ＣＮＴを適合された宇宙ベース複合材料構造体
第１のカーボンナノチューブ浸出材料と第２のカーボンナノチューブ浸出材料とを備えた宇宙ベースの複合材料構造体を有する装置。前記第１及び第２のカーボンナノチューブ浸出材料は、それぞれ異なる機能性を提供するために選択されたカーボンナノチューブ担持量の範囲を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００９年１１月２３日に出願された米国特許仮出願第６１／２６３，８０７号及び２００９年１２月１４日に出願された米国特許仮出願第６１／２８６，３４０号に対する優先権を主張し、それらの全内容は参照により本出願に組み込まれる。
【０００２】
（連邦支援研究又は開発に関する記載）
適用無し。
【背景技術】
【０００３】
本発明は、概してカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）に関し、より詳細には、複合材料及び複合材料構造体に組み込まれたＣＮＴに関する。
【０００４】
ハイブリッド複合材料は、様々な成功の度合いで使用されている。機械的強化、コスト削減、煤煙防止及び耐薬品性等の様々な目的のために使用される凝集体やフィルタの追加とともに、複合材料内での２，３の異なる補強材の使用が行われている。
【０００５】
宇宙ベース構造体は、操作性及び効率性に関する多くの要求にさらされる。構造体筐体の電気回路は、適切な保護無しでは動作に支障をきたすおそれのある電磁伝導や電磁放射にさらされやすい。構造体の小規模な又は修繕可能な構造損傷は、迅速に発見しなければ、深刻な又は完全な故障にすぐさま発展するおそれがある。除氷をしないと、重要な部品上に氷が形成され、機能性を変化させ、故障を引き起こしかねない。構造体の重要部分におけるせん断力、張力及び圧力は、適切な構造的健全性がないと、徐々に故障を引き起こす可能性がある。微小亀裂を形成初期に防がないと、亀裂伝播が深刻な又は完全な故障を引き起こすおそれがある。様々な温度や他の要素が、構造体に不適切な熱伝導性の影響を与えることもある。構造体は、適切な保護がないと、突然の静電蓄積を経験することもある。宇宙ベース構造体におけるこれらの（及びさらなる）要求は、それぞれの要求に適した材料の選択を困難にする。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一態様において、本明細書で開示された実施形態は、マトリックス材と特定の機能性を備えたＣＮＴ浸出繊維材料とを含む適合された複合材料（tailored composite materials）に関する。
【０００７】
一態様において、本明細書で開示された実施形態は、少なくとも（１）構造体に第１の機能性を与える第１のカーボンナノチューブ浸出材料と、（２）構造体に第２の機能性を与える第２のカーボンナノチューブ浸出材料と、を有する複合材料構造体を備えた宇宙で支持される構造体を含む装置に関する。ある実施形態において、前記複合材料構造体は、構造体にさらなる機能性を与えるさらなるカーボンナノチューブ浸出材料を有する。
【０００８】
一態様において、本明細書で開示された実施形態は、少なくとも（１）構造体に第１の機能性を与える第１のカーボンナノチューブ浸出材料と、（２）構造体に第２の機能性を与える第２のカーボンナノチューブ浸出材料と、を有する複合材料構造体を備えた宇宙で支持される構造体を含む提供することを含む方法に関する。ある実施形態において、前記複合材料構造体は、構造体にさらなる機能性を与えるさらなるカーボンナノチューブ浸出材料を有する。カーボンナノチューブ浸出材料のカーボンナノチューブの担持量は、対応する機能性に基づいて選択することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】連続化学蒸着（ＣＶＤ）処理によりパンベースの（PAN-BASED）炭素繊維上に成長した多層ＣＮＴ（ＭＷＮＴ）の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像を示す。
【図２】連続ＣＶＤ処理によりパンベースの炭素繊維上に成長した２層ＣＮＴ（ＤＷＮＴ）のＴＥＭ画像を示す。
【図３】ＣＮＴ形成ナノ粒子触媒が繊維材料表面に機械的に浸出された部分のバリアコーティング内部から成長したＣＮＴの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。
【図４】炭素繊維材料上で目標とする長さである約４０ミクロンの２０％以内まで成長したＣＮＴの長さ分布の一貫性を明示するＳＥＭ画像を示す。
【図５】繊維全体に亘って約１０％以内でＣＮＴの密度が均一であることを明示する炭素繊維上に成長したＣＮＴの低倍率ＳＥＭ画像を示す。
【図６】本開示の一実施形態による宇宙ベース装置の斜視図である。
【図７】本開示の一実施形態による宇宙ベース装置の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ＣＮＴ浸出繊維を活用して適合されたマルチスケール複合材料が開発されている。出願人による同時係属中の出願であり、その内容が参照により本出願に組み込まれた、米国特許出願公開第２０１０／０２７９５６９号明細書及び米国特許出願公開第２０１０／０１７８８２５号明細書に記載された処理のような、修正ＣＶＤ処理を利用した連続，ライン処理によって、ガラス繊維及び炭素繊維の表面にＣＮＴを直接成長させることができる。ＣＮＴ浸出繊維材料により形成された複合材料構造体は、高い機械的特性、特に高い層間せん断力及び面内せん断力を示す。さらに、これらの複合材料構造体は、ＣＮＴの担持量及び配向性に基づく高い電気伝導性及び熱伝導性を有する。これらのＣＮＴ浸出繊維材料は、従来の繊維材料では得られない性能を含む特注の（custom tailored）性能を提供するために、様々な配向及び担持量で複合材料内に使用することができる。
【００１１】
ＣＮＴ浸出繊維複合材料は、例えば、カーボン、ガラス、アルミナ、シリコンカーバイド又はケブラー（登録商標）等のあらゆる種類の繊維基材を使用することができる。その上、多くの種類の繊維が機械的強化のために使用されるため、浸出されたＣＮＴは、機械的強度の向上におけるさらなる役割を果たすことができる。ＣＮＴ浸出繊維材料内でのＣＮＴ担持量の範囲は、複合部品に要求される性能を提供するように特定される。より詳細には、特注及び最適化のため、各複合材料構造体内における特定のＣＮＴ浸出繊維材料の位置に基づいて、ＣＮＴ担持量を変えることができる。構造体のある特定の点で望まれる機能性に応じて、構造体はＣＮＴ浸出繊維材料内の異なる位置にて異なるＣＮＴ担持量範囲を有し、ＣＮＴ浸出繊維材料の異なる層（又は勾配）内にて異なるＣＮＴ担持量範囲を有し、又は異なるＣＮＴ浸出繊維材料ごとに異なるＣＮＴ担持量範囲を有することができる。繊維上及び複合材料全体のＣＮＴ担持量は、様々な範囲から選択することができる。例えば、複合材料中のＣＮＴ担持量は、４つの領域に分けることができる。ある実施形態において、０．０１％から２％を「低」領域とすることができる。この「低」領域は、約０％から約２％であり、０％，１％，２％及びその端数の担持量を含む。「中」領域は、約２％から約５％であり、２％，３%，４%，５%及びその端数の担持量を含む。「高」領域は、約５％から約４０％であり、５％、１０%、１５%、２０%、２５%，３０%，３５%，４０%及びその端数の担持量を含む。約４０％を越えると「超高」領域である。
【００１２】
繊維強化複合材料構造体は、その性質を任意の一連の要求を満たすように適合することができるため、先進的な宇宙ベースの用途に使用されている。例えば、合成梁（composite beam）の曲げ剛性を最適化するために特定の薄膜積層順序を使用し、ねじれ剛性を最適化するために他の順序を使用することができる。異なる２種類の強化繊維を使用するハイブリッド複合材料は、全体的な複合材料の機械的、熱的あるいは電気的性質に対するそれぞれの繊維のもつ有益な貢献からの利益を享受する。
【００１３】
宇宙ベースの複合材料構造体に適用可能な広範な機能性は、ＣＮＴ浸出繊維材料中でのＣＮＴ担持量のレベルの違いにより得ることができる。このようなＣＮＴ浸出繊維材料には、連続繊維（continuous fiber）、短繊維（chopped fiber）及び織物（woven fabrics）が含まれる。
【００１４】
このような機能性には、電磁妨害（ＥＭＩ）遮蔽、損傷検知、除氷、及び機械的性質が含まれる。機械的性質には、層間及び面内せん断強度及び剛性率、引張強度及び引張係数、圧縮強度及び圧縮率、曲げ強度及び曲げ弾性率、亀裂抵抗及び伝播抵抗、熱伝導性の向上、電気回路組み込み能力（embedded circuitry capabilities）、及び静電放電防止（electrostatic discharge prevention）が含まれるが、これに限られない。
【００１５】
ある利用において、高レベルのＣＮＴ担持量は、ＥＭＩ遮蔽機能性を提供することができる。このような機能性は、出願人による同時係属中の出願であり、その全内容が参照により本出願に組み込まれた米国特許出願公開第２０１０／０２７００６９号明細書に記載されたような、精密な電気回路への電磁伝導又は電磁放射による悪影響を防ぐことができる。ＥＭＩ遮蔽複合材料は、マトリックス材の一部に配置されたＣＮＴ浸出繊維材料を有することができる。この複合材料は、約０．０１ＭＨｚから約１８ＧＨｚまでの周波数帯域において、電磁（ＥＭ）放射の吸収、ＥＭ放射の反射、又はその両方が可能である。ＥＭＩ遮蔽効果（ＳＥ）として計測される複合材料のＥＭ遮蔽能力は、約４０デシベル（ｄＢ）から約１３０ｄＢまでの範囲である。ＣＮＴは、その高アスペクト比による望ましい電磁吸収特性を有する。複合材料中のＣＮＴは、広い範囲の周波数のＥＭ放射を吸収し、吸収したエネルギーを例えば電気接地へ又は熱として消散させることができる。また、ＣＮＴは機構的にＥＭ放射を反射することができる。その上、ＥＭＩ遮蔽用途において、吸収率及び反射率のいずれの組み合わせも、電磁放射の透過率が最小化する限り有益である。使用可能な実際のメカニズムと関係なく、かつ理論に制限されることなく、複合材料は電磁妨害を十分に低下又は妨げることができる。ＥＭＩ遮蔽複合材料は、ＥＭＩ遮蔽用途に既に使用されている材料の遮蔽特性を向上させることができる。ＣＮＴ浸出繊維は、誘電性複合材料及び導電性複合材料のＥＭＩ遮蔽を向上させ、これにより軽量で高強度の複合材料を使用可能とする。このような複合材料のいくつかは、その本質的に乏しいＥＭＩ遮蔽能力により、予め用途を制限されてもよい。ＥＭＩ遮蔽複合材料は、可視光線、赤外線（ＩＲ）及び他の様々なレーダー帯域部分を含む電磁スペクトルの異なる部分に亘ってほとんど黒体であるの吸収表面を提供することができる。黒体様（black body-like）の性質を得るために、繊維材料上のＣＮＴ密度が制御される。例えば、ＣＮＴ浸出繊維材料の屈折率は、空気の屈折率と略一致するように調整される。フレネルの法則によれば、このとき反射率は最小となる。反射の最小化はＥＭ吸収を最適化するのに有益であるが、複合材料はまた、ＥＭＩ遮蔽層の透過を最小化するよう設計することもできる。言い換えれば、吸収は、ＥＭＩ遮蔽を提供するという点で有益である。ＣＮＴ浸出繊維材料により効果的に吸収されない特定の波長に対して、反射率を与えること又は当該ＣＮＴ浸出繊維材料により吸収されない放射線を吸収することができる第２の構造体を与えることは有益である。これに関して、交互に変化する吸収特性を提供する異なったＣＮＴ浸出繊維材料の漸進的な層化は有益となり得る。多層材料のかわりに又は多層材料に加えて、それ自体もＣＮＴ浸出繊維材料である反射材料を組み込むことも有益となり得る。したがって、本発明の複合材料は、例えば、ＣＮＴ浸出繊維材料を含んで構成される複数の吸収層又は反射層を有してもよい。繊維材料自体は、ＥＭ放射の吸収で得たエネルギーを消散するための効果的なパーコレーション経路（percolation pathways）を形成するのに十分なＣＮＴ密度を複合材料全体に与えるＣＮＴの配列を構築する足場の役割を果たす。浸出したＣＮＴは、ＥＭ放射の吸収を最大化するために、繊維材料上及び複合材料全体で均一な長さ、密度及び制御された配向を有するように適合することができる。ＥＭ遮蔽特性をＣＮＴに依存することにより、複合材料は、導電性又は絶縁性の繊維材料又はマトリックスを利用することができる。その上、ＥＭＩ遮蔽複合材料は、それが使用される部品の表面構造体の一部として一体化することができる。ある実施形態において、表面だけでなく部品全体がＥＭＩ遮蔽の役割を果たすことができる。ある実施形態において、ＣＮＴ浸出繊維材料は、ＥＭＩ遮蔽用途に使用するために予め加工された複合材料のコーティングとして使用することができる。ＥＭＩ遮蔽複合材料の製造方法は、マトリックス材内でＣＮＴ浸出繊維材料の配向が制御された状態で、ＣＮＴ浸出繊維材料をマトリックス材の一部に配置すること及びマトリックス材を硬化させることを含む。ＣＮＴ浸出繊維材料の制御された配向は、複合材料構造体全体に浸出されたＣＮＴの相対配向を制御することができる。ＣＮＴ浸出繊維を形成する製造プロセスは、大規模連続プロセスに適している。このプロセスにおいて、ＣＮＴは、カーボン、ガラス、セラミック又はトウ（tows）やロービング（rovings）等の巻取り可能な寸法の同種の繊維材料上に直接成長する。ＣＮＴ成長の性質は、深い森が約約５ミクロンから約５００ミクロンまでの範囲に調整された長さで堆積するようなものであり、この長さは、以下に記載する様々な要因により制御される。この森は、ＣＮＴが繊維材料のそれぞれのフィラメントの表面と直交するように配向することができ、これにより放射状の被覆を形成する。ＣＮＴはさらに、繊維材料の軸に対して平行な配向を得るために処理されてもよい。結果として得られたＣＮＴ浸出繊維材料は、製造された形態のままで使用するか、又はＥＭＩ遮蔽用途に使用されるＥＭＩ遮蔽複合材料の製造に使用される織物製品（fabric goods）に織ることができる。パネルは、ＥＭＩ遮蔽複合材料を含み、ＥＭＩ遮蔽用途に使用される装置と整合するように適応させることができる。このようなパネルは、さらに電気接地を備えてもよい。
【００１６】
ある用途において、低レベルのＣＮＴ担持量は、損傷検知機能を提供することができる。ＣＮＴは、抵抗又は信号伝送の変化を測定するために搭載されるパーコレーションネットワーク（percolation network）を形成することができる。このように計測された変化は、複合材料が被った損傷の規模の情報を提供することができる。このような損傷検知機能は、出願人による同時係属中の出願であり、その全内容が参照により本出願に組み込まれた米国特許出願第１２／９００，４０５号明細書（２０１０年１０月７日出願）に記載されたような、スキン（skin）もしくは構造体、そのいずれかの織物（fabric）、又は多方向トウベース繊維もしくは短繊維の形態とすることができる。損傷検知複合材料は、マトリックス材の少なくとも一部内のＣＮＴ浸出繊維を含んでもよい。この複合材料は、構造用部品内の複合材料の健全性を監視するためのいずれのプラットフォームでも使用することができる。このような損傷検知複合材料は、高度な制御及び精度を有する損傷検知システムを形成するために、拡張性のある製造プロセスを活用しながら、様々な信号源を利用することができる。複合材料は、特定の用途に適合することが可能であり、１）材料の同位置での使用前、使用中又は使用後の応力等を監視することにより、複合材料の損傷の種類を検知し、２）構造的強化及び構造的健全性の実時間評価を与えることにより突発故障の可能性を低下させるために使用することができる。複合材料の構成要素の１つはＣＮＴ浸出繊維である。繊維担体上に浸出されたＣＮＴを有することにより、複合材料全体又は複合品の重要な部分にＣＮＴ要素を組み込むための従来の繊維強化複合材料製造技術を使用する大型の複合材料構造体の製造が容易になる。ＣＮＴの密度及び分布は、自由なＣＮＴに比べてＣＮＴ浸出繊維によりしっかりと制御されるため、ＣＮＴの量は実質的に減少させることができる。その上、繊維上にＣＮＴを有することにより、ＣＮＴ繊維組織階層による相乗的な機械的強度の強化が可能になり、損傷の検知と耐荷重性応力の再分配を補助することによる構造的健全性への貢献との２つの役割をＣＮＴが果たせるようになる。また、繊維担体は、３次元部品全体又は２次元「スキン」内でのＣＮＴの戦略的な配置を容易にする。この戦略的配置は、繊維軸及び横断方向に沿った伝導性の制御を可能にする。複合材料の性質は、例えば、ＣＮＴの密度、長さ、配置及び配列の制御により調節することができる。したがって、複合材料は、特定の用途に適合し、任意の種類の損傷を検知するよう適合し、また損傷の可能性を低下させるように適合することができる。浸出されたＣＮＴは、複合材料の電気的性質に影響を与え、複合材料への応力の連続的、非連続的又は断続的な監視を可能にするパーコレーション経路を形成するのに役目を果たすことができる。複合材料の静止状態は、電極対のような適切に配置された一対のセンサによって監視が可能な抵抗などの電気的性質と関連したパーコレーション経路を有することができる。材料が歪むにつれて、ＣＮＴ間の接触の一部が破壊され、使用可能なパーコレーション経路が減少する。その結果、この可逆又は不可逆の歪み荷重を受けている間、複合材料を亘って抵抗が増大する。電気的性質が向上するよう適合されたＣＮＴを担持するＣＮＴ浸出繊維を使用して作られた複合材料は、損傷検知用途に使用することができる。また、複合材料は、複合材料の強度を向上させるために使用することができる。特定の用途において、ＣＮＴ浸出繊維材料は、複合材料の強度を向上させ、重要な構造用部品の損傷検知手段を提供するために、特定の位置で使用することができる。このような用途の１つは、ある複合材料構造体と他の複合材料構造体とが結合した複合材料の重ね継ぎ（lap joints）である（一方の構造体は他方の構造体に対して垂直又は平行であってもよい）。構造体間の結合された接触部分は、構造体の脆弱な部分であると考えられるため特に興味深い。この位置でのＣＮＴ浸出構造体の利用は、層間せん断力（ＩＬＳＳ）の向上と損傷検知の提供を可能にする。調整された電気信号（振幅及び周波数とともに波形）の監視及び高い検出分解能及び検出感度による構造的健全性の評価を含む複合材料内での応力の検知方法に複合材料を使用することができる。電圧測定は歪みの測定に使用することができる。位相は亀裂伝播の監視に使用することができる。周波数は亀裂の大きさを特定するのに使用することができる。電極のネットワークは、複合材料内での歪み、疲労、損傷及び亀裂の位置の測定及び地図作成に使用することができる検知回路に関与するかあるいは一体化することができる。損傷検知機能を一体化した複合材料、システム及び方法は、例えば、商用航空機産業から戦車及び他の軍事装甲車両の弾道装甲損傷検知まで、様々な産業に使用することができる。
【００１７】
