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材料 透波率

透波材料

一、透波材料:能透过电磁波且几乎不改变电磁波的性质(包括能量)的材料我们以不同性能的高分子材料为基体,通过填充、共混微波陶瓷介质和复合纤维等手段,在保证材料有良好承受机械力和其它性能的同时,调节材料的介电常数和耗散因数,得到透波率能够满足我们的使用要求的复合材料。

在实际运用中,介电常数和耗散因数是衡量透波材料透波能力的两个重要指标,根据透波材料的使用环境,还需要考虑除透波率外的其它性能,如长时间的耐高温性能、高刚性、尺寸稳定、阻燃、韧性、化学腐蚀、耐磨、自润滑、耐老化等。

材料及描述

以下材料专门应用于需要高透波率的地方,同时还可以根据需要选择其它性能:尺寸稳定、阻燃、韧性、耐高温、化学腐蚀、耐磨、自润滑、耐候、耐老化

产品描述牌号应用

97%透波率、超耐高温改性PEEK PEEK-K06 军事、航空、航海特种雷达用天线罩、附属部件、气象设备外壳罩、科研仪器设备、探测用途

97%透波率、高刚性、耐高温PI PI-K05

92%透波率、阻燃V-0、耐化学腐蚀、耐磨PPS PPS-T01

95%透波率、阻燃V-0、耐化学腐蚀、耐磨PPS PPS-T02

97%透波率、阻燃V-0、耐化学腐蚀、耐磨PPS PPS-T03

99%透波率、阻燃V-0、耐化学腐蚀、耐磨PPS PPS-T04

99%透波率、表面光泽、耐老化ASA ASA-T01 民用天线罩:移动通讯基站点天线罩、气象雷达罩、车载天线罩、天线包封材料、微波天线罩

99%透波率、表面光泽、耐老化ASA ASA-T02

90%透波率、强韧性、耐候、耐老化PA6 CT01

96%透波率、强韧性、耐候、耐老化PA6 CK04

97%透波率、强韧性、耐候、耐老化PA6 CK06

96%透波率、尺寸稳定、抗UV、耐候PC PC-T01

97%透波率、尺寸稳定、抗UV、耐候PC PC-K06

92%透波率、抗UV、耐交替高低温、耐老化PP PP-T01 低成本化民用、长期户外使用天线罩、民用楼顶高敏接收天线罩

95%透波率、抗UV、耐交替高低温、耐老化PP PP-T02

97%透波率、抗UV、耐交替高低温、耐老化PP PP-T03

军用透波复合材料的研究进展

1.前言

现代战争是从电子战开始的,即在争取“制空权”时,很大程度上是在争取“制电磁权”。战争的任何一方失去了“制电磁权”在硬武器较量中将处于被动挨打的地位,电子战被视为第四维战场。而这些先进设备的应用离开了雷达罩的技术发展是不可能实现的。

现代雷达技术已由早期探测、火控、气象和导航功能,进一步发展出电子侦察、电子干扰、精确制导等功能。雷达罩工作频率也由单频发展为宽频,直至多波段全频带。不仅要求雷达罩有高透波率,而且要有低吸收率。雷达罩材料的低介电常数和低介质损耗是满足新型雷达要求的必要条件。

透波材料通常分为两类:一种为纤维增强有机耐热树脂基复合材料,另一种为无机材料,如氧化铝、二氧化硅、玻璃陶瓷、氮化硅、氮化硼等。无机材料在波范围内能满足雷达罩电气性能厘米波范围的要求,使用性能良好。但对于毫米波段(波长在1-1000mm,频率在0.3-300GHz 范围的电磁波)和有宽带性能的天线罩来看,则显示较大的缺点(强度低、壁较厚等)。因此随着高载荷、高飞行速度战术导弹的发展,多选有机耐热树脂基复合材料作透波材料。本文主要综述用于军用航空透波复合材料的研究进展。

