透波复合材料以其优异的透波性能，广泛地应用于各种飞机、雷达、导弹卫星的天线罩和天线窗，在国防、航空航天等领域发挥着重要的作用。透波复合材料通常分为两类：一种为无机材料，如氧化铝、二氧化硅、玻璃陶瓷、氮化硅、氮化硼等。无机材料在厘米波范围内能满足雷达罩电气性能的要求，透波性能良好。但对于毫米波段(波长在1-1000mm，频率在0.3-300GHz缸范围的电磁波)和有宽带性能的天线罩来看，则显示出强度低、壁较厚等缺点，另一种为纤维增强有机耐热树脂基复合材料。在军用航空领域，随着高载荷高飞行速度战术导弹的发展，多选有机耐热树脂基复合材料作透波材料。

    树脂基透波复合材料是由增强纤维、树脂基体所组成，是一类集结构、防热、透波于一体的功能复合材料，具有优良的电性能，介电常数ε和介电损耗tanδ都很小，且具有足够的力学强度和适当的弹性模量。本文主要综述了基体材料和增强纤维的研究现状，并分析了界面对透波复合材料的性能影响规律。

    1 透波复合材料的要求

    航空航天技术和军事科学技术的发展对透波材料的性能提出了很高的要求。为了高效、可靠地起到透波作用，一般要求透波材料具有优异的介电性能、良好的耐热性、耐环境性及较高的机械强度。

    1)介电性能。高性能的透波材料一般要求具有良好的介电性能，即要有低的介电常数(ε<10)和损耗角正切值(tanδ<10^-2)。一般情况下，在0.3-300GHz频率范围内，透波材料的适宜ε值为1-4，tanδ占为10^-1-10^-3，这样才能获得较理想的透波性能和较水的传输损失。

    2)耐热性。透波材料对热性能的要求非常严格，包括要求材料具有低的热膨胀系数、宽的工作温度范围及良好的耐烧蚀性等，否则环境温度的快速变化会在材料内产生高的热应力而导致材料变形或损毁，严重影响其透波及使用性能。

    3)耐环境性。透波材料要求具有良好的耐环境性，如抗粒子云侵蚀以及抗雨蚀性等。因为透波材料的使用环境常常比较复杂，很多透波材料被用在航天飞行器中，受到粒子云撞击，材料表面会变得粗糙不平，一方面影响了结构性能，另一方面，改变了材料的壁厚分布，从而影响其电气性能。水分的侵蚀不仅影响材料介电性能，而且还会使材料分层、剥离，严重破坏。

    4)力学性能。在满足透波性能的基础上，透波材料对力学性能的要求也很重要。透波材料往往作为承载材料使用，要求能够满足一定载荷条件下的强度和刚度的要水，具有一定强度和模量等良好力学性能，的透波材料对于保证透波系统的机械可靠性至关重要。

    2 透波复合材料常用的树脂基体

    目前应用于透波材料的树脂基体主要有环氧树脂(EP)、聚酰亚胺树脂(PI)、双马来酰亚胺树脂(BMI)、氰酸酯树脂(CE)等。

    2.1 环氧树脂

    应用于透波材料的环氧树脂主要是FR-4、多官能团环氧及改性环氧等，它们是目前国内外军民用航空领域透波复合材料生产的主体树脂基体(产量占总量的90%)。环氧基透波复合材料的优点是工艺成熟、性能稳定、力学性能良好等。缺点是耐热性不够(FR-4的玻璃化转变温度为130℃，改性环氧为150-180℃)，介电性能较差，吸水率、耐湿热稳定性差等。这些缺陷限制了环氧树脂在透波材料领域的应用。经过多年的研究，环氧透波复合材料体系的正切损耗降低仍不明显，目前的水平为0.018-0.020。

    2.2 聚酰亚胺树脂

    聚酰亚胺树脂具有高的耐热性(T_g>250℃)，较好的介电性能(在50MHz以下，介电常数为4.1，介质损耗为0.008)，机械性能、耐化学品性及尺寸性稳定性也比较优秀，是一种具有发展潜力的透波材料用树脂基体。但聚酰亚胺树脂成型温度高(>300℃)，加工条件苛刻，给其广泛应用带来一定的困难。美国研究开发的基于PI的透波材料有PMR-15、AFR-7000及其改性材料等，日本群荣化学公司以聚酰亚胺树脂和纳米纤维为原料研制成功了聚酰亚胺纳米纤维。国内对PI透波材料进行了一些实验性研究，也取得了一些突破性的进展，由南京工业大学和常州市广成新型塑料有限公司联合研发生产的热塑性聚酰亚胺及其规模化生产技术填补了国内空白，产品性能达到国际先进水平。

