新型芳纶纤维复合材料用于制造毫米波天线罩的研究

管志宏

(中国电子科技集团第十研究所，四川 成都610036)



新型芳纶纤维复合材料用于制造毫米波天线罩的研究

管志宏

(中国电子科技集团第十研究所，四川 成都610036)

为弥补现有毫米波天线罩战场防护性差的缺点，根据毫米波天线罩的特点，在适用于制造毫米波天线罩的通用材料(E玻璃纤维、石英玻璃纤维复合材料)及新型材料(芳纶纤维复合材料)之间进行理论及试验比较，得出适合于制造具有防弹能力的毫米波天线罩的材料，并对使用该材料的天线罩在防护性、电性能和生产性等方面的性能提升做出评估。

毫米波；天线罩；防弹；芳纶III

由于现代战争武器系统的发展，裸露在外的天线已经受到各类武器的严重威胁。尤其是战场上的各类爆炸破片和爆炸冲击波，都极易破坏天线，影响到天线的使用。目前，国内现有的天线罩只能起到保护天线免受风、雨、雪等自然环境影响的作用，并不具备防御能力[1]，这使得装备该类天线罩的设备在战场上的生存能力差，导致维护保养任务繁重；因此，研制具有防弹抗爆能力的天线罩,为设备筑起最后一道防线,具有非常重要的军事意义。

本文在结合有关抗侵彻贯穿弹道试验及电性能对比试验数据的基础上,通过调研和收集有关资料,在防护性、电性能和生产性等3个方面，对以现有常用的E玻璃纤维、石英玻璃纤维以及新型材料芳纶纤维为增强纤维制作的复合材料进行分析对比，对芳纶纤维复合材料在天线罩的应用进行研究和探讨。

1 毫米波天线罩制造材料发展概况

现代雷达技术已由早期探测、火控、气象和导航功能，进一步发展出电子侦察、敌我识别、电子干扰和精确制导等功能。天线罩工作频率也由单频发展为宽频，直至多波段全频带。

毫米波一般是指电磁波谱中频率为30～300 GHz这一部分，对应波长为1～10 mm。毫米波天线罩与传统的分米波、厘米波天线罩相比，在结构、材料、性能及工艺技术等各方面都提出了更高的要求。尤其在透波性和强度等方面，随着毫米波技术的发展，传统的(如陶瓷、微晶玻璃等)天线罩材料，由于其固有的一些弱点，已满足不了毫米波天线罩在高透波特性和强度等方面的要求[2]。

迄今为止，天线罩材料已有50年的历史，其发展历程为：纤维增强塑料→氧化铝陶瓷→微晶体玻璃→石英陶瓷→先进复合材料。最早开发研究的天线罩材料为陶瓷材料，这种材料具有耐高温，介电性能好及强度高的优点；但其质脆，耐热冲击性能差，并且成型工艺复杂[3]。

目前，国内透波复合材料使用的增强纤维仍以E玻璃纤维和S玻璃纤维为主。这2种玻璃纤维是优良的绝缘材料，高低频下都具有良好的介电性，微波透过性良好，同时具有优良的耐腐蚀性和热性能[4]；但其抗冲击能力较差的特征，造成天线罩在战场环境中极易被破坏，无法有效保护天线系统，系统生存能力低。

芳纶纤维为增强纤维的复合材料，其具有优异的力学性能、电绝缘性能、透波性能及优良的尺寸稳定性，特别是具有低的线胀系数(纤维轴向略呈负值)，使其在雷达天线领域中有着较好的应用前景。

2 芳纶材料防护性研究

为方便横向比较各类材料的优劣，采取试验与理论数据相结合的方式。在收集各类纤维理论性能数据的基础上，采用厚度相当的各类纤维复合材料层压板进行抗侵彻贯穿试验，进一步确认和研究各纤维的特点。

2.1 理论数据

E玻璃纤维为常用的玻璃纤维，其强度高，延伸率大，成本较低，弹性模量较低。以往天线罩最通用的增强纤维以E玻璃纤维为主[5]。芳纶纤维具有高强度、高模量、耐高温和耐化学腐蚀等优异性能。芳纶Ⅲ纤维是国内近年来研制成功的一种三元共聚芳纶纤维，为国内近年来开发出来的性能最为优异的芳纶纤维，其力学性能优于芳纶纤维中最具代表性的Kevlar49，本文选用芳纶Ⅲ纤维作为对比样品进行试验。石英玻璃纤维为低介电常数玻璃纤维，其强度和模量较低，而且生产工艺性较差，生产成本高[6]，因此应用较少；但鉴于其具有优异的电性能参数，仍将其作为对比样品进行试验。

