石英纤维复合材料作为高频透波雷达天线罩的研究

谢 菲，夏洪山

(南京航空航天大学民航学院，南京 210016)

不论是航空航天方面，还是军事领域方面，雷达的身影无处不在，雷达需要有雷达天线罩的保护。强度高、模量高、介电性能好等是雷达天线罩对其制作材料选择的要求，其中介电性能是最重要的，表征指标有介电常数ε和损耗角正切tanδ［1］。玻璃纤维增强树脂基复合材料的优点在于防热、透波以及结构等方面，且介电常数ε和介电损耗tanδ都很小，同时具有良好的弹性模量、力学强度，是实际生产中最广泛应用的雷达罩材料，其应用频段主要10GHz范围内(P、L、S、C等波段)，对于高频天线罩(10-20GHz)，因其发射频率高，波长短，造成天线罩透波损耗大［2］。

石英纤维的介电性能比普通玻璃纤维更加优越，损耗角正切tanδ和介电常数ε在玻璃纤维体系中最低，且在较宽频带范围内基本不变化，同时与酚醛树脂、环氧树脂等树脂基体都有很好的兼容性，因而更适合作为高频透波天线罩的增强材料［3-4］。

本文拟研究石英纤维布增强树脂基复合材料的介电性能和力学性能，以石英玻纤布和玻璃纤维布为增强材料，以环氧树脂为基体，利用真空灌注成型法制备出石英纤维增强环氧树脂和玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，并用微波矢量网络仪测量了样品在高频波段的介电性能，利用电子万能拉伸机测试了样品的力学性能，研究增强相种类对复合材料介电性能和力学性能的影响。

1 实验内容

1.1 原材料

实验所用石英纤维增强材料为石英纤维布，厚度0.22 mm，单位质量229 g/m2，裁切成300 mm×300 mm尺寸;玻璃纤维增强材料为E-glass斜纹玻纤布，厚度0.20 mm，克重为200 g/m2，裁切成300 mm×30 mm尺寸;所用树脂基体为聚CC135环氧树脂，固化剂为W-93固化剂，树脂与固化剂的质量比例为100∶20，固化条件均为常温24 h固化。表1为实验所用材料的性能参数［4］。

表1 所用树脂基体和玻璃纤维的性能参数

1.2 纤维表面处理

璃纤维属于无机材料，与树脂基体在热膨胀系数、表面亲和性以及反应性等方面存在较大差异，由于二者相容性差难以形成有效的界面结合。研究表明，复合材料的性能关键取决于纤维与树脂基体之间的界面性质，差的界面结合将成为体系的薄弱环节导致性能变差，界面结合不良也会成为应力集中之处，使复合材料的力学强度下降［5-6］。因此，需要对玻纤布进行表面处理。

本实验采用表面预处理方法如下:将硅烷偶联剂KH550配成0.5% ～1%浓度的乙醇稀溶液，使用时在每片石英纤维布和玻璃纤维布的上下表面用刷子涂上薄薄的一层，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为真空灌注成型法，它具有铺层可控性好，树脂含量均匀，纤维增强相含量高，复合材料制品可设计性强，厚薄均匀性基本一致，成品致密度好等优点［7］。

将N层经过表面预处理的玻纤布依次堆叠好，然后与脱模布、导流网、螺旋管、真空塑料膜、PVC软管等按照如图1所示摆放，然后与真空泵和捕捉罐相连接。检查真空气密性后，打开进胶管让树脂均匀进入到整个体系，注胶完成后静置24 h。待样品固化成型后撕下脱模布，即可得到质量良好的结构铺层。

图1 实验铺放完成后的体系

1.4 介电性能的测量

样品的介电性能采用微波法矢量网络分析仪进行测量，如图2所示，测试系统由发射喇叭、接收喇叭、高频电缆、矢量网络分析仪、介质板、金属板、夹具等组成。此方法由Niclson等提出［8-9］，通过给定的测试条件以及建立的复介电常数与散射参数之间关系的理论模型，即可求得被测材料的复介电常数。

图2 微波矢量网络分析仪示意图

1.5 力学性能的测试

拉伸性能测试在SANS CMT5105电子万能拉伸机上进行，将测完介电性能的复合材料裁切成长为40 mm，宽为5 mm，厚度为3 mm的样品，两边用铝夹片，如图3所示。加载速度为0.2 mm/min，试样拉断后，根据断裂载荷除以样品的横截面积，计算出样品的拉伸强度。

图3 拉伸样品尺寸

2 结果与讨论

2.1 介电常数的理论计算

在不考虑孔隙率、界面性能等情况下，复合材料成品的总介电常数可以用以下公式进行简单的计算［10］

式中:ε为总介电常数;Vf为增强相的体积含量;εf为增强相的介电常数;εm为树脂基体相的介电常数。

为了便于对比，增强材料石英纤维布和玻璃纤维布分别堆叠14层和15层，两者厚度基本相等(14×0.22=3.08 mm，15 ×0.20=3 mm)，质量分别为178.94 g和180.71 g;从文献［11］中可知，树脂基体含量控制在42% ～45%较为理想，本实验选取环氧树脂体积含量为45%;根据表1中原料的性能参数和式(1)，可以计算出最终复合材料的介电性能，如表2所示。

表2 样品介电性能理论计算值和原料用量

从表2可以看出，石英纤维和玻璃纤维增强复合材料具有相同的纤维体积含量(55%)和树脂体积含量(45%)，理论上石英纤维布增强复合材料的介电常数为3.88和损耗角正切为0.0016，玻璃纤维布增强复合材料的介电常数为5.02和损耗角正切为0.0070。

