CN110744833A - 碳纳米管薄膜／复合材料成型方法及制成的闪电防护结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于飞机复合材料闪电防护技术领域，具体涉及一种碳纳米管薄膜/复合材料成型方法及制成的闪电防护结构。所述成型方法采用低成本液体成型一步法整体得到超轻碳纳米管薄膜/复合材料闪电防护结构。所述闪电防护结构包括：用作导电层的碳纳米管薄膜；复合材料，包括纤维和填充在纤维中的树脂；胶膜，用于对所述复合材料和碳纳米管薄膜之间的电绝缘；所述碳纳米管薄膜、胶膜和复合材料依次设置。所述闪电防护结构可一步法整体成型所述闪电防护结构。

Description

碳纳米管薄膜／复合材料成型方法及制成的闪电防护结构
技术领域
本发明属于飞机复合材料闪电防护技术领域，具体涉及一种碳纳米管薄膜/ 复合材料成型方法及制成的闪电防护结构。
背景技术
飞机在服役过程中，不可避免的要遭遇雷电天气。相比金属材料，复合材料导电性差，当雷电闪击复合材料构件时，如果没有采取合适的闪电防护措施，构件很难在短时间内将积聚的电流导走，从而导致温度上升，使复合材料产生深度分层或被严重烧蚀，危及正常使用，因此必须对复合材料构件进行闪电防护。目前，对复合材料进行闪电防护措施主要通过在其表面增加导电功能层，包括表面火焰喷涂铝涂层、粘接金属网及粘接铝箔等。
铝涂层防护法，是在复合材料基体上采用转移法进行火焰喷涂来制备铝涂层防护层，即转移膜法，也可以采用等离子电镀法来制备铝涂层，涂层最佳厚度为 0.20mm。铝的电阻率为2.83×10-8Ω·m，其导电性能良好，复合材料表面喷涂铝涂层后会形成一层连续的导电层，该导电层为飞机因摩擦或感应而产生的静电荷和雷击产生的强电流提供了一个释放通道。
网箔保护法采用的是共固化成型的方式，将铝或铜导电格网贴在结构表面或埋在结构最外层下面，其中铜的电阻率为1.75×10-8Ω·m，它的导电性能要优于铝，大密度的铜网格有利于瞬间大流的疏导。铝和铜格网可以层压、喷涂和电镀，当格网固化到复合材料结构上后，其可承受200kA的电流(一般雷击电流为100kA) 而无损伤。维修人员在修理时只要将其损坏部份剥掉，砂除表面，重新胶粘即可。
表面层保护法，适用于在对导电性能要求不是很高的情况。较为常用的是在复合材料表面喷涂防静电涂料，防静电涂料是由起粘结作用的树脂或橡胶以及导电填充剂和溶剂等组成，导电填充剂可以是某种金属粒子，这些金属粒子在聚合物中形成连续的导电网链，从而排放电荷。此外，常用的表面层保护法还有装饰条法，也就是在漆层面上镶上装饰的导电金属条。现在有人已将装饰条发展为装饰层，能像墙纸一样贴上去，既代替了喷漆又兼有导电作用，并能容易地贴上或撕下。
飞机复合材料主要通过在其表面增加导电功能层，将其表面静电荷或电流及时排放的方式来保护飞机，防止雷击和闪电破坏机体。目前，增加导电功能层的措施主要有在复合材料表面火焰喷涂铝涂层、粘接金属网及粘接铝箔等。现有的导电功能层都是金属材料，因其密度较大，无疑会增加飞机的重量；此外，金属与复合材料之间的材料性能差异，造成界面配合和电位腐蚀问题，需要额外引入绝缘层，也导致重量增加；此外，增加导电功能层的措施需要二次工艺，工艺复杂，造成较高的成本。
此外，也有研究采用不同的分散技术将粉体碳纳米管分散到复合材料树脂基体中制备导电复合材料，虽然解决了不同材料间的性能差异问题，但是由于粉体碳纳米管纳米级尺寸团聚问题导致的分散困难，复合材料中导电碳纳米管含量低于2％，制备的复合材料导电性能较差，且碳纳米管的加入导致树脂粘度增大，影响复合材料工艺性。
综上，针对以上缺点，需要提供一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种碳纳米管薄膜/复合材料成型方法及制成的闪电防护结构。所述闪电防护结构解决了现有复合材料闪电防护导电功能层重量较大与本体复合材料融合性差和工序复杂问题，可一步法整体成型所述闪电防护结构。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种碳纳米管薄膜/复合材料闪电防护结构，所述闪电防护结构包括：
