一种复合材料燃烧阻隔结构及其复合材料制造技术

本发明专利技术属于结构‑功能一体化复合材料的制备技术领域，涉及一种复合材料燃烧阻隔结构及其复合材料。本发明专利技术发展了一种预制结构化的层间燃烧阻隔结构的碳纤维预浸料，预制结构化的层间燃烧阻隔结构分布于预浸料表面，具有一定厚度，并且呈现为网格状分布。其组成包含树脂、热溶于树脂的热塑性增韧剂和均匀分散其中的阻燃剂和/或纳米粒子的其中几种。这种预浸料在制备成复合材料后，层间形成连续的燃烧阻隔层并扩散到碳纤维含量高的层内，起协同阻隔作用，因此起到了良好的阻燃作用，UL94垂直燃烧法表明阻燃级别可达V0级以上，燃烧时无烟雾溢出，并且由于其网格状分布，有利于复合材料成型工艺，并避免了对复合材料面外性能的影响。

Composite material combustion barrier structure and composite material thereof

The invention belongs to the technical field of the preparation of structure function integration of composite materials, and relates to a composite structure and composite combustion barrier. The development of a pre structured layer combustion of carbon fiber pre barrier structure immersed prefabricated structured layer combustion barrier structure distribution in the prepreg surface, with a certain thickness, and a grid distribution. The composition contains resin, thermoplastic resin in hot several toughener and uniform dispersion of the flame retardant and / or nanoparticles. This prepreg in composite material is prepared after continuous combustion of barrier layer and spread to the high content of carbon fiber layer formed in the interlayer, synergistic barrier, therefore played a good flame retardant, UL94 vertical combustion test showed that the flame retardant grade up to V0 above, burns without smoke and overflow. Because of the grid distribution, is conducive to the composite molding process, and avoids the influence of surface properties of composite materials.

