CN117964996A - 基于碳纳米管树脂分散的本体防雷击碳纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于碳纳米管树脂分散的本体防雷击碳纤维复合材料及其制备方法，属碳纤维复合材料技术领域，包括：基于大豆分离蛋白及碳纳米管，制备得到大豆分离蛋白改性碳纳米管；将得到的改性碳纳米管混合无水乙醇，得到混合溶液；向其中加入树脂基体，经油浴搅拌、蒸发冷却，得到碳纳米管分散树脂；随后将其置于处理后的模具中，并对其进行预处理，得到碳纤维复合材料层板；随后将模具置于烘箱中加热，进行固化处理；最后冷却脱模，得到碳纤维复合材料成品。本发明将碳纤维复合材料制备成防雷击复合材料，无需额外加入金属防护材料，进而避免增加飞行器结构的重量，且该方法可与航空复合材料制造工艺进行耦合，成本较低，应用和推广更便利。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维复合材料技术领域，特别是涉及一种基于碳纳米管树脂分散的本体防雷击碳纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
目前碳纤维复合材料的雷击防护方法除广泛采用的金属网防护外，还有金属箔防护、金属喷涂防护、高导电薄膜防护、导电基体防护等。但以上方法均存在一定程度的局限性和缺陷。
1)金属材料防护，包括金属箔、金属喷涂防护、镀金属等
在碳纤维复合材料表面使用金属材料防护，可以显著抑制雷击损伤，但金属材料的引入会显著增加飞机的整体结构重量。此外，金属与碳纤维复合材料的接触面易出现电镀腐蚀、锈化等损伤，而且存在金属与碳纤维的层间粘接强度不稳定、喷涂不均匀等问题。
2)高导电薄膜防护，包括碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜、镀镍碳纤维无纺布等
以薄层的形式插入复合材料之间进行保护，可有效提高其导电性，同时不会显著增加重量，但生产大尺寸的薄膜具有挑战性，受设备限制，在新设备制造出之前难以大规模应用，另外尽管导电薄膜与复合材料的相容性较金属好，但是依然存在层间粘接强度不足的问题。
3)新型导电基体防护，如双马来酰亚胺树脂、聚苯胺树脂等
可以从根本上改变复合材料导电性不高的问题，也不会带来显著的重量影响，但新型导电基体的力学性能较差，无法满足飞机结构件的要求，另外探索新型树脂基体的合适成型工艺也需要大量成本。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于碳纳米管树脂分散的本体防雷击碳纤维复合材料及其制备方法，将碳纤维复合材料本体制备成防雷击复合材料，无需额外加入金属防护材料，进而避免增加飞行机结构的重量，且该方法可与现有的航空复合材料制造工艺进行耦合，成本较低，应用和推广更便利。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种基于碳纳米管树脂分散的本体防雷击碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
基于大豆分离蛋白及碳纳米管，制备得到大豆分离蛋白改性碳纳米管；
将得到的大豆分离蛋白改性碳纳米管混合无水乙醇，得到混合溶液；
向得到的混合溶液中加入树脂基体，经油浴搅拌、蒸发冷却，得到碳纳米管分散树脂；
将碳纳米管分散树脂置于处理后的模具中，并对其进行预处理，得到碳纤维复合材料层板；
将处理后的带有碳纤维复合材料层板的模具置于烘箱中加热，进行固化处理；
待固化完成后，停止烘箱加热，将模具冷却脱模，得到碳纤维复合材料成品。
优选的，在得到所述大豆分离蛋白改性碳纳米管之前，对大豆分离蛋白处理包括：
配制溶液：配制碱性环境的溶液，并向其中加入大豆分离蛋白，摇晃均匀得到混合溶液；
变性：在90℃温度下对混合溶液进行油浴搅拌，以使得大豆分离蛋白变性。
优选的，在对大豆分离蛋白变性处理后，向所述混合溶液中加入碳纳米管，依次进行尖端超声处理和水浴超声处理，随后对溶液进行真空抽滤并多次冲洗，最后经烘干、研磨成粉及过筛，得到所述大豆分离蛋白改性碳纳米管。
