CN111688232B - 一种碳纳米管/碳纤维复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种碳纳米管/碳纤维复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN111688232B
CN111688232B CN202010536584.XA CN202010536584A CN111688232B CN 111688232 B CN111688232 B CN 111688232B CN 202010536584 A CN202010536584 A CN 202010536584A CN 111688232 B CN111688232 B CN 111688232B
Authority
CN
China
Prior art keywords
carbon
carbon fiber
carbon nanotube
composite material
fiber composite
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010536584.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN111688232A (zh
Inventor
高锋
张晖
张忠
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Center for Nanosccience and Technology China
Original Assignee
National Center for Nanosccience and Technology China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Center for Nanosccience and Technology China filed Critical National Center for Nanosccience and Technology China
Priority to CN202010536584.XA priority Critical patent/CN111688232B/zh
Publication of CN111688232A publication Critical patent/CN111688232A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111688232B publication Critical patent/CN111688232B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/06—Fibrous reinforcements only
    • B29C70/10—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres
    • B29C70/16—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • B29C70/30—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
    • B29C70/34—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core and shaping or impregnating by compression, i.e. combined with compressing after the lay-up operation
    • B29C70/345—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core and shaping or impregnating by compression, i.e. combined with compressing after the lay-up operation using matched moulds

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Reinforced Plastic Materials (AREA)

Abstract

本发明提供一种碳纳米管/碳纤维复合材料及其制备方法和应用。所述碳纳米管/碳纤维复合材料由上到下依次包括：碳纳米管超顺排薄膜层、绝缘防护层和含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层。本发明所述碳纳米管/碳纤维复合材料具有优异的层间断裂韧性和高的表面电导率，且碳纳米管与碳纤维复合材料粘结力强，可以有效提高复合材料的闪电防护效果。

Description

一种碳纳米管/碳纤维复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于复合材料闪电防护技术领域，具体涉及一种碳纳米管/碳纤维复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
