雷達天線罩是航空飛行器實現(xiàn)通信、探測、火控、敵我識別、電子干擾等任務(wù)功能時重要的電磁透波窗口，用于保護雷達天線或整個微波系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下能夠正常工作，并使電磁波正常透過的一種結(jié)構(gòu)/功能體。雷達罩的綜合性能除設(shè)計因素外，取決于其應(yīng)用的復(fù)合材料性能及其制造技術(shù)水平。為實現(xiàn)透波、承載及防熱、隔熱、抗沖擊等功能，樹脂基結(jié)構(gòu)/透波復(fù)合材料必須具有優(yōu)異的介電性能即盡量小的介電常數(shù)(ε)和正切損耗(tgδ)，并具有足夠的強度和彈性模量，以滿足雷達罩的氣動和結(jié)構(gòu)要求;使電磁窗一方面能夠承受載荷，保護發(fā)射電磁波的輻射源器件及其天線不受損壞，另一方面盡量減少電磁波的反射與折射損耗，保證電磁波的高透過率。

 

　　高性能雷達天線罩已經(jīng)成為飛機、導(dǎo)彈等武器裝備不可分割的重要組成部分，對現(xiàn)代武器裝備的性能產(chǎn)生著重要的影響。隨著現(xiàn)代航空電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種先進探測設(shè)備、新型雷達及中遠距精密制導(dǎo)武器的不斷問世，雷達罩技術(shù)向高性能、多功能、低成本、可維護性方向發(fā)展，對樹脂基結(jié)構(gòu)/透波復(fù)合材料在輕量化、寬頻帶、高透波、耐大功率輻照、耐高溫、耐環(huán)境性能等方面提出了更高技術(shù)要求。本文主要從增強材料、樹脂基體、夾芯材料及膠接材料等方面介紹樹脂基結(jié)構(gòu)/透波復(fù)合材料的研究進展。

 

　　增強材料

 

　　高性能雷達天線罩一般要求所用的增強材料具有高的強度與模量，界面性能良好，耐環(huán)境性能優(yōu)良，最重要的是介電性能優(yōu)異。最早用于雷達罩制造使用的是無堿玻璃纖維(E型)，后來又陸續(xù)使用了各種特種玻璃纖維，包括高模量玻璃纖維(M型)、高強度玻璃纖維(S型)，低介電玻璃纖維(D型)和石英纖維(Q型)等。

 

　　石英纖維由純度99.5%以上的二氧化硅經(jīng)熔融拉制而成，機械性能和耐熱性能優(yōu)良，其抗拉強度是普通玻璃纖維的2～3倍，可長期在1050℃下使用，瞬間耐高溫達1700℃。石英纖維有著卓越的介電性能，與上述各類玻璃纖維相比具有最小的介電常數(shù)和正切損耗，在10MHz～100GHz頻帶范圍內(nèi)，介電常數(shù)保持不變，正切損耗從0.0001變化到0.0005，并且介電性能隨溫度變化較小，是理想的結(jié)構(gòu)/透波功能一體化復(fù)合材料的增強材料，已廣泛應(yīng)用于各類高性能雷達天線罩，資料顯示歐洲“臺風(fēng)”戰(zhàn)斗機、美國F/A-18E/F等飛機的雷達罩選用了石英纖維為增強材料。而F-22、F-35飛機雷達罩則采用了高強玻璃纖維。

 

　　空心玻璃纖維具有輕質(zhì)、高比強度、高比模量、高透波性等特性，是一種優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)/透波復(fù)合材料增強體，近年來不斷研究開發(fā)并投入應(yīng)用。20世紀80年代，美國最早發(fā)展了空心高強S-2玻璃纖維的生產(chǎn)技術(shù)，其力學(xué)性能相當(dāng)于E玻璃纖維，但重量減輕了20%～30%，比石英纖維還低8%。20世紀90年代年起，俄羅斯、中國等也逐漸開始了空心玻璃纖維的探索性研究，我國至今已有多種規(guī)格的空心玻璃纖維研制成功。中國航空工業(yè)集團公司濟南特種結(jié)構(gòu)研究采用國產(chǎn)空心石英纖維為增強材料，研制的改性氰酸酯樹脂基結(jié)構(gòu)/透波復(fù)合材料在8.0GHz～40GHz頻帶內(nèi)介電常數(shù)低于3.0，與普通的玻璃纖維復(fù)合材料相比，密度降低約15%，具有輕質(zhì)高強低介電的特性，適用于寬頻、多頻段高透波要求的雷達罩制造。

 

