 수 있다. 일부 실시예에서, 최종 CNT 주입 불연속 섬유는, 예를 들어 인발에 의한 배향을 포함하는, 당업자에게 알려진 기술에 의해서, 매트릭스 물질 내에서 정렬될 수 있다.

일부 실시예에서, 본 발명의 복합제는 복합재의 표면에 배치된 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유를 포함한다. 일부 이러한 실시예에서, 복합재는 물품의 표면에만 또는 물품의 표면 근처에 배치되는 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유와 함께 연속적인 매트릭스 물질을 포함하는 물품에 통합될 수 있다. 다른 실시예에서, CNT 주입 섬유는 물품의 상부에 중첩되어 결합될 수 있는 스킨으로 미리 가공될 수 있다. 이러한 실시예에서, 복합재의 매트릭스 물질은 벌크 물품의 그것과 동일 또는 상이한 조성일 수 있다. 다른 실시예에서, 스킨은 라미네이트 형태의 구조물에서 물품 상부에 적용되거나 순차적으로 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 다중 스킨 유사 구조물은 적층되어서, 당해 기술분야에서 공지된 종래 기술을 사용하여 함께 결합될 수 있는 다중 라미네이트 스킨을 형성할 수 있다.

상술된 임의의 구조물에서, 예를 들어 벌크 물품이 복합재와 동일한 매트릭스 물질로부터 가공되거나, 유사한 온도에서 용융되는 상이한 물질인 경우, 결합(bonding)은 연속적인 매트릭스를 형성하기 위하여 물품에 본 발명의 복합재의 매트릭스를 용융시키는 것을 포함할 수 있다. 또한, 결합은 접착제의 사용을 통해서 얻어질 수 있다. 일부 실시예에서, 접착제는 접촉 접착제, 핫 멜트 접착제, 용매 기반의 접착제 및 다중부 반응성 접착제(multi-part reactive adhesive)를 포함하는 임의의 형태일 수 있지만, 전기적으로 절연성 접착제가 사용될 수 있다. 예시적인 접착제는 시아노아크릴레이트, 에폭시, 니트로셀룰로오즈, 폴리클로로프로펜과 같은 고무 접착제, 열가소제 및 폴리비닐 아세테이트를 포함하며, 이것으로 제한되지 않는다.

일부 실시예에서, 본 발명의 복합재는 제2 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유를 더 포함할 수 있다. 도 2의 A는 4개의 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유를 포함하는 다중 라미네이트 플라이 구조물의 예이다. 임의의 상대적 배향을 가지는 이러한 방식에서 임의의 수의 단방향 어레이가 적층될 수 있는 것을 당업자는 이해할 수 있을 것이다. 제2 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유는, 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유에 대하여 약 0도 내지 약 90도의 각도로 배열될 수 있다. 따라서, 예를 들어 제1 단방향 어레이와 제2 단방향 어레이는 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85 및 90도의 상대적 배향을 갖는 각도로 배치될 수 있으며, 그 분율 사이의 임의의 값을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 본 발명의 복합재는 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유, 제2 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유, 제3 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유, 제4 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유, 제5 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유 등을 포함하고, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 ,13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 25, 30, 40, 50, 60개의 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유를 포함하며, 그 사이의 임의의 수를 포함한다. 임의의 수의 단방향 어레이는 임의의 형태 또는 치수를 갖는 물품에 조립된다. 예를 들어, 적층된 원형 어레이는 실린더형 물체를 조립하는데 사용되고, 적층된 장방형 어레이는 3차원 장방형 물체 등을 조립하는데 사용될 수 있다.

일부 실시예에서, 도 5의 A에 도시된 바와 같이, 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유 및 제2 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유를 갖는 본 발명의 복합재는 상기 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유와 제2 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유 사이에 배치된 절연층을 더 포함할 수 있다. 유사하게, 하나 이상의 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유를 갖는 다중 라미네이트 구조물에서, 각각의 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유 사이에 다중 절연층이 존재할 수 있다. 이론에 제한되지 않고, 절연층은 섬유 방향에 수직인 가로 전류를 최소화함으로써, 복합재에서 평면 내의 응력(in-plane stress)의 검지를 개선하는데 유익할 수 있다.

일부 실시예에서, 본 발명은 매트릭스 물질 및 상기 매트릭스 물질의 적어도 일부에 배치된 제1 단방향 어레이의 탄소 나노튜브(carbon nanotube; CNT) 주입 섬유를 포함하는 복합재; 및 상기 복합재에 걸쳐 저항의 변화와 관련된 정보를 수신하기 위하여 상기 복합재의 주변에 배치된 네트워크 전극을 포함하는 물품을 제공한다. 네트워크 전극은 복합재에 걸쳐 저항 변화를 측정함으로써 변형률(strain), 피로(fatigue), 손상(damage) 및 균열(crack)의 위치를 매핑(mapping)할 수 있게 한다. 네트워크 전극과 함께 본 발명의 복합재를 포함하는 예시적인 물품은 도 2의 B, 3의 A, 4, 5의 B, 6-9, 10의 A-10의 C에 도시된다. 특정한 실시예에서, 본 발명의 물품은 패널을 제공하기 위하여, 경화된 매트릭스 물질에서 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유를 갖는 플라이 형태 구조물을 포함한다. 이러한 패널은 대형 물품에 적용되는 스킨 구조물로 기능할 수 있다. 선택적으로, 다중 라미네이트 물품은 개별 플라이를 적층하여 제조된다.

일부 실시예에서, 본 발명의 물품은 복합재의 주변에 배치된 송신 및 수신 네트워크 전극을 사용한다. 일부 실시예에서, 네트워크 전극은 복합재에서 변형률, 피로, 손상 및 균열의 위치를 측정하고 매핑하는데 사용될 수 있는 감지 회로와 결합될 수 있다.

일부 실시예에서, 예를 들어 도 4에 도시된 바와 같이, 네트워크 전극은 섬유 축을 따라서 배향된다. 일부 실시예에서, 도 2의 B에 도시된 바와 같이, 네트워크 전극은 섬유 축을 따라서 그리고 섬유 축에 수직으로 존재한다. 도 2의 B와 관련하여, 특히 물품의 전체 주변에 다중 전극이 배치되고, 다중 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유가 90도의 상대적 배향으로 사용되면, 단일 전극 쌍은 제1 단방향 어레이에 대해서는 섬유 축을 따라서 배치되고 제2 단방향 어레이에 대해서는 수직으로 배치될 것이다. 일부 실시예에서, 주변을 따르는 전극은 내성 한계(tolerance limit)를 만들 때까지 임의의 크기 및 임의의 수를 가질 수 있다. 도 5의 B 및 도 6 내지 도 9는, 90도의 상대 배향으로 배치된 2개의 단방향 어레이 CNT 주입 섬유와, 단방향 어레이 사이에 배치된 절연층을 포함하는, 도 5의 A에 도시된 층상 구조물을 갖는 본 발명의 물품에서, 6×6 네트워크 전극 쌍을 도시한다. 따라서, 다중 라미네이트 물품에서, 이러한 전극 쌍은 간격을 두고 조립된다. 이것은 본 발명의 물품이, 복합재 물품 상에서 응력의 위치를 측정할 수 있게 하는 컨텍스트(context)에 사용될 수 있게 한다. 이러한 응력은, 예를 들어 네트워크 전극으로 측정된 복합재의 전기적 특성의 변화에 의하여 측정될 수 있다. 도 6 내지 도 9는, 복합재 물품을 통하여 구멍처럼 보이는 손상이 가해질 때, 각각의 전극 쌍에 대해 측정된 저항 변화를 도시한다.

일부 실시예에서, 본 발명의 물품은 복합재를 제조하는데 사용되는 임의의 매트릭스 물질을 사용할 수 있으며, 그 매트릭스 물질은 열경화제, 열가소제, 세라믹 및 시멘트를 포함하고, 이것으로 제한되지 않는다. 또한, 손상 검지 적용에서 고감도를 제공하는 약한 전도성의 매트릭스 물질을 갖는 다른 매트릭스 물질이 사용될 수 있다. 본 발명의 물품은 다중벽 CNT, 이중벽 CNT, 단일벽 CNT; 및 이들의 혼합물에서 선택되는 CNT를 CNT 주입 섬유에 사용한다. 특정한 실시예에서, 본 발명의 물품은 다중벽 CNT인 주입된 CNT를 사용한다. 다중벽 CNT는 우수한 전기 전도성을 제공하는 한편, 물품에 강도 향상성도 제공한다. 이것은, 물품이 연속적인 응력 하에 있는 적용에 특히 유용하다. 본 발명의 물품은 섬유 축을 따라 실질적으로 정렬되거나 섬유 축에 실질적으로 수직인, 주입된 CNT를 갖는다. 복합재 물품에서, 복합재 구조물은, 강도 향상성을 제공할 수 없고, CNT 주입 섬유의 존재로 제공되는 강도 향상성에서 혜택을 받을 수 있는 전략적인 위치에, 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유를 포함하도록 설계될 수 있다.

본 발명의 물품은, 상술된 바와 같이 사용되는 각각의 단방향 어레이에 대하여 복합재의 약 0.01중량% 내지 약 1중량%의 범위로 존재하는, 주입된 CNT를 가질 수 있다. 절연층 및 전극 물질과 같이, 물품의 다른 구성요소를 고려하면, 물품 그 자체는 상응하게 더 낮은, 전체 CNT 로딩을 가질 수 있다는 것을 알 수 있다.

일부 실시예에서, 본 발명의 물품은 하나의 단방향 어레이를 갖는 개별 복합재에서 사용될 때, 약 100 나노미터 내지 약 5 마이크론의 길이 범위로 주입된 CNT를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 물품에 절연층이 사용되지 않는 경우, 가로 전자 전송을 감소시키기 위하여 보다 짧은 CNT를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 본 발명의 물품에 결합되는 주입된 CNT는 약 1 마이크론 내지 약 500 마이크론 범위의 다양한 길이를 가질 수 있고, 1 마이크론, 2 마이크론, 3 마이크론, 4 마이크론, 5, 마이크론, 6, 마이크론, 7 마이크론, 8 마이크론, 9 마이크론, 10 마이크론, 15 마이크론, 20 마이크론, 25 마이크론, 30 마이크론, 35 마이크론, 40 마이크론icrons, 45 마이크론, 50 마이크론, 60 마이크론, 70 마이크론, 80 마이크론, 90 마이크론, 100 마이크론, 150 마이크론, 200 마이크론, 250 마이크론, 300 마이크론, 350 마이크론, 400 마이크론, 450 마이크론, 500 마이크론 및 그 사이의 모든 값을 포함할 수 있다. 또한, CNT는, 약 1 마이크론 미만의 길이를 가질 수 있고, 예를 들어 약 0.5 마이크론을 포함할 수 있다. 또한, CNT는 500 마이크론 이상의 길이를 가질 수 있고, 예를 들어 510 마이크론, 520 마이크론, 550 마이크론, 600 마이크론, 700 마이크론 및 그 사이의 모든 값을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 본 발명의 물품은 약 100 나노미터 내지 약 5 마이크론 길이 범위의 주입된 CNT를 갖는 복합재를 포함한다.

본 발명의 물품은 단방향 어레이를 갖는 구성 복합재와 동일하고, 이것으로 제한되지 않는, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유 및 이들의 혼합물을 포함하는 CNT 주입 섬유와 결합될 수 있다. 본 발명의 물품은 임의의 형태의 CNT 주입 섬유를 갖는 복합재를 포함할 수 있고, 무명 섬유와 같은 다른 유기 섬유에서 선택된 섬유에 기초한 것을 포함할 수 있다. CNT 주입 섬유 물질은 필라멘트, 섬유 얀, 섬유 토우, 테이프, 섬유 브레이드, 직조된 직물, 부직 섬유 매트, 섬유 플라이 및 3차원 직조된 구조물을 포함할 수 있다.

