石英纖維復合材料作為高頻透波雷達天線罩的研究

謝 菲，夏洪山

(南京航空航天大學民航學院，南京 210016)

不論是航空航天方面，還是軍事領域方面，雷達的身影無處不在，雷達需要有雷達天線罩的保護。強度高、模量高、介電性能好等是雷達天線罩對其制作材料選擇的要求，其中介電性能是最重要的，表征指標有介電常數ε和損耗角正切tanδ［1］。玻璃纖維增強樹脂基復合材料的優點在于防熱、透波以及結構等方面，且介電常數ε和介電損耗tanδ都很小，同時具有良好的彈性模量、力學強度，是實際生產中最廣泛應用的雷達罩材料，其應用頻段主要10GHz范圍內(P、L、S、C等波段)，對于高頻天線罩(10-20GHz)，因其發射頻率高，波長短，造成天線罩透波損耗大［2］。

石英纖維的介電性能比普通玻璃纖維更加優越，損耗角正切tanδ和介電常數ε在玻璃纖維體系中最低，且在較寬頻帶范圍內基本不變化，同時與酚醛樹脂、環氧樹脂等樹脂基體都有很好的兼容性，因而更適合作為高頻透波天線罩的增強材料［3-4］。

本文擬研究石英纖維布增強樹脂基復合材料的介電性能和力學性能，以石英玻纖布和玻璃纖維布為增強材料，以環氧樹脂為基體，利用真空灌注成型法制備出石英纖維增強環氧樹脂和玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料，并用微波矢量網絡儀測量了樣品在高頻波段的介電性能，利用電子萬能拉伸機測試了樣品的力學性能，研究增強相種類對復合材料介電性能和力學性能的影響。

1 實驗內容

1.1 原材料

實驗所用石英纖維增強材料為石英纖維布，厚度0.22 mm，單位質量229 g/m2，裁切成300 mm×300 mm尺寸;玻璃纖維增強材料為E-glass斜紋玻纖布，厚度0.20 mm，克重為200 g/m2，裁切成300 mm×30 mm尺寸;所用樹脂基體為聚CC135環氧樹脂，固化劑為W-93固化劑，樹脂與固化劑的質量比例為100∶20，固化條件均為常溫24 h固化。表1為實驗所用材料的性能參數［4］。

表1 所用樹脂基體和玻璃纖維的性能參數

1.2 纖維表面處理

璃纖維屬于無機材料，與樹脂基體在熱膨脹系數、表面親和性以及反應性等方面存在較大差異，由于二者相容性差難以形成有效的界面結合。研究表明，復合材料的性能關鍵取決于纖維與樹脂基體之間的界面性質，差的界面結合將成為體系的薄弱環節導致性能變差，界面結合不良也會成為應力集中之處，使復合材料的力學強度下降［5-6］。因此，需要對玻纖布進行表面處理。

本實驗采用表面預處理方法如下:將硅烷偶聯劑KH550配成0.5% ～1%濃度的乙醇稀溶液，使用時在每片石英纖維布和玻璃纖維布的上下表面用刷子涂上薄薄的一層，自然干燥后使用。

1.3 真空灌注成型法

本研究所采用成型方法為真空灌注成型法，它具有鋪層可控性好，樹脂含量均勻，纖維增強相含量高，復合材料制品可設計性強，厚薄均勻性基本一致，成品致密度好等優點［7］。

將N層經過表面預處理的玻纖布依次堆疊好，然后與脫模布、導流網、螺旋管、真空塑料膜、PVC軟管等按照如圖1所示擺放，然后與真空泵和捕捉罐相連接。檢查真空氣密性后，打開進膠管讓樹脂均勻進入到整個體系，注膠完成后靜置24 h。待樣品固化成型后撕下脫模布，即可得到質量良好的結構鋪層。

