洪旭辉等:玻璃纤维增强树脂基复合材料的介电特性 键的含量低;(3)分子带有较多支链,可以增大材料 除上述热固性树脂外,聚四氟乙烯(PTFE)分子 的自由体积,降低极性键的浓度。但在实际应用中 不带极性,具有优异的介电性能,其介电常数ε很小 除了考虑介电性能外,还必须同时考虑机械性能、耐 在-40~250℃、5~10内稳定在2.1左右,介电损 温性吸湿性和加工工艺性等 耗角正切也很小,为104~103数量级。优异的介电 高性能复合材料应用的基体通常为热固性树性能使其作为透波复合材料应用具有明显的优势,近 脂,包括:酚醛树脂、不饱和聚酯、环氧树脂、双马来年来众多科学工作者对其进行了大量研究工作,并将 酰亚胺树脂、聚酰亚胺、有机硅树脂、氰酸酯树脂等。其开发应用推进到了一个新的阶段切。 这些树脂的介电性能及玻璃化温度见表1。 12增强纤维 环氧树脂由于具有价格、加工工艺性及综合性 增强材料是复合材料中力学强度的主要承担 能方面的优势,目前在工程上应用较为广泛。近年者,一般来说其介电常数高于树脂基体,又在复合材 来,双马树脂在耐高温介质材料上的应用有所增加。料中占有较高的体积含量,因此是决定复合材料介 氰酸酯树脂或其改性树脂由于介电性能优异而备受电性能的主要因素。目前用于制造介质材料的玻璃 关注。国外研究开发较多,已商品化的有几十种,在维的性能见表2。 高性能透波材料,如雷达罩等方面得到了应用。国 E纤维又称无碱玻璃纤维,是玻璃纤维中最早 内研究开发较晚。 用于介质材料的品种。从表2可以看出它的各项性 表1树脂的介电性能 能都处于中间位置,价格是最低的。D纤维又称低 材料介电常数ε损耗角正切t玻璃化转变温度Ig/℃ 介电玻璃纤维,是专门为介质材料研制的新型玻璃 聚酰亚胺27~3.20005~0008 纤维,E和y仅次于石英纤维,但拉伸强度和模量 酚醛树脂45~500015~0030 稍低,可用于制造介电性能要求高的制品。石英纤 环氧树脂32~5.00010~0019 维的介电性能最好,并且能够在较宽的频带范围内 不饱和聚酯28~410006~0026 80~100 基本不变化,因此可实现天线罩的宽频透波性,在高 双马树脂28~3.2 性能的机载天线罩上己有应用,价格是E纤维的30 有机硅树脂29~5.00003~0030 250~300 40倍,由于价格昂贵,使用不普遍。S纤维又称高 异氰酸酯27~3.2 0.005 强玻璃纤维,力学性能是玻璃纤维中最好的,介电性 氰酸酯树脂28~320002 ~αo08130~-200能中等,可用于对结构性能要求较高的介电性能与 :在9375×03MH下测得 结构强度一体材料。 表2增强纤维的基本性能1 介电常数(9.375(H2)介电损耗角正切(93751z) 对密度(g/m3)拉伸强度GPa弹性模量/GiPa E玻纤 613 720 S玻纤 00068 石英纤维 00002 针对石英纤维介电性能好,但价格高,E纤维成能的影响可以用界面极化来分析。界面极化是指在 本低,但介电常数高的矛盾, B leay等报道了用空非均匀介质系统中,当两种介质的介电常数和电导 心E纤维和石英纤维混杂编织,可以得到成本低廉 率不同时,在两种介质的界面上将有电荷积累,从而 力学性能和电气性能都较优异的增强材料 产生相应的极化。非均匀介质宏观性质既与构成它 13界面的影响 的各组元本身的性质有关,也与各组元的形状及混 复合材料中,纤维与树脂基体间的界面是应力 合方式有关。界面的微观结构少见理想的表述与模 应变及电压在基体和纤维间有效传递的桥梁,良好型,只能通过材料的宏观性能反映 的界面能够提高复合材料的力学性能和介电性能, A leksand ra在研究了后处理型玻璃纤维增强 降低材料的吸湿率 织物的热处理工艺和偶联剂种类对复合材料性能的 复合材料中,纤维与树脂的界面对材料介电性影响后认为,玻璃纤维织物的处理温度不能超过 201994-2010ChinaacademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:/www.cnki.ner© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 4期 洪旭辉等 :玻璃纤维增强树脂基复合材料的介电特性 键的含量低 ; (3)分子带有较多支链 ,可以增大材料 的自由体积 ,降低极性键的浓度。但在实际应用中 , 除了考虑介电性能外 ,还必须同时考虑机械性能、耐 温性、吸湿性和加工工艺性等。 