5284RTM复合材料的介电性能研究.pdf

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5284RTM复合材料的介电性能研究1 5284RTM复合材料的介电性能研究2 5284RTM复合材料的介电性能研究3 5284RTM复合材料的介电性能研究4 5284RTM复合材料的介电性能研究5 5284RTM复合材料的介电性能研究6
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2016年第4期玻璃钢/复合材料45QW220/5284RTM复合材料的介电性能研究何先成,钟翔屿,李晔,包建文(北京航空材料研究院先进复合材料重点实验室,中航工业复合材料技术中心,中航复合材料有限责任公司,北京100095)摘要:采用RTM工艺制备了四种不同纤维体积含量的石英纤维增强环氧树脂基复合材料层板。研究了温度、吸湿、频率、纤维体积分数和后固化等因素对该复合材料体系介电性能的影响。结果表明,在30~150 ̄C温度范围内,QW220/5284RTM复合材料的介电常数和介电损耗均随温度升高而增大;纤维体积分数为53%时,该复合材料体系的饱和吸湿率较低,约为—0.44%,吸水后,介电常数和介电损耗都有一定程度的增加;室温下,718GHz频率范围内,该复合材料体系的介电常数和介电损耗随频率改变没有表现出明显和规律的变化;该复合材料体系的介电常数和介电损耗随着纤维体积分数的提高而分别增大和减小;后固化使该复合材料体系的介电常数和介电损耗均减小。QW220/5284RTM复合材料具有良好的介电性能,且介电性能具有较好的耐环境特性,可用于飞机透波结构。关键词:复合材料;石英纤维;环氧树脂;介电性能;树脂传递模塑;飞机透波结构—中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:1003-0999(2016)04-004506透波复合材料是一类能够透过一定频率电磁波的功能型复合材料,能使电磁波接收器件免受外界恶劣环境的破坏,保证天线及接收/发射器件的正常工作,已在飞机雷达天线罩和天线窗等部位得到了广泛应用¨。J。此外,新一代隐形战机和隐形轰炸机的发展,要求机体自身的一些边缘结构,如襟翼、副翼或升降舵的某些部位具备透波能力,以躲避敌方雷达探测。石英纤维增强氰酸酯树脂基复合材料以其优异的介电性能是用于这类边缘结构和雷达防护罩的理想材料HJ,但由于其一般采用预浸料/热压罐工艺制备,且难以一次成型整体复杂结构,制造成本较高。树脂传递模塑(RTM)工艺是针对先进复合材料的低成本化最早研发的液态成型技术,与传统的预浸料/热压罐成型工艺相比,在一次成型整体复杂结构和降低制造成本方面具备一定的优势J。而目前关于液态成型工艺制备透波复合材料的研究和应用少见报道。5284RTM树脂作为一种改性环氧树脂,固化后树脂体系的极性较低,理论上具备良好的介电性能。石英纤维织物具有介电常数低、介电损耗小且介电性能随频率变化小的特点,是理想的宽频透波增强材料。本文将研究RTM工艺成型Qw22o/5284RTM复合材料的介电性能。飞机透波结构的使用环境复杂,会在不同温湿度和不同电磁波频率等环境条件下经受考验。而材料的介电性能是电荷和偶极子受电场影响极化引起的,因此其介电性能与这些外在因素密切相关mJ。此外,树脂基复合材料由树脂基体和增强纤维复合而成,因此其介电性能还与各组分的介电性能及相对含量等内在因素有’“关。J。本文将研究这些内外在因素,包括温度、吸湿、频率、纤维含量和后固化对QW220/5284RTM复合材料介电性能的影响,考察其用于飞机透波结构的可行性,以作为石英纤维增强氰酸酯树脂基复合材料的一个有益补充。1试验部分1-1原材料5284RTM树脂,北京航空材料研究院开发的液态成型工艺用高温固化环氧树脂;QW220石英纤维布,湖北菲利华石英玻璃股份有限公司生产的石英缎纹织物,经纬密度为16×16根/cm,面密度约为230g/m。1.2复合材料层板的制备将石英纤维布QW220裁切后,按照[(0/90)]的铺层顺序铺放到模具中。密封合模,通过在模具盖板之间放置垫片来控制层板的厚度。将模具和树脂罐放人烘箱中加热,当模具温度升至(80±℃10)时,将5284RTM树脂在真空和压力的辅助下注射到—收稿日期:201510.19作者简介:何先成(1985-),男,硕士,工程师,主要从事树脂基复合材料研究。’极4.QW220/5284RTM复合材料的介电性能研究2016年4月密封的模具中。完成注胶过程后将模具温度升至180"C,并保温2h。固化完成后,待模具温度降至60 ̄C以下时,拆模取出层板。为了考察各组分相对含量对复合材料体系介电性能的影响,制备了不同纤维体积分数的试样进行对比。为了考察后固化对体系介电性能的影响,将℃试样在20O下处理3h。为了考察吸湿对体系介电性能的影响,将试样在98 ̄C下水煮。