第七届“光威杯”中国复合材料学会大学生科技创新竞赛作品申报书.docx

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1、编号:第七届“光威杯”中国复合材料学会大学生科技创新竞赛作品申报书作品标题：5G基站用高值化玻纤增强树脂基复合材料制备及其性能研究作品形式：实物作品完成时间:2023/5/19.项目摘要和关键词1.l项目摘要随着信息时代的迭代更新，第五代通信技术（5G）从最初的快速建网期逐步向应用规模化发展期演变，5G高频高速化传输面临重大挑战。5G信号传输频率高，具有流量大、速度快的优势，要实现其高速化传输，要求基站天线罩的透波率更高、材料厚度更薄、耐冲击性更好。现有天线罩所用层合板存在透波率低、不耐冲击易层间失效的缺点，导致信号传输效率低、功耗大，进而造成基站建设密度大，建设成本高，能源消耗与资源浪费严重

2、的问题。本项目通过聚合诱导胶体凝聚法，以胭醛树脂为模板制备多孔纳米SiO2,采用原位聚合法在微球表面接枝含氟的聚甲基丙烯酸十二氟庚酯，自主制备出一种孔径小、孔隙率大的低介电多孔纳米SiCh将聚合物接枝的多孔纳米SiCh对环氧树脂进行增强改性，然后与低介电的玻璃纤维复合。聚甲基丙烯酸十二氟庚酯接枝多孔纳米SiO2一方面能够通过提高环氧基体的模量来增强复合材料的层间性能，另一方面其内部的多孔结构及含氟聚合物能够降低环氧基体的介电常数与介电损耗，研究填料含量对复合材料层间以及介电性能的影响，制备出一种介电性能好、力学性能优的高值化玻纤增强环氧树脂复合材料。以期解决现有5G基站天线罩所用层合板存在透波

3、率低、不耐冲击易层间失效的问题。本项目基于自主制备的含氟聚合物接枝多孔纳米SiO2对环氧树脂进行增强与低介电改性,实现了材料的高值化利用,为5G信号高效传输提供了解决方案，提高了能源利用效率，降低了5G基站建设成本，打开了高频段频谱资源建设的新思路。1.2关键词：多孔纳米Sio2、介电性能、力学性能、环氧树脂、5G天线罩1 .项目背景及国内外研究现状1.1 项目背景5G基站用高值化玻纤增强树脂基 复合材料制备及其性能研究国家政策鼓励国际竞争优势5G信号易衰减导 致传播距离短天线罩透波率低、 易层间失效多孔纳米SiO2表面 接枝含箱聚合物同 提高环氧模量、增 强材料层间性能多孔纳米SiO?其内

4、部的多孔结构可降 低环氧树脂介电常 数和介电损耗图1项目思路图党的二十大报告明确提出要加快数字经济发展，促进数字经济和实体经济深度融合，打造具有国际竞争力的数字产业集群。以5G为代表的新一代信息通信技术蓬勃发展，被广泛应用于经济、军事等领域，对国家数字产业集群发展具有重要意义。5G基站是5G网络的核心设施，实现了有线通信网络与无线终端之间的无线信号传输，从而实现信号的无线覆盖。目前，我国在5G基站建设和创新应用方面已有了一定的突破和成果。据工信部数据（如图2）所示，截至2023年2月末，我国5G基站总数达238.4万个，千兆宽带用户数破亿。由于5G信号穿透力低，以至于信号易衰减、传播距离短，导

5、致基站建设需求量大，建设成本高的问题，造成我国当前尚未实现5G信号全面覆盖的局面。3图25G基站建设数量图5G基站天线罩是5G基站天线的外壳，用于保护天线系统免受外部环境的影响，是基站的关键部件之一。现有天线罩层合板基材为玻纤增强的树脂基复合材料”未找到引用匕存在透波率低、不耐冲击易层间失效的问题。5G信号比4G频率更高，具有更快的传输速度和更低的时延，但信号衰减更为严重。所以，天线罩材料的透波率会影响5G信号的传输。天线罩材料的介电常数越小，电磁波在空气与天线罩界面的反射就越小，信号传输效率越高。介电损耗越少、材料厚度越薄，电磁波能量在透过天线罩过程中转化为热量而损耗掉的能量就越少，信号衰减

