[发明专利]防除冰用石墨烯复合膜、复合材料结构件和制备方法

说明书

本发明涉及航空除冰技术领域，其提出了一种防除冰用石墨烯复合膜、复合材料结构件和制备方法。其中，防除冰用石墨烯复合膜包括：绝缘导热层、石墨烯电加热膜层和绝缘隔热层。其中：石墨烯电加热膜层设置在绝缘导热层和绝缘隔热层之间；绝缘隔热层包括耐热橡胶、聚酰亚胺、芳纶、聚酯、聚乙烯、聚丙烯；石墨烯电加热膜层包括：石墨烯复合膜和电极。其中：石墨烯复合膜贴在石墨烯电加热膜层的表面；电极设置在石墨烯电加热膜层的两端；绝缘导热层是填充高导热陶瓷颗粒的耐热树脂。本发明实施例石墨烯复合膜能够与复合材料基体稳定结合，减小电加热对复合材料的热损伤，在不影响复合材料基体力学性能及飞机设计要求的条件下稳定实现防除冰功能。

技术领域

本发明涉及航空的技术领域，尤其是涉及一种防除冰用石墨烯复合膜、复合材料结构件和制备方法。

背景技术

飞机在结冰气象条件下飞行时，云层中的过冷水滴(温度低于0℃，以液态形式存在的水滴)撞击表面，会发生结冰现象，其中，机翼和水平尾翼、垂直尾翼前缘、发动机进气道唇口、进气部件(导向叶片、支撑等)、螺旋桨桨叶、整流帽罩、风挡、舱盖等透明件表面以及空速管、攻角、温度传感器等大气数据探测装置的表面等结冰现象严重。飞机表面积冰会导致大量空气动力学问题，表现为降低升阻比，增加飞行的油耗，妨碍静压系统仪表指示，严重影响飞机的稳定性和操纵性，是威胁航空装备服役安全的一个重要危险因素。

传统的防除冰系统，如混合热气防除冰系统通过一系列管道将发动机内部生成的热气引导至机翼表面内侧，但这不仅会使设计变得复杂、增加飞机本身的非有效荷载、降低发动机的有效推力，同时这种方式提供的热功率密度有限，所以仅限于温度场较温和的结冰环境，对于极低温度的结冰环境，这种方式非常不适宜；传统气囊防除冰系统是通过气囊的充气和泄气使气囊膨胀收缩，产生机械力和机械振动进行除冰，但这种方式对材料腐蚀性以及寿命要求很高，且膨胀充气时对飞机空气动力学影响较大；电脉冲防除冰系统通过在飞机蒙皮产生一个幅值高、持续时间极为短暂的机械力，使冰发生破裂而脱落，虽然除冰效率高，但是该系统使机体结构重量严重增加，除冰效果的好坏取决于蒙皮变形的大小以及脉冲力的频率，且对前缘除冰效果不理想。

电加热防除冰是目前飞行器主流的防除冰技术，通过在所需除冰部位铺设金属网，在温度低于一定界限时，对金属网进行通电令其产生热量，实现防除冰。该方法具有极高的技术成熟度，国外现役直升机桨叶防除冰系统基本都采用电加热方式，但普遍存在费用昂贵、增重(例如S-76直升机仅除冰系统增加150-250磅)、效率较低等问题。

随着高性能纤维增强树脂基复合材料在飞机及发动机部件中所占比重的增加，与金属材料相比，复合材料导电导热性能差、耐高温能力低，无法采用传统电加热方式，而目前世界上主要采用蒙皮内嵌金属网和金属垫，但内嵌金属网容易导致蒙皮受热不均、局部温度过高，同时由于复合材料导热系数低，易产生内层温度较高外层温度仍然处于较低的状态，进而对蒙皮中层造成热损伤的机械损伤，且金属垫的制备受成型工艺限制较大。

发明内容

鉴于此，为了解决现有技术中的至少一种技术问题，本发明提供了一种防除冰用石墨烯复合膜、复合材料结构件和制备方法。

其中，防除冰用石墨烯复合膜，石墨烯复合膜能实现快速、均匀的电热升温，具有柔软轻薄的特点。

包含石墨烯复合膜的具有防除冰功能的复合材料结构件及其制备方法，石墨烯复合膜能够与复合材料基体稳定结合，减小电加热对复合材料的热损伤，在不影响复合材料基体力学性能及飞机设计要求的条件下稳定实现防除冰功能。

防除冰用石墨烯复合膜包括：绝缘隔热层、石墨烯电加热膜层、绝缘导热层，其中：

绝缘隔热层是由耐热橡胶、聚酰亚胺、芳纶、聚酯、聚乙烯、聚丙烯等耐热树脂材料中的一种或几种制备而成，厚度为0.01-0.50mm；绝缘隔热层的作用是可以减小电加热对复合材料基体的热损伤。