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Dokumentenidentifikation DE60126752T2 31.10.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001272426
Titel HERSTELLUNG IN NETTOFORM UNTER VERWENDUNG VON KOHLENSTOFFNANORÖHREN
Anmelder Lockheed Martin Corp., Bethesda, MD., US
Erfinder HERMAN, Frederick, James, Forth Worth, TX 76132, US
Vertreter Kahlhöfer - Neumann - Herzog - Fiesser, 80331 München
DE-Aktenzeichen 60126752
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 10.04.2001
EP-Aktenzeichen 019268457
WO-Anmeldetag 10.04.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/US01/11777
WO-Veröffentlichungsnummer 2001077015
WO-Veröffentlichungsdatum 18.10.2001
EP-Offenlegungsdatum 08.01.2003
EP date of grant 21.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.10.2007
IPC-Hauptklasse C01B 31/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Herstellung von auf Kohlenstoff basierenden Materialien und insbesondere ein Verfahren und ein System für die Endformherstellung unter Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen.

Hintergrund der Erfindung

Zusätzlich zu den allgemeineren Allotropen des Kohlenstoffs, nämlich Diamant und Graphit, besteht eine dritte Form, genannt Fullerene, die ein Netz von Strukturen bildet. Das bekannteste, entdeckt 1985, wird Buckyball genannt oder, um dessen technischen Namen zu nennen, Buckminsterfulleren. Eine Buckyball Struktur ist ein reines Kohlenstoffmolekül, das genau sechzig Kohlenstoffatome umfasst. Im Allgemeinen ist jedes Kohlenstoffatom an drei andere Kohlenstoffatome in der Form einer kugelförmigen Struktur gebunden. Neueste Forschung hat einen anderen Typ Fulleren identifiziert, das als hohle röhrenförmige Struktur erscheint und als Nanoröhrchen bekannt ist. Das Kohlenstoff-Nanoröhrchen erscheint als längliche Faser und dennoch ist es hohl und übernimmt die Perfektion der Atomanordnung, die durch dessen Vorgänger, den Buckyball, berühmt wurde. Kohlenstoff-Nanoröhrchen bestehen aus zweidimensionalen hexagonalen Schichten, die zusammengefaltet und an beiden Enden durch eine Fullerenkappe verschlossen sind. Ihre Länge kann millionenfach größer als ihr kleiner Durchmesser sein. So sind Kohlenstoff-Nanoröhrchen gewissermaßen Buckyball Strukturen, jedoch, anstatt kugelförmig, eher zu langen Fasern ausgedehnt.

Die Entwicklung des Kohlenstoffmolekül-Wachstums begann mit der Herstellung von Kohlenstofffasern und, während diese herkömmlichen Kohlenstofffasern leicht sehr lang hergestellt wurden, sind die Graphitschichten innerhalb der Kohlenstofffasern entweder keine geschlossenen Röhrchen oder dehnen sich nicht ununterbrochen entlang der Länge der Faser aus. Daraus resultiert scharf verringerte Zugfestigkeit, elektrische Leitfähigkeit und chemische Widerstandsfähigkeit verglichen mit einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen. So fuhr die Entwicklung von Fullerenen, wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen, in der Bemühung fort, Materialien mit verbesserten physikalischen Eigenschaften zu entwickeln.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen weisen mechanische, elektronische und magnetische Eigenschaften auf, welche durch Variation des Durchmessers, Anzahl der konzentrischen Schalen und Orientierung der Fasern abstimmbar sind. Geeignete auf Kohlenstoff basierende Materialien erfordern die Beseitigung von Defekten und anderen Reaktionsprodukten, die Maximierung der Ausbeute der Nanoröhrchen und die synthetische Kontrolle der Röhrchenlänge und der Orientierung. Zurzeit existieren drei primäre Verfahren für die Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Diese Verfahren schließen beispielsweise Lichtbogenentladung, Widerstandsbeheizung und Laserabtragung ein.

Der Prozess der Lichtbogenentladung funktioniert durch die Verwendung von zwei Kohlenstoff- (Graphit) Elektroden in einem Prozess vom Typ des Lichtbogenschweißens. Zum Produzieren oder Züchten von Kohlenstoff-Nanoröhrchen wird der Schweißer angestellt und die Enden der Stabelektroden in einer Argon-Atmosphäre werden aneinander gehalten. Die Ausbeuterate von Kohlenstoff-Nanoröhrchen aus diesem Prozess ist extrem gering und die Wachstumsausrichtung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen ist zufälliger Natur, so dass nur undefinierte Konfigurationen des Wachstumsmaterials geliefert werden.

Bei Verfahren vom Typ der Widerstandsbeheizung werden die Fullerene gebildet, wenn ein Kohlenstoffstab oder ein Kohlenstoff enthaltendes Gas durch Widerstandsbeheizung unter einer kontrollierten Atmosphäre dissoziiert. Eine Widerstandsbeheizung des Stabs verursacht die Emission einer matten grauweißen Abgasfahne mit rußartigem Material, das Fullerene enthält. Die Fullerene sammeln sich auf Glasschalen, welche den Kohlenstoffstab umgeben und müssen in einem anschließenden Prozess von unerwünschten Komponenten separiert werden. Wiederum ist die Ausbeuterate der Kohlenstoff-Nanoröhrchen extrem gering und deren Orientierung ist zufällig, wodurch nur undefinierte Konfigurationen an gewachsenem Material erhalten werden.

