新型芳綸纖維復合材料用于制造毫米波天線罩的研究

管志宏

(中國電子科技集團第十研究所，四川 成都610036)

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新型芳綸纖維復合材料用于制造毫米波天線罩的研究

管志宏

(中國電子科技集團第十研究所，四川 成都610036)

為彌補現(xiàn)有毫米波天線罩戰(zhàn)場防護性差的缺點，根據(jù)毫米波天線罩的特點，在適用于制造毫米波天線罩的通用材料(E玻璃纖維、石英玻璃纖維復合材料)及新型材料(芳綸纖維復合材料)之間進行理論及試驗比較，得出適合于制造具有防彈能力的毫米波天線罩的材料，并對使用該材料的天線罩在防護性、電性能和生產(chǎn)性等方面的性能提升做出評估。

毫米波；天線罩；防彈；芳綸III

由于現(xiàn)代戰(zhàn)爭武器系統(tǒng)的發(fā)展，裸露在外的天線已經(jīng)受到各類武器的嚴重威脅。尤其是戰(zhàn)場上的各類爆炸破片和爆炸沖擊波，都極易破壞天線，影響到天線的使用。目前，國內(nèi)現(xiàn)有的天線罩只能起到保護天線免受風、雨、雪等自然環(huán)境影響的作用，并不具備防御能力[1]，這使得裝備該類天線罩的設備在戰(zhàn)場上的生存能力差，導致維護保養(yǎng)任務繁重；因此，研制具有防彈抗爆能力的天線罩,為設備筑起最后一道防線,具有非常重要的軍事意義。

本文在結合有關抗侵徹貫穿彈道試驗及電性能對比試驗數(shù)據(jù)的基礎上,通過調研和收集有關資料,在防護性、電性能和生產(chǎn)性等3個方面，對以現(xiàn)有常用的E玻璃纖維、石英玻璃纖維以及新型材料芳綸纖維為增強纖維制作的復合材料進行分析對比，對芳綸纖維復合材料在天線罩的應用進行研究和探討。

1 毫米波天線罩制造材料發(fā)展概況

現(xiàn)代雷達技術已由早期探測、火控、氣象和導航功能，進一步發(fā)展出電子偵察、敵我識別、電子干擾和精確制導等功能。天線罩工作頻率也由單頻發(fā)展為寬頻，直至多波段全頻帶。

毫米波一般是指電磁波譜中頻率為30～300 GHz這一部分，對應波長為1～10 mm。毫米波天線罩與傳統(tǒng)的分米波、厘米波天線罩相比，在結構、材料、性能及工藝技術等各方面都提出了更高的要求。尤其在透波性和強度等方面，隨著毫米波技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的(如陶瓷、微晶玻璃等)天線罩材料，由于其固有的一些弱點，已滿足不了毫米波天線罩在高透波特性和強度等方面的要求[2]。

迄今為止，天線罩材料已有50年的歷史，其發(fā)展歷程為：纖維增強塑料→氧化鋁陶瓷→微晶體玻璃→石英陶瓷→先進復合材料。最早開發(fā)研究的天線罩材料為陶瓷材料，這種材料具有耐高溫，介電性能好及強度高的優(yōu)點；但其質脆，耐熱沖擊性能差，并且成型工藝復雜[3]。

目前，國內(nèi)透波復合材料使用的增強纖維仍以E玻璃纖維和S玻璃纖維為主。這2種玻璃纖維是優(yōu)良的絕緣材料，高低頻下都具有良好的介電性，微波透過性良好，同時具有優(yōu)良的耐腐蝕性和熱性能[4]；但其抗沖擊能力較差的特征，造成天線罩在戰(zhàn)場環(huán)境中極易被破壞，無法有效保護天線系統(tǒng)，系統(tǒng)生存能力低。

芳綸纖維為增強纖維的復合材料，其具有優(yōu)異的力學性能、電絕緣性能、透波性能及優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性，特別是具有低的線脹系數(shù)(纖維軸向略呈負值)，使其在雷達天線領域中有著較好的應用前景。

2 芳綸材料防護性研究

為方便橫向比較各類材料的優(yōu)劣，采取試驗與理論數(shù)據(jù)相結合的方式。在收集各類纖維理論性能數(shù)據(jù)的基礎上，采用厚度相當?shù)母黝惱w維復合材料層壓板進行抗侵徹貫穿試驗，進一步確認和研究各纖維的特點。

2.1 理論數(shù)據(jù)

E玻璃纖維為常用的玻璃纖維，其強度高，延伸率大，成本較低，彈性模量較低。以往天線罩最通用的增強纖維以E玻璃纖維為主[5]。芳綸纖維具有高強度、高模量、耐高溫和耐化學腐蝕等優(yōu)異性能。芳綸Ⅲ纖維是國內(nèi)近年來研制成功的一種三元共聚芳綸纖維，為國內(nèi)近年來開發(fā)出來的性能最為優(yōu)異的芳綸纖維，其力學性能優(yōu)于芳綸纖維中最具代表性的Kevlar49，本文選用芳綸Ⅲ纖維作為對比樣品進行試驗。石英玻璃纖維為低介電常數(shù)玻璃纖維，其強度和模量較低，而且生產(chǎn)工藝性較差，生產(chǎn)成本高[6]，因此應用較少；但鑒于其具有優(yōu)異的電性能參數(shù)，仍將其作為對比樣品進行試驗。

