雷达用高性能塑料及其表面导电涂层的性能

李 萍，吴信涛，赵 宾，徐 杰，薛克敏*，瞿启云

（1.合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽省合肥市 230009；2.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽省合肥市 230088）

雷达用高性能塑料及其表面导电涂层的性能

李 萍1，吴信涛1，赵 宾1，徐 杰1，薛克敏1*，瞿启云2

（1.合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽省合肥市 230009；2.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽省合肥市 230088）

依据高性能工程塑料在雷达结构和功能件上的一体化工程应用体系设计要求，分别测试了玻璃纤维增强的聚醚酰亚胺（GF30-PEI）、聚芳酯（GF30-PAR）和聚酰胺（GF30-PA）3种典型高性能热塑性工程塑料的力学性能，以及导电涂层附着力、表面电阻率等，并利用扫描电子显微镜分析了玻璃纤维在工程塑料中的增强作用机理。结果表明：GF30-PAR的抗拉强度为235 MPa、屈服应力为183 MPa、弯曲应力为321 MPa、泊松比为0.35；涂层附着力达到4B级；涂层厚度为25 µm时，表面电导率较小，GF30-PAR因具有较优的性能而作为基体材料。

雷达振子 聚醚酰亚胺 聚芳酯 聚酰胺 导电涂层 力学性能

随着现代军事技术的发展，地面雷达的大规模化、高集成化、高机动性设计与制造成为未来雷达研制的必然趋势［1-2］。工程塑料具有良好的力学性能和尺寸稳定性、在低温或高温条件下仍能保持其优良的性能［3］，广泛应用于车辆、薄膜、建材、电子电器领域。研究发现［4-6］，对塑料基体改性可改善其特性（如易注塑性、可电镀性、高强度、高模量性、尺寸稳定性），而这些性能为工程塑料在复杂雷达结构功能件上的应用奠定了基础；但雷达结构功能件的外表面需具有接收待定波段电磁信号的作用，而高性能工程塑料本身一般不具有导电性，因此，必须将工作曲面进行金属化处理，以实现构件的微波功能化。用于雷达结构件的材料，必须满足注塑成形性好、机械强度高、加工性能好、表面可功能化强、环境适应性好、市场应用成熟度高等要求［7］。玻璃纤维在复合材料中作为增强材料可改善基体的性能，基体经玻璃纤维增强后，强度、模量、抗冲击性能等均可大幅提高［8］。本工作研究了分别用直径为10 μm长玻璃纤维增强的聚醚酰亚胺（GF30-PEI）、聚芳酯（GF30-PAR）和聚酰胺（GF30-PA）3种典型高性能热塑性工程塑料的力学性能，并测试了在拟选用的塑料基体上喷涂的导电涂层的附着力以及表面电阻率。拟建立一种高性能工程塑料在雷达结构和功能件一体化工程应用体系，为将来大尺寸、复杂结构、轻量化精密注塑成形和微波功能化提供技术路线支持。

1 实验部分

1.1主要原料与仪器

GF30-PEI，GF30-PAR，GF30-PA，表面导电涂层材料，由环氧树脂及非纳米导电填料在高于100℃的条件下热固而成的电磁屏蔽超导电高分子复合材料，美国LORD Corporation公司提供，采用直接喷射镀膜方法喷涂于拟选用的基体材料表面。

材料力学性能测试采用美国MTS系统公司生产的MTS809型材料测试系统；PMLAB DIC-3D型三维应变光学测量系统，南京中讯微传感公司生产；HALL8800型霍尔效应测试仪，台湾SWIN公司生产，JSM-6490LV型扫描电子显微镜，日本电子株式会社生产。

1.2测试与表征

拉伸性能按照GB/T 1040.2—2006测试。测试温度为21 ℃，相对湿度为40%，拉伸速度为1 mm/ min。每种材料分别做5组实验，取平均值。

泊松比测试：在MTS809型拉伸机以及PMLAB DIC-3D型准静态版三维应变光学测量系统上进行泊松比测试。相关计算参数设置为：网格间距7，计算模板29，边界有效性60%，拉伸速度1 mm/ min，DIC-3D系统采集散斑图像帧率5 Hz，处理拉伸试验数据，得到不同材料的横向、纵向应变比绝对值（即泊松比）随阶段数变化曲线。

电阻率采用HALL8800型霍尔效应测试仪按QJ 2220.2—1992测试。表面电阻率按式（1）计算。

式中：ρs为表面电阻率，Rs为表面电阻，D为辅助电极直径，d为上电极直径。

弯曲性能按GB/T 9341—2008测试。测试温度为22 ℃，相对湿度为42%，加载速度为2 mm/min，支撑半径为5 mm，压头半径为5 mm，跨距为64 mm。

2 结果与讨论

2.1力学性能

从图1可以看出：应力值随着应变的增加而增大，整个拉伸过程未出现屈服现象。AB段为线弹性阶段，对此进行拟合得到线段斜率即为材料的弹性模量。

图1 拉伸试验应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curve of tensile test

从图2可以看出：所选帧数范围有效，该区域内，泊松比变化稳定，拟合可得到GF30-PA的泊松比为0.43，GF30-PEI为0.39，GF30-PAR为0.35。

图2 泊松比变化曲线Fig.2 Curves of Poisson,s ratio

从表1可以看出：GF30-PAR的力学性能明显优于GF30-PEI，GF30-PA，只有断裂拉伸应变稍低于其他两种工程塑料，为1.8%。

表1 不同材料的拉伸试验数据Tab.1 Tensile test data of different materials

从图3可以看出：当应变较小时，3种材料的应力值差别不大，随着应变的增大，材料的应力值增加，且GF30-PAR的应力值增幅较大，最大值为321 MPa，较GF30-PA，GF30-PEI明显增加。

