劉含洋， 趙偉棟， 潘玲英， 崔 超， 孫寶崗， 蔣文革

(航天材料及工藝研究所 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料研究應(yīng)用中心，北京100076)

透波材料作為窗口材料是保護航天器在惡劣環(huán)境下通訊、遙測、制導(dǎo)、引爆等系統(tǒng)能正常工作的一種多功能介質(zhì)材料［1～3］，在運載火箭、飛船、導(dǎo)彈及返回式衛(wèi)星等航天飛行器天線系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用［4～7］。隨著天線系統(tǒng)工作機制的改變，耐高溫、寬頻透波已經(jīng)成為評價天線系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的重要指標［8～10］。隨著對于飛行器高馬赫數(shù)(Ma≥3.5)要求的提高，天線系統(tǒng)所受的氣動加熱更加嚴重，工作溫度提高到約400℃［11～13］，因此透波材料的高溫介電性能及高溫力學性能備受關(guān)注。

天線系統(tǒng)現(xiàn)階段的選材要求是強度高、模量高、耐候性好及介電性能好等。聚酰亞胺復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐高溫性能;優(yōu)良的耐老化、耐輻射、耐化學穩(wěn)定性等綜合性能;優(yōu)異的寬溫寬頻介電性能。純樹 脂 的 介 電 常 數(shù) 為2. 98 ～3. 2，介 電 損 耗 ＜0.008［3］。選擇特殊的增強纖維與聚酰亞胺樹脂復(fù)合，可以得到具有較低的熱導(dǎo)率，具有防熱和承載一體化的多功能復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)減重效果顯著［13～16］。美國的NASA Lewis 研究中心、Du Pont 公司和Cyanamid 公司對聚酰亞胺在天線系統(tǒng)上的應(yīng)用進行了深入研究與改進工作，并在航空航天領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了型號應(yīng)用，國內(nèi)未見聚酰亞胺在天線系統(tǒng)方面應(yīng)用的報道。研究開發(fā)結(jié)構(gòu)、耐熱、透波功能一體化的聚酰亞胺復(fù)合材料具有重要的意義，本工作針對應(yīng)用背景需求開展了多功能一體化石英增強聚酰亞胺復(fù)合材料研究。

1 實驗

1.1 原材料

B 型石英布，牌號:QW220，湖北菲利華石英制品有限公司;QW220/902 濕法預(yù)浸料，自制。

1.2 測試設(shè)備

彎曲性能及層間剪切性能:采用MTS65/G 電子萬能材料試驗機測試。

介電性能:采用航天材料及工藝研究所自制的帶狀線諧振腔介電測試系統(tǒng)測試。

熱導(dǎo)率:采用2022 熱導(dǎo)率測試系統(tǒng)測試。

平均線膨脹系數(shù):采用航天材料及工藝研究所自制的熱膨脹測試系統(tǒng)測試。

1.3 試樣制備

使用合格的聚酰亞胺樹脂與B 型石英布制備濕法預(yù)浸料，樹脂含量40% ± 5%，纖維面密度(2.20 ±0.10)g/cm2。

通過自動下料機進行下料，將預(yù)浸料裁剪成尺寸44cm×24cm 的料塊，然后鋪層、預(yù)壓實、包覆真空袋，采用真空熱壓罐成型工藝制備試驗板，成型過程最高溫度為350℃。制備的該批次試板密度為1.48g/cm3。

1.3 性能測試

復(fù)合材料彎曲性能按照GB/T1449—2005 進行測定;密度按照GB/T1463—2005 進行測定;介電性能按照帶狀線諧振腔法進行測定;平均線膨脹系數(shù)按照 GJB332A—2004 進行測定;熱導(dǎo)率按照GJB1201.1—1991 進行測定;層間剪切強度按照DqES81—1998 進行測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學性能

對QW220/902 復(fù)合材料層合板進行室溫與350℃下的彎曲強度、模量及層間剪切強度測試，測試結(jié)果見表1。由表1 可以看出，室溫彎曲強度為533MPa，室溫彎曲模量為18.8GPa，室溫層間剪切強度達到39.7MPa，室溫力學性能優(yōu)異。測試溫度升高到350℃時其力學性能有所下降，350℃下的層間剪切強度保持率達到63.5%，彎曲模量保持率在88.8%，彎曲強度保持率為77.9%，在350℃下的力學性能保持良好，表明QW220/902 有望在350℃的溫度下長時使用。