l-3测试超声C扫描使用北京航空材料研究院开发的SM2000型超声水浸C扫描探伤装置。探头为5MHz的聚焦探头,直径为6mm。将制备的各层板切去工艺余量边后进行超声c扫描,以判断其内部质量。显微观察使用LEICADMRME光学显微镜。在各层板上分别裁取20mmx10mm的试样,打磨、抛光后,运用光学显微镜和uV.Me550金相图像分析系统观测和分析层板内部质量以及可能的缺陷状况,并参照GB/T3365--2008测定孔隙率。复合材料的纤维体积分数参照CJB2895--1997进行测定。复合材料介电性能的测试使用HP8772ES型微波矢量网络分析仪。在各层板上分别裁取圆形试样(室温和30 ̄150 ̄(2下测试试样尺寸分别为61mm和50.5mm),采用谐振腔法,参照GB/T5597--1999—测试复合材料的s值和ta值。测试频率为718GHz之间几个离散的共振频率点。由于试样的厚度、表面不平度、平行度以及自身的介电性能等因素都会对共振频率造成影响,因此不同试样的测试频率略有差异。吸湿性能测试参照HB7401--1996,将试样在℃100干燥1h后在分析天平上称取试样原重G,然后置于98 ̄C的蒸馏水中,每隔一定时间后取出称重G,按式(1)计算吸湿率。—M=(GiGo)/Go×100%(1)2结果与讨论介电性能是评价透波材料性能最重要的指标,常用介电常数()和介电损耗角正切(tan ̄)来描述。一般认为,高性能透波材料的8<4,且tan6<0.1,才能获得较为理想的透波性能和较小的传输损失。而且和tans要尽量不随温度和频率的改变发生明F显变化,以保证在各种环境条件下,尽可能不失真地透过电磁波。2.1QW220/5284RTM复合材料层板的内部质量在RTM工艺成型树脂基复合材料的过程中,层板容易产生密集孔隙和分层等缺陷。通常情况下,复合材料中的孔隙和分层处被空气所占据,而空气的值和ta硒值分别接近1和0,远小于复合材料,因此孔隙率越大,分层缺陷越多,复合材料的值和tan6值就越低。但是在湿热环境中,孔隙等缺陷的存在会使复合材料的吸湿率提高,导致体系介电性能的恶化。因此,对制备的层板进行内部质量检测,对于排除可能产生的缺陷对复合材料介电性能的影响是必要的。对制备的QW220/5284RTM层板采用水浸式脉冲反射法进行超声c扫描,未检测到密集孔隙和分层等缺陷。进一步地,参照GB/T3365--2008,在各层板上分别取样并制成光学显微镜金相试样,测得孔隙率均为0。可见,采用RTM工艺制备的不同体积分数的QW220/5284RTM层板,内部都具有良好的密实程度,没有孑L隙和分层等缺陷存在。参照GJB2895--1997测得制备的各层板的纤维体积分数分别为46%、49%、53%和65%。2.2温度对QW220/5284RTM复合材料介电性能的影响图1所示为纤维体积分数为53%的QW220/5284RTM复合材料在不同的测试频率下,介电性能随温度的变化情况。可以看出,在本文的测试范围内,QW220/5284RTM复合材料的值和tan值均随温度的升高而增大。这是因为¨H],与变形极化和界面极化相比,偶极子的取向极化对材料的介电性能影响最大。当温度较低时,偶极子的取向程度低且取向速度慢,偶极取向跟不上电场的变化,因此复合材料的8值和tan6值都比较小。随着温度升高,取向极化的松弛时间逐渐缩短,偶极子取向能力增大,偶极极化增强,因此复合材料的值和tan6值随温度升高而增大。此外,随着温度升高,所激活的导电载流子引起的电导电流增加,电导电流随温度升高按指数规律增加,由此引起的电导损耗的激增也将使体系的tan6值增大。2016年第4期玻璃钢/复合材料47(a)介电常数(a)Dielectricconstant255075lO0125l5OTemperatureFC(b)介电损耗角正切(b)Dielectricloss图1温度对QW220/5284RTM复合材料介电性能的影响Fig.1EffectoftemperatureondielectricpropertiesofQW220/5284RTMcomposite在9.125GHz的测试频率下,温度由30cI=升至150oC时,QW220/5284RTM复合材料的8值由3.49增至3.56,仅增大了2.01%,tam3值则由1.20x10增至1.90x10~,增大了58.3%。在其他几个测试频率下,占值和tan8值也各有近似的变化幅度。可见,本复合材料体系的介电常数对温度具有较好的稳定性,而tan6值则对温度变化相对较为敏感。2.3吸湿对QW220/5284RTM复合材料介电性能的影响图2所示为纤维体积分数为53%的QW220/℃5284RTM复合材料的吸湿曲线。在98下经过72h的水煮后,其基本达到吸湿平衡,平衡吸湿率仅约为0.44%。可见QW220/5284RTM体系具有良好的耐湿热性能。这是由于,一方面,从5284RTM树脂的固化机理可知¨,固化后的树脂分子结构中含有的羟基等极性亲水基团很少,使得树脂基体与水的相互作用小,基体自身耐湿热性能较好。