泡沫材料在小型微波天饋設備中的應用探討

李炎炎

【摘要】本文總結了兩類泡沫材料（PU和PMI）的特點，和泡沫材料在小型微波及天饋設備中的三種使用方法：作為加強材料、作為結構主體材料和作為柔性零件的基體，并結合實例進行了說明。

【關鍵詞】微波及天饋設備泡沫材料使用方法

一、引言

隨著技術的發展，電子系統集成程度的提高，對微波器件和天饋系統的小型化、輕量化和環境適應性的要求也越來越高，此類產品中結構件的功能要求不斷提高、結構形式越來越復雜，使其選材、設計和生產難度不斷加大，很多情況下，常用金屬和非金屬結構材料難以滿足需求。

泡沫材料是一類輕質、高比強度、可絕緣的材料，自二十世紀三十年代以來，以泡沫塑料未注的泡沫材料已廣泛應用于建筑，石油、化工、輕工、運輸、制冷等領域，通常作為填充夾層材料、絕熱材料、包裝材料、吸音材料等，但限于常用泡沫材料剛強度較低、耐環境性能不佳、會蠕變等缺點，一般并不直接作為結構件使用。

在長期的工程實踐中，我們發現，在小型微波及天饋設備中，由于零件通常尺寸小、相對面積大，根據實際情況合理設計，使用合適的泡沫材料作為結構材料，能有效避免泡沫材料剛強度低的缺點影響，發揮其輕質、透波、比剛強度高、自粘接和易成形的優點，從而降低結構件的設計難度和生產成本，有時甚至可以采用泡沫材料完全取代傳統的結構材料。

二、適用于結構件的泡沫材料

常用的泡沫材料分為泡沫金屬和泡沫塑料兩大類，其中泡沫金屬的剛強度更高，理論上更適合作為結構材料，但其力學性能效果不如薄壁金屬結構和蜂窩材料加強的方法，且沒有透波能力，不能滿足電性能要求，通常不采用。

泡沫塑料的種類很多，理論上只要比剛強度高、環境適應性好、透波性好且易于成型的泡沫塑料都可以用作微波及天饋設備的結構材料，但考慮綜合性能、成本、市場和工藝性等因素，在工程中實際用作結構件的泡沫材料以聚氨酯泡沫塑料（PU）和聚甲基丙烯酰亞胺泡沫塑料（PMI）為主。

2.1聚氨酯泡沫塑料（PU）

PU泡沫塑料最突出的優點是其高可調性，可通過改變原料配方和發泡比例及工藝等制得不同特性的泡沫塑料制品。只需改變其配方和密度，就可調節剛強度，實現由軟質到硬質的連續變化，其中硬質PU泡沫的抗壓強度在1MPa以上；PU的介電常數也可調節，一般介于1.05到1.3之間，在毫米波頻率范圍內受頻率的影響也不大，最高已在100G的頻率上進行過實際應用，部分PU泡沫性能如表1所示[2]；通過改變工藝和添加阻燃劑等方法，聚氨酯泡沫材料還可具有防水隔濕、防震、吸音、耐油、耐腐蝕和自熄阻燃性能，環境適應性廣，安全性較好。在工程中，PU運用最為廣泛，可用做加強填充料、防水密封件、輔助支撐件、連接結構件乃至承受主要載荷的主結構體。

PU聚泡沫塑料可機加成型或模具發泡成型，其工藝上的優勢之一是能在低溫下成型，發泡過程不需要特殊的設備，必要時可以采用自模成型方式，很適合制造復雜結構件和灌封腔體。

2.2聚甲基丙烯酰亞胺泡沫塑料（PMI）

PMI泡沫塑料是聚甲基丙烯酰亞胺（Polymethacrylimide）為基的硬泡沫塑料，其最大的優點是具有優良的力學性能，在相同的密度下，PMI是目前剛強度最高的泡沫塑料，適合制造受力件，如圖1為幾種常見泡沫的強度曲線對比[4]。PMI同樣具有優良的電性能，平均ε為1. 4, tanδ為2 ×10-2，有的能達到7 ×10-3，可以滿足多數微波和天饋設備需求；PMI泡沫塑料采用固體發泡工藝制作，是100%的閉孔泡沫，防水性能良好；PMI另外一個顯著優點是環境適應性好，耐高溫性能、耐濕熱性能、抗高溫蠕變性能和尺寸穩定性都優于其余的泡沫材料，尤其是耐高溫性能極佳，可適用于100℃以上高溫環境，部分泡沫動態剪切模量和溫度關系曲線如圖2所示[5]。

