芳綸在雷達(dá)天線罩上的應(yīng)用

letmetry

拋磚引玉，希望能得到各位的指正
上海瀝高
唐海華
13764560743


芳綸纖維復(fù)合材料在天線工程中的應(yīng)用

　
1 引言
    芳香族聚酰胺纖維（Aromatic Polyamide Fi-ber），是指分子鏈上至少含有80%的直接與兩個(gè)芳香環(huán)相連接的酰胺基團(tuán)的聚酰胺經(jīng)溶液芳絲所得到的合成纖維。首先由美國(guó)杜邦（Dupont）公司于1965年發(fā)明，早期名稱為Aramid纖維。我國(guó)稱為芳綸纖維。自從芳綸纖維問(wèn)世以來(lái)，前蘇聯(lián)、日本、西歐等國(guó)家也都進(jìn)行了大量的研制工作。國(guó)外同類纖維還有西德-荷蘭Enka公司的Twaron纖維，前蘇聯(lián)的Apmoc、CBM纖維，日本的Technora纖維等。由芳綸纖維制成的芳綸紙蜂窩芯材有Nomex和Korex。我國(guó)于1972年開(kāi)始進(jìn)行芳綸纖維的研制工作，并于1981年通過(guò)芳綸14的鑒定，1985年又通過(guò)芳綸1414的鑒定，它們分別相當(dāng)于美國(guó)杜邦公司的Kevlar29和Kevlar49。各國(guó)芳綸纖維的性能如表1所示[1-3]。
    這種纖維具有很高的拉伸強(qiáng)度，比重輕，比碳纖維輕20%，比玻璃纖維輕40%。并且具有很低的熱膨脹系數(shù)。此外還有斷裂伸長(zhǎng)率高，韌性和耐磨性能，優(yōu)異的沖擊強(qiáng)度，耐紫外線老化性能。它可用普通的紡織機(jī)加工紡織成各種縫線、繩索、布、三維立體紡織物等。由它制成的層壓板比玻璃纖維層壓板輕25%-30%。表2為Kevlar纖維環(huán)氧復(fù)合材料的性能數(shù)據(jù)[4]。
    芳綸纖維及其復(fù)合材料的航空航天等結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域中已得到廣泛的應(yīng)用。近十幾年來(lái)隨著通訊工業(yè)、衛(wèi)星通訊技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)雷達(dá)天線設(shè)備的小型化、輕型化、高可靠性提出更高的要求。由于芳綸纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、電絕緣性能、透波性能、低的線膨脹系數(shù)（纖維軸向略呈負(fù)值）等，使其在雷達(dá)天線領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。如機(jī)載、艦載、星載雷達(dá)天線罩，雷達(dá)天線饋源功能結(jié)構(gòu)件，輕型天線支撐結(jié)構(gòu)，高架天線及拉索等方面都具有使前景。
2 芳綸纖維復(fù)合材料在雷達(dá)天線工程中的應(yīng)用
2.1 雷達(dá)天線罩
    材料是天線罩研制的重要基礎(chǔ)，沒(méi)有好的天線罩材料，再好的電性能設(shè)計(jì)也不會(huì)實(shí)現(xiàn)。天線罩是功能性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，天線罩材料要滿足介電性能、力學(xué)性能、三防壽命、工藝性能、重量等要求。材料的介電性能指標(biāo)主要有介電常數(shù)ε和損耗角正切tgδ。該指標(biāo)直接影響天線罩的電性能，是選擇材料的主要依據(jù)。損耗角正切tgδ越大，電磁波能量在穿透天線罩過(guò)程中轉(zhuǎn)化為熱量而損耗的能量就越多。介電常數(shù)ε越大，則電磁波在空氣與天線罩壁分界面上的反射就越大，這將增加鏡象波瓣電平并降低傳輸效率。因此要求天線罩材料的損耗角正切tgδ低至接近于零，介電常數(shù)ε盡可能低，以達(dá)到“最大傳輸”和“最小反射”的目的〔5〕。低介電常數(shù)的材料還能給天線罩帶來(lái)寬頻帶響應(yīng)，允許放寬罩壁厚度公差，從而降低制造成本.