用作导电层的碳纳米管薄膜；
复合材料，包括纤维和填充在纤维中的树脂；
胶膜，用于对所述复合材料和碳纳米管薄膜之间的电绝缘；
所述碳纳米管薄膜、胶膜和复合材料依次设置。
进一步地，所述纤维为干纤维，材料不限，可以是碳纤维或玻纤。
进一步地，所述碳纳米管薄膜为连续高导电超轻碳纳米管薄膜。
进一步地，所述碳纳米管薄膜的厚度不小于15μm，厚度可调。
进一步地，所述碳纳米管薄膜的面密度不大于10g/m2。
进一步地，所述碳纳米管薄膜采用浮动催化化学气象沉积法制备得到。
进一步地，所述碳纳米管薄膜的电导率为104-106s/m，且碳纳米管薄膜的各个方向的电导率可调，可以通过调整碳纳米管薄膜内的碳纳米管取向调整各个方向的电导率。
进一步地，所述复合材料的密度为1.5～1.8g/cm3。
进一步地，所述闪电防护结构因采用的碳纳米管薄膜质量很轻，基本上不会增加复合材料的重量，因此，所述闪电防护结构的密度为1.5～1.8g/cm3。
进一步地，采用金属沉积、共价键连结、杂原子掺杂、树脂复合等方法以提高所述碳纳米管薄膜中碳纳米管界面间电子的传递来进一步提高所述碳纳米管薄膜的电导率。
本发明的另一目的在于提供上述碳纳米管薄膜/复合材料闪电防护结构的成型方法，所述成型方法以高导电超轻碳纳米管薄膜为基础，进行多尺度纳米复合材料闪电防护层的结构设计；所述成型方法采用低成本液体成型一步法整体得到超轻碳纳米管薄膜/复合材料闪电防护结构；解决了现有复合材料闪电防护导电功能层重量较大与本体复合材料融合性差和工序复杂问题，可一步法整体成型多尺度超轻碳纳米管复合材料闪电防护结构。
进一步地，所述多尺度是指所述闪电防护结构是具有纳米/微米/毫米/米级的结构：单根碳纳米管是纳米级，碳纳米管薄膜是微米级，复合材料厚度是毫米级，复合材料是米级。
进一步地，所述成型方法包括以下步骤：
S1，选取液体成型工艺用工装，清理工装并涂脱模剂；
S2，工装从下到上依次铺放第一可剥布、碳纳米管薄膜、胶膜、纤维、第二可剥布、隔离膜、导流网、内真空袋、透气毡和外真空袋；所述内真空袋和外真空外与所述工装接触处密封，采用密封胶密封；
S3，在抽真空作用下，将液体树脂从所述内真空袋和外真空袋的进胶口导入、出胶口导出，直至所述液体树脂完全浸润S2中的纤维，再固化所述液体树脂；
S4，所述液体树脂固化成型后，拆除第一可剥布、第二可剥布、隔离膜、导流网、内真空袋、透气毡和外真空袋，得到所述碳纳米管薄膜/复合材料闪电防护结构。
进一步地，所述脱模剂为AXELCX-500、PMR-EZ或其它型号的脱模剂，在清理工装后涂覆，固化后辅助脱模。
进一步地，所述S2中的铺放采用手工铺放或自动铺放，自动铺放采用自动铺带机或自动铺丝机。
进一步地，S3中所述固化采用固化炉进行固化。
进一步地，所述复合材料为预浸料时，采用热压罐制备得到所述碳纳米管薄膜/复合材料闪电防护结构；具体为：将碳纳米管薄膜、胶膜和预浸料依次铺放，置于热压罐中固化得到所述碳纳米管薄膜/复合材料闪电防护结构。
进一步地，S3中抽真空后的真空度为-90KPa以上。
进一步地，S3中固化的温度及固化时间随着不同树脂体系不同而有异，常用的航空树脂体系固化温度为180℃，固化时间为2h。
进一步地，所述液体树脂灌入的量由最终复合材料的纤维含量倒推计算；树脂由进胶口进入，多余树脂由出胶口溢出。
进一步地，所述复合材料中，纤维的体积含量为55％左右，树脂和纤维的体积之和是100％。
进一步地，所述成型方法中，可剥布、隔离膜为辅助材料，保护辅助材料表面，导流网为液体成型工艺中的树脂导流介质，辅助树脂浸润干纤维预成型体；内真空袋用于提供所需真空环境，以吸入树脂；透气起到导气作用，时真空袋内各区域压力均匀；外真空袋一方面在内真空袋破损的情况下防止漏气，用于保证真空；另一方面内真空袋不漏的情况下提供外在均匀压力，使复合材料各区域厚度方向压力相同，厚度均匀。
本发明具有如下有益技术效果：
1)本发明的成型方法采用连续高导电超轻碳纳米管薄膜作为导电功能层，密度低，面密度不大于10g/m2，且与复合材料同为碳材料，与复合材料融合性好，降低界面问题。此外，可利用金属沉积、共价键连结、杂原子掺杂、树脂复合等方法提高碳纳米管薄膜的导电性。
