改進(jìn)的復(fù)合材料的制作方法
【專利說(shuō)明】
[00011 本發(fā)明申請(qǐng)是基于申請(qǐng)日為2007年11月06日，申請(qǐng)?zhí)枮?01310069108.1，發(fā)明名 稱為"改進(jìn)的復(fù)合材料"的專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)，其中該申請(qǐng)?zhí)枮?01310069108.1的專利申 請(qǐng)是申請(qǐng)?zhí)枮?00780041287.0(國(guó)際申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/GB2007/004220)，發(fā)明名稱為"改進(jìn)的復(fù) 合材料"的專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及復(fù)合材料，具體地(但非排它地），涉及纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。
【背景技術(shù)】
[0003] 由于與金屬相比復(fù)合材料具有有吸引力的機(jī)械性能和低重量，其越來(lái)越多地用于 許多領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)用途中。在本領(lǐng)域中已知，復(fù)合材料由分層材料組成，從而提供在結(jié)構(gòu)上有 利的層壓型材料。然而，導(dǎo)電性是金屬最顯著的屬性之一，而基于纖維增強(qiáng)材料的復(fù)合材料 (例如粘性膜、貼面膜和預(yù)浸漬的(預(yù)浸料)通常具有低得多的導(dǎo)電性。
[0004] 傳統(tǒng)的復(fù)合材料一般由增強(qiáng)材料相和基質(zhì)相組成，其中所述增強(qiáng)材料相通常包含 連續(xù)或不連續(xù)的纖維，且所述基質(zhì)相通常為熱固性或熱塑性聚合物。最早用于制備復(fù)合材 料的第一代基質(zhì)聚合物就其本性而言是脆性的，因此必須開(kāi)發(fā)韌形更強(qiáng)的形式。在航空航 天用途中用作主結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料往往是所謂的第二代或第三代增韌材料。
[0005] 特別需要對(duì)數(shù)種用途顯示導(dǎo)電性的復(fù)合材料。這些用途包括防雷擊用途、靜電耗 散(ESD)用途和電磁干擾(EMI)用途。先前的復(fù)合材料(例如基于碳纖維的那些復(fù)合材料）已 知具有一定程度的導(dǎo)電性，這種導(dǎo)電性一般與碳絲的石墨性質(zhì)有關(guān)。然而，其所提供的導(dǎo)電 性水平對(duì)于保護(hù)復(fù)合材料免受例如雷擊的損傷作用來(lái)說(shuō)是不夠的。
[0006] 由于在基質(zhì)材料中加入了增韌相，第二代增韌復(fù)合材料相對(duì)于較早的第一代復(fù)合 材料顯示了改進(jìn)。這包括通過(guò)延展金屬箱、金屬網(wǎng)或交織線材來(lái)將金屬加入到組件中。用于 該目的的典型金屬包括錯(cuò)、青銅(bronze)和紅銅（copper)。這些復(fù)合材料能夠提供較好的 導(dǎo)電性。然而，它們通常很重，且其機(jī)械性能和航空航天性能顯著下降。這些復(fù)合材料一般 存在于材料的最初一個(gè)或兩個(gè)片層處，因此經(jīng)常導(dǎo)致總表面光潔度很差。
[0007]如果在第二代復(fù)合材料上發(fā)生雷擊，損傷在正常情況下局限于表面保護(hù)層。雷擊 能量通常足以將一些金屬汽化并在網(wǎng)中燒出小洞。對(duì)下層復(fù)合材料的損傷可能極小，從而 使損傷局限于頂部的一個(gè)或兩個(gè)片層(ply)。不過(guò)，在這樣的雷擊之后，將必須切掉受損區(qū) 域，并且用新的金屬保護(hù)材料、而且如果需要的話還用新的復(fù)合材料來(lái)進(jìn)行修復(fù)。
