不饱和聚酯树脂(UP)的电性能和工艺性能良好,而且价格便宜,是最早用于天线罩的树脂基体之一,但因其力学性能较差,多使用于要求较低的地面雷达天线罩;酚醛树脂(PF)是较早使用的天线罩材料,但其成型困难,不过改性后可用于一些对材料耐热性要求高的场合;环氧树脂(EP)具有优良的力学性能、耐化学腐蚀性能和电性能,且固化收缩率低,是使用最广泛的天线罩树脂基体。
以上三种树脂是传统的天线罩树脂基体材料,目前仍广泛用于制备各种天线罩。
近年来随着先进雷达天线罩对全频带、低介电损耗、耐高温、耐候性等性能要求的不断提升,一些新型树脂体系如有机硅树脂、聚酰亚胺树脂(PI)、氰酸酯树脂(CE)、聚四氟乙烯树脂(PTFE)等新型耐高温树脂也开始应用于天线罩制造中。有机硅树脂突出的优点是耐热性和优良的介电性能,在各种环境条件下介电性能都比较稳定;其缺点是机械强度较低,且需高压成型。
聚酰亚胺是近年来研究和报道较多的一种耐高温树脂,可以在 300℃长期使用,短期使用温度达到 540℃,具有优异的介电性能,ε在 3~4 之间,tanδ<10-3,而且在较宽的温度和频率范围内仍能保持较好水平,它的缺点是固化困难,常需要高温高压和复杂的升温程序,反应生成的水或溶剂的存在将导致孔隙率较高,使树脂潮解,电性能降低。氰酸酯树脂具有良好的力学性能、耐热及耐湿热性能,在很宽的温度范围(-160~220℃)和频率范围(104~1011Hz)内具有稳定且极低的ε(2.8~3.2)和tanδ(0.002~0.006),并且 CE 的介电性能具有明显的宽带特性,这种树脂基体及其复合材料是未来透波复合材料的发展方向。
随着雷达天线罩工作频率(X 波段或以上)的升高,特别是隐身天线罩的需求,传统的蒙皮透波材料(高强度玻璃纤维布增强环氧树脂体系)已不能满足高透过、低反射、耐高功率的要求,石英纤维布/氰酸酯体系应运而生,满足了高性能天线罩的需求。国外复合材料产品如 BASF 公司的石英纤维/氰酸酯复合材料天线罩,其综合性能比传统环氧树脂天线罩介电损耗降低了 75%,介电常数降低了 10%,另外具有更低的吸水率,因此湿态介电性能更加优异。
根据《树脂基复合材料在雷达天线罩领域应用及发展》,国内产品如航天材料及工艺研究所(703 所)的 QWB/701 系列石英布/氰酸酯预浸料及复合材料耐 180℃的高温,介电性能优异,已经在某些型号上得到了应用。表中列出了航天材料及工艺研究所生产的石英布或高强玻璃纤维布作为增强材料,氰酸酯或环氧树脂作为树脂基体,组合制备的四种复合材料的介电性能对比。
通过对比可以看出,增强材料和树脂的选择均对介电常数和损耗角正切有较大影响。
氰酸酯树脂基复合材料的损耗角正切均显著小于环氧树脂基复合材料;石英纤维布增强复合材料介电常数均显著小于玻璃纤维布增强复合材料。石英纤维布/氰酸酯复合材料的介电性能与传统玻璃纤维布/环氧复合材料相比,介电常数降低了 24%,损耗角正切降低了 78%。
2、雷达天线罩壁结构
雷达天线罩主要的壁结构有单层、A 夹层、B 夹层、C 夹层和多夹层结构。
天线罩之所以多采用夹层架构是因为夹层结构不仅有更好的强度保持性,而且有着比薄壁结构更为优异的透波性能。夹层结构可以利用两表层之间电磁波的反射相互抵消作用来保证其良好的透波性。当电磁波由空气进入夹层时,在各介质层产生反射,当芯层厚度最佳时,内、外蒙皮的反射波幅度相等、相位相反,相互抵消,从而降低了反射波对雷达性能的影响。
参考中国报告网发布《2017-2022年中国雷达行业市场发展现状及十三五竞争战略分析报告》
单层实心半波壁的特点是在高入射角和两种极化情况下具有良好的电性能,主要缺点是频带窄、重量大,因而实心半波壁常用于战斗机的机头罩。A 夹层的特点是重量轻,在低、中入射角情况下,电性能较好,但其重复性较差,常用于入射角不大的情况,如民用客机的机头罩和舰载雷达罩。多夹层雷达罩比 A 夹层具有更宽的频带并且适应高入射角,但重复性较差和相位性能不佳是其主要缺点。
天线技术的不断发展促进了新的雷达罩壁结构的出现,主要有准半波壁结构、电抗加载雷达罩和频率选择表面(Frequency Selective Surface, FSS)。为了利用实心壁结构的高入射角的优点,克服重量大的缺点,人们提出了准半波壁结构。
准半波壁从结构上看是三层夹层结构,从电气上看是单层壁。其中间层(俗称“人工介质”)的介电性能从理论上来说和蒙皮层的介电性能相同。同时由于人工介质的密度较低,使得准半波壁比实心半波壁在重量上减轻 30%以上,取得了明显的减重效果。电抗加载雷达罩实现了现代空战宽频的要求,即通过电抗加载(将专门设计的金属物加到常规壁结构上去),使天线罩在宽频范围内具有稳定的电性能。
频率选择表面技术很好的满足了四代战斗机的隐身性能要求。常规雷达天线是主要的雷达波反射源,采用频率选择表面(FSS)雷达罩是实现雷达天线隐身的一个较好的办法。FSS 雷达天线罩允许我方飞行器雷达在自己的频带内正常穿透,而将其他频率的雷达波散射到各个方向,从而在保证自身雷达正常工作的同时实现对敌雷达的隐身。
3、雷达天线罩夹层材料
对于夹层结构天线罩,夹芯材料(简称芯材)的选择对天线罩的性能有重要影响。天线罩用芯材主要有蜂窝芯材和泡沫芯材。
蜂窝材料主要有铝蜂窝、NOMEX 蜂窝和普通纸蜂窝等,但天线罩用蜂窝芯材主要是 NOMEX 蜂窝。NOMEX 蜂窝芯材是由芳纶纸浸渍酚醛树脂制成,其介电常数低、强度高,具有弹性,抗撕裂性及耐磨蚀性都很好,在航天航空结构、船舶制造等领域中已得到广泛应用。国内使用的 NOMEX 蜂窝主要是北京航空制造工程研究所的 NRH 系列和北京航空材料研究院的 NH 系列。聚合物泡沫是一种最常用的芯材,主要有聚氯乙烯(PVC)、聚氨酯(PU)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)等,其中天线罩用泡沫芯材主要是 PMI泡沫。PMI 泡沫是一种采用固体发泡工艺成型,泡沫孔隙基本一致且均匀的 100%闭孔泡沫。与其他泡沫比,在相同密度下,PMI 泡沫的刚度和强度最高。而且,其耐高温蠕变性能使得该泡沫能够适用于高温固化树脂和预浸料体系。另外,PMI泡沫经过适当的高温处理以后,能承受 190℃的固化工艺对泡沫尺寸稳定性的要求,在航空领域中得到了广泛的应用。
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