石英纤维透波复合材料的研究进展
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
关键词 石英纤维 透波 复合材料
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｗａｖｅ－ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｂｙ Ｓｉｌｉｃａ Ｆｉｂｅｒｓ
ＺＨＡＮＧ Ｘｉｏｎｇ１，ＷＡＮＧ Ｙｉ ２，ＣＨＥＮＧ Ｈａｉｆｅｎｇ２
（１ Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ ｉｎ Ｃｈａｎｇｓｈａ Ａｒｅａ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００１１；２ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｆｉｂｅｒｓ ＆ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７３）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｖｅ－ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ， ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｍｏｌｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｓｉｌｉｃａ ｆｉｂｅｒ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｗａｖｅ－ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ａｍｏｎｇ ｓｉｌｉｃａ ｆｉｂｅｒ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｒｅｓｉｎ ｍａｔｒｉｘ ｗａｖｅ－ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ＣＮ，ＰＩ，ａｎｄ ＰＴＦＥ ａｒｅ ｍｏｓｔ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｒｅｓｉｎ ｍａｔｒｉｘｅｓ．Ｗｈｉｌｅ ａｍｏｎｇ ｓｉｌｉｃａ ｆｉｂｅｒ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｅｒａｍｉｃ ｍａｔｒｉｘ ｗａｖｅ－ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｓｉ－ ｌｉｃａ ａｎｄ ｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｍａｔｒｉｘ ｓｈｏｗ ｂｅｔｔｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｓｉｌｉｃａ ｆｉｂｅｒ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｗａｖｅ－ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．
透波复合材 料 就 是 其 中 一 个 重 要 发 展 方 向 。 ［５］ 在 各 种 增 强 纤维（如表１所 示［６］）中，石 英 纤 维 的 化 学 稳 定 性 良 好、抗 热 冲击、耐烧蚀、柔韧 性 好、容 易 编 织 成 型，尤 其 是 其 优 异 的 介 电性能，非常适合航空、航天等透波领域 的 应 用，也 是 目 前 国 外在透波复合材料中采用最多的增强纤维 。 ［７］
· ９６ ·
材料导报
２０１２ 年 ５ 月 第 ２６ 卷 专 辑 １９
石英纤维透波复合材料的研究进展
张 雄１，王 义２，程 海 峰２
（１ 空军驻长沙地区军代室，长沙 ４１００１１；２ 国防科技大学航天与材料工程学院新型陶瓷纤维及其 复合材料国防科技重点实验室，长沙 ４１００７３）
摘要 论述了透波材料的性能要求，分析和比较了各 类 石 英 纤 维 透 波 复 合 材 料 的 优 缺 点 、成 型 方 法 及 研 究 现 状。其中，树脂基石英纤维透波复合材料中，氰酸酯、聚酰亚 胺 和 聚 四 氟 乙 烯 树 脂 基 体 具 有 发 展 潜 力 ；陶 瓷 基 石 英 纤 维 透 波 复 合 材 料 中 ，二 氧 化 硅 和 磷 酸 盐 基 体 性 能 较 优 。 最 后 ，预 测 了 石 英 纤 维 透 波 复 合 材 料 的 发 展 方 向 。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｉｌｉｃａ ｆｉｂｅｒｓ，ｗａｖｅ－ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ，ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ
透波复合材料是指能够透过一定频率电磁波的一类功 能型复合材料，它主要应用于军事及航空、航 天 等 领 域，功 能 是保证飞行器的通讯、遥测、制导、引爆等系 统 在 恶 劣 环 境 条 件下能够正常工作 。 ［１］ 从使用 环 境 和 功 能 考 虑，透 波 材 料 一 般应满足以下性能 要 求［２］：① 优 良 的 介 电 性 能，介 电 常 数（ε） 和损耗角正切（ｔａｎδ）尽 量 要 小，以 获 得 较 高 的 传 输 系 数 和 较 宽 的 壁 厚 容 差 ，并 且ε 和ｔａｎδ 值 随 温 度 和 频 率 的 变 化 越 小 越 好；②优异的力学性能，材料的抗冲击强度 和 机 械 强 度 要 高， 弹性模量要适中，以保证透波材料构件（如天线罩）在 受 力 时 不易变形；③优良 的 抗 热 冲 击 性 能，能 承 受 较 大 的 温 度 梯 度 和较大的热应力，以 保 证 天 线 罩 在 高 速 飞 行 时 的 整 体 性；④ 良好的耐烧蚀性 能 和 隔 热 性 能；⑤ 较 好 的 抗 粒 子 侵 蚀 性 能。 此外，还要求材料 有 较 低 的 密 度，使 飞 行 器 获 得 较 轻 的 质 量 和较快的启动速度 。 ［３］
随着现代化战争的需求以及 航空航 天 技 术 的 发 展，飞 行 器的飞行马赫数 不 断 提 高，因 此，对 透 波 材 料 的 性 能 也 提 出 了越来越高的要求。为此，各军事强国纷纷 加 大 对 高 性 能 透 波材料的研制力度，期望研制出一种高温介电性 能 和 力 学 性 能优良、耐 烧 蚀、抗 热 冲 击 和 抗 雨 蚀 等 综 合 性 能 优 异 的 材 料 。 ［４］ 根据复合材料的设计原 理，大 力 开 发 和 研 制 纤 维 增 强
表 １ 各 种 增 强 纤 维 的 基 本 性 能 Ｔａｂｌｅ １ Ｂａｓｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｆｉｂｅｒ
性能 Ｅ 玻璃 Ｓ玻璃 Ｄ 玻璃 石英玻 Ｋｅｖｌａｒ Ｓｐｅｃｔｒａ 纤维 纤维 纤维 璃纤维 ４９ １０００
密度 ｇ／ｃｍ３ ２．５４ ２．４９ ２．１６ ２．２０ １．４５ ０．９７ 拉伸模 量／ＧＰａ ３．４５ ４．００ ２．４０ １．７０ ３．４５ ３．０ 杨氏模 量／ＧＰａ ７２ ８５ ５２ ７２ １３７ １７２ 介电常数ε ６．１３ ５．２１ ４．００ ３．７８ ３．８５ ２．３ 介电损 耗ｔａｎδ ０．００３８ ０．００６８ ０．００２６ ０．０００２ ０．００１ ０．０００４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｗａｖｅ－ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｂｙ Ｓｉｌｉｃａ Ｆｉｂｅｒｓ
ＺＨＡＮＧ Ｘｉｏｎｇ１，ＷＡＮＧ Ｙｉ ２，ＣＨＥＮＧ Ｈａｉｆｅｎｇ２
（１ Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ ｉｎ Ｃｈａｎｇｓｈａ Ａｒｅａ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００１１；２ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｆｉｂｅｒｓ ＆ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７３）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｖｅ－ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ， ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｍｏｌｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｓｉｌｉｃａ ｆｉｂｅｒ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｗａｖｅ－ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ａｍｏｎｇ ｓｉｌｉｃａ ｆｉｂｅｒ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｒｅｓｉｎ ｍａｔｒｉｘ ｗａｖｅ－ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ＣＮ，ＰＩ，ａｎｄ ＰＴＦＥ ａｒｅ ｍｏｓｔ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｒｅｓｉｎ ｍａｔｒｉｘｅｓ．