电子天线罩中改性环氧树脂材料的应用.pdf

塑料助剂2023 年第 2 期（总第 158 期）27电子天线罩中改性环氧树脂材料的应用李芸芸（榆林市榆阳区融媒体中心，榆林 719000）摘要：环氧树脂以其优异的介电性能、黏结性能和力学性能，被广泛应用于电子设备天线罩复合材料中。而潜艇下潜深度不断加大、飞行器飞行速度逐渐加快，也对天线罩材料性能提出了更高要求。文章首先分析了电子设备天线罩对材料各项性能的要求；然后以减小天线罩复合材料的介电常数、损耗角正切值，提高耐高温性为主要目标，对环氧树脂与其复合材料进行改性；最后探究了环氧树脂材料在天线罩中的具体应用，其常作为天线罩基体材料和结构胶用来增强天线罩的力学性能和电磁波穿透性。关键词：天线罩；环氧树脂；材料改性；介电性能；基体材料；结构胶 doi：10.3969/j.issn.1671-6294.2023.02.0007Application of Epoxy Resin Material Modification in Electronic RadomeLi Yunyun(Media Convergence of Yuyang District in Yulin City,Yulin 719000,China)Abstract:Epoxy resin is widely used in radome composites for electronic equipment due to its excellent dielectric,bonding and mechanical properties.With the increase of submarine diving depth and the acceleration of aircraft flying speed,higher requirements are put forward for radome material performance.First,the performance requirements of radome for electronic equipment were analyzed.Then,the epoxy resin and its composites were modified to reduce the dielectric constant and the tangent value of loss angle of radome composite and to improve the high temperature resistance.Finally,the concrete application of epoxy resin in radome was studied.It is often used as the base material and structural adhesive to enhance the mechanical properties and electromagnetic wave penetration of radome.Keywords:radome;epoxy resin;material modification;dielectric properties;matrix material;structural adhesive收稿日期：2022-02-16天线罩是一种保护电子设备或天线系统不受损害的结构物，可缓解其工作环境中的高温暴晒、雨水侵蚀以及太阳辐射等不利因素。如今，天线罩的应用领域不断增多，需要承受的环境条件更加严格，这些都促使天线罩材料向着性能更优的方向发展。环氧树脂以其众多应用优势被广泛应用于天线罩复合材料中，但其要想成为高性能的天线罩材料还需进一步改性，以降低复合材料的介电常数和介电损耗角正切值，提升其耐高温性能等，使环氧树脂复合材料无论是作为天线罩树脂基体材料还是黏接用结构胶，都能良好地满足天线罩较高的使用需求。塑料助剂2023 年第 2 期（总第 158 期）281天线罩材料性能要求1.1介电性能介电性能是对天线罩进行综合评价的重要指标之一，常用介电常数和介质损耗来表示。介电常数为，介质损耗角为，介质损耗可反映出元件因发热而损耗的电能，同时发热也会影响元件的工作性能。为减少介质损耗，介电损耗角正切值 tan 越小越好。一般来说，高性能的材料介电性能要求较高，介电常数 要小于 10，损耗角正切值 tan 要小于 0.01。天线罩设计与生产方面对材料的介电损耗提出了较高要求1。1.2热性能天线罩的工作环境通常较为恶劣，需要为电子设备或天线抵挡高温和太阳辐射，因此天线罩所用材料的耐高温性能要突出、热膨胀系数要小，同时在高温条件下，要有较好的介电性能和稳定的力学性能。导弹在高速飞行过程中和空气摩擦迅速升温，致使天线罩承受极高的热应力，如果天线罩所用材料的热性能达不到要求，会出现材料变形甚至损毁的现象，带来巨大安全隐患2。1.3力学性能作为承载材料，天线罩无论是对导弹系统还是对潜艇雷达系统进行保护，都需要具备较好的刚性和超高的硬度，抵抗压力保障天线罩立体空间。导弹在飞行过程中，雷达天线罩需要承受较大的剪力和轴向力。潜艇在深潜过程中，天线罩要有足够的抗水压能力。因此，具备较高力学性能的材料制作而成的天线罩，才能较好地保证系统机械的稳定性。1.4耐环境性天线罩工作环境中存在众多影响其外观完整性与使用寿命的因素。天线罩所用材料需要应对多种恶劣复杂的环境，抵挡雨水的冲刷、粒子侵蚀、太阳辐射。高空中，粒子云的撞击会改变天线罩的表面形状，甚至影响其结构性能。因此，材料要具备较好的耐环境性，以避免材料的分层破坏或电子设备损坏。1.5其他性能天线罩所用材料多为复合材料，因此其要具备基础的质轻、密度小性能，还要能够与金属部件良好衔接，也要易加工成型，满足电子设备和天线的使用需求3。2环氧树脂材料改性研究环氧树脂材料长期工作温度在 110，密度为1.30 g/cm3，弯曲强度为97 MPa，弯曲模量为3.8 GPa，在 10 GHz 条件下，介电常数 为 3.25.0，损耗角正切值 tan 为 0.0100.019。但是作为高性能的天线罩材料，环氧树脂的各项性能还需要进行提升。可从环氧树脂种类、固化剂类型、添加剂组分、增韧方式方面进行改进得到天线罩材料的环氧树脂材料配方。环氧树脂复合材料的主要成分如表 1 所示。表1环氧树脂复合材料主要成分Tab.1Main components of epoxy resin composite material主要成分类别树脂缩水甘油醚类、缩水甘油酯类、脂肪族类、脂环族类、缩水甘油胺类等固化剂酸性类固化剂：酸酐、三氟化硼及络合物等；碱性类固化剂：脂肪胺类、芳香族二胺类、双氰胺类、咪唑类、改性胺类等增韧剂液体橡胶类、热塑性弹性体类、核壳聚合物粒子、刚性粒子类等其他添加剂活性或非活性稀释剂、固化促进剂和硅烷偶联剂、耐热或促变填料等2.1增韧改性普通的环氧树脂复合材料，往往由于质地脆弱和抗冲击性能差而容易开裂，无法用于电子设备天线罩中。如表 1 所示增韧剂，可采用液体聚硫橡胶材料来增强环氧树脂复合材料的韧度，在刚性环氧树脂链段中加入部分较为柔顺的聚硫橡胶链段，可对其脆性进行改善，增强环氧胶的韧性4。然而，有相关研究表明，采用低分子聚硫增强环氧树脂柔韧性的同时也相应降低了复合材料的耐热性。为提升增韧效果，也可采用含活性端基的液体丁腈橡胶材料。丁腈橡胶的可调控手段较多，其中丙烯腈含量的改变会呈现出不同的增韧效果，对其含量进行调控，可使得环氧树脂基体与29丁腈橡胶良好相容，提高增韧效果。近年来，国外公司研制出了一种端氨基丁腈橡胶（ATBN）。有研究表明利用 ATBN 对环氧树脂材料进行增韧，相比于液体聚硫橡胶材料有着更好的应用效果。实现增韧改性后，环氧胶材料的耐热性并没有明显下降，增韧体系的断裂伸长率提高，抗冲击性能也得到显著增强5。2.2耐热性改性通常对于环氧树脂材料的耐热性提升，会选用耐高温热塑性增韧树脂、芳香族固化剂、特种结构环氧和无机填充剂进行改进6。有相关研究将对氨基苯酚与马来酸酐进行合成，制得固化剂N-对羟基苯基马来酰亚胺。且热分析表明：固化的邻甲酚醛环氧树脂胶耐热性能显著提升，在不高于 338 的条件下仍然有效。即使在 700 条件下，固化物受热分解，但其残留仍保留将近一半7。另外，也可通过向环氧胶中加入纳米无机填料来提升其耐热性，例如纳米碳酸钙、纳米黏土。无机填料中存在细小刚性粒子，可对纤维体系微裂纹进行有效约束，从而提升环氧树脂材料的耐热性能。有相关研究表明，在环氧树脂基体中加入少量功能填料粒子，可显著提升环氧胶黏剂转变为玻璃态所需温度（tg）。如采用表面处理过的纳米氧化铝（Al2O3）与CYD-128环氧树脂共混，实验结果为：在不添加纳米粒子的时候，环氧胶由高弹体转变为玻璃态时的温度为 90.1，而仅添加了 2%的-Al2O3纳米粒子后，环氧胶复合物的 tg就达到了 137.9 8。2.3介电性能改性如今，天线罩的设计与使用方面对复合材料的介电性能提出了较高要求。例如，在 100 GHz频率条件下，天线罩基体树脂的介电常数 要小于 3.5、损耗角正切值 tan 小于 0.006 以及玻璃化温度要大于 150。另外，天线罩在外界环境下使用，会吸水导致介电性能降低，因此，对环氧树脂介电性能进行改进的同时，也要提升其耐湿热性9-10。可将适量三氟甲基（CF3）加入环氧树脂链段中，所获得的含氟环氧树脂，在介电性能和力学性能方面得到显著提升。也可采用氰酸酯树脂对环氧树脂进行改进，在不改变复合材料优良介电性能与力学性能基础上，可将复合材料的玻璃化温度提高到 250，吸湿率降低到 0.3%。另外，有研究表明，利用双环戊二烯对环氧树脂进行改性，其多项指标均得到改善。改性后环氧树脂材料的介电常数 由原来的 3.7 降到 2.63，损耗角正切值 tan 从 0.020 4 降低到 0.010 4，吸水率也由原来的 1.98%下降到 0.65%。3环氧树脂在天线罩中的应用通常将环氧树脂及其复合材料作为天线罩基体材料或者黏接发泡胶，应用到各种结构天线罩的生产与制造中。3.1天线罩基体材料可将环氧树脂作为主要基体材料参与天线罩的设计与生产。采用环氧树脂与玻纤复合材料作为面板，以 NOMEX 纸蜂窝为夹芯，可获得 A 型夹芯结构天线罩。环氧树脂复合材料的介电常数 为 3.9，tan 为 0.016，且其经向拉伸强度可达 500 MPa，纬向拉伸强度可达 450 MPa，与普通环氧玻璃钢材料相比，其拉伸性能更加突出。由于天线罩的蒙皮层厚度是影响其电磁波透射率的关键因素，因此，有研究采用聚甲基丙烯酰亚胺泡沫作为芯材，环氧树脂复合材料作为蒙皮，获得 A 型夹层结构，借助电磁场仿真软件，对天线罩中蒙皮层和芯材厚度的影响进行仿真计算，并得到其最优结果，蒙皮-芯材厚度为 0.515.6 mm，夹层结构的电磁波穿透性能最好，可较好地满足多种天线罩的宽频透波要求11。近几年，研究人员开始将新型三维织物复合材料应用到天线罩中。例如许建伟等将环氧树脂、聚酰胺和其他材料作为树脂基体材料，并采用 E型玻璃纤维进行一体化织造，形成具有上、下蒙皮和中间绒经芯柱结构的三维织物，在真空压力驱动条件下，通过特定树脂对三维结构进行浸渍固化，制得新型三维织物天线罩12。