Das Batchverfahren zur Laserabtragung funktioniert durch die Abtragung eines Graphittargets, enthaltend eine kleine Metallpartikelkonzentration, mit einem gepulsten Laser, während ein temperaturkontrollierter Raum für die Kohlenstoffatome und den Kohlenstoffdampf zur Verfügung gestellt wird, um deren Verbindung und Wachstum zu einer Fullerenstruktur, wie die eines Nanoröhrchens, zu ermöglichen. Die Fullerenstruktur fällt als eine Art Kohlenstoffruß aus. Die gewünschte Fullerenstruktur wird anschließend durch ein Säurerückfluss-Reinigungssystem vom Ruß extrahiert. Obgleich das Verfahren der Laserabtragung eine erhöhte Ertragsrate erfahren hat, ist dieses Batchverfahren im Vergleich zu den oben erwähnten Prozessen unwirtschaftlich für eine industrielle Anwendung, weil zurzeit kein Verfahren für die Kontrolle der Orientierung und der Formung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen existiert. Keine der oben genannten Batchverfahren werden für die Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen des kristallinen Typs mit einer definierten Orientierung in einer Endformherstellung in großem Maßstab verwendet.

Die oben genannten und andere Nachteile des Stands der Technik werden durch die vorliegende Erfindung überwunden, beispielsweise durch die Bereitstellung eines Verfahrens und eines Systems für die Endformherstellung unter Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung erzielt ihre technischen Vorteile als ein Verfahren und ein System zur Endformherstellung unter Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Eine automatische Kontrolleinheit wird für die Platzierung von Reaktionseinheiten in die geeignete Position verwendet, um ein Bauteil aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen in einer vorbestimmten Form zu produzieren. Die Reaktionseinheiten beinhalten eine Kohlenstoff-Abtragungseinheit, eine Kohlenstoff- und Katalysator- zufuhr-/einspritzeinheit und eine Gasdruck/Temperatur kontrollierende Isolierungseinheit. Die Kohlenstoff-/Katalysator- zufuhr-/einspritzeinheit betreibt vorteilhafterweise die Einspritzung von auf Kohlenstoff basierendem Material (z.B. Graphitpulver, festes Graphit oder auf Kohlenstoff basierendes Gas) in eine Reaktionszone zu einer vorbestimmten Rate, in der die Kohlenstoffverdampfungseinheit Energie liefert, die geeignet ist, Kohlenstoffatome von dem injizierten auf Kohlenstoff basierendem Material zu dissoziieren, um eine vorbestimmte Konzentration von Kohlenstoffdampf innerhalb der Reaktionszone zu produzieren. Die Gasdruck und Temperatur kontrollierende Isolierungseinheit betreibt die Kontrolle von Druck und Temperatur in der Reaktionszone, um das Wachstum von Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu unterstützen.

Zu den neuen Vorteilen der vorliegenden Erfindung gehören: Erstens, bevorzugt ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhrchen können wirtschaftlicher zur Anfertigung von Bauteilen eingesetzt werden; Und, da bevorzugt ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhrchen sowohl höhere Beanspruchbarkeit als auch höhere elektrische Leitfähigkeit besitzen, können stärker beanspruchte Materialien zur Herstellung von Bauteilen eingesetzt werden, welche sowohl strukturelle Vorteile als auch elektronische Verwendung besitzen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung wird Bezug genommen auf die folgende detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen, wobei:

1 ein Flussdiagramm von einem Verfahren für Endformherstellung unter Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert;

2 eine Ausführungsform von einer Systemarchitektur illustriert, welche die vorliegende Erfindung ausdrückt; und

3 eine exemplarische Illustration eines Synthesekopfs darstellt, welcher für die Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die zahlreichen innovativen Lehren der vorliegenden Anmeldung werden mit besonderem Bezug zu den zurzeit bevorzugten exemplarischen Ausführungsformen beschrieben. Jedoch sollte man verstehen, dass diese Klasse von Ausführungen hierin nur einige Beispiele der vielen vorteilhaften Gebräuche von erfinderischen Lehren liefert. Im Allgemeinen grenzen die Aussagen, die in der Beschreibung des vorliegenden Antrags abgegeben werden, nicht notwendigerweise irgendwelche der verschiedenen beanspruchten Erfindungen ein. Außerdem können einige Aussagen auf einige erfinderische Eigenschaften aber nicht auf andere zutreffen.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, und insbesondere auf 1, wird ein Herstellungsverfahren unter Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert. Der Prozess fängt mit einem Einspritzschritt 122 an. Im Einspritzschritt 122 wird auf Kohlenstoff basierendes Material für weitere durchzuführende Operationen in eine Reaktionszone eingespritzt. Die Reaktionszone ist die Zone, in der Kohlenstoff-Nanoröhrchen nukleieren oder wachsen. Das auf Kohlenstoff basierende Material ist der Zufuhrvorrat für Kohlenstoffatome, die für die Nukleierung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen notwendig sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das auf Kohlenstoff basierende Material ein reines Kohlenstoffmolekül. Jedoch kann der Zufuhrvorrat eine Kombination aus Kohlenstoff und anderen Materialtypen sein. Das auf Kohlenstoff basierende Material kann beispielsweise in Pulverform, fester Form oder gasförmig vorliegen (wie Graphitpulver, feste Kohlenstoffstangen oder Kohlenstoffgas).

