热压罐用石英纤维增强氰酸酯树脂合成材料综合力学性能研究

雷杨 惠佳 李尧 陈舸

摘 要：研究了一种国产化QWB220B石英纤维增强701氰酸酯树脂基体复合材料，通过测试原材料在不同升温速率下的DSC曲线，研究原材料的热性能及固化动力学。采用热压罐工艺固化，对层压板的力学性能及透波率进行性能表征。结果表明，701树脂与QWB220B石英纤维具有较好的浸润性，综合力学性能优异，介电常数3.4，介质损耗角0.006，在不同极化水平下透波率可以保持较好稳定性。

关键词：石英纤维；氰酸酯；热性能；力学性能；透波率

中图分类号：TQ343+.3

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）04-0058-04

Study on properties of quartz fiber-cyanate ester resin composited material

LEI yang，HUI jia，LI yao，CHEN Ge

（Avic Xian Aircraft Industry Group Co.，LTD.，Xian 710089，China）

Abstract：A kind of home-made 701 Cyanate ester matrix composites reinforced by QWB220B Quartz fiber was studied.The thermal properties and curing dynamics were analyzed at different heating rates of DSC curves.The wave-transparent rate and the mechanical properties of QWB220B/701 after autoclave curing been tested.The results indicated that there was good infiltration between 701 Cyanate ester and QWB220B Quartz fiber.The mechanical properties of composite materials were excellent.The permittivity was 3.4 and the Tangent of dielectric loss angle was 0.006.The transmittance could maintain good stability at different polarization levels.

Key words：quartz fiber，cyanate ester，thermal property，mechanical property，wave-transparent rate

石英纤维增强氰酸酯复合材料具有化学稳定性好、介电性能优异等特点，因此被广泛应用于航空航天、国防军工等领域，逐渐成为天线罩、天线窗的首选材料［1］。氰酸酯树脂的收缩率较低，损耗角正切值tanδ小于等于0.006，介电常数为3.28±0.15，具有良好的介电性能，耐高温［2-4］；结构中含有芳香族和芳杂环结构［5］，是溶解性良好、介电性能优异、力学性能、耐热性和耐湿热性良好的新型热固性树脂［6］，其主要缺点是工艺性和韧性较差。石英纤维具有较高的力学性能及优异的介电性能［7］，氰酸酯树脂与石英纤维具有良好的浸润性，制得的复合材料流变特性、粘性优良，可用于多种工艺制造。研究对QWB220B石英纤维增强701氰酸酯树脂复合材料的热性能，热压罐固化后层压板的力学性能和介电性能进行了研究和分析［8］。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

石英纤维织物氰酸酯基（QWB220B/701），航天材料及工艺研究所。

试板制备采用热压罐固化工艺，剪裁10层310 mm（预浸料0°方向）×210 mm为试板主板，7层310 mm（预浸料0°方向）×200 mm为加强片，在环境监控区内进行试板铺贴，制袋后按照以下步骤操作：（1）从室温升温至1（20±5）℃，保温1.5 h；（2）从120 ℃升温至（150±5）℃，保温1.5 h；（3）从150 ℃升温至（190±5）℃，保温4.5 h；（4）降温至60 ℃后泄压出罐进行固化，固化压力0.6 MPa，过程中升/降温速率为1 ℃/min，制得QWB220B/701复合材料层压板。

1.2 性能测试

1.2.1 热性能测试

采用瑞士METTLER公司的DSC3型差示扫描量热仪，测试不同升温速率下701树脂体系的动态DSC曲线，分析材料体系的固化特性。

1.2.2 力学性能测试

采用深圳兰博三思LD26.305拉力机，按美军标对层压板拉伸、压缩、剪切性能进行测试。

1.2.3 电性能测试

由西安电子科技大學微波研究所按照国军标GJB 7954，通过水平极化及垂直极化对平板天线罩电性能进行测试。

2 结果与分析

2.1 QWB220B/701的DSC曲线

氰酸酯树脂固化后形成大量三嗪环结构，再加上大量的芳香环、芳杂环结构，使其结构为六元杂环化合物，具有较高的耐热性［9］。通过在5、10和15 ℃/min升温速率下的DSC曲线研究了QWB220B/701复合材料树脂基体的非等温固化反应［10］。QWB220B/701在3种不同升温速率下的DSC曲线如图1所示。

