专利名称：一种航天器用功能性复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于聚合物复合材料技术领域，具体涉及一种航天器用功能性复合材料及其制备方法。
背景技术：
聚合物介质是航天器部件大量使用的非金属材料，主要起到绝缘与支架等功能。 聚四氟乙烯PTFE是一种典型航天器用聚合物介质，主要应用于电缆绝缘介质。航天器在空间环境运行受到各种高能粒子辐射会导致介质内电荷沉积形成内电场，而典型聚合物介质具有极高的电阻率，因此沉积电荷无法释放而积累导致内电场不断上升，最终造成聚合物介质放电现象甚至击穿烧毁。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种航天器用功能性复合材料及其制备方法，采用本发明方法制备的复合材料用于空间极端环境下能快速有效的降低深层带电水平，释放环境因素所带来的带电危害。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是一种航天器用功能性复合材料，所述复合材料包括基体树脂和添加剂，所述基体树脂为聚四氟乙烯PTFE，所述添加剂为氧化锌ZnO，该复合材料中各组分的质量百分比为 聚四氟乙烯PTFE为90 99%、氧化锌ZnO为 10%。所述基体树脂为微米级聚四氟乙烯PTFE，所述添加剂为微纳米级氧化锌ZnO。所述复合材料中各组分的质量百分比为聚四氟乙烯PTFE为93 97%、氧化锌 ZnO 为 3% 7%。所述复合材料中各组分的质量百分比为聚四氟乙烯PTFE为95%、氧化锌ZnO为5%。一种制备所述航天器用功能性复合材料的方法，包括如下步骤 步骤1 氧化锌ZnO分散及表面处理，称取粉末直径小于100 μ m的预设质量的氧化锌ZnO粉末，加入体积为氧化锌ZnO粉末体积5 10倍的酒精中，然后将氧化锌ZnO粉末和酒精的混合物置于超声振动仪中分散30 60min，超声振动过程中向混合物溶液中加入占氧化锌ZnO质量百分比1 5%的偶联剂，随后将加入偶联剂的分散溶液置于烘箱中将酒精烘干后得到分散及表面处理后的氧化锌ZnO原料；聚四氟乙烯PTFE悬浮料预处理，称取粉末直径小于40 μ m的预设质量的聚四氟乙烯PTFE悬浮料，然后将其置于烘箱中烘干12 24h，烘干温度为70 90°C，得到预处理后 PTFE原料；步骤2 混合两种原料并进行反复打散研磨处理和冷处理，称取步骤1得到的预处理后聚四氟乙烯PTFE原料和分散及表面处理后的氧化锌ZnO原料进行混合得到混合料，使氧化锌ZnO含量占混合料总质量百分比的 10%，然后将混合料用研磨机进行打散研磨处理，随后将打散研磨处理后的混合料置于低温-60 -50°C下冷处理24 48h后取出， 随后继续进行所述打散研磨处理和冷处理，反复3 5次；步骤3 冷压成型，将步骤2经过反复打散研磨处理和冷处理后的混合料置于磨具中进行冷压成型，成型压力为15 30MPa，持续时间为20s，反复冷压3 5次，得到冷压成型后试样；
步骤4:高温成型，将步骤3冷压成型后的试样置于电阻炉中进行高温成型，成型温度为360 380°C，成型时间为1 4h，得到高温成型后试样；步骤5 低温定型，步骤4得到的高温成型后试样在平板硫化机上进行低温定型处理，预热温度为100 200°C，预热时间为10 30min，定型压力为10 15MPa，定型时间为 30 60s。步骤1所述的偶联剂为硅烷偶联剂KH550。步骤1所述加入偶联剂的分散溶液置于烘箱中的烘干温度为80 100°C，烘干时间为24 36h。