中領域レベルのＣＮＴ担持量は、いくつかの用途において除氷機能を提供することができる。ＣＮＴの量は、出願人の同時係属中の出願であり、その全内容が参照により本出願に組み込まれた米国特許出願第１２／７６７，７１９号明細書（２０１０年４月２６日出願）に記載されたような特定の構造体又は構造体の一部に、要求される抵抗に基づいて適合することができる。除氷複合材料は、マトリックス材及びＣＮＴ浸出繊維材料を備えてもよい。ＣＮＴ浸出繊維材料は、ＣＮＴ浸出繊維材料を介して電流を流すのに適合されたマトリックス材及び複合材料構造体の一部に亘って配置することが可能であり、これによって除氷又は複合材料構造体の表面への氷の形成を防ぐためにマトリックス材を加熱する。理論に制限されることなく、ＣＮＴ浸出繊維のＣＮＴは、パーコレーション伝導を提供することによりバルクマトリックス材の伝導性を変化させることができる。複合材料構造体のパーコレーション伝導は、ＣＮＴ−ＣＮＴ間の点接触、ＣＮＴの相互嵌合／重複又はこれらの組み合わせの結果である。ＣＮＴはパーコレーション伝導経路を提供し、ＣＮＴが浸出される繊維担体は、１）ＣＮＴ配向及び異方性の度合い、２）ＣＮＴ濃度、及び３）バルクマトリックス材内におけるＣＮＴの位置を制御する。複合材料内における繊維に浸出されたＣＮＴの組み込みは、複合材料構造体自体を抵抗加熱素子として使用可能にする。こうして、このような複合材料により形成された航空機（又はヘリコプター）の翼、機体及び尾翼等の構造体を除氷する場合には、さらなる加熱装置を必要としない。ＣＮＴは、３％を上回る質量パーセントが達成される繊維レベルで導入される。ＣＮＴ浸出繊維材料は、従来のマトリックスとともに使用し、複合材料構造体を形成するために繊維に浸出されるのではないさらなるＣＮＴを付加的にドープすることもできる。ＣＮＴの質量パーセントを適合させることにより、材料を抵抗加熱素子として使用するために適切な熱的特性／導電性を提供するように、構造体の抵抗率を適合し制御することができる。ＣＮＴベース複合材料は、除氷用途で使用される任意の部品を作るために使用することができる（例えば、翼、機体及び尾翼等の）構造体の目標とした領域の表面層又は複合材料構造体全体に使用することができる。ＣＮＴ浸出繊維複合材料は、それ自体が抵抗加熱要素である複合材料であってもよい。当該技術分野で除氷用途に使用される金属溶射コーティングである「ヒーターマット（heater mat）」のアプローチはコスト及び複雑性を高める製造プロセスを使用し、複合材料構造体の大きな表面領域に使用される金属溶射コーティングはまた、構造体全体の重量を増加させる。さらに、抵抗加熱素子としての金属の使用は、（構造体内の弱い接触面であるガラス層の使用による）電解腐食の危険性をもたらし、繰り返し使用すると故障の危険性をもたらす。結局、金属コーティングは複合材料構造体内で同種の物質ではないため、複合材料構造体内における弱点となる。複合材料構造体内へのＣＮＴの組み込みは、これらの問題を軽減又は排除する。従来の複合材料はＣＮＴとともに使用されるため、複合材料構造体の製造方法は事実上変更されない。複合繊維上へＣＮＴを組み込むために用いられる方法もまた開発されているが、これは低コスト材料解決法をもたらすものであり、重量の増加をともなわない単純な低コスト解決法（実際、ＣＮＴ／繊維材料が構造用部品として用いられたなら重量は減少するはずである）と結び付いたものである。実際、ＣＮＴ／繊維材料が構造用部品として使用されると重量は減少する）。電気路を形成するために金属を使用しないので、ＣＮＴの使用により電解腐食を避けることができる。結局、材料は繊維内にＣＮＴを組み込まれるので、もし材料が抵抗加熱層として使用されたとしても、構造体全体の弱点とはならない。したがって、電位差が与えられると大きな電気回路が形成され、ＣＮＴが大きな抵抗加熱器としての役割を果たし、凍結状態が回避又は除去される。このような構造により、外部加熱を不要とすることができる。あまりに少ないＣＮＴが電流を流すには高電位差を必要とし、逆にあまりに多すぎるＣＮＴは加熱素子として機能するのに十分な抵抗を示さないため、中領域レベルが選択される。このような除氷構築は、ＣＮＴ被覆されたリード線による織物の１枚又は複数枚の布片の形態又は電流経路を形成する単に組み込まれただけのトウの形態であってもよい。
【００１８】
ある用途において、中領域レベルのＣＮＴ担持量は、せん断強度機能を提供することができる。ＣＮＴは、より大きなマトリックス材のせん断強度を利用可能にし、フィラメント間の荷重伝達を向上させることができる。複合材料は、一方向繊維、短繊維又は織物を含んでもよい。
【００１９】
ある構造体は、中心平面における高いせん断荷重に対処する複合材料構造体を含んでもよいが、厚さによって電気的に絶縁されてもよい。ＣＮＴ浸出繊維材料は、最大せん断強度特性を向上させるために適合された複合材料の主要な薄膜として使用することができる。未修飾繊維は、電気的絶縁性を提供するための表面層として使用することができる。
【００２０】
ある用途において、低レベルのＣＮＴ担持量は、引張強度機能を提供することができる。すなわち、基本フィラメント強度はＣＮＴ自体の強度により強化することができる。低いＣＮＴ担持量は、繊維の量に直接比例する複合材料の繊維方向の引張強度を考慮すると、丈夫な複合材料をもたらす高い繊維充填に対応することができる。フィラメントの最密充填はまた、内部フィラメントの荷重伝達の有効性を高めるＣＮＴ間の絡み合い（entanglement）を強化することができる。その上、ＣＮＴ材料の高度な処理により、ＣＮＴを基質フィラメントの方向に整列させ、これにより複合材料の繊維方向の引張強度を強化するためにＣＮＴの強度を直接利用することができる。
【００２１】
ある用途において、低レベルのＣＮＴ担持量は、圧縮強度機能を提供することができる。すなわち、基本フィラメント強度はＣＮＴ自体の強度により強化することができる。低いＣＮＴ担持量は、繊維の量に直接比例する複合材料の繊維方向の引張強度を考慮すると、丈夫な複合材料をもたらす高い繊維充填に対応することができる。フィラメントの最密充填はまた、内部フィラメントの荷重伝達の有効性を高めるＣＮＴ間の絡み合い（entanglement）を強化することができる。その上、ＣＮＴはマトリックス材のせん断剛性及びせん断強度を強化し、これによりフィラメントのマイクロバックリング（micro-buckling）の防止を手助けすることができる。
【００２２】
ある用途において、中領域レベルのＣＮＴ担持量は、亀裂抵抗機能を提供することができる。ＣＮＴは、一般に弱連結であるマトリックス材を強靭にすることができる。一般に亀裂は、フィラメントよりもマトリックス材中を容易に伝播する。すなわち、ＣＮＴは亀裂停止機構の役割を果たすことができる。
【００２３】
ある用途において、高レベルのＣＮＴ担持量は、熱伝導機能を提供することができる。このような用途において、ＣＮＴは、出願人による同時係属中の出願であり、その全内容が参照により本出願に組み込まれている米国特許出願１２／７６７，７１９号明細書（２０１０年４月２６日出願）に記載されたような、熱が伝達可能な相互接続経路を提供することができる。熱伝導複合材料は、マトリックス材及びＣＮＴ浸出繊維材料を備えてもよい。マトリックス材やＣＮＴ浸出繊維材料を介して電流を流すのに適合した複合構造体の一部にＣＮＴ浸出繊維材料を配置して、マトリックス材の熱伝導性を提供することができる。理論に制限されることなく、ＣＮＴ浸出繊維のＣＮＴは、パーコレーション伝導を提供することによりバルクマトリックス材の伝導性を変化させることができる。複合材料構造体のパーコレーション伝導は、ＣＮＴ−ＣＮＴ間の点接触、ＣＮＴ相互嵌合／重複又はこれらの組み合わせの結果である。ＣＮＴはパーコレーション伝導経路を提供し、ＣＮＴが浸出される繊維担体は、１）ＣＮＴ配向及び異方性の度合い、２）ＣＮＴ濃度、及び３）バルクマトリックス材内におけるＣＮＴの位置を制御する。複合材料内における繊維に浸出されたＣＮＴの組み込みは、複合材料構造体自体を熱伝導素子として使用可能にする。３％を上回る質量パーセントが達成される繊維レベルで導入される。ＣＮＴ浸出繊維材料は、従来のマトリックスとともに使用し、複合材料構造体を形成するために繊維に浸出されるのではないさらなるＣＮＴを付加的にドープすることもできる。ＣＮＴの質量パーセントを適合させることにより、材料を熱伝導素子として使用するために適切な熱的特性／導電性を提供するように、構造体の抵抗率を適合し制御することができる。ＣＮＴベース複合材料は、熱用途で使用される任意の部品を作るために使用することができる構造体の目標とした領域の表面層又は複合材料構造体全体に使用することができる。ＣＮＴ浸出繊維複合材料は、抵抗加熱要素自体である複合材料であってもよい。ＣＮＴ浸出繊維複合材料は、例えば、カーボン、ガラス、アルミナ、シリコンカーバイド又はケブラー（登録商標）等のあらゆる種類の繊維基材を使用することができる。その上、多くの種類の繊維が機械的強化のために使用されるため、浸出されたＣＮＴは、機械的強度の向上におけるさらなる役割を果たすことができる。抵抗加熱素子としての金属の使用は、（構造体内の弱い接触面であるガラス層の使用による）電解腐食の危険性をもたらし、繰り返し使用すると構造体故障の危険性をもたらす。結局、金属コーティングは複合材料構造体内で同種の物質ではないため、複合材料構造体内における弱点となる。複合材料構造体内へのＣＮＴの組み込みは、これらのそれぞれの問題を軽減又は排除する。従来の複合材料はＣＮＴとともに使用されるため、複合材料構造体の製造方法は事実上変更されない。複合繊維上へのＣＮＴの組み込みに使用される方法は、単純な低コストの解決策である同種の製造可能性と併用される低コストの材料による解決策が開発されている（重量の増加をともなわない。実際、ＣＮＴ／繊維材料が構造用部品として使用されると重量は減少する）。電気路を形成するために金属を使用しないので、ＣＮＴの使用により電解腐食及び熱膨張の相違を避けることができる。結局、材料は繊維内のＣＮＴを組み込まれるので、もし材料が抵抗熱伝導層として使用されたとしても、構造体全体の弱点とはならない。したがって、電位差が与えられると大きな電気回路が形成され、ＣＮＴが大きな熱導体としての役割を果たす。このような熱伝導構築は、ＣＮＴ被覆されたリード線による織物の１枚又は複数枚の布片の形態又は電流経路を形成する単に組み込まれただけのトウの形態であってもよい。
【００２４】
特定の用途において、高レベルのＣＮＴ担持量は、電気回路組み込み機能を提供することができる。このような用途において、ＣＮＴは信号が伝達される電気経路を提供することができる。
【００２５】
ある用途において、中領域レベルのＣＮＴ担持量は、静電放電（ＥＳＤ）機能を提供することができる。材料の電気伝導性及び熱伝導性は、電子が流れるための経路を提供することにより電化蓄積への抵抗を提供することができる。
【００２６】
ある宇宙ベースシステムは、複合材料構造体に上記の機能を様々な組合せで組み込むことができる。例えば、衛星、ロケット及びシャトル等は、１つ以上の複合材料を組み込んで、機能を強化することができる。
【００２７】
構造体又は構造体の一部に応じて、様々な機能性を選択することができる。構造体の例として、複合材料部品は様々な荷重にさらされてもよい。この部品は、せん断荷重を支える結合部を有するとともに、他の部分が圧縮荷重を支持する。せん断荷重にさらされた剥離損傷を受けやすい前記部分は、中領域のＣＮＴ充填材料により形成される一方、引張荷重を支持する部分に低ＣＮＴ充填材料を使用することができる。
【００２８】
ＣＮＴ浸出繊維材料は、ＣＮＴ充填、ＣＮＴ長及びＣＮＴ配向を正確に制御しながら連続的に製造することができる。ナノスケールの補強材を組み込む他のハイブリッド複合材料システムは、マトリックス材にナノチューブのナノ粒子を適切に分散させるためのさらなる処理工程を必要とする。さらに、隣り合った層と異なる特定のＣＮＴ担持量を備えた薄膜の形成は、ＣＮＴ浸出工程を通じて達成される。ＣＮＴ浸出繊維材料は、例えば、ＣＮＴの配向や多層複合材料における部分的な層化を含む余計な加工工程なしに、未加工のガラス及びカーボンフィラメントに使用される製造技術と同様の技術を使用して、複合材料に組み込むことができる。その上、ＣＮＴは繊維担体に浸出されるため、ＣＮＴの均一な組み込み、ＣＮＴの束化（bundling）及び凝集等に関する問題が軽減される。ＣＮＴ浸出繊維材料により、複合材料構造体が複合マトリックス材にＣＮＴを単純に混合して得られるものよりも大きなＣＮＴ担持量を有することが可能となる。
【００２９】
構造用複合材料において、おおよそ繊維６０％、マトリックス材４０％という割合が標準的だが、第３の要素、すなわち浸出されたＣＮＴの導入により、これらの割合を変化させることができる。例えば、体積パーセントが約２５％以下のＣＮＴの添加により、繊維の部分は、約３５％から約６０％までの間で変化するとともに、マトリックス材の範囲が約４０％から約６５％までに変化する。様々な割合は、１つ以上の望ましい特性を目標に適合された複合材料全体の性質を変化させることができる。ＣＮＴの性質は、そのＣＮＴにより強化された繊維に対してそれ自体が役に立つ。適合された複合材料内でのこれらの強化された繊維の利用は、繊維破片により変化する増大を同様に与えるが、周知技術に比べて適合された複合材料の性質を大きく変化させることができる。
【００３０】
図１〜図５は、繊維材料のＴＥＭ画像及びＳＥＭ画像を示す。図１及び図２は、連続処理によりパンベース炭素繊維上に用意されたＭＷＮＴ及びＤＷＮＴのＴＥＭ画像をそれぞれ示す。図３は、繊維材料表面にＣＮＴ形成ナノ粒子触媒を機械的に浸出した後、バリアコーティング内から成長したＣＮＴの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。図４は、炭素繊維材料上で目標とする長さである約４０ミクロンの２０％以内まで成長したＣＮＴの長さ分布の一貫性を明示するＳＥＭ画像を示す。図５は、繊維全体に亘って約１０％以内でＣＮＴの密度が均一であることを明示する炭素繊維上に成長したＣＮＴの低倍率ＳＥＭ画像を示す。
【００３１】
ＣＮＴ浸出繊維材料は、無数の用途に使用することができる。例えば、限定するものではないが、衛星等の宇宙ベース装置はバス（buses）等の宇宙ベース構造体を含む。複合材料は、重量が重要な設計パラメータであることを考慮すれば、衛星構造体にとって理想的な選択である。衛星を発射するコストは、直接その質量に比例する。もし構造体をより軽量な材料から構築することができれば、（例えば、追加の装置等を含む）最大積載量を大きくすることができる。
【００３２】
図６に関して、衛星１０は、それぞれ特定の機能及び特定の要求を有する複数の特徴を備える。したがって、複合材料は、構造体内における位置によって様々な機能を果たさなければならない。周回低軌道（low earth orbit）、周回中軌道（middle earth orbit）及び地球静止軌道（geosynchronous orbit）のいずれの厳しい宇宙環境においても、１次構造体（又はバス）１２は、流星塵及び破片からの衝撃に耐えるとともに、表面電荷を蓄積させずに入射する熱を伝達することができなければならない。中領域ＣＮＴ充填材料は、せん断に耐久性があり、また危険な表面電荷の蓄積を妨げる導電媒質を提供することができる。
【００３３】
衛星は通常、破片や入射放射線から保護しなければならない精密機器を収納している。図７に関して、高ＣＮＴ充填材料の外層１４は、電磁放射の入射を吸収するために使用することができる。
【００３４】
一次構造体１２と打上げ機との間の取り付け連結部は、打上げの間、高いせん断応力を受ける。したがって、複合材料のこれらの領域のせん断強度は、中領域ＣＮＴ充填材料を使用することにより増強される。
【００３５】
周回低軌道の宇宙船は、高分子マトリックスに対して強い侵食性を有する原子状酸素にさらされる。長期間の宇宙飛行では、複合材部品の構造的健全性に支障をきたすおそれがある。暴露される複合材料部分の表面の低ＣＮＴ充填材料の損傷検知層１６は、衛星１０の構造体の状態をフィードバックするために使用することができる。また、これらの衛星が、最終的に微小亀裂や他の疲労効果が生じる熱サイクルを経験することを考慮すれば、この損傷検知機能もまた重要である。
【００３６】
再び図７に関して、低ＣＮＴ充填材料の内層１８は、衛星１０に剛性及び寸法安定性を与える。
【００３７】
種々の宇宙ベース構造体はいずれも、様々な機能性に関連するＣＮＴ担持量に基づいて設計又は選択された複合材料とＣＮＴ浸出繊維材料とから構成することができる。このような機能性には、ＥＭＩ遮蔽、損傷検知、除氷、及び機械的性質が含まれるがこれに限られない。機械的性質には、層間及び面内せん断強度及び剛性率、引張強度及び引張係数、圧縮強度及び圧縮率、曲げ強度及び曲げ弾性率、亀裂抵抗及び伝播抵抗、熱伝導性の向上、及び静電放電防止が含まれるが、これに限られない。
【００３８】
ＣＮＴ浸出繊維材料が適用される宇宙ベース構造体における特定の位置は、構造体の特定の状態に基づき選択することができる。高ＣＮＴ担持量を備えたＣＮＴ浸出繊維材料は、構造体における特定の位置に使用することができる。より具体的にいうと、高ＣＮＴ担持量は、（１）高ＣＮＴ担持量がＥＭＩ遮蔽を提供するため、ＥＭＩにさらされやすい位置での使用、（２）高ＣＮＴ担持量が熱伝導性を強化するため、熱伝導性が望まれる位置での使用、及び（３）高ＣＮＴ担持量が電気信号の伝達を容易にするため、電気回路に近接した位置での使用に有用である。
【００３９】
同様に、中領域ＣＮＴ担持量を備えたＣＮＴ浸出繊維材料は、構造体における特定の位置、例えば、（１）中領域ＣＮＴ担持量が除氷に使用するための適切な抵抗率／伝導率を提供するため、氷が生成されやすい位置、（２）中領域ＣＮＴ担持量がせん断強度を強化するため、せん断力にさらされやすい位置、（３）中領域ＣＮＴ担持量が亀裂抵抗を強化するため、亀裂が入りやすい位置、及び（４）中領域ＣＮＴ担持量が静電放電を妨げるため、電荷が蓄積されやすい位置等で使用することができる。
【００４０】
同様に、低ＣＮＴ担持量を備えるＣＮＴ浸出繊維材料は、構造体の特定の位置、例えば、（１）低ＣＮＴ担持量が損傷検知を容易にするため、損傷を受けやすい位置、（２）低ＣＮＴ担持量が引張強度を強化するため、張力を受けやすい位置、及び（３）低ＣＮＴ担持量が圧縮強度を強化するため、圧縮力を受けやすい位置等で使用することができる。
【００４１】
ある実施形態において、宇宙ベース構造体の特定の機能性を設計し、選択し、構成し、或いは確保する方法は、構造体を選択すること及び望ましい機能性を特定することを含む。望ましい機能性が決定されると、望ましい機能性に応じて、ＣＮＴ担持量を備えたＣＮＴ浸出繊維材料が選択される。購入、製造又は他の方法により、複合材料を含んで構成される宇宙ベース構造体を提供することができる。構造体が製造されている場合には、ＣＮＴ浸出繊維材料を構造体の一部として形成することができる。他の例では、予め形成された複合材料構造体にＣＮＴ浸出繊維材料を適用することができる。いずれのシナリオでも、第１ＣＮＴ浸出繊維材料及び第２ＣＮＴ浸出繊維材料が提供される。第１ＣＮＴ浸出繊維材料は、ＣＮＴ担持量の第１領域を有し、構造体に第１機能性を提供するために選択される。同様に、第２ＣＮＴ浸出繊維材料は、ＣＮＴ担持量の第２領域を有し、構造体に第２機能性を提供するために選択される。第１ＣＮＴ浸出繊維材料は構造体の第１位置に適用され、第２ＣＮＴ浸出繊維材料は構造体の第２位置に適用される。場合によっては、第１位置と第２位置とは、互いに離れてはいるが、それでも構造体の一部である。他の場合には、第１位置と第２位置とは、近接、重複又は構造体の同一の位置を占めてもよい。例えば、第１ＣＮＴ浸出繊維材料はＥＭＩ遮蔽に有用な高ＣＮＴ担持量を有し、第２ＣＮＴ浸出繊維材料は損傷検知に有用な低ＣＮＴ担持量を有してもよい。このようなシナリオにおいて、第２材料を構造体に直接適用し、第１材料を第２材料に異なる層として適用することができる。
【００４２】
ある実施形態において、宇宙ベース構造体は、電気抵抗、損傷検知、除氷、及び機械的性質を有し、機械的性質には、層間及び面内せん断強度及び剛性率、引張強度及び引張係数、圧縮強度及び圧縮率、曲げ強度及び曲げ弾性率、亀裂抵抗及び伝播抵抗、静電放電防止、電磁妨害遮蔽、熱伝導性、及び電気信号の伝送機能が含まれるが、これに限られない。他の実施形態において、宇宙ベース構造体は、これらの全てよりも少ない機能性を有する。例えば、ある宇宙ベース構造体は、電磁妨害遮蔽、損傷検知及び強度機能を有するか、又は静電放電抵抗、亀裂抵抗及び除氷機能を有する。ある実施形態において、宇宙ベース構造体は、電気抵抗、損傷検知、及び除氷、並びに、これに限られるものではないが機械的性質に含まれる層間及び面内せん断強度及び剛性率、引張強度及び引張係数、圧縮強度及び圧縮率、曲げ強度及び曲げ弾性率、亀裂抵抗及び伝播抵抗、静電放電防止、電磁妨害遮蔽、熱伝導性、並びに電気信号の伝送機能から選択されるいずれか１個、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個、１０個、又は１１個の性質を有する。宇宙ベース構造体は、上記にはないさらなる機能性を有してもよい。
【００４３】
ある実施形態において、ＣＮＴの第１の量及び第２の量は、特定の構造体の異なる領域間で相違する。これは、ＣＮＴの種類の変化をともなってもともなわなくてもよい。したがって、ＣＮＴの種類を変化させなくても、ＣＮＴ密度を変化させることにより、元の繊維材料の性質を変化させることができる。ＣＮＴの種類には、例えば、ＣＮＴの長さ及び層の数が含まれる。ある実施形態において、第１の量及び第２の量は等しい。巻取り可能な材料の２つの異なる範囲において望ましい性質が相違する場合、例えばＣＮＴの長さのようなＣＮＴの種類を変えることができる。例えば、長いＣＮＴは電気的／熱的用途に有用であるのに対し、短いＣＮＴは機械的強化用途に有用である。
【００４４】
繊維材料の性質を変化させることに関する上記議論の観点から、ある実施形態において、ＣＮＴの第１の種類及びＣＮＴの第２の種類は同一であってもよく、一方他の実施形態において、ＣＮＴの第１の種類及びＣＮＴの第２の種類は異なってもよい。同様に、ある実施形態において、第１の性質及び第２の性質は同一であってもよい。例えば、ＥＭＩ遮蔽特性は、ＣＮＴの第１の量及び第１の種類と、ＣＮＴの第２の量及び第２の種類と、により影響される性質であるが、使用されたＣＮＴの異なる量及び種類に影響されてこの性質の変化の度合いが相違する。結局、ある実施形態において、第１の性質及び第２の性質は異なってもよい。また、これはＣＮＴの種類の変更を反映してもよい。例えば、第１の性質がより短いＣＮＴによる機械的強化であり、第２の性質が長いＣＮＴによる電気的／熱的性質であってもよい。当業者は、異なるＣＮＴ密度、ＣＮＴ長、及び単層、２層、多層等のＣＮＴの層の数を使用することにより、繊維材料の性質を適合できることを理解するだろう。
