JP6462115B2 - 多孔質媒体中でナノファイバーを一方向に配列する装置及び方法 - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、引用することにより本明細書の一部をなす、「Apparatus and Method for Directional Alignment of Nanofibers in a Porous Medium」と題する、２０１４年５月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／００３，９８２号に対する優先権を主張する。

本開示は、多孔質媒体中でナノファイバーを配列しかつ延伸させることに関する。ナノファイバーとしては、ナノチューブ、ナノワイヤー、長鎖ポリマー分子等が挙げられる。多孔質媒体としては、多孔質層、ファブリック又は複合プリプレグ等を挙げることができる。特に、一実施形態によれば、本開示は、多孔質媒体中でナノファイバーを一方向に配列する装置であって、ナノファイバーを含む流体マトリックスと、多孔質媒体と、ナノファイバーが好ましい方向に延伸しかつ配列されるように特定の流体力学的方法で流体マトリックスを多孔質媒体に強制的に通すデバイスとを含む装置に関する。

複合材料は、２種以上の異なる構成材料から結合された材料である。構成材料は、著しく異なる物理的特性又は化学的特性を有し、複合材料において互いに別個のままである可能性がある。一方、結合された後の複合材料の巨視的特性は、いかなる個々の構成材料とも異なることになり、構成材料の相互作用と外部荷重、励起又は他の環境変化に対するそれらの反応とによって左右される。様々な構成材料の適切な組合せにより、複合材料は、目標とされる物理的機能又は化学的機能において個々の構成材料のうちのいずれよりも著しく良好に機能することができる。

繊維強化複合材料
繊維強化複合材料は、一般的な種類の複合材料である。繊維強化複合材料は、通常、２つの構成要素、すなわち繊維強化システム及びマトリックスを備える。繊維強化システムは、複合材料を強化するように所望のパターンで配置される繊維群である。マトリックスは、繊維を合わせて結合し、繊維間で荷重を伝達するために使用される。一般的なマトリックスは、熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂等）、熱可塑性樹脂（ＰＥＥＫ等）、セラミック及び金属である。一般的な繊維強化材は、炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維、アラミド繊維及び天然繊維である。繊維のうちの大部分が、３マイクロメートルより大きい直径を有する（すなわち、マイクロファイバー）。ナノテクノロジーにおける最近の開発により、１ナノメートルから１マイクロメートル未満の範囲の直径を有する多くの新たな繊維（すなわち、ナノファイバー）が製造された。ナノファイバーは、炭素系（カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノワイヤー）、金属系又はセラミック系等とすることができる。

多くの性能駆動型用途では、繊維強化複合材料は、積層品に製造される。積層品では、繊維は、製品の機械的特性を最大限にするために、積層品の面内方向に配向される。しかしながら、複合積層品の面外方向（すなわち、本明細書では「ｚ方向」として定義する）における機械的特性は比較的弱く、それは、マトリックスが、複合材料の面外方向（すなわち、ｚ方向）における主な耐荷重システムであるためである。積層品の面内性能を更に向上させるために、繊維が、短くかつ不連続な繊維ではなく、連続していることが好ましい。通常、連続繊維はマイクロファイバーであり、それは、連続したマイクロファイバーを製造する技術は非常に成熟しているためである。こうした連続繊維強化複合材料は、一般に、航空宇宙産業、海洋産業、風力タービン、及び高強度軽量複合材料を必要とする他の用途で使用される。

複合材料の製造
複合材料製造プロセスは、（１）繊維強化システム及びマトリックスを一体化することと、（２）複合積層品を所望の幾何学的形状に形成することとを含む。一般に、繊維システムは、繊維トウ（Fiber Tow：各トウはおよそ２０００〜１００００のマイクロファイバーを含む）、（多くの繊維トウによって形成された）繊維ファブリック又は繊維プリフォーム（繊維トウが３次元形状に織られている）として供給される。マトリックス（エポキシ樹脂等）は、流体相に変えられ、その後、繊維システムの開放空間内に徐々に流れ込み、繊維システムを飽和させることができる。このマトリックス飽和プロセス中、固体繊維システムは「多孔質媒体」として処理され、それは、流体マトリックス及び空気がそこを通って流れ、多孔質媒体内部の孔空間を充填するのを可能にする。マトリックスが繊維システムを完全に飽和させた後、マトリックスを固体に転化させ、金型内で複合材料を任意の所望の形状に形成することができる。

熱硬化性樹脂マトリックスの場合、複合材料を形成する別の代替方法は、熱硬化性マトリックスを半反応（半硬化）させることと、繊維／半硬化マトリックスを「プリプレグ」に形成することとを含む。半硬化マトリックスプリプレグは、室温でゴム状であり、加熱温度で液体になる。プリプレグは、通常、保護フィルムで両側が覆われ、更なる硬化反応を遅らせかつプリプレグの貯蔵寿命を延長するために、冷凍装置に保管される。プリプレグを最終的な複合積層部品に変えるためには、単に、金型の上でプリプレグの所望の層を切断して積層し、マトリックスの硬化反応を完了させるように熱を加え、そのため、マトリックスは、そのポリマー分子間の架橋のレベルが最大であるためにその最大限の強度に達する。プリプレグプロセスはまた、熱可塑性複合材料にも適用することができる。

破損
上述したような複合材料は、以下の微小機械的理由のうちの任意のものによって破損する可能性がある。すなわち、（１）繊維破壊、（２）マトリックス破壊、（３）繊維／マトリックス界面破損、及び（４）繊維微小座屈（micro-buckling）である。複合積層品に対して、繊維配列方向、すなわち積層品の面内方向に沿って引張力が加えられる場合、複合積層品は、通常、応力が繊維破壊限界に達するまで破損しない。これは、複合積層品の理想的な理論的強度である。しかしながら、現実には、応力は、繊維方向に完全に整合しない可能性がある。例えば、応力が積層品の面外方向に作用している場合、マトリックス破壊及び繊維／マトリックス界面破損によって明らかなように、破損が発生する。こうした破損シナリオは、一般に、複合積層品の複数枚の層の間で観察される。破損が二枚の層の間にある場合、それは層間破損とも呼ばれる。

さらに、繊維方向に沿って圧縮応力が加えられる場合、繊維が圧縮によって破壊する前に繊維微小座屈が発生する可能性がある。面外方向の支持がないことは、マトリックス破壊、繊維／マトリックス界面損傷及び繊維微小座屈に関して複合積層品の脆弱性に対する理由の１つである。微小機械的損傷の他に、複合材料はまた、熱劣化によっても損傷する可能性があり、それは、通常、マトリックス及び繊維／マトリックス界面の劣化に関連する。

これらの問題に対する従来技術による解決法が存在し、特許文献１、特許文献２及び特許文献３によって例証されている。最初のものは、媒体上でナノチューブを成長させ、その後、それを複合材料と結合するように提案している。次のものは、２つの複合積層品の間にカーボンナノチューブを挟挿することを提案し、３番目のものは、トウ又はヤーンの個々のカーボンフィラメントをナノ強化材料でコーティングするように提案している。これらの引用文献のいずれも、その最も脆弱な面において予測可能かつ反復可能な方法で強化される複合材料について記載していない。

