专栏故事
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玻璃纤维织物构型对增强透明复合材料性能影响研究*
吴海宏1,2，张竹青1
（1.河南工业大学 碳纤维复合材料河南省国际合作实验室，郑州，450001 ；
2.郑州仿弦新材料科技有限公司，郑州，450001）
摘 要：分析了玻璃纤维增强树脂透明复合材料设计原则，采用无碱玻纤展纱单向织物、展纱平纹编织、常规网格布和电子布4种不同排列构型的玻璃纤维增强环氧树脂预浸料，经铺层、热压、固化制备了玻璃纤维增强环氧树脂透明复合材料，研究玻璃纤维织物构型对光透射性能的影响及其复合材料经高温高湿处理前后透光率、雾度的变化规律，评价不同光照条件下复合材料的透明性。结果表明：展纱单向织物铺层与其面密度相近的电子布透明复合材料均获得大于90%的透光率，经高温高湿处理后透光率下降小于5%，反映了纤维织物构型对复合材料高透明的贡献机制。在此基础上，将复合材料高透明性外延到可见光之外的电磁波，制备了透明阵列格栅微波复合材料并进行透波性能测试，得到了透波率大于98%、吸波值小于-8dB的透波、吸波性能，为设计各类微波器件提供了新的思路。
关键词：玻璃纤维；织物构型；透明复合材料；透光率
项目编号：62602010237
基金项目名称：“慧眼行动”创新成果转化应用项目
透明材料在国民经济许多领域有着广泛的需求和应用，如航空航天、轨道交通、新能源、机器人、机械装备等所需透明件；LED背光系统、LCD液晶显示系统、开关背板等电子照明组件；建筑领域的采光系统、透光顶板、光伏组件以及各种光学仪器镜片等［1-6］。
高透光率意味着光容易穿透材料，在材料内部的光吸收和反射较少，故材料呈现出好的透明效果。一般来说，透光率越高，材料的透明度也越高。传统的透明材料有玻璃、塑料和复合材料。玻璃透光率高，但密度大、抗冲击强度低。透明塑料，如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）等透光率高、质量轻、制造工艺简单，但力学性能不高。而在需要高透明度、高力学性能、轻量化的场合，如飞机和汽车的挡风玻璃、建筑幕墙、电子显示屏等，玻璃纤维增强树脂基透明复合材料（GFRTC）显示出其独特的优势，成为近年来研究热点之一［7-10］。
GFRTC由增强体玻璃纤维（GF）和基体树脂两相组成。环氧树脂具有优异的物理和化学性质，透光率可达95%，是实现GFRTC良好透明效果的可选树脂之一。玻璃纤维（GF）作为高强度、高刚度增强体，实际应用往往需对其表面进行浸润剂处理，以调控其表面极性，获得与树脂良好的相容性，并能满足特殊性能要求。高透明和高力学性能兼具的树脂基复合材料应具备的基本条件 ：（1）折射率匹配 ：环氧树脂的光折射率与GF的光折射率相匹配，以减少光在树脂基体和GF界面传播时的漫反射和散射是制备高透明复合材料的关键［11-15］ ；（2）树脂对GF的浸润 ：树脂对GF需有良好的浸润性能并能在GF间形成均匀、连续的相分布细观结构；（3）树脂与GF界面结合强度：对GF进行表面处理，提高其与树脂界面粘接性能，在GF与树脂间形成均匀、连续、致密的界面微观结构；（4）铺层与固化工艺：合理设计GF与树脂预浸料铺层、优化成型工艺，控制成型缺陷，减少层间光散射和反射。由此可见，GFRTC的开发不仅涉及环氧树脂的成分设计，还涉及GF表面改性、空间排列细观结构、树脂与GF界面微观结构、界面性能以及成型质量进行精细设计与严格控制［16，17］。
目前，有关GFRTC的研究大多集中在树脂组分及其固化剂含量的反应活性、固化条件及其对透明度的作用机制［18，19］。本文以 GFRTC 的另一组成相GF为研究对象，从GF空间排列构型及其与树脂相互作用的角度出发，研究GFRTC高透光度的响应机制及影响规律。通过纤维气动展纱工艺制备薄层化GF单向、平纹织物、GF网格布和2115电子布增强环氧树脂透明预浸料。采用预浸料铺层、模压工艺制备了厚度为0.5mm的GFRTC层合板。测试了GF织物细观构型以及双85恒温恒湿环境可靠性实验（简称“双85”）条件下GFRTC 透光度和雾度的影响。此外，本文初浅探索了GFRTC的透波性能，并作为透波材料制备了阵列结构吸波复合材料，得到了较好的透波和吸波测试结果。在此基础上，总结了高透明GFRTC制备、成型及应用的关键问题，为进一步推广GFRTC在新质生产力中的应用提供基础。