Als nächstes werden in einem Dissoziierungsschritt 124 Kohlenstoffatome von dem auf Kohlenstoff basierenden Zufuhrvorrat, der in die Reaktionszone eingespritzt wird, dissoziiert oder verdampft. Dissoziierung wird durch Erhitzung des auf Kohlenstoff basierenden Zufuhrvorrats auf eine Temperatur erreicht, die ausreichend ist, Kohlenstoffdampf zu bilden. Die Temperatur wird abhängig sein von der Art des benutzten auf Kohlenstoff basierenden Zufuhrvorrats, jedoch können die Temperaturen von 800°C bis 3000°C reichen. Diese Temperaturen können durch den Gebrauch von beispielsweise Lichtbogen-Entladungselektroden, Widerstandsbeheizungselementen, Lasern, Elektronen-strahlen oder anderen Arten von Heizprozessen erreicht werden.

In einem Isolierungsschritt 126 wird die Reaktionszone unter einem Profil mit kontrolliertem Druck und kontrollierter Temperatur aufrechterhalten. Der kontrollierte Druck wird verwendet, um die Position der dissoziierten Kohlenstoffatome in einem optimalen Abstand zu den nukleierenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu halten. Der absolute Druck der Atmosphäre, die für die Bildung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen gewählt wird, kann ein Minimum von 0,001 Torr sein und kann bis zu einem Maximum von 20.000 Torr reichen. Geringerer Druck produziert Kohlenstoffdampf mit einer geringeren Kohlenstoffkonzentration, was die Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit vorbestimmter Orientierung erlaubt. Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einem kleineren Durchmesser können bei höheren Drücken erhalten werden. Auch, obgleich der dissoziierte Kohlenstoffdampf anfangs sehr hohe Temperaturen haben wird, muss der Kohlenstoffdampf mit einer kontrollierten Rate abgekühlt werden, um einen Energiezustand zu erreichen, der dem Dampf erlaubt, eine vorbestimmte feste Nanoröhrchenstruktur zu bilden. Im Isolierungsschritt 126 kann die druckkontrollierte Zone temperaturkontrolliert sein, um ein stufenweises Abkühlen von der anfänglichen Temperatur zu erlauben, das für die Dissoziierung der Kohlenstoffatome benötigt wird.

Schließlich werden in einem Kontrollschritt 128 die oben genannten Reaktionskomponenten (z. B. Einspritzungsschritt 122, Dissoziierungsschritt 124 und Isolierungsschritt 126) präzise und akkurat an eine Position platziert, die durch die Konfiguration eines herzustellenden Bauteils vorbestimmt wird. Ein Bauteil wird durch das Stapeln multipler Querschnittsschichten aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen hergestellt bis das Bauteil in einer vorbestimmten physischen Form vollendet ist. So basiert dieser Typ von Kontrollsystem auf der Herstellung additiver Materialschichten. Der Prozess kann computergestützt sein, indem zunächst die vorbestimmte Form in sehr dünne Querschnittschichten zerlegt wird und anschließend die Reaktionskomponenten in den korrekten Positionen platziert werden, um jede Querschnittschicht aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen herzustellen. Nachfolgende Querschnittschichten werden auf die vorhergehenden Querschnittschichten gestapelt. Das Wachstum der vorher deponierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen kann mit jeder nachfolgenden Querschnittschicht fortgesetzt werden.

In einer anderen Ausführungsform kann ein Katalysator oder eine Metallverbindung oder ein Metallmaterial mit dem auf Kohlenstoff basierenden Zufuhrvorrat kombiniert werden, um die Nukleierung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit vorbestimmten physischen Eigenschaften zu kontrollieren. Der auf Kohlenstoff basierende Zufuhrvorrat und das Metallmaterial werden vor dem Dissoziierungsschritt 124 kombiniert, sofern sie benutzt werden. Die Kombination kann beispielsweise durch das Mischen von Graphit mit dem Metallmaterial und dem anschließenden Verarbeiten der relativ homogenen Mischung zu einer Stange gemäß den in der Technik bekannten Verfahren vorgenommen werden. Die die Kombination von Kohlenstoff und Metallmaterial enthaltende Stange wird dann im hier beschriebenen Dissoziierungsschritt 124 verwendet. Jedoch können ein auf Kohlenstoff basierender Zufuhrvorrat und ein auf Metall basierender Zufuhrvorrat in getrennten Schritten dissoziiert und anschließend in der Reaktionszone platziert werden. Zusätzlich können die Art und die Konzentration des Metallmaterials während des Herstellungsprozesses des Bauteils variiert werden, um weitere Varianz der physikalischen Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu erlauben.

