改性聚苯醚合金在雷達(dá)天線(xiàn)罩上的應(yīng)用

瞿啟云，鄧友銀，黃 釗，江海東，張玉梅

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

改性聚苯醚合金在雷達(dá)天線(xiàn)罩上的應(yīng)用

瞿啟云，鄧友銀，黃 釗，江海東，張玉梅

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

對(duì)改性聚苯醚合金分別采用擠塑和注塑成型制成兩種不同結(jié)構(gòu)形式天線(xiàn)罩，并實(shí)際應(yīng)用于某型雷達(dá)天線(xiàn)陣面上。天線(xiàn)罩材料電性能檢測(cè)、天線(xiàn)陣面駐波試驗(yàn)和雷達(dá)5年戶(hù)外工作狀況表明：天線(xiàn)罩主要電訊性能(介電常數(shù)ε、介質(zhì)損耗角正切tanδ、電壓駐波系數(shù)VSWR等)、耐候性能等均能很好滿(mǎn)足產(chǎn)品技術(shù)要求。

改性聚苯醚；合金塑料；擠塑成型；注塑成型；天線(xiàn)罩；電訊性能；耐候性

引 言

聚苯醚(PolyPhenylene Oxide, PPO)，即聚亞苯基氧化物或聚苯氧，是當(dāng)今五大通用工程塑料之一，廣泛用于電子電氣、航空航天等領(lǐng)域。通常是以2,6-二甲基苯酚為原料，苯或甲醇為溶劑，銅氨絡(luò)合物為催化劑，在高氧環(huán)境下，采用氧化偶合的方法縮聚得到的一類(lèi)熱塑性工程樹(shù)脂[1]。它除具有良好的物理機(jī)械性能外，還具有特異的電氣絕緣性(低介電常數(shù)Dk和低損耗因子Df)、耐熱性、阻燃性和較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(210 ℃)，尤其是耐高低溫蠕變性能在所有熱塑性工程塑料中最好。同時(shí)，它還具有耐酸堿、耐化學(xué)腐蝕、耐水解、成型收縮率低、線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)小、制品尺寸穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，可長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下(160 ℃～190 ℃)使用。但由于這種樹(shù)脂熔體粘度很高、流動(dòng)性較差，往往給加工成型帶來(lái)極大困難，所以工業(yè)上很少用純PPO樹(shù)脂直接擠塑或注塑成型得到制品，而是首先對(duì)其進(jìn)行改性[2-3]，目前工業(yè)應(yīng)用的PPO樹(shù)脂90%以上為改性聚苯醚(MPPO)。

PPO的改性方法主要分為物理和化學(xué)兩類(lèi)方法[2]。其中，化學(xué)方法主要是對(duì)其端基或主鏈通過(guò)定向的有機(jī)功能化處理(如封端化、?；?、磺基化或羧基化等)進(jìn)行改性[4]；物理方法主要包括熔融共混[5]、填充[6]、纖維增強(qiáng)[7]等。熔融共混改性是指在非結(jié)晶性的PPO樹(shù)脂熔體中加入另一種結(jié)晶性的(如聚酰胺PA、聚酰亞胺PI等)或非結(jié)晶性的(如聚苯乙烯PS、聚苯硫醚PPS等)聚合物樹(shù)脂熔體，冷卻后可形成一種均相聚合物合金的相容化摻混改性技術(shù)[5]。由于PPO與PS之間相容性非常好，二者可以任意比混合并形成完全相容狀態(tài)的聚合物合金。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)高抗沖聚苯乙烯(HIPS)摻混改性得到的MPPO聚合物合金(PPO/HIPS)，其樹(shù)脂不僅具有良好的熔體流動(dòng)性能，而且加工成型制品還具有優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率等優(yōu)異的綜合力學(xué)性能[8]。