1.1 GFRTC 的材料设计
光透射基本原理如式（1）所示。
（1）
式中 ：
I0——入射光强度，表示光源直接照射到某一 点或面上的光功率密度，W/m2 ；
Ir——反射（散射）光强度，表示当光线从一个表面反射到另一个表面上的光功率密度，W/m2 ；
la——吸收光强度，代表光在通过介质时，被介质吸收后剩余的光强度，W/m2；
It——透射光强度，代表光线在穿过某种介质后仍然能够继续传播的那部分光的强度，W/m2。
在实际应用中，常用相对单位百分比透射率 （T%）表示，透射率越高，透过材料的光强度越大，材料的透光性越好。
材料的透光率T%如式（2）所示。
（2）
式中 ：
T——透射率，%。
从微观结构角度出发，GFRTC由GF、环氧树脂、相界面、气孔及缺陷构成。光线在复合材料介质中传播时，GF空间排列构型、构型周期结构不同，光沿织物面内和面外的折射率差异不同，反射损耗大小不同，透光率随之而变。除了纤维排列空间构型，树脂与纤维两相界面、界面相容性、杂质、气孔、裂纹等微结构引起光的散射、反射和吸收，均不同程度影响材料的透光率。综合考虑这些因素，GFRTC材料设计应遵循如下原则：
（1）环氧树脂：作为基体相，GFRTC用环氧树脂应具备高的透光率，与GF的光折射率差不大于0.01；良好的化学稳定性、热稳定性和紫外线稳定性；适宜的粘度、良好的固化性能和低固化收缩率；与GF具有良好界面相容性；低挥发。
（2）GF：作为增强相，为了减少散射与吸收，应选择折射率低、直径小、表面光滑的GF。
（3）GF织物构型：较小的编织屈曲角、编织结构规整、织物张力均匀，以减少光的散射和吸收，提高透光率，减少光学畸变。不同编织结构 GF 光传播示意图如图1所示。
图 1 E-玻纤展纱前、后平纹织物纤维排列构型及其光传播
1.2 实验原材料
环氧树脂：FS-2044，郑州仿弦新材料；
E-玻纤展纱单向织物：郑州仿弦新材料；
展纱平纹织物：郑州仿弦新材料；
方格布：EWR200，重庆国际复合材料；
电子布：2116，重庆国际复合材料。
1.3 GFRTC制备与性能测试
FS-2044环氧树脂采用无溶剂体系，常温下为类固体，适合热熔法制备玻纤预浸料。树脂在80 ℃的粘度7000~9000mPa·s ；玻璃化温度90~100 ℃;固化温度130 ℃, 固化时间50min。4种玻璃纤维织物的面密度分别为75g/m2、150g/m2、200g/m2、 102g/m2；厚度分别为0.075mm、0.15mm、0.18mm、0.1mm。玻璃纤维直径为9μm，密度为2.56g/cm3。 GFRTC中玻璃纤维质量分数（50±0.2）%。 GFRTC制备工艺过程如下 ：
针对展纱类织物，其工艺过程包括：GF纤维表面预处理—真空干燥—展纱、编织—热熔预浸—叠层、模压、固化—脱模—裁切。针对EWR200方格布以及2116电子布，GF表面预处理、干燥后直接进行热熔预浸。展纱类织物处理前、后的纤维排列微观形貌如图2所示；电子布织物经表面处理后的透明性变化如图3所示。
图2 展纱前后纤维排列微观形貌
图3 电子布织物表面处理前后的透明性对比（拍摄距离500mm）
将上述4 种玻璃纤维织物/环氧树脂预浸料按0。/90。铺层，在真空热压机上热压制备200mm×200mm×0.5mm的GFRTC 片材。热压工艺条件如下 ：
预加热温度80 ℃, 保温时间30min；固化加热温度130 ℃, 升温速度3 ℃ /min，保温时间40min；固化完成后缓慢冷却到50 ℃开模；脱模后切边。所制样品如图4所示。
对所制备GFRTC样品按照国家标准进行透光率与雾度测试（GB/T 2410-2008《透明塑料透光率和雾度的测定》）。为了缩短实验时间，“双85”实验采用120 ℃ 高温高湿48h 加速实验方法。每加热1h、12h、24h、36h、48h后从高温高湿环境箱中取出一组样条，测试其透光率和雾度。为了探索透明复合材料对不同波长电磁波透射行为，在上述4种样品中选择天线常用电子布样品进行透波率测试，并以此为透波材料制备厚度2mm的阵列结构吸波复合材料，如图5所示。
图4 透明复合材料样品
图5 基于GFRTC的阵列吸波复合材料
2.1 GFRTC的透光率、雾度与透明性
GFCRT在不同加热时间下透光率和雾度的对比如图6所示。
a 透光率
b 雾度
图6 不同加热时间下的透光率和雾度