본 발명의 복합재를 포함하는 본 발명의 물품은 연속적인 섬유 또는 복수의 불연속적인 섬유를 포함하는 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유를 가질 수 있다. 후자의 경우, 불연속적인 섬유는 상대적인 CNT 배향을 제어하기 위하여 배향될 수 있다.

본 발명의 물품은 물품의 표면에 배치된 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유를 가질 수 있다. 선택적으로, 본 발명의 물품은 전체 물품을 통해서 하나 이상의 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유를 포함할 수 있고, 전체 물품을 포함하는데 충분한 양까지 제2 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유, 제3 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유, 제4 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유, 제5 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유, 제6 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유 등을 포함할 수 있다.

상술한 바와 같은 복합재를 갖는 본 발명의 물품은, 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유에 대하여 약 0도 내지 약 90도의 각도로 배치되는 제2 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유를 가질 수 있고, 그 사이의 임의의 각도를 포함할 수 있다. 임의의 수의 단방향 어레이가 물품에 결합될 수 있다. 본 발명의 물품은, 복합재에 대하여, 상술한 바와 같이, 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유와 제2 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유 사이에 배치된 절연층을 더 포함할 수 있다. 본 발명의 물품에 결합된 각각의 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유의 상대 배향은 복합재를 제조하는 동안 제어되어서 물품에 대한 정확한 전극 패턴화를 가능하게 한다.

일부 실시예에서, 도 10의 A 내지 도 10의 D에 도시된 바와 같이, 본 발명의 물품은 송신 및 수신 전극을 포함하는 네트워크 전극을 포함하고, 여기서 네트워크 전극은 은 페인트로 가공된다. 은 페인트의 전극은 단지 예시이고, 전극 물질은 구리, 리튬, 철, 코발트, 몰리브덴, 니켈, 은, 란타늄, 마그네슘, 티타늄, 알루미늄, 플라티늄, 지르코늄, 이튜륨, 스칸듐, 스트론튬, 바나듐, 이들의 염 및 합금을 포함하는 이들의 혼합물과 같은, 전극의 제조에 사용되는 기술에서 공지된 임의의 금속을 포함할 수 있다.

다수의 작은 전극 쌍이 감도를 증가시키는데 유용할 수 있지만, 전극은 임의의 크기를 가질 수 있다. 도 10의 A 내지 도 10의 C는 패널의 길이 방향 주위에서 직조된 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유로 구성된 테스트 스트립 복합재 패널을 나타낸다. 이러한 예시적인 패널은 경화성 에폭시 수지로 제조된다. 테스트 패널의 각 단부에 균일한 크기의 홀을 뚫고, 홀 주위의 페인트 두께를 도 10의 A에서, 도 10의 B, 도 10의 C로 갈수록 증가시켰다. 이러한 전극 두께는 도 10의 D에 도시된다.

도 11은, 2개의 전극 간에 관찰된 저항과 전극의 크기 사이의 관계를 도시한다. 적은 전파 경로를 갖는 패널에 걸쳐 측정된 저항은 전극의 크기가 감소될 때, 제공된 전류에 대해 증가하였다. 이론에 제한되지 않고, 작은 전극이 큰 전극에 비하여, 많은 수의 가변 전파 경로로 전류를 제공한다. 손상 검지 관점에서, 단지 작은 수의 전파 경로가 단절된 경우, 임의의 손실 경로의 영향은 중요하기 때문에, 작은 전극은 큰 저항 변화를 받게 된다. 비교적으로, 전체 패널을 통해 지나치게 연속적인 전극에서, 전파 경로의 초기 수는 상당히 클 수 있고, 단지 작은 수의 전파 경로의 손실 영향은 관측된 저항 변화가 작아지게 할 수 있다. 그러나, 매우 작은 전극 쌍 또는 매우 큰 전극 쌍에서, 손상 검지는 쉽게 측정되고, 제조와 감도의 용이성 사이의 균형이 얻어질 수 있다.

다른 실시예에서, 도 12의 A 및 도 12의 B에 도시된 바와 같이, 송신 및 수신 네트워크 전극 형태의 네트워크 전극은 매입된 구리 핀 전극을 포함한다. 도 12의 A에 도시된 바와 같이, 전극 핀은 3층 구조물(제1 단방향 배열체-절연체-제2 단방향 배열체)로 조립되고, 핀은 물품의 평면에 수직으로 배향될 수 있다. 도 12의 B에 도시된 바와 같이, 전극 핀은 또한 물품의 평면에서 그리고 단방향 배열체에서 섬유 축과 동일한 방향을 따라서 배열될 수 있다. 도 12의 B는 각각이 섬유 방향과 평행하게 배치된 전극 핀을 갖는 2개의 단방향 배열체를 도시한다. 2개의 단방향 배열체는 90도의 상대 배향으로 배치되고, 절연 물질은 2개의 배열체 사이에 배치된다. 일부 실시예에서, 전극은 또한, 이것으로 제한되지 않는 리소그래피(lithography), 프린팅(printing) 등을 포함하는 당해 기술분야에서 공지된 임의의 다른 기술로 가공될 수 있다. 전극은, 스퍼터링(sputtering), 플라즈마(plasma) 또는 임의의 다른 기상 입자 증착 기술(gas phase particle deposition)을 통하여 복합재 표면에 적용되는 금속 필름, 매입된 금속 전극으로 구성될 수 있다. 또한, CNT 주입 섬유 자체의 느슨한 단부를 연결함으로써, 결합된 전극이 형성될 수 있다.

일부 실시예에서, 본 발명은 1) 본원에서 상술된 물품; 2) 하나 이상의 센서에 전류를 공급하는 소스; 3) 저항 데이터를 수신하기 위해 장착된 컴퓨터로서, 손상 감지 알고리즘을 갖는 소프트웨어로 제공될 수 있는 컴퓨터; 및 4) 물품의 복합재 구조물에서, 변형률, 피로, 손상 및 균열의 위치를 나타내는 그래픽 사용자 인터페이스를 포함하는 시스템을 제공한다.

일부 실시예에서, 본 발명은 매트릭스 물질 및 상기 매트릭스 물질의 적어도 일부에 배치된 제1 단방향 어레이의 탄소 나노튜브 주입 섬유를 갖는 복합재; 및 상기 복합재에 걸쳐 저항의 변화를 검지하기 위하여 상기 복합재에 연결된 감지 회로를 결합한 물품을 포함하는 시스템을 제공한다.

도 13은 감지 회로(1320)에 작동가능하게 연결될 수 있는 복합재/물품(1310)을 갖는 본 발명의 시스템(1300)을 도시한다. 이후, 감지 회로(1320)는 컴퓨터(1330)에 연결되고, 컴퓨터(1330)는 복합재/물품(1310) 내의 손상 또는 응력의 위치를 표시하는데 사용될 수 있는, 모니터와 같은 그래픽 인터페이스를 선택적으로 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 감지 회로(1320)는 컴퓨터(1330)가 필요없는 자체 디스플레이를 가질 수 있다. 시스템(1300)은 선택적으로 복합재/물품(1310)와 감지 회로(1320) 사이의 중개자 역할을 하는 네트워크 전극(1340)을 더 포함할 수 있다. 시스템(1300)은 복합재/물품(1310)에 전류를 공급하는 소스와, 사용 중인 네트워크 전극(1340)을 결합할 수 있다. 변형 실시예에서, 전류는 시스템에 패시브하게(passively) 제공될 수 있다. 본 발명의 시스템은 복합재에서 변형률, 피로, 손상 및/또는 균열의 위치를 측정하고 매핑하기 위한 감지 회로를 사용할 수 있다.

본 발명의 시스템은 감지 회로로부터 저항 데이터를 수신하기 위해 장착된 컴퓨터를 포함할 수 있고, 컴퓨터는 손상 감지 알고리즘을 갖는 소프트웨어로 제공될 수 있다. 이러한 알고리즘은 복합재에서 변형률, 피로, 손상 및 균열의 위치를 표시하는 그래픽 사용자 인터페이스 상에 디스플레이를 위한 코드를 포함할 수 있다.

본 발명의 시스템은 손상 검지가 유용할 수 있는 임의의 설정체에 결합될 수 있다. 예를 들어, 시스템은 날개 또는 동체의 응력/손상을 모니터하기 위하여 항공기의 일부로서, 또는 보트나 탱크 선체의 일부로서 설치될 수 있다. 본 발명의 시스템은 AC 또는 DC 소스가 될 수 있는 전류를 공급하기 위한 소스를 사용할 수 있다. 저항과 같은 전기적 특성의 측정은 모티터될 수 있고, 손상 감지 알고리즘 소프트웨어가 설치된 컴퓨터의 도움으로, 그래픽 인터페이스를 가지고 사용자에게 출력을 제공할 수 있다.

도 13에 도시된 바와 같이, 시스템은 일반적으로 감지된 데이터를 수집하는 모니터 스테이션을 포함한다. 감지 데이터는 손상 감지 알고리즘을 갖는 컴퓨터로 전송된다. 이러한 알고리즘은 동시에 여러 측정을 수집하고 처리할 수 있다. 일부 실시예에서, 알고리즘은 물품의 안정 상태(resting state)를 인식하고, 이러한 안정 상태를 응력의 영점 측정으로 사용하도록 조작될 수 있다. 일부 실시예에서, 알고리즘은 응력으로 인한 물품의 영구적인 변화에 적응하고, 영점을 재조정하여 물품에 인가된 힘을 더 측정하도록 조작된다. 사용되는 알고리즘은 검지 함수를 최적화하기 위한 모델링 데이터를 활용할 수 있다. 알고리즘의 적용으로 검지된 최종적인 어느 손상은 그래픽 인터페이스를 통해 최종 사용자에게 전달될 수 있다. 그래픽 인터페이스는 물품의 구조적 완전성, 물품 상의 현재 응력의 위치 등과 관련된 정보를 제공할 수 있다.

일부 실시예에서, 본 발명은 상술된 본 발명의 시스템을 제공하는 단계; 물품/복합재에서, 변형률, 피로, 손상 및 균열로부터 선택된 상태를 일으키는 로드를 물품에 가하는 단계; 및 그래픽 인터페이스를 통해 상기 상태의 위치를 모니터하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.

일부 실시예에서, 상기 방법은 CNT 주입 섬유 물질을 갖는 복합재 물질에, 개선된 검지 해상도 및 손상에 대한 감도를 제공하기 위하여 조절된 전기 신호(진폭 및 주파수에 따른 파형)를 모니터하는 단계를 포함한다. 진폭은 변형률을 측정하는데 사용될 수 있고, 위상은 균열 전파를 모니터하는데 사용될 수 있고, 주파수는 균열 크기를 확인하는데 사용될 수 있다.

