耐高溫雷達天線罩上的樹脂基復合材料應用

文/佟文清

航天及電子設備等領域中，復合材料有一些兼有高頻介電性能的結構透波一體化復合材料，天線罩的蒙皮透波材料通常是玻璃纖維作為增強材料的樹脂基復合材料，本文綜述了國內外結構透波一體化樹脂基復合材料在雷達天線罩領域的研究現狀。

1 雷達天線罩材料的性能要求

天線罩材料除了滿足結構質量及工藝性等要求外，應滿足介電性能，環境性能等特殊要求。材料的介電性能ε與tanδ是天線罩材料的核心性能，tanδ大則材料溫度升高，引起力學性能的下降。在滿足一定力學性能條件下，要求材料的ε與tanδ盡量小。高性能雷達天線罩要求材料拉伸強度>400Mpa，壓縮強度>350Mpa。高性能雷達天線罩要求材料在高溫等環境條件下，性能無明顯變化。

2 雷達天線罩材料體系

2.1 增強材料

目前雷達天線罩用樹脂復合增強材料主要有玻璃纖維維等。芳綸纖維具有高強度與高模量，但易吸潮，高模量聚乙烯纖維的介電性能優異，具有高強度等優勢，但纖維與樹脂界面結合差。玻璃纖維是傳統雷達天線罩最常用的增強材料，D-玻璃纖維介電性能最好，S-玻璃纖維力學性能優異。石英纖維價格較高，目前國內外先進的天線罩大多已采用石英纖維作為增強材料。

2.2 樹脂基體

傳統樹脂基體主要有酚醛樹脂與不飽和聚酶樹脂，環氧樹脂具有優良的工藝性及力學性能。近年來隨著先進雷達天線罩對全頻帶，耐高溫等性能要求的不斷提升，對于在100GHz頻率附近工作的雷達罩，要求具有優良的耐濕熱性能。介電性能更好的高性能樹脂基材料通過對傳統環氧樹脂材料改性實現，通過選用先進樹脂基體，如雙馬來酰亞胺樹脂等。

樹脂環氧材料采用雙環戊二烯改性環氧樹脂，改性后tanδ降至0.0104，ε降至2.63，采用含苯并惡嗪的炔醚類分子作為固化劑，高級型的羰基團數量大幅降低。同引入多面籠形巨倍半硅氧烷降低了材料的ε與tanδ。關于各種改性后的環氧樹脂粘度變化的研究較少，高于氰酸脂性能樹脂基體。

氰酸基樹脂分子結構的樹脂在固化反應中可生成穩定的三嗪環網狀結構，性能對頻率與溫度變化不敏感，美國的SATCOM是較早使用氰酸脂的現代高頻透波天線罩。針對氰酸脂材料的改性主要以改善其力學性能為目標，環氧共混改性提升其工藝性是較成熟的改性方法，通過有機無機復合的六環三磷腈改性氰酸脂，利用15%的介孔氧化硅加入氰酸脂樹脂。

國外透波材料用氰酸樹脂體系有BASF公司，Hexcel公司，Fiberite公司等，國內氰酸脂樹脂體系有航天材料研究所研制的701氰酸脂樹脂體系，22℃水中浸泡40d吸水率為0.73%。

2.3 復合材料

隨著雷達天線罩工作頻率的升高，傳統的蒙皮透波材料已不能滿足高透過，耐高功率的要求。國外BASF公司的石英纖維氰酸脂復合材料天線罩綜合性能優異，其ε降低了75%，具有更低的吸水率。

目前國外已經商品化的預浸樹脂主要有Hexcel公司的M22，國內產品有航天材料及工藝研究所的QWB/701系列復合材料。介電性能優異。增強材料與樹脂基體的選擇對介電常數有較大的影響，QWB/701系列石英布/氰酸脂復合材料的介電性能最佳。Ε降低了24%，復合材料的介電常數滿足3.28±0.15，符合天線罩用蒙皮材料電性能要求。QWB/701系列石英氰酸脂復合材料力學性能滿足高性能天線罩材料力學性能要求。

QWB/701系列石英氰酸脂復合材料經過系列環境試驗的考核，此復合材料在高低溫，鹽霧，水煮與介質環境試驗后其力學性能具有較好的性能保持率。恒溫環境下經28d試驗后，級別為0級，說明復合材料滿足天線罩材料的設計要求。

3 樹脂基復合材料性能，成型工藝

3.1 樹脂基復合材料的性能

樹脂基復合材料具有比強度高等優異的力學性能，其結構具有很強的可設計性。樹脂基復合材料結構可通過選擇不同的排布方式。

樹脂基復合材料性能主要取決于增強材料纖維的性能，目前研究最多的是環氧樹脂脂體系。環氧樹脂體系工作溫度在150℃以下，為提抗損失能力，研發了系列具有較好韌性的樹脂基體體系，樹脂基復合材料的物理性能主要取決于材料的物理性能。

樹脂基復合材料力學性能主要取決于增強材料的性能，基體與增強材料粘結界面是基體向增強材料纖維傳遞應力的樞紐，復合材料大多采用連續纖維增強材料，碳纖維等有機纖維。

復合材料的力學性能主要由基體與增強材料纖維復合的協同效應，通過組分材料性的細致結構導出復合材料的強度等力學性能。

3.2 樹脂復合材料成型工藝

復合材料成型工藝較多，最大的特點是一次成型，常用的有RTM成型工藝，纏繞成型工藝等，分別適合不同的復合材料結構制備。纏繞成型工藝主要適合復合材料管道，如火箭發動機殼體等。RTM成型工藝適合于制造各種精度要求高的結構件，如高性能的機頭雷達罩等。模壓成型工藝機械化程度高，適用于制造表面光潔，尺寸精確的復合材料結構件。

熱壓罐成型工藝適合制備各種大尺寸的復合材料構件，如加筋壁板，骨架的殼體結構等。拉擠成型工藝可連續生產，用于制備厚度可變，寬度不變的制品及各種復合材料型材。復合材料成型工藝對其性能有很大的影響，采用高溫高壓的固化方式，具有較好的剛強度。

4 結語

樹脂基結構材料在雷達結構中廣泛應用，在星載雷達上的應用對復合材料結構設計提出了更高的要求。本文就先進復合材料在雷達工業中的應用進行了研究，QWB/701系列石英氰酸脂復合材料的力學性能滿足高性能天線罩制造材料的設計要求。現代高性能雷達天線罩對樹脂基復合材料提出了更高的要求，石英石/氰酸脂體系可滿足現代高性能天線罩的需求。