目前，国际主流的大型客机大量使用碳纤维复合材料作为其主体结构，从而降低飞机重量，降低油耗，节省成本。根据相关报道，最新型飞机碳纤维复合材料的用量超过50％。碳纤维复合材料的大量应用在大幅度提高飞机性能的同时，也存在一些问题：
1.复合材料的导电性与金属相比存在很大的差距，对雷电相当敏感，遭到雷击后损失更大。有统计表明，一架固定航线的飞机，平均每年要遭到一次雷击，由此造成的飞行安全事故时有发生，有些是灾难性的。迄今为止，至少有2500架飞机被雷电击毁。因此，将大气雷电环境给飞行安全带来的影响减至最小，一直是人们努力追求的目标。2.碳纤维/环氧复合材料层合板抵抗厚度方向载荷的能力仍然较弱，容易发生“分层”，即层间脱胶或开裂现象，使这种高性能复合材料在工程领域中的应用受到了严重限制。如其用作飞机的主承力结构件时，常常会受到外来低速载荷的冲击，在层状复合材料内部产生不可见的分层损伤，进而降低材料的强度和刚度，严重时甚至会酿成灾难性的后果。此外，层状复合材料结构件在生产制造、运输及使用过程中也可能会产生分层及损坏的现象，影响其可靠性。
CN110744833A公开了一种碳纳米管薄膜/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。然而，该复合材料仅含碳纳米管薄膜层，层间断裂韧性差，层间脱胶或开裂现象，使这种高性能复合材料在工程领域中的应用受到了严重限制。
CN104789175A公开了一种绝缘导热耐烧蚀胶黏剂及其在闪电防护中的应用。该发明使用一定厚度的该绝缘导热耐烧蚀胶黏剂将导电薄膜粘贴于连续碳纤维层叠复合材料制件表面时，可以阻止电流向连续碳纤维层叠复合材料制件的传导，提高导电薄膜的闪电防护效果，然而其工艺过程过于繁杂，且层间断裂韧性较差。
因此，作为航空用复合材料，制备兼具高层间韧性和表面闪电防护功能与一体的结构-功能一体化复合材料是未来航空的发展方向。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种碳纳米管/碳纤维复合材料及其制备方法和应用。所述碳纳米管/碳纤维复合材料具有高的层间断裂韧性且表面电导率高，可用于闪电防护领域。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种碳纳米管/碳纤维复合材料，所述碳纳米管/碳纤维复合材料由上到下依次包括：碳纳米管超顺排薄膜层、绝缘防护层和含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层。
“碳纳米管/碳纤维复合材料”表示本发明复合材料是由碳纳米管和碳纤维复合得到的材料。在本发明中，所述含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层为复合材料的层间提供了较多的垂直于碳纤维方向取向的碳纳米管，当所述复合材料收到冲击微裂纹扩展至碳纳米管附近时，由于高拉伸强度与模量、高断裂应变及大长径比的碳纳米管横亘在裂纹前端，其会通过桥联作用阻止裂纹继续沿原方向扩展，从而显著提高层间断裂韧性。而碳纳米管超顺排薄膜层具有优异的导电性，可以起到防护闪电的作用。
本发明中，所述碳纳米管超顺排薄膜层包括至少1层(例如可以是1层、2层、3层、4层、5层等)的碳纳米管超顺排薄膜。
优选地，所述碳纳米管超顺排薄膜由100层以上的碳纳米管组成，例如可以是100层、200层、300层、400层、500层、600层、700层、800层、900层、1000层、1200层、1400层、1600层、1800层、2000层等，优选为由500层以上的碳纳米管组成。
本发明中，当所述碳纳米管超顺排薄膜层优选为由500层以上的碳纳米管组成时，在闪电冲击试验后，碳纤维表面外面无明显变化，超声波探伤表明碳纤维复合材料未受到损伤，闪电防护效果最为优异。
优选地，所述碳纳米管超顺排薄膜层的厚度为1-20μm，例如可以是1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、10μm、12μm、14μm、15μm、16μm、18μm、20μm等。
优选地，所述绝缘防护层为玻璃纤维预浸料层。
优选地，所述玻璃纤维预浸料层的层数为1-5层，例如可以是1层、2层、3层、4层、5层等，优选为3层。
优选地，所述玻璃纤维预浸料层的厚度为50-400μm，例如可以是50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm等，优选为100μm。
优选地，所述含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层的层数为10-50层，例如可以是10层、15层、20层、25层、30层、35层、40层、45层、50层等。
优选地，所述含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层是由碳纳米管阵列通过冷冻转印在碳纤维预浸料上得到的。
本发明中，采用冷冻的方法将碳纳米管阵列转印到碳纤维预浸料上，既能使碳纳米管阵列很好地分散在碳纤维预浸料之间的界面上，起到增强界面结合强度的作用，又能很好地分布在预浸料的树脂基体中，在基体中阻碍位错移动和裂纹扩展的不足。而且使用冷冻的方法能够引入较高含量的碳纳米管，提升转印的碳纳米管阵列尺寸。
优选地，所述碳纳米管阵列中碳纳米管的直径为10-20nm，例如可以是10nm、12nm、14nm、16nm、18nm、20nm等。
