GFRP用氟硅体系超疏水涂层的制备及其性能演变研究

发布时间：2020-04-13 03:07

【摘要】：玻璃纤维增强树脂基复合材料(Glass-fiber-reinforced polymer,GFRP)具有低介电常数、透波性好、轻质易成型等优点,所以常用作制备高性能雷达天线罩。但雷达天线罩在大气环境中长期服役,受到光照、雨水、温度变化等环境因素的影响,会加速GFRP材料的老化裂解,大大缩短其使用寿命;同时,在降雨过程中在天线罩表面形成的水膜会大大增加其传输损耗,大大降低雷达天线的接收效率。本文旨在制备应用于GFRP基材表面的涂层材料。以能够大规模制备、生产设备简便且能满足纤维增强复合材料常温固化工艺为目标,在不影响被涂覆基底介电性能的前提下,对涂层的材料体系进行了设计,最终确定以改性聚四氟乙烯为涂层树脂基体,异氰酸酯三聚体为固化剂,纳米二氧化硅为填料,乙酸丁酯为溶剂,通过有机无机共混法来制备氟硅体系复合涂层。本文研究了固化剂及纳米二氧化硅用量对涂层性能的影响,进而优化涂层材料体系配比,并成功在GFRP基材表面制备得到超疏水涂层材料。研究结果表明,当固化剂用量为20wt%、纳米二氧化硅用量为30wt%时,氟硅体系复合涂层的疏水角达到158.67°,达到超疏水要求。扫描电子显微镜及原子力显微镜观察结果表明,纳米粒子的添加改变了复合涂层表面微观形貌,大幅提高了其表面粗糙度。通过对涂层表面化学结构的分析以及表面能的计算,进一步分析了涂层表面的疏水机理。复合涂层与GFRP结合紧密,其附着力达到1级。复合涂层小幅降低了GFRP的介电常数和损耗角正切,提升了GFRP的介电性能。本文还对氟硅体系超疏水涂层的耐候性进行了研究分析,通过紫外老化加速试验、盐雾腐蚀加速试验、高温-低温交变循环试验和室外自然老化试验等手段,系统研究了各环境因素对复合涂层的疏水角、表面能、化学结构及其表面微观形貌的影响,分析了涂层材料的性能演变规律。研究结果表明,盐雾腐蚀对涂层的耐候性影响最大。盐雾腐蚀500h后,涂层疏水角降低了39.05°,表面自由能升高了12.09m J/m2,表面微观结构变化明显。分析了环境因素对涂层耐候性的影响,得出材料表面微观结构破坏和化学结构降解是引起涂层耐候性下降的主要原因。
【图文】：

天线罩,地面雷达,天线罩材料,耐候性

随着信息时代的加速发展，人们对于通讯传输方面稳定性和精确性的需求日益增加。地面雷达作为承载通讯的物理载体，，扮演着不可或缺的重要角色。而雷达天线罩则作为保护地面雷达系统的重要组成部分，必须能够承受外界大气环境的不断侵蚀[1-5]。通常地面雷达的天线罩都是由玻璃纤维增强树脂基复合材料（GFRP）制成的，具有低介电常数、透波性好、轻质易成型等特性，是地面雷达可靠的电磁窗口[6]。然而，GFRP 在耐候性上仍存在不足，过久地暴露在日照下，太阳光中的紫外线会加速复合材料中高分子树脂的断链过程，产生老化裂解[7]（如图 1-1）。而雨水冲刷的所带来的侵蚀同样不容小觑。雨水中富含氢离子、硫离子，通常呈弱酸性，易与雷达天线罩表面的游离羟基反应，降低天线罩的机械性能，还会产生微小孔隙，进一步加速天线罩老化[8]；同时雷达天线的传输功能也会受到雨水的影响。雨水聚集在天线罩表面时，会形成一层水薄膜，水膜在天线接受微米波和毫米波时会增加其相对介电常数和损耗角正切，降低了天线的传输精度，增加了其传输损耗，这种影响会随水膜厚度增加而加剧[9]。

超疏水,荷叶效应,表面

图 1-2 a)荷叶效应; b)超疏水表面[17]终于在 19 世纪前叶，经过众多科学家对自然界超疏水现象的不懈研究，一大批有关固液界面润湿性的机理应运而生，为超疏水机理的诞生做下铺垫。1.2.1 杨氏润湿方程作为界面润湿之父，Thomas Young 在 1804 年首次提出了表界面科学中最著名的润湿方程——杨氏方程[26]，从表面能量角度诠释了润湿机理，为后来超疏水
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB332

【参考文献】