石英陶瓷天线罩表面封孔防潮涂层的研究

崔唐茵 刘瑞祥 崔文亮 杨显锋 张永翠

(中材高新材料股份有限公司 山东淄博 255031)

石英陶瓷天线罩表面封孔防潮涂层的研究

崔唐茵 刘瑞祥 崔文亮 杨显锋 张永翠

(中材高新材料股份有限公司 山东淄博 255031)

采用熔融石英粉、有机硅树脂和有机氟树脂为原料,对石英基体进行封孔和防潮处理,研究分析了体系、组成、结构和各项性能之间的关系。

陶瓷天线罩 封孔 防潮 涂层 介电性能

前言

导弹天线罩是保证雷达天线系统正常工作的关键部件,它既是弹体的组成部分,又是雷达制导系统的组成部分,承担防热、透波和抗烧蚀的作用,保证导引头的正常工作。石英陶瓷材料由于具有热膨胀系数小、导热率较低、抗热震性能稳定,而且介电性能稳定等特性,是目前战术导弹天线罩较为理想的材料[1～3]。熔融石英陶瓷材料具有多孔结构和亲水性能,吸潮后吸水率高达7%左右,并严重影响材料的透波性能。因此,制备具有优异的透波性能、力学性能、耐环境性能的封孔防潮透波多功能涂层是解决上述问题的有效手段。石英陶瓷天线罩的封孔防潮保护技术已成为不容忽视的问题[4～5]。

1 试验

1)原材料。本研究采用熔融石英粉、有机硅树脂、氟碳树脂以及其他助剂作为主要原料。

2)制备工艺。试验基体的制备:以注凝成形工艺制备的石英陶瓷天线罩罩体为试验基体;涂层的制备及喷涂:以熔融石英粉、有机硅树脂以及其他助剂为原料,配制而成封孔涂料,采用喷涂工艺对基体进行封孔处理,流平后经中温110℃～150℃固化;以氟碳树脂和有机硅树脂为主要组成,按一定比例混合,并加入适量外加剂制备防潮涂料,采用喷涂工艺对基体进行防潮处理,流平后经中温150℃～180℃固化。

3)性能测试。采用陶瓷材料体积密度、显气孔率和吸水率的测试方法对封孔前后密度、显气孔率和吸水率的变化进行对比;采用三点弯曲法对强度进行测试;通过扫描电镜观察微观结构变化;通过波导短路法进行介电常数和介电损耗角正切的测试。

2 结果与讨论

封孔处理目的:封填缺陷处;保证涂层气密性。

2.1 封孔前后基体的微观分析

石英陶瓷材料是一种固相烧结体,烧结体中熔融石英颗粒之间相互堆积紧密接触结合在一起,颗粒间有较多气孔相,因此,材料具有较高的气孔率,使得材料吸水率较高,潮湿环境中,材料的介电性能会受到严重影响。图1为基体涂覆涂层前后石英基体端口形貌SEM图片,涂敷防潮涂层前基体断口处颗粒堆积不密实,存在大量气孔,涂覆防潮涂层后基体断口处致密、平整光滑。

图1 涂敷涂层前后石英基体端口形貌

2.2 封孔前后显气孔率和密度的变化

表1 封孔前后显气孔率和密度的变化

在基体圆周对称位置切取试样,将试样切割成尺寸约为25mm×25mm×25 mm试块5个,采用阿基米德法测得各组试样封孔前后显气孔率和密度的变化。基体封孔后显气孔率明显降低,密度有所提高(见表1)。

2.3 封孔防潮后抗弯强度的变化

在基体根部圆周对称位置切取试样,将试样切割成尺寸为3 mm×4 mm×45 mm试块6个,进行抗弯强度的测试。从表2中可以看出封孔后基体的抗弯强度明显提高,因为封孔后基体表面的气孔等缺陷得到有效弥补,因此,基体强度均呈增强的趋势。

表3为空白样与封孔并防潮后抗弯强度值的变化。从表3中可以看出封孔并防潮后基体的抗弯强度得到了明显的提高,并且基体强度越低增强效果就越明显。4#试样的变化率最大,变化率为30.66%。这是由于基体的强度越低表面气孔等缺陷越多,涂层作用后强度的增强效果越明显。虽然封孔后基体表面的气孔等缺陷得到弥补,但其本身比较疏松,结合能力稍差,而防潮涂层为致密的连续膜,与基体结合后有较高的附着力,因此增强了基体材料的强度。