另一方面,制备的层板内部未检测到密集孔隙和分层等会提高复合材料吸水率的缺陷存在,这也保证了本材料体系良好的耐湿热性能。020406080Boilingtime/h℃图2QW220/5284RTM复合材料在98下的水煮吸湿曲线Fig.2MoisturecontentcurveofQW220/5284RTMcompositeat98%图3所示为纤维体积分数为53%的QW220/5284RTM复合材料吸湿前后在室温下测得的介电性能对比。由图可以看出,水煮且达到吸湿平衡后,QW220/5284RTM复合材料的值与tan( ̄值均有一定程度的提高。频率为9.340GHz时,占值由3.48增至3.7O,增大约6.32%;tan8值则显著增大,由9.89x10增至1.63×10~,增大了64.8%。在其他几个测试频率下,8值和tan8值也有近似的变化幅度。这是因为,水是极性较强的物质,在室温下其8值和tan8值都远大于复合材料体系,分别约为78和0.55。因而,较小的吸水量就会造成复合材料介电性能的下降,这将会引起电磁波透过率的降低,从而使结构的功能性劣化。从测试结果也可以看出,QW220/5284RTM复合材料体系达到吸湿平衡后,在室温及7~18GHz的测试条件下,占值和tan6值分别不超过3.71和1.66x10~,因此从另一方面看,该体系在吸湿平衡后仍然具有良好的介电性能。图3吸湿对QW220/5284RTM复合材料介电性能的影响Fig.3EffectofmoistureabsorptionondielectricpropertiesofQW220/5284RTMcomposite—豫孙|I|u=辫l(|4雌∞≈≥uol】dj0景b募ls00uu5嚣∞博Hm∞8一u甚8lal048QW220/5284RTM复合材料的介电性能研究2016年4月2.4频率对QW220/5284RTM复合材料介电性能的影响图4所示为四种不同体积分数的QW280/—5284RTM复合材料在室温下、718GHz频率范围内的介电性能测试结果。6810l2l41618Frequency/GHz(a)介电常数(a)Dielectricconstant610l2l416l8Frequency/GHz(b)介电损耗角正切(b)Dielectricloss图4频率对QW220/5284RTM复合材料介电性能的影响Fig.4EffectoffrequenciesondielectricpropertiesofQW220/5284RTMcomposite可见,QW280/5284RTM复合材料的值和tan6值在测试频率范围内较为稳定,没有明显和规律的变化。纤维体积分数为46%、49%、53%和65%的复合材料的s值分别在3.33~3.35、3.38~3.39、3.45—3.48和3.5O~3.52区间内,tan6值分别在9.21×l0一。一1.15x10一、8.72x10一1.05x10一、9.55×10一一1.02x10和6.34x10一~6.71×10范围内。这是因为¨j,一方面,在室温时取向极化和界面极化的松弛时间相对较长,随着测试频率的提高,树脂中偶极子的取向极化与界面极化逐渐跟不上电场的变化,电子极化和原子极化等变形极化则仍然跟得上电场的变化,而变形极化为弹性位移极化,极化率很∞j^。辄麓,毓0低,极化损耗很小,对值和tan6值的影响很小。另一方面,在本文的测试频率范围内,石英纤维在外电场作用下发生离子式极化,极化强度基本不变,其占值和tan值都变化不大。因此综合树脂基体和增强纤维受频率影响的情况来看,QW280/5284RTM复合材料的值和tan8值在室温下、本文的测试频率范围内没有明显和规律的变化。2.5纤维体积分数对QW220/5284RTM复合材料介电性能的影响纤维增强树脂基复合材料的介电性能不仅与树脂和纤维本身的介电性能有关,还与它们在复合材料中的相对含量关系很大,当两者介电性能相差较大时相对含量的影响更为显著¨。四种不同纤维体积分数的QW220/5284RTM复合材料在室温、不同测试频率下的介电性能测试结果如图5所示。器U昌8凸(a)介电常数(a)Dielectricconstant(b)介电损耗角正切(b)Dielectricloss图5纤维体积分数对QW220/5284RTM复合材料介电性能的影响Fig.5EffectoffibercontentsondielectricpropertiesofQW220/5284RTMcomposite∞∞姗∞_q8口0uo置呈u一0脚胍舶肿腓傩nOOnOO000一u弓8歪02016年第4期玻璃钢/复合材料49纤维体积分数为46%、49%、53%和65%的复合材料在六个测试频率下的平均值分别为3.34、3.38、3.47和3.51,tan8平均值分别为1.09×10~、1.01×10~、9.92×10和6.58×10一。