结构、耐热、透波功能一体化石英/聚酰亚胺研究

刘含洋， 赵伟栋， 潘玲英， 崔 超， 孙宝岗， 蒋文革

(航天材料及工艺研究所 结构复合材料研究应用中心，北京100076)

透波材料作为窗口材料是保护航天器在恶劣环境下通讯、遥测、制导、引爆等系统能正常工作的一种多功能介质材料［1～3］，在运载火箭、飞船、导弹及返回式卫星等航天飞行器天线系统中得到广泛的应用［4～7］。随着天线系统工作机制的改变，耐高温、宽频透波已经成为评价天线系统作战能力的重要指标［8～10］。随着对于飞行器高马赫数(Ma≥3.5)要求的提高，天线系统所受的气动加热更加严重，工作温度提高到约400℃［11～13］，因此透波材料的高温介电性能及高温力学性能备受关注。

天线系统现阶段的选材要求是强度高、模量高、耐候性好及介电性能好等。聚酰亚胺复合材料具有优异的耐高温性能;优良的耐老化、耐辐射、耐化学稳定性等综合性能;优异的宽温宽频介电性能。纯树 脂 的 介 电 常 数 为2. 98 ～3. 2，介 电 损 耗 ＜0.008［3］。选择特殊的增强纤维与聚酰亚胺树脂复合，可以得到具有较低的热导率，具有防热和承载一体化的多功能复合材料，结构减重效果显著［13～16］。美国的NASA Lewis 研究中心、Du Pont 公司和Cyanamid 公司对聚酰亚胺在天线系统上的应用进行了深入研究与改进工作，并在航空航天领域实现了型号应用，国内未见聚酰亚胺在天线系统方面应用的报道。研究开发结构、耐热、透波功能一体化的聚酰亚胺复合材料具有重要的意义，本工作针对应用背景需求开展了多功能一体化石英增强聚酰亚胺复合材料研究。

1 实验

1.1 原材料

B 型石英布，牌号:QW220，湖北菲利华石英制品有限公司;QW220/902 湿法预浸料，自制。

1.2 测试设备

弯曲性能及层间剪切性能:采用MTS65/G 电子万能材料试验机测试。

介电性能:采用航天材料及工艺研究所自制的带状线谐振腔介电测试系统测试。

热导率:采用2022 热导率测试系统测试。

平均线膨胀系数:采用航天材料及工艺研究所自制的热膨胀测试系统测试。

1.3 试样制备

使用合格的聚酰亚胺树脂与B 型石英布制备湿法预浸料，树脂含量40% ± 5%，纤维面密度(2.20 ±0.10)g/cm2。

通过自动下料机进行下料，将预浸料裁剪成尺寸44cm×24cm 的料块，然后铺层、预压实、包覆真空袋，采用真空热压罐成型工艺制备试验板，成型过程最高温度为350℃。制备的该批次试板密度为1.48g/cm3。

1.3 性能测试

复合材料弯曲性能按照GB/T1449—2005 进行测定;密度按照GB/T1463—2005 进行测定;介电性能按照带状线谐振腔法进行测定;平均线膨胀系数按照 GJB332A—2004 进行测定;热导率按照GJB1201.1—1991 进行测定;层间剪切强度按照DqES81—1998 进行测定。

2 结果与分析

2.1 力学性能

对QW220/902 复合材料层合板进行室温与350℃下的弯曲强度、模量及层间剪切强度测试，测试结果见表1。由表1 可以看出，室温弯曲强度为533MPa，室温弯曲模量为18.8GPa，室温层间剪切强度达到39.7MPa，室温力学性能优异。测试温度升高到350℃时其力学性能有所下降，350℃下的层间剪切强度保持率达到63.5%，弯曲模量保持率在88.8%，弯曲强度保持率为77.9%，在350℃下的力学性能保持良好，表明QW220/902 有望在350℃的温度下长时使用。

表1 QW220/902 复合材料力学性能Table 1 Mechanical property of QW220/902

2.2 热物理性能

按照热导率测试方法GJB1201.1—1991 要求，为避免试样厚度、尺寸等因素对热导率的影响，将QW220/902 复合材料试板制备成规格为φ10mm ×1.4mm，1.6mm 及1.8mm 的圆片试样，对QW220/902 复合材料层合板进行室温与350℃下的热导率进行测试，测试结果见图1。由QW220/902 热导率随温度变化曲线可以看出，室温条件下，材料的热导率为0.24 W·m－1·K－1，350℃下材料的热导率为0.28W·m－1·K－1，在室温～350℃范围内，QW220/902 的热导率随着温度的升高而增大，但总体上材料的热导率较低。

由于聚合物体系的QW220/902 结构内不存在自由电子，不存在电子导热和电子对声子的散射，因此热传导主要依靠晶格振动，热能荷载者为声子，按声子导热计算其热导率。但由于聚酰亚胺分子链刚性大，空间位阻大，形成无定形聚集态。分子链的振动对声子有散射作用，使聚合物材料热导率很小。同时随着温度的升高，声子振动的能量升高，使得声子变得更加活跃，导热效率提高，因此热导率有所上升。

图1 QW220/902 热导率随温度变化曲线Fig.1 Thermal conductivity of QW220/902 at different temperatures

飞行器高速飞行时其表面温度与速度的平方成正比。瞬间的急剧升温将在天线系统产品表面形成相当大的温度梯度，导致很高的热应力。如果天线系统材料的线膨胀系数过高及随温度的变化幅度过大将直接造成产品变形或损毁。采用GJB332A—2004 标准，测定了QW220/902 复合材料在室温(RT)～350℃区间内的平均线膨胀系数，结果见表2。由测试结果可知，QW220/902 有着良好的热膨胀系数稳定性，能够满足产品在该温度区间内结构与尺寸稳定性。