　　隨著對復(fù)合材料減重、透波、承載綜合性能要求的不斷提高，近年來，國內(nèi)逐漸開展了芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE)等增強材料的研究。芳綸纖維是一種高性能有機合成纖維，具有高強度、高模量、耐高溫、耐酸堿、耐大多數(shù)有機溶劑腐蝕的特性，其增強樹脂基結(jié)構(gòu)/透波復(fù)合材料重量輕、尺寸穩(wěn)定性好，介電常數(shù)較無機纖維小(ε：3.3)，主要缺點是壓縮強度低，纖維和樹脂的界面結(jié)合性能差，吸濕性較強。

 

　　超高分子量聚乙烯纖維是由相對分子量為100萬～500萬的聚乙烯所紡出的纖維，是目前世界上強度最高和比重最輕的纖維，強度比鋼絲高1.5倍，比重比芳綸纖維輕40%。同時，該纖維具有優(yōu)良的介電性能(ε：2.25，tgδ：0.0002)。其缺點是纖維表面呈惰性，不易被樹脂浸潤，復(fù)合材料界面粘接強度較低。另外，提高其復(fù)合材料模量也是研究的重要方向之一。

 

　　樹脂基體

 

　　樹脂是結(jié)構(gòu)/透波復(fù)合材料實現(xiàn)功能特性的主體材料，除強度、模量、韌性和耐環(huán)境特性等要求外，透波復(fù)合材料的樹脂基體還特別要求具有低的介電常數(shù)和正切損耗。常用樹脂基體包括傳統(tǒng)的不飽和聚酯樹脂(UP)、環(huán)氧樹脂(EP)、改性酚醛樹脂(PF)、烯丙基脂樹脂(DAIP)以及近年來不斷被發(fā)展應(yīng)用的雙馬來酰亞胺樹脂(BMI)、氰酸酯樹脂(CE)、BMI改性氰酸酯樹脂(BT)、有機硅樹脂、聚酰亞胺(PI)及苯并環(huán)丁烯(BCB)等新型耐高溫樹脂。

 

　　低損耗EP樹脂和改性BMI樹脂在二代、三代機雷達罩上已得到廣泛應(yīng)用，而CE樹脂是繼EP、BMI之后發(fā)展起來的另一類新型高性能熱固性樹脂。它具有優(yōu)異的介電性能(ε：2.64～2.90;tgδ：0.001～0.008;并且受頻率變化影響小)、耐熱性能(Tg：240～290℃)和機械性能(彎曲強度≥170MPa，彎曲模量≥3.2GPa)。與低損耗EP、改性BMI相比，CE樹脂的介電常數(shù)較前者降低約10%，介電損耗降低約1/2，同石英纖維、D玻璃纖維等復(fù)合具有顯著的低介電常數(shù)和損耗性能，并在寬頻和較寬溫度范圍內(nèi)保持介電性能的穩(wěn)定性。目前雙酚A型氰酸酯(BADCy)已實現(xiàn)國產(chǎn)化并獲得廣泛應(yīng)用，還有四類氰酸酯樹脂優(yōu)勢特征顯著，具有良好的應(yīng)用開發(fā)前景。一類是不對稱結(jié)構(gòu)的雙酚B型、雙酚E型氰酸酯，此類結(jié)構(gòu)氰酸酯的突出特點是常溫下為低黏度液態(tài)樹脂(η<400mPa.s)，適于室溫樹脂傳遞模塑(RTM)成型工藝，也可以作為其他結(jié)晶型氰酸酯的改性劑。第二類是耐高溫酚醛型氰酸酯(PT)，隨分子量不同呈現(xiàn)液態(tài)、半固態(tài)等物理狀態(tài)，可根據(jù)工藝需要設(shè)計合成;固化后樹脂Tg可達350℃以上。瑞士洛桑高性能材料公司(Lonza Inc./High performance Materials)研制的Primaset酚醛型氰酸酯已經(jīng)通過了F-35戰(zhàn)機復(fù)合材料雷達整流罩的系統(tǒng)測試。第三類是雙酚M型氰酸酯，具有優(yōu)異的耐吸濕性能，比BADCy樹脂的吸水率降低50%以上，且樹脂具有更高的韌性。第四類是氟代雙酚型、雙環(huán)戊二烯酚型氰酸酯，介電性能更加優(yōu)異。如美國F-22戰(zhàn)斗機雷達罩采用的陶氏化學(xué)公司研制的Tactix XU71787樹脂就是雙環(huán)戊二烯酚型氰酸酯。美國海軍研究實驗室(NRL)是美國國防部眾多下屬實驗室中唯一從事耐熱聚合物研究的實驗室，目前正在從事氰酸酯樹脂的研究，采取合成任意長度的以芳香醚齊聚物為主鏈的液態(tài)氰酸酯單體，通過調(diào)整反應(yīng)物的各項相對值，得到高的耐熱、氧化穩(wěn)定性、硬度、交聯(lián)密度、介電和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等一系列期望的屬性，以獲得具備高耐熱、高氧化穩(wěn)定性、低固化溫度特點的全新屬性的聚合物。同時，為進一步提高樹脂抗吸濕率和抗裂紋性能，對氰酸酯樹脂的增韌改性技術(shù)也是國內(nèi)外應(yīng)用研究的重點與熱點。

 

　　PI樹脂是一類以酰亞胺環(huán)為結(jié)構(gòu)特征的高性能聚合物材料，具有優(yōu)良的介電性能(ε：3.4，tgδ：0.001)，并且在寬廣的溫度和頻率范圍內(nèi)仍能保持較高水平，其機械強度相當(dāng)或超過環(huán)氧復(fù)合材料，并具有良好的熱穩(wěn)定性能和耐溶劑性能等。目前常用的是PMR-15樹脂，使用溫度為288～316℃。為進一步提高PI樹脂的熱氧化穩(wěn)定性，在主鏈結(jié)構(gòu)和封端基上采用熱穩(wěn)定性更高的單體，長期使用溫度達350℃，短期達540℃。PI樹脂雖然介電性能和耐溫性能優(yōu)異，但存在工藝性較差(溶解性不好、后固化溫度較高等)，復(fù)合材料容易吸濕導(dǎo)致介電性能降低等，是該類樹脂在雷達罩應(yīng)用方面需重點解決的問題。

 

　　有機硅樹脂的突出優(yōu)點是耐熱性和優(yōu)良的介電性能，在各種環(huán)境條件(高溫、潮濕)下的介電性能都比較穩(wěn)定。有機硅樹脂基透波復(fù)合材料即玻璃纖維增強有機硅樹脂基復(fù)合材料，是俄羅斯用于航天透波領(lǐng)域的主要材料，其短期使用溫度高于1500℃，按不同的使用環(huán)境和性能價格比而采用不同的纖維增強體。國內(nèi)對有機硅樹脂的研究主要集中在膠粘劑應(yīng)用領(lǐng)域，作為復(fù)合材料基體樹脂則存在模量不足的問題。而炔基硅烷樹脂分子中含有炔基和Si-H基團，以甲基二苯乙炔基硅烷(MDPES)樹脂為例，可在300℃下固化完全，固化物具有良好的介電性能(ε：3.2，tgδ：0.0025)，短時耐溫可達550℃。其耐熱性和介電性能均優(yōu)于目前使用的BMI和PI等樹脂。該類樹脂力學(xué)性能較低，尤需提高復(fù)合材料的層間剪切性能。

 

　　BCB樹脂是一類新型多功能高分子材料，具有優(yōu)異的介電性能及寬頻穩(wěn)定性，同時具有低吸濕、高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，其加工性能優(yōu)良，易均勻成膜且平整度高。陶氏化學(xué)公司的苯并環(huán)丁烯雙聯(lián)體樹脂CYCLOTENE Advanced Electronics Resins，介電常數(shù)在1MHz–10GHz頻率內(nèi)為2.5～2.65，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度達380℃。BCB樹脂可在不加如催化劑的條件下進行熱固化，四元環(huán)可以在200℃數(shù)小時完成開環(huán)，也可在300℃數(shù)秒內(nèi)完成開環(huán)固化反應(yīng)，且在固化過程中不產(chǎn)生任何揮發(fā)性小分子或副產(chǎn)物。目前主要應(yīng)用于IC芯片的層間及線間封裝，在微電子工業(yè)、航空航天工業(yè)有著廣泛應(yīng)用前景。

 

　　夾芯材料

 

　　蜂窩和泡沫是夾層結(jié)構(gòu)雷達罩常用的夾芯材料，以期獲得寬頻高透波性能及在減重條件下具有足夠的承載能力。通常夾芯材料的密度、強度、剛度和介電常數(shù)、介電損耗較低，但具有一定的抗壓、承剪能力。

 

　　蜂窩是一種在結(jié)構(gòu)/透波復(fù)合材料制件上應(yīng)用最為廣泛的夾芯材料，按所用基材的不同可分為芳綸(NOMEX)紙蜂窩、凱夫拉(KEVLAR)紙蜂窩及玻璃布蜂窩等。其中芳綸紙蜂窩由于其高強度、高剛度、低密度、良好的自熄性能、優(yōu)異的介電性能等被廣泛應(yīng)用。按蜂窩孔格形狀不同分為正六邊形蜂窩、棱形(欠拉)蜂窩、矩形(過拉或全拉)蜂窩、增強蜂窩、柔性蜂窩等。正六邊形蜂窩因為制造工藝簡單、機械化程度高，得到了普遍應(yīng)用;柔性蜂窩因為變性能力強，非常適合于三維復(fù)雜形面復(fù)合材料的制作，相對于正六邊形蜂窩具有更高的剪切強度。目前的柔性蜂窩材料主要由美國Hexcel公司提供，國內(nèi)尚處于研究開發(fā)階段。

