樹(shù)脂基復(fù)合材料在雷達(dá)天線罩領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展

王 飛 石佩洛

(1 海軍駐南京地區(qū)電子設(shè)備軍事代表室，南京 210012)(2 航天材料及工藝研究所，北京 100076)

樹(shù)脂基復(fù)合材料在雷達(dá)天線罩領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展

王 飛1石佩洛2

(1 海軍駐南京地區(qū)電子設(shè)備軍事代表室，南京 210012)(2 航天材料及工藝研究所，北京 100076)

文 摘 綜述了國(guó)內(nèi)外樹(shù)脂基復(fù)合材料在雷達(dá)天線罩領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了現(xiàn)代高性能雷達(dá)天線罩的介電、力學(xué)、耐環(huán)境等性能要求，不同材料體系的特點(diǎn)，樹(shù)脂的改性方法和效果。對(duì)比了四種復(fù)合材料體系的介電性能，重點(diǎn)介紹了石英/氰酸酯體系的性能和耐環(huán)境考核試驗(yàn)。

天線罩， 復(fù)合材料，環(huán)氧，氰酸酯

0 引言

在航天和電子設(shè)備等領(lǐng)域，復(fù)合材料除了作為結(jié)構(gòu)材料外，有一些兼有高頻介電性能和力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)/透波一體化復(fù)合材料，是制備雷達(dá)罩不可替代的材料。天線罩的蒙皮透波材料通常是玻璃類纖維(E玻璃布、D玻璃布、S玻璃布、石英布等)作為增強(qiáng)材料的樹(shù)脂基(環(huán)氧、氰酸酯、酚醛、雙馬等)復(fù)合材料[1-6]。

本文綜述了國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)/透波一體化樹(shù)脂基復(fù)合材料在雷達(dá)天線罩領(lǐng)域的研究發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了石英/氰酸酯體系的應(yīng)用發(fā)展情況。

1 雷達(dá)天線罩材料的性能要求

天線罩材料為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求和功能的實(shí)現(xiàn)，除了滿足結(jié)構(gòu)質(zhì)量、壽命和工藝性等要求外，還應(yīng)滿足介電性能、力學(xué)性能和耐環(huán)境性能等特殊要求。

(1)介電性能。材料的介電性能ε和tanδ是天線罩材料的核心性能。tanδ體現(xiàn)了材料將透過(guò)其中的電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的比例，這個(gè)比例越高，電磁能損耗就越大，材料溫度升高越顯著，進(jìn)一步引起介電和力學(xué)性能的下降。ε與材料的透波率有負(fù)相關(guān)的關(guān)系。因此，在滿足一定力學(xué)性能的前提下，一般要求材料的ε和tanδ都要盡可能的小。高性能雷達(dá)天線罩要求ε<3.5(10 GHz)，tanδ<0.006。

(2)力學(xué)性能。高性能雷達(dá)天線罩要求材料的拉伸強(qiáng)度>400 MPa，拉伸模量>19 GPa，壓縮強(qiáng)度>350 MPa，壓縮模量>18 GPa。

(3)耐環(huán)境性能。高性能雷達(dá)天線罩要求材料在高溫、低溫、交變濕熱、鹽霧、霉菌等環(huán)境條件下，性能無(wú)明顯變化，仍需滿足指標(biāo)要求。

2 雷達(dá)天線罩材料體系

2.1 增強(qiáng)材料

目前，雷達(dá)天線罩蒙皮用樹(shù)脂基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、芳綸纖維、石英纖維和聚乙烯纖維等，各種纖維的性能對(duì)比見(jiàn)表1。

芳綸纖維具有高強(qiáng)度和高模量，但芳綸易吸潮，影響介電性能。高模量聚乙烯纖維(Spectra 1000)的介電性能優(yōu)異，另外具有低密度、高強(qiáng)度、高模量等優(yōu)勢(shì)，但是纖維與樹(shù)脂的界面結(jié)合差，影響了復(fù)合材料最終性能的發(fā)揮。玻璃纖維是傳統(tǒng)雷達(dá)天線罩最常用的增強(qiáng)材料，有E-玻纖，S-玻纖，M-玻纖，D-玻纖等。其中D-玻纖介電性能最好，但是力學(xué)性能較差；S-玻纖的力學(xué)性能優(yōu)異，使用較為廣泛。石英纖維雖然價(jià)格較高，但是tanδ最低，目前國(guó)外先進(jìn)天線罩大多已采用石英纖維作為增強(qiáng)材料[5]。

