由复合材料制造构件的方法和装置 |
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申请号 | CN200880103375.3 | 申请日 | 2008-08-08 | 公开(公告)号 | CN101778713B | 公开(公告)日 | 2013-08-14 |
申请人 | 空中客车英国运营有限责任公司; | 发明人 | 本杰明·莱昂内尔·法默; 丹尼尔·马克·约翰斯; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了一种由 复合材料 制造构件的方法,该复合材料包含基质和多个增强元件(CNT),该方法包括:形成所述复合材料的一系列层,每个层在其前一层之上形成;和在于所述复合材料之上形成下一层之前向所述复合材料施加电 磁场 ,所述 电磁场 使得至少一些所述增强元件旋转。本发明还公开了一种装置,所述装置包括:构造平台、用于在所述构造平台上形成复合材料的一系列层的系统和用于施加电磁场的 电极 。本发明公开了作为本 申请 的第二方面的包含CNT和基质的 复合粉末 以及制造方法。 | ||||||
权利要求 | 1.一种由复合材料添加性制造构件的方法,所述复合材料包含基质和多个包含于所述基质中的增强元件,所述方法包括: |
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说明书全文 | 由复合材料制造构件的方法和装置技术领域[0001] 本发明涉及由复合材料制造构件的方法和装置。 背景技术[0002] 在液体复合基质中利用电磁场排列碳纳米管(CNT)是已知的。例如见“Aligned Single Wall Carbon Nanotube Polymer Composites Using anElectric Field”C.Park,J.Wilkinson,S.Banda,Z.Ounaies,K.E.Wise,G.Sauti,P.T.Lillehei,J.S.Harrison,Journal of Polymer Science Part B:Polymer Physics 2006,44,1751-1762。在该文献中可以将AC场以各种强度和频率施加。 发明内容[0004] 本发明的第一方面提供一种由复合材料添加性(additively)制造构件的方法,该复合材料包含基质和多个增强元件,该方法包括: [0005] 形成所述复合材料的一系列层,每个层形成于前一层之上;和 [0006] 在于所述复合材料之上形成下一层之前向所述复合材料施加电磁场,所述电磁场使得至少一些所述增强元件旋转。 [0007] 每个层在下一层于其上形成之前,可通过将能量引导到所述层的经选择部分以使所述层固结和/或固化。例如在本发明优选实施方式的“粉末床”设置中,该复合材料包括粉末,每个粉末颗粒包括多个包含于基质中的增强元件;并且所述能量通过熔融所述基质而固结每层的经选择部分。在这种情况下,所述电磁场使得至少一些所述粉末颗粒旋转。 [0008] 通常,当施加该电磁场时该复合材料被搅动,例如通过搅拌或超声搅动。 [0009] 在施加该电磁场之前该增强元件可被对齐,且在这种情况下所述元件可共同旋转。例如所述场可使它们从垂直取向共同旋转到成角度的取向。然而优选至少一些所述元件彼此相对旋转,例如从无序状态变为共同对齐(co-aligned)。 [0010] 通过对至少两个所述层施加不同的电磁场可以控制所述构件的性质。例如各层之间所施加场的方向、模式、强度和/或频率可以变化。 [0011] 通常该方法进一步包括形成具有不同形状、尺寸或图案的至少两个层。通过使各层在所期望净形状(net-shape)的计算机模型的控制下形成从而使得构件能够以所谓的“净形状”形成。 [0012] 该增强元件通常具有伸长的结构例如管、纤维或片。该增强元件可以是实心的或者管状的。例如所述增强元件可包括单壁碳纳米管(CNT);多壁CNT、碳纳米纤维;或者涂覆有无定形碳或金属层的CNT。 [0013] 通常至少一种所述增强元件的长径比(aspect ratio)大于100,优选大于1000,6 并且最优选大于10。 [0015] 本发明的第二方面提供了用于由复合材料添加性制造构件的装置,该复合材料包含基质和多个增强元件,该方法包括: [0016] 构造平台; [0017] 系统,所述系统用于在所述构造平台上形成复合材料的一系列层,每个层形成于前一层之上;和 [0019] 本发明的第三方面提供了一种复合粉末,每个粉末颗粒包含多个包含在基质中的增强元件。 [0020] 本发明的第四方面提供一种制造复合粉末的方法,所述方法包括将纤维切为一系列长度体,每个长度体均构成粉末颗粒,该纤维包含多个包含于基质中的增强元件。 [0022] 现在将参照附图来描述本发明的实施方式,其中: [0023] 图1是纤维的截面图; [0024] 图2显示了被切成一系列长度体的纤维; [0025] 图3显示了颗粒在三维空间中无规排列的聚合物粉末的层; [0026] 图4显示了粉末床添加性制造系统; [0027] 图5显示了利用电磁场排列的层; [0028] 图6显示了将聚合物粉末熔融成固结层的能量源;和 [0029] 图7显示了三层的构件。 具体实施方式[0031] 纤维1可通过包括电纺和熔纺在内的多种方式形成。在电纺的情况下,通过对粘性聚合物溶液的液滴(最通常在金属针尖上)施加电场从而由该溶液拉出纤维1。该溶液包含无规排列的SWNT,但在电纺过程中SWNT变得至少部分对齐。例如参见: [0032] -电纺碳纳米管-聚合物复合材料的性能(CHARACTERISTICSOF ELECTROSPUN CARBON NANOTUBE-POLYMERCOMPOSITES),Heidi Schreuder-Gibson,Kris Senecal,MichaelSennett,Zhongping Huang,JianGuo Wen,Wenzhi Li,Dezhi Wangl,Shaoxian Yang,Yi Tul,Zhifeng Ren & Changmo Sung,网络来源:http://lib.store.yahoo.net/lib/nanolab2000/Composites.pdf [0033] -题名为“碳纳米管-聚合物纳米复合材料的电纺纤维的制备和电特性”的论文摘要(Synopisis of the thesis entitled PREPARATION ANDELECTRICAL CHARACTERIZATION OF ELECTROSPUN FIBERSOF CARBON NANOTUBE-POLYMER NANOCOMPOSITES),BIBEKANANDA SUNDARAY,网络来源: [0034] http://www.physics.iitm.ac.in/research_files/synopsis/bibek.pdf[0035] 该纤维1随后被切成如图2中所示的一系列短长度体3,每个长度体3构成粉末颗粒。 [0036] 该粉末随后可被用作如图3-6所示的粉末床添加性制造过程中的原料。注意为了便于图示,在图3-6中将粉末颗粒3示意性显示为球形而不是伸长的圆柱形。 [0037] 如图3所示,粉末颗粒3最初在三维空间中无规排列。 [0038] 图4显示粉末床添加性制造系统。辊(未示出)从一对供料容器(未示出)中的一个里获取粉末原料并且在构造平台10上滚压粉末的连续床。如图4所示,该辊在相邻的聚合物粉末颗粒之间给予一定填充度(degree ofpacking)。 [0039] 在添加层制造系统中并入强电磁场源(即电极11,12)和超声搅动源,例如超声变幅器(ultrasonic horn)14。 [0040] 在超声搅动下颗粒3可围绕它们自己的轴自由旋转,这在一旦施加电磁场时就会使得颗粒旋转并且在场的方向上彼此排列起来,如图5所示。 [0041] 可以施加各种形式的电磁场。例如所述场可为直流的(DC)或交流的(AC)。电成分或磁成分是占优的。对合适场的实例的描述可见于: [0042] http://www.trnmag.com/Stories/2004/042104/Magnets_align_nanotubes_in_resin_Brief_042104.html.这篇文献描述了单壁碳纳米管与触变性树脂混合的工艺。当该混合物暴露于大于15特斯拉的磁场时,纳米管沿场的方向排列。 [0043] “利用电场排列的单壁碳纳米管聚合物复合材料”(AlignedSingle Wall Carbon Nanotube Polymer Composites Using an ElectricField),C.Park,J.Wilkinson,S.Banda,Z.Ounaies,K.E.Wise,G.Sauti,P.T.Lillehei,J.S.Harrison,Journal of Polymer Science Part B:PolymerPhysics 2006,44,1751-1762.在这篇文献中,可以以各种强度和频率施加AC场以排列CNT。 [0044] 在该场持续存在下,如图6所示的热源15随后被开启以熔融聚合物基质材料并且形成固结层16,同时保持了CNT的整体定向。该热源15例如可是激光,其使激光束跨越该构造平台进行扫描并且引导能量至所述床的经选择部分。该热量熔融并固结所述床的经选择部分,并且在该过程完毕之后可将任何未熔融粉末去除。 [0045] 随后重复该过程以形成如图7所示的具有一系列层16,21,22的构件20。激光束在计算机模型的控制下进行扫描和调控以形成具有所需净形状的各独立层。注意16,21各层中的CNT在下一层形成于其之上之前被排列。通过以逐步的或顺次的方式排列CNT(而不是试图同时排列所有层中的全部CNT),仅需要相对少量的能量就可以取得所期望的排列程度。 [0046] 注意可通过向至少两个层中的原料施加不同的电磁场来控制该构件的性质。例如在图7中,SWNT在层16中相对构造平台以90°排列,在层21中相对构造平台以-45°排列,在层22中相对构造平台以+45°排列。与其取向的变化一样,所施加的场的模式、强度或频率也可在各层之间变化。 [0048] 例如在第一替代性设置中复合材料可包含容纳于槽中的光固化性液体。该槽包含被提升为稍高于液面以形成液体薄层的构造平台。该薄层随后被暴露于电磁场以使增强元件旋转。然后用激光以所选择的图案扫描该薄层以选择性地固化液体。 |