2.3 介电性能

介电性能是复合材料能否成为天线系统用材料的首选指标。通常选用介电常数ε 和损耗角正切tanδ 两个电性能参数来表征。采用带状线谐振腔法对QW220/902 复合材料的介电性能进行表征，试样尺寸为30mm×10mm×1.98mm。

2.3.1 密度对介电性能影响

为了解不同密度对材料介电性能的影响，使用相同组分预浸料、不同的成型工艺参数制备了另外两种不同密度的试样，密度分别为1. 56g/cm3和1.74g/cm3，与密度为1.48g/cm3的材料一起进行介电性能测试。采用带状线谐振腔法测定了三种密度材料的介电常数和损耗角正切，如表3 和表4 所示。由表3 可以看出，密度为1.48g/cm3的材料的介电常数约为3.09;密度为1.56g/cm3的材料的介电常数约为3.19;密度为1.74g/cm3的材料的介电常数约为3.30。由表4 可知，密度为1.48g/cm3的材料的介电损耗角正切最大值3. 07 × 10－3;密度为1.56g/cm3的材料的介电损耗角正切最大值4.25 ×10－3;密度为1.74g/cm3的材料的介电损耗角正切最大值4.25 ×10－3。

表2 QW220/902 材料的平均热膨胀系数Table 2 The average coefficient of thermal expansion of QW220/902

表3 不同密度的QW220/902 的介电常数Table 3 Dielectric constant of QW220/902 of different densities

表4 不同密度的QW220/902 的损耗角正切Table 4 tanδ of QW220/902 of different densities

复合材料主要由增强纤维和树脂基体两部分构成，同时含有一定的孔洞、缺陷、微结构等，其介电常数如公式(1):

其中:νo= 1 － νm－ νf;νo，νm，νf分别为孔洞介质、基体和纤维的体积分数;εN，εf，εm，εo分别为复合材料、纤维、基体和孔洞介质的介电常数。

根据式(1)［7］可知，复合材料的介电常数与材料本身的纤维、树脂及孔洞的含量及介电常数有关。材料的含胶量或者含有的孔隙率越高，材料的密度越低。由图2 可以看出，这三种不同密度的QW220/902 材料，典型微观形貌致密，未检测出气孔等缺陷。对比表3、式(1)与图2 可知，材料密度在一定程度上反映了材料组分的含量，材料的密度不同，介电响应不同，密度高介电常数大，介电损耗变化更复杂，总体上呈增大的趋势，但总体上石英/聚酰亚胺复合材料介电性能优异。

图2 不同密度的QW220/902 的显微照片Fig.2 Microstructures of QW220/902 of different densities (a)ρ=1.48g/cm3;(b)ρ=1.56g/cm3;(c)ρ=1.74g/cm3

2.3.2 温度对介电性能影响

测试材料密度为1.48g/cm3的复合材料层合板37℃与350℃下的介电常数和损耗角正切，结果见图3 和图4。由图3 可知，350℃下的介电常数约为2.80，37℃下的介电常数约为2.95，波动5.3%，考虑到测量误差为±1%，可以认为350℃下的材料的介电常数与37℃下的介电常数相当。由图4 可知，350℃下的材料的介电损耗角正切比37℃下的介电常数小。350℃下的损耗角正切最高约为2. 20 ×10－3，37℃下的损耗角正切最高约为5.90 ×10－3，但是37℃和350℃的损耗角正切均为10－3量级，均满足≤8 ×10－3的设计要求。损耗角正切随着温度的升高应该有所升高，但是本研究材料在高温下树脂的固化度进一步提高，材料吸附的极性小分子进一步减少，降低了材料的摩尔极化度，导致材料的介电损耗下降。

2.3.3 频率对介电性能影响

图3 不同温度下的QW220/902 的介电常数Fig.3 Dielectric constant of QW220/KH370 under different temperatures

图4 不同温度下的QW220/902 的损耗角正切Fig.4 tanδ of QW220/KH370 under different temperatures

采用带状线谐振腔法测试材料密度为1.48g/cm3的复合材料层合板在不同谐振频率下的介电常数与损耗角正切，来评价测试频率对介电性能的影响，结果见图5、图6。从图5 可知，随着测试频率的升高，材料的介电常数基本保持不变，介电常数值在3.09 ～3.13 范围内;由图6 可知，介电损耗角正切基本上保持不变。此材料在0 ～8GHz 范围内介电性能稳定，满足了先进天线系统宽频透波要求。

图5 不同频率下的QW220/902 的介电常数Fig.5 Dielectric constant of QW220/902 at different frequencies

图6 不同频率下的QW220/902 的损耗角正切Fig.6 tanδ of QW220/902 at different frequencies

3 结论

(1)QW220/902 在350℃下层间剪切强度保持率达到63.5%，弯曲强度保持率在77.9%，弯曲模量保持率在88%左右，具有良好的高温力学性能。

(2)QW220/902 热导率随着温度的升高而增大，但总体上在室温(RT)～350℃材料的热导率在0.24 ～0.28 W·m－1·K－1，有着良好的隔热性能。

(3)QW220/902 在室温(RT)～350℃区间的热膨胀系数约在5.38 ×10－6/℃，具有良好的尺寸稳定性。

(4)QW220/902 的介电常数低，介电损耗角正切小，随着温度、频率的变化介电性能较稳定。

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