且研究结果表明，复合材料的介电常数 约为 2，tan 为李芸芸：电子天线罩中改性环氧树脂材料的应用塑料助剂2023 年第 2 期（总第 158 期）300.0060.008。该天线罩制备方法不仅工艺简单、可调节空间大，而且能够显著增强天线罩的电磁波穿透性能和力学性能13。3.2天线罩黏接用结构胶环氧树脂材料也常被用作结构胶，来提升天线罩制件的力学性能和稳固性。例如，将上、下蒙皮与蜂窝芯进行拼接、填充以及密封等。有相关研究在无溶剂成膜工艺下，采用热塑性树脂与环氧树脂对氰酸酯树脂进行改性，制备出一种用于黏接天线罩蜂窝夹层结构的高性能氰酸酯树脂胶膜，该树脂胶膜介电常数为3.09，tan为0.01，不仅介电性能和自黏性较好，还有着较高耐热性，其在 250 高温条件下剪切强度大于 10 MPa，可应用于耐温要求达 250 的天线罩中14。另外，某研究采用 70%的双酚 A 型氰酸酯树脂与环氧树脂反应物，和 30%的改性氰酸酯低聚物，制备了一种高温发泡胶膜。其树脂基体介电常数 为 1.3，tan 低至 9.6104，在 380 高温条件下，抗压强度为 2.5 MPa，耐热性、介电性能都能够较好地满足耐高温天线罩的使用需求，可作为结构胶用于蜂芯拼接、填充以及局部增强15。4结语综上所述,通信、雷达、导弹等装备的天线罩工作环境复杂、恶劣，其需要具备较好的介电性能、耐高温性、宽频带透波性等。基于天线罩材料性能要求，对环氧树脂材料进行有效改进，使得环氧树脂复合材料的介电常数 和损耗角正切值 tan 都相应减小，且耐热性能提升。环氧树脂及其复合材料可作为天线罩的基体材料，提升天线罩电磁波穿透性能和力学性能，也可作为黏接天线罩蜂窝夹层的结构胶，提升天线罩整体力学性能。参考文献1 宋来福,杨彩云.树脂基复合材料在雷达天线罩上的应用J.上海纺织科技,2018,46(1):1-3,7.2 佟文清.耐高温雷达天线罩上的树脂基复合材料应用J.电子技术与软件工程,2019(9):87.3 林芳兵,蒋金华,陈南梁.天线罩用透波材料的研究进展J.纺织导报,2017(8):70-74.4 李瑜,邓金飞,孙昭宜,等.端氨基聚硫橡胶增韧改性环氧树脂J.高分子材料科学与工程,2019,35(6):100-104.5 王建杰,张栩志,苏延磊.环氧树脂增韧改性的研究J.热固性树脂,2020,35(2):55-59.6 张翠金.耐高温环氧胶黏剂的研究进展J.化学与黏合,2018,40(6):457-460.7 李娟,郭杰,刘青.环氧树脂固化剂研究新进展J.化工新型材料,2017,45(3):31-33.8 吴唯,陈诗英,宗孟静子.环氧树脂/聚醚砜/纳米氧化铝复合材料的力学性能及介电性能J.华东理工大学学报(自然科学版),2018,44(2):211-218.9 张明艳,王晨,吴淑龙,等.碳纳米管、蒙脱土共掺杂环氧树脂复合材料介电性能研究J.电工技术学报,2016,31(10):151-158.10 舒亚海.舰载隐身天线罩现状及发展趋势J.现代雷达,2020,42(11):10-14.11 陈正国,黄壮,蔡超迁,等.聚醚酰亚胺/环氧树脂体系的固化及相分离行为研究J.合成纤维,2020,49(4):38-43,48.12 许建伟,李春林,高凌,等.三维织物复合材料天线罩的应用研究J.电子机械工程,2018,34(2):36-39.13 张邱平.三维中空机织物环氧树脂增强复合板的制作与性能J.合成纤维,2021,50(4):46-49.14 武小峰,胡由宏,宫永辉,等.陶瓷导弹天线罩力热性能试验技术综述J.陶瓷学报,2019,40(4):418-424.15 张静波.环氧树脂材料改性研究及其在天线罩中的应用J.电子机械工程,2020,36(3):30-34.保护生态环境 践行绿色发展