可以看出,随着纤维体积分数的提高,复合材料的值增大,tams值减小。这是由于石英纤维的8值、tan6值分别大于和小于5284RTM树脂的值和tanB值,故而随着纤维相对含量的增加,QW220/5284RTM复合材料的值和tan6值呈现相反的变化趋势。因此为了兼顾复合材料的值和tan6值,需要选择适宜的纤维体积分数,过高或过低的增强纤维含量都将对复合材料的透波性能造成负面影响。2.6后固化对QW220/5284RTM复合材料介电性能的影响不同的固化制度会对树脂基体的结构产生不同的影响,从而影响到复合材料的介电性能。图6所示为从纤维体积分数为53%的层板上裁取的试样后固化处理前后的介电性能对比。由图可以看出,经过200 ̄(2下3h的后固化,QW220/5284RTM复合材料的介电性能有较为显著的优化。测试频率为9.340GHz时,复合材料的值由3.48变为3.40,减小了2.30%;tan8值则由9.89×10下降至6.94×10~,降低了29.8%。在其他几个测试频率下,值和tan8值也各自有近似的变化幅度。这是因为,经过后处理,基体树脂中残留的极性基团进一步减少,且随着树脂交联密度增大,极性基团活动取向困难,Ⅲ从而使复合材料体系的值和tan6值均降低J。图6后固化对QW220/5284RTM复合材料介电性能的影响Fig.6EffectofpostcureondielectricpropertiesofQW220/5284RTMcomposite3结论(1)30-150 ̄(2范围内,随着温度的升高,QW220/5284RTM复合材料的介电常数和介电损耗均增大,且介电损耗的变化更为显著;(2)纤维体积分数为53%的QW220/5284RTM复合材料的饱和吸湿率约为0.44%,吸湿后,复合材料的介电常数和介电损耗均增大,且介电损耗对吸湿更为敏感;(3)室温下,7GHz~18GHz范围内,测试频率对QW220/5284RTM复合材料的介电常数和介电损耗均未表现出明显和规律的影响;(4)随着纤维体积分数的提高,QW220/5284RTM复合材料的介电常数增大,而介电损耗减小;(5)经过200 ̄C/3h的后固化,QW220/5284RTM复合材料的介电常数和介电损耗均减小,且介电损耗的变化更为显著;(6)QW220/5284RTM复合材料具有良好的介电性能,且介电性能具有较好的耐环境特性,可用于飞机透波结构。参考文献[1]CholI,KimJG,LeeDG,eta1.Aramid/epoxycompositessand-—wichstructuresforlowobservablemdomes[J].CompositesScience—andTechnology,2011,71(14):16321638.[2]WangRM,ZhengSR,ZhengYP.PolymerMatrixCompositesandTechnology[M].Cambridge:WoodheadPublishingLimited,2011:487.512.[3]ChinWS,LeeDG.Laminatingruleforpredictingthedielectric—propertiesofE-glass/epoxylaminatecomposite[J].Compositestruc—tures,2007,77(3):373382.[4]钟翔屿,包建文,李哗,等.5528氰酸酯树脂基玻璃纤维增强复合材料性能研究[J].纤维复合材料,2007,3(3):3-5.[5]孙煜,徐任信,郑从伟,等.改性氰酸酯基复合材料力学和透波—性能研究[J].玻璃钢/复合材料,2015(6):1822.[6]包建文.高效低成本复合材料及其制造技术[M].北京:国防工—业出版社,2012:1720.[7]刘凯,陈斌,戴剑雄,等.环境因素对玻璃纤维增强环氧树脂基透波复合材料性能的影响[J].工程塑料应用,2010,38(10):—6467.—[8]LiY,CordovezM,KarbhariVM.DielectricandmechanicaleharaeterizationofprocessingandmoistureuptakeeffectsinuptakeeffectsinE-glass/epoxycomposites[J].Composites:PartB,2003,34—(4):383390.[9]LandonRG.Theeffectofmoisturecontaminationontherelativeper-mittivityofpolymericcompositeradar-protectingstructuresatX-.band50QW220/5284RTM复合材料的介电性能研究2016年4月—[J].CompositeStructures,2015(128):305312.[1O]陈东,居建国,郝旭峰.石英纤维/KH308复合材料的介电性能[J].