摘　要：本文阐述了单层平板的透波原理，对工艺中影响材料透波的一些因素进行了研究，并对其机理进行了探讨。
关键词：玻璃纤维，不饱和聚酯树脂，玻璃钢，透波性能

1　引　言

　　玻璃钢的透波性能已经得到了广泛的应用，从保护天线的天线罩、电子对抗用的透波墙以及电视发射塔的墙体等，这主要是因为玻璃钢能够将电气性能、力学性能及耐候性很好地统一起来。而玻璃纤维／不饱和聚酯树脂复合材料由于其性能／价格比方面的优势，成为透波产品的选，单层玻璃纤维／不饱和聚酯树脂复合材料的结构和以其作为蒙皮的夹层结构是透波产品基本的结构形式。透波产品在单程传输功率、峰值副瓣电平抬高以及波束偏转等方面的要求都使得产品的均匀性变得非常重要，也就是说，对产品的工艺控制提出了较为严格的要求，笔者在工艺实践中对玻璃纤维／不饱和聚酯树脂复合材料的含量、孔隙率及吸水性等因素对其透波性能的影响作了初步的研究，得出了一些规律，仅供参考。

2　单层平板的透波原理

　　电磁波透过材料时，同时伴随着能量损失，能量损失的原因是由于材料对电磁波的反射与吸收。一般可以用下式来表示：

式中：

　　材料透过电磁波的多少，取决于材料本身的介电性能(ε、tanδ)、结构、厚度、入射角度等。
　　当电磁波自介质b区入射到介质a区时，由于a、b介质的介电常数不同，一部分能量在单层平板的前壁被反射，另一部分被透射；而透射的电磁波在a介质的后壁又发生反射，且其中又有一部分能量通过前壁，与前壁反射的电磁波相迭加，其余的电磁波就是透过a介质的电磁波(图1)。在电磁波的传输过程中，将有一部分能量由于介质损耗使电能变成热而损失。

　　水平极化电磁波能量的损失A与厚度、波长介电性能有关，一般可以表示为：

式中：

　　水平极化电磁波在介质界面上的折射率和反射系数可归纳如下：

式中：

　　透渡率可表示为：

式中：

　　从上述原理可以看出，材料本身的ε、δ对透波性能起着至关重要的作用，较小的电气参数可以获得较小的能馈损失，透过的能量得到加强，这正是透波材料的特点。

3　玻璃纤维／不饱和聚酯树脂复合材料透波性能的研究

3.1　树脂含量对介电性能的影响
　　由图2可以看出：随着复合材料的树脂含量的增加，复合材料的介电常数将降低．损耗角正切增加，介电常数―树脂含量曲线和损耗角正切―树脂含量曲线相交处的树脂含量约为47％左右，此时的介电常数为4.27，损耗角正切为0.018。
　　玻璃纤维／不饱和聚酯复合材料的介电性能是由玻纤和不饱和聚酯的介电性能所共同决定的。通常E-玻纤的介电常数为6.10，不饱和聚酯树脂的介电常数为2.95，树脂的介电常数要小于玻纤的介电常数，由此可以推知，在理想的条件下，复合材料的介电常数应在2.95～6.10之间，即随着树脂成分的增加，复合材料的介电常数将减少；随着纤维含量的提高，复合材料的介电常数将增加。

　　材料的损耗角正切既与介质材料的有限电导率有关，又与分子内部的粘滞力有关。一般E―玻璃纤维的tanδ为0.004，不饱和聚酯树脂的tanδ为0.026，增强材料的tanδ远小于作为基体树脂，因此，当树脂的含量增加时，复合材料内部的粘滞力增加，使复合材料的整体介电损耗角正切增加。
　　对于玻璃纤维／不饱和聚酯树脂复合材料来说，树脂含量对介电性能中的介电常数和介电损耗角正切的影响是相互矛盾的，随树脂含量的提高，ε降低，tanδ增加。而对于透波材料来说，ε降低，材料对电磁波的吸收因子降低，反射系数绝对值减小，意味着材料本体的反射量减小、吸收量也减小，对透波不利；tanδ增加，材料对电磁波的吸收因子增加，意味着材料本体的吸收量(热损耗)增加，对透波不利，为了将ε、tanδ两者兼顾，选择含胶量在45％～50％比较合适。
　　随着树脂含量的提高，复合材料的力学性能将会下降，结果见表1。树脂在复合材料中主要起传递力的作用，主要的承载者为玻璃纤维，这样，在树脂浸渍完全的情况下，树脂含量高，纤维含量低，则力学性能下降。

　　由于复合材料在自然环境中存在老化问题，试验证明老化将使十年后的强度下降20％-35％，这样，考滤到透波产品使用寿命的设计要求，含胶量不能高于52％。
3.2　孔隙率对介性能的影响