【００４５】
ある実施形態において、繊維材料上におけるＣＮＴの第１の量は、繊維材料自体が示す性質の第１のグループとは異なる性質のグループを示す。すなわち、量の選択は、引張強度のような繊維材料の性質の１つ以上を変化させることができる。性質の第１のグループ及び性質の第２のグループは、少なくとも１つ同一の性質を含んでもよく、これにより、繊維材料の既存の性質の強化を示す。ある実施形態において、ＣＮＴの浸出は、繊維材料自体が示す性質の第１のグループには含まれない性質の第２のグループを、ＣＮＴ浸出繊維材料に与えることができる。
【００４６】
ＣＮＴ浸出炭素繊維材料及びＣＮＴ浸出ガラス繊維材料は、出願人による同時係属中の出願であり、その全内容が参照により本出願に組み込まれた米国特許出願公開第２０１０／０２７９５６９号明細書及び米国特許出願公開第２０１０／０１７８８２５号明細書に記載されている。このようなＣＮＴ浸出繊維材料は、適合された複合材料中で補強材料として使用することができるものの典型である。他のＣＮＴ浸出繊維材料には、金属繊維、セラミック繊維、及びアラミド繊維のような有機繊維が含まれる。上記の参照される出願で開示されたＣＮＴ浸出プロセスにおいて、繊維材料は、繊維上にＣＮＴ開始触媒ナノ粒子（CNT-initiating catalyst nanoparticles）の層（一般には単層）を提供するために修飾される。そして、触媒含浸繊維は、ＣＮＴを一直線に連続して成長させるために使用されるＣＶＤベース処理を行われる。成長したＣＮＴは繊維材料に浸出される。結果として得られるＣＮＴ浸出繊維材料は、それ自体が複合材料構造体である。
【００４７】
ＣＮＴ浸出繊維材料は、様々な性質が得られるように、繊維材料の表面のＣＮＴの特定の種類により適合される。例えば、繊維上に様々な種類、直径、長さ及び密度のＣＮＴを適用することにより、電気的性質を変更することができる。複合材料の伝導性を向上させるパーコレーション経路を形成するために、ＣＮＴ−ＣＮＴ間の適切な架橋を提供することができる長さのＣＮＴが必要とされる。繊維間隔は一般に繊維の直径（約５〜約５０ミクロン）以上であるため、ＣＮＴは効果的な電気的経路を達成するに少なくともこの長さである。短いＣＮＴは、構造的性質を強化するために使用することができる。
【００４８】
ある実施形態において、ＣＮＴ浸出繊維材料には、同一の繊維材料の異なる部分に沿って長さが相違するＣＮＴが含まれる。適合された複合材料補強材として使用された場合、このような多機能ＣＮＴ浸出繊維材料は、それらが組み込まれた複合材料の複数の性質を強化する。
【００４９】
ある実施形態において、ＣＮＴの第１の量が繊維材料に浸出される。ＣＮＴ浸出繊維材料の引張強度、ヤング率、せん断強度、剛性率、強靭性、圧縮強度、圧縮係数、密度、電磁波吸収性／反射性、音響透過率、電気伝導性、及び熱伝導性からなるグループから選択される少なくとも１つの性質の値が、繊維材料自体の同一の性質の値と異なるように、前記量は選択される。結果として得られたＣＮＴ浸出繊維材料のこれらの性質は、いずれも最終的な複合材料に与えることができる。
【００５０】
引張強度は、３つの異なる大きさを含む。１）材料の歪みが弾性変形から材料を永久に変形させる塑性変形に変化する応力を評価する降伏力、２）伸張、圧縮又はせん断にさらされたときに材料が耐えることができる最大応力を評価する極限強度、及び３）応力・歪み曲線上の破断点における応力の座標を評価する破壊強度である。複合せん断強度は、繊維方向と垂直な方向に応力が加えられた場合に材料が機能しなくなる応力を評価する。圧縮強度は、圧縮応力が適用された場合に材料が機能しなくなる応力を評価する。
【００５１】
特に、ＭＷＮＴは、これまで計測された全ての材料の中で最も高い引張強度を有し、６３ＧＰａの引張強度が達成されている。その上、理論計算はＣＮＴの可能な引張強度が約３００ＧＰａであることを示している。これにより、ＣＮＴ浸出繊維材料は、元の繊維材料と比較して実質的により高い極限強度が期待される。上記の通り、引張強度の向上は、使用されるＣＮＴの正確な性質と、繊維材料上での密度及び分布とに依存する。ＣＮＴ浸出繊維材料は、例えば、２倍又は３倍の引張特性の向上を示す。例としてのＣＮＴ浸出繊維材料は、元の機能化されていない繊維材料に比べて、３倍のせん断強度と２．５倍の圧縮強度を有することができる。このような強化繊維材料の強度の向上は、ＣＮＴ浸出繊維材料が組み込まれた複合材料の強度の向上に転換される。
【００５２】
ヤング率は、等方性弾性材料の剛性の大きさである。これは、フックの法則に従う応力の範囲における一軸歪みに対する一軸応力の割合により定義される。これは、材料のサンプルの対して行われる引張試験の間に作成される応力・歪み曲線の傾斜から実験的に決定される。
【００５３】
電気伝導性又は特定の伝導性は、電荷を導く材料の能力の大きさである。ＣＮＴキラリティー（chirality）に関連する捩れの度合いのような特定の構造的パラメータを備えたＣＮＴは高い伝導性を有し、これにより、金属的な性質を示す。広く認められた命名方式（M. S. Dresselhaus, et al. Science of Fullerenes and CNTs, Academic Press, San Diego, CA pp. 756-760(1996)）が正式なものとされており、ＣＮＴキラリティーに関して当業者に認められている。こうして、ＣＮＴは例えば２つの指標（ｎ，ｍ）により互いに区別される。ｎ及びｍは、円柱形の表面に巻きつけられ、端部が互いに閉塞されたときに筒を形成するように、六角形グラファイトの切れ目（cut）と巻きつけ（wrapping）とを説明する整数値である。２つの指標が等しい（ｍ＝ｎ）場合、結果として得られるチューブは「アームチェアー」（又はｎ，ｎ）型と呼ばれる。なぜなら、チューブをＣＮＴ軸に対して垂直に切断すると、六角形の辺だけが露出し、チューブのふちの外周のパターンが、ｎ回繰り返されるアームチェアーのアーム及びシートに似ているためである。アームチェアーＣＮＴ、特に単層ＣＮＴ（ＳＷＮＴ）は、金属的であり、極めて高い電気伝導性及び熱伝導性を有する。加えて、このようなＳＷＮＴは、極めて高い引張強度を有する。
【００５４】
捩れの度合いに加えて、ＣＮＴの直径もまた電気伝導性に影響する。上記の通り、ＣＮＴの直径は、大きさを制御されたＣＮＴ形成触媒ナノ粒子を使用することにより制御することができる。ＣＮＴはまた、半導体材料として形成することができる。ＭＷＮＴの伝導性はより複雑である。ＭＷＮＴにおける内層反応（interwall reactions）は、個々のチューブの全面に電流を不均一に再分配する。それに反して、金属的なＳＷＮＴの異なる部分において電流は変化しない。ＣＮＴはまた、ダイアモンド結晶及び面内グラファイトシートと比較して、極めて高い熱伝導性を有する。
【００５５】
繊維に浸出されたＣＮＴは、ＳＷＮＴ、ＤＷＮＴ及びＭＷＮＴを含むフラーレン族のカーボンの円柱形状の多くの同素体のいずれかである。ＣＮＴは、フラーレン様構造により閉塞されているか、開口している。ＣＮＴには、他の物質を封入したものが含まれる。
【００５６】
本明細書において、「宇宙ベース」という用語は、一般に動作状態において宇宙で支持可能なことを意味する。宇宙ベースとして考慮される構造体は、また地上ベース、海ベース又は空ベースであってもよい。例えば、貨物用コンテナは、宇宙ベース、地上ベース、海ベース及び空ベースである。同様に、ある種の乗り物は空中及び宇宙の両方を飛行することができる。
【００５７】
本明細書において、「浸出される」という用語は結合されることを意味し、「浸出」という用語は、結合プロセスを意味する。このような結合には、直接共有結合、イオン結合、π−π相互作用、及びファンデルワールス力媒介物理吸着が含まれる。例えば、ある実施形態において、ＣＮＴは、繊維材料に直接結合されてもよい。結合は、バリアコーティング又はＣＮＴと繊維材料との間に配置された媒介遷移金属ナノ粒子を介した繊維材料へのＣＮＴの浸出のように、間接的であってもよい。本明細書に開示されたＣＮＴ浸出繊維材料において、ＣＮＴは上記の通り、繊維材料に対して直接的又は間接的に「浸出される」。ＣＮＴが繊維材料に「浸出される」特定の方法は、「結合モチーフ（bonding motif）」と呼ばれる。
【００５８】
繊維材料の一部に浸出されたＣＮＴは、一般に長さが均一である。本明細書において、「長さが均一」とは、反応器内で成長したＣＮＴの長さについて言及する。「均一な長さ」とは、ＣＮＴの長さが、ＣＮＴの全長に対して±約２０％以下の許容誤差を有することを意味し、ＣＮＴの長さは約１ミクロンから約５００ミクロンまでの範囲で変化する。例えば１〜４ミクロンのような極めて短い長さにおいて、この誤差は、ＣＮＴ全長の±約２０％からＣＮＴ全長の約２０％よりやや大きい±約１ミクロン以下の範囲内である。
【００５９】
また、繊維材料の一部に浸出されたＣＮＴは、一般にその分布も均一である。本明細書において、「分布が均一」とは、繊維材料上のＣＮＴの密度の一貫性に関して言及する。「均一な分布」とは、繊維材料上のＣＮＴの密度が、ＣＮＴにより覆われた繊維の表面領域のパーセンテージとして定義される被覆率で±約１０％の許容誤差を有することを意味する。これは、直径８ｎｍで５層のＣＮＴにおいて±１５００ＣＮＴ／μｍ２に等しい。この数値は、ＣＮＴの内部空間を充填可能（fillable）とみなしている。
【００６０】
本開示は、ある程度ＣＮＴ浸出繊維材料を志向している。繊維材料へのＣＮＴの浸出は、例えば、蒸気、酸化、摩耗及び圧縮による損傷から保護するためのサイジング剤としての機能を含む多くの機能性を提供することができる。ＣＮＴベースのサイジング剤はまた、複合材料内で、繊維材料とマトリックス材との間の接触部分としての役割も果たす。ＣＮＴはまた、繊維材料を被覆するいくつかのサイジング剤のうちの１つとしての役割を果たす。
【００６１】
さらに、繊維材料に浸出されたＣＮＴは、例えば、熱伝導性、電気伝導性、又は引張強度のような繊維材料の様々な性質を変化させることができる。ＣＮＴ浸出繊維材料を作成するために使用されるプロセスは、改良された繊維材料全体にその有益な性質を均一に与えるように、実質的に均一な長さ及び分布のＣＮＴを提供する。このようなプロセスの中には、巻取り可能な寸法のＣＮＴ浸出繊維材料の製造に適しているものもある。
【００６２】
本開示はまた、ある程度ＣＮＴ浸出繊維材料を志向している。典型的なサイジング溶液を繊維材料に適用する前に、もしくはそのかわりに、様々なプロセスが新たに製造される繊維材料の初期段階に適用される。あるいは、例えば、カーボントウのような既にサイジング剤がその表面に適用済みの商用の繊維材料をプロセスに使用することができる。このような実施形態において、バリアコーティング及び遷移金属微粒子は、以下でさらに説明されるように間接的な浸出を提供する中間層としての役割を果たすが、サイジング剤は繊維材料と合成されたＣＮＴとの間を直接的に接触させるために除去される。ＣＮＴの合成後、要望に応じてさらなるサイジング剤を適用することができる。
【００６３】
あるプロセスは、巻取り可能な寸法のトウ、テープ、織物、及び他の３次元織物構造体に沿って、均一な長さ及び分布を有するＣＮＴの連続生産を可能にする。特定のプロセスによって様々なマット、織物、及び不織布等が機能化可能だが、トウやヤーン等の元となる材料のＣＮＴ機能化の後、これらから、より高度な秩序構造を製造することも可能である。例えば、ＣＮＴ浸出織物を、ＣＮＴ浸出炭素繊維トウから製造することができる。
【００６４】
本明細書において、「繊維材料」という用語は、その基本的な構造要素としてフィラメント又はフィラメントの束を有する任意の材料を示す。この用語は、繊維、フィラメント、ヤーン、トウ、テープ、織物及び不織布、パイル、マット等を包含する。
【００６５】
本明細書において、「巻取り可能な寸法」とは、材料をスプール又はマンドレルに保存可能にする長さに制限されない少なくとも１つの寸法を有する繊維材料に関して言及する。「巻取り可能な寸法」の繊維材料は、本明細書で記載されたＣＮＴ浸出用のバッチ処理又は連続処理のいずれかの使用を示す少なくとも１つの寸法を有する。市販の巻取り可能な寸法の繊維材料の１つとして、８００ｔｅｘ（１ｔｅｘ＝１ｇ／１，０００ｍ）又は６２０ｙａｒｄ／ｌｂで１２ｋのＡＳ４炭素繊維トウ（Grafil, Inc., Sacramento, CA）が挙げられる。特に、市販の炭素繊維トウは、より大きなスプールの特注品を要求してもよいが、例えば、５，１０，２０，５０及び１００ｌｂ（大きな重量を有するスプール用、通常は３ｋ／１２Ｋトウ）のスプールにおいて得ることができる。あるプロセスは、５〜２０ｌｂのスプールで容易に行われるが、より大きなスプールを使用することもできる。さらに、例えば、１００ｌｂ以上の極めて大きなスプールを、２本の５０ｌｂのスプール等の扱いやすい寸法に分割する前処理を組み込んでもよい。
【００６６】
本明細書において、「カーボンナノチューブ」（ＣＮＴ，複数形はＣＮＴｓ）という用語は、単層カーボンナノチューブ（single-walled carbon nanotube, SWNT）、２層カーボンナノチューブ（double-walled carbon nanotube, DWNT）及び多層カーボンナノチューブ（multi-walled carbon nanotube, MWNT）を含むフラーレン族の円筒形状の任意の炭素同素体を示す。カーボンナノチューブは、フラーレン様構造により閉塞されるか、又は端部が開口する。カーボンナノチューブには、他の物質を封入したものが含まれる。
【００６７】
本明細書において、「遷移金属」という用語は、周期表のｄブロックの任意の元素又はその合金を示す。「遷移金属」という用語はまた、酸化物、炭化物及び窒化物等の遷移金属元素ベースの塩形態も含む。
【００６８】
本明細書において、「ナノ粒子」もしくはＮＰという用語又はその文法的な同等物は、ＮＰが球形である必要はないが、等価な球形における粒径が約０．１から約１００ナノメートルまでの間の大きさの粒子を示す。特に、遷移金属ＮＰは、繊維材料上でＣＮＴを成長させる触媒としての役割を果たす。
【００６９】
本明細書において、「サイジング剤（sizing agent）」、「繊維サイジング剤（fiber sizing agent）」又は単に「サイジング（sizing）」とは、炭素繊維の品質を保護し、複合材料中の炭素繊維とマトリックス材との間の界面相互作用を強化し、炭素繊維の特定の物理的性質を変化又は強化するためのコーティングとして、繊維の製造において使用される材料を総称するものである。ある実施形態において、繊維材料に浸出されたＣＮＴはサイジング剤としての役割を果たす。
【００７０】
本明細書において、「マトリックス材」という用語は、サイジング剤を適用したＣＮＴ浸出繊維材料を、ランダム配向を含む特定の配向性でまとめる役割を果たすバルク材をいう。ＣＮＴ浸出繊維材料の物理的又は化学的性質の一部がマトリックス材に与えられることにより、前記マトリックス材はＣＮＴ浸出繊維材料の存在からの利益を享受することができる。
【００７１】
本明細書において、「材料滞留時間」という用語は、巻取り可能な寸法の繊維材料に沿った個々の点が、ＣＮＴ浸出プロセスの間にＣＮＴ成長状態にさらされる時間をいう。この定義は、多層ＣＮＴの成長チャンバーを用いる場合の滞留時間を含む。
【００７２】
本明細書において、「ラインスピード（linespeed）」という用語は、ＣＮＴ浸出プロセスにおいて、巻取り可能な寸法の繊維材料が送り込まれる速度をいい、ラインスピードは、ＣＮＴの（１つの又は複数の）チャンバーの長さを材料滞留時間で除して算出される速度である。
【００７３】
ある実施形態において、本開示はＣＮＴ浸出繊維材料を含む複合材料を提供する。ＣＮＴ浸出繊維材料には、巻取り可能な寸法の繊維材料、繊維材料の周囲に等角的に配置されたバリアコーティング、及び繊維材料に浸出されたＣＮＴが含まれる。繊維材料へのＣＮＴの浸出は、繊維材料への個々のＣＮＴの直接的結合又は遷移金属ＮＰ、バリアコーティング又はその両方を介した間接的結合の結合モチーフが含まれる。
【００７４】
理論に制限されることなく、ＣＮＴ形成触媒としての役割を果たす遷移金属ＮＰは、ＣＮＴ成長核構造を形成することによりＣＮＴ成長に触媒作用をもたらす。一実施形態において、ＣＮＴ形成触媒は、繊維材料の基部に留まり、バリアコーティングにより固定され、繊維材料の表面に浸出される。このような場合において、遷移金属ナノ粒子触媒によって初期に形成された核構造は、当該分野でしばしば観察されるＣＮＴ成長の先端部に沿った触媒の移動をさせることなく、継続した非触媒核ＣＮＴ成長に十分である。このような場合において、ＮＰは、繊維材料に対するＣＮＴの付着点としての役割を果たす。バリアコーティングの存在はまた、さらなる間接的結合モチーフを提供する。例えば、ＣＮＴ形成触媒は、繊維材料と表面接触せずに、上記の通りバリアコーティング内に固定される。このような場合において、ＣＮＴ形成触媒と繊維材料との間に配置されたバリアコーティングの積層構造が生じる。いずれの場合も、形成されたＣＮＴは繊維材料に浸出される。ある実施形態において、バリアコーティングの中には、ＣＮＴ成長触媒がナノチューブ成長の先端に追従することをなお可能にするものがある。このような場合において、これは繊維材料への、又は付随的にバリアコーティングへのＣＮＴの直接的な結合を生じさせる。ＣＮＴと繊維材料との間に形成された実際の結合モチーフの性質に関わらず、浸出されたＣＮＴは丈夫であり、ＣＮＴ浸出繊維材料がＣＮＴの性質又は特性を示すことを可能にする。
【００７５】
また、理論に制限されることなく、繊維材料上にＣＮＴが成長する場合、反応チャンバー内の高温、残留酸素及び残留湿気等は、繊維材料に損傷を与える。その上、繊維材料自体が、ＣＮＴ形成触媒自体との反応により損傷を受ける。すなわち、繊維材料は、ＣＮＴ合成用に使用される反応温度にいて、触媒への炭素原料としての役割を果たす。このような過剰な炭素は、炭素原料ガスの制御された導入を妨げ、炭素を過剰供給することにより触媒を汚染することがある。本開示で使用されるバリアコーティングは、繊維材料上でのＣＮＴ合成を容易にするように設計されている。理論に制限されることなく、前記コーティングは、熱分解に対する熱障壁又は高温環境への繊維材料の暴露を防ぐ物理障壁を提供することができる。かわりに或いはさらに、前記コーティングは、ＣＮＴ形成触媒と繊維材料との間の表面領域接触を最小化し、又はＣＮＴ成長温度におけるＣＮＴ形成触媒への繊維材料の暴露を軽減することができる。
【００７６】
ＣＮＴ浸出繊維材料を有する複合材料には、略均一な長さのＣＮＴが提供される。連続プロセスにおいて、ＣＮＴ成長チャンバー内での繊維材料の滞留時間は、ＣＮＴ成長を制御、最終的にはＣＮＴの長さを制御するために調節される。これは、ＣＮＴ成長の特定の性質を制御する手段を提供する。ＣＮＴの長さはまた、炭素原料並びに搬送ガスの流量及び反応温度を調節することにより制御される。例えばＣＮＴを作成するために使用される触媒の大きさを制御することにより、ＣＮＴ特性のさらなる制御を行うことができる。例えば、１ｎｍ遷移金属ナノ粒子触媒は、特にＳＷＮＴを形成するために使用することができる。より大きな触媒は、主にＭＷＮＴを作成するために使用することができる。
【００７７】
さらに、使用されるＣＮＴ成長プロセスは、予め作成されたＣＮＴを溶媒中に浮遊又は分散して、手で繊維材料に適用するプロセス中に生じるＣＮＴの束化又は凝集を避けつつ、繊維材料上にＣＮＴが均一に分布したＣＮＴ浸出繊維材料を提供するのに有用である。このように凝集したＣＮＴは、繊維材料への付着力が弱く、ＣＮＴの特性は、現れたとしても弱い。ある実施形態において、被覆率、すなわち被覆された繊維の表面領域のパーセントで表される最大分布密度は、直径約８ｎｍで５層のＣＮＴの場合約５５％である。この被覆率は、ＣＮＴの内部空間が「充填可能な」空間であるとして計算される。表面に分散した触媒を変化させ、ガス組成及びプロセススピードを制御することにより、様々な分布／密度の値を達成することができる。一般的に与えられるパラメータにおいて、繊維表面に亘って約１０％以内の被覆率を達成することができる。より高密度でより短いＣＮＴは、機械的性質を向上させるのに有用である一方、より低密度のより長いＣＮＴは、熱的及び電気的性質の向上に有用であるが、やはり高密度が望ましい。より長いＣＮＴが成長した場合、より低密度が生じることがある。これは、より低い触媒微粒子収率（catalyst particle yield）を引き起こすより高温及びより急成長の結果である可能性がある。
【００７８】
ＣＮＴ浸出繊維材料を有する本開示の複合材料には、単一のフィラメント、繊維ヤーン、繊維トウ、テープ、繊維ブレイド（fiber-braid）、織物、不織布マット、繊維プライ、及び他の３次元織物構造等の繊維材料が含まれてもよい。フィラメントには、約１ミクロンから約１００ミクロンまでの範囲の直径を有する高アスペクト比の繊維が含まれる。繊維トウは、通常は密集して結合したフィラメントの束であり、大抵はヤーンを形成するために互いに撚り合わせられる。
