一种多重防护复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于新型结构复合材料的制备技术领域，涉及一种多重防护复合材料及其制备方法。充分利用各组分的优点和协同作用，结合复合材料结构特征，构建多组分协同增韧、导电、阻燃的层间阻隔结构和表面防护结构，利用碳纳米材料、阻燃剂、增韧剂复合的层间层协同构建层间结构，使复合材料具备层间层内燃烧阻隔作用、层间导静电作用，碳纳米材料起协同阻燃和强韧作用；复合材料表面层也兼具阻隔燃烧和防静电功能。并且适用于现有的复合材料体系以及成型工艺，避免了对复合材料面外性能的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种多重防护复合材料及其制备方法
本专利技术属于新型结构复合材料的制备
，涉及一种多重防护复合材料及其制备方法。
技术介绍
连续碳纤维增强的树脂基复合材料具有高的比强度和比刚度，在航空航天、输油管道、高压容器、民用体育器材等领域具有越来越广泛的应用。连续碳纤维增强的复合材料通常由层叠的连续纤维织物和树脂复合而成，或者通过连续纤维缠绕形成预制体，再和浸渍其中的树脂共固化得到复合材料结构体。但连续碳纤维增强的树脂基复合材料由于其自身的结构特点，也不可避免地存在着一些缺点，比如脆性的树脂基体导致材料本身的脆性、绝缘性的基体导致材料导电性较差、有机树脂基体的易燃性问题，因此带来了应用中的潜在风险，如冲击、燃烧、静电等，复合材料的发展逐渐不仅注重其结构性，也开始注重其功能性，发展结构-功能一体化复合材料也成为现代复合材料发展的重要方向。但单一功能的复合材料也逐渐难以满足现代材料发展的需求，如在防雷击应用时，不仅需要兼顾材料的导电性，抗冲击性和导热性也非常关键；如在油箱结构中，需要达到鸟撞冲击、静电引燃、燃烧阻止等目的。因此发展多功能的复合材料，实现材料的多重防护非常必要。综上，需要发展新型的多重防护复合材料技术，赋予复合材料多种功能的集成，从而使这类复合材料满足实际应用的需要。
技术实现思路
本专利技术的目的：本专利技术针对现有技术的问题，提出了一种多重复合材料的制备技术，即在实现复合材料燃烧阻隔结构的同时，通过引入碳纳米结构，起到协同阻隔燃烧和抗静电作用，并在表面覆盖完成的阻燃抗静电层，从而得到具有阻燃及抗静电功能的复合材料，同时多重防护结构还能起到增强增韧作用，可提高复合材料的抗分层能力。本专利技术的目的：本专利技术针对现有技术的问题，通过层间燃烧阻隔设计、导电阻燃协同设计、阻燃-增韧一体化设计和表面防护设计，制备一种新型的多重防护复合材料，可以兼具阻燃性以抗燃烧、导电性以抗静电、高韧性以抗冲击，使复合材料能够满足现有飞机机身、油箱等需要多重功能的需求。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种多重防护复合材料及其制备方法，该复合材料包括层叠的连续碳纤维铺层、浸渍其中的树脂、具有阻燃性和导电性的层间层和具有阻燃性和导电性的表面层A；其中具有阻燃性和导电性的表面层由碳纳米材料、阻燃性的树脂混合物构成，覆盖于整个复合材料表面，厚度为10μm～120μm；其中具有阻燃性和导电性的层间层A由碳纳米材料、阻燃性的树脂混合物，其结构形态包括填充于整个复合材料的各层间和呈网状分布于整个复合材料的各层间，每个层间层厚度为10μm～40μm。制备该复合材料的方法为，该复合材料由一个表面覆有具有阻燃性和导电性的混合树脂层B的预浸料铺叠而成，并使每个层间都有一层阻燃性和导电性的混合树脂层B，最后将具有阻燃性和导电性的表面层B铺覆在其一个或两个表面，在预浸料所需要的固化工艺条件下固化，冷却脱模得到相应的多重防护复合材料；其中阻燃性和导电性的混合树脂层的结构为薄层或具有网状形态，厚度为10μm～40μm；固化完成后，具有阻燃性和导电性的混合树脂层B和基体树脂发生一定程度的溶解、分相，形成具有阻燃性和导电性的混合树脂层A，具有阻燃性和导电性的表面层B和基体树脂发生一定程度的溶解、分相，形成具有阻燃性和导电性的表面层A。