Beispielsweise funktioniert der Prozess durch Einspritzung von Methangas in die Reaktionszone und der Dissoziierung des Methangases in ionisierte Wasserstoff- und Kohlenstoffatome. Wenn dies in Anwesenheit eines metallischen Partikels durchgeführt wird, bedecken die ionisierten Kohlenstoffatome die Oberfläche des metallischen Partikels. Wenn die Kohlenstoffatome auf dem metallischen Partikel miteinander in Kontakt kommen, formen sie kovalente Bindungen in der energetisch stabilsten Formation. Durch Auswahl eines metallischen Partikels von vorbestimmter Form und Größe entstehen Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit definiertem Durchmesser und definierten physikalischen Eigenschaften. Während ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen entsteht und sich vom metallischen Partikel trennt, wird der Kohlenstoff auf der Oberfläche des metallischen Partikels durch weiteren ionisierten Kohlenstoff ausgetauscht. So kann die Reaktion solange unendlich fortfahren bis eine der folgenden Möglichkeiten eintritt: 1) der Kohlenstoffzufuhrvorrat wird der Reaktionszone vorenthalten; 2) Die Bedingungen für die Reaktionsisolierung werden verändert, so dass die Bildung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen nicht mehr bevorzugt wird; oder 3) die Konzentration der Metallpartikel wird erhöht, was den Metallpartikeln erlaubt, miteinander in Kontakt zu kommen und zu einer Größe oder Form heranzuwachsen, die kein weiteres Wachstum der Kohlenstoff-Nanoröhrchen erlauben. Auch kann in situ Diagnostik verwendet werden, um den Wachstumsprozess der Kohlenstoff-Nanoröhrchen auszuwerten. So kann die Nukleierung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen variiert werden, um ein Maßschneidern der physikalischen Eigenschaften in Echtzeit zu erlauben. In situ Diagnostik ist der Prozess, chemische Reaktionen während ihres Ablaufs auszuwerten, um die exakten Konditionen in Bezug auf deren Energie, chemischen Reaktionspartnern, Wachstumsorientierung, usw. zu bestimmen.

2 illustriert ein System 200 für die Endformherstellung unter Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen gemäß der vorliegenden Erfindung. Das System 200 umfasst eine automatische Kontrolleinheit 210 und Reaktionseinheiten, welche eine Kohlenstoff- zufuhr-/einspritzeinheit 230, eine Kohlenstoffdissoziierungseinheit 220 und eine Isolationseinheit 240 für die Kontrolle von Gasdruck und Temperatur beinhaltet.

Die Kohlenstoff- zufuhr-/einspritzeinheit 230 wird für die Einspritzung eines auf Kohlenstoff basierenden Materials in eine vorbestimmte Zone für die anschließende weitere Ausführung von Operationen verwendet. Das auf Kohlenstoff basierende Material ist der Zufuhrvorrat für Kohlenstoffatome zur Nukleierung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Die Injektionsrate wird über und durch die Kommunikation mit der automatischen Kontrolleinheit 210 kontrolliert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das auf Kohlenstoff basierende Material ein reines Kohlenstoffmolekül. Jedoch kann der Zufuhrvorrat eine Kombination aus Kohlenstoff und anderen Arten von Materialien sein. Das auf Kohlenstoff basierende Material kann sich zum Beispiel in Pulverform, fester Form oder Gasform befinden (z. B. Graphitpulver, feste Kohlenstoffstange oder Kohlenstoffgas). Die Kohlenstoff- zufuhr-/einspritzeinheit 230 kann mit einer Art Aufgabebehälter ausgestattet sein, was die kontinuierliche Einspritzung von Zufuhrvorrat erlaubt, ohne dass eine Verlangsamung oder Pause des Herstellungssystems für das Wiederaufladen des Zufuhrvorrats erforderlich ist.

Die Kohlenstoffdissoziierungseinheit 220 dissoziiert Kohlenstoffatome vom Zufuhrvorrat, welcher in die vorbestimmte Zone eingespritzt wird. Dissoziierung wird erreicht, indem der auf Kohlenstoff basierende Zufuhrvorrat auf eine Temperatur erhitzt wird, die ausreichend ist, um einen Kohlenstoffdampf zu erzeugen. Die Kohlenstoffdissoziierungseinheit 220 ist fähig, genügend Energie für die Verdampfung des Zufuhrvorrats in Kohlenstoffmoleküle zu liefern. Die Kohlenstoffdissoziierungseinheit 220 kann beispielsweise Lichtbogenentladungselektroden, Widerstandsbeheizungen, Laser, Elektronenstrahlen oder andere Aufheizprozesse umfassen. Das ausgestoßene Energieniveau der Kohlenstoffdissoziierungseinheit 220 wird über und durch die Kommunikation mit der automatischen Kontrolleinheit 210 kontrolliert und variiert.

