结构配置对玻纤织物及其复合材料电性能影响的研究

毛海亮，冯蓝玉，姚 澜，金义洪，龚 成

(1.东华大学 纺织学院，上海 201620)(2.上海之合玻璃钢有限公司，上海 200023)(3.中国电子科技集团公司第五十研究所,上海 200331)

结构配置对玻纤织物及其复合材料电性能影响的研究

毛海亮1，冯蓝玉1，姚 澜1，金义洪2，龚 成3

(1.东华大学 纺织学院，上海 201620)(2.上海之合玻璃钢有限公司，上海 200023)(3.中国电子科技集团公司第五十研究所,上海 200331)

本文主要对3种不同结构玻璃纤维布的抗折皱性及其复合材料的电性能进行了研究。通过研究得出，电磁波中心谐振频率对应的加捻平纹玻纤复合材料的S11值为-32.65 dB，S12值为-0.25 dB，满足材料在电气领域内的应用要求。同时此研究也为玻璃纤维复合材料在电学领域上的应用提供一定的理论依据。

玻璃纤维；织物结构；捻度；复合材料；抗折皱性；电性能

1 引 言

随着科技的快速发展，玻璃纤维材料已成为建筑、交通运输、石油化工、电子电器、机械、航空航天等传统产业部门和国防、高技术部门必不可少的原材料。而玻璃纤维增强复合材料作为电磁波的传输媒介也在众多领域内得到了广泛地应用。玻璃纤维增强复合材料具有质量轻、比强度高、抗损伤破坏能力强等优点，同时玻璃纤维复合材料是一种低介电材料[1]。

玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，成分主要为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等，已成为21世纪不可或缺的高新技术材料[2]。自从E玻璃纤维问世并出现环氧树脂和不饱和聚酯树脂以来，玻璃纤维电气层压材料和玻璃纤维增强复合材料有了更加坚实的发展基础。而作为介质材料的玻璃纤维增强树脂基复合材料主要用于印刷电路板、电子包装材料、雷达天线罩上等。E玻璃纤维树脂基复合材料具有高热导、高强度以及低介电常数和低损耗的特点，可以缩短RC(阻抗)的延迟时间，加快电磁信号的传递速度，同时，减少了电磁波的能量的损耗[3]。

20世纪90年代以来，许多科研工作者都对玻璃纤维增强树脂基复合材料的增强结构和界面性能进行了研究，并获得了一定成果。从国内外的相关文献[4-8]来看，这些研究主要是关于改善纤维的组成成分、纱线的混纺组合以及树脂基体的质量等。然而，直接通过改变玻璃纤维纱线的捻度或配置不同的组织结构来改善玻璃纤维织物及其复合材料介电性能的研究很少。而本文主要从提高玻璃纤维纱线的捻度和配置不同的组织结构入手，研究上述参数对玻璃纤维织物及其复合材料抗折皱性能和电性能的影响。

2 实验部分

2.1 材料

所用的纤维是E玻璃纤维，线密度为240 tex，树脂基体是不饱和聚酯树脂，上浆料是PVA浆料，退浆料主要是NaOH 和30%的H2O2。

2.2 玻璃纤维织物的织造

在玻璃纤维纱织造前，需要对玻璃纤维纱进行加捻和上浆。加捻可改变纱线的结构，进而可以改变织物的结构；上浆可以弥补玻璃纤维纱线织造性能差的缺陷。文中对玻璃纤维纱线加捻采用的是型号为N-01的环锭捻线机，捻度为100捻/m；对玻璃纤维纱线上浆采用的是浓度为5%左右的PVA浆料；3种不同结构的玻璃纤维布都是在东华大学工程实验中心的型号为SGA598的半自动织样机上织造完成的。这3种玻璃纤维布的经纬密度都为96根/10 cm，织物幅宽为25±0.25 cm。3种不同结构的玻璃纤维布的组织结构图如图1所示。

2.3 玻璃纤维复合材料的成型

上述所织造的3种不同结构的玻纤布采用真空辅助树脂转移成型法固化成型并得到相应的玻纤复合材料。此3种玻璃纤维复合材料的厚度分别为0.587±0.02 mm(无捻平纹)，0.576±0.03 mm(有捻平纹)，0.585±0.03 mm(无捻斜纹)。

