结构-导电复合材料的制备及其导电性能研究

发布时间：2020-07-13 14:59

【摘要】：导电能力不足是目前碳航空用纤维增强复合材料最迫切需要解决的问题之一。传统碳纤维增强复合材料存在严重的各向异性,同时其中各组分的选材及其组合形成主要为满足结构要求而设计,较少考虑到其结构强度和导电性能的兼容统一。在现行的飞机设计中,相关复合材料结构的导电问题一般通过附加额外的材料和装置来解决,但此类额外系统大量消耗了现代飞机本已不足的结构设计裕度,提高了相关结构的材料和制造成本,降低了整机的工作效率。因此,复合材料的结构-导电一体化是当前航空复合材料发展的重要方向和研究目标。针对上述研究目标,本文开展了结构-导电复合材料的制备及其导电性能研究,本文主要研究内容及成果如下:(1)结构-中等导电(电阻1~100Ω/□)一体化复合材料的研究:选用碳纳米管作为导电填料,并通过BET吸附法、X射线光电子能谱法、和拉曼光谱法等手段对碳碳纳米管进行优选;通过对超声空化和高剪切分散工艺的优化,研究碳纳米管在环氧树脂的均匀分散方法;研究碳纳米管增强复合材料力学和导电性能的原理,揭示环氧树脂中碳纳米管添加量与复合材料力学和导电性能的变化规律,研究结构-中等导电一体化复合材料的制备方法;设计相关试验研究结构-导电复合材料在抗静电和电磁屏蔽场景中的应用效果,讨论复合材料电导率与其抗静电性能和电磁屏蔽效能的对应关系。(2)结构-导电胶膜的研究:选择复相环氧树脂中的连续增韧结构,探索对其进行导电改性的可能方案,建立并改进轻质高分子材料的化学镀方法,并用导电增韧织物替代环氧树脂中原有的增韧体系,开展高分子的结构-高导电(电阻≤1Ω/□)一体化研究,制备一种兼具粘接强度和导电性能的结构-导电胶膜;针对胶接结构界面导电能力降低的问题,研究导电胶和被粘物的界面导电强化方法,将结构-导电一体化胶膜的强度与导电性能分别与结构胶黏剂和导电胶黏剂对比,表征其综合性能,分析结构-导电胶接接头中电通路的建立方式。(3)结构-高导电复合材料的研究:研究、改进环氧树脂基和双马树脂基复合材料的插层增韧和导电改性方法,分别将轻质的导电增韧织物和导电碳纤维织物分别用于上两种复合材料的改性,提出一种结构-高导电一体化复合材料的制备方法,分析导电增韧织物的连续结构对复合材料层间断裂韧性的增强原理和层间区树脂导电改性对复合材料整体导电性能的影响规律,通过复合材料的直接雷击效应试验和结构-高导电复合材料的雷击防护效能研究,研究复合材料层间导电性能提升对复合材料整体雷击防护效能的影响原理。(4)导电导热/绝热多功能复合材料雷击防护膜研究:分析雷电直接效应中热辐射与大电流注入等不同破坏因素对复合材料的损伤形式的影响规律,在增韧剂高导电、热固性树脂均匀导电强化的基础上进一步对雷电防护材料进行热防护改性,研究以高分子和碳材料为主体的轻质多功能雷击防护膜对复合材料的雷击防护效能,并与现行的通用雷击防护材料进行综合性能比较。基于上述新工艺和新理论,本文成功制备了碳纳米管改性,厚度方向中等导电强化的结构-中等导电一体化复合材料,材料压缩强度和层间剪切强度得到了显著提高(29%和17%),厚度方向电导率达到16.4 S/m,电磁屏蔽效能达到约68dB,1h试验时间内最大油面电位低于7V;金属/高分子纤维/碳纤维多元无纺布改性,厚度方向高导电的结构-高导电一体化复合材料,其厚度方向导电性能达到了27.9 S/m,比改性前提高了约60倍;和结构胶膜,胶膜单搭接剪切强度达到26.8MPa,浮辊剥离强度达到4.2N/mm,电导率达到1700S/cm;以及导电导热层/绝热层叠层的多功能雷击防护胶膜,胶膜防护雷击损伤深度仅有0.24mm,雷击后剩余强度达到401MPa,同时质量较铜网轻约37%。三种材料的综合表现均优于现行的结构材料/附加系统导电解决方案。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB332
【图文】：

承力结构,复合材料,飞机

结构-导电一体化复合材料的发展概况续碳纤维增强树脂基复合材料(以下简称复合材料性能可设计性强及综合性能优异等特点在航空了普遍重视，并已在航空航天领域得到了极大F22 和 F35 为代表，其复合材料用量分别达到了满足飞机整体减重，提高载客量的目的，复合B787 和欧洲 A350 大飞机为代表，其复合材料，见图 1-1[1]。虽然复合材料已大量取代金属材要标志，但其同时也是一种典型的各向异性材强度、导电等性能显著低于沿纤维方向，仍有应用时，通过将不同纤维取向的复合材料薄层叠层复合材料板，进而解决复合材料板在 X、[4]，但其在 Z 方向(板厚度方向)上的力学性能和场合中全面满足结构承力、雷击防护、以及导电60

高强高韧,历程,复合材料,基体树脂

哈尔滨工业大学工学博士学位论文形式，复合材料由于热固性基体树脂的脆性特质破坏。提高材料冲击损伤容限的方法是对基体树脂增韧的必要性和原理，已得到的较广泛的关注和受树脂本征性能主导，第一代复合材料已经具备了固性基体的脆性，其在受到低速冲击后，压缩性改用韧性好的热塑性树脂作为基体树脂制造复合提高复合材料的损伤容限，但在正常服役状态下又不能满足设计要求。为此，复合材料经历了三次能和层间韧性。未经任何改性的复合材料层合板的(180～220)MPa 之间，将热固性树脂基复合材料并兼顾材料工艺特性，至今仍是工程化复合材料500

航空,屏蔽效能,复合材料,金属材料

哈尔滨工业大学工学博士学位论文绝缘的热固性树脂基体存在，航空复合材料导电的问题在近，军机的电磁波防护问题，见图 1-3。在电磁干扰下，航电，严重影响了以复合材料为主要结构的军机在自然雷电和人技战性能的发挥。研制一种导电的复合材料已经成为军用先切需求[23]。

【参考文献】