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1、第期郭笑坤 等：低介质损耗雷达罩用复合材料的研究进展 6 ,-29-前言 电子战是现代战争重要形式之一。雷达也由早期探测、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（、等）全频带UHFLSCXKu1。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。雷达罩材料分有机雷达罩材料和无机雷达罩材料两种。有机雷达罩材料一般指以树脂为基体，玻璃纤维或有机纤维为增强材料制成的复合材料；后者常指耐高温的非金属无机陶瓷。本文主要综述了用于雷达罩的低介质损耗树脂基复合材料的研究进展。
2、电性能要求1 先进雷达罩对材料的电气性能提出了更高的要求：多波段全频带 高透波、低反射与衰减 雷达罩应能满足当雷达工作时，罩体的存在基本不影响雷达的探测性能，即具有高的透波率和低的反射率和吸收率2,3。对于有耗材料，功率透过系数|、功率反射系数|、介质中总吸收遵守能量守恒规律 3。|1 L与材料的损耗正切、厚度、介电常数和波 的入射角密切相关，随着 tg的增加，吸收部分的 能 量 L也增加，并以热的形式释放。如果热产 生的速度大于散失的速度，这部分能量就会在材料内部逐渐聚集起来，以至烧毁雷达罩。同时，随 着 L的增加，透波率也将下降。所以，雷达罩 用复合材料，应当具有低的介电损耗，一方面提高雷
3、达罩透波率，一方面降低电磁波在材料中的衰减及造成的热耗。雷达罩用复合材料除应满足上述宽频、低损耗介电性能要求外，还需保证其引起的天线频带、副瓣电平和极化特性等基本参数偏差在允许范围之内；在使用温度下有足够的力学及热冲击性能；具有良好的耐高、低温性能和耐环境性能，其电气和机械性能应不受环境条件变化的影响，尤其各项电性能指标应当具有相对的温度稳定性；并应当易于成型，具有良好工艺性和经济性等。雷达罩用复合材料2 增强纤维2.1 目前，飞机和导弹雷达罩常用的增强纤维有：玻璃纤维、芳纶、石英纤维和聚乙烯纤维等。各种纤维的性能见表 14,5。碳 纤 碳 布 芳 纶 芳 纶 布 混 杂 布 蜂 窝 芯 富
4、阳 特 纤 所 0 5 7 1-6 3 3 7 3 2 3 6低介质损耗雷达罩用复合材料的研究进展郭笑坤，殷立新，詹茂盛（北京航空航天大学 材料科学与工程学院，北京）100083摘要 :介绍了先进雷达罩对罩体材料宽频、低介电损耗值等电性能的要求，并综述了用于雷达罩的聚合物基复合材料的研究进展。关键词:低介电损耗；雷达罩；树脂基复合材料中图分类号:TN957.2;TB34 文献标识码:A文章编号:（）1007-9815200306-0029-05第卷第期 28 6 2003年月12高 科 技 纤 维 与 应 用Hi-Tech Fiber&ApplicationVol.28,No.6Dec.,20
5、03收稿日期:；修定日期2003-11-20:2003-12-09作者简介:郭笑坤（），男，甘肃兰州人，硕士，主要从事功能高分子和树脂基复合材料的研究。1977-TRLRTL2222-30-高科技纤维与应用第卷 28 玻璃纤维是雷达罩用复合材料中最常用的增强材料，分为：、等类型。新型低介EDRS 电玻璃纤维是一种硅硼纤维（的 D 72%75 SiO2，的23 B2O3），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 2000GRIPEN JAS 39、上都有应用，最近还被HAWK 200HARRIER 用于，其性价比很高 RAFALE6。芳纶比刚度高、比
6、强度高、耐冲击性能耗，因而在航空结构中受到广泛关注。波音公司的 直升机用芳纶复合材料，每减重率CH-46 g 28.5。然而它存在横向强度低、吸湿严重等缺陷。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。采用与其他纤维混杂的方法，可以获得优良的综合性能7,8。石英纤维具有优异的介电性能，同时热膨胀系数极小，硬度高，寿命更长，维修性能更好，同时可以获得较明显的质量减轻效果。芳纶雷达罩在新制状态下试验性能良好，但由于吸湿等造成的损伤使其透波率不断降低，需要频繁修理，而修理时容易损坏罩子表面，从而使水侵入，造成永久的盲区，而石英纤维则避免了这一点。另外
7、，芳纶的拉伸强度超过了树脂的粘接强度，打磨时可能将纤维从树脂中拔出并脱落。石英纤维较硬，因而在修理中不易损伤，可以反复修理十几次。石英纤维由于价格昂贵，并未广泛使用，最近美国公司许可，在民用运输机 Norton F100 上首次应用了石英 环氧雷达罩。其透波率较之良/好的玻璃纤维 环氧雷达罩高出/1.5%2%9。聚乙烯纤维是密度最小，介电性能优良的一种增强纤维，由于其表面惰性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如和系列，强度 Dyneema Spectra 高、不吸水，抗冲击，在波段至波段范围 X
