耐高溫雷達(dá)天線罩上的樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用

文/佟文清

航天及電子設(shè)備等領(lǐng)域中，復(fù)合材料有一些兼有高頻介電性能的結(jié)構(gòu)透波一體化復(fù)合材料，天線罩的蒙皮透波材料通常是玻璃纖維作為增強(qiáng)材料的樹脂基復(fù)合材料，本文綜述了國內(nèi)外結(jié)構(gòu)透波一體化樹脂基復(fù)合材料在雷達(dá)天線罩領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。

1 雷達(dá)天線罩材料的性能要求

天線罩材料除了滿足結(jié)構(gòu)質(zhì)量及工藝性等要求外，應(yīng)滿足介電性能，環(huán)境性能等特殊要求。材料的介電性能ε與tanδ是天線罩材料的核心性能，tanδ大則材料溫度升高，引起力學(xué)性能的下降。在滿足一定力學(xué)性能條件下，要求材料的ε與tanδ盡量小。高性能雷達(dá)天線罩要求材料拉伸強(qiáng)度>400Mpa，壓縮強(qiáng)度>350Mpa。高性能雷達(dá)天線罩要求材料在高溫等環(huán)境條件下，性能無明顯變化。

2 雷達(dá)天線罩材料體系

2.1 增強(qiáng)材料

目前雷達(dá)天線罩用樹脂復(fù)合增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維維等。芳綸纖維具有高強(qiáng)度與高模量，但易吸潮，高模量聚乙烯纖維的介電性能優(yōu)異，具有高強(qiáng)度等優(yōu)勢(shì)，但纖維與樹脂界面結(jié)合差。玻璃纖維是傳統(tǒng)雷達(dá)天線罩最常用的增強(qiáng)材料，D-玻璃纖維介電性能最好，S-玻璃纖維力學(xué)性能優(yōu)異。石英纖維價(jià)格較高，目前國內(nèi)外先進(jìn)的天線罩大多已采用石英纖維作為增強(qiáng)材料。

2.2 樹脂基體

傳統(tǒng)樹脂基體主要有酚醛樹脂與不飽和聚酶樹脂，環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的工藝性及力學(xué)性能。近年來隨著先進(jìn)雷達(dá)天線罩對(duì)全頻帶，耐高溫等性能要求的不斷提升，對(duì)于在100GHz頻率附近工作的雷達(dá)罩，要求具有優(yōu)良的耐濕熱性能。介電性能更好的高性能樹脂基材料通過對(duì)傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂材料改性實(shí)現(xiàn)，通過選用先進(jìn)樹脂基體，如雙馬來酰亞胺樹脂等。

樹脂環(huán)氧材料采用雙環(huán)戊二烯改性環(huán)氧樹脂，改性后tanδ降至0.0104，ε降至2.63，采用含苯并惡嗪的炔醚類分子作為固化劑，高級(jí)型的羰基團(tuán)數(shù)量大幅降低。同引入多面籠形巨倍半硅氧烷降低了材料的ε與tanδ。關(guān)于各種改性后的環(huán)氧樹脂粘度變化的研究較少，高于氰酸脂性能樹脂基體。

氰酸基樹脂分子結(jié)構(gòu)的樹脂在固化反應(yīng)中可生成穩(wěn)定的三嗪環(huán)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，性能對(duì)頻率與溫度變化不敏感，美國的SATCOM是較早使用氰酸脂的現(xiàn)代高頻透波天線罩。針對(duì)氰酸脂材料的改性主要以改善其力學(xué)性能為目標(biāo)，環(huán)氧共混改性提升其工藝性是較成熟的改性方法，通過有機(jī)無機(jī)復(fù)合的六環(huán)三磷腈改性氰酸脂，利用15%的介孔氧化硅加入氰酸脂樹脂。

國外透波材料用氰酸樹脂體系有BASF公司，Hexcel公司，F(xiàn)iberite公司等，國內(nèi)氰酸脂樹脂體系有航天材料研究所研制的701氰酸脂樹脂體系，22℃水中浸泡40d吸水率為0.73%。

