空心石英玻璃纤维增强氰酸酯基低介电复合材料的制备及性能分析

研究了空心石英纤维增强新型改性氰酸酯树脂基复合材料的力学性能、热物理性能和介电性能,结果表明,空心石英纤维增强氰酸酯复合材料具有较好的力学性能和优异的介电性能。空心石英纤维增强新型改性氰酸酯树脂基复合材料的介电常数低且具有较好的频率稳定性,适合作为宽频高透波材料。     

激光辐照下二维编织碳纤维/环氧树脂复合材料的烧蚀特征

开展了光纤激光对二维编织碳纤维/环氧复合材料的烧蚀试验研究,获得了不同入射热流条件下编织复合材料的烧蚀特征,分析了激光烧蚀机制。结合非接触测温和接触测温两种方法开展试验,采用高温红外热像仪测试了复合材料前表面的瞬态温度场演变过程,通过热电偶获得了复合材料后表面的温升数据。试验结果表明,当入射激光功率密度在102 W·cm-2量级时,二维编织碳纤维/环氧树脂复合材料的环氧树脂发生了明显的质量迁移,而碳纤维形貌变化不大;在强激光辐照过程中,二维编织碳纤维/环氧树脂复合材料的前后表面温差较大,前表面最高温度接近2 000℃,而后表面最高温度在200~500℃之间。     

石英纤维/KH308复合材料的介电性能

为研究石英纤维/聚酰亚胺（KH308）复合材料介电性能与纤维体积分数、频率、温度和吸水率之间的关系,通过热压成型法,制备了4种不同纤维体积含量的石英纤维/KH308复合材料,采用高Q谐腔法分别测试这4种复合材料在不同状态下的介电常数和介电损耗。结果表明：石英纤维/KH308复合材料的介电常数随着纤维体积分数增加而变大,介电损耗随纤维体积分数变化不大;7~18 GHz频率下,复合材料的介电常数和介电损耗基本不随频率变化;25~300℃下,复合材料的介电常数随温度增加变化比较平缓,而介电损耗随温度的增加而降低;复合材料吸水后,介电常数和介电损耗都会增加;复合材料介电常数ε<4,介电损耗tanδ<0.1,能满足导弹天线罩透波材料介电性能的要求。     

激光参数对碳纤维复合材料质量烧蚀率的影响

为了研究激光参数对碳纤维增强有机硅改性环氧树脂复合材料质量烧蚀率的影响规律, 选用不同激光参数、采用高强度CO₂激光器对该复合材料进行了激光辐照试验。分别分析了入射激光的辐照时间、强度和光斑直径对碳纤维增强有机硅改性环氧树脂复合材料质量烧蚀率的影响规律。研究结果表明: 激光辐照时间对该复合材料的质量烧蚀率的影响不大, 而该复合材料的质量烧蚀率随入射激光强度和光斑直径的增大而增大。      

复合材料激光辐照实验中的吸收特性研究

在复合材料激光烧蚀研究中,首要解决的问题是激光的吸收问题。利用积分球法测量了材料蒙皮层及材料整体结构对1.319μm红外激光的反射率和透过率,获得了蒙皮层材料激光吸收特性随厚度的变化规律,以及材料表面状态变化导致的反射与透射特性的变化。在此基础上研究了蜂窝夹层材料激光烧蚀前后的反射、透射性能变化,结果表明,材料表面碳化后对近红外激光的反射率由30%降为10%左右,透过率由40%降为0,平均吸收率由30%增加到90%,蜂窝夹层材料对激光的吸收大大增加。     