优选的，在将得到的大豆分离蛋白改性碳纳米管混合无水乙醇，得到混合溶液中，包括：
按照大豆分离蛋白改性碳纳米管质量占树脂基体质量分数的0.1％-0.8％，称取适量的大豆分离蛋白改性碳纳米管，并将其加入到无水乙醇中，得到混合溶液，并对混合溶液进行尖端超声处理和水浴超声处理，以此得到分散均匀的混合溶液。
优选的，在得到碳纳米管分散树脂之前，具体包括：
向得到与无水乙醇混合的混合溶液中以1:4的质量比加入树脂基体A部分，通过油浴搅拌，蒸发出无水乙醇，待混合溶液的质量不再变化后，将产物取出冷却；
向冷却后的产物中加入树脂基体B部分，并在常温环境下混合均匀，得到碳纳米管分散树脂；
将碳纳米管分散树脂置于真空环境下，以去除树脂中的气泡。
优选的，所述树脂基体包括但不限于环氧树脂基体，所述环氧树脂基体分为环氧树脂A部分和环氧树脂B部分。
优选的，将得到碳纤维复合材料层板的步骤中，具体包括：
对模具内部抛光后，在其内部均匀涂覆脱模剂，并铺设碳纤维布；
碳纳米管分散树脂将碳纤维布浸润之后，通过手糊法及真空袋成型法进行预处理，最终得到碳纤维复合材料层合板。
优选的，在通过手糊法及真空袋成型法进行预处理中，具体包括：
将碳纳米管分散树脂浸润的碳纤维布铺叠于模具表面，随后依次铺设脱模布、有孔分离膜和透气毡，得到预固化产物，最后将预固化产物通过耐高温真空袋真空密封，以此得到碳纤维复合材料层合板。
优选的，将装有预固化产物的耐高温真空袋及模具置于烘箱中进行烘干，并调节烘箱的温度及烘干时间，固化完成后停止加热，冷却脱模得到碳纤维复合材料成品。
本发明还提供了一种基于碳纳米管树脂分散的本体防雷击碳纤维复合材料，其通过上述提供的制备方法制备得到。
根据本发明提供的具体技术方案，与现有技术相比，本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明所提供的制备方法将碳纤维复合材料制备成防雷击复合材料，无需额外加入金属防护材料，进而避免增加飞行器的结构重量。且相比金属防护材料来说，该碳纤维复合材料可以做到飞行器防护的全方位覆盖，以此可作用于飞行器各结构件的剧烈变化区域。
(2)本发明所提供的制备方法与原碳纤维复合材料的相容性更好，不会出现导致金属网防护中出现的电镀腐蚀和诱化等破坏性问题，且该方法对碳纤维复合材料的力学性能不会产生影响，进而避免了现有技术中防护层脱落的问题。
(3)本发明所提供的制备方法可与现有的航空复合材料制造工艺进行耦合，进而成本造价低，应用和推广更便利。
(4)本发明所提供的碳纤维复合材料及其制备方法，可进一步提升碳纤维复合材料的导电性能、力学性能及静电屏蔽等性能，不单单可应用于雷击防护，还可适用于其他相关的应用场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于碳纳米管树脂分散的碳纤维复合材料的制备方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种基于碳纳米管树脂分散的碳纤维复合材料的制备方法的工艺示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1和图2所示，本发明提供了一种基于碳纳米管树脂分散的本体防雷击碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤100、基于大豆分离蛋白及碳纳米管，制备得到大豆分离蛋白改性碳纳米管；
其中，在得到大豆分离蛋白改性碳纳米管之前，对大豆分离蛋白处理包括：
配制溶液：配制碱性环境的溶液，并向其中加入大豆分离蛋白，摇晃均匀得到混合溶液；
变性：在90℃温度下对混合溶液进行油浴搅拌，以使得大豆分离蛋白变性。
最后，在对大豆分离蛋白变性处理后，向混合溶液中加入碳纳米管，依次进行尖端超声处理和水浴超声处理，以促使碳纳米管在混合溶液中分散均匀，随后对溶液进行真空抽滤并多次冲洗，最后经烘干、研磨成粉及过筛，得到所述大豆分离蛋白改性碳纳米管。