Die Isolationseinheit 240 für die Kontrolle von Gasdruck und Temperatur ist fähig, den Druck und die Temperatur einer vorbestimmten Zone zu variieren. Das Variieren des Drucks wird durch die Evakuierung oder das Pumpen eines Gases, vorzugsweise eines Inertgases, in die vorbestimmte Zone bewirkt. Inertgase schließen zum Beispiel Helium, Argon und Xenon ein. Andere Gase, welche in Gegenwart des Kohlenstoffdampfes nicht reaktiv sind, können verwendet werden. Der Druck kann von etwa 0,001 Torr bis 20.000 Torr variiert werden. Druck und Temperatur der Kontrolleinheit 240 für die Kontrolle von Gasdruck und Temperatur werden durch Kommunikation mit der automatischen Kontrolleinheit 210 kontrolliert.

Obwohl der dissoziierte Kohlenstoffdampf zunächst bei sehr hohen Temperaturen verbleibt, muss der Kohlenstoffdampf zu einer kontrollierten Rate abgekühlt werden, um einen Energiezustand zu erreichen, der dem Dampf erlaubt, eine vorbestimmte feste Nanoröhrchenstruktur zu bilden. Die Kontrolleinheit 240 zur Kontrolle des Gasdrucks und der Temperatur umfasst ein Heizgerät (nicht gezeigt), um die druckkontrollierte Zone auf Temperaturen aufzuheizen, die ein graduelles Abkühlen von der Anfangstemperatur, die für die Dissoziierung von Kohlenstoffatomen nötig ist, erlauben.

Schließlich platziert die automatische Kontrolleinheit 210 die oben genannten Reaktionseinheiten 220, 230, 240 präzise und akkurat in eine vorbestimmte Zone, um Kohlenstoff-Nanoröhrchen in die Konfiguration eines Bauteils hinein zu nukleieren. Das Bauteil wird durch das Stapeln multipler Querschnittschichten aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen hergestellt bis das Bauteil in einer vorbestimmten physischen Form fertig gestellt ist. Die automatische Kontrolleinheit 210 kann computergestützt sein, um die Zerlegung der Konfiguration des Bauteils in sehr dünne Querschnittschichten zu erlauben. Anschließend platziert die automatische Kontrolleinheit 210 die Reaktionseinheiten 220, 230, 240 in einem Muster von Reaktionszonen, das durch die zerlegten Querschnittschichten bestimmt wird. Kohlenstoff-Nanoröhrchen nukleieren in den multiplen Reaktionszonen, um die Form eines jeden Musters von Querschnittschichten auszubilden. Jede der folgenden Querschnitte wird auf die vorhergehende Querschnittsschicht gestapelt. So wird das Bauteil durch multipel gestapelte Querschnittschichten aus nukleierenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen hergestellt. Das Wachstum der zuvor deponierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen kann mittels Stapelung jeder darauffolgenden Querschnittschicht fortgesetzt werden, und zusätzliche Schichten neu nukleiierter Kohlenstoff-Nanoröhrchen können ebenso hinzugefügt werden.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform kann das Endformherstellungssystem 200 ein Substrat (nicht gezeigt) zur Unterstützung nukleierender Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfassen. Schichten von Opfersubstraten können ebenso gleichzeitig aufgebaut werden, um komplexere Bauteil-Konfigurationen zu unterstützen. Das Substrat kann zur Unterstützung des Wachstums der Nanoröhrchen in Keimpartikel eingebettet sein. Die Keimpartikel, so wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder ausgewählte Metallpartikel, sind in einem Muster angeordnet, das mit der vorbestimmten Konfiguration des herzustellenden Bauteils in Einklang steht.

Die Beanspruchbarkeit des Bauteils kann durch Definition der Orientierung der nukleierenden Nanoröhrchen verbessert werden. Wenn große Bündel von Kohlenstoff-Nanoröhrchen zusammenwachsen, bilden sie schließlich einen makroskopischen Kristall. Jedoch wird nicht erwartet, dass dieser Kristalltyp im Vergleich zu einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhrchen gute mechanische Bulkfestigkeit hat. Die Bindungen, die die individuellen Kohlenstoff-Nanoröhrchen in dem Bündel zusammen halten, sind schwache Van der Waals Bindungen. Im Wesentlichen bilden diese Lateralbindungen Gleitebenen, an welchen ein Versagen des Bulkmaterials auftreten könnte. Die automatische Kontrolleinheit 210 ist fähig, die Reaktionseinheiten 220, 230, 240 so zu platzieren und zu kontrollieren, dass helixartiges Wachstum von kurzen Kohlenstoff-Nanoröhrchen derart nukleiert wird, dass jede darauffolgende Schicht der Helix die Gleitebenen der vorangehenden Schicht blockiert. Zusätzlich zu der Technik des helixartigen Wachstums kann der Wachstumsrichtungsvektor des Kristalls geändert werden (entweder in zufälliger oder kontrollierter Weise), so dass die Fortpflanzung einer Verschiebung zwischen individuellen Kohlenstoff-Nanoröhrchen innerhalb des Kristalls nicht erlaubt wird. Entweder in der zufälligen oder der kontrollierten Weise werden die Wachstumseigenschaften aufrechterhalten, um uniforme mechanische und elektrische Eigenschaften zu sichern. So können die im Zusammenhang mit Gleitebenen auftretenden Probleme durch die Benutzung des oben beschriebenen Systems zur Endformherstellung, um das Wachstum des Kohlenstoff-Nanoröhrchens in einem Bauteil zu kontrollieren, reduziert oder eliminiert werden. Zusätzlich kann die automatische Kontrolleinheit 210 zum Kontrollieren und Variieren der physikalischen Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanoröhrchen in situ Diagnosen verwenden, um das Wachstum der Kohlenstoff-Nanoröhrchen in Echtzeit auszuwerten und während der Verarbeitung anzupassen,

