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

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 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、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：= fae÷ad÷£(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*M>NAQeMOj(b)降低材料带度(C)降低分(极化率需辿化学“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!molc<ularpohnationnte.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，利用SiCh微球对环氧树脂改性，有望能够降低其介电常数、增强其力学性能。基于此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Si2o将聚合物接枝的多孔纳米Si2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率低、不耐冲击易层间失效的问题。3.项目研究内容3.1 项目路线图硅溶胶、尿素、十二烷基笨/酸钠溶液.甲醛溶液、畦烷偶联剂(KH-570),甲基丙烯酸十二班庚酯、偶氮二异丁慨(AIBN)模板会合诱导胶体凝鬃法群SF树脂(VF)制O：复合物原位聚合法煨烧多孔纳米SKh接枝含氟的黛甲基丙烯酸十二氟庚酯无机填料TGA分析FTIR分析SEM分析力学性能分析介电损耗分析介电常数分析介电性能分析改性前复合材料性能征改性环氧树脂基体增强玻纤增强的环粒树脂基复合材料改性后复合材以性能表征TGA分析FT-IR分析SEM分析力学性能分析介电损耗分析介电常数分析介电性能分析图3项目路线图3.2 改性多孔纳米SiOz制备3. 2.1PICA法制备胭醛树脂(UF)/SKh复合物以及多孔纳米SKh在搅拌条件下，向烧杯中加入硅溶胶，比0和一定量尿素，用盐酸调节溶液PH值。再加入十二烷基苯磺酸钠溶液，继续搅拌均匀。最后倒入一定量甲醛溶液，搅拌均匀，静置几小时。滤去上层清液，进行水洗和醇洗后将样品在一定温度条件下烘干得，到服醛树脂/Si2复合物。将干燥的复合物在马弗炉中程序升温煨烧，制成多孔纳米SiO2o程序升温为:样品于第一阶段到第二阶段大范围时间升温,第三阶段直接加温到一定温度,第四阶段每分钟温度增长升温。第一、二、四阶段这三个阶段在其最终的温度下分别保温2h。3. 2.2制备改性多孔纳米SiO2将多孔纳米Sio2分散于甲苯中，超声分散一段时间后，加入KH-570。加热回流一段时间，再离心分离。固体用丙酮多次洗涤，除去未反应的中KH-570,得到改性后的多孔纳米Sio2。将上述KH-570改性多孔纳米SiCh分散于甲苯中，超声分散一段时间后，加入甲基丙烯酸十二氟庚酯，在氮气保护下再加入偶氮二异丁睛(AIBN)。在一定温度下反应一段时间，然后过滤。固体用丙酮抽提一段时间后，除去未反应的单体和聚甲基丙烯酸十二氟庚酯，得到含氟聚丙烯酸酯接枝改性多孔纳米SiO2o干燥后得到改性多孔纳米SiO2o3. 2.3低介电环氧树脂基体的制备将含氟聚丙烯酸酯接枝改性多孔SiO2,加入到双环戊二烯苯酚环氧树脂和E-51双酚A环氧树脂中，室温真空机械搅拌一段时间，超声一段时间。在充分分散后的混合物中加入固化剂甲基六氢苯好和促进剂2-甲基咪哇，充分搅拌,真空脱泡，快速浇注于已预热的模具中，按程序升温后，得到低介电环氧树脂复合材料。3. 2.4GF/EP复合材料制备将玻纤布浸泡在无水乙醇中超声一段时间，超声结束后放入鼓风干燥箱进行干燥。把清洗干燥后的玻纤布贴上美纹纸，然后用剪刀沿着美纹纸将玻纤布剪成一定大小的布，再剪一块一定大小的聚酰亚胺。将制备好的改性环氧树脂胶液，用刷子刷少量胶液至玻纤布上，每一层都用刮板刮去多余的树脂并使其充分浸润。在第12层贴上前面准备好的聚酰亚胺作为预制的裂纹。待24层树脂涂刷完成后，放进真空袋抽真空一段时间，可以达到消除气泡和使胶液充分浸润玻纤布的效果。给模具涂上一层薄薄的真空硅脂后贴上一层聚酰亚胺，方便GF/EP层合板脱模。将除泡后的玻纤布放入模具，最后把模具放上热压机进行热压成型。3. 3测试分析介电性能分析:通过精密阻抗分析仪测试材料的电容、介电常数和介质损耗,从而比较出改性后的复合材料与传统复合材料介电性能差异。力学性能分析：通过热场发射扫描电子显微镜(SEM)对材料的断面形貌进行表征，通过傅立叶变换红外光谱仪对材料的化学结构进行表征，比较材料形貌优异。再通过万能试验机测试拉伸强度、弯曲强度，最后通过数显试验机测试复合材料冲击强度。耐热性能分析：通过TGA6型热失重分析仪，得到测量物质的质量随温度(或时间)的变化关系，从而分析出复合材料的耐热性能指标。4. 