CN102838763A - 利用导电无机晶须增进碳纤维叠层复合材料导电性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于功能复合材料领域，涉及一种利用导电无机晶须增进碳纤维叠层复合材料导电性的方法。其主要特征为将具有高导电性的改性四针状氧化锌晶须引入到层合碳纤维复合材料层间，通过导电四针状氧化锌晶须的尖端接触或插入到上下碳纤维铺层起到层间和层内导电通路作用，从而增进复合材料的层间导电性。

Description

利用导电无机晶须增进碳纤维叠层复合材料导电性的方法

技术领域

本发明属于功能复合材料领域，涉及一种利用导电无机晶须增进碳纤维叠层复合材料导电性的方法。

背景技术

连续碳纤维增强树脂基叠层复合材料由于其高的比强度和比刚度，在现代飞机应用越来越多，但这种复合材料由于其结构特点，具有层内导电性不足，层间富树脂层呈现高阻的特点，因此如何提高复合材料导电性以防雷击的问题不可避免。

复合材料抗雷击或增进导电性主要通过两种方法来实现，其一为在复合材料的表面直接覆以一层导电层，如添加金属网、金属条等（WO2005032812-A2、US2005181203-A1），如近年来有大量专利和文献报道的则是在复合材料表面覆盖碳纳米管纸、碳纤维/碳纳米管等杂化的导电层及其它形式的导电层等（如参考专利CN 102001448A、EP2289803-A2及US2011049292-A1）；其二为通过添加导电粒子等方法增进层间导电性，如US2009140098-A1提出了在复合材料树脂基体中添加碳纳米管以增进导电性的方法等。

目前通过在复合材料层间添加导电粒子的方法通常采用碳纳米材料，但由于碳纳米类材料的共轭电子离域的导电形式存在接触电阻很大并且缺陷较多，引起导电性不足的问题。此外将多数导电材料添加到层间，由于在压力作用下导电材料长轴方向都会有沿铺层面分布的倾向，导致上下铺层与导电材料的接触较差，由此带来的接触电阻极大地增加了层厚方向的电阻。

四针状氧化锌晶须由于其特殊的四针状结构，可以被用来作为高分子材料的基体的增韧增强改性剂，已有专利如CN200810183554.4将四针状氧化锌晶须置于层间提高复合材料层间断裂韧性。但通常的氧化锌晶须具有半导体特性，其导电性差，无益于提高复合材料层间导电性。现有技术中有通过表面镀金属层或者掺杂改性使得这种晶须导电性大为提高（如CN1298039），但尚无应用于复合材料层间以提高层间的导电性的先例。将导电性四针状氧化锌晶须引入到复合材料层间，氧化锌晶须的四针状的结构特征和略大于层间富树脂层的尺寸使得晶须可以较好接触或插入到上下铺层中，起到上下铺层连接导体的作用，并减少了接触电阻，同时不丧失专利CN200810183554.4中所述的提高层间断裂韧性的功能。

发明内容

本发明的目的：本发明的目的是提出一种增进连续碳纤维叠层复合材料的层间导电性的方法，以增进叠层复合材料的层间导电性和整体导电性。

本发明的技术解决方案是：

将具有导电性的改性四针状氧化锌晶须引入到碳纤维叠层复合材料层间。

所用的导电改性四针状氧化锌晶须为表面具有金属镀层的四针状氧化锌晶须或经过掺杂改性的导电氧化锌晶须，导电改性四针状氧化锌晶须体积电阻率在10Ω·cm以下。

所述层间引入导电性的四针状氧化锌晶须的方法为单一晶须粉末或和定型剂粉末共混粉末喷洒附着或以上粉末的分散液喷洒附着。

本发明的优点和特点是：

本发明将具有高导电性的改性四针状氧化锌晶须引入到连续碳纤维叠层复合材料层间，利用导电尖端易于与上下铺层接触并能够插入到铺层内起到接触导通的作用，以增进叠层复合材料的层间导电性和整体导电性。以非常简单的方法增进了连续纤维叠层复合材料的层间导电性，充分利用了四针状无机氧化锌晶须的四针状结构特征，利用了表面覆盖金属镀层改性和掺杂改性的无机氧化锌晶须的高导电性，为复合材料层间和部分层内纤维之间的接触导通搭建导电通路，改善了复合材料层间导电性。本发明可适用于各种成型工艺和树脂体系，可适用于各种引入导电四针状无机氧化锌晶须的方法。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明的设计和制备技术做进一步详细说明。