本研究主要選用國(guó)產(chǎn)PPO樹(shù)脂，經(jīng)HIPS和二氧化鈦(TiO2)微米顆粒進(jìn)行摻混改性后，得到的MPPO合金塑料(PPO/HIPS)通過(guò)共擠出成型得到了一種平板形天線(xiàn)罩并應(yīng)用于某型雷達(dá)天線(xiàn)陣面。材料電性能測(cè)試、天線(xiàn)陣面駐波試驗(yàn)以及某型雷達(dá)圓筒形天線(xiàn)罩5年戶(hù)外實(shí)際使用狀況表明，改性聚苯醚合金塑料天線(xiàn)罩的電訊、機(jī)械和耐候性能均滿(mǎn)足技術(shù)要求，雷達(dá)天線(xiàn)系統(tǒng)性能穩(wěn)定，工作正常。

1 天線(xiàn)罩成型

1.1 平板形天線(xiàn)罩

(1)PPO原樹(shù)脂

采用LXR045產(chǎn)品(簡(jiǎn)稱(chēng)PPO-45)，特性粘度為43～47 g/cm3。

(2)PPO/HIPS樹(shù)脂合金

改性方法是通過(guò)將HIPS樹(shù)脂粉體和TiO2微米顆粒摻混入高溫PPO-45樹(shù)脂熔體(260 ℃)，并進(jìn)行相容性和均相化處理后，冷卻造粒得到。其中，所加入的TiO2微米顆粒的粒徑約為2 000目(約6.5 μm)，主要起到增強(qiáng)樹(shù)脂基體機(jī)械性能的作用，但是會(huì)小幅度提高介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因子[9]。另外，TiO2微米顆粒也是一種較強(qiáng)的紫外線(xiàn)(200～380 nm)吸收劑，可以提高制品長(zhǎng)期戶(hù)外工作的防日曬老化性能。MPPO合金塑料主要物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)外兩種MPPO樹(shù)脂主要物性比較

(3)擠塑和注塑成型(由外協(xié)廠家制造完成)

(4)平板天線(xiàn)罩熱校平

a)熱校平機(jī)理：由于共擠出成型過(guò)程中受樹(shù)脂熔體溫差、擠出速率、冷卻速率、工藝參數(shù)、制品尺寸、加工溫度、擠塑機(jī)性能等因素的影響，制品內(nèi)部大都存在著不同程度大小的兩種內(nèi)應(yīng)力[10-11]，即高分子鏈取向內(nèi)應(yīng)力和體積/溫度內(nèi)應(yīng)力。這些內(nèi)應(yīng)力較大時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致制品變形，如卷曲、扭曲等，甚至?xí)a(chǎn)生嚴(yán)重裂紋或缺陷而影響到制品的質(zhì)量、性能和壽命。另外發(fā)現(xiàn)在共擠出成型平板形天線(xiàn)罩時(shí)，同樣出現(xiàn)了較大程度的卷曲變形，見(jiàn)圖1。

圖1 熱校平前的平板天線(xiàn)罩

對(duì)擠塑成型塑料制品進(jìn)行退火校平，以降低或消除材料的內(nèi)應(yīng)力，是一種使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)加速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的有效措施[10]。一般認(rèn)為，熱塑性塑料件的退火溫度以低于塑料本身熱變形溫度(維卡點(diǎn))5 ℃～10 ℃為宜；退火時(shí)間主要與塑料性質(zhì)與制品壁厚有關(guān)，高聚物分子鏈的剛性愈大，壁厚愈大，退火時(shí)間相對(duì)愈長(zhǎng)。

