結(jié)構(gòu)配置對玻纖織物及其復合材料電性能影響的研究

毛海亮，馮藍玉，姚 瀾，金義洪，龔 成

(1.東華大學 紡織學院，上海 201620)(2.上海之合玻璃鋼有限公司，上海 200023)(3.中國電子科技集團公司第五十研究所,上海 200331)

結(jié)構(gòu)配置對玻纖織物及其復合材料電性能影響的研究

毛海亮1，馮藍玉1，姚 瀾1，金義洪2，龔 成3

(1.東華大學 紡織學院，上海 201620)(2.上海之合玻璃鋼有限公司，上海 200023)(3.中國電子科技集團公司第五十研究所,上海 200331)

本文主要對3種不同結(jié)構(gòu)玻璃纖維布的抗折皺性及其復合材料的電性能進行了研究。通過研究得出，電磁波中心諧振頻率對應的加捻平紋玻纖復合材料的S11值為-32.65 dB，S12值為-0.25 dB，滿足材料在電氣領(lǐng)域內(nèi)的應用要求。同時此研究也為玻璃纖維復合材料在電學領(lǐng)域上的應用提供一定的理論依據(jù)。

玻璃纖維；織物結(jié)構(gòu)；捻度；復合材料；抗折皺性；電性能

1 引 言

隨著科技的快速發(fā)展，玻璃纖維材料已成為建筑、交通運輸、石油化工、電子電器、機械、航空航天等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)部門和國防、高技術(shù)部門必不可少的原材料。而玻璃纖維增強復合材料作為電磁波的傳輸媒介也在眾多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛地應用。玻璃纖維增強復合材料具有質(zhì)量輕、比強度高、抗損傷破壞能力強等優(yōu)點，同時玻璃纖維復合材料是一種低介電材料[1]。

玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料，成分主要為二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化硼、氧化鎂、氧化鈉等，已成為21世紀不可或缺的高新技術(shù)材料[2]。自從E玻璃纖維問世并出現(xiàn)環(huán)氧樹脂和不飽和聚酯樹脂以來，玻璃纖維電氣層壓材料和玻璃纖維增強復合材料有了更加堅實的發(fā)展基礎(chǔ)。而作為介質(zhì)材料的玻璃纖維增強樹脂基復合材料主要用于印刷電路板、電子包裝材料、雷達天線罩上等。E玻璃纖維樹脂基復合材料具有高熱導、高強度以及低介電常數(shù)和低損耗的特點，可以縮短RC(阻抗)的延遲時間，加快電磁信號的傳遞速度，同時，減少了電磁波的能量的損耗[3]。

20世紀90年代以來，許多科研工作者都對玻璃纖維增強樹脂基復合材料的增強結(jié)構(gòu)和界面性能進行了研究，并獲得了一定成果。從國內(nèi)外的相關(guān)文獻[4-8]來看，這些研究主要是關(guān)于改善纖維的組成成分、紗線的混紡組合以及樹脂基體的質(zhì)量等。然而，直接通過改變玻璃纖維紗線的捻度或配置不同的組織結(jié)構(gòu)來改善玻璃纖維織物及其復合材料介電性能的研究很少。而本文主要從提高玻璃纖維紗線的捻度和配置不同的組織結(jié)構(gòu)入手，研究上述參數(shù)對玻璃纖維織物及其復合材料抗折皺性能和電性能的影響。

2 實驗部分

2.1 材料

所用的纖維是E玻璃纖維，線密度為240 tex，樹脂基體是不飽和聚酯樹脂，上漿料是PVA漿料，退漿料主要是NaOH 和30%的H2O2。

2.2 玻璃纖維織物的織造

在玻璃纖維紗織造前，需要對玻璃纖維紗進行加捻和上漿。加捻可改變紗線的結(jié)構(gòu)，進而可以改變織物的結(jié)構(gòu)；上漿可以彌補玻璃纖維紗線織造性能差的缺陷。文中對玻璃纖維紗線加捻采用的是型號為N-01的環(huán)錠捻線機，捻度為100捻/m；對玻璃纖維紗線上漿采用的是濃度為5%左右的PVA漿料；3種不同結(jié)構(gòu)的玻璃纖維布都是在東華大學工程實驗中心的型號為SGA598的半自動織樣機上織造完成的。這3種玻璃纖維布的經(jīng)緯密度都為96根/10 cm，織物幅寬為25±0.25 cm。3種不同結(jié)構(gòu)的玻璃纖維布的組織結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.3 玻璃纖維復合材料的成型

上述所織造的3種不同結(jié)構(gòu)的玻纖布采用真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移成型法固化成型并得到相應的玻纖復合材料。此3種玻璃纖維復合材料的厚度分別為0.587±0.02 mm(無捻平紋)，0.576±0.03 mm(有捻平紋)，0.585±0.03 mm(無捻斜紋)。

2.4 玻纖織物及其復合材料的性能測試

在對織物進行相關(guān)性能測試前須對其進行退漿處理，以減少漿膜對織物性能的影響。

2.4.1 抗折皺性測試

織物在使用和保管過程中，在折疊、壓縮或彎曲等外力作用下易產(chǎn)生局部變形，形成折痕。折皺不僅嚴重影響織物的外觀，且織物在折痕方向上容易磨損，加速織物的損壞程度。同時，在復合材料的制作過程中，帶有折痕的織物不易伸平，容易聚集氣泡，影響復合材料的質(zhì)量。

在織物抗折皺性能的測試過程中，可用折痕回復角的大小來表征織物的折皺損壞程度。本文中織物折痕回復角的測試是在東華大學紡織檢測中心的型號為YG541B折皺彈性測試儀上完成的。測試折痕回復角的試樣尺寸如圖2所示。

2.4.2 介電常數(shù)測試

所謂介電性能是指介質(zhì)在電場作用下，對靜電能的儲存和損耗的性質(zhì)，通常用介電常數(shù)ε來表示。一般來說，介質(zhì)材料的介電常數(shù)越小，其介電性能也就越好[9]。

依據(jù)GBT/1409-2006，文中對3種不同結(jié)構(gòu)玻璃纖維布及其復合材料的介電常數(shù)測試，是在型號為WY2852D數(shù)顯Q表上完成的。

圖1 3種不同結(jié)構(gòu)玻璃纖維布的組織結(jié)構(gòu)

2.4.3 電磁參數(shù)測試

在對復合材料的電磁參數(shù)進行探究時，主要研究它的S參數(shù)，即參數(shù)S11和S12。由于S參數(shù)類似于電磁波的反射和傳輸特性，因此，可用S參數(shù)法來表征電磁波透過玻璃纖維復合材料時，電磁波的損耗和透過量。當輸出端處于匹配狀態(tài)時，輸入端的反射系數(shù)可用S11參數(shù)表示；當輸入端處于匹配狀態(tài)時，輸出端的反向傳輸系數(shù)可用S12參數(shù)表示。文中對3種不同結(jié)構(gòu)玻璃纖維復合材料的電磁參數(shù)測試是在安捷倫8722ES矢量網(wǎng)絡分析儀上完成的。測試試樣是10×15 mm的矩形片。

圖2 抗皺性試樣的形狀尺寸

3 結(jié)果與討論

3.1 織物抗皺性分析

圖3和圖4分別所示3種不同結(jié)構(gòu)玻璃纖維布在經(jīng)、緯向上的折痕回復角值?？梢钥闯?3種不同結(jié)構(gòu)玻璃纖維布的折痕回復角在經(jīng)、緯向上的變化趨勢是一致的；其折痕回復角由高到低依次為：無捻斜紋玻纖織物、有捻平紋玻纖織物、無捻平紋玻纖織物。

圖3 3種不同結(jié)構(gòu)玻纖織物的經(jīng)向折痕回復角值

上述3種玻璃纖維布具有不同折痕回復角的主要原因：紗線加捻后纖維之間的抱合力增強，紗線結(jié)構(gòu)緊密，在織成織物后紗線之間的間隙相對地變大了。因此，織物在受到外力的作用時，加捻的經(jīng)、緯紗相對于未加捻的紗線有更大的移動空間，更容易恢復到原來的狀態(tài)。因此，加捻玻纖織物的折痕回復角比未加捻玻纖織物折痕回復角高3.4%。平紋織物是機織物中結(jié)構(gòu)最為緊密的織物，交織點數(shù)多于斜紋組織，且經(jīng)、緯紗線的屈曲程度大于斜紋織物，因此，經(jīng)、緯紗在發(fā)生折皺后不易滑動，抗折皺性差。盡管，紗線加捻后使得紗線在織物中有了更大的移動空隙，但交織點數(shù)沒有變化，紗線的屈曲程度沒有改變，且斜紋織物的浮長線大于平紋織物的浮長線，使得織物中空隙所占的體積比例相對較大。因此，在織物起皺后，無捻斜紋織物的折痕回復角比加捻平紋織物的高4%。