    以往雷達(dá)罩的主要結(jié)構(gòu)材料采用玻璃鋼板及玻璃鋼蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。如大部分地面小雷達(dá)罩多采用玻璃鋼薄壁結(jié)構(gòu)，大型雷達(dá)罩多采用玻璃鋼蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。最通用的增強(qiáng)纖維以E玻璃纖維和S玻璃纖維為主。隨著各種地面雷達(dá)、艦載雷達(dá)和機(jī)載雷達(dá)的不斷更新?lián)Q代，對(duì)天線罩材料的性能提出越來(lái)越廣泛的要求。由于芳綸纖維具有高強(qiáng)度、高模量和低比重的特點(diǎn)，又是良好的介電材料，能透過(guò)電磁波，耐腐蝕性和大氣紫外線性能良好，因此是制造天線罩的優(yōu)質(zhì)理想材料之一。問(wèn)世以來(lái)，國(guó)內(nèi)外均開(kāi)展了用芳綸纖維及其織物增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料研制雷達(dá)罩的工作〔6〕。如美國(guó)貢斯納飛機(jī)公司的槳狀飛機(jī)雷達(dá)罩，加拿大飛機(jī)制造公司的挑戰(zhàn)者飛機(jī)雷達(dá)罩都是用Kevlar纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料制造〔3〕。
    與玻璃鋼相比較，芳綸纖維復(fù)合材料的介電常數(shù)較低，所以對(duì)薄壁天線罩來(lái)說(shuō)，芳綸纖維復(fù)合材料在保證同樣剛度下所需的厚度較玻璃鋼薄。因此透過(guò)率等電氣性能也優(yōu)于相似結(jié)構(gòu)的玻璃鋼雷達(dá)罩。對(duì)于半波長(zhǎng)雷達(dá)罩，則由于芳綸復(fù)合材料的高力學(xué)性能可以采用倍率較低的壁厚來(lái)達(dá)到必需的結(jié)構(gòu)剛度，這樣電氣性能大為改善。特別是對(duì)于夾層結(jié)構(gòu)天線罩，可以采用芳綸紙Nomex蜂窩芯材代替玻璃布蜂窩芯制成蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，不但提高透波率而且減重。在芳綸紙蜂窩芯出現(xiàn)以前，玻璃布蜂窩由于其絕緣性能和透波性能，使其成為天線罩的專用材料。Nomex是由聚芳酰胺纖維制成的紙，用一般制造玻璃布蜂窩的工藝方法制成。這種紙蜂窩由美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)，商品名Nomex。其性能與玻璃布蜂窩的性能比較見(jiàn)表3和表4〔7〕。其特點(diǎn)是重量輕，有足夠的壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和良好的疲勞強(qiáng)度，與復(fù)合材料膠接和組裝工藝性好，已廣泛作為雷達(dá)罩的蜂窩芯材替代玻璃布蜂窩芯。但由于目前價(jià)格較高，主要用于機(jī)載、艦載、星載雷達(dá)天線罩。杜邦公司最新型的Korex芳綸紙蜂窩芯材具有更高的壓縮模量和剪切強(qiáng)度，而且耐濕熱性能提高，目前在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有該材料的應(yīng)用報(bào)道〔8〕。
2.2 頻率選擇反射器
    雙頻或多頻共用是現(xiàn)代天線工程中的新技術(shù)，它能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化裝備，提高性能。頻率選擇副反射面（FSS）是該技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)。雙色副反射器（Dichroic Subreflector）是一種具有頻率選擇功能的副反射面。它在一定頻段上能全透過(guò)電磁波，而在另一頻段上要求全反射電磁波。其反射功能依靠反射面上排列的金屬陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)。透過(guò)則要求制件材料具有極高的電磁波透過(guò)性能。頻率選擇反射器的材料需具備結(jié)構(gòu)材料和功能材料的雙重特性，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用芳綸纖維復(fù)合材料發(fā)揮其透波性能和低熱膨脹系數(shù)的特點(diǎn)制造頻率選擇反射器，可同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)材料和功能材料的雙重要求。相對(duì)于天線罩材料，頻率選擇反射器對(duì)精度和尺寸穩(wěn)定性要求更高。?
    在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已有多年研究經(jīng)驗(yàn)，頻率選擇反射器應(yīng)用達(dá)到很高的水平。如：1986年歐空局（ESA）為衛(wèi)星通訊和數(shù)據(jù)傳輸研制的11m直徑、重量45kg的雙色副反射器。采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，蒙皮為Kevlar纖維復(fù)合材料，蜂窩芯為Nomex蜂窩芯材。其諧振頻率為73Hz。使用于112GHz頻段的傳輸和91GHz頻段的反射，其型面精度達(dá)到[CM（22]009mm(rms)，傳輸損耗為05dB，反射損耗為03dB。現(xiàn)設(shè)在瑞典的LANDSAT-D衛(wèi)星天線系統(tǒng)的雙色副反射器直徑為142m，用于S/X頻段，X波段的反射損耗小于01dB，S波段的傳輸損耗小于025dB。1996年某所研制的雙色副反射器采用Kevlar纖維織物與玻璃纖維混雜復(fù)合材料為蒙皮，Nomex蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)，其透波損耗在22GHz，小于03dB，反射損耗小于05dB〔9〕。?
    另外，在類似的極化扭轉(zhuǎn)天線中也常用芳綸纖維復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)透波材料。?
3 雙柵天線反射器
    雙柵天線是把兩副口徑和焦距相近的天線疊加放在同一個(gè)介質(zhì)天線反射體上，使兩副天線僅占一副天線的空間。雙柵技術(shù)還能有效的改善天線的交叉極化特性，因此雙柵天線已成為頻率復(fù)用天線的主要形式。雙柵天線是近年來(lái)應(yīng)用研制的熱點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。兩層反射體（金屬柵條）分布在一個(gè)介質(zhì)天線結(jié)構(gòu)體上，兩層反射體分別對(duì)應(yīng)不同的天線反射面曲線，有著各自不同焦點(diǎn)。?
    在兩層反射體（金屬柵條）之間為透波材料，電磁波要兩次透過(guò)該透波材料，傳輸損耗必須很小。而且，為了獲得最大透波率使兩層金屬柵條所產(chǎn)生的交叉極化和反射相抵消，反射面之間的厚度應(yīng)為1/4波長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了該技術(shù)研究。我國(guó)研制的C波段中等容量國(guó)內(nèi)通信衛(wèi)星DHF-3采用雙柵多饋源賦形波束天線，引進(jìn)的SINOSAT-1和APSTAR-2R衛(wèi)星全部采用賦形反射面天線，其中SINOSAT-1的C波段發(fā)射天線、Ku波段天線和APSTAR-2R的C波段天線采用了雙柵賦形反射面天線。天線反射面為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外蒙皮為Kevlar纖維復(fù)合材料，蜂窩芯為Nomex紙蜂窩芯材。?
4 輕型天線結(jié)構(gòu)件
    由于芳綸纖維復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度和比剛度及優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性，它還被應(yīng)用于制造雷達(dá)整機(jī)中的結(jié)構(gòu)件，及機(jī)殼、機(jī)架等結(jié)構(gòu)件。具有結(jié)構(gòu)重量輕、諧振頻率高的特點(diǎn)，特別適于機(jī)載、星載天線結(jié)構(gòu)。其一，構(gòu)件的諧振頻率與結(jié)構(gòu)外形有關(guān)，與材料的比彈性模量的平方根成正比，復(fù)合材料的比彈性模量遠(yuǎn)高于一般金屬結(jié)構(gòu)材料，因此在結(jié)構(gòu)相同的情況下，芳綸復(fù)合材料具有更高的諧振頻率。其二，環(huán)境溫差引起的結(jié)構(gòu)熱變形對(duì)于高精度天線的精度影響是不容忽視的。如饋源支架（座），反射面背架等結(jié)構(gòu)件的熱變形會(huì)影響天線指向誤差，引起電軸飄移，使天線的電氣性能下降。所以星載天線的結(jié)構(gòu)材料采用高比強(qiáng)度和比剛度及熱膨脹系數(shù)小的先進(jìn)復(fù)合材料。主要為碳纖維、芳綸纖維、硼纖維等復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料在輕型天線中的應(yīng)用較為普遍，實(shí)例很多。因碳纖維復(fù)合材料為半導(dǎo)體材料，存在制件對(duì)電磁波的遮擋及電磁干擾問(wèn)題，相對(duì)來(lái)講芳綸纖維復(fù)合材料為絕緣、透波材料，比碳纖維復(fù)合材料更為有利。芳綸纖維復(fù)合材料在輕型天線中的應(yīng)用除雙柵天線外也有不少實(shí)例。如日本的廣播衛(wèi)星天線，口徑為20英寸×50英寸，天線反射面為橢圓形偏置拋物面。反射面為Kevlar纖維復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)。反射面背面支撐結(jié)構(gòu)用Kevlar纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料制造。美國(guó)RCA公司為多顆衛(wèi)星研制的多部拋物面天線中，其反射面均采用Kevlar纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料制造。?
    在輕型構(gòu)架天線中，純芳綸纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不多見(jiàn)。Kevlar纖維經(jīng)常可用于與碳纖維、玻璃纖維等進(jìn)行混雜，制成混雜纖維復(fù)合材料。可充分發(fā)揮各種纖維的優(yōu)勢(shì)，克服缺點(diǎn)，達(dá)到最佳效果。隨著纖維復(fù)合材料成型工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，為提高復(fù)合材料的層間強(qiáng)度，注射成型工藝RTM（Resin Transfer Molding），三維編織技術(shù)（Tri-Weaving）及縫紉技術(shù)（Stitching）等不斷推陳出新〔10〕。在縫紉技術(shù)用高性能纖維縫線中，由于碳纖維一般較脆，縫紉過(guò)程中很容易斷線起毛，目前技術(shù)水平下還不能進(jìn)行縫紉操作。玻璃纖維雖然拉伸強(qiáng)度較高，但由于其彎曲強(qiáng)度較底、纖維密度較大且容易斷絲，應(yīng)用也受到限制。現(xiàn)在只有芳綸纖維縫線由于其特殊的耐磨性、良好的抗沖擊韌性和較低的纖維密度在縫紉技術(shù)中得到應(yīng)用，對(duì)碳纖維織物進(jìn)行法向縫紉增強(qiáng)。?
    由于芳綸纖維質(zhì)地柔軟，韌性好，可用普通的紡織機(jī)加工成各種織物。為發(fā)揮其拉伸強(qiáng)度高的性能，經(jīng)常用芳綸纖維編織各種繩索及縫線。在星載可展開(kāi)式天線中用作天線反射面固定拉繩。有的在輕型高架天線中采用芳綸纖維繩作為天線拉索。實(shí)踐證明具有拉伸強(qiáng)度高、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)環(huán)境試驗(yàn)證明耐環(huán)境性良好。?
5 天線特種電路基板
    在特種環(huán)境下服役的天線，對(duì)印刷電路基板（PCB）的耐環(huán)境性能有嚴(yán)格要求。特別是平板微帶天線、相控陣天線等對(duì)印刷電路基板的絕緣性能及尺寸穩(wěn)定性和介電性能要求嚴(yán)格。芳綸纖維復(fù)合材料特種電路基板具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。首先，在溫度變化時(shí)，芳綸纖維復(fù)合材料特種電路基板幾乎不產(chǎn)生熱變形。表面安裝技術(shù)SMT采用密封陶瓷載體，其膨脹系數(shù)為64～67×10-6K-1，而普通玻璃鋼線路板的膨脹系數(shù)為12～16×10-6K-1，兩者之間由于熱變形不匹配經(jīng)過(guò)若干次高低溫沖擊必然引起開(kāi)裂。