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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要 本课题是为配合“低副瓣地面雷达罩的研制”的研究项目，以玻璃纤维/不饱和聚酷树脂复合材料、聚氨醋泡沫以及聚氨醋泡沫夹层等材料为研究对象，对它们的高频透波性能进行研究。一 一-0 e 述 了 地 面 雷 达 罩 的 发 展 状 况 和 透 波 材 料 的 应 用 情 况，提 出 了 低 副 瓣地面雷达罩的研制要低成本的必要性;介绍了电 磁波在单层介质和夹层结构中的传播方式。研究了玻璃纤维/不饱和聚酷树脂复合材料的树脂含量、空隙率和吸水性等因素在高频下对材料的介电性能及拉伸性能的影响，并找出了较佳的树脂含量和空隙率的范围;同时，用沃兰、A-1 5 1偶联剂对玻璃纤
2、维进行后处理，讨论了偶联剂的处理效果。对聚氨酩泡沫的密度对介电 性能的影响进行了研究，并找出了较为合适的密度范围。分别对玻璃纤维/不饱和聚酷树脂复合材料、聚氨醋泡沫以及聚氨醋泡沫夹层等材料的等效平板的透波性能进行了 研究，确定能满足低副瓣雷达罩要 求 的 材 料 厚 度 和 合 适 的 结 构 了关键词地面雷达罩;透波材料;透波率:介电性能;偶联剂哈尔滨工业大学工学硕士学位论文Ab s t r a c t T h i s i s t h e p ro j e c t t h a t c o o r d i n a t e w i t h l o w s i d e l o b e R a d
3、o m ed e v e l o p m e n t.T h e o b j e c t s o f t h i s s t u d y a r e g l a s s f i b e r/u n s a t u r a t e d p o l y e s t e rc o m p o s i t e,p o l y u r e t h a n e f o a m a n d s a n d w i c h c o n s t r u c t i o n m a d e o f p o l y u r e t h a n ef o a m a n d g l a s s f i b e r/u
4、 n s a t u r a t e d p o l y e s t e r c o m p o s i t e,a n d t h e i r e l e c t r i c a l l yt r a n s p a r e n t p r o p e r t i e s a re s t u d i e d.T h e s i t u a t i o n o f g ro u n d R a d o m e d e v e l o p m e n t a n d e l e c t r i c a l l y t r a n s p a r e n tm a t e r i a l s a
5、 p p l i c a t i o n i s d i s c u s s e d,a n d t h e n e c e s s i t y o f l o w c o s t i s p o i n t e d o u t i nt h e d e v e l o p m e n t o f l o w s i d e l o b e R a d o m e.I n t h e m e a n t i m e t h e w a y o fp ro p a g a t i o n o f m a g n e t i c w a v e i s i n t r o d u c e d.T
6、h e e ff e c t o f t h e f a c t o r s i n c l u d i n g r e s i n c o n t e n t,v o i d c o n t e n t a n d w a t e ra b s o r p t i v i t y o f g l a s s fiber/unsaturated p o l y e s t e r c o m p o s i t e o n d i e l e c t r i c p ro p e r t i e sa n d t e n s i l e p r o p e r t i e s i s s t
7、u d i e d,a n d t h e r a n g e o f b e tt e r r e s i n c o n t e n t a n d v o i dc o n t e n t i s f o u n d.A ft e r g l a s s f i b e r i s t r e a t e d w i t h V o l a n a n d A-1 5 1 c o u p li n g a g e n t,t h e r e s u l t sa r e d i s c u s s e d.T h e e ff e c t o f d e n s i t y o f p
