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!molclwt%纳米SiO2,KIC值分别为0.99MPa.mA1.20MPa.mz1.26MPa.m,z1.22MPa.mlz2,对比未添加的树脂材料分别提升4.21%、26.3%、32.6%、28.4%0由实验数据可知，纳米多孔SiO2的加入针对环氧树脂会提升材料的断裂韧性，当添加075wt%纳米多孔SiO2时断裂韧性最大。(如图6

12、(b)所示，随着纳米多孔SiCh的加入，环氧树脂体系中拉伸性能有所变化，主体呈现上升下降的趋势。环氧树脂的拉伸强度为72.60MPa,当添加0.25wt%0.5wt%0.75Wt%、lwt%纳米SiO2,拉伸强度分别为73.28MPa、80.35MPa、76.62MPa、73.82MPa,拉伸强度分别提升0.09%、10.67%、5.53%、0.02%o由此可知，当添加量为0.5wt%时，环氧树脂拉伸强度增量最大。4.2.3小结本章制备了不同组分的纳米SiO2ZCTBN协同增韧的环氧树脂复合材料，在8wt%CTBN体系中加入了添加量分别为0.25Wt%、0.5Wt%、0.75wt%1wt%的聚

13、合物接枝改性的纳米SiO2,并对其进行了断裂韧性和拉伸性能测试。测试结果表明添加纳米多孔SiCh会提高基体的断裂韧性，当添加0.75wt%纳米SiO2时断裂韧性最大，达到1.26MPa.m,z2o添加S5wt%纳米多孔SiO2,会使得拉伸性能提升10.67%,增幅最大。4.3纳米多孔SiO2增韧GF/EP层压板力学性能分析4.3.1引言本项目制备了纳米多孔Si2增韧GF/EP层压板，并对板材进行了层间剪切强度和I型断裂韧性的测试。研究不同添加量的纳米多孔SiCh增韧EP所制得的GF/EP层压板层间性能的影响。（如图7）层压板1型断裂韧性测试图。图7层压板1型断裂韧性测试图4.3.2结果分析与讨

14、论4.3.2.1实验结果（1）层压板剪切强度70-60-50-豆40-Z30-10-0-图8纳米SiO2增韧环氧树脂剪切强度（如图8）所示，添加纳米多孔SKh的层压板剪切性能明显提升。GF增强纯EP的剪切强度Tm为28.4MPa,对比纯EP上升27.1%。添加0.25wt%.0.5wt%O.75wt%slwt%纳米多孔Sio2,层压板剪切性能分别为45.9MPa、59.4MPa、61.04MPa、60.8MPa,对比纯EP层压板上升27.1%64.5%、69.08%、68.4%o由此可知，添加纳米多孔SKh在增韧EP体系中，可以提升层压板的剪切性能，当添加量为0.75wt%时，剪切性能最大，上

15、升69.08%,而在0.75wt%纳米多孔SiO2增韧EP体系中层压板对比纯EP层压板上升114%。(2)I型断裂韧性测试图9纳米SiO2增韧环氧树脂1型断裂韧性(如图9)展示的是纳米多孔SiO2的层压板I型断裂韧性的Gicffi,与层压板剪切性能变化趋势相同。纯EP层压板的GIC值为0.76KJm2,当在增韧EP体系中添加0.25Wt%、0.5wt%0.75Wt%、1wt%纳米多孔SiO2,层压板GIC值分别为1.28KJ11A1.42KJZm2.1.37KJZm21.43KJm2,对比添加单组分层压板上升8.47%、20.3%、16.1%、21.19%o因此，当添加1wt%纳米多孔SiO2

16、时,层压板具有最高Gic值为1.43KJm2,相比于纯EP玻纤板提升88.2%。4 .3.3小结本章制备了添加量为0/0Wt%、0/8Wt%、0.25/8Wt%、0.5/8Wt%、0.758wt%1/8wt%的纳米多孔SiO2增韧EP的GF层压板剪切和I型断裂韧性层压板，并对其进行了测试。在剪切测试中，添加纳米多孔SiCh在增韧EP体系中，可以提升层压板的剪切性能，当添加量为0.75wt%时，剪切性能最大，达到61.04MPa,对比纯EP玻纤板提升114%。在I型断裂韧性测试中，添加l8wt%纳米多孔SiO2时,层压板具有最高GIC值为L43KJm2,相比于纯EP玻纤板提升了88.2%,但与纳

17、米SKh添加量为0.5wt%相比增幅不大，GIC值仅相差0.OlKJZm2o5 .项目创新点和解决的实际问题5.1 项目创新点1 .本项目通过多孔纳米SiO2表面接枝含氟聚合物对环氧树脂进行增强与低介电改性，提高了复合材料性能。与传统材料相比，多孔纳米Si2在填充材料基体时，充分利用介孔硅孔道内低介电常数空气，增加了材料孔隙率，降低复合材料的介电常数和介电损耗。2 .本项目在制备树脂基体时,充分利用多孔纳米SKh比表面积大且尺寸小，能与聚合物分子产生强烈交联作用的特点，增强了复合材料的力学性能；又因其具有极强的紫外吸收、红外反射特性，添加后可屏蔽紫外线，提高了复合材料的耐候性。3 .本项目制备

