吳偉萍 王秋野 常成 周晏云 孟松

摘 要 本研究針對FRP透波窗在使用頻段范圍實現(xiàn)透波率和結構性能的需求，通過材料選擇、透波性能設計、仿真分析和結構設計，采用夾層結構形式，制造了FRP透波窗試驗件，進行了結構試驗和透波試驗。試驗結果表明，F(xiàn)RP透波窗的結構設計滿足承載和密封性要求，同時在1.0GHz～3.0GHz頻段范圍內(nèi)的透波率均大于80%，滿足透波性要求。實現(xiàn)了對FRP透波窗的承載、密封和透波的設計要求，可以對內(nèi)部設備的運行狀態(tài)實現(xiàn)監(jiān)測。

關鍵詞 透波窗；透波率；電性能；仿真分析

Study on the Performance Design of FRP

Wave-transmitting Window

WU Weiping， WANG Qiuye， CHANG Cheng， ZHOU Yanyun， MENG Song

（Harbin FRP Institute Co.，Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT In order to meet the needs of the FRP wave-transmitting window to achieve wave-transmitting and structural performance in the use of frequency bands， FRP wave-transmitting window specimens were fabricated in the form of sandwich structure through material selection， wave-transmittance design， and structural simulation design， and structural tests and wave transmittance tests were carried out. The test results show that the structural design of the FRP wave-transmitting window meets the requirements of load bearing and sealing， and the transmissivity rate is greater than 80% in the range of 10-30GHz， which meets the requirements. The design requirements of load-bearing， sealing and transmissivity of FRP wave-transmitting window are realized， and the operating state of the internal equipment can be monitored.

KEYWORDS wave-transmitting window; transmissivity; electrical performance; simulation analysis

1 引言

透波復合材料產(chǎn)品能保證設備的通訊、遙測、制導等系統(tǒng)在惡劣環(huán)境條件下正常工作［1］，在航空航天及軍事裝備等領域得到了廣泛應用［2］。隨著高載荷、高飛行速度戰(zhàn)術導彈的發(fā)展， 透波復合材料已經(jīng)從單純的透波材料發(fā)展到了具有防熱、承載、透波等多種功能的材料。多功能透波材料有優(yōu)良的電性能、足夠的力學強度、良好的耐熱性，經(jīng)得起雨蝕、輻射等環(huán)境［3］。本文研究設計了一種FRP透波窗，在滿足產(chǎn)品結構性能要求的同時，實現(xiàn)了在1.0GHz～3.0GHz頻段范圍內(nèi)，透波率達到80%的要求。

2 原材料選用設計

透波產(chǎn)品多選用耐熱樹脂基纖維復合材料［4］，性能取決于樹脂基體、增強材料及兩者之間的界面［5］，樹脂基體和增強材料的電性能優(yōu)異才能成型出電性能好的透波產(chǎn)品［6］。介電性能的表征指標有介電常數(shù)ε和損耗角正切tanδ［7］。制備透波復合材料的纖維主要有玻璃纖維和石英纖維等，樹脂基體主要有環(huán)氧樹脂和聚酯樹脂等［8］。與玻璃纖維相比，石英纖維的介電性能更加優(yōu)越，損耗角正切tanδ和介電常數(shù)ε在玻璃纖維體系中最低，且在較寬頻帶范圍內(nèi)基本不變化，同時與環(huán)氧樹脂有很好的兼容性，更適合作增強材料［9-10］。本研究復合材料透波窗要在1.0GHz～3.0GHz頻段范圍內(nèi)的透波率達到80%以上，并具備密封功能。既要滿足透波率要求，又要滿足結構承載性和密封性要求。需要同時考慮透波性能、結構性能和密封性。經(jīng)計算，當透波窗采用單一結構形式時，在1.0GHz～3.0GHz頻段范圍內(nèi)，玻璃纖維和石英纖維的電性能計算結果均不能滿足透波率80%的要求，且隨著厚度的增加，透波性能呈衰減趨勢。電性能計算結果如圖1和圖2所示。

