新型无机聚合物复合材料.pdf

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1、2 0 0 4 年第 1 期 导航与控制 译文集 新型无机聚合物复合材料 摘 要T e x t r o n系统公司研究出一类具有独特的高温性能和低介电常数的无机硅基聚合物 D I 一1 0 0和 D I 一 2 0 0。这些材料制作的复合材料结构在超过 5 3 8 o C 温度下具有热稳定性，还具有很 低的导热性、极好的耐热冲击性和良好的烧蚀性能。现在有两种树脂用于制造介电复合材料。D I 一1 0 0树脂 目前主要用于浸渍再入飞行器天线窗用的3 D复合材料，并进行了飞行试验。为使用2 D 石英纤维织物制造雷达天线罩，而研制了D I 一 2 0 0树脂。它比 D I 一1 0 0 具有较高的层

2、间剪切强度，并生产出结构性能优异的层压制品。这两种树脂可用于制造多层雷达天线罩的低介 电常数合成泡 沫。这 两种树脂也具有容 易制造常规热固性树脂的能力，这些热固性树脂具有金属或陶瓷材料才 能得 至 0 性 能 1 刖 吾 D I 树脂是一类以硅化学为基础的无机聚合物。这些树脂的化学组成是独特的，并 由优异的高温能 力和低的、稳定的介电常数表征。但 它们具有类似 于有机热固性树脂，如聚酰亚胺 和酚醛的不寻常的 加工能力。目前该树脂被加工成 固体含量为 5 0 的溶液。两种树脂在精加工复合材料零件时，目前在有 限的数量上是可用的。D I 一1 0 0聚合物具有耐高温 能力，极低的吸湿性，并主要用

3、于模塑复合物和 3 D 编织结构 的预浸渍。D I 一2 0 0是用于 2 D层压结构 的韧化树脂，在这里，要求较高的层间剪切性能，虽 然在化学性质上有些不同，两种树脂系统具有相同 的高温能力和稳定的介电性能。D I 一1 0 0 基复合材 料具有较 D I 一2 0 0低 的吸湿性，尽管两种材料 的吸 湿量都是低的。D I 一1 0 0树脂也具有极低的水蒸气 传输速率。当这种树脂用于合成泡沫时，D I 树脂具有无烟 性、防火、高温价电绝缘体的作用。如果介电性能不 是主要的，能够使成本降低，但保持防火、无烟性特 性。由于 D I 一 2 0 0树脂优异的层间剪切强度，因此 D I 一 2 0

4、0树脂对使用石英织物制造雷达天线罩 的结 构是优先选择的树脂系统。2复合材料性能 2 1 一般的结构类型 使用三种成型方法来制造 D I 复合材料。对于 层压制品，可 以使用许多织物 中的任何一种织物。石英和石墨织物是最普通的。用 D I 一2 0 0树脂 的 5 0 固体溶液预浸织物。急聚骤蒸发掉溶剂，并且 织物在 1 2 1 o C 保持几分钟稍微促进树脂固化。然后 把预浸层铺设到所要求的厚度，并置于模具中固化。这种制造方法类似于聚酰亚胺(P I)树脂复合材料使 用的制造方法。第二种结构通常用作天线窗，并包括提供几种 预浸渍树脂的三维织物，以使复合材料致密。这种 结构在 x、Y、Z方向具有

5、相同的性能，但是与 2 D层 压制品比较，制造费用相对昂贵。因此，对于必须经 受再人条件的天线窗可优先选择这种结构。第三种结构包括使用石英微球来制造合成泡 沫。石英微球与 D I 树脂混合以形成刚性捏塑体，它 在真空下固化，以排除溶剂和固化附产物，泡沫很低 的稳定的介电性能使它在多层雷达天线罩结构中有 用，它通常夹在 D I 一2 0 0复合材料蒙皮间。2 2 机械性能和热性能 石英纤维已成为用于制造 D I 结构 的主要增强 物，由于其热稳定性和良好的介电性能。对用 D I 一 1 0 0 树J (3 D Q D I 一1 0 0)预浸渍的 3 D石英纤维预形 体和用 D I 一 2 0 0