【００７９】
ヤーンには、撚り合わせられたフィラメントの密接に結合された束が含まれる。ヤーン内でのそれぞれのフィラメントの直径は比較的均一である。ヤーンは、１０００リニアメートル（linear meter）あたりのグラム重量として表される「テックス（tex）」又は１０，０００ｙａｒｄあたりのポンド重量として表される「デニール（denier）」で示される様々な重量を有し、一般的なテックスの範囲は約２００ｔｅｘから約２０００ｔｅｘまでの間である。
【００８０】
トウには、撚り合わせられていないフィラメントの緩やかに結合された束が含まれる。ヤーンにおけるのと同様に、トウ内でのフィラメントの直径は概して均一である。トウはまた、様々な重量を有し、ｔｅｘの範囲は一般に約２００ｔｅｘから２０００ｔｅｘまでの範囲である。トウは、例えば１２Ｋトウ、２４Ｋトウ、４８Ｋトウ等のように、トウ内の数千本のフィラメントの数によりしばしば特徴付けられる。
【００８１】
テープは、波状にまとめられるか、又は不織布の扁平トウを表すことができる材料である。テープの幅は様々であり、一般にリボンのような両面構造（two-sided structure）である。形成するためのプロセスは、テープの片面又は両面でのＣＮＴ浸出と相性がよい。ＣＮＴ浸出テープは、平らな基質表面上の「カーペット」又は「森」のようである。また、このようなプロセスは、テープのスプールを機能化するために連続モードで行うことができる。
【００８２】
繊維ブレイドは、高密度な繊維のロープ様構造を示す。このような構造は、例えば、ヤーンにより形成することができる。編み上げ構造（braided structure）は、中空部分（hollow portion）を含んでもよく、あるいは他のコア材料の周りに形成されてもよい。
【００８３】
ある実施形態において、多くの主要な繊維材料構造体は、織物又はシート様構造に形成される。これには、例えば、上記のテープに加えて、織物製品、不織繊維マット（non-woven fiber mat）及び繊維プライが含まれる。このような高度な秩序構造は、元の繊維に浸出されたＣＮＴを有する元のトウ、ヤーン又はフィラメント等から形成することができる。あるいは、このような構造体は、ＣＮＴ浸出プロセス用の基板としての役割を果たすことができる。
【００８４】
繊維を形成するために使用される前駆体に基づき、炭素繊維は３種類に分類され、本開示においては、レーヨン、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）及びピッチ（Pitch）のいずれの繊維も使用することができる。セルロース系材料であるレーヨン前駆体の炭素繊維は、約２０％と比較的低い炭素含有量を有し、繊維の強度及び剛性が低い傾向がある。ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）前駆体は、約５５％の炭素含有量の炭素繊維を提供する。一般に、ＰＡＮ前駆体に基づく炭素繊維は、表面欠陥が最小であるため、他の炭素繊維前駆体に基づく炭素繊維より高い引張強度を有する。
【００８５】
また、石油アスファルト、コールタール及びポリ塩化ビニルに基づくピッチ前駆体をも、炭素繊維を製造するために使用できる。ピッチは、比較的低コストで炭素収率（carbon yield）が高いが、不均一性の問題が生じることがある。
【００８６】
繊維材料への浸出に有用なＣＮＴには、ＳＷＮＴ、ＤＷＮＴ、ＭＷＮＴ及びこれらの組み合わせが含まれる。実際に使用されるＣＮＴは、ＣＮＴ浸出繊維材料の用途によって決まる。ＣＮＴは、熱伝導性もしくは電気伝導性の用途に、又は絶縁体として使用することができる。ある実施形態において、浸出されるＣＮＴはＳＷＮＴである。ある実施形態において、浸出されるＣＮＴはＭＷＮＴである。ある実施形態において、浸出されるＣＮＴはＳＷＮＴとＭＷＮＴとの組み合わせである。ＳＷＮＴ及びＭＷＮＴの特有の性質には、いくつかの繊維の最終用途において、いずれか一方の種類のナノチューブの合成を決定づけるいくつかの相違が存在する。例えば、ＳＷＮＴは半導体的又は金属的であり得るが、ＭＷＮＴは金属的である。
【００８７】
ＣＮＴは、機械的強度、低〜中程度の電気抵抗率及び高い熱伝導性等の特有の性質を、ＣＮＴ浸出繊維材料に与える。例えば、ある実施形態において、ＣＮＴ浸出炭素繊維材料の電気抵抗率は、元の繊維材料の電気抵抗率より低い。さらに一般に、結果として得られるＣＮＴ浸出繊維が示すこれらの特性の程度は、ＣＮＴによる繊維の被覆率の程度及び密度の関数となる。直径８ｎｍで５層のＭＷＮＴの場合、繊維の０〜５５％の範囲の任意の繊維表面領域を被覆することができる（ＣＮＴの内部空間を充填可能とみなして計算している）。この数値は、より小さな直径のＣＮＴの場合はより小さく、より大きな直径のＣＮＴの場合はより大きい。表面領域の５５％の被覆率は、約１５，０００ＣＮＴ／ミクロン２に相当する。さらに、ＣＮＴの性質は、上記の通りＣＮＴの長さに依存した方法で繊維材料に与えることができる。浸出されたＣＮＴの長さは、約１ミクロンから約５００ミクロンまでの範囲で変化させることができ、１ミクロン，２ミクロン，３ミクロン，４ミクロン，５ミクロン，６ミクロン，７ミクロン，８ミクロン，９ミクロン，１０ミクロン，１５ミクロン，２０ミクロン，２５ミクロン，３０ミクロン，３５ミクロン，４０ミクロン，４５ミクロン，５０ミクロン，６０ミクロン，７０ミクロン，８０ミクロン，９０ミクロン，１００ミクロン，１５０ミクロン，２００ミクロン，２５０ミクロン，３００ミクロン，３５０ミクロン，４００ミクロン，４５０ミクロン，５００ミクロン及びこれらの間の全ての値を含む。ＣＮＴはまた、例えば、約０．５ミクロンを含む１ミクロンより短い長さとすることもできる。ＣＮＴはまた、例えば、５１０ミクロン，５２０ミクロン，５５０ミクロン，６００ミクロン，７００ミクロン及びこれらの間の全ての値を含む、５００ミクロンより長い長さとすることもできる。
【００８８】
本開示の複合材料には、約１ミクロンから約１０ミクロンまでの長さのＣＮＴを組み込むことができる。このようなＣＮＴの長さは、せん断強度の強化に有益である。また、ＣＮＴは、約５から約７０ミクロンまでの長さであってもよい。このようなＣＮＴの長さは、ＣＮＴが繊維方向に配列された場合、引張強度の強化に有益である。また、ＣＮＴは、約１０ミクロンから約１００ミクロンまでの長さであってもよい。このようなＣＮＴの長さは、機械的性質と同様、電気的性質／熱的性質の向上に有益である。また、ＣＮＴは、電気的性質及び熱的性質の向上に役に立つ約１００ミクロンから約５００ミクロンまでの長さであってもよい。このようなＣＮＴの長さの制御は、ラインスピード及び成長温度の変化に加えて炭素原料及び不活性ガス流量を調整することにより容易に行うことができる。
【００８９】
ある実施形態において、巻取り可能な寸法のＣＮＴ浸出繊維材料を含む複合材料は、ＣＮＴの長さが異なる様々な均一な領域を有する。例えば、せん断強度を強化する均一な短いＣＮＴを備えたＣＮＴ浸出繊維の第１部分と、電気的又は熱的性質を向上する均一な長いＣＮＴを備えた同一の巻取り可能な材料の第２部分と、を有するのが望ましい。
【００９０】
繊維材料にＣＮＴを浸出するためのあるプロセスは、一様なＣＮＴの長さの制御を可能にし、連続プロセスにおいて、巻取り可能な繊維材料が高い割合でＣＮＴにより機能化可能にする。材料滞留時間が５から３００秒で長さ３フィートのシステム用の連続プロセスにおけるラインスピードは、約０．５ｆｔ／ｍｉｎから約３６ｆｔ／ｍｉｎまでのいずれか、又はそれより大きい。選択されるスピードは、以下にさらに説明される様々なパラメータに応じて決定される。
【００９１】
ある実施形態において、約５から約３０秒までの材料滞留時間により、約１ミクロンから約１０ミクロンまでの長さのＣＮＴの製造が可能となる。ある実施形態において、約３０から約１８０秒までの材料滞留時間により、約１０ミクロンから約１００ミクロンまでの長さのＣＮＴの製造が可能となる。さらに他の実施形態において、約１８０から約３００秒までの材料滞留時間により、約１００ミクロンから約５００ミクロンまでの長さのＣＮＴの製造が可能となる。当業者は、これらの範囲が概算であり、ＣＮＴの長さはまた、反応温度並びに搬送ガス及び炭素原料の濃度及び流量によって調節することができることを理解するだろう。
【００９２】
本開示のＣＮＴ浸出繊維材料にはバリアコーティングが含まれる。バリアコーティングには、例えば、アルコキシシラン（alkoxysilane）、メチルシロキサン（methylsiloxane）、アルモキサン（alumoxane）、アルミナナノ粒子、スピンオンガラス（spin on glass）及びガラスナノ粒子が含まれる。以下に記載のように、ＣＮＴ形成触媒は、未硬化バリアコーティング材料に添加し、まとめて繊維材料に適用することができる。他の実施形態において、ＣＮＴ形成触媒を付着させる前に、バリアコーティング材料を繊維材料に追加することができる。ＣＶＤ成長がその後に続くように、バリアコーティング材料をＣＮＴ形成触媒が炭素原料に暴露できるくらい十分に薄くすることができる。ある実施形態において、前記厚さは、ＣＮＴ形成触媒の有効径より薄いか略等しい。ある実施形態において、バリアコーティングの厚さは、約１０ｎｍから約１００ｎｍまでである。また、バリアコーティングを、１ｎｍ，２ｎｍ，３ｎｍ，４ｎｍ，５ｎｍ，６ｎｍ，７ｎｍ，８ｎｍ，９ｎｍ，１０ｎｍ及びこれらの間のいずれの値も含む１０ｎｍより小さい値とすることができる。
【００９３】
理論に制限されることなく、バリアコーティングは、繊維材料とＣＮＴとの間の中間層の役割を果たし、ＣＮＴの繊維材料への機械的な浸出の役に立つ。このような機械的浸出は、繊維材料にＣＮＴの特性をなおも与えながら、繊維材料がＣＮＴを形成するための基盤（platform）として機能する強固な体制を依然として提供する。さらに、バリアコーティングを含むことの利益には、炭素繊維材料を蒸気にさらすことによる化学的損傷又はＣＮＴ成長を促進するために用いられる温度で繊維材料を加熱することによる熱的損傷から、繊維材料を直接的に保護することが含まれる。
【００９４】
本明細書で開示される浸出されたＣＮＴは、従来の繊維「サイジング」の代用品の役割を効果的に果たす。浸出されたＣＮＴは、従来のサイジング材料よりも丈夫であり、複合材料内における繊維−マトリックス間の界面を強化し、さらに一般に、繊維−繊維間の界面を強化することができる。実際に、本明細書で開示されるＣＮＴ浸出繊維材料は、ＣＮＴ浸出繊維材料の性質が繊維材料の性質と浸出されたＣＮＴの性質との組み合わせであるという意味ではそれ自体が複合材料である。結果として、本開示の実施形態は、望ましい性質が不十分又は欠如した繊維材料にそのような性質を与える手段を提供する。繊維材料は、特定の用途の必要性を満たすように適合又は設計することができる。サイジングとしてのＣＮＴの作用は、ＣＮＴの疎水構造による蒸気の吸収から繊維材料を保護することができる。その上、以下にさらに例示されるように、疎水性のマトリックス材と疎水性のＣＮＴとの相互作用により、繊維とマトリックス間の相互作用が向上する。
【００９５】
上記の浸出されたＣＮＴを有する繊維材料へ有益な性質が与えられているにもかかわらず、本開示の複合材料は、従来のサイジング剤をさらに含んでもよい。このようなサイジング剤の種類及び機能は幅広く、例えば、界面活性剤、帯電防止剤、潤滑剤、シロキサン、アルコキシシラン、アミノシラン、シラン、シラノール、ポリビニルアルコール、でんぷん、及びこれらの混合物が含まれる。このような第２のサイジング剤は、ＣＮＴ自体を保護するか、又は浸出されたＣＮＴによって与えられなかったさらなる性質を繊維に与えることができる。
【００９６】
本開示の複合材料は、ＣＮＴ浸出繊維材料とともに複合材料を形成するマトリックス材をさらに含む。このようなマトリックス材として、例えば、エポキシ、ポリエステル、ビニルエステル、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトンケトン、ポリフタルアミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、フェノールホルムアルデヒド及びビスマレイミドが含まれる。本開示において有用なマトリックス材として、周知の任意のマトリックス材が含まれる（Mel M. Schwartz, Composite Materials Handbook（2d ed. 1992）参照）。さらに、マトリックス材として、熱硬化性及び熱可塑性の樹脂（ポリマー）の両方、金属、セラミック及びセメントが含まれる。
【００９７】
マトリックス材として有用な熱硬化性樹脂には、フタル酸／マレイン酸型のポリエステル、ビニルエステル、エポキシ、フェノール樹脂、シアン酸塩、ビスマレイミド及びナディック末端封止ポリイミド（nadic end-capped polyimide, PMR-15等）が含まれる。熱可塑性樹脂には、ポリスルホン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリフェニレン酸化物、ポリ硫化物、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアリレート及び液晶ポリエステルが含まれる。
【００９８】
マトリックス材として有用な金属には、アルミニウム６０６１，２０２４及び７１３アルミニウムブレーズ（aluminum braze）等のアルミニウム合金が含まれる。マトリックス材として有用なセラミックには、リチウムアルミノケイ酸塩等のカーボンセラミック、酸化アルミニウム及びムライト等の酸化物、窒化ケイ素等の窒化物及び炭化ケイ素等の炭化物が含まれる。マトリックス材として有用なセメントには、炭化物ベースのセメント（炭化タングステン、炭化クロム及び炭化チタン）、耐火セメント（タングステントリア（tungsten-thoria）及び炭酸バリウム−ニッケル（barium-carbonate-nickel））、クロム−アルミナ、ニッケル−マグネシア及び鉄−ジルコニウム炭化物が含まれる。上記のマトリックス材はいずれも単独で又は組み合わせて用いることができる。
【００９９】
本発明は、開示された実施形態を参照して説明されたが、当業者は、これが単に本発明を説明するためのものに過ぎないことをただちに理解するだろう。本発明の精神から逸脱することなく、様々な修正を加えることが可能であることは当然である。
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００９年１１月２３日に出願された米国特許仮出願第６１／２６３，８０７号及び２００９年１２月１４日に出願された米国特許仮出願第６１／２８６，３４０号に対する優先権を主張し、それらの全内容は参照により本出願に組み込まれる。
【０００２】
（連邦支援研究又は開発に関する記載）
適用無し。
【背景技術】
【０００３】
本発明は、概してカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）に関し、より詳細には、複合材料及び複合材料構造体に組み込まれたＣＮＴに関する。
【０００４】
ハイブリッド複合材料は、様々な成功の度合いで使用されている。機械的強化、コスト削減、煤煙防止及び耐薬品性等の様々な目的のために使用される凝集体やフィルタの追加とともに、複合材料内での２，３の異なる補強材の使用が行われている。
【０００５】
宇宙ベース構造体は、操作性及び効率性に関する多くの要求にさらされる。構造体筐体の電気回路は、適切な保護無しでは動作に支障をきたすおそれのある電磁伝導や電磁放射にさらされやすい。構造体の小規模な又は修繕可能な構造損傷は、迅速に発見しなければ、深刻な又は完全な故障にすぐさま発展するおそれがある。除氷をしないと、重要な部品上に氷が形成され、機能性を変化させ、故障を引き起こしかねない。構造体の重要部分におけるせん断力、張力及び圧力は、適切な構造的健全性がないと、徐々に故障を引き起こす可能性がある。微小亀裂を形成初期に防がないと、亀裂伝播が深刻な又は完全な故障を引き起こすおそれがある。様々な温度や他の要素が、構造体に不適切な熱伝導性の影響を与えることもある。構造体は、適切な保護がないと、突然の静電蓄積を経験することもある。宇宙ベース構造体におけるこれらの（及びさらなる）要求は、それぞれの要求に適した材料の選択を困難にする。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一態様において、本明細書で開示された実施形態は、マトリックス材と特定の機能性を備えたＣＮＴ浸出繊維材料とを含む適合された複合材料（tailored composite materials）に関する。
【０００７】
一態様において、本明細書で開示された実施形態は、少なくとも（１）構造体に第１の機能性を与える第１のカーボンナノチューブ浸出材料と、（２）構造体に第２の機能性を与える第２のカーボンナノチューブ浸出材料と、を有する複合材料構造体を備えた宇宙で支持される構造体を含む装置に関する。ある実施形態において、前記複合材料構造体は、構造体にさらなる機能性を与えるさらなるカーボンナノチューブ浸出材料を有する。
【０００８】
一態様において、本明細書で開示された実施形態は、少なくとも（１）構造体に第１の機能性を与える第１のカーボンナノチューブ浸出材料と、（２）構造体に第２の機能性を与える第２のカーボンナノチューブ浸出材料と、を有する複合材料構造体を備えた宇宙で支持される構造体を含む提供することを含む方法に関する。ある実施形態において、前記複合材料構造体は、構造体にさらなる機能性を与えるさらなるカーボンナノチューブ浸出材料を有する。カーボンナノチューブ浸出材料のカーボンナノチューブの担持量は、対応する機能性に基づいて選択することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】連続化学蒸着（ＣＶＤ）処理によりパンベースの（PAN-BASED）炭素繊維上に成長した多層ＣＮＴ（ＭＷＮＴ）の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像を示す。
【図２】連続ＣＶＤ処理によりパンベースの炭素繊維上に成長した２層ＣＮＴ（ＤＷＮＴ）のＴＥＭ画像を示す。
【図３】ＣＮＴ形成ナノ粒子触媒が繊維材料表面に機械的に浸出された部分のバリアコーティング内部から成長したＣＮＴの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。
【図４】炭素繊維材料上で目標とする長さである約４０ミクロンの２０％以内まで成長したＣＮＴの長さ分布の一貫性を明示するＳＥＭ画像を示す。
【図５】繊維全体に亘って約１０％以内でＣＮＴの密度が均一であることを明示する炭素繊維上に成長したＣＮＴの低倍率ＳＥＭ画像を示す。
【図６】本開示の一実施形態による宇宙ベース装置の斜視図である。
【図７】本開示の一実施形態による宇宙ベース装置の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ＣＮＴ浸出繊維を活用して適合されたマルチスケール複合材料が開発されている。出願人による同時係属中の出願であり、その内容が参照により本出願に組み込まれた、米国特許出願公開第２０１０／０２７９５６９号明細書及び米国特許出願公開第２０１０／０１７８８２５号明細書に記載された処理のような、修正ＣＶＤ処理を利用した連続，ライン処理によって、ガラス繊維及び炭素繊維の表面にＣＮＴを直接成長させることができる。ＣＮＴ浸出繊維材料により形成された複合材料構造体は、高い機械的特性、特に高い層間せん断力及び面内せん断力を示す。さらに、これらの複合材料構造体は、ＣＮＴの担持量及び配向性に基づく高い電気伝導性及び熱伝導性を有する。これらのＣＮＴ浸出繊維材料は、従来の繊維材料では得られない性能を含む特注の（custom tailored）性能を提供するために、様々な配向及び担持量で複合材料内に使用することができる。
【００１１】
ＣＮＴ浸出繊維複合材料は、例えば、カーボン、ガラス、アルミナ、シリコンカーバイド又はケブラー（登録商標）等のあらゆる種類の繊維基材を使用することができる。その上、多くの種類の繊維が機械的強化のために使用されるため、浸出されたＣＮＴは、機械的強度の向上におけるさらなる役割を果たすことができる。ＣＮＴ浸出繊維材料内でのＣＮＴ担持量の範囲は、複合部品に要求される性能を提供するように特定される。より詳細には、特注及び最適化のため、各複合材料構造体内における特定のＣＮＴ浸出繊維材料の位置に基づいて、ＣＮＴ担持量を変えることができる。構造体のある特定の点で望まれる機能性に応じて、構造体はＣＮＴ浸出繊維材料内の異なる位置にて異なるＣＮＴ担持量範囲を有し、ＣＮＴ浸出繊維材料の異なる層（又は勾配）内にて異なるＣＮＴ担持量範囲を有し、又は異なるＣＮＴ浸出繊維材料ごとに異なるＣＮＴ担持量範囲を有することができる。繊維上及び複合材料全体のＣＮＴ担持量は、様々な範囲から選択することができる。例えば、複合材料中のＣＮＴ担持量は、４つの領域に分けることができる。ある実施形態において、０．０１％から２％を「低」領域とすることができる。この「低」領域は、約０％から約２％であり、０％，１％，２％及びその端数の担持量を含む。「中」領域は、約２％から約５％であり、２％，３%，４%，５%及びその端数の担持量を含む。「高」領域は、約５％から約４０％であり、５％、１０%、１５%、２０%、２５%，３０%，３５%，４０%及びその端数の担持量を含む。約４０％を越えると「超高」領域である。
【００１２】
繊維強化複合材料構造体は、その性質を任意の一連の要求を満たすように適合することができるため、先進的な宇宙ベースの用途に使用されている。例えば、合成梁（composite beam）の曲げ剛性を最適化するために特定の薄膜積層順序を使用し、ねじれ剛性を最適化するために他の順序を使用することができる。異なる２種類の強化繊維を使用するハイブリッド複合材料は、全体的な複合材料の機械的、熱的あるいは電気的性質に対するそれぞれの繊維のもつ有益な貢献からの利益を享受する。
【００１３】
宇宙ベースの複合材料構造体に適用可能な広範な機能性は、ＣＮＴ浸出繊維材料中でのＣＮＴ担持量のレベルの違いにより得ることができる。このようなＣＮＴ浸出繊維材料には、連続繊維（continuous fiber）、短繊維（chopped fiber）及び織物（woven fabrics）が含まれる。
【００１４】
このような機能性には、電磁妨害（ＥＭＩ）遮蔽、損傷検知、除氷、及び機械的性質が含まれる。機械的性質には、層間及び面内せん断強度及び剛性率、引張強度及び引張係数、圧縮強度及び圧縮率、曲げ強度及び曲げ弾性率、亀裂抵抗及び伝播抵抗、熱伝導性の向上、電気回路組み込み能力（embedded circuitry capabilities）、及び静電放電防止（electrostatic discharge prevention）が含まれるが、これに限られない。
【００１５】
ある利用において、高レベルのＣＮＴ担持量は、ＥＭＩ遮蔽機能性を提供することができる。このような機能性は、出願人による同時係属中の出願であり、その全内容が参照により本出願に組み込まれた米国特許出願公開第２０１０／０２７００６９号明細書に記載されたような、精密な電気回路への電磁伝導又は電磁放射による悪影響を防ぐことができる。ＥＭＩ遮蔽複合材料は、マトリックス材の一部に配置されたＣＮＴ浸出繊維材料を有することができる。この複合材料は、約０．０１ＭＨｚから約１８ＧＨｚまでの周波数帯域において、電磁（ＥＭ）放射の吸収、ＥＭ放射の反射、又はその両方が可能である。ＥＭＩ遮蔽効果（ＳＥ）として計測される複合材料のＥＭ遮蔽能力は、約４０デシベル（ｄＢ）から約１３０ｄＢまでの範囲である。ＣＮＴは、その高アスペクト比による望ましい電磁吸収特性を有する。複合材料中のＣＮＴは、広い範囲の周波数のＥＭ放射を吸収し、吸収したエネルギーを例えば電気接地へ又は熱として消散させることができる。また、ＣＮＴは機構的にＥＭ放射を反射することができる。その上、ＥＭＩ遮蔽用途において、吸収率及び反射率のいずれの組み合わせも、電磁放射の透過率が最小化する限り有益である。使用可能な実際のメカニズムと関係なく、かつ理論に制限されることなく、複合材料は電磁妨害を十分に低下又は妨げることができる。ＥＭＩ遮蔽複合材料は、ＥＭＩ遮蔽用途に既に使用されている材料の遮蔽特性を向上させることができる。ＣＮＴ浸出繊維は、誘電性複合材料及び導電性複合材料のＥＭＩ遮蔽を向上させ、これにより軽量で高強度の複合材料を使用可能とする。このような複合材料のいくつかは、その本質的に乏しいＥＭＩ遮蔽能力により、予め用途を制限されてもよい。ＥＭＩ遮蔽複合材料は、可視光線、赤外線（ＩＲ）及び他の様々なレーダー帯域部分を含む電磁スペクトルの異なる部分に亘ってほとんど黒体であるの吸収表面を提供することができる。黒体様（black body-like）の性質を得るために、繊維材料上のＣＮＴ密度が制御される。例えば、ＣＮＴ浸出繊維材料の屈折率は、空気の屈折率と略一致するように調整される。フレネルの法則によれば、このとき反射率は最小となる。反射の最小化はＥＭ吸収を最適化するのに有益であるが、複合材料はまた、ＥＭＩ遮蔽層の透過を最小化するよう設計することもできる。言い換えれば、吸収は、ＥＭＩ遮蔽を提供するという点で有益である。ＣＮＴ浸出繊維材料により効果的に吸収されない特定の波長に対して、反射率を与えること又は当該ＣＮＴ浸出繊維材料により吸収されない放射線を吸収することができる第２の構造体を与えることは有益である。これに関して、交互に変化する吸収特性を提供する異なったＣＮＴ浸出繊維材料の漸進的な層化は有益となり得る。多層材料のかわりに又は多層材料に加えて、それ自体もＣＮＴ浸出繊維材料である反射材料を組み込むことも有益となり得る。したがって、本発明の複合材料は、例えば、ＣＮＴ浸出繊維材料を含んで構成される複数の吸収層又は反射層を有してもよい。繊維材料自体は、ＥＭ放射の吸収で得たエネルギーを消散するための効果的なパーコレーション経路（percolation pathways）を形成するのに十分なＣＮＴ密度を複合材料全体に与えるＣＮＴの配列を構築する足場の役割を果たす。浸出したＣＮＴは、ＥＭ放射の吸収を最大化するために、繊維材料上及び複合材料全体で均一な長さ、密度及び制御された配向を有するように適合することができる。ＥＭ遮蔽特性をＣＮＴに依存することにより、複合材料は、導電性又は絶縁性の繊維材料又はマトリックスを利用することができる。その上、ＥＭＩ遮蔽複合材料は、それが使用される部品の表面構造体の一部として一体化することができる。ある実施形態において、表面だけでなく部品全体がＥＭＩ遮蔽の役割を果たすことができる。ある実施形態において、ＣＮＴ浸出繊維材料は、ＥＭＩ遮蔽用途に使用するために予め加工された複合材料のコーティングとして使用することができる。ＥＭＩ遮蔽複合材料の製造方法は、マトリックス材内でＣＮＴ浸出繊維材料の配向が制御された状態で、ＣＮＴ浸出繊維材料をマトリックス材の一部に配置すること及びマトリックス材を硬化させることを含む。ＣＮＴ浸出繊維材料の制御された配向は、複合材料構造体全体に浸出されたＣＮＴの相対配向を制御することができる。ＣＮＴ浸出繊維を形成する製造プロセスは、大規模連続プロセスに適している。このプロセスにおいて、ＣＮＴは、カーボン、ガラス、セラミック又はトウ（tows）やロービング（rovings）等の巻取り可能な寸法の同種の繊維材料上に直接成長する。ＣＮＴ成長の性質は、深い森が約約５ミクロンから約５００ミクロンまでの範囲に調整された長さで堆積するようなものであり、この長さは、以下に記載する様々な要因により制御される。この森は、ＣＮＴが繊維材料のそれぞれのフィラメントの表面と直交するように配向することができ、これにより放射状の被覆を形成する。ＣＮＴはさらに、繊維材料の軸に対して平行な配向を得るために処理されてもよい。結果として得られたＣＮＴ浸出繊維材料は、製造された形態のままで使用するか、又はＥＭＩ遮蔽用途に使用されるＥＭＩ遮蔽複合材料の製造に使用される織物製品（fabric goods）に織ることができる。パネルは、ＥＭＩ遮蔽複合材料を含み、ＥＭＩ遮蔽用途に使用される装置と整合するように適応させることができる。このようなパネルは、さらに電気接地を備えてもよい。
【００１６】
ある用途において、低レベルのＣＮＴ担持量は、損傷検知機能を提供することができる。ＣＮＴは、抵抗又は信号伝送の変化を測定するために搭載されるパーコレーションネットワーク（percolation network）を形成することができる。このように計測された変化は、複合材料が被った損傷の規模の情報を提供することができる。このような損傷検知機能は、出願人による同時係属中の出願であり、その全内容が参照により本出願に組み込まれた米国特許出願第１２／９００，４０５号明細書（２０１０年１０月７日出願）に記載されたような、スキン（skin）もしくは構造体、そのいずれかの織物（fabric）、又は多方向トウベース繊維もしくは短繊維の形態とすることができる。損傷検知複合材料は、マトリックス材の少なくとも一部内のＣＮＴ浸出繊維を含んでもよい。この複合材料は、構造用部品内の複合材料の健全性を監視するためのいずれのプラットフォームでも使用することができる。このような損傷検知複合材料は、高度な制御及び精度を有する損傷検知システムを形成するために、拡張性のある製造プロセスを活用しながら、様々な信号源を利用することができる。複合材料は、特定の用途に適合することが可能であり、１）材料の同位置での使用前、使用中又は使用後の応力等を監視することにより、複合材料の損傷の種類を検知し、２）構造的強化及び構造的健全性の実時間評価を与えることにより突発故障の可能性を低下させるために使用することができる。複合材料の構成要素の１つはＣＮＴ浸出繊維である。繊維担体上に浸出されたＣＮＴを有することにより、複合材料全体又は複合品の重要な部分にＣＮＴ要素を組み込むための従来の繊維強化複合材料製造技術を使用する大型の複合材料構造体の製造が容易になる。ＣＮＴの密度及び分布は、自由なＣＮＴに比べてＣＮＴ浸出繊維によりしっかりと制御されるため、ＣＮＴの量は実質的に減少させることができる。その上、繊維上にＣＮＴを有することにより、ＣＮＴ繊維組織階層による相乗的な機械的強度の強化が可能になり、損傷の検知と耐荷重性応力の再分配を補助することによる構造的健全性への貢献との２つの役割をＣＮＴが果たせるようになる。また、繊維担体は、３次元部品全体又は２次元「スキン」内でのＣＮＴの戦略的な配置を容易にする。この戦略的配置は、繊維軸及び横断方向に沿った伝導性の制御を可能にする。複合材料の性質は、例えば、ＣＮＴの密度、長さ、配置及び配列の制御により調節することができる。したがって、複合材料は、特定の用途に適合し、任意の種類の損傷を検知するよう適合し、また損傷の可能性を低下させるように適合することができる。浸出されたＣＮＴは、複合材料の電気的性質に影響を与え、複合材料への応力の連続的、非連続的又は断続的な監視を可能にするパーコレーション経路を形成するのに役目を果たすことができる。複合材料の静止状態は、電極対のような適切に配置された一対のセンサによって監視が可能な抵抗などの電気的性質と関連したパーコレーション経路を有することができる。材料が歪むにつれて、ＣＮＴ間の接触の一部が破壊され、使用可能なパーコレーション経路が減少する。その結果、この可逆又は不可逆の歪み荷重を受けている間、複合材料を亘って抵抗が増大する。電気的性質が向上するよう適合されたＣＮＴを担持するＣＮＴ浸出繊維を使用して作られた複合材料は、損傷検知用途に使用することができる。また、複合材料は、複合材料の強度を向上させるために使用することができる。特定の用途において、ＣＮＴ浸出繊維材料は、複合材料の強度を向上させ、重要な構造用部品の損傷検知手段を提供するために、特定の位置で使用することができる。このような用途の１つは、ある複合材料構造体と他の複合材料構造体とが結合した複合材料の重ね継ぎ（lap joints）である（一方の構造体は他方の構造体に対して垂直又は平行であってもよい）。構造体間の結合された接触部分は、構造体の脆弱な部分であると考えられるため特に興味深い。この位置でのＣＮＴ浸出構造体の利用は、層間せん断力（ＩＬＳＳ）の向上と損傷検知の提供を可能にする。調整された電気信号（振幅及び周波数とともに波形）の監視及び高い検出分解能及び検出感度による構造的健全性の評価を含む複合材料内での応力の検知方法に複合材料を使用することができる。電圧測定は歪みの測定に使用することができる。位相は亀裂伝播の監視に使用することができる。周波数は亀裂の大きさを特定するのに使用することができる。電極のネットワークは、複合材料内での歪み、疲労、損傷及び亀裂の位置の測定及び地図作成に使用することができる検知回路に関与するかあるいは一体化することができる。損傷検知機能を一体化した複合材料、システム及び方法は、例えば、商用航空機産業から戦車及び他の軍事装甲車両の弾道装甲損傷検知まで、様々な産業に使用することができる。
【００１７】
中領域レベルのＣＮＴ担持量は、いくつかの用途において除氷機能を提供することができる。ＣＮＴの量は、出願人の同時係属中の出願であり、その全内容が参照により本出願に組み込まれた米国特許出願第１２／７６７，７１９号明細書（２０１０年４月２６日出願）に記載されたような特定の構造体又は構造体の一部に、要求される抵抗に基づいて適合することができる。除氷複合材料は、マトリックス材及びＣＮＴ浸出繊維材料を備えてもよい。ＣＮＴ浸出繊維材料は、ＣＮＴ浸出繊維材料を介して電流を流すのに適合されたマトリックス材及び複合材料構造体の一部に亘って配置することが可能であり、これによって除氷又は複合材料構造体の表面への氷の形成を防ぐためにマトリックス材を加熱する。理論に制限されることなく、ＣＮＴ浸出繊維のＣＮＴは、パーコレーション伝導を提供することによりバルクマトリックス材の伝導性を変化させることができる。複合材料構造体のパーコレーション伝導は、ＣＮＴ−ＣＮＴ間の点接触、ＣＮＴの相互嵌合／重複又はこれらの組み合わせの結果である。ＣＮＴはパーコレーション伝導経路を提供し、ＣＮＴが浸出される繊維担体は、１）ＣＮＴ配向及び異方性の度合い、２）ＣＮＴ濃度、及び３）バルクマトリックス材内におけるＣＮＴの位置を制御する。複合材料内における繊維に浸出されたＣＮＴの組み込みは、複合材料構造体自体を抵抗加熱素子として使用可能にする。こうして、このような複合材料により形成された航空機（又はヘリコプター）の翼、機体及び尾翼等の構造体を除氷する場合には、さらなる加熱装置を必要としない。ＣＮＴは、３％を上回る質量パーセントが達成される繊維レベルで導入される。ＣＮＴ浸出繊維材料は、従来のマトリックスとともに使用し、複合材料構造体を形成するために繊維に浸出されるのではないさらなるＣＮＴを付加的にドープすることもできる。ＣＮＴの質量パーセントを適合させることにより、材料を抵抗加熱素子として使用するために適切な熱的特性／導電性を提供するように、構造体の抵抗率を適合し制御することができる。ＣＮＴベース複合材料は、除氷用途で使用される任意の部品を作るために使用することができる（例えば、翼、機体及び尾翼等の）構造体の目標とした領域の表面層又は複合材料構造体全体に使用することができる。ＣＮＴ浸出繊維複合材料は、それ自体が抵抗加熱要素である複合材料であってもよい。当該技術分野で除氷用途に使用される金属溶射コーティングである「ヒーターマット（heater mat）」のアプローチはコスト及び複雑性を高める製造プロセスを使用し、複合材料構造体の大きな表面領域に使用される金属溶射コーティングはまた、構造体全体の重量を増加させる。さらに、抵抗加熱素子としての金属の使用は、（構造体内の弱い接触面であるガラス層の使用による）電解腐食の危険性をもたらし、繰り返し使用すると故障の危険性をもたらす。結局、金属コーティングは複合材料構造体内で同種の物質ではないため、複合材料構造体内における弱点となる。複合材料構造体内へのＣＮＴの組み込みは、これらの問題を軽減又は排除する。従来の複合材料はＣＮＴとともに使用されるため、複合材料構造体の製造方法は事実上変更されない。複合繊維上へＣＮＴを組み込むために用いられる方法もまた開発されているが、これは低コスト材料解決法をもたらすものであり、重量の増加をともなわない単純な低コスト解決法（実際、ＣＮＴ／繊維材料が構造用部品として用いられたなら重量は減少するはずである）と結び付いたものである。実際、ＣＮＴ／繊維材料が構造用部品として使用されると重量は減少する）。電気路を形成するために金属を使用しないので、ＣＮＴの使用により電解腐食を避けることができる。結局、材料は繊維内にＣＮＴを組み込まれるので、もし材料が抵抗加熱層として使用されたとしても、構造体全体の弱点とはならない。したがって、電位差が与えられると大きな電気回路が形成され、ＣＮＴが大きな抵抗加熱器としての役割を果たし、凍結状態が回避又は除去される。このような構造により、外部加熱を不要とすることができる。あまりに少ないＣＮＴが電流を流すには高電位差を必要とし、逆にあまりに多すぎるＣＮＴは加熱素子として機能するのに十分な抵抗を示さないため、中領域レベルが選択される。このような除氷構築は、ＣＮＴ被覆されたリード線による織物の１枚又は複数枚の布片の形態又は電流経路を形成する単に組み込まれただけのトウの形態であってもよい。
【００１８】
ある用途において、中領域レベルのＣＮＴ担持量は、せん断強度機能を提供することができる。ＣＮＴは、より大きなマトリックス材のせん断強度を利用可能にし、フィラメント間の荷重伝達を向上させることができる。複合材料は、一方向繊維、短繊維又は織物を含んでもよい。
【００１９】
ある構造体は、中心平面における高いせん断荷重に対処する複合材料構造体を含んでもよいが、厚さによって電気的に絶縁されてもよい。ＣＮＴ浸出繊維材料は、最大せん断強度特性を向上させるために適合された複合材料の主要な薄膜として使用することができる。未修飾繊維は、電気的絶縁性を提供するための表面層として使用することができる。
【００２０】
ある用途において、低レベルのＣＮＴ担持量は、引張強度機能を提供することができる。すなわち、基本フィラメント強度はＣＮＴ自体の強度により強化することができる。低いＣＮＴ担持量は、繊維の量に直接比例する複合材料の繊維方向の引張強度を考慮すると、丈夫な複合材料をもたらす高い繊維充填に対応することができる。フィラメントの最密充填はまた、内部フィラメントの荷重伝達の有効性を高めるＣＮＴ間の絡み合い（entanglement）を強化することができる。その上、ＣＮＴ材料の高度な処理により、ＣＮＴを基質フィラメントの方向に整列させ、これにより複合材料の繊維方向の引張強度を強化するためにＣＮＴの強度を直接利用することができる。
【００２１】
ある用途において、低レベルのＣＮＴ担持量は、圧縮強度機能を提供することができる。すなわち、基本フィラメント強度はＣＮＴ自体の強度により強化することができる。低いＣＮＴ担持量は、繊維の量に直接比例する複合材料の繊維方向の引張強度を考慮すると、丈夫な複合材料をもたらす高い繊維充填に対応することができる。フィラメントの最密充填はまた、内部フィラメントの荷重伝達の有効性を高めるＣＮＴ間の絡み合い（entanglement）を強化することができる。その上、ＣＮＴはマトリックス材のせん断剛性及びせん断強度を強化し、これによりフィラメントのマイクロバックリング（micro-buckling）の防止を手助けすることができる。
【００２２】
ある用途において、中領域レベルのＣＮＴ担持量は、亀裂抵抗機能を提供することができる。ＣＮＴは、一般に弱連結であるマトリックス材を強靭にすることができる。一般に亀裂は、フィラメントよりもマトリックス材中を容易に伝播する。すなわち、ＣＮＴは亀裂停止機構の役割を果たすことができる。
【００２３】
ある用途において、高レベルのＣＮＴ担持量は、熱伝導機能を提供することができる。このような用途において、ＣＮＴは、出願人による同時係属中の出願であり、その全内容が参照により本出願に組み込まれている米国特許出願１２／７６７，７１９号明細書（２０１０年４月２６日出願）に記載されたような、熱が伝達可能な相互接続経路を提供することができる。熱伝導複合材料は、マトリックス材及びＣＮＴ浸出繊維材料を備えてもよい。マトリックス材やＣＮＴ浸出繊維材料を介して電流を流すのに適合した複合構造体の一部にＣＮＴ浸出繊維材料を配置して、マトリックス材の熱伝導性を提供することができる。理論に制限されることなく、ＣＮＴ浸出繊維のＣＮＴは、パーコレーション伝導を提供することによりバルクマトリックス材の伝導性を変化させることができる。複合材料構造体のパーコレーション伝導は、ＣＮＴ−ＣＮＴ間の点接触、ＣＮＴ相互嵌合／重複又はこれらの組み合わせの結果である。ＣＮＴはパーコレーション伝導経路を提供し、ＣＮＴが浸出される繊維担体は、１）ＣＮＴ配向及び異方性の度合い、２）ＣＮＴ濃度、及び３）バルクマトリックス材内におけるＣＮＴの位置を制御する。複合材料内における繊維に浸出されたＣＮＴの組み込みは、複合材料構造体自体を熱伝導素子として使用可能にする。３％を上回る質量パーセントが達成される繊維レベルで導入される。ＣＮＴ浸出繊維材料は、従来のマトリックスとともに使用し、複合材料構造体を形成するために繊維に浸出されるのではないさらなるＣＮＴを付加的にドープすることもできる。ＣＮＴの質量パーセントを適合させることにより、材料を熱伝導素子として使用するために適切な熱的特性／導電性を提供するように、構造体の抵抗率を適合し制御することができる。ＣＮＴベース複合材料は、熱用途で使用される任意の部品を作るために使用することができる構造体の目標とした領域の表面層又は複合材料構造体全体に使用することができる。ＣＮＴ浸出繊維複合材料は、抵抗加熱要素自体である複合材料であってもよい。ＣＮＴ浸出繊維複合材料は、例えば、カーボン、ガラス、アルミナ、シリコンカーバイド又はケブラー（登録商標）等のあらゆる種類の繊維基材を使用することができる。その上、多くの種類の繊維が機械的強化のために使用されるため、浸出されたＣＮＴは、機械的強度の向上におけるさらなる役割を果たすことができる。抵抗加熱素子としての金属の使用は、（構造体内の弱い接触面であるガラス層の使用による）電解腐食の危険性をもたらし、繰り返し使用すると構造体故障の危険性をもたらす。結局、金属コーティングは複合材料構造体内で同種の物質ではないため、複合材料構造体内における弱点となる。複合材料構造体内へのＣＮＴの組み込みは、これらのそれぞれの問題を軽減又は排除する。従来の複合材料はＣＮＴとともに使用されるため、複合材料構造体の製造方法は事実上変更されない。複合繊維上へのＣＮＴの組み込みに使用される方法は、単純な低コストの解決策である同種の製造可能性と併用される低コストの材料による解決策が開発されている（重量の増加をともなわない。実際、ＣＮＴ／繊維材料が構造用部品として使用されると重量は減少する）。電気路を形成するために金属を使用しないので、ＣＮＴの使用により電解腐食及び熱膨張の相違を避けることができる。結局、材料は繊維内のＣＮＴを組み込まれるので、もし材料が抵抗熱伝導層として使用されたとしても、構造体全体の弱点とはならない。したがって、電位差が与えられると大きな電気回路が形成され、ＣＮＴが大きな熱導体としての役割を果たす。このような熱伝導構築は、ＣＮＴ被覆されたリード線による織物の１枚又は複数枚の布片の形態又は電流経路を形成する単に組み込まれただけのトウの形態であってもよい。
【００２４】
特定の用途において、高レベルのＣＮＴ担持量は、電気回路組み込み機能を提供することができる。このような用途において、ＣＮＴは信号が伝達される電気経路を提供することができる。
【００２５】
ある用途において、中領域レベルのＣＮＴ担持量は、静電放電（ＥＳＤ）機能を提供することができる。材料の電気伝導性及び熱伝導性は、電子が流れるための経路を提供することにより電化蓄積への抵抗を提供することができる。
【００２６】
ある宇宙ベースシステムは、複合材料構造体に上記の機能を様々な組合せで組み込むことができる。例えば、衛星、ロケット及びシャトル等は、１つ以上の複合材料を組み込んで、機能を強化することができる。
【００２７】
構造体又は構造体の一部に応じて、様々な機能性を選択することができる。構造体の例として、複合材料部品は様々な荷重にさらされてもよい。この部品は、せん断荷重を支える結合部を有するとともに、他の部分が圧縮荷重を支持する。せん断荷重にさらされた剥離損傷を受けやすい前記部分は、中領域のＣＮＴ充填材料により形成される一方、引張荷重を支持する部分に低ＣＮＴ充填材料を使用することができる。
【００２８】
ＣＮＴ浸出繊維材料は、ＣＮＴ充填、ＣＮＴ長及びＣＮＴ配向を正確に制御しながら連続的に製造することができる。ナノスケールの補強材を組み込む他のハイブリッド複合材料システムは、マトリックス材にナノチューブのナノ粒子を適切に分散させるためのさらなる処理工程を必要とする。さらに、隣り合った層と異なる特定のＣＮＴ担持量を備えた薄膜の形成は、ＣＮＴ浸出工程を通じて達成される。ＣＮＴ浸出繊維材料は、例えば、ＣＮＴの配向や多層複合材料における部分的な層化を含む余計な加工工程なしに、未加工のガラス及びカーボンフィラメントに使用される製造技術と同様の技術を使用して、複合材料に組み込むことができる。その上、ＣＮＴは繊維担体に浸出されるため、ＣＮＴの均一な組み込み、ＣＮＴの束化（bundling）及び凝集等に関する問題が軽減される。ＣＮＴ浸出繊維材料により、複合材料構造体が複合マトリックス材にＣＮＴを単純に混合して得られるものよりも大きなＣＮＴ担持量を有することが可能となる。
【００２９】
構造用複合材料において、おおよそ繊維６０％、マトリックス材４０％という割合が標準的だが、第３の要素、すなわち浸出されたＣＮＴの導入により、これらの割合を変化させることができる。例えば、体積パーセントが約２５％以下のＣＮＴの添加により、繊維の部分は、約３５％から約６０％までの間で変化するとともに、マトリックス材の範囲が約４０％から約６５％までに変化する。様々な割合は、１つ以上の望ましい特性を目標に適合された複合材料全体の性質を変化させることができる。ＣＮＴの性質は、そのＣＮＴにより強化された繊維に対してそれ自体が役に立つ。適合された複合材料内でのこれらの強化された繊維の利用は、繊維破片により変化する増大を同様に与えるが、周知技術に比べて適合された複合材料の性質を大きく変化させることができる。
【００３０】
図１〜図５は、繊維材料のＴＥＭ画像及びＳＥＭ画像を示す。図１及び図２は、連続処理によりパンベース炭素繊維上に用意されたＭＷＮＴ及びＤＷＮＴのＴＥＭ画像をそれぞれ示す。図３は、繊維材料表面にＣＮＴ形成ナノ粒子触媒を機械的に浸出した後、バリアコーティング内から成長したＣＮＴの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。図４は、炭素繊維材料上で目標とする長さである約４０ミクロンの２０％以内まで成長したＣＮＴの長さ分布の一貫性を明示するＳＥＭ画像を示す。図５は、繊維全体に亘って約１０％以内でＣＮＴの密度が均一であることを明示する炭素繊維上に成長したＣＮＴの低倍率ＳＥＭ画像を示す。
【００３１】
ＣＮＴ浸出繊維材料は、無数の用途に使用することができる。例えば、限定するものではないが、衛星等の宇宙ベース装置はバス（buses）等の宇宙ベース構造体を含む。複合材料は、重量が重要な設計パラメータであることを考慮すれば、衛星構造体にとって理想的な選択である。衛星を発射するコストは、直接その質量に比例する。もし構造体をより軽量な材料から構築することができれば、（例えば、追加の装置等を含む）最大積載量を大きくすることができる。
【００３２】
図６に関して、衛星１０は、それぞれ特定の機能及び特定の要求を有する複数の特徴を備える。したがって、複合材料は、構造体内における位置によって様々な機能を果たさなければならない。周回低軌道（low earth orbit）、周回中軌道（middle earth orbit）及び地球静止軌道（geosynchronous orbit）のいずれの厳しい宇宙環境においても、１次構造体（又はバス）１２は、流星塵及び破片からの衝撃に耐えるとともに、表面電荷を蓄積させずに入射する熱を伝達することができなければならない。中領域ＣＮＴ充填材料は、せん断に耐久性があり、また危険な表面電荷の蓄積を妨げる導電媒質を提供することができる。
【００３３】
衛星は通常、破片や入射放射線から保護しなければならない精密機器を収納している。図７に関して、高ＣＮＴ充填材料の外層１４は、電磁放射の入射を吸収するために使用することができる。
【００３４】
一次構造体１２と打上げ機との間の取り付け連結部は、打上げの間、高いせん断応力を受ける。したがって、複合材料のこれらの領域のせん断強度は、中領域ＣＮＴ充填材料を使用することにより増強される。
【００３５】
周回低軌道の宇宙船は、高分子マトリックスに対して強い侵食性を有する原子状酸素にさらされる。長期間の宇宙飛行では、複合材部品の構造的健全性に支障をきたすおそれがある。暴露される複合材料部分の表面の低ＣＮＴ充填材料の損傷検知層１６は、衛星１０の構造体の状態をフィードバックするために使用することができる。また、これらの衛星が、最終的に微小亀裂や他の疲労効果が生じる熱サイクルを経験することを考慮すれば、この損傷検知機能もまた重要である。
【００３６】
再び図７に関して、低ＣＮＴ充填材料の内層１８は、衛星１０に剛性及び寸法安定性を与える。
【００３７】
種々の宇宙ベース構造体はいずれも、様々な機能性に関連するＣＮＴ担持量に基づいて設計又は選択された複合材料とＣＮＴ浸出繊維材料とから構成することができる。このような機能性には、ＥＭＩ遮蔽、損傷検知、除氷、及び機械的性質が含まれるがこれに限られない。機械的性質には、層間及び面内せん断強度及び剛性率、引張強度及び引張係数、圧縮強度及び圧縮率、曲げ強度及び曲げ弾性率、亀裂抵抗及び伝播抵抗、熱伝導性の向上、及び静電放電防止が含まれるが、これに限られない。
【００３８】
ＣＮＴ浸出繊維材料が適用される宇宙ベース構造体における特定の位置は、構造体の特定の状態に基づき選択することができる。高ＣＮＴ担持量を備えたＣＮＴ浸出繊維材料は、構造体における特定の位置に使用することができる。より具体的にいうと、高ＣＮＴ担持量は、（１）高ＣＮＴ担持量がＥＭＩ遮蔽を提供するため、ＥＭＩにさらされやすい位置での使用、（２）高ＣＮＴ担持量が熱伝導性を強化するため、熱伝導性が望まれる位置での使用、及び（３）高ＣＮＴ担持量が電気信号の伝達を容易にするため、電気回路に近接した位置での使用に有用である。
【００３９】
同様に、中領域ＣＮＴ担持量を備えたＣＮＴ浸出繊維材料は、構造体における特定の位置、例えば、（１）中領域ＣＮＴ担持量が除氷に使用するための適切な抵抗率／伝導率を提供するため、氷が生成されやすい位置、（２）中領域ＣＮＴ担持量がせん断強度を強化するため、せん断力にさらされやすい位置、（３）中領域ＣＮＴ担持量が亀裂抵抗を強化するため、亀裂が入りやすい位置、及び（４）中領域ＣＮＴ担持量が静電放電を妨げるため、電荷が蓄積されやすい位置等で使用することができる。
【００４０】
同様に、低ＣＮＴ担持量を備えるＣＮＴ浸出繊維材料は、構造体の特定の位置、例えば、（１）低ＣＮＴ担持量が損傷検知を容易にするため、損傷を受けやすい位置、（２）低ＣＮＴ担持量が引張強度を強化するため、張力を受けやすい位置、及び（３）低ＣＮＴ担持量が圧縮強度を強化するため、圧縮力を受けやすい位置等で使用することができる。
【００４１】
ある実施形態において、宇宙ベース構造体の特定の機能性を設計し、選択し、構成し、或いは確保する方法は、構造体を選択すること及び望ましい機能性を特定することを含む。望ましい機能性が決定されると、望ましい機能性に応じて、ＣＮＴ担持量を備えたＣＮＴ浸出繊維材料が選択される。購入、製造又は他の方法により、複合材料を含んで構成される宇宙ベース構造体を提供することができる。構造体が製造されている場合には、ＣＮＴ浸出繊維材料を構造体の一部として形成することができる。他の例では、予め形成された複合材料構造体にＣＮＴ浸出繊維材料を適用することができる。いずれのシナリオでも、第１ＣＮＴ浸出繊維材料及び第２ＣＮＴ浸出繊維材料が提供される。第１ＣＮＴ浸出繊維材料は、ＣＮＴ担持量の第１領域を有し、構造体に第１機能性を提供するために選択される。同様に、第２ＣＮＴ浸出繊維材料は、ＣＮＴ担持量の第２領域を有し、構造体に第２機能性を提供するために選択される。第１ＣＮＴ浸出繊維材料は構造体の第１位置に適用され、第２ＣＮＴ浸出繊維材料は構造体の第２位置に適用される。場合によっては、第１位置と第２位置とは、互いに離れてはいるが、それでも構造体の一部である。他の場合には、第１位置と第２位置とは、近接、重複又は構造体の同一の位置を占めてもよい。例えば、第１ＣＮＴ浸出繊維材料はＥＭＩ遮蔽に有用な高ＣＮＴ担持量を有し、第２ＣＮＴ浸出繊維材料は損傷検知に有用な低ＣＮＴ担持量を有してもよい。このようなシナリオにおいて、第２材料を構造体に直接適用し、第１材料を第２材料に異なる層として適用することができる。
【００４２】
ある実施形態において、宇宙ベース構造体は、電気抵抗、損傷検知、除氷、及び機械的性質を有し、機械的性質には、層間及び面内せん断強度及び剛性率、引張強度及び引張係数、圧縮強度及び圧縮率、曲げ強度及び曲げ弾性率、亀裂抵抗及び伝播抵抗、静電放電防止、電磁妨害遮蔽、熱伝導性、及び電気信号の伝送機能が含まれるが、これに限られない。他の実施形態において、宇宙ベース構造体は、これらの全てよりも少ない機能性を有する。例えば、ある宇宙ベース構造体は、電磁妨害遮蔽、損傷検知及び強度機能を有するか、又は静電放電抵抗、亀裂抵抗及び除氷機能を有する。ある実施形態において、宇宙ベース構造体は、電気抵抗、損傷検知、及び除氷、並びに、これに限られるものではないが機械的性質に含まれる層間及び面内せん断強度及び剛性率、引張強度及び引張係数、圧縮強度及び圧縮率、曲げ強度及び曲げ弾性率、亀裂抵抗及び伝播抵抗、静電放電防止、電磁妨害遮蔽、熱伝導性、並びに電気信号の伝送機能から選択されるいずれか１個、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個、１０個、又は１１個の性質を有する。宇宙ベース構造体は、上記にはないさらなる機能性を有してもよい。
【００４３】
ある実施形態において、ＣＮＴの第１の量及び第２の量は、特定の構造体の異なる領域間で相違する。これは、ＣＮＴの種類の変化をともなってもともなわなくてもよい。したがって、ＣＮＴの種類を変化させなくても、ＣＮＴ密度を変化させることにより、元の繊維材料の性質を変化させることができる。ＣＮＴの種類には、例えば、ＣＮＴの長さ及び層の数が含まれる。ある実施形態において、第１の量及び第２の量は等しい。巻取り可能な材料の２つの異なる範囲において望ましい性質が相違する場合、例えばＣＮＴの長さのようなＣＮＴの種類を変えることができる。例えば、長いＣＮＴは電気的／熱的用途に有用であるのに対し、短いＣＮＴは機械的強化用途に有用である。
【００４４】
繊維材料の性質を変化させることに関する上記議論の観点から、ある実施形態において、ＣＮＴの第１の種類及びＣＮＴの第２の種類は同一であってもよく、一方他の実施形態において、ＣＮＴの第１の種類及びＣＮＴの第２の種類は異なってもよい。同様に、ある実施形態において、第１の性質及び第２の性質は同一であってもよい。例えば、ＥＭＩ遮蔽特性は、ＣＮＴの第１の量及び第１の種類と、ＣＮＴの第２の量及び第２の種類と、により影響される性質であるが、使用されたＣＮＴの異なる量及び種類に影響されてこの性質の変化の度合いが相違する。結局、ある実施形態において、第１の性質及び第２の性質は異なってもよい。また、これはＣＮＴの種類の変更を反映してもよい。例えば、第１の性質がより短いＣＮＴによる機械的強化であり、第２の性質が長いＣＮＴによる電気的／熱的性質であってもよい。当業者は、異なるＣＮＴ密度、ＣＮＴ長、及び単層、２層、多層等のＣＮＴの層の数を使用することにより、繊維材料の性質を適合できることを理解するだろう。
【００４５】
ある実施形態において、繊維材料上におけるＣＮＴの第１の量は、繊維材料自体が示す性質の第１のグループとは異なる性質のグループを示す。すなわち、量の選択は、引張強度のような繊維材料の性質の１つ以上を変化させることができる。性質の第１のグループ及び性質の第２のグループは、少なくとも１つ同一の性質を含んでもよく、これにより、繊維材料の既存の性質の強化を示す。ある実施形態において、ＣＮＴの浸出は、繊維材料自体が示す性質の第１のグループには含まれない性質の第２のグループを、ＣＮＴ浸出繊維材料に与えることができる。
【００４６】
ＣＮＴ浸出炭素繊維材料及びＣＮＴ浸出ガラス繊維材料は、出願人による同時係属中の出願であり、その全内容が参照により本出願に組み込まれた米国特許出願公開第２０１０／０２７９５６９号明細書及び米国特許出願公開第２０１０／０１７８８２５号明細書に記載されている。このようなＣＮＴ浸出繊維材料は、適合された複合材料中で補強材料として使用することができるものの典型である。他のＣＮＴ浸出繊維材料には、金属繊維、セラミック繊維、及びアラミド繊維のような有機繊維が含まれる。上記の参照される出願で開示されたＣＮＴ浸出プロセスにおいて、繊維材料は、繊維上にＣＮＴ開始触媒ナノ粒子（CNT-initiating catalyst nanoparticles）の層（一般には単層）を提供するために修飾される。そして、触媒含浸繊維は、ＣＮＴを一直線に連続して成長させるために使用されるＣＶＤベース処理を行われる。成長したＣＮＴは繊維材料に浸出される。結果として得られるＣＮＴ浸出繊維材料は、それ自体が複合材料構造体である。
【００４７】
ＣＮＴ浸出繊維材料は、様々な性質が得られるように、繊維材料の表面のＣＮＴの特定の種類により適合される。例えば、繊維上に様々な種類、直径、長さ及び密度のＣＮＴを適用することにより、電気的性質を変更することができる。複合材料の伝導性を向上させるパーコレーション経路を形成するために、ＣＮＴ−ＣＮＴ間の適切な架橋を提供することができる長さのＣＮＴが必要とされる。繊維間隔は一般に繊維の直径（約５〜約５０ミクロン）以上であるため、ＣＮＴは効果的な電気的経路を達成するに少なくともこの長さである。短いＣＮＴは、構造的性質を強化するために使用することができる。
【００４８】
ある実施形態において、ＣＮＴ浸出繊維材料には、同一の繊維材料の異なる部分に沿って長さが相違するＣＮＴが含まれる。適合された複合材料補強材として使用された場合、このような多機能ＣＮＴ浸出繊維材料は、それらが組み込まれた複合材料の複数の性質を強化する。
【００４９】
ある実施形態において、ＣＮＴの第１の量が繊維材料に浸出される。ＣＮＴ浸出繊維材料の引張強度、ヤング率、せん断強度、剛性率、強靭性、圧縮強度、圧縮係数、密度、電磁波吸収性／反射性、音響透過率、電気伝導性、及び熱伝導性からなるグループから選択される少なくとも１つの性質の値が、繊維材料自体の同一の性質の値と異なるように、前記量は選択される。結果として得られたＣＮＴ浸出繊維材料のこれらの性質は、いずれも最終的な複合材料に与えることができる。
【００５０】
引張強度は、３つの異なる大きさを含む。１）材料の歪みが弾性変形から材料を永久に変形させる塑性変形に変化する応力を評価する降伏力、２）伸張、圧縮又はせん断にさらされたときに材料が耐えることができる最大応力を評価する極限強度、及び３）応力・歪み曲線上の破断点における応力の座標を評価する破壊強度である。複合せん断強度は、繊維方向と垂直な方向に応力が加えられた場合に材料が機能しなくなる応力を評価する。圧縮強度は、圧縮応力が適用された場合に材料が機能しなくなる応力を評価する。
【００５１】
特に、ＭＷＮＴは、これまで計測された全ての材料の中で最も高い引張強度を有し、６３ＧＰａの引張強度が達成されている。その上、理論計算はＣＮＴの可能な引張強度が約３００ＧＰａであることを示している。これにより、ＣＮＴ浸出繊維材料は、元の繊維材料と比較して実質的により高い極限強度が期待される。上記の通り、引張強度の向上は、使用されるＣＮＴの正確な性質と、繊維材料上での密度及び分布とに依存する。ＣＮＴ浸出繊維材料は、例えば、２倍又は３倍の引張特性の向上を示す。例としてのＣＮＴ浸出繊維材料は、元の機能化されていない繊維材料に比べて、３倍のせん断強度と２．５倍の圧縮強度を有することができる。このような強化繊維材料の強度の向上は、ＣＮＴ浸出繊維材料が組み込まれた複合材料の強度の向上に転換される。
【００５２】
ヤング率は、等方性弾性材料の剛性の大きさである。これは、フックの法則に従う応力の範囲における一軸歪みに対する一軸応力の割合により定義される。これは、材料のサンプルの対して行われる引張試験の間に作成される応力・歪み曲線の傾斜から実験的に決定される。
【００５３】
電気伝導性又は特定の伝導性は、電荷を導く材料の能力の大きさである。ＣＮＴキラリティー（chirality）に関連する捩れの度合いのような特定の構造的パラメータを備えたＣＮＴは高い伝導性を有し、これにより、金属的な性質を示す。広く認められた命名方式（M. S. Dresselhaus, et al. Science of Fullerenes and CNTs, Academic Press, San Diego, CA pp. 756-760(1996)）が正式なものとされており、ＣＮＴキラリティーに関して当業者に認められている。こうして、ＣＮＴは例えば２つの指標（ｎ，ｍ）により互いに区別される。ｎ及びｍは、円柱形の表面に巻きつけられ、端部が互いに閉塞されたときに筒を形成するように、六角形グラファイトの切れ目（cut）と巻きつけ（wrapping）とを説明する整数値である。２つの指標が等しい（ｍ＝ｎ）場合、結果として得られるチューブは「アームチェアー」（又はｎ，ｎ）型と呼ばれる。なぜなら、チューブをＣＮＴ軸に対して垂直に切断すると、六角形の辺だけが露出し、チューブのふちの外周のパターンが、ｎ回繰り返されるアームチェアーのアーム及びシートに似ているためである。アームチェアーＣＮＴ、特に単層ＣＮＴ（ＳＷＮＴ）は、金属的であり、極めて高い電気伝導性及び熱伝導性を有する。加えて、このようなＳＷＮＴは、極めて高い引張強度を有する。
【００５４】
捩れの度合いに加えて、ＣＮＴの直径もまた電気伝導性に影響する。上記の通り、ＣＮＴの直径は、大きさを制御されたＣＮＴ形成触媒ナノ粒子を使用することにより制御することができる。ＣＮＴはまた、半導体材料として形成することができる。ＭＷＮＴの伝導性はより複雑である。ＭＷＮＴにおける内層反応（interwall reactions）は、個々のチューブの全面に電流を不均一に再分配する。それに反して、金属的なＳＷＮＴの異なる部分において電流は変化しない。ＣＮＴはまた、ダイアモンド結晶及び面内グラファイトシートと比較して、極めて高い熱伝導性を有する。
