耐高能量密度大功率改性氰酸酯復合材料性能的研究
摘要：本文研究了三維E布織物(EZK織物)/改性氰酸酯和石項纖維織物/改性氰酸酯復合材料的力學性能和介電性能，試驗結果表明EZK織物/改性氰酸酯和石英纖維織物/改性氰酸酯復合材料具有良好的力學性能和介電性能。Ku頻段等效平板的小透波率為95.2%，大反射率為0.014%。高能量密度大功率微波作用下12分鐘后等效平板和周圍環境達到熱平衡，高溫度為79℃。
隨著現代電子對抗技術的發展和偵查與反偵查技術的不斷提高，各種新型干擾雷達不斷裝備在飛機上。由于機載雷達罩受到飛機的氣動外形限制，雷達罩和雷達之間的距離很小，干擾雷達的功率很大，使得大功率微波在有限距離內能量衰減非常小，特別是Ku頻段的雷達，能量密度很高，大功率微波激發復合材料分子振動而產生熱量，熱量短時間內急劇增加，溫度升高很快，當溫度超過復合材料的使用溫度，會燒蝕甚至燒毀雷達罩，危及飛行安全，目前應用在航空和航海及地面上的玻璃布蜂窩和No-mex蜂窩結構形式的復合材料天線罩在能量密度高達6W/cm2的大功率微波作用下短時間內出現了不同程度的燒蝕現象，因此研究耐高能量密度大功率功的復合材料成為一個急需解決的問題。
本文研究了耐高能量密度大功率EZK織物／改性氰酸酯和石英纖維／改性氰酸酯復合材料的力學性能和介電性能及等效平板的透波性能和耐高能量密度大功率性能。
1 試驗部分
1.1 原料
試驗所用原科為改性氰酸酯樹脂，自制QW280和QW120石英纖維織物，購自荊州市菲利華石英玻璃有限公司；EZK織物，購自南京玻璃纖維研究院；化學溶劑為分析純。
1.2 預成型體制備[-page-]
用改性氰酸酯樹脂溶液均勻地浸潤EZK織物，放置24h后，在70℃/0.5h＋120℃/0.5h＋160℃/0.5h+180℃/1h條件下進行預成型。
1.3 復合材料制備
用改性氰酸酯樹脂溶液均勻地浸潤在石英纖維織物上，放置陰暗地方，待揮發分小于2%，進行裁剪和鋪層，按照壓力為0.3MPa 120℃/0.5h＋160℃/0.5h＋180℃/lh＋200℃/3h的固化工藝進行固化。
1.4 等效平板制備
按照Ku頻段復合材料等效平板的設計要求進行裁剪和鋪層，與預成型體進行組合，固化工藝同復合材料制備。在等效平板表面噴氟涂層，涂層總厚度小于0.8μm。
1.5 性能測試
力學性能測定：使用INSTRON MODE 1185材料試驗機，測試方法為ASTM標準；介電性能：諧振腔法，頻率為9.375GHz；透波勝能測試在微波暗室中進行；大功率試驗在開闊場地進行，總功率大于2400W，能量密度為6~9W/cm2，試驗頻率為Ku頻段。
2 結果與討論
2.1 復合材料的力學性能
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如圖1所示，EZK織物/改性氰酸酯預成型體的結構不同于Nomex/酚醛樹脂的結構，預成型體的上下表面用E玻璃纖維連接，形成了三維立體結構，連接方式為單方向，非密閉形式，在大功率微波作用下有利于熱量傳輸。Nomex/酚醛樹脂的結構是六邊形，形成夾層結構后成為密閉結構，不利于熱量迅速傳輸，熱量容易在夾層結構中產生累積，燒毀復合材料。
如表1所示，EZK織物/改性氰酸酯樹脂的密度為200g/ cm3，力學性能與Nomex/酚醛樹脂的力學性能相當，介電性能略高于Nomex/酚醛樹脂材料，是理想的耐大功率芯層復合材料。[-page-]
