材料透波率介紹

1、透波材料一、透波材料：能透過電磁波且?guī)缀醪桓淖冸姶挪ǖ男再|(zhì)（包括能量）的材料我們以不同性能的高分子材料為基體，通過填充、共混微波陶瓷介質(zhì)和復合纖維等手段，在保證材料有良好承受機械力和其它性能的同時，調(diào)節(jié)材料的介電常數(shù)和耗散因數(shù)，得到透波率能夠滿足我們的使用要求的復合材料。在實際運用中， 介電常數(shù)和耗散因數(shù)是衡量透波材料透波能力的兩個重要指標，根據(jù)透波材料的使用環(huán)境，還需要考慮除透波率外的其它性能，如長時間的耐高溫性能、高剛性、尺寸穩(wěn)定、阻燃、韌性、化學腐蝕、耐磨、自潤滑、耐老化等。材料及描述以下材料專門應用于需要高透波率的地方，同時還可以根據(jù)需要選擇其它性能：尺寸穩(wěn)定、阻燃、韌性、耐高溫、化學

2、腐蝕、耐磨、自潤滑、耐候、耐老化產(chǎn)品描述 牌號 應 用97% 透波率、超耐高溫改性 PEEK PEEK-K0 軍6 事、航空、航海特種雷達用天線罩、附屬部件、氣象設(shè)備外殼罩、科研儀器設(shè)備、探測用途97% 透波率、高剛性、耐高溫 PI PI-K0592% 透波率、阻燃阻燃V-0 、耐化學腐蝕、耐磨PPS PPS-T0195% 透波率、阻燃阻燃V-0 、耐化學腐蝕、耐磨PPS PPS-T0297% 透波率、阻燃阻燃V-0 、耐化學腐蝕、耐磨PPS PPS-T0399% 透波率、阻燃阻燃V-0 、耐化學腐蝕、耐磨PPS PPS-T0499% 透波率、表面光澤、耐老化ASA ASA-T01 民用天線罩

3、：移動通訊基站點天線罩、氣象雷達罩、車載天線罩、天線包封材料、微波天線罩99% 透波率、表面光澤、耐老化 ASA ASA-T0290% 透波率、強韌性、耐候、耐老化PA6 CT0196% 透波率、強韌性、耐候、耐老化PA6 CK0497% 透波率、強韌性、耐候、耐老化PA6 CK0696%透波率、尺寸穩(wěn)定、抗 UV、耐候PC PC-T0197%透波率、尺寸穩(wěn)定、抗 UV、耐候PC PC-K0692% 透波率、抗UV 、耐交替高低溫、耐老化PPPP-T01低成本化民用、長期戶外使用天線罩、民用樓頂高敏接收天線罩95% 透波率、抗UV 、耐交替高低溫、耐老化PPPP-T0297% 透波率、抗UV

4、、耐交替高低溫、耐老化PPPP-T03軍用透波復合材料的研究進展1 前言現(xiàn)代戰(zhàn)爭是從電子戰(zhàn)開始的，即在爭取“ 制空權(quán) ” 時，很大程度上是在爭取 “ 制電磁權(quán) ” 。戰(zhàn)爭的任何一方失去了 “ 制電磁權(quán) ” 在硬武器較量中將處于被動挨打的地位 , 電子戰(zhàn)被視為第四維戰(zhàn)場。而這些先進設(shè)備的應用離開了雷達罩的技術(shù)發(fā)展是不可能實現(xiàn)的?，F(xiàn)代雷達技術(shù)已由早期探測、火控、氣象和導航功能，進一步發(fā)展出電子偵察、電子干擾、精確制導等功能。雷達罩工作頻率也由單頻發(fā)展為寬頻，直至多波段全頻帶。不僅要求雷達罩有高透波率，而且要有低吸收率。雷達罩材料的低介電常數(shù)和低介質(zhì)損耗是滿足新型雷達要求的必要條件。透波材料通常分為