2)本发明的成型方法相比于现有的金属导电功能层与本体复合材料复合采用的二次工艺，本发明的成型方法采用液体成型一步法制备得到碳纳米管薄膜/ 复合材料闪电防护结构，不需要二次胶接，简化了工艺。
3)本发明的闪电防护结构中，高导电超轻碳纳米管薄膜与复合材料间采用一层胶膜，不必额外采用绝缘玻纤层；既可保持碳纳米管薄膜的导电率，保证了闪电防护效果，又可减轻重量，改善导电功能层与复合材料间的界面粘结效果。
4)本发明的闪电防护结构采用碳纳米管薄膜代替现有的铜网、铝箔等金属导电功能层，相比于现有的铜网、铝箔等金属导电功能层，连续高导电超轻碳纳米管薄膜作为导电功能层，密度低，且与本体复合材料同为碳材料，界面融合性好。
5)本发明的闪电防护结构相比于现有的金属导电功能层与本体复合材料间，为避免电位腐蚀增加的玻纤绝缘层，本方法提出的多尺度超轻碳纳米管薄膜与本体复合材料间采用一层胶膜，不必额外采用绝缘玻纤层，既可保持碳纳米管薄膜的导电率从而保证闪电防护效果，又可减轻重量，改善导电功能层与本体复合材料间的界面粘结效果。
附图说明
图1为本发明实施例中闪电防护结构的结构示意图。
图2本发明实施例中碳纳米管薄膜微观形貌图。
图3为本发明实施例的成型方法中铺放各层的结构示意图。
图4为本发明实施例的成型方法中液体树脂导入及导出的位置示意图。
图5为本发明实施例的成型方法的流程示意图。
附图标记说明：1为碳纳米管薄膜，2为胶膜，3为复合材料，31为纤维。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例及说明书附图，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效教学方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
实施例1
本实施例提出一种碳纳米管薄膜/复合材料闪电防护结构，如图1和图2所示，所述闪电防护结构包括：
用作导电层的碳纳米管薄膜；
复合材料，包括纤维和填充在纤维中的树脂；
胶膜，用于对所述复合材料和碳纳米管薄膜之间的电绝缘；
所述碳纳米管薄膜、胶膜和复合材料依次设置。
所述纤维为干纤维，材料不限，可以是碳纤维或玻纤。
所述碳纳米管薄膜为连续高导电超轻碳纳米管薄膜。
所述碳纳米管薄膜的厚度不小于15μm，厚度可调。
所述碳纳米管薄膜的面密度不大于10g/m2。
所述碳纳米管薄膜采用浮动催化化学气象沉积法制备得到。
所述碳纳米管薄膜的电导率为104-106s/m，可调。
所述复合材料的密度为1.5～1.8g/cm3。
所述闪电防护结构因采用的碳纳米管薄膜质量很轻，基本上不会增加复合材料的重量，因此，所述闪电防护结构的密度为1.5～1.8g/cm3。
采用金属沉积、共价键连结、杂原子掺杂、树脂复合等方法以提高所述碳纳米管薄膜中碳纳米管界面间电子的传递来进一步提高所述碳纳米管薄膜的电导率。
实施例2
本实施例提供一种制备实施例1中的碳纳米管薄膜/复合材料闪电防护结构的成型方法，所述成型方法以高导电超轻碳纳米管薄膜为基础，进行多尺度纳米复合材料闪电防护层的结构设计；所述成型方法采用低成本液体成型一步法整体得到超轻碳纳米管薄膜/复合材料闪电防护结构；解决了现有复合材料闪电防护导电功能层重量较大与本体复合材料融合性差和工序复杂问题，可一步法整体成型多尺度超轻碳纳米管复合材料闪电防护结构。
所述多尺度是指所述闪电防护结构是具有纳米/微米/毫米/米级的结构：单根碳纳米管是纳米级，碳纳米管薄膜是微米级，复合材料厚度是毫米级，复合材料是米级。
参考图3、图4和图5，所述成型方法包括以下步骤：
S1，选取液体成型工艺用工装，清理工装并涂脱模剂；
S2，工装从下到上依次铺放第一可剥布、碳纳米管薄膜、胶膜、纤维、第二可剥布、隔离膜、导流网、内真空袋、透气毡和外真空袋；所述内真空袋和外真空外与所述工装接触处密封，采用密封胶密封；
S3，在抽真空作用下，将液体树脂从所述内真空袋和外真空袋的进胶口导入、出胶口导出，直至所述液体树脂完全浸润S2中的纤维，再固化所述液体树脂；
