本发明属于复合材料制造技术领域，涉及一种轻质雷击防护表面层及其制备和使用方法。
背景技术：
纤维增强树脂基复合材料凭借其轻质高强的特性，目前已在航空航天、高速轨道交通等先进科技领域得到了广泛应用。在航空领域，复合材料的用量是飞行器结构设计先进程度的标志。作为一种轻质材料，复合材料在目前最先进的a350和b787客机结构总重中的占比已超过50％。
除了优异的比强度、比刚度外，树脂基复合材料还具有优异的防腐蚀和抗疲劳性能，可适应不同地区多样的服役环境。与传统的金属结构材料相比，复合材料的最大不足之处在于其电磁兼容性能较差。受限于复合材料中树脂基体的绝缘本质，常用基体如环氧树脂的电阻率可达1012～1014数量级。然而，据faa统计，民航客机平均每1000飞行小时就会遭遇一次雷击，复合材料有限的电磁兼容能力因此极大的限制了复合材料的应用。
具体来说，虽然复合材料中的碳纤维具有高导电性，但在碳纤维束间及碳纤维层间大量富集的树脂基体使得复合材料整体导电性能较差，且存在严重的各向异性。如图1所示，大部分复合材料层合板表面仅仅部分导电，在厚度方向接近绝缘。雷击发生时，高电势云层中的雷击先导首先击穿空气，使雷电流附着在复合材料制件表面。数微秒内，雷电流附着点处将形成等离子射流，进而产生大量的焦耳热。局部高温高热将不可避免的在材料表面产生程度不一的烧蚀。通过适当的雷击防护处理，如在复合材料表面增加金属材料防护层，可使雷击电流在复合材料表面迅速耗散，并通过金属材料在高温状态下的固-液相变吸收焦耳热，从而将其表面损伤限制在可接受的程度；若不对材料进行任何防护处理，则不但复合材料表面导电性不足以快速耗散雷电流，且雷电附着区域缺乏关键的吸能机制，导致高密度的电流和焦耳热量均向复合材料厚度方向扩散，最终造成深入复材内部的分层损伤(图1)。
尽管金属防护层的作用在航空航天、轨道交通、风力发电等复合材料的外场应用场合不可或缺，但此技术的大范围应用面临着一系列问题。上述问题包括但不限于：大幅增加的工艺成本、金属防护层与基体材料膨胀系数的固有差异造成的表面层老化剥离问题、结构整体大幅增重等。其中，增重带来的负面影响在航空领域尤为严重，一架单通道客机中的雷击防护用铜质量高达1吨左右，严重降低了航空运输的效率。
技术实现要素：
本发明的目的是针对目前复合材料结构固有的雷击防护能力缺陷和现有雷击防护方案的不足，提出一种新型的导电-吸能一体化雷击防护表面层，具体提出一种轻质雷击防护表面层及其制备和使用方法。
本发明的技术解决方案是，
雷击防护表面层包括连续导电网络、基体、吸能组分和导电填料，雷击防护表面层厚度在10～500μm，单位面积质量在20～500g/m2之间，构成导电网络的纤维直径在1～20μm之间；吸能组分粒径在0.1～300μm之间，其在树脂基体中所占质量比为5～50％；导电填料的粒径在10nm～100μm之间，含量为基体质量含量的0～40％；
连续导电网络是将导电金属材料包覆在由有机纤维或无机非金属纤维形成的长纤维无纺布或短纤维毡的纤维表面，形成连续导电网络；然后，将基体以及吸能组分、导电填料填充在导电网络表面及空隙内部，其填充的方式为如下之一：(一)将基体以及吸能组分、导电填料混合均匀，然后涂覆、浸渍、辊刷，或流延在连续导电网络表面；(二)先将基体涂覆、浸渍、辊刷，或流延在导电网络表面，然后再在基体表面涂覆、喷涂，或撒布吸能组分和导电填料，之后再涂覆、浸渍、辊刷，或流延一层基体；(三)先在导电网络表面涂覆、喷涂，或撒布吸能组分和导电填料，然后再在吸能组分和导电填料涂覆、浸渍、辊刷，或流延基体材料；基体材料为热固性树脂、热塑性树脂或弹性体材料；吸能组分为金属锡、铝或可膨胀石墨、膨胀石墨、蛭石其中之一或两种以上的组合；导电填料为微/纳米导电材料，所述有机纤维为高分子纤维、天然纤维。