各类纤维性能对照表见表1。由表1可知，3种纤维中芳纶Ⅲ的力学性能最好，同时密度最低。

表1 各类纤维的主要性能

2.2 抗侵彻贯穿试验设计

该试验是通过检测弹体入射速度、贯穿试验件后弹体残留速度，来测算弹体贯穿试验件所需损耗的能量，以及试验件对能量的吸收值。抗侵彻贯穿试验示意图如图1所示。

图1 抗侵彻贯穿试验示意图

在试验过程中，需在被测靶板前布置一套测速靶，测得侵彻靶板试样之前的弹体速度V1，在被测靶板后面布置另一套测速靶，测得弹体穿过靶板后的残余速度V2；然后再通过公式计算V50值，并通过试验公式对结果进行相应修正。试验在每种纤维复合材料靶板上至少弹击3次，枪弹的入射速度及残余速度取平均值。

贯穿吸能公式为：

式中，E是靶板对弹体的吸能；m是弹体质量。

V50值计算公式为：

试验采用56式7.62 mm弹道枪及51B式(钢芯)7.62 mm手枪弹，预先将各纤维做成300 mm×300 mm规格，厚度相当的靶板进行试验。

2.3 抗侵彻贯穿试验结果及分析

抗侵彻贯穿试验结果显示：1)石英玻璃纤维和E玻璃纤维复合材料板被贯穿后的喷射飞溅物明显多于芳纶纤维复合材料板；2)相对于石英和E玻璃纤维复合材料板，芳纶复合材料板的贯穿V50值有明显提高。具体试验数值见表2。

表2 各类纤维复合材料板抗侵彻贯穿试验数据

由表2可以看出，在各纤维品种中，芳纶纤维复合材料板的防护能力最强，大大优于E玻璃纤维板，石英复合材料板次之，E玻璃纤维最差。芳纶纤维复合材料板贯穿V50数值是石英板的1.6倍，是E玻璃纤维板的1.8倍。

试验中，石英玻璃纤维和E玻璃纤维复合材料板被贯穿后的喷射飞溅物明显多于芳纶纤维复合材料板，说明芳纶纤维抗冲击能力更强、比刚度和比强度更高，在受到高速弹丸冲击时不易发生碎裂现象。

可以预见，毫米波天线罩使用芳纶纤维复合材料后，其防护性必将大大增强。天线罩厚度越厚，其防护能力越强。但作为天线罩，其电性能(如透波率)要作为首要考虑满足的设计要素，随着天线罩厚度的增加，其电性能必将逐渐下降，直至不能满足使用要求。如何既完美满足实战的防护要求，又满足天线罩的电性能要求，是天线罩设计的难点之一，在天线罩设计中，应依据试验数据及实战情况综合考虑。

3 芳纶材料电性能研究

在电性能方面，同样采取试验与理论数据相结合的方式，对比各类纤维的优劣。

3.1 理论数据

天线罩材料应满足介电性能、力学性能、三防寿命、工艺性能和质量等要求。材料的介电性能指标主要有介电常数和损耗角正切，其直接影响天线罩的电性能，是选择材料的主要依据。其中，损耗角正切越大，电磁波能量在穿透天线罩过程中转化为热量而损耗的能量就越多；介电常数越大，电磁波在空气与天线罩壁分界面上的反射就越大，这将增加镜象波瓣电平并降低传输效率。因此要求天线罩材料的损耗角正切低至接近于0，介电常数尽可能低，以达到最大传输和最小反射的目的。低介电常数的材料还能给天线罩带来宽频带响应。

芳纶纤维与各类纤维复合材料在测试频率为9.375 GHz时的电性能数据见表3。由表3可以看出，芳纶纤维复合材料电性能明显优于E玻璃纤维复合材料。与石英玻璃纤维复合材料相比，芳纶纤维复合材料的介电常数低，损耗角正切值高。

