天線罩材料的研究進展

裴曉園， 陳 利， 李嘉祿， 丁 剛， 吳 寧

(1. 天津工業大學 復合材料研究所， 天津 300387； 2. 天津工業大學 先進紡織復合材料教育部重點實驗室， 天津 300387； 3. 天津工業大學 材料科學與工程學院， 天津 300387； 4. 天津工業大學 省部共建分離膜與膜過程國家重點實驗室， 天津 300387； 5. 天津工業大學 紡織學院，天津 300387； 6. 天津廣播電視大學 教學資源管理與建設處， 天津 300191)

天線罩材料的研究進展

裴曉園1,2,3,4， 陳 利1,2， 李嘉祿1,2， 丁 剛5，6， 吳 寧1,2

(1. 天津工業大學 復合材料研究所， 天津 300387； 2. 天津工業大學 先進紡織復合材料教育部重點實驗室， 天津 300387； 3. 天津工業大學 材料科學與工程學院， 天津 300387； 4. 天津工業大學 省部共建分離膜與膜過程國家重點實驗室， 天津 300387； 5. 天津工業大學 紡織學院，天津 300387； 6. 天津廣播電視大學 教學資源管理與建設處， 天津 300191)

天線罩要在復雜的外部環境下保證飛行器中天線和雷達的正常工作,不僅要滿足氣動外形和透波性能的要求,還要承受氣動載荷的作用。為此，綜述了國內外天線罩的發展，對天線罩在設計與制備中的部分問題進行了評述與分析。介紹了天線罩的設計和材料選擇原則，分析了當今常用材料體系的優劣并對天線罩材料體系的研究進展進行了歸納。重點介紹了樹脂基纖維增強天線罩和高溫陶瓷導彈天線罩的主要材料體系，并對各種體系天線罩材料的特點及國內外研究現狀進行了評述。研究表明開展低成本高性能的復合材料,尤其是三維空間纖維增強復合材料天線罩的研究是天線罩材料今后的發展方向。

天線罩； 介電性能； 復合材料； 性能評估

天線罩是保護罩內天線在惡劣環境條件下能夠正常工作的一種設施[1-2]。導彈天線罩的外形必須滿足空氣動力學要求[3]，具有足夠的強度、剛度、耐熱性和抵抗各種外界環境影響的性能；同時還需要滿足導彈控制回路所提出的苛刻的電氣性能的要求[4]。作為導彈的關鍵技術之一，天線罩技術具有直接的軍事應用背景，對導彈天線罩材料的研究與改進顯得愈加重要和迫切[5]，因此，開展對天線罩關鍵技術的攻關，對發展先進武器和促進國防現代化具有重要意義[6-7]。由于天線罩在軍事上的重要性，各國對技術研究封鎖，無法得到近期國外天線罩研究進展[8]。本文就天線罩的設計原理和方法、成型工藝、材料體系的選擇以及天線罩結構各自的技術難點進行了研究和總結，為天線罩增強織物結構的設計提供一定的參考依據。

1 天線罩的設計和材料選擇原則

天線罩的設計主要包括：材料的選擇、結構型式的選取、壁厚的確定以及細節部位的設計[9]。天線罩的工作頻帶、電性能指標和質量限制了天線罩的結構形式，常用的結構形式有以下幾種。

1)夾層結構：天線罩常用的夾層結構形式[10-11]如圖1所示。在夾層結構中常用的蒙皮結構為透波性復合材料層合板，如玻璃纖維/樹脂基復合材料；夾芯層常為蜂窩或泡沫。A型夾層壁，芯層的最佳高度近似為1/4波長，適合于中低入射角工作。B型夾層壁，構成形式與A夾層類同，但是內、外蒙皮材料的介電常數比芯材的小，結構可靠性差，通常不在飛機雷達天線罩上使用。C型夾層壁，可看作是由2個A夾層背靠背組合而成。這類結構的強度和剛度較大，頻帶寬，可工作于高入射角。多層夾層壁是指7層以上的夾層結構。多層夾層頻帶更寬，可在多波段工作。

2)半波壁結構：雷達天線罩的壁厚為介質內波長一半的實心壁結構，適用于窄頻帶、高入射角。大多采用玻璃纖維機織物，利用樹脂傳遞模塑(RTM)成型,也有許多采用纖維纏繞鋪放工藝成型。

