透波復合材料以其優異的透波性能，廣泛地應用于各種飛機、雷達、導彈衛星的天線罩和天線窗，在國防、航空航天等領域發揮著重要的作用。透波復合材料通常分為兩類：一種為無機材料，如氧化鋁、二氧化硅、玻璃陶瓷、氮化硅、氮化硼等。無機材料在厘米波范圍內能滿足雷達罩電氣性能的要求，透波性能良好。但對于毫米波段(波長在1-1000mm，頻率在0.3-300GHz缸范圍的電磁波)和有寬帶性能的天線罩來看，則顯示出強度低、壁較厚等缺點，另一種為纖維增強有機耐熱樹脂基復合材料。在軍用航空領域，隨著高載荷高飛行速度戰術導彈的發展，多選有機耐熱樹脂基復合材料作透波材料。

    樹脂基透波復合材料是由增強纖維、樹脂基體所組成，是一類集結構、防熱、透波于一體的功能復合材料，具有優良的電性能，介電常數ε和介電損耗tanδ都很小，且具有足夠的力學強度和適當的彈性模量。本文主要綜述了基體材料和增強纖維的研究現狀，并分析了界面對透波復合材料的性能影響規律。

    1 透波復合材料的要求

    航空航天技術和軍事科學技術的發展對透波材料的性能提出了很高的要求。為了高效、可靠地起到透波作用，一般要求透波材料具有優異的介電性能、良好的耐熱性、耐環境性及較高的機械強度。

    1)介電性能。高性能的透波材料一般要求具有良好的介電性能，即要有低的介電常數(ε<10)和損耗角正切值(tanδ<10^-2)。一般情況下，在0.3-300GHz頻率范圍內，透波材料的適宜ε值為1-4，tanδ占為10^-1-10^-3，這樣才能獲得較理想的透波性能和較水的傳輸損失。

    2)耐熱性。透波材料對熱性能的要求非常嚴格，包括要求材料具有低的熱膨脹系數、寬的工作溫度范圍及良好的耐燒蝕性等，否則環境溫度的快速變化會在材料內產生高的熱應力而導致材料變形或損毀，嚴重影響其透波及使用性能。

    3)耐環境性。透波材料要求具有良好的耐環境性，如抗粒子云侵蝕以及抗雨蝕性等。因為透波材料的使用環境常常比較復雜，很多透波材料被用在航天飛行器中，受到粒子云撞擊，材料表面會變得粗糙不平，一方面影響了結構性能，另一方面，改變了材料的壁厚分布，從而影響其電氣性能。水分的侵蝕不僅影響材料介電性能，而且還會使材料分層、剝離，嚴重破壞。

    4)力學性能。在滿足透波性能的基礎上，透波材料對力學性能的要求也很重要。透波材料往往作為承載材料使用，要求能夠滿足一定載荷條件下的強度和剛度的要水，具有一定強度和模量等良好力學性能，的透波材料對于保證透波系統的機械可靠性至關重要。

    2 透波復合材料常用的樹脂基體

    目前應用于透波材料的樹脂基體主要有環氧樹脂(EP)、聚酰亞胺樹脂(PI)、雙馬來酰亞胺樹脂(BMI)、氰酸酯樹脂(CE)等。

    2.1 環氧樹脂

    應用于透波材料的環氧樹脂主要是FR-4、多官能團環氧及改性環氧等，它們是目前國內外軍民用航空領域透波復合材料生產的主體樹脂基體(產量占總量的90%)。環氧基透波復合材料的優點是工藝成熟、性能穩定、力學性能良好等。缺點是耐熱性不夠(FR-4的玻璃化轉變溫度為130℃，改性環氧為150-180℃)，介電性能較差，吸水率、耐濕熱穩定性差等。這些缺陷限制了環氧樹脂在透波材料領域的應用。經過多年的研究，環氧透波復合材料體系的正切損耗降低仍不明顯，目前的水平為0.018-0.020。

    2.2 聚酰亞胺樹脂

    聚酰亞胺樹脂具有高的耐熱性(T_g>250℃)，較好的介電性能(在50MHz以下，介電常數為4.1，介質損耗為0.008)，機械性能、耐化學品性及尺寸性穩定性也比較優秀，是一種具有發展潛力的透波材料用樹脂基體。但聚酰亞胺樹脂成型溫度高(>300℃)，加工條件苛刻，給其廣泛應用帶來一定的困難。美國研究開發的基于PI的透波材料有PMR-15、AFR-7000及其改性材料等，日本群榮化學公司以聚酰亞胺樹脂和納米纖維為原料研制成功了聚酰亞胺納米纖維。國內對PI透波材料進行了一些實驗性研究，也取得了一些突破性的進展，由南京工業大學和常州市廣成新型塑料有限公司聯合研發生產的熱塑性聚酰亞胺及其規?；a技術填補了國內空白，產品性能達到國際先進水平。

    2.3 雙馬來酰亞胺樹脂(BMI)

    BMI具有良好的耐熱性、優異的力學性能和電性能，其ε為3.1-3.5，tanδ為0.005-0.020，耐潮濕、耐化學藥品、耐宇宙射線，而且加工性能良好，是一類理想的先進透波復合材料用樹脂基體，目前，我國在這方面的研究已經達到了國際水平。由于BMI純度不夠，雜質太多造成介電損耗較大，這也是造成BMI樹脂難以廣泛應用的大原因。目前這個技術難關已被攻克，西北工業大學化工系研制成功的4501A、4501B及4503等牌號的BMI具有良好的力學性能、耐熱性和介電性能，是綜合性能較好的透波復合材料用樹脂基體。宮兆合等利用TDE-90EP與4501A BMI共混，獲得了適于纏繞成型和手糊成型的高性能樹脂基體，具有優異的工藝性和耐熱性，在155℃下復合材料的強度、模量保留率明顯高于TDE-85EP基透波復合材料，并具有優異的介電性能，有利于提高透波率和降低反射率。國外基于BMI的透波材料有Hexcel P550、Hexcel F855等；但由于受到樹脂材料本身結構與性能的限制，BMI樹脂的介電性能只能達到某一個界限，很難有一個明顯突破，還需要進一步研究改進。

    2.4 氰酸酯樹脂

    氰酸酯樹脂具有優異的介電性能，其ε=2.6-3.1，tanδ=0.002-0.005，且在X-W波段內介電性能變化很小；力學性能優于PTFE、PI和BMI；耐熱性優異，玻璃化轉變溫度T_g>260℃，其中PT樹脂(氰酸酯化線性酚醛樹脂)的T_g更是高達415℃；另外工藝性非常好，具有與環氧相當的成型工藝性，可以用目前常用的復合材料成型工藝對其加工，也可以用低成本制造RTM技術進行加工。盡管氰酸酯樹脂具有上述優點，它也存在一些不足之處，如固化后的CE樹脂由于三嗪環交聯密度過大而韌性較差，脆性較大，與環氧樹脂相比，CE的工藝性較差，反應溫度較高，預浸料的鋪覆性不如環氧樹脂等，因此，還不能得到大范圍的實際應用。目前，國外研制的CE透波材料有BASF公司的5575-2、ICI Fiberite公司的X54-2、Hexcel公司的HX1584-3、Dow化學公司的XU-71787等。國內氰酸酯樹脂的研究也有了突破性的進展，西北工業大學化工系與航空一集團637研究所共同研究的改性氰酸酯樹脂已得到應用。

    2.5 有機硅樹脂

    有機硅樹脂具有耐高低溫、抗熱震以及優良的電氣絕緣和透電磁波性能，在高溫、潮濕下的介電性能仍很穩定，也是一種重要的雷達罩材料。俄羅斯多年來一直在進行以有機硅樹脂為基體的透波復合材料的研究，并已廣泛地應用于導彈、雷達、航天飛機等領域。但它的缺點是機械強度較低，且須高壓成型。針對這些不足之處，近幾年研究人員對有機硅樹脂進行改性或與其他樹脂進行共混，以克服其缺點，大限度地發揮其優異性能。宋麥麗等的研究表明，用甲基硅樹脂作為基體的透波復合材料介電性能優良，在800℃和1200℃高溫處理后，當電磁波的頻率為9.30GHz時，介電常數小于3.5，材料透波率高達90%以上。

    2.6 聚四氟乙烯樹脂

    在聚四氟乙烯(PTFE)中，氟原子取代了聚乙烯中的氫原子，由于氟原子半徑(0.064nm)大于氫原子半徑(0.028nm)，使得C-C鏈由聚乙烯的平面的、充分伸展的曲折構象漸漸扭轉到PTFE的螺旋構象。由于PTFE不同一般的分子組成與結構，使其具有了優異的介電性能、寬廣的工作溫度范圍、良好的非炭化燒蝕性、極好的耐化學腐蝕性等優良性能，由于具有如此優異的綜合性能，聚四氟乙烯作為透波復合材料樹脂基體的優勢非常明顯。但由于它的力學性能差、線膨脹系數較大、成型和二次加工困難且價格比其他塑料貴等缺點，很大程度上限制了聚四氟乙烯在透波領域的廣泛應用。因此，尋找適當的方法對聚四氟乙烯進行性能改進，以擴大其應用的領域，是目前國內外聚四氟乙烯研究的重要方向。

    3 透波復合材料常用的增強纖維

    在透波復合材料中早使用的是無堿E玻璃纖維，后來又有高強度玻璃纖維(S-glass)、高模量玻璃纖維(M-glass)和低介電玻璃纖維(D-glass)。真正用于雷達罩的專用玻璃纖維主要是D-玻璃纖維。它具有較低的介電常數和正切損耗，但其機械性能要比E-玻璃纖維、S-玻璃纖維的低一些。新型低介電D玻璃纖維是一種硅硼纖維(72%-75%的SiO₂，23%的B₂O₃)，主要用于制造雷達罩，目的是改善電性能和減少厚度以降低實心罩的質量。石英玻璃纖維的化學成份是純度達99.5%以上的二氧化硅，其介電常數和正切損耗與上述玻璃纖維相比小，并且具有彈性模量隨溫度升高而增加的罕見特性，并可實現寬頻透波，使其應用在高性能雷達罩上。目前主要研究玻璃纖維的鋪層方向與復合材料介電性能的關系及其數學模型的建立。

    芳綸纖維具有較低的密度、優越的抗沖擊性和比剛度高、比強度高等特性，在航空上得到廣泛應用，有取代玻璃纖維的趨勢。然而由于纖維中大分子對稱性高，容易造成復合材料構件濕漲開裂，電性能降低，因而在雷達罩中的應用受到影響。目前主要采用Kevlar芳綸纖維與碳纖維進行混合使用，形成“三明治”結構來提高復合材料的性能。

    聚乙烯纖維是密度小、介電性能優良的一種增強纖維，由于其表面惰性導致纖維與樹脂黏附性差，必須對纖維進行表面處理，同時選擇合適的樹脂體系。超高摩爾質量聚乙烯纖維(UHMPE)強度高、不吸水、抗沖擊，在X波段至毫米波段范圍內，具有優良的介電性能，與樹脂浸潤性好，復合材料的防彈性和力學性能在高溫下保持穩定，是一種很有前途的高性能雷達罩增強材料。常與其他纖維混合成透波混雜復合材料使用。目前國外導彈天線罩大多已采用此種纖維。各種增強體纖維的性能見表1。

    表1  各種增強體纖維的性能

    Tab 1  Characteristics of different reinforcing fibers

纖維品種	密度/g?cm-3	拉伸強度/MPa	彈性模量/GPa	介電常數(10GHz)	正切損耗(10GHz)
E-玻纖	2.54	3140	73.0	6.13	0.0055
S-玻纖	2.49	4020	82.9	5.21	0.0068
M-玻纖	2.77	3700	91.6	7.00	0.0039
D-玻纖	2.10	2000	48.0	4.00	0.0026
石英玻纖	2.20	1700	72.0	3.78	0.0002
高硅氧玻纖	2.30	2500	52.0	4.00	0.0048
Kevlar-49	1.46	3620	152	2.5	0.0015
UHMPE纖維	0.9	5010	192.8	3.0	0.0001

    4 界面對透波復合材料性能的影響

    樹脂基復合材料中增強體與樹脂基體接觸構成的界面是一層具有一定厚度，結構隨基體和增強體而異，與基體性能有明顯差別的新相。它是增強體與基體連接的“紐帶”，也是應力及其他信息傳遞的“橋梁”。它不僅影響復合材料的力學性能，而且對其介電性能、線膨脹系數、固化應力等性能也將產生極為重要的影響，特別是在加入偶聯劑后這種影響尤為顯著。一般來說，纖維經偶聯劑處理后，增加了纖維和樹脂基體間在界面的牢固結合，提高了其復合材料的力學性能和耐環境介質穩定性。這方面的主要研究有：纖維/樹脂基體界面的表征，界面耐環境介質的降解行為和偶聯劑對纖維/樹脂基復合材料力學性能的影響。近年來，陳平等在偶聯劑種類對玻璃纖維/環氧基復合材料介電性能的影響關系、界面介電性能的優化設計等方面均進行了較系統的研究工作，同時也進行了一些較為深入的理論探討。

    樹脂基透波復合材料是由增強纖維、樹脂基體以及復合材料界面組成的，所以透波復合材料的介電性能不僅由二者的介電性能決定，而且也受到界面介電性能的影響。復合材料界面層介電損耗角正切(Tanδ_i)公式(1)進行計算。

    Tanδ_i=[ε_rε_gtanδ-ε(V_rε_gtanδ_r+V_gε_rtanδ_g)]/[ε_rε_g-ε(V_rε_g+V_gε_r)]  (1)

    式中，V_r、V_g分別為樹脂基體、玻璃纖維的體積分數；ε、ε_r、ε_g分別為復合材料、樹脂基體、玻璃纖維的介電常數；tanδ、tanδ_r、tanδ_g、tanδ_i分別為復合材料、樹脂基體、玻璃纖維、界面層的介電損耗角正切。

    表2列出了經不同偶聯劑處理的玻璃纖維/環氧復命材料的介電性能及用公式(1)計算出的界面介電性能。

    表2  不同偶聯劑處理后的玻璃纖維/環氧單向復合材料的介電性能

    Tab 2  Dielectric characteristics of glass fiber/epoxy resin

    Composites treated by different coupling agents

性能

玻璃纖維

環氧樹脂

Ⅰ-0未處理

Ⅰ-1沃蘭

Ⅰ-2 A-1100

Ⅰ3 A-186