本发明通过将具有较高体积电导率的半导电粉末氧化锌ZnO与典型航天器用聚合物介质聚四氟乙烯PTFE进行共混成型，因此当氧化锌ZnO粉末加入基体树脂中，两种材料体积电导率差异性与两相界面作用使复合材料形成随添加剂含量变化的体积电导特性， 这种具有合理电导特性的功能性复合材料既能保持在正常运行时较高的绝缘性能，又能在深层带电水平严重时以暂态高电导的方式释放电荷，并在深层带电水平达到安全限值以内时恢复高绝缘性能。由于制成的聚合物复合材料的电导特性有利于沉积电荷在短时间内平缓的释放，静电场强度得到有效的抑制。应用本复合材料的航天器部件如电缆，可以有效的缓解介质内带电水平，消除放电危害，从而保证航天器安全可靠运行。研究的复合材料所具有的这种合理的电导特性称之为非线性电导特性，具有两个重要参数指标是阈值电场强度与非线性化趋势。低的阈值电场强度与显著的非线性化趋势，可以使材料内电场水平较低时就进入电荷快递释放阶段，从而有效抑制内带电水平。本发明即是利用微纳米级无机添加剂氧化锌ZnO加入到聚四氟乙烯PTFE基体树脂中，以降低复合材料的非线性电导特性阈值电场，并提高其非线化程度。
图1是本发明复合材料制备方法的工艺流程图；图2是纯聚四氟乙烯PTFE与本发明方法得到的几种复合材料非线性电导特性曲线对比图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。实施例一如图1所示，本实施例航天器用功能性复合材料的制备方法，包括以下步骤步骤1 氧化锌ZnO分散及表面处理，称取粉末直径为95 μ m的预设质量的氧化锌 ZnO粉末，加入体积为氧化锌ZnO粉末体积5倍的酒精中，然后将氧化锌ZnO粉末和酒精的混合物置于超声振动仪中分散30min，超声振动过程中向混合物溶液中加入占氧化锌ZnO质量百分比的偶联剂，随后将加入偶联剂的分散溶液置于烘箱中烘干24h，烘干温度为 100°C，将酒精烘干后得到分散及表面处理后的氧化锌ZnO原料，所述的偶联剂为硅烷偶联剂 KH550 ；聚四氟 乙烯PTFE悬浮料预处理，称取粉末直径为38 μ m的预设质量的聚四氟乙烯PTFE悬浮料，然后将其置于烘箱中烘干12h，烘干温度为90°C，得到预处理后聚四氟乙烯 PTFE原料；步骤2 混合两种原料并进行反复打散研磨处理和冷处理，称取步骤1得到的预处理后聚四氟乙烯PTFE原料和分散及表面处理后的氧化锌ZnO原料进行混合得到混合料，使氧化锌ZnO含量占混合料总质量百分比的1%，然后将混合料用研磨机进行打散研磨处理， 随后将打散后的混合料置于低温下冷处理24h后取出，处理温度为_60°C，随后继续进行所述打散处理和冷处理，反复3次；步骤3 冷压成型，将步骤2经过反复打散研磨处理和冷处理后的混合料置于磨具中进行冷压成型，成型压力为15MPa，持续时间为20s，共压5次，得到冷压成型后试样；步骤4 高温成型，将步骤3冷压成型后的试样置于电阻炉中进行高温成型，成型温度为380°C，成型时间为lh，最后取出得到高温成型后试样；步骤5 步骤3得到的高温成型后试样在平板硫化机上进行低温定型处理，预热温度为100°c，预热时间为30min，定型压力为15MPa，定型时间为60s。实施例二如图1所示，本实施例航天器用功能性复合材料的制备方法，包括以下步骤步骤1 氧化锌ZnO分散及表面处理，称取粉末直径为50 μ m的预设质量的氧化锌 ZnO粉末，加入体积为氧化锌ZnO粉末体积10倍的酒精中，然后将氧化锌ZnO粉末和酒精的混合物置于超声振动仪中分散60min，超声振动过程中向混合物溶液中加入占氧化锌ZnO 质量百分比5%的偶联剂，随后将加入偶联剂的分散溶液置于烘箱中烘干36h，烘干温度为 80°C，将酒精烘干后得到分散及表面处理后的氧化锌ZnO原料，所述的偶联剂为硅烷偶联剂 KH550 ；聚四氟乙烯PTFE悬浮料预处理，称取粉末直径为20 μ m的预设质量的聚四氟乙烯PTFE悬浮料，然后将其置于烘箱中烘干24h，烘干温度为70°C，得到预处理后聚四氟乙烯 