一种高导电的热塑性树脂基复合材料及其制备方法与流程

本发明属于复合材料，具体是一种高导电的热塑性树脂基复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，热塑性树脂基纤维增强复合材料的发展受到广泛关注。相比于传统的热固性树脂基体，高性能热塑性树脂基体具有优异的力学性能、化学耐腐蚀性、抗疲劳性，更高的断裂韧性和损伤容限、可回收、可重复成型、可焊接等众多优点。目前应用于航空结构强度技术领域的热塑性树脂主要是耐高温、高性能的树脂基体，如peek，pps,pei和pekk等。在航空航天领域中，高性能连续碳纤维通常被用于热塑性树脂的增强材料。连续碳纤维增强的热塑性树脂基复合材料具有耐久性、高韧性、高抗冲击和损伤容限等特点；同时，纤维增强热塑性树脂基预浸料，不必再低温储存；成型周期短、可焊接、生产效率高、易修复；产品设计自由度大，成型适应性广，成为行业关注的研究热点。欧美一些国家已率先开展碳纤维热塑性树脂基复合材料的材料设计与验证，促进了热塑性复合材料在飞机大型部件中的应用。从碳纤维增强peek的美国f-35战斗机的起落架舱门、邮箱口盖，到空客公司a350的碳纤维/pps机翼前缘、翼肋、连接角片以及碳纤维/pei夹层结构、货舱壁板、机身结构等，我国在碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的研究和发展与欧美发达国家差距巨大，急需奋起直追。

2、众所周知，由于树脂基体的本征绝缘特性，连续碳纤维树脂基复合材料垂直厚度方向上的导电率远远低于沿碳纤维方向的导电率，这就导致飞机在大量使用连续碳纤维复合材料作为结构件之后，难以像传统金属结构一样使飞机整体形成一个安全稳定的电气环境闭环，给飞机机载电子装备设计带来困难。现有解决方案依托于全金属材质导电结构网络作为飞机关键的内部结构，同时在机翼附加另一种全金属材质的粘结网络，以构成全机的电路闭环网络。显然，目前的方案必然使飞机增重，客观抵消了碳纤维复合材料轻量化优势，并带来额外设计和维护费用。因此，如何大幅度提升碳纤维复合材料的导电性已成为下一代航空航天复合材料的科研主攻方向之一。如果碳纤维结构复合材料的导电性得以大幅提升，将不仅解决现有复合材料飞机结构的电气环境兼容的困难，而且也将为碳纤维复合材料飞机结构的雷击防护、电磁屏蔽等固有缺陷提供一个全新的解决方案。

3、目前国内对于连续碳纤维增强树脂基复合材料的导电功能化研究主要以热固性树脂基复合材料为主，通常是通过提高基体树脂或复合材料层间导电性来提高复合材料的整体电荷传导能力。但是由于高性能热塑性树脂(如pps、pei、peek、pekk)本身分子量巨大并具备结晶结构，这类树脂的工艺性与常用的热固性树脂差别巨大，其更是需要极高的温度(300-400℃)和压力(一般在2mpa以上)才具有一定的流动可操作性。因此针对碳纤维热固性树脂基复合材料开发的导电功能化技术，并不适用于碳纤维热塑性树脂基复合材料，同时目前也暂无连续碳纤维增强热塑性导电复合材料相关成熟研究和产品。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题就在于：针对现存的技术问题，本发明提供一种高导电的热塑性树脂基复合材料及其制备方法，在高效利用热塑性树脂基复合材料的本征优势前提下，赋予其导电特性。

2、为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

3、一种高导电热塑性树脂基复合材料，包括高导电薄层材料和热塑性树脂基体，高导电薄层材料为表面采用金属化处理的高分子材料、碳纤维、玻璃纤维、碳纳米管或石墨烯的多孔无纺布、薄膜或者织物；高导电薄层材料的厚度在10～70μm，面密度为8～60g/m2，表面电阻率在5～250mω/sq；热塑性树脂基体包括高密度聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚芳醚酮、聚醚砜、聚醚醚酮和聚醚酮酮中的一种或多种。

4、作为上述技术方案地进一步改进为：

5、上述技术方案中，优选地，所述高导电薄层材料的高分子材料载体为芳纶、聚芳醚酮、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚醚醚酮或聚醚酮酮的至少一种或几种。

6、上述技术方案中，优选地，所述表面采用金属化处理所采用的金属材料是银、镍、铜、锡、金中的至少一种或几种。

7、本发明还公开了一种高导电热塑性树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，用于制备上述高导电热塑性树脂基复合材料，包括以下步骤：

8、步骤s1，选用高导电薄层材料；

9、步骤s2，制备连续碳纤维增强热塑性树脂基复合材料预制体；选择连续碳纤维增强的热塑性树脂基预浸料，将高导电薄层材料固定在预浸料的一面或两面，进行铺层；定型后得到层间含有高导电插层的导电-结构一体化的连续碳纤维增强热塑性树脂基复合材料预制体；

10、步骤s3，制备热塑性树脂基连续碳纤维复合材料；将步骤s2中的预制体真空成型，得到导电-结构一体化的热塑性树脂基连续碳纤维复合材料。

11、上述技术方案中，优选地，所述步骤s2中，可在预制体的外表面铺贴定型高导电薄层，以获得更高的整体导电率和表面导电性。

12、本发明提供的高导电的热塑性树脂基复合材料及其制备方法，与现有技术相比有以下优点：

13、本发明聚焦于连续碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的低导电性，在复合材料的固有绝缘的层间树脂区引入特定高导电薄层，在复合材料层间构造出连续的高导电路径。通过层间高导电薄层与其相邻碳纤维层接触，在复合材料厚度方向建立连续且循环的整体导电网络结构。构建复合材料层间和厚度方向连续且高效的导电网络，可以显著提升其导电性。本发明的另一关键创新点在于高导电薄层的选择，包括薄层的载体材料、热特性、导电率、厚度、面重、微观结构形貌等。在维持原有的连续碳纤维增强热塑性树脂叠层复合材料高温高压的成型工艺前提下，仍能在复合材料层间构造连续的导电网络通路并具备优良的界面性能，赋予该复合材料高导电性，特别是垂直厚度方向的高导电性并保证其优异的结构力学性能。

技术特征：

1.一种高导电热塑性树脂基复合材料，其特征在于，包括高导电薄层材料和热塑性树脂基体，高导电薄层材料为表面采用金属化处理的高分子材料、碳纤维、玻璃纤维、碳纳米管或石墨烯的多孔无纺布、薄膜或者织物；高导电薄层材料的厚度在10～70μm，面密度为8～60g/m2，表面电阻率在5～250mω/sq；热塑性树脂基体包括高密度聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚芳醚酮、聚醚砜、聚醚醚酮和聚醚酮酮中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的高导电薄层材料，其特征在于，所述高分子材料为芳纶、聚芳醚酮、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚醚醚酮或聚醚酮酮的至少一种。

3.根据权利要求1所述的高导电薄层材料，其特征在于，所述表面采用金属化处理所采用的金属材料是银、镍、铜、锡、金中的至少一种。

4.一种高导电热塑性树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1所述高导电热塑性树脂基复合材料，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，可在预制体的外表面铺贴定型高导电薄层材料，以获得更高的体导电率和表面导电性。

技术总结
本发明公开了一种高导电热塑性树脂基复合材料，包括高导电薄层材料和热塑性树脂基体，高导电薄层材料为表面采用金属化处理的高分子材料、碳纤维、玻璃纤维、碳纳米管或石墨烯的多孔无纺布、薄膜或者织物；热塑性树脂基体包括高密度聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚芳醚酮、聚醚砜、聚醚醚酮和聚醚酮酮中的一种或多种。本发明还公开了一种制备方法，包括以下步骤：步骤S1，选用高导电薄层材料；步骤S2，制备高导电连续碳纤维增强热塑性树脂基复合材料预制体；步骤S3，制备热塑性树脂基连续碳纤维复合材料。本发明的高导电的热塑性树脂基复合材料及其制备方法，在高效利用热塑性树脂基复合材料的本征优势前提下，赋予其导电特性。

技术研发人员：胡东源,益小苏,刘子谦,郝思琦,刘晓玲
受保护的技术使用者：长三角碳纤维及复合材料技术创新中心
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16