FRP透波窗性能设计研究

吴伟萍 王秋野 常成 周晏云 孟松

摘 要 本研究针对FRP透波窗在使用频段范围实现透波率和结构性能的需求，通过材料选择、透波性能设计、仿真分析和结构设计，采用夹层结构形式，制造了FRP透波窗试验件，进行了结构试验和透波试验。试验结果表明，FRP透波窗的结构设计满足承载和密封性要求，同时在1.0GHz～3.0GHz频段范围内的透波率均大于80%，满足透波性要求。实现了对FRP透波窗的承载、密封和透波的设计要求，可以对内部设备的运行状态实现监测。

关键词 透波窗；透波率；电性能；仿真分析

Study on the Performance Design of FRP

Wave-transmitting Window

WU Weiping， WANG Qiuye， CHANG Cheng， ZHOU Yanyun， MENG Song

（Harbin FRP Institute Co.，Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT In order to meet the needs of the FRP wave-transmitting window to achieve wave-transmitting and structural performance in the use of frequency bands， FRP wave-transmitting window specimens were fabricated in the form of sandwich structure through material selection， wave-transmittance design， and structural simulation design， and structural tests and wave transmittance tests were carried out. The test results show that the structural design of the FRP wave-transmitting window meets the requirements of load bearing and sealing， and the transmissivity rate is greater than 80% in the range of 10-30GHz， which meets the requirements. The design requirements of load-bearing， sealing and transmissivity of FRP wave-transmitting window are realized， and the operating state of the internal equipment can be monitored.

KEYWORDS wave-transmitting window; transmissivity; electrical performance; simulation analysis

1 引言

透波复合材料产品能保证设备的通讯、遥测、制导等系统在恶劣环境条件下正常工作［1］，在航空航天及军事装备等领域得到了广泛应用［2］。随着高载荷、高飞行速度战术导弹的发展， 透波复合材料已经从单纯的透波材料发展到了具有防热、承载、透波等多种功能的材料。多功能透波材料有优良的电性能、足够的力学强度、良好的耐热性，经得起雨蚀、辐射等环境［3］。本文研究设计了一种FRP透波窗，在满足产品结构性能要求的同时，实现了在1.0GHz～3.0GHz频段范围内，透波率达到80%的要求。

2 原材料选用设计

透波产品多选用耐热树脂基纤维复合材料［4］，性能取决于树脂基体、增强材料及两者之间的界面［5］，树脂基体和增强材料的电性能优异才能成型出电性能好的透波产品［6］。介电性能的表征指标有介电常数ε和损耗角正切tanδ［7］。制备透波复合材料的纤维主要有玻璃纤维和石英纤维等，树脂基体主要有环氧树脂和聚酯树脂等［8］。与玻璃纤维相比，石英纤维的介电性能更加优越，损耗角正切tanδ和介电常数ε在玻璃纤维体系中最低，且在较宽频带范围内基本不变化，同时与环氧树脂有很好的兼容性，更适合作增强材料［9-10］。本研究复合材料透波窗要在1.0GHz～3.0GHz频段范围内的透波率达到80%以上，并具备密封功能。既要满足透波率要求，又要满足结构承载性和密封性要求。需要同时考虑透波性能、结构性能和密封性。经计算，当透波窗采用单一结构形式时，在1.0GHz～3.0GHz频段范围内，玻璃纤维和石英纤维的电性能计算结果均不能满足透波率80%的要求，且随着厚度的增加，透波性能呈衰减趋势。电性能计算结果如图1和图2所示。

为了同时满足复合材料透波窗的厚度、力学承载性和透波性要求。本研究采用夹层对称结构形式，由内、外承载蒙皮和泡沫芯层组成，蒙皮材料采用环氧树脂基石英纤维复合材料，芯层采用PMI泡沫。环氧树脂分子中的极性羟基和醚键使其对各种物质都具有极强的粘附力，分子中的活性環氧基团可以直接加成或开环聚合反应，固化交联成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。夹芯材料为聚甲基丙烯酰亚胺PMI，PMI泡沫是一种交联型硬质结构泡沫材料，具有100%的闭孔结构，其均匀交联的孔壁结构可赋予其突出的结构稳定性和优异的力学性能［11］，具有比重小、耐高温、低介电常数与损耗、抗压强度高、比强度高、抗疲劳和蠕变性能好等优点，可实现与预浸料一步固化；并具有优良的二次加工性能，可通过加热成型不同曲面形状的制品，广泛应用于航空航天领域［12-14］。