為了同時滿足復合材料透波窗的厚度、力學承載性和透波性要求。本研究采用夾層對稱結構形式，由內(nèi)、外承載蒙皮和泡沫芯層組成，蒙皮材料采用環(huán)氧樹脂基石英纖維復合材料，芯層采用PMI泡沫。環(huán)氧樹脂分子中的極性羥基和醚鍵使其對各種物質(zhì)都具有極強的粘附力，分子中的活性環(huán)氧基團可以直接加成或開環(huán)聚合反應，固化交聯(lián)成不溶、不熔的具有三向網(wǎng)狀結構的高聚物。夾芯材料為聚甲基丙烯酰亞胺PMI，PMI泡沫是一種交聯(lián)型硬質(zhì)結構泡沫材料，具有100%的閉孔結構，其均勻交聯(lián)的孔壁結構可賦予其突出的結構穩(wěn)定性和優(yōu)異的力學性能［11］，具有比重小、耐高溫、低介電常數(shù)與損耗、抗壓強度高、比強度高、抗疲勞和蠕變性能好等優(yōu)點，可實現(xiàn)與預浸料一步固化；并具有優(yōu)良的二次加工性能，可通過加熱成型不同曲面形狀的制品，廣泛應用于航空航天領域［12-14］。

3 透波性能設計

本研究計算分析了夾層結構對稱形式下，不同夾層厚度對產(chǎn)品透波性能的影響，為了獲得夾層結構形式的最佳透波性能，通過調(diào)整兩個蒙皮之間的間隔來達到反相，以使兩個反射相抵消，使反射最小，獲得最佳透波性能。計算結果如圖 3所示。采用對稱結構形式時，隨著泡沫芯層厚度的增加，產(chǎn)品的透波性能隨之提高。

根據(jù)計算結果，夾芯結構對稱形式透波窗在1.0GHz～3.0GHz頻段范圍內(nèi)滿足透波率大于80%的設計要求。滿足透波性能的透波窗結構為4mm厚的內(nèi)蒙皮石英纖維復合材料、6mm厚的PMI泡沫夾芯層和4mm厚的外蒙皮石英纖維復合材料對稱組合形式。

4 結構性能設計

FRP透波窗由內(nèi)、外纖維復合材料蒙皮和芯層PMI泡沫構成。透波窗與整體產(chǎn)品之間通過錐形連接加膠接的方式裝配固定，F(xiàn)RP透波窗試樣產(chǎn)品的局部示意圖如圖4所示。

對透波窗結構進行有限元仿真分析，在復合材料產(chǎn)品上安裝透波窗后，透波窗及補強區(qū)域的整體厚度為15mm，在1MPa內(nèi)壓作用下，產(chǎn)品的仿真結果位移云圖如圖5所示，最大位移發(fā)生在產(chǎn)品的非補強區(qū)域，透波窗的結構設計穩(wěn)定可靠，滿足承載性要求。

在內(nèi)壓作用下，透波窗各組件間均通過粘結劑連接，并通過粘接劑和產(chǎn)品之間進行連接。粘結劑的性能要滿足產(chǎn)品在使用期限內(nèi)各粘接界面之間不開粘、不漏氣。本研究按照GB/T7124-2008標準制作了試件，測試了環(huán)氧樹脂體系作為膠粘劑時復合材料制件之間的拉伸剪切強度（室溫），所用環(huán)氧樹脂體系的膠層剪切強度為16.43MPa。根據(jù)有限元仿真分析，透波層與復合材料產(chǎn)品和補強區(qū)粘結層的應力云圖如圖6所示。補強區(qū)與筒體粘結層的應力云圖如圖7所示。

仿真分析表明，在內(nèi)壓作用下，透波層有向筒體外側移動的趨勢，與筒體粘結層的較短邊處發(fā)生最大拉伸應力為4.869MPa，但小于粘結層的拉伸強度16.43MPa。補強區(qū)與筒體間的粘結層僅在透波層孔邊有應力集中處，且應力大小為3.141MPa，小于粘結層的拉伸強度16.43MPa。

