[发明专利]复合材料

说明书

背景技术

在航天工业中，因为飞行器框架中的大量主要和次要结构由复合材料制成，故复合物的使用变得越来越重要。飞行器设计中复合物的优点包括高强度重量比、极好选疲劳持久性、耐腐蚀性以及可挠性，从而使零件和对于扣件和接合件的需要明显减少。然而，由于树脂基质的介电性质，故将这些材料用于新式飞行器的主要和次要结构存在特定挑战。尽管将碳纤维用作复合材料中的强化纤维可由于其石墨性质而沿其纵向方向传递某种程度的导电性，但复合材料中基质树脂的介电特性会降低复合材料和结构的整体导电性。飞行器主要结构需要导电性增加的复合物以满足对雷击保护、潜在放电、电接地以及电磁屏蔽的严格要求。

树脂和复合物的导电性可通过在树脂基质中或复合结构的层间区域中并入不同导电粒子或聚合物来改良。所述目前先进的材料方案可用于改良复合物的z向导电性，而非其机械性能。“z向”是指与复合结构中强化纤维的布置平面正交的方向或穿过复合结构的厚度的轴。

发明内容

本发明涉及可提供厚度方向的高导电性以及改良的分层和抗冲击特性的纤维增强复合材料。根据本发明的一个实施例，纤维增强复合材料包括：

i)至少一个用可固化树脂基质浸渍的强化纤维结构层；以及

ii)至少一种与强化纤维相邻或接近的导电复合粒子。

导电复合粒子为由至少一种分散于聚合材料中的导电材料构成的微米级粒子。因此，每一导电复合粒子具有导电组分和聚合组分。在树脂基质固化之前，导电复合粒子的聚合组分最初为固相且实质上不溶于可固化树脂基质中，但在树脂基质固化周期期间其能够进行至少部分相转变成为流体相。结构层的可固化树脂基质可为可硬化组合物，在树脂基质固化周期期间导电复合粒子的聚合组分至少部分可溶于所述可硬化组合物中。

还公开了一种制造层间区域具有导电复合粒子的多层复合结构的方法。

本发明的另一方面是针对特性类似于导电复合粒子的导电聚合纤维和非编织结构。

附图说明

图1示意性描述本发明的一个实施例的导电复合粒子。

图2说明产生导电复合粒子的示范性方法。

图3A示意性说明固化之前层间区域中含有导电粒子的复合结构。

图3B示意性说明固化之后图2A中所述的复合结构。

图4为展示根据本发明的一个实例制造的微米级导电复合粒子的扫描电子显微镜(SEM)图像。

图5A和5B为两张展示基于在层间区域中并入铜/聚酰胺复合粒子的固化复合结构的横截面图的显微照片。

图6为展示基于在层间区域中并入导电铜/PES粒子的固化复合结构的横截面的显微照片。

具体实施方式

近来已开发“第三代韧化复合材料”以用于航天应用中的主要结构。所述材料的抗冲击性通过在纤维增强层片之间穿插聚合物插入层来改良。层间聚合物粒子、纤维或膜的存在由于材料的介电性质可明显降低纤维增强复合材料的“z向”导电性。因此，需要改良“第三代材料”的复合物z向导电性以确保可接受水平的潜在放电和电接地而避免复合组分的潜在灾难性故障或雷击事件后与燃料蒸气燃烧和后续燃料槽爆炸有关的事故。

基于树脂的复合物的导电性可通过向树脂基质中或在多层复合材料和结构的层间区域中并入不同导电粒子或聚合物来改良。可以高负载(通常大于50重量％)使用金属填充剂以降低树脂电阻率，但这一方法通常产生明显重量增加和实质机械特性降低。共轭导电聚合物可以相对较低的负载改良树脂系统导电性，但其危害用于航天应用的结构树脂系统和预浸物的热机械性能。也可使用如碳黑、碳纳米管、碳纳米纤维等基于碳的添加剂来改变树脂系统的组成，但其存在加工能力和分散困难，从而限制其在先进复合结构中的使用。

近来提出一系列具有导电涂层的层间粒子作为在两个相邻层之间产生电桥的方案。然而，所述导电粒子通常仅可提供高导电性或抗冲击特性，而无法兼顾两者。

本发明提供一种多功能方案，其包括具有一或多个用可固化树脂基质浸渍的强化纤维结构层和具有韧化能力的导电复合粒子的复合材料。此外，当所述导电复合粒子用于多层复合结构的层间区域时，其能够在多层复合结构中的结构纤维层之间产生电桥。本发明的方案不仅改良复合结构的z向导电性，而且改良机械特性，如层间断裂韧性和抗冲击性。术语“导电复合粒子”下文用以表示“导电复合粒子”。导电复合粒子为由至少一种分散于至少一种聚合材料中的导电材料构成的微米级粒子。因此，每一导电复合粒子具有导电组分和聚合组分。