따라서, 일부 실시예에서, 병렬 RLC 회로 스위핑 주파수의 대역저지 주파수는 균열 크기와 관련될 수 있는 계산된 대역저지(bandstop) 캐퍼시턴스를 결정하는데 사용된다:

복합재에서 CNT 주입 섬유 물질과 작동가능하게 접촉하여, 관심 영역의 주변을 따라서 배치된 적어도 하나의 세트, 시리즈 또는 배열의 전극을 통해서 초기 저항값을 측정함으로써, 복합재에서의 손상 검지를 얻을 수 있다. 전기 저항을 얻는데 사용되는 수단과 무관하게, 저항은 연속적으로 측정되고 원래 값과 비교될 수 있다. 저항 변화는 증가된 변형률, 균열 개시, 균열 전파, 또는 CNT 네트워크에서 전파 경로를 단절시키는 더 심각한 형태의 손상의 존재와 관련될 수 있다. 일부 실시예에서, 손상 검지를 위해 구조물을 통해 전송된 전기 신호를 사용해서 모니터할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 저항은 연속적으로 측정되어 원래 값과 비교될 수 있다. 저항 변화는 증가된 변형률, 균열 개시, 균열 전파, 또는 CNT 네트워크에서 전파 경로를 단절시키는 더 심각한 형태의 손상의 존재와 관련될 수 있다. 이러한 기술은 복합재 완전성을 확인할 수 있지만, 단지 저항 측정은 매우 작은 데이터, 감도, 또는 완전한 해상도나 충분히 특징적인 손상을 제공할 수 있다. 결과적으로, 일부 실시예에서, 구조물을 통해 감쇠된 전기 신호의 사용은 또한 손상을 검지하는 수단으로 사용될 수 있다. 대부분의 진동 또는 초음파는 복합재에서 결함 또는 피로 기반의 인클루전(inclusion)을 검지하기 위하여 금속 구조물에서 사용될 수 있고, 전기 신호(공지된 진폭 및 주파수의 사인파(sine wave))는 손상을 검지하기 위하여 CNT 주입 복합재 구조물에서 전극을 통해 전송될 수 있다.

일부 실시예에서, 생성파는 수신파와 비교된다. 다른 모든 전극이 수신기로 사용되는 동안, 배열을 따라 하나의 전극이 송신기로 사용된다. 송신기 전극은 각 수신기 위치에서 수신 및 처리되는 신호를 보낸다. 감쇠 신호는 Hz 내지 GHz의 신호 주파수 범위를 통해 스윕(sweep)될 수 있다. 완전한 스윕이 하나의 전극으로 완성되면, 배열체에서 후속 전극은 송신기 역할을 하고, 다른 모든 전극은 수신기이다. 공정은 자체적으로 송신 지점 변경을 반복해서, 전체 검지 정확도, 해상도 및 감도를 향상시킨다. 이러한 신호 스캔은 현재의 전자 제어 방법을 사용하여 초(second) 단위 시간 미만에서 수행될 수 있다. 수집된 신호는 레이더에 사용되는 유사한 회로를 사용하여 원래의 송신 신호와 비교될 수 있다. 각 전극은 로컬 전극 전용의 듀플렉서(duplexer)를 통해 송신/수신 모드 사이에서 전환될 수 있다. 수신된 신호는 신호 혼합기를 사용하여 (오실레이터(oscillator)에 의해 생성된) 원래의 신호와 비교될 수 있다. 상이한 주파수에서 관찰된 위상 및 진폭의 변화는 기계적 변형률, 균열 개시 및/또는 전파, 또는 시스템을 모니터해서 캡처(capture)되고 처리될 수 있는 다른 형태의 손상에 의해 유도된다. 이러한 시스템은 고해상도 및 고감도로 손상의 형태 및 정도를 확인할 수 있다. 파의 진폭은 저항의 그것과 유사한 정보, 특히 얼마나 많은 물질이 응력 하에서 변형되었는지에 대한 정보를 제공한다. 위상 변화는 구조물을 통해 도중에 발생하는 어느 장애물 또는 균열의 형태와 직접적으로 관련될 수 있다(균열 크기 및 형태에 대한 정보를 제공). 다양한 주파수는 다양한 신호 "배율"을 제공할 것이다. 다양한 주파수의 신호는 그 주어진 파장 내의 길이 스케일의 특성을 더 쉽게 인식할 것이다. 마이크로 균열에 관심이 있다면, MHz 범위의 신호를 목표로 하여 마이크론 길이 스케일에서 최대 해상도를 제공할 수 있다. 신호로부터 정보를 결합하는 것은 고해상도, 고감도 및 정확한 이미지를 제공하거나, 또는 복합재 구조적 완전성을 (전극 배열에 따라 2차원 또는 3차원으로) 매핑할 수 있다.

바람직하게, 본 발명의 방법은 3개의 고유한 특징, 즉 파 진폭, 위상 및 주파수를 가진 소스를 사용하여 손상 검지를 평가한다. 복합재를 통과할 때, 소스 신호의 파 진폭 또는 위상의 어느 변화는 크기, 형태, 및 구조물 내의 손상 위치와 직접적으로 관련될 수 있다. 또한, 소스 신호의 감도는 소스 신호의 주파수를 변경하여 다양하게 할 수 있다.

마지막으로, 본 출원은 복합재 물질에서 손상 감지와 관련된 적용에 초점을 맞추고 있지만, CNT 주입 섬유는 인장 강도(tensile strength), 영률(Young's Modulus), 층간 전단 강도(interlaminar shear strength; ILSS), 전단 계수(shear modulus), 인성(toughness), 압축 강도(compression strength), 압축 계수(compression modulus,), 밀도(density), EM파 흡수율/반사율(EM wave absorptivity/reflectivity), 음향 투과율(acoustic transmittance), 전기 전도성(electrical conductivity) 및 열전도성(thermal conductivity)과 같은 임의의 수의 추가적인 특성을 복합재에 제공할 수 있는 것을 당업자는 인식할 것이다.

인장 강도는 3가지 상이한 측정: 1) 물질에 영구적으로 변형을 일으키는, 탄성 변형에서 소성 변형까지 물질 변형률의 변화에서 응력을 평가하는 항복 강도(Yield strength); 2) 인장, 압축 또는 전단에 노출될 때 물질이 견딜 수 있는 최대 응력을 평가하는 극한 강도(Ultimate strength); 및 3) 파열점에서 응력-변형률 곡선 상의 응력 좌표를 평가하는 파단 강도(Breaking strength)를 포함할 수 있다. 특히, 다중벽 탄소 나노튜브는 63 GPa의 인장 강도가 얻어져서, 측정된 임의의 물질 중 최고의 인장 강도를 갖는다. 또한, 이론적인 계산은 약 300 GPa의 CNT의 가능한 인장 강도를 나타내었다. 따라서, CNT 주입 섬유 물질은 모 섬유 물질과 비교해서 실질적으로 더 높은 극한 강도를 갖는 것으로 예상된다. 상술된 바와 같이, 인장 강도의 증가는 섬유 물질 상에서 밀도 및 분포뿐만 아니라 사용된 CNT의 정확한 특성에 따라 달라진다. CNT 주입 섬유 물질은, 예를 들어 인장 특성에서 2배 내지 3배의 증가를 나타낼 수 있다. 예시적인 CNT 주입 섬유 물질은 기능화되지 않은 모섬유 물질과 비교하여 3배 높은 전단 강도 및 2.5배 높은 압축 강도를 가질 수 있다. 영률은 등방성 탄성 재료에 대한 강성(sitffness)을 측정한 것이다. 이것은 후크의 법칙이 유지되는 응력 범위에서, 일축 변형률에 대한 일축 응력의 비율로 정의된다. 이것은 물질의 샘플에서 인장 시험을 수행하는 동안 만들어진 응력-변형률 곡선의 기울기로부터 실험적으로 결정될 수 있다.

본 발명의 복합재를 제조하기 위하여, 탄소 나노튜브가 섬유 물질에 주입되고; 즉, 탄소 나노튜브는 섬유 물질 상에 직접 합성된다. 일부 실시예에서, 이것은 섬유 상에 나노튜브 형성 촉매를 가장 먼저 배치하는 것에 의해 수행될 수 있다. 이러한 촉매 배치 이전에 많은 제조 공정이 수행될 수 있다.

일부 실시예에서, 섬유 물질은 선택적으로 플라즈마로 처리되어 표면을 제조하고 촉매를 수용할 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 처리된 유리 섬유 물질은 CNT 형성 촉매가 배치될 수 있는 거친 유리 섬유 표면을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 플라즈마는 또한 섬유 표면을 "청소(clean)"하는 역할을 한다. 따라서, 섬유의 표면을 "조도화(roughing)"하는 플라즈마 공정은 촉매 배치를 용이하게 한다. 전형적으로 거칠기(roughness)는 나노미터 스케일이다. 플라즈마 처리 공정에서, 나노미터 깊이 및 나노미터 직경의 크리에이터(creater) 또는 침강(depression)이 형성된다. 이러한 표면 개질은 임의의 하나 이상의 여러가지 다른 기체를 사용하여 얻을 수 있고, 기체는 아르곤, 헬륨, 산소, 암모니아, 질소, 및 수소를 포함할 수 있으며, 이것으로 한정되는 것은 아니다.

일부 실시예에서, 사용되는 섬유 물질이 그것과 결합되는 사이징 물질(sizing material)을 갖는 경우, 이러한 사이징은 촉매 배치 이전에 선택적으로 제거될 수 있다. 선택적으로, 사이징은 촉매 배치 이후에 제거될 수 있다. 일부 실시예에서, 사이징 제거는 예열 단계에서 CNT 합성 도중 또는 CNT 합성 바로 전에 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 일부 사이징 작용제는 전체 CNT 합성 공정을 동안 남아있을 수 있다.

CNT 형성 촉매의 배치 이전에 또는 배치에 수반되는 다른 선택적 단계는 섬유 물질에 장벽 코팅제(barrier coating)의 적용이다. 장벽 코팅제는 탄소 섬유, 유기 섬유, 금속 섬유 등과 같은 민감한 섬유의 완전성을 보호하기 위해 고안된 물질이다. 이러한 코팅제는, 예를 들어 알콕시실란, 알루목산, 알루미나 나노입자, 유리상 스핀 및 유리 나노입자를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, CNT 형성 촉매는 경화되지 않은 장벽 코팅제에 첨가되고, 그 다음 섬유 물질에 함께 적용될 수 있다. 다른 실시예에서, 장벽 코팅제는 CNT 형성 촉매의 배치 이전에 섬유 물질에 첨가될 수 있다. 이러한 실시예에서, 장벽 코팅제는 촉매 배치 이전에 부분적으로 경화될 수 있다. 장벽 코팅제는 충분히 얇은 두께를 가져서, 후속적인 CVD 성장을 위한 탄소 공급원료에 CNT 형성 촉매를 노출시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 그 두께는 CNT 형성 촉매의 유효 직경 미만이거나 거의 동일하다. CNT 형성 촉매 및 장벽 코팅제가 배치되면, 장벽 코팅제는 완전히 경화될 수 있다. 일부 실시예에서, 장벽 코팅제의 두께는, 촉매의 위치에 CNT 형성 반응물이 접근할 수 있을 만큼만, CNT 형성 촉매의 유효 직경보다 클 수 있다. 이러한 장벽 코팅제는 충분히 다공성이어서, CNT 촉매에 탄소 공급원료가 접근할 수 있다.

이론에 제한되지 않고, 장벽 코팅제는 섬유 물질과 CNT 사이의 중간층으로 사용될 수 있고, 또한 유리 섬유 물질에 CNT의 기계적인 주입을 도울 수 있다. 이러한 기계적인 주입은 강력한 시스템을 제공하며, 여기서 섬유 물질은 CNT를 조직화하기 위한 플랫폼(platform)으로 기능하고, 장벽 코팅제로 기계적인 주입의 이점은 본원에서 상술된 간접적 형태의 융합과 유사하다. 또한, 수분에 노출로 인한 화학적 손상 및/또는 CNT 성장을 촉진하기 위해 사용되는 온도에서 섬유 물질의 가열로 인한 임의의 열적 손상으로부터 섬유 물질에 즉각적인 보호를 제공하는 것이 장벽 코팅제의 이점이다.

아래에서 더 설명되는 바와 같이, 전이 금속 나노입자를 포함하는 CNT 형성 촉매를 함유하는 액체 용액으로 촉매가 제조된다. 합성된 나노튜브의 직경은 상술된 바와 같은 금속 입자의 크기와 관련된다.

