【摘 要】
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三维机织间隔复合材料以集成化、轻量化的结构得到越来越广泛的应用。其高中空度的独特结构赋予了三维机织间隔复合材料低重量、高强度、隔热、抗冲击、抗分层、介电性能稳定等优异性能。然而三维机织间隔复合材料介电常数理论的空缺限制了它在航空航天和通讯领域的应用。尽管已有学者对复合材料的介电常数理论进行过研究并提出相应的理论模型,但是三维机织间隔复合材料结构特殊,已有的理论模型对其并不适用。本文基于平行板电容器
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三维机织间隔复合材料以集成化、轻量化的结构得到越来越广泛的应用。其高中空度的独特结构赋予了三维机织间隔复合材料低重量、高强度、隔热、抗冲击、抗分层、介电性能稳定等优异性能。然而三维机织间隔复合材料介电常数理论的空缺限制了它在航空航天和通讯领域的应用。尽管已有学者对复合材料的介电常数理论进行过研究并提出相应的理论模型,但是三维机织间隔复合材料结构特殊,已有的理论模型对其并不适用。本文基于平行板电容器的原理建立一种能够准确预测三维机织间隔复合材料介电常数的理论模型,并通过有限元分析的方法来进一步研究三维机织间隔复合材料介电常数。同时,为了给三维机织间隔复合材料的实际应用提供实验支撑,本文还探究了温湿度对三维机织间隔复合材料介电性能的影响。主要的研究工作和结论:（1）介电常数理论模型的建立:对复合材料进行单胞划分,提取了由52个子单元组成的代表体积单元,并将每一个子单元等效为平行板电容器,建立其串并联构成的等效电路。根据电路中电容的计算原理得到三维机织间隔复合材料的介电常数的计算公式。该公式形式简洁,使用方便,在复合材料介电性能设计时只需提供设计高度和纤维体积含量即可快速得到复合材料的介电常数值,对纤维和树脂的种类没有限制。（2）介电常数理论模型的实验验证:使用玻璃纤维在三维织机上织造三种不同高度的三维机织间隔织物作为增强体。对经典的复合材料计算公式和本文中提出的理论公式进行实验验证后,可以看出经典理论公式在对不同高度的三维机织间隔复合材料介电常数的预测上具有较大的误差,最高可达16%,而本文提出的计算公式则具有较好的准确性,最大误差仅有6%。（3）介电常数的有限元分析:建立了三维机织间隔复合材料的单胞几何模型,利用谐振腔微扰法在COMSOL有限元软件上对单向复合材料和三维机织间隔复合材料的介电常数进行了计算,使用该方法计算得到的三维机织间隔复合材料介电常数与实验值相比最大误差仅为3%,比经典公式计算误差小11%。（4）温湿度对介电性能的影响:在-196℃-0℃的低温环境和10℃-170℃的高温环境以及40℃-60℃的温度下0-100%的极端湿度环境下探究了温度对三维机织间隔复合材料的介电常数和介电损耗的影响;在-100℃以下的低温和80℃以上的高温时,介电常数分别稳定在1.57和1.67,当温度在-100℃到0℃和30℃到80℃的范围内,其介电常数不断增加。温度从50℃到90℃之后,随着温度的升高,介电损耗逐渐上升。湿度对介电常数影响较小。
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