8、o l y u r e t h a n e f o a m s o n d i e l e c t r i c p r o p e r ti e si s s t u d i e d,a n d t h e r a n g e o f b e tt e r d e n s i t y o f p o l y u re t h a n e f o a m i s f o u n d.E l e c t ri c a l ly t r a n s p a r e n t p ro p e r t i e s o f t h e e q u iv a l e n t fl a t p a n e l
9、 o f g l a s sf i b e r/u n s a t u r a t e d p o l y e s t e r c o m p o s i t e,p o l y u r e t h a n e f o a m a n d t h e s a n d w i c hc o n s t r u c t i o n m a d e o f g la s s fi b e r J u n s a t u r a t e d p o l y e s t e r c o m p o s i t e a n dp o l y u r e t h a n e f o a m a r e s
10、t u d i e d re s p e c t i v e l y,a n d t h e t h i c k n e s s o f m a t e r i a l a n da p p ro p r i a t e c o n s t r u c t i o n a re d e t e r mi n e d.K e y w o r d s g r o u n d r a d o m e;e l e c t r i c a l l y t r a n s p a re n t m a t e r i a l;e l e c t r i c a l l y t r a n s p a re
11、 n t r a t i o;d i e l e c t r i c p ro p e r t y;c o u p l i n g a g e n t_ n_哈尔滨_ L 业大学 _ 学硕士学位论文第 1 章绪论1.1 引言 本课题是为了配合哈尔滨玻璃钢研究所“十五”国家重大科技专项行动项 目“低副瓣地面雷达天线罩的研制”而开展的。通过对地面雷达罩常用的玻璃纤维增强塑料、聚氨酌泡沫等聚合物基透波材料高频性能的研究，来确定这些材料在较高频率下的透波性能，从而在工艺控制、材料选择方面为低副瓣罩的研制提供依据。雷达罩的英文为 R a d o m e.是 R a d a r d o m e的缩写，译为
12、“雷达半圆式顶罩”，是一种放置于天线周围以保护天线不受环境影响、全天候工作的结构。由于它采用了透波性能较好的材料，所以，在保护雷达天线的同时，对雷达的电性能影响较小。地面雷达罩用于保护地面雷达，使雷达天线能够在大风、雨、雪、冰雹、盐雾等恶劣的环境下正常工作。采用地面雷达罩的优点主要体现在不仅可以保证雷达全天候稳定而可靠的工作，而且还能使设备减少维修，延长寿命:节省能源，简化了天线和伺服的 结构，使其重量大大减轻，从而 减小了电 机的驱动功 率。总 之，雷达加罩的综合效益是十分明显的n-Z j。但是由于雷达罩的使用，在雷达天线发射和接收电 磁波的路径上引入了 介质，在一定程度上 将会使雷达的电
13、气性能有所下降，如天线的增益下降、方向图的畸变、副瓣电平的抬高、瞄准精度的降低 等f 3 1，因此，雷达罩的选材和设计都是以 尽量减小介质 对天线电性能的影响为目 的。由 于雷达抗干扰、反地物杂波、降 低环境噪声、反导弹 辐射、无缘电子 侦察和无援定位 等的需 要，现代雷 达均要 求天线具有低副瓣的 性能。近年来，我国具有抗干扰能力的地面雷达低副瓣地面雷达已相继研制成功，副 瓣最低可达到一 5 d B，而与之相匹 配的 雷达罩目 前尚未研制出来。常规的雷达罩都满足不了低副瓣雷达的要求 4 1，加罩后将引起副瓣电 平抬高较多，一般将达到 5-I O d B s ，使先进雷达的抗干扰能力无法体现，
14、所以，高性能的雷达罩的研制非常迫切。采用玻璃纤 维复合材料手糊成 型地面雷达罩在我国己有三十多 年的历一 盆 一 哈尔滨土业大学土学硕士学位论文.国旦旦旦口 口砚口 口.鱼里 口 妞 旦 口 互里 口.口口 目里 口且巨巨 旦 目.口.里，.口巨.史了，由 于所配套的雷达 天线的 频率不高，副瓣水 平比较 高，因 此，雷达罩的 透波率基本上都可达到 9 0%以 上，副瓣抬高也不显著，雷达效果与 材料厚度及物性的关系不 大。而新型雷达罩对透 波的要 求很高，最重要的是它的使用频率较高，材料本身的物性和厚 度无疑 将对透波性能产生影响。从低成本的角度出发，将以简单的工艺、常规材料制造高性能的 雷达
15、罩作为 本研究 最终的目 的。由 于工艺中人为的因 素比 较大，理论的 推算 往往由于近似的假设以及材料的不均匀性使估算的结果与实际相差很大，因此，通过实测的方法对高频下材料的一些物性进行测试和分析，进一步确定工艺的控制点;同时，通过对常规材料(玻璃钢)、聚氨酩泡沫及其夹层透波性能的 研究，关注透波性能的同时，兼顾材料的结构 性能，进而确定上述透波材料用于高性能罩的可行性。1.2 雷达罩的发展情况 雷 达罩作为雷达天线的保护装置，已广泛地应用于地面、航海、七 机及导弹的电子系统等方面，成为雷达工作不可缺少的屏障。下面将以地面雷达罩的发展为主，论述国内外雷达罩的发展情况。世界上第一部雷达罩一九四