 

　　雷達罩使用的泡沫芯材一般為閉孔剛性泡沫，如交聯(lián)聚氯乙烯(PVC)泡沫、聚醚酰亞胺(PEI)泡沫、聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)泡沫等。與蜂窩相比，閉孔泡沫具有高閉孔率、各向同性等特點，制造的泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料耐吸濕性好、抗沖擊性能強，用于雷達罩可大大降低維護成本。美國空軍2005年前后采用泡沫夾芯復(fù)合材料更換了495架C/KC-135飛機的雷達天線罩，新雷達罩的兩次故障間隔時間約17241小時，是原蜂窩夾層結(jié)構(gòu)雷達罩約1689小時故障間隔時間的10幾倍。此項工作可為美國空軍節(jié)約近3000萬美元的維護費用。PMI泡沫具有更高的比強度、比模量和抗蠕變性，耐溫達到240℃，是目前耐熱性最好的剛性結(jié)構(gòu)泡沫，與EP、BMI、CE等樹脂均具有良好的粘接性能，F(xiàn)/A-18E/F型飛機雷達罩就采用了德國羅姆(ROHM)公司生產(chǎn)的ROHACELLl PMI泡沫材料。近年來泡沫填充蜂窩技術(shù)也得到了較快發(fā)展，國內(nèi)研制的AC-PFH酚醛泡沫蜂窩通過在芳綸蜂窩芯孔中填充低密度酚醛泡沫，集合了泡沫芯材和蜂窩芯材的特點，具有優(yōu)異的隔熱性能，增強了蜂窩芯的抗壓和剪切強度，并且使夾層結(jié)構(gòu)制件的樹脂RTM工藝變成可行。

 

　　人工介質(zhì)材料是一種可進行人工調(diào)控介電常數(shù)的輕質(zhì)高強電介質(zhì)材料，由樹脂基體和介電填料復(fù)合。除密度低、介電性能、可加工性能良好外，力學(xué)性能遠高于蜂窩及泡沫材料，已成功用于變壁厚、準半波壁人工介質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)飛機雷達罩，對減重和改善電磁透波性能有重要作用。隨著新型低介電常數(shù)、耐高溫樹脂的涌現(xiàn)，各類性能需求的人工介質(zhì)材料將不斷豐富，并在梯度功能材料應(yīng)用中發(fā)揮巨大作用。

 

　　膠接材料

 

　　低介電膠膜主要用于夾層結(jié)構(gòu)雷達罩蒙皮與夾芯材料的粘接，是實現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)功能完整性的重要材料。早期的膠接材料偏重于結(jié)構(gòu)安全，因用量較少，只要對雷達罩電性能不構(gòu)成顛覆性結(jié)果，“粘得牢”即可。隨著高性能雷達罩對寬頻域、大角度電磁波透射性能的更高要求，膠接材料的介電性能對雷達罩透波性能的影響已不容忽視;并且航空裝備的高飛行速度、長航時、全天候飛行要求、壽命要求也對夾層結(jié)構(gòu)的使用可靠性提出更高性能挑戰(zhàn)，膠接界面性能是結(jié)構(gòu)可靠性中的重中之重。因此，新型高性能雷達罩的膠接材料面臨全面升級。早期采用的酚醛-橡膠型、酚醛-縮醛型、環(huán)氧-橡膠型膠接材料性能難以滿足需求，以雙馬來酰亞胺、氰酸酯、聚酰亞胺、BT樹脂、氰基樹脂(PN)為基體的增韌改性工作是目前國內(nèi)外膠接材料研究的熱點，業(yè)內(nèi)對高性能膠接材料關(guān)注的重點也已形成共識。

 

　　1、增韌劑的選擇

 

　　特別是增韌劑對膠接材料介電性能的影響、樹脂中的分散性、膠膜使用及與樹脂固化溫度的耐熱匹配性;

 

　　2、膠接強度(剪切、剝離性能)及耐老化性能

 

　　特別是與被膠接材料的剝離強度;

 

　　3、介電性能、耐熱性能、工藝性能的配套性

 

　　用以獲得最優(yōu)化的電性能、結(jié)構(gòu)及制造工藝設(shè)計;以低溫固化、高溫使用獲得制造成本優(yōu)勢;

 

　　4、使用過程中的環(huán)境條件控制

 

　　用以最大程度發(fā)揮膠接材料作用，提高雷達罩制造質(zhì)量及使用可靠性。