天線罩材料的研究進(jìn)展

裴曉園， 陳 利， 李嘉祿， 丁 剛， 吳 寧

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 復(fù)合材料研究所， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387； 3. 天津工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300387； 4. 天津工業(yè)大學(xué) 省部共建分離膜與膜過程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387； 5. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387； 6. 天津廣播電視大學(xué) 教學(xué)資源管理與建設(shè)處， 天津 300191)

天線罩材料的研究進(jìn)展

裴曉園1,2,3,4， 陳 利1,2， 李嘉祿1,2， 丁 剛5，6， 吳 寧1,2

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 復(fù)合材料研究所， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387； 3. 天津工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300387； 4. 天津工業(yè)大學(xué) 省部共建分離膜與膜過程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387； 5. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387； 6. 天津廣播電視大學(xué) 教學(xué)資源管理與建設(shè)處， 天津 300191)

天線罩要在復(fù)雜的外部環(huán)境下保證飛行器中天線和雷達(dá)的正常工作,不僅要滿足氣動(dòng)外形和透波性能的要求,還要承受氣動(dòng)載荷的作用。為此，綜述了國(guó)內(nèi)外天線罩的發(fā)展，對(duì)天線罩在設(shè)計(jì)與制備中的部分問題進(jìn)行了評(píng)述與分析。介紹了天線罩的設(shè)計(jì)和材料選擇原則，分析了當(dāng)今常用材料體系的優(yōu)劣并對(duì)天線罩材料體系的研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納。重點(diǎn)介紹了樹脂基纖維增強(qiáng)天線罩和高溫陶瓷導(dǎo)彈天線罩的主要材料體系，并對(duì)各種體系天線罩材料的特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了評(píng)述。研究表明開展低成本高性能的復(fù)合材料,尤其是三維空間纖維增強(qiáng)復(fù)合材料天線罩的研究是天線罩材料今后的發(fā)展方向。

天線罩； 介電性能； 復(fù)合材料； 性能評(píng)估

天線罩是保護(hù)罩內(nèi)天線在惡劣環(huán)境條件下能夠正常工作的一種設(shè)施[1-2]。導(dǎo)彈天線罩的外形必須滿足空氣動(dòng)力學(xué)要求[3]，具有足夠的強(qiáng)度、剛度、耐熱性和抵抗各種外界環(huán)境影響的性能；同時(shí)還需要滿足導(dǎo)彈控制回路所提出的苛刻的電氣性能的要求[4]。作為導(dǎo)彈的關(guān)鍵技術(shù)之一，天線罩技術(shù)具有直接的軍事應(yīng)用背景，對(duì)導(dǎo)彈天線罩材料的研究與改進(jìn)顯得愈加重要和迫切[5]，因此，開展對(duì)天線罩關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，對(duì)發(fā)展先進(jìn)武器和促進(jìn)國(guó)防現(xiàn)代化具有重要意義[6-7]。由于天線罩在軍事上的重要性，各國(guó)對(duì)技術(shù)研究封鎖，無法得到近期國(guó)外天線罩研究進(jìn)展[8]。本文就天線罩的設(shè)計(jì)原理和方法、成型工藝、材料體系的選擇以及天線罩結(jié)構(gòu)各自的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了研究和總結(jié)，為天線罩增強(qiáng)織物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

1 天線罩的設(shè)計(jì)和材料選擇原則

天線罩的設(shè)計(jì)主要包括：材料的選擇、結(jié)構(gòu)型式的選取、壁厚的確定以及細(xì)節(jié)部位的設(shè)計(jì)[9]。天線罩的工作頻帶、電性能指標(biāo)和質(zhì)量限制了天線罩的結(jié)構(gòu)形式，常用的結(jié)構(gòu)形式有以下幾種。

1)夾層結(jié)構(gòu)：天線罩常用的夾層結(jié)構(gòu)形式[10-11]如圖1所示。在夾層結(jié)構(gòu)中常用的蒙皮結(jié)構(gòu)為透波性復(fù)合材料層合板，如玻璃纖維/樹脂基復(fù)合材料；夾芯層常為蜂窩或泡沫。A型夾層壁，芯層的最佳高度近似為1/4波長(zhǎng)，適合于中低入射角工作。B型夾層壁，構(gòu)成形式與A夾層類同，但是內(nèi)、外蒙皮材料的介電常數(shù)比芯材的小，結(jié)構(gòu)可靠性差，通常不在飛機(jī)雷達(dá)天線罩上使用。C型夾層壁，可看作是由2個(gè)A夾層背靠背組合而成。這類結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度較大，頻帶寬，可工作于高入射角。多層夾層壁是指7層以上的夾層結(jié)構(gòu)。多層夾層頻帶更寬，可在多波段工作。