2.2 实验样品的制备

根据表2数据，石英/环氧体系的原料用量为:14层300 mm×300 mm大小的石英纤维布，86.51 g的CC135环氧树脂，17.30 g的W-93固化剂;玻璃纤维/环氧体系的原料用量为:15层的300 mm×300 mm大小的玻璃纤维布，78.45 g的CC135环氧树脂，15.69 g的W-93固化剂;利用图1所示的真空灌注成型法，成功制备出石英纤维增强环氧树脂复合材料和玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，如图4所示，并测出2个复合材料的厚度分别为3.12 mm和3.05 mm，厚度基本相等。

图4 实验样品制备

2.3 介电参数的测量

利用图2的微波矢量网络分析仪测量了2个系列样品的介电性能，测量频率范围为12～15 GHz。测量步骤如下:

1)如图2所示，按要求搭建好测试系统，并准备好被测样板;

2)确定测量条件:根据不同喇叭的频率参数和口径大小来估算出2个喇叭之间的正对距离(口径为d=11.35 cm的喇叭天线，可算出低频率远场距离和高频率远场距离分别为103.06 cm和154.59 cm)以及2个喇叭分别离夹具中心点的距离;调节好喇叭高度以及水平和垂直方向，使2个喇叭能同时正对夹具并处在中心位置。

3)矢量网络分析仪的校准:校准连接图如图5所示，调节矢量网络所需的测量频率限度和需要测量的散射参数(输入反射系数S11、反向传输系数S12、正向传输系数S21、输出反射系数S22)，选择适用于该测量电缆的校准套件，利用矢量网络分析仪的校准功能测量测试端口1和2处开路、短路、负载、1和2端口对接的校准数据。

图5 校准连接示意图

4)测试:连接电缆一端到矢量网络分析仪端口1或2，另一端连接发射喇叭或接收喇叭;先测夹具中不插入任何样板的数据结果(S12)，再把介质板插入夹具中，测出数据结果(S＇12)，将介质板测出的结果(S＇12)，减去空夹具测出的结果(S12)，即可得出插入损耗，并计算出介电常数和损耗角正切。

图6为石英纤维玻璃纤维增强环氧树脂样品的频率-损耗曲线，其中黑线表示实验数据，红线表示平均的理想值。样品的介电常数约为3.82，损耗角正切约为0.0034。

图7为玻璃纤维增强环氧树脂样品的频率-损耗曲线，其中黑线表示实验数据，红线表示平均的理想值。样品的介电常数约为4.87，损耗角正切约为0.0086。

图6 石英纤维增强环氧树脂样品的频率-损耗曲线

图7 玻璃纤维增强环氧树脂样品的频率-损耗曲线

2个系列样品介电性能的理论计算值和实验测量值，如表4所示。

表4 2个系列样品介电常数的理论计算值和实验测量值对比

从表4中可以看出:石英纤维样品介电常数的理论计算值(3.88)和实验测试值(3.82)基本吻合，同样，玻璃纤维样品介电常数的理论计算值(5.02)和实验测试值(4.87)也基本吻合，说明真空灌装成型工艺所制备的样品质量比较好。但对于损耗角正切，2个样品的实验测量值都比理论计算值要大一点。认为这可能与样品的内部层状结有关，本实验中复合样品是由14层或15层玻纤布叠加而成，造成了微波在多层界面间的多次反射，能量损耗增加，导致损耗角变大。在增强相和树脂的体积含量相同情况下，石英纤维增强复合材料的介电常数(3.82)和损耗角正切(0.0034)要远远优于玻璃纤维增强复合材料的介电常数(4.95)和损耗角正切(0.0086)，说明石英纤维增强树脂基复合材料适合于制作高频波段的雷达天线罩。

2.4 拉伸性能的测试

将2个系列的样品裁切成图3所示的拉伸样品，由于所制备复合材料的厚度分别为3.12 mm和3.05 mm，需要在厚度方向进行稍微抛光，使样品厚度控制在3 mm，每个系列分别准备3个试样，利用SANS CMT5105万能拉伸机进行拉伸性能测试，加载速度为0.2 mm/min，根据断裂载荷除以横截面积，算出拉伸强度，如表5所示。

表5 2个系列样品的拉伸强度 MPa

从表5中可以看出:石英纤维增强环氧树脂样品的3个试样拉伸强度分别为261 MPa，272 MPa和259 MPa，基本上大小一致;同样，玻璃纤维增强环氧树脂样品的3个试样拉伸强度分别为340 MPa、336 MPa和343 MPa，也是基本上大小一致，说明所制备的玻璃纤维复合材料样品均匀性很好，这也是真空灌注成型方法的优点。石英纤维增强复合材料的平均拉伸强度(264 MPa)低于玻璃纤维增强复合材料的平均拉伸强度(364 MPa)，这与增强材料本身的拉伸强度密切相关，E玻璃纤维的拉伸强度是石英纤维拉伸强度的2倍，导致玻璃纤维增强复合材料的拉伸强度优于石英纤维增强复合材料。

3 结论

本研究以石英纤维布和玻璃纤维布为增强材料，以环氧树脂为基体，利用真空灌注成型设备制备出石英纤维增强复合材料和玻璃纤维增复合材料，用微波矢量网络分析仪测量了样品的介电性能，利用电子万能拉伸试验机测试了样品的拉伸强度。结果表明，在相同体积含量条件下，石英纤维增强复合材料样品的介电常数和损耗角正切要远远优于玻璃纤维增强复合材料样品，说明石英纤维增强树脂基复合材料适合于制作高频波段的雷达天线罩。

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