一种复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于复合材料，具体涉及一种复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着新能源汽车行业的蓬勃发展，电池的安全性受到更多的关注，特别是三元锂电池，着火后热失控造成人员伤亡屡见不鲜，硅橡胶比重比很多无机非金属材料和金属材料质低，长期不会掉粉屑，环保且具有很好的介电性能和阻燃性能受到越来越多的关注，但是添加硅胶受明火后分解成气体和二氧化硅逸散，起不到防火保护乘客的作用，因此往往选择通过添加陶瓷粉开发陶瓷化硅橡胶产品来解决防火问题，陶瓷粉的添加会影响硅胶阻燃性能，同时在明火灼烧下往往容易开裂不能外观完整，在热冲击强气流下不能快速抵御，造成穿孔失效，产生人员伤亡。

2、目前，市面上防火材料大多数为无机物云母板，云母板比较脆，不能弯折，而往往电池内部结构复杂，导致云母板与电芯材料间贴合不够，长期使用下还易掉粉，在热失控后起不到隔热的作用导致热量蔓延，危及人员安全。传统添加陶瓷粉制成陶瓷化硅胶的方案，需要成瓷强度高往往需要铝硅酸盐类黏土，本身比重高，对阻燃不利，还需要添加其它无机/有机阻燃剂更加不利于轻量化，陶瓷化硅胶本身导热，耐热冲击也不够，需要配合纤维布使用，纤维布熔点低＜500℃，需要抵抗热冲击还需要配合功能化层对玻纤布进行保护，以满足同样厚度下超过云母板的耐热冲击性能。

3、因此，开发出一种轻量化、耐热冲击强、阻燃性强、成瓷强度高的复合材料，是本领域亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种复合材料，设计成纤维布表面涂布硅胶隔热层的五层结构，最外层硅胶隔热层渗透到纤维布内部与纤维布组成一个整体，功能上变成三层，不区分正反面，纤维布和纤维具有一定的热反射率和抵御耐辐射热，中间硅胶隔热层明显受热后也会形成膨胀隔热，进一步阻止热量传播到背面，可以做到同厚度下热冲击和隔热都优于现有云母板等材料。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供一种复合材料，所述复合材料包括依次设置的第一硅胶隔热层、第一纤维布层、第二硅胶隔热层、第二纤维布层、第三硅胶隔热层；

4、以重量份计，所述第一硅胶隔热层、第二硅胶隔热层、第三硅胶隔热层的制备原料各自独立地包括如下组分：

5、20-50份乙烯基生胶、1-5份氧化物玻璃、1-10份陶瓷微珠、5-30份硼酸锌、5-10份电木粉、1-6份纤维、1-3份阻燃剂、0.07-0.3份硅烷偶联剂、0.1-3份催化剂、5-16份硅石灰、5-15份白炭黑和0.1-3份交联剂；

6、优选地，所述乙烯基生胶的重量份为20-50份，例如可以为20份、25份、30份、35份、40份、45份、50份，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

7、优选地，所述氧化物玻璃的重量份为1-5份，例如可以为1份、2份、3份、4份、5份，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

8、优选地，所述陶瓷微珠的重量份为1-10份，例如可以为1份、2份、4份、5份、6份、8份、10份，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

9、优选地，所述硼酸锌的重量份为5-30份，例如可以为5份、10份、15份、20份、25份、30份，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

10、优选地，所述电木粉的重量份为5-10份，例如可以为5份、6份、7份、份、份、10份，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

11、优选地，所述纤维的重量份为1-6份，例如可以为1份、2份、3份、份、5份、6份，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

12、优选地，所述阻燃剂的重量份为1-3份，例如可以为1份、2份、3份，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

13、优选地，所述硅烷偶联剂的重量份为0.07-0.3份，例如可以为0.07份、0.1份、0.2份、0.3份，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