3 illustriert ein Synthesekopf 300, welcher bei der Endformherstellung unter Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Ein Kontrollarm 310 ist an die Reaktionseinheiten 220, 230, 240 gekoppelt. Der Kontrollarm 310 kann beispielsweise ein um 5 oder 6 Achsen rotierender Armtyp sein. Die Bewegung des Kontrollarms 310 wird mittels einer verkabelten oder kabellosen Verbindung durch die automatische Kontrolleinheit 210 (2) kontrolliert. Die automatische Kontrolleinheit 210 instruiert den Kontrollarm, die Reaktionseinheiten 220, 230, 240 so zu platzieren, dass die Nukleierung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen in der Reaktionszone 320 bewirkt wird. So kann die Reaktionszone 320 kontinuierlich nach dem Muster bewegt werden, das durch die zerlegten Querschnittschichten bedingt wird.

Bevorzugt gewachsene Kohlenstoff-Nanoröhrchen tragen zu enormen Fähigkeiten und Funktionalitäten der Materialien und Systeme bei. Beispielsweise zeigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen zur Verwendung als Strukturmaterial ein Verhältnis von Stärke zu Gewicht von bis zu 126:1 im Vergleich zu Titan und 142:1 im Vergleich zu Aluminium. Wirtschaftliche Analysen zeigen, dass diese Gewichtseinsparungen in Abhängigkeit von der Produktionsrate zu einer großen Reduzierung der Herstellungskosten führen. Zusammen mit der Verwendung als Strukturmaterial haben Kohlenstoff-Nanoröhrchen viele andere Attribute, die die Fähigkeiten von Materialien und Systemen erhöhen.

Zusätzlich können die Kohlenstoffbindungen der Kohlenstoff-Nanoröhrchen in vielfältiger Weise angeordnet werden, die den Kohlenstoff-Nanoröhrchen Leitfähigkeiten verleihen, die von einem Isolator über einen Halbleiter bis hin zu einem metallischen Leiter reichen. Diese Spanne von Leitfähigkeit liegt an der helikalen Symmetrie oder Chiralität der Nanoröhrchen. So kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um zu gleicher Zeit oder innerhalb des gleichen Bauteils charakteristische Vorteile in struktureller sowie elektronischer Hinsicht zu integrieren. Während die Querschnittschichten hinzugefügt werden, können physikalische Eigenschaften durch individuelle Kontrolle der Reaktionseinheiten 220, 230, 240 variiert werden. Durch Maßschneiderung physikalischer Eigenschaften individueller oder Gruppen von Kohlenstoff-Nanoröhrchen kann Multifunktionalität für Anwendungen wie Elektronik, elektrische Leitung, piezoelektrische Systeme und Energiespeichersysteme erreicht werden. So können physische Strukturen, wie Flugzeugtragwerke, mit eingebetteten Schaltkreisen elektronischer Art hergestellt werden. Unter der Annahme, dass konventionelle Herstellungsverfahren verwendet werden, um diese Art Produkte herzustellen, würden solche Verfahren jedoch höchstwahrscheinlich zusätzliche zeitraubende Maßnahmen erforderlich machen, inklusive der Notwendigkeit für speziell angefertigte Befestigungen und Werkzeuge, Verfahren zur Verbindung von hochfesten Materialien und für komplexe Montageverfahren.

Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens und des Systems der vorliegenden Erfindung in den beigefügten Abbildungen illustriert wurde und in der zuvor gemachten detaillierten Beschreibung ausgeführt wurde, wird es für selbstverständlich erachtet, dass die Erfindung nicht auf die offengelegte Ausführungsform limitiert ist, dahingegen aber für zahlreiche Änderungen, Modifizierungen und Substitutionen geeignet ist, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen, wie sie durch die folgenden Ansprüche festgelegt und definiert wird.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit vorbestimmter Form unter Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, das folgende Schritte umfasst:

– Einspritzen von auf Kohlenstoff basierendem Material in eine Reaktionszone mit einer vorbestimmten Rate;

– Dissoziieren von Kohlenstoff-Atomen von diesem auf Kohlenstoff basierenden Material mit einer vorbestimmten Rate;

– Isolieren der Reaktionszone bei einer vorbestimmten Temperatur und einem vorbestimmten Druck, wobei die genannten Kohlenstoff-Nanoröhrchen in dieser Reaktionszone nukleieren;

– und dynamisches Einstellen der genannten Einspritzung, Dissoziation und Isolierung zur Nukleierung der genannten Kohlenstoff-Nanoröhrchen in der genannten vorbestimmten Form.
Das Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin folgende Schritte umfasst:

– Auftrennung der genannten vorbestimmten Form in multiple Querschnittschichten;

