1 引言
芳香族聚酰胺纤维（Aromatic Polyamide Fi-ber），是指分子链上至少含有80%的直接与两个芳香环相连接的酰胺基团的聚酰胺经溶液芳丝所得到的合成纤维。首先由美国杜邦（Dupont）公司于1965年发明，早期名称为Aramid纤维。我国称为芳纶纤维。自从芳纶纤维问世以来，前苏联、日本、西欧等国家也都进行了大量的研制工作。国外同类纤维还有西德-荷兰Enka公司的Twaron纤维，前苏联的Apmoc、CBM纤维，日本的Technora纤维等。由芳纶纤维制成的芳纶纸蜂窝芯材有Nomex和Korex。我国于1972年开始进行芳纶纤维的研制工作，并于1981年通过芳纶14的鉴定，1985年又通过芳纶1414的鉴定，它们分别相当于美国杜邦公司的Kevlar29和Kevlar49。各国芳纶纤维的性能如表1所示[1-3]。
这种纤维具有很高的拉伸强度，比重轻，比碳纤维轻20%，比玻璃纤维轻40%。并且具有很低的热膨胀系数。此外还有断裂伸长率高，韧性和耐磨性能，优异的冲击强度，耐紫外线老化性能。它可用普通的纺织机加工纺织成各种缝线、绳索、布、三维立体纺织物等。由它制成的层压板比玻璃纤维层压板轻25%-30%。表2为Kevlar纤维环氧复合材料的性能数据[4]。
芳纶纤维及其复合材料的航空航天等结构材料领域中已得到广泛的应用。近十几年来随着通讯工业、卫星通讯技术的快速发展，对雷达天线设备的小型化、轻型化、高可靠性提出更高的要求。由于芳纶纤维复合材料具有优异的力学性能、电绝缘性能、透波性能、低的线膨胀系数（纤维轴向略呈负值）等，使其在雷达天线领域中有着广阔的应用前景。如机载、舰载、星载雷达天线罩，雷达天线馈源功能结构件，轻型天线支撑结构，高架天线及拉索等方面都具有使前景。
2 芳纶纤维复合材料在雷达天线工程中的应用
2.1 雷达天线罩
材料是天线罩研制的重要基础，没有好的天线罩材料，再好的电性能设计也不会实现。天线罩是功能性复合材料结构件，天线罩材料要满足介电性能、力学性能、三防寿命、工艺性能、重量等要求。材料的介电性能指标主要有介电常数ε和损耗角正切tgδ。该指标直接影响天线罩的电性能，是选择材料的主要依据。损耗角正切tgδ越大，电磁波能量在穿透天线罩过程中转化为热量而损耗的能量就越多。介电常数ε越大，则电磁波在空气与天线罩壁分界面上的反射就越大，这将增加镜象波瓣电平并降低传输效率。因此要求天线罩材料的损耗角正切tgδ低至接近于零，介电常数ε尽可能低，以达到“最大传输”和“最小反射”的目的〔5〕。低介电常数的材料还能给天线罩带来宽频带响应，允许放宽罩壁厚度公差，从而降低制造成本。
以往雷达罩的主要结构材料采用玻璃钢板及玻璃钢蜂窝夹层结构。如大部分地面小雷达罩多采用玻璃钢薄壁结构，大型雷达罩多采用玻璃钢蜂窝夹层结构。最通用的增强纤维以E玻璃纤维和S玻璃纤维为主。随着各种地面雷达、舰载雷达和机载雷达的不断更新换代，对天线罩材料的性能提出越来越广泛的要求。由于芳纶纤维具有高强度、高模量和低比重的特点，又是良好的介电材料，能透过电磁波，耐腐蚀性和大气紫外线性能良好，因此是制造天线罩的优质理想材料之一。问世以来，国内外均开展了用芳纶纤维及其织物增强树脂基复合材料研制雷达罩的工作〔6〕。如美国贡斯纳飞机公司的桨状飞机雷达罩，加拿大飞机制造公司的挑战者飞机雷达罩都是用Kevlar纤维增强树脂复合材料制造〔3〕。
