透波用三維中空復(fù)合材料研究進(jìn)展

陳同海，周正亮，張守玉

（中材科技股份有限公司，南京 210012）

透波用三維中空復(fù)合材料研究進(jìn)展

陳同海，周正亮，張守玉

（中材科技股份有限公司，南京 210012）

介紹了透波用三維中空織物的成型工藝，包括手糊成型、真空導(dǎo)流成型及高效率連續(xù)化生產(chǎn)工藝，并綜述了透波用三維中空織物的力學(xué)性能和透波性能研究進(jìn)展。指出中空復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、剛性、韌性、耐腐蝕性等，可為現(xiàn)代工業(yè)制造產(chǎn)品創(chuàng)造更高的附加價(jià)值，并且隨著導(dǎo)彈、天線罩等產(chǎn)品對(duì)透波性能的要求，使得具有特殊結(jié)構(gòu)的三維中空織物復(fù)合材料在這些領(lǐng)域具有很大應(yīng)用前景。隨著三維中空織物復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，其成型工藝將不斷被更新。

三維中空復(fù)合材料；透波；力學(xué)性能；進(jìn)展

三維中空織物采用高性能纖維一體織造而成，主要包括上面層、下面層及兩層之間的絨經(jīng)，上下面層均由經(jīng)紗和緯紗編織而成，以及與兩個(gè)地經(jīng)面層緯紗互相交織形成Z向站立的絨經(jīng)芯柱，如圖1所示。三維中空織物經(jīng)過(guò)成型后，中間的絨經(jīng)起到骨架支撐的作用，中間絨經(jīng)的形態(tài)可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)，該復(fù)合材料的最大優(yōu)點(diǎn)是上下面層和中間的絨經(jīng)呈現(xiàn)一體結(jié)構(gòu)，使其在透波領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)于傳統(tǒng)的夾層結(jié)構(gòu)材料。

圖1　 三維中空織物結(jié)構(gòu)示意圖

1 　透波用三維中空復(fù)合材料成型工藝

1.1 手糊成型

三維中空復(fù)合材料手糊成型工藝不同于傳統(tǒng)的玻璃鋼手糊成型工藝，其不同之處在于手糊過(guò)程需要注意絨經(jīng)的倒向即手糊的方向性，該程序直接影響到織物的站立性；因此，需要對(duì)三維中空織物的浸膠方式、手糊的方向性及樹(shù)脂基體的含量等進(jìn)行綜合研究。圖2為手糊工藝流程圖。

圖2　 手糊工藝流程圖

通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)研究分析得出，由于三維中空織物結(jié)構(gòu)的特殊性，需要分別對(duì)織物的上下面分別浸膠，并且嚴(yán)格控制面層的用膠量及樹(shù)脂基體的黏度等。此外，在手糊的過(guò)程中需要保證上下面層和絨經(jīng)樹(shù)脂含量的均勻性及充分浸潤(rùn)的效果，避免因上下面層樹(shù)脂基體含量的不均勻?qū)е鹿袒蟮娜S中空復(fù)合板的翹曲。在固化工藝研究層次，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)車間的溫度和濕度對(duì)各類樹(shù)脂（環(huán)氧、酚醛和不飽和樹(shù)脂等）固化工藝進(jìn)行試驗(yàn)研究，確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，此外，需考慮三維中空復(fù)合材料的加熱固化系統(tǒng)，確保復(fù)合材料受熱均勻，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)厚度及平面度要求［1］。

1.2 真空導(dǎo)流成型

真空導(dǎo)流成型（VARI）是真空壓力作用下，利用樹(shù)脂良好的流動(dòng)性、實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維的浸漬，并在真空壓力下固化成型的方法［2-4］。圖3為三維中空復(fù)合材料真空導(dǎo)流示意圖。