所述的导电金属材料为银、铜、镍、铝及其合金，或所述的连续导电网络表面包覆的导电金属材料为不同金属材料的多层结构。
所述的连续导电网络中的高分子纤维为尼龙纤维、聚酯纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、超高分子量聚丙烯纤维或聚苯硫醚纤维；无机非金属纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、石英纤维、碳化硅纤维或碳纳米管纤维；天然纤维为亚麻纤维、剑麻纤维、黄麻纤维、苎麻纤维、大麻纤维或竹纤维；所述的高分子纤维、无机非金属纤维或天然纤维中的一种或几种纤维的组合编织的长纤维无纺布或短纤维毡。
所述的导电金属材料包覆在由有机纤维或无机非金属纤维形成的长纤维无纺布或短纤维毡的纤维表面的方法是，通过电镀、化学镀、气相沉积、磁控溅射或纳米线生长，并控制最终连续导电网络的单位面积质量在10-150g/m2；
所述的微/纳米导电材料为石墨烯、碳纳米管、气相生长碳纤维、银纳米线、铜纳米线、导电氧化锌晶须、四针导电氧化锌晶须、经导电处理的金属氧化物填料或微米银粉、微米铜粉、微米银片、镀铜玻璃微珠、微米石墨粉中的一种或多种组合。
所述的导电填料的粒径为20nm～50μm；含量为基体材料质量分数的0.5～10％；
所述的吸能组分的粒径为50～200μm；含量为基体材料质量分数的为20～40％。
所述的热固性树脂为环氧树脂、双马树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、苯并噁嗪树脂、氰酸酯树脂；热塑性树脂为聚氨酯、聚酯、尼龙、聚砜、聚醚砜、聚醚醚酮、聚芳醚酮、聚苯醚、聚苯硫醚；弹性体材料为聚氨酯、丁腈橡胶、聚硫橡胶、天然橡胶、硅橡胶。
利用轻质雷击防护表面层进行雷击防护的方法是，轻质雷击防护表面层的使用方法包括：在复合材料的铺贴过程中在复合材料表面铺贴轻质雷击防护表面层和在固化后的复合材料表面铺贴轻质雷击防护表面层两种，若在复合材料的铺贴过程中在复合材料表面铺贴轻质雷击防护表面层，其方法是，
(1)根据所使用部位复合材料的牌号和固化工艺，选择轻质雷击防护表面层的热固性树脂、热塑性树脂或弹性体材料基体，在复合材料的铺贴过程中，将轻质雷击防护表面层贴在复合材料的外侧；
(2)通过热压罐、模压、树脂转移模塑或真空吸铸的成型工艺，完成轻质雷击防护表面层和复合材料的共固化；
若是在固化后的复合材料表面铺贴轻质雷击防护表面层，其方法是，
根据相关复合材料的牌号和固化工艺，所选轻质雷击防护表面层基体的固化温度低于复合材料本体的玻璃化转变温度，将轻质雷击防护表面层贴在成型后的复合材料制件一侧，通过热压罐或真空成型工艺进行二次固化。
本发明具有的优点和有益效果是
