瞿啟云，鄧友銀，黃 釗，江海東，張玉梅

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

改性聚苯醚合金在雷達天線罩上的應(yīng)用

瞿啟云，鄧友銀，黃 釗，江海東，張玉梅

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

對改性聚苯醚合金分別采用擠塑和注塑成型制成兩種不同結(jié)構(gòu)形式天線罩，并實際應(yīng)用于某型雷達天線陣面上。天線罩材料電性能檢測、天線陣面駐波試驗和雷達5年戶外工作狀況表明：天線罩主要電訊性能(介電常數(shù)ε、介質(zhì)損耗角正切tanδ、電壓駐波系數(shù)VSWR等)、耐候性能等均能很好滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。

改性聚苯醚；合金塑料；擠塑成型；注塑成型；天線罩；電訊性能；耐候性

引 言

聚苯醚(PolyPhenylene Oxide, PPO)，即聚亞苯基氧化物或聚苯氧，是當(dāng)今五大通用工程塑料之一，廣泛用于電子電氣、航空航天等領(lǐng)域。通常是以2,6-二甲基苯酚為原料，苯或甲醇為溶劑，銅氨絡(luò)合物為催化劑，在高氧環(huán)境下，采用氧化偶合的方法縮聚得到的一類熱塑性工程樹脂[1]。它除具有良好的物理機械性能外，還具有特異的電氣絕緣性(低介電常數(shù)Dk和低損耗因子Df)、耐熱性、阻燃性和較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(210 ℃)，尤其是耐高低溫蠕變性能在所有熱塑性工程塑料中最好。同時，它還具有耐酸堿、耐化學(xué)腐蝕、耐水解、成型收縮率低、線性熱膨脹系數(shù)小、制品尺寸穩(wěn)定性好的優(yōu)點，可長期在高溫環(huán)境下(160 ℃～190 ℃)使用。但由于這種樹脂熔體粘度很高、流動性較差，往往給加工成型帶來極大困難，所以工業(yè)上很少用純PPO樹脂直接擠塑或注塑成型得到制品，而是首先對其進行改性[2-3]，目前工業(yè)應(yīng)用的PPO樹脂90%以上為改性聚苯醚(MPPO)。

PPO的改性方法主要分為物理和化學(xué)兩類方法[2]。其中，化學(xué)方法主要是對其端基或主鏈通過定向的有機功能化處理(如封端化、?；⒒腔螋然?進行改性[4]；物理方法主要包括熔融共混[5]、填充[6]、纖維增強[7]等。熔融共混改性是指在非結(jié)晶性的PPO樹脂熔體中加入另一種結(jié)晶性的(如聚酰胺PA、聚酰亞胺PI等)或非結(jié)晶性的(如聚苯乙烯PS、聚苯硫醚PPS等)聚合物樹脂熔體，冷卻后可形成一種均相聚合物合金的相容化摻混改性技術(shù)[5]。由于PPO與PS之間相容性非常好，二者可以任意比混合并形成完全相容狀態(tài)的聚合物合金。同時研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)高抗沖聚苯乙烯(HIPS)摻混改性得到的MPPO聚合物合金(PPO/HIPS)，其樹脂不僅具有良好的熔體流動性能，而且加工成型制品還具有優(yōu)異的拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度、斷裂伸長率等優(yōu)異的綜合力學(xué)性能[8]。

本研究主要選用國產(chǎn)PPO樹脂，經(jīng)HIPS和二氧化鈦(TiO2)微米顆粒進行摻混改性后，得到的MPPO合金塑料(PPO/HIPS)通過共擠出成型得到了一種平板形天線罩并應(yīng)用于某型雷達天線陣面。材料電性能測試、天線陣面駐波試驗以及某型雷達圓筒形天線罩5年戶外實際使用狀況表明，改性聚苯醚合金塑料天線罩的電訊、機械和耐候性能均滿足技術(shù)要求，雷達天線系統(tǒng)性能穩(wěn)定，工作正常。

