專利名稱：利用導電無機晶須增進碳纖維疊層復合材料導電性的方法
技術領域：
本發明屬于功能復合材料領域，涉及一種利用導電無機晶須增進碳纖維疊層復合材料導電性的方法。
背景技術：
連續碳纖維增強樹脂基疊層復合材料由于其高的比強度和比剛度，在現代飛機應用越來越多，但這種復合材料由于其結構特點，具有層內導電性不足，層間富樹脂層呈現高阻的特點，因此如何提高復合材料導電性以防雷擊的問題不可避免。復合材料抗雷擊或增進導電性主要通過兩種方法來實現，其一為在復合材料的表面直接覆以一層導電層，如添加金屬網、金屬條等(W02005032812-A2、US2005181203-A1 )，如近年來有大量專利和文獻報道的則是在復合材料表面覆蓋碳納米管紙、碳纖維/碳納米 管等雜化的導電層及其它形式的導電層等(如參考專利CN 102001448A、EP2289803-A2及US2011049292-A1);其二為通過添加導電粒子等方法增進層間導電性，如US2009140098-A1提出了在復合材料樹脂基體中添加碳納米管以增進導電性的方法等。目前通過在復合材料層間添加導電粒子的方法通常采用碳納米材料，但由于碳納米類材料的共軛電子離域的導電形式存在接觸電阻很大并且缺陷較多，引起導電性不足的問題。此外將多數導電材料添加到層間，由于在壓力作用下導電材料長軸方向都會有沿鋪層面分布的傾向，導致上下鋪層與導電材料的接觸較差，由此帶來的接觸電阻極大地增加了層厚方向的電阻。四針狀氧化鋅晶須由于其特殊的四針狀結構，可以被用來作為高分子材料的基體的增韌增強改性劑，已有專利如CN200810183554. 4將四針狀氧化鋅晶須置于層間提高復合材料層間斷裂韌性。但通常的氧化鋅晶須具有半導體特性，其導電性差，無益于提高復合材料層間導電性。現有技術中有通過表面鍍金屬層或者摻雜改性使得這種晶須導電性大為提高(如CN1298039)，但尚無應用于復合材料層間以提高層間的導電性的先例。將導電性四針狀氧化鋅晶須引入到復合材料層間，氧化鋅晶須的四針狀的結構特征和略大于層間富樹脂層的尺寸使得晶須可以較好接觸或插入到上下鋪層中，起到上下鋪層連接導體的作用，并減少了接觸電阻，同時不喪失專利CN200810183554. 4中所述的提高層間斷裂韌性的功能。
發明內容
本發明的目的本發明的目的是提出一種增進連續碳纖維疊層復合材料的層間導電性的方法，以增進疊層復合材料的層間導電性和整體導電性。本發明的技術解決方案是將具有導電性的改性四針狀氧化鋅晶須引入到碳纖維疊層復合材料層間。所用的導電改性四針狀氧化鋅晶須為表面具有金屬鍍層的四針狀氧化鋅晶須或經過摻雜改性的導電氧化鋅晶須，導電改性四針狀氧化鋅晶須體積電阻率在10Ω · cm以下。所述層間引入導電性的四針狀氧化鋅晶須的方法為單一晶須粉末或和定型劑粉末共混粉末噴灑附著或以上粉末的分散液噴灑附著。本發明的優點和特點是本發明將具有高導電性的改性四針狀氧化鋅晶須引入到連續碳纖維疊層復合材料層間，利用導電尖端易于與上下鋪層接觸并能夠插入到鋪層內起到接觸導通的作用，以增進疊層復合材料的層間導電性和整體導電性。以非常簡單的方法增進了連續纖維疊層復合材料的層間導電性，充分利用了四針狀無機氧化鋅晶須的四針狀結構特征，利用了表面覆蓋金屬鍍層改性和摻雜改性的無機氧化鋅晶須的高導電性，為復合材料層間和部分層內纖維之間的接觸導通搭建導電通路，改善了復合材料層間導電性。本發明可適用于各種成型工藝和樹脂體系，可適用于各種引入導電四針狀無機氧化鋅晶須的方法。
具體實施方式
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下面通過實施例對本發明的設計和制備技術做進一步詳細說明。第一步，是在碳纖維織物和預浸料中附載導電四針狀氧化鋅晶須。該步驟是將導電四針狀氧化鋅晶須引入到疊層復合材料層間，其引入方法可以多種多樣，比如利用粉塵噴灑吸附、利用懸浮液噴灑或涂附而后干燥等，但需要保持附載的均勻，以防止局部富集導致的應力集中。為了提高改性晶須在碳纖維鋪層上的附著能力和鋪層的鋪覆性能，更優選的方案可以和定型劑粉末共混噴灑到碳纖維織物或預浸料上面，利用定型劑粉末的升溫粘結性提高改性晶須在碳纖維鋪層上的附著能力和鋪層的鋪覆性能。