2.电性能要求

透波复合材料是由增强纤维和基体材料构成的,两者的电性能直接决定透波复合材料的电性能如下式[1]:

lgε

N =υ

f

logε

f

+ (1 -υ

f

) logε

m

logε

其中υ

m = 1-υ

f

-υ

εN -复合材料的介电常数

ε f -复合材料中纤维的介电常数

εm-复合材料中基体的介电常数

ε0-复合材料中孔洞中介质的介电常数

υ f -复合材料中纤维的体积分数

υm-复合材料中基体的体积分数

υ0-复合材料中孔洞的体积分数

又根据介质损耗角正切的定义,垂直于纤维布平面的复合材料的介质损耗角正切为:

tgδ

⊥={[υ

f

ε

m

ε

tgδ

f

+ (1 -υ

f

f

ε

tgδ

m

+ υ0εmεf tgδ0]εN } /εmεfε0

一般υ0很少,通常要求<1% ,因此复合材料中的ε

N 和tgδ

主要决定于ε

m

tgδ

m 、ε

f

和tgδ

f

,也就是复合材料的电性能取决于增强纤维和基体材料。

3. 增强体纤维材料

3.1国外增强体纤维材料研究现状

3.1.1纤维种类

在透波复合材料中最早使用的是E玻璃纤维,后来又有特种玻璃纤维, 是指高强度玻璃纤维(S-glass),高模量玻璃纤维(M-glass)和低介电玻璃纤维(D-glass)[2]。真正用于雷达罩的专用玻璃纤维主要是D玻璃纤维、石英纤维和高硅氧玻璃纤维,D玻璃纤维专用于雷达罩,它具有较低的介电常数和正切损耗,但同时,机械性能较低,一般仅为E玻璃纤维的70%,为达到一定的介电性能

时,往往采用 D玻璃纤维。新型低介D电玻璃纤维是一种硅硼纤维(72%-75%

的SiO

2,23%的B

2

O

3

),主要用于制造雷达罩,目的是改善电性能和减少电厚

度以降低实心罩的质量,在MIRAGE 2000、GRIPEN JAS 39、HAWK 200、HARRIER 上都有应用。

高硅氧玻璃纤维中二氧化硅的含量为91~99%,它是以酸浸洗E玻璃纤维,除去碱金属,再于670~800 ℃加热烧结而形成高硅氧玻璃纤维。

芳纶纤维是高度定向的芳香族聚酰胺纤维的统称,其代表品种为美国杜邦公司生产的Kevlar-49,其性能见表1示。由于芳纶纤维具有较低的密度、优越的抗冲击性和比刚度高、比强度高等特性,在航空上得到广泛应用,一度有取代玻璃纤维的趋势。波音公司的CH-46直升机用芳纶复合材料,每g减重率28.5%。然而由于纤维中大分子对称性高,容易造成复合材料构件湿涨开裂,电性能降低,因而在雷达罩中的应用受到影响。其他纤维混杂可以获得优良的综合性能。

石英纤维的化学成份是纯度达99.5% 以上的二氧化硅,经熔融制成纤维,其介电常数和正切损耗与上述玻璃纤维相比都是最小的,石英纤维的机械性能取决于制造工艺技术,另外,石英纤维的线膨胀系数较小,而且具有弹性模量随温度增高而增加的罕见特性。

各种增强体纤维的性能见表1。

材料 透波率

导致纤维与树脂粘附性差,必须对纤维进行表面处理,同时选择合适的树脂体系。超高模量聚乙烯纤维(UHMPE),如Dyneema和Spectra系列,强度高、不吸水抗冲击,在X波段至mm波段范围内,具有优良的介电性能,与树脂浸润性好,复合材料的防弹性和力学性能在高温下保持稳定,是一种很有前途的高性能雷达罩增强材料。常与其他纤维混合成透波混杂复合材料使用。例如Spectra/玻璃纤维(25/75 )复合材料的介电常数为2.9; Spectra/石英混杂体系能够获得优良的电/机械性能。目前国外导弹天线罩大多已采用此种纤维。

3.1.2纤维编织

国外常用织物为平纹布、斜纹布制作夹层结构雷达罩;欧洲多用二维仿形编织套制作PD雷达罩,美国则常用纤维束缠绕铺放制作PD雷达罩。俄罗斯用

高厚布缝制编织套,它是采用手工编织,高厚布按一定尺寸编织剪裁,连接部位采用搭接缝制的方法,每个缝制锥套约3~5毫米厚,多个锥套按一定错位方法叠在一起,然后压制成型。这种方法速度快,成本低,缝制部位的抗拉强度只下降20%,经缝口错位后,不影响使用性能。

在国外发达国家,用于制备天线罩的玻璃纤维材料均根据性能——价格比系列化,品种多、质量稳定、介电损耗小,可以大批量生产,并且已经应用于透波复合材料的科学研究,有的已经应用于型号飞机雷达罩上。

