CN117283947A - 一种轻质防雷击复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料制备技术领域，具体涉及一种轻质防雷击复合材料及制备方法。本发明的技术方案中，复合材料通过将雷击防护层和树脂胶膜通过一步热熔法制备得到导电复合胶膜，该导电复合胶膜材料与同体系的树脂通过层叠形成预制体，经固化后形成轻质防雷击复合材料，复合胶膜材料可单一铺贴在复合材料预制体表面，也可与预浸料选择性的交错多层铺叠，可有效增强复合材料面内和厚度方向导电率，可设计性强，适用于多种雷击防护要求的复杂结构中。本发明的防雷击复合材料质轻，防护效果好，具有较好的耐冲击性能。应用范围广，适用于多种飞行环境。
Description
技术领域
本发明涉及材料制备方法技术领域，特别涉及一种轻质防雷击复合材料及制备方法。
背景技术
雷电是自然界常见的放电现象，不但危害大，而且发生频率高。雷电击中飞行器后会在微秒级的时间内释放出巨大的能量，通常表现为作用在飞机机身表面的脉冲大电流，瞬时高温以及1.01×104Pa以上的交变应力，且雷击还伴有强度极高的瞬态电磁场，严重影响飞机的飞行安全。随着现代技术的发展，飞行器多采用纤维增强树脂基复合材料制成，可有效降低重量，由于复合材料的导电率远小于金属，雷击后难以将高能量电流导出，复合材料中大量能量聚集导致内部温度急剧上升并产生分层或烧蚀，最终影响整个机体复合材料体系刚度和强度的大幅下降，甚至造成结构性破坏。与此同时，累积产生的高温和电磁辐射还会对飞行器机载电子设备造成损害，对飞行器的安全造成极大危害，因此对于复合材料的防雷击保护至关重要。
目前常用的飞行器防雷击方法多为火焰喷铝法和金属网箔法保护法，其中火焰喷铝工艺流程复杂，且污染性高，喷涂工艺中涂层厚度、喷涂均匀性受操作人员影响大，工艺稳定性不佳，自动化程度较低；金属网箔法保护法增重明显，且金属与复合材料热膨胀系数差异大，长期冷热循环下产生微应力对复合材料力学性能有一定影响，且金属与碳纤维接触易形成原电池，造成金属腐蚀，影响雷击防护效果。
发明专利CN108892925A公开了一种防雷击复合材料表面膜的制备方法，将高导电纳米材料和银纳米片与树脂共混，该方法中纳米材料在树脂中的分散性对导电通路起决定性影响，会严重影响雷击防护效果，且大量纳米材料的添加对树脂工艺性有极大破坏。
发明专利CN110713693A公开了一种基于碳纳米管薄膜的雷电防护复合材料制备方法，该方法中碳纳米管薄膜固化成型后暴露在环境中，表面未有树脂等进行保护，易剥落，耐冲击性能差，难以满足实际飞行环境。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的防雷击复合材料防护效果差，重量大，耐冲击性能差的技术缺陷，提供一种轻质防雷击复合材料及制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种轻质防雷击复合材料的制备方法，包括如下制备步骤：
步骤1：制备雷击防护层，以导电原材料制备导电膜或导电层宏观体，对所述导电膜或导电层宏观体进行后处理得到雷击防护层；
步骤2：制备树脂胶膜，在树脂原料中添加增韧改性剂、固化剂制备得到树脂胶膜；
步骤3：将所述雷击防护层、所述树脂胶膜和/或载体混合，通过一步热熔法得到导电复合胶膜；具体的：预热温度在40～120℃，含浸压力在0-300kN。
步骤4：将所述导电复合胶膜与含有同系列树脂的预浸料共同铺叠得到复合材料预制体；
步骤5：对所述复合材料预制体进行固化得到轻质防雷击复合材料。
作为本发明的优选方案，步骤1中，所述导电原材料包括碳纳米管、石墨烯、沥青基碳纤维中的一种或几种的混合。
优选的，步骤1中，导电膜或导电层宏观体包括如下制备方法的任意一种：浮动催化法、抽滤法、压滤法、编织法。