圖1 實驗鋪放完成后的體系

1.4 介電性能的測量

樣品的介電性能采用微波法矢量網絡分析儀進行測量，如圖2所示，測試系統由發射喇叭、接收喇叭、高頻電纜、矢量網絡分析儀、介質板、金屬板、夾具等組成。此方法由Niclson等提出［8-9］，通過給定的測試條件以及建立的復介電常數與散射參數之間關系的理論模型，即可求得被測材料的復介電常數。

圖2 微波矢量網絡分析儀示意圖

1.5 力學性能的測試

拉伸性能測試在SANS CMT5105電子萬能拉伸機上進行，將測完介電性能的復合材料裁切成長為40 mm，寬為5 mm，厚度為3 mm的樣品，兩邊用鋁夾片，如圖3所示。加載速度為0.2 mm/min，試樣拉斷后，根據斷裂載荷除以樣品的橫截面積，計算出樣品的拉伸強度。

圖3 拉伸樣品尺寸

2 結果與討論

2.1 介電常數的理論計算

在不考慮孔隙率、界面性能等情況下，復合材料成品的總介電常數可以用以下公式進行簡單的計算［10］

式中:ε為總介電常數;Vf為增強相的體積含量;εf為增強相的介電常數;εm為樹脂基體相的介電常數。

為了便于對比，增強材料石英纖維布和玻璃纖維布分別堆疊14層和15層，兩者厚度基本相等(14×0.22=3.08 mm，15 ×0.20=3 mm)，質量分別為178.94 g和180.71 g;從文獻［11］中可知，樹脂基體含量控制在42% ～45%較為理想，本實驗選取環氧樹脂體積含量為45%;根據表1中原料的性能參數和式(1)，可以計算出最終復合材料的介電性能，如表2所示。

表2 樣品介電性能理論計算值和原料用量

從表2可以看出，石英纖維和玻璃纖維增強復合材料具有相同的纖維體積含量(55%)和樹脂體積含量(45%)，理論上石英纖維布增強復合材料的介電常數為3.88和損耗角正切為0.0016，玻璃纖維布增強復合材料的介電常數為5.02和損耗角正切為0.0070。

2.2 實驗樣品的制備

根據表2數據，石英/環氧體系的原料用量為:14層300 mm×300 mm大小的石英纖維布，86.51 g的CC135環氧樹脂，17.30 g的W-93固化劑;玻璃纖維/環氧體系的原料用量為:15層的300 mm×300 mm大小的玻璃纖維布，78.45 g的CC135環氧樹脂，15.69 g的W-93固化劑;利用圖1所示的真空灌注成型法，成功制備出石英纖維增強環氧樹脂復合材料和玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料，如圖4所示，并測出2個復合材料的厚度分別為3.12 mm和3.05 mm，厚度基本相等。

圖4 實驗樣品制備

2.3 介電參數的測量

利用圖2的微波矢量網絡分析儀測量了2個系列樣品的介電性能，測量頻率范圍為12～15 GHz。測量步驟如下:

1)如圖2所示，按要求搭建好測試系統，并準備好被測樣板;

2)確定測量條件:根據不同喇叭的頻率參數和口徑大小來估算出2個喇叭之間的正對距離(口徑為d=11.35 cm的喇叭天線，可算出低頻率遠場距離和高頻率遠場距離分別為103.06 cm和154.59 cm)以及2個喇叭分別離夾具中心點的距離;調節好喇叭高度以及水平和垂直方向，使2個喇叭能同時正對夾具并處在中心位置。

3)矢量網絡分析儀的校準:校準連接圖如圖5所示，調節矢量網絡所需的測量頻率限度和需要測量的散射參數(輸入反射系數S11、反向傳輸系數S12、正向傳輸系數S21、輸出反射系數S22)，選擇適用于該測量電纜的校準套件，利用矢量網絡分析儀的校準功能測量測試端口1和2處開路、短路、負載、1和2端口對接的校準數據。