1 天線罩成型

1.1 平板形天線罩

(1)PPO原樹脂

采用LXR045產(chǎn)品(簡稱PPO-45)，特性粘度為43～47 g/cm3。

(2)PPO/HIPS樹脂合金

改性方法是通過將HIPS樹脂粉體和TiO2微米顆粒摻混入高溫PPO-45樹脂熔體(260 ℃)，并進行相容性和均相化處理后，冷卻造粒得到。其中，所加入的TiO2微米顆粒的粒徑約為2 000目(約6.5 μm)，主要起到增強樹脂基體機械性能的作用，但是會小幅度提高介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因子[9]。另外，TiO2微米顆粒也是一種較強的紫外線(200～380 nm)吸收劑，可以提高制品長期戶外工作的防日曬老化性能。MPPO合金塑料主要物性參數(shù)見表1。

表1 國內(nèi)外兩種MPPO樹脂主要物性比較

(3)擠塑和注塑成型(由外協(xié)廠家制造完成)

(4)平板天線罩熱校平

a)熱校平機理：由于共擠出成型過程中受樹脂熔體溫差、擠出速率、冷卻速率、工藝參數(shù)、制品尺寸、加工溫度、擠塑機性能等因素的影響，制品內(nèi)部大都存在著不同程度大小的兩種內(nèi)應(yīng)力[10-11]，即高分子鏈取向內(nèi)應(yīng)力和體積/溫度內(nèi)應(yīng)力。這些內(nèi)應(yīng)力較大時可能會導(dǎo)致制品變形，如卷曲、扭曲等，甚至?xí)a(chǎn)生嚴(yán)重裂紋或缺陷而影響到制品的質(zhì)量、性能和壽命。另外發(fā)現(xiàn)在共擠出成型平板形天線罩時，同樣出現(xiàn)了較大程度的卷曲變形，見圖1。

圖1 熱校平前的平板天線罩

對擠塑成型塑料制品進行退火校平，以降低或消除材料的內(nèi)應(yīng)力，是一種使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)加速達到穩(wěn)定狀態(tài)的有效措施[10]。一般認(rèn)為，熱塑性塑料件的退火溫度以低于塑料本身熱變形溫度(維卡點)5 ℃～10 ℃為宜；退火時間主要與塑料性質(zhì)與制品壁厚有關(guān)，高聚物分子鏈的剛性愈大，壁厚愈大，退火時間相對愈長。

b)熱校平工藝：將1～2塊卷曲變形的MPPO擠塑制品(尺寸規(guī)格為1 300 mm×1 050 mm × 3 mm ± 0.1 mm)夾壓于兩塊平整度和光潔度較高、內(nèi)表面均覆有一層聚四氟乙烯脫膜布的5A06鋁板(尺寸規(guī)格為1350mm×1 100 mm × 3 mm)之間，水平放置在鼓風(fēng)烘箱中(最高工作溫度為300℃)，以總質(zhì)量約50kg的重物均勻壓平；以6 ℃/min ～ 7 ℃/min的升溫速率，升溫至160 ℃；保溫30 min后，停止加熱，箱內(nèi)開始鼓風(fēng)降溫，降溫速率為0.5 ℃/min；待溫度降至60 ℃時打開烘箱，自然降溫至室溫后取出。已經(jīng)退火校平并室外自然放置72 h后的MPPO平板天線罩見圖2，顯然已完全校平，且長時間放置后未出現(xiàn)因殘余內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致的回復(fù)卷曲變形現(xiàn)象，表明以上退火處理已在很大程度上降低了塑料基體的內(nèi)應(yīng)力，因而天線罩結(jié)構(gòu)形狀穩(wěn)定。

目前我國公共圖書館系統(tǒng)未成年人服務(wù)很大程度上落后于成人服務(wù)，少兒圖書館事業(yè)發(fā)展很不平衡，農(nóng)村地區(qū)無此項服務(wù)[33](P18)，而學(xué)校圖書館面臨著專業(yè)化、規(guī)范化的建設(shè)任務(wù)，其發(fā)展同樣有較嚴(yán)重的區(qū)域、年級和管理部門等的差距[34]（P254-285）。沒有有效、強有力的圖書館未成年人服務(wù)的理論與實踐支撐，可以說語文教育的概念就會成為絕大多數(shù)師生的空中樓閣與極少數(shù)人的游樂園。另外這兩類主要的未成年人服務(wù)機構(gòu)分屬我國文化和教育系統(tǒng)，容易出現(xiàn)力量分散、資源浪費、各行其是等問題，兩者間的合作與協(xié)調(diào)也有賴于行政部門的積極作為。

圖2 熱校平后的平板天線罩

1.2 圓筒形天線罩

MPPO樹脂為進口PPO/HIPS合金塑料，采用注射模塑成型工藝得到圓筒形共形天線罩。實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，注塑成型制件收縮率低，尺寸穩(wěn)定性好，符合結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，見圖3。

圖3 某型雷達天線單元圓筒共形天線罩

同時，為進一步提高此天線罩的戶外使用壽命、耐候性以及疏雨雪能力，通過對其表面進行粗化、活化等工藝處理后，涂覆了一層氟碳樹脂漆(漆膜厚度≤0.5 mm)，電訊試驗表明該層漆膜對天線振子單元的電訊性能影響很小。

2 天線罩電訊性能

2.1 介電常數(shù)和介質(zhì)損耗

本文以國產(chǎn)MPPO合金塑料平板試件為研究對象，參照美標(biāo)ASTM D150-11固體電絕緣材料的(恒久電介質(zhì))的交流損耗特性和介電常數(shù)的試驗方法，分別測試了在1 MHz、1 GHz工作頻率下的介電常數(shù)ε和介質(zhì)損耗角正切tanδ，具體測試條件如下：

1)設(shè)備名稱：射頻阻抗材料分析儀；

2)環(huán)境條件：溫度21.5 ℃，濕度49%；

4)測試前處理：實驗室環(huán)境下自然放置24 h后再進行測試；

5)測試頻率：1 MHz和1 GHz；

6)試件數(shù)量：各5件；

7)試件規(guī)格：如圖4所示。

圖4 MPPO合金塑料電性能測試樣件

兩種不同測試頻率下的測試結(jié)果(圖5)表明，該MPPO合金塑料的介電常數(shù)分布均勻，一致性較好，兩種測試條件下的平均值分別為2.73和2.66；同樣，介質(zhì)損耗角正切值呈單一性分布，分別為0.002和0.001，均符合某型雷達對于天線罩材料的電訊設(shè)計要求。

圖5 兩種測試頻率下MPPO合金塑料的介電常數(shù)

2.2 駐波性

已經(jīng)熱校平的MPPO平板天線罩再通過數(shù)控銑、去毛刺等機加處理后，依據(jù)雷達天線罩結(jié)構(gòu)和安裝設(shè)計規(guī)定，裝配到天線陣面上。在工作頻段和掃描角內(nèi)進行了陣中單元有源駐波測試，結(jié)果表明：該雷達天線陣面的電壓駐波系數(shù)VSWR≤2.3，符合電訊設(shè)計要求。

3 天線罩耐候性

圖3所示的MPPO圓筒形共形天線罩已在某型雷達天線陣面中裝配使用。該型雷達產(chǎn)品在戶外長達5年的實際工作狀況表明，各天線單元天線罩未出現(xiàn)變形、開裂或缺損現(xiàn)象，抗沖擊和蠕變性能良好；同時，罩體表面涂覆的氟碳涂料表面仍光潔完好，未出現(xiàn)明顯的起皮、皺裂、脫落等老化情況。雷達天線整體工作穩(wěn)定、正常。

4 結(jié)束語

改性聚苯醚合金塑料具有的低密度、低熔體粘度、易擠塑和注塑、制件尺寸穩(wěn)定、耐候性好以及低介電、低介質(zhì)損耗、價格低等優(yōu)異特性，能夠較好解決某些大面積平板天線罩或小體積共形天線罩的高效率、低成本、高精度、高一致性等批量化生產(chǎn)技術(shù)難題，這是某些傳統(tǒng)樹脂基復(fù)合材料(如環(huán)氧、酚醛和不飽和聚酯等)所無法實現(xiàn)的。不難推斷，隨著PPO樹脂合成及其改性技術(shù)的發(fā)展，該聚合物樹脂材料性能將會進一步得到提高和改善，它在雷達天線罩上的應(yīng)用必將具有更廣闊的前景。

[1] 楊勇, 張洪彬, 許東海. 聚苯醚合成機理的研究進展[J]. 高分子通報, 2012(11): 32-39.

[2] 李愛英, 常杰云. 聚苯醚改性的研究進展與應(yīng)用[J]. 工程塑料應(yīng)用, 2011, 39(2): 96-99.

[3] 胡洋, 馮威, 高瑜, 等. 聚苯醚合金的研究進展[J]. 中國塑料, 1999, 13(3): 7-11.

[4] 馮威, 張慶敏, 金日光, 等. 聚苯醚的化學(xué)改性[J]. 合成樹脂及塑料, 1997, 14(4): 52-55.

[5] 羅毅, 肖勤莎. 聚苯醚的改性[J]. 合成樹脂及塑料, 1998, 15(1): 53-56.

[6] 龍春光, 林海佳, 龔建彬, 等. PTFE、炭黑和石墨填充聚苯醚的摩擦學(xué)性能研究[J]. 潤滑與密封, 2011, 36(3): 41-43, 54.

[7] 郭雪嬌, 苑會林, 李大鵬. 玻璃纖維增強改性聚苯醚的研究[J]. 工程塑料應(yīng)用, 2008, 36(9): 8-11.

[8] 張偉, 李剛, 信春玲, 等. 高抗沖聚苯乙烯對改性國產(chǎn)聚苯醚性能的影響[J]. 高分子材料科學(xué)與工程, 2011, 27(9): 76-79.

[9] 陳宇飛, 張旭, 孫佳林, 等. 二氧化鈦改性環(huán)氧樹脂膠黏劑的性能[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版, 2013, 34(3): 335-339.

[10] 吳利英. 影響注塑制件內(nèi)應(yīng)力的因素[J]. 工程塑料應(yīng)用, 2004, 32(10): 28-31.

[11] 吳利英. 熱塑性塑料注塑制品內(nèi)應(yīng)力分析[J]. 塑料科技, 2001, 141(1): 28-33.

瞿啟云(1974-)，男，博士，高級工程師，主要從事功能材料與雷達工藝技術(shù)研究。

鄧友銀(1965-)，男，碩士，研究員級高級工程師，主要從事雷達制造技術(shù)研究。

Application of Modified Polyphenylene Oxide Alloy in Radar Radome

QU Qi-yun，DENG You-yin，HUANG Zhao，JIANG Hai-dong，ZHANG Yu-mei

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

Two kinds of radomes with different structure used in a radar antenna array are formed by plastic extrusion molding and plastic injection molding with modified polyphenylene oxide (MPPO) alloy. Electrical performance test of MPPO material, standing wave test of antenna array and five-year radar outdoor operation show that main electrical performances (such as dielectric constant (ε), dielectric loss tangent (tanδ), VSWR) as well as weatherability of the radome can well satisfy the technical requirements of the products.

modified polyphenylene oxide; alloy plastic; plastic extrusion molding; plastic injection molding; radome; electrical performance; weather-resistance

2015-01-05

TN820.8+1; TQ326.53

A

1008-5300(2015)02-0048-04