別の従来技術の文献、特許文献４は、カーボンナノチューブを含有する溶液（すなわち、ＣＮＴ分散液）を通して繊維質基材を供給し、直流電場を印加して、正端子に接続されている炭素繊維ファブリックの上にカーボンナノチューブを引き寄せて堆積させることを提案している。この特許によれば、堆積ステップの後に配列なしに、炭素繊維の上にＣＮＴが堆積する。しかしながら、堆積したＣＮＴが炭素繊維の長さに対して実質的に垂直に再配向するように、炭素繊維及びＣＮＴ堆積物が、約２時間〜４時間、およそ１１ｋＶ／ｃｍ〜４ｋＶ／ｃｍの電場に露出する、追加の任意選択的なステップが適用される可能性がある。ＣＮＴ長は約２００ナノメートル〜１０マイクロメートルである。この従来技術は、炭素繊維複合材料の面外特性を強化するためにＣＮＴを使用する必要について対処した。しかしながら、記載されているプロセスは、炭素繊維ファブリックが導電性であるため、炭素繊維ファブリックの表面にＣＮＴを堆積させることができるだけであり、いずれかのＣＮＴが偶発的に炭素繊維ファブリックの表面を通過することができた場合、導電性ファブリックの内部に、ＣＮＴを移動させるか又は配列する電場はない。言い換えれば、それは、（１）この従来技術の図３Ａ及び図３Ｂに示すように、非常に薄い炭素繊維ファブリックに対してＣＮＴを配列するためのみに使用することができるか、又は（２）厚い炭素繊維ファブリック内部でのＣＮＴ堆積及び配列品質を犠牲にする可能性がある。その結果、この従来の手法は多くのステップを必要とし、時間がかかり、大量生産に対して非効率である。さらに、配列は、約２００ナノメートル〜約１０マイクロメートルの範囲の長さのＣＮＴに対してのみ発生することが明らかである。炭素繊維径が約５マイクロメートル〜７マイクロメートルであり、ガラス繊維径が約１０マイクロメートル〜３０マイクロメートルであるため、炭素繊維の表面上で配列される短いＣＮＴは、「非常に細かい（fussy）ファブリック」を形成するためには十分である可能性があるが、厚さが約０．１ミリメートル〜１ミリメートル範囲である厚い炭素繊維ファブリックを通して有効にかつ均一に縫って進むことはできない。さらに、電場、導電性繊維（例えば、炭素繊維）、導電性ナノチューブ（例えば、カーボンナノチューブ）及び比較的非導電性マトリックス（例えば、エポキシ樹脂、非導電性ポリマー）は、この従来技術が作用するために必要である。こうした電場駆動型堆積及び配列は、一般的な複合材料の場合には適用できない可能性がある。例えば、従来の手法は、（１）ナノチューブが非導電性ナノファイバーに置き換えられる場合、（２）炭素繊維ファブリックが、ファブリック内部の有用な電場を可能にするには厚すぎる場合、（３）炭素繊維が非導電性Ｋｅｖｌａｒ繊維に置き換えられる場合、（４）ＣＮＴが分散したマトリックスが導電性である場合（銀粒子又は幾つかのイオン添加物で更に改質された幾つかの導電性ポリマー又はマトリックス等）、又は（５）流体が、電場が導電性ナノファイバー（例えば、カーボンナノチューブ）を移動させるには粘性が高すぎる場合、作用しない可能性がある。問題（５）の場合、電場を増大させ続けることが考えられ得る。しかしながら、全ての材料には絶縁破壊限界（すなわち、絶縁耐力）があり、そのため、電場を増大させることは常に実現可能とは限らない。それにも関わらず、複合材料業界に精通する人は、電場駆動型堆積及び配列が作用しない、多くの一般的なマルチスケール複合材料の場合を認める可能性がある。厚い多孔質媒体（厚い繊維ファブリック等）を通してナノチューブ又はナノファイバーを均一に縫う所望のロバストかつ効率的な方法が、一般に望まれている。

米国特許出願公開第２００７０１２８９６０号 米国特許第７，５３７，８２５号 米国特許第７，８３２，９８３号 米国特許第７，８６７，４６８号

したがって、本開示の目的は、損傷に対する耐性がより著しく高い複合材料を生成するように、任意の複合材料の要件に適合するように順応性がありかつ調整可能である、多孔質媒体中でナノファイバーを一方向に配列する、ロバストな、効率的なかつ大量生産に適した装置及び方法を提供することである。この技術は、複合材料製造に使用することができるが、多孔質媒体内部でナノファイバー配列から利益を得ることができる他の任意の用途に対しても適用することができる。

一実施形態によれば、多孔質媒体中でナノファイバーを一方向に配列する装置は、ナノファイバーを含む流体マトリックスを含む。多孔質媒体が、多孔質媒体を通して流体マトリックスを半径方向に強制的に通過させるデバイスとともに提供される。流体流は、多孔質媒体中で移動してナノファイバーを配列し、それにより、多孔質媒体が厚い場合であっても、多孔質媒体内部のナノファイバーの均一な分布及び配列が達成される。

本明細書で用いる全ての用語に対して、それらの一般的な意味が与えられる。「多孔質媒体」は、一般に、空間を含みかつ他の媒体がその空間を通過することができる材料である。一例では、スポンジが、単に例として、流体を吸収しかつ流体が通過することができる多孔質媒体である。「半径方向に」及び「半径方向流」という用語は、厳密に画定された「半径方向態様」での移動又は流れを述べるために使用される。本技術分野において既知であるように、「半径方向態様」という用語は、概して、以下を指す。すなわち、円筒座標系又は球面座標系等、円関連座標系において、局所速度は、半径方向速度成分及び非半径方向速度成分（円筒座標における接線速度成分及び軸方向速度成分等）に数学的に分解することができる。上記「半径方向態様」は、概して、半径方向速度成分に対する非半径方向速度成分の比を指し、「小さい値」に限定される（すなわち、その値以下である）。理論的には、現在述べられている方法は、上記小さい値が約０〜約０．３の値に近づく場合、最適に機能するため、半径方向成分は常に支配的であり、したがって、配列は、多孔質媒体を通りかつその内部を流れる流体としての非半径方向成分によって十分に制御することができる。しかしながら、この範囲外の他の値が可能である。十分に制御される半径方向流は、「収束流」又は「発散流」のいずれかである可能性がある。流体力学に基づいて、「収束流」は、流体要素とともにナノファイバーを半径方向に沿って延伸させ、「発散流」は、流体要素とともにナノファイバーを接線方向に沿って延伸させる。延伸作用はまた、ナノファイバーを同じ延伸方向に配列する。こうした半径方向流挙動並びにその配列及び延伸効果は、ナノファイバー、流体又は多孔質媒体のいかなる電気的特性によっても限定されない。さらに、こうした流れ挙動並びに配列及び延伸効果は、多孔質媒体内部で継続し、厚い多孔質媒体が使用される場合に次第に弱まることがない。

