CN106079481B - 一种具有雷电保护作用的复合材料的成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有雷电保护作用的复合材料的成型方法。该方法首先将分散有纳米导电颗粒的树脂膜铺贴在纤维织布预成型体上，然后通过改进的树脂膜熔渗工艺，使得纳米导电颗粒沿着复合材料厚度方向形成梯度分布，从而提高复合材料导电特性，降低复合材料的雷击损伤。相比较于传统使用金属表面改性的复合材料雷电保护方式，本发明成型方法简单易行，大大节省了能源的消耗，节约了制造成本，有效地降低复合材料构件的重量，避免金属保护材料存在的腐蚀以及与复合材料粘结性不强等问题。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料雷电保护领域，特别涉及一种具有雷电保护作用的复合材料的成型方法。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料具有高比强，高抗蚀，强度可设计的优点，已经广泛应用于飞行器结构材料上，以改善飞行器重量、机动性、可靠性，还可以大大提高飞行器飞行时间，其用量与应用水平已成为衡量飞行器结构先进性的重要标志。但是，相比传统的金属材料，虽然复合材料中的碳纤维具有较好的导电性，但绝缘性树脂基体阻隔了导电通路，使得雷电电流难以在材料表面导出生成大量的焦耳热，对复合材料进行烧蚀，大大降低其强度和刚度，从而对飞机结构的安全性和经济性带来了极大挑战。
目前对于复合材料雷击保护的方法，主要是通过网箔包覆、表面喷涂等方法将高导电率的金属材料附加在复合材料结构表面上。如波音787飞机复合材料机身结构的防雷击措施是在复合材料机身制造过程中加人金属网，将雷击电流引走。但是，高密度的金属材料不仅增加了复合材料结构的重量，同时也增加了复合材料结构的制造成本；并且，金属材料易发生腐蚀，与树脂粘接强度较低，使得与复合材料之间的表面容易出现空隙，当雷击电流能经过时产生电弧和火花，严重地甚至可能引燃结构中的油箱造成飞机爆炸。本发明旨在针对目前的雷击防护措施存在的问题，提出新的解决方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种具有雷电保护作用的复合材料的成型方法。
本发明技术解决方案是这样解决的：
一种具有雷电保护作用的复合材料的成型方法，步骤如下：
1)分散有纳米导电颗粒树脂膜的制备；将纳米导电颗粒与含有溶剂的树脂在高速搅拌机下进行混合与分散2-3小时，然后将成膜剂溶解于分散好的纳米导电颗粒与树脂混合物，加入高温型固化剂进行混合；再将所获树脂体系倒入在温度为90-120℃的铁板上，使其流延成型形成含有分散纳米导电颗粒的树脂膜；所述的纳米导电颗粒为碳纳米管、石墨烯、纳米银、纳米镍的一种或几种纳米颗粒；所述的含有溶剂的树脂，为不饱和聚酯、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂及其对应的溶剂体系，或为多种树脂混合及其溶剂体系；所述的高温型固化剂为芳香族多胺、酸酐、甲基酚醛树脂、双氰胺一种或多种；
2)纤维预成型体定型；首先按照模具尺寸裁剪树脂膜以及纤维布，然后将裁剪好的纤维布沿着模具表面进行铺贴，再将树脂膜覆盖在其上，使用密封剂将预成型体四周进行密封；纤维布为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维一种纤维或多种纤维编织的纤维布，密封剂的种类为橡胶、聚四氟乙烯耐高温密封剂；
3)纤维预成型体成型；按照树脂膜熔渗工艺，在上述预成型体上铺覆微孔滤膜，在微孔滤膜上构建真空导流体系，并用真空袋膜密封模具形成模腔，对密封后的模腔进行抽真空处理，同时对模具进行加热，使其温度达到100-140℃之间；
4)复合材料固化；将上述纤维预成型体放入到真空烘箱内，根据树脂种类的固化工艺条件进行加热固化，制成表面含有纳米导电颗粒的复合材料制件。
所述微孔滤膜的种类为尼龙、聚丙烯或聚醚砜微孔滤膜。
本发明具有的优点以及有益效果，本发明通过改进的树脂膜熔渗工艺，使得纳米导电颗粒沿着复合材料厚度方向形成梯度分布，以提高复合材料导电特性，降低复合材料的雷击损伤。相比较于传统使用金属表面改性的复合材料雷电保护方式，本发明采用一体化成型方式，简单易行，大大节省了能源的消耗，节约了制造成本，有效地降低复合材料构件的重量，避免金属存在的腐蚀与粘结性不强等问题。不仅如此，本发明还可以通过树脂膜纳米导电颗粒含量以及熔渗工艺参数控制纳米导电颗粒在复合材料内部的分布，从而实现对复合材料导电特性进行设计，满足飞行器不同部位的雷击保护需求。
