耐高温雷达天线罩上的树脂基复合材料应用

文/佟文清

航天及电子设备等领域中，复合材料有一些兼有高频介电性能的结构透波一体化复合材料，天线罩的蒙皮透波材料通常是玻璃纤维作为增强材料的树脂基复合材料，本文综述了国内外结构透波一体化树脂基复合材料在雷达天线罩领域的研究现状。

1 雷达天线罩材料的性能要求

天线罩材料除了满足结构质量及工艺性等要求外，应满足介电性能，环境性能等特殊要求。材料的介电性能ε与tanδ是天线罩材料的核心性能，tanδ大则材料温度升高，引起力学性能的下降。在满足一定力学性能条件下，要求材料的ε与tanδ尽量小。高性能雷达天线罩要求材料拉伸强度>400Mpa，压缩强度>350Mpa。高性能雷达天线罩要求材料在高温等环境条件下，性能无明显变化。

2 雷达天线罩材料体系

2.1 增强材料

目前雷达天线罩用树脂复合增强材料主要有玻璃纤维维等。芳纶纤维具有高强度与高模量，但易吸潮，高模量聚乙烯纤维的介电性能优异，具有高强度等优势，但纤维与树脂界面结合差。玻璃纤维是传统雷达天线罩最常用的增强材料，D-玻璃纤维介电性能最好，S-玻璃纤维力学性能优异。石英纤维价格较高，目前国内外先进的天线罩大多已采用石英纤维作为增强材料。

2.2 树脂基体

传统树脂基体主要有酚醛树脂与不饱和聚酶树脂，环氧树脂具有优良的工艺性及力学性能。近年来随着先进雷达天线罩对全频带，耐高温等性能要求的不断提升，对于在100GHz频率附近工作的雷达罩，要求具有优良的耐湿热性能。介电性能更好的高性能树脂基材料通过对传统环氧树脂材料改性实现，通过选用先进树脂基体，如双马来酰亚胺树脂等。

树脂环氧材料采用双环戊二烯改性环氧树脂，改性后tanδ降至0.0104，ε降至2.63，采用含苯并恶嗪的炔醚类分子作为固化剂，高级型的羰基团数量大幅降低。同引入多面笼形巨倍半硅氧烷降低了材料的ε与tanδ。关于各种改性后的环氧树脂粘度变化的研究较少，高于氰酸脂性能树脂基体。

氰酸基树脂分子结构的树脂在固化反应中可生成稳定的三嗪环网状结构，性能对频率与温度变化不敏感，美国的SATCOM是较早使用氰酸脂的现代高频透波天线罩。针对氰酸脂材料的改性主要以改善其力学性能为目标，环氧共混改性提升其工艺性是较成熟的改性方法，通过有机无机复合的六环三磷腈改性氰酸脂，利用15%的介孔氧化硅加入氰酸脂树脂。

国外透波材料用氰酸树脂体系有BASF公司，Hexcel公司，Fiberite公司等，国内氰酸脂树脂体系有航天材料研究所研制的701氰酸脂树脂体系，22℃水中浸泡40d吸水率为0.73%。

2.3 复合材料

随着雷达天线罩工作频率的升高，传统的蒙皮透波材料已不能满足高透过，耐高功率的要求。国外BASF公司的石英纤维氰酸脂复合材料天线罩综合性能优异，其ε降低了75%，具有更低的吸水率。

目前国外已经商品化的预浸树脂主要有Hexcel公司的M22，国内产品有航天材料及工艺研究所的QWB/701系列复合材料。介电性能优异。增强材料与树脂基体的选择对介电常数有较大的影响，QWB/701系列石英布/氰酸脂复合材料的介电性能最佳。Ε降低了24%，复合材料的介电常数满足3.28±0.15，符合天线罩用蒙皮材料电性能要求。QWB/701系列石英氰酸脂复合材料力学性能满足高性能天线罩材料力学性能要求。

QWB/701系列石英氰酸脂复合材料经过系列环境试验的考核，此复合材料在高低温，盐雾，水煮与介质环境试验后其力学性能具有较好的性能保持率。恒温环境下经28d试验后，级别为0级，说明复合材料满足天线罩材料的设计要求。

3 树脂基复合材料性能，成型工艺

3.1 树脂基复合材料的性能

树脂基复合材料具有比强度高等优异的力学性能，其结构具有很强的可设计性。树脂基复合材料结构可通过选择不同的排布方式。

树脂基复合材料性能主要取决于增强材料纤维的性能，目前研究最多的是环氧树脂脂体系。环氧树脂体系工作温度在150℃以下，为提抗损失能力，研发了系列具有较好韧性的树脂基体体系，树脂基复合材料的物理性能主要取决于材料的物理性能。

树脂基复合材料力学性能主要取决于增强材料的性能，基体与增强材料粘结界面是基体向增强材料纤维传递应力的枢纽，复合材料大多采用连续纤维增强材料，碳纤维等有机纤维。

复合材料的力学性能主要由基体与增强材料纤维复合的协同效应，通过组分材料性的细致结构导出复合材料的强度等力学性能。

3.2 树脂复合材料成型工艺

复合材料成型工艺较多，最大的特点是一次成型，常用的有RTM成型工艺，缠绕成型工艺等，分别适合不同的复合材料结构制备。缠绕成型工艺主要适合复合材料管道，如火箭发动机壳体等。RTM成型工艺适合于制造各种精度要求高的结构件，如高性能的机头雷达罩等。模压成型工艺机械化程度高，适用于制造表面光洁，尺寸精确的复合材料结构件。

热压罐成型工艺适合制备各种大尺寸的复合材料构件，如加筋壁板，骨架的壳体结构等。拉挤成型工艺可连续生产，用于制备厚度可变，宽度不变的制品及各种复合材料型材。复合材料成型工艺对其性能有很大的影响，采用高温高压的固化方式，具有较好的刚强度。

4 结语

树脂基结构材料在雷达结构中广泛应用，在星载雷达上的应用对复合材料结构设计提出了更高的要求。本文就先进复合材料在雷达工业中的应用进行了研究，QWB/701系列石英氰酸脂复合材料的力学性能满足高性能天线罩制造材料的设计要求。现代高性能雷达天线罩对树脂基复合材料提出了更高的要求，石英石/氰酸脂体系可满足现代高性能天线罩的需求。