PMI泡沫塑料易于機械加工，也可以在熱壓罐中成型（通常成型溫度在120~180℃、壓力0.3~0.8M P a之間），但難以象PU一樣低溫成型。

PMI泡沫塑料和FU泡沫塑料對比，PMI力學性能更高，耐環境性更好，適用在強度或者環境要求較高的場合；PU電性能更好，工藝性好，性能易于調節、成本更低，應用范圍大，且可自模成型，更適用于復雜的結構形式。

三、常用的泡沫材料使用方法

傳統上，泡沫材料通常并不直接用于制造結構件，但對小型微波天饋設備而言，零件尺寸小而復雜、且有電性能要求，常規結構材料往往難以滿足需求。針對實際情況，設計合理的結構形式和方法，利用泡沫材料輕質、透波、比剛強度高、耐環境、自粘接和易無限成形的優點，有時可以得到簡單實用的解決方案。

目前，我們已在工程中驗證過的泡沫材料在小型微波和天饋設備中的使用方法，大致分為三類：（1）泡沫材料作為加強材料；（2）泡沫材料作為結構主體材料；（3）泡沫材料作為柔軟零件的基體。

以下結合我們在實際中工程的研制遇到一些實際項目案例，對這三方面進行討論。

3.1泡沫材料作為加強材料

在剛強度較差的零件間填充滿泡沫材料，以提高結構件的剛強度，是一種較成熟的方法，已在航空、建筑等行業廣泛使用。在微波及天饋系統中，這種方法不但用于提高剛強度，還用于固定某些剛度差的結構件，尤其是尺寸小或長徑比大且有一定電性能要求的部件，如長桿振子或長螺旋天線，很適合用泡沫填充方法進行固定。但必須注意選材合理，加強的泡沫材料不應對電性能造成大的影響。

如圖3所示的一種天線的振子部分，振子的各部件用一根兼做饋線的細長桿連接，直徑僅有2mm，剛度極差。因此在圖示的天線罩內填充了比例合理的PU泡沫，使天線體懸空固定于天線罩內，以很小的額外重量實現天線體的固定和強化，同時也使天線具備了良好的三防能力。

3.2泡沫材料作為結構主體材料

在縱向尺寸小而結合面積較大時，硬質泡沫材料剛強度低的缺點不明顯，而比剛強度高、成形容易的優點可以充分發揮，直接用泡沫材料作為結構主體，起支撐、連接、定位等作用，取代傳統結構材料，有其獨特的優勢。同時由于PU和PMI泡沫塑料介電常數小、損耗正切值低，可用在對透波性要求較高的場合。

如圖4上部所示為一種環狀喇叭天線的電氣形式，該天線需承受較大的瞬間作用力和強烈沖振，并有嚴格重量限制；上下瓣之間以結構件支撐并形成環狀喇叭口，要求結構件透波性能良好且各向同性，并且要滿足大量生產要求。

按常規的結構件設計思路，要滿足其功能需求，喇叭口內的支撐部分需設計成為多個零件組合形式（如鋁件加聚四氟乙烯件的形式），結構復雜，對材料和工藝有較高的要求，將導致成本增高且不易生產。

我們采用了泡沫材料代替了常規的支撐件，用模具定位上下瓣并發泡，利用泡沫的粘接力進行連接，完全省去了常規的結構件。這樣設計的天線幾乎沒有增加額外的尺寸和重量，電性能優良，同時泡沫具有良好的吸振性能，可提高力學性能，生產容易，成本低廉。