14、优选地，所述催化剂的重量份为0.1-3份，例如可以为0.1份、0.5份、1份、1.5份、2份、2.5份、3份，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

15、优选地，所述硅石灰的重量份为5-16份，例如可以为5份、6份、8份、10份、12份、15份、16份，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

16、优选地，所述白炭黑的重量份为5-15份，例如可以为5份、6份、8份、10份、12份、15份，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

17、优选地，所述交联剂的重量份为0.1-3份，例如可以为0.1份、0.5份、1份、1.5份、2份、2.5份、3份，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

18、优选地，所述溶剂的重量份为15-100份，例如可以为15份、20份、30份、40份、50份、60份、70份、80份、90份、100份，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

19、设计成纤维布表面涂布硅胶隔热层的五层结构，最外层硅胶隔热层渗透到纤维布内部与纤维布组成一个整体，功能上变成三层，产品不区分正反面，纤维布和内部玄武岩短纤维具有一定的热反射率和抵御耐辐射热，当遇火以后该功能层能整体形成膨胀型陶瓷结构层，纤维布不直接接触火焰，纤维布部分熔融参与陶瓷化，电木粉形成多孔焦炭，同时阻燃剂和催化剂也能帮助诱导成炭，炭层和多孔材料产生的高孔隙率硅胶隔热，整体不会熔穿，配合内部隔热防护层一起形成隔热材料，抵抗热冲击，中间硅胶隔热层明显受热后也会形成膨胀隔热，进一步阻止热量传播到背面，可以做到同厚度下热冲击和隔热都优于现有云母板等材料，同时制作出比重低成瓷强度高的复合材料。

20、制作出具有遇火膨胀，吸收大量热，形成具有隔热的疏松且坚固的隔热防火层，与纤维布共同作用快速表面形成致密的陶瓷层，隔绝空气，因此该层具有极好的帮助阻燃的功能，特殊阻燃剂含有一种或多种具有空轨道的金属氧化物能与铂金一起协同快速捕捉燃烧过程中产生的大量自由基，阻止燃烧继续发生，同时这些金属氧化物会与硼酸锌分解后的氧化硼以及氧化物玻璃一起极大的加快陶瓷化界面催化反应，提高成瓷强度，因此产品极薄的情况下也有比较高的阻燃性和成瓷强度。

21、硼酸锌、氧化物玻璃，阻燃剂和电木粉四者配合，燃烧时释放气体同时吸收热量，硼酸锌分解后的氧化硼和氧化物玻璃中的bi2o3-zbs一起形成助熔剂，同期会加速催化硅灰石、白炭黑、电木粉和陶瓷化微珠陶瓷化反应，与纤维一起形成多孔且高强度的隔热层，电木粉遇热后转变成焦炭，与陶瓷微珠一起存在于坚固的多孔结构缝隙中，本身热导率低同时增加孔隙率，由于焦炭和纤维的存在，过程中可能由于水气以及烧结时体积变化产生裂口将大大缓解。同时玄武岩纤维还能增加产品强度，早期帮助稳定陶瓷层不碎裂，后期参与形成陶瓷结构大大提升产品强度。

22、优选地，所述乙烯基生胶的数均分子量为42-70万，例如可以为42万、45万、50万、55万、60万、62万、65万、70万，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

23、优选地，所述氧化物玻璃的粒径为1-10μm，例如可以为1μm、2μm、4μm、5μm、6μm、8μm、10μm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

24、优选地，所述陶瓷微珠的粒径为200-400目，例如可以为200目、250目、300目、350目、400目，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

25、优选地，所述阻燃剂包括氧化锌、氧化钛或碳酸镧中的任意一种或至少两种的组合。

26、阻燃剂：主要为氧化锌、氧化钛和碳酸镧一种或多种复配，少量添加下与铂金催化剂协同作用抑制燃烧，不含卤素、低烟环保。

27、优选地，所述纤维包括高硅氧玻璃纤维、玄武岩纤维布或无碱电子玻璃纤维布中的任意一种或至少两种的组合。

28、优选地，所述纤维包括短切纤维。

29、优选地，所述短切纤维的长度为1-10mm，例如可以为1mm、2mm、4mm、5mm、6mm、8mm、10mm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