b)熱校平工藝：將1～2塊卷曲變形的MPPO擠塑制品(尺寸規(guī)格為1 300 mm×1 050 mm × 3 mm ± 0.1 mm)夾壓于兩塊平整度和光潔度較高、內(nèi)表面均覆有一層聚四氟乙烯脫膜布的5A06鋁板(尺寸規(guī)格為1350mm×1 100 mm × 3 mm)之間，水平放置在鼓風(fēng)烘箱中(最高工作溫度為300℃)，以總質(zhì)量約50kg的重物均勻壓平；以6 ℃/min ～ 7 ℃/min的升溫速率，升溫至160 ℃；保溫30 min后，停止加熱，箱內(nèi)開(kāi)始鼓風(fēng)降溫，降溫速率為0.5 ℃/min；待溫度降至60 ℃時(shí)打開(kāi)烘箱，自然降溫至室溫后取出。已經(jīng)退火校平并室外自然放置72 h后的MPPO平板天線(xiàn)罩見(jiàn)圖2，顯然已完全校平，且長(zhǎng)時(shí)間放置后未出現(xiàn)因殘余內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致的回復(fù)卷曲變形現(xiàn)象，表明以上退火處理已在很大程度上降低了塑料基體的內(nèi)應(yīng)力，因而天線(xiàn)罩結(jié)構(gòu)形狀穩(wěn)定。

目前我國(guó)公共圖書(shū)館系統(tǒng)未成年人服務(wù)很大程度上落后于成人服務(wù)，少兒圖書(shū)館事業(yè)發(fā)展很不平衡，農(nóng)村地區(qū)無(wú)此項(xiàng)服務(wù)[33](P18)，而學(xué)校圖書(shū)館面臨著專(zhuān)業(yè)化、規(guī)范化的建設(shè)任務(wù)，其發(fā)展同樣有較嚴(yán)重的區(qū)域、年級(jí)和管理部門(mén)等的差距[34]（P254-285）。沒(méi)有有效、強(qiáng)有力的圖書(shū)館未成年人服務(wù)的理論與實(shí)踐支撐，可以說(shuō)語(yǔ)文教育的概念就會(huì)成為絕大多數(shù)師生的空中樓閣與極少數(shù)人的游樂(lè)園。另外這兩類(lèi)主要的未成年人服務(wù)機(jī)構(gòu)分屬我國(guó)文化和教育系統(tǒng)，容易出現(xiàn)力量分散、資源浪費(fèi)、各行其是等問(wèn)題，兩者間的合作與協(xié)調(diào)也有賴(lài)于行政部門(mén)的積極作為。

圖2 熱校平后的平板天線(xiàn)罩

1.2 圓筒形天線(xiàn)罩

MPPO樹(shù)脂為進(jìn)口PPO/HIPS合金塑料，采用注射模塑成型工藝得到圓筒形共形天線(xiàn)罩。實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，注塑成型制件收縮率低，尺寸穩(wěn)定性好，符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，見(jiàn)圖3。

圖3 某型雷達(dá)天線(xiàn)單元圓筒共形天線(xiàn)罩

同時(shí)，為進(jìn)一步提高此天線(xiàn)罩的戶(hù)外使用壽命、耐候性以及疏雨雪能力，通過(guò)對(duì)其表面進(jìn)行粗化、活化等工藝處理后，涂覆了一層氟碳樹(shù)脂漆(漆膜厚度≤0.5 mm)，電訊試驗(yàn)表明該層漆膜對(duì)天線(xiàn)振子單元的電訊性能影響很小。

2 天線(xiàn)罩電訊性能

2.1 介電常數(shù)和介質(zhì)損耗

本文以國(guó)產(chǎn)MPPO合金塑料平板試件為研究對(duì)象，參照美標(biāo)ASTM D150-11固體電絕緣材料的(恒久電介質(zhì))的交流損耗特性和介電常數(shù)的試驗(yàn)方法，分別測(cè)試了在1 MHz、1 GHz工作頻率下的介電常數(shù)ε和介質(zhì)損耗角正切tanδ，具體測(cè)試條件如下：

1)設(shè)備名稱(chēng)：射頻阻抗材料分析儀；

2)環(huán)境條件：溫度21.5 ℃，濕度49%；

4)測(cè)試前處理：實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下自然放置24 h后再進(jìn)行測(cè)試；

