使用纳米管链接制造纤维的系统和方法 |
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| 申请号 | CN201410048532.2 | 申请日 | 2014-02-12 | 公开(公告)号 | CN103979486B | 公开(公告)日 | 2017-11-24 |
| 申请人 | 波音公司; | 发明人 | J·R·豪尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及使用 纳米管 链接制造 纤维 ，其包括从纳米管森林切下第一纳米管绳。该方法进一步包括以第一多个迂回弯的形式缠绕第一纳米管绳以创建第一链接。该方法进一步包括从纳米管森林切下第二纳米管绳。该方法进一步包括以第二多个迂回弯的形式缠绕第二纳米管绳以创建第二链接，其中在链条中所述第二链接与所述第一链接互连。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种使用纳米管链接制造纤维的方法，其包括： |
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| 说明书全文 | 使用纳米管链接制造纤维的系统和方法技术领域背景技术[0002] 碳纳米管是具有圆柱形纳米结构的碳纤维。碳纳米管在直径上小于传统的碳纤维。碳纳米管众所周知是坚固的并相对于许多其他材料具有高模量，特别是相对于其他种类的碳纤维。在复合材料中使用的传统的碳纤维直径约十微米并且长度为许多米。碳纳米管直径为一至十纳米（比传统碳纤维较窄达10,000倍），长度约一厘米。然而，单个的碳纳米管的抗张强度大于单个传统碳纤维的抗张强度。 [0003] 类似于那些在商业复合材料中使用的纤维还没有由多个碳纳米管制造。因此，获得在结构上比单独生长的碳纳米管更长的单独碳纳米管的强度已经呈现出持续的挑战。 [0004] 因此，具有考虑一个或多个上述讨论的问题以及可能的其他问题的方法和装置将会是有益的。 发明内容[0005] 说明性实施例提供一种方法。该方法包括从纳米管森林切下第一纳米管绳。该方法还包括以第一多个迂回弯的形式缠绕第一纳米管绳以创建第一链接。该方法进一步包括从纳米管森林切下第二纳米管绳。该方法进一步包括以第二多个迂回弯的形式缠绕第二纳米管绳以创建第二链接，其中所述第二链接与所述第一链接在链条中互连。 [0006] 说明性实施例还提供一种系统。该系统可包括显微操纵器，经配置在纳米管森林的部切割切口以将纳米管束的第一部分从所述纳米管森林分离。显微操纵器还配置为将第一操纵带（handling band）固定在纳米管束的第一部分的周围。显微操纵器还配置为夹住第一操纵带并且拉动纳米管束远离所述纳米管森林。显微操纵器还配置将第二操纵带固定在纳米管束的第二部分的周围。第二操纵带与第一操纵带是大约相对的。第二部分与纳米管束的第一部分是大约相对的。显微操纵器还配置为移动纳米管束至卷绕站（winding station）。 [0007] 该系统还可以包括卷绕站的弯曲装置。弯曲装置配置为接收所述纳米管束。弯曲装置进一步配置为在第一闭合的纳米管链接的第一端将第一鞍（saddle）安置在闭合纳米管链接内。弯曲装置进一步配置为将纳米管束的第二端固定至第二鞍的起始槽。弯曲装置进一步配置为使用第二鞍和第三鞍围绕第一鞍旋转纳米管束。旋转从纳米管束创建迂回环。结果是第二闭合纳米管链接。第二闭合纳米管链接与第一闭合纳米管链接在链条中互锁。 [0008] 说明性实施例还提供一种物体。该物体可包括第一纳米管绳，其以第一多个迂回弯缠绕从而创建第一链接。该物体还包括第二纳米管绳，其以第二多个迂回弯缠绕从而创建第二链接。第二链接与第一链接在链条中互连。 [0010] 根据本发明的一个方面，提供使用纳米管的链接的制造纤维系统，其包括：显微操纵器，配置为：在纳米管森林的顶部切割切口以将纳米管束的第一部分从纳米管森林分离；将第一操纵带固定在纳米管束的第一部分的周围；夹住第一操纵带并且拉动纳米管束远离所述纳米管森林；将第二操纵带固定在纳米管束的第二部分的周围，其中第二操纵带与第一操纵带是大约相对的，并且其中第二部分与纳米管束的第一部分是大约相对的。移动纳米管束至卷绕站和卷绕站的弯曲装置，其中弯曲装置配置为接收所述纳米管束，并且其中弯曲装置进一步配置为：在第一闭合的纳米管链接的第一端将第一鞍安置在闭合纳米管链接内；将纳米管束的第二端固定至第二鞍的起始槽；并且使用第二鞍和第三鞍围绕第一鞍旋转纳米管束，其中旋转从纳米管束创建迂回环，导致第二闭合纳米管链接，并且其中第二闭合纳米管链接与第一闭合纳米管链接在链条中互锁。