γ射线辐照对高模量碳纤维及碳纤维/氰酸酯复合材料性能的影响

通过模拟空间γ射线辐照环境,采用⁶⁰Co-γ射线对高模量碳纤维及其增强的改性氰酸酯复合材料进行辐照,采用SEM和XRD对辐照前后的碳纤维及碳纤维/氰酸酯复合材料进行了分析和表征,研究了复合材料的质量损失率、拉伸性能及层间剪切强度随γ射线辐照剂量的变化规律。结果表明,γ射线辐照能增加碳纤维表面粗糙度;质量损失率随γ射线辐照剂量增大先增加后趋于平缓,但均小于1%;碳纤维/氰酸酯复合材料拉伸性能与层间剪切强度均随γ射线辐照剂量增大先提高后降低,在吸收剂量为5×10⁵ rad时出现最大值,拉伸强度为1 803 MPa,拉伸模量为243 GPa,层间剪切强度为72 MPa。     

片状石墨增强树脂基复合材料的耐激光烧蚀性能研究

采用刷涂的方法制备了一种新型的片状石墨增强钡酚醛树脂基复合材料, 并采用重频激光辐照的方法, 对其耐烧蚀性能进行了研究. 研究结果表明: 片状石墨增强钡酚醛树脂基复合材料在平均功率密度为1700 J/cm²的重频激光辐照下的热烧蚀率为32.8 μg/J, 耐激光烧蚀性能明显高于碳纤维增强的钡酚醛树脂基复合材料和钡酚醛树脂; 片状石墨增强钡酚醛树脂基复合材料中的片状石墨呈近平行的层状分布方式, 在激光辐照过程中能对入射激光起到平面反射作用, 从而有效地降低激光辐照的能量沉积; 片状石墨的片型对复合材料的耐烧蚀性能有影响, φ0.5 mm的片状石墨增强的复合材料的耐激光烧蚀性能最好.     

低密度酚醛树脂基热防护复合材料的制备及性能

烧蚀热防护是目前最成熟且应用最广泛的一种卫星再入防热措施。本工作以酚醛树脂为基体,加入固体填料(空心玻璃微球、空心二氧化硅微球及空心酚醛微球)及纤维(石英纤维、碳纤维)制成一种低密度酚醛树脂基烧蚀热防护复合材料,并通过抗弯和压缩强度测试,隔热测试,烧蚀测试等方法对复合材料的性能与组分配比的关系及复合材料的烧蚀机理进行了分析。对比力学性能、隔热性能及抗烧蚀性能发现,复合材料密度的提高以及碳纤维含量的提高有助于提升复合材料的综合性能,最佳配比为密度0.6 g/cm³、5%石英纤维+5%碳纤维。对比烧蚀前后的成分发现,酚醛树脂在高温下炭化后会与SiO₂反应生成SiC,有助于提升复合材料的抗烧蚀性能。     

天线罩透波材料研究

主要进行了甲基硅树脂基透波材料介电性能研究,结果表明,采用甲基硅树脂做为透波材料基体研制的高性能透波复合材料介电性能优良,材料经800～1200℃高温处理后在电磁波频率为9.30GHz时测试的介电常数小于3.5、材料透波率高达90%以上,能够满足雷达天线罩在800～1200℃工作时对天线罩材料的电性能要求,是比较理想的耐高温高性能透波复合材料.     

碳纤维增强环氧树脂复合材料在切向气流和激光作用下的损伤

实验研究了靶板表面有0.4 Mach(1 Mach=340 m/s)切向空气气流、 0.4 Mach切向氮气气流和无气流时, 976 nm连续激光对碳纤维增强E-51环氧树脂复合材料的辐照效应, 得到了该材料在不同功率密度下的烧蚀规律。实验结果表明: 当样品发生剧烈热分解时, 随热分解气体流出边界的固体颗粒对入射激光有屏蔽作用; 切向气流一方面可以减弱这种屏蔽作用, 有利于辐照区的烧蚀, 另一方面对样品有冷却作用, 不利于烧蚀; 相比于氮气流, 空气流有助于产物的燃烧, 对下游附近区域产生明显的加热作用; 切向空气气流的加载会明显提高扩散到样品表面的氧气浓度, 导致碳纤维发生氧化烧蚀; 三种气流状态下, 当入射激光功率密度在100～800 W/cm²范围内, 随着功率密度的增大, 激光能量的利用效率逐渐降低。     