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料燃烧阻隔结构及其复合材料
本专利技术属于结构-功能一体化复合材料的制备
，涉及一种复合材料燃烧阻隔结构及其复合材料。
技术介绍
火灾是商用和军用飞机的主要安全危害之一，火灾产生的高热、烟气和有毒物质严重威胁着乘客的生命安全，在所有飞机事故中，火灾高居原因的第四位(Boeing2005,Statisticalsummaryofcommercialjetairplaneaccidents-worldwideoperations1959-2004,Seattle,Washington,US,P.18.)，并且火灾死亡人数以每年4％的速率的增长[FAA网站]。碳纤维增强树脂基叠层复合材料主要用于制造航空航天飞行器的外壳和蒙皮,自进入21世纪后，以美国B787和欧洲A380大飞机为代表，连续碳纤维增强的高分子复合材料已在民用飞机领域获得越来越大的应用，如B787的用量已达飞机结构用量的50％左右。但随着复合材料用量的增加，飞机的潜在火灾风险也大大提高。从材料角度，这归因于复合材料本身的材质特征。通常的复合材料包含了易燃的有机高分子树脂基体，如广泛使用的环氧树脂，这类树脂在高温下发生分解，释放出易燃和有毒的气体，使得火灾范围迅速扩大。尽管碳纤维自身不易燃烧，但由于易燃的树脂基体的存在，而且碳纤维之间存在大量的间隙，使得面对火焰时，不仅无法对树脂基体的燃烧起到阻隔作用，而且空气和燃烧烟尘更容易通过间隙高速对流扩散，从而使燃烧加快，并使碳纤维复合材料膨胀分层，整个材料快速解体。尤其是对于层间经过增韧改性后的复合材料，层间层变厚，空气能够快速补充到燃烧区域,使得复合材料更容易燃烧。针对碳纤维复合材料的阻燃改性，一种是选用难燃的基体树脂，但某些树脂体系如聚酰亚胺耐高温性能和阻燃性较好，却价格极其高昂、而且加工性很差；一种是利用添加型的阻燃剂对现有易燃性的树脂如环氧树脂进行阻燃改性，但会造成复合材料树脂体系的改变和成型工艺的改变，并带来材料性能的劣化，所以现有的航空环氧树脂基复合材料大多未进行阻燃改性，添加微纳米材料提高材料的阻燃性能，也会导致树脂体系的增粘，工艺难度很大；还有一种方法是在层间添加阻燃剂，但可能会造成复合材料力学性能的下降，并且层间离散分布的阻燃剂或少量阻燃剂的薄层实际难以起到有效阻燃作用。专利(申请号：201410777826.9)给出了一种阻燃复合材料的制备方法，即将阻燃性的材料和热塑性增韧剂(或热塑性增韧剂与树脂的共混物)共混制备成层间插层，随后插层到复合材料层间，最后得到了阻燃的复合材料制品，且具有更好的韧性。但其仍然存在以下缺点:阻燃的插层是连续性地分布在整个层间，并且具有一定的厚度，相对较韧、具有较低模量的层间必定会影响复合材料的力学性能，尤其是复合材料的弯曲模量。综上，在现有技术上进一步改进，减少层间大量的连续分布的韧性物质对复合材料力学性能的不利影响，并由此进一步发展新型的阻燃复合材料结构和制备技术。
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，根据叠层碳纤维树脂基复合材料的结构特征，通过在预浸料上喷涂或印制或铺贴的阻燃性薄层，同时薄层具有网状的结构性分布，如此预浸料经过铺贴和固化以后，最终复合材料的层间具有交叉贯穿整个层间的燃烧阻隔带，每个阻隔带都能在固化时渗透，与碳纤维层共同抑制和阻隔燃烧，如此既可以获得较好的燃烧，又能较好地保持层间的刚度，同时复合材料的韧性也得到了提高。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种含燃烧阻隔结构的碳纤维预浸料，该预浸料由碳纤维预浸料和分布在其一个表面的结构化阻燃性薄层组成；碳纤维预浸料由连续碳纤维织物或单向布和浸渍其中的热固性树脂组成；阻燃性薄层厚度为10μm～40μm，面密度为2g/m2～30g/m2；阻燃性薄层具有结构化分布，其结构类型为网状，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、印刷的方法铺覆到预浸料表面。阻燃性薄层的材质由树脂A和均匀分散于A中的阻燃材料构成，树脂A为与预浸料中树脂相同的热固性树脂和热塑性树脂B的混合物或单一的热塑性树脂B，树脂A中热固性树脂和树脂B的质量之比为0～5:1，热塑性树脂B在热固性树脂的固化工艺温度下可以溶解于预浸料中的热固性树脂中阻燃性薄层的材质可以为(1)本征阻燃性的热塑性树脂C，(2)本征阻燃性的热塑性树脂C和与预浸料中树脂相同的热固性树脂的均匀共混物，热固性树脂和树脂C的质量之比为0～5:1，(3)本征阻燃性的热塑性树脂C和与预浸料中树脂相同的热固性树脂的均匀共混物以及其它共阻燃材料，热固性树脂和树脂C的质量之比为0～5:1；本征阻燃性的热塑性树脂C在热固性树脂的固化工艺温度下可以溶解于预浸料中的热固性树脂中阻燃材料为各种无机粒子、阻燃性聚合物、碳纳米材料之一或者它们之间的混合物，其中无机纳米材料、碳纳米材料颗粒尺度在500nm以下，质量百分比含量不高于薄膜的5％；其中阻燃性聚合物可溶于预浸料中的热固性树脂中，阻燃性聚合物在薄膜中的质量百分比含量在10％～35％之间；各种阻燃材料通过溶剂和构成薄膜组分的树脂A共溶解分散成溶液，再通过溶液喷涂、打印、薄层铺贴、印刷的方法铺覆到预浸料表面，或通过溶液喷涂、打印、薄层铺贴、印刷的方法在其它表面上制成薄层，再转印到预浸渍料的表面。共阻燃材料为各种无机粒子、阻燃性聚合物、碳纳米材料之一或者它们之间的混合物，其中无机纳米材料、碳纳米材料颗粒尺度在500nm以下，质量百分比含量不高于薄膜的5％；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，连续碳纤维为T300、CCF300、T700、T800、T1000、M40、M50、M60、M70，连续碳纤维的编织方式为单向、平纹、斜纹、缎纹。无机粒子为二氧化硅粒子、蒙脱土、黏土、埃洛石；纳米碳材料为碳纳米管、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、含溴的线型酚醛树脂。热塑性树脂B为聚醚醚酮、聚芳醚酮、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、聚苯砜、聚酯及其衍生的聚合物。叠层复合材料由将含燃烧阻隔结构的碳纤维预浸料依次层叠铺层，阻燃性薄层朝一个方向使得每一个层间都具有一层阻燃性薄层，得到预制体，再按预浸料成型固化工艺条件固化得到。本专利技术的技术方案的核心(1)是为了使附于预浸料表面的阻燃薄膜材料在固化得到最终叠层碳纤维复合材料后能够在层间与碳纤维共同形成有效的燃烧阻隔层；(2)是通过阻隔层结构化设计，控制结构层分布和用量，减少阻隔层材料用量，增加层间刚度，减少对复合材料工艺性、力学性能的影响。最终得到的含燃烧阻隔结构的预浸料制备而成的复合材料具有良好的阻燃和阻烟性能，并且韧性、工艺性和力学性能良好。本专利技术的优点和特点是：应用层间燃烧阻隔概念，通过优化设计预浸料上附载的功能薄膜的材料和结构特征，构建有效的复合材料的结构化层间阻隔层，减少了燃烧阻隔层的用量，使复合材料更适用于成型工艺，并且避免层间全部占据的阻隔层对复合材料力学性能，尤其是面外性能的不利影响，同时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含燃烧阻隔结构的碳纤维预浸料，其特征在于：该预浸料由碳纤维预浸料和分布在其一个表面的结构化阻燃性薄层组成；碳纤维预浸料由连续碳纤维织物或单向布和浸渍其中的热固性树脂组成；阻燃性薄层厚度为10μm～40μm，面密度为2g/m

