[发明专利]一种双功能插层材料及制品

说明书

技术领域

本发明属于功能复合材料的技术领域，涉及一种增韧-阻尼双功能的插层材料及其制备方法和这种插层材料应用在叠层碳纤维增强树脂基复合材料上的制品。

背景技术

由于其高比强度、高比刚度等特性，连续碳纤维增强树脂基叠层复合材料被越来越多地在航空航天等高端领域作为结构材料使用，并部分代替传统金属结构材料，如美国B787飞机的复合材料用量已达飞机结构用量的50％左右，显示了这类材料巨大的应用前景。

连续碳纤维增强的树脂基复合材料通常由连续碳纤维铺层层叠而成，作为基体的树脂以未固化的形式分布于预浸料中，随后将预浸料层叠并在一定压力和温度下固化；或者将连续碳纤维铺层层叠得到预制体，再通过注射未固化的树脂，随后在一定压力和温度下固化得到。这种材料的特征为富碳纤维的铺层和富树脂的层间交替分布，构成层合结构，而由于热固性树脂本身的脆性，使得这种复合材料对低速冲击敏感，容易形成冲击分层损伤，导致复合材料的压缩强度急剧降低，因此，在航空航天关键性的应用场合，这种复合材料通常都需要增韧。关于这种复合材料的增韧技术已存在许多方法，例如中国专利CN200610099381.9和法国专利FP1060809P等。

碳纤维增强树脂基叠层复合材料主要用于制造航空航天飞行器的外壳和蒙皮。这种薄壁结构复合材料的高模量常常会引发强烈的结构振动和噪声，而在空间条件下，由于缺乏空气阻力和地心引力，这种结构的振动又难以衰减，因此，这类复合材料结构的阻尼特性已成为航空航天应用关注的重点。常见的约束阻尼办法通常会引起结构增重，因此，赋予材料阻尼特性正在成为航空航天复合材料研究发展的一个重要方向。例如，Toshio TANIMOT介绍了一种将压电陶瓷(PZT)粉末加入复合材料层间来提高复合材料阻尼性能的方法，这种方法后来发展成为日本专利2003-118038及相应的国际专利(Smart CFRP Materials for Application in Low-vibration Structures.The International Conference on Composite Interface21,2011,Kyoto,Japan).但这种及其他各种阻尼方法在提高复合材料阻尼性能的同时均不能同时提高复合材料的抗冲击韧性。

综上，一个理想的解决方案是研究发展一种结构增韧-本征阻尼的新型复合材料，或结构-功能一体化的复合材料。

发明内容

本发明的目的：本发明针对叠层碳纤维复合材料的上述两种缺点，提供一种增韧-阻尼双功能插层材料及其制备方法，其目的是利用这种插层材料，通过结构增韧-本征阻尼一体化设计，制备一种高阻尼、高增韧的叠层碳纤维增强树脂基复合材料，该种材料能兼顾复合材料的阻尼特性以减少振动和噪音，并且具有较高的冲击损伤阻抗和损伤容限。

本发明的技术解决方案是，

增韧-阻尼插层材料由作为载体的低面密度多孔无纺布或织物和作为附载材料、均匀附载在载体上的压电材料、导电材料和粘结剂共同构成，压电材料包括压电陶瓷和压电聚合物。载体的厚度为10μm～80μm，载体的面密度为5g/m²～35g/m²之间，载体的孔隙率为60～90％，附载的压电材料量为5g/m²～150g/m²，附载后总的孔隙率不低于40％；对压电陶瓷颗粒或纳米线，附载的导电材料质量为压电材料质量的1％～8％，粘结剂质量为压电材料质量的0％～5％；对PVDF颗粒或纳米纤维，附载的导电材料质量为压电材料质量的3％～15％，粘结剂质量为压电材料质量的0～15％。

附载的压电陶瓷为PZT、PMgN、PSnN，附载的压电材料量为30g/m²～150g/m²，其形态为粉末状，包括低长径比的近球形颗粒、不规则形状、高长径比的棒状颗粒，对近球形颗粒粒径优选为50nm～10μm，对不规则形状表观尺寸优选为50nm～50μm，对棒状颗粒直径优选为50nm～5μm；导电材料为碳纳米管、气相生长纳米碳纤维、纳米石墨片、石墨烯及以上的混合物，粘结剂为树脂粘结剂、高性能热塑性树脂、压电聚合物PVDF。