树脂基复合材料在雷达天线罩领域的应用及发展

王 飞 石佩洛

(1 海军驻南京地区电子设备军事代表室，南京 210012)(2 航天材料及工艺研究所，北京 100076)

树脂基复合材料在雷达天线罩领域的应用及发展

王 飞1石佩洛2

(1 海军驻南京地区电子设备军事代表室，南京 210012)(2 航天材料及工艺研究所，北京 100076)

文 摘 综述了国内外树脂基复合材料在雷达天线罩领域的应用和发展现状，介绍了现代高性能雷达天线罩的介电、力学、耐环境等性能要求，不同材料体系的特点，树脂的改性方法和效果。对比了四种复合材料体系的介电性能，重点介绍了石英/氰酸酯体系的性能和耐环境考核试验。

天线罩， 复合材料，环氧，氰酸酯

0 引言

在航天和电子设备等领域，复合材料除了作为结构材料外，有一些兼有高频介电性能和力学性能的结构/透波一体化复合材料，是制备雷达罩不可替代的材料。天线罩的蒙皮透波材料通常是玻璃类纤维(E玻璃布、D玻璃布、S玻璃布、石英布等)作为增强材料的树脂基(环氧、氰酸酯、酚醛、双马等)复合材料[1-6]。

本文综述了国内外结构/透波一体化树脂基复合材料在雷达天线罩领域的研究发展现状，重点介绍了石英/氰酸酯体系的应用发展情况。

1 雷达天线罩材料的性能要求

天线罩材料为了达到设计要求和功能的实现，除了满足结构质量、寿命和工艺性等要求外，还应满足介电性能、力学性能和耐环境性能等特殊要求。

(1)介电性能。材料的介电性能ε和tanδ是天线罩材料的核心性能。tanδ体现了材料将透过其中的电磁能转化为热能的比例，这个比例越高，电磁能损耗就越大，材料温度升高越显著，进一步引起介电和力学性能的下降。ε与材料的透波率有负相关的关系。因此，在满足一定力学性能的前提下，一般要求材料的ε和tanδ都要尽可能的小。高性能雷达天线罩要求ε<3.5(10 GHz)，tanδ<0.006。

(2)力学性能。高性能雷达天线罩要求材料的拉伸强度>400 MPa，拉伸模量>19 GPa，压缩强度>350 MPa，压缩模量>18 GPa。

(3)耐环境性能。高性能雷达天线罩要求材料在高温、低温、交变湿热、盐雾、霉菌等环境条件下，性能无明显变化，仍需满足指标要求。

2 雷达天线罩材料体系

2.1 增强材料

目前，雷达天线罩蒙皮用树脂基复合材料的增强材料主要有玻璃纤维、芳纶纤维、石英纤维和聚乙烯纤维等，各种纤维的性能对比见表1。

芳纶纤维具有高强度和高模量，但芳纶易吸潮，影响介电性能。高模量聚乙烯纤维(Spectra 1000)的介电性能优异，另外具有低密度、高强度、高模量等优势，但是纤维与树脂的界面结合差，影响了复合材料最终性能的发挥。玻璃纤维是传统雷达天线罩最常用的增强材料，有E-玻纤，S-玻纤，M-玻纤，D-玻纤等。其中D-玻纤介电性能最好，但是力学性能较差；S-玻纤的力学性能优异，使用较为广泛。石英纤维虽然价格较高，但是tanδ最低，目前国外先进天线罩大多已采用石英纤维作为增强材料[5]。

表1 常用纤维性能表

2.2 树脂基体

雷达天线罩蒙皮用复合材料的树脂基体及其性能见表2。

表2 几种透波树脂基体的典型性能

传统树脂基体主要有酚醛树脂、环氧树脂和不饱和聚酯树脂，其中环氧树脂具有优良的工艺性和粘接性以及优异的力学性能，因而成为使用最为广泛的树脂基体材料。近年来由于先进雷达天线罩对全频带、低介电损耗、耐高温，耐候性等性能要求的不断提升，天线罩需要抵抗更加恶劣的环境，尤其是高温环境。对于在100 GHz频率附近工作的雷达罩，一般要求基体树脂的ε<3.5，tanδ<0.006，Tg>150℃，并且具有优良的耐湿热性能。环氧树脂不能同时满足这些要求。介电性能更好、耐环境性能更优的高性能树脂基体材料的实现一方面是通过对传统环氧树脂基体材料的改性来实现，另一方面通过选用一些先进树脂基体，例如氰酸酯树脂、双马来酰亚胺树脂和聚酰亚胺树脂等[7]。

