泡沫材料在小型微波天饋設(shè)備中的應(yīng)用探討

李炎炎

【摘要】本文總結(jié)了兩類泡沫材料（PU和PMI）的特點(diǎn)，和泡沫材料在小型微波及天饋設(shè)備中的三種使用方法：作為加強(qiáng)材料、作為結(jié)構(gòu)主體材料和作為柔性零件的基體，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了說(shuō)明。

【關(guān)鍵詞】微波及天饋設(shè)備泡沫材料使用方法

一、引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)集成程度的提高，對(duì)微波器件和天饋系統(tǒng)的小型化、輕量化和環(huán)境適應(yīng)性的要求也越來(lái)越高，此類產(chǎn)品中結(jié)構(gòu)件的功能要求不斷提高、結(jié)構(gòu)形式越來(lái)越復(fù)雜，使其選材、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)難度不斷加大，很多情況下，常用金屬和非金屬結(jié)構(gòu)材料難以滿足需求。

泡沫材料是一類輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、可絕緣的材料，自二十世紀(jì)三十年代以來(lái)，以泡沫塑料未注的泡沫材料已廣泛應(yīng)用于建筑，石油、化工、輕工、運(yùn)輸、制冷等領(lǐng)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(qiáng)度較低、耐環(huán)境性能不佳、會(huì)蠕變等缺點(diǎn)，一般并不直接作為結(jié)構(gòu)件使用。

在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)，在小型微波及天饋設(shè)備中，由于零件通常尺寸小、相對(duì)面積大，根據(jù)實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)，使用合適的泡沫材料作為結(jié)構(gòu)材料，能有效避免泡沫材料剛強(qiáng)度低的缺點(diǎn)影響，發(fā)揮其輕質(zhì)、透波、比剛強(qiáng)度高、自粘接和易成形的優(yōu)點(diǎn)，從而降低結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)難度和生產(chǎn)成本，有時(shí)甚至可以采用泡沫材料完全取代傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料。

二、適用于結(jié)構(gòu)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(qiáng)度更高，理論上更適合作為結(jié)構(gòu)材料，但其力學(xué)性能效果不如薄壁金屬結(jié)構(gòu)和蜂窩材料加強(qiáng)的方法，且沒(méi)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(qiáng)度高、環(huán)境適應(yīng)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(shè)備的結(jié)構(gòu)材料，但考慮綜合性能、成本、市場(chǎng)和工藝性等因素，在工程中實(shí)際用作結(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)是其高可調(diào)性，可通過(guò)改變?cè)吓浞胶桶l(fā)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(diào)節(jié)剛強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)由軟質(zhì)到硬質(zhì)的連續(xù)變化，其中硬質(zhì)PU泡沫的抗壓強(qiáng)度在1MPa以上；PU的介電常數(shù)也可調(diào)節(jié)，一般介于1.05到1.3之間，在毫米波頻率范圍內(nèi)受頻率的影響也不大，最高已在100G的頻率上進(jìn)行過(guò)實(shí)際應(yīng)用，部分PU泡沫性能如表1所示[2]；通過(guò)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(huán)境適應(yīng)性廣，安全性較好。在工程中，PU運(yùn)用最為廣泛，可用做加強(qiáng)填充料、防水密封件、輔助支撐件、連接結(jié)構(gòu)件乃至承受主要載荷的主結(jié)構(gòu)體。

PU聚泡沫塑料可機(jī)加成型或模具發(fā)泡成型，其工藝上的優(yōu)勢(shì)之一是能在低溫下成型，發(fā)泡過(guò)程不需要特殊的設(shè)備，必要時(shí)可以采用自模成型方式，很適合制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)是具有優(yōu)良的力學(xué)性能，在相同的密度下，PMI是目前剛強(qiáng)度最高的泡沫塑料，適合制造受力件，如圖1為幾種常見(jiàn)泡沫的強(qiáng)度曲線對(duì)比[4]。PMI同樣具有優(yōu)良的電性能，平均ε為1. 4, tanδ為2 ×10-2，有的能達(dá)到7 ×10-3，可以滿足多數(shù)微波和天饋設(shè)備需求；PMI泡沫塑料采用固體發(fā)泡工藝制作，是100%的閉孔泡沫，防水性能良好；PMI另外一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境適應(yīng)性好，耐高溫性能、耐濕熱性能、抗高溫蠕變性能和尺寸穩(wěn)定性都優(yōu)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(huán)境，部分泡沫動(dòng)態(tài)剪切模量和溫度關(guān)系曲線如圖2所示[5]。