与玻璃钢相比较，芳纶纤维复合材料的介电常数较低，所以对薄壁天线罩来说，芳纶纤维复合材料在保证同样刚度下所需的厚度较玻璃钢薄。因此透过率等电气性能也优于相似结构的玻璃钢雷达罩。对于半波长雷达罩，则由于芳纶复合材料的高力学性能可以采用倍率较低的壁厚来达到必需的结构刚度，这样电气性能大为改善。特别是对于夹层结构天线罩，可以采用芳纶纸Nomex蜂窝芯材代替玻璃布蜂窝芯制成蜂窝夹层结构，不但提高透波率而且减重。在芳纶纸蜂窝芯出现以前，玻璃布蜂窝由于其绝缘性能和透波性能，使其成为天线罩的专用材料。Nomex是由聚芳酰胺纤维制成的纸，用一般制造玻璃布蜂窝的工艺方法制成。这种纸蜂窝由美国杜邦公司生产，商品名Nomex。其性能与玻璃布蜂窝的性能比较见表3和表4〔7〕。其特点是重量轻，有足够的压缩强度、剪切强度和良好的疲劳强度，与复合材料胶接和组装工艺性好，已广泛作为雷达罩的蜂窝芯材替代玻璃布蜂窝芯。但由于目前价格较高，主要用于机载、舰载、星载雷达天线罩。杜邦公司最新型的Korex芳纶纸蜂窝芯材具有更高的压缩模量和剪切强度，而且耐湿热性能提高，目前在国内还没有该材料的应用报道〔8〕。
2.2 频率选择反射器
双频或多频共用是现代天线工程中的新技术，它能简化设计，简化装备，提高性能。频率选择副反射面（FSS）是该技术中的关键技术。双色副反射器（Dichroic Subreflector）是一种具有频率选择功能的副反射面。它在一定频段上能全透过电磁波，而在另一频段上要求全反射电磁波。其反射功能依靠反射面上排列的金属阵列来实现。透过则要求制件材料具有极高的电磁波透过性能。频率选择反射器的材料需具备结构材料和功能材料的双重特性，其结构如图1所示。采用芳纶纤维复合材料发挥其透波性能和低热膨胀系数的特点制造频率选择反射器，可同时满足结构材料和功能材料的双重要求。相对于天线罩材料，频率选择反射器对精度和尺寸稳定性要求更高。
在国外发达国家已有多年研究经验，频率选择反射器应用达到很高的水平。如：1986年欧空局（ESA）为卫星通讯和数据传输研制的11m直径、重量45kg的双色副反射器。采用蜂窝夹层结构，蒙皮为Kevlar纤维复合材料，蜂窝芯为Nomex蜂窝芯材。其谐振频率为73Hz。使用于112GHz频段的传输和91GHz频段的反射，其型面精度达到[CM（22]009mm(rms)，传输损耗为05dB，反射损耗为03dB。现设在瑞典的LANDSAT-D卫星天线系统的双色副反射器直径为142m，用于S/X频段，X波段的反射损耗小于01dB，S波段的传输损耗小于025dB。1996年某所研制的双色副反射器采用Kevlar纤维织物与玻璃纤维混杂复合材料为蒙皮，Nomex蜂窝芯夹层结构，其透波损耗在22GHz，小于03dB，反射损耗小于05dB〔9〕。
另外，在类似的极化扭转天线中也常用芳纶纤维复合材料作为结构透波材料。
3 双栅天线反射器
双栅天线是把两副口径和焦距相近的天线叠加放在同一个介质天线反射体上，使两副天线仅占一副天线的空间。双栅技术还能有效的改善天线的交叉极化特性，因此双栅天线已成为频率复用天线的主要形式。双栅天线是近年来应用研制的热点，其结构示意如图2所示。两层反射体（金属栅条）分布在一个介质天线结构体上，两层反射体分别对应不同的天线反射面曲线，有着各自不同焦点。