而芳綸纖維的線膨脹系數(shù)為-2～-4×10-6K-1，與樹脂復(fù)合制成層壓板的膨脹系數(shù)可調(diào)整到6～7×10-6K-1，與陶瓷載體相匹配。另外，研究表明電磁波的傳輸速度與PCB的介電常數(shù)成反比。介電常數(shù)越小，傳輸速度越快。特別是在高密度封裝的多層印刷電路板（PBW）中，其板的通孔是電信號(hào)從半導(dǎo)體基片進(jìn)入復(fù)合材料電路板的通道，芳綸復(fù)合材料電路板具有低介電損耗系數(shù)和介電常數(shù)，它更適合于高速電路的傳輸。而且芳綸復(fù)合材料電路板比相同玻璃鋼電路板輕20%。多層印刷電路板結(jié)構(gòu)所用材料及其線膨脹系數(shù)如圖3所示〔3〕。?
    因?yàn)榉季]復(fù)合材料電路板的諸多優(yōu)點(diǎn)，國(guó)外研究起步較早，現(xiàn)已有很多商品化的芳綸復(fù)合材料電路板。美國(guó)杜邦公司1982年開(kāi)始出售Kevlar復(fù)合材料電路板，其尺寸穩(wěn)定性極佳。日本帝人公司也將它的Technora纖維用作無(wú)引線陶瓷基片載體的增強(qiáng)材料，制成特種電路基板，它與傳統(tǒng)的環(huán)氧玻璃布層壓板相比，尺寸穩(wěn)定性好，介電常數(shù)低，更適合于高速傳輸線電路，也有利于電子設(shè)備的小型化和輕型化。日本東洋紡公司也開(kāi)發(fā)了一種具有高的尺寸穩(wěn)定性和高抗?jié)裥缘木坶g苯二胺纖維無(wú)紡布，用環(huán)氧樹脂浸漬制成柔性印刷電路板。JERS-1衛(wèi)星的SAR天線，為1192m×22m，由可展開(kāi)的八塊平板組成。每塊板由雙層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，上層稱為輻射面板，下層為支撐面板。其輻射面板為芳綸纖維復(fù)合材料電路板制成的微帶天線基板，板厚6mm。國(guó)內(nèi)處于研究階段，尚無(wú)商品化。據(jù)了解華電材料公司已研制完成芳綸織物復(fù)合材料層壓電路板。據(jù)報(bào)道，風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星天線組件的電路板采用Kevlar復(fù)合材料面板/Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，表面為粘貼覆銅箔聚酰亞胺薄膜〔10〕。?
3 結(jié)語(yǔ)?
    綜上所述，由于芳綸纖維復(fù)合材料具有很多優(yōu)點(diǎn)。因此，在雷達(dá)天線工程中具有重要的應(yīng)用。芳綸纖維復(fù)合材料本身也有一定的缺點(diǎn)，在工程實(shí)踐中有幾個(gè)普遍性的技術(shù)問(wèn)題比較突出。其一，國(guó)內(nèi)芳綸纖維與國(guó)外同類纖維比較，強(qiáng)度相當(dāng)于Kevlar29、Kevlar49，在吸濕性方面還沒(méi)有達(dá)到Kevlar149的水平。而且，目前我們國(guó)內(nèi)的芳綸纖維材料規(guī)格較少，設(shè)計(jì)可選擇余地小。其二，芳綸纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度較低，應(yīng)在纖維的表面處理技術(shù)方面作更深入的研究。其三，芳綸纖維韌性大，其復(fù)合材料的機(jī)械加工性能差，普通機(jī)床很難加工，應(yīng)用特種加工技術(shù)如高壓水切割質(zhì)量較好〔11〕。除上述問(wèn)題外，要使芳綸纖維及其織物復(fù)合材料在此領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，應(yīng)著重研究與芳綸纖維復(fù)合的高介電性能樹脂體系，開(kāi)展并加快與其他纖維混雜應(yīng)用是揚(yáng)長(zhǎng)避短、發(fā)揮優(yōu)點(diǎn)的有效手段。?

shanghai252

表格補(bǔ)充

letmetry

你好！樓上的這位是哪里的啊？
你是上海FRP的？

shanghai252

以前

starseye

這里面曾經(jīng)shfrp過(guò)的人很多哦

xyh9951

很有道理,就是沒(méi)有試過(guò)!前輩如果銷售這個(gè)的可電話聯(lián)系我13809621866