[0008]如已經(jīng)提到的，帶有碳纖維的材料確實(shí)具有一些導(dǎo)電性。然而，導(dǎo)電通路僅在纖維 的方向中，且其沿著與纖維增強(qiáng)材料的平面相垂直的方向（z向）耗散電流的能力是受限的。 碳增強(qiáng)材料經(jīng)常包含夾層結(jié)構(gòu)（interleaf structure)，由于夾層的電絕緣性，這種夾層結(jié) 構(gòu)導(dǎo)致在z向中具有固有的低導(dǎo)電性。當(dāng)受閃電破壞時(shí)，這種設(shè)置的結(jié)果能夠?qū)е聻?zāi)難性的 影響，因?yàn)榉烹娔軌蜻M(jìn)入夾層，將夾層中的樹(shù)脂汽化，以及導(dǎo)致主體層離（mass de laminat ion)和穿過(guò)復(fù)合材料。
[0009] 所謂的第三代增韌復(fù)合材料基于下述夾層技術(shù)：其中樹(shù)脂層與纖維增強(qiáng)片層 (fibre reinforced plies)交替存在，從而提供對(duì)沖擊的保護(hù)。然而，這些樹(shù)脂層起電絕緣 體的作用，因此在材料的z向（即，垂直于纖維方向）中的導(dǎo)電性很差。在復(fù)合材料上的雷擊 能夠?qū)е陆M件的嚴(yán)重破壞，從而產(chǎn)生穿過(guò)多片層層壓體(multiple ply laminate)的洞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 因此本發(fā)明試圖提供下述復(fù)合材料一一與如本文所述的先前嘗試相比，該復(fù)合材 料具有改進(jìn)的導(dǎo)電性，且與標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合材料相比，該復(fù)合材料幾乎不具有或不具有附加重量。 本發(fā)明還試圖提供下述復(fù)合材料一一該復(fù)合材料在不損害材料的機(jī)械性能的情況下具有 改進(jìn)的導(dǎo)電性。本發(fā)明進(jìn)一步試圖提供一種制備具有改進(jìn)的導(dǎo)電性的復(fù)合材料的方法。
[0011] 本發(fā)明的另一目的是提供一種便于制備、使用和修理的耐雷擊復(fù)合材料。
[0012 ]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了 一種復(fù)合材料，其包含：
[0013] i)至少一種預(yù)浸料，所述預(yù)浸料包含至少一種聚合物樹(shù)脂和至少一種纖維增強(qiáng)材 料；以及
[0014] i i)分散在所述聚合物樹(shù)脂中的導(dǎo)電性粒子。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種制備復(fù)合材料的方法，所述方法包括以下步 驟：
[0016] i)提供至少一種預(yù)浸料，所述預(yù)浸料包含至少一種聚合物樹(shù)脂和至少一種纖維增 強(qiáng)材料；以及
[0017] ii)將導(dǎo)電性粒子分散在所述聚合物樹(shù)脂中。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了導(dǎo)電性粒子用于降低復(fù)合材料的聚合物樹(shù)脂組分 的初始體電阻率(initial bulk resistivity)的用途，所述復(fù)合材料包含預(yù)浸料，所述預(yù) 浸料包含所述聚合物樹(shù)脂和至少一種纖維材料，其中所述導(dǎo)電性粒子分散在聚合物樹(shù)脂 中。
