树脂基结构/透波复合材料是以有机高分子聚合物为基体，以无机或有机纤维为增强材料，经热压、缠绕、树脂传递模塑或烧结成形复合而成的兼具承载能力和电磁波透过功能的复合材料。树脂基结构/透波复合材料因具有良好的介电性能、机械性能、耐温性能、耐环境性能和工艺性能，成为制造各类雷达天线罩的主要材料。
 

树脂基结构/透波复合材料
 

    雷达天线罩是航空飞行器实现通信、探测、火控、敌我识别、电子干扰等任务功能时重要的电磁透波窗口，用于保护雷达天线或整个微波系统在恶劣环境下能够正常工作，并使电磁波正常透过的一种结构/功能体。雷达罩的综合性能除设计因素外，取决于其应用的复合材料性能及其制造技术水平。为实现透波、承载及防热、隔热、抗冲击等功能，树脂基结构/透波复合材料必须具有优异的介电性能即尽量小的介电常数（ε）和正切损耗（tgδ），并具有足够的强度和弹性模量，以满足雷达罩的气动和结构要求；使电磁窗一方面能够承受载荷，保护发射电磁波的辐射源器件及其天线不受损坏，另一方面尽量减少电磁波的反射与折射损耗，保证电磁波的高透过率。

    高性能雷达天线罩已经成为飞机、导弹等武器装备不可分割的重要组成部分，对现代武器装备的性能产生着重要的影响。随着现代航空电子技术的飞速发展，各种先进探测设备、新型雷达及中远距精密制导武器的不断问世，雷达罩技术向高性能、多功能、低成本、可维护性方向发展，对树脂基结构/透波复合材料在轻量化、宽频带、高透波、耐大功率辐照、耐高温、耐环境性能等方面提出了更高技术要求。本文主要从增强材料、树脂基体、夹芯材料及胶接材料等方面介绍树脂基结构/透波复合材料的研究进展。

    增强材料

    高性能雷达天线罩一般要求所用的增强材料具有高的强度与模量，界面性能良好，耐环境性能优良，最重要的是介电性能优异。最早用于雷达罩制造使用的是无碱玻璃纤维（E型），后来又陆续使用了各种特种玻璃纤维，包括高模量玻璃纤维（M型）、高强度玻璃纤维（S型），低介电玻璃纤维（D型）和石英纤维（Q型）等。

    石英纤维由纯度99.5%以上的二氧化硅经熔融拉制而成，机械性能和耐热性能优良，其抗拉强度是普通玻璃纤维的2～3倍，可长期在1050℃下使用，瞬间耐高温达1700℃。石英纤维有着卓越的介电性能，与上述各类玻璃纤维相比具有最小的介电常数和正切损耗，在10MHz～100GHz频带范围内，介电常数保持不变，正切损耗从0.0001变化到0.0005，并且介电性能随温度变化较小，是理想的结构/透波功能一体化复合材料的增强材料，已广泛应用于各类高性能雷达天线罩，资料显示欧洲“台风”战斗机、美国F/A-18E/F等飞机的雷达罩选用了石英纤维为增强材料。而F-22、F-35飞机雷达罩则采用了高强玻璃纤维。

    空心玻璃纤维具有轻质、高比强度、高比模量、高透波性等特性，是一种优质的结构/透波复合材料增强体，近年来不断研究开发并投入应用。20世纪80年代，美国最早发展了空心高强S-2玻璃纤维的生产技术，其力学性能相当于E玻璃纤维，但重量减轻了20%～30%，比石英纤维还低8%。20世纪90年代年起，俄罗斯、中国等也逐渐开始了空心玻璃纤维的探索性研究，我国至今已有多种规格的空心玻璃纤维研制成功。中国航空工业集团公司济南特种结构研究采用国产空心石英纤维为增强材料，研制的改性氰酸酯树脂基结构/透波复合材料在8.0GHz～40GHz频带内介电常数低于3.0，与普通的玻璃纤维复合材料相比，密度降低约15%，具有轻质高强低介电的特性，适用于宽频、多频段高透波要求的雷达罩制造。

    随着对复合材料减重、透波、承载综合性能要求的不断提高，近年来，国内逐渐开展了芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）等增强材料的研究。芳纶纤维是一种高性能有机合成纤维，具有高强度、高模量、耐高温、耐酸碱、耐大多数有机溶剂腐蚀的特性，其增强树脂基结构/透波复合材料重量轻、尺寸稳定性好，介电常数较无机纤维小（ε：3.3），主要缺点是压缩强度低，纤维和树脂的界面结合性能差，吸湿性较强。

    超高分子量聚乙烯纤维是由相对分子量为100万～500万的聚乙烯所纺出的纤维，是目前世界上强度最高和比重最轻的纤维，强度比钢丝高1.5倍，比重比芳纶纤维轻40%。同时，该纤维具有优良的介电性能（ε：2.25，tgδ：0.0002）。其缺点是纤维表面呈惰性，不易被树脂浸润，复合材料界面粘接强度较低。另外，提高其复合材料模量也是研究的重要方向之一。