图3 材料的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of materials

从表2可以看出：GF30-PAR的弯曲应力最大，为321 MPa，弯曲模量为13.9 GPa，而GF30-PEI，GF30-PA的弯曲应力和弯曲模量较为接近，均小于GF30-PAR。

表2 不同材料的弯曲试验数据Tab.2 Bending test data of different materials

2.2表面导电涂层的性能

采用50%重叠交替喷涂模式，于50 ℃固化30 min，100 ℃固化4 h，试样尺寸10 mm×10 mm× 4 mm，涂层厚度分别为10，25，50，75 μm。涂层附着力根据QJ 990.14—1986的划格法进行，结果见图4。经观察发现，在划线的交叉点处有小片的油漆脱落，但脱落总面积小于5%，根据ASTM D 3359—2002，涂层附着力达4B级。

图4 划网格法涂层附着力测试结果Fig.4 Test results of coating adhesion with grid method

根据雷达振子性能要求，拟选用GF30-PAR为基体材料，表面导电涂层材料选用直接喷射镀膜方法，当涂层厚度为25 μm时，表面导电涂层与拟选用的塑料基体有很好的结合度（4B级），从表3可以看出：材料的表面电阻率较大，为1.56×10-2Ω，因此，表面电导率小于其他厚度情况。

表3 不同涂层厚度的表面电阻率测试结果Tab.3 Test results of surface resistivity in different coating thickness

2.3扫描电子显微镜（SEM）观察

从图5可以看出：GF30-PEI的断口形貌平整，玻璃纤维均匀地分布于GF30-PEI基体中，玻璃纤维断口几乎与基体断口在同一平面；GF30-PAR中，玻璃纤维在GF30-PAR基体中分散均匀，玻璃纤维截面呈现良好的圆柱外观，表面被GF30-PAR基体包覆，与基体界面结合良好，没有明显应力集中点；GF30-PA中，玻璃纤维与基体的结合较差，材料断裂时，玻璃纤维以拔除为主，玻璃纤维周边与基体有很大的空隙，存在很大的团聚区域。

图5 不同材料的拉伸断口SEM照片（×500）Fig.5 SEM photos of tensile fracture of different materials

界面破坏形式除了内聚和黏结破坏外，更多是混合破坏。从图5b可以看出：界面层既有脱黏破坏，又有内聚破坏，玻璃纤维表面附着较多的GF30-PA基体；同时，基体中分散有纵横交错的玻璃纤维，当玻璃纤维因限制收缩而产生拉伸应力时，玻璃纤维的存在使应力被分散，不致发生应力集中现象。混合挤出过程中，玻璃纤维会沿轴向产生一定的取向，当制品受到外力作用时，从基体传到玻璃纤维，力的作用会发生变化，即沿纤维取向传递。这种传递作用在一定程度上起到力的分散作用，从而增强了材料承受外力作用的能力，在宏观上显示出材料的弯曲应力、拉伸强度等力学性能的大幅提高［9-10］。

3 结论

a）GF30-PAR的力学性能明显优于GF30-PEI，GF30-PA，只有断裂拉伸应变稍低于其他两种工程塑料，为1.8%。

b）表面导电涂层材料与拟选用的塑料基体有很好的结合度（4B级），涂层厚度为25 μm时，表面电导率小于其他厚度情况。

c）GF30-PAR力学性能优于其他两种工程塑料的原因与基体材料以及玻璃纤维的分布有关。

d）根据雷达振子性能要求，拟选用GF30-PAR为基体材料，表面导电涂层材料选用直接喷射镀膜方法，涂层厚度为25 μm。

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Properties of high performance plastics for radar and its surface conductive coating

Li Ping1， Wu Xintao1， Zhao Bin1， Xu Jie1， Xue Kemin1， Qu Qiyun2
（1.School of Materials Science and Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China；2. The 38th Research Institute of CETC， Hefei 230088， China）

The mechanical properties of three typical high performance thermoplastic engineering plastics，glass fiber reinforced polyetherimide GF30-PEI， polyarylate GF30-PAR and polyamide GF30-PA were tested respectively as well as the adhesion and surface resistivity of the conductive coatings to meet the requirements of the integrated engineering application system design of the high performance engineering plastics used for the radar structure and function parts. The mechanism of glass fiber reinforcing in engineering plastics was analyzed via scanning electron microscope. The results show that tensile strength of GF30-PAR is 235 MPa，yield strength is 183 MPa， bending strength is 321 MPa， Poisson's ratio is 0.35. The coating adhesion reaches 4B level， the surface conductivity is small when coating thickness is 25 µm. GF30-PAR has the optimum performance as the base materials.

radar oscillator； polyetherimide； polyarylate； polyamide； conductive coating； mechanical property

TQ 326.53

B

1002-1396（2017）02-0020-04

2016-10-20；

2017-01-19。

李萍，女，1973年生，博士生导师，主要研究精密塑性成形及控制。E-mail：li_ping@hfut.edu.cn；联系电话：13865927003。

*通信联系人。E-mail：xuekm0721@sina.com。