一种透波天线罩用复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种透波天线罩用复合材料及其制备方法。

背景技术

雷达作为飞行器的重要组成部分，为飞行器提供导航和通讯等功能，为了保证雷达系统能够在恶劣的环境中正常工作，需要在不影响其功能的情况下提供保护。目前由树脂基复合材料制备的天线罩广泛应用于飞行器的雷达系统，如环氧树脂、酚醛树脂、不饱合聚酯树脂、聚酰亚胺树脂和氰酸酯树脂复合材料等。

其中氰酸酯树脂由于其耐热性能好、吸湿率低、收缩率低且介电性能及介电损耗性能优异，目前已经广泛应用于天线罩领域。但是氰酸酯树脂的分子结构规整，常温状态下一般是粉末状态，固化温度较高，固化时间长，且成型的氰酸酯树脂较脆，是制备天线罩的不利因素。因此，在不影响其透波性能的前提下，寻找氰酸酯树脂的改性工艺变得十分重要。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种透波天线罩用复合材料及其制备方法，本发明利用氰酸酯树脂与环氧树脂中的环氧官能团进行反应生成唑啉结构，对氰酸酯树脂进行改性，提高氰酸酯树脂分子的无序程度，降低其结晶性能，同时环氧树脂的引入解决了氰酸酯树脂产品较脆的性能缺陷，利用有机锡化合物为固化反应的催化剂，降低了氰酸酯树脂的固化温度，提高其固化速度，成功制备了可用于热压罐或真空辅助成型的氰酸酯树脂石英纤维预浸料。

本发明是通过如下技术方案来实现的。

本发明的第一个目的是提供一种透波天线罩用复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、以氰酸酯树脂为原料，以含有环氧官能团的化合物为改性剂，通过氰酸根与环氧官能团反应生成唑啉结构，制得中间体；

S2、以有机锡化合物为固化剂，与S1制备的中间体混合，制得改性氰酸酯树脂；

S3、将S2制备的改性氰酸酯树脂溶于有机溶剂中，并涂覆于基底层上，制备预浸料；将预浸料采用热压罐或真空辅助成型工艺进行固化成型，制得透波天线罩用复合材料。

优选地，S1中，所述含有环氧官能团的化合物为环氧树脂862、环氧树脂E51或环氧树脂E44。

优选地，S1中，反应温度为140-160℃，反应时间为0.5-2h。

优选地，S1中，所述含有环氧官能团的化合物和氰酸酯树脂的质量比为1:5-10。

优选地，S2中，所述有机锡化合物为辛酸锡。

优选地，所述有机锡化合物和含有环氧官能团的化合物的质量比为1:20。

优选地，S3中，所述固化成型为180℃下保温0.5h，随后自然冷却至室温。

优选地，S3中，所述有机溶剂为丙酮。

优选地，S3中，所述基底层为石英纤维布，且预浸料可长期在室温下保存，固化成型前在70℃烘软化0.25-0.5h即可。

本发明的第二个目的是提供由上述制备方法制得的透波天线罩用复合材料。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明利用氰酸酯树脂与环氧树脂中的环氧官能团进行反应生成唑啉结构，对氰酸酯树脂进行改性，提高氰酸酯树脂分子的无序程度，降低其结晶性能，同时环氧树脂的引入解决了氰酸酯树脂产品较脆的性能缺陷，使其力学性能符合使用要求(平均最大载荷为1115.01N，抗弯强度为924.79MPa，抗弯模量为24.28GPa)；

(2)利用有机锡化合物为固化反应的催化剂，降低氰酸酯树脂的固化温度至180℃(目前氰酸酯树脂固化超过200℃)，提高其固化速度(固化时间降低至0.5h，而目前氰酸酯树脂固化时间超过2h)；

(3)通过上述方法制备的氰酸酯树脂复合材料的介电常数为2.35，介电损耗角正切值为0.0043，在电磁波垂直入射的情况下，得到材料的透波率为99.9％，即通过上述方法改性氰酸酯树脂，改善材料固化条件及力学性能的同时，也保证了材料仍然具有具有较好的透波性能；

(4)另外，通过上述方法成功制备了氰酸酯树脂石英纤维预浸，此预浸料可长期在室温下保存，适合采用热压罐或真空辅助成型工艺进行固化成型。

附图说明

图1为实施例1制得的透波天线罩用复合材料的抗弯强度和模量。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。下述原料和试剂，如没有特殊说明，均为市售；检测方法和实验方法，如没有特殊说明，均为常规方法。

本发明提供了一种透波天线罩用复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、以氰酸酯树脂为原料，以含有环氧官能团的化合物为改性剂，通过氰酸根与环氧官能团反应生成唑啉结构，制得中间体；

S2、以有机锡化合物为固化剂，与S1制备的中间体混合，制得改性氰酸酯树脂；

S3、将S2制备的改性氰酸酯树脂溶于有机溶剂中，并涂覆于基底层上，制备预浸料；此预浸料可长期在室温下保存，使用前在70℃烘箱中软化0.25-0.5h，随后就可采用热压罐或真空辅助成型工艺进行固化成型，固化工艺为180℃下保温0.5h，脱模即制得透波天线罩用复合材料。

上述氰酸酯树脂可以是目前用于天线罩的所有品种，为了更好的说明本发明技术方案，下面仅以其中一种双酚A型氰酸酯树脂为例，进行改性工艺说明。

实施例1

一种透波天线罩用复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、称取100g的双酚A型氰酸酯树脂和10g的环氧树脂862，在搅拌条件下缓慢升温至150℃，反应0.5h后，制得中间体；

S2、在中间体中加入0.5g的辛酸锡，搅拌均匀后迅速降温至室温，制得改性氰酸酯树脂；

S3、将得到的改性氰酸酯树脂与100mL丙酮混合均匀，均匀涂覆于石英纤维布上，待丙酮挥发，制得改性氰酸酯树脂石英纤维复合材料预浸料；此预浸料可长期在室温下保存，使用前在70℃烘箱中软化0.5h，随后就可用于热压罐成型，固化工艺为180℃下保温0.5h，随后自然冷却至室温，脱模即得制品。

实施例2

一种透波天线罩用复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、称取50g的双酚A型氰酸酯树脂和10g的环氧树脂E51，在搅拌条件下缓慢升温至140℃，反应2h后，制得中间体；

S2、在中间体中加入0.5g的辛酸锡，搅拌均匀后迅速降温至室温，制得改性氰酸酯树脂；

S3、将得到的改性氰酸酯树脂与100mL丙酮混合均匀，均匀涂覆于石英纤维布上，待丙酮挥发，制得改性氰酸酯树脂石英纤维复合材料预浸料，此预浸料可长期在室温下保存，使用前在70℃烘箱中软化0.25h，随后就可用于真空辅助成型，固化工艺为180℃下保温0.5h，随后自然冷却至室温，脱模即得制品。

上述实施例1和实施例2制备的复合材料性能近似，下面仅以实施例1为例，对其进行表征。

目前大部分氰酸酯树脂固化温度超过200℃，固化时间超过2h，本发明使氰酸酯树脂的固化温度降低至180℃，固化时间降低至0.5h，原因在于，利用氰酸酯与环氧树脂中的环氧官能团进行反应，对氰酸酯进行改性，提高氰酸酯树脂分子的无序程度，降低其结晶性能，同时环氧树脂的引入解决了氰酸酯树脂产品较脆的性能缺陷，利用辛酸锡为固化反应过程中的催化剂，降低了氰酸酯树脂的固化温度，提高其固化速度；

按照GB/T 3356-1999测试复合材料的弯曲性能，测试跨距为34mm，测试实施例1制备的复合材料样品的平均宽度为12.35mm，平均高度为2.20mm,平均最大载荷为1115.01N，通过计算得到材料抗弯强度为924.79MPa，抗弯模量为24.28GPa，6个批次样品测得的抗弯强度和模量见图1，结果表明环氧树脂的引入解决了氰酸酯树脂产品较脆的性能缺陷，改善了材料的力学性能，使其符合使用要求；

电磁波在介质中传输时会出现三种情况，分别是电磁波能量耗散(主要是热损失)、反射及透过，通常用能量损耗(A)、反射系数(Γ)和透波率(T)三个物理量来表征，其关系式如下所示：

能量损耗：

反射系数：

则透波率为：

式中：

ε——介质材料的介电常数；

tanδ——介质材料介电损耗角正切值；

d——介质材料的厚度；

λ——电磁波波长；

θ——电磁波在透波介质材料表面的入射角；

在1MHz下测试其介电参数，实施例1制备的复合材料样品厚度为2.21mm时，测得的介电常数为2.35，介电损耗角正切值为0.0043，在电磁波垂直入射的情况下，通过公式(3)计算，得到材料的透波率为99.9％，即通过上述方法改性氰酸酯树脂，改善材料固化条件及力学性能的同时，也保证了材料仍然具有具有较好的透波性能。

综上所述，本发明利用氰酸酯树脂与环氧树脂中的环氧官能团进行反应生成唑啉结构，对氰酸酯树脂进行改性，提高氰酸酯树脂分子的无序程度，降低其结晶性能，同时环氧树脂的引入解决了氰酸酯树脂产品较脆的性能缺陷，使其力学性能符合使用要求(平均最大载荷为1115.01N，抗弯强度为924.79MPa，抗弯模量为24.28GPa)；利用有机锡化合物为固化反应的催化剂，降低氰酸酯树脂的固化温度至180℃(目前氰酸酯树脂固化超过200℃)，提高其固化速度(固化时间降低至0.5h，而目前氰酸酯树脂固化时间超过2h)；通过上述方法制备的氰酸酯树脂复合材料的介电常数为2.35，介电损耗角正切值为0.0043，在电磁波垂直入射的情况下，得到材料的透波率为99.9％，即通过上述方法改性氰酸酯树脂，改善材料固化条件及力学性能的同时，也保证了材料仍然具有具有较好的透波性能；另外，通过上述方法成功制备了氰酸酯树脂石英纤维预浸，此预浸料可长期在室温下保存，适合采用热压罐或真空辅助成型工艺进行固化成型。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内也意图包含这些改动和变型在内。