在两层反射体（金属栅条）之间为透波材料，电磁波要两次透过该透波材料，传输损耗必须很小。而且，为了获得最大透波率使两层金属栅条所产生的交叉极化和反射相抵消，反射面之间的厚度应为1/4波长。国内也开展了该技术研究。我国研制的C波段中等容量国内通信卫星DHF-3采用双栅多馈源赋形波束天线，引进的SINOSAT-1和APSTAR-2R卫星全部采用赋形反射面天线，其中SINOSAT-1的C波段发射天线、Ku波段天线和APSTAR-2R的C波段天线采用了双栅赋形反射面天线。天线反射面为蜂窝夹层结构，内外蒙皮为Kevlar纤维复合材料，蜂窝芯为Nomex纸蜂窝芯材。
4 轻型天线结构件
由于芳纶纤维复合材料具有高比强度和比刚度及优异的尺寸稳定性，它还被应用于制造雷达整机中的结构件，及机壳、机架等结构件。具有结构重量轻、谐振频率高的特点，特别适于机载、星载天线结构。其一，构件的谐振频率与结构外形有关，与材料的比弹性模量的平方根成正比，复合材料的比弹性模量远高于一般金属结构材料，因此在结构相同的情况下，芳纶复合材料具有更高的谐振频率。其二，环境温差引起的结构热变形对于高精度天线的精度影响是不容忽视的。如馈源支架（座），反射面背架等结构件的热变形会影响天线指向误差，引起电轴飘移，使天线的电气性能下降。所以星载天线的结构材料采用高比强度和比刚度及热膨胀系数小的先进复合材料。主要为碳纤维、芳纶纤维、硼纤维等复合材料。碳纤维复合材料在轻型天线中的应用较为普遍，实例很多。因碳纤维复合材料为半导体材料，存在制件对电磁波的遮挡及电磁干扰问题，相对来讲芳纶纤维复合材料为绝缘、透波材料，比碳纤维复合材料更为有利。芳纶纤维复合材料在轻型天线中的应用除双栅天线外也有不少实例。如日本的广播卫星天线，口径为20英寸×50英寸，天线反射面为椭圆形偏置抛物面。反射面为Kevlar纤维复合材料夹层结构。反射面背面支撑结构用Kevlar纤维织物增强复合材料制造。美国RCA公司为多颗卫星研制的多部抛物面天线中，其反射面均采用Kevlar纤维织物增强复合材料制造。
在轻型构架天线中，纯芳纶纤维复合材料结构不多见。Kevlar纤维经常可用于与碳纤维、玻璃纤维等进行混杂，制成混杂纤维复合材料。可充分发挥各种纤维的优势，克服缺点，达到最佳效果。随着纤维复合材料成型工艺技术的不断进步，为提高复合材料的层间强度，注射成型工艺RTM（Resin Transfer Molding），三维编织技术（Tri-Weaving）及缝纫技术（Stitching）等不断推陈出新〔10〕。在缝纫技术用高性能纤维缝线中，由于碳纤维一般较脆，缝纫过程中很容易断线起毛，目前技术水平下还不能进行缝纫操作。玻璃纤维虽然拉伸强度较高，但由于其弯曲强度较底、纤维密度较大且容易断丝，应用也受到限制。现在只有芳纶纤维缝线由于其特殊的耐磨性、良好的抗冲击韧性和较低的纤维密度在缝纫技术中得到应用，对碳纤维织物进行法向缝纫增强。
由于芳纶纤维质地柔软，韧性好，可用普通的纺织机加工成各种织物。为发挥其拉伸强度高的性能，经常用芳纶纤维编织各种绳索及缝线。在星载可展开式天线中用作天线反射面固定拉绳。有的在轻型高架天线中采用芳纶纤维绳作为天线拉索。实践证明具有拉伸强度高、重量轻的优点，经环境试验证明耐环境性良好。
5 天线特种电路基板
在特种环境下服役的天线，对印刷电路基板（PCB）的耐环境性能有严格要求。特别是平板微带天线、相控阵天线等对印刷电路基板的绝缘性能及尺寸稳定性和介电性能要求严格。芳纶纤维复合材料特种电路基板具有无可比拟的优越性。首先，在温度变化时，芳纶纤维复合材料特种电路基板几乎不产生热变形。表面安装技术SMT采用密封陶瓷载体，其膨胀系数为64～67×10-6K-1，而普通玻璃钢线路板的膨胀系数为12～16×10-6K-1，两者之间由于热变形不匹配经过若干次高低温冲击必然引起开裂。而芳纶纤维的线膨胀系数为-2～-4×10-6K-1，与树脂复合制成层压板的膨胀系数可调整到6～7×10-6K-1，与陶瓷载体相匹配。另外，研究表明电磁波的传输速度与PCB的介电常数成反比。介电常数越小，传输速度越快。特别是在高密度封装的多层印刷电路板（PBW）中，其板的通孔是电信号从半导体基片进入复合材料电路板的通道，芳纶复合材料电路板具有低介电损耗系数和介电常数，它更适合于高速电路的传输。而且芳纶复合材料电路板比相同玻璃钢电路板轻20%。多层印刷电路板结构所用材料及其线膨胀系数如图3所示〔3〕。
因为芳纶复合材料电路板的诸多优点，国外研究起步较早，现已有很多商品化的芳纶复合材料电路板。美国杜邦公司1982年开始出售Kevlar复合材料电路板，其尺寸稳定性极佳。日本帝人公司也将它的Technora纤维用作无引线陶瓷基片载体的增强材料，制成特种电路基板，它与传统的环氧玻璃布层压板相比，尺寸稳定性好，介电常数低，更适合于高速传输线电路，也有利于电子设备的小型化和轻型化。日本东洋纺公司也开发了一种具有高的尺寸稳定性和高抗湿性的聚间苯二胺纤维无纺布，用环氧树脂浸渍制成柔性印刷电路板。JERS-1卫星的SAR天线，为1192m×22m，由可展开的八块平板组成。每块板由双层蜂窝夹层结构构成，上层称为辐射面板，下层为支撑面板。其辐射面板为芳纶纤维复合材料电路板制成的微带天线基板，板厚6mm。国内处于研究阶段，尚无商品化。据了解华电材料公司已研制完成芳纶织物复合材料层压电路板。据报道，风云二号气象卫星天线组件的电路板采用Kevlar复合材料面板/Nomex蜂窝夹层结构，表面为粘贴覆铜箔聚酰亚胺薄膜〔10〕。
3 结语
综上所述，由于芳纶纤维复合材料具有很多优点。因此，在雷达天线工程中具有重要的应用。芳纶纤维复合材料本身也有一定的缺点，在工程实践中有几个普遍性的技术问题比较突出。其一，国内芳纶纤维与国外同类纤维比较，强度相当于Kevlar29、Kevlar49，在吸湿性方面还没有达到Kevlar149的水平。而且，目前我们国内的芳纶纤维材料规格较少，设计可选择余地小。其二，芳纶纤维复合材料的层间剪切强度较低，应在纤维的表面处理技术方面作更深入的研究。其三，芳纶纤维韧性大，其复合材料的机械加工性能差，普通机床很难加工，应用特种加工技术如高压水切割质量较好〔11〕。除上述问题外，要使芳纶纤维及其织物复合材料在此领域中得到广泛的应用，应着重研究与芳纶纤维复合的高介电性能树脂体系，开展并加快与其他纤维混杂应用是扬长避短、发挥优点的有效手段。
参考文献
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