耐高能量密度大功率改性氰酸酯复合材料性能的研究
摘要：本文研究了三维E布织物(EZK织物)/改性氰酸酯和石项纤维织物/改性氰酸酯复合材料的力学性能和介电性能，试验结果表明EZK织物/改性氰酸酯和石英纤维织物/改性氰酸酯复合材料具有良好的力学性能和介电性能。Ku频段等效平板的小透波率为95.2%，大反射率为0.014%。高能量密度大功率微波作用下12分钟后等效平板和周围环境达到热平衡，高温度为79℃。
随着现代电子对抗技术的发展和侦查与反侦查技术的不断提高，各种新型干扰雷达不断装备在飞机上。由于机载雷达罩受到飞机的气动外形限制，雷达罩和雷达之间的距离很小，干扰雷达的功率很大，使得大功率微波在有限距离内能量衰减非常小，特别是Ku频段的雷达，能量密度很高，大功率微波激发复合材料分子振动而产生热量，热量短时间内急剧增加，温度升高很快，当温度超过复合材料的使用温度，会烧蚀甚至烧毁雷达罩，危及飞行安全，目前应用在航空和航海及地面上的玻璃布蜂窝和No-mex蜂窝结构形式的复合材料天线罩在能量密度高达6W/cm2的大功率微波作用下短时间内出现了不同程度的烧蚀现象，因此研究耐高能量密度大功率功的复合材料成为一个急需解决的问题。
本文研究了耐高能量密度大功率EZK织物／改性氰酸酯和石英纤维／改性氰酸酯复合材料的力学性能和介电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 试验部分
1.1 原料
试验所用原科为改性氰酸酯树脂，自制QW280和QW120石英纤维织物，购自荆州市菲利华石英玻璃有限公司；EZK织物，购自南京玻璃纤维研究院；化学溶剂为分析纯。
1.2 预成型体制备[-page-]
用改性氰酸酯树脂溶液均匀地浸润EZK织物，放置24h后，在70℃/0.5h＋120℃/0.5h＋160℃/0.5h+180℃/1h条件下进行预成型。
1.3 复合材料制备
用改性氰酸酯树脂溶液均匀地浸润在石英纤维织物上，放置阴暗地方，待挥发分小于2%，进行裁剪和铺层，按照压力为0.3MPa 120℃/0.5h＋160℃/0.5h＋180℃/lh＋200℃/3h的固化工艺进行固化。
1.4 等效平板制备
按照Ku频段复合材料等效平板的设计要求进行裁剪和铺层，与预成型体进行组合，固化工艺同复合材料制备。在等效平板表面喷氟涂层，涂层总厚度小于0.8μm。
1.5 性能测试
力学性能测定：使用INSTRON MODE 1185材料试验机，测试方法为ASTM标准；介电性能：谐振腔法，频率为9.375GHz；透波胜能测试在微波暗室中进行；大功率试验在开阔场地进行，总功率大于2400W，能量密度为6~9W/cm2，试验频率为Ku频段。
2 结果与讨论
2.1 复合材料的力学性能
[-page-]
如图1所示，EZK织物/改性氰酸酯预成型体的结构不同于Nomex/酚醛树脂的结构，预成型体的上下表面用E玻璃纤维连接，形成了三维立体结构，连接方式为单方向，非密闭形式，在大功率微波作用下有利于热量传输。Nomex/酚醛树脂的结构是六边形，形成夹层结构后成为密闭结构，不利于热量迅速传输，热量容易在夹层结构中产生累积，烧毁复合材料。
如表1所示，EZK织物/改性氰酸酯树脂的密度为200g/ cm3，力学性能与Nomex/酚醛树脂的力学性能相当，介电性能略高于Nomex/酚醛树脂材料，是理想的耐大功率芯层复合材料。[-page-]
如表2所示，QW280/改性氰酸酯和QW120/改性氰酸酯复合材料具有良好的力学性能，层间剪切强度大于60MPa。由于QW280织物在经向和纬向的纱根数相差近一倍，所以QW280/改性氰酸酯树脂复合材料两个方向上力学性能存在较大差异。
QW280/改性氰酸酯和QW120/改性氰酸酯复合材料的介电常数为3.3，介电损耗正切为0.0060，介电损耗正切越小，微波在复合材料中中损耗越小，大功率微波下产生的热量越小，是非常理想的耐大功率复合材料材料。[-page-]
2.2 Ku频段等效平板的透波性能当高能量密度大功率微波辐射到等效平板上，少量微波被反射掉，大部分微波透过等效平板，其余部分被等效平板的复合材料吸收，这部分能量引发复合材料分子间振动并转化为热能，表现为等效平板的内外表面温度升高，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。
如图2所示，在不同入射角下等效平板的小透波率为95.2%，大反射率为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复合材料的热平衡性[-page-]
材料的介电损耗正切是引起复合材料热效应的重要因素，介电损耗正切越小，透波率越高，被复合材料吸收的微波能量就越少，其温度升高越不明显。大功率微波作用下复合材料的温度除与自身材料的介电损耗正切有关外，还与能量密度有关。
如图3所示，高能量密度大功率微波发射5min后，等效平板的温度达到69℃，从12min变化到30min，等效平板的表面温度几乎不变，表明等效平板的热量与周围环境形成热平衡，高温度为79.℃，等效平板的外表面涂层无起泡、变色和烧蚀等异常现象。
3 结 论
(1) EZK织物/改性氰酸酯复合材料的密度较少力学性能与Nomex蜂窝的力学性能相当，介电损耗正切小，是理想的耐高能量密度大功率芯层复合材料；
