结构/加热一体化复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种结构/加热一体化复合材料及其制备方法；所述复合材料为包括增强体层、碳纳米管膜/树脂复合层的多层结构；所述增强体层、碳纳米管膜/树脂复合层依次铺层。所述方法为将碳纳米管膜/树脂复合层与电极连接，然后作为加热部件铺放于增强体层间或表面，通过一体化成型工艺制备复合材料。本发明专利技术制备的复合材料具有优异的力学性能和电加热特性，在深空探测、极地观测、民用电子器件等领域具有非常广阔的应用前景。本发明专利技术制备的结构/加热一体化复合材料的拉伸强度和模量较相应材料体系的结构复合材料分别提高3％以上，150℃以内的任何加热温度均可在5分钟以内达到平衡，并且在150℃下连续加热200小时，电阻变化小于5％。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及复合材料
，具体涉及一种复合材料的制备方法，尤其涉及一种结构/加热一体化复合材料及其制备方法。
技术介绍
复合材料尤其是先进复合材料，具有比强度高、比模量高、热膨胀系数低等突出优势，目前已经得到广泛应用。近年来，随着深空探测、极地观测等领域的快速发展，复合材料部件的工作环境不断恶化，环境温度向越来越低的趋势发展。为了保持有效载荷、关键部件的正常工作，不仅需要复合材料具有良好的力学性能，而且要求复合材料具有加热功能。目前，实现复合材料加热功能主要有两种方式：1、复合材料表面黏贴加热部件；2、利用复合材料内部自身的导电纤维进行通电加热。复合材料表面黏贴的加热部件材料主要有金属箔或金属丝、碳纤维毡等传统导电材料，也有石墨烯膜和碳纳米管膜等近年来开发出来的新型导电材料。其中，碳纳米管膜具有超薄、柔性、力学与导电性优异的特性，因而其在复合材料加热方面的应用越来越受到关注。碳纳米管膜是碳纳米管通过范德华力相互交叉、缠结形成的自支撑的膜状宏观体，其制备方法有：溶液抽滤法、阵列拉膜法、电化学沉积法、悬涂法、化学气相沉积浮动催化方法等。麻省理工大学利用阵列拉膜法制备的碳纳米管膜铺放于复合材料表面可实现稳定加热。但是，复合材料表面黏贴加热部件的工艺比较复杂，需要先成型复合材料然后黏贴，而且加热部件在表面会影响其表面型面精度，因而在很多高精度要求的复合材料部件中不能应用。利用复合材料内部自身的导电纤维进行通电加热，这种方法受到导电纤维的限制只能针对碳纤维复合材料进行加热，而且纤维与电极的充分连接比较困难，加热不均匀。同时，纤维长时间通电后对复合材料界面影响较大从而使其力学性能降低明显。因此，迫切需要一种操作简单且能够同时具有结构/加热一体化的复合材料。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种结构/加热一体化复合材料及其制备方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供了一种结构/加热一体化复合材料，所述复合材料为包括增强体层、碳纳米管膜/树脂复合层的多层结构。优选地，所述增强体层、碳纳米管膜/树脂复合层依次铺层。优选地，所述增强体层包括树脂层、纤维层、树脂/纤维复合层中的一种或多种。优选地，所述纤维包括碳纤维、玻璃纤维、聚对苯撑苯并双噁唑纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维中的任意一种。优选地，所述的树脂包括环氧树脂、双马树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺、聚乙烯、聚乙烯醇、聚酯、聚丙烯、聚苯乙烯和聚氨酯中的一种或多种的混合。优选地，所述碳纳米管膜包括几十至几百层100nm的薄膜单元，所述薄膜单元内的碳纳米管互相交叉形成网络结构。更优选地，所述碳纳米管膜采用化学气相沉积浮动催化方法进行制备。优选地，所述碳纳米管膜/树脂复合层中，树脂的含量为2wt％～35wt％。优选地，所述碳纳米管膜/树脂复合层的制备方法包括如下步骤：将碳纳米管膜放入树脂溶液中浸渍30～60min，取出后烘干即得。通过改变树脂溶液的浓度控制树脂含量，从而对其电阻率进行调控。更优选地，所述树脂溶液由树脂溶于溶剂中制备而成。树脂溶液中树脂的质量含量为1～20％。更优选地，所述树脂包括环氧树脂、双马树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺、聚乙烯、聚乙烯醇、聚酯、聚丙烯、聚苯乙烯和聚氨酯中的任意一种；溶剂包括乙醇、丙酮、苯、甲苯、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、甲基吡咯烷酮和二甲基亚砜中的一种或者两种以上的混合。优选地，所述烘干温度要低于树脂的凝胶温度(热固性树脂)或者热分解温度(热塑性树脂)。为了提高树脂溶液中溶剂的挥发速率可将浸渍后的碳纳米管膜放于真空烘箱中，通过调控树脂溶液种树脂的质量含量可将预浸膜的树脂质量含量控制在2％～35％的范围内，相应电阻率可控制在1×10-3Ω·cm～8×10-3Ω·cm范围内。