各類纖維性能對照表見表1。由表1可知，3種纖維中芳綸Ⅲ的力學性能最好，同時密度最低。

表1 各類纖維的主要性能

2.2 抗侵徹貫穿試驗設計

該試驗是通過檢測彈體入射速度、貫穿試驗件后彈體殘留速度，來測算彈體貫穿試驗件所需損耗的能量，以及試驗件對能量的吸收值?？骨謴刎灤┰囼炇疽鈭D如圖1所示。

圖1 抗侵徹貫穿試驗示意圖

在試驗過程中，需在被測靶板前布置一套測速靶，測得侵徹靶板試樣之前的彈體速度V1，在被測靶板后面布置另一套測速靶，測得彈體穿過靶板后的殘余速度V2；然后再通過公式計算V50值，并通過試驗公式對結果進行相應修正。試驗在每種纖維復合材料靶板上至少彈擊3次，槍彈的入射速度及殘余速度取平均值。

貫穿吸能公式為：

式中，E是靶板對彈體的吸能；m是彈體質量。

V50值計算公式為：

試驗采用56式7.62 mm彈道槍及51B式(鋼芯)7.62 mm手槍彈，預先將各纖維做成300 mm×300 mm規(guī)格，厚度相當?shù)陌邪暹M行試驗。

2.3 抗侵徹貫穿試驗結果及分析

抗侵徹貫穿試驗結果顯示：1)石英玻璃纖維和E玻璃纖維復合材料板被貫穿后的噴射飛濺物明顯多于芳綸纖維復合材料板；2)相對于石英和E玻璃纖維復合材料板，芳綸復合材料板的貫穿V50值有明顯提高。具體試驗數(shù)值見表2。

表2 各類纖維復合材料板抗侵徹貫穿試驗數(shù)據(jù)

由表2可以看出，在各纖維品種中，芳綸纖維復合材料板的防護能力最強，大大優(yōu)于E玻璃纖維板，石英復合材料板次之，E玻璃纖維最差。芳綸纖維復合材料板貫穿V50數(shù)值是石英板的1.6倍，是E玻璃纖維板的1.8倍。

試驗中，石英玻璃纖維和E玻璃纖維復合材料板被貫穿后的噴射飛濺物明顯多于芳綸纖維復合材料板，說明芳綸纖維抗沖擊能力更強、比剛度和比強度更高，在受到高速彈丸沖擊時不易發(fā)生碎裂現(xiàn)象。

可以預見，毫米波天線罩使用芳綸纖維復合材料后，其防護性必將大大增強。天線罩厚度越厚，其防護能力越強。但作為天線罩，其電性能(如透波率)要作為首要考慮滿足的設計要素，隨著天線罩厚度的增加，其電性能必將逐漸下降，直至不能滿足使用要求。如何既完美滿足實戰(zhàn)的防護要求，又滿足天線罩的電性能要求，是天線罩設計的難點之一，在天線罩設計中，應依據(jù)試驗數(shù)據(jù)及實戰(zhàn)情況綜合考慮。

3 芳綸材料電性能研究

在電性能方面，同樣采取試驗與理論數(shù)據(jù)相結合的方式，對比各類纖維的優(yōu)劣。

3.1 理論數(shù)據(jù)

天線罩材料應滿足介電性能、力學性能、三防壽命、工藝性能和質量等要求。材料的介電性能指標主要有介電常數(shù)和損耗角正切，其直接影響天線罩的電性能，是選擇材料的主要依據(jù)。其中，損耗角正切越大，電磁波能量在穿透天線罩過程中轉化為熱量而損耗的能量就越多；介電常數(shù)越大，電磁波在空氣與天線罩壁分界面上的反射就越大，這將增加鏡象波瓣電平并降低傳輸效率。因此要求天線罩材料的損耗角正切低至接近于0，介電常數(shù)盡可能低，以達到最大傳輸和最小反射的目的。低介電常數(shù)的材料還能給天線罩帶來寬頻帶響應。

芳綸纖維與各類纖維復合材料在測試頻率為9.375 GHz時的電性能數(shù)據(jù)見表3。由表3可以看出，芳綸纖維復合材料電性能明顯優(yōu)于E玻璃纖維復合材料。與石英玻璃纖維復合材料相比，芳綸纖維復合材料的介電常數(shù)低，損耗角正切值高。

表3 各類纖維復合材料電性能

在設計均質單層結構天線罩時，無損耗介質的最佳厚度公式為:

式中，d是天線罩透波面的最佳理論厚度；λ是自由空間波長；ε是相對介電常數(shù)；θ是入射角；n是正整數(shù)，(n=1,2,3……)階數(shù)。由上式可知，n值越小，則天線罩壁厚越薄。對于半波長天線罩，由于芳綸纖維復合材料力學性能遠優(yōu)于E玻璃纖維及石英玻璃纖維復合材料，采用芳綸纖維復合材料可以通過較薄的壁厚來滿足結構剛度要求，其電氣性能將大為改善，透波率等指標也將優(yōu)于相似結構的E玻璃纖維和石英玻璃纖維復合材料天線罩。

3.2 電性能試驗設計

電性能試驗示意圖如圖2所示。通過測試在指定毫米波頻率下各個試驗板的插入損耗值，確定各纖維復合材料板的透波性能。

圖2 電性能試驗示意圖

3.3 電性能試驗數(shù)據(jù)及分析

電性能試驗數(shù)據(jù)見表4。排除電性能試驗的測試誤差及加工精度方面的誤差，由表4可以看出，各纖維品種中，芳綸纖維復合材料板的電性能指標與石英玻璃纖維相當，插入損耗值小，透波能力強；E玻璃纖維復合材料電性能指標最差。

表4 各類纖維電性能試驗數(shù)據(jù) (dB)

4 芳綸材料生產(chǎn)性研究

毫米波的特點決定了毫米波天線罩的制造與普通天線罩不同，具有特點如下：1)天線罩結構壁薄，其材料結構強度和剛性要求高；2)罩體均勻性好，加工要求嚴格；3)天線罩熱、電和結構強度等綜合性能要求苛刻，材料選擇、制作和罩體成型加工困難；4)天線罩壁厚容差小，罩體加工精度高；5)制造成本高。

針對上述特點，芳綸纖維的特點主要表現(xiàn)在以下方面：1)芳綸纖維介電常數(shù)低，能給天線罩帶來寬頻帶響應，使得天線罩可以放寬罩壁厚度公差，從而降低制造成本；2)芳綸纖維力學性能指標更好，相同的壁厚，結構強度和剛度更好，透波能力更強；3)芳綸與樹脂親和性差，更易吸潮，長期使用影響電性能。

由于芳綸Ⅲ纖維為剛剛實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的新型高性能纖維，目前制造加工成本高，價格較高，在大批量生產(chǎn)時應考慮成本增加問題。

5 結語

綜上所述，由于芳綸纖維復合材料具有多項優(yōu)點，用芳綸纖維復合材料制作的天線罩防護性能有了質的飛躍，同時適合大規(guī)模生產(chǎn)。

芳綸Ⅲ纖維為近年剛剛研制成功并產(chǎn)業(yè)化的新型高性能纖維，由于研發(fā)成熟時間短且價格較高，以及復合材料本身也有一定的缺點，在工程實踐中存在著比較突出的技術問題，如親和性差、易吸潮、長期使用影響電性能、壓縮強度差、抗扭剪較弱以及層間剪切強度較低等，導致目前國內(nèi)未普遍用于天線罩制造。隨著與芳綸復合的高介電性能樹脂體系研究進步，以及與其他纖維混雜應用加快，芳綸纖維復合材料將具有更加廣闊的應用前景。

[1] 金子明,沈峰,曲志敏,等.纖維增強復合材料抗彈性能研究[J].纖維復合材料, 1999(3): 5-8.

[2] 楊鮮鋒.高頻段毫米波天線罩的研制[J]. 纖維復合材料，2009(37)：7-10.

[3] 靳武剛.芳綸纖維復合材料在天線工程中的應用[J]. 工程塑料應用. 2002(30):39-41.

[4] 沃西源，涂彬，夏英偉. 芳綸纖維及其復合材料性能與應用研究[J]. 航天返回與遙感， 2005(26):50-55.

[5] 宋志祥，彭長征，佘萬能. 芳綸纖維及其在電子行業(yè)中的應用[J]. 合成技術及應用，2009(24): 35-38.

[6] 張京，顏萬生，方芳，等. 新型芳綸纖維復合材料雷達天線罩復合工藝研究[J]. 現(xiàn)代雷達，1998(2):100-103.

[7] 侯曉，張煒，王風德，等. 芳綸Ⅲ纖維及其復合材料制品研究進展[J]. 中國材料進展， 2010(29):59-62.

責任編輯 馬彤

Research of Aramid Fiber Composite on Manufacturing Millimeter-Wave Antenna Radome

GUAN Zhihong

(Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China)

For making up the deficiency of the ballistic resistance capability, with on the property of millimeter-wave antenna radome, compare the current material (E glass fiber, quartz glass fiber) and new material (aramid fiber) which are used in manufacturing millimeter-wave antenna radome. We conclude that aramid fiber is very suitable for manufacturing millimeter-wave antenna radome which has the capability of ballistic resistance. Then evaluate the electronic capability, the ballistic resistance capability and the manufacture efficiency.

millimeter-wave，antenna radome，ballistic resistance，aramid fiber III

TN 820.81

A

管志宏(1975-)，男，工程師，碩士，主要從事雷達偵察識別領域電子設備及系統(tǒng)結構設計等方面的研究。

2016-09-02