摘　要：本文闡述了單層平板的透波原理，對工藝中影響材料透波的一些因素進行了研究，并對其機理進行了探討。
關鍵詞：玻璃纖維，不飽和聚酯樹脂，玻璃鋼，透波性能

1　引　言

　　玻璃鋼的透波性能已經得到了廣泛的應用，從保護天線的天線罩、電子對抗用的透波墻以及電視發射塔的墻體等，這主要是因為玻璃鋼能夠將電氣性能、力學性能及耐候性很好地統一起來。而玻璃纖維／不飽和聚酯樹脂復合材料由于其性能／價格比方面的優勢，成為透波產品的選，單層玻璃纖維／不飽和聚酯樹脂復合材料的結構和以其作為蒙皮的夾層結構是透波產品基本的結構形式。透波產品在單程傳輸功率、峰值副瓣電平抬高以及波束偏轉等方面的要求都使得產品的均勻性變得非常重要，也就是說，對產品的工藝控制提出了較為嚴格的要求，筆者在工藝實踐中對玻璃纖維／不飽和聚酯樹脂復合材料的含量、孔隙率及吸水性等因素對其透波性能的影響作了初步的研究，得出了一些規律，僅供參考。

2　單層平板的透波原理

　　電磁波透過材料時，同時伴隨著能量損失，能量損失的原因是由于材料對電磁波的反射與吸收。一般可以用下式來表示：

式中：

　　材料透過電磁波的多少，取決于材料本身的介電性能(ε、tanδ)、結構、厚度、入射角度等。
　　當電磁波自介質b區入射到介質a區時，由于a、b介質的介電常數不同，一部分能量在單層平板的前壁被反射，另一部分被透射；而透射的電磁波在a介質的后壁又發生反射，且其中又有一部分能量通過前壁，與前壁反射的電磁波相迭加，其余的電磁波就是透過a介質的電磁波(圖1)。在電磁波的傳輸過程中，將有一部分能量由于介質損耗使電能變成熱而損失。

　　水平極化電磁波能量的損失A與厚度、波長介電性能有關，一般可以表示為：

式中：

　　水平極化電磁波在介質界面上的折射率和反射系數可歸納如下：

式中：

　　透渡率可表示為：

式中：

　　從上述原理可以看出，材料本身的ε、δ對透波性能起著至關重要的作用，較小的電氣參數可以獲得較小的能饋損失，透過的能量得到加強，這正是透波材料的特點。

3　玻璃纖維／不飽和聚酯樹脂復合材料透波性能的研究

3.1　樹脂含量對介電性能的影響
　　由圖2可以看出：隨著復合材料的樹脂含量的增加，復合材料的介電常數將降低．損耗角正切增加，介電常數―樹脂含量曲線和損耗角正切―樹脂含量曲線相交處的樹脂含量約為47％左右，此時的介電常數為4.27，損耗角正切為0.018。
　　玻璃纖維／不飽和聚酯復合材料的介電性能是由玻纖和不飽和聚酯的介電性能所共同決定的。通常E-玻纖的介電常數為6.10，不飽和聚酯樹脂的介電常數為2.95，樹脂的介電常數要小于玻纖的介電常數，由此可以推知，在理想的條件下，復合材料的介電常數應在2.95～6.10之間，即隨著樹脂成分的增加，復合材料的介電常數將減少；隨著纖維含量的提高，復合材料的介電常數將增加。

　　材料的損耗角正切既與介質材料的有限電導率有關，又與分子內部的粘滯力有關。一般E―玻璃纖維的tanδ為0.004，不飽和聚酯樹脂的tanδ為0.026，增強材料的tanδ遠小于作為基體樹脂，因此，當樹脂的含量增加時，復合材料內部的粘滯力增加，使復合材料的整體介電損耗角正切增加。
　　對于玻璃纖維／不飽和聚酯樹脂復合材料來說，樹脂含量對介電性能中的介電常數和介電損耗角正切的影響是相互矛盾的，隨樹脂含量的提高，ε降低，tanδ增加。而對于透波材料來說，ε降低，材料對電磁波的吸收因子降低，反射系數絕對值減小，意味著材料本體的反射量減小、吸收量也減小，對透波不利；tanδ增加，材料對電磁波的吸收因子增加，意味著材料本體的吸收量(熱損耗)增加，對透波不利，為了將ε、tanδ兩者兼顧，選擇含膠量在45％～50％比較合適。
　　隨著樹脂含量的提高，復合材料的力學性能將會下降，結果見表1。樹脂在復合材料中主要起傳遞力的作用，主要的承載者為玻璃纖維，這樣，在樹脂浸漬完全的情況下，樹脂含量高，纖維含量低，則力學性能下降。

　　由于復合材料在自然環境中存在老化問題，試驗證明老化將使十年后的強度下降20％-35％，這樣，考濾到透波產品使用壽命的設計要求，含膠量不能高于52％。
3.2　孔隙率對介性能的影響