6、越少未找测所o但材料厚度变薄，容易导致材料力学性能的下降。所以，要实现5G高频高速化传输,就要求天线罩层合板材料介电常数与介电损耗更低,材料厚度更薄、耐冲击性更好。纤维增强树脂基复合材料由增强纤维和树脂基体组成，二者复合可以制得综合性能优异的新型复合材料。玻璃纤维增强的环氧树脂复合材料具有优异的耐腐蚀性能、机械性能以及加工性能，是天线罩的主要材料。复合材料的介电性能主要取决于增强纤维和树脂基体的介电性能。与改善玻璃纤维的介电性能相比，提高环氧树脂的介电性能的同时能够保持天线罩的综合性能，成本更为低廉，是当前高透波、耐冲击天线罩材料开发的关键。本项目通过聚合诱导胶体凝聚法（PlCA法），使尿素、

7、甲醛和硅溶胶发生反应，形成腺醛树脂（UF）/SKh复合微球，经过煨烧得到尺寸均匀而单分散的多孔SiCh微球。再利用原位聚合法接枝含氟的聚甲基丙烯酸十二氟庚酯于微球表面，自主制备出一种含氟聚合物接枝、孔径小、孔隙率大的多孔纳米SiCh.用制备出的多孔纳米SKh对环氧树脂进行改性，既可以通过提高环氧基体的模量来增强复合材料的层间性能；还能利用其内部的多孔结构及含氟聚合物来降低环氧基体的介电常数与介电损耗。最后，将改性后的环氧树脂与低介电的玻璃纤维复合,制备出一种介电性能好、力学性能优的高值化玻纤增强环氧树脂复合材料。以期解决现有5G基站天线罩所用层合板透波率低、不耐冲击易层间失效的问题。本项目基于

8、自主制备的含氟聚合物接枝多孔纳米Si02对环氧树脂进行增强与低介电改性,实现了材料的高值化利用，为5G信号高效传输提供了解决方案，提高了能源利用效率，降低了5G基站建设成本，打开了高频段频谱资源建设的新思路。1.2 国内外研究现状2.2.1天线罩透波率影响因素天线罩的透波率主要受其层合板基材中增强纤维和树脂基体介电性能的影响。由电介质物理学可知，当介质材料在外电场作用下产生的电偶极矩，导致材料的极化程度高，介电常数大。介电性能一般用三个参数来描述：电阻率、介电常数和损耗角正切。但电阻率是一个宏观物理量，并不能反映微观电输运机制，因此在判断材料透波性能的优劣时，一般采用介电常数和介电损耗。电磁波

9、在传播过程中遇到介质材料时，能量损耗（主要是热损耗）、反射系数和透波率之间有如下关系式：能量损耗：A=格瑞反射系数：r=jf-sin2)fcos0(f-sin2)+cos0透波率：T2 =(Ii)(1-2) +42sin2式中，d为介质材料的厚度，为电磁波的波长，。是电磁波在介质材料表面的入射角。由上可知：（1）透波材料的介电常数越大，电磁波在空气与天线罩界面的反射就越大，这将增加镜像波瓣电平从而降低传输效率，对应的单层半波壁结构天线罩的壁厚要求就越薄；（2）介电损耗越大，电磁波能量在透过天线罩的过程中转化为热量而损耗掉的能量就越多。因此，透波材料要求其介电常数和介电损耗尽可能低，以达到最小反

10、射角和最大传输的目的*海找到引用.。2.2.2降低环氧树脂介电常数与介电损耗材料的的介电常数、介电损耗与材料的极性、密度的关系可用Debye方程表示：= faead(Au2 3kT公式中是材料的介电常数；P是材料的密度；0真空介电常数；ae,ad,u23kT分别是电子极化率，离子极化率和分子极化率初到引用。由公式可知，降低材料的介电常数主要通过降低材料的密度和材料的极化率来实现。低介电材料组分中一般不含离子键，所以降低材料的极化率主要是降低电子极化率和分子极化率。(附低电r极化率(-1)*Jl入小分f降低电f极化常yPBercF*MNAQeMOj(b)降低材料带度(C)降低分(极化率需辿化学“