本发明提出的轻质雷击防护表面层提出了一种全新的防护机理，不同于一般的复合材料的金属雷击防护处理方案，采用轻质的高分子材料、碳材料、和少量微/纳米尺度金属，构建高导电金属包覆的柔性高分子骨架构建雷电流的表面快速耗散通路；同时，通过在材料表面附载轻质的膨胀吸能、隔热材料代替可通过相变吸热的金属传统金属材料，创新性的引入雷电流的能量吸收新机理，在大幅减重的前提下，实现金属雷击防护材料的导电/吸能双重功能。除减重外，本材料具有良好的柔韧性和材料、工艺相容性，可在不同的复合材料固化工艺中实现共固化，适于复杂制件的表面防护处理。同时，本发明表面层与复合材料本体热膨胀性能接近，避免了金属防护材料在室外使用过程中的老化和剥落问题，具有广阔的前景。
本发明通过高分子纤维构建复合材料表面的高导电网络，并结合少量轻质的膨胀/相变吸能材料，达到雷击时耗散雷击电流，吸收雷击能量的防护效果。因与复合材料相容性良好，本发明可与复合材料的不同成型工艺匹配，实现共固化。本发明雷击防护效能优秀，在面密度为162g/m2时，即可实现对2a区d、c、b复合电流波形(最大电流100ka)的良好防护效果，表面层下的复合材料基本无损伤。
附图说明
为了更清楚地说明本公开的技术方案，下面将对本公开提供的技术方案中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的技术方案的部分具体实施方式图示说明。
图1复合材料的雷击损伤及雷击防护机理；
图2为示例1中雷击防护表面层的雷击防护效果图,其中，a是无防护层，b是涂有防护层；
图3为示例2中雷击防护表面层的实物照片，其中，a是表面防护层，b是有表面防护层的复合材料板。
具体实施方式
下面通过示例对本发明的设计和制备技术做进一步详细说明。
该雷击防护表面层包括连续导电网络、基体、吸能组分和导电填料，雷击防护表面层厚度在10～500μm，单位面积质量在20～500g/m2之间，构成导电网络的纤维直径在1～20μm之间；吸能组分粒径在0.1～300μm之间，含量0～100g/m2；导电填料的粒径在1～100nm之间，含量为基体质量含量的0～5％；
该轻质表面材料具有高导电性，同时在环境温度升高时，可通过膨胀、相变等过程吸收雷击时产生的焦耳热。表面层的导电和吸能效能可以通过调节几种功能组分的种类和配比进行调节。
连续导电网络可以选择银、铜、镍、铝等导电金属及其合金或多层结构包覆纤维形成的长纤维无纺布或短纤维毡。其中纤维可以是以下纤维中一种或几种的组合，包括：尼龙纤维、聚酯纤维、芳纶纤维、聚苯硫醚纤维等高分子纤维；碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、石英纤维、碳化硅纤维、碳纳米管纤维等无机纤维；亚麻、剑麻、黄麻、苎麻、大麻等天然纤维；
吸能组分选自锡、铝等低熔点、低密度金属或石墨蠕虫(可膨胀石墨)、膨胀石墨、蛭石等可吸热膨胀且膨胀后具有隔热效果的功能材料；
功能填料选自还原石墨烯、碳纳米管、气相生长碳纤维等轻质导电碳材料或银纳米线、铜纳米线、导电氧化锌晶须、四针导电氧化锌晶须等轻质的金属或经导电处理的金属氧化物填料；
基体材料对导电和吸能组分具有良好的浸润性和结合力，且与复合材料相容性好。基体选自环氧树脂、双马树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、苯并噁嗪树脂、氰酸酯树脂等热固性树脂，聚氨酯、聚酯、尼龙、聚砜、聚醚砜、聚醚醚酮、聚芳醚酮、聚苯醚、聚苯硫醚等热塑性塑料或丁腈橡胶、聚硫橡胶、天然橡胶、硅橡胶等弹性体材料；