优选地，所述碳纳米管阵列的高度为500-1000μm，例如可以是500μm、600μm、700μm、800μm、900μm、1000μm等。
优选地，所述碳纳米管阵列的尺寸为(100-1000)mm×(100-1000)mm，例如可以是100mm×100mm、100mm×200mm、200mm×200mm、300mm×150mm、300mm×100mm、300mm×200mm、400mm×150mm、500mm×200mm等，优选为300mm×150mm。
优选地，所述冷冻的温度为-18～-5℃，例如可以是-18℃、-16℃、-14℃、-12℃、-10℃、-8℃、-6℃、-5℃等，所述冷冻的时间为10-30min，例如可以是10min、12min、14min、16min、18min、20min、22min、24min、26min、28min、30min等。
优选地，所述含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层由以下方法制备得到：将生长在石英玻璃上的碳纳米管阵列压印在碳纤维预浸料上后，冷冻，剥离石英玻璃，得到所述含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层。
优选地，所述碳纤维预浸料需要预热，所述预热的温度为50-80℃，例如可以是50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃等，所述预热的时间为10-30min，例如可以是10min、12min、14min、16min、18min、20min、22min、24min、26min、28min、30min等。
优选地，所述压印的压力为1.5-3.5MPa，例如可以是1.5MPa、1.7MPa、1.9MPa、2.1MPa、2.3MPa、2.5MPa、3MPa、3.1MPa、3.3MPa、3.5MPa等。
优选地，所述含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层由以下方法制备得到：将碳纤维预浸料在50-80℃下预热10-30min后，将生长在石英玻璃上的碳纳米管阵列在1.5-3.5MPa的压力下压印在预热的碳纤维预浸料上后，再在-18～-5℃下冷冻10-30min，剥离石英玻璃后，得到含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的碳纳米管/碳纤维复合材料的制备方法，所述碳纳米管/碳纤维复合材料的制备方法为：通过热压将碳纳米管超顺排薄膜层、绝缘防护层和含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层复合，得到所述碳纳米管/碳纤维复合材料。
在本发明中，所述碳纳米管超顺排薄膜层中的超顺排碳纳米管未做任何表面处理，在热压成型时，碳纤维预浸料层中的树脂向上渗透，靠近碳纤维预浸料层的一侧树脂含量高，粘结力强，因此能够充分与碳纤维复合材料粘结力强；而远离碳纤维预浸料层一侧的树脂含量低，从而有效提高电导率，形成具有梯度特征的闪电防护层。
优选地，所述碳纳米管/碳纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：在预热的模具内依次铺放含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层、绝缘防护层和热压将碳纳米管超顺排薄膜层，对模具整体进行热压，脱模后，得到所述碳纳米管/碳纤维复合材料。
优选地，所述预热的温度为40-60℃，例如可以是40℃、42℃、44℃、46℃、48℃、50℃、52℃、54℃、56℃、58℃、60℃等，所述预热的时间为5-20min，例如可以是5min、6min、8min、10min、12min、14min、16min、18min、20min等。
优选地，所述热压的过程为：先将模具整体在已预热至70-90℃(例如可以是70℃、75℃、80℃、85℃、90℃等)的模压机上放置20-40min(例如可以是20min、25min、30min、35min、40min等)，再升温至140-160℃(如可以使140℃、145℃、150℃、155℃、160℃等)，加压至2-3MPa(例如可以是2MPa、2.2MPa、2.4MPa、2.6MPa、2.8MPa、3MPa等)，固化0.5-2h(例如可以是0.5h、0.6h、0.8h、1h、1.2h、1.4h、1.6h、1.8h、2h等)。
优选地，所述碳纳米管/碳纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：将模具在40-60℃下预热5-20min，在预热的模具内依次铺放含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层、绝缘防护层和碳纳米管超顺排薄膜层后；再将模具整体在已预热至70-90℃的模压机上放置20-40min，再升温至140-160℃，加压至2-3MPa，固化0.5-2h，脱模后，得到所述碳纳米管/碳纤维复合材料。
第三方面，本发明提供一种如第一方面所述的碳纳米管/碳纤维复合材料在制备闪电防护材料中的应用。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述碳纳米管/碳纤维复合材料具有优异的层间断裂韧性和高的表面电导率，且碳纳米管与碳纤维复合材料粘结力强，从而有效提高复合材料的闪电防护效果。