[0019] 令人驚奇地，已發(fā)現(xiàn)在預(yù)浸料的聚合物樹(shù)脂中使用導(dǎo)電性粒子提供了降低的體電 阻率，從而改進(jìn)了穿過(guò)該復(fù)合材料的z向?qū)щ娦?。另外，已發(fā)現(xiàn)分散在樹(shù)脂制劑中并隨后進(jìn) 行預(yù)浸漬的導(dǎo)電性粒子產(chǎn)生下述預(yù)浸料一一與等價(jià)的未改性預(yù)浸料相比，該預(yù)浸料具有基 本類似的加工性能。
[0020] 應(yīng)理解，當(dāng)提及復(fù)合材料時(shí)，其應(yīng)包括這樣的含纖維增強(qiáng)材料的材料一一在該含 纖維增強(qiáng)材料的材料中，聚合物樹(shù)脂與纖維接觸但并未浸入纖維中。術(shù)語(yǔ)復(fù)合材料也包括 在本領(lǐng)域中通常稱為預(yù)浸料的另一種可選配置一一其中樹(shù)脂部分嵌入或部分浸入纖維中。 預(yù)浸料也可以具有完全浸漬的纖維增強(qiáng)材料層。復(fù)合材料也可包括具有多個(gè)纖維-樹(shù)脂-纖 維層的多層材料。
[0021] 應(yīng)理解，當(dāng)提及"夾層結(jié)構(gòu)"時(shí)，其是指具有纖維-樹(shù)脂-纖維結(jié)構(gòu)的多層材料。術(shù)語(yǔ) "夾層(interleaf)"是指在存在并插入于纖維層之間的聚合物樹(shù)脂。當(dāng)提及"夾層厚度"時(shí)， 其是指從下纖維片層的最上表面到上纖維片層的最下表面來(lái)測(cè)量的橫穿夾層的平均距離。 因此夾層厚度等于插入的聚合物樹(shù)脂層的厚度，且當(dāng)提及夾層厚度和聚合物樹(shù)脂厚度時(shí)它 們是可互換的。
[0022]本文中使用的術(shù)語(yǔ)中間層、樹(shù)脂夾層、相互作用樹(shù)脂層和無(wú)纖維層均是可互換的， 且均指聚合物樹(shù)脂層。
[0023]本文中使用的術(shù)語(yǔ)聚合物樹(shù)脂是指聚合物體系(polymeric system)。
[0024]術(shù)語(yǔ)"聚合物樹(shù)脂"和"聚合物體系"在本申請(qǐng)中可互換使用，并且應(yīng)理解為指代具 有各種鏈長(zhǎng)的樹(shù)脂的混合物。因此術(shù)語(yǔ)聚合物包括下述實(shí)施方式一一其中存在的樹(shù)脂呈樹(shù) 脂混合物的形式，所述樹(shù)脂混合物包含單體、二聚體、三聚體或鏈長(zhǎng)大于3的樹(shù)脂中的任何 物質(zhì)。所得的聚合物樹(shù)脂在固化時(shí)形成交聯(lián)的樹(shù)脂基質(zhì)。
[0025]體電阻率是指半導(dǎo)電性材料的"容積"或"體積"電阻率的量度?？梢?jiàn)，當(dāng)提及"初始 體電阻率"時(shí)，其涉及加入導(dǎo)電性粒子之前聚合物樹(shù)脂的體電阻率。該值(單位為Ohms-m)是 給定材料的固有電阻率。〇hms-m(Q m)用于度量三維材料的導(dǎo)電性。物質(zhì)的體電阻率p通常 由下式定義：
[0027] 其中，
[0028] P是靜態(tài)電阻率(以歐姆·米為單位測(cè)量），
[0029] R是材料的均勻樣品的電阻（以歐姆為單位測(cè)量），
[0030] 1是樣品長(zhǎng)度（以米為單位測(cè)量），
[0031] A是樣品的截面面積（以平方米為單位測(cè)量）。
[0032] 在本發(fā)明中，體電阻率僅在Z-向（穿過(guò)復(fù)合材料厚度）中測(cè)量。在所有情況中，其被 稱為"體積"電阻率，因?yàn)樵谟?jì)算中總是要考慮厚度。
[0033] 本發(fā)明的目的通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn):將低體積分?jǐn)?shù)的導(dǎo)電性粒子以這樣的水平加入 預(yù)浸料的夾層區(qū)域一一在所述水平時(shí)，導(dǎo)電性粒子本身完全不足以為聚合物樹(shù)脂(預(yù)浸料 由所述聚合物樹(shù)脂制備)賦予導(dǎo)電性。