在此設計基礎上，進行了PU泡末和PMI泡沫的對比試驗，實測表明，二者均可達到設計要求，其中PMI材料的力學性能更加優良 ，采用PMI時，天線可以在瞬間200N剪切力下保持性能正常，采用PU時，可以在100N剪切力下保持性能正常；但PU的電性能更好，采用PU時額外損耗不足0.1dB，PMI則為接近0.15dB； 制造過程也證明PU工藝性更好，成本更低，因此最終選擇PU泡沫塑料為結構材料。此天線的設計和試驗直觀地體現了PMI和PU泡沫的優良性能及二者的區別。

該天線產品實物照片如圖4，沒有任何常規的結構支撐件，全重不到60克，電性能良好，順利通過了各種環境試驗檢驗，可以承受高達100g沖擊而工作正常。

3.3泡沫材料作為柔軟零件的基體

近年來，小型設備中的柔性零件越來越多，且往往需要成形為弧面，以柔性微帶最具代表性。對此類產品，常用安裝方法是用介質材料制造基體，將柔性零件粘接或壓接在基體零件上。這種方法的缺點是隨著設備小型化，零件的設計和加工、特別是保持柔性件表面張緊、避免褶皺的難度越來越大。在某些情況下合理使用硬質泡沫材料作為基體，依靠模具定位，用直接填充的方法實現柔性零件的安裝，不但可簡化設計和工藝流程，而且只要結構設計和選材合理，就可以利用泡沫材發泡時的張力使柔性零件自然張緊成型。

嚴格來說，這種方法也屬于將泡沫材料作為結構主體材料的方法，但需要特別注意發泡張力和尺寸的控制，張力不能過大或過小，結構形式、模具設計和發泡工藝都會對張力有所影響。

如圖5所示的一種微帶組件，由兩層0.254mm厚的微帶片圍成同心圓柱，兩層微帶之間的支撐件要求具有較小的介電常數和損耗正切。

常規介質材料難以滿足此項目需求，我們最終采用了PU硬質泡沫發泡的方法：在兩層微帶之間進行發泡，利用模具定位微帶，調好的泡沫發泡張力剛好可以張緊微帶、避免褶皺，又不破壞整體結構，以較低的成本和微小的重量（略高于2g）實現了微帶的支撐和定位，經試驗，電性能良好而且滿足環境適應性需求。證明了泡沫材料用作小型柔性件的基體材料具有一定的實用價值。

3.4泡沫材料使用的設計要點

在小型微波和天饋設備中，泡沫材料的使用有諸多的優點，如重量輕、機械及電性能良好并可調、成形容易、可張緊柔性零件、易于大規模生產等，但要強調的是目前的泡沫材料仍然有很多固有缺點，使用依然有很多限制，必須根據實際情況選材和設計結構。就我們的工程實踐經驗，在此類設計中必須注意的設計要點包括：

（1）電性能：不同種類和發泡比例的泡沫電氣性能不同；同一泡沫材料，在不同波段的電氣性能也不同，必須根據實際情況選擇合適的材料，不合理的泡沫材料甚至可能造成頻點漂移和-3dB以上的損耗；（2）力學性能：只有在小尺寸和結合面較大時，泡沫材料才適合承受主載荷，且任何泡沫材料都有一定的蠕變性，對于長時間大載荷的結構件應特別注意校核力學性能；（3）發泡模具：模具設計是關鍵之一，決定產品的精度和發泡張力；（4）成型條件：某些泡沫塑料成型需要一定的溫度和壓力條件，尤其自模成型時必須核實；（5）吸潮：PU泡沫發泡時未封孔則會吸潮，PMI泡沫無此問題；（6）降解：某些泡沫會降解，設計時需注意工作環境、保護和時限。

四、結語

在小型化微波和天饋的設備中，特殊的條件和需求使泡沫材料具備了很多常用結構材料不具有的優勢，能夠作為輔助性甚至主要的結構件，在某些情況下，甚至可以取代傳統結構材料用作主要受力部件。我們對于這方面進行了一定的探索，在一些設備中取得了良好的效果，部分設備已經正常使用5年以上。可以認為，由于泡沫材料良好的成形能力、優良的電氣性能、較好的環境適應能力和低廉的價格優勢，隨著小型化設備的發展，泡沫材料的運用將會越來越廣泛。

參考文獻

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