利用一种轻质雷击防护表面层进行雷击防护的方法，轻质雷击防护表面层的使用方法包括：在复合材料的铺贴过程中在复合材料表面铺贴轻质雷击防护表面层和在固化后的复合材料表面铺贴轻质雷击防护表面层两种，若在复合材料的铺贴过程中在复合材料表面铺贴轻质雷击防护表面层，其方法是，
(1)根据所使用部位复合材料的牌号和固化工艺，选择轻质雷击防护表面层的热固性树脂、热塑性树脂或弹性体材料基体，在复合材料的铺贴过程中，将轻质雷击防护表面层贴在复合材料的外侧；
(2)通过热压罐、模压、树脂转移模塑或真空吸铸的成型工艺，完成轻质雷击防护表面层和复合材料的共固化；
若是在固化后的复合材料表面铺贴轻质雷击防护表面层，其方法是，
根据相关复合材料的牌号和固化工艺，所选轻质雷击防护表面层基体的固化温度低于复合材料本体的玻璃化转变温度，将轻质雷击防护表面层贴在成型后的复合材料制件一侧，通过热压罐或真空成型工艺进行二次固化。
实施例1
本示例的轻质雷击防护表面层的制备方法如下:
(1-1)将酚醛树脂溶于酒精中，酚醛树脂和乙醇的质量比为0.2。搅拌至酚醛树脂完全溶解在乙醇中；
(1-2)将碳纳米管和蛭石加入酚醛树脂的乙醇溶液中，碳纳米管的直径为10nm，蛭石的粒径为300μm；碳纳米管、蛭石在基体树脂中占比分别为40％和10％。加入碳系分散剂优化石墨烯的分散效果，分散剂与碳纳米管的质量比为(0.2)。将上述悬浊液置于室温下超声搅拌30min，搅拌速度为200rpm。制得铸膜液；
(1-3)裁剪边长300mm的化学镀银芳纶无纺布5块；
(1-4)保持铸膜液处于搅拌状态，并将其分批次转移入涂膜机中，将其流延成膜后附载在化学镀银芳纶无纺布表面，静置10min。待其充分浸润后，将无纺布置于烘箱中，设定烘箱温度为60℃；
(1-5)待全干燥后将其取出；
(1-6)将5层无纺布重叠铺好进行热压处理，热压温度100℃，压力0.3mpa使材料各层之间充分均匀贴合，完成轻质雷击防护表面层的制备。所得表面层的厚度为10μm，面密度为20g/m2。
实施例2
本示例的轻质雷击防护表面层的制备方法如下:
(1-1)将增韧的苯并噁嗪树脂溶于氯仿中，苯并噁嗪树脂和氯仿的质量比为0.10。搅拌至苯并噁嗪树脂完全溶解在氯仿中；
(1-2)将膨胀石墨加入苯并噁嗪树脂的氯仿溶液中，、膨胀石墨在双马树脂中中比为5％。将上述悬浊液置于室温下球磨3h，球磨机转速为50rpm。制得铸膜液；
(1-3)裁剪10块化学镀铜苎麻毡，苎麻纤维直径为20μm；
(1-4)保持铸膜液处于搅拌状态，并将其分批次转移入辊刷机中，并通过辊刷机将其刷涂在化学镀铜苎麻毡表面。静置1min。待其充分浸润后，将苎麻毡置于烘箱中，设定烘箱温度为90℃；
(1-5)待完全干燥后将其取出；
(1-6)将10层苎麻毡重叠铺好进行热压处理，热压温度60℃，压力0.1mpa使材料各层之间充分均匀贴合，完成轻质雷击防护表面层的制备。所得表面层的厚度为500μm，面密度为500g/m2。
实施例3
本示例的轻质雷击防护表面层的制备方法如下:
(1-1)将聚芳醚酮溶于四氢呋喃中，聚芳醚酮和四氢呋喃的质量比为0.05。搅拌至聚芳醚酮完全溶解在四氢呋喃中；
(1-2)将银纳米线和锡粉加入聚芳醚酮的四氢呋喃溶液中，银纳米线、锡粉在聚芳醚酮中占比分别为5％和50％。加入银分散剂优化银纳米线的分散效果，分散剂与银纳米线的质量比为15％。将上述悬浊液置于室温下超声搅拌10min，搅拌速度为500rpm。制得浸渍液；