高性能复合材料应用的基体通常为热固性树 脂 ,包括 :酚醛树脂、不饱和聚酯、环氧树脂、双马来 酰亚胺树脂、聚酰亚胺、有机硅树脂、氰酸酯树脂等。 这些树脂的介电性能及玻璃化温度见表 1。 环氧树脂由于具有价格、加工工艺性及综合性 能方面的优势 ,目前在工程上应用较为广泛。近年 来 ,双马树脂在耐高温介质材料上的应用有所增加。 氰酸酯树脂或其改性树脂由于介电性能优异而备受 关注。国外研究开发较多 ,已商品化的有几十种 ,在 高性能透波材料 ,如雷达罩等方面得到了应用。国 内研究开发较晚。 表 1 树脂的介电性能 3 [ 3～6] 材料 介电常数 ε 损耗角正切 tgδ 玻璃化转变温度 Tg/℃ 聚酰亚胺 2. 7～3. 2 0. 005～0. 008 220～260 酚醛树脂 4. 5～5. 0 0. 015～0. 030 180～250 环氧树脂 3. 2～5. 0 0. 010～0. 019 110～150 不饱和聚酯 2. 8～4. 1 0. 006～0. 026 80～100 双马树脂 2. 8～3. 2 0. 012 180～260 有机硅树脂 2. 9～5. 0 0. 003～0. 030 250～300 异氰酸酯 2. 7～3. 2 0. 005 - 氰酸酯树脂 2. 8～3. 2 0. 002～0. 008 130～200 3 : 在 9. 375 ×10 3MHz下测得 除上述热固性树脂外 ,聚四氟乙烯 (PTFE)分子 不带极性 ,具有优异的介电性能 ,其介电常数 ε很小 , 在 - 40～250℃、5～10GHz内稳定在 211左右 ,介电损 耗角正切也很小 ,为 10 - 4 ～10 - 5数量级。优异的介电 性能使其作为透波复合材料应用具有明显的优势 ,近 年来众多科学工作者对其进行了大量研究工作 ,并将 其开发应用推进到了一个新的阶段 [ 7 ]。 1. 2 增强纤维 增强材料是复合材料中力学强度的主要承担 者 ,一般来说其介电常数高于树脂基体 ,又在复合材 料中占有较高的体积含量 ,因此是决定复合材料介 电性能的主要因素。目前用于制造介质材料的玻璃 纤维的性能见表 2。 E纤维又称无碱玻璃纤维 ,是玻璃纤维中最早 用于介质材料的品种。从表 2可以看出它的各项性 能都处于中间位置 ,价格是最低的。D纤维又称低 介电玻璃纤维 ,是专门为介质材料研制的新型玻璃 纤维 ,ε和 tgδ仅次于石英纤维 ,但拉伸强度和模量 稍低 ,可用于制造介电性能要求高的制品。石英纤 维的介电性能最好 ,并且能够在较宽的频带范围内 基本不变化 ,因此可实现天线罩的宽频透波性 ,在高 性能的机载天线罩上已有应用 ,价格是 E纤维的 30 ～40倍 ,由于价格昂贵 ,使用不普遍。S纤维又称高 强玻璃纤维 ,力学性能是玻璃纤维中最好的 ,介电性 能中等 ,可用于对结构性能要求较高的介电性能与 结构强度一体材料。 表 2 增强纤维的基本性能 [ 3～6] 材料 介电常数 (9. 375GHz) 介电损耗角正切 (9. 375GHz) 相对密度 / ( g/ cm 3 ) 拉伸强度 /GPa 弹性模量 /GPa E玻纤 6. 13 0. 0039 2. 54 3. 45 72. 0 S玻纤 5. 21 0. 0068 2. 49 4. 00 85. 0 D玻纤 4. 00 0. 0026 2. 16 2. 40 52. 0 石英纤维 3. 78 0. 0002 2. 20 1. 70 72. 0 针对石英纤维介电性能好 ,但价格高 , E纤维成 本低 ,但介电常数高的矛盾 , Bleay等 [ 8 ]报道了用空 心 E纤维和石英纤维混杂编织 ,可以得到成本低廉、 力学性能和电气性能都较优异的增强材料。 1. 3 界面的影响 复合材料中 ,纤维与树脂基体间的界面是应力、 应变及电压在基体和纤维间有效传递的桥梁 ,良好 的界面能够提高复合材料的力学性能和介电性能 , 降低材料的吸湿率。 复合材料中 ,纤维与树脂的界面对材料介电性 能的影响可以用界面极化来分析。界面极化是指在 非均匀介质系统中 ,当两种介质的介电常数和电导 率不同时 ,在两种介质的界面上将有电荷积累 ,从而 产生相应的极化。非均匀介质宏观性质既与构成它 的各组元本身的性质有关 ,也与各组元的形状及混 合方式有关。界面的微观结构少见理想的表述与模 型 ,只能通过材料的宏观性能反映。 A leksandra [ 9 ]在研究了后处理型玻璃纤维增强 织物的热处理工艺和偶联剂种类对复合材料性能的 影响后认为 ,玻璃纤维织物的处理温度不能超过 ·17·