탄소 나노튜브 합성은 상승된 온도에서 일어나는 화학 증착(chemical vapor deposition, CVD) 공정을 기반으로 할 수 있다. 특정한 온도는 촉매 선택에 따라 다르지만, 전형적으로 약 500℃ 내지 1000℃ 범위일 수 있다. 따라서, CNT 합성은 상술된 범위의 온도로 섬유 물질을 가열하는 단계를 포함하여 탄소 나노튜브 합성을 돕는다.

그 다음, 촉매 적재 섬유 물질 상에서 CVD 촉진된 나노튜브 성장이 일어난다. 예를 들어, CVD 공정은 아세틸렌, 에틸렌 및/또는 에탄올과 같은 탄소 함유 공급원료 기체에 의해 촉진될 수 있다. 일반적으로, CNT 합성 공정은 1차 운반 기체로서 불활성 기체(질소, 아르곤, 헬륨)를 사용한다. 탄소 공급원료는 전체 혼합물의 약 0% 내지 약 15% 범위로 제공된다. CVD 성장을 위한 실질적인 내부 환경은 성장 챔버로부터 습기 및 산소를 제거함으로서 준비된다.

CNT 합성 공정에서, CNT 형성 전이 금속 나노입자 촉매 자리에서 CNT가 성장한다. 강한 플라즈마 생성 전기장의 존재가 임의적으로 활용되어 나노튜브 성장에 영향을 준다. 다시 말해서, 성장은 전기장의 방향을 따를 수 있다. 플라즈마 분무 및 전기장의 기하학적 구조를 적합하게 조절해서, 수직 정렬 CNT(즉, 탄소 섬유 물질에 수직임)가 합성될 수 있다. 어느 조건 하에서는, 플라즈마가 존재하지 않더라도, 가까이 위치한 나노튜브는 실질적으로 수직적인 성장 방향을 유지하여, 카펫(carpet) 또는 포레스트(forest)와 유사한 CNT의 밀집된 배열을 가져올 수 있다.

섬유 물질에 촉매를 배치하는 단계의 동작은 분무 또는 용액의 딥코팅(dip coating), 또는 예를 들어, 플라즈마 공정을 통한 기상 증착에 의하여 수행될 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 용매에서 촉매의 용액을 형성한 이후, 분무, 또는 장벽 코팅된 섬유 물질을 용액으로 딥코팅, 또는 분무와 딥코팅의 조합에 의해서, 촉매가 적용될 수 있다. 단독으로 또는 조합해서 사용되는 이러한 기술은 1번, 2번, 3번, 4번, 몇 번까지도 사용되어서, 충분히 균일하게 코팅된 CNT 형성 촉매를 함유하는 섬유 물질을 제공할 수 있다. 딥코팅이 사용될 때, 예를 들어, 제 1 딥 배스(dip bath)에서 제 1 체류시간 동안 섬유 물질은 제 1 딥 배스에 배치될 수 있다. 제 2 딥 배스를 사용할 때, 섬유 물질은 제 2 체류 시간 동안 제 2 딥 배스에 배치될 수 있다. 예를 들어, 섬유 물질은 딥 구성물 및 선속도에 따라서 약 3초 내지 약 90초 동안 CNT 형성 촉매의 용액에 적용될 수 있다. 분무 또는 딥코팅 공정을 사용하여, 섬유 물질은 약 5% 이하의 표면적 내지 약 80%의 높은 표면적의 촉매의 표면 밀도를 가지고, CNT 형성 촉매 나노입자는 거의 단일층이다. 일부 실시예에서, 섬유 물질 상에 CNT 형성 촉매를 코팅하는 공정은 단지 단일층을 생성하여야 한다. 예를 들어, CNT 형성 촉매의 적층에서의 CNT 성장은, 섬유 물질에 CNT의 주입 정도를 약화시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 증발 기술, 전해질 증착 기술, 및 금속 유기물, 금속염 또는 기상 이동을 촉진하는 다른 구성물로서 플라즈마 공급원료 기체에 전이 금속 촉매의 첨가와 같은 당업자에게 공지된 다른 공정을 사용하여, 전이 금속 촉매는 섬유 물질에 증착될 수 있다.

CNT 주입 섬유를 제조하는 공정은 연속되도록 고안되기 때문에, 딥코팅 배스가 공간적으로 분리되는 일련의 배스에서, 감을 수 있는 섬유 물질은 딥 코팅될 수 있다. 노로부터 새롭게 형성된 유리 섬유와 같은 새로운 섬유가 다시 생성되는 연속적인 공정에서, CNT 형성 촉매의 딥 배스 또는 분무는 새롭게 형성된 섬유 물질을 충분히 냉각한 이후의 제1 단계로 될 수 있다. 일부 실시예에서, 새롭게 형성된 유리 섬유를 냉각하는 단계는 그 내부에서 분산된 CNT 촉매 입자를 갖는 물의 냉각 분출(cooling jet)로 수행될 수 있다.

일부 실시예에서, 연속적인 공정으로 섬유를 생성하고 섬유에 CNT를 주입할 때, 사이징의 적용 대신에, CNT 형성 촉매의 적용이 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 다른 사이징 작용제(agent)의 존재 하에서, CNT 형성 촉매는 새롭게 형성된 섬유에 적용될 수 있다. CNT 형성 촉매와 다른 사이징 작용제의 이러한 동시적인 적용은 섬유 물질과 표면 접촉하는 CNT 형성 촉매를 제공하여 CNT 주입을 보장할 수 있다. 다른 실시예에서, CNT 형성 촉매가 섬유 표면에 약간 매입되도록, 섬유 물질이, 예를 들어 어닐링 온도(annealing temperature) 근처 또는 미만의 충분하게 연화된 상태인 동안, CNT 형성 촉매는 분무 또는 딥코팅에 의해 새로운 섬유에 적용될 수 있다. 예를 들어, 고온 유리 섬유 물질 상에 CNT 형성 촉매를 배치할 때, CNT 형성 촉매의 용융점을 초과하여, 나노입자의 융합을 일으키고, 결과적으로 CNT 직경과 같은 CNT 특징의 제어를 불가능하게 하지 않도록 주의해야 한다.

사용된 CNT 촉매 용액은 임의의 d-블럭 전이 금속인 전이 금속 나노입자일 수 있다. 또한, 나노입자는 원소 형태 또는 염 형태에서 d-블럭 금속의 합금 및 비합금 혼합물, 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 이러한 염 형태는 산화물, 탄화물, 및 질화물, 아세테이트, 나이트레이트 등을 포함하며, 이것으로 제한되지 않는다. 제한적이 아닌 예시적인 전이 금속 NP는 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 및 이들의 염, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 일부 실시예에서, 섬유 물질에 직접 CNT 형성 촉매를 적용하거나 주입함에 의하여, 이러한 CNT 형성 촉매는 섬유에 배치된다. 많은 나노입자 전이 금속 촉매는 예를 들어, 페로텍 코포레이션(뉴헴프셔 베드퍼드)을 포함하는 다양한 공급처로부터 상업적으로 쉽게 이용할 수 있다.

CNT 형성 촉매를 섬유 물질에 적용하는데 사용되는 촉매 용액은 CNT 형성 촉매를 균일하게 분산시킬 수 있는 어느 일반적인 용매일 수 있다. 이러한 용매는, 비 제한적인, 물, 아세톤, 헥산, 이소프로필 알콜, 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 테트라하이드로퓨란(THF), 사이클로헥산 또는 제어된 극성을 가지는 어느 다른 용매를 포함해서, CNT 형성 촉매 나노입자의 적당한 분산을 이룰 수 있다. CNT 형성 촉매의 농도는 촉매 대 용매가 약 1:1 내지 1:10000 범위일 수 있다.

일부 실시예에서, 섬유 물질에 CNT 형성 촉매를 적용한 이후, 섬유 물질은 선택적으로 연화 온도로 가열될 수 있다. 이것은 섬유 물질의 표면에 CNT 형성 촉매를 매입하는 것을 도와주고, 시드 성장(seeded growth)되게 하고, 리딩 에지(leading edge)의 팁에서 촉매가 부유하는 팁 성장이 CNT 성장을 방지할 수 있다. 일부 실시예에서, 섬유 물질 상에 촉매의 배치 이후, 섬유 물질의 가열은 약 500℃ 내지 1000℃ 온도에서 수행될 수 있다. CNT 성장에 사용될 수 있도록 이러한 온도로 가열하는 것은 섬유 상에 직접적으로 CNT 형성 촉매가 배치되게 하여 섬유 물질 상에 임의의 미리 존재하는 사이징 작용제를 제거하는 기능을 할 수 있다. 일부 실시예에서, CNT 형성 촉매는 또한 가열 전에 사이징 코팅제의 표면 상에 배치될 수 있다. 가열 단계는 섬유 표면 상에 배치된 촉매가 남아있는 동안 사이징을 제거하는데 사용될 수 있다. 이러한 온도로 가열하는 단계는 CNT 성장을 위한 탄소 공급원료의 주입 전에 또는 실질적으로 주입과 동시에 수행될 수 있다.

일부 실시예에서, CNT 주입 공정은 섬유 물질로부터 사이징 작용제를 제거하는 단계, 사이징 제거 이후 섬유 물질에 CNT 형성 촉매를 적용하는 단계, 섬유 물질을 적어도 500℃로 가열하는 단계, 및 섬유 물질에서 탄소 나노튜브를 합성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, CNT 주입 공정의 동작은 섬유 물질로부터 사이징을 제거하는 단계, 섬유에 CNT 형성 촉매를 적용하는 단계, 섬유를 CNT 합성 온도를 가열하는 단계, 및 촉매 적재 섬유 물질 상에 탄소 플라즈마를 분무하는 단계를 포함한다. 따라서, 상업적인 섬유 물질이 사용될 때, CNT 주입 섬유의 제조 공정은, 섬유 물질에 촉매를 배치하는 단계 이전에, 섬유 물질로부터 사이징을 제거하는 별도의 단계를 포함할 수 있다. 현재 상업적인 사이징에 따라서, 사이징이 제거되지 않으면, 이후에 CNT 형성 촉매는 섬유 물질과 표면 접촉되지 않을 수 있고, 이것은 CNT 융합을 방해할 수 있다. 일부 실시예에서, CNT 합성 조건 하에서 사이징 제거가 보장되는 경우, 사이징 제거는 촉매를 배치한 이후이지만, 탄소 공급원료를 제공하는 단계 직전 또는 도중에 수행될 수 있다.

탄소 나노튜브를 합성하는 단계는 탄소 나노튜브를 형성하는 수많은 기술을 포함할 수 있고, 이것으로 제한되지 않는, 마이크로 캐비티(micro-cavity), 열적 또는 플라즈마 향상된 CVD 기술, 레이저 제거(ablation), 아크 방전(arc discharge), 고압 탄소 모녹사이드(high pressure carbon monoxide, HiPCO)를 포함하는 당해 기술 분야에서 공지된 기술에 의해 수행될 수 있다. 특히, CVD 동안, 거기에 배치된 CNT 형성 촉매를 가지는 사이즈된 섬유 물질이 직접 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 어느 종래의 사이징 작용제는 CNT 합성 도중에 제거될 수 있다. 일부 실시예에서, 다른 사이징 작용제는 제거되지 않지만, CNT 합성을 방해하지 않고 사이징을 통한 탄소 공급원료의 분산 때문에 섬유 물질에 융합을 방해하지 않는다. 일부 실시예에서, 아세틸렌 가스가 이온화되어서, CNT 합성을 위한 차가운 탄소 플라즈마의 분출을 생성한다. 플라즈마는 촉매 함유 섬유 물질을 향할 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 섬유 물질에서 CNT를 합성하는 것은 (a) 탄소 플라즈마를 형성하는 단계; 및 (b) 섬유 물질에 배치된 촉매로 탄소 플라즈마를 향하게 하는 단계를 포함한다. 성장된 CNT의 직경은 CNT 형성 촉매의 크기에 따라 결정된다. 일부 실시예에서, 사이즈된 섬유 기질은 약 550℃ 내지 약 800℃로 가열되어 CNT 합성을 용이하게 한다. CNT의 성장을 개시하기 위하여, 아르곤, 헬륨 또는 질소와 같은 공정 기체; 및 아세틸렌, 에틸렌, 에탄올 또는 메탄올과 같은 탄소 함유 기체의 두 가지의 기체가 반응기로 주입된다. CNT는 CNT 형성 촉매의 위치에서 성장한다.