6、 树J (2 D Q D I 一 2 0 0)预浸渍的2 D石 英结构进行了试验。这些材料的典型机械性能，如 表 1 所示。表 1 示出 3 D Q D I 一1 0 0 具有优异的压缩 和剪切强度，而其它方面的机械性能是十分相似的。3 D复合材料对这些应用有极好的综合性能，在 3 D 复合材料中，强度在三个主要方向上都很高。但是，由于 3 D Q D I 一1 0 0的制造劳动成本 比2 D Q D I 一 2 0 0 维普资讯 http:/ 6 8 导航与控制 译文集 2 0 0 4 年第 1 期 的明显高。表 1 室温下典型的 D I 复合材料性能 机械性能 3 D Q D I 一1 0

7、 0 3 D Q D I 一2 0 0 极限抗拉强度，k P a 2 4 1 0 0 O 2 6 9 0 0 0 杨氏模量，G P a 1 3 1 1 7 9 初始破坏的压缩强度，k P a 1 3 1 0 0 O 6 3 4 J D 0 最大载荷压缩强度，k P a 3 0 r 7 0 0 O I s o p e s c u 剪切强度，k P a 7 4 5 0 0 1 7 2 0 o 大多数雷达天线罩设计利用预浸渍的 2 D石英 三角织物铺设。因此，在某种情况下，使用在模具上 预浸渍的缝合的织物预形件制造雷达天线罩。缝合 仅占复合材料重量的 1 4，但是，在模塑期间，在 防止层滑移时是有用

8、的。使用 2 8 石英纱 的两端，缝合密度为 6 X 6 缝 寸。缝合和未缝合复合材料的 机械性能，如表 2和表 3 所示。表 2 机械性能：2 I D I 一 2 0 0 未缝合的 复合材料(约 3 2 m m厚)性 能 一3 7 2 1 1 2 6 0 5 3 8 o c 极限抗拉强度，M P a 2 4 5 2 6 7 2 8 6 1 3 4 模量，G P a 1 5 9 1 7 9 1 9 3 1 9 3 抗压强度，M P a 7 3 1 6 3 8 5 1 7 6 6 2 抗压模量，G P a 2 2 1 2 1 6 2 0 8 2 1 6 层间剪切强度，M P a 5 9 6 8

9、7 5 I s o p e s c u 剪切强度，M P a 1 7 2 3 6 2 9 4 抗弯强度，M P a 6 9 6 8 6 2 9 1 0 抗弯模量，G P a 1 9 9 2 0 7 2 0 9 表 3 机械性能：2 D Q D I 一 2 0 0 缝合复合材料 性 能 2 1 1 2 6 0 5 3 8 o c 极限抗拉强度，M P a 2 8 9 3 3 8 1 5 9 模量，G P a 2 0 7 2 2 1 2 2 1 抗压强度，M P e 6 5 5 6 6 9 6 8 3 抗压模量，G P a 2 0 0 2 1 4 2 0 7 层间剪切强度，M P a 4 8 5

10、3 7 2 l s o p e s c u剪切强度，M P a 1 7 0 2 0 2 2 9 0 如表 2和表 3 所示，缝合对复合材料的机械性 能几乎没有影响。D I 树脂的热稳定性是非常好的，在 6 8 0 下，3 0 小时后，重量损失约为 4。在 1 6 0 0 o C 温度下，D I 一 1 0 0 树脂仍然保持其重量的 7 8。图 1 示 出 2 D Q D I 一1 0 0的导热性为温度的函数及氮化硅、P y r o c e r a m 9 6 0 6，和D I 一合成泡沫的典型导热性。在室温下，比 热为 1 0 5 k J k g K和导热系数约为 0 4 3 w m K和热膨

11、 胀系数小于 0 0 0 1 8 m m m m K。低的热膨胀系数也许 是由于石英增强材料和聚合物的无机特性。温度()图 1 各种雷达天线罩材料的导热系数 2 3 介 电性能 D I 一1 0 0和 D I 一2 0 0石英复合材料的介电性能 是相同的，在室温下，每一种 D I 石英复合材料的介 电常数约为 3，而损耗因素约为 0 0 0 8。图 2 示出典 型的 D I 复合材料的介电常数和损失角正切值为温 度和频率的函数。在宽的温度范 围，D I 一1 0 0和 D I 一2 0 0的介电性能几乎没有差别，除在约 8 7 1 o C 温度 下的损耗角正切值外，在此外，D I 一1 0 0