表2 封孔后抗弯强度变化

表3 封孔并防潮后抗弯强度变化

2.4 封孔防潮后基体介电性能的变化

表4 封孔并防潮后介电常数与介电损耗的变化

导弹天线罩的介电性能主要指材料的介电常数和损耗角正切。介电常数越大,则电磁波在空气与天线罩分界面上的反射就越大,这将增加径向波瓣电平并降低传输速率。材料的损耗角正切越大电波透过天线罩转化的热量越多,损耗的能力就越多。因此,要求天线罩材料的损耗角正切低至接近于零,介电常数尽可能低,以获得较高的传输系数,较宽的壁厚容差。

在基体根部圆周对称位置切取试样,将试样加工成5个试块尺寸约为mm×mm×14 mm,进行介电性能的测试。测试结果如表4所示,封孔防潮处理的试样与室温下的试样介电性能相比变化不大。试验表明,采用无机石英料浆为封孔料浆进行封孔处理,采用有机硅树脂和氟碳树脂为防潮涂料对基体进行喷涂的封孔防潮方法,对基体本身介电性能影响不大。根据介电常数对数法则;ε=ε01-p(1)式中:P为基体气孔率;ε为气孔率为P时材料的介电常数;ε0为气孔率为0时材料的介电常数,即气孔率为0时纯SiO2的介电常数(取值为3.78)。经试验得出结论:基体封孔后显气孔率明显降低,密度有所提高。即表面封孔后,使基体表面部分开口气孔被封闭,在参数公式中封孔防潮涂层对P的影响较明显,气孔减少、气孔率下降,但基体的介电常数略有提高。

2.5 封孔防潮涂层的防潮抗水性能

采用陶瓷材料吸水率的测试方法进行石英基体涂敷涂层后吸水率、泡水24 h后以及煮沸法电性能的测试,测试结果如表5和表6所示。测试结果表明,涂层前后基体介电性能变化极小。

表5 石英基体涂敷涂层后的吸水率

对于石英陶瓷来说,不论是孔隙的毛细凝结现象,还是基体表面的活性吸湿基团的存在都使其易结合空气中的水分子形成水化层,这种现象的结果使得基体的介电损耗正切值增大,消耗的微波能量增加,即影响其透波能力,而且其吸水率受环境湿度影响,更加导致了基体介电性能的不稳定性,经涂层处理以后,在基体表面形成一层致密的保护层。一方面,填充石英基体表面的气孔,降低其比表面积和表面能;另一方面,涂层与基体表面的羟基发生化学反应,消除或部分消除了基体表面的活性吸湿单元羟基。再者,涂层材料中憎水基团-CH3的对外致密排列,使得基体的亲水表面变为憎水表面,因此,石英陶瓷基体的抗吸湿性能大幅度提高。

表6 石英基体涂覆涂层后泡水24 h后的电性能

3 结论

1)经对石英基体封孔和防潮处理,封孔涂层表面平整,涂层与基体结合紧密,气孔得到有效的弥补;防潮涂层与基体结合紧密,厚度均匀;封孔后基体的显气孔率明显下降,基体密度略有提高。

2)封孔后基体强度得到提高,封孔防潮后基体强度显著提高;封孔防潮涂层对基体介电性能影响极小;封孔防潮涂层的防潮抗水性能得到大幅度提高。

1 张漠杰.石英陶瓷天线罩的增强方法.上海航天,1994 (4):15～17

2 闫联生,李贺军,崔红.高温陶瓷透波材料研究进展.宇航材料工艺,2004(2):14～16

3 胡连成,黎义,于翘.俄罗斯航天透波材料现状考察.宇航材料工艺,1994(1):48～52

4 石毓锬,胡晓兰,梁国正,等.飞行器天线罩的雨蚀及防护.化工新材料,2001,29(1):7～10

5 郑亚萍.国内外飞机雷达罩用耐雨蚀涂层.化工新材料,1997,25(12):15～16