1．前言
    現代戰爭是從電子戰開始的，即在爭取“制空權”時，很大程度上是在爭取“制電磁權”。戰爭的任何一方失去了“制電磁權”在硬武器較量中將處于被動挨打的地位,電子戰被視為第四維戰場。而這些先進設備的應用離開了雷達罩的技術發展是不可能實現的。
    現代雷達技術已由早期探測、火控、氣象和導航功能，進一步發展出電子偵察、電子干擾、精確制導等功能。雷達罩工作頻率也由單頻發展為寬頻，直至多波段全頻帶。不僅要求雷達罩有高透波率，而且要有低吸收率。雷達罩材料的低介電常數和低介質損耗是滿足新型雷達要求的必要條件。
   透波材料通常分為兩類：一種為纖維增強有機耐熱樹脂基復合材料，另一種為無機材料，如氧化鋁、二氧化硅、玻璃陶瓷、氮化硅、氮化硼等。無機材料在波范圍內能滿足雷達罩電氣性能厘米波范圍的要求，使用性能良好。但對于毫米波段（波長在1－1000mm，頻率在0.3－300GHz 范圍的電磁波）和有寬帶性能的天線罩來看，則顯示較大的缺點（ 強度低、壁較厚等）。因此隨著高載荷、高飛行速度戰術導彈的發展，多選有機耐熱樹脂基復合材料作透波材料。本文主要綜述用于軍用航空透波復合材料的研究進展。
2．電性能要求
    透波復合材料是由增強纖維和基體材料構成的，兩者的電性能直接決定透波復合材料的電性能如下式^[1]：

lgε_N =υ_f logε_f + (1 -υ_f -υ₀) logε_m+υ₀logε₀
其中υ_m= 1－υ_f－υ₀

ε_N － 復合材料的介電常數
ε_f － 復合材料中纖維的介電常數
ε_m－ 復合材料中基體的介電常數
ε₀ － 復合材料中孔洞中介質的介電常數
υ_f － 復合材料中纖維的體積分數
υ_m－ 復合材料中基體的體積分數
υ₀ － 復合材料中孔洞的體積分數
又根據介質損耗角正切的定義，垂直于纖維布平面的復合材料的介質損耗角正切為：

tgδ_⊥={[υ_fε_mε₀ tgδ_f + (1 -υ_f -υ₀)ε_fε₀ tgδ_m +

υ₀ε_mε_f tgδ₀]ε_N } /ε_mε_fε₀

一般υ0很少，通常要求<1% ，因此復合材料中的ε_N和tgδ_⊥主要決定于ε_m、tgδ_m、ε_f和tgδ_f，也就是復合材料的電性能取決于增強纖維和基體材料。
3. 增強體纖維材料
3.1國外增強體纖維材料研究現狀
3.1.1纖維種類
    在透波復合材料中早使用的是E玻璃纖維,后來又有特種玻璃纖維, 是指高強度玻璃纖維(S-glass),高模量玻璃纖維(M-glass)和低介電玻璃纖維(D-glass)^[2]。真正用于雷達罩的專用玻璃纖維主要是D玻璃纖維、石英纖維和高硅氧玻璃纖維，D玻璃纖維專用于雷達罩,它具有較低的介電常數和正切損耗,但同時,機械性能較低,一般僅為E玻璃纖維的70%,為達到一定的介電性能時,往往采用 D玻璃纖維。新型低介D電玻璃纖維是一種硅硼纖維（72%－75％ 的SiO₂，23％的B₂O₃），主要用于制造雷達罩，目的是改善電性能和減少電厚度以降低實心罩的質量，在MIRAGE 2000、GRIPEN JAS 39、HAWK 200、HARRIER上都有應用。
    高硅氧玻璃纖維中二氧化硅的含量為91～99%,它是以酸浸洗E玻璃纖維,除去堿金屬,再于670～800℃加熱燒結而形成高硅氧玻璃纖維。
    芳綸纖維是高度定向的芳香族聚酰胺纖維的統稱，其代表品種為美國杜邦公司生產的Kevlar－49，其性能見表1示。由于芳綸纖維具有較低的密度、優越的抗沖擊性和比剛度高、比強度高等特性，在航空上得到廣泛應用，一度有取代玻璃纖維的趨勢。波音公司的CH-46直升機用芳綸復合材料，每g減重率28.5％。然而由于纖維中大分子對稱性高，容易造成復合材料構件濕漲開裂，電性能降低，因而在雷達罩中的應用受到影響。其他纖維混雜可以獲得優良的綜合性能。
    石英纖維的化學成份是純度達99.5% 以上的二氧化硅,經熔融制成纖維,其介電常數和正切損耗與上述玻璃纖維相比都是小的,石英纖維的機械性能取決于制造工藝技術,另外,石英纖維的線膨脹系數較小,而且具有彈性模量隨溫度增高而增加的罕見特性。
    各種增強體纖維的性能見表1。