本開示の別の態様は、流体が、非常に粘性が高い場合であっても、こうした流れ挙動並びにその配列及び延伸が低減しないということである。このため、本明細書に記載する装置及び方法は、多孔質媒体中でナノファイバー配列を達成するために非常に有効かつ効率的である。湾曲面を有するデバイスは半径を有する。以下でより十分に記載し開示するように、多孔質媒体が、半径を有するデバイスの形状に適合される（conformed）場合、流体は、多孔質媒体を通してこうした半径方向流を強制的に通過させるデバイスとともに使用されるとき、多孔質材料の形状適合部分を「半径方向に」通過する。上記デバイスは、「半径方向態様」として前述した半径方向流を、装置の２つ以上の部分で、例えば（１）本明細書では多孔質媒体の外側でありかつ多孔質媒体に隣接する領域として画定される「予備配列（pre-alignment）ゾーン」と、（２）本明細書では多孔質媒体の形状適合部分の内部の領域として画定される目標多孔質媒体ゾーンとにおいて発生させることができることに留意されたい。理論的には、「半径方向流」パターンは望ましく、それは、多孔質媒体の形状適合部分の内部で発生しているもの以外の流れパターンは、ナノファイバーの配列に悪影響を与える可能性があるためである。しかしながら、幾つかの実施形態では、流体の「大部分」が多孔質媒体の形状適合部分に入りかつその内部を流れて「半径方向流」を満たすことが、許容できる。本明細書で用いる「大部分」は、多孔質媒体の形状適合部分の内部で発生している半径方向流の少なくとも７０％として定義されるが、他の実施形態では、他の流量が可能である。更なる実施形態では、「半径方向流」は、流体が多孔質媒体の形状適合部分に入る前に、「最小予備配列距離」で開始する。本明細書で用いる「最小予備配列距離」は、多孔質媒体の形状適合部分の厚さ又はナノファイバーの長さのうち小さい方の少なくとも１／４である。この「最小予備配列距離」は、ナノファイバーが目標多孔質媒体部分に入る前に予備配列されることを確実にするのに役立つ。

本開示の一態様では、多孔質媒体はマイクロファイバーファブリックである。上述したように、「マイクロファイバーファブリック」は、小さい繊維から構成された任意の材料である。技術的に、「マイクロ」は、単に例として、直径が約１マイクロメートル〜３００マイクロメートルの範囲の繊維を指し、「ナノ」ファイバーは、直径がおよそ０．００１マイクロメートル〜０．９９マイクロメートルの繊維を指す。本明細書で用いる「マイクロファイバーファブリック」は、現在既知であるか又は今後開発されるいずれか又は両方又は他の任意のマイクロファイバーを含むことができる。一実施形態では、ナノファイバーは、マイクロファイバーファブリックの表面に対して垂直な方向であるＺ方向において、多孔質媒体を通して強制的に通される。

別の態様では、多孔質媒体を通して流体マトリックスを強制的に通過させるデバイスとしては、流体マトリックスを収容する外部流デバイスと半径を有する浸透性成形器具とを含み、流体マトリックスは、半径方向に多孔質媒体を通って浸透性成形器具内に進む。別の態様では、流体マトリックスの大部分が多孔質媒体の内部に流れるように、厳密に画定された半径方向流パターンが確立される。さらに、厳密に画定された半径方向流パターンは、流体マトリックスの大部分が多孔質媒体に入る前に確立される。さらに、厳密に画定された半径方向流パターンは、流体マトリックスが多孔質媒体に入る前に、少なくとも最小予備配列距離で確立される。一態様では、半径方向流は、流体力学に関して厳密に画定され、半径方向成分に対する非半径方向成分の比が「小さい値」に限定される（すなわち、その値以下である）流れパターンとして画定されるが、他の値が可能である。

本開示の更なる態様では、外部流デバイスは、流体マトリックスを収容するタンクを備える。可動又は固定とすることができる浸透性成形器具は、限定されないが、完全円弧、半円弧、３／４円弧等、任意の断面形状を有することができる。一実施形態では、浸透性成形器具は、多孔質媒体に直接又は間接的に結合される、半径を有する弧面を提供する。一実施形態では、成形器具は、多孔質媒体の移動を容易にするように回転する弧状（例えば円筒状）ローラーである。更なる実施形態では、成形器具は、一貫しないか又は変化する直径を有することができる。成形器具は、多孔質媒体がタンクに入るように、タンク内に配置され、多孔質媒体は、成形器具の外部湾曲面の周囲で湾曲し、かつそれに移動可能に結合される。多孔質媒体は、多孔質媒体内にナノファイバーが堆積した後にタンクから出される。さらに、成形器具の内部は、タンク内の流体マトリックスより低い圧力とすることができ、それにより、流体マトリックスは、半径方向に多孔質材料を通って浸透性成形器具内に流れ込む。

別の態様では、外部流デバイスは、不浸透性層と流体マトリックスで含浸した層とを備える。本明細書では、「層」は、シート状材料を意味する。例として、限定されないが、プラスチックフィルム、蝋紙、ゴムシート、ファブリック、薄いスポンジ布等が挙げられる。

一態様では、浸透性成形器具は、流れ分散及び吸収層と成形器具とを備える。一実施形態では、成形器具は、半径を有する弧状器具を備えることができる。代替実施形態では、成形器具は、多孔質媒体の移動を容易にするように回転する弧状ローラーである。成形器具は、可動又は固定とすることができ、限定されないが、完全円弧、半円弧、３／４円弧等、任意の断面形状とすることができる。成形器具の幾何学的形状は、多孔質媒体と直接又は間接的に接触する、半径を有する表面を提供する。一実施形態では、成形器具は、一貫しないか又は変化する直径を有することができる。

一態様では、多孔質媒体を通して流体マトリックスを強制的に通過させるデバイスは、半径を有する浸透性成形器具を備え、浸透性成形器具は流体マトリックスを収容する。この実施形態では、多孔質媒体は、それが通過する湾曲面に形状が適合し、流体マトリックスは、浸透性成形器具から多孔質媒体を通って進む。一態様では、多孔質媒体を通して流体マトリックスを強制的に通過させるデバイスは、多孔質媒体に結合された外部流デバイスを更に含み、それにより、流体マトリックスは、多孔質媒体を通って外部流デバイス内に進む。

本開示の更なる態様によれば、多孔質材料を通して流体マトリックスを強制的に通過させるデバイスは、半径を有する弧状浸透性成形器具と、流体マトリックスで含浸した層とを含む。多孔質媒体は、湾曲面と形状が適合するように弧状浸透性成形器具と接触する。更なる実施形態では、多孔質媒体は、半径に沿って流体マトリックスで含浸した層と移動可能に結合され、それにより、流体マトリックスは、半径方向に多孔質媒体を通って流れる。一態様では、このデバイスは、流れ分散及び吸収層を更に含み、そこでは、多孔質媒体は、流体マトリックスで含浸した層の周囲を、かつ流れ分散及び吸収層の間を通る。

本開示の更なる実施形態によれば、多孔質媒体中でナノファイバーを一方向に配列する装置は、ナノファイバーを含む流体マトリックスを保持するタンクを備える。多孔質媒体と、少なくとも１つの浸透性成形器具、例えば半径を有する弧状デバイスとが提供され、多孔質媒体は、タンクに入り、浸透性成形器具の周囲を少なくとも部分的に通過する。多孔質媒体は、成形器具の湾曲面と少なくとも部分的に形状が適合し、それにより、流体マトリックスは、半径方向に多孔質媒体を通過する。そして、多孔質媒体はタンクを出て、流体マトリックスが含浸した多孔質媒体が収集される収集器が提供される。別の態様では、流体マトリックスの大部分が多孔質媒体内部に流れ込むのを確実にするように、厳密に画定された半径方向流パターンが生成される。さらに、多孔質媒体の外側にかつそれに隣接して位置する領域に、厳密に画定された半径方向流パターンが生成される。流体マトリックスが多孔質媒体に入る前に、少なくとも最小事前配列距離に、厳密に画定された半径方向流パターンが生成される。一態様では、半径方向流は、半径方向成分に対する非半径方向成分の比が「小さい値」に限定される（すなわち、その値以下である）流れパターンとして厳密に画定されるが、他の値が可能である。