5、兩類：一種為纖維增強有機耐熱樹脂基復合材料，另一種為無機材料，如氧化鋁、二氧化硅、玻璃陶瓷、氮化硅、氮化硼等 。無機材料在波范圍內(nèi)能滿足雷達罩電氣性能厘米波范圍的要求，使用性能良好。但對于毫米波段(波長在1 1000mm ，頻率在 0.3 300GHz 范圍的電磁波)和有寬帶性能的天線罩來看，則顯示較大的缺點( 強度低、壁較厚等)。因此隨著高載荷、高飛行速度戰(zhàn)術(shù)導彈的發(fā)展，多選有機耐熱樹脂基復合材料作透波材料。本文主要綜述用于軍用航空透波復合材料的研究進展。2電性能要求透波復合材料是由增強纖維和基體材料構(gòu)成的，兩者的電性能直接決定透波復合材料的電性能如下式 1 ：1g N = U f 10g

6、f + (1 - V f - U 0)10g m+ U 010g 0其中 V m= 1 V f U 0 n 復合材料的介電常數(shù) f 復合材料中纖維的介電常數(shù) m-復合材料中基體的介電常數(shù) 0 復合材料中孔洞中介質(zhì)的介電常數(shù)u f 復合材料中纖維的體積分數(shù)Um復合材料中基體的體積分數(shù)00 復合材料中孔洞的體積分數(shù)又根據(jù)介質(zhì)損耗角正切的定義，垂直于纖維布平面的復合材料的介質(zhì)損耗角正切為：tg 8 = Ufm 0 tg f + (1 - Uf - U 0) f0tg 8 m +U0m f tg 3 0 n / mf 0一般u 0很少，通常要求1%,因此復合材料中的& N和tg 8,主要決定于 & m

7、、tg S m、f和tg Sf,也就是復合材料的電性能取決于增強纖維和基體材料。增強體纖維材料國外增強體纖維材料研究現(xiàn)狀纖維種類在透波復合材料中最早使用的是E 玻璃纖維 , 后來又有特種玻璃纖維, 是指高強度玻璃纖維(S-g1ass), 高模量玻璃纖維(M-g1ass) 和低介電玻璃纖維2(D-g1ass) 。真正用于雷達罩的專用玻璃纖維主要是D 玻璃纖維、 石英纖維和高硅氧玻璃纖維， D 玻璃纖維專用于雷達罩, 它具有較低的介電常數(shù)和正切損耗, 但同時 , 機械性能較低, 一般僅為 E 玻璃纖維的 70%,為達到一定的介電性能時，往往采用D玻璃纖維。新型低介 D電玻璃纖維是一種硅硼纖維（72

8、% 75%的SiO2, 23 %的&Q）,主要用于制造雷達罩，目的是改善電性能和減少電厚度以降低實心罩的質(zhì)量,在MIRAGE2000、GRIPENJAS 39、 HAWK20。 HARRIER上都有應用。高硅氧玻璃纖維中二氧化硅的含量為9199%,它是以酸浸洗 E玻璃纖維,除去堿金屬,再于670800 c加熱燒結(jié)而形成高硅氧玻璃纖維。芳綸纖維是高度定向的芳香族聚酰胺纖維的統(tǒng)稱，其代表品種為美國杜邦 公司生產(chǎn)的Kevlar 49,其性能見表1示。由于芳綸纖維具有較低的密度、優(yōu) 越的抗沖擊性和比剛度高、比強度高等特性，在航空上得到廣泛應用，一度有 取代玻璃纖維的趨勢。波音公司的CH-46直升機用芳

9、綸復合材料，每 g減重率%。然而由于纖維中大分子對稱性高，容易造成復合材料構(gòu)件濕漲開裂， 電性能降低，因而在雷達罩中的應用受到影響。其他纖維混雜可以獲得優(yōu)良的 綜合性能。石英纖維的化學成份是純度達99.5%以上的二氧化硅，經(jīng)熔融制成纖維,其介電常數(shù)和正切損耗與上述玻璃纖維相比都是最小的,石英纖維的機械性能取決于制造工藝技術(shù),另外，石英纖維的線膨脹系數(shù)較小,而且具有彈性模量隨溫度增高而增加的罕見特性。各種增強體纖維的性能見表1。表1各種增強纖維的主要性能纖維 品種密度3g/cm拉伸 強度MPa彈性 模量GPa介電常數(shù)（10GHz）正切損耗（10GHz）E玻纖2.54314073.06.130.0