从图1可以看出，在100 ℃之前，DSC曲线平缓，试样反应速率慢，处于相变初期阶段；且3种不同升温速率下的材料均只呈现出单一的放热峰。非等温固化动力学主要参数如表1所示。

从图1、表1可以看出，随着升温速率的增加，反应起始温度、峰值温度和反应终止温度均升高。在160～ 300 ℃内有单一的反应放热峰，表明树脂各组分之间的反应基本同步，这对于控制固化反应是非常有利的［11］。特征温度的线性拟合如图2所示。

从图2可以得到，yTi=4.433x+152.05，yTp=4.492x+174.307和yTf=7.29x+231.103；从中可以发现，固化特征温度对升温速率的函数曲线为线性关系，可以采用外推法［12］确定701树脂在0 ℃/min的升温速率条件下，反应起始温度为152.05 ℃、峰值温度为174.3 ℃和反应终止温度为231.1 ℃。在此基础上，制定材料的固化工艺曲线，根据与其共固化的预浸料特性，最终确定了701树脂体系凝胶温度为（150±5）℃，固化温度为（180±5）℃，后处理温度为（230±5）℃。

通过反应级数来表征反应机理，可使用Crane方程求得［13-14］：

d（lnβ）d（1Tp）=-EanR-2Tp

由表2、图3线性拟合得到方程式：

y=-1 124.429 07x+7.373 83

反应级数可以通过图3中lnβ与1/Tp关系曲线斜率求得，取Tp＝174.3，解得n=0.92。

综上所述，研究了QWB220B/701的固化反应动力学，DSC图呈现单一放热单峰，固化反应与一级反应近似，固化反应级数非整数，证明固化过程较为复杂，固化温度相对较高。如果采用热压罐成型，可采用180 ℃较长时间固化。

2.2 QWB220B/701层压板的力学性能

氰酸酯固化后，特有的环状结构以及醚键，使其既具有优良的力学強度及弹性模量，又具有较高的韧性。在室温干态条件下，按照图4对QWB220B/701复合材料层压板的进行力学性能测试，实验结果如表3所示。

由表3可知，石英/氰酸酯树脂基复合材料的拉伸强度经向、纬向分别达到了485、724 MPa，压缩强度达343 MPa以上，层间剪切强度达64 MPa，力学性能明显优于一般的碳/环氧复合材料［15］。这说明石英纤维和氰酸酯数据具有较好的界面结合性能［16］，以石英纤维未增强材料的石英/氰酸酯复合材料具有有意的力学性能。

2.3 QWB220B/701复合材料的电性能

氰酸酯树脂中三嗪环交联结构高度对称，分子偶极矩达到平衡，极性很弱，又由于交联密度大，微量的极性基团也只有微小的旋转运动［17］。因此在很宽的温度-160～220 ℃和频率范围内都有稳定且极低的介电常数2.8～3.2和介质损耗0.002～0.006［18］。

按图5通过矢量网络分析仪（安利MS46322A）对QWB220B/701复合材料平板天线罩的透波率进行测试［19］，测试频段为6～18 GHz，极化方式为水平线极化、垂直线极化，入射角0°～30°；测试温度25 ℃、相对湿度25%、气压86～106 kPa。检测装置：矢量网络分析仪（安利MS46322A），1 MHz～40 GHz；微波喇叭天线，1～18 GHz;测试电缆：01、02。

将喇叭与矢量网络分析仪按图6进行连接，先测量自由空间直通传输时的功率，对测量系统进行频响定标，定标时接收功率响应为P0，放置被测材料平板时的功率响应为Pa，按式（1）计算得出透波率。

T=PaP0（1）

式中：T表示透波率；P0表示接收天线在测试位置接收到的系统发射功率；Pa表示透射功率。若以dB为单位表示，则透波率计算：

T=10×lgPaP0（2）

单频率介电性能测试结果如表4、表5所示。

由表4、表5可知，01试板的水平极化平均透波率90.69%，垂直极化平均透波率89.22%；02试板的水平极化平均透波率92.19%，垂直极化平均透波率90.05%。