16、一年三月在美国诞生，它是一部 由有机玻璃制成的半 球形 机载雷达罩，用于保 护一部装于Ll-1 8 A 飞机上的S 波段、由西方电气公司研制的雷达 e)。从一九四三年开始，机载雷达罩采用胶合板来制作 川，并同时应用于海军鱼雷快艇和小型飞 艇以及地面设施中。第一部大型地面雷达天线罩(直径为 1 5 m的截球)是一九四六年由美国 康耐尔 (C o r n e l l)航空实验室研制成功的。它们是由 柔性材料制 成的、气密性很好的雷达罩，使用时需内 充高压气体，使 其成型圈。这些充气雷达罩的蒙皮.一般较薄，透波性能优良，在很宽雷达频率范围内，可以以较高的透波率工作。充气罩机动性好，特别适用于空运、空
17、投或者需要极其灵活和最短时间拼接的陆 地雷达系 统，例如，一个 1 5 m直径的天线罩，在阵 地的 基础设施和辅 助设 施都准备完毕的 情况下，架设时间仅需1 至2 h !。但是，充气罩存在着不少缺点，首先是雷达罩木身没有自支撑能力，要求在工作时罩内维持一定的压力，为此需相应地 配备增压系统及一系列辅助设备，以保证罩内尽可能充有一定数量的气体。其次，5 0年代的蒙皮一2一 哈尔滨工业大学 L 学硕士学位沦文.里.目.巨里一旦 一一里，一旦 里口一材料性能 较差，难以 解决恶劣环境引 起的 漏气和老化问 题。三是当时的 机械增压系统结构落后复杂，易出 故障 川。另外，充 气罩的分块象“西瓜皮”一
18、样，其接缝导 致的天线副瓣电 平的有规律抬高，难以消除 a i l由 于这一系列缺点，从5 0 年代中期起，柔性雷达罩开始大量被刚性雷 达罩 所替代。刚性罩的特点 是自 支撑性、抗风能力强，它们基 本 L 是分块结构，易于运输 和装配。一九五六年美国 麻省理工学院林肯 研究所 研制成功第一部直径为 1 7 m的塑料空间骨架 雷达罩，用于远程警戒雷 达。一九 六 0年，英国也在新英格兰的 海斯 塔克建 造了 直径 4 6 m 的 金属空间J骨 架雷达罩o z l。六年代，日 本研制了 1 7 m的塑料空间骨架罩 及用在“富士山”雷 达上的金属空间 骨架罩阴。这样，空间 骨架式天线罩为 代表的 刚
19、性罩逐渐取代了充 气罩 1 4 1，空间骨架式刚 性罩成为 7 0-8 0年代 雷达罩的土流。当时的“赫斯台克”天 线罩是最臾型的 空间 骨架天线罩，它直径为4 6 m,7/8 截球，蒙皮为0.B m m 的薄 玻璃钢板，以金属铝的型材做骨架，它达到了 要获得“一个频率直到l O G H z 的具有高灵 敏度的多 功能系统”的目 的 1 5 l。刚 性罩 虽然克服 表 1-1空间骨架罩的透波性能表 T a b le 1-1 E le c t ri c a ll y t r a n s p a r e n ce p r o p e r t i e s o f s p a c e f r a me
20、 r a d o m e雷达罩类型直径，m频率波段传 输功率，%介质空间骨架1 6.8S7 9-8 9金属空间骨架28.3L8 3金属空间骨架33.5UHF8 7金属空间骨架45.7UHF8 5了柔性罩的缺点，但在电气性能方面实际上作出了一定的牺牲。空间骨架罩的透波 性能见 表 1-1 11 6 1.与此同时，另一类刚性罩夹层罩得到了发展。夹层结构是由薄的蒙皮和 低密度的芯材所构成的，这保证了 在所需的 频率内 的高透波率。但由于此罩的 应用频率狭窄，制造 工艺的 成本很高，因 此，地面雷达罩方面的应用还相当 有限，而机载 雷达罩 和船载雷达罩应用的多些 l v l。随着透波性能 要求的提高，
21、工艺和材料上的进步，夹层罩愈来愈受到重视，逐渐成为高性能罩的首选1 1 8 1 到八 I-年代末，雷达罩的研制主要集中在罩体的低副瓣性能上，即雷一3 一达罩对天线的副瓣影响要尽量降低到规定值。美国组织麻省理工学院和多家大公司进行了大量的理论计算和试验，花了近一 I 一 年的时间于八一 I 一 年代末解决了旅低副瓣抬高的难题。E s s c。公司成功地研制出副瓣仅抬高 1-2 d B的气象夹层式雷达罩，在低副瓣方面上处 于领先，并投入了 批量生产1 1 9 1，其透波 指标见表1-2.由于材料的发展，美国化学制造公司于九十年代初，采用新型蒙皮材料 R A Y U E L(玻 璃纤 维增强 聚四
22、氟乙烯)，制成了新 型充气式雷达罩。这种天线罩 无论是透波还是副 瓣电 平方面都达到了很好的效 果，同 时，在增压系统的 支持下，抗风能力也 达到了6 7 m/s o 1 0 表 1-2 E s s c。夹层罩透波性能T a b le l-2 E s s c o s a n d w i c h r a d o me p r o p e r ti e s o f e l e c t r ic a ll y t r a n s p a r e n c e频率波段L波段S波段C波段X波段壑UHZ1.0 3 1.42.7-3.05.6 0 5.659.0 9.2功率损耗 d B0.1-0.20.20.
