1 前言
    透波材料是近年來發展起來的一類集結構、防熱、透波等于一體的多功能介質材料。透波材料種類復雜，從結構形式上可分為天線罩和天線窗兩大類；從材料上來分主要包括樹脂基復合材料、無機非金屬基復合材料、混雜纖維復合材料和特殊功能復合材料等。目前國內很多學者對透波復合材料進行了研究，其中文獻[1,2]中對透波復合材料的介電性能、使用環境和相關的材料領域進行了分析綜述，文獻[3]中對高硅氧／有機硅透波材料進行了介電性能分析，在透波材料的耐燒蝕方面，文獻[4,5]也分別進行了研究分析。
    隨著現代電子科技的發展以及雷達技術、電子戰、宇航通信等新需求的出現，透波材料的應用愈來愈廣泛，要求也愈來愈嚴格。在實際應用中使用廣泛的透波材料是纖維增強樹脂基復合材料。其應用的樹脂主要有不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂、氰酸酯樹脂、有機硅樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚四氟乙烯樹脂和熱塑性樹脂等等；增強纖維主要有玻璃纖維、芳綸纖維和混雜纖維等等^[6~16] 。一般情況下，纖維增強樹脂基復合材料耐溫較低，很難應用在速度大于4馬赫數的高超音速導彈天線罩上^[21]。而耐高溫透波材料主要是無機非金屬基復合材料，如陶瓷材料、氧化硅基復合材料和磷酸鹽基復合材料^[17~20]，這些材料的介電常數ε較高，工作頻帶較窄，質地脆硬，成型加工困難，成品率低。另外現在還出現一些特殊功能透波材料如隱身透波復合材料、智能透波復合材料、人工介質材料和電抗加載材料等^[21]。
    本文將研制一種新型的天線窗用纖維增強樹脂基復合材料透波板，并且在透波率、抗高低溫能力、抗震動沖擊能力和力學性能等幾方面給出該透波板的試驗性能。
2 透波板的研制
2.1 技術要求
    本文研制的透波板試樣長300mm，寬200mm。
    在1600 ~2200MHz范圍內透波率≥80%。
    在80~40℃溫度變化范圍內不破壞。
    在一定的震動沖擊條件(見表1和表2)下不破壞。
    承受1.5MPa的壓力不破壞。[-page-]
2.2 材料選擇
    由于該透波板的使用溫度較低，透波率、強度和韌性要求較高，所以選用工藝成熟，性能穩定，力學性能良好和經濟實用的環氧樹脂^[7]為基體，玻璃纖維為增強材料。
2.3 厚度設計
    由于該透波板的長和寬已經給定，只需要確定一個合適的厚度來同時滿足制品的力學性能和透波要求。
    根據透波板的結構和力學性能計算，得出滿足要求的小板厚為7mm。
    透波率的計算采用單板雷達罩的計算公式^[23]：

    式(1)中，Q為熱損耗;T為有熱損耗時的透波率；To為無熱損耗時的透波率。
    試(2)中，d為板厚;ε為介電常數；tanδ為介電損耗角正切值；λ為波長;θ為入射角（弧度）。
    式(3)中，r =(1-n)/(1＋n)n =｛ε ²cos²θ/(ε-sin ²θ)｝^0.5;φ =_²πd?(ε-sin²θ)^0.5/λ。
    當介電常數ε取4.1,tanδ取0.02,θ取±10°(需換成弧度)時,求出在不同頻率下透波率T和板厚d的關系，見圖1。

    由圖1可以看出，在1600~2200MHz頻率范圍內理論計算的透波率Τ隨著板厚d的增加逐漸遞減，且同一厚度時，頻率越大透波率越小。當板厚約為7.2mm時在所要求的頻率范圍內透波率能滿足≥80%的要求。
    綜合力學性能要求和透波率要求，選取該透波板厚度為7.2mm。
2.4 試樣制備
    將玻璃纖維和環氧樹脂一起制作成單向纖維預浸料，再將預浸料按正交鋪層鋪放成型7.2mm厚的透波板，加壓固化，后用機械方法加工外形。
    用同樣方法制作一個8.2mm厚的對比試件。[-page-]
3 試驗
3.1 透波率
    通過矢量網絡分析儀(安利3734A)對這透波板和對比試件進行透波率試驗，得出試驗結果，如圖2所示。

    從結果分析可知，7.2mm壁厚的透波板在1600~2200MHz頻率范圍內透波率全部大于80％，而8.2mm壁厚的透波板在該頻段內透波率則有小于80%的值。這說明理論值和實測值在宏觀上是一致的,理論計算能夠為設計提供一個初步參考。但是同一厚度的透波板并不如計算那樣頻率越大透波率越小，而是呈波動形，說明在厚度一定的情況下，在較寬的頻段內，總會出現一個或幾個透波率較高的頻率帶，充分利用這些頻率帶能夠優化透波板的設計。
3.2 抗高低溫能力
    透波板不僅要求有較高的透波性能，還要求具有足夠的抗高低溫能力。
    將透波板在室溫下放置8h以上,然后用專用工裝(如圖3)固定住,在不加任何載荷情況下放入環境箱中。環境箱升溫至80℃,恒溫4h后自然降溫到室溫。再將環境箱降溫至-40℃,恒溫4h。自然升溫到室溫后,取出透波板。

    對經過高低溫試驗的透波板先進行表觀觀察，沒有鼓包、分層和破壞等情況發生。然后將該透波板進行力學水壓試驗，沒有出現任何破壞情況。
    試驗表明，該透波板具有較強的抗高低溫能力，能夠滿足在自然環境下的使用要求。
3.3 抗震動、沖擊能力
    一般情況下武器、航空、航天器等發射時都會產生較大的震動和沖擊。所以透波板還應具有較高的抗震動沖擊能力。
    將做過高低溫試驗的透波板按表1和表2的實驗條件進行試驗。

    
    對經過震動和沖擊試驗的透波板先進行表觀觀察，沒有鼓包、分層和破壞等情況發生。然后將該透波板進行力學水壓試驗，沒有出現任何破壞情況。該試驗表明，該透波板具有較強的抗震動和沖擊能力。[-page-]
3.4 承載能力
    透波板在使用、運輸和儲存的過程中，需要承受1.5MPa以內的壓力。將經過高低溫試驗和震動、沖擊試驗的透波板放入專用的壓力測試工裝中（如圖6），在0.5MPa水壓下保持5min，透波板出現彈性變形，中心變形1.4mm，但未發現任何力學損傷。繼續加壓到1.5MPa，保壓5min，透波板的變形增大，但仍未發現任何力學損傷。然后繼續增大壓力,直到壓力達到1.8MPa時,透波板變形引起了工裝的密封失效，密封圈出現漏水現象，透波板本身沒有力學損傷,卸壓后透波板恢復原狀,殘余變形僅為0.08mm。再用該透波板重復上述壓力試驗，基本重復上述試驗現象,證明了透波板仍然在彈性變形范圍內,沒有發生力學損傷，能夠滿足承載1.5MPa壓力的要求。

 
4. 結語
    綜上所述,本文研制的維增強樹脂基復合材料透波板在1600~2200MHz的寬頻范圍內透波率大于80%，具有較高的抗高低溫膨脹能力和抗震動、沖擊能力,具有較優的承載能力，能夠應用在航空、航天及武器型號等方面。
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