    2.3 双马来酰亚胺树脂(BMI)

    BMI具有良好的耐热性、优异的力学性能和电性能，其ε为3.1-3.5，tanδ为0.005-0.020，耐潮湿、耐化学药品、耐宇宙射线，而且加工性能良好，是一类理想的先进透波复合材料用树脂基体，目前，我国在这方面的研究已经达到了国际水平。由于BMI纯度不够，杂质太多造成介电损耗较大，这也是造成BMI树脂难以广泛应用的大原因。目前这个技术难关已被攻克，西北工业大学化工系研制成功的4501A、4501B及4503等牌号的BMI具有良好的力学性能、耐热性和介电性能，是综合性能较好的透波复合材料用树脂基体。宫兆合等利用TDE-90EP与4501A BMI共混，获得了适于缠绕成型和手糊成型的高性能树脂基体，具有优异的工艺性和耐热性，在155℃下复合材料的强度、模量保留率明显高于TDE-85EP基透波复合材料，并具有优异的介电性能，有利于提高透波率和降低反射率。国外基于BMI的透波材料有Hexcel P550、Hexcel F855等；但由于受到树脂材料本身结构与性能的限制，BMI树脂的介电性能只能达到某一个界限，很难有一个明显突破，还需要进一步研究改进。

    2.4 氰酸酯树脂

    氰酸酯树脂具有优异的介电性能，其ε=2.6-3.1，tanδ=0.002-0.005，且在X-W波段内介电性能变化很小；力学性能优于PTFE、PI和BMI；耐热性优异，玻璃化转变温度T_g>260℃，其中PT树脂(氰酸酯化线性酚醛树脂)的T_g更是高达415℃；另外工艺性非常好，具有与环氧相当的成型工艺性，可以用目前常用的复合材料成型工艺对其加工，也可以用低成本制造RTM技术进行加工。尽管氰酸酯树脂具有上述优点，它也存在一些不足之处，如固化后的CE树脂由于三嗪环交联密度过大而韧性较差，脆性较大，与环氧树脂相比，CE的工艺性较差，反应温度较高，预浸料的铺覆性不如环氧树脂等，因此，还不能得到大范围的实际应用。目前，国外研制的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化学公司的XU-71787等。国内氰酸酯树脂的研究也有了突破性的进展，西北工业大学化工系与航空一集团637研究所共同研究的改性氰酸酯树脂已得到应用。

    2.5 有机硅树脂

    有机硅树脂具有耐高低温、抗热震以及优良的电气绝缘和透电磁波性能，在高温、潮湿下的介电性能仍很稳定，也是一种重要的雷达罩材料。俄罗斯多年来一直在进行以有机硅树脂为基体的透波复合材料的研究，并已广泛地应用于导弹、雷达、航天飞机等领域。但它的缺点是机械强度较低，且须高压成型。针对这些不足之处，近几年研究人员对有机硅树脂进行改性或与其他树脂进行共混，以克服其缺点，大限度地发挥其优异性能。宋麦丽等的研究表明，用甲基硅树脂作为基体的透波复合材料介电性能优良，在800℃和1200℃高温处理后，当电磁波的频率为9.30GHz时，介电常数小于3.5，材料透波率高达90%以上。

    2.6 聚四氟乙烯树脂

    在聚四氟乙烯(PTFE)中，氟原子取代了聚乙烯中的氢原子，由于氟原子半径(0.064nm)大于氢原子半径(0.028nm)，使得C-C链由聚乙烯的平面的、充分伸展的曲折构象渐渐扭转到PTFE的螺旋构象。由于PTFE不同一般的分子组成与结构，使其具有了优异的介电性能、宽广的工作温度范围、良好的非炭化烧蚀性、极好的耐化学腐蚀性等优良性能，由于具有如此优异的综合性能，聚四氟乙烯作为透波复合材料树脂基体的优势非常明显。但由于它的力学性能差、线膨胀系数较大、成型和二次加工困难且价格比其他塑料贵等缺点，很大程度上限制了聚四氟乙烯在透波领域的广泛应用。因此，寻找适当的方法对聚四氟乙烯进行性能改进，以扩大其应用的领域，是目前国内外聚四氟乙烯研究的重要方向。