圖3　 三維中空復(fù)合材料真空導(dǎo)流示意圖

三維中空復(fù)合材料制備過(guò)程為：（1）模具準(zhǔn)備、涂抹脫模劑或脫模蠟；（2）產(chǎn)品鋪層；（3）鋪脫模布；（4）鋪導(dǎo)流網(wǎng)和導(dǎo)流管；（5）粘貼密封膠條；（6）鋪放真空袋膜；（7）安裝真空閥、快速接頭盒真空管；（8）接氣源，檢驗(yàn)真空度；（9）抽真空，導(dǎo)入樹(shù)脂；（10）產(chǎn)品固化；（11）產(chǎn)品脫模。

1.3 高效率連續(xù)化生產(chǎn)工藝

手糊成型存在以下幾方面缺點(diǎn)：生產(chǎn)過(guò)程可控性差、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差；雖然通過(guò)真空導(dǎo)流成型制備的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性較好，但是，在生產(chǎn)過(guò)程會(huì)用到大量的真空導(dǎo)流輔材，導(dǎo)致生產(chǎn)成本總體偏高。針對(duì)上述原因，并結(jié)合機(jī)械成型工藝開(kāi)發(fā)了高效率的連續(xù)化生產(chǎn)工藝，與機(jī)械成型工藝不同之處是去掉了第一噴膠器和第二噴膠器，增加了浸膠槽，將配制好的樹(shù)脂倒入浸膠槽中，將織物牽引通過(guò)浸膠槽，浸潤(rùn)樹(shù)脂后牽引到薄膜上，后續(xù)成型工藝如同機(jī)械成型工藝［1］。

2　 透波用三維中空織物力學(xué)性能研究進(jìn)展

三維中空復(fù)合材料在透波領(lǐng)域的應(yīng)用，有著顯著的優(yōu)勢(shì)，為了更好地在透波領(lǐng)域應(yīng)用該材料，首先對(duì)三維中空織物復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了研究分析。

王夢(mèng)遠(yuǎn)等［5］在研究三維機(jī)織夾芯復(fù)合材料的制備與壓縮性能研究時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)經(jīng)紗系統(tǒng)和緯紗系統(tǒng)，在SU111型劍桿織機(jī)上制備了“口”字型的新型三維中空織物，并以環(huán)氧樹(shù)脂為基體，采用手糊成型工藝制備了三維中空復(fù)合材料，并和“8”字型的三維中空織物復(fù)合材料進(jìn)行了力學(xué)性能的對(duì)比，研究結(jié)果表明，三維機(jī)織夾芯復(fù)合材料的壓縮性能優(yōu)于“8”字型結(jié)構(gòu)。此外，王夢(mèng)遠(yuǎn)等［6］在研究樹(shù)脂基體配比對(duì)三維夾芯復(fù)合材料力學(xué)性能的影響時(shí)，采用手糊成型工藝和不同配比的環(huán)氧樹(shù)脂/固化劑制備了三維中空織物復(fù)合材料，并對(duì)其進(jìn)行了壓縮與彎曲性能的研究，研究結(jié)果表明，當(dāng)環(huán)氧與固化劑的比例為3∶1時(shí)，復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度最大。浦廣益等［7］在研究三維中空夾芯復(fù)合材料側(cè)壓性能的有限元分析時(shí)，利用結(jié)構(gòu)仿真模擬分析軟件ANSYS建立了復(fù)合材料三維模型，研究了三維中空復(fù)合材料在側(cè)壓位移載荷作用下，引起的纖維、樹(shù)脂基體等的應(yīng)力和應(yīng)變的變化，研究結(jié)果表明，在側(cè)向位移載荷作用下，上面層和下面層中的經(jīng)紗和緯紗的交界處應(yīng)力最大，最易發(fā)生破壞；復(fù)合材料在承受位移載荷作用時(shí)，纖維起到主要承力作用。上述研究均是針對(duì)單層三維中空復(fù)合材料，但是，如果該單層復(fù)合材料的絨經(jīng)高度過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的各項(xiàng)性能的不穩(wěn)定；為此，王婷婷［8］對(duì)整體中空雙夾層復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了研究分析，首先根據(jù)相應(yīng)的單胞理論建立了雙夾層三維中空復(fù)合材料的三維模型，模擬分析了平拉、平壓、側(cè)拉和側(cè)壓等工況，之后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究結(jié)果表明，通過(guò)平均體積預(yù)測(cè)法和實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，與實(shí)驗(yàn)值相差較小，驗(yàn)證了三維模型的合理性。中材科技股份有限公司對(duì)三維中空復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)、拉伸強(qiáng)度、平壓強(qiáng)度、雙層剪切強(qiáng)度、雙層剪切彈性模量、四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試研究，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1　 三維中空織物復(fù)合材料力學(xué)性能