表1 QW220/902 復(fù)合材料力學性能Table 1 Mechanical property of QW220/902

2.2 熱物理性能

按照熱導(dǎo)率測試方法GJB1201.1—1991 要求，為避免試樣厚度、尺寸等因素對熱導(dǎo)率的影響，將QW220/902 復(fù)合材料試板制備成規(guī)格為φ10mm ×1.4mm，1.6mm 及1.8mm 的圓片試樣，對QW220/902 復(fù)合材料層合板進行室溫與350℃下的熱導(dǎo)率進行測試，測試結(jié)果見圖1。由QW220/902 熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線可以看出，室溫條件下，材料的熱導(dǎo)率為0.24 W·m－1·K－1，350℃下材料的熱導(dǎo)率為0.28W·m－1·K－1，在室溫～350℃范圍內(nèi)，QW220/902 的熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而增大，但總體上材料的熱導(dǎo)率較低。

由于聚合物體系的QW220/902 結(jié)構(gòu)內(nèi)不存在自由電子，不存在電子導(dǎo)熱和電子對聲子的散射，因此熱傳導(dǎo)主要依靠晶格振動，熱能荷載者為聲子，按聲子導(dǎo)熱計算其熱導(dǎo)率。但由于聚酰亞胺分子鏈剛性大，空間位阻大，形成無定形聚集態(tài)。分子鏈的振動對聲子有散射作用，使聚合物材料熱導(dǎo)率很小。同時隨著溫度的升高，聲子振動的能量升高，使得聲子變得更加活躍，導(dǎo)熱效率提高，因此熱導(dǎo)率有所上升。

圖1 QW220/902 熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線Fig.1 Thermal conductivity of QW220/902 at different temperatures

飛行器高速飛行時其表面溫度與速度的平方成正比。瞬間的急劇升溫將在天線系統(tǒng)產(chǎn)品表面形成相當大的溫度梯度，導(dǎo)致很高的熱應(yīng)力。如果天線系統(tǒng)材料的線膨脹系數(shù)過高及隨溫度的變化幅度過大將直接造成產(chǎn)品變形或損毀。采用GJB332A—2004 標準，測定了QW220/902 復(fù)合材料在室溫(RT)～350℃區(qū)間內(nèi)的平均線膨脹系數(shù)，結(jié)果見表2。由測試結(jié)果可知，QW220/902 有著良好的熱膨脹系數(shù)穩(wěn)定性，能夠滿足產(chǎn)品在該溫度區(qū)間內(nèi)結(jié)構(gòu)與尺寸穩(wěn)定性。

2.3 介電性能

介電性能是復(fù)合材料能否成為天線系統(tǒng)用材料的首選指標。通常選用介電常數(shù)ε 和損耗角正切tanδ 兩個電性能參數(shù)來表征。采用帶狀線諧振腔法對QW220/902 復(fù)合材料的介電性能進行表征，試樣尺寸為30mm×10mm×1.98mm。

2.3.1 密度對介電性能影響

為了解不同密度對材料介電性能的影響，使用相同組分預(yù)浸料、不同的成型工藝參數(shù)制備了另外兩種不同密度的試樣，密度分別為1. 56g/cm3和1.74g/cm3，與密度為1.48g/cm3的材料一起進行介電性能測試。采用帶狀線諧振腔法測定了三種密度材料的介電常數(shù)和損耗角正切，如表3 和表4 所示。由表3 可以看出，密度為1.48g/cm3的材料的介電常數(shù)約為3.09;密度為1.56g/cm3的材料的介電常數(shù)約為3.19;密度為1.74g/cm3的材料的介電常數(shù)約為3.30。由表4 可知，密度為1.48g/cm3的材料的介電損耗角正切最大值3. 07 × 10－3;密度為1.56g/cm3的材料的介電損耗角正切最大值4.25 ×10－3;密度為1.74g/cm3的材料的介電損耗角正切最大值4.25 ×10－3。

表2 QW220/902 材料的平均熱膨脹系數(shù)Table 2 The average coefficient of thermal expansion of QW220/902

表3 不同密度的QW220/902 的介電常數(shù)Table 3 Dielectric constant of QW220/902 of different densities

