聚苯醚在天線(xiàn)罩上的應(yīng)用技術(shù)研究*

孫建彬，李 正，韋生文，楊柳彬

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

聚苯醚在天線(xiàn)罩上的應(yīng)用技術(shù)研究*

孫建彬，李 正，韋生文，楊柳彬

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

為了降低天線(xiàn)罩制造成本，提高生產(chǎn)效率，文中采用PPO(聚苯醚)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的復(fù)合材料，用注塑和擠壓成型工藝代替手工鋪貼成型工藝。為解決上下天線(xiàn)罩密封問(wèn)題，采用了耐候性、耐老化性、耐久、耐介質(zhì)、使用溫度范圍較廣的彈性密封膠。為了防止天線(xiàn)罩在暴曬環(huán)境下老化，采用了耐老化性能和疏水性能都較好的氟碳漆。通過(guò)采用以上工藝方法，得到了符合環(huán)境要求和電性能要求的天線(xiàn)罩。為大批量生產(chǎn)低成本的天線(xiàn)罩提出了一種新思路。

天線(xiàn)罩；聚苯醚；注塑；擠壓；氟碳漆

引 言

雷達(dá)天線(xiàn)罩主要功能是保護(hù)罩內(nèi)電傳輸系統(tǒng)免受外界損傷和破壞，需具有透波、防熱、承載、抗沖擊、耐候、抗雨蝕等功能。對(duì)于現(xiàn)代地面雷達(dá)天線(xiàn)罩，大多采用性能優(yōu)異、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的新材料——樹(shù)脂復(fù)合材料。復(fù)合材料天線(xiàn)罩成型一般采用手工鋪貼成型或真空袋壓成型，這兩種成型工藝方法主要適合于小批量天線(xiàn)罩生產(chǎn)、裂縫波導(dǎo)陣面和拋物面天線(xiàn)。對(duì)于地面大型相控陣而言，天線(xiàn)陣面具有尺寸大、單元數(shù)量多、單元形狀小等特點(diǎn)。如果采用大型整體罩，不僅成本高，而且機(jī)動(dòng)性差。如果采用小天線(xiàn)罩對(duì)每個(gè)天線(xiàn)單元進(jìn)行保護(hù)，則研制成本高，生產(chǎn)周期長(zhǎng)。

本文根據(jù)某地面相控陣?yán)走_(dá)具體情況，在大量調(diào)研基礎(chǔ)上，嘗試了用工程塑料PPO(polyphenylene oxide，聚苯醚)通過(guò)注塑+擠壓的工藝方法成型天線(xiàn)罩。經(jīng)電訊和環(huán)境試驗(yàn)，滿(mǎn)足天線(xiàn)單元電性能指標(biāo)和環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)。此種天線(xiàn)罩工藝成型方案不僅縮短了周期，而且大大節(jié)約了成本，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，為此類(lèi)天線(xiàn)罩的生產(chǎn)提供了一條便捷的成型路徑。

1 天線(xiàn)罩成型工藝方法

1.1 天線(xiàn)罩概述

圖1為某雷達(dá)天線(xiàn)罩三維圖，天線(xiàn)罩尺寸為42 mm ×42 mm × 941 mm，壁厚2 mm，頂部有2 個(gè)110 mm × 35 mm方孔，一套地面雷達(dá)系統(tǒng)，共需要188 個(gè)此種天

線(xiàn)罩。該雷達(dá)工作在具有高溫、高濕、高鹽霧等特點(diǎn)的海邊，生存壽命設(shè)計(jì)為10 年。下面從材料選擇和成型工藝方案兩個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)闡述。

圖1 某雷達(dá)天線(xiàn)罩

1.2 材料選擇

天線(xiàn)罩的性能與所選材料的性能關(guān)系密切，天線(xiàn)罩材料應(yīng)具備以下特性：

1)介電常數(shù)(<10)和介電損耗(<0.01)??；低的介電常數(shù)會(huì)降低反射，使反射對(duì)輻射模式和插入損耗的影響降低到最小。此外低介電常數(shù)的材料能給天線(xiàn)罩帶來(lái)寬頻帶響應(yīng)，允許放寬壁厚公差，降低制造成本。