2.4 玻纤织物及其复合材料的性能测试

在对织物进行相关性能测试前须对其进行退浆处理，以减少浆膜对织物性能的影响。

2.4.1 抗折皱性测试

织物在使用和保管过程中，在折叠、压缩或弯曲等外力作用下易产生局部变形，形成折痕。折皱不仅严重影响织物的外观，且织物在折痕方向上容易磨损，加速织物的损坏程度。同时，在复合材料的制作过程中，带有折痕的织物不易伸平，容易聚集气泡，影响复合材料的质量。

在织物抗折皱性能的测试过程中，可用折痕回复角的大小来表征织物的折皱损坏程度。本文中织物折痕回复角的测试是在东华大学纺织检测中心的型号为YG541B折皱弹性测试仪上完成的。测试折痕回复角的试样尺寸如图2所示。

2.4.2 介电常数测试

所谓介电性能是指介质在电场作用下，对静电能的储存和损耗的性质，通常用介电常数ε来表示。一般来说，介质材料的介电常数越小，其介电性能也就越好[9]。

依据GBT/1409-2006，文中对3种不同结构玻璃纤维布及其复合材料的介电常数测试，是在型号为WY2852D数显Q表上完成的。

图1 3种不同结构玻璃纤维布的组织结构

2.4.3 电磁参数测试

在对复合材料的电磁参数进行探究时，主要研究它的S参数，即参数S11和S12。由于S参数类似于电磁波的反射和传输特性，因此，可用S参数法来表征电磁波透过玻璃纤维复合材料时，电磁波的损耗和透过量。当输出端处于匹配状态时，输入端的反射系数可用S11参数表示；当输入端处于匹配状态时，输出端的反向传输系数可用S12参数表示。文中对3种不同结构玻璃纤维复合材料的电磁参数测试是在安捷伦8722ES矢量网络分析仪上完成的。测试试样是10×15 mm的矩形片。

图2 抗皱性试样的形状尺寸

3 结果与讨论

3.1 织物抗皱性分析

图3和图4分别所示3种不同结构玻璃纤维布在经、纬向上的折痕回复角值。可以看出:3种不同结构玻璃纤维布的折痕回复角在经、纬向上的变化趋势是一致的；其折痕回复角由高到低依次为：无捻斜纹玻纤织物、有捻平纹玻纤织物、无捻平纹玻纤织物。

图3 3种不同结构玻纤织物的经向折痕回复角值

上述3种玻璃纤维布具有不同折痕回复角的主要原因：纱线加捻后纤维之间的抱合力增强，纱线结构紧密，在织成织物后纱线之间的间隙相对地变大了。因此，织物在受到外力的作用时，加捻的经、纬纱相对于未加捻的纱线有更大的移动空间，更容易恢复到原来的状态。因此，加捻玻纤织物的折痕回复角比未加捻玻纤织物折痕回复角高3.4%。平纹织物是机织物中结构最为紧密的织物，交织点数多于斜纹组织，且经、纬纱线的屈曲程度大于斜纹织物，因此，经、纬纱在发生折皱后不易滑动，抗折皱性差。尽管，纱线加捻后使得纱线在织物中有了更大的移动空隙，但交织点数没有变化，纱线的屈曲程度没有改变，且斜纹织物的浮长线大于平纹织物的浮长线，使得织物中空隙所占的体积比例相对较大。因此，在织物起皱后，无捻斜纹织物的折痕回复角比加捻平纹织物的高4%。