优选地，所述碳纳米管膜/树脂复合层两端分别连接电极。本专利技术还提供了一种结构/加热一体化复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：将根据具体应用需要，将增强体层、碳纳米管膜/树脂复合层进行铺层，再经加热、加压成型即得所述复合材料。经过本专利技术的一体化成型方法得到的结构/加热一体化复合材料，具有高的力学性能、高的电加热效率和稳定性，其中拉伸强度和模量较相应材料体系的结构复合材料分别提高3％以上，150℃以内的任何加热温度均可在5分钟以内达到平衡，并且在150℃下连续加热200小时，电阻变化小于5％。本专利技术制备的结构/加热一体化复合材料具有优异的力学性能和电加热特性，在深空探测、极地观测、民用电子器件等领域具有非常广阔的应用前景。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：(1)本专利技术采用化学气相沉积浮动催化方法制备的碳纳米管膜作为加热体，该碳纳米管膜具有超薄、柔性及优异的力学和电学特性，并且具有低成本、易于规模化生产的典型优势。(2)本专利技术可通过树脂溶液浓度对碳纳米管膜加热体的电阻进行控制；(3)本专利技术可以根据具体需要将碳纳米管膜加热体埋入复合材料层间，且可在不同层间铺入多层碳纳米管膜，亦可将碳纳米管膜加热体铺敷于复合材料表面；(4)本专利技术不受复合材料中纤维和树脂体系的影响，对于导电纤维、绝缘纤维、热塑性树脂、热固化性树脂均可以实现结构/加热一体化；(5)本专利技术采用一体化成型技术制备结构/加热复合材料；(6)本专利技术可以在保持复合材料优异力学性能的基础上，实现高效、稳定电加热功能。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术中化学气相沉积浮动催化法碳纳米管膜表面形貌；图2为本专利技术中树脂质量分数为10％的碳纳米管预浸膜表面形貌；图3为本专利技术中树脂质量分数为35％的碳纳米管预浸膜表面形貌；图4为本专利技术结构/加热一体化复合材料结构图；其中，1-碳纳米管膜/树脂复合层；2-电极；3-增强体层。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。本专利技术提供一种结构/加热一体化复合材料及其制备方法，所述复合材料如图4所示，为包括增强体层3、碳纳米管膜/树脂复合层1的多层结构。所述增强体层3、碳纳米管膜/树脂复合层1依次铺层。所述增强体层3包括树脂层、纤维层、树脂/纤维复合层中的一种或多种。所述制备方法包括如下步骤：第一步，准备碳纳米管膜，该膜采用化学气相沉积浮动催化方法进行制备。碳纳米管膜的具体制备过程为：在氩气、氢气等惰性气体的保护作用下，将无水乙醇、二茂铁催化剂和噻吩促进剂混合液以一定的速度注入高温管式反应炉。在温度较低的收集区沿管壁形成类似袜状的连续空心碳纳米管膜。这种原位形成的空心碳纳米管膜具有较好的机械完整性，因此可以随气流从管口吹出直接卷绕在反应炉另一端的缠绕装置上。单个空心碳纳米管膜塌陷形成两层碳纳米管薄膜，每层碳纳米管薄膜的厚度为100nm。通过调节缠绕的时间得到不同厚度的多层碳纳米管膜。空气如果进入高温体系氢气很容易达到爆炸极限，因此高温管式反应炉和收集区均处于封闭环境，且系统保持在一个大气压。第二步，制备碳纳米管预浸膜(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结构/加热一体化复合材料，其特征在于,所述复合材料为包括增强体层、碳纳米管膜/树脂复合层的多层结构。

【技术特征摘要】
1.一种结构/加热一体化复合材料，其特征在于,所述复合材料为包括增强体层、碳纳米管膜/树脂复合层的多层结构。2.如权利要求1所述的结构/加热一体化复合材料，其特征在于,所述增强体层、碳纳米管膜/树脂复合层依次铺层。3.如权利要求1所述的结构/加热一体化复合材料，其特征在于,所述增强体层包括树脂层、纤维层、树脂/纤维复合层中的一种或多种。4.如权利要求3所述的结构/加热一体化复合材料，其特征在于,所述纤维包括碳纤维、玻璃纤维、聚对苯撑苯并双噁唑纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维中的任意一种。5.如权利要求1-3任一项所述的结构/加热一体化复合材料，其特征在于,所述的树脂包括环氧树脂、双马树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺、聚乙烯、聚乙烯醇、聚酯、聚丙烯、聚苯乙烯和聚氨酯中的一种或多种的混合。6.如权利要求1或2所述的结构/加热一体化复...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘千立，王晓蕾，梁旭豪，郝旭峰，田杰，
申请(专利权)人：上海复合材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31