防除冰用石墨烯复合膜、复合材料结构件和制备方法与流程

本发明涉及航空的技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

鉴于此，为了解决现有技术中的至少一种技术问题，本发明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。

本发明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。

本发明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

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例的具有防除冰功能的复合材料结构件的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示意性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域的技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体设置和方法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了结构、方法、器件的任何改进、替换和修改。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明实施例及实施例中的特征可以互相结合，各个实施例可以相互参考和引用。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为适应现代复合材料飞机的轻质、高效率和高气动流线的设计要求，将新型碳基电加热材料代替传统金属电热元件，能够降低防除冰系统的重量，降低防除冰系统的能耗，且与小曲率机翼前缘有很好的融合性，工艺适应性好，能够与复合材料一体化成型。石墨烯具有优异的力、热、电学性能，杨氏模量可达1100gpa，断裂强度可达125gpa，热导率可达5000w/(mk)，电导率可达10000s/cm。将石墨烯与高分子材料混合制备的石墨烯高分子复合膜具有高柔韧性能、高导电性能、均匀的面式发热等特点，在理疗电热服装、发热地板、发热画等电热产品已有部分应用。

在一些实施例中，制备具有防除冰功能的复合材料结构件的方法可以包括：

1.选择厚度为0.5mm的芳纶布作为绝缘隔热层。

2.石墨烯电加热膜为电加热层，石墨烯复合膜为真空抽滤制得，厚度为0.10mm，用导电胶将0.02mm厚的铜箔制备电极粘贴在石墨烯两端。

3.将粒径d50为20μm的aln粉末与聚酰亚胺混合制备绝缘导热层，aln粉末的含量为20vol％，制备得到的聚酰亚胺膜厚度为0.1mm。

4.将芳纶布、石墨烯电加热膜层、含aln粉末的聚酰亚胺膜按顺序依次叠加铺放，层与层之间涂覆聚氨酯胶粘剂，在室温放置24h，得到防除冰用石墨烯复合膜；

5.将固化后的石墨烯复合膜用胶膜贴敷于复合材料结构表面。

6.将石墨烯复合膜通过电极及导线与电源系统连接，通电后加热能够熔化附着在其表面的冰层。

在一些实施例中，制备具有防除冰功能的复合材料结构件的方法可以包括：

1.选择厚度为0.1mm的聚酰亚胺膜作为绝缘隔热层。

2.石墨烯电加热膜为电加热层，石墨烯复合膜为化学气相沉积制得，厚度为0.20mm，在石墨烯两端喷涂铝制备0.03mm厚的电极。

3.将粒径d50为30μm的sic粉末与聚酰亚胺混合制备绝缘导热层，aln粉末的含量为50vol％，制备得到的聚酰亚胺膜厚度为0.3mm。

4.将复合材料结构碳纤维增强环氧树脂预浸料铺层、聚酰亚胺膜、石墨烯电加热膜层、含sic粉末的聚酰亚胺膜按顺序依次叠加铺放，并在聚酰亚胺膜与石墨烯电加热膜层间、石墨烯电加热膜层和含sic粉末的聚酰亚胺膜层间涂覆环氧树脂胶粘剂。

5.按照复合材料结构的固化工艺将复合材料结构层和防除冰层共固化一体成型。

6.将石墨烯复合膜通过电极及导线与电源系统连接，通电后加热能够熔化附着在其表面的冰层。

在一些实施例中，制备具有防除冰功能的复合材料结构件的方法可以包括：

1.选择厚度为0.2mm的聚丙烯膜作为绝缘隔热层。

2.石墨烯电加热膜为电加热层，石墨烯复合膜为化学气相沉积制得，厚度为0.20mm，用3d打印的方法在石墨烯两端制备0.1mm厚的镍电极。

3.将粒径d50为10μm的bn粉末与聚酯混合制备绝缘导热层，bn粉末的含量为30vol％，制备得到的聚酯膜厚度为0.2mm。

4.将聚丙烯膜、石墨烯电加热膜层、含bn粉末的聚酯膜按顺序依次叠加铺放，层与层之间铺放环氧树脂胶膜，在80℃保温2h，得到防除冰用石墨烯复合膜；

5.将固化后的石墨烯复合膜用胶膜贴敷于复合材料结构表面。

6.将石墨烯复合膜通过电极及导线与电源系统连接，通电后加热能够熔化附着在其表面的冰层。

图1为本发明一实施例的具有防除冰功能的复合材料结构件的示意图。

如图1所示，一种防除冰用的石墨烯复合膜可以包括：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。

在一些实施例中，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。

在一些实施例中，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。

在一些实施例中，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。

在一些实施例中，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0.1-100μm。

继续参考图1，一种具有防除冰功能的复合材料结构件可以包括：复合材料基体(40)和上述的防除冰用的石墨烯复合膜。其中：绝缘隔热层(30)与复合材料基体(40)相邻，以将石墨烯电加热膜层(20)和复合材料基体(40)隔开。

石墨烯复合膜(21)通过胶膜或胶粘剂附着在复合材料基体(40)上，其中：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。

在一些实施例中，具有防除冰功能的复合材料结构件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用二次胶接成型法；或者，采用共固化一体成型法。

其中，采用二次胶接成型法可以包括：

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。

其中，采用共固化一体成型法包括：

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。

在一些实施例中，防除冰用石墨烯复合膜，包括：绝缘隔热层、绝缘导热层，其特征在于还包括石墨烯电加热膜层；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；石墨烯电加热膜层包括石墨烯膜和电极；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。

在一些实施例中，其中绝缘隔热层的厚度为0.01-0.50mm；石墨烯膜厚度为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。

在一些实施例中，其中石墨烯膜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。

在一些实施例中，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.

在一些实施例中，防除冰用石墨烯复合膜，电极通过导线实现与电源的连接。

在一些实施例中，绝缘导热层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0.1-100μm。

在一些实施例中，石墨烯复合膜的绝缘隔热层与复合材料基体相邻。

在一些实施例中，复合材料基体为纤维增强树脂基复合材料。

在一些实施例中，石墨烯复合膜通过胶膜或胶粘剂附着在复合材料基体上，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。

在一些实施例中，具有防除冰功能的复合材料结构件的方法，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。

在一些实施例中，具有防除冰功能的复合材料结构件的方法，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。

上述技术特征可以进行不同程度的组合应用，为了简明，不再赘述各种组合的实现方式，本领域的技术人员可以按实际需要将上述的操作步骤的顺序进行灵活调整，或者将上述步骤进行灵活组合等操作。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。