3　 透波用三維中空織物透波性能研究進(jìn)展

透波復(fù)合材料作為一類新型功能復(fù)合材料，通過(guò)將該材料應(yīng)用到天線罩等結(jié)構(gòu)上，使其充分保障了無(wú)線電系統(tǒng)的正常工作［9-12］。目前，在透波領(lǐng)域應(yīng)用的復(fù)合材料主要涉及到兩大類：無(wú)機(jī)透波復(fù)合材料和樹(shù)脂基透波復(fù)合材料。通過(guò)系列的研究分析發(fā)現(xiàn)，無(wú)機(jī)透波復(fù)合材料具有毫米波段強(qiáng)度低、壁較厚等缺點(diǎn)，采用樹(shù)脂基透波復(fù)合材料可以避免上述缺陷，因該類型復(fù)合材料具有較佳的基本力學(xué)性能和設(shè)計(jì)空間較大，使其成為在透波領(lǐng)域的潛力股［13-15］。同時(shí)，隨著科研人員對(duì)優(yōu)異電性能和耐熱型樹(shù)脂的研發(fā)，使得樹(shù)脂基透波復(fù)合材料在天線罩、導(dǎo)彈等高科技領(lǐng)域得到大量應(yīng)用［16］。

夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和透波性，使其成為透波領(lǐng)域用樹(shù)脂基透波復(fù)合材料的重要結(jié)構(gòu)形式之一。嵇培軍等［17］研究了環(huán)氧樹(shù)脂/SW220玻璃布、蜂窩、膠膜等透波樹(shù)脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能和介電性能，研究結(jié)果表明，在2～6 GHz范圍內(nèi)制備的等效板的平均透波率和最小透波率分別為95%和86%；美國(guó)的Schumm 等和韓國(guó)的Kim等［18-19］通過(guò)研究制備了頻率選擇夾層結(jié)構(gòu)雷達(dá)罩；閆法強(qiáng)［20］在研究夾層結(jié)構(gòu)天線罩時(shí)，制備了ZrP2O7/SiO2/ ZrP2O7體系A(chǔ)-夾層天線罩體和SiO2/Si3N4-BN2（n）/SiO2體系B-夾層天線罩體，并進(jìn)行了透波性能的測(cè)試。研究結(jié)果表明，A-夾層天線罩體在3～4 GHz和7～8 GHz頻帶范圍內(nèi)，透波率大于90%，B-夾層天線罩體在5～6 GHz和13～14 GHz頻帶范圍內(nèi)，透波率大于90%。單忠偉等［21］在研究聚甲基丙烯酸亞胺泡沫夾層復(fù)合材料電性能設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，為了滿足某天線罩對(duì)寬頻透波性能的要求，采用了A夾層結(jié)構(gòu)方案，其蒙皮為石英纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料、芯材為PMI泡沫，并通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，制備出了滿足要求的材料。

雖然夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用在透波領(lǐng)域，但是，其蒙皮和芯材受到?jīng)_擊時(shí)，易產(chǎn)生分層現(xiàn)象；針對(duì)上述因素，眾多研究者將三維中空復(fù)合材料引入到透波領(lǐng)域。宋元明等［22］在研究三維夾芯層連織物透波復(fù)合材料性能研究時(shí)，制備了氰酸酯/三維中空織物復(fù)合材料，并和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比，研究結(jié)果表明，在同等高度的前提下，三維中空織物復(fù)合材料的透波性能均高于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。孟慶杰等［23］在研究三維夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備及性能時(shí)，制備了酚醛基和氰酸酯基三維中空復(fù)合材料，并研究了它們的力學(xué)性能和電性能，研究結(jié)果表明：其壓縮強(qiáng)度優(yōu)于傳統(tǒng)蜂窩芯材和泡沫芯材，并且具有優(yōu)良的頻率穩(wěn)定性。