일부 실시예에서, CVD 성장은 플라즈마 향상(plasma-enhanced)된다. 성장 공정 동안 전기장을 제공하여 플라즈마가 생성될 수 있다. 이러한 조건에서 성장된 CNT는 전기장의 방향을 따를 수 있다. 따라서, 반응기의 기하학적 구조를 조절해서, 수직으로 배열된 탄소 나노튜브는 실린더형 섬유에 대하여 방사상으로 성장될 수 있다. 일부 실시예에서, 플라즈마는 섬유에 대하여 방사상 성장을 요구하지 않는다. 테이프, 매트, 직물, 플라이 등과 같은 특징적인 면을 가지는 섬유 물질에 대하여, 촉매는 일면 또는 양면에 배치될 수 있고, 상응해서 CNT는 일면 또는 양면에서 성장될 수 있다.

상술된 바와 같이, CNT 합성은 감을 수 있는 섬유 물질을 기능화하는 연속적인 공정을 제공하기에 충분한 속도로 수행된다. 수많은 장치 구조물은 아래 예시된 바와 같이 이러한 연속적인 합성을 용이하게 한다.

일부 실시예에서, CNT 주입 섬유 물질은 "올 플라즈마(all plasma)" 공정으로 제조될 수 있다. 이러한 실시예에서, 섬유 물질은 많은 플라즈마 중간 단계를 통과해서 최종 CNT 주입 생성물을 형성한다. 제1 플라즈마 공정은 섬유 표면의 개질화 단계를 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 이것은 촉매 배치를 용이하게 하기 위하여, 섬유 물질의 표면을 "조도화(roughing)"하는 플라즈마 공정이다. 상술한 바와 같이, 이것으로 제한되지 않는, 아르곤, 헬륨, 산소, 암모니아, 수소 및 질소를 포함하는 여러 가지 다른 기체 중 임의의 하나 이상의 플라즈마를 사용하여 표면 개질을 얻을 수 있다.

표면 개질 이후, 섬유 물질에 촉매를 적용한다. 이것은 섬유에 CNT 형성 촉매를 배치하는 플라즈마 공정이다. 전형적으로, CNT 형성 촉매는 상술된 바와 같이 전이 금속이다. 전이 금속 촉매는 페로플루이드(ferrofluid), 금속 유기물(metal organic), 금속 염, 또는 기상 운반을 촉진하는 다른 조성물의 형태에서 전구체로서 플라즈마 공급원료 기체에 첨가될 수 있다. 촉매는 진공도 불활성 대기도 요구되지 않는 주변 환경의 상온에서 적용될 수 있다. 일부 실시예에서, 섬유 물질은 촉매 적용 전에 냉각된다.

올 플라즈마 공정에 연속해서, 탄소 나노튜브 합성은 CNT 성장 반응기에서 일어난다. 이것은 플라즈마 향상된 화학적 증착을 사용해서 얻어질 수 있고, 여기서, 탄소 플라즈마는 촉매 적재 섬유에 분무된다. 탄소 나노튜브 성장은 (전형적으로, 촉매에 따라서 약 500℃ 내지 1000℃ 범위의) 상승된 온도에서 일어나기 때문에, 촉매 적재 섬유는 탄소 플라즈마에 노출되기 전에 가열될 수 있다. 주입 공정을 위해, 섬유 물질은 그것이 연화될 때까지 선택적으로 가열될 수 있다. 가열 이후, 섬유 물질은 탄소 플라즈마를 수용하도록 준비된다. 예를 들어, 탄소 플라즈마는 기체를 이온화할 수 있는 전기장을 통하여, 아세틸렌, 에틸렌, 에탄올 등과 같은 탄소 함유 기체를 통과시켜서 생성된다. 이러한 차가운 탄소 플라즈마는 분무 노즐을 통해서 섬유 물질로 유도된다. 섬유 물질은 분무 노즐의 약 1 cm 이내와 같이, 분무 노즐에 가까이 인접하여 플라즈마를 수용할 수 있다. 일부 실시예에서, 플라즈마 분무기에서 섬유 물질 상부에 가열기가 배치되어 섬유 물질의 상승된 온도를 유지한다.

연속적인 탄소 나노튜브 합성의 다른 양태는 섬유 물질에서 직접적으로 탄소 나노튜브의 합성 및 성장을 위한 특정한 장방형 반응기를 포함한다. 반응기는 탄소 나노튜브 함유 섬유를 제조하는 연속적인 인라인(in-line) 공정에서 사용되도록 고안될 수 있다. 일부 실시예에서, CNT는 멀티존(multi-zone) 반응기에서, 대기압 및 약 550℃ 내지 800℃ 범위의 상승된 온도에서 화학 증착(chemical vapor deposition, CVD)을 통하여 성장된다. 합성이 대기압에서 일어난다는 사실은 섬유상 CNT(CNT-on-fiber) 합성을 위한 연속적인 공정 라인으로 반응기의 통합을 용이하게 하는 일 요인이다. 이러한 존(zone) 반응기를 사용하는 연속적인 인라인 공정에 부합하는 하나의 장점은 CNT 성장이, 당해 기술에서 전형적인 다른 절차 및 장치 구성물에서의 분(minute) 단위 시간(또는 더 긴 시간)과는 달리, 초(second) 단위로 일어난다는 것이다.

다양한 실시예에 따른 CNT 합성 반응기는 이하의 특징을 포함한다.

장방형 형태의 합성 반응기:

당해 기술분야에서 공지된 전형적인 CNT 합성 반응기의 단면은 원형이다. 이는 예를 들어, 역사적인 이유(실린더형 반응기가 종종 실험실에서 사용됨) 및 편리성(유동 역학(flow dynamecs)은 실린더형 반응기로 모형화하기 쉽고, 가열기 시스템은 원형 튜브(석영 등)를 용이하게 받음), 제조의 용이성을 포함하는 많은 이유가 있다. 실린더형 관례를 이탈하여, 본 발명은 장방형 단면을 가지는 CNT 합성 반응기를 제공한다. 관례를 이탈한 이유는 하기와 같다.

1. 반응기에 의해 제조될 수 있는 많은 섬유 물질은 평평한 테이프(tape) 또는 시트 유사 형태(sheet-like in form), 또는 스프레드 토우(spread tow) 또는 로빙(roving)과 같이 상대적으로 평면이기 때문에, 원형 단면은 반응기 용적의 비효율적인 사용이다. 이러한 비효율성은 예를 들어, 이하를 포함하는 실린더형 CNT 합성 반응기의 여러 가지 결점을 초래한다.

a) 충분한 시스템 퍼지(purge)를 유지하는 단계;

증가된 반응기 용적은 동일한 수준의 기체 퍼지를 유지하기 위하여 증가된 기체 유동률(gas flow rate)을 요구한다. 이것은 개방 환경에서 높은 용적의 CNT 제조에 비효율적인 시스템을 초래한다.

b) 증가된 탄소 공급원료 기체 흐름

상기 a)에 따르면, 불활성 기체 흐름에서의 상대적인 증가는 증가된 탄소 공급원료 기체 흐름을 요구한다. 예시적인 12K 유리 섬유 로빙의 용적은 장방형 단면을 가지는 합성 반응기의 전체 용적보다 2000배 적은 것으로 고려된다. 균등한 성장 실린더형 반응기에서(즉, 장방형 단면 반응기와 동일한 평면화된 유리 섬유 물질을 수용하는 폭을 가지는 실린더형 반응기), 유리 섬유 물질의 용적은 챔버 용적보다 17,500배 적다. CVD와 같은 기체 증착 공정이 전형적으로 압력과 온도만의 지배를 받더라도, 용적은 증착의 효율성에 상당한 영향을 준다. 장방형 반응기로 여전히 용적 초과가 있다. 이러한 초과 용적은 원하지 않는 반응을 일으키기 쉽지만, 실린더형 반응기는 그 용적의 약 8배를 가진다. 이러한 경쟁 반응이 일어날 수 있는 더 큰 기회 때문에, 실린더형 반응기 챔버에서 더 느리게 원하는 반응이 효율적으로 일어난다. CNT 성장에서 이러한 둔화(slow down)는 연속적인 공정의 전개에 문제가 된다. 장방형 반응기 구성의 하나의 이점은 장방형 챔버를 위한 작은 높이를 사용함에 의하여 반응기 용적이 감소되어서, 이러한 용적비는 더 좋아지고 반응기는 더 효율적이 될 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, 장방형 합성 반응기의 전체 용적은 합성 반응기를 통과하는 섬유 물질의 전체 용적보다 단지 약 3000배 더 크다. 또한, 일부 실시예에서, 장방형 합성 반응기의 전체 용적은 합성 반응기를 통과하는 섬유 물질의 전체 용적보다 단지 약 4000배 더 크다. 또한, 일부 실시예에서, 장방형 합성 반응기의 전체 용적은 합성 반응기를 통과하는 섬유 물질의 전체 용적보다 단지 약 10,000배 더 크다. 또한, 실린더형 반응기를 사용할 때, 더 많은 탄소 공급원료 기체는 장방형 단면을 가지는 반응기와 비교하여 같은 유동 퍼센트를 제공하도록 요구되는 것이 명백하다. 일부 다른 실시예에서, 합성 반응은 장방형이 아닌 다각형 형태로 설명되는 단면도를 가지지만, 상대적으로 그와 유사하고 원형 단면을 가지는 반응기와 비교하여 반응 용적에서 유사한 감소를 제공한다는 것이 명백하다.

c) 온도 분포의 문제

상대적으로 작은 직경의 반응기가 사용될 때, 챔버의 중심으로부터 챔버의 벽으로 온도 변화는 최소화된다. 그러나, 상업적 규모의 제조에 사용되는 것과 같은 증가된 크기를 가지고, 온도 변화는 증가된다. 이러한 온도 변화는 탄소 섬유 물질 기질에 걸쳐 생산물의 질적 변화를 초래한다(즉, 생산물 품질은 방사성 위치에 따라서 변화한다). 이러한 문제는 장방형 단면을 가지는 반응기를 사용할 때 실질적으로 피할 수 있다. 특히, 평면 기질이 사용될 때, 반응기 높이는 상향된 기질 규모의 크기로서 일정하게 유지된다. 반응기의 상부와 하부 사이의 온도 변화는 실질적으로 무시할 수 있고, 결과적으로, 발생되는 열 문제 및 생산품의 질 변화를 피할 수 있다.

2. 기체 도입

일반적으로, 종래 기술에서는 튜브형 노(tublar furnace)가 사용되기 때문에, 전형적인 CNT 합성 반응기는 일 단부(one end)에서 기체를 도입하고 타 단부(other end)에서 반응기를 통하여 그것을 끌어당긴다. 본원에서 공개된 일부 실시예에서, 반응기의 면을 통하여 또는 반응기의 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 통하여 대칭적으로, 반응기의 중심 또는 타겟 성장대로 기체가 유도될 수 있다. 이것은 들어오는 공급원료 기체가 CNT 성장이 가장 활발한 시스템의 가장 고온 부분에서 연속적으로 보충되기 때문에 전체 CNT 성장률을 향상시킨다. 이러한 계속적인 기체 보충은 장방형 CNT 반응기에 의해 나타나는 증가된 성장률에 중요한 측면이다.

