石英陶瓷天線罩表面封孔防潮涂層的研究

崔唐茵 劉瑞祥 崔文亮 楊顯鋒 張永翠

(中材高新材料股份有限公司 山東淄博 255031)

石英陶瓷天線罩表面封孔防潮涂層的研究

崔唐茵 劉瑞祥 崔文亮 楊顯鋒 張永翠

(中材高新材料股份有限公司 山東淄博 255031)

采用熔融石英粉、有機(jī)硅樹脂和有機(jī)氟樹脂為原料,對(duì)石英基體進(jìn)行封孔和防潮處理,研究分析了體系、組成、結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)性能之間的關(guān)系。

陶瓷天線罩 封孔 防潮 涂層 介電性能

前言

導(dǎo)彈天線罩是保證雷達(dá)天線系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵部件,它既是彈體的組成部分,又是雷達(dá)制導(dǎo)系統(tǒng)的組成部分,承擔(dān)防熱、透波和抗燒蝕的作用,保證導(dǎo)引頭的正常工作。石英陶瓷材料由于具有熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱率較低、抗熱震性能穩(wěn)定,而且介電性能穩(wěn)定等特性,是目前戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈天線罩較為理想的材料[1～3]。熔融石英陶瓷材料具有多孔結(jié)構(gòu)和親水性能,吸潮后吸水率高達(dá)7%左右,并嚴(yán)重影響材料的透波性能。因此,制備具有優(yōu)異的透波性能、力學(xué)性能、耐環(huán)境性能的封孔防潮透波多功能涂層是解決上述問題的有效手段。石英陶瓷天線罩的封孔防潮保護(hù)技術(shù)已成為不容忽視的問題[4～5]。

1 試驗(yàn)

1)原材料。本研究采用熔融石英粉、有機(jī)硅樹脂、氟碳樹脂以及其他助劑作為主要原料。

2)制備工藝。試驗(yàn)基體的制備:以注凝成形工藝制備的石英陶瓷天線罩罩體為試驗(yàn)基體;涂層的制備及噴涂:以熔融石英粉、有機(jī)硅樹脂以及其他助劑為原料,配制而成封孔涂料,采用噴涂工藝對(duì)基體進(jìn)行封孔處理,流平后經(jīng)中溫110℃～150℃固化;以氟碳樹脂和有機(jī)硅樹脂為主要組成,按一定比例混合,并加入適量外加劑制備防潮涂料,采用噴涂工藝對(duì)基體進(jìn)行防潮處理,流平后經(jīng)中溫150℃～180℃固化。

3)性能測試。采用陶瓷材料體積密度、顯氣孔率和吸水率的測試方法對(duì)封孔前后密度、顯氣孔率和吸水率的變化進(jìn)行對(duì)比;采用三點(diǎn)彎曲法對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行測試;通過掃描電鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)變化;通過波導(dǎo)短路法進(jìn)行介電常數(shù)和介電損耗角正切的測試。

2 結(jié)果與討論

封孔處理目的:封填缺陷處;保證涂層氣密性。

2.1 封孔前后基體的微觀分析

石英陶瓷材料是一種固相燒結(jié)體,燒結(jié)體中熔融石英顆粒之間相互堆積緊密接觸結(jié)合在一起,顆粒間有較多氣孔相,因此,材料具有較高的氣孔率,使得材料吸水率較高,潮濕環(huán)境中,材料的介電性能會(huì)受到嚴(yán)重影響。圖1為基體涂覆涂層前后石英基體端口形貌SEM圖片,涂敷防潮涂層前基體斷口處顆粒堆積不密實(shí),存在大量氣孔,涂覆防潮涂層后基體斷口處致密、平整光滑。

圖1 涂敷涂層前后石英基體端口形貌

2.2 封孔前后顯氣孔率和密度的變化

表1 封孔前后顯氣孔率和密度的變化

在基體圓周對(duì)稱位置切取試樣,將試樣切割成尺寸約為25mm×25mm×25 mm試塊5個(gè),采用阿基米德法測得各組試樣封孔前后顯氣孔率和密度的變化?；w封孔后顯氣孔率明顯降低,密度有所提高(見表1)。

2.3 封孔防潮后抗彎強(qiáng)度的變化

在基體根部圓周對(duì)稱位置切取試樣,將試樣切割成尺寸為3 mm×4 mm×45 mm試塊6個(gè),進(jìn)行抗彎強(qiáng)度的測試。從表2中可以看出封孔后基體的抗彎強(qiáng)度明顯提高,因?yàn)榉饪缀蠡w表面的氣孔等缺陷得到有效彌補(bǔ),因此,基體強(qiáng)度均呈增強(qiáng)的趨勢。

表3為空白樣與封孔并防潮后抗彎強(qiáng)度值的變化。從表3中可以看出封孔并防潮后基體的抗彎強(qiáng)度得到了明顯的提高,并且基體強(qiáng)度越低增強(qiáng)效果就越明顯。4#試樣的變化率最大,變化率為30.66%。這是由于基體的強(qiáng)度越低表面氣孔等缺陷越多,涂層作用后強(qiáng)度的增強(qiáng)效果越明顯。雖然封孔后基體表面的氣孔等缺陷得到彌補(bǔ),但其本身比較疏松,結(jié)合能力稍差,而防潮涂層為致密的連續(xù)膜,與基體結(jié)合后有較高的附著力,因此增強(qiáng)了基體材料的強(qiáng)度。

