《Aerospace Science and Technology》：利用多功能插层实现航空用高导电复合材料结构

导读

整体化结构成型是纤维增强树脂基复合材料的重要特征，被广泛应用于航空航天领域。而在轻质高强结构的基础上进一步附加功能性，实现结构功能一体化也是目前重要的研究方向。为此，宁波诺丁汉大学的Hu Dongyuan（第一作者），Yi Xiaosu，Liu Xiaoling（通讯作者）及其团队在《Aerospace Science and Technology》上发表了题为“Development of highly electrically conductive composites for aeronautical applications utilizing bi-functional composite interleaves”的文章，将导电纳米纤维膜夹层固化进层合板中，在提高其层间韧性的同时使结构具备了高导电性能，制备了电气结构一体化功能复合材料。

内容简介

将纤维平均直径37μm，厚度60μm的化学镀镍铜聚酯纳米纤维膜（CNPV）嵌入UD1500 /180碳纤维增强环氧树脂单向带中，袋压固化成型，分别制备了[0]₂₆（#1，用作层间断裂韧性测试），[45/0/-45/90]_4s（#2、#3，用作导电率测试），如图1所示，对照组分别为无导电纳米纤维膜夹层的同种铺层层合板。

图1　含导电纳米纤维膜夹层的层合板

#1试样的I型和Ⅱ型层间断裂韧性测试位移-载荷曲线如图2所示。与对照组相比，#1的平均G_Ic分别从216.52J/m²分别增加到392.87 J/m²，平均G_IIc值也从1155.76 J/m²增加到1517.24 J/m²。从图中可以很明显的看出，含纳米纤维膜夹层层合板的裂纹产生被延迟，并且进一步的裂纹扩展需要更多的断裂能。

(a) Ⅰ型断裂韧性测试	(b) Ⅱ型断裂韧性测试
图2　层间断裂试验的位移-载荷曲线

图3示出了#1试样I型和Ⅱ型层间断裂试验后的断裂面，由于在层间区域由环氧树脂和高比表面积纳米纤维膜形成的共连续结构，在断裂面的两侧都看到了搭扣状的连通性。在裂纹扩展过程中，功能化纤维逐渐从功能中间层中拉出，纤维方向从平行于碳纤维层变为垂直于碳纤维层，从而导致纤维桥接并在纤维断裂时消耗能量。图中可知，纤维的拔出，桥接和纤维断裂从而提高了层间断裂韧性。但聚酯纤维和金属涂层之间的界面相对较弱，使用金属涂层的聚酯纳米纤维膜在层间断裂测试后，一些金属涂层从聚酯纤维上剥离下来，可能会抵消整体增韧效率。

(a) Ⅰ型断裂试验后的断裂面	(b) Ⅱ型断裂试验后的断裂面

图3　层间断裂试验后的试样断裂面

图4展示了试样的电导率。与对照组相比，#2试样厚度方向电导率从0.0015S/cm提升至3.25S/cm（图4(a)）。这主要归因于功能中间层的存在。当堆叠的碳纤维帘布层和功能化导电纳米纤维之间形成连接时，会形成许多导电单元。这些导电单元代替了常规的富含树脂的层间区域，从而贯穿了厚度方向的正常绝缘层，如图5所示。此外，#2试样的面内电导率也从77.12S/cm提高至771.59S/cm（图4(b)）。由于电极处的导电机制，#3试样表面的导电纳米纤维膜起着高导电介质的作用，实际上增加了电极的有效电接触面积，因此与#2试样相比，#3试样的厚度方向电导率和面内电导率分别达到了5.29S/cm和1079.6S/cm。

(a) 厚度方向电导率	(b) 面内电导率

图4　电导率测试

图5　含导电纳米纤维膜夹层的层合板横截面

小结

本文制备了一种电气一体化功能复合材料结构，在几乎不提升整体重量的前提下，提升了复合材料导电性，改善了结构的力学性能，制备便捷，轻质高强，具备有被广泛用作航空航天功能结构的潜力。本文目前只使用了化学镀镍铜聚酯纳米纤维膜的插层材料，后续还可对不同插页材料的影响进行进一步研究。

原始文献：Hu DY, Yi XS, Jiang MQ, et al. Development of highly electrically conductive composites for aeronautical applications utilizing bi-functional composite interleaves[J]. Aerospace Science and Technology, 2020, 98:105669.

稿件整理：江晟达   编辑校对：复小力