一种用于具身无人机自感知机臂的复合材料及其制备方法与流程

本发明属于高性能复合材料的，具体地，涉及一种用于具身无人机自感知机臂的复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、具身无人机自感知机臂作为整机核心承力部件，既要承受电机振动、飞行弯矩与冲击载荷，同时还面临复杂的电磁环境，机臂内部及周边布置有电调、驱动、信号传输器件，易受到外界电磁干扰，也会产生电磁辐射，影响机载设备工作稳定性。现有无人机机臂多采用碳纤维环氧树脂复合材料制备，侧重力学承载性能，功能较为单一，一般通过外置应变片开展结构健康监测，依靠粘贴金属屏蔽膜实现电磁防护，难以同时兼顾承力、导电传感与电磁屏蔽多重需求。

2、传统外置应变片粘接于机臂表面，粘接层易受振动、温湿度循环影响，检出下限高，微小形变难以捕捉，传感信号还易受电磁场干扰，测量可靠性下降；金属屏蔽膜附加重量大，与基体界面结合差，服役过程易出现翘曲脱落，无法与承力结构实现一体化成型。若直接在树脂基体中引入导电填料构建导电网络，虽可赋予机臂导电与电磁屏蔽能力，但填料大量掺杂易造成复合材料内部缺陷增多，出现界面结合变差、力学强度与模量衰减等问题，造成承力性能下降，难以实现传感导电、电磁屏蔽与结构承载三者协同平衡。

3、因此，开发一种兼顾轻量化、高效电磁兼容屏蔽、稳定导电热管理以及高承载强度的机臂复合材料，已成为无人机材料领域亟待突破的技术瓶颈。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于通过在无人机机臂的基体表面包裹一种由生物炭电磁屏蔽层、cnf/pedot导电传感层和cs-cf结构承载层组成的复合材料，从而实现延长无人机服役寿命的目的。

2、为了实现上述目的，本发明公开了以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种用于具身无人机自感知机臂的复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、（1）制备cs-cf结构承载层

5、（1.1）将尿素与纤维素按照质量比2.5-3.5:1加入氢氧化钠水溶液，控制体系中纤维素质量浓度为8-12%；于-8~-2℃温度条件下搅拌溶解3.5-4.5h，得到纤维素纺丝液；

6、（1.2）将纤维素纺丝液经喷丝板挤入凝固浴中，凝固后得到原丝；

7、（1.3）原丝在空气氛围中以1-3℃/min升温至240-280℃进行预氧化，保温40-50min；随后在氮气保护下以3-7℃/min升温至800-900℃进行碳化，保温10-20min，得到cs-cf原丝；

8、（1.4）将cs-cf原丝采用树脂基体浸润后编织成单向布，固化，制得cs-cf结构承载层；

9、（2）制备cnf/pedot导电传感层

10、（2.1）将纤维素经tempo氧化后采用高压均质处理，得到cnf分散液；

11、（2.2）将pedot:pss水溶液和cnf分散液按照质量比为4-6：1混合，加入硅烷偶联剂，混合，得到复合导电涂覆液；

12、（2.3）将复合导电涂覆液涂覆于cs-cf结构承载层的表面，在90~110℃的条件下预固化10-20min，随后在130~150℃的条件下固化45min，制得cnf/pedot导电传感层；

13、（3）制备生物炭电磁屏蔽层

14、将生物炭粉末和环氧树脂按照质量比为15~30:70~85混合，制得生物炭电磁屏蔽层；

15、（4）依次将cnf/pedot导电传感层、生物炭电磁屏蔽层进行叠放，放置真空袋中采用热压的方式进行固化，制得用于具身无人机自感知机臂的复合材料。

16、优选地，在步骤（1.4）中，按重量份计，所述树脂基体的原料包括混合环氧树脂90-110份，dopo阻燃剂8-12份、木质素基固化剂27-33份，所述单向布的树脂质量含量为33-37%，面密度190-210g/m²；所述固化为将单向布置于真空袋中，抽真空，密封后放入热压罐，以1~3℃/min升温至140-160℃，同时加压至0.5-0.7mpa，保温保压80-100min；随后以0.7~1.5℃/min降温至60℃，卸压出罐。

17、进一步优选地，所述混合环氧树脂为质量比60~80:20~40的环氧树脂e-51和环氧树脂f-51。

18、优选地，在步骤（2.1）中，所述tempo氧化为采用次氯酸钠作为氧化剂，次氯酸钠的用量为3-7mmol/g，所述高压均质处理的压力为75-85mpa，处理次数为2-4次，所述cnf分散液的固含量为1.8-2.2%。

