芳綸在雷達天線罩上的應用

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上海瀝高
唐海華
13764560743


芳綸纖維復合材料在天線工程中的應用

　
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%的直接與兩個芳香環相連接的酰胺基團的聚酰胺經溶液芳絲所得到的合成纖維。首先由美國杜邦（Dupont）公司于1965年發明，早期名稱為Aramid纖維。我國稱為芳綸纖維。自從芳綸纖維問世以來，前蘇聯、日本、西歐等國家也都進行了大量的研制工作。國外同類纖維還有西德-荷蘭Enka公司的Twaron纖維，前蘇聯的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。我國于1972年開始進行芳綸纖維的研制工作，并于1981年通過芳綸14的鑒定，1985年又通過芳綸1414的鑒定，它們分別相當于美國杜邦公司的Kevlar29和Kevlar49。各國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。此外還有斷裂伸長率高，韌性和耐磨性能，優異的沖擊強度，耐紫外線老化性能。它可用普通的紡織機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纖維環氧復合材料的性能數據[4]。
    芳綸纖維及其復合材料的航空航天等結構材料領域中已得到廣泛的應用。近十幾年來隨著通訊工業、衛星通訊技術的快速發展，對雷達天線設備的小型化、輕型化、高可靠性提出更高的要求。由于芳綸纖維復合材料具有優異的力學性能、電絕緣性能、透波性能、低的線膨脹系數（纖維軸向略呈負值）等，使其在雷達天線領域中有著廣闊的應用前景。如機載、艦載、星載雷達天線罩，雷達天線饋源功能結構件，輕型天線支撐結構，高架天線及拉索等方面都具有使前景。
2 芳綸纖維復合材料在雷達天線工程中的應用
2.1 雷達天線罩
    材料是天線罩研制的重要基礎，沒有好的天線罩材料，再好的電性能設計也不會實現。天線罩是功能性復合材料結構件，天線罩材料要滿足介電性能、力學性能、三防壽命、工藝性能、重量等要求。材料的介電性能指標主要有介電常數ε和損耗角正切tgδ。該指標直接影響天線罩的電性能，是選擇材料的主要依據。損耗角正切tgδ越大，電磁波能量在穿透天線罩過程中轉化為熱量而損耗的能量就越多。介電常數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ε盡可能低，以達到“最大傳輸”和“最小反射”的目的〔5〕。低介電常數的材料還能給天線罩帶來寬頻帶響應，允許放寬罩壁厚度公差，從而降低制造成本.
    以往雷達罩的主要結構材料采用玻璃鋼板及玻璃鋼蜂窩夾層結構。如大部分地面小雷達罩多采用玻璃鋼薄壁結構，大型雷達罩多采用玻璃鋼蜂窩夾層結構。最通用的增強纖維以E玻璃纖維和S玻璃纖維為主。隨著各種地面雷達、艦載雷達和機載雷達的不斷更新換代，對天線罩材料的性能提出越來越廣泛的要求。由于芳綸纖維具有高強度、高模量和低比重的特點，又是良好的介電材料，能透過電磁波，耐腐蝕性和大氣紫外線性能良好，因此是制造天線罩的優質理想材料之一。問世以來，國內外均開展了用芳綸纖維及其織物增強樹脂基復合材料研制雷達罩的工作〔6〕。如美國貢斯納飛機公司的槳狀飛機雷達罩，加拿大飛機制造公司的挑戰者飛機雷達罩都是用Kevlar纖維增強樹脂復合材料制造〔3〕。
    與玻璃鋼相比較，芳綸纖維復合材料的介電常數較低，所以對薄壁天線罩來說，芳綸纖維復合材料在保證同樣剛度下所需的厚度較玻璃鋼薄。因此透過率等電氣性能也優于相似結構的玻璃鋼雷達罩。對于半波長雷達罩，則由于芳綸復合材料的高力學性能可以采用倍率較低的壁厚來達到必需的結構剛度，這樣電氣性能大為改善。特別是對于夾層結構天線罩，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構，不但提高透波率而且減重。在芳綸紙蜂窩芯出現以前，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。這種紙蜂窩由美國杜邦公司生產，商品名Nomex。其性能與玻璃布蜂窩的性能比較見表3和表4〔7〕。其特點是重量輕，有足夠的壓縮強度、剪切強度和良好的疲勞強度，與復合材料膠接和組裝工藝性好，已廣泛作為雷達罩的蜂窩芯材替代玻璃布蜂窩芯。但由于目前價格較高，主要用于機載、艦載、星載雷達天線罩。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度，而且耐濕熱性能提高，目前在國內還沒有該材料的應用報道〔8〕。