PMI泡沫塑料易于機(jī)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(duì)比，PMI力學(xué)性能更高，耐環(huán)境性更好，適用在強(qiáng)度或者環(huán)境要求較高的場(chǎng)合；PU電性能更好，工藝性好，性能易于調(diào)節(jié)、成本更低，應(yīng)用范圍大，且可自模成型，更適用于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式。

三、常用的泡沫材料使用方法

傳統(tǒng)上，泡沫材料通常并不直接用于制造結(jié)構(gòu)件，但對(duì)小型微波天饋設(shè)備而言，零件尺寸小而復(fù)雜、且有電性能要求，常規(guī)結(jié)構(gòu)材料往往難以滿足需求。針對(duì)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)形式和方法，利用泡沫材料輕質(zhì)、透波、比剛強(qiáng)度高、耐環(huán)境、自粘接和易無(wú)限成形的優(yōu)點(diǎn)，有時(shí)可以得到簡(jiǎn)單實(shí)用的解決方案。

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

以下結(jié)合我們?cè)趯?shí)際中工程的研制遇到一些實(shí)際項(xiàng)目案例，對(duì)這三方面進(jìn)行討論。

3.1泡沫材料作為加強(qiáng)材料

在剛強(qiáng)度較差的零件間填充滿泡沫材料，以提高結(jié)構(gòu)件的剛強(qiáng)度，是一種較成熟的方法，已在航空、建筑等行業(yè)廣泛使用。在微波及天饋系統(tǒng)中，這種方法不但用于提高剛強(qiáng)度，還用于固定某些剛度差的結(jié)構(gòu)件，尤其是尺寸小或長(zhǎng)徑比大且有一定電性能要求的部件，如長(zhǎng)桿振子或長(zhǎng)螺旋天線，很適合用泡沫填充方法進(jìn)行固定。但必須注意選材合理，加強(qiáng)的泡沫材料不應(yīng)對(duì)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(xì)長(zhǎng)桿連接，直徑僅有2mm，剛度極差。因此在圖示的天線罩內(nèi)填充了比例合理的PU泡沫，使天線體懸空固定于天線罩內(nèi)，以很小的額外重量實(shí)現(xiàn)天線體的固定和強(qiáng)化，同時(shí)也使天線具備了良好的三防能力。

3.2泡沫材料作為結(jié)構(gòu)主體材料

在縱向尺寸小而結(jié)合面積較大時(shí)，硬質(zhì)泡沫材料剛強(qiáng)度低的缺點(diǎn)不明顯，而比剛強(qiáng)度高、成形容易的優(yōu)點(diǎn)可以充分發(fā)揮，直接用泡沫材料作為結(jié)構(gòu)主體，起支撐、連接、定位等作用，取代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料，有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)由于PU和PMI泡沫塑料介電常數(shù)小、損耗正切值低，可用在對(duì)透波性要求較高的場(chǎng)合。

如圖4上部所示為一種環(huán)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(qiáng)烈沖振，并有嚴(yán)格重量限制；上下瓣之間以結(jié)構(gòu)件支撐并形成環(huán)狀喇叭口，要求結(jié)構(gòu)件透波性能良好且各向同性，并且要滿足大量生產(chǎn)要求。

按常規(guī)的結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)思路，要滿足其功能需求，喇叭口內(nèi)的支撐部分需設(shè)計(jì)成為多個(gè)零件組合形式（如鋁件加聚四氟乙烯件的形式），結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)材料和工藝有較高的要求，將導(dǎo)致成本增高且不易生產(chǎn)。

我們采用了泡沫材料代替了常規(guī)的支撐件，用模具定位上下瓣并發(fā)泡，利用泡沫的粘接力進(jìn)行連接，完全省去了常規(guī)的結(jié)構(gòu)件。這樣設(shè)計(jì)的天線幾乎沒(méi)有增加額外的尺寸和重量，電性能優(yōu)良，同時(shí)泡沫具有良好的吸振性能，可提高力學(xué)性能，生產(chǎn)容易，成本低廉。

在此設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了PU泡末和PMI泡沫的對(duì)比試驗(yàn)，實(shí)測(cè)表明，二者均可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其中PMI材料的力學(xué)性能更加優(yōu)良 ，采用PMI時(shí)，天線可以在瞬間200N剪切力下保持性能正常，采用PU時(shí)，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(shí)額外損耗不足0.1dB，PMI則為接近0.15dB； 制造過(guò)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(jié)構(gòu)材料。此天線的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)直觀地體現(xiàn)了PMI和PU泡沫的優(yōu)良性能及二者的區(qū)別。