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

復(fù)合材料主要由增強纖維和樹脂基體兩部分構(gòu)成，同時含有一定的孔洞、缺陷、微結(jié)構(gòu)等，其介電常數(shù)如公式(1):

其中:νo= 1 － νm－ νf;νo，νm，νf分別為孔洞介質(zhì)、基體和纖維的體積分數(shù);εN，εf，εm，εo分別為復(fù)合材料、纖維、基體和孔洞介質(zhì)的介電常數(shù)。

根據(jù)式(1)［7］可知，復(fù)合材料的介電常數(shù)與材料本身的纖維、樹脂及孔洞的含量及介電常數(shù)有關(guān)。材料的含膠量或者含有的孔隙率越高，材料的密度越低。由圖2 可以看出，這三種不同密度的QW220/902 材料，典型微觀形貌致密，未檢測出氣孔等缺陷。對比表3、式(1)與圖2 可知，材料密度在一定程度上反映了材料組分的含量，材料的密度不同，介電響應(yīng)不同，密度高介電常數(shù)大，介電損耗變化更復(fù)雜，總體上呈增大的趨勢，但總體上石英/聚酰亞胺復(fù)合材料介電性能優(yōu)異。

圖2 不同密度的QW220/902 的顯微照片F(xiàn)ig.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 溫度對介電性能影響

測試材料密度為1.48g/cm3的復(fù)合材料層合板37℃與350℃下的介電常數(shù)和損耗角正切，結(jié)果見圖3 和圖4。由圖3 可知，350℃下的介電常數(shù)約為2.80，37℃下的介電常數(shù)約為2.95，波動5.3%，考慮到測量誤差為±1%，可以認為350℃下的材料的介電常數(shù)與37℃下的介電常數(shù)相當。由圖4 可知，350℃下的材料的介電損耗角正切比37℃下的介電常數(shù)小。350℃下的損耗角正切最高約為2. 20 ×10－3，37℃下的損耗角正切最高約為5.90 ×10－3，但是37℃和350℃的損耗角正切均為10－3量級，均滿足≤8 ×10－3的設(shè)計要求。損耗角正切隨著溫度的升高應(yīng)該有所升高，但是本研究材料在高溫下樹脂的固化度進一步提高，材料吸附的極性小分子進一步減少，降低了材料的摩爾極化度，導(dǎo)致材料的介電損耗下降。

2.3.3 頻率對介電性能影響

圖3 不同溫度下的QW220/902 的介電常數(shù)Fig.3 Dielectric constant of QW220/KH370 under different temperatures

圖4 不同溫度下的QW220/902 的損耗角正切Fig.4 tanδ of QW220/KH370 under different temperatures

采用帶狀線諧振腔法測試材料密度為1.48g/cm3的復(fù)合材料層合板在不同諧振頻率下的介電常數(shù)與損耗角正切，來評價測試頻率對介電性能的影響，結(jié)果見圖5、圖6。從圖5 可知，隨著測試頻率的升高，材料的介電常數(shù)基本保持不變，介電常數(shù)值在3.09 ～3.13 范圍內(nèi);由圖6 可知，介電損耗角正切基本上保持不變。此材料在0 ～8GHz 范圍內(nèi)介電性能穩(wěn)定，滿足了先進天線系統(tǒng)寬頻透波要求。

圖5 不同頻率下的QW220/902 的介電常數(shù)Fig.5 Dielectric constant of QW220/902 at different frequencies

圖6 不同頻率下的QW220/902 的損耗角正切Fig.6 tanδ of QW220/902 at different frequencies

3 結(jié)論

(1)QW220/902 在350℃下層間剪切強度保持率達到63.5%，彎曲強度保持率在77.9%，彎曲模量保持率在88%左右，具有良好的高溫力學性能。

(2)QW220/902 熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而增大，但總體上在室溫(RT)～350℃材料的熱導(dǎo)率在0.24 ～0.28 W·m－1·K－1，有著良好的隔熱性能。

(3)QW220/902 在室溫(RT)～350℃區(qū)間的熱膨脹系數(shù)約在5.38 ×10－6/℃，具有良好的尺寸穩(wěn)定性。

(4)QW220/902 的介電常數(shù)低，介電損耗角正切小，隨著溫度、頻率的變化介電性能較穩(wěn)定。

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