23、20.3透波率，%9 5.5 9 779 5.595.593 在我国，雷达罩的研制是从五十 年代初几家飞机 制造厂仿制苏 联的歼击机机头罩开始的叫，同时，几家研究所在生产小型舰载雷达罩和 潜艇用的 雷达罩馈 源罩以 及导弹头雷达 罩进行了 探索。大型 地面雷 达罩的研制始于一九 六三 年的2 0 m 频扫雷 达充 气罩，一九六五年由南 京十四 所、上海玻璃钢研究所等单 位的 合作下完成的直 径 4 4 m 的A 一 夹层玻璃 钢骨架3/4 截球雷达罩供精密跟踪雷达用，这是我国刚性罩研制的开始。“六五”期间，在空军雷达兵部 和国 家建材局的统 一领导下，哈尔滨玻 璃钢研究所(简称哈玻 所)和上海
24、玻璃钢研究所(简称上玻所)等单位针对当时国防的需要，对地面雷达罩进行攻关，相继完成了介质空间骨架、蜂窝夹层等结构雷达罩的研制，形成截球直径分别为 1 7 m,2 3 m,2 5 m等系列规格，满足了实际需要。九十年代初，哈玻所根据我国南部沿海台风较大，现有雷达罩的抗风能力己 无法-4-哈尔滨 _ 业大学上学硕士学位论文满足要求的情况，研制出了金属空间骨架刚性雷达罩，抗风能力达到在 6 7 m/s表1-3 各 类结 构的 天线罩的透波性能比较 t u iT a b l e l 一k i n d s o f r a d o me c o m p a r i s o n o f e l e c t
25、r ic al l y t r a n s p a r e n c e p r o p e r t i e s速风的情况下，雷达罩不破坏，与当时世界上先进国家雷达罩的抗风水平接近。八十年代后期，北京彩电中 心微波塔楼和中 央电视 塔上的微波房采用了刚性的泡沫做微波透波墙，在宽频带方面达到了很好的效果。九十年代后期，哈玻 所与 南京十四 所合作，制成了 直径 2 8 m 的夹层罩，对泡 沫夹层大型地面雷达罩进行了探索。目 前，各地面雷达罩的生产厂家正在进行低副瓣雷达罩的研制。综观国内 外地面雷达罩的发展，如表 1-3所示，我国雷达罩的发展水平还比较落后，因此，必须尽快提高我国雷达罩的水平。3 透
26、波材料3.1 概述 透波材料，是电 磁波照射其上能够透过的材料，主要应用于作电磁窗(E l e c t r o m a g n e t i c s w i n d o i r s)。电磁窗是电 磁波进出的窗口，作为 一种结构，它 是用来保护雷达天 线或整个微波系统(包括雷达和通讯系统)不受环-5-哈尔滨1业大学工学硕士学位论文.里.里.巨.鱼 旦 旦.旦 旦 旦.境影响 而 损 坏。保 护雷 达用的 雷 达罩，供彩电 中 心、微波塔楼、微波中 继站、保 护 通信天 线 及微波设 备电 磁窗口 用的 透波 墙，天 线馈 源和 相 位校正 透 镜用的罩都采用了透波材料。透波材料是对电磁波的“透明材
27、料”，当 然，“透明”是相对的，电 磁波在通过介质的时 候，多 少将损失一些电 磁波透过的能 量，其直 接的后果就是减少雷达的最大作用距离。对于一个特定的目 标来说，最大作用距离是与雷达罩传输功率系数的平方成正比。透过能量的损失的原因是山于罩子对电磁波的反射与吸收。吸收是由于介质损耗使电能变成热而引起的，它与材料厚度、损耗角正切和电 磁波的频率有关，而反射则是由 于自 由 空间与罩子材料的介电常数不同，部分能量向回反射L2 3-2 9 1。因此，作为透波材料必须具有较小的能 耗和相 位滞后，介电 常数 和 损耗角正切 t 9 6 是衡量材料 透波性能的两个基本参量。透波材料从成分上可分为无机材
28、料(如:氧化铝陶瓷、玻璃陶瓷、石英玻璃和钦酸盐铝等)和有机材料(如:聚苯乙烯、聚乙烯、聚氨酷、聚氨酷泡沫和树脂基玻璃纤维复合材料等);从应用上又可分为低温材料、中温材料和高温材料。一般来说，地面雷达天线罩多 用低温有机材料(玻璃纤维增强塑 料)，温度在 一 4 0 到 6 0 1C:机载雷达罩多 用中 温玻 璃钢 材料，温度在一 4 0 到 9 0 C，最大不超过 l o o*c;而宇航器(导弹，卫星或航天飞机等)雷达罩，多用高温无机材料，温度在 2 5 0 以上。另外，雷达罩材料按其组成还可以 分为单一成分(纯净)材料和两种以上材料组成的复合材料。常用的 材料介电 性能列于表1-4 6 1
29、0大多 数民 用 和军 用的飞 机、地面 车辆以 及固 定的 地面天线 罩 采用有机材 料作罩壁，而这种材料的 机械性能在 2 5 0 0 C开始降低，即使最佳的 材料也只能在 5 0 0 0 C 坚持很短时间12 5 1。因 此，高 温应用，如超音速导弹，常常采用无机天线罩材料，象铝土(铝氧化物)、高 温陶瓷、以 及 射线陶瓷(都是 茧 青石)都已 广泛 地应用 在工 作于 低于4 马 赫的 飞行 起中。注 浆熔炼硅(一 种 氧化硅的形式)不仅适用于高温，还具有较高的电 性能，并提高了 抗热冲击的能力，它曾 被用于超过8 马 赫的重返大气层的 载体上。最近开发了 一种高 温树脂用于石英为 基
30、底的3 D 复合材料以 及短切纤维填充的浇注复合物中2 6 1这种3 D 石英具有较好的抗热冲击能力并用于高超音速导弹或重返大气层的一6 一 表 1-4.室温 卜 的介电 性能T a b l e l 礴D i e le c t r ic p r o p e r t ie s o f m a t e r i a l s u n d e r r o o m t e m p e r a t u r e材料频率 4介 电 常 数损耗正切fl I z八妇门n曰nU月OSA主户n .:口q介q甘月任q户r 一 玻璃增强塑料 选择物5 0 0 3 C o r d o H 2 0 0 0 美国聚合物P 6 8
31、 0 环氧8 2 8 和t o n o x C o r d o G-2 1 3 M D C 2 1 0 6 D C 7 1 4 1耐高温玻璃E 一 玻璃S 9 9 4 玻璃D 5 5 6 玻璃聚异 一 烯树脂聚苯乙烯聚四氟乙烯D u r o i d氧化铝氧化被熔融硅石英氮化硼磷酸铝玻璃纤维薄板聚苯并咪哇S 玻璃薄板石英一 D C 2 1 0 6 薄板水雪冰8.5 01 0.01 0.01 0.01 0.08.6 01 0.08.5 01 0.01 0.01 0.01 0.08.5 01 0.08.5 01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.09.0 01 0.01
32、 0.01 0.04.2 04.3 04.3 04.吐 04.4 04.3 04.1 05.5 06.1 05.3 04.()()2.6 02.5 42.0 82.7 09.2 06.5 04.5 03.2 08 1.01.3 03.2 00.01 2 00.01 0 00.0 1 2 00.0 1 6 00.01 3 00.0 0 7 00.0 0 5 00.0 0 0 30.0 0 6 00.0 0 7 00.0 0 3 00.01 5 00.0 0 0 40.0 0 0 40.0 0 3 00.0 0 0 30.0 0 0 30.0 0 0 20.0 0 0 10.0 0 0 10.0
33、0 9 00.01 1 00.0 0 3 00.5 5 0 00.0 0 0 50.0 0 0 8一 7 一 哈尔滨土业大学土学硕士学位论文.里，.巨口.里里.天线 窗中。用这 种 材料 制 造的 结 构 经 测 试在 使 用 温度 超 过1 9 0 0 0 C时 传 输性能的变化还非常微小。许多现代军 用传感 器采用了 双模式工作方式来提高目 标识别能力，目前人多 数这样的 传感器为红 外I R 范围 和 微 波或毫米 波R F 范围，它们采用了独立的 传感 器窗口，但两 种传感 器采 用一 个窗日 已 成为 趋 势。双模式罩对 材料的 要求为:1.小 损耗角正 切，即 在 微波和毫米 频带
34、都有t a n S 0.0 1;2.高温机械性能，尤其是抗热冲击能力。这使材料选择余地变小。在乔治亚理工学院 研究者们研究了 硒化 锌和硫化锌用于光 学窗口 的 潜在能力2 7 1德州仪器“T)也研究了 砷化稼 作为 一种潜在的 双模式材料2 8 1砷化镍比 硒化锌或 硫化 锌更 硬并且 抗雨 水能 力也 更好。通 用电 气(G E)研究了 化 学沉积的 氮化硅作为 一种双模式窗的 可能性 2 9 1.G r E 的实验室也对透明的多晶体氧化钻在 I R 中 的 应用 进行了 研究3 0 1圆 顶罩 可以 被 均压地 烧结 和 挤压，这是一 种较为经济的制造过程。美国 海军研究室进行了 一种研
35、究来识别 8 0种适合于双模式窗的陶瓷 材料a il，这些包括:1。富铝红柱石;2.锗富铝红柱石;3.铝化硼;4.锗酸锌;5.锗酸 牡;6.艳榴石;7.钦酸铅:8.硫酸悯钙。在最近的几年里，儿种新型中 等 范围I R 材 料己 经 找 到，这 包括 经 氧 化 悯 加固 的 氧化 忆(L S Y)o 这 些 新型 材料的物理和电 性能在文献【3 2 1 中 进行了 报导。1.3.2 雷达革用聚合物基透波材料 天 线罩(机载、地面)从产生的 那天起，就与聚合物基体材料密不可分。从 充 气罩 的 柔 性有 机 材 料(单 层 的 涂 覆 氯 丁 橡 胶 的 涤 纶 或 尼 龙 纤 维 等)，到目
36、前 较为 常 用的 硬质泡 沫、玻 璃纤 维增强 塑 料以 及先进的 玻 璃纤维 增强聚四 氟乙 烯蒙 皮，都以 有 机聚 合物为 基 体所合成的 材 料为主。聚 合 物 基 体 一 般 来 说 都 具 有 较 好 的 介 电 性能，、t a n S 都 较小，因 此，所能引 起的 介电 损 耗也 就比 较小，传 输性能 就 较高。在体 积比 较小、强 度要求 不 高 的 情况 下，可单 纯 地 使 用 有机 材 料 进 行 整 体 成型 罩 体，尤 其是 在 毫米波波段。表1-5.列出了 这 样的 材 料的 介电 性能3 3 1 洲。一忍 一哈尔滨1 _ 业大学工学硕士学位论文 表1-5.某
37、些普通塑料的介电 性能T a b l e t-5 D i e l e c t r ic c o n s ta n t o f s o m e o r d i n a r y p l ast i c s材料X 波段的介电常数X 波段的损耗正切K a 波段介电常数K a 波段的损耗正切Re xo lit e尼龙聚四氟乙烯聚苯乙烯硅橡胶聚乙烯 2.5 43.03-3.2 1 2.1 0 2.55 2.59 2:25 0.00 05().01 4-0.02 0.00 03 0.00 04 0.01 5 0.00 0 4 2.6 0 3.6 02.8 0-2.1 0 2.5 4 2.61 2.28 0.
