FRP透波窗性能設(shè)計(jì)研究

吳偉萍 王秋野 常成 周晏云 孟松

摘 要 本研究針對(duì)FRP透波窗在使用頻段范圍實(shí)現(xiàn)透波率和結(jié)構(gòu)性能的需求，通過(guò)材料選擇、透波性能設(shè)計(jì)、仿真分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用夾層結(jié)構(gòu)形式，制造了FRP透波窗試驗(yàn)件，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和透波試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)RP透波窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足承載和密封性要求，同時(shí)在1.0GHz～3.0GHz頻段范圍內(nèi)的透波率均大于80%，滿足透波性要求。實(shí)現(xiàn)了對(duì)FRP透波窗的承載、密封和透波的設(shè)計(jì)要求，可以對(duì)內(nèi)部設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞 透波窗；透波率；電性能；仿真分析

Study on the Performance Design of FRP

Wave-transmitting Window

WU Weiping， WANG Qiuye， CHANG Cheng， ZHOU Yanyun， MENG Song

（Harbin FRP Institute Co.，Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT In order to meet the needs of the FRP wave-transmitting window to achieve wave-transmitting and structural performance in the use of frequency bands， FRP wave-transmitting window specimens were fabricated in the form of sandwich structure through material selection， wave-transmittance design， and structural simulation design， and structural tests and wave transmittance tests were carried out. The test results show that the structural design of the FRP wave-transmitting window meets the requirements of load bearing and sealing， and the transmissivity rate is greater than 80% in the range of 10-30GHz， which meets the requirements. The design requirements of load-bearing， sealing and transmissivity of FRP wave-transmitting window are realized， and the operating state of the internal equipment can be monitored.

KEYWORDS wave-transmitting window; transmissivity; electrical performance; simulation analysis

1 引言

透波復(fù)合材料產(chǎn)品能保證設(shè)備的通訊、遙測(cè)、制導(dǎo)等系統(tǒng)在惡劣環(huán)境條件下正常工作［1］，在航空航天及軍事裝備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［2］。隨著高載荷、高飛行速度戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的發(fā)展， 透波復(fù)合材料已經(jīng)從單純的透波材料發(fā)展到了具有防熱、承載、透波等多種功能的材料。多功能透波材料有優(yōu)良的電性能、足夠的力學(xué)強(qiáng)度、良好的耐熱性，經(jīng)得起雨蝕、輻射等環(huán)境［3］。本文研究設(shè)計(jì)了一種FRP透波窗，在滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了在1.0GHz～3.0GHz頻段范圍內(nèi)，透波率達(dá)到80%的要求。

2 原材料選用設(shè)計(jì)

透波產(chǎn)品多選用耐熱樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料［4］，性能取決于樹(shù)脂基體、增強(qiáng)材料及兩者之間的界面［5］，樹(shù)脂基體和增強(qiáng)材料的電性能優(yōu)異才能成型出電性能好的透波產(chǎn)品［6］。介電性能的表征指標(biāo)有介電常數(shù)ε和損耗角正切tanδ［7］。制備透波復(fù)合材料的纖維主要有玻璃纖維和石英纖維等，樹(shù)脂基體主要有環(huán)氧樹(shù)脂和聚酯樹(shù)脂等［8］。與玻璃纖維相比，石英纖維的介電性能更加優(yōu)越，損耗角正切tanδ和介電常數(shù)ε在玻璃纖維體系中最低，且在較寬頻帶范圍內(nèi)基本不變化，同時(shí)與環(huán)氧樹(shù)脂有很好的兼容性，更適合作增強(qiáng)材料［9-10］。本研究復(fù)合材料透波窗要在1.0GHz～3.0GHz頻段范圍內(nèi)的透波率達(dá)到80%以上，并具備密封功能。既要滿足透波率要求，又要滿足結(jié)構(gòu)承載性和密封性要求。需要同時(shí)考慮透波性能、結(jié)構(gòu)性能和密封性。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)透波窗采用單一結(jié)構(gòu)形式時(shí)，在1.0GHz～3.0GHz頻段范圍內(nèi)，玻璃纖維和石英纖維的電性能計(jì)算結(jié)果均不能滿足透波率80%的要求，且隨著厚度的增加，透波性能呈衰減趨勢(shì)。電性能計(jì)算結(jié)果如圖1和圖2所示。