步骤200、将得到的大豆分离蛋白改性碳纳米管混合无水乙醇，得到混合溶液；
其中，具体包括：
按照大豆分离蛋白改性碳纳米管质量占树脂基体质量分数的0.1％-0.8％，称取适量的大豆分离蛋白改性碳纳米管，并将其加入到无水乙醇中，得到混合溶液，并对混合溶液进行尖端超声处理和水浴超声处理，以此得到分散均匀的混合溶液。
步骤300、向得到的混合溶液中加入树脂基体，经油浴搅拌、蒸发冷却，得到碳纳米管分散树脂；
其中，具体包括：
向得到与无水乙醇混合的混合溶液中以1:4的质量比加入树脂基体A部分，通过油浴搅拌，蒸发出无水乙醇，待混合溶液的质量不再变化后，将产物取出冷却；
向冷却后的产物中加入树脂基体B部分，并在常温环境下混合均匀，得到碳纳米管分散树脂；
将碳纳米管分散树脂置于真空环境下，以去除树脂中的气泡；
在本实施中，树脂基体优选为环氧树脂基体，但此处也可为其他树脂，环氧树脂基体分为A、B两部分，分别作用于碳纳米管分散树脂的制备过程中。
步骤400、将碳纳米管分散树脂置于处理后的模具中，并对其进行预处理，得到碳纤维复合材料层板；
其中，具体包括：
对模具内部抛光后，在其内部均匀涂覆脱模剂，并铺设碳纤维布；
碳纳米管分散树脂将碳纤维布浸润之后，通过手糊法及真空袋成型法进行预处理，最终得到碳纤维复合材料层合板。
在通过手糊法及真空袋成型法进行预处理中，该步骤分为：
将碳纳米管分散树脂浸润的碳纤维布铺叠于模具表面，随后依次铺设脱模布、有孔分离膜和透气毡，得到预固化产物，最后将预固化产物通过耐高温真空袋真空密封，以此得到碳纤维复合材料层合板。
步骤500、将处理后的带有碳纤维复合材料层板的模具置于烘箱中加热，进行固化处理；
其中，将装有预固化产物的耐高温真空袋及模具置于烘箱中进行烘干，并调节烘箱的温度及烘干时间，固化完成后停止加热，冷却脱模得到碳纤维复合材料成品。
步骤600、待固化完成后，停止烘箱加热，将模具冷却脱模，得到碳纤维复合材料成品。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明所提供的制备方法将碳纤维复合材料制备成防雷击复合材料，无需额外加入金属防护材料，进而避免增加飞行器的结构重量。且相比金属防护材料来说，该碳纤维复合材料可以做到飞行器防护的全方位覆盖，以此可作用于飞行器各结构件的剧烈变化区域。
(2)本发明所提供的制备方法与原碳纤维复合材料的相容性更好，不会出现导致金属网防护中出现的电镀腐蚀和诱化等破坏性问题，且该方法对碳纤维复合材料的力学性能不会产生影响，进而避免了现有技术中防护层脱落的问题。
(3)本发明所提供的制备方法可与现有的航空复合材料制造工艺进行耦合，进而成本造价低，应用和推广更便利。
(4)本发明所提供的碳纤维复合材料及其制备方法，可进一步提升碳纤维复合材料的导电性能、力学性能及静电屏蔽等性能，不单单可应用于雷击防护，还可适用于其他相关的应用场景。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，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。
Claims (10)
1.一种基于碳纳米管树脂分散的本体防雷击碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于大豆分离蛋白及碳纳米管，制备得到大豆分离蛋白改性碳纳米管；
将得到的大豆分离蛋白改性碳纳米管混合无水乙醇，得到混合溶液；
向得到的混合溶液中加入树脂基体，经油浴搅拌、蒸发冷却，得到碳纳米管分散树脂；
将碳纳米管分散树脂置于处理后的模具中，并对其进行预处理，得到碳纤维复合材料层板；
将处理后的带有碳纤维复合材料层板的模具置于烘箱中加热，进行固化处理；
待固化完成后，停止烘箱加热，将模具冷却脱模，得到碳纤维复合材料成品。