3 透波性能设计

本研究计算分析了夹层结构对称形式下，不同夹层厚度对产品透波性能的影响，为了获得夹层结构形式的最佳透波性能，通过调整两个蒙皮之间的间隔来达到反相，以使两个反射相抵消，使反射最小，获得最佳透波性能。计算结果如图 3所示。采用对称结构形式时，随着泡沫芯层厚度的增加，产品的透波性能随之提高。

根据计算结果，夹芯结构对称形式透波窗在1.0GHz～3.0GHz频段范围内满足透波率大于80%的设计要求。满足透波性能的透波窗结构为4mm厚的内蒙皮石英纤维复合材料、6mm厚的PMI泡沫夹芯层和4mm厚的外蒙皮石英纤维复合材料对称组合形式。

4 结构性能设计

FRP透波窗由内、外纤维复合材料蒙皮和芯层PMI泡沫构成。透波窗与整体产品之间通过锥形连接加胶接的方式装配固定，FRP透波窗试样产品的局部示意图如图4所示。

对透波窗结构进行有限元仿真分析，在复合材料产品上安装透波窗后，透波窗及补强区域的整体厚度为15mm，在1MPa内压作用下，产品的仿真结果位移云圖如图5所示，最大位移发生在产品的非补强区域，透波窗的结构设计稳定可靠，满足承载性要求。

在内压作用下，透波窗各组件间均通过粘结剂连接，并通过粘接剂和产品之间进行连接。粘结剂的性能要满足产品在使用期限内各粘接界面之间不开粘、不漏气。本研究按照GB/T7124-2008标准制作了试件，测试了环氧树脂体系作为胶粘剂时复合材料制件之间的拉伸剪切强度（室温），所用环氧树脂体系的胶层剪切强度为16.43MPa。根据有限元仿真分析，透波层与复合材料产品和补强区粘结层的应力云图如图6所示。补强区与筒体粘结层的应力云图如图7所示。

仿真分析表明，在内压作用下，透波层有向筒体外侧移动的趋势，与筒体粘结层的较短边处发生最大拉伸应力为4.869MPa，但小于粘结层的拉伸强度16.43MPa。补强区与筒体间的粘结层仅在透波层孔边有应力集中处，且应力大小为3.141MPa，小于粘结层的拉伸强度16.43MPa。

通过有限元仿真计算，安装透波窗后，产品在1MPa内压作用下的最大位移发生在非补强区域，透波窗的结构设计满足承载性要求。复合材料产品、透波窗、补强区间粘结层拉伸应力小于粘结剂的拉伸强度，在使用中不会发生脱粘和分层等现象，满足透波窗的透波性和粘接稳定性要求。透波窗的结构设计可以满足产品的透波性、气密性和承载性要求。

5 试验及结果分析

本研究通过设计制造工装，分别成型预制体来制备透波率测试试样，保证了透波窗厚度均匀性、尺寸稳定以及界面之间的良好配合性。制备的透波窗试样如图8所示。通过矢量网络分析仪 Agilent 8363B，结合双脊喇叭天线、螺旋天线和单极子天线，由成都恩驰微波科技有限公司测试了透波窗试样的透波性能。结构性能方面，通过4DSY-22/63电动试压泵和精密压力表将安装透波窗后的产品用水压测试工装进行了内压试验，压力达到1MPa后，保压期间无渗漏现象，承载试验结果满足设计指标要求。

对1GHz～1.5GHz频段透波率的测试采用单极子发射天线，双脊喇叭接收天线进行测试，测试结果曲线如图9所示。对1.5GHz～3.0GHz频段的测试采用平面螺旋天线发射和接受，测试结果曲线如图10所示。

试验结果表明，本研究FRP透波窗的结构设计和透波性能设计满足产品的使用要求。FRP透波窗在1.0GHz～3.0GHz频段范围内透波率均大于80%。FRP透波窗和整体产品的配合连接通过了水压试验和气密试验，满足承载性和密封性要求。

6 结语

本研究FRP透波窗的透波试验结果表明，在1.0～3.0GHz频段范围内夹层结构透波试件的透波率大于80%。水压试验结果表明，在1MPa内压保压时FRP透波窗无渗漏，FRP透波窗的透波性、承载性和密封性均满足设计要求，可以对内部设备的运行状态进行监测。

参 考 文 献

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