图4 3种不同结构玻纤织物的纬向折痕回复角值

3.2 介电性分析

图5和图6分别表示3种不同结构玻璃纤维布及其复合材料在频率1 MHz下的介电常数值和介电损耗角正切值。从图5中可得，3种不同结构的玻纤织物及其复合材料的介电常数值的变化规律是一致的，都呈下降的趋势；其介电常数值由高到低依次是：无捻平纹织物、有捻平纹织物、无捻斜纹织物。且3种玻纤复合材料的介电常数值都比其增强体(玻纤织物)的大，即无捻平纹玻纤复合材料的介电常数高出其基体的25%；有捻平纹玻纤复合材料的介电常数比其基体的高出约27.3%；无捻斜纹玻纤复合材料的介电常数比其基体的高22.4%。图6中，无捻玻纤复合材料的介质损耗角正切值最大，而有捻玻纤复合材料的介质损耗角正切值最小，无捻斜纹玻纤复合材料的介质损耗角正切值居中。

3种不同结构玻纤材料的介电常数值有上述变化的主要原因：加捻后纤维之间的抱和力增大，纱线结构紧密，织成织物后经纬纱线之间的空隙增大，使得空气在织物中所占的体积分数增加，而空气的介电常数值较小，约等于1。因此，根据介电常数混合法则得，单位面积内加捻玻纤织物的介电常数小于未加捻玻纤织物的介电常数。而斜纹织物相对于平纹织物经、纬浮长线长，且交织点数少于平纹组织的交织点数，织物组织结构疏松，单位织物体积内空气所占的体积分数比平纹织物的大。依据相同的原理，无捻斜纹玻纤织物的介电常数小于加捻平纹玻纤织物的介电常数。不饱和聚酯树脂的介电常数值约为2.94[1]，所织造的3种玻纤织物的介电常数值分别为1.805、1.685、1.67，且都小于2.94。因此，依据介电常数的混合法则，玻纤复合材料的介电常数是大于其增强体(玻纤织物)的介电常数的。

图5 频率1 MHz下玻纤织物及其复合材料的介电常数值

图6 频率1 MHz下玻纤复合材料的介电损耗角正切值

在电磁波的传输过程中，由于介质材料存在一定的厚度，介质损耗不能忽略不计，信号的传播损耗和衰减可以表示为公式(1)：

(1)

其中，tanδ—材料的损耗角正切；

εr—材料的相对介电常数；

f—频率。

3.3 电磁性能分析

图7 无捻平纹玻纤复合材料的S参数

图8 有捻平纹玻纤复合材料的S参数

图9 无捻斜纹玻纤复合材料的S参数

4 结 语

本文研究了结构配置对玻璃纤维织物及其复合材料的抗折皱性及电学性能的影响。对于抗折皱性，无捻斜纹玻纤织物的折痕回复角最大，具有最好的抗折皱性能，加捻平纹织物次之；而对电磁波的衰减损耗以及S参数的分析表明，加捻平纹玻纤复合材料的上述性能最佳，更适合在电气领域内应用。因此，对应用于电气领域内的复合材料来说，可以在不改变材料的前提下，可通过优化结构配置等方式来提高其性能，为这一方面的研究设计提供了一定的理论依据。

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Effect of Structure Configuration on the Electrical Performance of Glass Fabric and the Composites

MAO Hailiang1，FENG Lanyu1，YAO Lan1，JIN Yihong2，GONG Cheng3

(1.College of Textiles,Donghua University,Shanghai 201620)(2.Glass Reinforced Plastic Company of Shanghai Zhihe，Shanghai 200023)(3.The fiftieth Institute of China Electronics Technology Group Company ,Shanghai 200331)

In this paper,mainly study on the anti-wrinkling properties of three different structure glass fabrics and the electrical properties of their composite materials.Through the research,when the frequency of electromagnetic wave locates in the centre,the value of S11and S12is -32.65dB,-0.25 dB of the twisted plain glass composite material,respectively.This meets the application requirement of material in electric field.And the aim of this study is to provide some theoretical basis for the potential application of glass fiber reinforced composites.

glass fiber；fabric structure；twist；composite materials；anti-wrinkling properties；electrical properties

2014-10-12)

毛海亮(1988-)，男，山东人，硕士，研究生。研究方向：玻璃纤维机织复合材料的制作和电学性能研究。E-mail：mhl_roger@126.com.

姚澜(1978-)，女，辽宁人，副教授。研究方向：三维纺织天线的制作及性能研究，透波复合材料的电性能研究。E-mail：yao_lucy@126.com.