PTFE原料；步骤2 混合两种原料并进行反复打散研磨处理和冷处理，称取步骤1得到的预处理后聚四氟乙烯PTFE原料和分散及表面处理后的氧化锌ZnO原料进行混合得到混合料， 使氧化锌ZnO含量占混合料总质量百分比的10%，然后将混合料用研磨机进行打散研磨处理，随后将打散后的混合料置于低温下冷处理48h后取出，处理温度为-50°C，随后继续进行所述打散处理和冷处理，反复5次；步骤3 冷压成型，将步骤2经过反复打散研磨处理和冷处理后的混合料置于磨具中进行冷压成型，成型压力为30MPa，持续时间为20s，共压3次，得到冷压成型后试样；步骤4 高温成型，将步骤3冷压成型后的试样置于电阻炉中进行高温成型，成型温度为360°C，成型时间为4h，最后取出得到高温成型后试样；步骤5 步骤3得到的高温成型后试样在平板硫化机上进行低温定型处理，预热温度为200°C，预热时间为lOmin，定型压力为lOMPa，定型时间为30s。
实施例三如图1所示，本实施例航天器用功能性复合材料的制备方法，包括以下步骤步骤1 氧化锌ZnO分散及表面处理，称取粉末直径为10 μ m的预设质量的ZnO 粉末，加入体积为氧化锌ZnO粉末体积7倍的酒精中，然后将氧化锌ZnO粉末和酒精的混合物置于超声振动仪中分散50min，超声振动过程中向混合物溶液中加入占氧化锌ZnO质量百分比3%的偶联剂，随后将加入偶联剂的分散溶液置于烘箱中烘干30h，烘干温度为 90°C，将酒精烘干后得到分散及表面处理后的氧化锌ZnO原料，所述的偶联剂为硅烷偶联剂 KH550 ；聚四氟乙烯PTFE悬浮料预处理，称取粉末直径为5 μ m的预设质量的聚四氟乙烯 PTFE悬浮料，然后将其置于烘箱中烘干18h，烘干温度为80°C，得到预处理后聚四氟乙烯 PTFE原料步骤2 混合两种原料并进行反复打散研磨处理和冷处理，称取步骤1得到的预处理后聚四氟乙烯PTFE原料和分散及表面处理后的氧化锌ZnO原料进行混合得到混合料，使氧化锌ZnO含量占混合料总质量百分比的5%，然后将混合料用研磨机进行打散研磨处理， 随后将打散后的混合料置于低温下冷处理36h后取出，处理温度为_55°C，随后继续进行所述打散处理和冷处理，反复4次；步骤3 冷压成型，将步骤2经过反复打散研磨处理和冷处理后的混合料置于磨具中进行冷压成型，成型压力为20MPa，持续时间为20s，共压4次，得到冷压成型后试样；步骤4 高温成型，将步骤3冷压成型后的试样置于电阻炉中进行高温成型，成型温度为370°C，成型时间为2h，最后取出得到高温成型后试样；步骤5 步骤3得到的高温成型后试样在平板硫化机上进行低温定型处理，预热温度为150°C，预热时间为20min，定型压力为12MPa，定型时间为45s。图2为纯聚四氟乙烯PTFE与本发明三种实施例制备方法得到的三种复合材料非线性电导特性曲线对比图，从图2可以看出，复合材料的非线性电导特性趋势明显优于纯聚四氟乙烯PTFE材料，主要包括了非线性电导特性阈值电场明显下降，且在高场区非线性趋势更加显著，表明在复合材料中高场下体积电导率更大。同时可以看出当氧化锌ZnO含量越大时，非线性化程度越明显，在实际应用中，复合材料体积电导率应该维持在一个合理的限度以内，过高的体积电导率也会导致泄漏电流形成的电能损失过大，对航天器应用不禾U。因此，综合考虑带电危害与能量损失两个因素，氧化锌ZnO占复合材料总质量百分比应当在1 10%。采用本发明的方法制备航天器用功能性复合材料的非线性电导特性阈值电场强度比纯聚四氟乙烯PTFE下降了约20%。因此，本发明方法制备得到的PTFE/ZnO复合材料具有合理的体积电导特性以及优良的深层带电防护性能。
权利要求