通過有限元仿真計算，安裝透波窗后，產(chǎn)品在1MPa內(nèi)壓作用下的最大位移發(fā)生在非補強區(qū)域，透波窗的結構設計滿足承載性要求。復合材料產(chǎn)品、透波窗、補強區(qū)間粘結層拉伸應力小于粘結劑的拉伸強度，在使用中不會發(fā)生脫粘和分層等現(xiàn)象，滿足透波窗的透波性和粘接穩(wěn)定性要求。透波窗的結構設計可以滿足產(chǎn)品的透波性、氣密性和承載性要求。

5 試驗及結果分析

本研究通過設計制造工裝，分別成型預制體來制備透波率測試試樣，保證了透波窗厚度均勻性、尺寸穩(wěn)定以及界面之間的良好配合性。制備的透波窗試樣如圖8所示。通過矢量網(wǎng)絡分析儀 Agilent 8363B，結合雙脊喇叭天線、螺旋天線和單極子天線，由成都恩馳微波科技有限公司測試了透波窗試樣的透波性能。結構性能方面，通過4DSY-22/63電動試壓泵和精密壓力表將安裝透波窗后的產(chǎn)品用水壓測試工裝進行了內(nèi)壓試驗，壓力達到1MPa后，保壓期間無滲漏現(xiàn)象，承載試驗結果滿足設計指標要求。

對1GHz～1.5GHz頻段透波率的測試采用單極子發(fā)射天線，雙脊喇叭接收天線進行測試，測試結果曲線如圖9所示。對1.5GHz～3.0GHz頻段的測試采用平面螺旋天線發(fā)射和接受，測試結果曲線如圖10所示。

試驗結果表明，本研究FRP透波窗的結構設計和透波性能設計滿足產(chǎn)品的使用要求。FRP透波窗在1.0GHz～3.0GHz頻段范圍內(nèi)透波率均大于80%。FRP透波窗和整體產(chǎn)品的配合連接通過了水壓試驗和氣密試驗，滿足承載性和密封性要求。

6 結語

本研究FRP透波窗的透波試驗結果表明，在1.0～3.0GHz頻段范圍內(nèi)夾層結構透波試件的透波率大于80%。水壓試驗結果表明，在1MPa內(nèi)壓保壓時FRP透波窗無滲漏，F(xiàn)RP透波窗的透波性、承載性和密封性均滿足設計要求，可以對內(nèi)部設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測。

參 考 文 獻

［1］趙紅振.透波復合材料樹脂基體的研究進展，工程塑料應用，2005年， 第33卷， 第12期，65-67.

［2］張揚.新型透波復合材料的研究，第十五屆全國復合材料學術會議論文集（上冊），2008年，223-225.

［3］吳偉萍，周曉和，王秋野，婁小杰，羅世文.A型夾層結構復合材料透波窗的研究［J］.纖維復合材料，2022，39（03）：105-110.

［4］王敏，李興德，孫廣先.電磁透波復合材料結構疲勞壽命預測研究［J］.纖維復合材料，2020，37（04）：114-118.

［5］王飛，石佩洛.樹脂基復合材料在雷達天線罩領域的應用及發(fā)展［J］.宇航材料工藝，2017，47（2）：10-13.

［6］高東岳.基于機器學習方法的超聲導波結構健康監(jiān)測研究［J］.纖維復合材料，2020，37（03）：3-8.

［7］石毓錟，梁國正，蘭立文．樹脂基復合材料在導彈雷達天線罩中的應用［J］.材料工程，2000（5）：36-39．

［8］裴曉園，陳利，李嘉祿，等.天線罩材料的研究進展［J］.紡織學報，2016，37（12）：153-159.

［9］唐亮，于福斌，孫東巖，葛興光，王玉玲.Ka頻段小型分塊式夾層結構天線罩的優(yōu)化設計［J］.纖維復合材料，2022，39（02）：69-74.

［10］張雄，王義，程海峰．石英纖維透波復合材料的研究進展［J］.材料導報，2005，26（19）：96-100．

［11］李應平，鄭化安，付東升，等.聚甲基丙烯酰亞胺泡沫材料生產(chǎn)研究進展［J］.塑料工業(yè)，2014，42（6）：8-11，45.

［12］王凱，賀強.聚甲基丙烯酰亞胺泡沫夾層結構全生命周期的關鍵技術研究進展［J］.復合材料報，2020，37（8）：1805-1822.