项目研究结果4.1 多孔纳米二氧化硅孔道调控分析4.1.1 引言本项目制备了单分散多孔纳米二氧化硅，并对其进行孔道调控，研窕了不同条件下对多孔纳米SiO2孔道的影响。5. 1.2结果与分析表1不同条件下对Si2孔径和孔参数的影响样品氨水mLH2OmL温度RSiO2平均粒径nm反应温度UFSiO2平均粒径m微孔体积/（mlg最大分孔体积布孑,/mLg径/nm1-15353.690.08339.00.0608228.538.55050353.600.038324.30.0582334.238.535122353.600.012642.80.4730434.251.445143353.620.011052.303590534.277.245240353.540.0055123.50.2400（1）水量对硅溶胶粒径的影响对比表中4和5所示结果，随着去离子水相对用量的增加，硅溶胶的平均粒径逐渐增大。水量的增加使得正硅酸乙酯的水解的反应速率加快，溶液中剩余的正硅酸乙酯水解生成水解产物后，继续在晶核表面上进行缩聚反应以降低现有晶核的表面能，使得溶胶颗粒的粒径变大。因同样反应时间内，诱导期和成核期的缩短，生成期延长，最终导致硅溶胶的粒径随水量的增加而变大。这与王静茹等人研究结果一致*怵找融用.。（2）反应温度对硅溶胶粒径的影响如前分析，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，因此当两者均发生变化时，反应温度对正硅酸乙酯水解反应的影响更显著。通常，温度增加时化学反应速率均加快，但对活化能较大的反应的速率影响更显著。对比表中3、4结果所示，反应温度的增加，硅溶胶的粒径增加。随着反应温度的增加。所有的化学反应速率均加快，活化能大的反应受温度提高影响更显著。溶液中正硅酸乙酯的水解加快，水解产物浓度增高，诱导期变短。此时温度以及水解产物浓度升高使得缩聚反应速率进一步加快，导致成核期变短。因制备硅溶胶均在三小时内完成反应，所以生长期的时间较长，晶核表面进行缩聚反应生成的量增多，使得硅溶胶的粒径随反应温度的增加而增加。（3）氨水用量对硅溶胶粒径的影响氨水是水解反应的催化剂，通过降低反应的活化能促进反应。在这几个因素中，氨水加入的影响最大。对比表中2和3所示结果，随着氨水用量的增加，硅溶胶的粒径增加。这是因为氨水用量的增加，降低水解反应活化能，正硅酸乙酯的水解和消耗速率加快，诱导期和成核期的缩短，生成期延长，最终导致硅溶胶的粒径随氨水用量的增加而变大。4.1. 3小结（1）由表可以看出，微球的比表面积较大，且不同RF/U条件下制备的多孔SiO2微球的比表面积和微孔孔体积变化不大。这是由于硅溶胶内部微孔丰富，使得多孔SiO2微球比表面积较大，且同一条件下制备硅溶胶时，Si-OH缩合程度相同，使得比表面积和微孔孔容变化不大。（2）由表可以看出，随着反应温度的增加，UFZSiO2微球和多孔SiO2微球的平均粒径由3.54m增加至3.69m.张艳认为，反应温度的升高使得胭醛树脂在水中的溶解度增加以及表面能减小未找到引用,可知UFSiO2微球产生沉淀的临界质量增大，最终导致UFSiO2微球的平均粒径增加。4.2纳米多孔SiO2环氧树脂复合材料力学性能分析4.2.1引言添加纳米多孔SiO2能够实现树脂韧性和强度的平衡，本项目将不同添加量的纳米多孔Si2分散到环氧树脂，研究其力学性能的变化。4.2.2结果分析与讨论4.2.2.1实验结果(1)力学性能429.86429IIl0.60.SSCEedwof56756SiO2content(wt%)SiO2Content(wt%)图6临界应力强度因子(KQ(a)、SiOz增韧环氧树脂复合材料拉伸强度(b)(如图6(a)所示，在环氧树脂体系中，随着纳米多孔SiOz添加量的增加，材料的断裂韧性KIC值不断上升。未添加纳米多孔SKh时，环氧树脂KIC值为0.95MPa.mly2o当添加0.25Wt%、0.5Wt%、0.75wt%>lwt%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(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1.28KJ11A1.42KJZm2.1.37KJZm2>1.43KJm2,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*kvr 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，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”，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，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%,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