防除冰用石墨烯复合膜、复合材料结构件和制备方法技术

技术编号:23450480 阅读:49 留言:0更新日期:2020-02-28 23:40
本发明专利技术涉及航空除冰技术领域,其提出了一种防除冰用石墨烯复合膜、复合材料结构件和制备方法。其中,防除冰用石墨烯复合膜包括:绝缘导热层、石墨烯电加热膜层和绝缘隔热层。其中:石墨烯电加热膜层设置在绝缘导热层和绝缘隔热层之间;绝缘隔热层包括耐热橡胶、聚酰亚胺、芳纶、聚酯、聚乙烯、聚丙烯;石墨烯电加热膜层包括:石墨烯复合膜和电极。其中:石墨烯复合膜贴在石墨烯电加热膜层的表面;电极设置在石墨烯电加热膜层的两端;绝缘导热层是填充高导热陶瓷颗粒的耐热树脂。本发明专利技术实施例石墨烯复合膜能够与复合材料基体稳定结合,减小电加热对复合材料的热损伤,在不影响复合材料基体力学性能及飞机设计要求的条件下稳定实现防除冰功能。

Graphene composite film, composite structure and preparation method for anti deicing

【技术实现步骤摘要】
防除冰用石墨烯复合膜、复合材料结构件和制备方法
本专利技术涉及航空的
,尤其是涉及一种防除冰用石墨烯复合膜、复合材料结构件和制备方法。
技术介绍
飞机在结冰气象条件下飞行时,云层中的过冷水滴(温度低于0℃,以液态形式存在的水滴)撞击表面,会发生结冰现象,其中,机翼和水平尾翼、垂直尾翼前缘、发动机进气道唇口、进气部件(导向叶片、支撑等)、螺旋桨桨叶、整流帽罩、风挡、舱盖等透明件表面以及空速管、攻角、温度传感器等大气数据探测装置的表面等结冰现象严重。飞机表面积冰会导致大量空气动力学问题,表现为降低升阻比,增加飞行的油耗,妨碍静压系统仪表指示,严重影响飞机的稳定性和操纵性,是威胁航空装备服役安全的一个重要危险因素。传统的防除冰系统,如混合热气防除冰系统通过一系列管道将发动机内部生成的热气引导至机翼表面内侧,但这不仅会使设计变得复杂、增加飞机本身的非有效荷载、降低发动机的有效推力,同时这种方式提供的热功率密度有限,所以仅限于温度场较温和的结冰环境,对于极低温度的结冰环境,这种方式非常不适宜;传统气囊防除冰系统是通过气囊的充气和泄气使气囊膨胀收缩,产生机械力和机械振动进行除冰,但这种方式对材料腐蚀性以及寿命要求很高,且膨胀充气时对飞机空气动力学影响较大;电脉冲防除冰系统通过在飞机蒙皮产生一个幅值高、持续时间极为短暂的机械力,使冰发生破裂而脱落,虽然除冰效率高,但是该系统使机体结构重量严重增加,除冰效果的好坏取决于蒙皮变形的大小以及脉冲力的频率,且对前缘除冰效果不理想。电加热防除冰是目前飞行器主流的防除冰技术,通过在所需除冰部位铺设金属网,在温度低于一定界限时,对金属网进行通电令其产生热量,实现防除冰。该方法具有极高的技术成熟度,国外现役直升机桨叶防除冰系统基本都采用电加热方式,但普遍存在费用昂贵、增重(例如S-76直升机仅除冰系统增加150-250磅)、效率较低等问题。随着高性能纤维增强树脂基复合材料在飞机及发动机部件中所占比重的增加,与金属材料相比,复合材料导电导热性能差、耐高温能力低,无法采用传统电加热方式,而目前世界上主要采用蒙皮内嵌金属网和金属垫,但内嵌金属网容易导致蒙皮受热不均、局部温度过高,同时由于复合材料导热系数低,易产生内层温度较高外层温度仍然处于较低的状态,进而对蒙皮中层造成热损伤的机械损伤,且金属垫的制备受成型工艺限制较大。
技术实现思路
鉴于此,为了解决现有技术中的至少一种技术问题,本专利技术提供了一种防除冰用石墨烯复合膜、复合材料结构件和制备方法。其中,防除冰用石墨烯复合膜,石墨烯复合膜能实现快速、均匀的电热升温,具有柔软轻薄的特点。包含石墨烯复合膜的具有防除冰功能的复合材料结构件及其制备方法,石墨烯复合膜能够与复合材料基体稳定结合,减小电加热对复合材料的热损伤,在不影响复合材料基体力学性能及飞机设计要求的条件下稳定实现防除冰功能。防除冰用石墨烯复合膜包括:绝缘隔热层、石墨烯电加热膜层、绝缘导热层,其中:绝缘隔热层是由耐热橡胶、聚酰亚胺、芳纶、聚酯、聚乙烯、聚丙烯等耐热树脂材料中的一种或几种制备而成,厚度为0.01-0.50mm;绝缘隔热层的作用是可以减小电加热对复合材料基体的热损伤。石墨烯电加热膜层主要由石墨烯复合膜和电极组成。石墨烯复合膜厚度为0.01-0.50mm,可由石墨烯溶液经抽滤、喷涂、旋转涂覆等工艺制备,或由化学气相沉积得到。