复合材料学报,2014,31(3):563.568.—[11]BrosseauC,BeroualA.Computationalelectromagneticsandtherationaldesignofnewdielectricheterostructures[J].ProgressinMa-terialsScience,2003,48(5):373・456.[12]仝毅,周馨我.微波透波材料的研究进展[J].材料导报,1997,—1l(3):15.[13]曾竟成,罗青,唐羽章.复合材料理化性能[M].长沙:国防科—技大学出版社,1998:98111.[14]过梅丽,赵得禄.高分子物理[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005:326-336.[15]包建文,唐邦铭,陈祥宝.环氧树脂与氰酸脂共聚反应研究—[J].高分子学报,1999(2):151155.[16]周祝林,蒋汉生,陆贤巽,等.地面雷达天线罩用玻璃纤维增强塑料蜂窝夹层结构件规范的试验论证及分析[J].纤维复合材料,1996(2):42-49.[17]何曼君,张红东,陈维孝,等.高分子物理[M].上海:复旦大—学出版社,2011:259268.STUDYONDIELECTRICPROPERTIESOFQUARTZFIBERREINFORCED5284RTMEPoXYRESINCoMPoSITES—HEXian-cheng,ZHONGXiang-yu,LIYe,BAOJianwen(ScienceandTechnologyonAdvancedCompositesLaboratory,BeijingInstituteofAeronauticsMaterials,AVICCompositeCenter,AVICCompositeCorporationLtd.,Beijing100095,China)Abstract:QuartzfiberreinforcedepoxyresinQW220/5284RTMcompositelaminateswithfourdifferentfibervolumefractionswerefabricatedviaRTMprocess.Therelationshipbetweendielectricpropertiesofthecomposites—andtemperature,moistureabsorption,frequency,fibervolumefractionofcompositesandpostcurewereinvestigated.Theresultsshowedthatwithinthetemperaturerangeof30to150 ̄C,dielectricconstantanddielectriclossofQW220/5284RTMcompositesincreasedwithincreasingtemperature.Whenfibervolumefractionofthecompositewas53%,saturatedmoistureabsor—ptionrateofthecompositewasabout0.44%,anddielectricconstantanddielectriclossofthecompositesincreasedaftermoistureabsorption.Atroomtemperature,dielectricconstantanddielectriclossofthecompositesdidnotshowanyobviousandregularchangeswithfrequencychangingfrom7to18GHz.Dielectricconstantanddielectriclossofthecompositesrespectivelyincreasedanddecreasedwithincreasingfibercontent.Dielectricconstantanddielectriclossofthecompositesdecreasedafterpostcuring.QW220/5284RTMcompositehasgooddielectricpropertieswhichhasgoodenvironmentalcharacteristics,andcanbeusedforaircraftwave。transparentstructure.——Keywords:composites;quartzfiber;epoxyresin;dielectricproperties;RTM;aircraftwavetransparentstructuIre∞卿脚黧
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