2)半波壁結(jié)構(gòu)：雷達(dá)天線罩的壁厚為介質(zhì)內(nèi)波長(zhǎng)一半的實(shí)心壁結(jié)構(gòu)，適用于窄頻帶、高入射角。大多采用玻璃纖維機(jī)織物，利用樹脂傳遞模塑(RTM)成型,也有許多采用纖維纏繞鋪放工藝成型。

3)準(zhǔn)半波壁結(jié)構(gòu)：由2層蒙皮和1層介質(zhì)夾芯層組成。這種結(jié)構(gòu)的壁厚和性能基本上與半波壁相同，但質(zhì)量可降低30%以上?？捎民押蚶p繞成型工藝制造。

根據(jù)天線罩的使用環(huán)境及功能，天線罩材料須滿足以下幾個(gè)要求。

1)優(yōu)良的介電性能。介電性能一般指材料的介電常數(shù)ε和損耗角正切tanδ。介電常數(shù)越大，傳輸效率越低[12-13]。電磁波在介質(zhì)材料中的傳輸損失值α與該材料的介電常數(shù)、介電損耗和工作頻率之間的關(guān)系可用下式來表示。

α∝ε1/2ftanδ

式中：f為傳播的工作頻率。由上式可知傳輸損耗α與介電常數(shù)ε、介電損耗tanδ之間為正比關(guān)系。材料的ε和tanδ越小，材料對(duì)傳播的工作電磁波吸收越少，傳播過程中透過介質(zhì)材料的電磁波強(qiáng)度就越高[14]。對(duì)于天線罩來說,為保證最大的電磁波透過率和滿足一定的頻帶要求，一般采用半波壁厚設(shè)計(jì)[15],其物理壁厚d可用下式近似表示:

式中：λ0為雷達(dá)導(dǎo)引頭工作波長(zhǎng)；ε0為天線罩材料的相對(duì)介電常數(shù)。

2)良好的耐熱性和耐熱沖擊性。高速飛行時(shí)引起的溫度升高,大體與速度的平方成正比[16]，此時(shí)在天線罩的內(nèi)部存在很大的熱應(yīng)力，因此，天線罩材料必須具有很低的膨脹系數(shù)以及優(yōu)良的耐熱沖擊能力。

3)較高的結(jié)構(gòu)性能。天線罩材料的強(qiáng)度要高，而且要具有一定的剛性，使天線罩受力時(shí)不易變形[17]。

4)溫度敏感性低。一般材料在高溫工作時(shí)，其介電特性和強(qiáng)度性能會(huì)發(fā)生明顯的變化，因此，天線罩材料的各項(xiàng)性能，尤其是介電性能和強(qiáng)度，受溫度變化的影響越小越好[18]。

2 天線罩材料體系及研究進(jìn)展

天線罩使用場(chǎng)合不同，材料的選擇也不盡相同[19]。通常航空用天線罩，多選樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。導(dǎo)彈等航天用天線罩對(duì)材料有耐高溫要求，此時(shí)有機(jī)材料已經(jīng)不能滿足各種飛行器高速飛行時(shí)的使用要求,所以各種陶瓷基復(fù)合材料逐漸成為超音速導(dǎo)彈天線罩的候選材料。主要選材包括：二氧化硅基復(fù)合材料、氮化硼基復(fù)合材料以及陶瓷基復(fù)合材料。導(dǎo)彈天線罩材料的發(fā)展歷程可歸結(jié)為：纖維增強(qiáng)塑料→氧化鋁陶瓷→微晶玻璃→石英陶瓷→氮化物陶瓷[1]。