19、进一步优选地，所述cnf分散液中纤维素直径20~40nm、长径比>10。

20、优选地，在步骤（2.2）中，所述硅烷偶联剂为kh-560，用量为0.8-1.2%，所述混合为在300-400w的条件下超声40-50min。

21、优选地，在步骤（2.3）中，所述复合导电涂覆液的涂覆厚度为80-150μm。

22、进一步优选地，在步骤（2.3）中，cs-cf结构承载层预埋电极引线，所述电极引线沿机臂轴向等间距布置，间距为50~150mm。

23、更进一步优选地，所述电极引线为铜箔网格或银浆印刷电极，电极宽度为2~5mm。

24、优选地，在步骤（3）中，所述生物炭粉末的制备方法包括以下步骤：

25、s1：将棉秆在780-850℃的温度下气化55-65min，制得粗生物炭；

26、s2：将粗生物炭进行球磨，以氧化锆球为球磨介质，球料比为8-12：1，球磨速度为280-320rpm，球磨时间为1.5-2.5h，过400目筛，取20~40μm粒径段的粉末，采用kh-560硅烷偶联剂对粉末进行改性，制得生物炭粉末。

27、本发明中以棉秆为原料制备生物炭粉末，经过气化、球磨和硅烷偶联剂改性等一系列处理，优选20~40μm粒径段的粉末，不仅将其比表面积控制在850m²/g左右，有利于提升电磁屏蔽吸收损耗，而且还能够提高生物炭粉末在树脂中的分散效果。

28、优选地，在步骤（3）中，以环氧树脂的重量计，所述生物炭电磁屏蔽层的原料还包括20-30%的胺类固化剂，所述混合为将生物炭电磁屏蔽层的原料采用行星搅拌的方式进行混合，所述行星搅拌的真空度为-0.08~-0.1mpa，转速为50-70rpm，搅拌时间为20-40min。

29、进一步优选地，所述胺类固化剂为脂肪胺、脂环胺、聚酰胺或聚醚胺中的至少一种。

30、更进一步优选地，所述胺类固化剂为聚醚胺固化剂。

31、优选地，生物炭电磁屏蔽层厚度为200~300μm。

32、优选地，所述木质素基固化剂的制备方法包括以下步骤：

33、a1：将木质素进行酚化反应，得到酚化木质素，所述酚化反应的条件为苯酚与木质素的质量比为2-4:1，甲醛与苯酚的摩尔比为0.5-1.0:1，催化剂为草酸或盐酸，反应温度为70-90℃，反应时间为2-4h；

34、a2：将酚化木质素溶于n,n-二甲基甲酰胺中，加入dopo、甲醛、催化剂，于温度100~140℃搅拌混合3~6h，制得反应液，将反应液加入去离子水中沉淀，过滤、水洗、真空干燥，制得木质素基固化剂。

35、进一步优选地，所述酚化木质素和n,n-二甲基甲酰胺料液比为1g：4-6ml，所述dopo阻燃剂与酚化木质素的质量比为0.4-0.8:1，所述甲醛与dopo阻燃剂的摩尔比为1.0-2.0:1，所述催化剂为三乙胺或氢氧化钠，所述催化剂的用量为反应物总质量的1%-3%。

36、本发明中先将木质素进行酚化处理，再与dopo阻燃剂进行反应，制得的固化剂中含有木质素骨架、酚羟基和dopo含磷基团。通过引入膦酸酯结构，一方面通过p-o-c共价键与纤维素羟基化学接枝，稳固界面；另一方面利用含磷基团的强极性，与树脂基体产生偶极相互作用，增强界面相容。木质素骨架刚性芳香环网络赋予结构支撑，且分子链上丰富的活性位点（酚羟基、羧基）能与纤维素羟基形成密集氢键网络，增强界面浸润性，同时其高分子链缠结效应可缓解树脂固化收缩应力，提升复合材料的稳定性。

37、进一步优选地，所述木质素的制备方法为：取棉秆为原料，在1.5mpa的条件下蒸汽爆破5min后进行碱氧处理，所述碱氧处理为在含有8%naoh和2%的过氧化氢溶液中80℃浸泡2h，过滤得到滤液。将滤液用2mol/l的盐酸溶液调节ph至2.0，沉淀得到棉秆木质素，经水洗至中性、干燥，制得成品。

38、优选地，在步骤（4）中，所述固化的工艺为：真空度≤-0.095mpa，采用升温速率为1~2℃/min升温至120~150℃，固化压力0.3~0.6mpa，保温保压60~120min。

39、本发明的有益效果：

40、（1）本发明汇总cnf/pedot导电传感层嵌入机臂结构内部，使机臂本身成为应变传感器，无需外贴应变片，消除了贴片脱胶和布线复杂的问题，整机重量减轻5%~8%。

41、（2）高灵敏度微应变检测：cnf的高长径比和pedot:pss的导电网络协同作用，使导电传感层的应变灵敏度系数gf≥10，可检测0.1%的微应变，满足无人机机臂在气动载荷下的变形监测需求。

42、（3）全域应变场重构：通过沿机臂轴向布置的多对电极引线，结合逆有限元法ifem，可由离散测点的电阻变化重构机臂全域应变场，实现从'点测量'到'场感知'的跨越。

43、（4）内置电磁屏蔽：生物炭电磁屏蔽层集成于机臂内壁，在8~18ghz频段内屏蔽效能≥30db，有效隔离电机电磁干扰，保护飞控系统和通信模块，且无需外置金属屏蔽罩。