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  2. 樹脂基結構/透波復合材料研究進展
    2015-11-04 19:53:12 作者:本網整理來源:

        樹脂基結構/透波復合材料是以有機高分子聚合物為基體,以無機或有機纖維為增強材料,經熱壓、纏繞、樹脂傳遞模塑或燒結成形復合而成的兼具承載能力和電磁波透過功能的復合材料。樹脂基結構/透波復合材料因具有良好的介電性能、機械性能、耐溫性能、耐環境性能和工藝性能,成為制造各類雷達天線罩的主要材料。
     



    樹脂基結構/透波復合材料
     

        雷達天線罩是航空飛行器實現通信、探測、火控、敵我識別、電子干擾等任務功能時重要的電磁透波窗口,用于保護雷達天線或整個微波系統在惡劣環境下能夠正常工作,并使電磁波正常透過的一種結構/功能體。雷達罩的綜合性能除設計因素外,取決于其應用的復合材料性能及其制造技術水平。為實現透波、承載及防熱、隔熱、抗沖擊等功能,樹脂基結構/透波復合材料必須具有優異的介電性能即盡量小的介電常數(ε)和正切損耗(tgδ),并具有足夠的強度和彈性模量,以滿足雷達罩的氣動和結構要求;使電磁窗一方面能夠承受載荷,保護發射電磁波的輻射源器件及其天線不受損壞,另一方面盡量減少電磁波的反射與折射損耗,保證電磁波的高透過率。

     

        高性能雷達天線罩已經成為飛機、導彈等武器裝備不可分割的重要組成部分,對現代武器裝備的性能產生著重要的影響。隨著現代航空電子技術的飛速發展,各種先進探測設備、新型雷達及中遠距精密制導武器的不斷問世,雷達罩技術向高性能、多功能、低成本、可維護性方向發展,對樹脂基結構/透波復合材料在輕量化、寬頻帶、高透波、耐大功率輻照、耐高溫、耐環境性能等方面提出了更高技術要求。本文主要從增強材料、樹脂基體、夾芯材料及膠接材料等方面介紹樹脂基結構/透波復合材料的研究進展。

     

        增強材料

     

        高性能雷達天線罩一般要求所用的增強材料具有高的強度與模量,界面性能良好,耐環境性能優良,最重要的是介電性能優異。最早用于雷達罩制造使用的是無堿玻璃纖維(E型),后來又陸續使用了各種特種玻璃纖維,包括高模量玻璃纖維(M型)、高強度玻璃纖維(S型),低介電玻璃纖維(D型)和石英纖維(Q型)等。

     

        石英纖維由純度99.5%以上的二氧化硅經熔融拉制而成,機械性能和耐熱性能優良,其抗拉強度是普通玻璃纖維的2~3倍,可長期在1050℃下使用,瞬間耐高溫達1700℃。石英纖維有著卓越的介電性能,與上述各類玻璃纖維相比具有最小的介電常數和正切損耗,在10MHz~100GHz頻帶范圍內,介電常數保持不變,正切損耗從0.0001變化到0.0005,并且介電性能隨溫度變化較小,是理想的結構/透波功能一體化復合材料的增強材料,已廣泛應用于各類高性能雷達天線罩,資料顯示歐洲“臺風”戰斗機、美國F/A-18E/F等飛機的雷達罩選用了石英纖維為增強材料。而F-22、F-35飛機雷達罩則采用了高強玻璃纖維。

     

        空心玻璃纖維具有輕質、高比強度、高比模量、高透波性等特性,是一種優質的結構/透波復合材料增強體,近年來不斷研究開發并投入應用。20世紀80年代,美國最早發展了空心高強S-2玻璃纖維的生產技術,其力學性能相當于E玻璃纖維,但重量減輕了20%~30%,比石英纖維還低8%。20世紀90年代年起,俄羅斯、中國等也逐漸開始了空心玻璃纖維的探索性研究,我國至今已有多種規格的空心玻璃纖維研制成功。中國航空工業集團公司濟南特種結構研究采用國產空心石英纖維為增強材料,研制的改性氰酸酯樹脂基結構/透波復合材料在8.0GHz~40GHz頻帶內介電常數低于3.0,與普通的玻璃纖維復合材料相比,密度降低約15%,具有輕質高強低介電的特性,適用于寬頻、多頻段高透波要求的雷達罩制造。

     

        隨著對復合材料減重、透波、承載綜合性能要求的不斷提高,近年來,國內逐漸開展了芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE)等增強材料的研究。芳綸纖維是一種高性能有機合成纖維,具有高強度、高模量、耐高溫、耐酸堿、耐大多數有機溶劑腐蝕的特性,其增強樹脂基結構/透波復合材料重量輕、尺寸穩定性好,介電常數較無機纖維小(ε:3.3),主要缺點是壓縮強度低,纖維和樹脂的界面結合性能差,吸濕性較強。

     

        超高分子量聚乙烯纖維是由相對分子量為100萬~500萬的聚乙烯所紡出的纖維,是目前世界上強度最高和比重最輕的纖維,強度比鋼絲高1.5倍,比重比芳綸纖維輕40%。同時,該纖維具有優良的介電性能(ε:2.25,tgδ:0.0002)。其缺點是纖維表面呈惰性,不易被樹脂浸潤,復合材料界面粘接強度較低。另外,提高其復合材料模量也是研究的重要方向之一。