环氧树脂的改性以降低ε和tanδ同时提升材料耐热性为目标。Hwang等[8]采用双环戊二烯改性环氧树脂，改性后树脂的ε由3.70降低至2.63，tanδ由0.020 4降低至0.010 4，吸水率由1.98%降低至0.65%。Lin等[9]采用一种含苯并噁嗪的炔醚类分子作为固化剂，固化物中高极性的羟基基团数量大幅度降低，改性树脂的ε低至2.62。Yu等[10]和任强等[11]通过引入多面笼形聚倍半硅氧烷(POSS用量为3%～15%phr)降低了材料的ε和tanδ同时大幅改善了耐热性。值得注意的是，关于各种改性后的环氧树脂的黏度变化及操作工艺性的报道较少，并且tanδ仍然大于0.01，高于氰酸酯等高性能树脂基体。

氰酸酯树脂分子结构以氰酸酯官能团(—OCN)为特征。这种结构的树脂在固化反应中可以生成稳定的三嗪环(Triazine)网状结构，赋予其极低的ε和tanδ，并且性能对频率和温度的变化不敏感，具有较宽的频带使用范围。美国的SATCOM是较早使用氰酸酯作为主体树脂基体的现代高频透波天线罩。

氰酸酯树脂的交联密度大导致材料脆性较大。针对氰酸酯材料的改性主要以改善其力学性能的同时保持其ε和tanδ为目标。研究较为成熟的改性方法是与环氧共混改性[12]以提升其工艺性，与双马来酰亚胺共混改性[13]以提升其耐热性。Krishnadevi等[14]通过有机-无机复合的六(氨基苯基)环三磷腈改性氰酸酯，改性后tanδ由0.005下降至0.001。Devaraju等[15]利用15%的介孔氧化硅作为增强材料加入氰酸酯树脂，复合材料的ε降低至2.11。

国外透波材料用氰酸酯树脂体系有BASF公司的5575-2，Fiberite公司的X54-2，Hexcel公司的HX 1584-3，Dow化学公司的XU-71787等。国内氰酸酯树脂体系有航天材料及工艺研究所研制的701氰酸酯树脂体系，该体系满足热熔预浸料用树脂工艺要求，ε=2.8，tanδ=0.009，Tg=205℃，22℃水中浸泡40 d的吸水率仅为0.73%。

2.3 复合材料

随着雷达天线罩工作频率(X波段或以上)的升高，特别是隐身天线罩的需求，传统的蒙皮透波材料(高强玻璃布增强环氧树脂体系)已不能满足高透过、低反射、耐高功率的要求，石英/氰酸酯体系就应运而生，可以满足现代高性能天线罩的需求。

国外复合材料产品如BASF公司的的石英纤维/氰酸酯复合材料天线罩，其综合性能优异。与传统环氧树脂天线罩相比，其ε降低了75%，tanδ降低了10%，另外具有更低的吸水率，因此湿态介电性能更加优异[2]。

目前国外已经商品化的预浸料树脂主要有Hexcel公司的M22，Bryte公司的EX-1515、EX-1505等。国内产品有航天材料及工艺研究所的QWB/701系列石英布/氰酸酯预浸料及复合材料，耐180℃高温，介电性能优异，已经在某些型号上得到了应用。

图1列出航天材料及工艺研究所生产的石英布或高强玻璃布作为增强材料，氰酸酯或环氧树脂作为树脂基体，组合得到4种复合材料的介电性能对比。

图1 四种雷达天线罩用复合材料的介电性能对比

Fig.1 Dielectric properties of four composites

通过对比可以看出，增强材料和树脂基体的选择均对介电常数和损耗角正切有较大的影响。氰酸酯树脂基复合材料的tanδ均显著小于环氧树脂基复合材料；石英布增强复合材料ε均显著小于玻璃布增强复合材料。QWB/701系列石英布/氰酸酯复合材料的介电性能最为优异：与传统产品玻璃布/环氧复合材料相比，ε降低了24%，tanδ降低了78%。该复合材料的介电常数满足3.28±0.15，损耗角正切值满足≤0.006的要求，符合天线罩用蒙皮材料电性能要求。表3结果表明，QWB/701系列石英/氰酸酯复合材料的力学性能同样满足高性能天线罩材料力学性能设计要求。

