改进的复合材料制造技术

本发明专利技术涉及一种复合材料，所述复合材料包含至少一种预浸料和导电性粒子，所述预浸料包含至少一种聚合物树脂和至少一种纤维增强材料，且所述导电性粒子分散在所述聚合物树脂中。

Improved composite materials

The invention relates to a composite material, which comprises at least one prepreg and conductive particles. The prepreg contains at least one polymer resin and at least one fiber reinforced material, and the conductive particles are dispersed in the polymer resin.

【技术实现步骤摘要】
改进的复合材料本专利技术申请是基于申请日为2007年11月06日，申请号为201610009617.9，专利技术名称为“改进的复合材料”的专利申请的分案申请，其中该申请号为201610009617.9的专利申请为申请号为201310069108.1，专利技术名称为“改进的复合材料”的专利申请的分案申请，其中该申请号为201310069108.1的专利申请是申请号为200780041287.0(国际申请号为PCT/GB2007/004220)，专利技术名称为“改进的复合材料”的专利申请的分案申请。
本专利技术涉及复合材料，具体地(但非排它地)，涉及纤维增强的复合材料。
技术介绍
由于与金属相比复合材料具有有吸引力的机械性能和低重量，其越来越多地用于许多领域的结构用途中。在本领域中已知，复合材料由分层材料组成，从而提供在结构上有利的层压型材料。然而，导电性是金属最显著的属性之一，而基于纤维增强材料的复合材料(例如粘性膜、贴面膜和预浸渍的(预浸料)通常具有低得多的导电性。传统的复合材料一般由增强材料相和基质相组成，其中所述增强材料相通常包含连续或不连续的纤维，且所述基质相通常为热固性或热塑性聚合物。最早用于制备复合材料的第一代基质聚合物就其本性而言是脆性的，因此必须开发韧形更强的形式。在航空航天用途中用作主结构的复合材料往往是所谓的第二代或第三代增韧材料。特别需要对数种用途显示导电性的复合材料。这些用途包括防雷击用途、静电耗散(ESD)用途和电磁干扰(EMI)用途。先前的复合材料(例如基于碳纤维的那些复合材料)已知具有一定程度的导电性，这种导电性一般与碳丝的石墨性质有关。然而，其所提供的导电性水平对于保护复合材料免受例如雷击的损伤作用来说是不够的。由于在基质材料中加入了增韧相，第二代增韧复合材料相对于较早的第一代复合材料显示了改进。这包括通过延展金属箔、金属网或交织线材来将金属加入到组件中。用于该目的的典型金属包括铝、青铜(bronze)和红铜(copper)。这些复合材料能够提供较好的导电性。然而，它们通常很重，且其机械性能和航空航天性能显著下降。这些复合材料一般存在于材料的最初一个或两个片层处，因此经常导致总表面光洁度很差。如果在第二代复合材料上发生雷击，损伤在正常情况下局限于表面保护层。雷击能量通常足以将一些金属汽化并在网中烧出小洞。对下层复合材料的损伤可能极小，从而使损伤局限于顶部的一个或两个片层(ply)。不过，在这样的雷击之后，将必须切掉受损区域，并且用新的金属保护材料、而且如果需要的话还用新的复合材料来进行修复。如已经提到的，带有碳纤维的材料确实具有一些导电性。然而，导电通路仅在纤维的方向中，且其沿着与纤维增强材料的平面相垂直的方向(z向)耗散电流的能力是受限的。碳增强材料经常包含夹层结构(interleafstructure)，由于夹层的电绝缘性，这种夹层结构导致在z向中具有固有的低导电性。当受闪电破坏时，这种设置的结果能够导致灾难性的影响，因为放电能够进入夹层，将夹层中的树脂汽化，以及导致主体层离(massdelamination)和穿过复合材料。所谓的第三代增韧复合材料基于下述夹层技术：其中树脂层与纤维增强片层(fibrereinforcedplies)交替存在，从而提供对冲击的保护。然而，这些树脂层起电绝缘体的作用，因此在材料的z向(即，垂直于纤维方向)中的导电性很差。在复合材料上的雷击能够导致组件的严重破坏，从而产生穿过多片层层压体(multipleplylaminate)的洞。
技术实现思路
因此本专利技术试图提供下述复合材料——与如本文所述的先前尝试相比，该复合材料具有改进的导电性，且与标准复合材料相比，该复合材料几乎不具有或不具有附加重量。本专利技术还试图提供下述复合材料——该复合材料在不损害材料的机械性能的情况下具有改进的导电性。本专利技术进一步试图提供一种制备具有改进的导电性的复合材料的方法。本专利技术的另一目的是提供一种便于制备、使用和修理的耐雷击复合材料。根据本专利技术的第一方面，提供了一种复合材料，其包含：i)至少一种预浸料，所述预浸料包含至少一种聚合物树脂和至少一种纤维增强材料；以及ii)分散在所述聚合物树脂中的导电性粒子。根据本专利技术的第二方面，提供了一种制备复合材料的方法，所述方法包括以下步骤：i)提供至少一种预浸料，所述预浸料包含至少一种聚合物树脂和至少一种纤维增强材料；以及ii)将导电性粒子分散在所述聚合物树脂中。根据本专利技术的第三方面，提供了导电性粒子用于降低复合材料的聚合物树脂组分的初始体电阻率(initialbulkresistivity)的用途，所述复合材料包含预浸料，所述预浸料包含所述聚合物树脂和至少一种纤维材料，其中所述导电性粒子分散在聚合物树脂中。令人惊奇地，已发现在预浸料的聚合物树脂中使用导电性粒子提供了降低的体电阻率，从而改进了穿过该复合材料的z向导电性。另外，已发现分散在树脂制剂中并随后进行预浸渍的导电性粒子产生下述预浸料——与等价的未改性预浸料相比，该预浸料具有基本类似的加工性能。应理解，当提及复合材料时，其应包括这样的含纤维增强材料的材料——在该含纤维增强材料的材料中，聚合物树脂与纤维接触但并未浸入纤维中。术语复合材料也包括在本领域中通常称为预浸料的另一种可选配置——其中树脂部分嵌入或部分浸入纤维中。预浸料也可以具有完全浸渍的纤维增强材料层。复合材料也可包括具有多个纤维-树脂-纤维层的多层材料。应理解，当提及“夹层结构”时，其是指具有纤维-树脂-纤维结构的多层材料。术语“夹层(interleaf)”是指在存在并插入于纤维层之间的聚合物树脂。当提及“夹层厚度”时，其是指从下纤维片层的最上表面到上纤维片层的最下表面来测量的横穿夹层的平均距离。因此夹层厚度等于插入的聚合物树脂层的厚度，且当提及夹层厚度和聚合物树脂厚度时它们是可互换的。本文中使用的术语中间层、树脂夹层、相互作用树脂层和无纤维层均是可互换的，且均指聚合物树脂层。本文中使用的术语聚合物树脂是指聚合物体系(polymericsystem)。术语“聚合物树脂”和“聚合物体系”在本申请中可互换使用，并且应理解为指代具有各种链长的树脂的混合物。因此术语聚合物包括下述实施方式——其中存在的树脂呈树脂混合物的形式，所述树脂混合物包含单体、二聚体、三聚体或链长大于3的树脂中的任何物质。所得的聚合物树脂在固化时形成交联的树脂基质。体电阻率是指半导电性材料的“容积”或“体积”电阻率的量度。可见，当提及“初始体电阻率”时，其涉及加入导电性粒子之前聚合物树脂的体电阻率。该值(单位为Ohms-m)是给定材料的固有电阻率。Ohms-m(Ωm)用于度量三维材料的导电性。物质的体电阻率ρ通常由下式定义：其中，ρ是静态电阻率(以欧姆·米为单位测量)，R是材料的均匀样品的电阻(以欧姆为单位测量)，l是样品长度(以米为单位测量)，A是样品的截面面积(以平方米为单位测量)。在本专利技术中，体电阻率仅在z-向(穿过复合材料厚度)中测量。在所有情况中，其被称为“体积”电阻率，因为在计算中总是要考虑厚度。本专利技术的目的通过以下方法实现：将低体积分数的导电性粒子以这样的水平加入预浸料的夹层区域——在所述水平时，导电性粒子本身完全不足以为聚合物树脂(预浸料由所述聚合本文档来自技高网...