2.1 樹脂基纖維增強(qiáng)天線罩

目前，在工程中應(yīng)用最廣的天線罩材料是纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。其中纖維包括：滌綸、石英、K-纖維、E-玻璃纖維等(見表1)。用作天線罩的樹脂基體品種繁多,有傳統(tǒng)的不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂,也有近年來開始研究和應(yīng)用的氰酸酯樹脂、有機(jī)硅樹脂、聚酰亞胺、聚四氟乙烯和熱塑性樹脂(如聚苯硫醚)等[20]。其中工程化應(yīng)用最為成熟的為玻璃纖維增強(qiáng)的不飽和聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。不飽和聚酯樹脂基復(fù)合材料成本低，工藝成熟，但因其力學(xué)性能較差，大都被用于要求較低的地面雷達(dá)天線罩。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的力學(xué)性能、耐化學(xué)腐蝕性能和電性能，是天線罩最常用的樹脂基體之一。酚醛樹脂雖然成型困難，但是改性后可用于對(duì)耐熱性要求高的場(chǎng)合。有機(jī)硅樹脂的優(yōu)點(diǎn)是在各種環(huán)境條件下介電性能都比較穩(wěn)定，缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度較低，需要高壓成型。聚酰亞胺在較寬的溫度和頻率范圍內(nèi)仍能保持較好水平,但是固化困難，反應(yīng)生成的水或溶劑的存在將導(dǎo)致孔隙率較高，電性能降低。氰酸酯樹脂具有優(yōu)良的力學(xué)性能，介電性能具有明顯的寬帶特性，這種樹脂基體及其復(fù)合材料是未來天線罩用復(fù)合材料的發(fā)展方向[21]。

表1 聚酯樹脂、PR-12分別與滌綸、石英、K-纖維、D-玻璃纖維、E-玻璃纖維制的復(fù)合材料性能Tab. 1 Properties of composite made of polyester resin, PR-12 and polyester, quartz, K-fiber, D-fiber, E-glass fiber respectively

纖維的排列方式有多種,如纏繞鋪放、編織成一定形狀、紡織成布樣織物等。圖2示出層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，三向正交結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，三維四向編織復(fù)合材料的增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)。天線罩的整體性能[22]隨表1所示的因素發(fā)生變化。樹脂基纖維增強(qiáng)天線罩的成型工藝是天線罩發(fā)展的基礎(chǔ)和條件，所以復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要保證力學(xué)性能尤其是強(qiáng)度性能的指標(biāo)，還要滿足電性能的要求。裱糊或纏繞鋪放，雖然工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，易于操作，但是很難將樹脂含量控制均勻，因此這種結(jié)構(gòu)適用于低頻段天線罩或?qū)﹄娦阅芤蟛桓叩奶炀€罩。模壓成型工藝生產(chǎn)效率高，能一次成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的材料，但是模具的制備比較復(fù)雜，投入的成本較多。RTM工藝成型效率較高，可制造出具有良好表面品質(zhì)的復(fù)雜構(gòu)件，但是要解決注射壓力、注射溫度和樹脂黏度、真空輔助成型和“邊緣效應(yīng)”等關(guān)鍵技術(shù)問題。

2.2陶瓷基纖維增強(qiáng)天線罩

有機(jī)材料由于其較差的耐熱性已不適用于高馬赫數(shù)導(dǎo)彈。而陶瓷材料有較高的力學(xué)性能，適宜的介電性能及較好的耐熱性能，成為天線罩的首選材料[23]。無機(jī)天線罩材料可分為氧化物陶瓷和氮化物陶瓷。前者主要有氧化鋁陶瓷、石英陶瓷、氧化鈹陶瓷、微晶玻璃、堇青石陶瓷等,后者主要有氮化硼(BN)和氮化硅(Si3N4)。表2示出5種陶瓷材料的重要特性評(píng)估。表3列出12種陶瓷材料的介電特性參數(shù)[24-25]。

表2 陶瓷材料主要特性比較Tab. 2 Comparison of main characteristics of ceramic materials

表3 陶瓷材料的介電性能參數(shù)Tab. 3 Dielectric properties of ceramic materials

氧化鋁陶瓷是第1種商業(yè)化高溫天線罩材料,成功應(yīng)用于麻雀Ⅲ和響尾蛇等導(dǎo)彈上,具有強(qiáng)度高、硬度高、抗雨蝕性能好的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是材料彈性模量和膨脹系數(shù)大,抗熱沖擊性能差,只適用于3 Ma以下導(dǎo)彈。1955—1956年,美國(guó)康寧公司開發(fā)出以TiO2為晶核劑的Mg-Al-Si系微晶玻璃,牌號(hào)Pyroceram9606，被用于美國(guó)的AMRAAM導(dǎo)彈和大部分Standard導(dǎo)彈用天線罩材料。該材料具有耐高溫、強(qiáng)度高、電性能好的優(yōu)點(diǎn),從20世紀(jì)60年代起被廣泛用來代替氧化鋁陶瓷,用于3～4 Ma導(dǎo)彈天線罩。

