碳纳米管膜电热防除冰的复合材料蒙皮结构及其制备方法与流程

1.本发明是一种碳纳米管膜电热防除冰的复合材料蒙皮结构及其制备方法，属于飞机机翼蒙皮防除冰技术领域。


背景技术：

2.飞机在结冰气象条件下容易产生结冰现象。积冰存在于飞机机翼、发动机进气道、雷达天线等重要部位时，会不同程度地影响飞机的飞行安全，严重时可致机毁人亡。因此飞机的防除冰技术一直是重要的研究议题。电热防除冰系统是飞机防除冰的常见系统，具有除冰方式灵活便捷的优点。
3.传统的电加热元件材料多选用电阻丝、可喷涂的金属层等，但这些材料存在着电热转化效率低、加热速率慢等不足，且金属材料不易弯曲，与复合材料不能很好地贴合。目前，石墨烯、碳纳米管等柔性膜材料在规模化制备及高性能化方面取得了重大进展，有望替代传统的金属材料应用于复合材料的电热防除冰，具有加热瞬时响应、覆形性好、加热均匀等特点。
4.对于金属电加热材料，可将回路或网状结构的金属铺贴于或热喷涂于玻纤织物表面，然后与复合材料共固化成型。而碳纳米材料薄膜较少与复合材料共固化，因为浸润在碳纳米材料薄膜中的树脂会影响导电通路，进而影响其电热性能。通常，将碳纳米材料薄膜电加热层夹在两层绝缘层之间，然后通过铆接或者粘接的方式固定在飞机蒙皮表面。但这种连接方式不牢固，若固定在在外表面还会影响飞机的气动外形。


技术实现要素：

5.本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种碳纳米管膜电热防除冰的复合材料蒙皮结构及其制备方法，其目的是得到一种具有优异的电热防除冰性能和机械性能的碳纳米管/复合材料蒙皮结构。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
7.本发明提供了一种碳纳米管膜电热防除冰的复合材料蒙皮结构，该结构是将电加热件固化在飞机蒙皮内部，位于外蒙皮1和内蒙皮2之间，该电加热件为层状“三明治”结构，由两侧的绝缘层3和中间的导电加热层4构成，该绝缘层3是一种聚酰亚胺、聚酰胺或聚砜非对称膜，包括致密皮层5和多孔支撑层6，该绝缘层3是用沉浸凝胶法制备的，其制备步骤如下：
8.步骤一、将聚酰亚胺、聚酰胺或聚砜溶于n-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺溶剂中，配置成质量百分比浓度为25～40％的聚合物溶液；
9.步骤二、将聚合物溶液刮涂在洁净的玻璃板上，刮涂的聚合物溶液的厚度为50～1000μm，并在室温下，相对湿度为0～40％的空气中静置5～300s；
10.步骤三、将刮涂有聚合物溶液的玻璃板浸入5～70℃的非溶剂浴中，非溶剂是水、乙醇或二者的混合溶液。于是，非溶剂和溶剂将在聚合物溶液与凝胶浴的界面处相互扩散，
使聚合物溶液发生相分离，从而固化成膜。将固化后的膜从玻璃板上揭下来，置于流动水中除去残余溶剂，干燥处理后即得到绝缘层3。该绝缘层3沿厚度方向与玻璃板接触面形成多孔支撑层6，该绝缘层3沿厚度方向与凝胶浴接触面形成致密层5。
11.在实施时，所述导电加热层4为碳纳米管薄膜，两端连接电极。
12.进一步，所述碳纳米管薄膜的厚度为5-50μm，所述电极为铜电极，并用导电银浆粘连碳纳米管薄膜与铜电极。
13.在实施时，所述绝缘层3的面密度为5～100g/m2，厚度为50～5000μm。
14.在实施时，所述绝缘层3的致密皮层5的厚度为0.01～100μm。
15.在实施时，所述绝缘层3的多孔支撑层6的孔隙率为10％-90％。
16.在实施时，所述绝缘层3的玻璃化转变温度高于180℃。
17.本发明技术方案提出一种制备上述碳纳米管膜电热防除冰的复合材料蒙皮结构的方法，其特征在于：该方法的步骤：
18.步骤一、将碳纳米管膜切割成长条状，在其两端涂上导电银浆，然后铺设铜电极，使铜电极埋卷在碳纳米管膜两端，待导电银浆固化后得到导电加热层4；
19.步骤二、将导电加热层4铺贴并夹装在两个绝缘层3致密皮层5之间，热压封装处理后得到电加热件；
20.步骤三、将电加热件铺贴在外蒙皮1和内蒙皮2之间，热压罐固化成型，在固化成型的高温高压作用下，蒙皮中的部分树脂能够渗入绝缘层3的多孔支撑层6的孔隙中，而不能透过绝缘层3的致密皮层5。
21.本发明技术方案为了解决现有技术中的问题，以碳纳米管膜作为导电加热层4，在电加热层4两侧的绝缘层3采用具有致密皮层5和多孔支撑层6的非对称树脂膜，用一体化成型方式将其整体固化在飞机蒙皮内部。
22.本发明技术方案中的绝缘层3是一种非对称的树脂膜，采用沉浸凝胶相转化法制备，即将聚合物溶液在空气中停留一段时间后浸入非溶剂凝胶浴中，随着溶剂和非溶剂的交换，铸膜液形成热力学不稳定系统，于是发生相分离，在厚度方向上形成具有致密皮层和多孔支撑层的膜结构。由于在空气中，聚合物溶液表层的溶剂挥发使表层聚合物溶液浓度增大，浸入凝胶浴后，相分离首先发生在聚合物溶液与凝胶浴的界面处，形成较薄的致密皮层5，表面致密层的形成又阻碍了非溶剂向聚合物溶液内部扩散，使内部相分离速度变慢，因而在致密皮层5的下面形成了多孔支撑层6。绝缘层3采用这种外密内疏结构，其中多孔支撑层6可以使树脂浸润其中，与蒙皮的复合材料牢固地连接，而致密皮层5可以阻止树脂渗透到碳纳米管膜的电加热层4中，保证其优良的电热性能，避免热点和烧蚀的现象发生。
23.本发明技术方案的优点为：
24.一、绝缘层3具备质量轻、柔韧性好、耐弯折的优点，其良好的耐温性能好，与复合材料高温高压固化过程中不变形、不熔融；其良好的耐压性能，与复合材料高温高压固化过程中其皮层能够承受一定的压力不破损，有效阻碍树脂透过绝缘层；
25.二、多孔支撑层6的孔隙率较高，能够容纳足够的树脂，与复合材料连接强度高，通过调控聚合物液浓度、空气的停留时间、非溶剂的选择以及凝胶温度可以对非对称膜的致密皮层和多孔支撑层结构进行优化。提高聚合物浓度有利于得到致密皮层，抑制多孔支撑层中大孔的形成。延长聚合物溶液在空气中的停留时间，溶剂的挥发能够提高聚合物溶液
表面的浓度，有利于致密皮层的形成。溶剂和非溶剂的相容性越好，二者交换速率越快，倾向于形成疏松皮层和孔隙大的多孔支撑层。提高凝胶浴温度，加快了溶剂非溶剂的交换速度，有利于多孔支撑层中孔隙的增大。
附图说明
26.图1为本发明所述结构的示意图
27.图2为本发明所述结构中绝缘层的结构示意图
具体实施方式
28.以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
29.参见附图1、2所示，该种碳纳米管膜电热防除冰的复合材料蒙皮结构是将电加热件固化在飞机蒙皮内部，位于外蒙皮1和内蒙皮2之间，该电加热件为层状“三明治”结构，由两侧的绝缘层3和中间的导电加热层4构成，该绝缘层3是一种聚酰亚胺、聚酰胺或聚砜非对称膜，包括致密皮层5和多孔支撑层6，该绝缘层3是用沉浸凝胶法制备的，该种碳纳米管膜电热防除冰的复合材料蒙皮结构的制备过程如下：
30.步骤一：制备非对称的绝缘层3
31.选取聚酰亚胺为绝缘材料，该聚酰亚胺具有优异的耐温性能，玻璃化转变温度为230℃。在80℃下将其溶于n-甲基吡咯烷酮中配置成33％的聚合物溶液，将所得聚合物溶液倒在洁净的玻璃板上，用刮膜机将其刮成厚度为0.5mm的膜液，在湿度为25％的空气中停留60s后，浸入40℃的去离子水中，随着溶剂和非溶剂的交换，聚酰亚胺膜析出凝胶，将固化后的聚酰亚胺膜从玻璃板上揭下，在流动的去离子水中清洗24h后置于真空烘箱中干燥处理，分别在80℃、120℃和160℃各处理2h后，即得到具有致密皮层和多孔支撑层的聚酰亚胺非对称绝缘层3；
32.所得聚酰亚胺非对称膜的绝缘层3面密度为30g/m2，厚度为340μm，皮层厚度为35μm，多孔支撑层的孔隙率为80％。
33.步骤二：制备导电加热层4
34.将厚度为25μm的碳纳米管膜裁成15cm*80cm的长条状，并联布置，在其短边涂上导电银浆，粘上长条状的铜电极，150℃固化0.5h后备用；
35.步骤三：制备电加热件
36.将带有电极的碳纳米管膜的电加热层4铺贴在聚酰亚胺非对称的绝缘层3之间，绝缘层3的致密皮层5朝向电加热层4一侧，将该“三明治”结构置于模具中抽真空，300℃下用热压机对该结构边缘封装处理，得到电加热件；
37.步骤四：将电加热件铺贴在外蒙皮1和内蒙皮2之间，具体是在平板模具上从下至上依次铺放碳纤维增强环氧预浸料、电加热件、碳纤维增强环氧预浸料，热压罐180℃固化成型，在固化成型的高温高压作用下，蒙皮中的部分树脂能够渗入绝缘层3的多孔支撑层6的孔隙中，而不能透过绝缘层3的致密皮层5。
38.所得的复合材料电加热蒙皮结构升温速率快，在-15℃的环境下，热流密度为0.3w/cm2时，蒙皮表面温度可在40s内升温至0℃以上；加热温度均匀，面内温差不超过10℃。