2)良好的耐熱沖擊性、耐熱性和抗鹽霧性;雷達(dá)布防于南部沿海，生存環(huán)境高溫、高濕、高鹽霧。

3)耐老化；雷達(dá)使用壽命10 年，天線(xiàn)罩材料要具有抗老化性能。

4)良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性；天線(xiàn)罩成型后需要后續(xù)機(jī)械加工，所以材料要具有良好的加工性能。由于天線(xiàn)罩?jǐn)?shù)量多，所以要考慮材料的經(jīng)濟(jì)性。

為了滿(mǎn)足以上性能，傳統(tǒng)天線(xiàn)罩材料一般選用樹(shù)脂(基體)+纖維(增強(qiáng)體)形成的復(fù)合材料，再通過(guò)手工鋪貼成型或真空袋壓成型。樹(shù)脂纖維形成的復(fù)合材料成本很高；預(yù)浸料鋪貼成型或真空袋壓成型不僅對(duì)操作人員的技術(shù)要求高，設(shè)備投資量大，而且生產(chǎn)效率低下?，F(xiàn)在大型相控陣?yán)走_(dá)天線(xiàn)罩特點(diǎn)是：數(shù)量多、周期短、成本低，所以傳統(tǒng)天線(xiàn)罩材料和成型工藝已不適合此類(lèi)雷達(dá)的特點(diǎn)，必須尋找新的材料和工藝成型方法。

經(jīng)過(guò)慎重選擇，工程塑料里面的PPO(聚苯醚)和PPS(聚苯硫醚)是較為理想的材料，表1對(duì)比了3 種材料的性能[4]。

表1 材料性能對(duì)比

從以上3 種材料性能參數(shù)對(duì)比情況看，玻纖預(yù)浸料的力學(xué)性能最好，PPS塑料次之，PPO塑料較差。該天線(xiàn)罩是直接貼敷在天線(xiàn)外導(dǎo)體表面，天線(xiàn)罩有天線(xiàn)的直接支撐，所以對(duì)天線(xiàn)罩的力學(xué)性能要求并不高。電性能參數(shù)，PPO和PPS較玻纖預(yù)浸料要好，充分說(shuō)明工程塑料是可以替代傳統(tǒng)復(fù)合材料的。由于PPS比PPO貴很多，根據(jù)項(xiàng)目具體情況，在滿(mǎn)足力學(xué)和電性能的情況下，優(yōu)先選用PPO。下面詳細(xì)闡述PPO的性能：

1)有較好的電氣性能，在很寬的頻率和溫度范圍內(nèi)，介質(zhì)損耗角正切非常小，在0.007以下，最低可達(dá)0.000 9。介電常數(shù)在2.7以下，體積電阻率可達(dá)1014Ω·cm，擊穿電壓在22 kV/cm以上，是極理想的高頻絕緣材料。

2)具有均衡的力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度都超過(guò)尼龍和聚甲醛，耐蠕變、應(yīng)力松弛和耐疲勞性能在工程塑料中屬優(yōu)級(jí)。

3)耐熱性能好，熱變形溫度90 ℃～150 ℃，無(wú)載荷情況下間斷工作溫度最高可達(dá)204 ℃，性能受溫度的影響小，各種物理性能穩(wěn)定，使用溫度范圍寬。

4)耐水和耐熱凝汽性能在工程塑料中最優(yōu)，吸水率只有0.07%。具有卓越的耐濕熱性能，在132 ℃蒸汽熱壓器中經(jīng)200 次循環(huán)處理后，抗拉和抗沖強(qiáng)度沒(méi)有明顯下降。

5)具有良好的成型加工性能。PPO本身流動(dòng)性能很差，故很難注塑成型。但用苯乙烯系聚合物改性后，其流動(dòng)性大大改善，改善程度隨苯乙烯系聚合物品種、用量而異。因此，可利用這個(gè)性能制得不同的改性品種。

6)它屬非結(jié)晶性聚合物，不存在因結(jié)晶造成的大收縮現(xiàn)象。由于收縮率小，可制成高精度的制品。

基于PPO優(yōu)異的物理性能、機(jī)械性能、電性能、耐熱性能和抗老化性能，完全可以用PPO材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的復(fù)合材料。

1.3 成型工藝方案

PPO具有良好的流動(dòng)性，所以可以用注塑方法成型天線(xiàn)罩。天線(xiàn)罩長(zhǎng)達(dá)941 mm，給拔模帶來(lái)極大困難，所以工藝上采用化整為零的方法，即把天線(xiàn)罩分成上下兩部分，如圖2所示。

