CN115091824B - 一种中空多层树脂基复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种中空多层树脂基复合材料及其制备方法和应用。本发明基于碳纳米管/石墨烯导电薄膜的多空结构特性和优异的电热特性，将碳纳米管/石墨烯导电薄膜与热塑性复合材料预浸料交叉、错层叠层铺放，通过内部或者外部电极连接，使碳纳米管/石墨烯导电薄膜形成导电网络，通电状态下碳纳米管/石墨烯导电薄膜发热，通过结构和电路设计确保需要升温固化和连接的任意位置均有碳纳米管薄膜发热，并在压力条件下实现热塑性复合材料预浸料的固化连接。并以此制备系列单层复合材料平板、波纹板以及多层中空复合材料板，制备方法简便，制备产品质量更轻、强度更高，因此具有良好的实际应用之价值。

Description

一种中空多层树脂基复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种中空多层树脂基复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
树脂基复合材料，尤其是碳纤、玻璃纤维增强的树脂基复合材料在航空航天、汽车电子、风力发电、能源化工等领域应用广泛。传统的热固性树脂基复合材料多采用叠层铺放，然后放入热压罐或者烘箱中长时间固化成形，热固性复合材料的成形对设备依赖性强、固化周期长、成本高、效率低。热塑性复合材料热塑性聚合物(如聚乙烯(PE)、聚酰胺(PA)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚酮酮(PEKK)和聚醚醚酮(PEEK)等)为基体，以各种连续/不连续纤维(如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等)为增强材料而制成的复合材料。
与热固性树脂相比，热塑性树脂具有更好的力学性能和化学耐腐蚀性、更高的使用温度、高比强度和硬度、优异的断裂韧性和损伤容限、优良的耐疲劳性能、能够模塑成型复杂几何形状和结构、可调的导热性、可回收性、在恶劣环境的稳定性好，可重复成型、焊接、修补等特点。但如何利用热塑性树脂制备质量更轻、强度更高的复合材料构件仍然是亟待解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，发明人经长期的技术与实践探索，提供一种中空多层树脂基复合材料及其制备方法和应用。本发明基于碳纳米管/石墨烯导电薄膜的多空结构特性和优异的电热特性，将碳纳米管/石墨烯导电薄膜与热塑性复合材料预浸料交叉、错层叠层铺放，通过内部或者外部电极连接，使碳纳米管/石墨烯导电薄膜形成导电网络，通电状态下碳纳米管/石墨烯导电薄膜发热，通过结构和电路设计确保需要升温固化和连接的任意位置均有碳纳米管薄膜发热，并在压力条件下实现热塑性复合材料预浸料的固化连接。并以此制备系列单层复合材料平板、波纹板以及多层中空复合材料板。基于上述研究成果，从而完成本发明。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供一种中空多层树脂基复合材料，所述复合材料由单层复合材料平板和单层复合材料波纹板层层堆叠制成，且所述复合材料的上表面层和下表面层均为单层复合材料平板；
所述单层复合材料平板和单层复合材料波纹板均至少由三层结构组成，即至少由两层热塑性复合材料预浸料与位于两层热塑性复合材料预浸料中间的碳纳米管/石墨烯导电薄膜组成。通过内部或外部电极连接，使碳纳米管/石墨烯导电薄膜形成导电网络，通电状态下碳纳米管/石墨烯导电薄膜发热，通过结构和电路设计确保需要升温固化和连接的任意位置均有碳纳米管薄膜发热，并在压力条件下实现热塑性复合材料预浸料的固化连接。
本发明的第二个方面，提供上述中空多层树脂基复合材料的制备方法，所述制备方法包括：
将单层复合材料平板和单层复合材料波纹板逐层叠放，通过对碳纳米管/石墨烯导电薄膜通电加热，并对整体结构施加压力，促使波纹板和平板连接处的树脂材料局部融化，并固化连接即得。
本发明的第三个方面，提供上述中空多层树脂基复合材料在航空航天、汽车电子、风力发电、能源化工等领域中的应用。