【００５５】
繊維に浸出されたＣＮＴは、ＳＷＮＴ、ＤＷＮＴ及びＭＷＮＴを含むフラーレン族のカーボンの円柱形状の多くの同素体のいずれかである。ＣＮＴは、フラーレン様構造により閉塞されているか、開口している。ＣＮＴには、他の物質を封入したものが含まれる。
【００５６】
本明細書において、「宇宙ベース」という用語は、一般に動作状態において宇宙で支持可能なことを意味する。宇宙ベースとして考慮される構造体は、また地上ベース、海ベース又は空ベースであってもよい。例えば、貨物用コンテナは、宇宙ベース、地上ベース、海ベース及び空ベースである。同様に、ある種の乗り物は空中及び宇宙の両方を飛行することができる。
【００５７】
本明細書において、「浸出される」という用語は結合されることを意味し、「浸出」という用語は、結合プロセスを意味する。このような結合には、直接共有結合、イオン結合、π−π相互作用、及びファンデルワールス力媒介物理吸着が含まれる。例えば、ある実施形態において、ＣＮＴは、繊維材料に直接結合されてもよい。結合は、バリアコーティング又はＣＮＴと繊維材料との間に配置された媒介遷移金属ナノ粒子を介した繊維材料へのＣＮＴの浸出のように、間接的であってもよい。本明細書に開示されたＣＮＴ浸出繊維材料において、ＣＮＴは上記の通り、繊維材料に対して直接的又は間接的に「浸出される」。ＣＮＴが繊維材料に「浸出される」特定の方法は、「結合モチーフ（bonding motif）」と呼ばれる。
【００５８】
繊維材料の一部に浸出されたＣＮＴは、一般に長さが均一である。本明細書において、「長さが均一」とは、反応器内で成長したＣＮＴの長さについて言及する。「均一な長さ」とは、ＣＮＴの長さが、ＣＮＴの全長に対して±約２０％以下の許容誤差を有することを意味し、ＣＮＴの長さは約１ミクロンから約５００ミクロンまでの範囲で変化する。例えば１〜４ミクロンのような極めて短い長さにおいて、この誤差は、ＣＮＴ全長の±約２０％からＣＮＴ全長の約２０％よりやや大きい±約１ミクロン以下の範囲内である。
【００５９】
また、繊維材料の一部に浸出されたＣＮＴは、一般にその分布も均一である。本明細書において、「分布が均一」とは、繊維材料上のＣＮＴの密度の一貫性に関して言及する。「均一な分布」とは、繊維材料上のＣＮＴの密度が、ＣＮＴにより覆われた繊維の表面領域のパーセンテージとして定義される被覆率で±約１０％の許容誤差を有することを意味する。これは、直径８ｎｍで５層のＣＮＴにおいて±１５００ＣＮＴ／μｍ２に等しい。この数値は、ＣＮＴの内部空間を充填可能（fillable）とみなしている。
【００６０】
本開示は、ある程度ＣＮＴ浸出繊維材料を志向している。繊維材料へのＣＮＴの浸出は、例えば、蒸気、酸化、摩耗及び圧縮による損傷から保護するためのサイジング剤としての機能を含む多くの機能性を提供することができる。ＣＮＴベースのサイジング剤はまた、複合材料内で、繊維材料とマトリックス材との間の接触部分としての役割も果たす。ＣＮＴはまた、繊維材料を被覆するいくつかのサイジング剤のうちの１つとしての役割を果たす。
【００６１】
さらに、繊維材料に浸出されたＣＮＴは、例えば、熱伝導性、電気伝導性、又は引張強度のような繊維材料の様々な性質を変化させることができる。ＣＮＴ浸出繊維材料を作成するために使用されるプロセスは、改良された繊維材料全体にその有益な性質を均一に与えるように、実質的に均一な長さ及び分布のＣＮＴを提供する。このようなプロセスの中には、巻取り可能な寸法のＣＮＴ浸出繊維材料の製造に適しているものもある。
【００６２】
本開示はまた、ある程度ＣＮＴ浸出繊維材料を志向している。典型的なサイジング溶液を繊維材料に適用する前に、もしくはそのかわりに、様々なプロセスが新たに製造される繊維材料の初期段階に適用される。あるいは、例えば、カーボントウのような既にサイジング剤がその表面に適用済みの商用の繊維材料をプロセスに使用することができる。このような実施形態において、バリアコーティング及び遷移金属微粒子は、以下でさらに説明されるように間接的な浸出を提供する中間層としての役割を果たすが、サイジング剤は繊維材料と合成されたＣＮＴとの間を直接的に接触させるために除去される。ＣＮＴの合成後、要望に応じてさらなるサイジング剤を適用することができる。
【００６３】
あるプロセスは、巻取り可能な寸法のトウ、テープ、織物、及び他の３次元織物構造体に沿って、均一な長さ及び分布を有するＣＮＴの連続生産を可能にする。特定のプロセスによって様々なマット、織物、及び不織布等が機能化可能だが、トウやヤーン等の元となる材料のＣＮＴ機能化の後、これらから、より高度な秩序構造を製造することも可能である。例えば、ＣＮＴ浸出織物を、ＣＮＴ浸出炭素繊維トウから製造することができる。
【００６４】
本明細書において、「繊維材料」という用語は、その基本的な構造要素としてフィラメント又はフィラメントの束を有する任意の材料を示す。この用語は、繊維、フィラメント、ヤーン、トウ、テープ、織物及び不織布、パイル、マット等を包含する。
【００６５】
本明細書において、「巻取り可能な寸法」とは、材料をスプール又はマンドレルに保存可能にする長さに制限されない少なくとも１つの寸法を有する繊維材料に関して言及する。「巻取り可能な寸法」の繊維材料は、本明細書で記載されたＣＮＴ浸出用のバッチ処理又は連続処理のいずれかの使用を示す少なくとも１つの寸法を有する。市販の巻取り可能な寸法の繊維材料の１つとして、８００ｔｅｘ（１ｔｅｘ＝１ｇ／１，０００ｍ）又は６２０ｙａｒｄ／ｌｂで１２ｋのＡＳ４炭素繊維トウ（Grafil, Inc., Sacramento, CA）が挙げられる。特に、市販の炭素繊維トウは、より大きなスプールの特注品を要求してもよいが、例えば、５，１０，２０，５０及び１００ｌｂ（大きな重量を有するスプール用、通常は３ｋ／１２Ｋトウ）のスプールにおいて得ることができる。あるプロセスは、５〜２０ｌｂのスプールで容易に行われるが、より大きなスプールを使用することもできる。さらに、例えば、１００ｌｂ以上の極めて大きなスプールを、２本の５０ｌｂのスプール等の扱いやすい寸法に分割する前処理を組み込んでもよい。
【００６６】
本明細書において、「カーボンナノチューブ」（ＣＮＴ，複数形はＣＮＴｓ）という用語は、単層カーボンナノチューブ（single-walled carbon nanotube, SWNT）、２層カーボンナノチューブ（double-walled carbon nanotube, DWNT）及び多層カーボンナノチューブ（multi-walled carbon nanotube, MWNT）を含むフラーレン族の円筒形状の任意の炭素同素体を示す。カーボンナノチューブは、フラーレン様構造により閉塞されるか、又は端部が開口する。カーボンナノチューブには、他の物質を封入したものが含まれる。
【００６７】
本明細書において、「遷移金属」という用語は、周期表のｄブロックの任意の元素又はその合金を示す。「遷移金属」という用語はまた、酸化物、炭化物及び窒化物等の遷移金属元素ベースの塩形態も含む。
【００６８】
本明細書において、「ナノ粒子」もしくはＮＰという用語又はその文法的な同等物は、ＮＰが球形である必要はないが、等価な球形における粒径が約０．１から約１００ナノメートルまでの間の大きさの粒子を示す。特に、遷移金属ＮＰは、繊維材料上でＣＮＴを成長させる触媒としての役割を果たす。
【００６９】
本明細書において、「サイジング剤（sizing agent）」、「繊維サイジング剤（fiber sizing agent）」又は単に「サイジング（sizing）」とは、炭素繊維の品質を保護し、複合材料中の炭素繊維とマトリックス材との間の界面相互作用を強化し、炭素繊維の特定の物理的性質を変化又は強化するためのコーティングとして、繊維の製造において使用される材料を総称するものである。ある実施形態において、繊維材料に浸出されたＣＮＴはサイジング剤としての役割を果たす。
【００７０】
本明細書において、「マトリックス材」という用語は、サイジング剤を適用したＣＮＴ浸出繊維材料を、ランダム配向を含む特定の配向性でまとめる役割を果たすバルク材をいう。ＣＮＴ浸出繊維材料の物理的又は化学的性質の一部がマトリックス材に与えられることにより、前記マトリックス材はＣＮＴ浸出繊維材料の存在からの利益を享受することができる。
【００７１】
本明細書において、「材料滞留時間」という用語は、巻取り可能な寸法の繊維材料に沿った個々の点が、ＣＮＴ浸出プロセスの間にＣＮＴ成長状態にさらされる時間をいう。この定義は、多層ＣＮＴの成長チャンバーを用いる場合の滞留時間を含む。
【００７２】
本明細書において、「ラインスピード（linespeed）」という用語は、ＣＮＴ浸出プロセスにおいて、巻取り可能な寸法の繊維材料が送り込まれる速度をいい、ラインスピードは、ＣＮＴの（１つの又は複数の）チャンバーの長さを材料滞留時間で除して算出される速度である。
【００７３】
ある実施形態において、本開示はＣＮＴ浸出繊維材料を含む複合材料を提供する。ＣＮＴ浸出繊維材料には、巻取り可能な寸法の繊維材料、繊維材料の周囲に等角的に配置されたバリアコーティング、及び繊維材料に浸出されたＣＮＴが含まれる。繊維材料へのＣＮＴの浸出は、繊維材料への個々のＣＮＴの直接的結合又は遷移金属ＮＰ、バリアコーティング又はその両方を介した間接的結合の結合モチーフが含まれる。
【００７４】
理論に制限されることなく、ＣＮＴ形成触媒としての役割を果たす遷移金属ＮＰは、ＣＮＴ成長核構造を形成することによりＣＮＴ成長に触媒作用をもたらす。一実施形態において、ＣＮＴ形成触媒は、繊維材料の基部に留まり、バリアコーティングにより固定され、繊維材料の表面に浸出される。このような場合において、遷移金属ナノ粒子触媒によって初期に形成された核構造は、当該分野でしばしば観察されるＣＮＴ成長の先端部に沿った触媒の移動をさせることなく、継続した非触媒核ＣＮＴ成長に十分である。このような場合において、ＮＰは、繊維材料に対するＣＮＴの付着点としての役割を果たす。バリアコーティングの存在はまた、さらなる間接的結合モチーフを提供する。例えば、ＣＮＴ形成触媒は、繊維材料と表面接触せずに、上記の通りバリアコーティング内に固定される。このような場合において、ＣＮＴ形成触媒と繊維材料との間に配置されたバリアコーティングの積層構造が生じる。いずれの場合も、形成されたＣＮＴは繊維材料に浸出される。ある実施形態において、バリアコーティングの中には、ＣＮＴ成長触媒がナノチューブ成長の先端に追従することをなお可能にするものがある。このような場合において、これは繊維材料への、又は付随的にバリアコーティングへのＣＮＴの直接的な結合を生じさせる。ＣＮＴと繊維材料との間に形成された実際の結合モチーフの性質に関わらず、浸出されたＣＮＴは丈夫であり、ＣＮＴ浸出繊維材料がＣＮＴの性質又は特性を示すことを可能にする。
【００７５】
また、理論に制限されることなく、繊維材料上にＣＮＴが成長する場合、反応チャンバー内の高温、残留酸素及び残留湿気等は、繊維材料に損傷を与える。その上、繊維材料自体が、ＣＮＴ形成触媒自体との反応により損傷を受ける。すなわち、繊維材料は、ＣＮＴ合成用に使用される反応温度にいて、触媒への炭素原料としての役割を果たす。このような過剰な炭素は、炭素原料ガスの制御された導入を妨げ、炭素を過剰供給することにより触媒を汚染することがある。本開示で使用されるバリアコーティングは、繊維材料上でのＣＮＴ合成を容易にするように設計されている。理論に制限されることなく、前記コーティングは、熱分解に対する熱障壁又は高温環境への繊維材料の暴露を防ぐ物理障壁を提供することができる。かわりに或いはさらに、前記コーティングは、ＣＮＴ形成触媒と繊維材料との間の表面領域接触を最小化し、又はＣＮＴ成長温度におけるＣＮＴ形成触媒への繊維材料の暴露を軽減することができる。
【００７６】
ＣＮＴ浸出繊維材料を有する複合材料には、略均一な長さのＣＮＴが提供される。連続プロセスにおいて、ＣＮＴ成長チャンバー内での繊維材料の滞留時間は、ＣＮＴ成長を制御、最終的にはＣＮＴの長さを制御するために調節される。これは、ＣＮＴ成長の特定の性質を制御する手段を提供する。ＣＮＴの長さはまた、炭素原料並びに搬送ガスの流量及び反応温度を調節することにより制御される。例えばＣＮＴを作成するために使用される触媒の大きさを制御することにより、ＣＮＴ特性のさらなる制御を行うことができる。例えば、１ｎｍ遷移金属ナノ粒子触媒は、特にＳＷＮＴを形成するために使用することができる。より大きな触媒は、主にＭＷＮＴを作成するために使用することができる。
【００７７】
さらに、使用されるＣＮＴ成長プロセスは、予め作成されたＣＮＴを溶媒中に浮遊又は分散して、手で繊維材料に適用するプロセス中に生じるＣＮＴの束化又は凝集を避けつつ、繊維材料上にＣＮＴが均一に分布したＣＮＴ浸出繊維材料を提供するのに有用である。このように凝集したＣＮＴは、繊維材料への付着力が弱く、ＣＮＴの特性は、現れたとしても弱い。ある実施形態において、被覆率、すなわち被覆された繊維の表面領域のパーセントで表される最大分布密度は、直径約８ｎｍで５層のＣＮＴの場合約５５％である。この被覆率は、ＣＮＴの内部空間が「充填可能な」空間であるとして計算される。表面に分散した触媒を変化させ、ガス組成及びプロセススピードを制御することにより、様々な分布／密度の値を達成することができる。一般的に与えられるパラメータにおいて、繊維表面に亘って約１０％以内の被覆率を達成することができる。より高密度でより短いＣＮＴは、機械的性質を向上させるのに有用である一方、より低密度のより長いＣＮＴは、熱的及び電気的性質の向上に有用であるが、やはり高密度が望ましい。より長いＣＮＴが成長した場合、より低密度が生じることがある。これは、より低い触媒微粒子収率（catalyst particle yield）を引き起こすより高温及びより急成長の結果である可能性がある。
【００７８】
ＣＮＴ浸出繊維材料を有する本開示の複合材料には、単一のフィラメント、繊維ヤーン、繊維トウ、テープ、繊維ブレイド（fiber-braid）、織物、不織布マット、繊維プライ、及び他の３次元織物構造等の繊維材料が含まれてもよい。フィラメントには、約１ミクロンから約１００ミクロンまでの範囲の直径を有する高アスペクト比の繊維が含まれる。繊維トウは、通常は密集して結合したフィラメントの束であり、大抵はヤーンを形成するために互いに撚り合わせられる。
【００７９】
ヤーンには、撚り合わせられたフィラメントの密接に結合された束が含まれる。ヤーン内でのそれぞれのフィラメントの直径は比較的均一である。ヤーンは、１０００リニアメートル（linear meter）あたりのグラム重量として表される「テックス（tex）」又は１０，０００ｙａｒｄあたりのポンド重量として表される「デニール（denier）」で示される様々な重量を有し、一般的なテックスの範囲は約２００ｔｅｘから約２０００ｔｅｘまでの間である。
【００８０】
トウには、撚り合わせられていないフィラメントの緩やかに結合された束が含まれる。ヤーンにおけるのと同様に、トウ内でのフィラメントの直径は概して均一である。トウはまた、様々な重量を有し、ｔｅｘの範囲は一般に約２００ｔｅｘから２０００ｔｅｘまでの範囲である。トウは、例えば１２Ｋトウ、２４Ｋトウ、４８Ｋトウ等のように、トウ内の数千本のフィラメントの数によりしばしば特徴付けられる。
【００８１】
テープは、波状にまとめられるか、又は不織布の扁平トウを表すことができる材料である。テープの幅は様々であり、一般にリボンのような両面構造（two-sided structure）である。形成するためのプロセスは、テープの片面又は両面でのＣＮＴ浸出と相性がよい。ＣＮＴ浸出テープは、平らな基質表面上の「カーペット」又は「森」のようである。また、このようなプロセスは、テープのスプールを機能化するために連続モードで行うことができる。
【００８２】
繊維ブレイドは、高密度な繊維のロープ様構造を示す。このような構造は、例えば、ヤーンにより形成することができる。編み上げ構造（braided structure）は、中空部分（hollow portion）を含んでもよく、あるいは他のコア材料の周りに形成されてもよい。
【００８３】
ある実施形態において、多くの主要な繊維材料構造体は、織物又はシート様構造に形成される。これには、例えば、上記のテープに加えて、織物製品、不織繊維マット（non-woven fiber mat）及び繊維プライが含まれる。このような高度な秩序構造は、元の繊維に浸出されたＣＮＴを有する元のトウ、ヤーン又はフィラメント等から形成することができる。あるいは、このような構造体は、ＣＮＴ浸出プロセス用の基板としての役割を果たすことができる。
【００８４】
繊維を形成するために使用される前駆体に基づき、炭素繊維は３種類に分類され、本開示においては、レーヨン、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）及びピッチ（Pitch）のいずれの繊維も使用することができる。セルロース系材料であるレーヨン前駆体の炭素繊維は、約２０％と比較的低い炭素含有量を有し、繊維の強度及び剛性が低い傾向がある。ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）前駆体は、約５５％の炭素含有量の炭素繊維を提供する。一般に、ＰＡＮ前駆体に基づく炭素繊維は、表面欠陥が最小であるため、他の炭素繊維前駆体に基づく炭素繊維より高い引張強度を有する。
【００８５】
また、石油アスファルト、コールタール及びポリ塩化ビニルに基づくピッチ前駆体をも、炭素繊維を製造するために使用できる。ピッチは、比較的低コストで炭素収率（carbon yield）が高いが、不均一性の問題が生じることがある。
【００８６】
繊維材料への浸出に有用なＣＮＴには、ＳＷＮＴ、ＤＷＮＴ、ＭＷＮＴ及びこれらの組み合わせが含まれる。実際に使用されるＣＮＴは、ＣＮＴ浸出繊維材料の用途によって決まる。ＣＮＴは、熱伝導性もしくは電気伝導性の用途に、又は絶縁体として使用することができる。ある実施形態において、浸出されるＣＮＴはＳＷＮＴである。ある実施形態において、浸出されるＣＮＴはＭＷＮＴである。ある実施形態において、浸出されるＣＮＴはＳＷＮＴとＭＷＮＴとの組み合わせである。ＳＷＮＴ及びＭＷＮＴの特有の性質には、いくつかの繊維の最終用途において、いずれか一方の種類のナノチューブの合成を決定づけるいくつかの相違が存在する。例えば、ＳＷＮＴは半導体的又は金属的であり得るが、ＭＷＮＴは金属的である。
【００８７】
ＣＮＴは、機械的強度、低〜中程度の電気抵抗率及び高い熱伝導性等の特有の性質を、ＣＮＴ浸出繊維材料に与える。例えば、ある実施形態において、ＣＮＴ浸出炭素繊維材料の電気抵抗率は、元の繊維材料の電気抵抗率より低い。さらに一般に、結果として得られるＣＮＴ浸出繊維が示すこれらの特性の程度は、ＣＮＴによる繊維の被覆率の程度及び密度の関数となる。直径８ｎｍで５層のＭＷＮＴの場合、繊維の０〜５５％の範囲の任意の繊維表面領域を被覆することができる（ＣＮＴの内部空間を充填可能とみなして計算している）。この数値は、より小さな直径のＣＮＴの場合はより小さく、より大きな直径のＣＮＴの場合はより大きい。表面領域の５５％の被覆率は、約１５，０００ＣＮＴ／ミクロン２に相当する。さらに、ＣＮＴの性質は、上記の通りＣＮＴの長さに依存した方法で繊維材料に与えることができる。浸出されたＣＮＴの長さは、約１ミクロンから約５００ミクロンまでの範囲で変化させることができ、１ミクロン，２ミクロン，３ミクロン，４ミクロン，５ミクロン，６ミクロン，７ミクロン，８ミクロン，９ミクロン，１０ミクロン，１５ミクロン，２０ミクロン，２５ミクロン，３０ミクロン，３５ミクロン，４０ミクロン，４５ミクロン，５０ミクロン，６０ミクロン，７０ミクロン，８０ミクロン，９０ミクロン，１００ミクロン，１５０ミクロン，２００ミクロン，２５０ミクロン，３００ミクロン，３５０ミクロン，４００ミクロン，４５０ミクロン，５００ミクロン及びこれらの間の全ての値を含む。ＣＮＴはまた、例えば、約０．５ミクロンを含む１ミクロンより短い長さとすることもできる。ＣＮＴはまた、例えば、５１０ミクロン，５２０ミクロン，５５０ミクロン，６００ミクロン，７００ミクロン及びこれらの間の全ての値を含む、５００ミクロンより長い長さとすることもできる。
【００８８】
本開示の複合材料には、約１ミクロンから約１０ミクロンまでの長さのＣＮＴを組み込むことができる。このようなＣＮＴの長さは、せん断強度の強化に有益である。また、ＣＮＴは、約５から約７０ミクロンまでの長さであってもよい。このようなＣＮＴの長さは、ＣＮＴが繊維方向に配列された場合、引張強度の強化に有益である。また、ＣＮＴは、約１０ミクロンから約１００ミクロンまでの長さであってもよい。このようなＣＮＴの長さは、機械的性質と同様、電気的性質／熱的性質の向上に有益である。また、ＣＮＴは、電気的性質及び熱的性質の向上に役に立つ約１００ミクロンから約５００ミクロンまでの長さであってもよい。このようなＣＮＴの長さの制御は、ラインスピード及び成長温度の変化に加えて炭素原料及び不活性ガス流量を調整することにより容易に行うことができる。