电极的厚度为0.005-0.2mm,可由银、铜、金、铝、镍等金属或合金经粘接、喷涂、电沉积、3D打印等方式制备而成;电极可通过导线实现与电源的连接。绝缘导热层是填充高导热陶瓷颗粒(AlN、Al2O3、SiC、SiO2、Si3N4、BN、钻石粉中的一种或几种)的耐热树脂(聚酰亚胺、芳纶、聚酯、聚乙烯、聚丙烯中的一种或几种),厚度为0.01-0.50mm,高导热陶瓷颗粒的含量为1-60vol%,高导热陶瓷颗粒的粒径为0.1-100μm,高导热陶瓷颗粒的加入可提高绝缘导热层的导热系数;绝缘导热层可将石墨烯电加热膜层的热量更快更高效的传导至冰层,提高除冰效率和防冰效果。具有防除冰功能的复合材料结构件,包括复合材料基体、石墨烯复合膜及胶膜或胶粘剂,石墨烯复合膜的绝缘隔热层与复合材料基体相邻;复合材料基体为纤维增强树脂基复合材料,胶膜或胶粘剂为环氧树脂胶膜或胶粘剂、聚氨酯胶膜或胶粘剂。具有防除冰功能的复合材料结构件的制备方法,可采用二次胶接成型法实现,具体制备步骤包括:步骤一:将绝缘隔热层、石墨烯电加热膜层、绝缘导热层按顺序依次叠加铺放,在绝缘隔热层与石墨烯电加热膜层间、石墨烯电加热膜层和绝缘导热层铺放胶膜或涂覆胶粘剂,升温至25-100℃固化,固化时间为1-24h;步骤二:将固化后的防除冰用石墨烯复合膜用胶膜贴敷于复合材料结构表面,实现复合材料结构层和石墨烯复合膜的连接。采用二次胶接成型法制备复合材料结构件的优点是:根据复合材料结构的尺寸和形状单独制备防除冰层,不影响复合材料结构原有的制备工艺和结构性能,适应性强。具有防除冰功能的复合材料结构件的制备方法,也可采用共固化一体成型法实现,具体制备步骤包括:步骤一:在复合材料结构预浸料完成铺贴后,在最外层依次铺放绝缘隔热层、石墨烯电加热膜层、绝缘导热层,在绝缘隔热层与石墨烯电加热膜层间、石墨烯电加热膜层和绝缘导热层层间涂覆胶粘剂;步骤二:按照复合材料结构的固化工艺将复合材料结构层和石墨烯复合膜共固化一体成型,实现复合材料结构层和石墨烯复合膜的连接。采用共固化一体成型法制备复合材料结构件的优点是:石墨烯复合膜的成型与复合材料结构层的成型一次实现,能够减少制备工序,缩短制备时间。本专利技术提供的防除冰用石墨烯复合膜,以石墨烯为电加热膜,具有较好的热稳定性、极高的导热性和加工成型性,能够实现快速、均匀的电热升温;石墨烯复合膜还包括绝缘隔热层与绝缘导热层,其具有柔软轻薄的特点。本专利技术提供的采用石墨烯复合膜的复合材料结构件,绝缘隔热层能够与复合材料基体稳定结合,减小电加热对复合材料的热损伤,不影响复合材料基体力学性能的及飞机设计要求;石墨烯电加热膜通过电极及导线等与电源系统连接,通电后通过石墨烯复合膜的加热能够熔化附着在复合材料结构件表面的冰层,实现防除冰功能;绝缘导热层可将石墨烯电加热膜层的热量更快更高效的传导至复合材料结构件的表面,提高除冰效率和防冰效果。因此采用石墨烯复合膜的复合材料结构件可在不影响复合材料基体力学性能及飞机设计要求的条件下,稳定高效的实现防除冰功能。采用石墨烯复合膜的复合材料结构件用于飞机,特别是在结冰气象条件下飞行的飞机,如机翼和水平尾翼、垂直尾翼前缘、发动机进气道唇口、进气部件(导向叶片、支撑等)、螺旋桨桨叶、整流帽罩、风挡、舱盖等透明件表面以及空速管、攻角、温度传感器等大气数据探测装置的表面,通过有效防除冰不仅减少飞机飞行的油耗,保证仪表的精确指示,提高飞机飞行的稳定性;还可用于风电叶片等其他在结冰气象条件下使用的设备中,特别是此类设备中具有防除冰需求的部位。附图说明为了更本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种防除冰用的石墨烯复合膜,其特征在于,包括:/n绝缘导热层(10)、石墨烯电加热膜层(20)和绝缘隔热层(30),其中:/n石墨烯电加热膜层(20)设置在绝缘导热层(10)和绝缘隔热层(30)之间;/n绝缘隔热层(10)包括耐热树脂材料中的一种或几种:/n耐热橡胶、聚酰亚胺、芳纶、聚酯、聚乙烯、聚丙烯;/n石墨烯电加热膜层(20)包括:石墨烯复合膜(21)和电极(22),其中:/n石墨烯复合膜(21)贴在石墨烯电加热膜层(20)的表面;/n电极(22)设置在石墨烯电加热膜层(20)的两端;/n绝缘导热层(30)是填充高导热陶瓷颗粒的耐热树脂。/n

【技术特征摘要】
1.一种防除冰用的石墨烯复合膜,其特征在于,包括:
绝缘导热层(10)、石墨烯电加热膜层(20)和绝缘隔热层(30),其中:
石墨烯电加热膜层(20)设置在绝缘导热层(10)和绝缘隔热层(30)之间;
绝缘隔热层(10)包括耐热树脂材料中的一种或几种:
耐热橡胶、聚酰亚胺、芳纶、聚酯、聚乙烯、聚丙烯;
石墨烯电加热膜层(20)包括:石墨烯复合膜(21)和电极(22),其中:
石墨烯复合膜(21)贴在石墨烯电加热膜层(20)的表面;
电极(22)设置在石墨烯电加热膜层(20)的两端;
绝缘导热层(30)是填充高导热陶瓷颗粒的耐热树脂。


2.如权利要求1所述的防除冰用石墨烯复合膜,其特征在于,其中:
绝缘隔热层的厚度为0.01-0.50mm;
石墨烯复合膜厚度为0.01-0.50mm;
电极的厚度为0.005-0.2mm;
绝缘导热层的厚度为0.01-0.50mm。


3.如权利要求1或2所述的防除冰用石墨烯复合膜,其特征在于,其中:
高导热陶瓷颗粒包括AlN、Al2O3、SiC、SiO2、Si3N4、BN、钻石粉中的一种或几种;
耐热树脂包括聚酰亚胺、芳纶、聚酯、聚乙烯、聚丙烯中的一种或几种。


4.如权利要求1或2所述的防除冰用石墨烯复合膜,其特征在于,其中:
电极由银、铜、金、铝、镍等金属或合金经粘接、喷涂、电沉积、3D打印等方式制备而成。


5.如权利要求1或2所述的防除冰用石墨烯复合膜,其特征在于,其中:
绝缘导热层(10)中高导热陶瓷颗粒的含量为1-60vol%,
高导热陶瓷颗粒的粒径为0.1-100...

【专利技术属性】
技术研发人员:王程成崔溢韦家虎马学刚
申请(专利权)人:中国航发北京航空材料研究院北京美格美沃科技有限公司
类型:发明
国别省市:北京;11

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