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雷达罩-材料和结构

随着现代高科技的发展,雷达大量应用于飞机、导弹、航海等领域,雷达罩的运用也日趋广泛。雷达罩是电磁波的窗口,其作用是保护天线,防止环境对雷达天线工作状态的影响和干扰,从而减少驱动天线运转的功率,提高其工作可靠性,保证雷达天线全天候工作。雷达罩的存在,延长了天线的使用寿命,简化了天线的结构,减轻了结构的重量。雷达罩作为雷达系统的重要组成部分,其性能好坏直接影响到雷达系统的功能。可以说,雷达罩与天线同等重要。要求雷达罩对天线的电磁辐射特性的影响最小,并且满足战术技术指标的要求。

雷达罩技术综合了材料、工艺、机械、电磁、空气动力学和结构力学等学科的知识,设计和制造难度较大。由于雷达罩工作在一种复杂的特殊环境中,对材料的要求十分苛刻,主要使用玻璃纤维复合材料。

1、在透波复合材料中最早使用的是E玻璃纤维,后来又有特种玻璃纤维, 是指高强度玻璃纤维(S-glass),高模量玻璃纤维(M-glass)和低介电玻璃纤维(D-glass)[2]。真正用于雷达罩的专用玻璃纤维主要是D玻璃纤维、石英纤维和高硅氧玻璃纤维,D玻璃纤维专用于雷达罩,它具有较低的介电常数和正切损耗,但同时,机械性能较低,一般仅为E玻璃纤维的70%,为达到一定的介电性能时,往往采用 D玻璃纤维。

2、高硅氧玻璃纤维中二氧化硅的含量为91~99%,它是以酸浸洗E玻璃纤维,除去碱金属,再于670~800℃加热烧结而形成高硅氧玻璃纤维。

3、芳纶纤维是高度定向的芳香族聚酰胺纤维的统称,其代表品种为美国杜邦公司生产的Kevlar-49,其性能见表1示。由于芳纶纤维具有较低的密度、优越的抗冲击性和比刚度高、比强度高等特性,在航空上得到广泛应用,一度有取代玻璃纤维的趋势。

4、石英纤维的化学成份是纯度达99.5% 以上的二氧化硅,经熔融制成纤维,其介电常数和正切损耗与上述玻璃纤维相比都是最小的,石英纤维的机械性能取决于制造工艺技术,另外,石英纤维的线膨胀系数较小,而且具有弹性模量随温度增高而增加的罕见特性。

5、聚乙烯纤维是密度最小,介电性能优良的一种增强纤维,由于其表面惰性导致纤维与树脂粘附性差,必须对纤维进行表面处理,同时选择合适的树脂体系。超高模量聚乙烯纤维(UHMPE),如Dyneema和Spectra系列,强度高、不吸水抗冲击,在X波段至mm波段范围内,具有优良的介电性能,与树脂浸润性好,复合材料的防弹性和力学性能在高温下保持稳定,是一种很有前途的高性能雷达罩增强材料。常与其他纤维混合成透波混杂复合材料使用。例如Spectra/玻璃纤维(25/75 ) 复合材料的介电常数为2.9; Spectra/石英混杂体系能够获得优良的电/机械性能。国外导弹天线罩大多已采用此种纤维。

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,M玻璃纤维只有较少量使用。雷达天线罩用增强纤维(织物)仍以E-玻璃纤维(密度=2.54g/cm3、ε=6.13、tgδ=0.0055)和S-玻璃纤维(密度=2.49、ε=5.12、tgδ=0.0068),同类纤维国外密度比国内低0.15左右,ε低0.2左右、tgδ小0.0015左右。且纤维种类少,织物种类更少,只有两维仿形编织套。

环氧树脂仍是雷达罩最常用的树脂基体之一。由于先进雷达罩对全频带、低介电损耗、耐高温,耐天候等性能要求的不断提升,其他如氰酸酯树脂、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺树脂、酚醛树脂、有机硅树脂等。

雷达罩使用的夹心材料为轻质PMI泡沫,此种泡沫被大量使用在航天、太空等领域----质轻且坚固。由于优良的透波性以及对雷达波的低干扰,也成为雷达罩的主要结构。


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