目前，對(duì)三維中空織物復(fù)合材料的研究多數(shù)集中在基本力學(xué)性能，而對(duì)其功能性研究的較少。由于三維中空織物的結(jié)構(gòu)特殊性，中材科技股份有限公司將三維中空織物復(fù)合材料引入到透波領(lǐng)域，使其在該領(lǐng)域的應(yīng)用具有較大的發(fā)展?jié)摿?。中材科技股份有限公司中空?fù)材事業(yè)部按照Q/ HP32-2012，制備了厚度為3.5 mm、直徑為50.5 mm的三維中空復(fù)合材料圓片，測(cè)試了復(fù)合材料的相對(duì)介電常數(shù)和損耗角正切值，測(cè)試結(jié)果為：相對(duì)介電常數(shù)為2.0±0.2，損耗角正切值為0.006～0.008。從上述數(shù)據(jù)可以看出，三維中空復(fù)合材料具有優(yōu)異的透波性能，其在天線罩和雷達(dá)的應(yīng)用具有很大的潛力。此外，張艷紅等［24］對(duì)三維中空復(fù)合材料在天線罩上的應(yīng)用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)的材料在透波領(lǐng)域的應(yīng)用具有很大前景。

中空織物是利用玻璃纖維等高性能纖維通過(guò)立體編織一體成型具有層間高度的夾芯結(jié)構(gòu)織物，與樹(shù)脂復(fù)合制備成的中空天線罩，具備優(yōu)異的透波電性能、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，與傳統(tǒng)的實(shí)心玻璃鋼、泡沫夾層結(jié)構(gòu)、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）透波性能優(yōu)異。相對(duì)介電常數(shù)為2.0±0.2，損耗角正切值為0.006～0.008；寬頻設(shè)計(jì)性好，不同于傳統(tǒng)天線罩的材料透波，中空透波原理上屬于結(jié)構(gòu)透波的方式，突破了材料透波的局限性，因此大大改善了傳統(tǒng)天線罩電磁輻射損耗大、增益損失大等缺陷。

（2）抗分層、抗剝離。采用高性能纖維一體編織而成，與傳統(tǒng)夾芯和蜂窩材料相比具有優(yōu)異的抗分層、抗剝離性能。

（3）成型工藝簡(jiǎn)單、成本低。無(wú)需熱壓罐工藝等昂貴工藝方式，制造成本低，性價(jià)比高。

（4）良好的貼附性。保證了產(chǎn)品在曲面連接之間織物的整體性，與傳統(tǒng)夾芯材料相比，克服了曲面處易出現(xiàn)力學(xué)性能下降的缺陷，增強(qiáng)了產(chǎn)品曲面連接強(qiáng)度和產(chǎn)品整體的耐顛震、耐震動(dòng)等性能。

4 　結(jié)語(yǔ)

中空復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、剛性、韌性、耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，為現(xiàn)代工業(yè)制造產(chǎn)品創(chuàng)造更高的附加價(jià)值，并且隨著導(dǎo)彈、天線罩等產(chǎn)品對(duì)透波性能的要求，使得具有特有結(jié)構(gòu)的三維中空織物復(fù)合材料在這些領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景；此外，三維中空織物不限于筆者介紹的“8”字型，可根據(jù)某領(lǐng)域的具體要求，對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，包括上下面層紗線、絨經(jīng)的密度及絨經(jīng)的形狀等，此外，隨著三維中空織物復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，其成型工藝將不斷被更新。

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杜邦牽手IACMI 讓車用復(fù)合材料全面升級(jí)

先進(jìn)復(fù)合材料制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)（以下簡(jiǎn)稱IACMI）和杜邦高性能材料、Fibrtec公司以及美國(guó)普杜大學(xué)合作一個(gè)項(xiàng)目，專注于減少汽車復(fù)合材料的生產(chǎn)成本和增加設(shè)計(jì)的柔性。這兩項(xiàng)進(jìn)展可以開(kāi)拓新機(jī)遇，成為復(fù)合材料零件大規(guī)模部署的引擎。