3)準半波壁結構：由2層蒙皮和1層介質夾芯層組成。這種結構的壁厚和性能基本上與半波壁相同，但質量可降低30%以上。可用裱糊或纏繞成型工藝制造。

根據天線罩的使用環境及功能，天線罩材料須滿足以下幾個要求。

1)優良的介電性能。介電性能一般指材料的介電常數ε和損耗角正切tanδ。介電常數越大，傳輸效率越低[12-13]。電磁波在介質材料中的傳輸損失值α與該材料的介電常數、介電損耗和工作頻率之間的關系可用下式來表示。

α∝ε1/2ftanδ

式中：f為傳播的工作頻率。由上式可知傳輸損耗α與介電常數ε、介電損耗tanδ之間為正比關系。材料的ε和tanδ越小，材料對傳播的工作電磁波吸收越少，傳播過程中透過介質材料的電磁波強度就越高[14]。對于天線罩來說,為保證最大的電磁波透過率和滿足一定的頻帶要求，一般采用半波壁厚設計[15],其物理壁厚d可用下式近似表示:

式中：λ0為雷達導引頭工作波長；ε0為天線罩材料的相對介電常數。

2)良好的耐熱性和耐熱沖擊性。高速飛行時引起的溫度升高,大體與速度的平方成正比[16]，此時在天線罩的內部存在很大的熱應力，因此，天線罩材料必須具有很低的膨脹系數以及優良的耐熱沖擊能力。

3)較高的結構性能。天線罩材料的強度要高，而且要具有一定的剛性，使天線罩受力時不易變形[17]。

4)溫度敏感性低。一般材料在高溫工作時，其介電特性和強度性能會發生明顯的變化，因此，天線罩材料的各項性能，尤其是介電性能和強度，受溫度變化的影響越小越好[18]。

2 天線罩材料體系及研究進展

天線罩使用場合不同，材料的選擇也不盡相同[19]。通常航空用天線罩，多選樹脂基纖維增強復合材料。導彈等航天用天線罩對材料有耐高溫要求，此時有機材料已經不能滿足各種飛行器高速飛行時的使用要求,所以各種陶瓷基復合材料逐漸成為超音速導彈天線罩的候選材料。主要選材包括：二氧化硅基復合材料、氮化硼基復合材料以及陶瓷基復合材料。導彈天線罩材料的發展歷程可歸結為：纖維增強塑料→氧化鋁陶瓷→微晶玻璃→石英陶瓷→氮化物陶瓷[1]。

2.1 樹脂基纖維增強天線罩

目前，在工程中應用最廣的天線罩材料是纖維增強樹脂基復合材料。其中纖維包括：滌綸、石英、K-纖維、E-玻璃纖維等(見表1)。用作天線罩的樹脂基體品種繁多,有傳統的不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂,也有近年來開始研究和應用的氰酸酯樹脂、有機硅樹脂、聚酰亞胺、聚四氟乙烯和熱塑性樹脂(如聚苯硫醚)等[20]。其中工程化應用最為成熟的為玻璃纖維增強的不飽和聚酯樹脂和環氧樹脂復合材料。不飽和聚酯樹脂基復合材料成本低，工藝成熟，但因其力學性能較差，大都被用于要求較低的地面雷達天線罩。環氧樹脂具有優良的力學性能、耐化學腐蝕性能和電性能，是天線罩最常用的樹脂基體之一。酚醛樹脂雖然成型困難，但是改性后可用于對耐熱性要求高的場合。有機硅樹脂的優點是在各種環境條件下介電性能都比較穩定，缺點是機械強度較低，需要高壓成型。聚酰亞胺在較寬的溫度和頻率范圍內仍能保持較好水平,但是固化困難，反應生成的水或溶劑的存在將導致孔隙率較高，電性能降低。氰酸酯樹脂具有優良的力學性能，介電性能具有明顯的寬帶特性，這種樹脂基體及其復合材料是未來天線罩用復合材料的發展方向[21]。

表1 聚酯樹脂、PR-12分別與滌綸、石英、K-纖維、D-玻璃纖維、E-玻璃纖維制的復合材料性能Tab. 1 Properties of composite made of polyester resin, PR-12 and polyester, quartz, K-fiber, D-fiber, E-glass fiber respectively