QWB220B/701复合材料频率在6～18 GHz，透波率变化微弱，具有稳定的介电性能。这是由于石英纤维具有极低且稳定的介质损耗角正切值，且在100 MHz～100 GHz介电常数保持不变［20］；该研究中使用的氰酸酯树脂具有较低的介电常数3.13～3.43和极小的介质损耗角正切值（≤0.006），因此，石英纤维与氰酸酯树脂复合获得了较大的性能优势。

3 结语

通过在不同的升温速率下测试国产化QWB220B/701石英纤维增强氰酸酯树脂基复合材料的热性能，发现纤维增强体与氰酸酯树脂基体之间有较好的浸润性和结合力；采用热压罐工艺方式制得层压板，发现其综合力学性能较好，具有较好的承载能力；介电性能优异，在6～18 GHz的宽频内透波率大于80%，可作为宽频高透波材料广泛使用于航空、航天等领域。

【参考文献】

［1］ 孟季茹，赵磊，梁国正，等.氰酸酯树脂在高透波雷达天线罩中的应用［J］.工程塑料应用，2000，28（8）：16-18.

［2］ 敖辽辉.石英纤维布/J-284PD氰酸酯树脂复合材料的制备与性能［J］.复合材料科学与工程，2020（3）：104-107.

［3］ 闫福胜，王志强，张明习.氰酸酯树脂的性能与应用［J］.工程塑料应用，1996，24（6）：11-13.

［4］ 王飞，石佩洛.树脂基复合材料在雷达天线罩领域的应用及发展［J］.宇航材料工艺，2017（2）：9-13.

［5］ 付凌宇.碳纤维/氰酸酯复合材料空间光学镜面研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2017.

［6］ 李青，车永星，赵靖，等，石英纤维增强氰酸酯树脂选频透波性能研究［J］.复合材料科学与工程，2020（12）：115-119.

［7］ 于海宁，高长星，王大伟.石英纤维/氰酸酯预浸料力学性能及介电性能研究［J］.合成纤维，2018，47（11）：45-46.

［8］ 陈梦怡，蔡良元，钟翔屿，等，石英纤维增强氰酸脂树脂基复合材料性能研究［J］.高科技纤维与应用，2009，34（4）：24-30.

［9］ 赵磊，梁国正，秦华宇，等，氰酸酯树脂在宇航复合材料中的应用［J］.宇航材料工艺，2000，30（2）：17-21.

［10］ 王月友，白雪莲，范佳，等.RTM用R701氰酸酯树脂工艺及性能［J］.功能材料，2017，12（48）：12162-12165.

［11］ 秦华宇，吕玲，梁国正，等.改性氰酸酯树脂基复合材料的研究［J］.玻璃钢/复合材料，2000（1）：36-38.

［12］ 许亚丰，宋金梅.乙烯基聚硅氮烷/苯丙噁嗪反应机理研究［J］.复合材料科学与工程，2021（8）：31-38.

［13］ 李玲，陈剑南.改性BMI/苯并噁嗪树脂的固化反应及其动力学的研究［J］.中国胶粘剂，2008，17（10）：23-26.

［14］ 陈文瑾.苯丙噁嗪树脂的合成、改性与性能研究［D］.成都：电子科技大学，2016.

［15］ 李博弘，陈泽明，赵敬，等.改性酚醛型石英纤维处理剂的研制及性能研究［J］.化学与粘合，2020，42（3）：172-175.

［16］ 尹昌平，肖加余，李建伟，等.石英纤维增强苯并嗪树脂复合材料研究［J］.国防科技大学学报，2008，30（5）：25-33.

［17］ 王冠，付刚，吴健，等，氰酸酯基耐高温低介电载体胶膜的制备与性能［J］.宇航材料工艺，2008（2）：12-16.

［18］ 李超，刘建超，陈青.航天透波复合材料的研究进展［J］.高科技纤维与应用，2003，28（6）：34-39.

［19］ 王维，刘永琪，张小兵.纤维增强树脂基复合材料透波板的研制和试验［J］.玻璃钢/复合材料，2008（2）：26-29.

［20］ 张雄，王义，程海峰.石英纤维透波复合材料的研究进展［J］.材料导报，2012，5（26）：96-100.