三維織物復(fù)合材料天線罩的應(yīng)用研究

許建偉，李春林，高　凌，陳同海

(1. 南京電子技術(shù)研究所，　江蘇 南京 210039;2. 中材科技股份有限公司，　江蘇 南京 210012)

引　言

天線罩是雷達(dá)天線系統(tǒng)的重要組成部分，需具有足夠的剛強(qiáng)度、優(yōu)良的介電性能、重量輕及較強(qiáng)的惡劣環(huán)境適應(yīng)能力等特性，一般采用夾層結(jié)構(gòu)(夾層結(jié)構(gòu)中的蒙皮為透波復(fù)合材料，夾芯層常為蜂窩或泡沫)通過膠接的方式復(fù)合成型，但在工程使用過程中這種夾層結(jié)構(gòu)常因受低速沖擊或剪切載荷產(chǎn)生蒙皮與芯層的分層或剝離破壞，特別是在濕熱及紫外環(huán)境下更易發(fā)生此類缺陷[1]。

三維織物是采用玻璃纖維、碳纖維、凱芙拉纖維、石英纖維等多種高性能連續(xù)纖維進(jìn)行一體化織造而成，其纖維結(jié)構(gòu)由經(jīng)紗和緯紗交織形成的上層面、下層面及2個(gè)面層間經(jīng)紗和緯紗互相交織形成的Z向站立的絨經(jīng)芯柱組成。三維織物的上下兩面層內(nèi)的織物間均勻分布著連續(xù)的微孔，且上下兩層織物之間用經(jīng)緯交織的絨經(jīng)將兩面層連接為一整體，同時(shí)也將兩面層撐開一定的距離。 這種三維織物又稱為中空型三維織物，其典型的空間特征是芯部沿經(jīng)向呈“8”字形，沿緯向呈“I”字形。此種織物可作為骨架增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)體，面層間的微孔作為某些聚合物流體的通道，聚合物流體“浸潤”該類織物時(shí)可以瞬間吸收樹脂。

Z向纖維在“毛細(xì)作用”的效應(yīng)下使織物自動成型到設(shè)計(jì)高度，固化成型為整體中空類似于夾芯板的三明治結(jié)構(gòu)。該整體中空復(fù)合材料的面板與芯層為一體結(jié)構(gòu)且一次固化成型，從原理上避免了傳統(tǒng)蜂窩、泡沫芯材等夾層復(fù)合材料制造成本高、易分層、不耐沖擊等弊端。本文采用E型無堿玻璃纖維，通過三維編織成整體中空織物預(yù)成型件作為增強(qiáng)體骨架后浸潤環(huán)氧樹脂，制備工藝試驗(yàn)樣件，開展力學(xué)、透波性能測試來分析該材料應(yīng)用于雷達(dá)天線罩的可行性。

1　三維織物復(fù)合材料的成型工藝

1.1　增強(qiáng)纖維預(yù)成型件的編織

三維整體中空織物作為三維織物中的一種新型特殊結(jié)構(gòu)，其Z向的纖維通過X向的接結(jié)經(jīng)紗在織物垂直方向的走位來實(shí)現(xiàn)。由于面經(jīng)紗與接結(jié)經(jīng)紗送經(jīng)量不同，因此需采用2個(gè)送經(jīng)軸分別支持2個(gè)送經(jīng)系統(tǒng)。第1個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)紗通過經(jīng)緯紗的交織形成整體中空織物的上下2個(gè)面層，該系統(tǒng)的經(jīng)紗送經(jīng)依靠張力感應(yīng)裝置，采用被動送經(jīng)的方式；第2個(gè)系統(tǒng)的接結(jié)經(jīng)紗采用主動送經(jīng)的方式定長送經(jīng)形成芯層，織物的厚度根據(jù)送經(jīng)量來控制[2]。利用全自動三維多經(jīng)軸劍桿織機(jī)編織整體中空織物的編織原理及預(yù)成型件如圖1所示。

圖1　三維中空織物編織示意圖及預(yù)成型件

1.2　樹脂體系

本次試驗(yàn)采用環(huán)氧樹脂體系，環(huán)氧樹脂和固化劑是最基本的元素。該樹脂具有機(jī)械強(qiáng)度高、電氣性能佳、穩(wěn)定性能好、收縮率低等特性。為使環(huán)氧樹脂獲得良好的浸透性、浸潤性、流動性，使各組分間混合均勻，在環(huán)氧樹脂中加入定量的活性稀釋劑來降低樹脂的粘度并與環(huán)氧樹脂、固化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)達(dá)到固化的目的。樹脂基體的組成見表1。