38、002 0.02().0 0 06 一).0 1 1 10.00 05 3-0.0 01 0.02 0.00 7注:X波段:S G H z-1 2 G H z;K a 波段:2 7 G H z-4 0 G H z表1-6.纤维与树脂的介电性能(X 波段)T a b le t-6 D i e l e c t r i c p r o p e r t i e s o f f i b e r a n d r e s i n材料分类材料名称介电常数损耗角正切增强材料树脂 E 一 玻璃 5 一 玻璃 D 一 玻璃 聚乙烯(S p e c t r a)K e v l a r 石英 聚酷D A P 树脂聚丁二
39、烯环氧树脂 聚酞胺 佩酸I N6.1 05.2 04.0 02.2 54.1 03.8 02.9 53.5 03.833.603.1 02.860.0 04 00.007 00.0 0 5 00.00 040.02 000.00 010.02 600.01 500.0 1 5 00.0 4 0 00.0 055().0 05 0 对于处于微波频段的雷达罩来说，由 于使用时要求结 构强度比较高，大都采用以热固性树脂作基体、玻璃纤维作增强材料的复合材料作罩体的蒙一 9 一哈尔滨 1:业大学_ L学硕士学位 论文.，.口 里.，.旦.口皮。同 时，为 了 提高 电 气 性 能，并 结 合 力 学 和
40、 稳定 的 需 要，往 往 将 低 密 度 的芯材引入作夹 心天线罩。就 IR 界 范 围 而言，玻 璃 纤 维 增 强 塑 料 是 从1 9 4 0 年 以 后 才 开 始 起 步 的 X3 5这儿乎与天 线罩的 发展同 步。这种材料 优异的 综合性能(电气和结 构)取决于两种原材料的复 合效果，表1-6示出了目 前比较常用的纤维和树脂系 统的 介电 特性，3 t 。可以 看出:原 材料中，作为 增强材料S p e c t r a(高强度的聚乙 烯纤维)介电性能 非常 优越，非常适合于低损耗天线罩，但成本过高;玻璃纤维中，各 具特点:E-玻璃成本低、S 一 玻 璃高 强、D 一 玻璃电性能好
41、 而强度低，后两者成本 都较高。树脂中氰酸酷、聚 酩性能较优 将增强 材料与 聚合 物相复合，得到的介电 特性见表1-1.3 5-3 7 0 表 1-7聚合物 基复合 材料的介电 性能T a b l e l-7 D i e l e c t ri c p r o p e rt i e s o f p o l y m e r m a t ri x c o m p o s i t e s增强材料E 一 玻璃纤维相对介电常数 4.4 4.1 5 4.70，曰50八乙n“几jnIJln尸n6la16峥八q山飞.胜咋n么2.D 一 玻璃纤维 高模量聚乙烯纤维(S p e c t r a)3。452。8 0
42、K e v l a r 纤维石英玻璃纤维:损耗角正切 ().01 6 0.01 5 0.01 4 0.00 9 0.00 4 0.00 7 0.00 3 0.05 0 0.01 1 0.01 2 0.00 5 0.00 6 0.00 3 0.00 93.3J33.树脂 环氧 聚酷 聚酞胺 氰酸醋 环氧 聚南 氰酸醋 聚醋 环氧 聚醋 聚酞胺 氰酸醋 聚丁二烯O i s m a t e i m i d e 综合考虑成本和介电性能，一般选择不饱和聚酷树脂作为 基体材料，增强材料如无特殊的要求一般选择 E 一 玻璃纤维的编织物，它们所复合成型的 E-玻璃纤维、不饱和聚酷树脂复合材料的力学性能也完全可
43、以满足结构要一 1 0-哈尔滨工业大学土学硕士学位论文.国鱼.旦.曰.目求。一 般 E 一 玻璃纤维 不饱和聚醋树 脂复 合材料的 主要力学性能如下:拉伸强度2 0 0 M P a,弯曲 强度 2 8 0 M P a,剪 切强 度 9 2 M P a，压缩强度 2 0 9 M p a，拉仲模量1 3.8 G P a,弯曲 模量1 2 G P a 0 a。夹层罩中常用的芯材多为 低密度、低损耗的 材料，例如:蜂窝材料和泡沫 材料。由 于夹心材料的 采用，使天线罩的介电 性能有 所提高，结构更趋合理。在航天工业中，N o m e x 蜂窝是首 屈一指的蜂窝结构 芯材，它可工作到3 6 0 0 F,
44、是一种 a r a m i d 蜂窝芯材，并具有大约 1.1 3的 相对介电常数和大约 0.0 0 5的损耗正 切。标 准的 酚醛树脂玻璃增 强型蜂窝可工作到 3 5 0 0 F,这些 蜂窝具有 1.3 5 左右的 相对介电 常数以及 0.0 0 1 左右的 损耗正切，但蜂窝的 各向 异性对毫 米波 频率的 透波性能将产生影响。还有许多其他的蜂窝 材料，它们适合于更高的 温度工作，例如聚酞 胺树脂浸渍玻璃布蜂窝，它可以工作到 5 0 0 0 F o 聚 氨醋泡沫由 于其各向同性且透波性能优异，己 成为雷达罩最为常用的 芯层材料。泡 沫的 柔韧性和刚度依 赖于 它的密度，天线罩 一般 采用的 材