【技术保护点】
夹层复合结构，其包括至少两个被聚合物树脂层所隔开的导电性增强纤维材料层，所述夹层复合结构通过横穿所述聚合物树脂层厚度的搭桥而使所述导电性增强纤维材料层电连接而受保护避免雷击，所述夹层复合结构包括：至少两个导电性增强纤维材料层；位于所述导电性增强纤维材料层之间的聚合物树脂层，所述聚合物树脂层包括固化的聚合物树脂，所述树脂层具有厚度；横穿所述聚合物树脂层厚度的搭桥，以在所述导电性增强纤维材料层之间提供电连接，以保护所述复合材料避免雷击，其中所述搭桥至少之一包括导电粒子，所述导电粒子的尺寸基本上等于所述聚合物树脂层的厚度。

【技术特征摘要】
2006.11.06 GB 0622060.21.夹层复合结构，其包括至少两个被聚合物树脂层所隔开的导电性增强纤维材料层，所述夹层复合结构通过横穿所述聚合物树脂层厚度的搭桥而使所述导电性增强纤维材料层电连接而受保护避免雷击，所述夹层复合结构包括：至少两个导电性增强纤维材料层；位于所述导电性增强纤维材料层之间的聚合物树脂层，所述聚合物树脂层包括固化的聚合物树脂，所述树脂层具有厚度；横穿所述聚合物树脂层厚度的搭桥，以在所述导电性增强纤维材料层之间提供电连接，以保护所述复合材料避免雷击，其中所述搭桥至少之一包括导电粒子，所述导电粒子的尺寸基本上等于所述聚合物树脂层的厚度。2.权利要求1的夹层复合结构，其中所述复合结构是飞机部件。3.权利要求1的夹层复合结构，其中所述导电粒子包括碳粒子。4.权利要求1的夹层复合结构，其中所述树脂层包括增韧剂/增韧粒子。5.权利要求1的夹层复合结构，其中所述聚合物树脂层包括碳纳米材料。6.权利要求4的夹层复合结构，其中所述树脂配制物包括增韧剂/增韧粒子，其选自热塑性材料、弹性体和链段弹性体...

【专利技术属性】
技术研发人员：马丁西蒙斯，约翰L考斯，乔治格林，
申请(专利权)人：赫克塞尔合成有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB