影响玻璃纤维不饱和聚酯树脂复合材料透皮性能因素的研.pdf

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1、第 2期 2 0 0 2年 6月 纤维复合材料 FI BER Co I】F 0SI T No 2 1 3 J u n，2 0 0 2 影响玻璃 纤维 不 饱和聚酯树 脂 复合 材 料透 波性 能 因素 的研 究 孙 宝华 王兴华 高 禹(哈尔滨玻璃钢研究所，1 5 0 0 3 6)(空军驻长春地区军事代表窄，1 3 0 0 1 2)摘要本文阐述了单层平板的透波原理，对工艺中影响材料透波的一些因素进行了研究，并对其机理进行 r 探讨。关键词玻璃纤维，不饱和 聚酯树脂，玻璃 钢，透 波性能 S t u d y o n t h e F a c t o r s Af f e c t i n g t h

2、 e T r a n s mi t t i n g Pr o p e r t y o f Ma g n e t i c W a v e t h r o u g h Gl a s s Un s a t u r a t e d Po l y e s t e r Re s i n Co mp o s i t e s S u n Ba o h u a W a n g Xi n g h H a Ga o Yu (H a r b i n n P I n s t i t u t e，1 5 0 0 3 6)(A i r F o r c e R e p r e s e n t a t i v e O f fi

3、 c e i n C h a n g c h u n，1 3 0 0 1 2)A BS TR ACT T h i s p a p e r s t u d i e s t h e t r a n s mi s s i o n p r i n c i p l e o f ma g n e t i c w a v e t h r o u g h l a mi n a t e a n d t h e e ff e c t o f p r o c e s s f a c t o r s o n t h e t r a n s mi ssi o n，t h e me c h an i s m i s a

4、l s o d i u s s e d KE Y WORDS g l a s s fi b e r，U P r e s i n，n P，m a g n e t i c wa v e t r a n s mi ssi o n p rop e r t y 1 引 言 玻璃 钢的透波性能 已经得到了广泛 的应用，从 保护天线的天线罩、电子对抗用 的透波墙 以及电视 发射塔的墙体等，这主要是 因为玻璃钢能够将 电气 性能、力学性能及耐侯性很好地统一起来。而玻璃 纤维 不饱和聚酯树脂复合材料由于其性能 价格 比 方面的优势，成 为透波产 品的首选，单层 玻璃纤维 不饱和聚酯树脂复合材料的结构和以其作为蒙

5、皮的 夹层结构是透波产品基本的结构形式。透波产品在 单程传输功率、峰值副瓣 电平抬高以及波束偏转等 方面的要求都使得产品的均匀性变得非常重要，也就 是说，对产品的工艺控制提 出了较 为严格的要求，笔 者在工艺实践 中对玻璃纤维 不饱和聚酯树脂复合材 料的含量、孑 L 隙率及吸水性等因素对其透波性能的影 响作了初步的研究，得出了一些规律，仅供参考。2 单层平板的透波原理 电磁波透过材料时，同时伴随着能量损失，能量 损失的原 因是由于材料对电磁波的反射与吸收。一 般可以用下式来表示：I TI+I RI+A：1 (1)式中：l T l 功率传输 系数；l Rl 功率反射系数；A 在介质中的衰减，主要

6、为热损耗。材料透过电磁波的多少，取决 于材料本身的介 电性能(e、t a n 6)、结构、厚度、入射角度等。当电磁波 自介质 b区入射到介质 a区时，由于 a、b介质的介 电常 数不 同，一部分 能量在单层平 板 的前壁被反射，另一部分被透射；而透射的电磁波在 a介质的后壁又发生 反射，且其 中又有一部分 能量 通过前壁，与前壁反射的电磁波相迭加，其余的电磁 波就是透过 a介质的电磁波(图 1)。在电磁波的传 输过程 中，将有一部分能量 由于介质损耗使 电能变 成热而损失。|图 1 单层 板的投射 j 反射 水平极化电磁波能量的损 失 A与厚度、波长介 电性能有关，一般可以表示为：维普资讯 h

7、ttp:/ 纤维复合材料 2 0 0 2 q A=(2 n d X)(t a n S)(一s i n 2 0)(2)式 中：电磁波的波长，m；e 介质 a的介电常数；t a 介质 a的损耗角正切；卜入射角，。；d 介质 a 的厚度，m。水平极化电磁波在介质界面上的折射率和反射 系数可归纳如下：n _1 h=a c o (E s i n 2 0)(3)r=(1 一n 1)(1+n h)(4)式中 -_1 l 折射率；广-一反射 系数。透波率可表示为：I TI=(1 一 )(1 一T 2)+4 r 2 s i n 2 (5)式中：c 1 5：(2 n d X)(E s i n 2 0)从上述 原理

8、 可以看出，材料本身 的 e、6对透 波 性能起者至关重要的作用，较 小的电气参 数 呵以获 得较小的能量损失，透过的能量得到加强，这正是透 波材料的特点。3 玻璃纤维 不饱和聚酯树脂复合 材 料透 波性能 的研究 3 1 树脂含量对介电性能的影响 由图 2可以看出：随着复合材料的树脂 含最 的 增加，复合材料 的介电常数将 降低，损耗 角正切增 加，介电常数一树脂含量曲线 和损 耗角正切一树脂 含量曲线相交处的树脂含量约为 4 7 左右，此时的 介电常数为 4 2 7，损耗角正切为 0 O 1 8。玻璃纤维 不饱和聚酯 复合材料 的介 电性能 是 由玻纤和不饱和聚酯的介电性能所共同决定的。通

9、 常 E 一玻纤的介电常数 为 6 1 0，不饱和聚酯树脂 的 介电常数为 2 9 5，树脂 的介电常数要小 于玻纤 的介 电常数，由此可 以推知，在理想的条件下，复合 材料 的介电常数应在 2 9 5 6 1 0之间，即随着树脂成分 的增加，复合材料的介电常数将减少；随着纤维含量 的提高，复合材料的介电常数将增加。柑 脂 I r 2 树 脂含世对介电性能的影响 材料的损耗角正切既与介质材料的有限电导率 有关，又与分子 内部 的粘滞力有关。一般 E 一玻 璃 纤维 的 t a n 6为 0 0 0 4，不饱 和 聚酯 树 脂 的 t a 为 0 0 2 6，增强材料的 t a n 8远小于作为

10、基体树脂，因此，当树脂的含量增加时，复合材料内部的粘滞力增加，使 复合材料的整体介电损耗角正切增加。对于玻璃纤维 不饱和聚酯树脂 复合材料来说，树脂含量对介电性能中的介电常数和介电损耗角正 切的影响是 相互 矛盾 的，随树 脂 含量 的提 高，E降 低，t a n 6 增加。而对于透波材料来说，e 降低，材料对 电磁波的吸收因子降低，反射系数绝对值减小，意味 着材料本体的反射量减小、吸收量也减小，对透波不 利；t a n 6增加，材料对电磁波的吸收因子增加，意味 着材料本 体的吸收量(热损耗)增加，对透波 不利。为 r将 、t a n 6两者兼顾，选择含胶量在 4 5 5 0 比较合适。随着树

11、脂 含量 的提高，复合材料的 力学性 能将 会下降，结果 见表 1。树脂 在复合材料 中主要起传 递 力的作用，主要 的承载者 为玻璃纤维，这样，在树 脂浸渍完全的情况下，树脂 含量高，纤 维含量低，则 力学性能下降。表 I 含胶量 与拉伸强度的关 系 由于复合材料在 自然环境中存在老化问题，试 验证明老化将使十年后的强度下 降 2 0 一3 5，这 样，考滤到透波产品使用寿命的设计要求，含胶量不 能高于 5 2。3 2 孔隙率对介性能的影响 由图 3可以看 出：随着孑 L 隙率的增加，复合材料 的介电常数、损耗 角正切都 将降低。由于树脂对增 强材料的浸润不 良，不能完 全排除纤维 中夹带

12、的空 气，配胶时搅拌引入的空气，固化反应 中低分子产物 的外溢等原因，使制品中产生孔隙。材料 中的孔隙，包括封闭孑 L 隙和开 口的孑 L 隙，在干燥的情况下，两种 孔隙实质上是被空气所 占据的，而空气 的介 电常数 一般情况 下接近 1，损 耗角正 切更是 接近 于零，因 此，孑 L 隙率越大，即空气所 占据体积越 大，对整个复 合材料来说，介电常数、损耗角正切将都有 所降低，即在透波过程 中，反射和热耗都降低，透波率升高。孑 L 隙的存在使原来的连续相被隔断，复合材料 的有效承载面积减小，因此，机械性能将下降。表 2 为不同孑 L 隙下材料拉伸性能的测试结果。从表中可 以看出，材料的拉伸

13、强度x,-f L 隙非常敏感，扎隙率 由 2 3 变化到 4 4，则拉伸 强度 由 2 3 7 6 MP a降到 维普资讯 http:/ 孙宝华等：影响玻璃纤维 不饱和聚酯树脂复 合材 料透 波性 能因素的研究。隙 簪 冬 J 3 空隙率 介电性能的 关系(树 脂含量 4 6)1 6 6 3 MP a，下 降 了 3 0。综 合透 波性 能与 力学性 能，孑 L 隙率 为 3 时较为适宜。表 2 不同孔隙率 时拉伸强度 的测量结果(含胶量 4 6)3 3 吸水性对介电性能及拉伸性能的影响 为_ r 研究复合材料的吸水性对介电性能的影响，分别对 A一1 5 1、沃兰进 行处理 的玻璃 布制成的复

14、合 材料进行吸水性试验和介电性能的测试，以了解复合 材料的吸水性、界面对介电性能影响，结果见表 3。表 3 不同处理剂 下复合材料性能与含水 量的关 系 泣：吸 水性 试验 为 2 5 下进行 2 4 h 含胶奇 为 4 6 I G l t z *该组 数据 为未进 行吸水试验 的数据 其余 二组 为 吸水试验 后 的 数据 表 3中可以看出：(1)材料的吸水将对材料的介 电性 能产生很大的影响，使介 电常数 e、损耗角正切 t a n 6 增加，尤其损耗角正切 t a n 对含水量特 别敏感，不到 l 的含水率，将使 t a n 6增加近六倍。另外，材 料吸水将使拉伸强度和模量下降。(2)经

15、 A一1 5 1 和 沃兰处理过的玻纤布所制成的复合材料的吸水量要 远少于表面未进行后处理的复合材料，介 电性 能和 拉伸性能也较未进 行表面后处理的性 能下降得少。(3)经过沃兰、Al 5 l 偶联剂后 处理 的玻璃布所制 成的复合材料，含水量相近，其介电性能和力学性能 略有差异，Al 5 l 的处理效果稍好。从细观方面来看，玻璃纤维复合材料是含有微 孔的材料。根据 目前 的工 艺水平，不论采用哪一种 表面处理剂和树脂，一方面树脂 不能完 全浸透到纤 维束内部，另一方 面铺层之 间 多少有一些 空隙，因 此，玻璃纤维复合材料存在不同程度的吸水现象。吸水后，复合材料的介 电性能 的变化，主要是

16、 因 为水的介 电常数 和损耗 角正切都非常大，分别 为 8 1 和 O 5 5，水吸人材料后使 复合材料本身介电性能有 所的提高，其中，介 电常数 略有提 高，而损 耗角正切 则提高较大，说明材料的吸水将 对电磁波的吸收产 生重要影响。由于材料表 面水分 的存 在，使得玻璃 纤维增强塑料可能 由低损耗 的材料，变为吸收材料(t a f 1 6 O 1为吸收材料，O 0 0 1 t a j 1 6 O 0 5为低耗 材 料)。吸水后 复合材料的力学性能下降，主要是 由于 水对复合材料 的界面的破 坏作用。一方面，进入 界 面的水分，首先使树脂溶胀，溶胀致使 界面上产生横 向拉伸应力，这种应 力

17、超过树脂 与玻璃纤维 问的粘 接强度时，界面则发生破坏。另一方 面，玻璃纤维复 合材料在水的作用下，由于玻璃纤维受 到水的作用 产生氢氧根离子，使水呈碱性，这将加速聚酯树脂的 水解反应，其反应如下：0 0 H R C o R +1 1 2 0 一R C _(卜 O H+R 0 H 由于树脂的水解引起大分子链 的降解，致使树 脂层的破坏，进而造成界面粘接破坏 玻璃布经过处理剂处理后，改善了 与树脂 的界 面粘结，一定程度上减少了纤维束内部 J：f L 隙，从而 大幅度地减小了复合材料的吸水量，介 电性能 和拉 伸性能得到改善。用处理剂对玻璃纤维的表面进 行处理，是利用 处理剂的结构特点，将玻璃纤

18、维与树脂牢 固地粘结 在一起。一般偶联剂的分子量端都含有性质不同的 基团：一端的基团 与玻璃纤维织物表面发生化学作 用或物理作用，另一端的基团则和树脂发生化学或 物理作用，从而使玻璃纤维与树脂能很好地偶联起 来，获得良好的粘结，有效地抵抗了水的侵蚀。A一1 5 1 偶联剂处理 复合材料的效 果要 略好于 沃兰偶联剂处理 复合 材料 的效 果，可能是因为沃兰 分子较 A一1 5 1 分子大得多，足以阻碍不饱和树脂 对 玻璃纤维的浸润，即产生微观分子缺陷，导致沃兰处 理的复合材料的界面粘接效果略差，较 A一1 5 1 处理 的复合材料易于吸水且 力学性能略差。沃兰 和 A1 5 5的处 理机 理

19、如下：(1)沃兰；(2)A1 51。(1)C H 3 一C C H 2 C H 3 C-C H 2 I l，C、C、，c 1 f)?C 1 H 0、9?0 H 、C r 水解 一 ，C1 0 C1 H 一 0 O H 维普资讯 http:/ 纤维复合材料 2(M2钜 一 o 一 i S i S i s i I、o 卜、0 I CH2=：CH 13 H 0一 SI o H 10 I 墼 H O ”f “?I 】一。一 I o I【I b 0 0 f 玻璃 纤 维表 面 I r f r r l r l S l O SI OSi 一 1 l。1 9 玻璃 纤 维表 面 以上为偶联剂与玻璃纤维表面的作

20、用机理，偶 联剂 中的另一端都 为不饱 和双键，它们与不饱 和聚 酯树脂在引发剂 的作用下发生化学反应。4 结语 玻璃纤维 不饱 和聚酯 复合材料透波产 品成 型 过程 中，应注意材 料含胶量、孔 隙率和 吸水性 的控 制，它们是影响产品均匀性 的主要 因素。只有 根据 产品的设计要求，通过工艺上的合理控制，才能制造 出满意的产品。(2)C H 2 C H C H 2 C H 参 考文 献 I z。一 s 3 删 釜 募鬈 。力197学 1 性：1 1能-15 向 H 5 c23 H 6 纤 维 复 合 材 料 19 9 I ll5(2)：l5 一 l9(上接第 5 6页)4 3 表层 涂刷

21、按照用途，选择涂料类或聚酯类表层涂刷材料。各种表层施工方法如下所示 涂料类表层涂刷 使用量 I 程 施工 方法(k g n 口在 F lI P内衬 层固化 后，用抛 光 机、圆盘 式磨 光机进 行表 面打磨 表匝修警 O 2 口注意 切勿表面打 磨过深。打磨 后，清 洁 表碰、涂 刷 防 水 口表 面修 整后，将 颜料 糊(5-1 0)调 和 用 聚 酯 树 脂 人防 水用聚酯树脂，搅 拌混 合。然后按规(着 色)(，0 4 定量调 和固化剂，搅拌 混合。口取规定 量用 毛刷 或滚 筒涂抹，要求均匀 涂)无 色斑。涂 料 系 表 面 口中涂层同化剂、稀释 刹搅拌混 合。材涂刷 O，2 用 琶刷

22、或滚筒按规定量 涂抹，要求 均匀 无 色斑 聚酯树脂 系表层涂刷 使用 量 工程 施 I：方法(k g t 涂 刷 防 水 口F R P内 衬 层 固 化 后、将 颜 料 糊(5-用 聚 酯 树 脂 1 0)调和 人防水 f j 聚 酯树脂、搅 拌混 合。(着 色)(中 0 4 其后按规定越调和固化剂，搅拌混 合。口取规定量用 毛刷或滚筒涂 抹 要求均 匀 涂)无色斑。口中涂层固化 后，用 抛 光机，圆盘 式磨 光 机进行表面修整。表 匝调整 0 4 口注意表面切勿切削过深，口打磨后，清洁表面。口表面调整后，按规定量 调和聚酯树脂 系 聚 酯 树 脂 表面材料和固化剂，搅拌混 合。系 表 面 材 涂 O 3 口用毛刷或滚筒按规定量涂 刷要均 匀无 04 刷 色斑。口按立面、凹凸面、乎匝的顺序进行施T。经过以上施工的玻璃钢屋面，经过 2 4小时完全 固化后即可以投入使用。据 国外资料报道其使用寿 命 可以达到 2 0年。一 一 ，：一 。_ I 6 ：一，一 肿 肿 一 维普资讯 http:/