表3 QWB/701复合材料常温干态力学性能

QWB/701系列石英/氰酸酯复合材料经过了一系列环境试验的考核验证。结果表明该复合材料在高/低温、交变湿热(参照GJB150.9A—2009标准)、盐雾(参照GJB150.11A—2009标准)、水煮(参照GJB150.10A—2009标准)和介质(参照GB3857—2005标准，采用液压油和燃油)环境试验后其力学性能和介电性能具有较好的性能保持率，均满足高性能天线罩材料的设计要求。参照GJB150.10A标准进行了黑曲霉、黄曲霉、杂曲霉、绳状青霉和球毛壳霉共计五种霉菌试验。结果表明恒温恒湿环境下经28 d试验后，未发现孢子生长，级别为0级。说明该复合材料具有良好的抗霉菌性能，满足天线罩材料的设计要求。

综上所述，QWB/701系列石英/氰酸酯复合材料的力学性能、介电性能及环境性能均满足高性能天线罩制造材料设计要求。

3 结语

现代高性能雷达天线罩对树脂基复合材料提出了更高的要求。随着雷达天线罩工作频率的升高，特别是隐身天线罩的需求，对天线罩材料的介电性能和耐高温性能提出了更高的要求。石英布/氰酸酯体系应运而生，可以满足现代高性能天线罩的需求。

[1] 肖卫东, 黄一清, 蔡正燕. 潜用雷达天线罩材料及成型工艺研究[J]. 造船技术,2013(5):24-25.

[2] 艾涛, 王汝敏. 航天透波材料最新研究进展[J]. 材料导报, 2004,18(11):12-15.

[3] 姜勇刚, 张长瑞, 曹峰, 等. 高超音速导弹天线罩透波材料研究进展[J].硅酸盐通报，2017,26(3):500-505.

[4] 高晓菊, 王红洁. 高温微波功能复合材料研究进展[J]. 硅酸盐通报, 2007,26(5):975-979.

[5] 李金刚, 曹茂盛, 张永, 等. 国外透波材料高温电性能研究进展[J].材料工程，2005(2):59-62.

[6] 袁海根, 周玉玺. 透波复合材料研究进展[J]. 化学推进剂与高分子材料, 2006,4(5):30-36.

[7] HAMERTON I．Chemistry and technology of cyanate ester resins[M]．London： Blackie Academic & Professional，1994：59．

[8] HWANG H J , SU W H, CHUNG C L , et al. Low dielectric epoxy resins from dicyclopentadiene-containing poly(phenylene oxide) novolac cured with dicyclopentadiene containing epoxy[J]. Reactive and Functional Polymers, 2008,68(8): 1185-1193.

[9] LINC H,HUANG C M,WONG T I,et al.High-tgandlow-dielectric epoxy thermosets based on a propargyl ether-containing phosphinated benzoxazine[J]. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2014, 52(9): 1359-1367.

[10] YU W, FU J, DONG X, et al. A graphene hybrid material functionalized with POSS: synthesis and applications in low-dielectric epoxy composites[J]. Composites Science and Technology, 2014, 92: 112-119

[11] 任强，韩玉，李锦春,等.低介电高耐热环氧树脂/聚苯醚/POSS 纳米复合材料[J].功能材料,2013, 44(9):1320-1323.

[12] 杜谦,张学军.环氧树脂改性氰酸酯树脂的研究[J].塑料科技,2010(6):31-35.

[13] HWANG H J, SHIEH J Y, LI C H, et al. Dielectric and thermal properties of polymer network based on bismaleimide resin and cyanate ester containing dicyclopentadiene or dipentene[J]. Appl Polym Sci, 2007,103(3):1942-1951

[14] KRISHNADEVI K, GRACE A N, ALAGAR M, et al. Development of hexa (aminophenyl) cyclotriphosphazene-modified cyanate ester composites for high-temperature applications[J]. High Performance Polymers, 2013，24(5) :405-417

[15] DEVARAJU S,VENGATESAN M R,SELVI M, et al. Mesoporous silica reinforced cyanate ester nanocomposites for low dielectric applications[J]. Microporous and Mesoporous Materials,2013, 179: 157-164.

Application and Development of Resin Matrix Composites for Radomes

WANG Fei1SHI Peiluo2

(1 Navy Stationed in Nanjing Aera of Military Representative of Electronic Device, Nanjing 210012)(2 Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology, Beijing 100076)

The application and development of resin matrix composites for radomes are reviewed. The dielectric, mechanical and environmental property required for advanced radomes are presented, and various material systems are compared. Quartz/cyanate ester composite system’s properties and environmental properties are presented in particular.

Radome,Composites, Epoxy, Cyanate ester

2017-01-03

王飞，1982年出生，硕士，主要从事相控阵雷达监造工作。E-mail: 16598842@qq.com

TB332

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.02.003