別の態様では、本開示は、流体マトリックスが含浸した多孔質媒体に保護フィルムを付与する保護フィルムアプリケーターを更に含む。一態様では、本開示は、タンクから出た後の多孔質媒体から過剰な流体マトリックスを圧搾する圧縮デバイスを更に含む。

更なる態様では、多孔質媒体はマイクロファイバーファブリックであり、ナノファイバーは、強制的に多孔質媒体をＺ方向、すなわちマイクロファイバーファブリックの表面に対して垂直な方向に通される。一態様では、タンクは、タンク内の圧力が浸透性成形器具の内部の圧力より高くなるように加圧され、それにより、流体マトリックスは、タンクから多孔質媒体を通って少なくとも１つの浸透性成形器具内に流れ込む。一態様では、ナノファイバーの長さは、マイクロファイバーの直径の少なくとも５倍であるが、他の長さが可能である。

別の態様では、少なくとも１つの浸透性成形器具はまた、ナノファイバーを含む流体マトリックスを収容し、少なくとも１つの浸透性成形器具の内部の圧力はタンクの圧力より高く、それにより、流体マトリックスは、半径方向外側に浸透性成形器具の内部から多孔質媒体を通ってタンク内に流れ込む。一態様では、３つ以上の浸透性成形器具がある。

本開示の別の実施形態によれば、多孔質媒体中でナノファイバーを一方向に配列する方法は、ナノファイバーを含む流体マトリックスを準備するステップと、成形器具の表面に多孔質媒体の形状を適合させるステップと、流体マトリックスを、半径方向に多孔質媒体を通して強制的に流すステップとを含む。別の態様では、厳密に画定された半径方向流パターンが提供され、それにより、流体マトリックスの大部分は、多孔質媒体の形状適合領域内部を流れる。さらに、流体マトリックスの大部分が多孔質媒体に入る前に、厳密に画定された半径方向流パターンが確立される。さらに、流体マトリックスが多孔質媒体に入る前に、少なくとも最小予備配列距離に、厳密に画定された半径方向流パターンが確立される。一態様では、半径方向流は、半径方向成分に対する非半径方向成分の比が「小さい値」に限定される（すなわち、その値以下である）流れパターンとして画定される。

本方法の一態様では、多孔質媒体はマイクロファイバーファブリックであり、ナノファイバーは、マイクロファイバーファブリック表面に対して垂直なＺ面方向において多孔質媒体に強制的に通される。更なる態様では、多孔質媒体を通して流体マトリックスを強制的に通過させるデバイスは、流体マトリックスを収容する外部流デバイスと、半径を有する浸透性成形器具とを備え、多孔質媒体は、外部流デバイスと浸透性成形器具との間を通過し、流体マトリックスは、半径方向に多孔質媒体を通って浸透性成形器具内に流れ込む。

本開示の更に別の態様では、多孔質媒体を通して流体マトリックスを強制的に通過させるデバイスは、半径を有する浸透性成形器具を備え、浸透性成形器具は流体マトリックスを収容し、多孔質媒体は、通過する際に浸透性成形器具により上記半径に形状が適合し、流体マトリックスは、半径方向に浸透性成形器具から多孔質媒体を通って進む。

本開示の他の目的、特徴及び利点は、好ましい実施形態の以下の詳細な説明、添付の特許請求の範囲及び添付図面からより十分に明らかとなろう。

流れが収束半径方向流である、一実施形態による多孔質媒体中でナノファイバーを一方向に配列する装置の概略図である。 流れが発散半径方向流である、多孔質媒体中でナノファイバーを一方向に配列する装置の更なる実施形態の概略図である。 多孔質媒体中でナノファイバーを一方向に配列する装置の更なる実施形態の図である。 多孔質媒体中でナノファイバーを一方向に配列する装置の更なる実施形態の図である。 多孔質媒体中でナノファイバーを一方向に配列する装置の更なる実施形態の図である。 多孔質媒体中でナノファイバーを一方向に配列する装置の更なる実施形態の図である。 多孔質媒体中で一方向に配列されたナノファイバーをもたらし、含浸された多孔質媒体を収集する全体システムの概略図である。 ナノファイバーが、本開示によりＺ方向に挿入されている、共通Ｘ−Ｙ面炭素繊維の拡大図である。 流れが収束半径方向流であるときの半径方向流の方向及び（ｒ，θ，ｘ）円筒座標を示す概略図である。 収束半径方向流がナノファイバーに与える配列効果の図である。 収束半径方向流がナノファイバーに与える延伸効果の図である。 発散半径方向流がナノファイバーに与える配列効果の図である。 発散半径方向流がナノファイバーに与える延伸効果の図である。 Ｘ軸に沿って測定された、一貫した幅の透過性成形器具の図である。 Ｘ軸に沿って測定された、テーパー状の幅の透過性成形器具の図である。 Ｘ軸に沿って測定された、テーパー状の幅の透過性成形器具の更なる図である。

図１〜図１１に、本開示の実施形態を例として示す。特に図１及び図２を参照すると、多孔質媒体１８中でナノファイバーを一方向に配列する装置１０は、外部流デバイス１６内に収容されたナノファイバー１４を含む流体マトリックス１２を含む。本明細書で用いる全ての用語には、本技術分野において既知であるようにかつ以下で更に記載し考察するように、それらの一般的な意味が与えられる。多孔質媒体１８は、この場合もまた以下でより十分に記載するように、それ自体の中に何かを受け入れることができる任意の材料である。

特に図１を参照すると、多孔質媒体１８中でナノファイバーを一方向に配列する装置は、浸透性成形器具２０を備え、それは、外部流デバイス１６から等、成形器具２０の外部から、多孔質媒体１８を通して、ナノファイバー１４を含む流体マトリックス１２を引き込む。図１を参照すると、外部流デバイス１６は、浸透性成形器具２０に入る前のナノファイバー１４を含有する流体マトリックス１２を収容又は保持することができる装置である。一実施形態では、外部流デバイス１６は、ナノファイバー１４を含む流体マトリックス１２を保持又は収容するタンク（図示せず）を備えることができる。流体マトリックス１２を保持するために、他のタイプの容器、例えばスポンジを利用することができる。

浸透性成形器具２０は、供給源が、ナノファイバー１４を含有する流体マトリックス１２を導入する間に、成形器具２０の表面を通過して引っ張られている多孔質媒体１８と接触する構造的デバイスである。１つの限定しない実施形態では、ナノファイバー１４を含有する流体マトリックス１２の供給源は、流体マトリックス槽とすることができ、そこを通して、成形器具２０と接触している多孔質媒体１８が引っ張られる。更なる実施形態では、ナノファイバー１４を含有する流体マトリックス１２の供給源は、流体マトリックス１２が含浸したスポンジ等、他の構造を含むことができる。他の実施形態では、流体マトリックスの他のタイプの供給源が可能である。

成形器具２０は、多孔質媒体１８を通して流体マトリックス１２を強制的に通過させるとともに、ナノファイバー１４で含浸される多孔質媒体１８の形状を制御するように作用する。一実施形態では、浸透性成形器具２０は、弧状であり、流体マトリックス１２と接触する際の多孔質媒体１８を引き裂くことがない平滑面を提供する。他の実施形態では他の形状が可能である。更なる実施形態では、浸透性成形器具２０は、本明細書においてより詳細に記載するように、多孔質媒体１８の移動を容易にするように回転するローラー２６を備える。器具２０は、ナノファイバー１４を含有する流体マトリックス１２がその内部を出入りして流れるように浸透性である。さらに、器具２０は、ナノファイバー１４を含有する流体マトリックス１２の流れを促進するように、器具２０の内部の圧力を制御することができるように、中空である。流体マトリックス１２の流れは、複数の方法で、例えば、圧力が器具２０の内部より外部の方が高くなるように圧力差をもたらすことによって、達成することができる。その結果、流体マトリックス１２は、浸透性成形器具２０内に引き込まれる。こうした「収束半径方向流」設定の例については、更に例示し、単に例としてかつ限定としてではなく、図３及び図４を参照してより十分に記載する。収束半径方向流は、図３において方向矢印２４によって示されている。