(2)本发明制备得到的碳纳米管/碳纤维复合材料层间断裂韧性GIC值为350～750J/m2，电导率为2.5*103～8.4*104S/m。
附图说明
图1为实施例1制备的碳纳米管/碳纤维复合材料经闪电冲击后外观形貌图；
图2为实施例1制备的碳纳米管/碳纤维复合材料经闪电冲击后无损探伤的表面图；
图3为实施例1制备的碳纳米管/碳纤维复合材料经闪电冲击后无损探伤的截面图；
图4为实施例2制备的碳纳米管/碳纤维复合材料经闪电冲击后外观形貌图；
图5为实施例2制备的碳纳米管/碳纤维复合材料经闪电冲击后无损探伤表面图；
图6为实施例2制备的碳纳米管/碳纤维复合材料经闪电冲击后无损探伤截面图；
图7为实施例3制备的碳纳米管/碳纤维复合材料经闪电冲击后外观形貌图；
图8为实施例3制备的碳纳米管/碳纤维复合材料经闪电冲击后无损探伤表面图；
图9为对实施例3制备的碳纳米管/碳纤维复合材料经闪电冲击后无损探伤截面图；
图10为对比例1制备的碳纤维复合材料经闪电冲击后外观形貌图；
图11为对比例1制备的碳纤维复合材料经闪电冲击后无损探伤表面图；
图12为对比例1制备的碳纤维复合材料经闪电冲击后无损探伤截面图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
以下实施例中所提供的碳纤维预浸料购于(生产厂家：威海光威，牌号：USN10000)，玻璃纤维预浸料购于(生产厂家：威海光威，牌号：GSN 12500)，脱模剂购于(生产厂家：DAIKIN，牌号：GA9700)。
实施例1
本实施例提供一种碳纳米管/碳纤维复合材料，所述碳纳米管/碳纤维复合材料由上到下依次包括：碳纳米管超顺排薄膜层、玻璃纤维预浸料层和含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层。所述碳纳米管超顺排薄膜层包括1层碳纳米管超顺排薄膜层，该碳纳米管超顺排薄膜层由1000层碳纳米管组成，厚度为10μm；所述玻璃纤维预浸料层包括3层玻璃纤维预浸料，每层玻璃纤维预浸料的厚度为100μm；所述含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层包括30层含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层。
本实施例所述碳纳米管/碳纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将碳纤维预浸料放置在50℃的烘箱中预热10min，将生长在石英玻璃上的碳纳米管阵列(该碳纳米管阵列种碳纳米管的直径为15nm，碳纳米管阵列的高度为800μm，尺寸为300mm×150mm)在2.5MPa的压力下压印在预热的碳纤维预浸料上后，再在-18℃下冷冻20min，剥离石英玻璃后，得到含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层；
(2)将涂好脱模剂的模具放置于烘箱中预热2h，烘箱温度设置为50℃，在预热好的模具内依次铺放30层含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层、3层玻璃纤维预浸料层和1层由1000层碳纳米管组成的碳纳米管超顺排薄膜层后，合上模具上模、挡板，上螺栓固定；再将模具放置在已预热至80℃的模压机上放置30min，之后升温至150℃，加压至2.5MPa固化1h，冷却至室温，脱模后，得到所述碳纳米管/碳纤维复合材料。
对本实施例制备得到的碳纳米管/碳纤维复合材料进行100kA闪电冲击试验，并采用超声波对复合材料损伤进行评价，图1为实施例1制备的碳纳米管/碳纤维复合材料经闪电冲击后外观形貌图，图2为实施例1制备的碳纳米管/碳纤维复合材料经闪电冲击后无损探伤的表面图，图3为实施例1制备的碳纳米管/碳纤维复合材料经闪电冲击后无损探伤的截面图。由图1、图2和图3可以看出，闪电冲击试验后，碳纤维表面外面无明显变化，超声波探伤表明碳纤维复合材料未受到损伤，说明碳纳米管/碳纤维复合材料可用于闪电防护。
实施例2
本实施例提供一种碳纳米管/碳纤维复合材料，与实施例1的区别仅在于，所述碳纳米管超顺排薄膜层由100层的碳纳米管组成，所述碳纳米管超顺排薄膜层的厚度为1μm。
对本实施例制备得到的碳纳米管/碳纤维复合材料进行100kA闪电冲击试验，并采用超声波对复合材料损伤进行评价，图4为实施例2制备的碳纳米管/碳纤维复合材料经闪电冲击后外观形貌图，图5为实施例2制备的碳纳米管/碳纤维复合材料经闪电冲击后无损探伤表面图，图6为实施例2制备的碳纳米管/碳纤维复合材料经闪电冲击后无损探伤截面图。由图4、图5和图6可以看出，闪电冲击试验后，碳纤维表面发生严重烧蚀。
实施例3
本实施例提供一种碳纳米管/碳纤维复合材料，与实施例1的区别仅在于，所述碳纳米管超顺排薄膜层由500层的碳纳米管组成，所述碳纳米管超顺排薄膜层的厚度为5μm。
对本实施例制备得到的碳纳米管/碳纤维复合材料进行100kA闪电冲击试验，并采用超声波对复合材料损伤进行评价，图7为实施例3制备的碳纳米管/碳纤维复合材料经闪电冲击后外观形貌图，图8为实施例3制备的碳纳米管/碳纤维复合材料经闪电冲击后无损探伤表面图，图9为对实施例3制备的碳纳米管/碳纤维复合材料经闪电冲击后无损探伤截面图。由图7、图8和图9可以看出，闪电冲击试验后，碳纤维表面发生严重烧蚀。
对比例1
本对比例提供一种碳纤维复合材料，所述碳纤维复合材料仅包括：碳纤维预浸料层，所述碳纤维预浸料层的层数为30层，每层厚度为100μm。