1.3　 復(fù)合成型方法

三維機(jī)織整體中空織物復(fù)合成型的工藝一般采用手糊、真空導(dǎo)流、浸膠、噴射等成型方式。真空導(dǎo)流是一種新型的低成本成型工藝技術(shù)，它充分利用樹脂在真空壓力作用下流動、滲透來實(shí)現(xiàn)對纖維及其織物的浸漬，并在室溫下固化成型[3-4]，形成一定樹脂/纖維比例。其主要特點(diǎn)是在真空輔助的條件下，纖維介質(zhì)中的氣體被抽空，樹脂易浸透纖維并產(chǎn)生良好的浸潤，使制件含有更多的樹脂，以提高其剪切強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度，同時(shí)減少氣泡的形成，使注入的樹脂分布均勻。該工藝可極大地提高制品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期[5]。綜合考慮各種成型工藝的利弊，本次試驗(yàn)采用真空導(dǎo)流工藝復(fù)合成型，其工藝流程為：

1)用天平稱量織物的質(zhì)量，按照織物與樹脂基體1∶1.2的質(zhì)量比計(jì)算出樹脂基體的質(zhì)量；

2)將三維中空織物鋪設(shè)在模具內(nèi)；

3)用真空袋密封并抽真空；

4)向模具內(nèi)注入樹脂；

5)室溫固化24 h成型；

6)脫模修整。

真空導(dǎo)流成型后的實(shí)物如圖2所示。

圖2　三維中空織物真空導(dǎo)流成型

2　三維織物復(fù)合材料的力學(xué)性能

對試驗(yàn)制得的三維中空復(fù)材按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢測樣件的平拉強(qiáng)度、平壓強(qiáng)度、雙層剪切強(qiáng)度、四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度及低速沖擊性能，并與傳統(tǒng)的蜂窩、泡沫芯材復(fù)合材料相比，測試結(jié)果見表2。

表2　中空復(fù)材及傳統(tǒng)夾芯材料力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)

從表2可以看出，PU泡沫各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)最低，與NOMEX蜂窩材料相比，中空復(fù)材在平拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度方面具有一定優(yōu)勢。從材料屬性分析，PU泡沫由異氰酸酯和聚醚發(fā)泡后熟化制得，為多孔各向同性材料，材料強(qiáng)度主要由遍布材料內(nèi)部的“經(jīng)絡(luò)”和氣孔壁提供，且隨氣孔率升高而降低。NOMEX蜂窩通過芳綸紙浸漬酚醛樹脂后固化制得，在Z向具有最高壓縮強(qiáng)度，在W和L方向則相對較低。中空復(fù)材是由玻璃纖維預(yù)編制體浸漬樹脂固化后制得的，與普通玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相比，雖然因Z向編織增強(qiáng)而具有較高的剝離和剪切強(qiáng)度，但Z向完全由玻璃纖維束的自身剛性和附著的少量樹脂提供壓縮強(qiáng)度，因此該項(xiàng)數(shù)據(jù)并不具備優(yōu)勢。

進(jìn)一步試驗(yàn)表明，中空復(fù)材所選芯材的高度對力學(xué)性能的影響較大。復(fù)材的平壓強(qiáng)度隨著芯材高度的增加而減??；側(cè)拉強(qiáng)度隨著芯材高度的增加而增加，且緯向側(cè)拉強(qiáng)度高于經(jīng)向；側(cè)壓強(qiáng)度隨著芯材高度的增加而增加，且緯向側(cè)拉強(qiáng)度高于經(jīng)向；剪切強(qiáng)度隨著芯材高度的增加而減小，且緯向剪切強(qiáng)度高于經(jīng)向；彎曲強(qiáng)度隨著芯材高度的增加而增加，且緯向彎曲強(qiáng)度高于經(jīng)向。另外，隨著芯材密度的增加，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均明顯增強(qiáng)，且緯向性能均優(yōu)于經(jīng)向。

3　三維中空織物復(fù)材透波性能

3.1　理論計(jì)算與實(shí)測值對比

透波復(fù)合材料介電常數(shù)ε的計(jì)算公式按LICHTENECHER對數(shù)混合法則可表達(dá)為[6]：

logε=∑Vilogεi

(1)

式中：Vi為復(fù)材各組成部分的體積含量；εi為復(fù)材各組成部分原材料本身的介電常數(shù)。

三維中空復(fù)合材料主要由玻璃纖維、環(huán)氧樹脂及空氣3部分組成。以試驗(yàn)制備的3 mm厚的中空復(fù)材為測試對象，其3部分的體積百分含量見表3。