【技术特征摘要】
1.一种含燃烧阻隔结构的碳纤维预浸料，其特征在于：该预浸料由碳纤维预浸料和分布在其一个表面的结构化阻燃性薄层组成；碳纤维预浸料由连续碳纤维织物或单向布和浸渍其中的热固性树脂组成；阻燃性薄层厚度为10μm～40μm，面密度为2g/m2～30g/m2；阻燃性薄层具有结构化分布，其结构类型为网状，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、印刷的方法铺覆到预浸料表面。2.根据权利要求1所述的一种含燃烧阻隔结构的碳纤维预浸料，其特征在于：阻燃性薄层的材质由树脂A和均匀分散于A中的阻燃材料构成，树脂A为与预浸料中树脂相同的热固性树脂和热塑性树脂B的混合物或单一的热塑性树脂B，树脂A中热固性树脂和树脂B的质量之比为0～5:1，热塑性树脂B在热固性树脂的固化工艺温度下可以溶解于预浸料中的热固性树脂中。3.根据权利要求1所述的一种含燃烧阻隔结构的碳纤维预浸料，其特征在于：阻燃性薄层的材质可以为(1)本征阻燃性的热塑性树脂C，(2)本征阻燃性的热塑性树脂C和与预浸料中树脂相同的热固性树脂的均匀共混物，热固性树脂和树脂C的质量之比为0～5:1，(3)本征阻燃性的热塑性树脂C和与预浸料中树脂相同的热固性树脂的均匀共混物以及其它共阻燃材料，热固性树脂和树脂C的质量之比为0～5:1；本征阻燃性的热塑性树脂C在热固性树脂的固化工艺温度下可以溶解于预浸料中的热固性树脂中。4.根据权利要求2所述的一种含燃烧阻隔结构的碳纤维预浸料，其特征在于：阻燃材料为各种无机粒子、阻燃性聚合物、碳纳米材料之一或者它们之间的混合物，其中无机纳米材料、碳纳米材料颗粒尺度在500nm以下，质量百分比含量不高于薄膜的5％；其中阻燃性聚合物可溶于预浸料中的热固性树脂中，阻燃性聚合物在薄膜中的质量百分比含量在10％～35％...

【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