[发明专利]一种阻燃改性碳纤维预浸料和复合材料制品

说明书

技术领域

本发明属于结构复合材料的技术领域，涉及一种阻燃改性碳纤维预浸料和高阻燃复合材料制品。

背景技术

火灾是商用和军用飞机的主要安全危害之一，火灾产生的高热、烟气和有毒物质严重威胁着乘客的生命安全，在所有飞机事故中，火灾高居原因的第四位(Boeing 2005,Statistical summary of commercial jet airplane accidents-worldwide operations 1959-2004,Seattle,Washington,US,P.18.)，并且火灾死亡人数以每年4％的速率的增长[FAA网站]。

碳纤维增强树脂基叠层复合材料主要用于制造航空航天飞行器的外壳和蒙皮,自进入21世纪后，以美国B787和欧洲A380大飞机为代表，连续碳纤维增强的高分子复合材料已在民用飞机领域获得越来越大的应用，如B787的用量已达飞机结构用量的50％左右。但随着复合材料用量的增加，飞机的潜在火灾风险也大大提高。

从材料角度，这归因于复合材料本身的材质特征。通常的复合材料包含了易燃的有机高分子树脂基体，如广泛使用的环氧树脂，这类树脂在高温下发生分解，释放出易燃和有毒的气体，使得火灾范围迅速扩大。尽管碳纤维自身不易燃烧，但由于易燃的树脂基体的存在，而且碳纤维之间存在大量的间隙，使得面对火焰时，不仅无法对树脂基体的燃烧起到阻隔作用，而且空气和燃烧烟尘更容易通过间隙高速对流扩散，从而使燃烧加快，并使碳纤维复合材料膨胀分层，整个材料快速解体。尤其是对于层间经过增韧改性后的复合材料，层间层变厚，空气能够快速补充到燃烧区域,使得复合材料更容易燃烧。

针对碳纤维复合材料的阻燃改性，一种是选用难燃的基体树脂，但某些树脂体系如聚酰亚胺耐高温性能和阻燃性较好，却价格极其高昂、而且加工性很差；一种是利用添加型的阻燃剂对现有易燃性的树脂如环氧树脂进行阻燃改性，但会造成复合材料树脂体系的改变和成型工艺的改变，并带来材料性能的劣化，所以现有的航空环氧树脂基复合材料大多未进行阻燃改性，添加微纳米材料提高材料的阻燃性能，也会导致树脂体系的增粘，工艺难度很大；还有一种方法是在层间添加阻燃剂，但可能会造成复合材料力学性能的下降，并且层间离散分布的阻燃剂或少量阻燃剂的薄层实际难以起到有效阻燃作用。

综上，发展新颖的复合材料阻燃方法，合理设计复合材料结构特征，提高复合材料的阻燃性能非常必要，并由此发展一种新型阻燃复合材料及其相应的制备技术。

发明内容

本发明的目的：本发明针对现有技术的问题，根据叠层碳纤维树脂基复合材料的结构特征，通过预浸料和复合材料材料设计，使最终复合材料的层间具有贯穿整个层间的燃烧阻隔层，并和层内碳纤维共同抑制和阻隔燃烧，同时这种层间结构还能维持甚至提高复合材料的层间力学性能，兼顾阻燃性和结构特性，由此发展一种阻燃改性的预浸料以及相应的高阻燃性叠层碳纤维树脂基复合材料及其制备技术。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种阻燃改性碳纤维预浸料，该预浸料由碳纤维预浸料和粘贴在其一个表面的阻燃性薄膜组成；碳纤维预浸料由连续碳纤维织物或单向布和浸渍其中的热固性树脂组成；阻燃性薄膜厚度为10μm～45μm，面密度为10g/m²～50g/m²，上面有点状分布的小孔，孔径小于3mm，小孔之间间距不超过20mm；阻燃性薄膜由树脂A和均匀分散于A中的阻燃材料构成，或为本征阻燃性的热塑性树脂B；树脂A为与预浸料中树脂相同的热固性树脂和热塑性树脂C的混合物或单一的热塑性树脂C，树脂A中热固性树脂和树脂C的质量之比为0～5:1，热塑性树脂B和C在热固性树脂的固化工艺温度下均可以溶解于预浸料中的热固性树脂中；阻燃改性碳纤维预浸料通过将阻燃性薄膜在预浸料表现出一定粘性的温度下平贴在预浸料的一个表面得到。

阻燃材料为各种无机粒子、阻燃性小分子、阻燃性聚合物、碳纳米材料之一或者它们之间的混合物，其中无机纳米材料、碳纳米材料颗粒尺度在500nm以下，质量百分比含量不高于薄膜的5％；其中阻燃小分子、阻燃性聚合物可溶于预浸料中的热固性树脂中，阻燃小分子、阻燃性聚合物在薄膜中的质量百分比含量在8％～35％之间；各种阻燃材料通过溶剂和构成薄膜组分的树脂A共溶解分散溶液成膜，或通过机械共混方法和构成薄膜组分的树脂A混合均匀随后热压、挤出成膜，使各组分都均匀分散于薄膜中。