– und Wiederholung des genannten Schritts der dynamischen Einstellung der Einspritzung, Dissoziation und Isolierung für jede dieser Querschnittsschichten, wobei jede aufeinander folgende Querschnittsschicht auf eine vorherige Querschnittsschicht gestapelt ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin den Schritt des dynamischen Variierens der Einspritzrate des genannten auf Kohlenstoff basierenden Materials umfasst. Das Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin den Schritt des dynamischen Variierens der Dissoziationsrate von diesem auf Kohlenstoff basierenden Material umfasst. Das Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin den Schritt des dynamischen Variierens des genannten vorbestimmten Drucks und der genannten vorbestimmten Temperatur umfasst. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Dissoziationsschritt durch einen Laser, einen Elektronenstrahl oder eine Lichtbogen-Entladungseinheit herbeigeführt wird. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das genannte auf Kohlenstoff basierende Material weiterhin ein auf Metall basierendes Material umfasst. Das Verfahren nach Anspruch 7, das weiterhin den Schritt des dynamischen Variierens einer Konzentration dieses auf Metall basierenden Materials umfasst. Das Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin folgende Schritte umfasst:

– Einspritzen eines auf Kohlenstoff basierenden Materials mit einem ersten auf Metall basierenden Material; und

– Einspritzen eines zweiten auf Kohlenstoff basierenden Materials mit einem zweiten auf Metall basierenden Material.
Das Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin den Schritt des Anpassens einer Wachstumsrichtung des genannten Kohlenstoff-Nanoröhrchens während einer Wachstumsperiode umfasst. Ein System zur Herstellung eines Bauteils mit vorbestimmter Form unter Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, umfassend:

– eine Kohlenstoff-Einspritzeinheit, wobei die genannte Kohlenstoff-Einspritzeinheit ein auf Kohlenstoff basierendes Material in eine Reaktionszone einspritzt;

– eine Kohlenstoff-Dissoziationseinheit, wobei die genannte Kohlenstoff-Dissoziationseinheit Kohlenstoff von dem genannten auf Kohlenstoff basierenden Material dissoziiert;

– eine Isolierungseinheit, wobei die genannte Isolierungseinheit den Druck und die Temperatur der genannten Reaktionszone kontrolliert, wobei die genannten Kohlenstoff-Nanoröhrchen in der genannten Reaktionszone nukleieren; und

– eine Kontrolleinheit, die in Kommunikation mit der genannten Kohlenstoff-Einspritzeinheit, der Kohlenstoff-Dissoziationseinheit und der Isolationseinheit steht und dazu in der – Lage ist, die Kohlenstoff-Einspritzeinheit, die Kohlenstoff-Dissoziationseinheit und die Isolationseinheit in einem vorbestimmten Muster dynamisch zu lokalisieren, um die genannten Kohlenstoff-Nanoröhrchen in der genannten vorbestimmten Form zu nukleieren.
Das System nach Anspruch 11, wobei die genannte Kontrolleinheit weiterhin die genannten vorbestimmten Formen in multiple Querschnittsschichten aufspaltet, wobei die Nukleierung der genannten Kohlenstoff-Nanoröhrchen für jede genannte multiple Querschnittschicht wiederholt wird, und wobei jede aufeinander folgende Schicht von Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf eine vorherige Schicht gestapelt ist. Das System nach Anspruch 11, wobei die genannte Kontrolleinheit weiterhin die Injektionsrate des auf Kohlenstoff basierenden Materials dynamisch variiert. Das System nach Anspruch 13, wobei die genannte Kontrolleinheit weiterhin die Dissoziationsrate dynamisch variiert. Das System nach Anspruch 11, wobei die genannte Kontrolleinheit weiterhin den genannten Druck und die genannte Temperatur der genannten Reaktionszone dynamisch variiert. Das System nach Anspruch 11, wobei die genannte Kohlenstoff-Dissoziationseinheit einen Laser, einen Elektronenstrahl und eine Lichtbogen-Entladungseinheit umfasst. Das System nach Anspruch 11, wobei das genannte auf Kohlenstoff basierende Material weiterhin mindestens eine Art von auf Metall basierendem Materialumfasst. Das System nach Anspruch 17, wobei die genannte Kontrolleinheit weiterhin Menge und Art des auf Metall basierenden Materials in dem genannten auf Kohlenstoff basierenden Material dynamisch variiert. Das System nach Anspruch 12, das weiterhin ein Substrat umfasst, welches als initiale Nukleierungs-Oberfläche für die genannten Kohlenstoff-Nanoröhrchen geeignet ist. Das System nach Anspruch 19, wobei dieses Substrat Keimmaterial enthält, das nach einem vorbestimmten Muster angeordnet ist, das mit einer ersten Querschnittschicht von den genannten multiplen Querschnittsschichten übereinstimmt. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit vorbestimmter Form unter Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, das folgende Schritte umfasst:

– Einspritzen von auf Kohlenstoff basierendem Material in eine Reaktionszone mit einer vorbestimmten Rate;

– Dissoziieren von Kohlenstoff-Atomen von diesem auf Kohlenstoff basierenden Material mit einer vorbestimmten Rate;

– Isolieren der Reaktionszone bei einer vorbestimmten Temperatur und einem vorbestimmten Druck, wobei die genannten Kohlenstoff-Nanoröhrchen in dieser Reaktionszone nukleieren;