8、mm 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。纤维混杂是复合材料力学性能设计中十分有效的方法，采用与玻璃纤维混杂，构成一种刚 Spectra 硬、高抗压的复合材料。同样，混杂也能优化材料的电性能。例如玻璃纤维（）复 Spectra/25/75合材料的介电常数为；石英混杂体系 2.9Spectra/能够获得优良的电 机械性能/10。树脂基体2.2 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
9、树脂、有机硅树脂、酚醛树脂等，在基体材料的选用上也开始占据越来越大的比例，各种树脂介电性能的对比如表所示 2 3。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 碳 纤 维 补 强 片 材 杭 州 索 奇 先 进 复 材 公 司 0 5 7 1-6 3 3 3 1 3 3 8表各种增强纤维的性能1 *纤维类型密度/(gcm )吸湿率/%介电常数 损耗角正切tg 拉伸强度/GPa杨氏模量/GPaE玻璃纤维2.560.0016.100.003 83.5073.5D玻璃纤维2.164.000.002 62.4552.5R玻璃纤
10、维2.495.200.006 84.4686.8S玻璃纤维2.495.200.006 84.66高氧硅纤维2.200.000 20.875-1.7573.5石英*2.200 3.800.000 23.6078.0Kevlar491.450.0503.800.001 03.60131.0 Spectra&Dyneema0.972.230.000 43.00172.4 ；介电性能测试温度：；测试频率：。*Astroquartz-492010GHz-3第期郭笑坤 等：低介质损耗雷达罩用复合材料的研究进展 6 ,-31-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
11、 A 酚型产量最大 A 11。但双酚生产过程中无可避A免要引入部分有机氯杂质，会损失一定的介电性能，梁平辉等12采用脂环族多元醇为原料，在路易斯酸催化剂作用下与环氧氯丙烷反应，合成出新型脂环族缩水甘油醚型环氧树脂，具有良好的机械电气性能；谢美然等13使用脂环族烯烃类化合物经过环氧化反应制备了种液体脂环族环氧 3 化 合 物，其 总 体 性 能 好 于 国 外 同 类 产 品。ERL4221氰酸酯树脂是目前国内研究的热点，国外在年代已经在雷达罩上大量使用。它具有出色1980 的介电性能，绝对数值和相对温度稳定性均好于环氧树脂，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
12、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15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。对其共固化反应体系反应动力学的研究结果表明，随着固化产物中三嗪环结构含量增加，聚醚结构减少，玻璃化转变温度升高，耐热性能、介电性能提高。秦华宇等16进行了一系列对氰酸酯树脂改性的研究，除了研究环氧改性氰酸酯外，还研究了双酚 型氰酸酯树脂、双 马 4,4-来酰亚胺基二苯甲烷和环氧树脂三元共聚体 E-51 系，用其做基体、玻璃纤维做增强材
13、料的E 复合材料介电常数和介电损耗分别为和 3.7 0.0138（1），0GHz并具有良好的其他力学性能。尹剑波等17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，介电损耗角 2.25tg 10-4（）。10kHz聚酰亚胺近年来研究报道较多，它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（如表所示），并且在宽广的 3 温度和频率范围内仍能保持较高水平18，其机械碳 纤 碳 布 芳 纶 芳 纶 布 混 杂 布 蜂 窝 芯 富 阳 特 纤 所 0 5 7 1-6 3 3 7 3 2 3 6表各种树脂的介电性能（，
14、）2 10GHz20树 脂介电常数 损耗角正切值tg 聚酯树脂2.73.20.0050.020环氧树脂3.03.40.0100.030氰酸酯树脂2.73.20.0040.010酚醛树脂3.13.50.0300.037聚酰亚胺（PI）2.73.20.0050.008双马来酰亚胺（BMI）2.83.20.0050.007有机硅树脂2.82.90.0020.006PC（LEXAN）2.50.006PSF3.10.003PES3.50.003PPS3.00.002PEEK3.20.003PTFE（E.I.Dupont）2.1 0.000 4表聚酰亚胺基复合材料介电性能3 复合材料介电常数 介电损耗角正