12、的损耗角正 切值开始迅速增加。虽然如此，D I 一1 0 0的损耗角 正切值在 1 0 9 3 o C 温度下仅约为 0 0 8。在 3 0 M H z 一 3 0 G H z 的频率范 围，两种材料具有相对恒定的介电 性能，如图 3所示。这种相对低和恒定介电性能使 这些材料作为天线窗 口和雷达天线罩的理想材料。3 实心壁雷达天线罩制造技术 根据应用确定雷达天线罩的尺寸、形状和电性 能。实心壁雷达天线罩是最简单的结构形式，其厚 度取决于通过雷达天线罩传输的频率，为了制造类 似实心壁雷达天线罩，制造 了模具。对于低的生产 维普资讯 http:/ 第 1 期 新型无机聚合物复合材料 6 9 介电常

13、数与温度的关系 损耗角J下切值 j 温度的关系 温度()0 0 8 0 0 4 垦 禁 温度()图 2 电性能与温度 一 X频带的关系 图 3 电性能与频率的关系 量，模具使用石墨，如 A T J。石墨具有 比金属轻得多 的优点，并且在 D I 复合材料所使用的固化温度下，具有很低的热膨胀系数。能把雷达天线罩尺寸加工 得很准确。典型的实心壁雷达天线罩模具由7 个零部件组 成。最重要的零部件是成形雷达天线罩内表面的阳 模。制造一个对半 的阴模来成形雷达天线罩外表 面，以及保持阴阳模具在一起 的外模体。定位杆也 用于把阴模内的阳模放在中心，底部的铝环使零件 固定在一起，并使模压和搬运容易。可能接触

14、树脂 的所有零部件用聚用氟乙烯连续膜蒙上。正常的模 具开启不会使 D I 树脂析出。5 8 1 型 A s t r o q u a r tz 1I 净化的织物通常用作增强 物。这种织物用在精加工的雷达天线罩上，每层厚 度为 0 2 5 4 m m。如果必须，0 1 2 7 m m厚度织物也是 可用的。使用净化 的纤维，因为任何保护层也许会 在高温下影响介电性能。磨削也降低机械性能。把 织物切成适合雷达天线罩形状(通常是锥形 一椭圆 形)的三角织物。一旦切成要求的层数，用 D I 一2 0 0 树脂溶液浸渍三角织物，并 在 1 2 0 C B阶段保持 7 分钟。然后，在阴模 内敷叠浸渍的三角织物

15、到所要 求的厚度，使用导杆，把 阳模插入阴模内(这是在模 体内)，以保证对准。把全部组件置于压机内并模塑 成形。当模具温度达到 2 6 0 C时，部件在这个温度 下保持约 1 5小时。然后从模具移出天线罩，使用 c a in 控制固化速率，达 2 9 0 oC温度下后固化，并在这 个温度下保持 6 0小时。这唯一需要的加工是把雷 达天线罩的头部和底部修整到合适的尺寸。与天线罩的形状有关，在单层三角织物会合的 边缘，可能存在一个间隙或重叠，这对锥体 一 拱形体 是特别实际的。使接缝旋转，这样单层 内的接缝彼 此不重叠，但在这些点上仍然有密度变化。如果天 线罩壁是厚的，密度差可以忽略不计，如果天线

16、罩壁 是薄的，或者频率很高，接缝可能影响天线罩性能。研究了两种技术，以使三角织物的边缘接缝的 密度变化最小。第一种技术包括仔细切割三角织 物，并在阳模上把每一层放在适当的位置，并用腊涂 覆，把每一层固定在应有 的位置上。精确地放置每 一层，当增加到所要求的层数时，从模具中移出织物 一石腊复合材料。然后用石英纱缝合复合材料，使 每一层固定在应有的位置上，然后用 甲苯或其它的 合适溶液除去石腊，留下精确地适合模具的缝合石 英预形件，把预形件置于阳模上并且 D I 一 2 0 0树脂 预浸渍。树脂是半溶状态，并且模具置于阴模内，当 阳模滑人阴模时，缝合防止层褶皱，并防止接缝在固 化期间开裂。如上所述

