[发明专利]改进的复合材料

说明书

本发明涉及复合材料，特别涉及涂布的纤维补强的复合材料，其具有增强的导电性。

复合材料由于它们有吸引力的机械性质和比金属更低的重量而日益应用于很多领域中的结构应用中。复合物由材料层构成以提供结构上有利的层压型材料。不过，虽然导电性是金属最显著属性之一，但是基于纤维补强材料的复合材料(如粘性膜，表面膜，和预浸渍(预浸渍体)材料)一般具有低得多的导电性。

传统复合材料通常由补强相和基质相构成，补强相一般包含连续或不连续纤维，基质相一般为热固性或热塑性聚合物。用于制造复合物的最早的第一代基质聚合物天然是脆的，因此有必要开发更加韧性的变体。用作航天应用中初级结构的复合材料趋于是所谓的第二代或第三代增韧的材料。

特别需要对若干应用显示出导电性的复合材料。这些应用包括用于防雷击保护、静电消除(ESD)、和电磁干扰(EMI)的用途。现有的复合材料，如基于碳纤维的那些复合材料，具有通常与碳丝(carbon filament)的石墨性质有关的一定程度的导电性。不过，导电性水平不足以防护复合材料免受强放电如雷击的破坏作用。

第二代增韧的复合材料由于基质材料内的增韧相引入而表现出比早先的第一代材料的改进。通过各种方式向这些材料中引入改进的导电性。这包括通过膨胀箔、金属网、或交织的金属丝将金属引入组装中。用于该目的的典型金属包括铝、青铜和铜。这些复合材料能提供更好的导电性。不过，它们通常重并且具有明显劣化的机械性质和美学性质。这些复合物通常位于材料的第一层(ply)或顶部二层，因此经常导致差的总体表面抛光。

当雷击于第二代复合物时，破坏一般限于表面保护层。雷击的能量典型地足以蒸发一些金属并在网或其它保护层中灼烧出小孔。对底层复合物的破坏可以最小化，破坏限于顶部一层或两层。然而，这样的雷击后，有必要切除受损区域并用新鲜的金属防护和如果需要的新鲜的复合物来修复。

如前所述，含碳纤维的材料具有一定的导电性。不过，导电通道仅沿着纤维方向，在与纤维补强材料的平面垂直的方向(z-方向)具有有限的电流耗散能力。碳补强的材料经常包含夹层(interleaf)结构，夹层结构经常包含一些树脂层，其由于夹层的电绝缘性质导致沿z-方向固有的低的导电性。当被雷击时，该布置的结果可能导致灾难性的后果，因为放电能进入夹层，使其中的树脂挥发，并引发物质分层和穿透复合材料。

其它导电性颗粒如炭黑、聚吡咯、碳纳米纤维、及其混合物单独用作复合材料中的添加剂，而且显示出改进的耐受由例如雷击引起的破坏性。

添加涂布金属的颗粒至夹层型预浸渍体显示出降低由雷击引起的对复合物的损坏水平，而且能进一步降低对表面和下部层的损坏。

所谓第三代增韧的复合材料基于夹层技术，其中树脂层与纤维补强的层交替，并提供冲击防护。不过，这些树脂层起到电绝缘体的作用，因此沿材料z-方向(即，与纤维方向垂直)的电导率差。对复合材料的雷击能导致具有贯穿多层层压品的孔的组件的灾难性故障。

因此，本发明寻求提供复合材料，其具有较此处所述的先前尝试改进的导电性，并且与标准复合材料相比具有极少或者不具有额外的重量。本发明还寻求提供复合材料，其具有改进的导电性，而不损害材料的机械性能。本发明进一步寻求提供制备具有改进的导电性的复合材料的方法。

再一目的是提供耐雷击复合材料，其便于制造、使用和修复。

根据本发明的第一方面，提供复合材料，其包含：

i)预浸渍体，由至少一种聚合物树脂和至少一种导电纤维补强材料构成；

ii)分散于聚合物树脂中的导电性颗粒；和

iii)包含其它树脂组分的涂布金属的碳纤维顶层，其中所述金属包含一种或多种选自镍、铜、金、铂、钯、铟和银中的金属。

根据本发明的第二方面，提供制备复合材料的方法，包括以下步骤：

i)提供预浸渍体，该预浸渍体包含至少一种聚合物树脂和至少一种导电性纤维补强材料；

ii)将导电性颗粒分散于聚合物树脂中；和

iii)添加包含其它树脂组分的涂布金属的碳纤维顶层，其中所述金属包括选自镍、铜、金、铂、钯、铟和银中的一种或多种金属。

顶层能在制造预浸渍体期间或之后添加，并可使用通过预浸渍体中包含的树脂所提供的粘合性来就地固结(consolidated in place)。