該天線產(chǎn)品實(shí)物照片如圖4，沒(méi)有任何常規(guī)的結(jié)構(gòu)支撐件，全重不到60克，電性能良好，順利通過(guò)了各種環(huán)境試驗(yàn)檢驗(yàn)，可以承受高達(dá)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(lái)，小型設(shè)備中的柔性零件越來(lái)越多，且往往需要成形為弧面，以柔性微帶最具代表性。對(duì)此類產(chǎn)品，常用安裝方法是用介質(zhì)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(diǎn)是隨著設(shè)備小型化，零件的設(shè)計(jì)和加工、特別是保持柔性件表面張緊、避免褶皺的難度越來(lái)越大。在某些情況下合理使用硬質(zhì)泡沫材料作為基體，依靠模具定位，用直接填充的方法實(shí)現(xiàn)柔性零件的安裝，不但可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和工藝流程，而且只要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材合理，就可以利用泡沫材發(fā)泡時(shí)的張力使柔性零件自然張緊成型。

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，這種方法也屬于將泡沫材料作為結(jié)構(gòu)主體材料的方法，但需要特別注意發(fā)泡張力和尺寸的控制，張力不能過(guò)大或過(guò)小，結(jié)構(gòu)形式、模具設(shè)計(jì)和發(fā)泡工藝都會(huì)對(duì)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(shù)和損耗正切。

常規(guī)介質(zhì)材料難以滿足此項(xiàng)目需求，我們最終采用了PU硬質(zhì)泡沫發(fā)泡的方法：在兩層微帶之間進(jìn)行發(fā)泡，利用模具定位微帶，調(diào)好的泡沫發(fā)泡張力剛好可以張緊微帶、避免褶皺，又不破壞整體結(jié)構(gòu)，以較低的成本和微小的重量（略高于2g）實(shí)現(xiàn)了微帶的支撐和定位，經(jīng)試驗(yàn)，電性能良好而且滿足環(huán)境適應(yīng)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(shí)用價(jià)值。

3.4泡沫材料使用的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在小型微波和天饋設(shè)備中，泡沫材料的使用有諸多的優(yōu)點(diǎn)，如重量輕、機(jī)械及電性能良好并可調(diào)、成形容易、可張緊柔性零件、易于大規(guī)模生產(chǎn)等，但要強(qiáng)調(diào)的是目前的泡沫材料仍然有很多固有缺點(diǎn)，使用依然有很多限制，必須根據(jù)實(shí)際情況選材和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。就我們的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在此類設(shè)計(jì)中必須注意的設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：

（1）電性能：不同種類和發(fā)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(jù)實(shí)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(diǎn)漂移和-3dB以上的損耗；（2）力學(xué)性能：只有在小尺寸和結(jié)合面較大時(shí)，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(duì)于長(zhǎng)時(shí)間大載荷的結(jié)構(gòu)件應(yīng)特別注意校核力學(xué)性能；（3）發(fā)泡模具：模具設(shè)計(jì)是關(guān)鍵之一，決定產(chǎn)品的精度和發(fā)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(shí)必須核實(shí)；（5）吸潮：PU泡沫發(fā)泡時(shí)未封孔則會(huì)吸潮，PMI泡沫無(wú)此問(wèn)題；（6）降解：某些泡沫會(huì)降解，設(shè)計(jì)時(shí)需注意工作環(huán)境、保護(hù)和時(shí)限。

四、結(jié)語(yǔ)

在小型化微波和天饋的設(shè)備中，特殊的條件和需求使泡沫材料具備了很多常用結(jié)構(gòu)材料不具有的優(yōu)勢(shì)，能夠作為輔助性甚至主要的結(jié)構(gòu)件，在某些情況下，甚至可以取代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料用作主要受力部件。我們對(duì)于這方面進(jìn)行了一定的探索，在一些設(shè)備中取得了良好的效果，部分設(shè)備已經(jīng)正常使用5年以上。可以認(rèn)為，由于泡沫材料良好的成形能力、優(yōu)良的電氣性能、較好的環(huán)境適應(yīng)能力和低廉的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，隨著小型化設(shè)備的發(fā)展，泡沫材料的運(yùn)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1]成大先主編. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]，第一版，化學(xué)工業(yè)出版社，2004年1月：3.3-3.121

[2]閻宏濤. 大型天線罩的結(jié)構(gòu)工程研究（D），西安電子科技大學(xué)，2007：59-61

[3]夏文干. 高功率高透波材料的研究[J]，高科技纖維與應(yīng)用，2003，28（2）：39-43

[4]胡培. 飛機(jī)夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和泡沫芯材的選擇[J]，航空制造技術(shù)，2010，17：94-96

[5]蔡良元. 覆蓋X波段到Ka波段的超寬帶天線罩[J]，宇航材料工藝，2010，2：37-40