45、料的 密度为0.2 1 -0.5g/cue范围内3 9-4 0 1，这一密度范围 分别对应于从 1.0 5 到1.3 0范围的相对介电 常数。发泡材料的 透波性能在 毫米波的频率范围内 受频率的影响不大，发泡材料已 被用 于大于 1 0 0 G H z 的频率上。1.4 研究的目的、意义和内容1.4.1 研究的目的和意义 本课题的 立足点是，选用国 产的 材料，在简易的 工艺、装备条件下，对雷达罩 用聚合物基透波 材料的 透波性能进行研究，从而为 研制既经济又实用的、具 有国内 先进水平的 雷达罩作准备。课题主要通过对地面雷达罩常用的玻璃纤维增强塑料、聚氨酷泡沫及二者所 制成的夹层结构等 聚合
46、物基透波材料的高频(C波段)透波性能的 研究，从 而在工艺控制、材料和结构的 选择方面为 低副 瓣罩的研制提供依 据。低副瓣天线罩的 研制的最终目 的是将罩体对天线的副瓣的影响降低到最 低。目 前较为一致的 看法是:副瓣电平的 抬高 与无罩时的副瓣电 平和罩 体的 透波率有很大的关系 4 1 4 3 1，可以说雷达罩的 透波率的提高是 减小副瓣电平的 抬 高 的 一 个 手段。因 此，只 有 很 好 城 掌 握 材 料 的 透 波 特 性，才 能 为 雷 达一 U 一 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目口口 口口口口.口罩的研制打下一个牢固的基础。低副瓣天线罩的研制工作主要针对 5.3-5.9
47、G H z的频率下的水平极化低副瓣雷达，要求单板的透波率要达到 9 7%,整罩的透波率达到 9 3%。从目前的水平看，存在一定的难度，在频率提高的情况下，单板的透波率将从目前的 9 4%,提高到 9 7%,整罩的透波率将从 9 0%提高到 9 3%，这本身就比较困难，况且同时还要保证 6 7 m/s 的抗风能力。另外，在高频率、高透波的前提下，应将罩体的应用频带达到 1 0%的带宽，高透波 与宽频带是对矛盾，这是课题的另一个难点。所以，必须对材料本身的透波性能实际测量，抓住工艺控制点，细化手糊工艺，才有可能获得成功。4.2 研究的内容玻璃纤维/聚酷树脂复合材料电气性能的研究。通过研究玻璃纤维/
48、聚醋树脂复合材料的含胶量、空隙率、吸水性等因素对材料介电性能的影响，可 以为工艺控制方面提供可靠的控制参数，以保证材料高透波率的实现;同时，对等效平板透波性能进行研究，为天线罩的电气设计提供依据。聚氨酷泡沫电性能的研究。研究聚氨酷泡沫的密度对介电性能的影响和聚氨酣泡沫的透波性能。玻璃纤维/聚酷树脂复合材料作蒙皮，聚氨醋泡沫作芯材的夹层结构的透波性能的研究，对高透波材料的性能进行探索。一!a-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 2 章材料透过电磁波的原理 电磁波透过材料时，同时将伴随着能量的损失，能量损失的原因是由于材料对电磁波的反 射与吸 收。一般可以 用下式来 表示;T 2+I R I +A
49、=1 (2-1)式中I TI -功率传输系 数;!R 2 功率反射系数;A 在介质中的衰减，主要为热损耗。材料透过电 磁波的多少，取决于材料本身的介电性能(、t a n S)、结构、厚度、入射角度等，下面就单层平板结构和对称夹层结构的透过电磁波原理简述如下:产 月 书 皮反别彼医 3 2-1 单层 板助 射与反 射F i g a r e 2-1 W a v e t r a n s p a r e n c e a n d ref l e c t i o n i n fla t p a n e l2.1 单层平板的透波 当电磁波 自 介质 b 区入射到介质 a区时，由于 a,b介质的介电常数不一!
50、3-哈尔滨r业大学工学硕士学位论文.目.砚组鱿旦里国塑旦旦口口目目口组同，一部分能量在单 层平板的前 壁被反射，另一 部分 被透射;而透射的电磁波在a 介质的 后壁 又发生反射，且其中又有 一部 分能 量通过前壁，与 前 壁反射的电磁波相 迭加，其余的电 磁波就是透过a 介 质的电 磁波，透射、反 射情况见图 2-1。在电磁波的传输过程中，将有一部分能量由于介质损耗使电能变成热而损失。水平极化电磁波能量的损失 A与厚度、波长介电性能有关，一般可以表示为:A=(2 n d/a)(e t a n S)/(!-s i n e y)(2-2)式中入 电磁波的波长，m;。介质a 的介电常数;t a n