    树脂基体

    树脂是结构/透波复合材料实现功能特性的主体材料，除强度、模量、韧性和耐环境特性等要求外，透波复合材料的树脂基体还特别要求具有低的介电常数和正切损耗。常用树脂基体包括传统的不饱和聚酯树脂（UP）、环氧树脂（EP）、改性酚醛树脂（PF）、烯丙基脂树脂（DAIP）以及近年来不断被发展应用的双马来酰亚胺树脂（BMI）、氰酸酯树脂（CE）、BMI改性氰酸酯树脂（BT）、有机硅树脂、聚酰亚胺（PI）及苯并环丁烯（BCB）等新型耐高温树脂。

    低损耗EP树脂和改性BMI树脂在二代、三代机雷达罩上已得到广泛应用，而CE树脂是继EP、BMI之后发展起来的另一类新型高性能热固性树脂。它具有优异的介电性能（ε：2.64～2.90；tgδ：0.001～0.008；并且受频率变化影响小）、耐热性能（Tg：240～290℃）和机械性能（弯曲强度≥170MPa，弯曲模量≥3.2GPa）。与低损耗EP、改性BMI相比，CE树脂的介电常数较前者降低约10%，介电损耗降低约1/2，同石英纤维、D玻璃纤维等复合具有显著的低介电常数和损耗性能，并在宽频和较宽温度范围内保持介电性能的稳定性。目前双酚A型氰酸酯（BADCy）已实现国产化并获得广泛应用，还有四类氰酸酯树脂优势特征显著，具有良好的应用开发前景。一类是不对称结构的双酚B型、双酚E型氰酸酯，此类结构氰酸酯的突出特点是常温下为低黏度液态树脂（η＜400mPa.s），适于室温树脂传递模塑（RTM）成型工艺，也可以作为其他结晶型氰酸酯的改性剂。第二类是耐高温酚醛型氰酸酯（PT），随分子量不同呈现液态、半固态等物理状态，可根据工艺需要设计合成；固化后树脂Tg可达350℃以上。瑞士洛桑高性能材料公司（Lonza Inc./High performance Materials）研制的Primaset酚醛型氰酸酯已经通过了F-35战机复合材料雷达整流罩的系统测试。第三类是双酚M型氰酸酯，具有优异的耐吸湿性能，比BADCy树脂的吸水率降低50%以上，且树脂具有更高的韧性。第四类是氟代双酚型、双环戊二烯酚型氰酸酯，介电性能更加优异。如美国F-22战斗机雷达罩采用的陶氏化学公司研制的Tactix XU71787树脂就是双环戊二烯酚型氰酸酯。美国海军研究实验室（NRL）是美国国防部众多下属实验室中唯一从事耐热聚合物研究的实验室，目前正在从事氰酸酯树脂的研究，采取合成任意长度的以芳香醚齐聚物为主链的液态氰酸酯单体，通过调整反应物的各项相对值，得到高的耐热、氧化稳定性、硬度、交联密度、介电和玻璃化转变温度等一系列期望的属性，以获得具备高耐热、高氧化稳定性、低固化温度特点的全新属性的聚合物。同时，为进一步提高树脂抗吸湿率和抗裂纹性能，对氰酸酯树脂的增韧改性技术也是国内外应用研究的重点与热点。

    PI树脂是一类以酰亚胺环为结构特征的高性能聚合物材料，具有优良的介电性能（ε：3.4，tgδ：0.001），并且在宽广的温度和频率范围内仍能保持较高水平，其机械强度相当或超过环氧复合材料，并具有良好的热稳定性能和耐溶剂性能等。目前常用的是PMR-15树脂，使用温度为288～316℃。为进一步提高PI树脂的热氧化稳定性，在主链结构和封端基上采用热稳定性更高的单体，长期使用温度达350℃，短期达540℃。PI树脂虽然介电性能和耐温性能优异，但存在工艺性较差（溶解性不好、后固化温度较高等），复合材料容易吸湿导致介电性能降低等，是该类树脂在雷达罩应用方面需重点解决的问题。

    有机硅树脂的突出优点是耐热性和优良的介电性能，在各种环境条件（高温、潮湿）下的介电性能都比较稳定。有机硅树脂基透波复合材料即玻璃纤维增强有机硅树脂基复合材料，是俄罗斯用于航天透波领域的主要材料，其短期使用温度高于1500℃，按不同的使用环境和性能价格比而采用不同的纤维增强体。国内对有机硅树脂的研究主要集中在胶粘剂应用领域，作为复合材料基体树脂则存在模量不足的问题。而炔基硅烷树脂分子中含有炔基和Si-H基团，以甲基二苯乙炔基硅烷（MDPES）树脂为例，可在300℃下固化完全，固化物具有良好的介电性能（ε：3.2，tgδ：0.0025），短时耐温可达550℃。其耐热性和介电性能均优于目前使用的BMI和PI等树脂。该类树脂力学性能较低，尤需提高复合材料的层间剪切性能。

责任编辑：班英飞

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