管志宏

(中國電子科技集團(tuán)第十研究所，四川 成都610036)

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新型芳綸纖維復(fù)合材料用于制造毫米波天線罩的研究

管志宏

(中國電子科技集團(tuán)第十研究所，四川 成都610036)

為彌補(bǔ)現(xiàn)有毫米波天線罩戰(zhàn)場防護(hù)性差的缺點(diǎn)，根據(jù)毫米波天線罩的特點(diǎn)，在適用于制造毫米波天線罩的通用材料(E玻璃纖維、石英玻璃纖維復(fù)合材料)及新型材料(芳綸纖維復(fù)合材料)之間進(jìn)行理論及試驗比較，得出適合于制造具有防彈能力的毫米波天線罩的材料，并對使用該材料的天線罩在防護(hù)性、電性能和生產(chǎn)性等方面的性能提升做出評估。

毫米波；天線罩；防彈；芳綸III

由于現(xiàn)代戰(zhàn)爭武器系統(tǒng)的發(fā)展，裸露在外的天線已經(jīng)受到各類武器的嚴(yán)重威脅。尤其是戰(zhàn)場上的各類爆炸破片和爆炸沖擊波，都極易破壞天線，影響到天線的使用。目前，國內(nèi)現(xiàn)有的天線罩只能起到保護(hù)天線免受風(fēng)、雨、雪等自然環(huán)境影響的作用，并不具備防御能力[1]，這使得裝備該類天線罩的設(shè)備在戰(zhàn)場上的生存能力差，導(dǎo)致維護(hù)保養(yǎng)任務(wù)繁重；因此，研制具有防彈抗爆能力的天線罩,為設(shè)備筑起最后一道防線,具有非常重要的軍事意義。

本文在結(jié)合有關(guān)抗侵徹貫穿彈道試驗及電性能對比試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,通過調(diào)研和收集有關(guān)資料,在防護(hù)性、電性能和生產(chǎn)性等3個方面，對以現(xiàn)有常用的E玻璃纖維、石英玻璃纖維以及新型材料芳綸纖維為增強(qiáng)纖維制作的復(fù)合材料進(jìn)行分析對比，對芳綸纖維復(fù)合材料在天線罩的應(yīng)用進(jìn)行研究和探討。

1 毫米波天線罩制造材料發(fā)展概況

現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)已由早期探測、火控、氣象和導(dǎo)航功能，進(jìn)一步發(fā)展出電子偵察、敵我識別、電子干擾和精確制導(dǎo)等功能。天線罩工作頻率也由單頻發(fā)展為寬頻，直至多波段全頻帶。

毫米波一般是指電磁波譜中頻率為30～300 GHz這一部分，對應(yīng)波長為1～10 mm。毫米波天線罩與傳統(tǒng)的分米波、厘米波天線罩相比，在結(jié)構(gòu)、材料、性能及工藝技術(shù)等各方面都提出了更高的要求。尤其在透波性和強(qiáng)度等方面，隨著毫米波技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的(如陶瓷、微晶玻璃等)天線罩材料，由于其固有的一些弱點(diǎn)，已滿足不了毫米波天線罩在高透波特性和強(qiáng)度等方面的要求[2]。

迄今為止，天線罩材料已有50年的歷史，其發(fā)展歷程為：纖維增強(qiáng)塑料→氧化鋁陶瓷→微晶體玻璃→石英陶瓷→先進(jìn)復(fù)合材料。最早開發(fā)研究的天線罩材料為陶瓷材料，這種材料具有耐高溫，介電性能好及強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)；但其質(zhì)脆，耐熱沖擊性能差，并且成型工藝復(fù)雜[3]。

目前，國內(nèi)透波復(fù)合材料使用的增強(qiáng)纖維仍以E玻璃纖維和S玻璃纖維為主。這2種玻璃纖維是優(yōu)良的絕緣材料，高低頻下都具有良好的介電性，微波透過性良好，同時具有優(yōu)良的耐腐蝕性和熱性能[4]；但其抗沖擊能力較差的特征，造成天線罩在戰(zhàn)場環(huán)境中極易被破壞，無法有效保護(hù)天線系統(tǒng)，系統(tǒng)生存能力低。

芳綸纖維為增強(qiáng)纖維的復(fù)合材料，其具有優(yōu)異的力學(xué)性能、電絕緣性能、透波性能及優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性，特別是具有低的線脹系數(shù)(纖維軸向略呈負(fù)值)，使其在雷達(dá)天線領(lǐng)域中有著較好的應(yīng)用前景。

2 芳綸材料防護(hù)性研究

為方便橫向比較各類材料的優(yōu)劣，采取試驗與理論數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式。在收集各類纖維理論性能數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用厚度相當(dāng)?shù)母黝惱w維復(fù)合材料層壓板進(jìn)行抗侵徹貫穿試驗，進(jìn)一步確認(rèn)和研究各纖維的特點(diǎn)。

2.1 理論數(shù)據(jù)