美國(guó)Raytheon公司開發(fā)的堇青石陶瓷(Rayceram)具有良好的力學(xué)性能,熱膨脹系數(shù)較低,抗熱沖擊性能優(yōu)異,可用于5～6 Ma的導(dǎo)彈天線罩，但是其熔點(diǎn)較低,成型困難,且高溫下介電損耗過大,導(dǎo)致其實(shí)際應(yīng)用受到一定限制。

美國(guó)波音宇航公司[26]利用反應(yīng)燒結(jié)氮化硅(Si3N4)制備了多倍頻寬帶天線罩。國(guó)內(nèi)也開展了氮化硅天線罩材料的研究工作。例如,天津大學(xué)[27]和山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計(jì)院[28]。然而到目前為止,有關(guān)Si3N4基陶瓷作為導(dǎo)彈天線罩的實(shí)際應(yīng)用還少有報(bào)道。

氮化硼陶瓷具有比氮化硅陶瓷更好的熱穩(wěn)定性和更低的介電常數(shù)、介電損耗,是為數(shù)不多的分解溫度能達(dá)到3 000 ℃的化合物之一,但抗雨蝕性差[29]。由于工藝問題難以制成較大形狀的坯件，因此在天線罩上尚未得到真正應(yīng)用,目前主要用作天線窗介電防熱材料。

氮化硅基陶瓷不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能和很高的熱穩(wěn)定性,而且具有較低的介電常數(shù)，其分解溫度為1 900 ℃,其抗燒蝕性能比熔融石英好,能經(jīng)受6～7 Ma飛行條件下的熱振,被西方發(fā)達(dá)國(guó)家用來開發(fā)耐高溫、寬頻帶、低瞄準(zhǔn)誤差天線罩。美國(guó)佐治亞技術(shù)研究所試驗(yàn)鑒定將這種材料稱為最有希望的天線罩材料。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種材料具有良好的介電、機(jī)械特性及高的抗雨蝕、抗熱沖擊性能[30-31]。國(guó)內(nèi)也開展了氮化硅天線罩材料的研究工作。例如,天津大學(xué)[27]以堇青石和鋰輝石作為燒結(jié)助劑,制備出介電常數(shù)為4～5，介電損耗為0.005～0.007,抗彎強(qiáng)度為160 MPa的天線罩材料,并重點(diǎn)對(duì)這種材料的燒結(jié)機(jī)制進(jìn)行了研究，但到目前為止,有關(guān)氮化硅基陶瓷作為導(dǎo)彈天線罩的還處于研究階段。

3 線罩綜合性能的評(píng)估

對(duì)于天線罩來說,電厚度對(duì)天線罩的瞄準(zhǔn)誤差及瞄準(zhǔn)誤差斜率有重要影響,其可靠性必須得到保證[32]，但是高性能復(fù)合材料制備工藝復(fù)雜,特別是像天線罩這樣的大尺寸構(gòu)件,在制造過程中易出現(xiàn)裂紋、空洞、斷裂等多種缺陷，因此，在高溫氣動(dòng)熱環(huán)境中有可能出現(xiàn)災(zāi)難性破壞。有必要對(duì)天線罩材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和無損檢測(cè),以保證產(chǎn)品質(zhì)量,最大限度地提高使用可靠性。喬玉[33]建立了復(fù)合材料天線罩優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型,在確保力學(xué)性能要求的基礎(chǔ)上改善天線罩電性能。謝菲等[34]對(duì)石英纖維復(fù)合材料的介電性能和拉伸性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明石英纖維增強(qiáng)復(fù)合材料適用于制作高頻波段的雷達(dá)天線罩。由于天線罩實(shí)際工作環(huán)境與通常所處的環(huán)境相距甚遠(yuǎn),通常條件下所測(cè)得的電氣性能和動(dòng)熱性能往往不能反映真實(shí)情況[35]。美國(guó)General Dynamic公司20世紀(jì)70年代建立了石英燈加熱天線罩的電性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)的測(cè)量誤差較大。此后，美國(guó)又建立了太陽能加熱的評(píng)價(jià)系統(tǒng),這種方式能比較真實(shí)地模擬天線罩的工作環(huán)境,可得到不錯(cuò)的評(píng)價(jià)結(jié)果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,仿真技術(shù)在天線罩的電性能評(píng)價(jià)中也得到了應(yīng)用。張恒慶[36]采用軟件仿真的方法,對(duì)高超音速天線罩電性能隨溫度的變化情況進(jìn)行了研究。此外,針對(duì)天線罩電氣厚度的測(cè)量技術(shù)方面的研究也正在開展[37-38]。