表面层B和混合树脂层B由碳纳米管和可与基体树脂相溶的阻燃性树脂组成；表面层B为厚度10μm～120μm的薄膜，面密度为10～130μmg/m2，碳纳米材料质量分数为1％～10％，并在阻燃性树脂中均匀分散；混合树脂层B铺贴在预浸料的表面，厚度为10μm～40μm，内含碳纳米材料质量分数为0.2％～5％，并在阻燃性树脂中均匀分散，其结构形态为有孔薄膜或网状薄膜，为有孔薄膜时，孔径0.3～3mm，孔隙面积占膜面积5％～50％，在膜上均匀分布，为网状薄膜时，构成网的每根连接带宽度为5mm～20μm，相邻两根连接带的间距不超过每根连接带的4倍，阻燃性薄层通过溶液喷涂、打印、薄层铺贴、印刷的方法铺贴在预浸料表面。表面层B和混合树脂层B中的阻燃性树脂的组成状态有以下几类：(1)阻燃性树脂为单一的阻燃性热塑性树脂；(2)阻燃性树脂为高性能热塑性树脂和阻燃性热塑性树脂的共混物，阻燃性热塑性树脂质量百分比含量在10％～35％之间；(3)阻燃性树脂为基体热固性树脂和阻燃性热塑性树脂的共混物，阻燃性热塑性树脂质量百分比含量在10％～35％之间；(4)阻燃性树脂为基体热固性树脂、高性能热塑性树脂和阻燃性热塑性树脂的共混物，阻燃性热塑性树脂质量百分比含量在10％～35％之间；以上高性能热塑性树脂和阻燃性热塑性树脂在固化工艺温度下均可溶解于基体热固性树脂。用于表面层B中的阻燃性树脂为基体热固性树脂和阻燃性热塑性树脂的共混物或基体热固性树脂、高性能热塑性树脂和阻燃性热塑性树脂的共混物，并且基体热固性树脂和高性能热塑性树脂的质量百分比为(0～0.8)：1。用于混合树脂层B中的阻燃性树脂为高性能热塑性树脂和阻燃性热塑性树脂的共混物或基体热固性树脂、高性能热塑性树脂和阻燃性热塑性树脂的共混物，并且基体热固性树脂和高性能热塑性树脂的质量百分比为(0.8～5)：1。浸渍于预浸料中的热固性树脂为环氧树脂、不饱和聚酯、苯并噁嗪树脂、双马来酰亚胺树脂，纤维为连续碳纤维。碳纳米材料为碳纳米管、石墨烯、纳米石墨片、炭黑。阻燃聚合物为如下所示的聚合物材料中的一种或几种：含磷和氮元素的聚芳醚类聚合物、含硫或溴或硼元素的聚磷酸酯、含硼和硅元素的线型酚醛树脂、含磷和溴元素的聚芳醚类聚合物。高性能热塑性树脂为聚醚醚酮、聚芳醚酮、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚。本专利技术的技术方案的核心是将碳纳米材料的导电性和共阻燃性、热塑性树脂的高增韧性结合起来，通过表面防护和层间燃烧阻隔设计，发展一种具备多功能的复合材料，可实现复合材料的多重防护设计，并且可适用于现有的复合材料体系，最终得到的复合材料具有良好的阻燃、导电、韧性，以及良好的工艺性。本专利技术的优点和特点是：本专利技术的优点和特点在于，其一，有效地利用多组分材料的复合，发挥各种的优点和协同作用，一次性实现几种功能的集成和加强；其二，兼具导电性、阻燃性、高韧性，实现一些复合材料应用场合的多方面需求；其三，兼容于现有的材料和工艺，复合材料成型工艺好而且面外力学性能保持良好。具体实施方式：下面通过实施例对本专利技术的设计和制备技术做进一步详细说明。实施例1：本专利技术技术方案的实施过程如下：(1-1)将3g碳纳米管或石墨烯加入到50mLN,N-二甲基甲酰胺或四氢呋喃中，再取15g的酚酞改性的聚芳醚酮(PEK-C)或聚环氧苯氧树脂(PKHH)、25g聚苯基膦酸二苯砜酯、60g环氧树脂5228，将几种组分混合一起，超声分散得到均一的分散液；随后涂膜，控制用量控制膜层厚度，真空烘干脱除溶剂，最终厚度为50μm或70μm或20μm，作为表面抗静电层材料。