지대( Zoning )

상대적으로 냉각 퍼지(purge) 지대를 제공하는 챔버는 장방형 합성 반응기의 양 단부에 따른다. 고온 기체가 외부 환경(즉, 반응기의 외부)에 혼합된다면, 섬유 물질의 열화(degradation)가 증가되도록 결정되었다. 냉각 퍼지 지대는 내부 시스템과 외부 환경 사이에 버퍼(buffer)를 제공한다. 일반적으로, 당해 기술 분야에서 공지된 전형적인 CNT 합성 반응기 구조는 기질이 조심스럽게 (그리고 천천히) 냉각되는 것을 요구한다. 본 발명의 장방형 CNT 성장 반응기의 출구에서 냉각 퍼지 지대는 연속적인 인라인 공정에서 요구되는 바와 같이 단기간의 시간 동안에 냉각을 획득한다.

비접촉, 고온 벽( hot - walled ), 금속 반응기

일부 실시예에서, 금속, 특히 스테인리스강(stainless steel)으로 구성된 고온 벽 반응기가 사용된다. 이것은 금속, 특히 스테인리스강은 탄소 증착(즉, 그을음(soot) 및 부산물 형성)하기 더 쉽기 때문에 반직관적으로 보일 수 있다. 따라서, 대부분의 CNT 반응기 구조물은 석영 반응기를 사용하는데, 이것은 탄소 증착이 덜하고, 석영이 제거하기 용이하며, 석영이 간단한 관찰을 용이하게 하기 때문이다. 그러나, 스테인리스강에서 증가된 그을음 및 탄소 증착이 더 균일하고, 더 빠르고, 더 효율적이고, 그리고 더 안정한 CNT 성장을 일으키는 것으로 관찰되었다. 이론에 의해 한정되지 않고, 대기 작용과 함께, 반응기에서 일어나는 CVD 공정은 확산(diffusion)이 제한적이라고 지적되어 왔다. 다시 말해서, 촉매가 "과잉공급(overfed)"되고, 과다한 탄소는 (부분적인 진공 하에서 반응기가 동작하는 것보다) 그것의 상대적으로 높은 분압으로 인해 반응기 시스템에서 활용가능하다. 결과적으로, 개방 시스템에서, 특히 클린(clean) 시스템에서, 과다 탄소는 촉매 입자에 접착되고, 그들의 CNT 합성 능력을 타협한다. 일부 실시예에서, 반응기가 금속 반응기 벽에 증착된 그을음을 가지는 "더티(dirty)"일때, 장방형 반응기를 의도적으로 실행한다. 일단, 반응기의 벽의 단일층에 탄소가 증착하면, 탄소는 그 스스로 쉽게 증착될 것이다. 일부 활용가능한 탄소는 이러한 메커니즘으로 인하여 "후퇴(withdrawn)"되기 때문에, 방사상 형태로 남아있는 탄소 공급원료는 촉매가 유해하지 않는 속도로 촉매와 반응한다. 기존의 시스템은 "깨끗하게(cleanly)" 작동하고, 이것은 기존의 시스템이 연속적인 공정에서 개방된다면, 감속된 성장 속도에서 크게 감소된 수율의 CNT를 제조한다.

일반적으로, 상술된 바와 같은 CNT 합성 "더티"를 수행하는 것이 유익하더라도, 그을음이 장애물(blockage)을 생성할 때, 기체 매니폴드(manifold) 및 흡입구와 같이 장치의 어느 부분은 CNT 성장 공정에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, CNT 성장 반응 챔버의 이러한 영역은 실리카, 알루미나, 또는 MgO와 같이 그을음 억제 코팅제(soot inhibiting coating)로 보호될 수 있다. 실제로, 장치의 이러한 부분은 그을음 억제 코팅제로 딥코팅될 수 있다. INVAR^®와 같은 금속이 이러한 코팅제로 사용될 수 있는데, INVAR는 유사한 열팽창계수(coefficient of thermal expansion, CTE)를 가져서, 고온에서 적합한 코팅의 접착을 보장하고, 중요한 지대에서 그을음이 상당히 크게 성장하는 것을 억제하기 때문이다.

결합된 촉매 환원 및 CNT 합성

본원에서 공개된 CNT 합성 반응기에서, 촉매 환원 및 CNT 성장은 모두 반응기 내에서 일어난다. 이것은 환원 단계가 분리된 동작으로 수행된다면, 연속적인 공정에서 사용하기에 충분하도록 시기 적절하게 수행될 수 없기 때문에 중요하다. 당해 기술분야에서 공지된 전형적인 공정에서, 일반적으로, 환원 단계는 수행되는데 1 내지 12 시간이 걸린다. 적어도 부분적으로, 실린더형 반응기를 사용하는 기술 분야에서 일반적인 단부가 아닌, 반응기의 중심에서 탄소 공급원료 기체가 도입된다는 사실 때문에, 두 개의 동작 모두 본 발명에 따른 반응기에서 일어난다. 환원 공정은 섬유가 가열된 지대로 들어가면서 일어나며, 이러한 점에 의하여, 기체는 (수소 라디칼 반응에 의하여) 촉매와 반응해서 산화 환원을 일으키기 전에, 벽과 반응해서 냉각되는 시간을 갖는다. 환원이 일어나는 이러한 전이 영역이 있다. 시스템의 가장 뜨거운 등온 지대에서, 반응기의 중심 근처의 기체 흡입구에 인접해서 일어날 때, CNT 성장은 가장 큰 성장률로 일어난다.

일부 실시예에서, 예를 들어 유리 로빙과 같은 로빙, 또는 토우를 포함하는 느슨하게 결합된 섬유 물질이 사용될 때, 연속적인 공정은 토우 또는 로빙의 스트랜드 및/또는 필라멘트를 펼치는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 토우 또는 로빙이 풀어질 때, 그것은 예를 들어, 진공 기반의 섬유 스프레딩 시스템(vacumn-based fiber spreading system)을 사용하여 풀 수 있다. 상대적으로 딱딱(stiff)할 수 있는 사이즈된 유리 섬유 로빙을 사용할 때, 추가적인 가열이 수행되어, 로빙을 "연화(soften)"해서 섬유 스프레딩을 용이하게 할 수 있다. 각각의 필라멘트를 포함하는 스프레드 섬유는 효율적으로 떨어져서 풀어지고 필라멘트의 전체 표면적에 노출되어서, 이어지는 공정 단계에서 로빙이 더 효율적으로 반응할 수 있게 한다. 예를 들어, 스프레드 토우 또는 로빙은 상술된 바와 같이 플라즈마 시스템으로 구성된 표면 처리 단계를 통과할 수 있다. 조도화된 이후, 스프레드 섬유는 CNT 형성 촉매 딥 배스를 통과할 수 있다. 결과적으로 그 표면에 방사상으로 촉매 입자를 가지는 로빙 유리 섬유가 된다. 이후, 촉매 적재 로빙 섬유는, 상술된 장방형 챔버와 같은 적합한 CNT 성장 챔버로 들어가고, 여기서, 대기압 CVD 또는 PE-CVD 공정을 통한 흐름이 사용되어, 수 마이크론(micron)/초(second)와 같이 높은 속도로 CNT를 합성한다. 이제, 방사상으로 정렬된 CNT와 함께 로빙 섬유는 CNT 성장 반응기를 나온다.

본 발명의 다양한 실시예의 활동에 실질적으로 영향을 미치지 않는 변경은, 또한 본원에서 제공되는 발명의 정의에 포함되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 이하의 실시예는 본 발명을 예시하는 것이고, 제한하는 것은 아니다.

실시예 Ⅰ

본 실시예는 연속적인 공정으로 CNT가 유리 섬유 물질에 주입되어서 탄도 손상 감지 적용에 사용될 수 있는 방법을 나타낸다. 이 경우, 손상 검지 해상도를 향상시키기 위하여 짧은 CNT의 배열이 바람직하다.

도 14는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 CNT 주입 섬유를 제조하는 시스템(1500)을 도시한다. 시스템(1500)은, 도시된 바와 같이 상호 관련된, 유리 섬유 물질 페이아웃 및 텐셔너 시스템(102), CNT 주입 시스템(112), 및 섬유 와인더(124)를 포함한다.

페이아웃 및 텐셔너 시스템(102)은 페이아웃 보빈(104) 및 텐셔너(106)를 포함한다. 페이아웃 보빈은 섬유 스풀을 지지하고, 9 ft/min의 선속도로 유리 섬유 물질(101)을 공정으로 분배하고; 텐셔너(106)를 통하여, 섬유 텐션은 1lbs 내지 5lbs로 유지된다. 페이아웃 및 텐셔너 시스템(102)은 섬유 업계에 일반적으로 사용되고; 당업자는 이러한 설계 및 사용에 친숙할 것이다.

텐션된 섬유(105)는 CNT 주입 시스템(112)으로 분배된다. CNT 주입 시스템(112)은 촉매 적용 시스템(114) 및 마이크로-캐비티 CVD 기반의 CNT 주입 스테이션(125)을 포함한다.

이러한 예시적인 실시예에서, 촉매 용액은, 딥 배스(135)를 통해 텐션된 섬유(130)를 통과하는 것과 같은 딥 공정을 통해서 적용된다. 이러한 예에서, 1부의 페로플루이드 나노입자 용액과 100부의 헥산의 용적비로 이루어진 촉매 용액이 사용된다. 향상된 ILSS를 목표로 하는 CNT 주입 섬유에 대한 공정 선속도에서, 섬유는 10초 동안 딥 배스에 남을 것이다. 촉매는 진공도 비활성 대기도 요구되지 않는 주위 환경의 상온에서 적용될 수 있다.

이후, 촉매 적재 유리 섬유(107)는 프리-성장(pre-growth) 냉각된 비활성 기체 퍼지 지대, CNT 성장대, 포스트-성장(post-growth) 기체 퍼지 지대로 구성된 CNT 주입 스테이션(125)을 통과한다. 상술한 바와 같이, 실온 질소 기체가 프리 성장 퍼지 지대에 도입되어서, CNT 성장대로부터 방출된 기체를 냉각시킨다. 방출된 기체는 섬유 산화를 방지하기 위하여 신속한 질소 퍼지를 통해서 250℃ 이하로 냉각된다. 섬유는 CNT 성장대로 들어가고, 여기서 기체 매니폴드를 통해서 중심으로 유도되는 2.3% 질량 흐름의 탄소 함유 공급원료 기체(아세틸렌)와 97.7% 질량 흐름의 비활성 기체(질소)의 혼합물은 상승된 온도로 가열된다. 이러한 예에서, 시스템의 길이는 3 피트(feet) 길이이고, CNT 성장대의 온도는 750℃이다. 이러한 예에서, 촉매 적재 섬유는 약 20초 동안 CNT 성장 환경에 노출되어서, 유리 섬유 표면에 주입된 CNT가 5 마이크론의 길이와 4% 미만의 용적 퍼센트를 갖게 한다. CNT 주입된 유리 섬유는 최종적으로 포스트-성장 퍼지 지대를 통과하고, 여기에서 섬유 및 방출된 기체는 250℃로 냉각되어서, 섬유 표면 및 CNT에서의 산화를 방지한다.

CNT 주입 섬유(109)는 섬유 와인더(124)에 수집되고, 여기서 CNT 주입 섬유(109)는 스풀 주위에서 포장되고 스풀에 저장된다.