2.2 頻率選擇反射器
    雙頻或多頻共用是現代天線工程中的新技術，它能簡化設計，簡化裝備，提高性能。頻率選擇副反射面（FSS）是該技術中的關鍵技術。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實現。透過則要求制件材料具有極高的電磁波透過性能。頻率選擇反射器的材料需具備結構材料和功能材料的雙重特性，其結構如圖1所示。采用芳綸纖維復合材料發揮其透波性能和低熱膨脹系數的特點制造頻率選擇反射器，可同時滿足結構材料和功能材料的雙重要求。相對于天線罩材料，頻率選擇反射器對精度和尺寸穩定性要求更高。?
    在國外發達國家已有多年研究經驗，頻率選擇反射器應用達到很高的水平。如：1986年歐空局（ESA）為衛星通訊和數據傳輸研制的11m直徑、重量45kg的雙色副反射器。采用蜂窩夾層結構，蒙皮為Kevlar纖維復合材料，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，其型面精度達到[CM（22]009mm(rms)，傳輸損耗為05dB，反射損耗為03dB。現設在瑞典的LANDSAT-D衛星天線系統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合材料為蒙皮，Nomex蜂窩芯夾層結構，其透波損耗在22GHz，小于03dB，反射損耗小于05dB〔9〕。?
    另外，在類似的極化扭轉天線中也常用芳綸纖維復合材料作為結構透波材料。?
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介質天線反射體上，使兩副天線僅占一副天線的空間。雙柵技術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用天線的主要形式。雙柵天線是近年來應用研制的熱點，其結構示意如圖2所示。兩層反射體（金屬柵條）分布在一個介質天線結構體上，兩層反射體分別對應不同的天線反射面曲線，有著各自不同焦點。?
    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生的交叉極化和反射相抵消，反射面之間的厚度應為1/4波長。國內也開展了該技術研究。我國研制的C波段中等容量國內通信衛星DHF-3采用雙柵多饋源賦形波束天線，引進的SINOSAT-1和APSTAR-2R衛星全部采用賦形反射面天線，其中SINOSAT-1的C波段發射天線、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構，內外蒙皮為Kevlar纖維復合材料，蜂窩芯為Nomex紙蜂窩芯材。?
4 輕型天線結構件
    由于芳綸纖維復合材料具有高比強度和比剛度及優異的尺寸穩定性，它還被應用于制造雷達整機中的結構件，及機殼、機架等結構件。具有結構重量輕、諧振頻率高的特點，特別適于機載、星載天線結構。其一，構件的諧振頻率與結構外形有關，與材料的比彈性模量的平方根成正比，復合材料的比彈性模量遠高于一般金屬結構材料，因此在結構相同的情況下，芳綸復合材料具有更高的諧振頻率。其二，環境溫差引起的結構熱變形對于高精度天線的精度影響是不容忽視的。如饋源支架（座），反射面背架等結構件的熱變形會影響天線指向誤差，引起電軸飄移，使天線的電氣性能下降。所以星載天線的結構材料采用高比強度和比剛度及熱膨脹系數小的先進復合材料。主要為碳纖維、芳綸纖維、硼纖維等復合材料。碳纖維復合材料在輕型天線中的應用較為普遍，實例很多。因碳纖維復合材料為半導體材料，存在制件對電磁波的遮擋及電磁干擾問題，相對來講芳綸纖維復合材料為絕緣、透波材料，比碳纖維復合材料更為有利。芳綸纖維復合材料在輕型天線中的應用除雙柵天線外也有不少實例。如日本的廣播衛星天線，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纖維復合材料夾層結構。反射面背面支撐結構用Kevlar纖維織物增強復合材料制造。美國RCA公司為多顆衛星研制的多部拋物面天線中，其反射面均采用Kevlar纖維織物增強復合材料制造。?
    在輕型構架天線中，純芳綸纖維復合材料結構不多見。Kevlar纖維經常可用于與碳纖維、玻璃纖維等進行混雜，制成混雜纖維復合材料。可充分發揮各種纖維的優勢，克服缺點，達到最佳效果。隨著纖維復合材料成型工藝技術的不斷進步，為提高復合材料的層間強度，注射成型工藝RTM（Resin Transfer Molding），三維編織技術（Tri-Weaving）及縫紉技術（Stitching）等不斷推陳出新〔10〕。在縫紉技術用高性能纖維縫線中，由于碳纖維一般較脆，縫紉過程中很容易斷線起毛，目前技術水平下還不能進行縫紉操作。玻璃纖維雖然拉伸強度較高，但由于其彎曲強度較底、纖維密度較大且容易斷絲，應用也受到限制。現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中得到應用，對碳纖維織物進行法向縫紉增強。?
    由于芳綸纖維質地柔軟，韌性好，可用普通的紡織機加工成各種織物。為發揮其拉伸強度高的性能，經常用芳綸纖維編織各種繩索及縫線。在星載可展開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。實踐證明具有拉伸強度高、重量輕的優點，經環境試驗證明耐環境性良好。?
5 天線特種電路基板
    在特種環境下服役的天線，對印刷電路基板（PCB）的耐環境性能有嚴格要求。特別是平板微帶天線、相控陣天線等對印刷電路基板的絕緣性能及尺寸穩定性和介電性能要求嚴格。芳綸纖維復合材料特種電路基板具有無可比擬的優越性。首先，在溫度變化時，芳綸纖維復合材料特種電路基板幾乎不產生熱變形。表面安裝技術SMT采用密封陶瓷載體，其膨脹系數為64～67×10-6K-1，而普通玻璃鋼線路板的膨脹系數為12～16×10-6K-1，兩者之間由于熱變形不匹配經過若干次高低溫沖擊必然引起開裂。而芳綸纖維的線膨脹系數為-2～-4×10-6K-1，與樹脂復合制成層壓板的膨脹系數可調整到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的介電常數成反比。介電常數越小，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從半導體基片進入復合材料電路板的通道，芳綸復合材料電路板具有低介電損耗系數和介電常數，它更適合于高速電路的傳輸。而且芳綸復合材料電路板比相同玻璃鋼電路板輕20%。多層印刷電路板結構所用材料及其線膨脹系數如圖3所示〔3〕。?
    因為芳綸復合材料電路板的諸多優點，國外研究起步較早，現已有很多商品化的芳綸復合材料電路板。美國杜邦公司1982年開始出售Kevlar復合材料電路板，其尺寸穩定性極佳。日本帝人公司也將它的Technora纖維用作無引線陶瓷基片載體的增強材料，制成特種電路基板，它與傳統的環氧玻璃布層壓板相比，尺寸穩定性好，介電常數低，更適合于高速傳輸線電路，也有利于電子設備的小型化和輕型化。日本東洋紡公司也開發了一種具有高的尺寸穩定性和高抗濕性的聚間苯二胺纖維無紡布，用環氧樹脂浸漬制成柔性印刷電路板。JERS-1衛星的SAR天線，為1192m×22m，由可展開的八塊平板組成。每塊板由雙層蜂窩夾層結構構成，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合材料電路板制成的微帶天線基板，板厚6mm。國內處于研究階段，尚無商品化。據了解華電材料公司已研制完成芳綸織物復合材料層壓電路板。據報道，風云二號氣象衛星天線組件的電路板采用Kevlar復合材料面板/Nomex蜂窩夾層結構，表面為粘貼覆銅箔聚酰亞胺薄膜〔10〕。?
3 結語?
    綜上所述，由于芳綸纖維復合材料具有很多優點。因此，在雷達天線工程中具有重要的應用。芳綸纖維復合材料本身也有一定的缺點，在工程實踐中有幾個普遍性的技術問題比較突出。其一，國內芳綸纖維與國外同類纖維比較，強度相當于Kevlar29、Kevlar49，在吸濕性方面還沒有達到Kevlar149的水平。而且，目前我們國內的芳綸纖維材料規格較少，設計可選擇余地小。其二，芳綸纖維復合材料的層間剪切強度較低，應在纖維的表面處理技術方面作更深入的研究。其三，芳綸纖維韌性大，其復合材料的機械加工性能差，普通機床很難加工，應用特種加工技術如高壓水切割質量較好〔11〕。除上述問題外，要使芳綸纖維及其織物復合材料在此領域中得到廣泛的應用，應著重研究與芳綸纖維復合的高介電性能樹脂體系，開展并加快與其他纖維混雜應用是揚長避短、發揮優點的有效手段。?

xyh9951

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starseye

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shanghai252

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