圖2 上下天線(xiàn)罩

上天線(xiàn)罩采用注塑方法，為了減小拔模難度，長(zhǎng)度設(shè)定為270 mm；為了降低成本，下天線(xiàn)罩采用擠壓成型工藝，成型后通過(guò)機(jī)械加工得到671 mm，采用注塑+擠壓成型工藝既可以滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求，又可以縮短研制周期。

2 密封防護(hù)

由于天線(xiàn)罩采用上下罩結(jié)合的方式，所以在結(jié)合處需用密封膠密封，如果密封不嚴(yán)密讓水氣進(jìn)去，則會(huì)引起天線(xiàn)電性能的失效。

為了防止天線(xiàn)罩在暴曬環(huán)境下老化，需要在罩外面涂覆油漆以滿(mǎn)足天線(xiàn)單元在壽命期間的正常使用。

天線(xiàn)罩的密封和防護(hù)一直是雷達(dá)工藝中很重要的組成部分，下面從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封和涂覆3 個(gè)方面闡述此天線(xiàn)罩的防護(hù)。

2.1 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為提高上下天線(xiàn)罩連接、密封的可行性和可靠性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該考慮密封防護(hù)性能。在和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師充分溝通的基礎(chǔ)上，上下天線(xiàn)罩設(shè)計(jì)為哈弗連接方式。這種連接方式既可以實(shí)現(xiàn)上天線(xiàn)罩對(duì)下天線(xiàn)罩的定位，也可以實(shí)現(xiàn)可靠性連接。具體實(shí)現(xiàn)方式如圖3、圖4所示。

圖3 上天線(xiàn)罩

圖3是上天線(xiàn)罩三維設(shè)計(jì)模型。上天線(xiàn)罩接口處設(shè)計(jì)為凸臺(tái)形式，定位臺(tái)階寬度為1.5 mm，其目的是為了確定下天線(xiàn)罩長(zhǎng)度方向的具體位置。接觸面深度為20 mm，上下天線(xiàn)罩之間的安裝空隙設(shè)計(jì)為0.5 mm，在裝配時(shí)，密封膠將填滿(mǎn)上下天線(xiàn)罩之間的空隙。

圖4 上下天線(xiàn)罩連接處

密封膠均勻涂在下天線(xiàn)罩安裝處的四壁，并自下而上安裝，使密封膠均勻留在上下天線(xiàn)罩之間的空隙內(nèi)。為防止天線(xiàn)罩在外力作用下脫膠松動(dòng)，在上下天線(xiàn)罩連接處用浸過(guò)555膠的無(wú)堿玻璃布纏繞。

2.2 密封膠選擇

為防止水從上下天線(xiàn)罩連接處進(jìn)入到外導(dǎo)體內(nèi)部，需要在連接處用密封膠密封。根據(jù)地面雷達(dá)要求的環(huán)境技術(shù)指標(biāo)，密封膠必須具有耐候性、耐老化性、高粘性并且具有承受一定變形位移的能力。

戶(hù)外電子設(shè)備常使用的彈性密封膠主要有硅酮型、聚氨酯型和聚硫橡膠等, 其性能對(duì)比和戶(hù)外暴曬試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、表3 和表4[5]。

表2 幾種密封膠的常規(guī)性能對(duì)比

表3 幾種密封膠力學(xué)性能對(duì)比

表4 幾種密封膠7年戶(hù)外暴曬試驗(yàn)結(jié)果

從3個(gè)表格對(duì)比可看出，硅酮型密封膠在耐候性和使用壽命周期上都好于聚氨酯型和聚硫橡膠，但是硅酮型密封膠對(duì)接縫處有污染，在要求綠色環(huán)保的今天，已不太適合使用到產(chǎn)品上。聚硫橡膠有較好的耐候性和力學(xué)性能，但是使用壽命較短，從表4可以看出，7年后的聚硫橡膠就會(huì)有深裂紋出現(xiàn)，雨水會(huì)順著裂紋滲透到外導(dǎo)體內(nèi)部，形成積水，從而影響天線(xiàn)單元的駐波。聚氨酯型密封膠的耐候性和力學(xué)性能較好，使用壽命一般為15年，滿(mǎn)足產(chǎn)品環(huán)境技術(shù)指標(biāo)。