30、优选地，所述阻燃剂包括氧化锌、氧化钛或碳酸镧中的任意一种或至少两种的组合。

31、优选地，所述硅烷偶联剂包括乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷或甲基三甲氧基硅烷中的任意一种或至少两种的组合。

32、优选地，所述硅烷偶联剂包括乙烯基硅烷si-171和/或烷氧基硅烷si-137。

33、优选地，所述催化剂包括铂金催化剂。

34、优选地，所述硅石灰的粒径为1-10μm，例如可以为1μm、2μm、4μm、5μm、6μm、8μm、10μm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

35、优选地，所述白炭黑为气相法白炭黑。

36、优选地，所述白炭黑的比表面积为10-300m2/g，例如可以为10m2/g、50m2/g、100m2/g、150m2/g、200m2/g、250m2/g、300m2/g，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

37、优选地，所述交联剂包括含氢硅油。

38、所述含氢硅油，在一定比例下，加热过程中起到桥连作用。

39、优选地，所述第二硅胶隔热层的制备原料以重量份计还包括：15-100份溶剂，例如可以为15份、20份、30份、50份、80份、90份、95份、100份，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

40、优选地，所述溶剂包括乙酸乙酯、白电油、丙二醇或甲醚中的任意一种或至少两种的组合。

41、优选地，所述第一纤维布层、第二纤维布层的材料各自独立地包括纤维布。

42、优选地，所述纤维布包括高硅氧玻璃纤维、玄武岩纤维布或无碱电子玻璃纤维布中的任意一种或至少两种的组合。

43、优选地，所述纤维布的厚度为0.1-0.4mm，例如可以为0.1mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.4mm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

44、所述复合材料的厚度为1±0.2mm，1.5±0.2mm，2±0.2mm，按照ul94-v0标准测试均可实现v0阻燃。

45、第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的复合材料的制备方法，所述制备方法包括：

46、(1)将阻燃剂、氧化物玻璃、陶瓷微珠、纤维、硅烷偶联剂、电木粉、硅灰石、乙烯基生胶和硼酸锌混合，得到硅胶；

47、(2)将溶剂、步骤(1)得到的部分硅胶、催化剂和交联剂混合，得到胶浆；将步骤(1)得到的剩余硅胶、催化剂和交联剂进行炼胶，得到固胶；

48、(3)将步骤(2)得到的固胶与第一纤维布层、第二纤维布层压延，浸泡在步骤(2)得到的胶浆中，干燥、硫化，得到所述复合材料。

49、优选地，步骤(1)所述阻燃剂、氧化物玻璃、电木粉、陶瓷微珠、硅灰石、纤维和硅烷偶联剂进行预处理后，与乙烯基生胶、白炭黑和硼酸锌混合，抽真空，得到所述硅胶。

50、优选地，所述预处理的温度为65-85℃，例如可以为65℃、70℃、75℃、80℃、85℃，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

51、优选地，所述预处理的时间为1.5-2.5h，例如可以为1.5h、1.7h、1.9h、2h、2.2h、2.5h，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

52、优选地，所述混合的温度为25-150℃，例如可以为25℃、30℃、50℃、80℃、100℃、120℃、140℃、150℃，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

53、优选地，所述混合的时间为2-4h，例如可以为2h、2.5h、3h、3.5h、4h，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

54、优选地，所述抽真空的压力为-0.75至-0.65mpa，例如可以为-0.75mpa、-0.72mpa、-0.7mpa、-0.68mpa、-0.65mpa，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

55、优选地，所述抽真空的时间为0.5-1.5h，例如可以为0.5h、0.8h、1h、1.2h、1.5h，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