纖維的排列方式有多種,如纏繞鋪放、編織成一定形狀、紡織成布樣織物等。圖2示出層合結構復合材料，三向正交結構復合材料，三維四向編織復合材料的增強體結構。天線罩的整體性能[22]隨表1所示的因素發生變化。樹脂基纖維增強天線罩的成型工藝是天線罩發展的基礎和條件，所以復合材料的結構設計不僅要保證力學性能尤其是強度性能的指標，還要滿足電性能的要求。裱糊或纏繞鋪放，雖然工藝設備簡單，易于操作，但是很難將樹脂含量控制均勻，因此這種結構適用于低頻段天線罩或對電性能要求不高的天線罩。模壓成型工藝生產效率高，能一次成型結構復雜的材料，但是模具的制備比較復雜，投入的成本較多。RTM工藝成型效率較高，可制造出具有良好表面品質的復雜構件，但是要解決注射壓力、注射溫度和樹脂黏度、真空輔助成型和“邊緣效應”等關鍵技術問題。

2.2陶瓷基纖維增強天線罩

有機材料由于其較差的耐熱性已不適用于高馬赫數導彈。而陶瓷材料有較高的力學性能，適宜的介電性能及較好的耐熱性能，成為天線罩的首選材料[23]。無機天線罩材料可分為氧化物陶瓷和氮化物陶瓷。前者主要有氧化鋁陶瓷、石英陶瓷、氧化鈹陶瓷、微晶玻璃、堇青石陶瓷等,后者主要有氮化硼(BN)和氮化硅(Si3N4)。表2示出5種陶瓷材料的重要特性評估。表3列出12種陶瓷材料的介電特性參數[24-25]。

表2 陶瓷材料主要特性比較Tab. 2 Comparison of main characteristics of ceramic materials

表3 陶瓷材料的介電性能參數Tab. 3 Dielectric properties of ceramic materials

氧化鋁陶瓷是第1種商業化高溫天線罩材料,成功應用于麻雀Ⅲ和響尾蛇等導彈上,具有強度高、硬度高、抗雨蝕性能好的優點。缺點是材料彈性模量和膨脹系數大,抗熱沖擊性能差,只適用于3 Ma以下導彈。1955—1956年,美國康寧公司開發出以TiO2為晶核劑的Mg-Al-Si系微晶玻璃,牌號Pyroceram9606，被用于美國的AMRAAM導彈和大部分Standard導彈用天線罩材料。該材料具有耐高溫、強度高、電性能好的優點,從20世紀60年代起被廣泛用來代替氧化鋁陶瓷,用于3～4 Ma導彈天線罩。

美國Raytheon公司開發的堇青石陶瓷(Rayceram)具有良好的力學性能,熱膨脹系數較低,抗熱沖擊性能優異,可用于5～6 Ma的導彈天線罩，但是其熔點較低,成型困難,且高溫下介電損耗過大,導致其實際應用受到一定限制。

美國波音宇航公司[26]利用反應燒結氮化硅(Si3N4)制備了多倍頻寬帶天線罩。國內也開展了氮化硅天線罩材料的研究工作。例如,天津大學[27]和山東工業陶瓷研究設計院[28]。然而到目前為止,有關Si3N4基陶瓷作為導彈天線罩的實際應用還少有報道。

氮化硼陶瓷具有比氮化硅陶瓷更好的熱穩定性和更低的介電常數、介電損耗,是為數不多的分解溫度能達到3 000 ℃的化合物之一,但抗雨蝕性差[29]。由于工藝問題難以制成較大形狀的坯件，因此在天線罩上尚未得到真正應用,目前主要用作天線窗介電防熱材料。

氮化硅基陶瓷不僅具有優異的力學性能和很高的熱穩定性,而且具有較低的介電常數，其分解溫度為1 900 ℃,其抗燒蝕性能比熔融石英好,能經受6～7 Ma飛行條件下的熱振,被西方發達國家用來開發耐高溫、寬頻帶、低瞄準誤差天線罩。美國佐治亞技術研究所試驗鑒定將這種材料稱為最有希望的天線罩材料。試驗發現這種材料具有良好的介電、機械特性及高的抗雨蝕、抗熱沖擊性能[30-31]。國內也開展了氮化硅天線罩材料的研究工作。例如,天津大學[27]以堇青石和鋰輝石作為燒結助劑,制備出介電常數為4～5，介電損耗為0.005～0.007,抗彎強度為160 MPa的天線罩材料,并重點對這種材料的燒結機制進行了研究，但到目前為止,有關氮化硅基陶瓷作為導彈天線罩的還處于研究階段。