作为本发明的优选方案，步骤1中，所述后处理具体包括如下方式：电镀、磁控溅射、气相沉积金属镍、铜、银、金、石墨烯中的一种或多种组合。
进一步的，所述后处理还包括对所述导电膜或导电层宏观体进行溶液浸泡或酸碱处理，该过程用于对所述导电膜或导电层宏观体进行纯化处理。
作为本发明的优选方案，步骤1中，所述雷击防护层的电导率不低于5万S/m；优选的，所述雷击防护层的电导率不低于1×105S/m。
所述雷击防护层的导电率优选为1×105S/m-5×106S/m之间。
作为本发明的优选方案，所述雷击防护层厚度范围为10μm～200μm；所述雷击防护层的克重为5g/m2～70g/m2。
作为本发明的优选方案，步骤2中，所述树脂原料包括环氧树脂、双马来酰胺树脂、氰酸酯、聚酰亚胺树脂中的任意一种。
作为本发明的优选方案，步骤3中还包括与载体材料混合，具体的，所述载体材料包括聚酯纤维、玻璃纤维、碳纤维、镀镍碳纤维中的任意一种，形状包括无纺布、织物中的任意一种，所述载体克重在5g/m2～20g/m2。
本发明的可实现的方案中包括不混合载体的情况。
作为本发明的优选方案，步骤3中，所述导电复合胶膜克重范围为40g/m2～200g/m2。
作为本发明的优选方案，步骤4中，所述导电复合胶膜与所述预浸料任意铺叠，导电复合胶膜与预浸料均为层状结构，任意铺叠的方式包括且不限于：所述导电复合胶膜位于第一层，或位于所述预浸料中间层的任意一层；所述导电复合胶膜铺叠层数包括一层或多层。
作为本发明的优选方案，步骤5中，所述固化包括如下方式中的任意一种：热压罐成型、真空成型；固化过程中的参数设置根据步骤2中选取的树脂原料进行对应设定；固化过程中，固化温度为20℃～450℃。
一种根据上述方法得到的轻质防雷击复合材料。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明所述的一种轻质防雷击复合材料的制备方法中，适用于任意高导电膜状或层状结构材料，适配任意一种基体树脂，面密度显著小于市售防雷击表面膜，且固化后复合材料表面质量优异，耐腐蚀性强。本发明的防雷击复合材料的克重较轻，克重范围为。
2、本发明所述的一种轻质防雷击复合材料的制备方法中，复合胶膜可单一铺贴在复合材料预制体表面，也可与预浸料选择性的交错多层铺叠，可有效增强复合材料面内和厚度方向导电率，可设计性强，适用于多种雷击防护要求的复杂结构中。
附图说明
图1是本发明的导电复合胶膜的结构示意图(包含载体的情况)；
图2是本发明的导电复合胶膜的结构示意图(不含有载体的情况)；
图3是本发明的导电复合胶膜与预浸料铺层放置方式之一；
图标：1-载体；2-树脂胶膜；3-雷击防护层；4-导电复合胶膜；5-预浸料铺层。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种轻质防雷击复合材料的制备方法，包括如下制备步骤：
步骤1：制备雷击防护层，具体的，将高导电单壁碳纳米管与一定量的分散剂加入适量水中，超声2h进行均匀分散，通过抽滤-干燥法制备成单壁碳纳米管薄膜，测试其电导率为105S/m；对其进行后处理具体为：将碳纳米管薄膜放入一定浓度的硫酸溶液中，室温下浸泡60min，取出后用去离子水洗至中性并干燥，得到高导电雷击防护层，电导率可达6×105S/m；
步骤2：制备树脂胶膜，选取环氧树脂，制备树脂胶膜，树脂胶膜的克重为40g/m2；
步骤3：将树脂胶膜、碳纤维无纺布和碳纳米管薄膜利用一步热熔法制备导电复合胶膜，预热温度为80℃，含浸压力为5kN。如图1为三种材料的铺叠。通过一步热熔最终形成导电复合胶膜4；
步骤4：将导电复合胶膜铺贴在预浸料铺层的最表面，制备成复合材料预制体；
步骤5：将复合材料预制体组装、封袋，采用热压罐工艺，在125℃、0.4MPa压力下固化，形成轻质雷击复合材料，记为F-1。
实施例2
一种轻质防雷击复合材料的制备方法，包括如下制备步骤：
步骤1：制备雷击防护层，具体的，将高导电石墨烯与一定量的分散剂加入适量水中，超声2h进行均匀分散，通过抽滤-干燥法制备石墨烯薄膜，测试其电导率为2×105S/m；对其进行后处理具体为：将石墨烯薄膜放入一定浓度的盐酸溶液中，室温下浸泡60min，取出后用去离子水洗至中性并干燥，得到高导电雷击防护层，电导率可达106S/m；
步骤2：制备树脂胶膜，选取双马来酰亚胺树脂，制备得到树脂胶膜，树脂胶膜的克重60g/m2；
步骤3：将树脂胶膜、碳纤维无纺布和石墨烯薄膜利用一步热熔法制备导电复合胶膜，预热温度为95℃，含浸压力为10kN。
步骤4：将导电复合胶膜铺贴在预浸料铺层的最表面，制备复合材料预制体；如图2所示；
步骤5：将复合材料预制体组装、封袋，采用热压罐工艺，在200℃、0.6MPa压力下固化，形成轻质雷击复合材料，记为F-2。
实施例3
一种轻质防雷击复合材料的制备方法，包括如下制备步骤：
步骤1：制备雷击防护层，具体的，将沥青基纤维采用平纹编织工艺形成碳布，作为雷击防护层，电导率可达5*105S/m。在碳纤维表面气相沉积金属Ni，电导率可达3*107S/m。
步骤2：制备树脂胶膜，选取环氧树脂，制备树脂胶膜克重40g/m2；
步骤3：将树脂胶膜和雷击防护层利用一步热熔法制备导电复合胶膜，预热温度为80℃，含浸压力为8kN；
步骤4：将导电复合胶膜与预浸料铺层交替铺叠，导电复合胶膜位于放置于第1、3、5层，如图3所示，制备得到复合材料预制体；
步骤5：将复合材料预制体组装、封袋，采用热压罐工艺，在125℃、0.4MPa压力下固化，形成轻质雷击复合材料，记为F-3。
对比例1
一种轻质防雷击复合材料的制备方法，包括如下制备步骤：
步骤1：制备雷击防护层，具体的，将高导电单壁碳纳米管与一定量的分散剂加入适量水中，超声2h进行均匀分散，通过抽滤-干燥法制备单壁碳纳米管薄膜，测试其电导率为105S/m；不进行后处理。
步骤2：制备树脂胶膜，选取环氧树脂，制备树脂胶膜，克重40g/m2；
步骤3：将树脂胶膜、碳纤维无纺布和碳纳米管薄膜利用一步热熔法制备导电复合胶膜，预热温度为80℃，含浸压力为5kN。
步骤4：将导电复合胶膜铺贴在预浸料铺层的最表面，制备复合材料预制体；
步骤5：将复合材料预制体组装、封袋，采用热压罐工艺，在125℃、0.4MPa压力下固化，形成轻质雷击复合材料，记为F-4。
对比例1的制备方法与实施例1的制备方法基本相同，其区别进在于，对于步骤1中的导电膜不进行后处理过程。
对比例2
一种轻质防雷击复合材料的制备方法，包括如下制备步骤：
步骤1：制备雷击防护层，具体的，将高导电石墨烯与一定量的分散剂加入适量水中，超声2h进行均匀分散，通过抽滤-干燥法制备石墨烯薄膜，测试其电导率为2*105S/m。
步骤2：制备树脂胶膜，选取双马来酰亚胺树脂，制备树脂胶膜克重60g/m2；
步骤3：将树脂胶膜、碳纤维无纺布和石墨烯薄膜利用一步热熔法制备导电复合胶膜，预热温度为95℃，含浸压力为10kN。
步骤4：将导电复合胶膜铺贴在预浸料铺层的最表面，制备复合材料预制体；
步骤5：将复合材料预制体组装、封袋，采用热压罐工艺，在200℃、0.6MPa压力下固化，形成轻质雷击复合材料，记为F-5。
对比例3
一种轻质防雷击复合材料的制备方法，包括如下制备步骤：
步骤1：制备雷击防护层，具体的，将压制好的铜网作为雷击防护层，电导率为3×107S/m。
步骤2：制备树脂胶膜，选取环氧树脂，制备树脂胶膜克重40g/m2；
步骤3：将树脂胶膜和雷击防护层利用一步热熔法制备导电复合胶膜，预热温度为80℃，含浸压力为8kN；
步骤4：将导电复合胶膜与预浸料铺层共同铺叠，制备复合材料预制体；
步骤5：将复合材料预制体组装、封袋，采用热压罐工艺，在125℃、0.4MPa压力下固化，形成轻质雷击复合材料，记为F-6。