– und dynamisches Einstellen der genannten Einspritzung, Dissoziation und Isolierung zur Nukleierung der genannten Kohlenstoff-Nanoröhrchen in der genannten vorbestimmten Form.
Das Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin folgende Schritte umfasst:

– Auftrennung der genannten vorbestimmten Form in multiple Querschnittschichten;

– und Wiederholung des genannten Schritts der dynamischen Einstellung der Einspritzung, Dissoziation und Isolierung für jede dieser Querschnittschichten, wobei jede aufeinander folgende Querschnittschicht auf eine vorherige Querschnittschicht gestapelt ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin den Schritt des dynamischen Variierens der Einspritzrate des genannten auf Kohlenstoff basierenden Materials umfasst. Das Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin den Schritt des dynamischen Variierens der Dissoziationsrate von diesem auf Kohlenstoff basierenden Material umfasst. Das Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin den Schritt des dynamischen Variierens des genannten vorbestimmten Drucks und der genannten vorbestimmten Temperatur umfasst. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Dissoziationsschritt durch einen Laser, einen Elektronenstrahl oder eine Lichtbogen-Entladungseinheit herbeigeführt wird. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das genannte auf Kohlenstoff basierende Material weiterhin ein auf Metall basierendes Material umfasst. Das Verfahren nach Anspruch 7, das weiterhin den Schritt des dynamischen Variierens einer Konzentration dieses auf Metall basierenden Materials umfasst. Das Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin folgende Schritte umfasst:

– Einspritzen eines auf Kohlenstoff basierenden Materials mit einem ersten auf Metall basierenden Material; und

– Einspritzen eines zweiten auf Kohlenstoff basierenden Materials mit einem zweiten auf Metall basierenden Material.
Das Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin den Schritt des Anpassens einer Wachstumsrichtung des genannten Kohlenstoff-Nanoröhrchens während einer Wachstumsperiode umfasst. Ein System zur Herstellung eines Bauteils mit vorbestimmter Form unter Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, umfassend:

– eine Kohlenstoff-Einspritzeinheit, wobei die genannte Kohlenstoff-Einspritzeinheit ein auf Kohlenstoff basierendes Material in eine Reaktionszone einspritzt;

– eine Kohlenstoff-Dissoziationseinheit, wobei die genannte Kohlenstoff-Dissoziationseinheit Kohlenstoff von dem genannten auf Kohlenstoff basierenden Material dissoziiert;

– eine Isolierungseinheit, wobei die genannte Isolierungseinheit den Druck und die Temperatur der genannten Reaktionszone kontrolliert, wobei die genannten Kohlenstoff-Nanoröhrchen in der genannten Reaktionszone nukleieren; und

– eine Kontrolleinheit, die in Kommunikation mit der genannten Kohlenstoff-Einspritzeinheit, der Kohlenstoff-Dissoziationseinheit und der Isolationseinheit steht und dazu in der Lage ist, die Kohlenstoff-Einspritzeinheit, die Kohlenstoff-Dissoziationseinheit und die Isolationseinheit in einem vorbestimmten Muster dynamisch zu lokalisieren, um die genannten Kohlenstoff-Nanoröhrchen in der genannten vorbestimmten Form zu nukleieren.
Das System nach Anspruch 11, wobei die genannte Kontrolleinheit weiterhin die genannten vorbestimmten Formen in multiple Querschnittschichten aufspaltet, wobei die Nukleierung der genannten Kohlenstoff-Nanoröhrchen für jede genannte multiple Querschnittsschicht wiederholt wird, und wobei jede aufeinander folgende Schicht von Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf eine vorherige Schicht gestapelt ist. Das System nach Anspruch 11, wobei die genannte Kontrolleinheit weiterhin die Injektionsrate des auf Kohlenstoff basierenden Materials dynamisch variiert. Das System nach Anspruch 13, wobei die genannte Kontrolleinheit weiterhin die Dissoziationsrate dynamisch variiert. Das System nach Anspruch 11, wobei die genannte Kontrolleinheit weiterhin den genannten Druck und die genannte Temperatur der genannten Reaktionszone dynamisch variiert. Das System nach Anspruch 11, wobei die genannte Kohlenstoff-Dissoziationseinheit einen Laser, einen Elektronenstrahl und eine Lichtbogen-Entladungseinheit umfasst. Das System nach Anspruch 11, wobei das genannte auf Kohlenstoff basierende Material weiterhin mindestens eine Art von auf Metall basierendem Material umfasst. Das System nach Anspruch 17, wobei die genannte Kontrolleinheit weiterhin Menge und Art des auf Metall basierenden Materials in dem genannten auf Kohlenstoff basierenden Material dynamisch variiert. Das System nach Anspruch 12, das weiterhin ein Substrat umfasst, welches als initiale Nukleierungs-Oberfläche für die genannten Kohlenstoff-Nanoröhrchen geeignet ist. Das System nach Anspruch 19, wobei dieses Substrat Keimmaterial enthält, das nach einem vorbestimmten Muster angeordnet ist, das mit einer ersten Querschnittschicht von den genannten multiplen Querschnittsschichten übereinstimmt.






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