孫建彬，李 正，韋生文，楊柳彬

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

聚苯醚在天線罩上的應用技術(shù)研究*

孫建彬，李 正，韋生文，楊柳彬

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

為了降低天線罩制造成本，提高生產(chǎn)效率，文中采用PPO(聚苯醚)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的復合材料，用注塑和擠壓成型工藝代替手工鋪貼成型工藝。為解決上下天線罩密封問題，采用了耐候性、耐老化性、耐久、耐介質(zhì)、使用溫度范圍較廣的彈性密封膠。為了防止天線罩在暴曬環(huán)境下老化，采用了耐老化性能和疏水性能都較好的氟碳漆。通過采用以上工藝方法，得到了符合環(huán)境要求和電性能要求的天線罩。為大批量生產(chǎn)低成本的天線罩提出了一種新思路。

天線罩；聚苯醚；注塑；擠壓；氟碳漆

引 言

雷達天線罩主要功能是保護罩內(nèi)電傳輸系統(tǒng)免受外界損傷和破壞，需具有透波、防熱、承載、抗沖擊、耐候、抗雨蝕等功能。對于現(xiàn)代地面雷達天線罩，大多采用性能優(yōu)異、可設計性強的新材料——樹脂復合材料。復合材料天線罩成型一般采用手工鋪貼成型或真空袋壓成型，這兩種成型工藝方法主要適合于小批量天線罩生產(chǎn)、裂縫波導陣面和拋物面天線。對于地面大型相控陣而言，天線陣面具有尺寸大、單元數(shù)量多、單元形狀小等特點。如果采用大型整體罩，不僅成本高，而且機動性差。如果采用小天線罩對每個天線單元進行保護，則研制成本高，生產(chǎn)周期長。

本文根據(jù)某地面相控陣雷達具體情況，在大量調(diào)研基礎上，嘗試了用工程塑料PPO(polyphenylene oxide，聚苯醚)通過注塑+擠壓的工藝方法成型天線罩。經(jīng)電訊和環(huán)境試驗，滿足天線單元電性能指標和環(huán)境適應性指標。此種天線罩工藝成型方案不僅縮短了周期，而且大大節(jié)約了成本，取得了很好的經(jīng)濟效益，為此類天線罩的生產(chǎn)提供了一條便捷的成型路徑。

1 天線罩成型工藝方法

1.1 天線罩概述

圖1為某雷達天線罩三維圖，天線罩尺寸為42 mm ×42 mm × 941 mm，壁厚2 mm，頂部有2 個110 mm × 35 mm方孔，一套地面雷達系統(tǒng)，共需要188 個此種天

線罩。該雷達工作在具有高溫、高濕、高鹽霧等特點的海邊，生存壽命設計為10 年。下面從材料選擇和成型工藝方案兩個方面進行詳細闡述。

圖1 某雷達天線罩

1.2 材料選擇

天線罩的性能與所選材料的性能關(guān)系密切，天線罩材料應具備以下特性：

1)介電常數(shù)(<10)和介電損耗(<0.01)??；低的介電常數(shù)會降低反射，使反射對輻射模式和插入損耗的影響降低到最小。此外低介電常數(shù)的材料能給天線罩帶來寬頻帶響應，允許放寬壁厚公差，降低制造成本。

2)良好的耐熱沖擊性、耐熱性和抗鹽霧性;雷達布防于南部沿海，生存環(huán)境高溫、高濕、高鹽霧。

3)耐老化；雷達使用壽命10 年，天線罩材料要具有抗老化性能。

4)良好的工藝性和經(jīng)濟性；天線罩成型后需要后續(xù)機械加工，所以材料要具有良好的加工性能。由于天線罩數(shù)量多，所以要考慮材料的經(jīng)濟性。

為了滿足以上性能，傳統(tǒng)天線罩材料一般選用樹脂(基體)+纖維(增強體)形成的復合材料，再通過手工鋪貼成型或真空袋壓成型。樹脂纖維形成的復合材料成本很高；預浸料鋪貼成型或真空袋壓成型不僅對操作人員的技術(shù)要求高，設備投資量大，而且生產(chǎn)效率低下?，F(xiàn)在大型相控陣雷達天線罩特點是：數(shù)量多、周期短、成本低，所以傳統(tǒng)天線罩材料和成型工藝已不適合此類雷達的特點，必須尋找新的材料和工藝成型方法。

經(jīng)過慎重選擇，工程塑料里面的PPO(聚苯醚)和PPS(聚苯硫醚)是較為理想的材料，表1對比了3 種材料的性能[4]。

表1 材料性能對比

從以上3 種材料性能參數(shù)對比情況看，玻纖預浸料的力學性能最好，PPS塑料次之，PPO塑料較差。該天線罩是直接貼敷在天線外導體表面，天線罩有天線的直接支撐，所以對天線罩的力學性能要求并不高。電性能參數(shù)，PPO和PPS較玻纖預浸料要好，充分說明工程塑料是可以替代傳統(tǒng)復合材料的。由于PPS比PPO貴很多，根據(jù)項目具體情況，在滿足力學和電性能的情況下，優(yōu)先選用PPO。下面詳細闡述PPO的性能：

1)有較好的電氣性能，在很寬的頻率和溫度范圍內(nèi)，介質(zhì)損耗角正切非常小，在0.007以下，最低可達0.000 9。介電常數(shù)在2.7以下，體積電阻率可達1014Ω·cm，擊穿電壓在22 kV/cm以上，是極理想的高頻絕緣材料。

2)具有均衡的力學性能，拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度都超過尼龍和聚甲醛，耐蠕變、應力松弛和耐疲勞性能在工程塑料中屬優(yōu)級。

3)耐熱性能好，熱變形溫度90 ℃～150 ℃，無載荷情況下間斷工作溫度最高可達204 ℃，性能受溫度的影響小，各種物理性能穩(wěn)定，使用溫度范圍寬。

4)耐水和耐熱凝汽性能在工程塑料中最優(yōu)，吸水率只有0.07%。具有卓越的耐濕熱性能，在132 ℃蒸汽熱壓器中經(jīng)200 次循環(huán)處理后，抗拉和抗沖強度沒有明顯下降。

5)具有良好的成型加工性能。PPO本身流動性能很差，故很難注塑成型。但用苯乙烯系聚合物改性后，其流動性大大改善，改善程度隨苯乙烯系聚合物品種、用量而異。因此，可利用這個性能制得不同的改性品種。

6)它屬非結(jié)晶性聚合物，不存在因結(jié)晶造成的大收縮現(xiàn)象。由于收縮率小，可制成高精度的制品。

基于PPO優(yōu)異的物理性能、機械性能、電性能、耐熱性能和抗老化性能，完全可以用PPO材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的復合材料。

1.3 成型工藝方案

PPO具有良好的流動性，所以可以用注塑方法成型天線罩。天線罩長達941 mm，給拔模帶來極大困難，所以工藝上采用化整為零的方法，即把天線罩分成上下兩部分，如圖2所示。

圖2 上下天線罩

上天線罩采用注塑方法，為了減小拔模難度，長度設定為270 mm；為了降低成本，下天線罩采用擠壓成型工藝，成型后通過機械加工得到671 mm，采用注塑+擠壓成型工藝既可以滿足技術(shù)指標要求，又可以縮短研制周期。

2 密封防護

由于天線罩采用上下罩結(jié)合的方式，所以在結(jié)合處需用密封膠密封，如果密封不嚴密讓水氣進去，則會引起天線電性能的失效。

為了防止天線罩在暴曬環(huán)境下老化，需要在罩外面涂覆油漆以滿足天線單元在壽命期間的正常使用。

天線罩的密封和防護一直是雷達工藝中很重要的組成部分，下面從結(jié)構(gòu)設計、密封和涂覆3 個方面闡述此天線罩的防護。

2.1 密封結(jié)構(gòu)設計

為提高上下天線罩連接、密封的可行性和可靠性，在結(jié)構(gòu)設計時就應該考慮密封防護性能。在和結(jié)構(gòu)設計師充分溝通的基礎上，上下天線罩設計為哈弗連接方式。這種連接方式既可以實現(xiàn)上天線罩對下天線罩的定位，也可以實現(xiàn)可靠性連接。具體實現(xiàn)方式如圖3、圖4所示。

圖3 上天線罩

圖3是上天線罩三維設計模型。上天線罩接口處設計為凸臺形式，定位臺階寬度為1.5 mm，其目的是為了確定下天線罩長度方向的具體位置。接觸面深度為20 mm，上下天線罩之間的安裝空隙設計為0.5 mm，在裝配時，密封膠將填滿上下天線罩之間的空隙。

圖4 上下天線罩連接處

密封膠均勻涂在下天線罩安裝處的四壁，并自下而上安裝，使密封膠均勻留在上下天線罩之間的空隙內(nèi)。為防止天線罩在外力作用下脫膠松動，在上下天線罩連接處用浸過555膠的無堿玻璃布纏繞。

2.2 密封膠選擇

為防止水從上下天線罩連接處進入到外導體內(nèi)部，需要在連接處用密封膠密封。根據(jù)地面雷達要求的環(huán)境技術(shù)指標，密封膠必須具有耐候性、耐老化性、高粘性并且具有承受一定變形位移的能力。

戶外電子設備常使用的彈性密封膠主要有硅酮型、聚氨酯型和聚硫橡膠等, 其性能對比和戶外暴曬試驗結(jié)果見表2、表3 和表4[5]。

表2 幾種密封膠的常規(guī)性能對比

表3 幾種密封膠力學性能對比

表4 幾種密封膠7年戶外暴曬試驗結(jié)果

從3個表格對比可看出，硅酮型密封膠在耐候性和使用壽命周期上都好于聚氨酯型和聚硫橡膠，但是硅酮型密封膠對接縫處有污染，在要求綠色環(huán)保的今天，已不太適合使用到產(chǎn)品上。聚硫橡膠有較好的耐候性和力學性能，但是使用壽命較短，從表4可以看出，7年后的聚硫橡膠就會有深裂紋出現(xiàn)，雨水會順著裂紋滲透到外導體內(nèi)部，形成積水，從而影響天線單元的駐波。聚氨酯型密封膠的耐候性和力學性能較好，使用壽命一般為15年，滿足產(chǎn)品環(huán)境技術(shù)指標。

由于注塑表面較光滑，如果直接涂密封膠，會降低密封膠與天線罩表面的粘接強度，工藝上采取了在密封處噴砂工藝，來降低天線罩表面的粗糙度。經(jīng)試驗，可以明顯提高粘接力。另外，密封膠的配套底處理劑有優(yōu)異的防膠接面腐蝕功能, 同時能使聚氨酯密封膠與基材的粘接強度大幅度提高, 密封膠使用底處理劑與否的剪切強度比較值見表5[5]。

表5 剪切強度對比

為了進一步提高密封膠與接觸面的粘接強度，天線罩接觸面采用了底處理劑。

2.3 表面涂覆

天線罩是直接和嚴酷環(huán)境接觸的介質(zhì)，經(jīng)常會受到雨水、鹽霧和紫外線的侵蝕。為進一步提高天線罩的耐候性， 我們選用了常溫固化氟涂料作為天線罩的防護涂層。氟碳漆具有以下特征：

1)耐候性好。漆膜無起泡、生銹、開裂、脫落現(xiàn)象。

2)耐化學品及酸堿能力強。涂層交聯(lián)密度高, 孔隙率低, 抗?jié)B性好。

3)耐污性好。涂層表面細膩光滑, 摩擦系數(shù)小, 容易清洗。

4)涂層具有阻燃性、耐溫性。能抵抗嚴寒酷暑和干濕交替的復雜環(huán)境。

5)優(yōu)良的機械性能。漆膜附著力強、抗沖擊、耐摩擦。

該涂料耐老化性能優(yōu)異,特別是在強紫外線作用下, 其樹脂也不易分解, 防護壽命可達15年～20年; 該涂料的施工性能優(yōu)異, 可常溫干燥; 氟涂料還具有高的疏水性, 雨水很難在天線罩表面沉積, 既防止了水對高分子材料的侵蝕, 又能降低天線的雨水噪聲溫度。

3 結(jié)束語

為了驗證PPO天線罩和密封膠的耐候性，按國軍標做了如下試驗：高溫試驗(GJB 150.3A—2009)；低溫試驗(GJB 150.4A—2009)；淋雨試驗(GJB 150.8A—2009)；濕熱試驗(GJB 150.9A—2009)；鹽霧試驗(GJB 150.11A—2009)。最后測試了天線單元的電性能，滿足所設計的技術(shù)要求。最后結(jié)論：采用PPO天線罩滿足產(chǎn)品需求。

為了降低成本，采用PPO材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的復合材料；為了提高生產(chǎn)效率，采用注塑和擠壓成型工藝；為了增強密封膠與接觸面之間的粘結(jié)力，采用在連接處噴砂和涂底處理劑。采取以上工藝方法，得到了符合環(huán)境要求和電性能要求的天線罩。為大批量生產(chǎn)低成本的天線罩指出了一條新道路。

[1] 沈利新，孫珮瓊. 地面雷達罩材料的發(fā)展[J]. 玻璃鋼, 2007(3): 22-26.

[2] 張潤逵, 戚仁欣, 張樹雄. 雷達結(jié)構(gòu)與工藝(上冊)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

[3] 楊薇薇, 楊紅娜, 無曉青. 天線罩材料研究進展[J]. 現(xiàn)代技術(shù)陶瓷, 2013(1): 3-8.

[4] 謝明華, 敖遼輝. 聚苯硫醚在天線罩上的應用研究[J]. 工程塑料應用, 2006(11): 53-54.

[5] 佟文清, 曹立榮. 雷達薄壁天線罩的密封及防護[J]. 電子工藝技術(shù), 2008, 29(4): 225-230.

孫建彬(1984-)，男，碩士，主要從事雷達總體工藝設計工作。

Research on Application of Polyphenylene Oxide on Antenna Cover

SUN Jian-bin，LI Zheng，WEI Sheng-wen，YANG Liu-bin

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

In order to decrease the manufacturing cost of antenna cover and improve the producing efficiency, this essay adopts PPO (polyphenylene oxide)instead of the traditional composed material, using injection moulding and extrusion instead of traditional handicraft techniques. To solve the long-lasting problem of upper-lower antenna, plastic sealing paste with weather ability high durability, anti-aging and wide temperature range is used. To avoid the aging process due to the exposure under blazing heat, fluorocarbon paint is used which perfectly slows the inevitable aging process. By using the crafts above, antenna cover with environment-friendly stability and rational electricity can be acquired. This methodology presents a brand new and feasible way for mass production.

antenna cover; polyphenylene oxide(PPO); injection moulding; extrusion; fluorocarbon paint

2016-07-20

TN82

A

1008-5300(2016)05-0053-04