5)測(cè)試頻率：1 MHz和1 GHz；

6)試件數(shù)量：各5件；

7)試件規(guī)格：如圖4所示。

圖4 MPPO合金塑料電性能測(cè)試樣件

兩種不同測(cè)試頻率下的測(cè)試結(jié)果(圖5)表明，該MPPO合金塑料的介電常數(shù)分布均勻，一致性較好，兩種測(cè)試條件下的平均值分別為2.73和2.66；同樣，介質(zhì)損耗角正切值呈單一性分布，分別為0.002和0.001，均符合某型雷達(dá)對(duì)于天線(xiàn)罩材料的電訊設(shè)計(jì)要求。

圖5 兩種測(cè)試頻率下MPPO合金塑料的介電常數(shù)

2.2 駐波性

已經(jīng)熱校平的MPPO平板天線(xiàn)罩再通過(guò)數(shù)控銑、去毛刺等機(jī)加處理后，依據(jù)雷達(dá)天線(xiàn)罩結(jié)構(gòu)和安裝設(shè)計(jì)規(guī)定，裝配到天線(xiàn)陣面上。在工作頻段和掃描角內(nèi)進(jìn)行了陣中單元有源駐波測(cè)試，結(jié)果表明：該雷達(dá)天線(xiàn)陣面的電壓駐波系數(shù)VSWR≤2.3，符合電訊設(shè)計(jì)要求。

3 天線(xiàn)罩耐候性

圖3所示的MPPO圓筒形共形天線(xiàn)罩已在某型雷達(dá)天線(xiàn)陣面中裝配使用。該型雷達(dá)產(chǎn)品在戶(hù)外長(zhǎng)達(dá)5年的實(shí)際工作狀況表明，各天線(xiàn)單元天線(xiàn)罩未出現(xiàn)變形、開(kāi)裂或缺損現(xiàn)象，抗沖擊和蠕變性能良好；同時(shí)，罩體表面涂覆的氟碳涂料表面仍光潔完好，未出現(xiàn)明顯的起皮、皺裂、脫落等老化情況。雷達(dá)天線(xiàn)整體工作穩(wěn)定、正常。

4 結(jié)束語(yǔ)

改性聚苯醚合金塑料具有的低密度、低熔體粘度、易擠塑和注塑、制件尺寸穩(wěn)定、耐候性好以及低介電、低介質(zhì)損耗、價(jià)格低等優(yōu)異特性，能夠較好解決某些大面積平板天線(xiàn)罩或小體積共形天線(xiàn)罩的高效率、低成本、高精度、高一致性等批量化生產(chǎn)技術(shù)難題，這是某些傳統(tǒng)樹(shù)脂基復(fù)合材料(如環(huán)氧、酚醛和不飽和聚酯等)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。不難推斷，隨著PPO樹(shù)脂合成及其改性技術(shù)的發(fā)展，該聚合物樹(shù)脂材料性能將會(huì)進(jìn)一步得到提高和改善，它在雷達(dá)天線(xiàn)罩上的應(yīng)用必將具有更廣闊的前景。

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瞿啟云(1974-)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事功能材料與雷達(dá)工藝技術(shù)研究。

鄧友銀(1965-)，男，碩士，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)制造技術(shù)研究。

Application of Modified Polyphenylene Oxide Alloy in Radar Radome

QU Qi-yun，DENG You-yin，HUANG Zhao，JIANG Hai-dong，ZHANG Yu-mei

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

Two kinds of radomes with different structure used in a radar antenna array are formed by plastic extrusion molding and plastic injection molding with modified polyphenylene oxide (MPPO) alloy. Electrical performance test of MPPO material, standing wave test of antenna array and five-year radar outdoor operation show that main electrical performances (such as dielectric constant (ε), dielectric loss tangent (tanδ), VSWR) as well as weatherability of the radome can well satisfy the technical requirements of the products.

modified polyphenylene oxide; alloy plastic; plastic extrusion molding; plastic injection molding; radome; electrical performance; weather-resistance

2015-01-05

TN820.8+1; TQ326.53

A

1008-5300(2015)02-0048-04