如表2所示，QW280/改性氰酸酯和QW120/改性氰酸酯復合材料具有良好的力學性能，層間剪切強度大于60MPa。由于QW280織物在經向和緯向的紗根數相差近一倍，所以QW280/改性氰酸酯樹脂復合材料兩個方向上力學性能存在較大差異。
QW280/改性氰酸酯和QW120/改性氰酸酯復合材料的介電常數為3.3，介電損耗正切為0.0060，介電損耗正切越小，微波在復合材料中中損耗越小，大功率微波下產生的熱量越小，是非常理想的耐大功率復合材料材料。[-page-]
2.2 Ku頻段等效平板的透波性能當高能量密度大功率微波輻射到等效平板上，少量微波被反射掉，大部分微波透過等效平板，其余部分被等效平板的復合材料吸收，這部分能量引發復合材料分子間振動并轉化為熱能，表現為等效平板的內外表面溫度升高，因此要求耐高能量密度大功率微波的等效平板的透波率高和反射率小。
如圖2所示，在不同入射角下等效平板的小透波率為95.2%，大反射率為0.014%，表明等效平板具有良好透波性能。
2.3 高能量密度大功率微波下復合材料的熱平衡性[-page-]
材料的介電損耗正切是引起復合材料熱效應的重要因素，介電損耗正切越小，透波率越高，被復合材料吸收的微波能量就越少，其溫度升高越不明顯。大功率微波作用下復合材料的溫度除與自身材料的介電損耗正切有關外，還與能量密度有關。
如圖3所示，高能量密度大功率微波發射5min后，等效平板的溫度達到69℃，從12min變化到30min，等效平板的表面溫度幾乎不變，表明等效平板的熱量與周圍環境形成熱平衡，高溫度為79.℃，等效平板的外表面涂層無起泡、變色和燒蝕等異常現象。
3 結 論
(1) EZK織物/改性氰酸酯復合材料的密度較少力學性能與Nomex蜂窩的力學性能相當，介電損耗正切小，是理想的耐高能量密度大功率芯層復合材料；
(2) QW120/改性氰酸酯和QW280/改性氰酸酯復合材料的力學性能良好，介電性能優異；
(3) 等效平板的小透波率為95.2%，大反射率為0.014%。大功率條件下等效平板的熱平衡時間為12min，高溫度為79℃。
隨著現代電子對抗技術的發展和偵查與反偵查技術的不斷提高，各種新型干擾雷達不斷裝備在飛機上。由于機載雷達罩受到飛機的氣動外形限制，雷達罩和雷達之間的距離很小，干擾雷達的功率很大，使得大功率微波在有限距離內能量衰減非常小，特別是Ku頻段的雷達，能量密度很高，大功率微波激發復合材料分子振動而產生熱量，熱量短時間內急劇增加，溫度升高很快，當溫度超過復合材料的使用溫度，會燒蝕甚至燒毀雷達罩，危及飛行安全，目前應用在航空和航海及地面上的玻璃布蜂窩和No-mex蜂窩結構形式的復合材料天線罩在能量密度高達6W/cm2的大功率微波作用下短時間內出現了不同程度的燒蝕現象，因此研究耐高能量密度大功率功的復合材料成為一個急需解決的問題。
本文研究了耐高能量密度大功率EZK織物／改性氰酸酯和石英纖維／改性氰酸酯復合材料的力學性能和介電性能及等效平板的透波性能和耐高能量密度大功率性能。
1 試驗部分
1.1 原料
試驗所用原科為改性氰酸酯樹脂，自制QW280和QW120石英纖維織物，購自荊州市菲利華石英玻璃有限公司；EZK織物，購自南京玻璃纖維研究院；化學溶劑為分析純。
1.2 預成型體制備[-page-]
用改性氰酸酯樹脂溶液均勻地浸潤EZK織物，放置24h后，在70℃/0.5h＋120℃/0.5h＋160℃/0.5h+180℃/1h條件下進行預成型。
1.3 復合材料制備