由于注塑表面較光滑，如果直接涂密封膠，會(huì)降低密封膠與天線(xiàn)罩表面的粘接強(qiáng)度，工藝上采取了在密封處噴砂工藝，來(lái)降低天線(xiàn)罩表面的粗糙度。經(jīng)試驗(yàn)，可以明顯提高粘接力。另外，密封膠的配套底處理劑有優(yōu)異的防膠接面腐蝕功能, 同時(shí)能使聚氨酯密封膠與基材的粘接強(qiáng)度大幅度提高, 密封膠使用底處理劑與否的剪切強(qiáng)度比較值見(jiàn)表5[5]。

表5 剪切強(qiáng)度對(duì)比

為了進(jìn)一步提高密封膠與接觸面的粘接強(qiáng)度，天線(xiàn)罩接觸面采用了底處理劑。

2.3 表面涂覆

天線(xiàn)罩是直接和嚴(yán)酷環(huán)境接觸的介質(zhì)，經(jīng)常會(huì)受到雨水、鹽霧和紫外線(xiàn)的侵蝕。為進(jìn)一步提高天線(xiàn)罩的耐候性， 我們選用了常溫固化氟涂料作為天線(xiàn)罩的防護(hù)涂層。氟碳漆具有以下特征：

1)耐候性好。漆膜無(wú)起泡、生銹、開(kāi)裂、脫落現(xiàn)象。

2)耐化學(xué)品及酸堿能力強(qiáng)。涂層交聯(lián)密度高, 孔隙率低, 抗?jié)B性好。

3)耐污性好。涂層表面細(xì)膩光滑, 摩擦系數(shù)小, 容易清洗。

4)涂層具有阻燃性、耐溫性。能抵抗嚴(yán)寒酷暑和干濕交替的復(fù)雜環(huán)境。

5)優(yōu)良的機(jī)械性能。漆膜附著力強(qiáng)、抗沖擊、耐摩擦。

該涂料耐老化性能優(yōu)異,特別是在強(qiáng)紫外線(xiàn)作用下, 其樹(shù)脂也不易分解, 防護(hù)壽命可達(dá)15年～20年; 該涂料的施工性能優(yōu)異, 可常溫干燥; 氟涂料還具有高的疏水性, 雨水很難在天線(xiàn)罩表面沉積, 既防止了水對(duì)高分子材料的侵蝕, 又能降低天線(xiàn)的雨水噪聲溫度。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了驗(yàn)證PPO天線(xiàn)罩和密封膠的耐候性，按國(guó)軍標(biāo)做了如下試驗(yàn)：高溫試驗(yàn)(GJB 150.3A—2009)；低溫試驗(yàn)(GJB 150.4A—2009)；淋雨試驗(yàn)(GJB 150.8A—2009)；濕熱試驗(yàn)(GJB 150.9A—2009)；鹽霧試驗(yàn)(GJB 150.11A—2009)。最后測(cè)試了天線(xiàn)單元的電性能，滿(mǎn)足所設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。最后結(jié)論：采用PPO天線(xiàn)罩滿(mǎn)足產(chǎn)品需求。

為了降低成本，采用PPO材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的復(fù)合材料；為了提高生產(chǎn)效率，采用注塑和擠壓成型工藝；為了增強(qiáng)密封膠與接觸面之間的粘結(jié)力，采用在連接處噴砂和涂底處理劑。采取以上工藝方法，得到了符合環(huán)境要求和電性能要求的天線(xiàn)罩。為大批量生產(chǎn)低成本的天線(xiàn)罩指出了一條新道路。

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孫建彬(1984-)，男，碩士，主要從事雷達(dá)總體工藝設(shè)計(jì)工作。

Research on Application of Polyphenylene Oxide on Antenna Cover

SUN Jian-bin，LI Zheng，WEI Sheng-wen，YANG Liu-bin

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

In order to decrease the manufacturing cost of antenna cover and improve the producing efficiency, this essay adopts PPO (polyphenylene oxide)instead of the traditional composed material, using injection moulding and extrusion instead of traditional handicraft techniques. To solve the long-lasting problem of upper-lower antenna, plastic sealing paste with weather ability high durability, anti-aging and wide temperature range is used. To avoid the aging process due to the exposure under blazing heat, fluorocarbon paint is used which perfectly slows the inevitable aging process. By using the crafts above, antenna cover with environment-friendly stability and rational electricity can be acquired. This methodology presents a brand new and feasible way for mass production.

antenna cover; polyphenylene oxide(PPO); injection moulding; extrusion; fluorocarbon paint

2016-07-20

TN82

A

1008-5300(2016)05-0053-04