附图说明
图1一种具有雷电保护作用的复合材料及其成型方法的成型示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
1)分散有纳米导电颗粒树脂膜的制备。将纳米导电颗粒与含有溶剂的树脂在高速搅拌机下进行混合与分散2-3小时，然后，将成膜剂溶解于上一步分散好的纳米导电颗粒与树脂混合物，加入高温型固化剂进行混合。最后，将所获树脂体系倒入在90-120℃铁板上，使其流延成型形成含有分散纳米导电颗粒的树脂膜。
2)纤维预成型体定型。首先按照模具尺寸裁剪树脂膜以及纤维布，再将裁剪好的纤维布沿着模具表面进行铺贴，然后将树脂膜覆盖在其上，最后，使用密封剂将预成型体四周进行密封。
3)纤维预成型体成型。按照树脂膜熔渗工艺，在所述预成型体上铺覆微孔滤膜，在微孔滤膜上构建真空导流体系，并用真空袋膜密封模具形成模腔，对密封后的模腔进行抽真空处理，同时对模具进行加热，使其温度达到100-140℃之间。在树脂熔渗时，由于密封剂的作用，纤维布表面的铺放有纳米导电颗粒的树脂膜只能沿厚度方向进行熔渗，而由于纤维布能够阻隔导电纳米颗粒的流动，因此导电颗粒将会沿着复合材料厚度方向形成浓度梯度。
4)复合材料固化。将上述纤维预成型体放入到真空烘箱内，根据树脂种类的固化工艺条件进行加热固化，制成表面含有纳米导电颗粒的复合材料制件。
所述的纳米导电颗粒为碳纳米管、石墨烯、纳米银、纳米镍等的一种或几种纳米颗粒，所述的纳米导电颗粒表面可以经过不同的改性方式以满足实际的分散要求。
所述的含有溶剂的树脂，为不饱和聚酯、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂及其对应的溶剂体系，或为多种树脂混合及其溶剂体系。
所述的纤维布为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等一种纤维或多种纤维编织的纤维布。
所述密封剂的作用是限制树脂流动方向，使树脂沿着厚度方向进行熔渗。所述密封剂的种类为橡胶、聚四氟乙烯等耐高温密封剂。
所述微孔滤膜的作用是防止纳米导电粒子随树脂排出固化体系，所述微孔滤膜的种类为尼龙、聚丙烯、聚醚砜等微孔滤膜。
上述的制备方法中，需要用到的树脂膜熔渗辅助材料主要包括导流布、导胶管以及真空袋，这些一起构成所述的树脂膜熔渗体系。
所述抽真空处理时，使所述模腔的真空度优选达到0.09MPa以上，模具加热温度需达到110℃-140℃之间，整个树脂膜熔渗时间优选为3-5h之间，然后保温7-12h作为树脂的预固化。
上述的预成型体成型过程中，所述预固化的时间与温度需根据树脂体系的固化特性而定，该优选的预固化制度能让第一树脂体系适当硬化，同时防止树脂体系固化完全。
本发明其原理如图1所示，通过树脂膜熔渗工艺，在纤维布2上铺覆含有纳米导电颗粒的树脂膜1，通过加热模具3，完成树脂膜熔渗工艺，从而将纳米导电颗粒沉积于复合材料表面，以提高复合材料表面电导率，降低复合材料的雷击损伤。
实施例1
本实施例以制备飞机客舱舱门为例，采用多壁碳纳米管改善碳纤维增强氰酸酯复合材料的表面导电率，减少雷电对于飞机客舱舱门的损害。
具体方法为，
1)分散有多壁碳纳米管树脂膜的制备。将0.5份的经十六胺改性的多壁碳纳米管加入到300份邻苯二甲酸二甲酯中，在高速搅拌机下进行混合与分散3小时，然后加入100份的N,N'-(4,4'-亚甲基二苯基)，在常温下超声分散30分钟后高速搅拌2小时。
分散好的多壁碳纳米管与树脂混合物在180℃下进行搅拌12小时，蒸发去除溶剂。然后，将料温升高到135℃，加入86份的2,2’-二烯丙基双酚A，搅拌40分钟，再在100℃下加入186份的双酚A型氰酸酯，搅拌至澄清。将料温加热到190℃下，加入5份的成膜剂聚醚砜，搅拌使其溶解于树脂当中，搅拌至澄清。将混合好的增强体与树脂体系混合物倒入到120℃的上铁板，降温到室温使树脂膜流延成型。
2)碳纤维预成型体定型。碳纤维布选用的300g/m2 T300单向碳纤维织布。首先按照飞机客舱舱门的尺寸裁剪树脂膜以及碳纤维布，再将裁剪好的碳纤维布沿着模具表面进行铺贴，然后将树脂膜覆盖在其上，最后，使用密封剂4橡胶将预成型体四周进行密封。
3)碳纤维预成型体成型。按照树脂膜熔渗工艺，在所述预成型体上铺覆微孔滤膜，在微孔滤膜上构建真空导流体系，并用真空袋膜密封模具形成封闭模腔，对密封后的模腔进行抽真空处理，真空度达到0.09MPa，同时对模具进行加热至120℃，整个树脂膜熔渗时间为3h，然后保温8h进行树脂的预固化。
4)复合材料固化。将上述碳纤维预成型体放入到真空烘箱内，进行200℃/5h+230℃/3h的固化处理，随炉冷却至室温，获得多壁碳纳米管沿厚度方向梯度分布的碳纤维复合材料飞机客舱舱门，其表面电阻可达到4×102square-1。
实施例2
本实施例以制备无人机机翼为例，采用纳米银改善玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的表面导电率，减少雷电对于无人机机翼的损害。
具体方法为，
1)分散有纳米银树脂膜的制备。将1份的纳米银加入到300份的丙酮中，高速搅拌，然后加入100份的酚醛环氧树脂F-51，在常温下超声分散30分钟，然后在高速搅拌机下进行混合与分散2小时1小时。分散好的多壁碳纳米管与环氧树脂混合物在90℃下进行搅拌12小时，蒸发去除溶剂。然后，将料温升高到190℃，加入5份的成膜剂聚醚砜，搅拌使其溶解于树脂当中，再降温到120℃，加入30份的高温型固化剂二氨基二苯砜，搅拌至澄清。将混合好的增强体与树脂体系混合物倒入到130℃的上铁板，降温到室温使树脂膜流延成型。
2)玻璃纤维预成型体定型。玻璃纤维布选用的480g/m2无捻玻璃纤维织布。首先按照无人机机翼的尺寸裁剪树脂膜以及玻璃纤维布，再将裁剪好的玻璃纤维布沿着模具表面进行铺贴，然后将树脂膜覆盖在其上，最后，使用密封剂4聚四氟乙烯将预成型体四周进行密封。
3)玻璃纤维预成型体成型。按照树脂膜熔渗工艺，在所述预成型体上铺覆微孔滤膜，在微孔滤膜上构建真空导流体系，并用真空袋膜密封模具形成封闭模腔，对密封后的模腔进行抽真空处理，真空度达到0.095MPa，同时对模具进行加热至130℃，整个树脂膜熔渗时间为4h，然后保温9h进行树脂的预固化。
4)复合材料固化。将上述碳纤维预成型体放入到真空烘箱内，进行180℃/5h+200℃/3h的固化处理，随炉冷却至室温，获得纳米银沿厚度方向梯度分布的玻璃纤维复合材料无人机机翼，其表面电阻可达到104square-1。
Claims (2)
1.一种具有雷电保护作用的复合材料的成型方法，其特征在于，步骤如下：
1)分散有纳米导电颗粒树脂膜的制备；将纳米导电颗粒与含有溶剂的树脂在高速搅拌机下进行混合与分散2-3小时，然后将成膜剂溶解于分散好的纳米导电颗粒与树脂混合物，加入高温型固化剂进行混合；再将所获树脂体系倒入在温度为90-120℃的铁板上，使其流延成型形成含有分散纳米导电颗粒的树脂膜；所述的纳米导电颗粒为碳纳米管、石墨烯、纳米银、纳米镍的一种或几种纳米颗粒；所述的含有溶剂的树脂，为不饱和聚酯、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂及其对应的溶剂体系，或为多种树脂混合及其溶剂体系；所述的高温型固化剂为芳香族多胺、酸酐、甲阶酚醛树脂、双氰胺一种或多种；
2)纤维预成型体定型；首先按照模具尺寸裁剪树脂膜以及纤维布，然后将裁剪好的纤维布沿着模具表面进行铺贴，再将树脂膜覆盖在其上，使用密封剂将预成型体四周进行密封；纤维布为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维一种纤维或多种纤维编织的纤维布，密封剂的种类为橡胶、聚四氟乙烯耐高温密封剂；
3)纤维预成型体成型；按照树脂膜熔渗工艺，在上述预成型体上铺覆微孔滤膜，在微孔滤膜上构建真空导流体系，并用真空袋膜密封模具形成模腔，对密封后的模腔进行抽真空处理，同时对模具进行加热，使其温度达到100-140℃之间；
4)复合材料固化；将上述纤维预成型体放入到真空烘箱内，根据树脂种类的固化工艺条件进行加热固化，制成表面含有纳米导电颗粒的复合材料制件。
2.根据权利要求1所述的一种具有雷电保护作用的复合材料的成型方法，所述微孔滤膜的种类为尼龙、聚丙烯或聚醚砜微孔滤膜。
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