18、复合材料时，发挥材料间的协同作用，解决了复合材料发生团聚时，结合强度低的问题，增强了力学性能和耐热性能。5.2 解决的实际问题1 .本项目核心技术，均选用低成本原材料，可重复性高，具有较好的应用前景。2 .制备该复合材料技术，可用于其他需要低介电、轻量化，力学性能好的工程应用领域中。3 .制备纳米多孔SKh低介电环氧树脂复合材料技术，运行成本低，操作简单，安全，具有较好的经济与环保双重价值。6 .项目市场性分析6. 5G行业发展分析7. 1.l政策支持、应用繁荣推动5G行业发展2019.112020.092021.062021.07工信部旁貌发改IL工值制等 国旁院、发改*部门 msg*x*k

19、vr 512工1的8方*)关于Ir大tWliWF投炭IMtt大m长点 增长e却M见） SGfilV *行电计 * (ZO21-2O23*)图10出台5G相关政策在数字经济时代，5G工业互联网作为经济发展的核心驱动力量，具有巨大的发展潜力。在持续推动5G行业发展过程中，我国政策给予5G产业高度重视，出台了多项政策推动5G发展。（如图10）针对未来5G服务的持续发展，工信部明确了“通信网络基础设施力争保持国际先进水平”、“融合基础设施建设实现突破”等多个目标，并力争继续扩大5G赋能效应，从普通终端用户到工业、医疗、教育、交通等多个行业的全数字化覆盖。在工业互联网、智慧城市、车联网等领域的应用场景中

20、，5G融合应用是促进经济社会数字化、网络化、智能化转型的重要引擎，为中国经济可持续发展提供了不可或缺的动力谏tt*w。7.1. 2发展5G成为国际社会战略共识图11全球领域对华为5G技术应对政策发展5G已成为国际社会战略共识，移动通信技术与制造业、交通、运输、医疗等行业的深度融合，为中国和世界经济的可持续发展提供了不可或缺的动力AH咫未找到引用源.O联合国经济和社会事务部近日在“2022世界5G大会-全球5G科技合作论坛”上指出：5G是引领未来的战略性技术，是实现产业升级的重要基础设施，也是中美科技竞争的关键领域。（如图11）为美国对华5G科技发展实行打压措施,大部分欧美地区对华为实施“限制令

21、”，中美5G竞争日益激烈且存在彼此封闭、割裂的风险，国际关系将成为影响竞争态势的关键因素，因此维护国家安全和国际领导地位刻不容缓。中国应坚定5G发展战略目标，应对挑战并把握机遇，积极推动中国5G健康发展。6.25G市场调查6.2.15G基站建设和用户数量现状12000IoooO8000604000IOO90807060504020O100OW以上用户数（万户，左勃）IOOM以上用户占比（%, 3）图12100M速率以上、100OM速率以上的固定互联网宽带接入用户情况目前中国已经展开了大规模的5G网络建设。近年来，5G基站行业受到各级政府的高度重视和国家产业政策的重点支持。截至2023年3月底，

22、中国5G基站总数达264万个。在网络应用方面，连接规模持续增长，（如图12）截至3月底，中国5G移动电话用户达到6.2亿户，千兆光网用户突破1亿户，移动物联网用户达19.84亿户，“物”连接数占比提升至53.8%。全国“双千兆”（5G和千兆光网）网络应用案例数超过5万个，移动物联网在数字城市建设、智慧交通、移动支付等领域实现了较大规模应用未找网用。6. 2.25G市场经济现状5G应用“扬帆”行动计划（2021-2023年）提出对重点领域5G应用成效凸显。在个人消费领域，打造一批“5G+”新型消费的新业务、新模式、新业态，用户获得感显著提升。在垂直行业领域，大型工业企业的5G应用渗透率超过35%

23、,电力、采矿等领域5G应用实现规模化复制推广，5G+车联网试点范围进一步扩大，促进农业水利等传统行业数字化转型升级。在社会民生领域，打造一批5G+智慧教育、5G+智慧医疗、5G+文化旅游样板项目，5G+智慧城市建设水平进一步提升。每个重点行业打造100个以上5G应用标杆”怵找配用。CJSC直接M疥产出QSG词揭好的产出图135G相关经济产出对比图（如图13）随着我国5G技术的发展壮大，将会带动产业链上下游以及各行业应用投资，将会产生客观的经济效益与社会效益。到2030年，5G有望带动我国直接经济产出6.3万亿元、经济增加值2.9万亿元、就业机会800万个。6 .35G基站天线罩市场调查天线罩的