    3 透波复合材料常用的增强纤维

    在透波复合材料中早使用的是无碱E玻璃纤维，后来又有高强度玻璃纤维(S-glass)、高模量玻璃纤维(M-glass)和低介电玻璃纤维(D-glass)。真正用于雷达罩的专用玻璃纤维主要是D-玻璃纤维。它具有较低的介电常数和正切损耗，但其机械性能要比E-玻璃纤维、S-玻璃纤维的低一些。新型低介电D玻璃纤维是一种硅硼纤维(72%-75%的SiO₂，23%的B₂O₃)，主要用于制造雷达罩，目的是改善电性能和减少厚度以降低实心罩的质量。石英玻璃纤维的化学成份是纯度达99.5%以上的二氧化硅，其介电常数和正切损耗与上述玻璃纤维相比小，并且具有弹性模量随温度升高而增加的罕见特性，并可实现宽频透波，使其应用在高性能雷达罩上。目前主要研究玻璃纤维的铺层方向与复合材料介电性能的关系及其数学模型的建立。

    芳纶纤维具有较低的密度、优越的抗冲击性和比刚度高、比强度高等特性，在航空上得到广泛应用，有取代玻璃纤维的趋势。然而由于纤维中大分子对称性高，容易造成复合材料构件湿涨开裂，电性能降低，因而在雷达罩中的应用受到影响。目前主要采用Kevlar芳纶纤维与碳纤维进行混合使用，形成“三明治”结构来提高复合材料的性能。

    聚乙烯纤维是密度小、介电性能优良的一种增强纤维，由于其表面惰性导致纤维与树脂黏附性差，必须对纤维进行表面处理，同时选择合适的树脂体系。超高摩尔质量聚乙烯纤维(UHMPE)强度高、不吸水、抗冲击，在X波段至毫米波段范围内，具有优良的介电性能，与树脂浸润性好，复合材料的防弹性和力学性能在高温下保持稳定，是一种很有前途的高性能雷达罩增强材料。常与其他纤维混合成透波混杂复合材料使用。目前国外导弹天线罩大多已采用此种纤维。各种增强体纤维的性能见表1。

    表1  各种增强体纤维的性能

    Tab 1  Characteristics of different reinforcing fibers

纤维品种	密度/g・cm-3	拉伸强度/MPa	弹性模量/GPa	介电常数(10GHz)	正切损耗(10GHz)
E-玻纤	2.54	3140	73.0	6.13	0.0055
S-玻纤	2.49	4020	82.9	5.21	0.0068
M-玻纤	2.77	3700	91.6	7.00	0.0039
D-玻纤	2.10	2000	48.0	4.00	0.0026
石英玻纤	2.20	1700	72.0	3.78	0.0002
高硅氧玻纤	2.30	2500	52.0	4.00	0.0048
Kevlar-49	1.46	3620	152	2.5	0.0015
UHMPE纤维	0.9	5010	192.8	3.0	0.0001

    4 界面对透波复合材料性能的影响

    树脂基复合材料中增强体与树脂基体接触构成的界面是一层具有一定厚度，结构随基体和增强体而异，与基体性能有明显差别的新相。它是增强体与基体连接的“纽带”，也是应力及其他信息传递的“桥梁”。它不仅影响复合材料的力学性能，而且对其介电性能、线膨胀系数、固化应力等性能也将产生极为重要的影响，特别是在加入偶联剂后这种影响尤为显著。一般来说，纤维经偶联剂处理后，增加了纤维和树脂基体间在界面的牢固结合，提高了其复合材料的力学性能和耐环境介质稳定性。这方面的主要研究有：纤维/树脂基体界面的表征，界面耐环境介质的降解行为和偶联剂对纤维/树脂基复合材料力学性能的影响。近年来，陈平等在偶联剂种类对玻璃纤维/环氧基复合材料介电性能的影响关系、界面介电性能的优化设计等方面均进行了较系统的研究工作，同时也进行了一些较为深入的理论探讨。

    树脂基透波复合材料是由增强纤维、树脂基体以及复合材料界面组成的，所以透波复合材料的介电性能不仅由二者的介电性能决定，而且也受到界面介电性能的影响。复合材料界面层介电损耗角正切(Tanδ_i)公式(1)进行计算。

    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分别为树脂基体、玻璃纤维的体积分数；ε、ε_r、ε_g分别为复合材料、树脂基体、玻璃纤维的介电常数；tanδ、tanδ_r、tanδ_g、tanδ_i分别为复合材料、树脂基体、玻璃纤维、界面层的介电损耗角正切。

    表2列出了经不同偶联剂处理的玻璃纤维/环氧复命材料的介电性能及用公式(1)计算出的界面介电性能。

    表2  不同偶联剂处理后的玻璃纤维/环氧单向复合材料的介电性能

    Tab 2  Dielectric characteristics of glass fiber/epoxy resin

    Composites treated by different coupling agents

性能

玻璃纤维

环氧树脂

Ⅰ-0未处理

Ⅰ-1沃兰

Ⅰ-2 A-1100

Ⅰ3 A-186