10、055S玻纖2.49402082.95.210.0068M玻纖2.77370091.67.000.0039D玻纖2.10200048.04.000.0026r石英玻纖2.20170072.03.780.0002高硅氧波纖2.30250052.04.000.0048KV-491.4636201522.50.0015超高分子量聚 乙烯纖維0.95010192.83.00.0001聚乙烯纖維是密度最小，介電性能優(yōu)良的一種增強纖維，由于其表面惰性 導致纖維與樹脂粘附性差，必須對纖維進行表面處理，同時選擇合適的樹脂體 系。超高模量聚乙烯纖維（ UHMPE,如Dyneema和Spectra系列，強度高、

11、不吸水抗沖擊，在 X波段至mm波段范圍內(nèi)，具有優(yōu)良的介電性能，與樹脂浸 潤性好，復合材料的防彈性和力學性能在高溫下保持穩(wěn)定，是一種很有前途的 高性能雷達罩增強材料。常與其他纖維混合成透波混雜復合材料使用。例如 Spectra/玻璃纖維（25/75 ） 復合材料的介電常數(shù)為2.9 ; Spectra/石英混雜體系能夠獲得優(yōu)良的電 /機械性能。目前國外導彈天線罩大多已采用此種纖 維。2纖維編織國外常用織物為平紋布、斜紋布制作夾層結(jié)構(gòu)雷達罩；歐洲多用二維仿形 編織套制作PD雷達罩，美國則常用纖維束纏繞鋪放制作PD雷達罩。俄羅斯用高厚布縫1編套，它是采用手工編，高厚布按一定尺寸刎戢接部位采用搭接繾U的

12、方法，每個縫U蠡3b 5毫米厚，多個修按一定箕 方法疊在一起，然后）成型。避方法速度快，成本低，縫制部位的抗拉強 度只下降20%, 后，不影響使用性能。在國外瑟國家，用于制缺簟的玻璃雒材料均根據(jù)性能 價格比 系列化，品種多、蜃愚、介損耗小，可以大批量生產(chǎn)并且已繳臚 透波復合材料的科學研究，有的已經(jīng)應用機雷達罩上。3.2國內(nèi)增藤維楙制院魏目前國內(nèi)透波復合材料使用的增強纖維以 E玻璃鼐 S玻璃第E-玻璃主,M玻璃維儂量使用。雷達大縛用增趣維物）仍以 纖維密度=2.54g/cm0.15左右，低0.23、6.13、tg 8=0.0055 )和 S-玻璃維 M =2.49、=5.12、tg 8=0.00

13、68 ）,同舞推外密度比國內(nèi)低左右、tg S小0.0015左右。且物種契少，只有兩繾f形編 紈短表2圜莊要航空用玻璃繡布的性能。表2國航空用玻璃韁麗的性能制品牌號斷裂曲密度/（根/cm）組箱厚度/mm/(N/25mm)經(jīng)緯綁翱n/(g/m2)SW220 181 14 1SW220A 18 1 1412/2斜紋5/2 鍛230 20 0.220 0.022230 20 0.220 0.0221862196215681568SW100A 20 1 20 1 100+10 0.100 0.01500500EW210 161 121EW240 36 1 20 1EW240A 36 1 20 12/2斜

14、紋8/3 鍛8/3 鍛210 21 0.210 0.020290 7 0.240 0.020290 12 0.240 0.0241470127027002300150012004.轆基體材料目前，素相仍是雷達罩最常用的樹旨基體之一。但近年來由于先進需 達罩臻藕低微耗、耐高溫，耐天候等性能要求的不斷提升，其他如 醉, 懶、雙服般、酚醛脂、有機詢f等，各種確介帷能的就如表3所示4.1藐糖3。糯具有傀的界面性能、耐化學腐蝕性能、性能以及尺寸的松性，并且工股熟、成本班。缺點是并不耐高溫，且介電性能與新相料如 豳相比并無母。用于雷達罩的通常羽酚型瑜、酚醛氧，其中以 雙A酚型量最大A 4。雙蜀麟?雙臂般用

15、到透波復合材料上的主要障礙是正切損耗較，？原因是楣境不鰥太多造成的。目前，遺技松藪攻克,?國內(nèi)已初制成功了用于靈半波壁縮雷達罩RTM工業(yè)4503A雙毫厥樹脂、用于人工介質(zhì)材料的 4501A?雙馬來酰亞胺樹脂和用于預浸料的4501B雙馬來酰亞胺樹脂。改性雙馬來酰亞胺樹脂是一種具有雙官能團多用途的有機化合物，其雙鍵的高度親電子性使之易于和多種親核性化合物反應，？由于其五元雜環(huán)的結(jié)構(gòu),決定了特有的力學性能和耐熱性,以二烯丙基雙酚 A?改性的BMI樹脂具有優(yōu)異的力學性能,耐熱性和良好的成型工藝性受到了廣泛的關(guān)注,在結(jié)構(gòu)復合材料上獲得了廣泛的應用。？甄酸酯樹脂甄酸酯樹脂是目前國內(nèi)研究的熱點，它具有出色的

16、介電性能，同時還具有 耐高溫、低吸濕率、低熱脹系數(shù)、優(yōu)良的力學性能和粘接性能，以及良好的工 藝性。目前甄酸酯已成功地應用于雷達罩。為了進一步改性和提高性能價格比，甄酸酯樹脂通常與環(huán)氧樹脂共混使用，甄酸酯樹脂環(huán)氧樹脂/共混物不是簡單的物理共混物，兩者之間存在著復雜的共聚反應。陳平等采用甄酸酯改性環(huán)氧樹脂體系，使改性的環(huán)氧樹脂體系介電性能提高。尹劍波等6利用環(huán)氧樹脂和雙馬來酰亞胺樹脂做改性劑，對甄酸酯樹脂進行共聚改性，經(jīng)改性后的基體-4具有優(yōu)異的介電性能，介電常數(shù)為2.25,介電損耗角tg 8 10 (10kHz)。4.4聚酰亞胺聚酰亞胺是一類以酰亞胺環(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

17、性能(如表 3所示)，并且在寬廣的溫度和頻率范圍內(nèi)仍能保持較高水平 ，其機械強度相當或超過環(huán)氧復合材料，并具有良好的熱穩(wěn)定性能和耐溶劑性能等，但是其缺點是工藝性差，孔隙率高而引起吸潮，使電性能降低。使用 石英布聚酰亞胺復合材料與非碳/化燒蝕材料聚四氟乙烯相結(jié)合，可以有效解8決吸潮問題 。酚醛樹脂酚醛樹脂根據(jù)所用的催化劑，可分為熱固性酚醛樹脂和線性熱塑性酚醛樹 脂兩大類，用于雷達罩生產(chǎn)的是熱固性酚醛樹脂，固化后的酚醛樹脂結(jié)構(gòu)中不 但含有大量的芳香環(huán)，而且交聯(lián)密度也很高，因而具有很好的耐熱性、力學性 能及耐候性。缺點是成型壓力高，后固化時間長，介質(zhì)損耗較大，其介電常數(shù) 還隨溫度的升高而產(chǎn)生明顯的增

18、大。有機氟材料有機氟材料在抗熱震、抗雨蝕、低熱傳導方面具有一定優(yōu)勢。聚四氟乙烯(PTFE)的電性能異常穩(wěn)定，幾乎不隨頻率、溫度和濕度的變化而變化，其 抗熱震、抗雨蝕能力優(yōu)于無機材料，但是其力學性能較差，當溫度高于250 c時力學性能迅速降低9,而且不能熔融,一般需要燒結(jié)成型,工藝復雜,這在很 大程度上限制了它的應用。因此，探索新的成型工藝成為聚四氟乙烯材料雷達1011罩研究的關(guān)鍵。王小群等姜衛(wèi)陵等等針對其成型工藝展開過研究，效果聚丁二烯樹脂803.02.90.0151351.29表3幾種透波樹脂基體的典型性能品種彎曲強度彎曲模介電常數(shù)正切損耗耐熱溫密度3MPa量GPa(10GHZ)(10GHZ

19、)度Cg/cm環(huán)氧樹脂 酚醛樹脂97923.83.53.03.20.0200.0201501801.301.30不飽和聚酯樹J苯樹脂813.22.91廠0.016廠1301.29乙烯基酯樹脂903.512.90.0181501.30雙馬來酰亞胺1503.73.00.0141501.30烯丙基酯樹脂953.52.90.0141501.29甄酸酯 樹脂953.22.90.0081501.295、耐高溫透波基體材料高溫寬頻透波材料是高速精確制與飛行器的基礎(chǔ),是發(fā)展高超音速地空與彈、反輻射導彈等不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)之一,它直接制約著先進飛行器的發(fā)展。美國、俄羅斯等發(fā)達國家在高溫透波材料領(lǐng)域一直有較大的投

20、入,并取得了顯著的成果，但由于該領(lǐng)域的敏感性,關(guān)鍵技術(shù)一直嚴格保密。國內(nèi)高溫透波材料 體系的研究相對較為落后 ,而且存在發(fā)展不平衡的現(xiàn)象 ,有些材料技術(shù)與國外 接近,并具有一定的技術(shù)特色,而另一些材料體系則基本沒有開展過研究工作。 高溫透波材料是一種多功能材料,不同材料體系具有不同的性能優(yōu)勢和適用環(huán)境以及不同的生產(chǎn)成本和周期,因此在選材時應根據(jù)實際使用要求進行綜合考慮。目前在眾多的材料體系中，國內(nèi)外用于航空航天耐高溫透波材料主要有以下幾種，有機硅樹脂基復合材料、磷酸鹽復合材料及陶瓷復合材料。有機硅樹脂基復合材料有機硅樹脂基復合材料是近幾十年發(fā)展起來的一種新型多功能復合材料， 已深入到當代國防、

21、高科技國民經(jīng)濟以及人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域。它具有高 強度、耐高溫、抗熱震以及優(yōu)良的電氣絕緣和透電磁波性能，在高溫、潮濕下 的介電性能仍很穩(wěn)定，也是一種重要的雷達罩材料。但它的缺點是機械強度較 低，且須高壓成型。針對這些不足之處，近幾年出現(xiàn)了對有機硅樹脂進行改性 或與其它樹脂進行共混，克服其缺點，最大限度的發(fā)揮其優(yōu)異性能。曾劍平等 9的實驗表明，有機硅樹脂能夠有效地提高SiO2基復合材料的各項性能。在實際應用過程中一般采用短切纖維或連續(xù)纖維增強的復合材料。有機硅基透波材 料性能如表4。性能 材料纖維/硅樹脂高厚布/硅樹脂密度3 g/cm1.7 1.9表4有機硅基透波材料性能 彎曲強壓縮強度拉伸強

22、度 度 MPa MPa MPa606423-1.5 1.6 60 80 120 140 30 50介電常數(shù)正切損耗 (10GHZ)tg 8 (10GHZ)4.00.1 -3.00.01 無機聚合物無機聚合物的研究工作在第二次世界大戰(zhàn)后就有較多的研究報道,無機聚合物也是近幾年的研究熱點，美國開發(fā)了一族新穎的無機聚合物，它是以硅為 基，這種無機聚合物制成的復合材料，在538 c高溫下仍具有穩(wěn)定性、與熱系數(shù)低，有極好的熱沖擊性能和好的燒蝕性能。加工程度與傳統(tǒng)的熱固性樹脂同 樣容易，而性能相當于金屬或陶瓷材料，加工性能相當于聚酰亞胺復合材料。室溫下的介電常數(shù)=3.0,正切損耗tg 8=0.008。使用