表1 各種增強纖維的主要性能

纖維 品種	密度 g/cm3	拉伸 強度 MPa	彈性 模量 GPa	介電 常數 (10GHz)	正切 損耗 (10GHz)
E 玻纖	2.54	3140	73.0	6.13	0.0055
S 玻纖	2.49	4020	82.9	5.21	0.0068
M 玻纖	2.77	3700	91.6	7.00	0.0039
D 玻纖	2.10	2000	48.0	4.00	0.0026
石英玻纖	2.20	1700	72.0	3.78	0.0002
高硅氧波纖	2.30	2500	52.0	4.00	0.0048
KV-49	1.46	3620	152	2.5	0.0015
超高分子量聚乙烯纖維	0.9	5010	192.8	3.0	0.0001

    聚乙烯纖維是密度小，介電性能優良的一種增強纖維，由于其表面惰性導致纖維與樹脂粘附性差，必須對纖維進行表面處理，同時選擇合適的樹脂體系。超高模量聚乙烯纖維（UHMPE），如Dyneema和Spectra系列，強度高、不吸水抗沖擊，在X波段至mm波段范圍內，具有優良的介電性能，與樹脂浸潤性好，復合材料的防彈性和力學性能在高溫下保持穩定，是一種很有前途的高性能雷達罩增強材料。常與其他纖維混合成透波混雜復合材料使用。例如Spectra/玻璃纖維（25/75 ） 復合材料的介電常數為2.9； Spectra/石英混雜體系能夠獲得優良的電/機械性能。目前國外導彈天線罩大多已采用此種纖維。
3.1.2纖維編織
    國外常用織物為平紋布、斜紋布制作夾層結構雷達罩；歐洲多用二維仿形編織套制作PD雷達罩，美國則常用纖維束纏繞鋪放制作PD雷達罩。俄羅斯用高厚布縫制編織套，它是采用手工編織，高厚布按一定尺寸編織剪裁，連接部位采用搭接縫制的方法，每個縫制錐套約3～5毫米厚，多個錐套按一定錯位方法疊在一起，然后壓制成型。這種方法速度快，成本低，縫制部位的抗拉強度只下降20%，經縫口錯位后，不影響使用性能。
    在國外發達，用于制備天線罩的玻璃纖維材料均根據性能――價格比系列化，品種多、質量穩定、介電損耗小，可以大批量生產，并且已經應用于透波復合材料的科學研究，有的已經應用于型號飛機雷達罩上。
3.2國內增強體纖維材料研究現狀
    目前國內透波復合材料使用的增強纖維仍以E玻璃纖維和S玻璃纖維為主,M玻璃纖維只有較少量使用。雷達天線罩用增強纖維（織物）仍以E-玻璃纖維（密度=2.54g/cm³、ε=6.13、tgδ=0.0055）和S-玻璃纖維（密度=2.49、ε=5.12、tgδ=0.0068），同類纖維國外密度比國內低0.15左右，ε低0.2左右、tgδ小0.0015左右。且纖維種類少，織物種類更少，只有兩維仿形編織套。表2為國產主要航空用玻璃纖維布的性能。

表2 國產航空用玻璃纖維布的性能

4．樹脂基體材料
    目前，環氧樹脂仍是雷達罩常用的樹脂基體之一。但近年來由于先進雷達罩對全頻帶、低介電損耗、耐高溫，耐天候等性能要求的不斷提升，其他如氰酸酯樹脂、聚酰亞胺樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂、酚醛樹脂、有機硅樹脂等，各種樹脂介電性能的對比如表3所示 ^[3]。

4.1環氧樹脂
    環氧樹脂具有優良的界面性能、耐化學腐蝕性能、電性能以及尺寸的穩定性，并且工藝成熟、成本較低。缺點是并不耐高溫，且介電性能與新興材料如氰酸酯等相比并無優勢。用于雷達罩的通常為雙酚型環氧、酚醛環氧，其中以雙A酚型產量大A ^[4]。

4.2雙馬來酰亞胺樹脂

   雙馬來酰亞胺樹脂應用到透波復合材料上的主要障礙是正切損耗較大,原因是樹脂純度不夠,雜質太多造成的。目前,這個技術難關已經被攻克,  國內已經研制成功了用于實芯半波壁結構雷達罩RTM工藝的4503A雙馬來酰亞胺樹脂、用于人工介質材料的4501A雙馬來酰亞胺樹脂和用于預浸料的4501B雙馬來酰亞胺樹脂。改性雙馬來酰亞胺樹脂是一種具有雙官能團多用途的有機化合物,其雙鍵的高度親電子性使之易于和多種親核性化合物反應,由于其五元雜環的結構,決定了特有的力學性能和耐熱性,以二烯丙基雙酚A改性的BMI樹脂具有優異的力學性能,耐熱性和良好的成型工藝性受到了廣泛的關注,在結構復合材料上獲得了廣泛的應用。

4.3氰酸酯樹脂

    氰酸酯樹脂是目前國內研究的熱點，它具有出色的介電性能，同時還具有耐高溫、低吸濕率、低熱脹系數、優良的力學性能和粘接性能，以及良好的工藝性。目前氰酸酯已成功地應用于雷達罩。為了進一步改性和提高性能價格比，氰酸酯樹脂通常與環氧樹脂共混使用，氰酸酯樹脂環氧樹脂/共混物不是簡單的物理共混物，兩者之間存在著復雜的共聚反應。陳平等^[5]采用氰酸酯改性環氧樹脂體系，使改性的環氧樹脂體系介電性能提高。尹劍波等^[6]利用環氧樹脂和雙馬來酰亞胺樹脂做改性劑，對氰酸酯樹脂進行共聚改性，經改性后的基體具有優異的介電性能，介電常數為2.25，介電損耗角tgδ <10^-4（10kHz）。

4.4聚酰亞胺

    聚酰亞胺是一類以酰亞胺環為結構特征的高性能聚合物材料，具有優良的介電性能（如表3所示），并且在寬廣的溫度和頻率范圍內仍能保持較高水平^[7]， 其機械強度相當或超過環氧復合材料，并具有良好的熱穩定性能和耐溶劑性能等，但是其缺點是工藝性差，孔隙率高而引起吸潮，使電性能降低。使用石英布聚酰亞胺復合材料與非碳/化燒蝕材料聚四氟乙烯相結合，可以有效解決吸潮問題^[8]。

4.5酚醛樹脂

    酚醛樹脂根據所用的催化劑，可分為熱固性酚醛樹脂和線性熱塑性酚醛樹脂兩大類，用于雷達罩生產的是熱固性酚醛樹脂，固化后的酚醛樹脂結構中不但含有大量的芳香環，而且交聯密度也很高，因而具有很好的耐熱性、力學性能及耐候性。缺點是成型壓力高，后固化時間長，介質損耗較大，其介電常數還隨溫度的升高而產生明顯的增大。

4.6有機氟材料

    有機氟材料在抗熱震、抗雨蝕、低熱傳導方面具有一定優勢。聚四氟乙烯（PTFE） 的電性能異常穩定，幾乎不隨頻率、溫度和濕度的變化而變化，其抗熱震、抗雨蝕能力優于無機材料，但是其力學性能較差，當溫度高于250℃ 時力學性能迅速降低^[9]，而且不能熔融，一般需要燒結成型，工藝復雜，這在很大程度上限制了它的應用。因此，探索新的成型工藝成為聚四氟乙烯材料雷達罩研究的關鍵。王小群等^[10] 姜衛陵等^[11]等針對其成型工藝展開過研究，效果較好。
    表3 幾種透波樹脂基體的典型性能

品  種	彎曲強度MPa	彎曲模量GPa	介電常數 （10GHZ）	正切損耗 （10GHZ）	耐熱溫度℃	密度 g/cm3
環氧樹脂	97	3.8	3.0	0.020	150	1.30
酚醛樹脂	92	3.5	3.2	0.020	180	1.30
不飽和聚酯樹脂	85	3.2	3.0	0.018	130	1.29
聚丁二烯樹脂	80	3.0	2.9	0.015	135	1.29
丁苯樹脂	81	3.2	2.9	0.016	130	1.29
乙烯基酯樹脂	90	3.5	2.9	0.018	150	1.30
雙馬來酰亞胺	150	3.7	3.0	0.014	150	1.30
烯丙基酯樹脂	95	3.5	2..9	0.014	150	1.29
氰酸酯 樹脂	95	3.2	2.9	0.008	150	1.29

5、耐高溫透波基體材料
    高溫寬頻透波材料是高速精確制導飛行器的基礎,是發展高超音速地空導彈、反輻射導彈等不可缺少的關鍵技術之一,它直接制約著先進飛行器的發展。美國、俄羅斯等發達在高溫透波材料領域一直有較大的投入, 并取得了顯著的成果,但由于該領域的敏感性,關鍵技術一直嚴格保密。國內高溫透波材料體系的研究相對較為落后, 而且存在發展不平衡的現象,有些材料技術與國外接近,并具有一定的技術特色,而另一些材料體系則基本沒有開展過研究工作。高溫透波材料是一種多功能材料,不同材料體系具有不同的性能優勢和適用環境以及不同的生產成本和周期,因此在選材時應根據實際使用要求進行綜合考慮。目前在眾多的材料體系中,國內外用于航空航天耐高溫透波材料主要有以下幾種，有機硅樹脂基復合材料、磷酸鹽復合材料及陶瓷復合材料。

5.1有機硅樹脂基復合材料
    有機硅樹脂基復合材料是近幾十年發展起來的一種新型多功能復合材料，已深入到當代國防、高科技國民經濟以及人們日常生活的各個領域。它具有高強度、耐高溫、抗熱震以及優良的電氣絕緣和透電磁波性能，在高溫、潮濕下的介電性能仍很穩定，也是一種重要的雷達罩材料。但它的缺點是機械強度較低，且須高壓成型。針對這些不足之處，近幾年出現了對有機硅樹脂進行改性或與其它樹脂進行共混，克服其缺點，大限度的發揮其優異性能。曾劍平等^[9]的實驗表明，有機硅樹脂能夠有效地提高SiO₂ 基復合材料的各項性能。在實際應用過程中一般采用短切纖維或連續纖維增強的復合材料。有機硅基透波材料性能如表4。

表4 有機硅基透波材料性能

性能 材料	密度 g/cm3	彎曲強度MPa	壓縮強度MPa	拉伸強度MPa	介電常數 ε（10GHZ）	正切損耗 tgδ（10GHZ）
纖維/ 硅樹脂	1.7～1.9	60	64	23	4.0	0.1
高厚布/ 硅樹脂	1.5～1.6	60～80	120～140	30～50	3.0	0.01

 

5.2無機聚合物
    無機聚合物的研究工作在第二次大戰后就有較多的研究報道,無機聚合物也是近幾年的研究熱點，美國開發了一族新穎的無機聚合物，它是以硅為基，這種無機聚合物制成的復合材料，在538℃高溫下仍具有穩定性、導熱系數低，有極好的熱沖擊性能和好的燒蝕性能。加工程度與傳統的熱固性樹脂同樣容易，而性能相當于金屬或陶瓷材料，加工性能相當于聚酰亞胺復合材料。室溫下的介電常數ε=3.0，正切損耗tgδ=0.008。使用溫度在800℃以內時介電性能幾乎不變化。適用頻率范圍為3GHz～30GHz，是制作高性能雷達罩的理想材料。
     無機聚合物- 聚磷酸鹽基材料以其優良的介電性能、耐高溫性能、加工方便、低溫固化等特性而備受關注。磷酸鹽材料體系在800℃以下具有與石英類材料相似的優異介電性能,如石英纖維增強磷酸鉻鋁基復合材料在20℃～800℃之間,其介電常數為3.65～3.9,介電損耗為0.0085～0.02,磷酸鋁在1500～1800℃以下具有穩定的性能。由此可見該體系是一種優良的耐熱透波材料。同時該體系還具有成本低、成型工藝簡單、生產周期短的特點,是新一代戰術導彈天線罩材料的選。因此開展低成本高性能磷酸鹽體系透波材料的研究對發展先進飛行器具有重要意義。國外早在20 世紀60年代就開始研究,前蘇聯、美國對其應用研究較為全面,國內70年代研究磷酸鹽粘結劑,近幾年出現了磷酸鹽復合材料的論文報道，如華東理工大學、哈爾濱工業大學等。
    俄羅斯在透波復合材料研究和應用方面起步比較早，除常規透波復合材料外，早在20世紀90年代中期就進行了結構――防熱――透波一體化功能材料的研究和應用。磷酸鹽樹脂體系體系已廣泛的得到應用。具體性能見下表5、表6。
   表5 石英/磷酸鉻在不同溫度下的介電性能

T（℃）	20	200	400	600	1000
ε	3.65	3.65	3.7	3.85	4.2
tgδ	0.0085	0.0085	0.01	0.02	0.03

表6 石英/磷酸鉻在不同溫度下的力學性能

T（℃）	20	400	800	1000	1200
彎曲強度（Mpa）	120	100	60	50	45
壓縮強度（Mpa）	75	100