Ｗｈｉｌｅ ａｍｏｎｇ ｓｉｌｉｃａ ｆｉｂｅｒ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｅｒａｍｉｃ ｍａｔｒｉｘ ｗａｖｅ－ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｓｉ－ ｌｉｃａ ａｎｄ ｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｍａｔｒｉｘ ｓｈｏｗ ｂｅｔｔｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｓｉｌｉｃａ ｆｉｂｅｒ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｗａｖｅ－ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．
透波复合材 料 就 是 其 中 一 个 重 要 发 展 方 向 。 ［５］ 在 各 种 增 强 纤维（如表１所 示［６］）中，石 英 纤 维 的 化 学 稳 定 性 良 好、抗 热 冲击、耐烧蚀、柔韧 性 好、容 易 编 织 成 型，尤 其 是 其 优 异 的 介 电性能，非常适合航空、航天等透波领域 的 应 用，也 是 目 前 国 外在透波复合材料中采用最多的增强纤维 。 ［７］
· ９６ ·
材料导报
２０１２ 年 ５ 月 第 ２６ 卷 专 辑 １９
石英纤维透波复合材料的研究进展
张 雄１，王 义２，程 海 峰２
（１ 空军驻长沙地区军代室，长沙 ４１００１１；２ 国防科技大学航天与材料工程学院新型陶瓷纤维及其 复合材料国防科技重点实验室，长沙 ４１００７３）
摘要 论述了透波材料的性能要求，分析和比较了各 类 石 英 纤 维 透 波 复 合 材 料 的 优 缺 点 、成 型 方 法 及 研 究 现 状。其中，树脂基石英纤维透波复合材料中，氰酸酯、聚酰亚 胺 和 聚 四 氟 乙 烯 树 脂 基 体 具 有 发 展 潜 力 ；陶 瓷 基 石 英 纤 维 透 波 复 合 材 料 中 ，二 氧 化 硅 和 磷 酸 盐 基 体 性 能 较 优 。 最 后 ，预 测 了 石 英 纤 维 透 波 复 合 材 料 的 发 展 方 向 。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｉｌｉｃａ ｆｉｂｅｒｓ，ｗａｖｅ－ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ，ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ
透波复合材料是指能够透过一定频率电磁波的一类功 能型复合材料，它主要应用于军事及航空、航 天 等 领 域，功 能 是保证飞行器的通讯、遥测、制导、引爆等系 统 在 恶 劣 环 境 条 件下能够正常工作 。 ［１］ 从使用 环 境 和 功 能 考 虑，透 波 材 料 一 般应满足以下性能 要 求［２］：① 优 良 的 介 电 性 能，介 电 常 数（ε） 和损耗角正切（ｔａｎδ）尽 量 要 小，以 获 得 较 高 的 传 输 系 数 和 较 宽 的 壁 厚 容 差 ，并 且ε 和ｔａｎδ 值 随 温 度 和 频 率 的 变 化 越 小 越 好；②优异的力学性能，材料的抗冲击强度 和 机 械 强 度 要 高， 弹性模量要适中，以保证透波材料构件（如天线罩）在 受 力 时 不易变形；③优良 的 抗 热 冲 击 性 能，能 承 受 较 大 的 温 度 梯 度 和较大的热应力，以 保 证 天 线 罩 在 高 速 飞 行 时 的 整 体 性；④ 良好的耐烧蚀性 能 和 隔 热 性 能；⑤ 较 好 的 抗 粒 子 侵 蚀 性 能。 此外，还要求材料 有 较 低 的 密 度，使 飞 行 器 获 得 较 轻 的 质 量 和较快的启动速度 。 ［３］
随着现代化战争的需求以及 航空航 天 技 术 的 发 展，飞 行 器的飞行马赫数 不 断 提 高，因 此，对 透 波 材 料 的 性 能 也 提 出 了越来越高的要求。为此，各军事强国纷纷 加 大 对 高 性 能 透 波材料的研制力度，期望研制出一种高温介电性 能 和 力 学 性 能优良、耐 烧 蚀、抗 热 冲 击 和 抗 雨 蚀 等 综 合 性 能 优 异 的 材 料 。 ［４］ 根据复合材料的设计原 理，大 力 开 发 和 研 制 纤 维 增 强
表 １ 各 种 增 强 纤 维 的 基 本 性 能 Ｔａｂｌｅ １ Ｂａｓｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｆｉｂｅｒ
性能 Ｅ 玻璃 Ｓ玻璃 Ｄ 玻璃 石英玻 Ｋｅｖｌａｒ Ｓｐｅｃｔｒａ 纤维 纤维 纤维 璃纤维 ４９ １０００
密度 ｇ／ｃｍ３ ２．５４ ２．４９ ２．１６ ２．２０ １．４５ ０．９７ 拉伸模 量／ＧＰａ ３．４５ ４．００ ２．４０ １．７０ ３．４５ ３．０ 杨氏模 量／ＧＰａ ７２ ８５ ５２ ７２ １３７ １７２ 介电常数ε ６．１３ ５．２１ ４．００ ３．７８ ３．８５ ２．３ 介电损 耗ｔａｎδ ０．００３８ ０．００６８ ０．００２６ ０．０００２ ０．００１ ０．０００４