23、溫度在800 c以內(nèi)時介電性能幾乎不變化。適用頻率范圍為3GHz30GHz,是制作高性能雷達罩的理想材料。無機聚合物-聚磷酸鹽基材料以其優(yōu)良的介電性能、耐高溫性能、加工 方便、低溫固化等特性而備受關(guān)注。磷酸鹽材料體系在800 c以下具有與石英類材料相似的優(yōu)異介電性能,如石英纖維增強磷酸銘鋁基復合材料在20 c800c之間，其介電常數(shù)為 3.653.9,介電損耗為 0.00850.02,磷酸鋁在 15001800 C以下具有穩(wěn)定的性能。由此可見該體系是一種優(yōu)良的耐熱透波材 料。同時該體系還具有成本低、成型工藝簡單、生產(chǎn)周期短的特點,是新一代戰(zhàn)術(shù)導彈天線罩材料的首選。因此開展低成本高性能磷酸鹽體系

24、透波材料的研 究對發(fā)展先進飛行器具有重要意義。國外早在20世紀60年代就開始研究,前蘇聯(lián)、美國對其應用研究較為全面,國內(nèi)70年代研究磷酸鹽粘結(jié)劑,近幾年出現(xiàn)了磷酸鹽復合材料的論文報道，如華東理工大學、哈爾濱工業(yè)大學等。 TOC o 1-5 h z 俄羅斯在透波復合材料研究和應用方面起步比較早，除常規(guī)透波復合材料 外，早在20世紀90年代中期就進行了結(jié)構(gòu)防熱一一透波一體化功能材料 的研究和應用。磷酸鹽樹脂體系體系已廣泛的得到應用。具體性能見下表5、表6。表5石英/磷酸銘在不同溫度下的介電性能T(C)2020040060010003.653.653.73.854.2tg 80.0085 | 0.0

25、085 |-0.010.020.03表6石英/磷酸銘在不同溫度下的力學性能T ()2040080010001200彎曲強度(Mpa)120100605045壓縮強度(Mpa)751005040拉伸強度(Mpa)8585802010我國近年來磷酸鹽復合材料也有了技術(shù)突破性的進步。雖然磷酸鹽陶瓷材 料還沒有在我國得到實際應用，但不少科研機構(gòu)已展開研究工作，并制備出了 玻璃纖維增強磷酸鹽陶瓷的復合材料。其性能如表7,其性能接近于國外磷酸鹽復合材料性能。表7我國磷酸鹽復合材料的性能沖.彎曲強度彎曲模量介電常數(shù)密度性能 TOC o 1-5 h z MPa GPae(g/cmr1r1r3)L113)數(shù)值

26、10023 5） 導彈唯一可用的天線罩材料。但是由于它孔隙率高 , 故易吸潮 , 抗雨蝕性能差。采用有機硅樹脂處理 , 可改善其防潮性能。除了氧化物陶瓷外 , Si 3 N4,BN 等氮化物陶瓷也可作為天線罩材料。氮化物都以共價鍵結(jié)合, 具有高的原子結(jié)合強度, 因此高強度、耐高溫、抗熱沖擊 ,且強度和硬度在高溫下很少下降。以色列研制出一種氮化硅天線罩材料, 其E 約為 2158,tanE 3 x 10- 3 , 而且具有足夠的機械強度, 耐雨蝕、沙蝕性能良好, 可耐 1600高溫。但氮化硅不易燒結(jié), 且殘余硅粉對介電性能影響較大。6. 夾層透波復合材料結(jié)構(gòu)簡介由于雷達技術(shù)的不斷進步，透波材料也相繼有了飛速的發(fā)展，并且有了不同的結(jié)構(gòu)，近幾年有了夾層結(jié)構(gòu)的透波材料， 它由蒙皮和芯材組成， 可是 3 、 5 、7, 層。蒙皮由纖維織物與樹脂組成，芯子可為蜂窩、泡沫、人工介質(zhì)，通常采用裱糊法成型；實心半波壁結(jié)構(gòu)，常