表1 常用纖維性能表

2.2 樹(shù)脂基體

雷達(dá)天線罩蒙皮用復(fù)合材料的樹(shù)脂基體及其性能見(jiàn)表2。

表2 幾種透波樹(shù)脂基體的典型性能

傳統(tǒng)樹(shù)脂基體主要有酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂和不飽和聚酯樹(shù)脂，其中環(huán)氧樹(shù)脂具有優(yōu)良的工藝性和粘接性以及優(yōu)異的力學(xué)性能，因而成為使用最為廣泛的樹(shù)脂基體材料。近年來(lái)由于先進(jìn)雷達(dá)天線罩對(duì)全頻帶、低介電損耗、耐高溫，耐候性等性能要求的不斷提升，天線罩需要抵抗更加惡劣的環(huán)境，尤其是高溫環(huán)境。對(duì)于在100 GHz頻率附近工作的雷達(dá)罩，一般要求基體樹(shù)脂的ε<3.5，tanδ<0.006，Tg>150℃，并且具有優(yōu)良的耐濕熱性能。環(huán)氧樹(shù)脂不能同時(shí)滿足這些要求。介電性能更好、耐環(huán)境性能更優(yōu)的高性能樹(shù)脂基體材料的實(shí)現(xiàn)一方面是通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂基體材料的改性來(lái)實(shí)現(xiàn)，另一方面通過(guò)選用一些先進(jìn)樹(shù)脂基體，例如氰酸酯樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂和聚酰亞胺樹(shù)脂等[7]。

環(huán)氧樹(shù)脂的改性以降低ε和tanδ同時(shí)提升材料耐熱性為目標(biāo)。Hwang等[8]采用雙環(huán)戊二烯改性環(huán)氧樹(shù)脂，改性后樹(shù)脂的ε由3.70降低至2.63，tanδ由0.020 4降低至0.010 4，吸水率由1.98%降低至0.65%。Lin等[9]采用一種含苯并噁嗪的炔醚類分子作為固化劑，固化物中高極性的羥基基團(tuán)數(shù)量大幅度降低，改性樹(shù)脂的ε低至2.62。Yu等[10]和任強(qiáng)等[11]通過(guò)引入多面籠形聚倍半硅氧烷(POSS用量為3%～15%phr)降低了材料的ε和tanδ同時(shí)大幅改善了耐熱性。值得注意的是，關(guān)于各種改性后的環(huán)氧樹(shù)脂的黏度變化及操作工藝性的報(bào)道較少，并且tanδ仍然大于0.01，高于氰酸酯等高性能樹(shù)脂基體。

氰酸酯樹(shù)脂分子結(jié)構(gòu)以氰酸酯官能團(tuán)(—OCN)為特征。這種結(jié)構(gòu)的樹(shù)脂在固化反應(yīng)中可以生成穩(wěn)定的三嗪環(huán)(Triazine)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，賦予其極低的ε和tanδ，并且性能對(duì)頻率和溫度的變化不敏感，具有較寬的頻帶使用范圍。美國(guó)的SATCOM是較早使用氰酸酯作為主體樹(shù)脂基體的現(xiàn)代高頻透波天線罩。

氰酸酯樹(shù)脂的交聯(lián)密度大導(dǎo)致材料脆性較大。針對(duì)氰酸酯材料的改性主要以改善其力學(xué)性能的同時(shí)保持其ε和tanδ為目標(biāo)。研究較為成熟的改性方法是與環(huán)氧共混改性[12]以提升其工藝性，與雙馬來(lái)酰亞胺共混改性[13]以提升其耐熱性。Krishnadevi等[14]通過(guò)有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合的六(氨基苯基)環(huán)三磷腈改性氰酸酯，改性后tanδ由0.005下降至0.001。Devaraju等[15]利用15%的介孔氧化硅作為增強(qiáng)材料加入氰酸酯樹(shù)脂，復(fù)合材料的ε降低至2.11。

國(guó)外透波材料用氰酸酯樹(shù)脂體系有BASF公司的5575-2，F(xiàn)iberite公司的X54-2，Hexcel公司的HX 1584-3，Dow化學(xué)公司的XU-71787等。國(guó)內(nèi)氰酸酯樹(shù)脂體系有航天材料及工藝研究所研制的701氰酸酯樹(shù)脂體系，該體系滿足熱熔預(yù)浸料用樹(shù)脂工藝要求，ε=2.8，tanδ=0.009，Tg=205℃，22℃水中浸泡40 d的吸水率僅為0.73%。

2.3 復(fù)合材料

隨著雷達(dá)天線罩工作頻率(X波段或以上)的升高，特別是隱身天線罩的需求，傳統(tǒng)的蒙皮透波材料(高強(qiáng)玻璃布增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂體系)已不能滿足高透過(guò)、低反射、耐高功率的要求，石英/氰酸酯體系就應(yīng)運(yùn)而生，可以滿足現(xiàn)代高性能天線罩的需求。