由于通常氧化鋅晶須本身為半導體，導電性差，因此本專利方案里利用導電改性的氧化鋅晶須，包含導電摻雜改性(如鋁摻雜)和表面覆有金屬層或其它材料的導電層的氧化鋅晶須，如此才能有效地在層間起到導電橋的作用。第二步，按照常規工藝對這種預制體進行成型和固化，從而得到一種層間導電性改進的復合材料終態制品。標準連續碳纖維增強復合材料的層間富樹脂，導致復合材料厚度方向的絕緣電阻最高。因此，通過利用導電氧化鋅晶須特殊的四針狀結構，而且層間富樹脂層厚度(約1(Γ20 μ m)小于氧化鋅晶須的表觀尺寸(約2(Γ50 μ m),晶須又同時具有較高的剛度和較細的四針臂，因此能夠扎入到碳纖維鋪層中，起到導電連接作用。根據宏觀導電體系的串并聯模型，在電阻最高的層間和部分層內利用導電性高的改性氧化鋅架導電橋，從而有效增進了復合材料在層厚方向的導電性，這是本發明的原理。實施例I :(1-1)將含銀鍍層的四針狀氧化鋅晶須通過粉塵噴灑附著于連續碳纖維單向增強的環氧樹脂基預浸料的表面，隨后一一進行鋪層，碳纖維T300、3K，環氧樹脂5228 (北京航空材料研究院產品)，定型后得到層間附載導電氧化鋅晶須的復合材料預制體；(1-2)按該環氧樹脂預浸料規定的固化工藝，將上述復合材料預制體利用常規的模壓方法進行真空成型固化，得到相應的層間導電性改善的環氧樹脂基復合材料制品。實施例2:(2-1)將水分散的氧化鋁摻雜改性四針狀氧化鋅晶須噴灑于連續碳纖維增強緞紋織物表面，烘干后用表面附有晶須的織物一一進行鋪層，碳纖維T700U2K，定型后得到層間附載的導電氧化鋅晶須的復合材料預制體；(2-2)利用RTM工藝，將液態苯并嗪(BOZ)樹脂、德國Henkel公司產品Epsilon，注入預制體并浸潰完全，然后按照該BOZ樹脂規定的工藝進行成型和固化，最終得到RTM成型的層間導電性改善苯并嗪樹脂基的復合材料制品。實施例3 (3-1)將含銅鍍層的四針狀氧化鋅晶須和環氧樹脂定型劑粉末均勻灑于連續碳纖維增強的環氧樹脂預浸料的表面，熱熔使兩者牢牢粘附于鋪層表面，隨后進行鋪層，碳纖維T800U2K,環氧樹脂QY9611 (北京航空制造工程研究所產品)，得到復合材料預制體；(3-2)按該環氧樹脂預浸料規定的固化工藝，利用熱壓罐方法進行成型固化，得到
層間導電性改善的復合材料制品。實施例4 (4-1)將含銀鍍層的四針狀氧化鋅晶須和雙馬樹脂定型劑粉末均勻灑于碳纖維織物上，碳纖維T300、3K，熱熔后共混粉末牢牢附著在織物表面，經鋪層和定型后得到層間含織物附載的導電氧化鋅的復合材料預制體；(4-2)利用RTM工藝，將液態雙馬來酰亞胺(BMI)樹脂6421 (北京航空材料研究院產品)，按照該樹脂RTM成型的工藝要求注入，然后再按規定的工藝進行成型固化，最終得到碳纖維增強、導電性提高的雙馬來酰亞胺樹脂基復合材料制品。
權利要求
1.一種利用導電無機晶須增進碳纖維疊層復合材料導電性的方法，其特征為，將具有導電性的改性四針狀氧化鋅晶須引入到碳纖維疊層復合材料層間。
2.如權利要求I所述的利用導電無機晶須增進碳纖維疊層復合材料導電性的方法，其特征為，所用的導電改性四針狀氧化鋅晶須為表面具有金屬鍍層的四針狀氧化鋅晶須或經過摻雜改性的導電氧化鋅晶須，導電改性四針狀氧化鋅晶須體積電阻率在10Ω · cm以下。
3.如權利要求I所述的利用導電無機晶須增進碳纖維疊層復合材料導電性的方法，其特征為，所述層間引入導電性的四針狀氧化鋅晶須的方法為單一晶須粉末或和定型劑粉末共混粉末噴灑附著或以上粉末的分散液噴灑附著。
全文摘要
本發明屬于功能復合材料領域，涉及一種利用導電無機晶須增進碳纖維疊層復合材料導電性的方法。其主要特征為將具有高導電性的改性四針狀氧化鋅晶須引入到層合碳纖維復合材料層間，通過導電四針狀氧化鋅晶須的尖端接觸或插入到上下碳纖維鋪層起到層間和層內導電通路作用，從而增進復合材料的層間導電性。
文檔編號C08K7/06GK102838763SQ20121034226
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月14日 優先權日2012年9月14日
發明者郭妙才, 劉剛 申請人:中國航空工業集團公司北京航空材料研究院