15、切tg 温度范围/聚酰亚胺/E玻璃纤维4.10.004288聚酰亚胺/石英纤维3.10.003288-32-高科技纤维与应用第卷 28 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。针对上述缺点，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19。有机硅树脂基复合材料是是近几十年发展起来的一种新型多功能复合材料。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之一。但它的缺点是机械强度较低，且须高压成型。曾剑平
16、等21的实验表明，有机硅树脂能够有效地提高 SiO2基复合材 料的各项性能。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（）的电性PTFE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 时力学 250 性能迅速降低22，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23对玻纤增强聚四氟乙烯的基本工艺参数进行了研究，其结果表明：短玻纤和 玻纤布（质量分数）增11 37 强聚四氟乙烯具有最高的拉伸强度和良好的介电性能。姜
17、卫陵等24研制的软膜成型法采用橡胶类材料作为传压介质，有效提高了成型产品的质量和合格率。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（见表），其介电常数还随温度的升高而产生明 4显的增大。表列出了环氧和酚醛树脂玻璃纤维 4 复合材料层压板的性能对比。一般在一些对材料耐热性要求较高的场合采用改性酚醛树脂。可用于雷达罩复合材料基体材料还有双马来酰 亚 胺（）树 脂，聚 砜、聚 醚 醚 酮
18、树 脂BMI （）等，其介电性能上均具有一定优势，PEEK但是预浸料制备和成型工艺还存在很多困难。偶联剂2.3 偶联剂是具有两种以上性质不同的官能团的化合物。一端亲玻璃纤维表面；另一端亲树脂，从而起到玻璃纤维和树脂间的桥梁作用，将两者粘接在一起。常用的偶联剂为硅烷类偶联剂，不同的偶联剂种类、纯度，对最终雷达罩的介电性能都有很大影响。陈平等人的研究表明，不同偶联剂对于最终复合材料的介电性能也有较大影响，如表所示。5 展望3 雷达罩用透波复合材料材料的介电性能直接 碳 纤 维 补 强 片 材 杭 州 索 奇 先 进 复 材 公 司 0 5 7 1-6 3 3 3 1 3 3 8表玻璃纤维层压板性能
19、4 *f=9.375GHz表不同偶联剂处理后的玻璃纤维 环氧单向复合层板的介电性能5 /类 型抗张强度/MPa抗压强度/MPa弯曲强度/MPa弯曲模量/MPa介电常数 *介电损耗tg *环氧树脂39038055022.74.160.012酚醛树脂38041346818.05.100.025类 型树脂体积分数/%介电损耗tg /10-2介电常数 玻璃纤维0.017.00环氧树脂100.0 0.304.00未处理49.12.315.02沃兰50.20.324.58A-110051.31.324.89第期郭笑坤 等：低介质损耗雷达罩用复合材料的研究进展 6 ,-33-决定了最终雷达罩的总体介电性能，
20、复合工艺、使用环境及与电气设计的匹配性，常温环境下吸潮是影响透波材料的介电性能稳定性的主要影响因素。除了地面雷达罩，多数机载、导弹、航天用雷达罩工作在高速飞行环境下 材料要经受温,差、雨蚀、化学腐蚀等严酷的环境的考验，同时还要保证稳定的介电性能，因此材料的选择异常重要。氰酸酯树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺等力学性能、耐热性、介电性能均优的材料，皆是很有发展潜力的，同时可以针对不同应用要求进行改性、共混，以满足雷达罩需求。参考文献:杜耀惟天线罩电信设计方法北京国防工业出1.M.:版社,1994.沈2 伋吕继淮飞行器雷达罩设计方法的研究南,.J.京航空航天大学学报,1999,31(5):594598.
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27、ogress in the research of low loss tangentpolymer-matrix composites for radomesGUO Xiao-kun;YIN Li-xin;ZHAN Mao-sheng(MSE,Beihang University,Beijing 100083 China)Abstract:The requirement of wide-range frequency and low loss tangent characters materials for advanced radomes were presented,and the progress in the research of polymer-matrix composites for radomes is summarized.Key words:low loss tangent;radome;polymer-matrix composite