[发明专利]带有抗雷击表面功能层的先进树脂基复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料领域，特别涉及带有抗雷击表面功能层的先进树脂基复合材料及制备方法。

背景技术

先进树脂基复合材料与传统材料相比，在性能、设计、成型等方面显示出许多优越的特性，比如：先进树脂基复合材料具有优异的静态和动态力学性能，其比强度和比模量是钢和铝合金的3～5倍甚至更高，并且碳纤维增强环氧树脂基复合材料的疲劳强度可高达90％的静态强度，而钢和铝合金的疲劳强度仅可达到50％左右的静态强度。正是由于先进复合材料具有优异的力学性能，从而可以大幅度地减轻结构件的重量，例如在飞机结构上可以减重25％～30％。先进树脂基复合材料的可设计性强，通过选择不同的高性能纤维和高性能树脂并采用适当的工艺技术加以成型和调控，可以获得多种结构和多种性能的先进复合材料。通过适当增减各种材料组分，可以实现复合材料的结构-功能一体化。大型复杂的复合材料结构件还可以一次整体成型，从而减少产品部件和连接件的数目。

基于以上特性，纤维增强树脂基复合材料在航空航天、汽车、舰船以及其他运输业中得到越来越广泛的应用。特别地，飞机结构中复合材料的用量在过去的30年中稳定增长，例如，波音B787以及空客A350-XWB中复合材料的用量超过飞机重量的50％。但是随着复合材料在飞机结构上的大量应用，近年来频发的B787事故引发了国际社会对复合材料安全性和可靠性的质疑，包括复合材料结构件的抗雷击特性、抗冰雹及抗撞击特性、油箱闪电引燃问题、阻燃与阻烟特性等。这里既涉及到复合材料的力学问题，又涉及到其功能特性如导电导热等问题。

碳纤维复合材料不仅在力学性能方面呈现各向异性，而且在导电和导热方面也呈现出显著的各向异性。空间三个方向(即沿纤维方向、铺层内垂直纤维方向以及铺层厚度方向)的热阻和电阻各不相同，有几个数量级之差。通常在铺层内沿碳纤维方向的电阻率最小，在铺层厚度方向上的电阻率最大，大约是沿纤维方向的电阻率的10³～10⁵倍。基于复合材料在铺层厚度方向上导电、导热性能差的现状，急需研发结构-功能一体化的抗雷击复合材料及其成型工艺方法。

常用的抗雷击损伤的方法是在飞机的复合材料结构件表面覆盖一层金属网，但是这种方法增加了结构件的重量，与轻量化的设计目标相背离；金属与树脂界面强度差，两者的热膨胀系数不匹配，易于导致金属网的剥离；在复合材料结构件的几何形状复杂部位铺覆金属网的难度大，结构-功能整体化成型的难度大。

随着纳米材料基础理论、制备工艺以及产业化应用技术等的不断完善，诸如银纳米线、碳纳米管以及石墨烯等在导电导热方面有着优异性能的纳米材料受到了越来越多的关注。其中，碳纳米管具有质轻、大的长径比、稳定的化学性质、优异的力学性能和导电导热性能、可以承受高的电流密度等优点，是一种高性能的导电改性纳米材料。

目前碳纳米管等纳米材料可以通过如下方式引入到树脂基复合材料中：

(1)将碳纳米管分散到液态的基体树脂中，然后利用液态模塑成型技术制备纤维复合材料。在该成型工艺过程中树脂和纤维通过浸渍来实现复合，混杂了碳纳米管填料的树脂在多尺度的多孔介质中的复杂渗流以及对纤维的浸渍、树脂的化学流变和固化反应都对最终的复合材料性能有显著影响，因而增加了液态模塑成型工艺的难度、复杂性和不可控因素。此外，在整个复合材料结构件中都添加价格昂贵的碳纳米管，导致材料成本明显增加。

(2)通过物理或者化学的方法将碳纳米管附着于干态的增强纤维束或者纤维织物的表面，进而和液态树脂复合成型，或者直接附着于纤维/树脂预浸料的表面再通过层合热压方式来制备复合材料。该工艺方法的根本缺陷是：对于前者，导电导热改性仅仅发生于纤维束与周围树脂的界面上或者纤维织物与周围树脂的界面上，在纤维束之间或者纤维织物之间的树脂相对富集区，不能提高树脂导电性，导致在铺层厚度方向上不能建立有效的导电网络；对于后者，导电导热改性仅仅发生于相邻的两个预浸料的层合界面上，而碳纳米管难以进入每层预浸料内部的富树脂区，不能提高每层预浸料内部的树脂导电性，因此不能在铺层厚度方向上建立有效的导电网络。此外，在整个复合材料结构件的每个层间区域中都添加价格昂贵的碳纳米管，导致材料成本明显增加。

为了保证先进树脂基复合材料在飞机等航空航天器上应用的安全性，在遭遇雷电冲击的情况下能够将电流在复合材料结构件的可控厚度的表层区域内迅速导走而不损伤复合材料力学性能，且能够在制造成本控制、工艺技术实施等方面具有显著优势，发明了一种带有抗雷击表面功能层的先进树脂基复合材料及其整体成型工艺方法。

发明内容：