圖4 3種不同結(jié)構(gòu)玻纖織物的緯向折痕回復角值

3.2 介電性分析

圖5和圖6分別表示3種不同結(jié)構(gòu)玻璃纖維布及其復合材料在頻率1 MHz下的介電常數(shù)值和介電損耗角正切值。從圖5中可得，3種不同結(jié)構(gòu)的玻纖織物及其復合材料的介電常數(shù)值的變化規(guī)律是一致的，都呈下降的趨勢；其介電常數(shù)值由高到低依次是：無捻平紋織物、有捻平紋織物、無捻斜紋織物。且3種玻纖復合材料的介電常數(shù)值都比其增強體(玻纖織物)的大，即無捻平紋玻纖復合材料的介電常數(shù)高出其基體的25%；有捻平紋玻纖復合材料的介電常數(shù)比其基體的高出約27.3%；無捻斜紋玻纖復合材料的介電常數(shù)比其基體的高22.4%。圖6中，無捻玻纖復合材料的介質(zhì)損耗角正切值最大，而有捻玻纖復合材料的介質(zhì)損耗角正切值最小，無捻斜紋玻纖復合材料的介質(zhì)損耗角正切值居中。

3種不同結(jié)構(gòu)玻纖材料的介電常數(shù)值有上述變化的主要原因：加捻后纖維之間的抱和力增大，紗線結(jié)構(gòu)緊密，織成織物后經(jīng)緯紗線之間的空隙增大，使得空氣在織物中所占的體積分數(shù)增加，而空氣的介電常數(shù)值較小，約等于1。因此，根據(jù)介電常數(shù)混合法則得，單位面積內(nèi)加捻玻纖織物的介電常數(shù)小于未加捻玻纖織物的介電常數(shù)。而斜紋織物相對于平紋織物經(jīng)、緯浮長線長，且交織點數(shù)少于平紋組織的交織點數(shù)，織物組織結(jié)構(gòu)疏松，單位織物體積內(nèi)空氣所占的體積分數(shù)比平紋織物的大。依據(jù)相同的原理，無捻斜紋玻纖織物的介電常數(shù)小于加捻平紋玻纖織物的介電常數(shù)。不飽和聚酯樹脂的介電常數(shù)值約為2.94[1]，所織造的3種玻纖織物的介電常數(shù)值分別為1.805、1.685、1.67，且都小于2.94。因此，依據(jù)介電常數(shù)的混合法則，玻纖復合材料的介電常數(shù)是大于其增強體(玻纖織物)的介電常數(shù)的。

圖5 頻率1 MHz下玻纖織物及其復合材料的介電常數(shù)值

圖6 頻率1 MHz下玻纖復合材料的介電損耗角正切值

在電磁波的傳輸過程中，由于介質(zhì)材料存在一定的厚度，介質(zhì)損耗不能忽略不計，信號的傳播損耗和衰減可以表示為公式(1)：

(1)

其中，tanδ—材料的損耗角正切；

εr—材料的相對介電常數(shù)；

f—頻率。

3.3 電磁性能分析

圖7 無捻平紋玻纖復合材料的S參數(shù)

圖8 有捻平紋玻纖復合材料的S參數(shù)

圖9 無捻斜紋玻纖復合材料的S參數(shù)

4 結(jié) 語

本文研究了結(jié)構(gòu)配置對玻璃纖維織物及其復合材料的抗折皺性及電學性能的影響。對于抗折皺性，無捻斜紋玻纖織物的折痕回復角最大，具有最好的抗折皺性能，加捻平紋織物次之；而對電磁波的衰減損耗以及S參數(shù)的分析表明，加捻平紋玻纖復合材料的上述性能最佳，更適合在電氣領(lǐng)域內(nèi)應用。因此，對應用于電氣領(lǐng)域內(nèi)的復合材料來說，可以在不改變材料的前提下，可通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)配置等方式來提高其性能，為這一方面的研究設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)。

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Effect of Structure Configuration on the Electrical Performance of Glass Fabric and the Composites

MAO Hailiang1，F(xiàn)ENG Lanyu1，YAO Lan1，JIN Yihong2，GONG Cheng3

(1.College of Textiles,Donghua University,Shanghai 201620)(2.Glass Reinforced Plastic Company of Shanghai Zhihe，Shanghai 200023)(3.The fiftieth Institute of China Electronics Technology Group Company ,Shanghai 200331)

In this paper,mainly study on the anti-wrinkling properties of three different structure glass fabrics and the electrical properties of their composite materials.Through the research,when the frequency of electromagnetic wave locates in the centre,the value of S11and S12is -32.65dB,-0.25 dB of the twisted plain glass composite material,respectively.This meets the application requirement of material in electric field.And the aim of this study is to provide some theoretical basis for the potential application of glass fiber reinforced composites.

glass fiber；fabric structure；twist；composite materials；anti-wrinkling properties；electrical properties

2014-10-12)

毛海亮(1988-)，男，山東人，碩士，研究生。研究方向：玻璃纖維機織復合材料的制作和電學性能研究。E-mail：mhl_roger@126.com.

姚瀾(1978-)，女，遼寧人，副教授。研究方向：三維紡織天線的制作及性能研究，透波復合材料的電性能研究。E-mail：yao_lucy@126.com.