11、电，/化率CC / CO CM OH CO CC OY CJLning cxMmplc(G-I) + 2)降低介电 常数方法MO. PLGM (引入修电负性元泰M少外*1电场对电r作用. m m ，.n -OKcyLhiig example6(istbctoo!molcularpohnationnte.图3降低介电常数方法原理图目前降低环氧树脂的介电常数介电损耗有以下几种方法*1未找测用.(如图3所示)。一是掺入强电负性元素，减少外加电场对电子作用。主要是将氟原子引入环氧树脂中，因为碳化氟较碳化氢键有较小的偶极和较低的极化率，能够有效降低介电常数。但这种方法一般合成过程复杂，成本较高，不易规模

12、化生产。二是加入一些低极性的原子或基团。田勇等!相明怖提出将低分子量的聚苯酸与环氧树脂固化交联，因其本身具有的低极性基团，与树脂形成相互贯穿的聚合物网络，其介电常数从3.8降到了2.8,介电损耗从0.04降到了0.02。但由于工艺条件较为苛刻，稳定性欠佳，无法进行工业化应用。三是加入小分子引入电负性强的元素降低材料的极化程度，如SiCh掺入碳原子形成低极性碳化硅键降低电子极化率，从而降低树脂的介电常数*怵找涧用四是通过引入多孔或中空结构的无机填料，在树脂中引入微气泡，降低材料密度来降低环氧的介电常数。如多孔Sio2、中空玻璃微球等，或者利用发泡剂制造孔隙”悻找JHl用”,而研究发现密度对材料介

13、电常数的影响远远大于极化率的影响,如普通SiCh介电常数为3.9,而孔隙率达为95%的SiO2气凝胶的介电常数则低至1.K由此可见，在环氧树脂中添加多孔SiCh不仅操作简单.,还可以极大地降低树脂的介电常数”海奶引用2. 2.3多孔SiOz改性环氧树脂复合材料介孔硅材料是一种孔径介于250nm之间的新型材料。它具有高孔隙率、高比表面积、孔径可调、化学稳定性好的优点。它常被作为无机填料用于改善环氧树脂的介电性能和力学性能*!未找冽用.。徐洁等人研究发现随着纳米多孔SiO2的孔隙率增大，介电常数和介电损耗降低未找到MIL。Zhou等研究了不同SiO2负载的SiO”环氧树脂纳米复合材料的热性能和力学

14、性能，结果发现其介电常数从3.81降到了2.73在环氧树脂基体中加入SiCh是一种很有前途的增强环氧树脂性能的方法，为SiCh增强环氧树脂的相关研究打开了思路*沫找到引用。(1)纳米多孔的粒径、含量对材料的介电性能的影响0020图4不同粒径纳米SiOz颗粒介电常数降低原理图介孔硅具有高的孔隙率，在降低材料密度的同时，可以显著降低材料的介电常数。研究发现随着纳米多孔SiCh的粒径、含量不同，对材料的介电性能有很大区别瞰味找到引用0在相同频率测试下咏找到引用.（如图4）,只有3%EPSi2多孔微球含量的复合材料介电常数高于纯环氧树脂的介电常数，总体而言，复合材料介电常数降低的原因是：多孔SiCh微

15、球掺杂到环氧树脂中，一方面，在复合体系中由于引入前驱体的缩合不完全,会残留一定数量的硅羟基极性基团，带有极性（硅羟基）基团的SiO2,在复合体系中处于环氧树脂链端或分子链之间；另一方面，多孔纳米SKh微球具有较大的孔体积，能够储存空气，而空气的介电常数为1,低于纯环氧树脂的介电常数3.84.1,从而降低树脂的介电常数。这两种变化机理导致了上述结果的出现。因此我们需要选择合适粒径、含量的多孔纳米Si2颗粒填充环氧树脂，降低工艺难度，降低介电性能。（2）多孔纳米SiOz制备的方法目前多孔SiO2的制备方法主要包括溶胶-凝胶法、水热法、气相沉积法、模板法、PlCA法等。其中PICA法常被用于制备多孔SiCh微球*”找M用,盛风军等通过PICA法制备出单分散UFZSiO2复合微球，并经高温煨烧后制得有序性好、孔径较大、孔壁较厚、孔径分布均匀的多孔纳米SiCh,为调控SiOz孔径大小提供了有利的思路*怵找到引用.。2.2.4小结由以上研究结果看出，天线罩的透波率取决于材料的介电性能。在降低环氧树脂介电常数与介电损耗方法中，通过添加介孔硅可以改善树脂的介电性能和力学性能。在对比制备多孔SiOz和低介电树脂常用方法中，利用PICA法制备介孔SiO2可以很好地调控Si2中孔径大小