【００８９】
ある実施形態において、巻取り可能な寸法のＣＮＴ浸出繊維材料を含む複合材料は、ＣＮＴの長さが異なる様々な均一な領域を有する。例えば、せん断強度を強化する均一な短いＣＮＴを備えたＣＮＴ浸出繊維の第１部分と、電気的又は熱的性質を向上する均一な長いＣＮＴを備えた同一の巻取り可能な材料の第２部分と、を有するのが望ましい。
【００９０】
繊維材料にＣＮＴを浸出するためのあるプロセスは、一様なＣＮＴの長さの制御を可能にし、連続プロセスにおいて、巻取り可能な繊維材料が高い割合でＣＮＴにより機能化可能にする。材料滞留時間が５から３００秒で長さ３フィートのシステム用の連続プロセスにおけるラインスピードは、約０．５ｆｔ／ｍｉｎから約３６ｆｔ／ｍｉｎまでのいずれか、又はそれより大きい。選択されるスピードは、以下にさらに説明される様々なパラメータに応じて決定される。
【００９１】
ある実施形態において、約５から約３０秒までの材料滞留時間により、約１ミクロンから約１０ミクロンまでの長さのＣＮＴの製造が可能となる。ある実施形態において、約３０から約１８０秒までの材料滞留時間により、約１０ミクロンから約１００ミクロンまでの長さのＣＮＴの製造が可能となる。さらに他の実施形態において、約１８０から約３００秒までの材料滞留時間により、約１００ミクロンから約５００ミクロンまでの長さのＣＮＴの製造が可能となる。当業者は、これらの範囲が概算であり、ＣＮＴの長さはまた、反応温度並びに搬送ガス及び炭素原料の濃度及び流量によって調節することができることを理解するだろう。
【００９２】
本開示のＣＮＴ浸出繊維材料にはバリアコーティングが含まれる。バリアコーティングには、例えば、アルコキシシラン（alkoxysilane）、メチルシロキサン（methylsiloxane）、アルモキサン（alumoxane）、アルミナナノ粒子、スピンオンガラス（spin on glass）及びガラスナノ粒子が含まれる。以下に記載のように、ＣＮＴ形成触媒は、未硬化バリアコーティング材料に添加し、まとめて繊維材料に適用することができる。他の実施形態において、ＣＮＴ形成触媒を付着させる前に、バリアコーティング材料を繊維材料に追加することができる。ＣＶＤ成長がその後に続くように、バリアコーティング材料をＣＮＴ形成触媒が炭素原料に暴露できるくらい十分に薄くすることができる。ある実施形態において、前記厚さは、ＣＮＴ形成触媒の有効径より薄いか略等しい。ある実施形態において、バリアコーティングの厚さは、約１０ｎｍから約１００ｎｍまでである。また、バリアコーティングを、１ｎｍ，２ｎｍ，３ｎｍ，４ｎｍ，５ｎｍ，６ｎｍ，７ｎｍ，８ｎｍ，９ｎｍ，１０ｎｍ及びこれらの間のいずれの値も含む１０ｎｍより小さい値とすることができる。
【００９３】
理論に制限されることなく、バリアコーティングは、繊維材料とＣＮＴとの間の中間層の役割を果たし、ＣＮＴの繊維材料への機械的な浸出の役に立つ。このような機械的浸出は、繊維材料にＣＮＴの特性をなおも与えながら、繊維材料がＣＮＴを形成するための基盤（platform）として機能する強固な体制を依然として提供する。さらに、バリアコーティングを含むことの利益には、炭素繊維材料を蒸気にさらすことによる化学的損傷又はＣＮＴ成長を促進するために用いられる温度で繊維材料を加熱することによる熱的損傷から、繊維材料を直接的に保護することが含まれる。
【００９４】
本明細書で開示される浸出されたＣＮＴは、従来の繊維「サイジング」の代用品の役割を効果的に果たす。浸出されたＣＮＴは、従来のサイジング材料よりも丈夫であり、複合材料内における繊維−マトリックス間の界面を強化し、さらに一般に、繊維−繊維間の界面を強化することができる。実際に、本明細書で開示されるＣＮＴ浸出繊維材料は、ＣＮＴ浸出繊維材料の性質が繊維材料の性質と浸出されたＣＮＴの性質との組み合わせであるという意味ではそれ自体が複合材料である。結果として、本開示の実施形態は、望ましい性質が不十分又は欠如した繊維材料にそのような性質を与える手段を提供する。繊維材料は、特定の用途の必要性を満たすように適合又は設計することができる。サイジングとしてのＣＮＴの作用は、ＣＮＴの疎水構造による蒸気の吸収から繊維材料を保護することができる。その上、以下にさらに例示されるように、疎水性のマトリックス材と疎水性のＣＮＴとの相互作用により、繊維とマトリックス間の相互作用が向上する。
【００９５】
上記の浸出されたＣＮＴを有する繊維材料へ有益な性質が与えられているにもかかわらず、本開示の複合材料は、従来のサイジング剤をさらに含んでもよい。このようなサイジング剤の種類及び機能は幅広く、例えば、界面活性剤、帯電防止剤、潤滑剤、シロキサン、アルコキシシラン、アミノシラン、シラン、シラノール、ポリビニルアルコール、でんぷん、及びこれらの混合物が含まれる。このような第２のサイジング剤は、ＣＮＴ自体を保護するか、又は浸出されたＣＮＴによって与えられなかったさらなる性質を繊維に与えることができる。
【００９６】
本開示の複合材料は、ＣＮＴ浸出繊維材料とともに複合材料を形成するマトリックス材をさらに含む。このようなマトリックス材として、例えば、エポキシ、ポリエステル、ビニルエステル、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトンケトン、ポリフタルアミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、フェノールホルムアルデヒド及びビスマレイミドが含まれる。本開示において有用なマトリックス材として、周知の任意のマトリックス材が含まれる（Mel M. Schwartz, Composite Materials Handbook（2d ed. 1992）参照）。さらに、マトリックス材として、熱硬化性及び熱可塑性の樹脂（ポリマー）の両方、金属、セラミック及びセメントが含まれる。
【００９７】
マトリックス材として有用な熱硬化性樹脂には、フタル酸／マレイン酸型のポリエステル、ビニルエステル、エポキシ、フェノール樹脂、シアン酸塩、ビスマレイミド及びナディック末端封止ポリイミド（nadic end-capped polyimide, PMR-15等）が含まれる。熱可塑性樹脂には、ポリスルホン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリフェニレン酸化物、ポリ硫化物、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアリレート及び液晶ポリエステルが含まれる。
【００９８】
マトリックス材として有用な金属には、アルミニウム６０６１，２０２４及び７１３アルミニウムブレーズ（aluminum braze）等のアルミニウム合金が含まれる。マトリックス材として有用なセラミックには、リチウムアルミノケイ酸塩等のカーボンセラミック、酸化アルミニウム及びムライト等の酸化物、窒化ケイ素等の窒化物及び炭化ケイ素等の炭化物が含まれる。マトリックス材として有用なセメントには、炭化物ベースのセメント（炭化タングステン、炭化クロム及び炭化チタン）、耐火セメント（タングステントリア（tungsten-thoria）及び炭酸バリウム−ニッケル（barium-carbonate-nickel））、クロム−アルミナ、ニッケル−マグネシア及び鉄−ジルコニウム炭化物が含まれる。上記のマトリックス材はいずれも単独で又は組み合わせて用いることができる。
【００９９】
本発明は、開示された実施形態を参照して説明されたが、当業者は、これが単に本発明を説明するためのものに過ぎないことをただちに理解するだろう。本発明の精神から逸脱することなく、様々な修正を加えることが可能であることは当然である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材料構造体を備えた宇宙で支持される構造体を含んで構成される装置であって、
前記複合材料構造体は少なくとも、
電気抵抗、損傷検知、引張強度、圧縮強度、除氷、せん断強度、曲げ強度、亀裂抵抗、静電放電防止、電磁妨害遮蔽、熱伝導性、及び電気信号の伝達から選択される第１の機能性を、前記構造体に与える第１のカーボンナノチューブ浸出材料と、
電気抵抗、損傷検知、引張強度、圧縮強度、除氷、せん断強度、曲げ強度、亀裂抵抗、静電放電防止、電磁妨害遮蔽、熱伝導性、及び電気信号の伝達から選択される第２の機能性を、前記構造体に与える第２のカーボンナノチューブ浸出材料と、
を含んで構成される装置。
【請求項２】
前記複合材料構造体は、第３のカーボンナノチューブ浸出材料を含んで構成される請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出繊維のカーボンナノチューブ担持量は、０％から２％までの間である請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出材料は、損傷を受けやすいように前記構造体上に配置され、前記第１の機能性は損傷検知である請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出材料は、張力を受けやすいように前記構造体上に配置され、前記第１の機能性は引張強度である請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出材料は、圧力を受けやすいように前記構造体上に配置され、前記第１の機能性は圧縮強度である請求項３に記載の装置。
【請求項７】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出繊維のカーボンナノチューブ担持量は、２％から５％までの間である請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出材料は、氷生成されやすいように前記構造体上に配置され、前記第１の機能性は除氷である請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出材料は、せん断力を受けやすいように前記構造体上に配置され、前記第１の機能性はせん断強度である請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出材料は、亀裂が入りやすいように前記構造体上に配置され、前記第１の機能性は亀裂抵抗である請求項７に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出材料は、電荷が蓄積しやすいように前記構造体上に配置され、前記第１の機能性は静電放電防止である請求項７に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出繊維のカーボンナノチューブ担持量は、５％から４０％までの間である請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出材料は、電磁妨害にさらされやすいように前記構造体上に配置され、前記第１の機能性は電磁妨害遮蔽である請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出材料は、熱伝導性を与えるように前記構造体上に配置され、前記第１の機能性は熱伝導性である請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出材料は、前記構造体上に電気回路と隣接して配置され、前記第１の機能性は電気信号の伝達である請求項１２に記載の装置。
【請求項１６】
複合材料構造体を備えた宇宙で支持される構造体提供することを含んで構成される方法であって、
前記複合材料構造体は少なくとも、
電気抵抗、損傷検知、引張強度、圧縮強度、除氷、せん断強度、曲げ強度、亀裂抵抗、静電放電防止、電磁妨害遮蔽、熱伝導性、及び電気信号の伝達から選択される第１の機能性を、前記構造体に与える第１のカーボンナノチューブ浸出材料と、
電気抵抗、損傷検知、引張強度、圧縮強度、除氷、せん断強度、曲げ強度、亀裂抵抗、静電放電防止、電磁妨害遮蔽、熱伝導性、及び電気信号の伝達から選択される第２の機能性を、前記構造体に与える第２のカーボンナノチューブ浸出材料と、
を含んで構成される方法。
【請求項１７】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出材料と前記第２のカーボンナノチューブ浸出材料とは重複する請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の機能性を決定することと、
前記第１の機能性に基づいて前記第１のカーボンナノチューブ浸出材料の第１のカーボンナノチューブ担持量を選択することと、
をさらに含んで構成される請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２の機能性を決定することと、
前記第２の機能性に基づいて前記第２のカーボンナノチューブ浸出材料の第２のカーボンナノチューブ担持量を選択することと、
をさらに含んで構成される請求項１８に記載の方法。
【請求項１】
複合材料構造体を備えた宇宙で支持される構造体を含んで構成される装置であって、
前記複合材料構造体は少なくとも、
電気抵抗、損傷検知、引張強度、圧縮強度、除氷、せん断強度、曲げ強度、亀裂抵抗、静電放電防止、電磁妨害遮蔽、熱伝導性、及び電気信号の伝達から選択される第１の機能性を、前記構造体に与える第１のカーボンナノチューブ浸出材料と、
電気抵抗、損傷検知、引張強度、圧縮強度、除氷、せん断強度、曲げ強度、亀裂抵抗、静電放電防止、電磁妨害遮蔽、熱伝導性、及び電気信号の伝達から選択される第２の機能性を、前記構造体に与える第２のカーボンナノチューブ浸出材料と、
を含んで構成される装置。
【請求項２】
前記複合材料構造体は、第３のカーボンナノチューブ浸出材料を含んで構成される請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出繊維のカーボンナノチューブ担持量は、０％から２％までの間である請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出材料は、損傷を受けやすいように前記構造体上に配置され、前記第１の機能性は損傷検知である請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出材料は、張力を受けやすいように前記構造体上に配置され、前記第１の機能性は引張強度である請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出材料は、圧力を受けやすいように前記構造体上に配置され、前記第１の機能性は圧縮強度である請求項３に記載の装置。
【請求項７】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出繊維のカーボンナノチューブ担持量は、２％から５％までの間である請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出材料は、氷生成されやすいように前記構造体上に配置され、前記第１の機能性は除氷である請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出材料は、せん断力を受けやすいように前記構造体上に配置され、前記第１の機能性はせん断強度である請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出材料は、亀裂が入りやすいように前記構造体上に配置され、前記第１の機能性は亀裂抵抗である請求項７に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出材料は、電荷が蓄積しやすいように前記構造体上に配置され、前記第１の機能性は静電放電防止である請求項７に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出繊維のカーボンナノチューブ担持量は、５％から４０％までの間である請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出材料は、電磁妨害にさらされやすいように前記構造体上に配置され、前記第１の機能性は電磁妨害遮蔽である請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出材料は、熱伝導性を与えるように前記構造体上に配置され、前記第１の機能性は熱伝導性である請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出材料は、前記構造体上に電気回路と隣接して配置され、前記第１の機能性は電気信号の伝達である請求項１２に記載の装置。
【請求項１６】
複合材料構造体を備えた宇宙で支持される構造体提供することを含んで構成される方法であって、
前記複合材料構造体は少なくとも、
電気抵抗、損傷検知、引張強度、圧縮強度、除氷、せん断強度、曲げ強度、亀裂抵抗、静電放電防止、電磁妨害遮蔽、熱伝導性、及び電気信号の伝達から選択される第１の機能性を、前記構造体に与える第１のカーボンナノチューブ浸出材料と、
電気抵抗、損傷検知、引張強度、圧縮強度、除氷、せん断強度、曲げ強度、亀裂抵抗、静電放電防止、電磁妨害遮蔽、熱伝導性、及び電気信号の伝達から選択される第２の機能性を、前記構造体に与える第２のカーボンナノチューブ浸出材料と、
を含んで構成される方法。
【請求項１７】
前記第１のカーボンナノチューブ浸出材料と前記第２のカーボンナノチューブ浸出材料とは重複する請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の機能性を決定することと、
前記第１の機能性に基づいて前記第１のカーボンナノチューブ浸出材料の第１のカーボンナノチューブ担持量を選択することと、
をさらに含んで構成される請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２の機能性を決定することと、
前記第２の機能性に基づいて前記第２のカーボンナノチューブ浸出材料の第２のカーボンナノチューブ担持量を選択することと、
をさらに含んで構成される請求項１８に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公表番号】特表２０１３−５１１４２９（Ｐ２０１３−５１１４２９Ａ）
【公表日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４０１６７（Ｐ２０１２−５４０１６７）
【出願日】平成２２年１１月２３日（２０１０．１１．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５７９２２
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０６３４２４
【国際公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（５１１２０１３９２）アプライド ナノストラクチャード ソリューションズ リミテッド ライアビリティー カンパニー (31)
【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＮＡＮＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＤ ＳＯＬＵＴＩＯＮＳ， ＬＬＣ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２３日（２０１０．１１．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５７９２２
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０６３４２４
【国際公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（５１１２０１３９２）アプライド ナノストラクチャード ソリューションズ リミテッド ライアビリティー カンパニー (31)
【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＮＡＮＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＤ ＳＯＬＵＴＩＯＮＳ， ＬＬＣ
【Ｆターム（参考）】
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