     

        樹脂基體

     

        樹脂是結構/透波復合材料實現功能特性的主體材料,除強度、模量、韌性和耐環境特性等要求外,透波復合材料的樹脂基體還特別要求具有低的介電常數和正切損耗。常用樹脂基體包括傳統的不飽和聚酯樹脂(UP)、環氧樹脂(EP)、改性酚醛樹脂(PF)、烯丙基脂樹脂(DAIP)以及近年來不斷被發展應用的雙馬來酰亞胺樹脂(BMI)、氰酸酯樹脂(CE)、BMI改性氰酸酯樹脂(BT)、有機硅樹脂、聚酰亞胺(PI)及苯并環丁烯(BCB)等新型耐高溫樹脂。

     

        低損耗EP樹脂和改性BMI樹脂在二代、三代機雷達罩上已得到廣泛應用,而CE樹脂是繼EP、BMI之后發展起來的另一類新型高性能熱固性樹脂。它具有優異的介電性能(ε:2.64~2.90;tgδ:0.001~0.008;并且受頻率變化影響小)、耐熱性能(Tg:240~290℃)和機械性能(彎曲強度≥170MPa,彎曲模量≥3.2GPa)。與低損耗EP、改性BMI相比,CE樹脂的介電常數較前者降低約10%,介電損耗降低約1/2,同石英纖維、D玻璃纖維等復合具有顯著的低介電常數和損耗性能,并在寬頻和較寬溫度范圍內保持介電性能的穩定性。目前雙酚A型氰酸酯(BADCy)已實現國產化并獲得廣泛應用,還有四類氰酸酯樹脂優勢特征顯著,具有良好的應用開發前景。一類是不對稱結構的雙酚B型、雙酚E型氰酸酯,此類結構氰酸酯的突出特點是常溫下為低黏度液態樹脂(η<400mPa.s),適于室溫樹脂傳遞模塑(RTM)成型工藝,也可以作為其他結晶型氰酸酯的改性劑。第二類是耐高溫酚醛型氰酸酯(PT),隨分子量不同呈現液態、半固態等物理狀態,可根據工藝需要設計合成;固化后樹脂Tg可達350℃以上。瑞士洛桑高性能材料公司(Lonza Inc./High performance Materials)研制的Primaset酚醛型氰酸酯已經通過了F-35戰機復合材料雷達整流罩的系統測試。第三類是雙酚M型氰酸酯,具有優異的耐吸濕性能,比BADCy樹脂的吸水率降低50%以上,且樹脂具有更高的韌性。第四類是氟代雙酚型、雙環戊二烯酚型氰酸酯,介電性能更加優異。如美國F-22戰斗機雷達罩采用的陶氏化學公司研制的Tactix XU71787樹脂就是雙環戊二烯酚型氰酸酯。美國海軍研究實驗室(NRL)是美國國防部眾多下屬實驗室中唯一從事耐熱聚合物研究的實驗室,目前正在從事氰酸酯樹脂的研究,采取合成任意長度的以芳香醚齊聚物為主鏈的液態氰酸酯單體,通過調整反應物的各項相對值,得到高的耐熱、氧化穩定性、硬度、交聯密度、介電和玻璃化轉變溫度等一系列期望的屬性,以獲得具備高耐熱、高氧化穩定性、低固化溫度特點的全新屬性的聚合物。同時,為進一步提高樹脂抗吸濕率和抗裂紋性能,對氰酸酯樹脂的增韌改性技術也是國內外應用研究的重點與熱點。

     

        PI樹脂是一類以酰亞胺環為結構特征的高性能聚合物材料,具有優良的介電性能(ε:3.4,tgδ:0.001),并且在寬廣的溫度和頻率范圍內仍能保持較高水平,其機械強度相當或超過環氧復合材料,并具有良好的熱穩定性能和耐溶劑性能等。目前常用的是PMR-15樹脂,使用溫度為288~316℃。為進一步提高PI樹脂的熱氧化穩定性,在主鏈結構和封端基上采用熱穩定性更高的單體,長期使用溫度達350℃,短期達540℃。PI樹脂雖然介電性能和耐溫性能優異,但存在工藝性較差(溶解性不好、后固化溫度較高等),復合材料容易吸濕導致介電性能降低等,是該類樹脂在雷達罩應用方面需重點解決的問題。

     

        有機硅樹脂的突出優點是耐熱性和優良的介電性能,在各種環境條件(高溫、潮濕)下的介電性能都比較穩定。有機硅樹脂基透波復合材料即玻璃纖維增強有機硅樹脂基復合材料,是俄羅斯用于航天透波領域的主要材料,其短期使用溫度高于1500℃,按不同的使用環境和性能價格比而采用不同的纖維增強體。國內對有機硅樹脂的研究主要集中在膠粘劑應用領域,作為復合材料基體樹脂則存在模量不足的問題。而炔基硅烷樹脂分子中含有炔基和Si-H基團,以甲基二苯乙炔基硅烷(MDPES)樹脂為例,可在300℃下固化完全,固化物具有良好的介電性能(ε:3.2,tgδ:0.0025),短時耐溫可達550℃。其耐熱性和介電性能均優于目前使用的BMI和PI等樹脂。該類樹脂力學性能較低,尤需提高復合材料的層間剪切性能。


    責任編輯:班英飛

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