為了同時(shí)滿足復(fù)合材料透波窗的厚度、力學(xué)承載性和透波性要求。本研究采用夾層對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式，由內(nèi)、外承載蒙皮和泡沫芯層組成，蒙皮材料采用環(huán)氧樹(shù)脂基石英纖維復(fù)合材料，芯層采用PMI泡沫。環(huán)氧樹(shù)脂分子中的極性羥基和醚鍵使其對(duì)各種物質(zhì)都具有極強(qiáng)的粘附力，分子中的活性環(huán)氧基團(tuán)可以直接加成或開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)，固化交聯(lián)成不溶、不熔的具有三向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚物。夾芯材料為聚甲基丙烯酰亞胺PMI，PMI泡沫是一種交聯(lián)型硬質(zhì)結(jié)構(gòu)泡沫材料，具有100%的閉孔結(jié)構(gòu)，其均勻交聯(lián)的孔壁結(jié)構(gòu)可賦予其突出的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和優(yōu)異的力學(xué)性能［11］，具有比重小、耐高溫、低介電常數(shù)與損耗、抗壓強(qiáng)度高、比強(qiáng)度高、抗疲勞和蠕變性能好等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)與預(yù)浸料一步固化；并具有優(yōu)良的二次加工性能，可通過(guò)加熱成型不同曲面形狀的制品，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域［12-14］。

3 透波性能設(shè)計(jì)

本研究計(jì)算分析了夾層結(jié)構(gòu)對(duì)稱形式下，不同夾層厚度對(duì)產(chǎn)品透波性能的影響，為了獲得夾層結(jié)構(gòu)形式的最佳透波性能，通過(guò)調(diào)整兩個(gè)蒙皮之間的間隔來(lái)達(dá)到反相，以使兩個(gè)反射相抵消，使反射最小，獲得最佳透波性能。計(jì)算結(jié)果如圖 3所示。采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式時(shí)，隨著泡沫芯層厚度的增加，產(chǎn)品的透波性能隨之提高。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，夾芯結(jié)構(gòu)對(duì)稱形式透波窗在1.0GHz～3.0GHz頻段范圍內(nèi)滿足透波率大于80%的設(shè)計(jì)要求。滿足透波性能的透波窗結(jié)構(gòu)為4mm厚的內(nèi)蒙皮石英纖維復(fù)合材料、6mm厚的PMI泡沫夾芯層和4mm厚的外蒙皮石英纖維復(fù)合材料對(duì)稱組合形式。

4 結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)

FRP透波窗由內(nèi)、外纖維復(fù)合材料蒙皮和芯層PMI泡沫構(gòu)成。透波窗與整體產(chǎn)品之間通過(guò)錐形連接加膠接的方式裝配固定，F(xiàn)RP透波窗試樣產(chǎn)品的局部示意圖如圖4所示。

對(duì)透波窗結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析，在復(fù)合材料產(chǎn)品上安裝透波窗后，透波窗及補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域的整體厚度為15mm，在1MPa內(nèi)壓作用下，產(chǎn)品的仿真結(jié)果位移云圖如圖5所示，最大位移發(fā)生在產(chǎn)品的非補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域，透波窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠，滿足承載性要求。