E玻璃纖維為常用的玻璃纖維，其強(qiáng)度高，延伸率大，成本較低，彈性模量較低。以往天線罩最通用的增強(qiáng)纖維以E玻璃纖維為主[5]。芳綸纖維具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)異性能。芳綸Ⅲ纖維是國內(nèi)近年來研制成功的一種三元共聚芳綸纖維，為國內(nèi)近年來開發(fā)出來的性能最為優(yōu)異的芳綸纖維，其力學(xué)性能優(yōu)于芳綸纖維中最具代表性的Kevlar49，本文選用芳綸Ⅲ纖維作為對比樣品進(jìn)行試驗。石英玻璃纖維為低介電常數(shù)玻璃纖維，其強(qiáng)度和模量較低，而且生產(chǎn)工藝性較差，生產(chǎn)成本高[6]，因此應(yīng)用較少；但鑒于其具有優(yōu)異的電性能參數(shù)，仍將其作為對比樣品進(jìn)行試驗。

各類纖維性能對照表見表1。由表1可知，3種纖維中芳綸Ⅲ的力學(xué)性能最好，同時密度最低。

表1 各類纖維的主要性能

2.2 抗侵徹貫穿試驗設(shè)計

該試驗是通過檢測彈體入射速度、貫穿試驗件后彈體殘留速度，來測算彈體貫穿試驗件所需損耗的能量，以及試驗件對能量的吸收值。抗侵徹貫穿試驗示意圖如圖1所示。

圖1 抗侵徹貫穿試驗示意圖

在試驗過程中，需在被測靶板前布置一套測速靶，測得侵徹靶板試樣之前的彈體速度V1，在被測靶板后面布置另一套測速靶，測得彈體穿過靶板后的殘余速度V2；然后再通過公式計算V50值，并通過試驗公式對結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)修正。試驗在每種纖維復(fù)合材料靶板上至少彈擊3次，槍彈的入射速度及殘余速度取平均值。

貫穿吸能公式為：

式中，E是靶板對彈體的吸能；m是彈體質(zhì)量。

V50值計算公式為：

試驗采用56式7.62 mm彈道槍及51B式(鋼芯)7.62 mm手槍彈，預(yù)先將各纖維做成300 mm×300 mm規(guī)格，厚度相當(dāng)?shù)陌邪暹M(jìn)行試驗。

2.3 抗侵徹貫穿試驗結(jié)果及分析

抗侵徹貫穿試驗結(jié)果顯示：1)石英玻璃纖維和E玻璃纖維復(fù)合材料板被貫穿后的噴射飛濺物明顯多于芳綸纖維復(fù)合材料板；2)相對于石英和E玻璃纖維復(fù)合材料板，芳綸復(fù)合材料板的貫穿V50值有明顯提高。具體試驗數(shù)值見表2。

表2 各類纖維復(fù)合材料板抗侵徹貫穿試驗數(shù)據(jù)

由表2可以看出，在各纖維品種中，芳綸纖維復(fù)合材料板的防護(hù)能力最強(qiáng)，大大優(yōu)于E玻璃纖維板，石英復(fù)合材料板次之，E玻璃纖維最差。芳綸纖維復(fù)合材料板貫穿V50數(shù)值是石英板的1.6倍，是E玻璃纖維板的1.8倍。

試驗中，石英玻璃纖維和E玻璃纖維復(fù)合材料板被貫穿后的噴射飛濺物明顯多于芳綸纖維復(fù)合材料板，說明芳綸纖維抗沖擊能力更強(qiáng)、比剛度和比強(qiáng)度更高，在受到高速彈丸沖擊時不易發(fā)生碎裂現(xiàn)象。

可以預(yù)見，毫米波天線罩使用芳綸纖維復(fù)合材料后，其防護(hù)性必將大大增強(qiáng)。天線罩厚度越厚，其防護(hù)能力越強(qiáng)。但作為天線罩，其電性能(如透波率)要作為首要考慮滿足的設(shè)計要素，隨著天線罩厚度的增加，其電性能必將逐漸下降，直至不能滿足使用要求。如何既完美滿足實戰(zhàn)的防護(hù)要求，又滿足天線罩的電性能要求，是天線罩設(shè)計的難點(diǎn)之一，在天線罩設(shè)計中，應(yīng)依據(jù)試驗數(shù)據(jù)及實戰(zhàn)情況綜合考慮。

3 芳綸材料電性能研究

在電性能方面，同樣采取試驗與理論數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，對比各類纖維的優(yōu)劣。

3.1 理論數(shù)據(jù)

天線罩材料應(yīng)滿足介電性能、力學(xué)性能、三防壽命、工藝性能和質(zhì)量等要求。材料的介電性能指標(biāo)主要有介電常數(shù)和損耗角正切，其直接影響天線罩的電性能，是選擇材料的主要依據(jù)。其中，損耗角正切越大，電磁波能量在穿透天線罩過程中轉(zhuǎn)化為熱量而損耗的能量就越多；介電常數(shù)越大，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低至接近于0，介電常數(shù)盡可能低，以達(dá)到最大傳輸和最小反射的目的。低介電常數(shù)的材料還能給天線罩帶來寬頻帶響應(yīng)。