用改性氰酸酯樹脂溶液均勻地浸潤在石英纖維織物上，放置陰暗地方，待揮發分小于2%，進行裁剪和鋪層，按照壓力為0.3MPa 120℃/0.5h＋160℃/0.5h＋180℃/lh＋200℃/3h的固化工藝進行固化。
1.4 等效平板制備
按照Ku頻段復合材料等效平板的設計要求進行裁剪和鋪層，與預成型體進行組合，固化工藝同復合材料制備。在等效平板表面噴氟涂層，涂層總厚度小于0.8μm。
1.5 性能測試
力學性能測定：使用INSTRON MODE 1185材料試驗機，測試方法為ASTM標準；介電性能：諧振腔法，頻率為9.375GHz；透波勝能測試在微波暗室中進行；大功率試驗在開闊場地進行，總功率大于2400W，能量密度為6~9W/cm2，試驗頻率為Ku頻段。
2 結果與討論
2.1 復合材料的力學性能
[-page-] 如圖1所示，EZK織物/改性氰酸酯預成型體的結構不同于Nomex/酚醛樹脂的結構，預成型體的上下表面用E玻璃纖維連接，形成了三維立體結構，連接方式為單方向，非密閉形式，在大功率微波作用下有利于熱量傳輸。Nomex/酚醛樹脂的結構是六邊形，形成夾層結構后成為密閉結構，不利于熱量迅速傳輸，熱量容易在夾層結構中產生累積，燒毀復合材料。
如表1所示，EZK織物/改性氰酸酯樹脂的密度為200g/ cm3，力學性能與Nomex/酚醛樹脂的力學性能相當，介電性能略高于Nomex/酚醛樹脂材料，是理想的耐大功率芯層復合材料。[-page-]
如表2所示，QW280/改性氰酸酯和QW120/改性氰酸酯復合材料具有良好的力學性能，層間剪切強度大于60MPa。由于QW280織物在經向和緯向的紗根數相差近一倍，所以QW280/改性氰酸酯樹脂復合材料兩個方向上力學性能存在較大差異。
QW280/改性氰酸酯和QW120/改性氰酸酯復合材料的介電常數為3.3，介電損耗正切為0.0060，介電損耗正切越小，微波在復合材料中中損耗越小，大功率微波下產生的熱量越小，是非常理想的耐大功率復合材料材料。[-page-]
2.2 Ku頻段等效平板的透波性能當高能量密度大功率微波輻射到等效平板上，少量微波被反射掉，大部分微波透過等效平板，其余部分被等效平板的復合材料吸收，這部分能量引發復合材料分子間振動并轉化為熱能，表現為等效平板的內外表面溫度升高，因此要求耐高能量密度大功率微波的等效平板的透波率高和反射率小。
如圖2所示，在不同入射角下等效平板的小透波率為95.2%，大反射率為0.014%，表明等效平板具有良好透波性能。
2.3 高能量密度大功率微波下復合材料的熱平衡性[-page-]
材料的介電損耗正切是引起復合材料熱效應的重要因素，介電損耗正切越小，透波率越高，被復合材料吸收的微波能量就越少，其溫度升高越不明顯。大功率微波作用下復合材料的溫度除與自身材料的介電損耗正切有關外，還與能量密度有關。
如圖3所示，高能量密度大功率微波發射5min后，等效平板的溫度達到69℃，從12min變化到30min，等效平板的表面溫度幾乎不變，表明等效平板的熱量與周圍環境形成熱平衡，高溫度為79.℃，等效平板的外表面涂層無起泡、變色和燒蝕等異常現象。
3 結 論
(1) EZK織物/改性氰酸酯復合材料的密度較少力學性能與Nomex蜂窩的力學性能相當，介電損耗正切小，是理想的耐高能量密度大功率芯層復合材料；
(2) QW120/改性氰酸酯和QW280/改性氰酸酯復合材料的力學性能良好，介電性能優異；
(3) 等效平板的小透波率為95.2%，大反射率為0.014%。大功率條件下等效平板的熱平衡時間為12min，高溫度為79℃。