17、，缝合对天线罩 的热性能和 机械性能几乎没有影响。第二种技术是使天线罩的结构简化和提供控制 接缝的最好方法。这种技术包括使用石英纱 编织“套”，取代切割三角织物，织物的每一层由适合雷达 天线罩形状的编织保护套组成。编织套没有和几乎 没有开缝，在接缝外，几乎没有密度差。在精加工的 零件中没有褶皱，由于这些层紧紧地密接模具，在固 化期间或模塑组件期 间，不能够动。这种技术的唯 一缺点是生产率低，并且成本高。J a c q u a r d 织机必 须调整到编织织物套，由于所用的纱端的数量和编 程，调节和装配成本是昂贵的。4 多壁天线罩制造 对于某些应用，实心壁天线罩是不满意的，因 此，需要多壁天线罩

18、。在这种情况下，通常使用 D I 一1 0 0 合成泡沫。由石英微球与 D I 一1 0 0 树脂混合 制造泡沫，并在真空下模塑。把泡沫模塑成天线罩 形状或用毛坯或板坯机械加工。如 同所有的 D I 复 合材料一样，合成泡沫在宽频范围，8 2 5 温度下提 维普资讯 http:/ 7 0 导航与控制 译文集 2 0 0 4 年第 1 期 供稳定的介电常数和损耗角正切值。使用 D I 一1 0 0 合成泡沫的多壁复合材料天线罩。多壁天线罩要求更多的生产模具。典型制造工 序如下：制造阳模来成形天线罩的内表面。制造阴 模来成形内蒙皮。模塑蒙皮。对 D I 一1 0 0泡沫环进 行机加工，以匹配天线罩

19、内蒙皮的轮廓，并粗加工外 表面。然后把该泡沫环粘接到内蒙皮上，泡沫加工 到最后形状。制造第二个 阳模和阴模来成形外蒙 皮。从连续固定外蒙皮的阴模移出阳模。一层织物用于内阳模的泡沫表面，以保护泡沫 表面，并对它进行不完全固化。把附加的树脂加到 织物层，组件滑动到装有蒙皮的外阴模中，并使零件 最终固化。制成的天线罩有两块石英织物和 D I 一 双层横截面 高密度 合成泡 要 一 2 0 0树脂的外蒙皮及一个 D I 一1 0 0 合成泡沫芯。对 这些应用可能是足够的，但是已制造更复杂的系统。例如，可以把频率选择表面置于泡沫层的顶部或内 部。对于必须经受烧蚀温度的形状，双层法具有重 要的意义。T e

20、 x t r o n系统公司研究 了把复合材料蒙 皮连接到泡沫芯的专用方部表面延伸的环组成。然 后把环预浸渍干树脂溶液，进行不完全 固化使之变 硬。在环的周围对合成泡沫加压，表面预型体被侵 渍，如果需要更高的强度，把石英纤维加到合成泡沫 中，然后，把全部装配件固化为一个组件。这种结构 使泡沫与表面叠层具有优 良结合。图 4 双层热屏蔽方案 5 结 论 D I 树脂在宽 的温度范 围内具有稳定性能的极 好结合。D I 一 2 0 0石英复合材料低的介 电性能和损 失角正切值不随频率和温度而明显变化。制造方法 与聚酰亚胺复合材料的相同。与陶瓷结构比较，以 相对低 的成本可以制造复杂结构。当复杂结构与 曹运红杨鸿昌译 自S A M P E J o u rna l，9，2 0 0 1 缝合织物复合材料 环 绝热材料 D I 合成泡沫结合时，形成重量轻，稳定的介电结构。上述性能有助于制造具有优异高温性能和电性 能的雷达天线罩。机械性能在 5 2 5 温度下是良好 的，导热性和膨胀系数是低 的。D I 一2 0 0 石英复合 材料允许使用的缝合和整体双层技术，导致由任何 其它介电材料无法相比的性能范围。维普资讯 http:/