表2 封孔后抗彎強(qiáng)度變化

表3 封孔并防潮后抗彎強(qiáng)度變化

2.4 封孔防潮后基體介電性能的變化

表4 封孔并防潮后介電常數(shù)與介電損耗的變化

導(dǎo)彈天線罩的介電性能主要指材料的介電常數(shù)和損耗角正切。介電常數(shù)越大,則電磁波在空氣與天線罩分界面上的反射就越大,這將增加徑向波瓣電平并降低傳輸速率。材料的損耗角正切越大電波透過天線罩轉(zhuǎn)化的熱量越多,損耗的能力就越多。因此,要求天線罩材料的損耗角正切低至接近于零,介電常數(shù)盡可能低,以獲得較高的傳輸系數(shù),較寬的壁厚容差。

在基體根部圓周對(duì)稱位置切取試樣,將試樣加工成5個(gè)試塊尺寸約為mm×mm×14 mm,進(jìn)行介電性能的測試。測試結(jié)果如表4所示,封孔防潮處理的試樣與室溫下的試樣介電性能相比變化不大。試驗(yàn)表明,采用無機(jī)石英料漿為封孔料漿進(jìn)行封孔處理,采用有機(jī)硅樹脂和氟碳樹脂為防潮涂料對(duì)基體進(jìn)行噴涂的封孔防潮方法,對(duì)基體本身介電性能影響不大。根據(jù)介電常數(shù)對(duì)數(shù)法則;ε=ε01-p(1)式中:P為基體氣孔率;ε為氣孔率為P時(shí)材料的介電常數(shù);ε0為氣孔率為0時(shí)材料的介電常數(shù),即氣孔率為0時(shí)純SiO2的介電常數(shù)(取值為3.78)。經(jīng)試驗(yàn)得出結(jié)論:基體封孔后顯氣孔率明顯降低,密度有所提高。即表面封孔后,使基體表面部分開口氣孔被封閉,在參數(shù)公式中封孔防潮涂層對(duì)P的影響較明顯,氣孔減少、氣孔率下降,但基體的介電常數(shù)略有提高。

2.5 封孔防潮涂層的防潮抗水性能

采用陶瓷材料吸水率的測試方法進(jìn)行石英基體涂敷涂層后吸水率、泡水24 h后以及煮沸法電性能的測試,測試結(jié)果如表5和表6所示。測試結(jié)果表明,涂層前后基體介電性能變化極小。

表5 石英基體涂敷涂層后的吸水率

對(duì)于石英陶瓷來說,不論是孔隙的毛細(xì)凝結(jié)現(xiàn)象,還是基體表面的活性吸濕基團(tuán)的存在都使其易結(jié)合空氣中的水分子形成水化層,這種現(xiàn)象的結(jié)果使得基體的介電損耗正切值增大,消耗的微波能量增加,即影響其透波能力,而且其吸水率受環(huán)境濕度影響,更加導(dǎo)致了基體介電性能的不穩(wěn)定性,經(jīng)涂層處理以后,在基體表面形成一層致密的保護(hù)層。一方面,填充石英基體表面的氣孔,降低其比表面積和表面能;另一方面,涂層與基體表面的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng),消除或部分消除了基體表面的活性吸濕單元羥基。再者,涂層材料中憎水基團(tuán)-CH3的對(duì)外致密排列,使得基體的親水表面變?yōu)樵魉砻?因此,石英陶瓷基體的抗吸濕性能大幅度提高。

表6 石英基體涂覆涂層后泡水24 h后的電性能

3 結(jié)論

1)經(jīng)對(duì)石英基體封孔和防潮處理,封孔涂層表面平整,涂層與基體結(jié)合緊密,氣孔得到有效的彌補(bǔ);防潮涂層與基體結(jié)合緊密,厚度均勻;封孔后基體的顯氣孔率明顯下降,基體密度略有提高。

2)封孔后基體強(qiáng)度得到提高,封孔防潮后基體強(qiáng)度顯著提高;封孔防潮涂層對(duì)基體介電性能影響極小;封孔防潮涂層的防潮抗水性能得到大幅度提高。

1 張漠杰.石英陶瓷天線罩的增強(qiáng)方法.上海航天,1994 (4):15～17

2 閆聯(lián)生,李賀軍,崔紅.高溫陶瓷透波材料研究進(jìn)展.宇航材料工藝,2004(2):14～16

3 胡連成,黎義,于翹.俄羅斯航天透波材料現(xiàn)狀考察.宇航材料工藝,1994(1):48～52

4 石毓錟,胡曉蘭,梁國正,等.飛行器天線罩的雨蝕及防護(hù).化工新材料,2001,29(1):7～10

5 鄭亞萍.國內(nèi)外飛機(jī)雷達(dá)罩用耐雨蝕涂層.化工新材料,1997,25(12):15～16