56、优选地，步骤(2)所述混合的温度为25-45℃，例如可以为25℃、30℃、35℃、40℃、45℃，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

57、优选地，步骤(2)所述混合的时间为0.3-1h，例如可以为0.3h、0.4h、0.45h、0.5h、1h，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

58、优选地，步骤(2)所述炼胶的温度为5-25℃，例如可以为5℃、8℃、15℃、20℃、25℃，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

59、优选地，步骤(2)所述炼胶的时间为0.2-0.7h，例如可以为0.2h、0.3h、0.4h、0.6h、0.7h，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

60、优选地，步骤(3)所述压延的温度为15-25℃，例如可以为15℃、18℃、20℃、23℃、25℃，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

61、优选地，步骤(3)所述压延的时间为0.1-1s，例如可以为0.1s、0.2s、0.3s、0.5s、1s，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

62、优选地，步骤(3)所述干燥的温度为65-105℃，例如可以为65℃、70℃、80℃、90℃、105℃，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

63、优选地，步骤(3)所述干燥的时间为0.02-0.2h，例如可以为0.02h、0.05h、0.1h、0.15h、0.2h，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

64、优选地，步骤(3)所述硫化的温度为130-170℃，例如可以为130℃、140℃、150℃、160℃、170℃，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

65、优选地，步骤(3)所述硫化的时间为0.03-0.3h，例如可以为0.03h、0.1h、0.15h、0.2h、0.3h，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

66、优选地，步骤(3)所述硫化后还包括冷却、卷曲和修边。

67、优选地，所述冷却的温度为15-25℃，例如可以为15℃、18℃、20℃、22℃、25℃，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

68、优选地，所述冷却的时间为0.2-2h，例如可以为0.2h、0.5h、1h、1.5h、2h，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

69、所述制备方法具体包括：

70、1、硅灰石、阻燃剂、氧化物玻璃、电木粉、陶瓷微珠及纤维在高速分散机中混合，加入硅烷偶联剂预处理，预处理时间为2h；

71、2、按比例称取硅胶、白炭黑、步骤1中的混合物、硼酸锌在捏合机中搅拌，室温1h，150℃搅拌1h，并抽真空-0.7±0.05mpa，脱低1h；

72、3、称取一定步骤2中混好的硅胶按照一定比例加入乙酸乙酯，高速分散机分散成胶浆，冷却保存，待使用时加入催化剂和交联剂搅拌均匀，主要用于纤维布最外层刮涂；

73、4、称取步骤2中混好的硅胶投入开炼机中，开启冷却水，加入催化剂和交联剂；

74、5、步骤4中配好的固胶与两层纤维布一起在压延机中压延成固定厚度和宽度的产品，浸渍步骤3中的胶浆，过低温烘箱烤干，过高温烘箱硫化成整体，在线检查，冷却、卷曲和修边。

75、第三方面，本发明提供一种如第一方面所述的复合材料在新能源电池中的应用。

76、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

77、本发明提供一种复合材料，通过硼酸锌、氧化物玻璃，阻燃剂和电木粉四者配合，燃烧时释放气体同时吸收热量，硼酸锌分解后的氧化硼和氧化物玻璃中的bi2o3-zbs一起形成助熔剂，同时会加速催化硅灰石、白炭黑、电木粉和陶瓷化微珠陶瓷化反应，与纤维一起形成多孔且高强度的隔热层，电木粉遇热后转变成焦炭，与陶瓷化微珠一起存在于坚固的多孔结构缝隙中，本身热导率低同时增加孔隙率，由于炭黑和纤维的存在，过程中可能由于水气以及烧结时体积变化产生裂口将大大缓解，稳定陶瓷层不碎裂，克重可以达到1.01-1.35g/cm3，隔热性背面温度为295-330℃，成瓷强度为49-55mpa 1500℃×10min，阻燃性达到v0级。