(2) QW120/改性氰酸酯和QW280/改性氰酸酯复合材料的力学性能良好，介电性能优异；
(3) 等效平板的小透波率为95.2%，大反射率为0.014%。大功率条件下等效平板的热平衡时间为12min，高温度为79℃。
随着现代电子对抗技术的发展和侦查与反侦查技术的不断提高，各种新型干扰雷达不断装备在飞机上。由于机载雷达罩受到飞机的气动外形限制，雷达罩和雷达之间的距离很小，干扰雷达的功率很大，使得大功率微波在有限距离内能量衰减非常小，特别是Ku频段的雷达，能量密度很高，大功率微波激发复合材料分子振动而产生热量，热量短时间内急剧增加，温度升高很快，当温度超过复合材料的使用温度，会烧蚀甚至烧毁雷达罩，危及飞行安全，目前应用在航空和航海及地面上的玻璃布蜂窝和No-mex蜂窝结构形式的复合材料天线罩在能量密度高达6W/cm2的大功率微波作用下短时间内出现了不同程度的烧蚀现象，因此研究耐高能量密度大功率功的复合材料成为一个急需解决的问题。
本文研究了耐高能量密度大功率EZK织物／改性氰酸酯和石英纤维／改性氰酸酯复合材料的力学性能和介电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 试验部分
1.1 原料
试验所用原科为改性氰酸酯树脂，自制QW280和QW120石英纤维织物，购自荆州市菲利华石英玻璃有限公司；EZK织物，购自南京玻璃纤维研究院；化学溶剂为分析纯。
1.2 预成型体制备[-page-]
用改性氰酸酯树脂溶液均匀地浸润EZK织物，放置24h后，在70℃/0.5h＋120℃/0.5h＋160℃/0.5h+180℃/1h条件下进行预成型。
1.3 复合材料制备
用改性氰酸酯树脂溶液均匀地浸润在石英纤维织物上，放置阴暗地方，待挥发分小于2%，进行裁剪和铺层，按照压力为0.3MPa 120℃/0.5h＋160℃/0.5h＋180℃/lh＋200℃/3h的固化工艺进行固化。
1.4 等效平板制备
按照Ku频段复合材料等效平板的设计要求进行裁剪和铺层，与预成型体进行组合，固化工艺同复合材料制备。在等效平板表面喷氟涂层，涂层总厚度小于0.8μm。
1.5 性能测试
力学性能测定：使用INSTRON MODE 1185材料试验机，测试方法为ASTM标准；介电性能：谐振腔法，频率为9.375GHz；透波胜能测试在微波暗室中进行；大功率试验在开阔场地进行，总功率大于2400W，能量密度为6~9W/cm2，试验频率为Ku频段。
2 结果与讨论
2.1 复合材料的力学性能
[-page-] 如图1所示，EZK织物/改性氰酸酯预成型体的结构不同于Nomex/酚醛树脂的结构，预成型体的上下表面用E玻璃纤维连接，形成了三维立体结构，连接方式为单方向，非密闭形式，在大功率微波作用下有利于热量传输。Nomex/酚醛树脂的结构是六边形，形成夹层结构后成为密闭结构，不利于热量迅速传输，热量容易在夹层结构中产生累积，烧毁复合材料。
如表1所示，EZK织物/改性氰酸酯树脂的密度为200g/ cm3，力学性能与Nomex/酚醛树脂的力学性能相当，介电性能略高于Nomex/酚醛树脂材料，是理想的耐大功率芯层复合材料。[-page-]
如表2所示，QW280/改性氰酸酯和QW120/改性氰酸酯复合材料具有良好的力学性能，层间剪切强度大于60MPa。由于QW280织物在经向和纬向的纱根数相差近一倍，所以QW280/改性氰酸酯树脂复合材料两个方向上力学性能存在较大差异。
QW280/改性氰酸酯和QW120/改性氰酸酯复合材料的介电常数为3.3，介电损耗正切为0.0060，介电损耗正切越小，微波在复合材料中中损耗越小，大功率微波下产生的热量越小，是非常理想的耐大功率复合材料材料。[-page-]
2.2 Ku频段等效平板的透波性能当高能量密度大功率微波辐射到等效平板上，少量微波被反射掉，大部分微波透过等效平板，其余部分被等效平板的复合材料吸收，这部分能量引发复合材料分子间振动并转化为热能，表现为等效平板的内外表面温度升高，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。
如图2所示，在不同入射角下等效平板的小透波率为95.2%，大反射率为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复合材料的热平衡性[-page-]
材料的介电损耗正切是引起复合材料热效应的重要因素，介电损耗正切越小，透波率越高，被复合材料吸收的微波能量就越少，其温度升高越不明显。大功率微波作用下复合材料的温度除与自身材料的介电损耗正切有关外，还与能量密度有关。
如图3所示，高能量密度大功率微波发射5min后，等效平板的温度达到69℃，从12min变化到30min，等效平板的表面温度几乎不变，表明等效平板的热量与周围环境形成热平衡，高温度为79.℃，等效平板的外表面涂层无起泡、变色和烧蚀等异常现象。
3 结 论
(1) EZK织物/改性氰酸酯复合材料的密度较少力学性能与Nomex蜂窝的力学性能相当，介电损耗正切小，是理想的耐高能量密度大功率芯层复合材料；
(2) QW120/改性氰酸酯和QW280/改性氰酸酯复合材料的力学性能良好，介电性能优异；
(3) 等效平板的小透波率为95.2%，大反射率为0.014%。大功率条件下等效平板的热平衡时间为12min，高温度为79℃。