聚吡咯/聚酯纤维复合材料吸波性能的探讨

聚吡咯是含有π电子共扼体系的高聚物,经掺杂反应电导率发生变化,当其电导率处于半导体状态时,具有良好的吸波性能.本文采用原位聚合法以聚酯纤维为基布,以吡咯为单体,制备具有良好吸波性能的柔性聚吡咯/聚酯纤维复合材料.首先探讨了吡咯浓度,温度,时间对复合材料吸波性能和表面电阻的影响;其次研究了其外观形貌和强力.结果表明:制备的聚吡咯复合材料具有良好的吸波性能;在0~106Hz频率内,吡咯浓度0.8 mol/L实验组,介电常数的实部、虚部均最大;1.0 mol/L实验组的损耗角正切最大;吡咯浓度0.8 mol/L实验组表面电阻最小;室温实验组的介电常数实部、虚部、损耗角正切最大,且明显优于其他组.反应时间150 min实验组的各项介电性能都明显优于其他组,且其电阻最小,导电率最好.     

基于高Q腔法测试氮化硅纤维的介电性能

氮化硅纤维具有优异的耐高温性能和透波能力,是理想的高温透波增强材料。本文对高Q腔法测试陶瓷纤维介电性能的样品制备和测试方法进行了研究和优化。研究发现,介电测试试样中纤维含量应不低于20wt%,含量过低易导致计算所得的纤维介电常数偏低;同时短切纤维的长度主要影响介电测试数据的离散性,由长度不大于1.0 mm的短纤维所制试样质量高,介电测试结果稳定性更佳。对比讨论了Lichtenecker、Bruggeman和Looyenga三种介电混合模型的适用性,最终基于Lichtenecker介电常数对数混合法则计算得到石英纤维的相对介电常数与文献报道数据较一致。分析表明,氮化硅纤维在10 GHz频率下的相对介电常数为4.4,损耗角正切值为0.0005,是优异的低介电高透波材料。同时,表面上浆剂通过改变纤维表面极性特征,对氮化硅纤维介电性能尤其介电损耗产生显著影响。      

三维夹芯层连织物透波复合材料性能研究

考察了玻璃纤维三维夹芯层连织物/氰酸酯(CE)复合材料的透波性能, 并与夹芯层连织物/环氧树脂复合材料和蜂窝夹层结构复合材料进行了对比。研究发现: 实验频段范围内三维夹芯层连织物/氰酸酯复合材料的平均透波率高于蜂窝夹层结构复合材料和夹芯层连织物/环氧树脂复合材料; 夹芯层连织物/氰酸酯复合材料的透波率受电磁波入射角度影响较小, 并且在芯柱高度为8 mm时有最大值, 平行经向入射的透波率略大于平行纬向入射的透波率, 8~12 GHz频率的透波率略大于12~18 GHz的透波率; 由于反射作用, 面板增强后夹芯层连织物/氰酸酯复合材料的透波率下降明显。      

2.5D石英纤维增强硼酚醛树脂可陶瓷化复合材料的制备与烧蚀性能

通过预浸料模压工艺制备了2.5D石英纤维增强硼酚醛树脂可陶瓷化复合材料,采用TG测试、马弗炉静态烧蚀测试、力学测试、氧-乙炔试验、场发射扫描电镜等方法对2.5D纤维增强硼酚醛树脂可陶瓷化复合材料的热稳定性、力学性能、耐烧蚀性能进行分析测试,并与2D纤维增强硼酚醛树脂可陶瓷化复合材料进行对比。结果表明,陶瓷填料对复合材料的热性能有显著改善,失重第一阶段温度和残碳率明显增加;马弗炉热解后2D结构样品缺陷多,层间出现破坏,弯曲强度为14~20 MPa,2.5D结构样品热解后保持了良好的整体结构,弯曲强度为16~24 MPa;通过氧乙炔烧蚀试验,2.5D结构样品烧蚀30 s质量烧蚀率为0.0413 g/s,线烧蚀率为0.032 mm/s,烧蚀60 s质量烧蚀率为0.0218 g/s,线烧蚀率为0.023 mm/s,测试结果均优于与之对比的2D结构样品,通过SEM和EDS分析,2.5D结构样品优异的抗热应力分层性能和纤维表面结构对复相陶瓷的稳定性是其低烧蚀率的主要原因。      