對(duì)天線罩性能方面的評(píng)估目前存在以下難點(diǎn)。對(duì)材料體系的評(píng)估，選擇的基體材料、增強(qiáng)材料以及夾芯材料不但要滿足力學(xué)性能還要滿足電性能的要求；要制備高性能、高透波、寬頻段、輕質(zhì)量的雷達(dá)天線罩，就要對(duì)罩壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估優(yōu)化，使其介電性能達(dá)到最佳，但是這在加工制造方面都有較大的難度。特別是如何評(píng)估和克服天線罩在生產(chǎn)制造過程中產(chǎn)生的缺陷以及對(duì)缺陷進(jìn)行及時(shí)在線檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)罩體厚度和材料參數(shù)的同時(shí)檢測(cè)等，這都是急需解決的重要問題。

4 結(jié) 語

航空航天新材料、新工藝是天線罩技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和技術(shù)保證。作為導(dǎo)彈的關(guān)鍵技術(shù)之一,天線罩技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,它涉及氣動(dòng)防熱、熱力學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電磁場(chǎng)理論、特種纖維、編織技術(shù)、復(fù)合材料與工藝、專業(yè)檢測(cè)技術(shù)及可靠性工程等多種專業(yè)技術(shù)。開發(fā)低成本高性能的復(fù)合材料,尤其是纖維增強(qiáng)及立體纖維編織增強(qiáng)復(fù)合材是今后的發(fā)展方向，但是，由于該領(lǐng)域的敏感性,發(fā)達(dá)國(guó)家一直對(duì)關(guān)鍵技術(shù)嚴(yán)格保密,近20年來公開發(fā)表的天線罩研究資料十分有限,這就需要我們自力更生,加強(qiáng)研究,為將來先進(jìn)型號(hào)的發(fā)展作必要的技術(shù)儲(chǔ)備?？傊?導(dǎo)彈天線罩將向低成本、寬頻帶、高性能方向發(fā)展,特種纖維增強(qiáng)氮化硼、氮化硅等陶瓷基復(fù)合材料將是未來發(fā)展的主要方向。

FZXB

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Research progress in radome material

PEI Xiaoyuan1,2,3,4， CHEN Li1,2， LI Jialu1,2， DING Gang5,6， WU Ning1,2

(1.InstituteofComposites,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 2.KeyLaboratoryofAdvancedTextileCompositesMaterials,MinistryofEducation,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 3.SchoolofMaterialScienceandEngineering,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 4.StateKeyLaboratoryofSeparationMembranesandMembraneProcesses,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 5.SchoolofTextilesTianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 6.DepartmentoftheManagementandConstructionofTeachingResources,TianjinRadio&TVUniversity,Tianjin300191,China)

The radome must ensure the antenna and the radar work normally in serious external environments. It plays an important part in the flight of the missile. It must withstand the aero dynamical loads and meet the electric and aero dynamical requirement as well. This paper summarizes the development of the radome at home and abroad. The part problem of the radome in design and manufacture was discussed and analyzed. The design and material selection principles of the radome were introduced. The advantages and disadvantages of existing common material systems are analyzed, and the research progress of the radome material system has been summarized. The present paper introduces main material systems of resin based fiber reinforced radome and high temperature ceramic radome, reviews the characteristics of different ceramic radome materials and investigates the progress. Finally, the further research directions of radome materials were prospected.

radome; dielectric property; composite material; performance evaluation

10.13475/j.fzxb.20151102007

2015-11-06

2016-04-04

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51403153)；中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2016M59139)

裴曉園(1983—)，女，博士。研究方向?yàn)槿S紡織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。E-mail：woshipeixiaoyuan@126.com。

TB 324； TQ 323； TS 03

A