与已有技术方案相比，上述一个或多个技术方案具有如下有益效果：
上述技术方案一方面提出一种碳纳米管/石墨烯导电薄膜电致加热固化成形树脂基复合材料的新方法，避免传统方法需要利用外加热源(加热炉、热压罐等)，是一种节能高效的固化成形方法，同时由于碳纳米管/石墨烯导电薄膜超轻、超薄的特性，不但对复合材料的体积和重量影响极小，其天然具有的多孔结构，能够与树脂基材料完美融合，纳米结构还能对复合材料起到增强的作用，同时，增加碳纳米管/石墨烯导电薄膜的复合材料还具有传统复合材料所不具备的导电特性，可是实现电磁屏蔽、静电平衡、防雷击、自加热除冰等功能；另一方面，上述技术方案利用碳纳米管/石墨烯导电薄膜在复合材料内部的结构设计实现局部加热固化成形，形成一种低能耗高效率制备多层中空复合材料板材的新方法，在保持高强度结构特性的同时，可以进一步减轻复合材料结构件的重量，并且具有良好的隔音、隔热效果，因此具有良好的实际应用之价值。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明单层复合材料板结构示意图(局部加热)；
图2为本发明单层复合材料板结构示意图(整体加热)；
图3为本发明波纹状复合材料板结构示意图；
图4为本发明三种多层中空复合材料板的典型结构示意图，A为结构一，B为结构二，C为结构三。
图5为本发明实施例中复合板材平板图；
图6为本发明实施例中制备复合板材通电加热效果图；
图7为本发明实施例中通电加热弯曲变形图；
图8为本发明实施例中弯曲V型件通电加热图；
图9为本发明实施例中通电加热固化连接多层板图；
其中，1-热塑性预浸料，2-碳纳米管/石墨烯导电薄膜，3-导电连接电极。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明的一种典型具体实施方式中，提供一种中空多层树脂基复合材料，所述复合材料由单层复合材料平板和单层复合材料波纹板层层堆叠制成，且所述复合材料的上表面层和下表面层均为单层复合材料平板；
所述单层复合材料平板和单层复合材料波纹板均至少由三层结构组成，即至少由两层热塑性复合材料预浸料与位于两层热塑性复合材料预浸料中间的碳纳米管/石墨烯导电薄膜组成。通过内部或外部电极连接，使碳纳米管/石墨烯导电薄膜形成导电网络，通电状态下碳纳米管/石墨烯导电薄膜发热，通过结构和电路设计确保需要升温固化和连接的任意位置均有碳纳米管薄膜发热，并在压力条件下实现热塑性复合材料预浸料的固化连接。
因此，所述碳纳米管/石墨烯导电薄膜可以连续或者不连续铺设，如图1所示，比如其可以只铺设于需要对热塑性复合材料预浸料板进行加热的位置，或者完全覆盖整个复合材料板平面(图2)。
具体的，所述单层复合材料平板和单层复合材料波纹板均是通过外接电源使碳纳米管/石墨烯导电薄膜加热，并施加压力(可在热压机内进行)，在模具作用下使其固化成型，形成单层复合材料平板和单层复合材料波纹板(图3)。
所述单层复合材料波纹板的波纹状结构可以为V型或U型等，具体形状根据需求和模具形状而定。
在本发明的又一具体实施方式中，所述中空多层树脂基复合材料的上表面层与下表面层之间可以设置有一个或多个单层复合材料波纹板，当设置有两个或两个以上的单层复合材料波纹板时，所述任意两个单层复合材料波纹板之间可以直接固化连接或者在两个单层复合材料波纹板之间设置一个单层复合材料平板，两个单层复合材料波纹板分别与单层复合材料平板的上表面与下表面进行固化连接。
如图4所示，给出三种中空复合材料板的典型结构，但不限于此。通过对碳纳米管/石墨烯导电薄膜通电加热，并对整体结构施加压力，促使波纹板和平板连接处的树脂材料局部融化，并固化连接，最终得到如图4所示的多层中空复合材料板。
本发明的又一具体实施方式中，提供上述中空多层树脂基复合材料的制备方法，所述制备方法包括：
将单层复合材料平板和单层复合材料波纹板逐层叠放，通过对碳纳米管/石墨烯导电薄膜通电加热，并对整体结构施加压力，促使波纹板和平板连接处的树脂材料局部融化，并固化连接即得。