이후, 제조된 CNT 주입 섬유(109)는 필라멘트 와인더(도시되지 않음)를 사용하여 플레이트에 대해 단방향의 방향으로 직조된다. 각 단방향 섬유 번들은 각 인접 번들과 접촉되도록 직조된다. 단방향 섬유의 4개의 층은 6"×6" 플레이트 상에서 직조된다.

7"×7" 플레이트 상에서 직조된 섬유는 진공 보조 수지 이송 방법(vacuum assisted resin transfer method; VARTM)을 사용하여 열가소성 수지, EPON 828에 주입되고, 여기서 직물은 진공 하에서 넣어져서 배치된다. 수지는 진공을 사용하여 구조물을 통해 이송된다. 최종 구조물은 수지 제조 요건에 기초하여 가열된 프레스에서 경화된다.

경화된 복합재 스킨은 6.5"×6" 패널로 절단된다. 패널은 (도 4에 도시된 것과 유사한) 섬유 방향에 평행한 12개의 동일한 간격의 전극 점을 노출하기 위하여 마스크되고, 12개의 동일한 간격의 전극 점을 사포질하여(sand), 수지가 풍부한 표면층을 제거한다. 스퍼터 증착을 이용하여 금 전극 접촉물을 배치한다.

추가적인 단방향 패널은 식별번호 <0109> 내지 <0121>에 설명된 것과 유사하게 마련된다. 이러한 패널은 도 5에서 도시된 구성으로, 즉 0°방향 섬유층-절연 유리 섬유층-90°방향 섬유층-탄도 패널로 다중층 유리 복합재 탄도 패널에 결합된다. 전형적인 2부분의 에폭시 접착제가 사용되어서, 복합재 구조물의 각 층을 결합시킨다.

최종 복합재 구조물에 탄도 손상을 시뮬레이션하기 위하여 전단 펀치(shear punch)가 사용된다. 10 Hz의 입력 신호 및 0.5 볼트의 진폭이 주어진 경우, 1A-B 내지 12A-B로 표시된 각 전극 쌍에 걸쳐 초기 저항 판독을 수행한다. 탄도 라운드를 시뮬레이션하는데 사용되는 1/2" 사이즈 직경의 전단 펀치는 Instron 압축 시험기를 사용하여 탄도 패널을 통해 압축된다. 가상 손상의 위치에 따라서, 저항 변화는 다양한 전극 쌍에 기록된다. 패널 중심에 홀의 경우, 양쪽 방향의 층(0°및 90°)을 위한 전극 쌍 (6A-B 및 7A-B)(도 8과 유사하게 도시됨)에 대하여, 3% 미만의 저항 변화가 관찰된다. 관찰된 저항 변화의 양은 발생된 탄도 손상의 형태 및 심각도를 설명하는 정보를 제공하고, 영향받은 전극 쌍은 손상 위치에 대한 정보를 제공한다.

실시예 Ⅱ

본 실시예는 연속적인 공정으로 CNT가 유리 섬유 물질에 주입되어서 충격 손상 감지 적용에 사용될 수 있는 방법을 나타낸다. 이 경우, 손상 검지 해상도를 향상시키기 위하여 짧은 CNT의 배열이 바람직하다.

페이아웃 및 텐셔너 시스템(102)은 페이아웃 보빈(104) 및 텐셔너(106)를 포함한다. 페이아웃 보빈은 섬유 스풀을 지지하고, 12 ft/min의 선속도로 유리 섬유 물질(101)을 공정으로 분배하고; 텐셔너(106)를 통하여, 섬유 텐션은 1lbs 내지 5lbs로 유지된다. 페이아웃 및 텐셔너 시스템(102)은 섬유 업계에 일반적으로 사용되고; 당업자는 이러한 설계 및 사용에 친숙할 것이다.

이러한 예시적인 실시예에서, 촉매 용액은, 딥 배스(135)를 통해 텐션된 섬유(130)를 통과하는 것과 같은 딥 공정을 통해서 적용된다. 이러한 예에서, 1부의 페로플루이드 나노입자 용액과 100부의 헥산의 용적비로 이루어진 촉매 용액이 사용된다. 향상된 ILSS를 목표로 하는 CNT 주입 섬유에 대한 공정 선속도에서, 섬유는 7.5초 동안 딥 배스에 남을 것이다. 촉매는 진공도 비활성 대기도 요구되지 않는 주위 환경의 상온에서 적용될 수 있다.

이후, 촉매 적재 유리 섬유(107)는 프리-성장(pre-growth) 냉각된 비활성 기체 퍼지 지대, CNT 성장대, 포스트-성장(post-growth) 기체 퍼지 지대로 구성된 CNT 주입 스테이션(125)을 통과한다. 상술한 바와 같이, 실온 질소 기체가 프리 성장 퍼지 지대에 도입되어서, CNT 성장대로부터 방출된 기체를 냉각시킨다. 방출된 기체는 섬유 산화를 방지하기 위하여 신속한 질소 퍼지를 통해서 250℃ 이하로 냉각된다. 섬유는 CNT 성장대로 들어가고, 여기서 기체 매니폴드를 통해서 중심으로 유도되는 2.3% 질량 흐름의 탄소 함유 공급원료 기체(아세틸렌)와 97.7% 질량 흐름의 비활성 기체(질소)의 혼합물은 상승된 온도로 가열된다. 이러한 예에서, 시스템의 길이는 3 피트(feet) 길이이고, CNT 성장대의 온도는 750℃이다. 이러한 예에서, 촉매 적재 섬유는 약 15초 동안 CNT 성장 환경에 노출되어서, 유리 섬유 표면에 주입된 CNT가 3 마이크론의 길이와 3.5% 미만의 용적 퍼센트를 갖게 한다. CNT 주입된 유리 섬유는 최종적으로 포스트-성장 퍼지 지대를 통과하고, 여기에서 섬유 및 방출된 기체는 250℃로 냉각되어서, 섬유 표면 및 CNT에서의 산화를 방지한다.

이후, 제조된 CNT 주입 섬유(109)는 필라멘트 와인더(도시되지 않음)를 사용하여 액자 플레이트(중앙에서 벗어난 홀을 플레이트 함)에 대해 90°방향으로 직조된다. 각 단방향 섬유 번들은 각 인접 번들과 접촉하도록 직조된다. 0°방향의 다른 층은 90°층 위에 직조된다. 액자 중심에서 물질은 절단되어서, 도 2의 A에 도시된 구조물에서 3.25"×3.25" 섬유 적층을 형성한다.

적층된 섬유 구조물은 진공 보조 수지 이송 방법(vacuum assisted resin transfer method; VARTM)을 사용하여 열가소성 수지, EPON 828에 주입되고, 여기서 3.25"×3.25" 적층된 섬유 구조물은 진공 하에서 넣어져서 배치된다. 수지는 진공을 사용하여 구조물을 통해 이송된다. 최종 주입 물질은 수지 제조 요건에 기초하여 가열된 프레스에서 경화된다.

경화된 복합재 플레이트는 3"×3" 패널로 절단된다. 주변을 따라서 구조물에서 일련의 1/8" 직경 홀이 천공되어서, 각 플레이트의 면을 따라서 3개의 동일한 간격의 홀이 형성된다. 각 홀의 내부는 전도성 은 페인트(silver paint)로 코팅되고, 전극 와이어에는 동일한 회전력을 갖는 적당한 크기의 하드웨어가 부착되어서, 도 2의 B에 도시된 것과 유사한 패널을 형성한다.

낙하 시험 장치는 최종 복합재 구조물에 대한 충격 손상을 시뮬레이션하는데 사용된다. 초기 저항 및 신호 위상 판독은 각 전극 쌍을 통해 수행되고, 여기서 전극 1이 상부 가장 중심이고 전극 8에 시계방향으로 전극 수가 증가한다. 각각의 남아있는 전극에 의하여 신호가 얻어지는 동안, 각 전극은 송신기 역할을 한다. 이러한 역할은 모든 전극이 송신기로 사용될 때까지 각 전극에 대해 시계방향으로 전달된다. 1 kHz의 입력 신호 및 1.0 볼트의 진폭이 주어진 경우, 최종 데이터 배열은 복합재 구조물의 초기 손상 상태에 대한 정보를 제공한다. 낙하 시험 장치를 사용하여, 충격 손상을 시뮬레이션하기 위하여 패널 표면 상의 125cm 높이에서 3700 그램 무게의 볼을 떨어뜨린다. 낙하 시험이 완료되면, 후속 샘플에서 상술된 바와 같이 다른 저항 및 신호 위상 판독을 수행한다. 이러한 경우, 0.1°내지 0.15°위상 이동은 내부 복합재 구조물에서 균열의 정보를 나타내므로, 반대로 간격을 둔 여러 세트의 전극 쌍을 통해서는 0.19%의 저항 변화가 관찰된다. 관찰된 저항 변화의 양은 발생된 충격 손상의 심각도를 설명하는 정보를 제공하고, 영향받은 전극 쌍은 손상 위치에 대한 정보를 제공하고, 위상 이동은 복합재 구조물 내에서 발생된 내부 균열의 기하학적 구조에 대한 정보를 제공한다.

상술된 실시예는 단지 본 발명을 예시하는 것이며, 본 발명의 사상을 벗어나지 않으면서, 상술된 실시예의 많은 변경이 당업자에 의해 고안될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 명세서에서, 본 발명의 예시적인 실시예의 완전한 설명 및 이해를 제공하기 위해서, 많은 특정한 세부사항이 제공되었다. 그러나, 하나 이상의 이러한 세부사항 없이도, 또는 다른 공정, 물질, 구성 등으로도 본 발명을 수행할 수 있다는 것을 당업자는 인식할 것이다.

또한, 일부 예시에서, 예시적인 실시예의 양태를 모호하게 하는 것을 방지하기 위하여, 공지의 구조, 물질, 또는 동작은 상세하게 도시 또는 기재되지 않는다. 도면에 나타난 다양한 실시예는 예시적인 것이며, 필수적으로 도시된 축척인 것은 아니라는 것을 알 수 있다. 명세서를 통한 "일 실시예" 또는 "하나의 실시예" 또는 "일부 실시예"라는 언급은 실시예(들)와 연결해서 기재된 특별한 성질, 구조, 물질, 또는 특징이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되는 것을 의미하며, 반드시 모든 실시예들에 포함되는 것을 의미하는 것은 아니다. 결과적으로, 명세서를 통해 여러 곳에서 기재된 "일 실시예에서", "하나의 실시예에서", 또는 "일부 실시예에서"라는 문구의 등장도 반드시 동일한 실시예를 모두 참조하여야 하는 것을 의미하는 것은 아니다. 또한, 특별한 성질, 구조, 물질, 또는 특징은 하나 이상의 실시예에서 적절한 방식으로 결합될 수 있다. 따라서, 이러한 변형은 이하의 청구항 및 그 균등물의 범위 내에 포함됨을 의도한다.