本对比例所述碳纳米管/碳纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：将涂好脱模剂的模具放置于烘箱中预热2h，烘箱温度设置为50℃，在预热好的模具内依次铺放30层碳纤维预浸料层后，合上模具上模、挡板，上螺栓固定；再将模具放置在已预热至80℃的模压机上放置30min，之后升温至150℃，加压至2.5MPa固化1h，冷却至室温，脱模后，得到所述碳纤维复合材料。
对本对比例制备得到的碳纳米管/碳纤维复合材料进行100kA闪电冲击试验，并采用超声波对复合材料损伤进行评价，图10为对比例1制备的碳纤维复合材料经闪电冲击后外观形貌图，图11为对比例1制备的碳纤维复合材料经闪电冲击后无损探伤表面图，图12为对比例1制备的碳纤维复合材料经闪电冲击后无损探伤截面图。由图10、图11和图12可以看出，闪电冲击试验后，碳纤维表面发生严重烧蚀，超声波探伤表明碳纤维复合材料在纵向上产生一条裂纹，碳纤维板在截面方向上发生断裂。
对比例2
本对比例提供一种碳纳米管/碳纤维复合材料一种碳纳米管/碳纤维复合材料，所述碳纳米管/碳纤维复合材料仅包括：含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层；所述含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层的层数为30层。
本实施例所述碳纳米管/碳纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将碳纤维预浸料放置在50℃的烘箱中预热10min，将生长在石英玻璃上的碳纳米管阵列(该碳纳米管阵列种碳纳米管的直径为15nm，碳纳米管阵列的高度为800μm，尺寸为300mm×150mm)在2.5MPa的压力下压印在预热的碳纤维预浸料上后，再在-18℃下冷冻20min，剥离石英玻璃后，得到含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层；
(2)将涂好脱模剂的模具放置于烘箱中预热2h，烘箱温度设置为50℃，在预热好的模具内铺放29层含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层，最上层铺设一层碳纤维预浸料后，合上模具上模、挡板，上螺栓固定；再将模具放置在已预热至80℃的模压机上放置30min，之后升温至150℃，加压至2.5MPa固化1h，冷却至室温，脱模后，得到所述碳纳米管/碳纤维复合材料。
性能测试：
对上述实施例1-3和对比例1-2制备得到的复合材料进行性能测试，其中，层间断裂韧性的测试方法为：使用Instron 5567万能力学试验机参照标准HB7402-96进行测试；电导率的测试方法为：采用Keithley公司半导体特性分析系统(Keithley 4200-SCS,Cleveland,Ohio,USA)测试复合材料的电导率，采用四探针法进行电流扫描测得复合材料沿纤维方向的电阻。电导率(σ)的计算根据公式：电导率(σ)的计算根据公式：σ＝l/(R·A)其中A为电流通过的样品横截面积，l为测量电极间的长度，R为测量得到的两电极间的电阻。
具体测试结果如表1所示：
表1
Figure BDA0002537266470000111
Figure BDA0002537266470000121
由表1测试数据可知，本发明制备得到的碳纳米管/碳纤维复合材料层间断裂韧性GIC值为350～750J/m2，电导率为2.5*103～8.4*104S/m。说明本发明所述碳纳米管/碳纤维复合材料具有高的层间断裂韧性，且表面电导率高，碳纳米管与碳纤维复合材料粘结力强，可用于闪电防护领域。
由实施例1和实施例2、3的对比可知，当所述碳纳米管超顺排薄膜层优选为由1000层以上的碳纳米管组成时，在闪电冲击试验后，碳纤维表面外面无明显变化，超声波探伤表明碳纤维复合材料未受到损伤。由实施例1和对比例1对比可知，不使用碳纳米管阵列对碳纤维预浸料进行增强复合材料在接受冲击后，无法阻止裂纹继续沿原方向扩展，因而无法提高层间断裂韧性。由实施例1和对比例2的对比可知，复合材料无碳纳米管超顺排薄膜层，沿纤维方向电导率极低，在闪电冲击试验后，复合材料会发生断裂，因而不能应用于闪电防护领域。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明所述碳纳米管碳纤维复合材料及其制备方法和应用，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种碳纳米管/碳纤维复合材料，其特征在于，所述碳纳米管/碳纤维复合材料由上到下依次包括：碳纳米管超顺排薄膜层、绝缘防护层和含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层；
所述碳纳米管超顺排薄膜层包括至少1层的碳纳米管超顺排薄膜，所述碳纳米管超顺排薄膜由1000层的碳纳米管组成，所述碳纳米管超顺排薄膜层的厚度为10μm；
所述绝缘防护层为玻璃纤维预浸料层，所述玻璃纤维预浸料层的层数为1-5层，所述玻璃纤维预浸料层的厚度为50-400μm；
所述含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层的层数为10-50层，碳纳米管阵列中碳纳米管的直径为10-20nm，碳纳米管阵列的高度为500-1000μm，碳纳米管阵列的尺寸为(100-1000)mm×(100-1000)mm；