ここで図２を参照すると、「発散半径方向流」システムが示されており、そこでは、矢印２４は、流体マトリックス１２が浸透性成形器具２０の内部から外側に多孔質媒体１８を通る流れの方向を示す。この場合、以下に記載しより十分に考察するように、流体は、外部流デバイス１６内に「半径方向に」流れる。外部流デバイス１６は、単に例としてかつ限定としてではなく、スポンジ等の多孔質媒体１８を完全に通過する流体マトリックス１２を取り込む任意のデバイスとすることができる。こうした「発散半径方向流」の例については、更に例示し、単に例としてかつ限定としてではなく、図５及び図６を参照してより十分に記載する。多孔質媒体２０と接触する外部流デバイス１６を必ずしも有する必要はないことに留意されたい。例として、流体マトリックス１２は、図面に示す外部流デバイス１６を使用することなく多孔質媒体から流出することが可能である。

ここで図３及び図４を参照すると、収束流システムの２つの例が示されている。図３は、弧状ローラー２６の形態の浸透性成形器具２０を示す。本明細書においてローラーを有するものとして記載する実施形態のうちの任意のものにおいて、他のタイプの成形器具２０を代わりに使用することができることが理解されるべきである。形状が円筒状である、弧状ローラー２６は、中空かつ浸透性とすることができ、ローラー２６は、湾曲した（例えば、円形の）外面を有する。一実施形態では、弧状ローラー２６の半径は、その長さに沿って一定である（すなわち、器具２０は一定の幅を有する）。図１２Ａに示すように、ローラー２６は、その端部８０の近くの幅７０が、その中心８２の近くの幅７１におよそ等しい。具体的には、幅は、Ｘ軸に沿って一定である。更なる実施形態では、ローラー２６の断面は、異なる形状、例えばテーパー状形態を有することができる。この実施形態では、幅はＸ軸に沿って変化する。図１２Ｂは、中間部８４の近くの幅７４が端部８６の近くの幅７２より小さいローラー２６を示す。図１２Ｃは、中間部８８の近くの幅７８が端部９０近くの幅７９より大きいローラー２６の実施形態を示す。例えば図１２Ａに示すもののような直線状の円筒ローラー２６は、流体マトリックス１２内に存在するナノファイバーの多くを配列する。しかしながら、場合によっては、このタイプのローラー２６は、正確なｘ方向における本来の配列でファイバー１４を配列しない可能性がある。この欠点は、ローラー２６の形状をわずかに変更することによって対処することができる。ローラー２６の形状の改変により、正確なｘ方向から離れるようにナノファイバー１４の配列を変更し、半径方向流（図１２Ａに示す）が更なる配列を提供するようにすることができる。図１２Ｂ及び図１２Ｃに示すテーパー状ローラー２６は、本来ｘ方向に配向されたそれらのナノファイバー１４を再配列し（図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃを参照）、一貫しない形状のローラー２６の半径方向流を通してそれらのナノファイバー１４を更に配列するのに役立つ。図１２Ｂ及び図１２Ｃは、代替的な形状のローラーを示す。

図１〜図６に示す例示的な実施形態では、多孔質媒体１８は、器具２０の外面と接触し、弧２８に形状が適合する。そうする際、以下により十分に記載するように、「半径方向流」が生成される。図３は、外部流デバイス１６が、ナノファイバー１４を含む流体マトリックス１２を収容するタンク又は槽３０を備えることができることを示す。多孔質媒体１８は、タンク３０内に導入され、中空浸透性ローラー２６の弧２８の周囲に形状が適合される。この実施形態では、タンク３０内の圧力がローラー２６の内部の圧力より高くなるように、タンク３０は加圧される。その結果、矢印２４の方向における収束流が、外部流デバイス１６からローラー２６内に流れ込む。特に、この流れは、多孔質媒体１８を通る半径方向流である。本開示の半径方向流の有益な効果及び結果については、本明細書において、特に図８、図９、図１０及び図１１を参照して考察する。

図４を参照すると、本開示の収束流システムの別の例が示されており、そこでは、外部流デバイス１６は不浸透性層３２を備えている。不浸透性層３２は、流体マトリックス１２が含まれるか又は「含浸」している、本明細書では「含浸層」と呼ぶ層３４を覆う。一例では、層３４は、ナノファイバー１４を含む流体マトリックス１２が含浸したスポンジとすることができる。含浸層３４は多孔質媒体１８を覆い、さらに、多孔質媒体１８は、流れ分散及び吸収層３６を覆う。この場合、流れ分散及び吸収層３６は、この実施形態では弧状であるローラー２６の一部を形成する。ローラー２６の外部は曲線を形成し、その周囲に、これらの部材の各々が形成され、それにより、所望の半径方向流が生成される。不浸透性層３２の上にかけられる力は、多孔質媒体１８を通って半径方向に、ナノファイバー１４を含む流体マトリックス１２を圧搾するように作用する。流れ分散及び吸収層３６によって、過剰な流体マトリックスが吸収される。不浸透性層３２にかけられる力としては、例えば、不浸透性層３２の端部を引っ張る機械的装置によってかけられる引張力を挙げることができる。更なる例では、不浸透性層３２を、ローラー２６の周囲に押し付けるようにダイを通して送ることによって、圧縮を加えることができる。他の実施形態では、他のタイプの力、例えば、磁力又は電気力が可能である。システムの収束流は、矢印２４によって示されている。

ここで図５及び図６を参照すると、発散流システムの２つの例が示されている。図５では、成形器具２０は弧状である。図５及び図６に示す実施形態では、成形器具２０はローラー２６として実施されているが、他の実施形態では、他のタイプの器具２０が可能である。上述したように、ナノファイバー１４を含有する流体マトリックス１２を含む含浸層３４は、浸透性成形器具２０の半径に形状が適合する。多孔質媒体１８は、含浸層３４に形状が適合される。この実施形態では、外部流デバイス１６は、流れ分散及び吸収層３６を備える。成形器具２０から半径方向に多孔質媒体１８を通る外部流デバイス２２内への流体マトリックス１２の発散流は、矢印２４によって示されている。

図６は、外部流デバイス１６が、過剰な流体マトリックス１２及びナノファイバー１４を収集するタンク３０を備える、発散流システムを示す。この場合もまた、成形器具２０から半径方向に含浸層３４から多孔質媒体１８を通る外部流デバイス１６内への流体マトリックス１２の発散流は、矢印２４によって示されている。

ここで図７を参照すると、多孔質媒体中で一方向に配列されたナノファイバー１４のプリプレグを生成する例示的なシステム１００が、単に例のためにかつ限定としてではなく示されている。この例示的なシステムでは、多孔質媒体中のナノファイバーを一方向に配列する装置１０は、ナノファイバー１４を含む流体マトリックス１２を保持する供給源３０を含む。この実施形態では、供給源３０はタンクを含む。多孔質媒体１８は、タンク３０内に導入され、少なくとも１つの成形器具２０と接触する。一実施形態では、成形器具２０は、中空穿孔弧状ローラー２６である。更なる実施形態では、弧状ローラー２６は、一定の半径、したがって、その長さに沿った一定の幅を有する。更なる実施形態では、ローラー２６の断面は、図１２Ｂ及び図１２Ｃを参照して上述したように、異なる形状、例えばテーパー状形態を有することができる。多孔質媒体１８は、タンク３０内に導入される前は、湿潤しているか、乾燥しているか、又は何らかの組合せである可能性がある。図７は、３つの中空穿孔ローラー２６と、それらの周囲を蛇行する多孔質媒体１８とを示す。不浸透性又は半不浸透性であるカバー４０が、中空穿孔ローラー２６を部分的に覆い、したがって、流体マトリックス１２が両側から半径方向に強制的に多孔質媒体１８に通されるのを確実にする。タンク３０を出る時、ナノファイバー１４を含む多孔質媒体１８は、「プリプレグ」４４の形態で収集器４２に収集される。

タンク３０を出る時、ナノファイバー１４を含む多孔質媒体１８を、別の中空穿孔ローラー２６の上に通過させるか、又は過剰な流体マトリックス１２を除去するために圧搾することができることが更に示されている。さらに、収集器４２に収集する前に、流体マトリックス１２が含浸した多孔質媒体１８に保護フィルム４６を追加することができる。

更なる実施形態では、システム１００は、制御機構９５を含むことができる。制御機構９５は、少なくとも１つのポンプ４７を制御するように構成され、ポンプ４７は、ローラー２６内の圧力を制御するためにローラー２６に接続されている。特に、ポンプ４７は、ローラー内の圧力を制御するように中空穿孔弧状ローラー２６に接続されており、それにより、ナノファイバー１４を含有する流体マトリックス１２の流れを制御する。一実施形態では、制御機構９５は、ユーザー入力を受け取り、ローラー２６の内部の所望の圧力を設定する。図７に示す実施形態では、制御機構は、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア又はそれらの任意の組合せで実装することができる。例として、制御機構９５は、コンピューター（例えば、デスクトップ若しくはラップトップ）又はスマートフォン等のハンドヘルドデバイスとすることができる。

更なる実施形態では、制御機構９５は、タンク３０に接続されている第２のポンプ４８の内部の圧力を制御することができる。ポンプ４８は、制御機構９５の指示及び制御の下で、半径方向流の制御を支援するように、供給源（例えば、タンク３０）内の圧力を制御する。特に、ポンプ４８によって制御されるようなタンク３０の圧力と、ポンプ４７によって制御されるようなローラー２６内の圧力との圧力差により、多孔質媒体１８を通る流体マトリックス１２の流れが引き起こされる。この実施形態では、より効率的な真空の発生を可能にするために、タンク３０を封止することができる（図示せず）。両ポンプ４７及び４８の使用により、ローラー２６の内部及び外部タンク３０の両方における圧力の制御が可能になる。ローラー２６の内部の圧力の制御により、少なくとも、ローラー２６の表面に形状が適合する領域において、多孔質媒体１８内の圧力制御が提供される。これにより、最終的に、多孔質媒体１８の内外の液体マトリックス１２の流れの制御が可能になる。実際には、ポンプ４７及び４８によって加えられる圧力の差は、液体マトリックスが多孔質媒体１８を通って流れる速度を制御する。しかしながら、両圧力源、すなわちポンプ４７及び４８の制御は、多孔質媒体１８を通る流体マトリックス１２の流れを引き起こすために十分な圧力差がある限り、不要である。例として、ローラー２６内の圧力を制御するためにポンプ４８の存在なしにポンプ４７を使用することが可能であり、それにより、液体マトリックスの流れの方向及び流量が制御される。ポンプ４７及び／又は４８を同様に使用して、本明細書に具体的に記載する実施形態のうちの任意のものを含む、他のタイプの成形器具に対して、圧力差及び液体マトリックスの流れを制御することができることに留意されたい。

ここで図８を参照すると、多孔質媒体１８を通る流体マトリックス１２の半径方向流の意図された効果及び結果が示されている。ここでは、多孔質媒体１８は、Ｘ−Ｙ平面５０において配向された炭素繊維４８を含む炭素繊維媒体を含む。カーボンナノファイバー１４は、Ｚ方向５２において多孔質媒体１８を通して駆動されるように示されている。

図９は、半径方向流が、その用語が本明細書で使用されているように、円筒座標において最初にその半径方向に沿って流れることを示す。図９は、円筒座標の中心に向かう収束半径方向流を示す。図１０Ａ及び図１０Ｂは、収束半径方向流、すなわち、図９に示す円筒座標系における任意の半径と、２９によって示す円筒座標系における半径方向座標とを含む円の内側に向かう半径方向流を示す。収束半径方向流は、ナノファイバー１４及び流体マトリックス１２の両方を半径方向に延伸させ（図１０Ｂ）かつ配列する（図１０Ａ）。逆に、図１１Ａ及び図１１Ｂは、発散半径方向流、すなわち、２９によって示す円筒座標系における半径方向座標に向かう半径方向流を示し、それは、ナノファイバー１４及び流体マトリックス１２を接線方向に延伸させ（図１１Ｂ）かつ配列する（図１１Ａ）。

説明を続けると、液体におけるナノファイバー（限定されないが、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ及び長鎖ポリマー分子を含む）は、単純な押出成形プロセス（すなわち、ナノファイバーを含有するポリマー溶融物から作製された押出ロッド）等のせん断流によって回転させることができることが既知である。特に、ナノファイバーの配列は、液体流によって影響を受ける。しかしながら、多孔質媒体中でナノファイバーをいかに配列するかは研究者には不明瞭であった。多孔質媒体中の流れ挙動は、単純な押出成形プロセスにおけるせん断流より著しく複雑であるため、多くの研究者による多孔質媒体中でナノファイバーを配列する過去の努力は成功しなかった。本開示は、液体粒子を一貫した方向に連続的にかつロバストに配列し延伸させることができる、一意のレオロジー構成に基づく。この一意のレオロジー構成に基づく配列及び延伸効果は、多孔質媒体１８を通る流れにおいて使用されている支配的な力でさえも示すために十分強力である。ナノファイバー１４が、流体マトリックス１２（熱硬化性樹脂、溶融金属、熱可塑性物質等）に分散される場合、ナノファイバー１４はまた、液体流によって配列され延伸する。一意のレオロジー流は、湿潤プロセス中に多孔質媒体１８の厚さ方向（すなわち、ｚ方向）においてナノファイバー１４を配列し延伸させる。すなわち、ナノファイバー１４は、多孔質媒体１８内部で厚さ方向に配列され延伸する。そして、ｚ配列され延伸したナノファイバー１４を含む多孔質媒体１８は、多孔質媒体１８製品の用途に応じて、上述したように、更なる収集ステップ及び包装ステップを必要とする場合がある。複合プリプレグ４４製造用途の場合、ｚ配列され延伸したナノファイバー１４（例えば、カーボンナノチューブ）を含むマイクロファイバーファブリック（多孔質媒体１８）は、マトリックス材料のタイプに応じて、流体マトリックス１２をゲル材料又は固体材料又は粘弾性材料にするために適切な温度制御サイクルを必要とする。したがって、ｚ配列されたナノファイバーで強化された、マイクロファイバー強化複合プリプレグ４４が形成され、包装及び出荷の用意がされる。そして、こうした複合プリプレグ４４は、オートクレーブ−真空バッグ法、熱間プレス法等、多くの一般的な複合材料製造プロセスによって、複合積層部品を製作するために使用することができる。ｚ配列されたナノファイバー（又は、ナノチューブ若しくはナノワイヤー）で強化されたマイクロファイバー強化複合プリプレグ（すなわち、多孔質層）に対する製造プロセスの概念は、図７に示されている。

更なる説明として、円筒座標（ｘ，ｒ，θ）（図９、図１０、及び図１１を参照）における液体に対する一意の中心に向かう流れ（収束流）の理論的速度解は、以下のように書くことができる。

式中、ｕ_ｒ、ｕ_ｘ、ｕ_θは、それぞれｘ方向、ｒ方向、θ方向における速度成分である。記号「ｌ」は、円筒の長さを表す。「−Ｑ」は、中心に向かって流れる総流量を示す。（図９、図１０Ａ及び図１０Ｂを参照。）

所与の流れ場に対するひずみ速度テンソルの成分は、以下の通りである。

２つのみの非ゼロ成分は、

及び

である。方程式（４）は、正のひずみ速度

を与え、それは、その空間における液体粒子が半径方向（ｒ方向）において引張ひずみ速度下にあることを示す。その結果、流体マトリックス１２及びナノファイバー１４は、半径方向（ｒ方向）において配列され延伸する。方程式（５）は、負のひずみ速度

を与え、それは、その空間における液体粒子がθ方向において圧縮ひずみ速度下にあることを示す。その結果、流体マトリックス１２及びナノファイバー１４は、θ方向に圧縮される。方程式（４）及び方程式（５）によって記述される流れひずみ速度効果を結合することにより、ナノファイバー１４（及び流体マトリックス１２内に含有される液体粒子）は、図９、図１０Ａ及び図１０Ｂに例示するようにｒ方向に有効に延伸し配列される。

図９を参照すると、浸透性（すなわち、穿孔）成形器具２０又はローラー２６のｒ方向は、多孔質層１８（例えば、マイクロファイバーファブリック）のｚ方向５２（厚さ方向）である。液体１２が供給源からマイクロファイバーファブリック、すなわち多孔質媒体１８を通り、その後、例えば、浸透性中空円筒弧状ローラー２６の中心に向かって流れる際、ナノファイバー１４は、流れ（ｕ_ｒ）によってマイクロファイバーファブリック多孔質媒体１８内に運ばれ、同時に、ひずみ速度テンソル（

及び

）によって延伸し配列される。

及び

の両方の大きさは１／ｒ^２に比例することに留意されたい。したがって、配列及び延伸効果は、浸透性中空円筒ローラー２６がより小さい半径を有する場合、著しく増大する。一方、ｕ_ｒの大きさは１／ｒに比例する。これは、所与の流量Ｑにおいて、ナノファイバー１４及び流体１２がマイクロファイバーファブリック１８を通って流れる速度が、ローラー２６の半径が小さくなると増大することを意味する。しかしながら、本出願人は、速度上昇は、延伸及び配列効果ほど重要とはならないと判断した。効果の全ては流量Ｑに比例する。これらの関係は、種々の材料システムに対してローラー２６、直径及び流量を最適化する柔軟性を提供する。これらの流れ効果はまた、流体マトリックス１２及びナノファイバー１４が多孔質媒体１８内部のマイクロファイバー４８間の空間を通って流れる場合にも十分に作用することに留意されたい。多孔質媒体１８内部の全ての主な流路（すなわち、隣接する空間の近くの液体の容量−平均速度と同様であるか又はそれより高い局所液体速度での開放空間）から由来する全体的な流れ挙動は、同じ収束流の特徴に従い、それは、方程式（４）及び方程式（５）に記載するように、θ方向における圧縮、ｒ方向における配列及び延伸を常にもたらす。

本開示の別の任意選択的な特徴は、中心から外側への流れ（発散流）、ナノファイバー１４及び流体マトリックス１２が、θ方向において配列され延伸する（図１１Ａ及び図１１ｂを参照）ということである。この任意選択的な特徴は、θ方向のナノファイバー配列及び延伸を必要とする幾つかの用途に対して有用である可能性がある。これは、例えば図５及び図６に示す設定の流れ方向を単に反転させることにより、容易に達成される。

説明を続けると、本開示は、マトリックス担持多孔質層（膜、ファブリック等）中のナノ粒子を一方向に配列し及び／又は延伸させる方法であって、（ａ）ナノファイバーを含有する流体マトリックスの供給源においてナノ粒子分散を確立するステップ（ナノ粒子は、長鎖ポリマー、ナノチューブ、ナノファイバー、ナノロッド、ナノサイズ楕円形粒子等とすることもできる）と、（ｂ）円筒状又は弧状円柱器具面を有する成形器具２０によって、多孔質層１８、膜、ファブリック等を供給源に接触させるステップであって、成形器具２０は、多孔質媒体１８を通るように流体マトリックス１２を押すように器具２０の半径方向に流れをもたらす、ステップとを含む方法に関する。この半径方向流は、多孔質媒体１８内部においてナノファイバー１４を好ましい方向、すなわちＺ方向５２に延伸させかつ配列する。

本開示の他の実施形態では、半径方向流は、収束半径方向流又は発散半径方向流のいずれとすることもできる。収束半径方向流は、概して、成形器具の曲率半径に沿って成形器具２０に向かって流れる流体マトリックス１２を指す（例えば、図１、図３及び図４を参照）。発散半径方向流は、概して、円筒状又は弧状円柱器具、すなわち器具２０の外側に向かって流れる流体マトリックス１２を指す（例えば、図２、図５及び図６を参照）。本開示の別の実施形態では、収束半径方向流は、特に、成形器具２０の半径方向に沿って、マトリックス担持多孔質媒体１８（膜、ファブリック等）中のナノファイバー１４を一方向に配列し及び／又は延伸させるために利用される。本開示の別の実施形態では、発散半径方向流は、特に、成形器具２０の接線方向に沿って、マトリックス担持多孔質媒体１８（膜、ファブリック等）中のナノファイバー１４を一方向に配列し及び／又は延伸させるために使用される。

さらに、本開示は、マトリックス担持多孔質媒体１８（膜、ファブリック等）中のナノファイバー１４を一方向に配列し及び／又は延伸させる装置であって、（ａ）ナノファイバー分散液を含有する流体マトリックスの供給源を確立する手段であって、ナノファイバーは、長鎖ポリマー、ナノチューブ、ナノファイバー、ナノロッド、ナノサイズ楕円形粒子等とすることもできる、手段と、（ｂ）円筒状又は弧状円柱器具面を有するデバイスによって、多孔質媒体１８（膜、ファブリック等）を流体マトリックス供給源に接触させる手段であって、デバイスは、多孔質媒体１８（膜、ファブリック等）を通るように流体マトリックス１２を押すために、器具の半径方向における流れをもたらす、手段とを備える装置について記載する。供給される多孔質層１８は、流体マトリックス１２が依然として内部を流れることができる限り、乾燥し、湿潤し、部分的に湿潤し、又は部分的に他の要素で充填される等が可能であることに留意されたい。この半径方向流は、多孔質媒体１８内部の好ましい方向においてナノファイバー１４を延伸させかつ配列するために使用される。