國(guó)外復(fù)合材料產(chǎn)品如BASF公司的的石英纖維/氰酸酯復(fù)合材料天線罩，其綜合性能優(yōu)異。與傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂天線罩相比，其ε降低了75%，tanδ降低了10%，另外具有更低的吸水率，因此濕態(tài)介電性能更加優(yōu)異[2]。

目前國(guó)外已經(jīng)商品化的預(yù)浸料樹(shù)脂主要有Hexcel公司的M22，Bryte公司的EX-1515、EX-1505等。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品有航天材料及工藝研究所的QWB/701系列石英布/氰酸酯預(yù)浸料及復(fù)合材料，耐180℃高溫，介電性能優(yōu)異，已經(jīng)在某些型號(hào)上得到了應(yīng)用。

圖1列出航天材料及工藝研究所生產(chǎn)的石英布或高強(qiáng)玻璃布作為增強(qiáng)材料，氰酸酯或環(huán)氧樹(shù)脂作為樹(shù)脂基體，組合得到4種復(fù)合材料的介電性能對(duì)比。

圖1 四種雷達(dá)天線罩用復(fù)合材料的介電性能對(duì)比

Fig.1 Dielectric properties of four composites

通過(guò)對(duì)比可以看出，增強(qiáng)材料和樹(shù)脂基體的選擇均對(duì)介電常數(shù)和損耗角正切有較大的影響。氰酸酯樹(shù)脂基復(fù)合材料的tanδ均顯著小于環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料；石英布增強(qiáng)復(fù)合材料ε均顯著小于玻璃布增強(qiáng)復(fù)合材料。QWB/701系列石英布/氰酸酯復(fù)合材料的介電性能最為優(yōu)異：與傳統(tǒng)產(chǎn)品玻璃布/環(huán)氧復(fù)合材料相比，ε降低了24%，tanδ降低了78%。該復(fù)合材料的介電常數(shù)滿足3.28±0.15，損耗角正切值滿足≤0.006的要求，符合天線罩用蒙皮材料電性能要求。表3結(jié)果表明，QWB/701系列石英/氰酸酯復(fù)合材料的力學(xué)性能同樣滿足高性能天線罩材料力學(xué)性能設(shè)計(jì)要求。

表3 QWB/701復(fù)合材料常溫干態(tài)力學(xué)性能

QWB/701系列石英/氰酸酯復(fù)合材料經(jīng)過(guò)了一系列環(huán)境試驗(yàn)的考核驗(yàn)證。結(jié)果表明該復(fù)合材料在高/低溫、交變濕熱(參照GJB150.9A—2009標(biāo)準(zhǔn))、鹽霧(參照GJB150.11A—2009標(biāo)準(zhǔn))、水煮(參照GJB150.10A—2009標(biāo)準(zhǔn))和介質(zhì)(參照GB3857—2005標(biāo)準(zhǔn)，采用液壓油和燃油)環(huán)境試驗(yàn)后其力學(xué)性能和介電性能具有較好的性能保持率，均滿足高性能天線罩材料的設(shè)計(jì)要求。參照GJB150.10A標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了黑曲霉、黃曲霉、雜曲霉、繩狀青霉和球毛殼霉共計(jì)五種霉菌試驗(yàn)。結(jié)果表明恒溫恒濕環(huán)境下經(jīng)28 d試驗(yàn)后，未發(fā)現(xiàn)孢子生長(zhǎng)，級(jí)別為0級(jí)。說(shuō)明該復(fù)合材料具有良好的抗霉菌性能，滿足天線罩材料的設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，QWB/701系列石英/氰酸酯復(fù)合材料的力學(xué)性能、介電性能及環(huán)境性能均滿足高性能天線罩制造材料設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代高性能雷達(dá)天線罩對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料提出了更高的要求。隨著雷達(dá)天線罩工作頻率的升高，特別是隱身天線罩的需求，對(duì)天線罩材料的介電性能和耐高溫性能提出了更高的要求。石英布/氰酸酯體系應(yīng)運(yùn)而生，可以滿足現(xiàn)代高性能天線罩的需求。

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Application and Development of Resin Matrix Composites for Radomes

WANG Fei1SHI Peiluo2

(1 Navy Stationed in Nanjing Aera of Military Representative of Electronic Device, Nanjing 210012)(2 Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology, Beijing 100076)

The application and development of resin matrix composites for radomes are reviewed. The dielectric, mechanical and environmental property required for advanced radomes are presented, and various material systems are compared. Quartz/cyanate ester composite system’s properties and environmental properties are presented in particular.

Radome,Composites, Epoxy, Cyanate ester

2017-01-03

王飛，1982年出生，碩士，主要從事相控陣?yán)走_(dá)監(jiān)造工作。E-mail: 16598842@qq.com

TB332

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.02.003