Claims

a) 매트릭스 물질; 및
b) 상기 매트릭스 물질의 적어도 일부에 배치된 제1 단방향 어레이의 탄소 나노튜브(carbon nanotube; CNT) 주입 섬유를 포함하는
복합재.
제1항에 있어서,
상기 매트릭스 물질은 열경화제, 열가소제, 세라믹 및 시멘트에서 선택되는
복합재.
제1항에 있어서,
주입된 CNT는 다중벽 CNT(multi-walled CNT; MWNT), 이중벽 CNT(double-walled CNT; DWNT), 단일벽 CNT(single-walled CNT; SWNT); 및 이들의 혼합에서 선택되는
복합재.
제3항에 있어서,
주입된 CNT는 다중벽 CNT인
복합재.
제1항에 있어서,
주입된 CNT는 섬유 축을 따라 실질적으로 정렬되는
복합재.
제1항에 있어서,
주입된 CNT는 섬유 축에 실질적으로 수직 정렬되는
복합재.
제1항에 있어서,
주입된 CNT는 상기 복합재의 약 0.01중량% 내지 약 1중량%의 범위로 존재하는
복합재.
제1항에 있어서,
주입된 CNT는 약 100 나노미터 내지 약 5 마이크론 범위의 길이를 갖는
복합재.
제1항에 있어서,
상기 CNT 주입 섬유는 유리 섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유 및 이들의 혼합에서 선택되는
복합재.
제1항에 있어서,
상기 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유는 연속 섬유를 포함하는
복합재.
제1항에 있어서,
상기 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유는 복수의 불연속 섬유를 포함하는
복합재.
제1항에 있어서,
상기 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유는 복합재의 표면에 배치되는
복합재.
제1항에 있어서,
제2 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유를 더 포함하는
복합재.
제13항에 있어서,
상기 제2 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유는, 상기 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유에 대하여 약 0도 내지 약 90도의 각도로 배치되는
복합재.
제13항에 있어서,
상기 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유와 상기 제2 단방향 CNT 주입 섬유 사이에 배치된 절연층을 더 포함하는
복합재.
a) 복합재로서,
ⅰ) 매트릭스 물질; 및
ⅱ) 상기 매트릭스 물질의 적어도 일부에 배치된 제1 단방향 어레이의 탄소 나노튜브(carbon nanotube; CNT) 주입 섬유를 포함하는 복합재; 및
b) 전기 전하를 송신 또는 수신하기 위하여 상기 복합재의 주변에 배치된 네트워크 전극을 포함하는
물품.
제16항에 있어서,
상기 복합재에 걸쳐 저항의 변화를 검지하기 위하여, 상기 네트워크 전극에 연결된 감지 회로를 더 포함하는
물품.
제17항에 있어서,
상기 감지 회로는 상기 복합재에서 변형률(strain), 피로(fatigue), 손상(damage) 및/또는 균열(crack)의 위치를 측정하고 매핑(mapping)할 수 있는
물품.
제16항에 있어서,
상기 매트릭스 물질은 열경화제, 열가소제, 세라믹 및 시멘트에서 선택되는
물품.
제16항에 있어서,
주입된 CNT는 다중벽 CNT(multi-walled CNT; MWNT), 이중벽 CNT(double-walled CNT; DWNT), 단일벽 CNT(single-walled CNT; SWNT); 및 이들의 혼합에서 선택되는
물품.
제20항에 있어서,
주입된 CNT는 다중벽 CNT인
물품.
제16항에 있어서,
주입된 CNT는 섬유 축을 따라 실질적으로 정렬되는
물품.
제16항에 있어서,
주입된 CNT는 섬유 축에 실질적으로 수직 정렬되는
물품.
제16항에 있어서,
주입된 CNT는 상기 복합재의 약 0.01중량% 내지 약 1중량%의 범위로 존재하는
물품.
제16항에 있어서,
주입된 CNT는 약 100 나노미터 내지 약 5 마이크론 범위의 길이를 갖는
물품.
제16항에 있어서,
상기 CNT 주입 섬유는 유리 섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유 및 이들의 혼합에서 선택되는
물품.
제16항에 있어서,
상기 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유는 연속 섬유를 포함하는
물품.
제16항에 있어서,
상기 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유는 복수의 불연속 섬유를 포함하는
물품.
제16항에 있어서,
상기 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유는 복합재의 표면에 배치되는
물품.
제16항에 있어서,
제2 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유를 더 포함하는
물품.
제30항에 있어서,
상기 제2 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유는, 상기 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유에 대하여 약 0도 내지 약 90도의 각도로 배치되는
물품.
제30항에 있어서,
상기 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유와 상기 제2 단방향 CNT 주입 섬유 사이에 배치된 절연층을 더 포함하는
물품.
제16항에 있어서,
상기 네트워크 전극은 은색 페인트로 가공된, 네트워크 송신 및 수신 전극을 포함하는
물품.
제16항에 있어서,
상기 네트워크 전극은 매입된(embeded) 구리 핀을 포함하는, 네트워크 송신 및 수신 전극을 포함하는
물품.
A) 물품으로서, 상기 물품이
ⅰ) 복합재를 포함하고, 상기 복합재가
a) 매트릭스 물질; 및
b) 상기 매트릭스 물질의 적어도 일부에 배치된 제1 단방향 어레이의 탄소 나노튜브(carbon nanotube; CNT) 주입 섬유를 포함하는 물품; 및
B) 상기 복합재에 걸쳐 저항의 변화를 검지하기 위하여, 상기 복합재에 연결된 감지 회로를 포함하는
시스템.
.
제36항에 있어서,
상기 복합재를 상기 감지 회로에 연결하는 네트워크 전극을 더 포함하는
시스템.
제37항에 있어서,
상기 네트워크 전극에 전류를 공급하는 소스를 더 포함하는
시스템.
제35항에 있어서,
상기 감지 회로는 상기 복합재에서 변형률(strain), 피로(fatigue), 손상(damage) 및/또는 균열(crack)의 위치를 측정하고 매핑(mapping)할 수 있는
시스템.
제35항에 있어서,
상기 감지 회로로부터 저항 데이터를 수신하기 위하여 장착된 컴퓨터를 더 포함하고,
상기 컴퓨터는 손상 감지 알고리즘을 갖는 소프트웨어를 제공하는
시스템.
제40항에 있어서,
상기 복합재에서 변형률(strain), 피로(fatigue), 손상(damage) 및/또는 균열(crack)의 위치를 표시하는 그래픽 사용자 인터페이스(graphic user interface)를 더 포함하는
시스템.
제35항에 있어서,
상기 매트릭스 물질은 열경화제, 열가소제, 세라믹 및 시멘트에서 선택되는
시스템.
제35항에 있어서,
주입된 CNT는 다중벽 CNT(multi-walled CNT; MWNT), 이중벽 CNT(double-walled CNT; DWNT), 단일벽 CNT(single-walled CNT; SWNT); 및 이들의 혼합에서 선택되는
시스템.
제43항에 있어서,
주입된 CNT는 다중벽 CNT인
시스템.
제35항에 있어서,
주입된 CNT는 섬유 축을 따라 실질적으로 정렬되는
시스템.
제35항에 있어서,
주입된 CNT는 섬유 축에 실질적으로 수직 정렬되는
시스템.
제35항에 있어서,
주입된 CNT는 상기 복합재의 약 0.01중량% 내지 약 1중량%의 범위로 존재하는
시스템.
제35항에 있어서,
주입된 CNT는 약 100 나노미터 내지 약 5 마이크론 범위의 길이를 갖는
시스템.
제35항에 있어서,
상기 CNT 주입 섬유는 유리 섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유 및 이들의 혼합에서 선택되는
시스템.
제35항에 있어서,
상기 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유는 연속 섬유를 포함하는
시스템.
제35항에 있어서,
상기 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유는 복수의 불연속 섬유를 포함하는
시스템.
제35항에 있어서,
상기 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유는 복합재의 표면에 배치되는
시스템.
제35항에 있어서,
제2 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유를 더 포함하는
시스템.
제53항에 있어서,
상기 제2 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유는, 상기 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유에 대하여 약 0도 내지 약 90도의 각도로 배치되는
시스템.
제53항에 있어서,
상기 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유와 상기 제2 단방향 CNT 주입 섬유 사이에 배치된 절연층을 더 포함하는
시스템.
제35항에 있어서,
상기 네트워크 전극은 은색 페인트로 가공된, 네트워크 송신 및 수신 전극을 포함하는
시스템.
제35항에 있어서,
상기 네트워크 전극은 매입된(embeded) 구리 핀을 포함하는, 네트워크 송신 및 수신 전극을 포함하는
시스템.
1) 시스템을 제공하는 단계; 및
2) 감지 회로가 복합재에서 결함(flaw) 또는 디팩트(defect)와 관련된 저항의 변화를 검지할 수 있도록 상기 복합재에 전류를 공급하는 단계를 포함하며,
상기 시스템이
A) 물품으로서, 상기 물품이
복합재를 포함하고, 상기 복합재가
a) 매트릭스 물질; 및
b) 상기 매트릭스 물질의 적어도 일부에 배치된 제1 단방향 어레이의 탄소 나노튜브(carbon nanotube; CNT) 주입 섬유를 포함하는 물품; 및
B) 상기 복합재에 걸쳐 저항의 변화를 검지하기 위하여, 상기 복합재에 연결된 감지 회로를 포함하는 시스템인
방법.
제58항에 있어서,
상기 감지 회로의 출력에 기초하여, 상기 복합재에서 결함 또는 디팩트의 위치를 결정하기 위한 수단을 더 포함하는
방법.
제58항에 있어서,
상기 결함 또는 디팩트는 상기 복합재에서의 변형률(strain), 피로(fatigue), 손상(damage) 및/또는 균열(crack)에서 선택되는
방법.
제58항에 있어서,
상기 감지 회로로부터 저항 데이터를 수신하기 위하여 장착된 컴퓨터를 더 포함하고,
상기 컴퓨터는 손상 감지 알고리즘을 갖는 소프트웨어를 제공하는
방법.
제61항에 있어서,
상기 복합재에서 변형률(strain), 피로(fatigue), 손상(damage) 및/또는 균열(crack)의 위치를 표시하는 그래픽 사용자 인터페이스(graphic user interface)를 더 포함하는
방법.
제58항에 있어서,
상기 매트릭스 물질은 열경화제, 열가소제, 세라믹 및 시멘트에서 선택되는
방법.
제58항에 있어서,
주입된 CNT는 다중벽 CNT(multi-walled CNT; MWNT), 이중벽 CNT(double-walled CNT; DWNT), 단일벽 CNT(single-walled CNT; SWNT); 및 이들의 혼합에서 선택되는
방법.
제64항에 있어서,
주입된 CNT는 다중벽 CNT인
방법.
제58항에 있어서,
주입된 CNT는 섬유 축을 따라 실질적으로 정렬되는
방법.
제58항에 있어서,
주입된 CNT는 섬유 축에 실질적으로 수직 정렬되는
방법.
제58항에 있어서,
주입된 CNT는 상기 복합재의 약 0.01중량% 내지 약 1중량%의 범위로 존재하는
방법.
제54항에 있어서,
주입된 CNT는 약 100 나노미터 내지 약 5 마이크론 범위의 길이를 갖는
방법.
제58항에 있어서,
상기 CNT 주입 섬유는 유리 섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유 및 이들의 혼합에서 선택되는
방법.
제58항에 있어서,
상기 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유는 연속 섬유를 포함하는
방법.
제58항에 있어서,
상기 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유는 복수의 불연속 섬유를 포함하는
방법.
제58항에 있어서,
상기 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유는 복합재의 표면에 배치되는
방법.
제58항에 있어서,
제2 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유를 더 포함하는
방법.
제74항에 있어서,
상기 제2 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유는, 상기 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유에 대하여 약 0도 내지 약 90도의 각도로 배치되는
방법.
제74항에 있어서,
상기 제1 단방향 어레이의 CNT 주입 섬유와 상기 제2 단방향 CNT 주입 섬유 사이에 배치된 절연층을 더 포함하는
방법.
제58항에 있어서,
상기 시스템은 네트워크 송신 및 수신 전극을 더 포함하는
방법.
제77항에 있어서,
상기 네트워크 전극은 은색 페인트로 가공된, 네트워크 송신 및 수신 전극을 포함하는
방법.
제77항에 있어서,
상기 네트워크 전극은 매입된(embeded) 구리 핀을 포함하는, 네트워크 송신 및 수신 전극을 포함하는
방법.