所述含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层由以下方法制备得到：将碳纤维预浸料在50-80℃下预热10-30min后，将生长在石英玻璃上的碳纳米管阵列在1.5-3.5MPa的压力下压印在预热的碳纤维预浸料上后，再在-18～-5℃下冷冻10-30min，剥离石英玻璃后，得到含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层；
所述碳纳米管/碳纤维复合材料的制备方法为：通过热压将碳纳米管超顺排薄膜层、绝缘防护层和含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层复合，得到所述碳纳米管/碳纤维复合材料。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管/碳纤维复合材料，其特征在于，所述玻璃纤维预浸料层的层数为3层。
3.根据权利要求1所述的碳纳米管/碳纤维复合材料，其特征在于，所述玻璃纤维预浸料层的厚度为100μm。
4.根据权利要求1所述的碳纳米管/碳纤维复合材料，其特征在于，所述碳纳米管阵列的尺寸为300mm×150mm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的碳纳米管/碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管/碳纤维复合材料的制备方法为：通过热压将碳纳米管超顺排薄膜层、绝缘防护层和含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层复合，得到所述碳纳米管/碳纤维复合材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管/碳纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：在预热的模具内依次铺放含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层、绝缘防护层和热压将碳纳米管超顺排薄膜层，对模具整体进行热压，脱模后，得到所述碳纳米管/碳纤维复合材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述预热的温度为40-60℃，所述预热的时间为5-20min。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述热压的过程为：先将模具整体在已预热至70-90℃的模压机上放置20-40min，再升温至140-160℃，加压至2-3MPa，固化0.5-2h。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管/碳纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：将模具在40-60℃下预热5-20min，在预热的模具内依次铺放含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层、绝缘防护层和碳纳米管超顺排薄膜层后；再将模具整体在已预热至70-90℃的模压机上放置20-40min，再升温至140-160℃，加压至2-3MPa，固化0.5-2h，脱模后，得到所述碳纳米管/碳纤维复合材料。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的碳纳米管/碳纤维复合材料在制备闪电防护材料中的应用。
CN202010536584.XA 2020-06-12 2020-06-12 一种碳纳米管/碳纤维复合材料及其制备方法和应用 Active CN111688232B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010536584.XA CN111688232B (zh) 2020-06-12 2020-06-12 一种碳纳米管/碳纤维复合材料及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010536584.XA CN111688232B (zh) 2020-06-12 2020-06-12 一种碳纳米管/碳纤维复合材料及其制备方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111688232A CN111688232A (zh) 2020-09-22
CN111688232B true CN111688232B (zh) 2022-09-13

Family

ID=72480782

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010536584.XA Active CN111688232B (zh) 2020-06-12 2020-06-12 一种碳纳米管/碳纤维复合材料及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111688232B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112706427B (zh) * 2020-12-08 2022-06-21 同济大学 雷击防护、电磁屏蔽及承载一体化航空材料及其制备方法