表3　中空復(fù)材成分組成及體積百分含量

三維中空復(fù)材介電常數(shù)的理論計(jì)算公式為：

logε=V1logε1+V2logε2+V3logε3

(2)

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，可計(jì)算出三維中空復(fù)材的理論介電常數(shù)為1.97。按GB/T 1409—2006實(shí)測得到的該試樣的介電常數(shù)約為2.09，理論計(jì)算值與實(shí)測值誤差約為6%。

3.2　透波性能測試結(jié)果對比

按上述實(shí)驗(yàn)方法制得不同厚度的三維中空復(fù)合材料，按照GB/T 1409及 GB/T 1033實(shí)測材料的電氣性能和密度，并與連續(xù)玻璃纖維和樹脂復(fù)合的實(shí)芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，結(jié)果見表4。

表4　中空復(fù)材與實(shí)芯玻璃鋼性能對比

為進(jìn)一步驗(yàn)證三維中空復(fù)材的性能，試樣在C波段的傳輸損耗為0.26～0.3 dB，駐波比<0.1，在L波段的插入損耗≤0.2 dB，波束指向誤差≤0.1°，這充分表明該材料具有優(yōu)異的電磁傳輸性能。

4　工程應(yīng)用

某雷達(dá)天線工作于L和S頻段，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法大都選用NOMEX蜂窩或高性能泡沫作為夾芯材料，表面鋪層石英或玻璃纖維預(yù)浸料后采用熱壓罐固化成型，加工周期長且成本高昂。本文采用三維織物復(fù)材作為天線罩透波區(qū)材料，可大大縮短加工周期，有效降低制造成本。天線加裝該罩體后傳輸損耗約為0.28 dB，波束指向誤差約為0.06°，波瓣寬度變化約為1.8%，天線輻射功率為5 kW(10%占空比)，天線罩長期工作無異常。該三維織物復(fù)材天線罩經(jīng)歷了嚴(yán)酷的環(huán)境適應(yīng)性考核，除按GJB 150A完成了溫度、濕度、太陽輻射、鹽霧、霉菌、淋雨、振動、沖擊試驗(yàn)等試驗(yàn)考核外，還完成了冰雪、冰雹、60 m/s大風(fēng)等惡劣工況下的試驗(yàn)考核，如圖3所示。

圖3　某雷達(dá)天線三維織物復(fù)材天線罩

此外，傳統(tǒng)夾層結(jié)構(gòu)天線罩在發(fā)生局部微小破損或滲漏時(shí)，隨著凍融效應(yīng)的加劇，天線罩蒙皮和芯層的脫粘現(xiàn)象將隨時(shí)間加劇。而中空復(fù)材由于Z向編織增強(qiáng)的原因，蒙皮與芯層間不只依靠樹脂的粘結(jié)強(qiáng)度，還包括玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度，因此在抵御脫粘的能力上要遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)夾芯復(fù)材。

5　結(jié)束語

三維織物復(fù)材利用玻璃纖維等高性能纖維將上、下蒙皮和絨經(jīng)(芯層)編織成整體結(jié)構(gòu)，通過環(huán)氧樹脂真空導(dǎo)流成型工藝制備了某型雷達(dá)天線罩。經(jīng)LICHTENECHER對數(shù)混合法計(jì)算和測試結(jié)果驗(yàn)證，該復(fù)合材料在具備優(yōu)異力學(xué)性能的同時(shí)，還具有較低的介電常數(shù)和損耗角正切值。與傳統(tǒng)NOMEX蜂窩和泡沫夾芯結(jié)構(gòu)雷達(dá)天線罩相比，該天線罩具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)輕質(zhì)高強(qiáng)，比強(qiáng)度、比模量高；

2)蒙皮與芯層整體成型，無分層、剝離的風(fēng)險(xiǎn)；

3)成型簡單，特別適合制作各種曲面形狀，成型質(zhì)量檢測方便，制造成本低；

4)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，可根據(jù)使用性能要求來設(shè)計(jì)3D立體織物的組織結(jié)構(gòu)、厚度、密度以及纖維種類等。

此外，通過浸漬樹脂體系的優(yōu)選，可以進(jìn)一步提升三維織物復(fù)合材料的工藝性及透波特性，增強(qiáng)其耐溫能力，使其更加適用于天線罩的批量化制造。

參考文獻(xiàn)

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