24、作用是保护天线系统免受外部环境的影响（如风雪、阳光、生物等），延长天线寿命，同时需要保证透波性。因此天线罩材料应满足介电性能、力学性能、耐候性、工艺性和重量等方面的要求。在此基础上，5G基站对天线罩材料的性能在以下三个方面提出了更高的要求。（表2）为某天线罩生产公司对不同材料的性能要求W咏找到引用.O表2天线罩对不同材料的性能要求（1）低介电、低损耗天线罩在起到保护作用的同时.，材料的介电性能还会直接影响天线的性能。材料对电磁波的吸收和反射作用会降低信号的传输效率，因而天线罩材料需要采用低介电常数、低介电损耗的材料。而5G的毫米波更容易损耗，对材料的介电性能要求更高。目前期待开发出用于5G天线

25、罩的低介电、低损耗材料。（2）轻量化天线罩基材通常是纤维增强树脂基复合材料，目前天线罩所用树脂基材料的增强主要以玻璃钢为主。但是玻璃钢的比重较大，不利于天线的轻量化设计。而更轻量化的材料可以避免天线吊装以节省安装时间和成本。由此可见，为满足5G天线轻量化、集成化、小型化的设计需要，天线罩材料也必将向轻量化发展。环保近年来，随着人们环保意识的增强，国内外对材料的环保要求越来越高。环境友好型是5G材料发展的重要方向。为满足5G对天线罩材料的更高要求，各企业积极研发具有高性价比、环境友好型、轻量化的低介电、低损耗增强改性材料，有利于5G基站建设的可持续发展。7 .项目总结7. 1研究总结本项目通过多

26、孔纳米Si2对环氧树脂进行增强改性，既提高了EP的韧性,也增强了GF/EP的层间性能，主要结论如下：（1）研究了不同因素对多孔纳米SKh孔径的影响。随着去离子水、氨水、反应温度相对用量的增加，硅溶胶的平均粒径逐渐增大。而反应温度的增加对正硅酸乙酯水解反应的反应速率影响要大于水量的影响。同等温度、氨水用量下，纳米Sio2平均粒径从122nm增加到240nmoUF/SiCh平均粒径从3.69Um下降到3.54Umo多孔SiO?微球的孔直径可在9.Onm至123.5nm范围内得到控制，总孔体积则可调控在0.240-0.644mLg之间。（2）研究了多孔纳米SiO2对环氧树脂力学性能的影响，随着多孔纳

27、米SiO2的加入，材料的断裂韧性和拉伸性能均有所提升。其中，当添加0.5wt%多孔纳米SiO2时,断裂韧性为1.20MPa.m.,拉伸性能为80.35MPa,提升效果最为明显。（3）以多孔纳米SiCh改性环氧树脂为基体，制备了玻璃纤维/环氧树脂（GF/EP）层合板，研究了多孔纳米SiCh/EP在GF/EP层合板中的剪切性能、I型断裂韧性。当添加0.758wt%多孔纳米SiCh时.，层压板剪切性能最大，达到61.04MPa,对比纯EP玻纤板提升114%。在I型断裂韧性测试中，添加l8wt%多孔纳米SiO2时，层压板具有最高GIC值为1.43KJZm2,相比于纯EP玻纤板提升了88.2%。7. 2

28、研究展望本项目通过对多孔纳米SiCh对EP及GF/EP复合材料进行增韧，研究各个组分的加工性能和力学性能。但在多孔纳米SiO2对EP及GF/EP复合材料的介电性能需要做进一步研究：（1）本项目研究发现多孔纳米SiCh增韧GF/EP复合材料的层间韧性，当纳米SKh添加量为lwt%性能上升趋势降低，甚至有下降趋势，可以继续添加多孔纳米SiO2的质量分数进一步分析。（2）本项目在研究多孔纳米SiO2对EP及GF/EP复合材料的介电性能正在进展中，但在不同孔径、含量的多孔纳米SKh对EP及GF/EP复合材料的介电性能需要做进一步研究分析。8. 项目成果及获奖情况我们的项目在多个方面取得了优异的成果，具

29、体如下：1 .发表论文EffectofMWNTFunctionalizationwithTunable-LengthBlockCopolymersonDispersityofMWNTsandMechanicalPropertiesofEpoxy/MWNTCompositeso（附录1）2 .发表专利一种碳纤维增强环氧树脂复合材料及其制备方法。（附录2）3 .在国家级大学生创新训练计划项目中，我们成功完成了5G基站专用天线罩的设计与制作。4 .在校级大学生创新训练计划培育项目中，我们也完成了5G基站专用天线罩的设计与制作。5 .我们已经投稿了论文橡胶粒子对环氧树脂本体断裂韧性及其GF/EP复合材料层间性能的影响，并期待着它的发表。6 .我们的作品高通量,低损耗的5G基站专用天线罩的设计与制作获得了2022年第十五届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛重庆科技学院选拔赛的三等奖。（附录3）9.参考文献：山高爱君,刘文翰,蒋亚锋,蒋汉文.树脂基透波复合材料在5G天线罩中的应用分析J.化工新材料,2021,49(07)：余娟丽，陈磊，吕毅,等.天线罩用宽频透波材料的发展现状J.宇航材料工艺,2013(2):7.3 K.Maexa,Z.S.Yanavitsdielectricconst