2.3 復(fù)合材料

隨著雷達(dá)天線罩工作頻率的升高，傳統(tǒng)的蒙皮透波材料已不能滿足高透過，耐高功率的要求。國外BASF公司的石英纖維氰酸脂復(fù)合材料天線罩綜合性能優(yōu)異，其ε降低了75%，具有更低的吸水率。

目前國外已經(jīng)商品化的預(yù)浸樹脂主要有Hexcel公司的M22，國內(nèi)產(chǎn)品有航天材料及工藝研究所的QWB/701系列復(fù)合材料。介電性能優(yōu)異。增強(qiáng)材料與樹脂基體的選擇對(duì)介電常數(shù)有較大的影響，QWB/701系列石英布/氰酸脂復(fù)合材料的介電性能最佳。Ε降低了24%，復(fù)合材料的介電常數(shù)滿足3.28±0.15，符合天線罩用蒙皮材料電性能要求。QWB/701系列石英氰酸脂復(fù)合材料力學(xué)性能滿足高性能天線罩材料力學(xué)性能要求。

QWB/701系列石英氰酸脂復(fù)合材料經(jīng)過系列環(huán)境試驗(yàn)的考核，此復(fù)合材料在高低溫，鹽霧，水煮與介質(zhì)環(huán)境試驗(yàn)后其力學(xué)性能具有較好的性能保持率。恒溫環(huán)境下經(jīng)28d試驗(yàn)后，級(jí)別為0級(jí)，說明復(fù)合材料滿足天線罩材料的設(shè)計(jì)要求。

3 樹脂基復(fù)合材料性能，成型工藝

3.1 樹脂基復(fù)合材料的性能

樹脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高等優(yōu)異的力學(xué)性能，其結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性。樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可通過選擇不同的排布方式。

樹脂基復(fù)合材料性能主要取決于增強(qiáng)材料纖維的性能，目前研究最多的是環(huán)氧樹脂脂體系。環(huán)氧樹脂體系工作溫度在150℃以下，為提抗損失能力，研發(fā)了系列具有較好韌性的樹脂基體體系，樹脂基復(fù)合材料的物理性能主要取決于材料的物理性能。

樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能主要取決于增強(qiáng)材料的性能，基體與增強(qiáng)材料粘結(jié)界面是基體向增強(qiáng)材料纖維傳遞應(yīng)力的樞紐，復(fù)合材料大多采用連續(xù)纖維增強(qiáng)材料，碳纖維等有機(jī)纖維。

復(fù)合材料的力學(xué)性能主要由基體與增強(qiáng)材料纖維復(fù)合的協(xié)同效應(yīng)，通過組分材料性的細(xì)致結(jié)構(gòu)導(dǎo)出復(fù)合材料的強(qiáng)度等力學(xué)性能。

3.2 樹脂復(fù)合材料成型工藝

復(fù)合材料成型工藝較多，最大的特點(diǎn)是一次成型，常用的有RTM成型工藝，纏繞成型工藝等，分別適合不同的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制備。纏繞成型工藝主要適合復(fù)合材料管道，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等。RTM成型工藝適合于制造各種精度要求高的結(jié)構(gòu)件，如高性能的機(jī)頭雷達(dá)罩等。模壓成型工藝機(jī)械化程度高，適用于制造表面光潔，尺寸精確的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。

熱壓罐成型工藝適合制備各種大尺寸的復(fù)合材料構(gòu)件，如加筋壁板，骨架的殼體結(jié)構(gòu)等。拉擠成型工藝可連續(xù)生產(chǎn)，用于制備厚度可變，寬度不變的制品及各種復(fù)合材料型材。復(fù)合材料成型工藝對(duì)其性能有很大的影響，采用高溫高壓的固化方式，具有較好的剛強(qiáng)度。

4 結(jié)語

樹脂基結(jié)構(gòu)材料在雷達(dá)結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用，在星載雷達(dá)上的應(yīng)用對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。本文就先進(jìn)復(fù)合材料在雷達(dá)工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，QWB/701系列石英氰酸脂復(fù)合材料的力學(xué)性能滿足高性能天線罩制造材料的設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)代高性能雷達(dá)天線罩對(duì)樹脂基復(fù)合材料提出了更高的要求，石英石/氰酸脂體系可滿足現(xiàn)代高性能天線罩的需求。