[0034]而且，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，向復(fù)合材料中添加導(dǎo)電性粒子(例如碳粒子或銀包覆的玻璃球） 會(huì)降低體電阻率，并因此提供超出可能已合理預(yù)期的導(dǎo)電性水平。
[0035] 本發(fā)明的又一項(xiàng)益處是改進(jìn)的預(yù)浸料導(dǎo)熱性，這種改進(jìn)的預(yù)浸料導(dǎo)熱性導(dǎo)致較快 的加熱時(shí)間并使固化放熱期間產(chǎn)生的熱較好地耗散。仍然又一項(xiàng)益處是復(fù)合材料的電阻基 本上不會(huì)隨溫度變化而改變。
[0036] 體電阻率的降低和導(dǎo)電性的改進(jìn)導(dǎo)致改進(jìn)的雷擊性能。因此，考慮到所使用的低 導(dǎo)電性粒子水平和夾層樹(shù)脂本身通常顯示的高電阻率，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的這種改進(jìn)是令人驚奇 的。
[0037] 應(yīng)意識(shí)到，本文中使用的術(shù)語(yǔ)"電阻率（r e s i s t i V i t y ) "和"電導(dǎo)率 (conductivity)"分別指電抵抗性(electrical resistivity)和電傳導(dǎo)性(electrical conductivity)〇
[0038]本文中使用的術(shù)語(yǔ)"粒子"是指不連續(xù)的三維形狀添加物，其是獨(dú)特的，作為獨(dú)立 單位處理的，并且可與其它獨(dú)立添加物分離，但是這并不妨礙添加物彼此接觸。該術(shù)語(yǔ)包含 本申請(qǐng)中描述和定義的導(dǎo)電性粒子的形狀和尺寸。
[0039]本文中使用的術(shù)語(yǔ)"長(zhǎng)寬比（aspect ratio)"應(yīng)理解為指代三維物體的最長(zhǎng)尺寸 與最短尺寸的比率。該術(shù)語(yǔ)可適用于本文中使用的具有任何形狀和尺寸的添加物。當(dāng)對(duì)于 球狀或基本球狀的物體使用該術(shù)語(yǔ)時(shí)，相應(yīng)的比率將是球狀物體的最大截面直徑與最小截 面直徑的比率。因此應(yīng)理解，完美球體具有1:1的長(zhǎng)寬比。本申請(qǐng)對(duì)導(dǎo)電性粒子所指出的長(zhǎng) 寬比是基于已涂覆了任何金屬覆層之后的粒子尺寸。
[0040]當(dāng)提及導(dǎo)電性粒子的尺寸時(shí)，其是指粒子的最大截面直徑。
[0041 ]通過(guò)舉例的方式，合適的導(dǎo)電性粒子可包括球體、微球體、樹(shù)枝狀體、珠子、粉末、 任何其它合適的三維添加物或它們的任何組合。
[0042]本發(fā)明中使用的導(dǎo)電性粒子可包括任何合適的導(dǎo)電性粒子。應(yīng)理解，這包括任何 能夠降低體電阻率從而促進(jìn)復(fù)合材料導(dǎo)電性的合適的導(dǎo)電性粒子。
[0043] 導(dǎo)電性粒子可選自金屬包覆的導(dǎo)電性粒子、非金屬導(dǎo)電性粒子或它們的組合。
[0044] 導(dǎo)電性粒子分散在聚合物樹(shù)脂中。應(yīng)理解，術(shù)語(yǔ)"分散"可包括下述情況一一導(dǎo)電 性粒子基本上遍布在聚合物樹(shù)脂中，且在聚合物樹(shù)脂的任何部分中均不存在比別處高很多 的濃度。另外，如果僅在復(fù)合材料的局部區(qū)域中需要降低的體電阻率，則術(shù)語(yǔ)"分散"也包括 導(dǎo)電性粒子存在于聚合物樹(shù)脂的特定區(qū)域中的情況。
[0045] 金屬包覆的導(dǎo)電性粒子可包含基本上被合適的金屬所覆蓋的芯粒子（core particle)〇
[0046] 芯粒子可以是任何合適的粒子。通過(guò)舉例的方式，合適的粒子可包括由聚合物、橡 膠、陶瓷、玻璃、礦物或耐火產(chǎn)品（如粉煤灰)形成的粒子。
[0047] 聚合物可以是任何合適的熱塑性聚合物或熱固性