其中，所述单层复合材料平板和单层复合材料波纹板均至少由三层结构组成，即至少由两层热塑性复合材料预浸料与位于两层热塑性复合材料预浸料中间的碳纳米管/石墨烯导电薄膜组成。通过内部或外部电极连接，使碳纳米管/ 石墨烯导电薄膜形成导电网络，通电状态下碳纳米管/石墨烯导电薄膜发热，通过结构和电路设计确保需要升温固化和连接的任意位置均有碳纳米管薄膜发热，并在压力条件下实现热塑性复合材料预浸料的固化连接。
因此，所述单层复合材料平板和单层复合材料波纹板均是通过外接电源使碳纳米管/石墨烯导电薄膜加热，并施加压力(可在热压机内进行)，在模具作用下使其固化成型，形成单层复合材料平板和单层复合材料波纹板。
本发明的又一具体实施方式中，提供上述中空多层树脂基复合材料在航空航天、汽车电子、风力发电、能源化工等领域中的应用。
以下结合具体实例对本发明作进一步的说明，以下实例仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。如果实施例中未注明的实验具体条件，通常按照常规条件，或按照销售公司所推荐的条件；在本发明没有特别限定，均可通过商业途径购买得到。
实施例
一种中空多层树脂基复合材料制备方法，所述制备方法包括：
1、将四层PPS碳纤维增强热塑性预浸料与2片碳纳米管薄膜叠层铺放，碳纳米管薄膜在层内串联电路，电极伸到外侧；
2、将上述层板置于热压机内进行300℃，2MPa，保温保压30min热压处理；
3、热压后的板材如图5所示，通电加热后的加热效果图如图6所示；
4、在通电加热状态在对复合板材进行弯曲变形呈双V型结构，如图7所示；
5、双V型结构复合材料通电状态下的加热效果如图8所示；
6、在通电加热状态下，利用模具将双V型结构复材与平板进行复合热压，最终将二者紧密连接在一起，形成平板-V型结构复合材料构件。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种中空多层树脂基复合材料，其特征在于，所述复合材料由单层复合材料平板和单层复合材料波纹板层层堆叠制成，且所述复合材料的上表面层和下表面层均为单层复合材料平板；
所述单层复合材料平板和单层复合材料波纹板均至少由三层结构组成，即至少由两层热塑性复合材料预浸料与位于两层热塑性复合材料预浸料中间的碳纳米管/石墨烯导电薄膜组成；
所述碳纳米管/石墨烯导电薄膜为连续或不连续铺设；
所述单层复合材料平板和单层复合材料波纹板均是通过外接电源使碳纳米管/石墨烯导电薄膜加热，并施加压力，在模具作用下使其固化成型；
所述单层复合材料波纹板的波纹状结构为V型或U型。
2.如权利要求1所述的中空多层树脂基复合材料，其特征在于，所述中空多层树脂基复合材料的上表面层与下表面层之间设置有一个或多个单层复合材料波纹板。
3.如权利要求2所述的中空多层树脂基复合材料，其特征在于，当设置有两个或两个以上的单层复合材料波纹板时，所述任意两个单层复合材料波纹板之间直接固化连接或者在两个单层复合材料波纹板之间设置一个单层复合材料平板，两个单层复合材料波纹板分别与单层复合材料平板的上表面与下表面进行固化连接。
4.权利要求1-3任一项所述中空多层树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
将单层复合材料平板和单层复合材料波纹板逐层叠放，通过对碳纳米管/石墨烯导电薄膜通电加热，并对整体结构施加压力，促使波纹板和平板连接处的树脂材料局部融化，并固化连接即得。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述单层复合材料平板和单层复合材料波纹板均至少由三层结构组成，即至少由两层热塑性复合材料预浸料与位于两层热塑性复合材料预浸料中间的碳纳米管/石墨烯导电薄膜组成。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述单层复合材料平板和单层复合材料波纹板，其均是通过外接电源使碳纳米管/石墨烯导电薄膜加热，并施加压力，在模具作用下使其固化成型。
7.权利要求1-3任一项所述中空多层树脂基复合材料在航空航天、汽车电子、风力发电、能源化工领域中的应用。
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