2.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米管树脂分散的本体防雷击碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，在得到所述大豆分离蛋白改性碳纳米管之前，对大豆分离蛋白处理包括：
配制溶液：配制碱性环境的溶液，并向其中加入大豆分离蛋白，摇晃均匀得到混合溶液；
变性：在90℃温度下对混合溶液进行油浴搅拌，以使得大豆分离蛋白变性。
3.根据权利要求2所述的一种基于碳纳米管树脂分散的本体防雷击碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，在对大豆分离蛋白变性处理后，向所述混合溶液中加入碳纳米管，依次进行尖端超声处理和水浴超声处理，随后对溶液进行真空抽滤并多次冲洗，最后经烘干、研磨成粉及过筛，得到所述大豆分离蛋白改性碳纳米管。
4.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米管树脂分散的本体防雷击碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，在将得到的大豆分离蛋白改性碳纳米管混合无水乙醇，得到混合溶液中，包括：
按照大豆分离蛋白改性碳纳米管质量占树脂基体质量分数的0.1％-0.8％，称取适量的大豆分离蛋白改性碳纳米管，并将其加入到无水乙醇中，得到混合溶液，并对混合溶液进行尖端超声处理和水浴超声处理，以此得到分散均匀的混合溶液。
5.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米管树脂分散的本体防雷击碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，在得到碳纳米管分散树脂之前，具体包括：
向得到与无水乙醇混合的混合溶液中以1:4的质量比加入树脂基体A部分，通过油浴搅拌，蒸发出无水乙醇，待混合溶液的质量不再变化后，将产物取出冷却；
向冷却后的产物中加入树脂基体B部分，并在常温环境下混合均匀，得到碳纳米管分散树脂；
将碳纳米管分散树脂置于真空环境下，以去除树脂中的气泡。
6.根据权利要求5所述的一种基于碳纳米管树脂分散的本体防雷击碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述树脂基体包括但不限于环氧树脂基体，所述环氧树脂基体分为环氧树脂A部分和环氧树脂B部分。
7.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米管树脂分散的本体防雷击碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，将得到碳纤维复合材料层板的步骤中，具体包括：
对模具内部抛光后，在其内部均匀涂覆脱模剂，并铺设碳纤维布；
碳纳米管分散树脂将碳纤维布浸润之后，通过手糊法及真空袋成型法进行预处理，最终得到碳纤维复合材料层合板。
8.根据权利要求7所述的一种基于碳纳米管树脂分散的本体防雷击碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，在通过手糊法及真空袋成型法进行预处理中，具体包括：
将碳纳米管分散树脂浸润的碳纤维布铺叠于模具表面，随后依次铺设脱模布、有孔分离膜和透气毡，得到预固化产物，最后将预固化产物通过耐高温真空袋真空密封，以此得到碳纤维复合材料层合板。
9.根据权利要求8所述的一种基于碳纳米管树脂分散的本体防雷击碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，将装有预固化产物的耐高温真空袋及模具置于烘箱中进行烘干，并调节烘箱的温度及烘干时间，固化完成后停止加热，冷却脱模得到碳纤维复合材料成品。
10.一种基于碳纳米管树脂分散的本体防雷击碳纤维复合材料，其特征在于，其通过如权利要求1-9任一项所述的制备方法制备得到。
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