第一步，是在碳纤维织物和预浸料中附载导电四针状氧化锌晶须。该步骤是将导电四针状氧化锌晶须引入到叠层复合材料层间，其引入方法可以多种多样，比如利用粉尘喷洒吸附、利用悬浮液喷洒或涂附而后干燥等，但需要保持附载的均匀，以防止局部富集导致的应力集中。为了提高改性晶须在碳纤维铺层上的附着能力和铺层的铺覆性能，更优选的方案可以和定型剂粉末共混喷洒到碳纤维织物或预浸料上面，利用定型剂粉末的升温粘结性提高改性晶须在碳纤维铺层上的附着能力和铺层的铺覆性能。

由于通常氧化锌晶须本身为半导体，导电性差，因此本专利方案里利用导电改性的氧化锌晶须，包含导电掺杂改性（如铝掺杂）和表面覆有金属层或其它材料的导电层的氧化锌晶须，如此才能有效地在层间起到导电桥的作用。

第二步，按照常规工艺对这种预制体进行成型和固化，从而得到一种层间导电性改进的复合材料终态制品。

标准连续碳纤维增强复合材料的层间富树脂，导致复合材料厚度方向的绝缘电阻最高。因此，通过利用导电氧化锌晶须特殊的四针状结构，而且层间富树脂层厚度（约10~20μm）小于氧化锌晶须的表观尺寸（约20~50μm），晶须又同时具有较高的刚度和较细的四针臂，因此能够扎入到碳纤维铺层中，起到导电连接作用。根据宏观导电体系的串并联模型，在电阻最高的层间和部分层内利用导电性高的改性氧化锌架导电桥，从而有效增进了复合材料在层厚方向的导电性，这是本发明的原理。

实施例1：

（1-1）将含银镀层的四针状氧化锌晶须通过粉尘喷洒附着于连续碳纤维单向增强的环氧树脂基预浸料的表面，随后一一进行铺层，碳纤维T300、3K，环氧树脂5228（北京航空材料研究院产品），定型后得到层间附载导电氧化锌晶须的复合材料预制体；

（1-2）按该环氧树脂预浸料规定的固化工艺，将上述复合材料预制体利用常规的模压方法进行真空成型固化，得到相应的层间导电性改善的环氧树脂基复合材料制品。

实施例2：

（2-1）将水分散的氧化铝掺杂改性四针状氧化锌晶须喷洒于连续碳纤维增强缎纹织物表面，烘干后用表面附有晶须的织物一一进行铺层，碳纤维T700、12K，定型后得到层间附载的导电氧化锌晶须的复合材料预制体；

（2-2）利用RTM工艺，将液态苯并嗪（BOZ）树脂、德国Henkel公司产品Epsilon，注入预制体并浸渍完全，然后按照该BOZ树脂规定的工艺进行成型和固化，最终得到RTM成型的层间导电性改善苯并嗪树脂基的复合材料制品。

实施例3：

（3-1）将含铜镀层的四针状氧化锌晶须和环氧树脂定型剂粉末均匀洒于连续碳纤维增强的环氧树脂预浸料的表面，热熔使两者牢牢粘附于铺层表面，随后进行铺层，碳纤维T800、12K，环氧树脂QY9611（北京航空制造工程研究所产品），得到复合材料预制体；

（3-2）按该环氧树脂预浸料规定的固化工艺，利用热压罐方法进行成型固化，得到层间导电性改善的复合材料制品。

实施例4：

（4-1）将含银镀层的四针状氧化锌晶须和双马树脂定型剂粉末均匀洒于碳纤维织物上，碳纤维T300、3K，热熔后共混粉末牢牢附着在织物表面，经铺层和定型后得到层间含织物附载的导电氧化锌的复合材料预制体；

（4-2）利用RTM工艺，将液态双马来酰亚胺（BMI）树脂6421（北京航空材料研究院产品），按照该树脂RTM成型的工艺要求注入，然后再按规定的工艺进行成型固化，最终得到碳纤维增强、导电性提高的双马来酰亚胺树脂基复合材料制品。

Claims (3)

1.一种利用导电无机晶须增进碳纤维叠层复合材料导电性的方法，其特征为，将具有导电性的改性四针状氧化锌晶须引入到碳纤维叠层复合材料层间。

2.如权利要求1所述的利用导电无机晶须增进碳纤维叠层复合材料导电性的方法，其特征为，所用的导电改性四针状氧化锌晶须为表面具有金属镀层的四针状氧化锌晶须或经过掺杂改性的导电氧化锌晶须，导电改性四针状氧化锌晶须体积电阻率在10Ω·cm以下。

3.如权利要求1所述的利用导电无机晶须增进碳纤维叠层复合材料导电性的方法，其特征为，所述层间引入导电性的四针状氧化锌晶须的方法为单一晶须粉末或和定型剂粉末共混粉末喷洒附着或以上粉末的分散液喷洒附着。