根據(jù)IACMI，包括成本和設(shè)計(jì)限制在內(nèi)的多項(xiàng)因素對(duì)復(fù)合材料在汽車高容量應(yīng)用造成障礙。這項(xiàng)新的IACMI工程將通過(guò)一個(gè)不同的途徑解決這些領(lǐng)域的問(wèn)題，生產(chǎn)新型碳纖維復(fù)合材料以代替現(xiàn)今使用的復(fù)合材料。

這項(xiàng)工作基于差異化技術(shù)的協(xié)同效應(yīng)，使用一項(xiàng)快速結(jié)構(gòu)形成結(jié)合來(lái)自杜邦專利的聚酰胺樹(shù)脂，由Fibrtec制造的柔性涂層纖維將形成柔性預(yù)浸料。最終零件將因?yàn)槔w維生產(chǎn)進(jìn)程速度加快而受益，同時(shí)也降低生產(chǎn)成本。

和傳統(tǒng)技術(shù)相比較，這一加工處理進(jìn)程得到的復(fù)合材料零件擁有低空隙率和良好的力學(xué)性能。柔性預(yù)浸料在塑模試驗(yàn)中也表現(xiàn)出良好的隔音效果。連續(xù)碳纖維熱塑性復(fù)合材料生產(chǎn)的高循環(huán)時(shí)間增加了成本負(fù)擔(dān)，利用這一新技術(shù)將大大降低高容量復(fù)合材料的生產(chǎn)成本?！巴ㄟ^(guò)結(jié)合所有工程合作方的優(yōu)勢(shì)，我們能夠創(chuàng)造出一款獨(dú)特的高容量，低成本熱塑性復(fù)合材料汽車零件?！眮?lái)自杜邦高性能材料部的項(xiàng)目經(jīng)理Jan Sawgle說(shuō)。

（中塑在線）

大慶石化塑料廠粉末大包裝線試運(yùn)成功

8月13日，大慶石化塑料廠新建的一條室內(nèi)聚乙烯樹(shù)脂粉末大包裝線帶料試運(yùn)已整整一個(gè)月時(shí)間，運(yùn)行平穩(wěn)，具備連續(xù)包裝作業(yè)能力。

塑料廠6套生產(chǎn)裝置以生產(chǎn)聚乙烯樹(shù)脂顆粒產(chǎn)品為主，低壓裝置僅有的一條生產(chǎn)線有單獨(dú)的室外粉末包裝線，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)對(duì)粉末狀態(tài)聚乙烯樹(shù)脂的要求。經(jīng)過(guò)多方論證和市場(chǎng)可行性調(diào)研，公司確定在塑料廠新建一條年包裝能力7萬(wàn)噸的室內(nèi)包裝線。

該室內(nèi)粉末大包裝線投入運(yùn)行，不僅可拓寬市場(chǎng)，增加效益，叉運(yùn)、包裝作業(yè)人員工作環(huán)境也將大為改善。

（中塑在線）

Research Progress on Three-Dimensional Hollow Composites Used for Wave-Transparent

Chen Tonghai， Zhou Zhengliang， Zhang Shouyu
（Sinoma Science &Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210012， China）

The molding process of three-dimensional hollow composite material was introduced， including hand layup molding， vacuum forming and high efficiency continuous production. The development of mechanical properties and wave transmitting performance of three-dimensional hollow composite material was summarized. Three-dimensional hollow composite with high specific strength，rigidity，toughness，corrosion resistance can create higher value for the modern industrial manufacturing. In addition， with the requirement of wave-transparent on the missile radome，the three-dimensional hollow composite material with the special structure has great application prospects in this field. With the widely application of the three-dimensional hollow fabric composite material， the molding process will continue to be updated.

three-dimensional hollow composite；wave-transparent；mechanical property；progress

TQ322.3

A

1001-3539（2016）09-0141-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.09.031

聯(lián)系人：陳同海，碩士，主要從事透波復(fù)合材料的研究

2016-07-02