　　由圖3可以看出：隨著孔隙率的增加，復合材料的介電常數、損耗角正切都將降低。由于樹脂對增強材料的浸潤不良，不能完全排除纖維中夾帶的空氣，配膠時攪拌引入的空氣，固化反應中低分子產物的外溢等原因，使制品中產生孔隙。材料中的孔隙，包括封閉孔隙和開口的孔隙，在干燥的情況下，兩種孔隙實質上是被空氣所占據的，而空氣的介電常數一般情況下接近1，損耗角正切更是接近于零，因此，孔隙率越大，即空氣所占據體積越大，對整個復合材料來說，介電常數、損耗角正切將都有所降低，即在透波過程中，反射和熱耗都降低，透波率升高。
　　孔隙的存在使原來的連續相被隔斷，復合材料的有效承載面積減小，因此，機械性能將下降。表2為不同孔隙下材料拉伸性能的測試結果，從表中可以看出，材料的拉伸強度對孔隙非常敏感，孔隙率由2.3％變化到4.4％，則拉伸強度由237.6MPa降到166.3MPa，下降了30％。綜合透波性能與力學性能，孔隙率為3％時較為適宜。

3.3　吸水性對介電性能及拉伸性能的影響

　　為了研究復臺材料的吸水性對介電降能的影響，分別對A -151、沃蘭進行處理的玻璃布制成的復合材料進行吸水性試驗和介電性能的測試，以了解復合材料的吸水性，界面對介電性能影響，結果見表3。

　　表3中可以看出：(1)材料的吸水將對材料的介電性能產生很大的影響，使介電常數ε、損耗角正切tanδ增加，尤其損耗角正切tanδ對含水量特別敏感，不到1％的含水率，將使tanδ增加近六倍。另外，材料吸水將使拉伸強度和模量下降。(2)經A-151和沃蘭處理過的玻纖布所制成的復合材料的吸水量要遠少于表面未進行后處理的復合材料，介電性能和拉伸性能也較為進行表面后處理的性能下降得少。(3)經過沃蘭、A-151偶聯劑后處理的玻璃布所制成的復合材料，含水量相近，其介電性能和力學性能略有差砰，A-151的處理效果稍好。
　　從細觀方面來看，玻璃纖維復合材料是含有微孔的材料。根據目前的工藝水平，不論采用哪一種表面處理劑和樹脂，一方面樹脂不能完全浸透到纖維束內部，另一方面鋪層之間多少確一些孔隙。因此，玻璃纖維復合材料存在不同程度的吸水現象。
　　吸水后，復合材料的介電性性能的變化，主要是因為水的介電常數和損耗角正切都非常大，分別為81和0.55，水吸入材料后使復合材料本身介電性能有所的提高，其中，介電常數略有提高，而損耗角正切則提高較大，說明材料的吸水將對電磁波的吸收產生重要影響。由于材料表而水分的存在，使得玻璃纖維增強塑料可能由低損耗的材料，變為吸收材料(tanδ≥0.1為吸收材料，0.001≤tanδ≤0.05為低耗材料。
　　吸水后復合材料的力學性能下降，主要是由于水對復合材料的界面的破壞作用。一方面，進入界面的水分，先使樹脂溶脹，溶脹致使界面上產生橫向拉伸應力，這種應力超過樹脂與玻璃纖維間的粘接強度時，界面則發生破壞。另一方面，玻璃纖維復合材料在水的作用下，由于玻璃纖維受到水的作用產生氧氧根離子，使水呈堿性，這將加速聚酯樹脂的水解反應，其反應如下：

　　由于樹脂的水解引起大分子鏈的降解，致使樹脂層的破壞，進而造成界面粘接破壞。
　　玻璃布經過處理劑處理后，改善了與樹脂的界面粘結，一定程度上減少了纖維束內部的孔隙，從而大幅度地減小了復合材料的吸水量，介電性能和拉伸性能得到改善。
　　用處理劑對玻璃纖維的表面進行處理，是利用處理劑的結構特點，將玻璃纖維與樹脂牢固地粘結在一起。一般偶聯劑的分子量端都含有性質不同的基團：一端的基團與玻璃纖維織物表面發生化學作用或物理作用，另一端的基團則和樹脂發生化學或物理作用，從而使玻璃纖維與樹脂能很好地偶聯起來，獲得良好的粘結，有效地抵抗了水的侵蝕。
　　A-151偶聯劑處理復合材料的效果要略好于沃蘭偶聯劑處理復合材料的效果，可能是因為沃蘭分子較A-151分子大得多，足以阻礙不飽和樹脂對玻璃纖維的浸潤，即產生微觀分了缺陷，導致沃蘭處理的復合材料的界而粘接效果略差，較A-151處理的復合材料易于吸水且力學性能略差。
　　沃蘭和A155的處理機理如下：(1)沃蘭；(2)A151。

　　以上為偶聯劑與玻璃纖維表面的作用機理，偶聯劑中的另一端都為不飽和雙鍵，它們與不飽和聚酯樹脂在引發劑的作用下發生化學反應。

4　結語

　　玻璃纖維／不飽和聚酯復合材料透波產品成型過程中，應注意材料含膠量、孔隙率和吸水性的控制，它們是影響產品均勻性的主要因素。只有根據產品的設計要求，通過工藝上的合理控制，才能制造出滿意的產品。