南京玻纤院推出中空3D织物复合材料雷达天线罩

飞机的“眼睛”也有防护镜。在6月26日开幕的2019南京创新周上,一款来自南京玻纤院的黑科技产品——“中空3D织物复合材料雷达天线罩”华丽亮相。

雷达天线罩是雷达的重要组成部分,被称为雷达系统的“电磁窗口”,它可以在天线周围形成一个封闭的空间,使之免受风、沙、雨、雪、雹的侵袭,同时还要保证不能损耗天线信号。“如果把雷达比作飞机的眼睛,那么雷达天线罩就是飞机‘眼睛’的防护镜。”南京玻纤院董事长、教授级高级工程师赵谦博士介绍说,这种3D织物复合材料,强度能与钢媲美,但重量只有后者的1/6。它同时还可满足雷达天线罩高速飞行中气动力、气动热带来的力学、热学性能要求。

天线罩使用的原材料外观类似泡沫、蜂窝夹芯,中空透气,摸上去异常坚硬。赵谦介绍,这种材料是该院在国内首次研制出的逆向交织结构产品,其结构设计及制造技术达到国际先进水平。由于相关技术要求严苛,目前世界上只有中国、美国等少数国家掌握。近年来,除了用于飞行器、舰船类雷达外,这种天线罩还被用于高铁导流罩、石化储油罐等民用领域。

南京玻纤院全称为南京玻璃纤维研究设计院有限公司,为配合“两弹一星”战略于1964年成立,是我国从事玻璃纤维及其制品研究、开发、生产、应用的综合性科研院所之一。1999年,成为全国首批改制的科研院所之一。作为我国材料领域的“国家队”,南京玻纤院多次获国家科技进步奖。在南京推进创新名城建设进程中,南京玻纤院的创新活力被进一步激发。赵谦表示,在2019南京创新周展示的产品是该院众多“黑科技”成果之一。该院将立足多年来在科技创新、体制创新、产业发展等方面积累的优势,发挥龙头企业引领作用,引聚相关产业集群,融入地方经济社会发展。

随着现代高科技的发展,雷达大量应用于飞机、导弹、航海等领域,雷达罩的运用也日趋广泛。雷达罩是电磁波的窗口,其作用是保护天线,防止环境对雷达天线工作状态的影响和干扰,从而减少驱动天线运转的功率,提高其工作可靠性,保证雷达天线全天候工作。雷达罩的存在,延长了天线的使用寿命,简化了天线的结构,减轻了结构的重量。雷达罩作为雷达系统的重要组成部分,其性能好坏直接影响到雷达系统的功能。可以说,雷达罩与天线同等重要。要求雷达罩对天线的电磁辐射特性的影响最小,并且满足战术技术指标的要求。

雷达罩技术综合了材料、工艺、机械、电磁、空气动力学和结构力学等学科的知识,设计和制造难度较大。由于雷达罩工作在一种复杂的特殊环境中,对材料的要求十分苛刻,主要使用玻璃纤维复合材料。

国外出现了抵御反辐射导弹袭击的防弹天线罩,能抗高速破片和冲击波的打击。

常用的几种材料

1、在透波复合材料中最早使用的是E玻璃纤维,后来又有特种玻璃纤维, 是指高强度玻璃纤维(S-glass),高模量玻璃纤维(M-glass)和低介电玻璃纤维(D-glass)。真正用于雷达罩的专用玻璃纤维主要是D玻璃纤维、石英纤维和高硅氧玻璃纤维,D玻璃纤维专用于雷达罩,它具有较低的介电常数和正切损耗,但同时,机械性能较低,一般仅为E玻璃纤维的70%,为达到一定的介电性能时,往往采用 D玻璃纤维。

2、高硅氧玻璃纤维中二氧化硅的含量为91～99%,它是以酸浸洗E玻璃纤维,除去碱金属,再于670～800℃加热烧结而形成高硅氧玻璃纤维。

3、芳纶纤维是高度定向的芳香族聚酰胺纤维的统称,其代表品种为美国杜邦公司生产的Kevlar-49,其性能见表1示。由于芳纶纤维具有较低的密度、优越的抗冲击性和比刚度高、比强度高等特性,在航空上得到广泛应用,一度有取代玻璃纤维的趋势。

4、石英纤维的化学成份是纯度达99.5% 以上的二氧化硅,经熔融制成纤维,其介电常数和正切损耗与上述玻璃纤维相比都是最小的,石英纤维的机械性能取决于制造工艺技术,另外,石英纤维的线膨胀系数较小,而且具有弹性模量随温度增高而增加的罕见特性。

5、聚乙烯纤维是密度最小,介电性能优良的一种增强纤维,由于其表面惰性导致纤维与树脂粘附性差,必须对纤维进行表面处理,同时选择合适的树脂体系。超高模量聚乙烯纤维(UHMPE),如Dyneema和Spectra系列,强度高、不吸水抗冲击,在X波段至mm波段范围内,具有优良的介电性能,与树脂浸润性好,复合材料的防弹性和力学性能在高温下保持稳定,是一种很有前途的高性能雷达罩增强材料。常与其他纤维混合成透波混杂复合材料使用。例如Spectra/玻璃纤维(25/75 ) 复合材料的介电常数为2.9; Spectra/石英混杂体系能够获得优良的电/机械性能。国外导弹天线罩大多已采用此种纤维。