从图6可以看出，在未经“双85”处理之前，展纱单向铺层、展纱平纹织物、网格织物和电子布透明复合材料的透光率分别为91.2%、90.0%、89.3%、92.1%；雾度分别为8.0%、10.1%、10.3%、8.5%。单向铺层与电子布样品展现出高透光、低雾度优良的透光性能。在“双85”实验过程中，随着加热时间的增加，4个样品的透光率均有所降低，雾度升高。其中，单向铺层、展纱平纹织物和电子布样品随加热时间增加，透光率下降速度与雾度增加速度减小，逐渐趋于稳定。而网格织物样品随加热时间增加，其透光率不断降低，雾度不断增加。从图6a可以看出，随着加热时间的延长，展纱单向铺层、展纱平纹织物和电子布样品的透光率下降速度明显减慢，逐渐趋于稳定；而网格织物的透光率则不断降低。在“双85”实验结束后，展纱单向铺层、展纱平纹织物及电子布样品的透光率下降均小于5%，
网格布样品透光率下降大于5%。从图 6b 可以看出，加热前后的雾度与透光率变化规律基本相同；不同之处在于网格布雾度增加速度快于透光率下降速度。由于展纱单向铺层、展纱平纹织物与电子布透光性能接近，考虑到工程应用，本文选用标准化工业产品电子布与网格布进行透明性实验。白光入射条件下透明性能变化如图7所示，彩色光入射条件下透明性能如图8a所示。
图 7 “双 85”加热前后透明性对比（拍摄距离：500mm）
图7所示结果反映了在其他条件相同情况下，玻璃纤维织物构型对GFRTC透明性能的影响。电子布2116的面密度为 102g/m2，其周期结构单元的几何尺寸与编织屈曲角远小于面密度200g/m2 的网格布周期结构单元的几何尺寸与屈曲角，对入射光的反射、折射效应减弱，透射增强。此外，玻璃纤维织物厚、面密度大的网格布，由于其粗大的织物构型，在热压成型过程中内应力、界面缺陷较多，在 “双85”加热过程中，内应力重新分布，界面微观裂纹扩展，光散射效应增强，透明性能下降。限于篇幅，微观结构对GFRTC透明性能与力学性能的影响本文不再讨论。
依据GF光散射线度与入射光波长的相互作用机理，GFRTC的光散射主要以米氏散射为主。米氏散射的散射光强度与波长、频率有关。可见光中红光波长最长，频率低，散射相对弱；而紫光波长短，频率高，散射效应强。当彩色入射光通过GFRTC 时，形成不同程度的光晕现象，如图8b所示。此外，米氏散射的散射光强度还与散射介质的大小、形状和折射率等因素有关。具有细小均匀周期结构的电子布织物在彩色入射光照射下，透明性好，光晕面积小。
a 彩色入射光的透明性对比
b 彩色入射光的光晕现象对比
图8 彩色入射光的透明性及光晕现象对比（拍摄距离：500mm）
2.2 GFRTC的透波性能
可见光在传播速度、波动性质、周期性、波动性及多普勒效应方面与电磁波具有相同属性，只是波长范围、穿透性方面不同，具有更强的粒子性。为了进一步拓宽GFRTC 的应用领域，本文针对其透波性能及其应用进行了粗浅的探索。
图5所示的透明阵列吸波复合材料样品吸波性能测试结果如图9a所示；电子布透明复合材料样板透波性能测试结果如图9b所示。在GFRTC中，由于GF与树脂的折射率接近，减弱了光在相界面处产生的散射，透明复合材料样板透波率大于98%， 显示了其优秀的透波性能，如图9b所示。由透明复合材料与镀镍碳纤维带组成的透明阵列复合材料，在8~13GHz 频率范围内吸波反射率小于-4dB，显示出了较好的吸波性能。这一结果为雷达罩制造提供了新的设计思路。
a 透明阵列复合材料吸波性能
图9 阵列吸波复合材料的吸波性能及其透明玻纤板的透波性能
（1）玻璃纤维织物构型对玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的透明性能有重要影响，通过合理调控、设计玻璃纤维织物，与折射率相匹配的环氧树脂复合可获得高透明复合材料。
（2）玻璃纤维展纱织物中纤维排列均匀性好，屈曲角小，降低了光散射效应，可获得透光率大于90%，雾度小于8%的高透明材料；面密度较低的电子布具有细小的周期结构，光散射效应较弱，同样适合制备高透明复合材料。
（3）玻璃纤维展纱织物与具有相近面密度的电子布制备的透明复合材料经过“双85”处理后其透光率下降不大于5%，展示了良好的透光稳定性，这一方面与玻璃纤维织物构型有关，另一方面与复合材料内部均匀、细小的微观结构有关。
（4）高透明复合材料有效减小了复合材料界面折射、反射作用，提高了材料的透波性能，为设计高载荷、轻量化微波器件提供了新材料。
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