3.2国内增强体纤维材料研究现状

目前国内透波复合材料使用的增强纤维仍以E玻璃纤维和S玻璃纤维为主,M玻璃纤维只有较少量使用。雷达天线罩用增强纤维(织物)仍以E-玻璃纤维(密度=2.54g/cm3、ε=6.13、tgδ=0.0055)和S-玻璃纤维(密度=2.49、ε=5.12、tgδ=0.0068),同类纤维国外密度比国内低0.15左右,ε低0.2左右、tgδ小0.0015左右。且纤维种类少,织物种类更少,只有两维仿形编织套。表2为国产主要航空用玻璃纤维布的性能。

材料 透波率

目前,环氧树脂仍是雷达罩最常用的树脂基体之一。但近年来由于先进雷达罩对全频带、低介电损耗、耐高温,耐天候等性能要求的不断提升,其他如氰酸酯树脂、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺树脂、酚醛树脂、有机硅树脂等,各种树脂介电性能的对比如表3所示[3]。

4.1环氧树脂

环氧树脂具有优良的界面性能、耐化学腐蚀性能、电性能以及尺寸的稳定性,并且工艺成熟、成本较低。缺点是并不耐高温,且介电性能与新兴材料如氰酸酯等相比并无优势。用于雷达罩的通常为双酚型环氧、酚醛环氧,其中以双A酚型产量最大A [4]。

4.2双马来酰亚胺树脂

? 双马来酰亚胺树脂应用到透波复合材料上的主要障碍是正切损耗较大,?

原因是树脂纯度不够,杂质太多造成的。目前,这个技术难关已经被攻克, ?国内已经研制成功了用于实芯半波壁结构雷达罩RTM工艺的4503A双马来酰亚胺

树脂、用于人工介质材料的4501A?双马来酰亚胺树脂和用于预浸料的4501B双马来酰亚胺树脂。改性双马来酰亚胺树脂是一种具有双官能团多用途的有机化合物,其双键的高度亲电子性使之易于和多种亲核性化合物反应,?由于其五元杂环的结构,决定了特有的力学性能和耐热性,以二烯丙基双酚A?改性的BMI树脂具有优异的力学性能,耐热性和良好的成型工艺性受到了广泛的关注,在结

构复合材料上获得了广泛的应用。?

4.3氰酸酯树脂

氰酸酯树脂是目前国内研究的热点,它具有出色的介电性能,同时还具有耐高温、低吸湿率、低热胀系数、优良的力学性能和粘接性能,以及良好的工艺性。目前氰酸酯已成功地应用于雷达罩。为了进一步改性和提高性能价格比,氰酸酯树脂通常与环氧树脂共混使用,氰酸酯树脂环氧树脂/共混物不是简单的物理共混物,两者之间存在着复杂的共聚反应。陈平等[5]采用氰酸酯改性环氧树脂体系,使改性的环氧树脂体系介电性能提高。尹剑波等[6]利用环氧树脂和双马来酰亚胺树脂做改性剂,对氰酸酯树脂进行共聚改性,经改性后的基体具有优异的介电性能,介电常数为2.25,介电损耗角tgδ<10-4(10kHz)。

4.4聚酰亚胺

聚酰亚胺是一类以酰亚胺环为结构特征的高性能聚合物材料,具有优良的介电性能(如表3所示),并且在宽广的温度和频率范围内仍能保持较高水平[7],其机械强度相当或超过环氧复合材料,并具有良好的热稳定性能和耐溶剂性能等,但是其缺点是工艺性差,孔隙率高而引起吸潮,使电性能降低。使用石英布聚酰亚胺复合材料与非碳/化烧蚀材料聚四氟乙烯相结合,可以有效解决吸潮问题[8]。

4.5酚醛树脂

酚醛树脂根据所用的催化剂,可分为热固性酚醛树脂和线性热塑性酚醛树脂两大类,用于雷达罩生产的是热固性酚醛树脂,固化后的酚醛树脂结构中不但含有大量的芳香环,而且交联密度也很高,因而具有很好的耐热性、力学性能及耐候性。缺点是成型压力高,后固化时间长,介质损耗较大,其介电常数还随温度的升高而产生明显的增大。

4.6有机氟材料

有机氟材料在抗热震、抗雨蚀、低热传导方面具有一定优势。聚四氟乙烯(PTFE)的电性能异常稳定,几乎不随频率、温度和湿度的变化而变化,其抗热震、抗雨蚀能力优于无机材料,但是其力学性能较差,当温度高于250℃ 时力学性能迅速降低[9],而且不能熔融,一般需要烧结成型,工艺复杂,这在很大程度上限制了它的应用。因此,探索新的成型工艺成为聚四氟乙烯材料雷达罩研究的关键。王小群等[10]姜卫陵等[11]等针对其成型工艺展开过研究,效果较好。