表3 各类纤维复合材料电性能

在设计均质单层结构天线罩时，无损耗介质的最佳厚度公式为:

式中，d是天线罩透波面的最佳理论厚度；λ是自由空间波长；ε是相对介电常数；θ是入射角；n是正整数，(n=1,2,3……)阶数。由上式可知，n值越小，则天线罩壁厚越薄。对于半波长天线罩，由于芳纶纤维复合材料力学性能远优于E玻璃纤维及石英玻璃纤维复合材料，采用芳纶纤维复合材料可以通过较薄的壁厚来满足结构刚度要求，其电气性能将大为改善，透波率等指标也将优于相似结构的E玻璃纤维和石英玻璃纤维复合材料天线罩。

3.2 电性能试验设计

电性能试验示意图如图2所示。通过测试在指定毫米波频率下各个试验板的插入损耗值，确定各纤维复合材料板的透波性能。

图2 电性能试验示意图

3.3 电性能试验数据及分析

电性能试验数据见表4。排除电性能试验的测试误差及加工精度方面的误差，由表4可以看出，各纤维品种中，芳纶纤维复合材料板的电性能指标与石英玻璃纤维相当，插入损耗值小，透波能力强；E玻璃纤维复合材料电性能指标最差。

表4 各类纤维电性能试验数据 (dB)

4 芳纶材料生产性研究

毫米波的特点决定了毫米波天线罩的制造与普通天线罩不同，具有特点如下：1)天线罩结构壁薄，其材料结构强度和刚性要求高；2)罩体均匀性好，加工要求严格；3)天线罩热、电和结构强度等综合性能要求苛刻，材料选择、制作和罩体成型加工困难；4)天线罩壁厚容差小，罩体加工精度高；5)制造成本高。

针对上述特点，芳纶纤维的特点主要表现在以下方面：1)芳纶纤维介电常数低，能给天线罩带来宽频带响应，使得天线罩可以放宽罩壁厚度公差，从而降低制造成本；2)芳纶纤维力学性能指标更好，相同的壁厚，结构强度和刚度更好，透波能力更强；3)芳纶与树脂亲和性差，更易吸潮，长期使用影响电性能。

由于芳纶Ⅲ纤维为刚刚实现产业化的新型高性能纤维，目前制造加工成本高，价格较高，在大批量生产时应考虑成本增加问题。

5 结语

综上所述，由于芳纶纤维复合材料具有多项优点，用芳纶纤维复合材料制作的天线罩防护性能有了质的飞跃，同时适合大规模生产。

芳纶Ⅲ纤维为近年刚刚研制成功并产业化的新型高性能纤维，由于研发成熟时间短且价格较高，以及复合材料本身也有一定的缺点，在工程实践中存在着比较突出的技术问题，如亲和性差、易吸潮、长期使用影响电性能、压缩强度差、抗扭剪较弱以及层间剪切强度较低等，导致目前国内未普遍用于天线罩制造。随着与芳纶复合的高介电性能树脂体系研究进步，以及与其他纤维混杂应用加快，芳纶纤维复合材料将具有更加广阔的应用前景。

[1] 金子明,沈峰,曲志敏,等.纤维增强复合材料抗弹性能研究[J].纤维复合材料, 1999(3): 5-8.

[2] 杨鲜锋.高频段毫米波天线罩的研制[J]. 纤维复合材料，2009(37)：7-10.

[3] 靳武刚.芳纶纤维复合材料在天线工程中的应用[J]. 工程塑料应用. 2002(30):39-41.

[4] 沃西源，涂彬，夏英伟. 芳纶纤维及其复合材料性能与应用研究[J]. 航天返回与遥感， 2005(26):50-55.

[5] 宋志祥，彭长征，佘万能. 芳纶纤维及其在电子行业中的应用[J]. 合成技术及应用，2009(24): 35-38.

[6] 张京，颜万生，方芳，等. 新型芳纶纤维复合材料雷达天线罩复合工艺研究[J]. 现代雷达，1998(2):100-103.

[7] 侯晓，张炜，王风德，等. 芳纶Ⅲ纤维及其复合材料制品研究进展[J]. 中国材料进展， 2010(29):59-62.

责任编辑 马彤

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，工程师，硕士，主要从事雷达侦察识别领域电子设备及系统结构设计等方面的研究。

2016-09-02