3 線罩綜合性能的評估

對于天線罩來說,電厚度對天線罩的瞄準誤差及瞄準誤差斜率有重要影響,其可靠性必須得到保證[32]，但是高性能復合材料制備工藝復雜,特別是像天線罩這樣的大尺寸構件,在制造過程中易出現裂紋、空洞、斷裂等多種缺陷，因此，在高溫氣動熱環境中有可能出現災難性破壞。有必要對天線罩材料進行優化設計和無損檢測,以保證產品質量,最大限度地提高使用可靠性。喬玉[33]建立了復合材料天線罩優化問題的數學模型,在確保力學性能要求的基礎上改善天線罩電性能。謝菲等[34]對石英纖維復合材料的介電性能和拉伸性能進行了測試，結果表明石英纖維增強復合材料適用于制作高頻波段的雷達天線罩。由于天線罩實際工作環境與通常所處的環境相距甚遠,通常條件下所測得的電氣性能和動熱性能往往不能反映真實情況[35]。美國General Dynamic公司20世紀70年代建立了石英燈加熱天線罩的電性能評價系統，但是該系統的測量誤差較大。此后，美國又建立了太陽能加熱的評價系統,這種方式能比較真實地模擬天線罩的工作環境,可得到不錯的評價結果。隨著計算機技術的不斷發展,仿真技術在天線罩的電性能評價中也得到了應用。張恒慶[36]采用軟件仿真的方法,對高超音速天線罩電性能隨溫度的變化情況進行了研究。此外,針對天線罩電氣厚度的測量技術方面的研究也正在開展[37-38]。

對天線罩性能方面的評估目前存在以下難點。對材料體系的評估，選擇的基體材料、增強材料以及夾芯材料不但要滿足力學性能還要滿足電性能的要求；要制備高性能、高透波、寬頻段、輕質量的雷達天線罩，就要對罩壁結構的設計進行評估優化，使其介電性能達到最佳，但是這在加工制造方面都有較大的難度。特別是如何評估和克服天線罩在生產制造過程中產生的缺陷以及對缺陷進行及時在線檢測，實現對罩體厚度和材料參數的同時檢測等，這都是急需解決的重要問題。

4 結 語

航空航天新材料、新工藝是天線罩技術發展的基礎和技術保證。作為導彈的關鍵技術之一,天線罩技術是一項系統工程,它涉及氣動防熱、熱力學、機械結構、電磁場理論、特種纖維、編織技術、復合材料與工藝、專業檢測技術及可靠性工程等多種專業技術。開發低成本高性能的復合材料,尤其是纖維增強及立體纖維編織增強復合材是今后的發展方向，但是，由于該領域的敏感性,發達國家一直對關鍵技術嚴格保密,近20年來公開發表的天線罩研究資料十分有限,這就需要我們自力更生,加強研究,為將來先進型號的發展作必要的技術儲備。總之,導彈天線罩將向低成本、寬頻帶、高性能方向發展,特種纖維增強氮化硼、氮化硅等陶瓷基復合材料將是未來發展的主要方向。

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Research progress in radome material

PEI Xiaoyuan1,2,3,4， CHEN Li1,2， LI Jialu1,2， DING Gang5,6， WU Ning1,2

(1.InstituteofComposites,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 2.KeyLaboratoryofAdvancedTextileCompositesMaterials,MinistryofEducation,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 3.SchoolofMaterialScienceandEngineering,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 4.StateKeyLaboratoryofSeparationMembranesandMembraneProcesses,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 5.SchoolofTextilesTianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 6.DepartmentoftheManagementandConstructionofTeachingResources,TianjinRadio&TVUniversity,Tianjin300191,China)

The radome must ensure the antenna and the radar work normally in serious external environments. It plays an important part in the flight of the missile. It must withstand the aero dynamical loads and meet the electric and aero dynamical requirement as well. This paper summarizes the development of the radome at home and abroad. The part problem of the radome in design and manufacture was discussed and analyzed. The design and material selection principles of the radome were introduced. The advantages and disadvantages of existing common material systems are analyzed, and the research progress of the radome material system has been summarized. The present paper introduces main material systems of resin based fiber reinforced radome and high temperature ceramic radome, reviews the characteristics of different ceramic radome materials and investigates the progress. Finally, the further research directions of radome materials were prospected.

radome; dielectric property; composite material; performance evaluation

10.13475/j.fzxb.20151102007

2015-11-06

2016-04-04

國家自然科學基金青年科學基金項目(51403153)；中國博士后科學基金項目(2016M59139)

裴曉園(1983—)，女，博士。研究方向為三維紡織復合材料的結構和力學性能。E-mail：woshipeixiaoyuan@126.com。

TB 324； TQ 323； TS 03

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