S4，所述液体树脂固化成型后，拆除第一可剥布、第二可剥布、隔离膜、导流网、内真空袋、透气毡和外真空袋，得到所述碳纳米管薄膜/复合材料闪电防护结构。
所述脱模剂为AXELCX-500、PMR-EZ或其它同等功能牌号，在清理模具后涂覆，固化后辅助脱模。
所述S2中的铺放采用手工铺放或自动铺放，自动铺放采用自动铺带机或自动铺丝机。
S3中所述固化采用热压罐或固化炉进行固化。
S3中真空的真空度为-90KPa以上。
S3中固化的温度及固化时间随着不同树脂体系不同而有异，常用的航空树脂体系固化温度为180℃，固化时间为2h。
所述液体树脂灌入的量由最终复合材料的纤维含量倒推计算；树脂由进胶口进入，多余树脂由出胶口溢出。
所述复合材料中，纤维的体积含量为55％左右，树脂和纤维的体积之和是 100％。
所述成型方法中，可剥布、隔离膜为辅助材料，保护辅助材料表面，导流网为液体成型工艺中的树脂导流介质，辅助树脂浸润干纤维预成型体；内真空袋用于提供所需真空环境，以吸入树脂；透气起到导气作用，时真空袋内各区域压力均匀；外真空袋一方面在内真空袋破损的情况下防止漏气，用于保证真空；另一方面内真空袋不漏的情况下提供外在均匀压力，使复合材料各区域厚度方向压力相同，厚度均匀。
实施例3
本实施例提供一种制备实施例1中的碳纳米管薄膜/复合材料闪电防护结构的成型方法，所述复合材料为预浸料时，采用热压罐制备得到所述碳纳米管薄膜 /复合材料闪电防护结构；具体为：将碳纳米管薄膜、胶膜和预浸料依次铺放，置于热压罐中固化得到所述碳纳米管薄膜/复合材料闪电防护结构。
以上对本发明实施例所提供的一种碳纳米管薄膜/复合材料成型方法及制成的闪电防护结构进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种碳纳米管薄膜/复合材料闪电防护结构的成型方法，其特征在于，所述成型方法采用低成本液体成型一步法整体得到超轻碳纳米管薄膜/复合材料闪电防护结构。
2.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，所述成型方法包括以下步骤：
S1，选取液体成型工艺用工装，清理工装并涂脱模剂；
S2，工装从下到上依次铺放第一可剥布、碳纳米管薄膜、胶膜、纤维、第二可剥布、隔离膜、导流网、内真空袋、透气毡和外真空袋；所述内真空袋和外真空外与所述工装接触处密封，采用密封胶密封；
S3，在抽真空作用下，将液体树脂从所述内真空袋和外真空袋的进胶口导入、出胶口导出，直至所述液体树脂完全浸润S2中的纤维，再固化所述液体树脂；
S4，所述液体树脂固化成型后，拆除第一可剥布、第二可剥布、隔离膜、导流网、内真空袋、透气毡和外真空袋，得到所述碳纳米管薄膜/复合材料闪电防护结构。
3.根据权利要求2所述的成型方法，其特征在于，所述脱模剂为AXEL CX-500、PMR-EZ或其它型号的脱模剂，在清理工装后涂覆，固化后辅助脱模。
4.根据权利要求2所述的成型方法，其特征在于，所述S2中的铺放采用手工铺放或自动铺放，自动铺放采用自动铺带机或自动铺丝机。
5.根据权利要求2所述的成型方法，其特征在于，S3中所述固化采用热压罐或固化炉进行固化。
6.一种采用如权利要求1～5任一项所述的成型方法制备得到的碳纳米管薄膜/复合材料闪电防护结构，其特征在于，所述闪电防护结构包括：
用作导电层的碳纳米管薄膜；
复合材料，包括纤维和填充在纤维中的树脂；
胶膜，用于对所述复合材料和碳纳米管薄膜之间的电绝缘；
所述碳纳米管薄膜、胶膜和复合材料依次设置。
7.根据权利要求6所述的碳纳米管薄膜/复合材料闪电防护结构，其特征在于，所述碳纳米管薄膜为连续高导电超轻碳纳米管薄膜。
8.根据权利要求6所述的碳纳米管薄膜/复合材料闪电防护结构，其特征在于，所述碳纳米管薄膜的厚度不小于15μm。
9.根据权利要求6所述的碳纳米管薄膜/复合材料闪电防护结构，其特征在于，所述碳纳米管薄膜的面密度不大于10g/m2。
10.根据权利要求6所述的碳纳米管薄膜/复合材料闪电防护结构，其特征在于，所述碳纳米管薄膜的电导率为104-106s/m。
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