1.一种航天器用功能性复合材料，其特征在于所述复合材料包括基体树脂和添加齐U，所述基体树脂为聚四氟乙烯PTFE，所述添加剂为氧化锌ZnO，该复合材料中各组分的质量百分比为聚四氟乙烯PTFE为90 99%、氧化锌ZnO为 10%。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述基体树脂为微米级聚四氟乙烯 PTFE，所述添加剂为微纳米级氧化锌ZnO。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述复合材料中各组分的质量百分比为聚四氟乙烯PTFE为93 97%、氧化锌ZnO为3% 7%。
4.根据权利要求2所述的复合材料，其特征在于所述复合材料中各组分的质量百分比为聚四氟乙烯PTFE为95%、氧化锌ZnO为5%。
5.一种制备权利要求1所述复合材料的方法，包括如下步骤步骤1 :ZnO分散及表面处理，称取粉末直径小于100 μ m的预设质量的氧化锌ZnO粉末，加入体积为氧化锌ZnO粉末体积5 10倍的酒精中，然后将氧化锌ZnO粉末和酒精的混合物置于超声振动仪中分散30 60min，超声振动过程中向混合物溶液中加入占氧化锌 ZnO质量百分比1 5%的偶联剂，随后将加入偶联剂的分散溶液置于烘箱中将酒精烘干后得到分散及表面处理后的氧化锌ZnO原料；聚四氟乙烯PTFE悬浮料预处理，称取粉末直径小于40 μ m的预设质量的聚四氟乙烯 PTFE悬浮料，然后将其置于烘箱中烘干12 24h，烘干温度为70 90°C，得到预处理后聚四氟乙烯PTFE原料；步骤2 混合两种原料并进行反复打散研磨处理和冷处理，称取步骤1得到的预处理后聚四氟乙烯PTFE原料和分散及表面处理后的氧化锌ZnO原料进行混合得到混合料，使氧化锌ZnO含量占混合料总质量百分比的 10%，然后将混合料用研磨机进行打散研磨处理，随后将打散研磨处理后的混合料置于低温-60 -50°C下冷处理24 48h后取出，随后继续进行所述打散研磨处理和冷处理，反复3 5次；步骤3 冷压成型，将步骤2经过反复打散研磨处理和冷处理后的混合料置于磨具中进行冷压成型，成型压力为15 30MPa，持续时间为20s，反复冷压3 5次，得到冷压成型后试样；步骤4 高温成型，将步骤3冷压成型后的试样置于电阻炉中进行高温成型，成型温度为360 380°C，成型时间为1 4h，得到高温成型后试样；步骤5 低温定型，步骤4得到的高温成型后试样在平板硫化机上进行低温定型处理， 预热温度为100 200°C，预热时间为10 30min，定型压力为10 15MPa，定型时间为 30 60s。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤1所述的偶联剂为硅烷偶联剂 KH550。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤1所述加入偶联剂的分散溶液置于烘箱中的烘干温度为80 100°C，烘干时间为24 36h。
全文摘要
一种航天器用功能性复合材料，所述复合材料包括基体树脂和添加剂，所述基体树脂为微米级聚四氟乙烯PTFE，所述添加剂为微纳米级氧化锌ZnO，该复合材料中各组分的质量百分比为聚四氟乙烯PTFE为90～99％、氧化锌ZnO为1％～10％；所述航天器用功能性复合材料的制备方法，包括如下步骤氧化锌ZnO分散和表面处理以及聚四氟乙烯PTFE悬浮料预处理、混合两种原料并进行反复打散研磨处理和冷处理、冷压成型、高温成型以及低温定型；采用本发明方法制备的复合材料用于空间极端环境下能快速有效的降低深层带电水平，解决环境因素所带来的带电危害问题。
文档编号C08K9/06GK102304258SQ20111020416
公开日2012年1月4日 申请日期2011年7月20日 优先权日2011年7月20日
发明者乌江, 郑晓泉 申请人:西安交通大学