吸濕對PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料力學性能和介電性能的影響*

邊佳燕，劉 鈞，鮑 錚，周遠明

(國防科技大學空天科學學院, 湖南 長沙 410073)

引 言

雷達天線罩是使天線系統(tǒng)免受外界因素影響又保持其各項性能的結(jié)構(gòu)物[1]，需具有優(yōu)異的透波性能[2]和較好的力學性能[3]。PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料符合雷達天線罩的各項性能要求[4-5]，是一種典型的雷達天線罩材料體系，在多種直升機、偵察船上得到較好的應(yīng)用。雷達天線罩的服役環(huán)境較為惡劣，天線罩容易受到濕熱環(huán)境的影響，會出現(xiàn)吸濕現(xiàn)象，致使其力學性能[6-7]和透波性能[8]發(fā)生變化，在一定程度上影響了它的使用。因此吸濕性能是PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料的重要性能之一。

在PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料中，PMI泡沫芯材、樹脂基體、增強材料的吸濕率依次減小[9-10]，導致吸濕過程中體積膨脹不匹配，材料內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，出現(xiàn)纖維/基體界面和面板/芯材界面脫粘、裂紋擴展、缺陷增加等現(xiàn)象[11-12]，致使材料力學性能下降。同時有研究表明，吸濕后材料的透波性能有所下降[13]，表現(xiàn)為介電常數(shù)和介電損耗因子增加[14]，且吸濕對介電損耗因子的影響大于對介電常數(shù)的影響。

本文系統(tǒng)研究了在多種吸濕環(huán)境中石英纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料面板/PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料力學性能、透波性能的變化規(guī)律，總結(jié)了溫度和濕度對PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料各項性能的影響規(guī)律。

1 實驗

1.1 實驗材料和試樣制備

實驗材料包括由湖北菲利華股份有限公司生產(chǎn)的石英玻璃纖維平紋織物(增強材料)、由香港惠利有限公司生產(chǎn)的LT-5089環(huán)氧樹脂(樹脂基體)以及由德國德固賽公司生產(chǎn)的密度為75 kg/m3的PMI泡沫芯材。

PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料采用濕法袋壓工藝制備得到，固化工藝：50 ℃/3 h，后固化70 ℃/6 h。試樣的上下面板厚度均為0.32 mm，芯材厚9.4 mm。根據(jù)標準將試樣切割成相應(yīng)尺寸，并使用鋁箔膠帶對試樣側(cè)面進行密封，最后將處理完成的試樣放置在干燥箱中進行充分干燥，一般為70 ℃/6 h。

1.2 吸濕環(huán)境設(shè)計

根據(jù)標準GB/T 2574—1989和ASTM D5229/D5229—2014，本文設(shè)計了3個環(huán)境濕度(85%RH、95%RH、浸水和3個環(huán)境溫度50 ℃、60 ℃、70 ℃)，組合形成5個吸濕環(huán)境，具體見表1。

表1 PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料吸濕環(huán)境

1.3 夾層結(jié)構(gòu)試樣彎曲性能測試

根據(jù)標準GB/T 1456—2005，對吸濕過程中的PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料進行外伸梁三點彎曲測試。實驗設(shè)備是由長春試驗機廠生產(chǎn)的微機控制萬能試驗機。通過測試，得到PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料在不同吸濕環(huán)境下的彎曲剛度和彎曲破壞載荷。

1.4 夾層結(jié)構(gòu)試樣平壓性能測試

根據(jù)標準GB/T 1453—2005，對不同吸濕環(huán)境中的PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料的平壓性能進行測試。實驗設(shè)備為由長春試驗機廠生產(chǎn)的微機控制萬能試驗機。通過測試，得到吸濕過程中PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料平壓強度和平壓模量的變化規(guī)律。

1.5 夾層結(jié)構(gòu)試樣介電性能測試

使用安捷倫科技有限公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試復合材料面板試樣和PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)試樣在吸濕前后的介電常數(shù)和介電損耗因子，并利用CST軟件(三維全波電磁場仿真軟件)模擬PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料的透波性能[15]。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸濕對PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料彎曲性能的影響

圖1為干態(tài)和不同吸濕環(huán)境下PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料的彎曲載荷-撓度曲線。吸濕前后PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料在彎曲測試過程中均表現(xiàn)為初期彈性變形，隨后脆性斷裂，吸濕后試樣的彎曲性能明顯小于干態(tài)試樣，環(huán)境濕度較大時的彎曲性能更差。

圖1 PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料的彎曲載荷-撓度曲線

圖2為不同環(huán)境濕度條件下PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料的吸濕率和彎曲剛度隨時間的變化曲線。從圖2可知，在吸濕初期，材料的吸濕率快速增加，同時試樣的彎曲剛度快速下降。在同一溫度(60 ℃)條件下，試樣的飽和吸濕率隨著環(huán)境濕度的增加而上升，在85%RH和95%RH的環(huán)境中試樣的飽和吸濕率分別為3.37%和9.77%，但在浸水環(huán)境中，夾層結(jié)構(gòu)試樣的吸濕率卻在初期快速增加的基礎(chǔ)上一直緩慢升高，到第35天時試樣的吸濕率達到220%。與夾層結(jié)構(gòu)試樣的飽和吸濕率(浸水試樣的吸濕率)相對應(yīng)的是：當吸濕率趨于穩(wěn)定時試樣的彎曲剛度也逐漸穩(wěn)定，且飽和吸濕率越大，試樣的彎曲剛度越低。造成這一現(xiàn)象的可能原因在于：環(huán)境濕度越大，材料內(nèi)外的濕度梯度越大，吸濕早期大量水分通過基體大分子網(wǎng)絡(luò)、孔洞、界面等進入材料，使材料出現(xiàn)溶脹、缺陷增加、裂紋擴展、界面脫粘等現(xiàn)象，造成彎曲剛度下降。

圖2 不同濕度下PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料吸濕率與彎曲剛度隨時間的變化曲線

圖3為不同環(huán)境溫度條件下PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料的吸濕率和彎曲剛度隨時間的變化曲線。在同一濕度(85%RH)條件下，吸濕初期試樣的吸濕率隨著溫度的升高而增大，試樣的彎曲剛度也隨之快速下降；達到飽和吸濕后，彎曲剛度也隨之基本穩(wěn)定。在50 ℃、60 ℃和70 ℃環(huán)境中，試樣的飽和吸濕率隨溫度的升高而降低，分別為3.90%、3.37%和2.52%，試樣的彎曲剛度也隨之不斷降低。這是由于溫度越高，水的活性越大，吸濕更快，同時高溫下吸濕對PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料的損傷越大，尤其是面板的材料剝落和溶解現(xiàn)象更明顯，導致試樣的表觀飽和吸濕率下降，但試樣的缺陷、裂紋等損傷卻越來越多，使得試樣的彎曲剛度更小。

圖3 不同溫度下PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料吸濕率與彎曲剛度隨時間的變化曲線

對吸濕前后PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料的彎曲剛度和破壞載荷進行比較，結(jié)果見表2和表3。其中浸水環(huán)境試樣使用吸濕第40天的數(shù)據(jù)。從表2和表3可以看出，環(huán)境濕度越大，溫度越高，吸濕后PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料的彎曲剛度和破壞載荷下降就越多。其中彎曲剛度的下降比例在15% ～ 26%范圍內(nèi)，彎曲破壞載荷的下降比例在15% ～ 40%范圍內(nèi)，高于彎曲剛度的下降比例。

表2 吸濕前后PMI泡沫夾層復合材料的彎曲剛度比較

表3 吸濕前后PMI泡沫夾層復合材料的彎曲破壞載荷比較

2.2 吸濕對PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料平壓性能的影響

圖4和圖5分別為不同濕度和溫度環(huán)境中PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料的吸濕率和平壓性能(包括平壓強度和平壓模量)隨時間的變化曲線。從圖4和圖5可知，吸濕過程中PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料平壓性能的變化規(guī)律與吸濕率相對應(yīng)：在快速吸濕階段，材料的平壓性能快速下降，吸濕穩(wěn)定時平壓性能也相對穩(wěn)定；濕度越大，試樣的飽和吸濕率越大，其平壓性能也越低，但溫度對吸濕后試樣平壓性能的影響規(guī)律不太明顯。

吸濕前后PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料的平壓強度和平壓模量的對比見表4和表5。溫度恒定在60 ℃時，環(huán)境濕度越小(85%RH)，試樣的飽和吸濕率越小，平壓性能最好；濕度恒定在85%RH而溫度不同時，50 ℃試樣的飽和吸濕率最大，PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料的平壓性能最小。另外，吸濕對PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料平壓強度的影響大于對平壓模量的影響，在相同環(huán)境下，材料平壓強度的下降率一般比平壓模量的下降率大4% ～ 6%。

圖4 不同濕度環(huán)境下PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料吸濕率和平壓性能隨時間的變化曲線

圖5 不同溫度環(huán)境下PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料吸濕率和平壓性能隨時間的變化曲線

表4 吸濕前后PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料的平壓強度

表5 吸濕前后PMI泡沫夾層復合材料的平壓模量

2.3 吸濕對PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料透波性能的影響

為了表征吸濕對PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料透波性能的影響，首先對不同濕度環(huán)境和不同溫度環(huán)境下的面板復合材料試樣和PMI泡沫試樣的介電性能進行測試。表6和表7分別為不同吸濕環(huán)境下面板復合材料試樣和PMI泡沫試樣的介電參數(shù)。從表6和表7可以看出，吸濕對面板復合材料和PMI泡沫試樣的介電性能有很大的影響，2種試樣的介電常數(shù)和介電損耗因子在任意一種吸濕環(huán)境下都有明顯的上升。吸濕后材料的介電性能主要由飽和吸濕率決定，這是由于水具有極大的介電參數(shù)，其介電常數(shù)約為81，介電損耗因子約為0.55，因此試樣的吸濕率越大，介電參數(shù)上升越大。在面板試樣和PMI泡沫試樣中發(fā)現(xiàn)：浸水環(huán)境中的試樣介電參數(shù)大于高濕度環(huán)境中的介電參數(shù)，低溫環(huán)境中的試樣介電參數(shù)大于高溫環(huán)境中的介電參數(shù)。

表6 不同吸濕環(huán)境下面板復合材料試樣的介電性能

表7 不同吸濕環(huán)境下PMI泡沫試樣的介電性能

利用CST軟件(三維全波電磁場仿真軟件)建立了夾層結(jié)構(gòu)模型，如圖6所示。

圖6 夾層結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)表6和表7中的相關(guān)介電參數(shù)，利用CST軟件模擬得到PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料在干態(tài)及不同吸濕環(huán)境中的頻率-插損曲線，如圖7所示。與干態(tài)試樣相比，吸濕后的PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料的插損-頻率曲線明顯下降，且浸水環(huán)境中的試樣插損-頻率曲線低于95%RH環(huán)境中的試樣插損-頻率曲線，50 ℃環(huán)境中的試樣插損-頻率曲線低于70℃環(huán)境中的試樣插損-頻率曲線。由此可見，環(huán)境濕度越大，溫度越低，PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料的透波性能就越差。該結(jié)論與PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料的吸濕率大小相對應(yīng)。

圖7 不同吸濕環(huán)境下PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)的插損-頻率曲線

3 結(jié)束語

在吸濕過程中PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料的彎曲剛度、平壓強度、平壓模量的降低以及介電參數(shù)的增加都與材料的吸濕率正相關(guān)。在吸濕初期，試樣的吸濕率隨環(huán)境濕度的增大和溫度的升高而增大，材料的彎曲剛度及平壓性能則快速下降。吸濕穩(wěn)定后，試樣的力學性能也相對穩(wěn)定。環(huán)境濕度越大，試樣的飽和吸濕率越大，其彎曲剛度及平壓性能也越低。

在實驗范圍內(nèi)，PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料的彎曲剛度的下降比例在15% ～ 26%范圍內(nèi)，彎曲破壞載荷的下降比例在15% ～ 40%范圍內(nèi)，高于彎曲剛度。吸濕對PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料的平壓強度的影響大于對平壓模量的影響，在相同環(huán)境下，材料平壓強度的下降率比平壓模量的下降率大4% ～ 6%。在實驗范圍內(nèi)，環(huán)境的濕度越高，溫度越低，試樣的飽和吸濕率就越大，PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)復合材料的透波性能也越差。