芳綸纖維與各類纖維復(fù)合材料在測試頻率為9.375 GHz時的電性能數(shù)據(jù)見表3。由表3可以看出，芳綸纖維復(fù)合材料電性能明顯優(yōu)于E玻璃纖維復(fù)合材料。與石英玻璃纖維復(fù)合材料相比，芳綸纖維復(fù)合材料的介電常數(shù)低，損耗角正切值高。

表3 各類纖維復(fù)合材料電性能

在設(shè)計均質(zhì)單層結(jié)構(gòu)天線罩時，無損耗介質(zhì)的最佳厚度公式為:

式中，d是天線罩透波面的最佳理論厚度；λ是自由空間波長；ε是相對介電常數(shù)；θ是入射角；n是正整數(shù)，(n=1,2,3……)階數(shù)。由上式可知，n值越小，則天線罩壁厚越薄。對于半波長天線罩，由于芳綸纖維復(fù)合材料力學(xué)性能遠(yuǎn)優(yōu)于E玻璃纖維及石英玻璃纖維復(fù)合材料，采用芳綸纖維復(fù)合材料可以通過較薄的壁厚來滿足結(jié)構(gòu)剛度要求，其電氣性能將大為改善，透波率等指標(biāo)也將優(yōu)于相似結(jié)構(gòu)的E玻璃纖維和石英玻璃纖維復(fù)合材料天線罩。

3.2 電性能試驗設(shè)計

電性能試驗示意圖如圖2所示。通過測試在指定毫米波頻率下各個試驗板的插入損耗值，確定各纖維復(fù)合材料板的透波性能。

圖2 電性能試驗示意圖

3.3 電性能試驗數(shù)據(jù)及分析

電性能試驗數(shù)據(jù)見表4。排除電性能試驗的測試誤差及加工精度方面的誤差，由表4可以看出，各纖維品種中，芳綸纖維復(fù)合材料板的電性能指標(biāo)與石英玻璃纖維相當(dāng)，插入損耗值小，透波能力強(qiáng)；E玻璃纖維復(fù)合材料電性能指標(biāo)最差。

表4 各類纖維電性能試驗數(shù)據(jù) (dB)

4 芳綸材料生產(chǎn)性研究

毫米波的特點(diǎn)決定了毫米波天線罩的制造與普通天線罩不同，具有特點(diǎn)如下：1)天線罩結(jié)構(gòu)壁薄，其材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性要求高；2)罩體均勻性好，加工要求嚴(yán)格；3)天線罩熱、電和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等綜合性能要求苛刻，材料選擇、制作和罩體成型加工困難；4)天線罩壁厚容差小，罩體加工精度高；5)制造成本高。

針對上述特點(diǎn)，芳綸纖維的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下方面：1)芳綸纖維介電常數(shù)低，能給天線罩帶來寬頻帶響應(yīng)，使得天線罩可以放寬罩壁厚度公差，從而降低制造成本；2)芳綸纖維力學(xué)性能指標(biāo)更好，相同的壁厚，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度更好，透波能力更強(qiáng)；3)芳綸與樹脂親和性差，更易吸潮，長期使用影響電性能。

由于芳綸Ⅲ纖維為剛剛實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的新型高性能纖維，目前制造加工成本高，價格較高，在大批量生產(chǎn)時應(yīng)考慮成本增加問題。

5 結(jié)語

綜上所述，由于芳綸纖維復(fù)合材料具有多項優(yōu)點(diǎn)，用芳綸纖維復(fù)合材料制作的天線罩防護(hù)性能有了質(zhì)的飛躍，同時適合大規(guī)模生產(chǎn)。

芳綸Ⅲ纖維為近年剛剛研制成功并產(chǎn)業(yè)化的新型高性能纖維，由于研發(fā)成熟時間短且價格較高，以及復(fù)合材料本身也有一定的缺點(diǎn)，在工程實踐中存在著比較突出的技術(shù)問題，如親和性差、易吸潮、長期使用影響電性能、壓縮強(qiáng)度差、抗扭剪較弱以及層間剪切強(qiáng)度較低等，導(dǎo)致目前國內(nèi)未普遍用于天線罩制造。隨著與芳綸復(fù)合的高介電性能樹脂體系研究進(jìn)步，以及與其他纖維混雜應(yīng)用加快，芳綸纖維復(fù)合材料將具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

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責(zé)任編輯 馬彤

Research of Aramid Fiber Composite on Manufacturing Millimeter-Wave Antenna Radome

GUAN Zhihong

(Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China)

For making up the deficiency of the ballistic resistance capability, with on the property of millimeter-wave antenna radome, compare the current material (E glass fiber, quartz glass fiber) and new material (aramid fiber) which are used in manufacturing millimeter-wave antenna radome. We conclude that aramid fiber is very suitable for manufacturing millimeter-wave antenna radome which has the capability of ballistic resistance. Then evaluate the electronic capability, the ballistic resistance capability and the manufacture efficiency.

millimeter-wave，antenna radome，ballistic resistance，aramid fiber III

TN 820.81

A

管志宏(1975-)，男，工程師，碩士，主要從事雷達(dá)偵察識別領(lǐng)域電子設(shè)備及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面的研究。

2016-09-02