[发明专利]一种碳纳米管/碳纤维复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种碳纳米管/碳纤维复合材料及其制备方法和应用。所述碳纳米管/碳纤维复合材料由上到下依次包括：碳纳米管超顺排薄膜层、绝缘防护层和含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层。本发明所述碳纳米管/碳纤维复合材料具有优异的层间断裂韧性和高的表面电导率，且碳纳米管与碳纤维复合材料粘结力强，可以有效提高复合材料的闪电防护效果。

技术领域

本发明属于复合材料闪电防护技术领域，具体涉及一种碳纳米管/碳纤维复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前，国际主流的大型客机大量使用碳纤维复合材料作为其主体结构，从而降低飞机重量，降低油耗，节省成本。根据相关报道，最新型飞机碳纤维复合材料的用量超过50％。碳纤维复合材料的大量应用在大幅度提高飞机性能的同时，也存在一些问题：

1.复合材料的导电性与金属相比存在很大的差距，对雷电相当敏感，遭到雷击后损失更大。有统计表明，一架固定航线的飞机，平均每年要遭到一次雷击，由此造成的飞行安全事故时有发生，有些是灾难性的。迄今为止，至少有2500架飞机被雷电击毁。因此，将大气雷电环境给飞行安全带来的影响减至最小，一直是人们努力追求的目标。2.碳纤维/环氧复合材料层合板抵抗厚度方向载荷的能力仍然较弱，容易发生“分层”，即层间脱胶或开裂现象，使这种高性能复合材料在工程领域中的应用受到了严重限制。如其用作飞机的主承力结构件时，常常会受到外来低速载荷的冲击，在层状复合材料内部产生不可见的分层损伤，进而降低材料的强度和刚度，严重时甚至会酿成灾难性的后果。此外，层状复合材料结构件在生产制造、运输及使用过程中也可能会产生分层及损坏的现象，影响其可靠性。

CN110744833A公开了一种碳纳米管薄膜/复合材料成型方法及制成的闪电防护结构。所述闪电防护结构包括：用作导电层的碳纳米管薄膜；复合材料，包括纤维和填充在纤维中的树脂；胶膜，用于对所述复合材料和碳纳米管薄膜之间的电绝缘；所述碳纳米管薄膜、胶膜和复合材料依次设置。所述闪电防护结构可一步法整体成型所述闪电防护结构。然而，该复合材料仅含碳纳米管薄膜层，层间断裂韧性差，层间脱胶或开裂现象，使这种高性能复合材料在工程领域中的应用受到了严重限制。

CN104789175A公开了一种绝缘导热耐烧蚀胶黏剂及其在闪电防护中的应用。该发明使用一定厚度的该绝缘导热耐烧蚀胶黏剂将导电薄膜粘贴于连续碳纤维层叠复合材料制件表面时，可以阻止电流向连续碳纤维层叠复合材料制件的传导，提高导电薄膜的闪电防护效果，然而其工艺过程过于繁杂，且层间断裂韧性较差。

因此，作为航空用复合材料，制备兼具高层间韧性和表面闪电防护功能与一体的结构-功能一体化复合材料是未来航空的发展方向。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种碳纳米管/碳纤维复合材料及其制备方法和应用。所述碳纳米管/碳纤维复合材料具有高的层间断裂韧性且表面电导率高，可用于闪电防护领域。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种碳纳米管/碳纤维复合材料，所述碳纳米管/碳纤维复合材料由上到下依次包括：碳纳米管超顺排薄膜层、绝缘防护层和含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层。

“碳纳米管/碳纤维复合材料”表示本发明复合材料是由碳纳米管和碳纤维复合得到的材料。在本发明中，所述含碳纳米管阵列的碳纤维预浸料层为复合材料的层间提供了较多的垂直于碳纤维方向取向的碳纳米管，当所述复合材料收到冲击微裂纹扩展至碳纳米管附近时，由于高拉伸强度与模量、高断裂应变及大长径比的碳纳米管横亘在裂纹前端，其会通过桥联作用阻止裂纹继续沿原方向扩展，从而显著提高层间断裂韧性。而碳纳米管超顺排薄膜层具有优异的导电性，可以起到防护闪电的作用。

本发明中，所述碳纳米管超顺排薄膜层包括至少1层(例如可以是1层、2层、3层、4层、5层等)的碳纳米管超顺排薄膜。