材料 透波率

材料 透波率

5、耐高温透波基体材料

高温宽频透波材料是高速精确制导飞行器的基础,是发展高超音速地空导弹、反辐射导弹等不可缺少的关键技术之一,它直接制约着先进飞行器的发展。美国、俄罗斯等发达国家在高温透波材料领域一直有较大的投入, 并取得了显著的成果,但由于该领域的敏感性,关键技术一直严格保密。国内高温透波材料体系的研究相对较为落后, 而且存在发展不平衡的现象,有些材料技术与国外接近,并具有一定的技术特色,而另一些材料体系则基本没有开展过研究工作。高温透波材料是一种多功能材料,不同材料体系具有不同的性能优势和适用环境以及不同的生产成本和周期,因此在选材时应根据实际使用要求进行综合考虑。目前在众多的材料体系中,国内外用于航空航天耐高温透波材料主要有以下几种,有机硅树脂基复合材料、磷酸盐复合材料及陶瓷复合材料。

5.1有机硅树脂基复合材料

有机硅树脂基复合材料是近几十年发展起来的一种新型多功能复合材料,已深入到当代国防、高科技国民经济以及人们日常生活的各个领域。它具有高强度、耐高温、抗热震以及优良的电气绝缘和透电磁波性能,在高温、潮湿下的介电性能仍很稳定,也是一种重要的雷达罩材料。但它的缺点是机械强度较低,且须高压成型。针对这些不足之处,近几年出现了对有机硅树脂进行改性或与其它树脂进行共混,克服其缺点,最大限度的发挥其优异性能。曾剑平等[9]的实验表明,有机硅树脂能够有效地提高SiO

基复合材料的各项性能。在实

2

际应用过程中一般采用短切纤维或连续纤维增强的复合材料。有机硅基透波材料性能如表4。

材料 透波率

5.2无机聚合物

无机聚合物的研究工作在第二次世界大战后就有较多的研究报道,无机聚合物也是近几年的研究热点,美国开发了一族新颖的无机聚合物,它是以硅为基,这种无机聚合物制成的复合材料,在538℃高温下仍具有稳定性、导热系数低,有极好的热冲击性能和好的烧蚀性能。加工程度与传统的热固性树脂同样容易,而性能相当于金属或陶瓷材料,加工性能相当于聚酰亚胺复合材料。室温下的介电常数ε=3.0,正切损耗tgδ=0.008。使用温度在800℃以内时介

电性能几乎不变化。适用频率范围为3GHz~30GHz,是制作高性能雷达罩的理想材料。

无机聚合物- 聚磷酸盐基材料以其优良的介电性能、耐高温性能、加工方便、低温固化等特性而备受关注。磷酸盐材料体系在800℃以下具有与石英类材料相似的优异介电性能,如石英纤维增强磷酸铬铝基复合材料在20℃~800℃之间,其介电常数为3.65~3.9,介电损耗为0.0085~0.02,磷酸铝在1500~1800℃以下具有稳定的性能。由此可见该体系是一种优良的耐热透波材料。同时该体系还具有成本低、成型工艺简单、生产周期短的特点,是新一代战术导弹天线罩材料的首选。因此开展低成本高性能磷酸盐体系透波材料的研究对发展先进飞行器具有重要意义。国外早在20 世纪60年代就开始研究,前苏联、美国对其应用研究较为全面,国内70年代研究磷酸盐粘结剂,近几年出现了磷酸盐复合材料的论文报道,如华东理工大学、哈尔滨工业大学等。

俄罗斯在透波复合材料研究和应用方面起步比较早,除常规透波复合材料外,早在20世纪90年代中期就进行了结构——防热——透波一体化功能材料的研究和应用。磷酸盐树脂体系体系已广泛的得到应用。具体性能见下表5、表6。

表5

材料 透波率

材料 透波率

料还没有在我国得到实际应用,但不少科研机构已展开研究工作,并制备出了玻璃纤维增强磷酸盐陶瓷的复合材料。其性能如表7,其性能接近于国外磷酸

盐复合材料性能。

材料 透波率

5.3陶瓷复合材料

陶瓷材料先后经过了氧化铝陶瓷、微晶玻璃、石英陶瓷的发展历程。各种陶瓷材料作为透波材料的优缺点如下。

氧化铝是最早应用于天线罩的单一氧化物陶瓷, 它的主要优点是强度高, 硬度大, 不存在雨蚀问题。但其热膨胀系数和弹性模量高导致抗热冲击性能差, 介电常数高并随温度变化过大导致壁厚容差要求高, 给天线罩加工带来困难。

微晶玻璃是美国康宁公司生产的9606 微晶玻璃,它具有天线罩所必须的综合性能: 介电常数低, 损耗角正切小, 耐高温, 高强度, 膨胀系数低以及

介电常数随温度和频率的变化不大, 但其工艺复杂, 成型和晶化处理难以控制。

石英陶瓷是美国Georgia工学院在美国海军的资助下研制成功的。石英陶瓷介点常数低、损耗角正切低和膨胀系数小, 具有同石英玻璃类似的优异性能。同时又具有比石英玻璃小得多的弹性模量, 尤其是介电常数对频率与温度十分稳定, 抗热冲击性能非常好, 从而使它成为高超音速(Ma> 5) 导弹唯一可用的天线罩材料。但是由于它孔隙率高, 故易吸潮, 抗雨蚀性能差。采用有机硅树脂处理, 可改善其防潮性能。

除了氧化物陶瓷外, Si

3N

4

,BN 等氮化物陶瓷也可作为天线罩材料。氮化物

都以共价键结合, 具有高的原子结合强度, 因此高强度、耐高温、抗热冲击, 且强度和硬度在高温下很少下降。以色列研制出一种氮化硅天线罩材料, 其E 约为215~8,tanE< 3×10- 3, 而且具有足够的机械强度, 耐雨蚀、沙蚀性能良好, 可耐1600℃高温。但氮化硅不易烧结, 且残余硅粉对介电性能影响较大。

6.夹层透波复合材料结构简介

由于雷达技术的不断进步,透波材料也相继有了飞速的发展,并且有了不同的结构,近几年有了夹层结构的透波材料,它由蒙皮和芯材组成,可是3、5、7……层。蒙皮由纤维织物与树脂组成,芯子可为蜂窝、泡沫、人工介质,通常采用裱糊法成型;实心半波壁结构,常用于PD雷达天线罩,采用RTM法或缠绕法成型;准半波壁结构,结构型式上是夹层结构,而电性能上是实芯半波壁结构,即人工介质和蒙皮的介电性能是一样的,但人工介质的密度小,解决了PD雷达天线罩的重量与电性能的矛盾,如F-22飞机已用;功能梯度雷达天线罩,它的最大优点是宽频带,可透过2.0-26.5GHz的波段。夹层结构和实心半波壁结构各国都有采用。准半波壁结构美国F-4J飞机、以色列拉维飞机天线罩采用。功能梯度雷达天线罩用于F-22飞机。

适用于夹层结构雷达天线罩的芯材,国外Nomex蜂窝有六角形、过拉伸蜂窝、柔性蜂窝(适用于双曲面)。蜂窝的介电常数可达ε=1.1。各种不同性能不同规格的人工介质材料,以供功能梯度雷达天线罩使用国内只有不同规格的六角形Nomex蜂窝,最近研制出人工介质材料,已用于型号飞机雷达天线罩,获得了满意效果(准半波壁)。

7.展望

未来导弹武器系统的发展对天线罩提出了更高的要求,导弹飞行速度和机动能力的大大提高,要求天线罩必须在更高的工作温度和更恶劣的环境中承受更大负载和热冲击,并有更好的传输物性和更低的瞄准误差率。这就要求天线罩的材料除了在电气上继续满足低介电常数、低损耗特性外,还必须具有极为宽的频带特性,具有高的结构强度和抗雨蚀能力,具有经得住高速气动加热的抗冲击能力和相当高的工作温度以及便于成型加工的特性。这就说明透波复合材料用纤维和基体材料具有很好的应用前景和发展空间。根据国内外的研究现状分析我国未来几年的研究热点将集中于以下几点:

(1)低介电常数的D-玻璃纤维、连续高硅氧玻璃纤维和空芯高强度玻璃纤维等的研制,及织物纺织工艺的研究;超高分子量聚乙烯纤维的研制;其它优异性能纤维的探索、研制。

(2)氰酸酯树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺等基体树脂的制备、改性、共混等的研究。

(3)耐高温透波复合材料:无机聚合物(硅盐、磷酸盐等)、陶瓷、石英玻

璃等的制备工艺及性能的研究。

(4)高性能宽频高透波率天线罩夹层结构的透波材料,及其夹芯材料(蜂窝、泡沫、人工介质等)的研制。