Aramid/epoxy composites sandwich structures for low-observable radomes

Low-observable radomes are usually made of E-glass/epoxy composite due to its low dielectric constant which is necessary not to interfere electromagnetic (EM) wave transmission characteristics. Since aramid fibers have lower dielectric constant and higher strength than those of E-glass fiber, aramid fiber radome structures may have better the EM transmission and mechanical characteristics than those of E-glass/epoxy radomes. In this work, the low-observable radome was constructed with a sandwich construction composed of aramid/epoxy composites faces, foam core and Frequency Selective Surface (FSS) which had the abilities of transmitting EM waves selectively in the X-band range. The EM wave transmission characteristics of the low-observable radome were simulated by a 3-dimensional electromagnetic analysis software and also measured by the free space measurement method with respect to the pattern size of FSS and foam cores. The mechanical properties of the low-observable radome made of aramid/epoxy composite were measured by the 3-point bending test and compared to those of the conventional low-observable radome made of E-glass/epoxy composite.     

高模量碳纤维增强树脂基复合材料的皮秒激光加工阈值特性

对聚丙烯腈基高模量碳纤维/改性氰酸酯树脂复合材料(M55/BS-4)和一种沥青基高导热碳纤维/树脂基复合材料(K600/5418)的皮秒激光加工阈值和形貌特性进行了研究。通过面积外延法测定并比较了这两种碳纤维复合材料的近红外皮秒激光加工阈值及其阈值孵化效应,并预测了两种复合材料的单脉冲阈值;分析了入射能量通量(0.7~25 J/cm2)及光束扫描速度(0.2~5 m/s)对切口质量的影响规律。结果表明,碳纤维热导率的巨大差异导致不同碳纤维复合材料的加工阈值及形貌存在明显定量差距。使用可获得的最高扫描速度(5 m/s)和3.2倍(~8 J/cm2)单脉冲阈值的加工参数,可使材料的碳纤维和树脂几乎协同去除,加工形貌上表现为切缝入口宽度均匀、切割边缘整齐。使用更高扫描速度并配以合适的加工能量有望进一步提高加工质量。      

高强高模聚酰亚胺纤维/改性氰酸酯树脂复合材料制备及性能

以4,5-环氧己烷-1,2-二甲酸二缩水甘油酯（TDE-85）、苯基缩水甘油醚（PGE）、壬基酚（NP）作为改性剂改性双酚A氰酸酯（BCE）得到改性氰酸酯树脂（TPNCE）,通过湿法缠绕制备预浸料,并采用热压罐成型工艺制备S30M型高强高模聚酰亚胺纤维/TPNCE（PI/TPNCE）复合材料,对TPNCE树脂及PI/TPNCE复合材料的介电、力学等性能进行了分析。结果表明,TPNCE树脂冲击强度达到14.2 kJ/m2,比BCE提高近一倍,固化温度下降了约43℃,与PI纤维界面结合较好,且保持较低的介电常数和介电损耗;PI/TPNCE复合材料0°拉伸强度达到1 485 MPa,弯曲强度达到758 MPa,压缩强度达到322 MPa,7~18 GHz范围内介电常数保持在3.15左右,介电损耗因子在0.005~0.0075之间,玻璃化转变温度为197℃,密度为1.28 g/cm3。本研究实现了高强高模PI纤维与氰酸酯树脂复合的重要突破,为轻质高强结构-功能一体化复合材料的设计和选材提供了新思路。