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1 透波复合材料的应用
1.1 天线罩
天线罩能保护天线系统免受外部环境影响,具备优异电磁透波穿透性能和承受恶劣环境的能力。不同类型飞行器天线罩有不同的材料要求,如美国波音公司用玻璃纤维增强塑料研制出 “波马克” 天线罩,美国乔治亚理工学院的石英纤维复合材料用于 “爱国者” 防空导弹等;机载天线罩常用石英纤维和 Kevlar 纤维,像美国 F - 15 和 F - 22 战斗机的锥形天线罩采用石英纤维 / 氰酸酯树脂复合材料;地面天线罩需具有宽频带透波性能等,常用玻璃纤维和不饱和聚酯树脂,如东莞市米亚玻璃制品有限公司和哈尔滨哈玻拓普复合材料有限公司生产的天线罩已广泛应用。
1.2 印刷电路板
印刷电路板是电子元器件信号传输的支撑部件和载体,在多个领域广泛应用。目前 GFs/FR - 4 环氧基复合材料是工业印刷电路板的标准材料,随着 5G 技术发展,自贡市天龙化工有限责任公司和南亚电路板股份有限公司共同开发的含氟树脂基底,应用于高集成度、高速度、高频率的印制电路板领域。
2 透波复合材料聚合物基体
聚合物基体是实现聚合物基体透波复合材料功能特性的主体材料,需具备多种优异性能。常用的耐高温树脂基透波复合材料基体有双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂、聚酰亚胺树脂、邻苯二甲腈树脂、含硅芳炔树脂及有机硅树脂。
2.1 双马来酰亚胺树脂
双马来酰亚胺树脂具有优异耐热性等优势,是制造航天耐高温部件的关键原材料。美国哈克赛尔有限公司开发了相关型号树脂,但固化树脂存在脆性大等缺点。陈立新等研究的改性双马来酰亚胺 / E - 玻璃布复合材料板、黄彬等制备的树脂浇注体、党婧制备的 BMI 树脂基导热复合材料,都展现出良好的力学性能和透波性能。现有研究致力于对其改性,且已研发多种改性体系。
2.2 聚酰亚胺树脂
聚酰亚胺树脂是耐热透波复合材料用树脂基体的主要品种之一,具有突出耐热性和优异高频介电性能等。研究人员聚焦第四代聚酰亚胺复合材料关键技术,通过无机杂化等方式提高其耐温能力。Wu 等、冯晨等、刘含洋等、左小彪等、Wu 等制备的相关复合材料,在不同温度和频率下表现出良好的力学性能和介电性能。目前石英增强聚酰亚胺复合材料已用于多种透波天线罩内罩,并实现多工艺成型,研究主要围绕耐热性和低介电性能展开。
2.3 氰酸酯树脂
氰酸酯是透波领域常用树脂基体,含有特殊官能团,固化后有高度对称三嗪环结构,在宽温度和频率范围内波传输效率好,介电常数和介电损耗低,还具备优良热稳定性等。陈梦怡等、敖辽辉、潘翠红等、梁恒亮等制备的氰酸酯树脂基复合材料,都具有良好的力学性能和介电性能,适用于不同应用场景。
2.4 邻苯二甲腈树脂
邻苯二甲腈树脂是新兴热固性树脂,固化产物高温力学性质稳定,具有多种优异性能,有望用于航空航天等领域。王蒙娜等制备的聚酰亚胺增韧邻苯二甲腈固化物及石英纤维增强复合材料实现了增韧增强且不降低介电性能;邬祚强合成的含二氮杂萘酮结构聚芳醚型邻苯二甲腈树脂基复合材料,在特定频率下表现出优于其他树脂基复合材料的高温介电性能。
2.5 含硅芳炔树脂
含硅芳炔树脂是新型有机 - 无机杂化聚合物,具有耐高温、耐烧蚀、易加工等优异性能。顾昊等、肖沅谕等制备的以含硅芳炔树脂为基体的复合材料,在不同温度下力学强度保持率较高,在宽频范围内介电常数稳定,介电损耗低。
2.6 有机硅树脂
有机硅树脂突出优点是耐热性和优良介电性能,玻纤增强有机硅树脂基复合材料耐高温性能好,是俄罗斯航空透波材料的主流。我国对其研究多侧重于胶黏剂,作为复合材料基体树脂弹性模量较差。以二苯基 - 炔基硅(MDPES)为代表的烯基硅固化后综合介电常数优异,短期耐温可达 550℃,但该类复合材料力学性能较低,需改善层间抗剪强度。
3 用于透波复合材料的增强纤维
常用的透波材料是纤维增强树脂基复合材料,增强纤维分为无机纤维和有机纤维,起主要力学承载作用,选择时需考虑复合材料的力学性能和透波特性。常见增强纤维有玻璃纤维、高硅氧纤维、石英纤维等,其性能参数不同。纤维的结构、排列方式会影响复合材料透波性能,且增强纤维与聚合物基体界面相容性差,通常需对纤维表面进行改性,以提升复合材料界面性能和透波性能,如陈平等研究偶联剂对玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料界面介电性能的影响。
4 结论
聚合物基透波复合材料在多个领域发挥重要作用。聚合物基体的介电性能和耐热性能、增强纤维的多种性能分别决定和影响着复合材料的使用温度和整体力学性能。目前该材料研究存在两个亟待解决的关键技术问题:一是在不破坏纤维结构前提下提高纤维表面活性,实现合适的界面结合强度;二是通过整体结构 / 功能设计,综合改善介电、机械和高温性能。透波复合材料作为新材料面临诸多挑战,需要开发环保性更好、性能更优、成本更低的可持续性发展材料。
武元娥;樊林峰;史新月;李 松,北京玻钢院复合材料有限公司;北京航天长征飞行器研究所,202408