(1-2)将3g碳纳米管或石墨烯加入到150mLN,N-二甲基甲酰胺或四氢呋喃中，再取55g的酚酞改性的聚芳醚酮(PEK-C)或聚环氧苯氧树脂(PKHH)、25g聚苯基膦酸二苯砜酯、20g环氧树脂5228，将几种组分混合一起，超声分散得到均一的分散液；取环氧树脂预浸料，碳纤维T300、3K或T800、12K，环氧树脂5228(中航复合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多重防护复合材料及其制备方法，其特征在于：该复合材料包括层叠的连续碳纤维铺层、浸渍其中的树脂、具有阻燃性和导电性的层间层和具有阻燃性和导电性的表面层A；其中具有阻燃性和导电性的表面层由碳纳米材料、阻燃性的树脂混合物构成，覆盖于整个复合材料表面，厚度为10μm～120μm；其中具有阻燃性和导电性的层间层A由碳纳米材料、阻燃性的树脂混合物，其结构形态包括填充于整个复合材料的各层间和呈网状分布于整个复合材料的各层间，每个层间层厚度为10μm～40μm。制备该复合材料的方法为，该复合材料由一个表面覆有具有阻燃性和导电性的混合树脂层B的预浸料铺叠而成，并使每个层间都有一层阻燃性和导电性的混合树脂层B，最后将具有阻燃性和导电性的表面层B铺覆在其一个或两个表面，在预浸料所需要的固化工艺条件下固化，冷却脱模得到相应的多重防护复合材料；其中阻燃性和导电性的混合树脂层的结构为薄层或具有网状形态，厚度为10μm～40μm；固化完成后，具有阻燃性和导电性的混合树脂层B和基体树脂发生一定程度的溶解、分相，形成具有阻燃性和导电性的混合树脂层A，具有阻燃性和导电性的表面层B和基体树脂发生一定程度的溶解、分相，形成具有阻燃性和导电性的表面层A。...

【技术特征摘要】
1.一种多重防护复合材料及其制备方法，其特征在于：该复合材料包括层叠的连续碳纤维铺层、浸渍其中的树脂、具有阻燃性和导电性的层间层和具有阻燃性和导电性的表面层A；其中具有阻燃性和导电性的表面层由碳纳米材料、阻燃性的树脂混合物构成，覆盖于整个复合材料表面，厚度为10μm～120μm；其中具有阻燃性和导电性的层间层A由碳纳米材料、阻燃性的树脂混合物，其结构形态包括填充于整个复合材料的各层间和呈网状分布于整个复合材料的各层间，每个层间层厚度为10μm～40μm。制备该复合材料的方法为，该复合材料由一个表面覆有具有阻燃性和导电性的混合树脂层B的预浸料铺叠而成，并使每个层间都有一层阻燃性和导电性的混合树脂层B，最后将具有阻燃性和导电性的表面层B铺覆在其一个或两个表面，在预浸料所需要的固化工艺条件下固化，冷却脱模得到相应的多重防护复合材料；其中阻燃性和导电性的混合树脂层的结构为薄层或具有网状形态，厚度为10μm～40μm；固化完成后，具有阻燃性和导电性的混合树脂层B和基体树脂发生一定程度的溶解、分相，形成具有阻燃性和导电性的混合树脂层A，具有阻燃性和导电性的表面层B和基体树脂发生一定程度的溶解、分相，形成具有阻燃性和导电性的表面层A。2.根据权利要求1所述的一种多重防护复合材料及其制备方法，其特征在于：表面层B和混合树脂层B由碳纳米材料和可与基体树脂相溶的阻燃性树脂组成；表面层B为厚度10μm～120μm的薄膜，面密度为10～130μmg/m2，碳纳米材料质量分数为1％～10％，并在阻燃性树脂中均匀分散；混合树脂层B铺贴在预浸料的表面，厚度为10μm～40μm，内含碳纳米材料质量分数为0.2％～5％，并在阻燃性树脂中均匀分散，其结构形态为有孔薄膜或网状薄膜，为有孔薄膜时，孔径0.3～3mm，孔隙面积占膜面积5％～50％，在膜上均匀分布，为网状薄膜时，构成网的每根连接带宽度为5mm～20μm，相邻两根连接带的间距不超过每根连接带的4倍，阻燃性薄层通过溶液喷涂、打印、薄层铺贴、印刷的方法铺贴在预浸料表面。3.根据权利要求2所述的一种多重防护复合材料及其制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭妙才，李亚锋，洪旭辉，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司基础技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11