圖5 校準連接示意圖

4)測試:連接電纜一端到矢量網絡分析儀端口1或2，另一端連接發射喇叭或接收喇叭;先測夾具中不插入任何樣板的數據結果(S12)，再把介質板插入夾具中，測出數據結果(S＇12)，將介質板測出的結果(S＇12)，減去空夾具測出的結果(S12)，即可得出插入損耗，并計算出介電常數和損耗角正切。

圖6為石英纖維玻璃纖維增強環氧樹脂樣品的頻率-損耗曲線，其中黑線表示實驗數據，紅線表示平均的理想值。樣品的介電常數約為3.82，損耗角正切約為0.0034。

圖7為玻璃纖維增強環氧樹脂樣品的頻率-損耗曲線，其中黑線表示實驗數據，紅線表示平均的理想值。樣品的介電常數約為4.87，損耗角正切約為0.0086。

圖6 石英纖維增強環氧樹脂樣品的頻率-損耗曲線

圖7 玻璃纖維增強環氧樹脂樣品的頻率-損耗曲線

2個系列樣品介電性能的理論計算值和實驗測量值，如表4所示。

表4 2個系列樣品介電常數的理論計算值和實驗測量值對比

從表4中可以看出:石英纖維樣品介電常數的理論計算值(3.88)和實驗測試值(3.82)基本吻合，同樣，玻璃纖維樣品介電常數的理論計算值(5.02)和實驗測試值(4.87)也基本吻合，說明真空灌裝成型工藝所制備的樣品質量比較好。但對于損耗角正切，2個樣品的實驗測量值都比理論計算值要大一點。認為這可能與樣品的內部層狀結有關，本實驗中復合樣品是由14層或15層玻纖布疊加而成，造成了微波在多層界面間的多次反射，能量損耗增加，導致損耗角變大。在增強相和樹脂的體積含量相同情況下，石英纖維增強復合材料的介電常數(3.82)和損耗角正切(0.0034)要遠遠優于玻璃纖維增強復合材料的介電常數(4.95)和損耗角正切(0.0086)，說明石英纖維增強樹脂基復合材料適合于制作高頻波段的雷達天線罩。

2.4 拉伸性能的測試

將2個系列的樣品裁切成圖3所示的拉伸樣品，由于所制備復合材料的厚度分別為3.12 mm和3.05 mm，需要在厚度方向進行稍微拋光，使樣品厚度控制在3 mm，每個系列分別準備3個試樣，利用SANS CMT5105萬能拉伸機進行拉伸性能測試，加載速度為0.2 mm/min，根據斷裂載荷除以橫截面積，算出拉伸強度，如表5所示。

表5 2個系列樣品的拉伸強度 MPa

從表5中可以看出:石英纖維增強環氧樹脂樣品的3個試樣拉伸強度分別為261 MPa，272 MPa和259 MPa，基本上大小一致;同樣，玻璃纖維增強環氧樹脂樣品的3個試樣拉伸強度分別為340 MPa、336 MPa和343 MPa，也是基本上大小一致，說明所制備的玻璃纖維復合材料樣品均勻性很好，這也是真空灌注成型方法的優點。石英纖維增強復合材料的平均拉伸強度(264 MPa)低于玻璃纖維增強復合材料的平均拉伸強度(364 MPa)，這與增強材料本身的拉伸強度密切相關，E玻璃纖維的拉伸強度是石英纖維拉伸強度的2倍，導致玻璃纖維增強復合材料的拉伸強度優于石英纖維增強復合材料。

3 結論

本研究以石英纖維布和玻璃纖維布為增強材料，以環氧樹脂為基體，利用真空灌注成型設備制備出石英纖維增強復合材料和玻璃纖維增復合材料，用微波矢量網絡分析儀測量了樣品的介電性能，利用電子萬能拉伸試驗機測試了樣品的拉伸強度。結果表明，在相同體積含量條件下，石英纖維增強復合材料樣品的介電常數和損耗角正切要遠遠優于玻璃纖維增強復合材料樣品，說明石英纖維增強樹脂基復合材料適合于制作高頻波段的雷達天線罩。

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