(1-3)裁剪电镀镍碳毡2块，镀镍碳纤维直径为15μm。
(1-4)将裁剪好的电镀镍碳毡分2批次浸入浸渍液中，静置2.0min。待其充分浸润后，将其捞出。待不再有浸渍液滴下后，将其逐层重叠铺好，并置于烘箱中，设定烘箱温度为45℃；
(1-5)待表面层完全干燥后将其取出，完成轻质雷击防护表面层的制备。
实施例4
本示例的轻质雷击防护表面层的制备方法如下:
(1-1)将增韧的环氧树脂溶于丙酮中，环氧树脂和丙酮的质量比为0.15。搅拌至环氧树脂完全溶解在丙酮中；
(1-2)将还原石墨烯和石墨蠕虫加入环氧树脂的丙酮溶液中，石墨烯、石墨蠕虫在环氧树脂中占比分别为30％和20％。加入碳系分散剂优化石墨烯的分散效果，分散剂与石墨烯的质量比为15％。将上述悬浊液置于室温下超声搅拌20min，搅拌速度为100rpm。制得铸膜液；
(1-3)裁剪气相沉积银尼龙无纺布3块，导电尼龙纤维的直径为50μm；
(1-4)保持铸膜液处于搅拌状态，并将其分批次转移入辊刷机中，并通过辊刷机将其刷涂在气相沉积银尼龙无纺布表面，静置5min。待其充分浸润后，将表面层重叠铺好，并置于烘箱中，设定烘箱温度为40℃；
(1-5)待尼龙无纺布完全干燥后将其取出；
(1-6)将3层尼龙无纺布重叠铺好进行热压处理，热压温度130℃，压力0.2mpa使材料各层之间充分均匀贴合，完成轻质雷击防护表面层的制备。所得表面层厚度为50μm，面密度为80g/m2。
实施例5
本示例的轻质雷击防护表面层的制备方法如下:
(1-1)将增韧的双马树脂溶于四氢呋喃中，双马树脂和四氢呋喃的质量比为0.10。搅拌至双马树脂完全溶解在四氢呋喃中；
(1-2)将还原石墨烯加入双马树脂的四氢呋喃溶液中，石墨蠕虫在双马树脂中占比为20％。加入碳系分散剂优化石墨烯的分散效果，分散剂与石墨烯的质量比为20％。将上述悬浊液置于室温下球磨1h，球磨机转速为20rpm。制得铸膜液；
(1-3)裁剪磁控溅射镍碳毡6块，磁控溅射镍碳纤维的直径为20μm。(1-4)保持铸膜液处于搅拌状态，并将其分批次转移入辊刷机中，并通过辊刷机将其刷涂在镀镍碳毡表面，静置5min。待其充分浸润后，将碳毡重叠铺好，并置于烘箱中，设定烘箱温度为45℃；
(1-5)待碳毡完全干燥后将其取出；
(1-6)对碳毡进行热压处理，热压温度90℃，压力0.1mpa使材料各层之间充分均匀贴合，完成轻质雷击防护表面层的制备。制得的表面层厚度为100μm，面密度为200g/m2。
实施例6
本示例的轻质雷击防护表面层的制备方法如下:
(1-1)将丁腈橡胶溶于丙酮中，丁腈橡胶和丙酮的质量比为0.20。搅拌至丁腈橡胶完全溶解在丙酮中；
(1-2)将气相生长碳纤维和铝粉加入丁腈橡胶的丙酮溶液中，气相生长碳纤维、铝粉在丁腈橡胶中占比分别为10％和7％。加入碳分散剂优化气相生长碳纤维的分散效果，分散剂与气相生长碳纤维的质量比为10％。将上述悬浊液置于室温下超声搅拌10min，搅拌速度为50rpm。制得浸渍液；
(1-3)裁剪镀银玻璃纤维毡15块，镀银纤维的直径为30μm。
(1-4)将裁减好的镀银玻璃纤维毡分批次浸入浸渍液中，静置2.0min，待其充分浸润后，将其捞出。待不再有浸渍液滴下后，将其逐层重叠铺好，并置于烘箱中，设定烘箱温度为50℃；
(1-5)待表面层完全干燥后将其取出，完成轻质雷击防护表面层的制备。制得表面层的厚度为150μm，面密度为200g/m2。