本開示の一実施形態では、デバイスは、流体マトリックス１２を含むタンク内に長手方向に配置された、少なくとも１つの中空の浸透性成形器具２０、例えばローラー２６を含む。この実施形態では、成形器具２０又はローラー２６の内側圧力は、成形器具２０の表面に置かれる多孔質媒体１８（膜、ファブリック等）の外面における流体マトリックス１２の圧力とは異なり、それにより、流体マトリックス１２の半径方向流がもたらされる。別の実施形態では、本開示は、成形器具２０の内部が、成形器具２０から流体マトリックス１２を吸い出し、又は望ましい場合は流体マトリックス１２を成形器具２０内に注入する流れシンク又は流れ供給源等、ポート又は他の同様の流れ機構を有することができるため、半径方向流を種々の方法で実現可能とすることに関する。

本開示の別の実施形態では、上記デバイスは、強制的に流体マトリックス１２を半径方向に多孔質媒体１８（膜、ファブリック等）に浸透させる弧状成形器具２０である。本開示の別の実施形態では、流体マトリックス１２を含むスポンジ状多孔質媒体、すなわち含浸層３４から、多孔質媒体１８（膜、ファブリック等）に対して、半径方向流を押し出すことができる。本開示の別の実施形態では、流体マトリックス１２の半径方向流を駆動する圧力差は、静圧差とすることができる。本開示の別の実施形態では、流体マトリックス１２の半径方向流を駆動する圧力差は、流れ運動のためのせん断応力によってもたらすことができる。

上述したように、マトリックス、繊維微小座屈及び繊維／マトリックス界面に関連する脆弱性は、炭素繊維／エポキシ樹脂複合材料、アラミド／エポキシ樹脂複合材料等のポリマーマトリックス複合材料、並びにホウ素／アルミニウム及びグラファイト／マグネシウム等の金属マトリックス複合材料等を含む、マイクロファイバーによって強化された最新技術の複合積層品の既知の欠点である。ナノテクノロジーにおける最近の開発により、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）及び種々の種類のナノワイヤー等、多くの種々のタイプのナノファイバーの製造が成功することとなった。本開示により、マイクロファイバー積層品におけるナノファイバーの分散及び一方向の配列が可能になり、現行の複合材料の多くの従来の脆弱性が解決する。本出願人の開示に従って、マイクロファイバーは、ｘ−ｙ平面５０（面内方向）における強化網を形成し、ナノファイバー１４は、マイクロファイバー網、すなわち多孔質媒体１８に浸透し、ｚ方向５２（面外方向）における強化を追加する。この所望の３次元マルチスケール強化構造（図８を参照）により、積層品の機械的特性、熱的特性及び電気的特性が改善される。しかしながら、現在まで、マイクロファイバー積層品中のナノファイバー１４をロバストにｚ方向に配列する既存の方法は存在しなかった。

Claims (22)

1. 多孔質媒体中でナノファイバーを一方向に配列する方法であって、
   外部流デバイスにおける流体マトリックス内にナノファイバー分散を確立することと、
   前記多孔質媒体を前記流体マトリックスと接触させることと、
   成形器具に対して前記多孔質媒体を位置決めすることであって、それにより、該多孔質媒体が該成形器具の表面に少なくとも部分的に形状が適合することと、
   前記成形器具内の圧力を制御することであって、それにより、前記流体マトリックスが前記多孔質媒体及び前記成形器具を通って流れ、前記多孔質媒体内の前記ナノファイバーが配列されるようにすることと、
   を含む、方法。
2. 前記表面は湾曲しており、前記制御することは、前記流体マトリックスが前記表面の湾曲に対して半径方向に流れるように行われる、請求項１に記載の方法。
3. 前記制御することは、前記成形器具内の圧力と前記外部流デバイス内の圧力との圧力差をもたらすことを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記成形器具内の前記圧力は、前記外部流デバイス内の圧力より高く、それにより、前記成形器具からの前記流体マトリックスの発散半径方向流がもたらされる、請求項３に記載の方法。
5. 前記成形器具内の前記圧力は、前記外部流デバイス内の圧力より低く、それにより、前記成形器具に向かう前記流体マトリックスの収束半径方向流がもたらされる、請求項３に記載の方法。
6. 前記流体マトリックスの前記流れが収束流と発散流との間で交互になるように、前記圧力差を変動させることを更に含む、請求項３に記載の方法。
7. 半径方向における前記流体マトリックスの前記流れに対する非半径方向における該流体マトリックスの前記流れの比は、０．３未満である、請求項２に記載の方法。
8. 前記流体マトリックスが前記多孔質媒体に入る前に、前記流体マトリックスの半径方向流を生成することを更に含む、請求項２に記載の方法。
9. 前記半径方向流の少なくとも７０％は、前記成形器具の前記表面に形状が適合する前記多孔質媒体の部分で発生する、請求項８に記載の方法。
10. 前記成形器具を回転させることを更に含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記外部流デバイスから前記多孔質媒体を除去することと、
    前記多孔質媒体から過剰な流体マトリックスを除去することと、
    前記多孔質媒体の少なくとも一方の側に膜を付与することと、
    前記多孔質媒体内の前記流体マトリックスを固化させることと、
    を更に含む、請求項１に記載の方法。
12. ナノファイバー分散液を含む、外部流デバイス内の流体マトリックスと、
    成形器具と、
    前記成形器具と接触する多孔質媒体と、
    前記成形器具に結合され、かつ前記流体マトリックスが前記多孔質媒体及び前記成形器具を通るように強制的に流されるように、前記成形器具内の圧力を制御するように構成された圧力源であって、前記多孔質媒体を通る前記流体マトリックスの流れは、該多孔質媒体中でナノファイバーを配列する、圧力源と、
    を備える、システム。
13. 前記成形器具内の前記圧力と前記外部流デバイス内の圧力との圧力差により、前記流体マトリックスが前記多孔質媒体を通って流れる、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記流体マトリックスに圧力を加える圧力源を更に備える、請求項１２に記載のシステム。
15. 前記成形器具内に前記圧力源によって加えられる前記圧力は、前記外部流デバイス内の圧力より高く、それにより、前記成形器具からの前記流体マトリックスの発散半径方向流がもたらされる、請求項１２に記載のシステム。
16. 前記成形器具内に前記圧力源によって加えられる前記圧力は、前記外部流デバイス内の圧力より低く、それにより、前記成形器具に向かう前記流体マトリックスの収束半径方向流がもたらされる、請求項１２に記載のシステム。
17. 前記流体マトリックスに圧力を加える前記圧力源は、前記成形器具内の前記圧力と前記外部流デバイス内の圧力との圧力差をもたらす、請求項１４に記載のシステム。
18. 前記成形器具は回転する、請求項１２に記載のシステム。
19. 前記成形器具は弧状ローラーを含む、請求項１２に記載のシステム。
20. 多孔質媒体中でナノファイバーを一方向に配列し延伸させる方法であって、
    前記多孔質媒体を成形器具の外面と外部流デバイスとに接触させることと、
    成形器具の内部圧力を、該内部圧力が前記外部流デバイス内の圧力とは異なるように制御することであって、それにより、前記多孔質媒体及び前記成形器具を通るナノファイバーの流体マトリックスの流れをもたらし、前記多孔質媒体を通る流体マトリックスの前記流れにより、前記多孔質媒体内のナノファイバーの配列がもたらされることと、
    を含む、方法。
21. 前記成形器具の外面の表面は湾曲し、前記成形器具により、前記成形器具の外面の表面の湾曲に対して半径方向に前記流体マトリックスの流れがもたらされる、請求項２０に記載の方法。
22. 前記成形器具の前記内部圧力を変動させることを更に含む、請求項２０に記載の方法。

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