在內(nèi)壓作用下，透波窗各組件間均通過(guò)粘結(jié)劑連接，并通過(guò)粘接劑和產(chǎn)品之間進(jìn)行連接。粘結(jié)劑的性能要滿足產(chǎn)品在使用期限內(nèi)各粘接界面之間不開(kāi)粘、不漏氣。本研究按照GB/T7124-2008標(biāo)準(zhǔn)制作了試件，測(cè)試了環(huán)氧樹(shù)脂體系作為膠粘劑時(shí)復(fù)合材料制件之間的拉伸剪切強(qiáng)度（室溫），所用環(huán)氧樹(shù)脂體系的膠層剪切強(qiáng)度為16.43MPa。根據(jù)有限元仿真分析，透波層與復(fù)合材料產(chǎn)品和補(bǔ)強(qiáng)區(qū)粘結(jié)層的應(yīng)力云圖如圖6所示。補(bǔ)強(qiáng)區(qū)與筒體粘結(jié)層的應(yīng)力云圖如圖7所示。

仿真分析表明，在內(nèi)壓作用下，透波層有向筒體外側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì)，與筒體粘結(jié)層的較短邊處發(fā)生最大拉伸應(yīng)力為4.869MPa，但小于粘結(jié)層的拉伸強(qiáng)度16.43MPa。補(bǔ)強(qiáng)區(qū)與筒體間的粘結(jié)層僅在透波層孔邊有應(yīng)力集中處，且應(yīng)力大小為3.141MPa，小于粘結(jié)層的拉伸強(qiáng)度16.43MPa。

通過(guò)有限元仿真計(jì)算，安裝透波窗后，產(chǎn)品在1MPa內(nèi)壓作用下的最大位移發(fā)生在非補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域，透波窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足承載性要求。復(fù)合材料產(chǎn)品、透波窗、補(bǔ)強(qiáng)區(qū)間粘結(jié)層拉伸應(yīng)力小于粘結(jié)劑的拉伸強(qiáng)度，在使用中不會(huì)發(fā)生脫粘和分層等現(xiàn)象，滿足透波窗的透波性和粘接穩(wěn)定性要求。透波窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以滿足產(chǎn)品的透波性、氣密性和承載性要求。

5 試驗(yàn)及結(jié)果分析

本研究通過(guò)設(shè)計(jì)制造工裝，分別成型預(yù)制體來(lái)制備透波率測(cè)試試樣，保證了透波窗厚度均勻性、尺寸穩(wěn)定以及界面之間的良好配合性。制備的透波窗試樣如圖8所示。通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 Agilent 8363B，結(jié)合雙脊喇叭天線、螺旋天線和單極子天線，由成都恩馳微波科技有限公司測(cè)試了透波窗試樣的透波性能。結(jié)構(gòu)性能方面，通過(guò)4DSY-22/63電動(dòng)試壓泵和精密壓力表將安裝透波窗后的產(chǎn)品用水壓測(cè)試工裝進(jìn)行了內(nèi)壓試驗(yàn)，壓力達(dá)到1MPa后，保壓期間無(wú)滲漏現(xiàn)象，承載試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

對(duì)1GHz～1.5GHz頻段透波率的測(cè)試采用單極子發(fā)射天線，雙脊喇叭接收天線進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果曲線如圖9所示。對(duì)1.5GHz～3.0GHz頻段的測(cè)試采用平面螺旋天線發(fā)射和接受，測(cè)試結(jié)果曲線如圖10所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，本研究FRP透波窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和透波性能設(shè)計(jì)滿足產(chǎn)品的使用要求。FRP透波窗在1.0GHz～3.0GHz頻段范圍內(nèi)透波率均大于80%。FRP透波窗和整體產(chǎn)品的配合連接通過(guò)了水壓試驗(yàn)和氣密試驗(yàn)，滿足承載性和密封性要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本研究FRP透波窗的透波試驗(yàn)結(jié)果表明，在1.0～3.0GHz頻段范圍內(nèi)夾層結(jié)構(gòu)透波試件的透波率大于80%。水壓試驗(yàn)結(jié)果表明，在1MPa內(nèi)壓保壓時(shí)FRP透波窗無(wú)滲漏，F(xiàn)RP透波窗的透波性、承載性和密封性均滿足設(shè)計(jì)要求，可以對(duì)內(nèi)部設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

參 考 文 獻(xiàn)

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