　　由图3可以看出：随着孔隙率的增加，复合材料的介电常数、损耗角正切都将降低。由于树脂对增强材料的浸润不良，不能完全排除纤维中夹带的空气，配胶时搅拌引入的空气，固化反应中低分子产物的外溢等原因，使制品中产生孔隙。材料中的孔隙，包括封闭孔隙和开口的孔隙，在干燥的情况下，两种孔隙实质上是被空气所占据的，而空气的介电常数一般情况下接近1，损耗角正切更是接近于零，因此，孔隙率越大，即空气所占据体积越大，对整个复合材料来说，介电常数、损耗角正切将都有所降低，即在透波过程中，反射和热耗都降低，透波率升高。
　　孔隙的存在使原来的连续相被隔断，复合材料的有效承载面积减小，因此，机械性能将下降。表2为不同孔隙下材料拉伸性能的测试结果，从表中可以看出，材料的拉伸强度对孔隙非常敏感，孔隙率由2.3％变化到4.4％，则拉伸强度由237.6MPa降到166.3MPa，下降了30％。综合透波性能与力学性能，孔隙率为3％时较为适宜。

3.3　吸水性对介电性能及拉伸性能的影响

　　为了研究复台材料的吸水性对介电降能的影响，分别对A -151、沃兰进行处理的玻璃布制成的复合材料进行吸水性试验和介电性能的测试，以了解复合材料的吸水性，界面对介电性能影响，结果见表3。

　　表3中可以看出：(1)材料的吸水将对材料的介电性能产生很大的影响，使介电常数ε、损耗角正切tanδ增加，尤其损耗角正切tanδ对含水量特别敏感，不到1％的含水率，将使tanδ增加近六倍。另外，材料吸水将使拉伸强度和模量下降。(2)经A-151和沃兰处理过的玻纤布所制成的复合材料的吸水量要远少于表面未进行后处理的复合材料，介电性能和拉伸性能也较为进行表面后处理的性能下降得少。(3)经过沃兰、A-151偶联剂后处理的玻璃布所制成的复合材料，含水量相近，其介电性能和力学性能略有差砰，A-151的处理效果稍好。
　　从细观方面来看，玻璃纤维复合材料是含有微孔的材料。根据目前的工艺水平，不论采用哪一种表面处理剂和树脂，一方面树脂不能完全浸透到纤维束内部，另一方面铺层之间多少确一些孔隙。因此，玻璃纤维复合材料存在不同程度的吸水现象。
　　吸水后，复合材料的介电性性能的变化，主要是因为水的介电常数和损耗角正切都非常大，分别为81和0.55，水吸入材料后使复合材料本身介电性能有所的提高，其中，介电常数略有提高，而损耗角正切则提高较大，说明材料的吸水将对电磁波的吸收产生重要影响。由于材料表而水分的存在，使得玻璃纤维增强塑料可能由低损耗的材料，变为吸收材料(tanδ≥0.1为吸收材料，0.001≤tanδ≤0.05为低耗材料。
　　吸水后复合材料的力学性能下降，主要是由于水对复合材料的界面的破坏作用。一方面，进入界面的水分，先使树脂溶胀，溶胀致使界面上产生横向拉伸应力，这种应力超过树脂与玻璃纤维间的粘接强度时，界面则发生破坏。另一方面，玻璃纤维复合材料在水的作用下，由于玻璃纤维受到水的作用产生氧氧根离子，使水呈碱性，这将加速聚酯树脂的水解反应，其反应如下：

　　由于树脂的水解引起大分子链的降解，致使树脂层的破坏，进而造成界面粘接破坏。
　　玻璃布经过处理剂处理后，改善了与树脂的界面粘结，一定程度上减少了纤维束内部的孔隙，从而大幅度地减小了复合材料的吸水量，介电性能和拉伸性能得到改善。
　　用处理剂对玻璃纤维的表面进行处理，是利用处理剂的结构特点，将玻璃纤维与树脂牢固地粘结在一起。一般偶联剂的分子量端都含有性质不同的基团：一端的基团与玻璃纤维织物表面发生化学作用或物理作用，另一端的基团则和树脂发生化学或物理作用，从而使玻璃纤维与树脂能很好地偶联起来，获得良好的粘结，有效地抵抗了水的侵蚀。
　　A-151偶联剂处理复合材料的效果要略好于沃兰偶联剂处理复合材料的效果，可能是因为沃兰分子较A-151分子大得多，足以阻碍不饱和树脂对玻璃纤维的浸润，即产生微观分了缺陷，导致沃兰处理的复合材料的界而粘接效果略差，较A-151处理的复合材料易于吸水且力学性能略差。
　　沃兰和A155的处理机理如下：(1)沃兰；(2)A151。

　　以上为偶联剂与玻璃纤维表面的作用机理，偶联剂中的另一端都为不饱和双键，它们与不饱和聚酯树脂在引发剂的作用下发生化学反应。

4　结语

　　玻璃纤维／不饱和聚酯复合材料透波产品成型过程中，应注意材料含胶量、孔隙率和吸水性的控制，它们是影响产品均匀性的主要因素。只有根据产品的设计要求，通过工艺上的合理控制，才能制造出满意的产品。