CN115505260B (zh) * 2022-09-23 2024-03-19 国家纳米科学中心 一种复合材料制件、其闪电防护结构件、制备方法及应用

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI121370B (fi) * 2007-11-02 2010-10-29 Exel Oyj Menetelmä profiilien, putkien tai levyjen valmistamiseksi
CN103057221B (zh) * 2013-01-10 2015-02-11 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 一种三维骨架石墨烯泡沫改性的叠层复合材料及制备方法
CN103588985B (zh) * 2013-10-15 2015-08-12 南京航空航天大学 基于碳纳米管增强的碳纤维多尺度增强复合材料构件的制备方法
CN110744833B (zh) * 2019-09-20 2021-04-06 中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心 碳纳米管薄膜／复合材料成型方法及制成的闪电防护结构

Also Published As

Publication number Publication date
CN111688232A (zh) 2020-09-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111688232B (zh) 一种碳纳米管/碳纤维复合材料及其制备方法和应用
Romhany et al. Interlaminar crack propagation in MWCNT/fiber reinforced hybrid composites
JP5550245B2 (ja) 金属−セラミックマトリックスハイブリッド複合構造の製造方法、複合構造の製造方法、および積層複合構造
CA2902538C (en) Aerogel insulation panels and manufacturing thereof
CN109291575B (zh) 一种表面防护型导电复合材料及其制备方法
CN102848622B (zh) 一种具有pmi泡沫芯材的夹芯材料及其制备方法
JP2888572B2 (ja) 制御された熱膨脹率を有する、フィルムを基材とする構造用構成要素
JP5638397B2 (ja) 複合部品を製造するための熱効率の高いツール
Sweeting et al. The effect of thermal mismatch on Z-pinned laminated composite structures
EP2739466A1 (en) Molybdenum composite hybrid laminates and methods
CN108548719B (zh) 一种复合材料层间法向强度测试方法
Sánchez-Romate et al. Structural health monitoring of a CFRP structural bonded repair by using a carbon nanotube modified adhesive film
CN108995316A (zh) 一种石墨烯纸复合材料
CN113681942A (zh) 一种共固化吸波复合材料及其制备方法
CN105021434A (zh) 一种高温复合材料试样制备方法
JP3003116B2 (ja) 制御された熱膨張率を有する分子的に配向された管状構成要素
CN110341274B (zh) 一种基于柔性超材料织物的宽频段耐高温树脂基吸波复合材料及其制备方法
JP2000072889A (ja) 繊維強化複合材料成形体
Zhu et al. Highly conductive CFRP composite with Ag-coated T-ZnO interlayers for excellent lightning strike protection, EMI shielding and interlayer toughness
Tomita et al. Bending fatigue of long carbon fiber-reinforced epoxy composites
CN112706427A (zh) 雷击防护、电磁屏蔽及承载一体化航空材料及其制备方法
Pradeep et al. Design manufacture and testing of a composite support structure for spacecraft application
CN114953617B (zh) 一种陶瓷-纤维-金属超混杂层板及其制备方法
CN114851654A (zh) 一种基于短切纤维混杂毡的集成抗高速冲击和吸波功能的纤维树脂超材料及其制备
CN108162431B (zh) 一种连续玻璃纤维织物增强聚苯硫醚复合材料及制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant