[发明专利]一种复合导电薄层及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明是一种复合导电薄层及其制备方法和应用，该项技术包括高导电具增韧作用的导电薄层的制备技术和采用该种导电薄层制备出的整体高导电、高韧性结构复合材料，属于功能复合材料的制备技术领域。

背景技术

现代飞机越来越多地使用连续碳纤维增强树脂基叠层复合材料作为结构材料，但标准连续碳纤维增强复合材料被树脂填充，其层间富树脂，因此导致复合材料厚度方向和面内垂直纤维方向的电阻较高，当受到雷击时，电荷难以移除，大电流通量会使复合材料电击损坏甚至烧蚀。传统的复合材料抗雷击措施是在复合材料的表面直接覆以一层导电层，如金属网、金属条等，而近几年热门、并且有大量专利和文献报道的则是在复合材料里添加碳纳米管纸、碳纤维/碳纳米管等杂化导电材料，或者是与前者的表面层的纳米导电复合等，如参考专利CN102001448A涉及了一种飞机构件的防雷击表面膜，这层表面膜包含衬底和在其表面生长的导电的碳纳米管；WO2008048705-A2等提出了一种纳米粒子分散的导电性低密度聚合物膜作为防雷击保护层；WO2005032812-A2等给出的是利用金属箔及内层的聚合物复合膜层作为表面防雷击用导电层；US2009140098-A1提出了在复合材料树脂基体中添加碳纳米管以增进导电的方法等。

从以上参考专利可以看到，这些专利的多数是在复合材料外层覆以金属导电层，少数的是通过提高复合材料层间导电性来达到传导电荷的能力，涉及到的填料包括导电的碳纳米管纸、碳纤维和碳纳米管等。但是，金属导电附加物增加了终态复合材料的整体重量，飞机上的许多复杂部位也无法通过覆以金属附加物来实现抗雷击，而且覆在复合材料外层的金属附加物对复合材料的内部抗冲击分层损伤并无益处，而碳纳米材料的层间添加则存在自身导电性不足的问题，此外还存在填料的分散技术等问题，这种分散性差的问题有时反而会引起复合材料的抗冲击分层损伤能力下降。因此开发新型抗雷击、高导电的结构复合材料是航空材料研究中的一个热点和难点。

另一方面，连续碳纤维增强树脂基叠层结构复合材料通常对低速冲击敏感，容易形成内部冲击分层损伤，使复合材料的压缩强度急剧降低，提高抗冲击分层损伤能力的最主要方法提高复合材料的层间断裂韧性，因此，叠层结构复合材料的增韧也一直是国内外航空复合材料的重要研究课题。

目前，针对复合材料增韧的方法多种多样，如利用较韧的橡胶或者热塑性高分子对热固性基体树脂直接进行增韧，但由此常常会带来耐热性和刚度的下降，或者加工工艺性变差等问题。一种在叠层复合材料层间引入韧性结构的方法受到关注，因其提高复合材料抗冲击分层能力的同时保持了成型的工艺性和其它力学性能，典型的例子是在层间插入独立的高韧性纯热塑性树脂层或者热固性胶层及其发展起来的“离位”增韧技术（参考专利CN101220561，CN101760965A），如插入多孔的热塑性薄膜。还有在层间引入韧性颗粒、在层间引入刚性穿插结构及在层间置入高韧性纤维的技术等，如插入尼龙无纺布、热塑性树脂纤维的织物（即利用热塑性树脂纤维编织而成的薄层织物）等均可使复合材料层间断裂韧性大幅度提高。这种层间引入韧性结构的技术虽然提高了复合材料的韧性，但在一定程度上也增大了碳纤维富树脂层间的间隙，使得本来就较高电阻率的层间变得更加高电阻，造成复合材料抗雷击的更大困难。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术存在的两种技术的矛盾，设计提供了一种复合导电薄层及其制备方法和应用，其目的是制备一种结构-功能一体化的连续碳纤维增强叠层树脂基结构复合材料，该种材料能兼顾导电性以抗雷击和高增韧以提高其冲击损伤容限。

本发明的目的是通过以技术措施来实现的：

本发明技术方案首先提出了制备一种作为中间态复合材料的导电-增韧双功能的复合导电薄层，该导电薄层是由低面密度多孔的载体和均匀附载在载体上的导电介质构成；

低面密度多孔的载体是多孔的织物、无纺布、聚合物薄膜，载体的厚度5μm～80μm，载体的面密度为5g/m²～30g/m²之间。

导电介质是银纳米线，或银纳米线和碳纳米管、石墨烯、导电微纤中的一种或几种的混合物。

多孔的无纺布是指聚合物无纺布或非聚合物无纺布。

聚合物无纺布是指尼龙、聚芳醚酮、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚醚醚酮。

非聚合物无纺布是指碳纤维无纺布、碳纳米管无纺布、植物纤维无纺布。

本发明还提出了所述复合导电薄层的制备方法，该制备方法中导电介质附载到载体上的方法为以下之一：