分别对实施例1-3以及对比例1-3进行复合材料的性能测试，并总结性能参数的数据至表1；
表1为实施例1-3以及对比例1-3的复合材料的性能汇总表
本发明的技术方案中，通过采用一步热熔法将雷击防护层、树脂胶膜形成导电复合胶膜，根据需要将导电复合胶膜与树脂预浸料铺层进行交替铺贴形成复合材料预制体，最后固化得到的防雷击复合材料，相较于直接铺贴固化得到的防雷击材料而言，面密度较小，剪切强度较大，雷击后剩余损伤强度较高的的优点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种轻质防雷击复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：
步骤1：制备雷击防护层，以导电原材料制备导电膜或导电层宏观体，对所述导电膜或导电层宏观体进行后处理得到雷击防护层；
步骤2：制备树脂胶膜，在树脂原料中添加增韧改性剂、固化剂制备得到树脂胶膜；
步骤3：将所述雷击防护层和所述树脂胶膜混合，通过一步热熔法得到导电复合胶膜，预热温度在40～120℃，含浸压力在0-300kN。
步骤4：将所述导电复合胶膜与含有同系列树脂的预浸料共同铺叠得到复合材料预制体；
步骤5：对所述复合材料预制体进行固化得到轻质防雷击复合材料。
2.根据权利要求1所述的轻质防雷击复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述导电原材料包括碳纳米管、石墨烯、沥青基碳纤维中的一种或多种混合。
3.根据权利要求1所述的轻质防雷击复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，导电膜或导电层宏观体通过如下制备方法中的任意一种制备而成：浮动催化法、抽滤法、压滤法、编织法。
4.根据权利要求3所述的轻质防雷击复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述后处理具体包括如下方式：电镀、磁控溅射、气相沉积金属镍、铜、银、金、石墨烯中的一种或多种组合。
5.根据权利要求4所述的轻质防雷击复合材料的制备方法，其特征在于，所述后处理还包括对所述导电膜或导电层宏观体进行溶液浸泡或酸碱处理。
6.根据权利要求1所述的轻质防雷击复合材料的制备方法，其特征在于，所述雷击防护层厚度范围为10μm～200μm，所述雷击防护层的克重为5g/m2～70g/m2。
7.根据权利要求1所述的轻质防雷击复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述树脂原料包括环氧树脂、双马来酰胺树脂、氰酸酯、聚酰亚胺树脂中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的轻质防雷击复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，导电复合胶膜还包括载体材料，所述载体材料的成分包括聚酯纤维、玻璃纤维、碳纤维、镀镍碳纤维中的任意一种，所述载体材料的形状包括无纺布、织物中的任意一种，所述载体材料的克重在5g/m2～20g/m2。
9.根据权利要求1所述的轻质防雷击复合材料的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述导电复合胶膜与所述预浸料任意铺叠，所述导电复合胶膜位于所述复合材料预制体的第一层，或位于所述复合材料预制体中间层的任意一层；所述导电复合胶膜铺叠一层或多层。
10.一种轻质防雷击复合材料，其特征在于，根据权利要求1-9任一项所述的制备方法制备得到。
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