有利地，纳米管森林可包括碳纳米管。进一步有利地，纳米管束的松弛端使用聚合物固定到所述第二闭合纳米管链接。更进一步有利地，弯曲装置进一步配置为产生在链条中与第一闭合纳米管链接和第二闭合纳米管链接之一互锁的第三闭合纳米管链接。有利地，第一闭合纳米管链接、第二闭合纳米管链接和第三闭合的纳米管链接按顺序连接。进一步有利地，弯曲装置包括配置为控制第二鞍和第三鞍的可伸缩臂。 附图说明[0011] 被认为代表说明性实施例特性的新颖特征在附加权利要求中被展示。然而，当结合附图阅读时，通过参考下面的本公开的说明性实施例的详细描述，将最好地理解说明性实施例以及优选使用方式、其进一步的目的和特征，其中： [0012] 图1是根据说明性实施例使用碳纳米管链接制造纤维的系统的方框图； [0013] 图2是根据说明性实施例描绘使用纳米管链接的制造纤维的方法的流程图； [0014] 图3是根据说明性实施例的碳纳米管纤维的几何尺寸的示图； [0015] 图4是根据说明性实施例的碳纳米管纤维的另一种几何尺寸的示图； [0016] 图5是根据说明性实施例的碳纳米管纤维的另一种几何尺寸的示图； [0017] 图6是根据说明性实施例的碳纳米管链接的直边侧的短段的示图； [0018] 图7是根据说明性实施例在缠绕和结合状态的碳纳米管链接的直边侧的示图； [0019] 图8是根据说明性实施例连接在一起的邻近纤维的碳纳米管链接的示图； [0020] 图9是根据说明性实施例具有从碳纳米管森林分离的碳纳米管束的碳纳米管森林的示意图； [0021] 图10是根据说明性实施例操纵带的示图； [0022] 图11是根据说明性实施例用于弯曲方法的几何形状的示图； [0023] 图12是根据说明性实施例用于弯曲方法的另一种几何形状的示图；以及[0024] 图13是根据说明性实施例从卷绕的碳纳米管链接中除去鞍的示图。 具体实施方式[0025] 创建碳纳米管的一种已知的方法是在其表面上具有催化剂的基底上种植它们。碳纳米管森林可垂直于基底表面生长，类似于树从地面生长。这种森林可包括单个碳纳米管，其直径多达十纳米并且中心到中心间隔约相距五至二十纳米。碳纳米管的长度，或森林的高度，可约为一厘米。邻近的碳纤维纳米管可以通过范德华力彼此结合并且将其自身排列成由这些力保持在一起的“绳”。虽然当碳纳米管聚在一起时范德华力足够强以保持碳纳米管在一起，但是这些力不足以强到创建在其中压力从一个碳纳米管传递到邻近的碳纳米管的复合物。 [0026] 生产碳纳米管的另一种已知的方法是将碳纳米管放置在基体材料中，如环氧树脂或其他已知的聚合物，就像对现有使用传统碳纤维的复合材料所作的。通过已知的复合材料，纤维的直径可大于基体聚合物分子的直径。这种技术可用于创建大体积分数的纤维，例如65％。如果使用非环形纤维或如果具有较小直径的纤维与具有较大直径的纤维进行交错，则可获得较大的体积分数。不管使用非环形纤维还是交错的较小直径的纤维，聚合物基体材料的纤维之间都有足够的空间。聚合物基体材料可以连接到纤维上，并将压力从一个纤维沿着邻近的纤维经过一个长度传递到邻近的纤维，其可相当于许多纤维的直径。这些压力是不期望的。 [0027] 在尝试将如上所讨论的碳纳米管用于几何尺寸方面已经遇到了挑战。例如，碳纳米管的直径和聚合物分子的直径可以是相似的，在实现可接受的高体积分数的碳纳米管方面呈现困难。这种困难可防止聚合物与可接受分数的碳纳米管的外表面保持接触。 [0028] 这种困难甚至可防止聚合物与所有的碳纳米管接触。不依附聚合物的碳纳米管只可通过范德华力将压力传递到邻近的碳纳米管。范德华力比聚合物以及传统纤维之间的化学键明显弱，并且比碳纳米管的固有强度弱得多。此外，依靠范德华力需要两纤维的表面靠近在一起。 [0029] 当试图从碳纳米管建立大型结构时所面临的另一个挑战是，聚合物不会与单个的碳纳米管做出可接受的结合，因为碳纳米管的壁通常是光滑的，并且不包括强结合发生的点。 [0030] 这种挑战可以通过官能化碳纳米管来克服。官能化涉及使碳纳米管受热或反应性化学物质的影响。官能化在化学结合可发生的碳纳米管的壁上创建分裂。然而，官能化碳纳米管可以通过损害碳纳米管的细胞壁来降低碳纳米管的强度。 [0031] 碳纳米管可以分类为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。当使用多壁碳纳米管时发生另一个挑战。多壁碳纳米管可包括嵌套在单一结构中的多个单壁碳纳米管。在多壁碳纳米管之内，嵌套在其中的单壁碳纳米管可以通过在邻近的单壁碳纳米管的壁之间的范德华力连接。范德华力可比单个的单壁碳纳米管的壁强度弱。在复合材料中，假定在聚合物基体和每个多壁碳纳米管的最外层的单壁碳纳米管之间存在可接受的结合，那么只有最外层的单壁碳纳米管可对复合材料贡献显著的强度。每个多壁碳纳米管的最内层的单壁碳纳米管对复合材料的强度贡献较小。发生这种结果是因为没有东西依附在可以传递压力到邻近的纤维的最内层的单壁碳纳米管上。 [0032] 说明性实施例关于由不具有单个碳纳米管的强度的碳纳米管制成的商用纤维认识并考虑到上述这些问题。说明性实施例还认识到并且考虑到，由长于一厘米的碳纳米管创建结构是非常困难的，并且到现在为止是失败的。 [0033] 因此，本说明性实施例涉及系统，方法和物体，其中碳纳米管束或纳米管绳用迂回环缠绕以形成链接。在链接创建过程中纳米管绳可以扭曲。链接由包括碳纳米管束的多个顺序互锁的链接束的链条部分地制成。由碳纳米管束的多个顺序互锁的链接束制成的链条的长度可类似于现有的复合材料纤维的长度而且可具有单个碳纳米管的强度。碳纳米管的链条处于张力状态下是强的。链条可以接近最大限度地利在链条中所有的碳纳米管的强度。 [0034] 说明性实施例考虑通过使用显微操纵器从纳米管森林切下碳纳米管束。操纵带可绕束的相对端放置以将束保持在一起。然后显微操纵器可以移动束到卷绕站。在卷绕站弯曲装置可用多个迂回弯卷绕束以创建环或链接，并且融合束的两个自由端的每一个到新创建的链接。在创建新链接中，弯曲装置可通过先前创建的链接卷绕束，以致新创建的链接可以在链条中与先前创建的链接互连。 [0035] 说明性实施例还认识并考虑到显微操纵器可以使用附着在柄状物上的刀片在碳纳米管森林中创建切口，以开始从碳纳米管森林分离新束。显微操纵器可远离碳纳米管森林拉动新束，并将操纵带放置在束的相对端。在提供束到卷绕站后，弯曲装置可将第一鞍放置在现有碳纳米管的链接内侧。弯曲装置然后可以使用第二鞍和第三鞍以通过现有的碳纳米管链接用迂回、成环的方式旋转碳纳米管束。弯曲装置可具有可伸缩臂。当鞍围绕第一鞍旋转时所述臂可替换地保持住和释放第二和第三鞍。 [0036] 说明性实施例进一步认识到，即使单个碳纳米管具有相对短的长度，但是可创建包括多个顺序链式碳纳米管链接的纤维结构。链式纳米管链接可具有类似于非纳米管纤维的长度，但是可具有约单个碳纳米管的强度。当链条在张力状态下并被拉紧时，可以维持碳纳米管的强度。碳纳米管链接的直边段可以由碳纳米管束缠绕，进一步加固缠绕的链接和整体链条。纳米管链接的单个链条也可以邻近或并排放置并且结合在一起。这种布置可产生较厚的和较强的整体结构。 [0037] 说明性实施例进一步认识到，在本发明中邻近的碳纳米管之间几乎没有显著滑动，像在碳纳米管被拉长成纱的情况。如果使用多壁碳纳米管，内部碳纳米管可相等地贡献所得链条的强度。 [0038] 碳纳米管的链接端的曲率半径相比于单个的碳纳米管的直径是足够大的，以致碳纳米管的强度可以忽略的退化可在穿越链接端发生。与此同时，链接端的曲率半径相对于链接的长度是小的，以致大多数的碳纳米管材料用在纤维的轴向方向上。 [0039] 说明性实施例进一步认识到，在复合材料中碳纳米管的体积分数可以是高的。体积分数可以像在传统复合材料中的碳纤维一样高。碳纳米管的几何尺寸可允许在复合材料中的邻近链条之间充足的空间，以致压力可以通过基体材料以本质上与在传统的纤维复合材料中相同的方式从链条至链条传递。在每个链接的内部之内，碳纳米管的体积分数可为约100％，并且不需要由基体材料冲淡。 [0040] 说明性实施例还认识到，如果碳纳米管链接的长度足够长，邻近的碳纳米管之间的剪切力可以等于或大于单个碳纳米管的抗张强度。这种特征可确保压力经过链接的长度从一个碳纳米管传递到邻近的碳纳米管。通过随着链接构成扭曲碳纳米管束，并通过外缠绕链接的外面，以保持邻近的碳纳米管紧密的表面接近在一起，剪切力可保持接近最大可能的剪切力。 [0041] 现在将注意力转向附图。图1是使用根据说明性实施例所述的碳纳米管链接的制造纤维系统100的方框图。在图1所示的系统100包括显微操纵器140。显微操纵器140可以带有具有多个自由度的多个机械附件或显微操纵器臂的自动装置。显微操纵器140可以与显微镜（未示出）一起使用。显微镜可允许在给定的碳纳米管的小尺寸下所需的运动精确水平。显微操纵器140可以用一微米或更小的位置分辨率进行操作，并具有识别部件位置和部件的几何边缘至至少相同的分辨率的能力。 [0042] 显微操纵器臂142和显微操纵器臂144可以是被连接至显微操纵器140并且由其控制的附件。显微操纵器臂142和显微操纵器臂144可以包括连接、移动和释放包括在下文中详细描述的碳纳米管束130的物体的机构。显微操纵器140还可以包括刀片148，显微操纵器140使用其在碳纳米管森林120做切口，并从碳纳米管森林120中切掉至少一个碳纳米管束 130。刀片148可以经由柄状物146连接到微操纵器140。 [0043] 碳纳米管森林120可以是使用化学气相沉积技术或其他已知技术生长在基底122上的碳纳米管簇。碳纳米管从基底122的表面在垂直方向上生长。碳纳米管束130从碳纳米管森林120由刀片148切下。虽然碳纳米管束130在图1中描绘为碳纳米管森林120的一部分，但一旦刀片148完成它的切削动作并且显微操纵器140拉开碳纳米管森林120的切口部分以形成碳纳米管束130，碳纳米管束130不再是碳纳米管森林120的一部分。碳纳米管束130从此可称为束130。 [0044] 显微操纵器140还可以包括操纵带150和操纵带152。如指出的，在将承受商用需求的束中，范德华力没有强大到足以保持多个碳纳米管在一起。显微操纵器臂142和显微操纵器臂144可围绕碳纳米管束130固定操纵带150和操纵带152以保持碳纳米管在碳纳米管束130中合成在一起。这个动作可在碳纳米管束130从碳纳米管森林120分离时发生。 [0045] 系统100还可以包括弯曲装置170。弯曲装置170可位于卷绕站190。在碳纳米管束130经由本文所述的切削和成束动作由显微操纵器140创建之后，卷绕站190可接收碳纳米管束130。弯曲装置170可以迂回和环的方式通过由另一个碳纳米管束130较早制成的现有链接保持碳纳米管束130并旋转碳纳米管束130。 [0046] 弯曲装置170可以包括鞍192、鞍194和鞍196。鞍194可以放置在现有闭合碳纳米管内的链接之内的协助保持现有的闭合碳纳米管链接开放的位置。现有的闭合碳纳米管链接可以具有穿过其卷绕以形成链条的新创建的碳纳米管链接。当碳纳米管束130通过现有的闭合碳纳米管链接迂回旋转或成环时，鞍194还可以提供凹入空间来容纳碳纳米管束130的纤维。当碳纳米管束130通过现有的闭合碳纳米管链接并围绕其旋转时，鞍192和鞍196可容纳碳纳米管束130。 [0047] 在碳纳米管束130的旋转过程中，弯曲装置170可替换地固定并释放鞍192和鞍196。鞍192和鞍196的每一个可以具有四个鞍柄状物，虽然可存在不同数目的柄状物。作为一个非限制性的说明性实施例，连接到鞍194和鞍196的柄状物在图11中描绘。作为另一个非限制性的说明性实施例，连接到鞍192的柄状物在图12中描绘。 [0048] 弯曲装置170可具有弯曲臂172、弯曲臂174、弯曲臂176和弯曲臂178。这些弯曲臂的每一个是可伸缩的。在弯曲臂172、弯曲臂174、弯曲臂176和弯曲臂178的每个的端部可以是保持住并释放连接到鞍192的柄状物和连接到鞍196的柄状物的装置（未示出）。这种抓取和释放动作可以在鞍192和鞍196围绕鞍194旋转时执行。鞍192、鞍194和鞍196，它们的柄状物，以及本文所讨论的过程在下文图2至图13的讨论中更详细地描述。 [0049] 弯曲装置170还可具有扩展杆180和扩展杆182。当弯曲装置170使用鞍192和鞍196以迂回的方式旋转碳纳米管束130时，扩展杆180和扩展杆182与鞍194一起共同保持现有闭合碳纳米管链接开放。这个动作可以用来创建互锁碳纳米管链接。 [0050] 图2是根据说明性实施例描绘使用纳米管链接的制造纤维方法的方框图。在图2中所示的方法200可使用图1的系统100来实现。在图2中所描绘的过程可以是通过图13结合图1与图3所讨论的过程的变体。虽然在图2中呈现的操作描述为由“过程”执行，但是所述操作可以使用一个或多个物理设备来执行，如本文在别处描述的。 [0051] 方法200可以以使用刀片148经由连接到显微操纵器140的柄状物146从碳纳米管森林120切下第一纳米管绳的过程（操作202）作为开始。然后该过程可以使用弯曲装置170以第一多个迂回弯的方式缠绕第一纳米管绳，以创建第一链接（操作204）。然后该过程可以使用刀片148从碳纳米管森林120切下第二纳米管绳（操作206）。然后该过程可以使用弯曲装置170以第二多个迂回弯的方式缠绕第二纳米管绳，以创建第二链接，其中所述第二链接在链条中与所述第一链接互连（操作208）。 [0052] 在图2所示的过程仅仅是示例性的。该过程既可以在操作的编号方面也可以在使用什么设备进行操作方面改变。例如，更多的或不同的刀片、柄状物和弯曲装置可以被使用。因此，所要求的发明不一定由在图2中描述的操作而受到限制。 [0053] 图3根据说明性实施例描绘碳纳米管纤维的链条10。在图3所示的链条10可以是使用图1的系统并且使用方法200的操作构造的链条。在图3中描绘的碳纳米管纤维的链条10可以是使用图1的系统并且使用方法200的操作由碳纳米管束制成三个链接的垂直链条。虽然图3描绘三个链接的链条，但是链条可包括两个碳纳米管链接，或者可以包括四个或更多个碳纳米管链接。 [0054] 在说明性实施例中，在图3描绘的链条可包括三个链接，链接20a、20b和链接20c。虽然链接20a、链接20b和链接20c可以出现在图3中以共享相同的长度、宽度和其他物理特性，但是在实施例中链接20a、链接20b和链接20c中不分享类似相同的物理特性。 [0055] 在图3中的链接20a用具有在链接20b和链接20c中的类似的结合部件的特性的合成部件描绘。为讨论目的，本文中链接20a的描述可应用于链接20b和链接20c。为讨论目的以及便于表述，当链接20a、链接20b和链接20c的共同特性被讨论时，它们可以统称为链接20。 [0056] 链接20a、链接20b和链接20c的每一个可包括两个直边段22和两个端部24。链接20a、链接20b和链接20c的每一个可包括多个碳纳米管束130迂回弯。 [0057] 符号A-A和B-B是指链接20a的横截面图。横截面图A-A在图4中描绘，其为碳纳米管纤维的另一个几何尺寸的示意图，并描绘链接20a的直边段22的横截面40的示图。横截面图B-B在图5中描绘，其为碳纳米管纤维的另一个几何尺寸的示意图，并描绘链接20a的端部24的横截面图。 [0058] 如指出的，如由系统100的组件生产的，并且其中链接20是实施例的碳纳米管链接可以是有多个迂回弯的碳纳米管束的产物，如图1中的束130。在横截面图A-A中的每一尺寸是碳纳米管束130的一部分，由于束130经历了迂回弯，在图4中也表示为束130。 [0059] 如在图4的横截面图A-A的圆形横截面40所示，直边段22可以包括多圈碳纳米管束130。在圆形横截面40的给定点，束130的一个或多个部分可以经历绕其纵轴的扭曲，如在图 4中由束部分50示出的。 [0060] 因为碳纳米管束130可以用圆形、卵形或跑道形式缠绕，所以碳纳米管束130的最外部分圈比碳纳米管束130的最内部分圈移动更远。由于碳纳米管束130的端部被固定在碳纳米管束130的卷绕开始的位置，所以最外部分比最内部分移动远可导致在远端最内部分延伸越过碳纳米管束130的最外部分。 [0061] 这个结果使保持远端困难，或导致碳纳米管束130在碳纳米管束130被保持的点的弯曲。未能保持或弯曲会导致碳纳米管束130的退化凝聚或使碳纳米管束130的处理更困难。 [0062] 在本实施例中，碳纳米管束130可被给定沿着每个卷绕圈的每个直边段22围绕碳纳米管束130的纵轴线旋转九十度旋转或一百八十度。这两种旋转的每一个可有助于减轻碳纳米管束130的弯曲。这两种旋转的每一个还可以限制从碳纳米管束130的一侧到另一侧行进全弯或半弯发生的不均衡。 [0063] 在旋转过程中由弯曲装置170扭曲碳纳米管束130的可替换的策略是可用的。第一这种策略可包括在链接20的一侧的一个方向扭曲以及在链接20的另一侧相反的方向扭曲。第二这种策略可包括周期性地扭曲，但不必是每个弯或每半弯。 [0064] 如在图5中描绘的横截面图B-B所示，当包括链接20a和链接20b的链条在适量的张力下，邻近链接的端部24可围绕彼此缠绕。图5包括描绘由单个碳纳米管束的集合形成的碳纳米管束130的切口C，在图5中示出为碳纤维纳米管60。当在碳纳米管森林120中时，碳纤维纳米管60聚合在一起。在图5中描绘的碳纤维纳米管60描绘为单壁碳纳米管。在实施例中，在图5中描绘的碳纤维纳米管60可以是单壁碳纳米管。 [0065] 在横截面图A-A中，碳纳米管束130的部分不一定极为贴近彼此，而在横截面图B-B中，碳纳米管束130的段可以极为贴近彼此。“极为贴近”可以定义为在约邻近束的外围的邻近的碳纳米管之间的范德华力至少约为在束内的邻近的碳纳米管之间的范德华力的1％的距离。这种差异可升高，因为在图3中所描绘的链条10在链条10处于适量的张力下时描绘。当链条10展开以形成纤维，张力可增加，并且链接20的直边段22的部分的间隔可减小。 [0066] 作为示例性尺寸，碳纳米管束130可以以矩形、平行管道形式以二微米乘二微米乘四厘米的三维尺寸从碳纳米管森林120切下。链接20可具有十分之一至一毫米的纵向尺寸，从而导致在二百至二十弯之间。链接20的横向尺寸在平面方向上约三十五微米并且在链接20的端部的弯的方向约五十微米。在这个示例中碳纳米管束130会包括约10,000至40,000碳纳米管。 [0067] 碳纳米管束130可以具有两个端部，其中的每一个连接到链接20。如果不被连接，当链条10伸展时链接20可能散开。 [0068] 因此，连接碳纳米管束130的端部到链接20a的方法在图6中描述。图6描述链接20的直边侧22的短部分。图6描述作为束端35的碳纳米管束130束的端部之一。在图6中束端35可绕链接20的纤维的弯缠绕。聚合物的薄层可以应用在束端35及其周边区域，以保持束端35在适当位置。另一自由端（未示出）可以类似地连接到链接20a。 [0069] 与碳纳米管束130的抗张强度相比，缠绕的束端35与在链接20中的剩余部分之间的附着力的剪切强度是小的。然而，与链接20的横截面面积相比，链接20的相对长的长度可以创建更大的接触面积。进一步地，穿过束端35的整个缠绕的总剪切力足以防止束端35解开。可替换地，如果链接20足够长，束端35的表面和碳纳米管束130的邻近长度之间的范德华力足以防止散开，并且束端35可沿链接20直放。 [0070] 说明性实施例还包括链接20的缠绕直边段22，以提高链接20的耐压强度。链接20的耐压强度可通过保持在链接20的每一侧上的碳纳米管束130的部分紧凑而得到提高。 [0071] 图7根据说明性实施例描绘在缠绕和结合状态的链接20的直边侧。在图7中描绘的链接20的外侧可以用包括至少一个碳纳米管束130的附加纳米管绳缠绕，或者可以用创建链接20的碳纳米管束130的松散端缠绕。在图7中，链接20具有缠绕链接20的直边段22的外部缠绕80。拉紧外部缠绕80可引起直边段22在一起。以并联或串联方式卷绕的多于一个的碳纳米管束130可用于缠绕链接20。 [0072] 因为链接20的压缩破坏可由于碳纳米管的弯曲不稳定性，所以增加耐压强度的材料可以仅足够强以防止弯曲的开始。由于外部缠绕80不必像用于创建链接20的碳纳米管束130一样强，所以外部缠绕80可以由官能化碳纳米管或碳纳米管纱制成。由官能化的碳纳米管制成的外部缠绕80可以提高链接20的结合至当放置在复合材料中时的基体材料。就像碳纳米管束130的自由端的情况，在图7描绘的作为自由端85的外部缠绕80的自由端，需要通过聚合物或其他方式连接到链接20。可替换地，长的碳纳米管纱可用于在连接之前缠绕链接20a、链接20b和20c或者可以用邻近的纤维缠绕链接20a、链接20b和链接20c。虽然在图7中所描绘的缠绕可增加链接20的耐压强度，但是链接20本身具有绕邻近的链接20的端部24枢轴旋转的能力，所以弯曲仍然是可能的。 [0073] 返回参照图3来说明邻近链接，链接20b可以描述为在链接20a和链接20c之间。链接20a和链接20c可以邻近链接20b。任何或全部链接20a、链接20b和链接20c的弯曲可通过其邻近链接的枢轴旋转而引起。在图7中所描绘的缠绕可以将端部24绕邻近链接的端部24拉的更紧。然而，枢轴运动仍然是可能的。 [0074] 为进一步降低枢轴旋转倾向，邻近纤维的链接可以连结到一起，如图8所描绘。在图8中，链条10和链条90平行于彼此而延伸。仅示出链条10和链条90的每个的三个链接，然而，可呈现更多或更少的链接。 [0075] 在说明性实施例中，链条90可在链条10之后移置一个链接腿（leg）的直径。链条90可在链条10之后移置两个链接腿的直径。链条90可从链条10的轴向移置半个链接长度。链条10和链条90可通过链接缠绕96在直边侧22邻近链条10和链条90之间的位置结合。链接缠绕96可以防止链条10和链条90的每一个在端部24枢轴旋转。只有链接之一的直边侧22弯曲时，枢轴旋转是可能的。链条10和链条90当连接时会形成比单独的链条10或单独的链条90具有更大的耐压强度的纤维。在实施例中，第三链条或进一步的链条（未示出）可以相对于链条90坐落，以类似于链条90相对于链条10坐落的方式。在这种扩展的几何尺寸中，由链接缠绕连接的链接组可形成薄的平面。 [0076] 两种一般的方法可以用于从由碳纳米管制成的链接20a、链接20b和链接20c制造纤维。第一种方法是弯曲方法。第二种方法是螺纹方法。在两种方法中，过程可以通过从碳纳米管森林120收获碳纳米管束130开始。过程始于显微操纵器刀片148在碳纳米管森林的顶部切割切口以分离碳纳米管束的顶部远离碳纳米管森林120的其余部分。显微操纵器臂142然后将操纵带150放置在碳纳米管束130的顶部周围。显微操纵器臂142然后放置操纵带 150在碳纳米管束130周围。显微操纵器臂142然后保持住操纵带150。显微操纵器臂142然后拉动碳纳米管束130远离碳纳米管森林120。显微操纵器臂142然后将操纵带150放置在碳纳米管束130的底部周围。显微操纵器臂142移动碳纳米管束130到卷绕站190。然后卷绕站190将碳纳米管束130卷绕作为链条中的链接。上面描述的方法可以改变，例如通过增加或减少或修改某些操作。 [0077] 图9根据说明性实施例描绘具有从碳纳米管森林分离的碳纳米管束的碳纳米管森林的示意图。碳纳米管森林900可以是图1的碳纳米管束130。碳纳米管束902可以是图1的碳纳米管束130。刀片906可以是刀片图1的148。柄状物908可以图1的柄状物146。 [0078] 基底904可保持碳纳米管纤维的碳纳米管森林900。碳纳米管束902已经通过刀片906从碳纳米管森林900分离。刀片906可以连接到柄状物908。刀片906可首先在定义面262和面264的线上沿着碳纳米管森林900的面260作切口。刀片906可在方向270降低并且移动，其可以大约垂直于面262。叶片906的降低和移动可远离碳纳米管森林900的其余部分弯曲碳纳米管束130的顶部。 [0079] 图10描绘对应于图1的系统100的操纵带150和操纵带152的操纵带300的实施例。操纵带300可以包括带310、带柄状物320和带柄状物330。带310可以由弹簧状材料，如弹簧钢制成。带310可以弯曲成这样一种配置，即当带310处于松弛状态时，如图10所示，带310可在碳纳米管束130的一端的附近紧密配合。带柄状物320和带柄状物330可以连接，以致当带柄状物320和带柄状物330向外拉动时，即在图10中的方向322和方向332，带310伸展以滑过碳纳米管束130的端部。 [0080] 图11根据说明性实施例描绘弯曲方法的几何尺寸。在图11中，链条的现有链接已经由纳米管纤维制成，相对于所示的顶部链接向下延伸，并且新链接希望在现有链接的顶部建立，如图1的链条10。 [0081] 图11描绘弯曲装置400，其可以包括鞍410（其可以是图1的鞍192）、鞍420（其可以是图1的鞍194）和鞍430（其可以是图1的鞍196）。因此，弯曲装置400可以类似于由图1的系统100所提供的弯曲装置170。 [0082] 非扩展（unspread）链接440可以是在扩展链接450紧接的下方的链接。扩展链接450可经由本文所教的方法接收新的互连链接。扩展链接450可以在四个点受限制，但可以使用不同数量的点。这四个点可以是非扩展链接440、鞍420、扩展杆460和扩展杆470。 [0083] 在图12中，其为弯曲方法的另一个几何尺寸的示意图，鞍410（其可以是图1的鞍192）的细节图A描绘鞍柄状物412、鞍柄状物414、鞍柄状物416和鞍柄状物418。鞍410可具有起始槽。例如，槽490可以接收并保持碳纤维纳米管。对于在图11中的鞍430，鞍柄状物432和鞍柄状物434可被标记。 [0084] 图1的系统100的弯曲装置170可具有伸缩的弯曲臂172、弯曲臂174、弯曲臂176和弯曲臂178（图1的全部）。在弯曲臂172、弯曲臂174、弯曲臂176和弯曲臂178的每一个的端部是保持住鞍410之一的柄状物的装置（未示出）。弯曲臂172、弯曲臂174、弯曲臂176和弯曲臂178可被定位，使它们可以保持住弯曲鞍410的鞍柄状物412和鞍柄状物414，并且可以保持住弯曲鞍410的鞍柄状物432和鞍柄状物434。 [0085] 弯曲装置170可绕中心线480旋转，其可与鞍194的轴线共线。从图11的右侧向中心线480下观察，旋转是顺时针方向。在起始槽490下面碳纳米管束130的低端，碳纳米管束130的较低部分与操纵带150放置在起始槽490中。鞍410可如图所示11定向。 [0086] 碳纳米管束130的其余部分可在适量的张力下安放碳纳米管束130的鞍410之后移动。当弯曲装置170旋转时，碳纳米管束130的上端和鞍410之间的距离允许减少，从而保持恒定的张力。 [0087] 在另一个说明性实施例中，可呈现附加的鞍。例如，第二鞍，如图1的鞍194，当其围绕鞍410和第二鞍卷绕时可以有助于对准碳纳米管束130。 [0088] 当弯曲装置170旋转时，并且方向是保持鞍柄状物的弯曲装置170部分接近扩展链接450的方向，弯曲装置170可改变其保持的鞍柄状物。例如，在图11的方向，弯曲装置170将保持鞍柄状物434。作为旋转的一部分，旋转动作会暂时停止。在这种情况下，弯曲臂172和弯曲臂174之一将延伸并保持住鞍柄状物432。当这个柄状物被固定，鞍柄状物434将被释放，并且保持鞍柄状物434的弯曲臂172或弯曲臂174将缩回。然后，旋转动作重新开始。当鞍410到达扩展链接450之间的位置时，在另一半旋转之后可发生类似的操作。如果弯曲臂172和弯曲臂174的伸缩足够快，当柄状物交换发生时旋转运动不需要完全停止。 [0089] 下面是在前面的段落中所述的从碳纳米管束130产生一个链接20的弯曲方法的概要。此概要并不一定受所要求的发明的限制，并且可以改变，如本文其他地方描述的。 [0090] 1.装配鞍192、鞍194和鞍196，放置鞍192、鞍194和鞍196在弯曲装置170上，并且定位弯曲装置170。 [0091] 2.将操纵带150放置在鞍192的起始槽490的碳纳米管束130的下端。 [0092] 3.通过在碳纳米管束130的上端移动操纵带152，旋转碳纳米管束130在上部鞍的剩余部分。 [0093] 4.将弯曲装置170旋转半弯。 [0094] 5.弯曲装置170夹住在低部鞍上的邻近柄状物并且释放在第一柄状物的夹力。 [0095] 6.在碳纳米管束130方向嵌入一半或四分之一扭曲。 [0096] 7.重复以上步骤4至步骤6，直到卷绕完成。 [0097] 8.卷绕链接的直边段22周围的碳纳米管束130的自由端。移除在碳纳米管束130的顶部的操纵带150，切掉多余部分，并移动操纵带远离链接。 [0098] 9.从起始槽490在碳纳米管束130的底部断开操纵带，绕链接的其他直边段22缠绕端部。 [0099] 10.应用聚合物至固定端。 [0100] 为便于从卷绕链接20移除鞍192、鞍194和鞍196，鞍192、鞍194和鞍196可以拆分为二以及用于组装的对准销，如图13所描绘的。在图13中，其为从卷绕碳纳米管链接移除鞍的示意图，鞍500可以由鞍的半部分510和鞍的半部分520安装在一起而形成。鞍部分520可以包括对准销530和对准销540，其分别安装入在鞍部分520中的对准孔532和对准孔534。起始槽542由半槽540A和半槽540b形成。这些布置可以改变，例如通过改变销和孔的数量，改变哪个鞍的半部分具有销或孔，替换销和孔，使用多个鞍件，使用不对称的截面鞍件以及许多其他的替换物。因此，上述描述不一定受所要求的发明的限制。 [0101] 弯曲方法的替换方法是螺纹方法。螺纹方法可以使用图11所描绘的基本几何尺寸。然而，不像使用显微操纵器140和弯曲装置170的弯曲方法，螺纹方法不使用弯曲装置170。螺纹方法替代地单独使用显微操纵器140。一种可能的螺纹方法的步骤如下。此概要并不一定受所要求的发明的限制，并且可以改变，如本文其他地方描述的。 [0102] 11.通过将两部分推动在一起将卷绕鞍（未示出）放置在适当位置。 [0103] 12.将操纵带150放置在起始槽中碳纳米管束130的底部。 [0104] 13.穿过扩展链接在鞍下刻螺纹。在碳纳米管束130的顶部固定保持操纵带150，并从操纵器140的左侧穿到右侧。如果是链条的第一链接，操作是相同的，除了无螺纹通过的物理链接。 [0105] 14.调出（bring up）并缠绕上部鞍周围，随着碳纳米管束130从上部鞍向下行进在碳纳米管束130的方向插入一半或四分之一扭曲。 [0106] 15.重复以上步骤3至步骤4，直到卷绕完成。 [0107] 16.围绕链接20的直边侧22卷绕碳纳米管束130的自由端。在顶部移除操纵带150，切掉多余部分，并远离链接20移动操纵带152。 [0108] 17.从起始槽在底部断开操纵带150，并且绕链接的其他直边侧22缠绕端部。 [0109] 18.应用聚合物至固定端。 [0110] 此过程可改变。例如，链接20可以同时由若干平行束30卷绕。在其他说明性实施例中，除了碳纤维纳米管，纳米纤维可具有螺纹。例如，由碳化硅纤维或氮化硼纤维制成的纳米纤维可使用上述方法进行卷绕。 [0112] 不同的说明性实施例的描述已经呈现用于说明和描述，并且不倾向于详尽或以所公开的形式限制所述实施例。许多修改和改变对于本领域技术人员将是显而易见的。进一步地，与其他说明性实施例相比，不同的说明性实施例可提供不同的特征。所述实施例或所选择的实施例选择和描述是为了最好地解释本实施例的原理、实际应用，并且确保其他本领域技术人员理解对于如适合预期的特定使用的具有各种修改的各种实施例的本公开。 |
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