石英陶瓷天線罩表面封孔防潮涂層的研究

崔唐茵 劉瑞祥 崔文亮 楊顯鋒 張永翠

(中材高新材料股份有限公司 山東淄博 255031)

石英陶瓷天線罩表面封孔防潮涂層的研究

崔唐茵 劉瑞祥 崔文亮 楊顯鋒 張永翠

(中材高新材料股份有限公司 山東淄博 255031)

采用熔融石英粉、有機硅樹脂和有機氟樹脂為原料,對石英基體進行封孔和防潮處理,研究分析了體系、組成、結構和各項性能之間的關系。

陶瓷天線罩 封孔 防潮 涂層 介電性能

前言

導彈天線罩是保證雷達天線系統正常工作的關鍵部件,它既是彈體的組成部分,又是雷達制導系統的組成部分,承擔防熱、透波和抗燒蝕的作用,保證導引頭的正常工作。石英陶瓷材料由于具有熱膨脹系數小、導熱率較低、抗熱震性能穩定,而且介電性能穩定等特性,是目前戰術導彈天線罩較為理想的材料[1～3]。熔融石英陶瓷材料具有多孔結構和親水性能,吸潮后吸水率高達7%左右,并嚴重影響材料的透波性能。因此,制備具有優異的透波性能、力學性能、耐環境性能的封孔防潮透波多功能涂層是解決上述問題的有效手段。石英陶瓷天線罩的封孔防潮保護技術已成為不容忽視的問題[4～5]。

1 試驗

1)原材料。本研究采用熔融石英粉、有機硅樹脂、氟碳樹脂以及其他助劑作為主要原料。

2)制備工藝。試驗基體的制備:以注凝成形工藝制備的石英陶瓷天線罩罩體為試驗基體;涂層的制備及噴涂:以熔融石英粉、有機硅樹脂以及其他助劑為原料,配制而成封孔涂料,采用噴涂工藝對基體進行封孔處理,流平后經中溫110℃～150℃固化;以氟碳樹脂和有機硅樹脂為主要組成,按一定比例混合,并加入適量外加劑制備防潮涂料,采用噴涂工藝對基體進行防潮處理,流平后經中溫150℃～180℃固化。

3)性能測試。采用陶瓷材料體積密度、顯氣孔率和吸水率的測試方法對封孔前后密度、顯氣孔率和吸水率的變化進行對比;采用三點彎曲法對強度進行測試;通過掃描電鏡觀察微觀結構變化;通過波導短路法進行介電常數和介電損耗角正切的測試。

2 結果與討論

封孔處理目的:封填缺陷處;保證涂層氣密性。

2.1 封孔前后基體的微觀分析

石英陶瓷材料是一種固相燒結體,燒結體中熔融石英顆粒之間相互堆積緊密接觸結合在一起,顆粒間有較多氣孔相,因此,材料具有較高的氣孔率,使得材料吸水率較高,潮濕環境中,材料的介電性能會受到嚴重影響。圖1為基體涂覆涂層前后石英基體端口形貌SEM圖片,涂敷防潮涂層前基體斷口處顆粒堆積不密實,存在大量氣孔,涂覆防潮涂層后基體斷口處致密、平整光滑。

圖1 涂敷涂層前后石英基體端口形貌

2.2 封孔前后顯氣孔率和密度的變化

表1 封孔前后顯氣孔率和密度的變化

在基體圓周對稱位置切取試樣,將試樣切割成尺寸約為25mm×25mm×25 mm試塊5個,采用阿基米德法測得各組試樣封孔前后顯氣孔率和密度的變化。基體封孔后顯氣孔率明顯降低,密度有所提高(見表1)。

2.3 封孔防潮后抗彎強度的變化

在基體根部圓周對稱位置切取試樣,將試樣切割成尺寸為3 mm×4 mm×45 mm試塊6個,進行抗彎強度的測試。從表2中可以看出封孔后基體的抗彎強度明顯提高,因為封孔后基體表面的氣孔等缺陷得到有效彌補,因此,基體強度均呈增強的趨勢。

表3為空白樣與封孔并防潮后抗彎強度值的變化。從表3中可以看出封孔并防潮后基體的抗彎強度得到了明顯的提高,并且基體強度越低增強效果就越明顯。4#試樣的變化率最大,變化率為30.66%。這是由于基體的強度越低表面氣孔等缺陷越多,涂層作用后強度的增強效果越明顯。雖然封孔后基體表面的氣孔等缺陷得到彌補,但其本身比較疏松,結合能力稍差,而防潮涂層為致密的連續膜,與基體結合后有較高的附著力,因此增強了基體材料的強度。

表2 封孔后抗彎強度變化

表3 封孔并防潮后抗彎強度變化

2.4 封孔防潮后基體介電性能的變化

表4 封孔并防潮后介電常數與介電損耗的變化

導彈天線罩的介電性能主要指材料的介電常數和損耗角正切。介電常數越大,則電磁波在空氣與天線罩分界面上的反射就越大,這將增加徑向波瓣電平并降低傳輸速率。材料的損耗角正切越大電波透過天線罩轉化的熱量越多,損耗的能力就越多。因此,要求天線罩材料的損耗角正切低至接近于零,介電常數盡可能低,以獲得較高的傳輸系數,較寬的壁厚容差。

在基體根部圓周對稱位置切取試樣,將試樣加工成5個試塊尺寸約為mm×mm×14 mm,進行介電性能的測試。測試結果如表4所示,封孔防潮處理的試樣與室溫下的試樣介電性能相比變化不大。試驗表明,采用無機石英料漿為封孔料漿進行封孔處理,采用有機硅樹脂和氟碳樹脂為防潮涂料對基體進行噴涂的封孔防潮方法,對基體本身介電性能影響不大。根據介電常數對數法則;ε=ε01-p(1)式中:P為基體氣孔率;ε為氣孔率為P時材料的介電常數;ε0為氣孔率為0時材料的介電常數,即氣孔率為0時純SiO2的介電常數(取值為3.78)。經試驗得出結論:基體封孔后顯氣孔率明顯降低,密度有所提高。即表面封孔后,使基體表面部分開口氣孔被封閉,在參數公式中封孔防潮涂層對P的影響較明顯,氣孔減少、氣孔率下降,但基體的介電常數略有提高。

2.5 封孔防潮涂層的防潮抗水性能

采用陶瓷材料吸水率的測試方法進行石英基體涂敷涂層后吸水率、泡水24 h后以及煮沸法電性能的測試,測試結果如表5和表6所示。測試結果表明,涂層前后基體介電性能變化極小。

表5 石英基體涂敷涂層后的吸水率

對于石英陶瓷來說,不論是孔隙的毛細凝結現象,還是基體表面的活性吸濕基團的存在都使其易結合空氣中的水分子形成水化層,這種現象的結果使得基體的介電損耗正切值增大,消耗的微波能量增加,即影響其透波能力,而且其吸水率受環境濕度影響,更加導致了基體介電性能的不穩定性,經涂層處理以后,在基體表面形成一層致密的保護層。一方面,填充石英基體表面的氣孔,降低其比表面積和表面能;另一方面,涂層與基體表面的羥基發生化學反應,消除或部分消除了基體表面的活性吸濕單元羥基。再者,涂層材料中憎水基團-CH3的對外致密排列,使得基體的親水表面變為憎水表面,因此,石英陶瓷基體的抗吸濕性能大幅度提高。

表6 石英基體涂覆涂層后泡水24 h后的電性能

3 結論

1)經對石英基體封孔和防潮處理,封孔涂層表面平整,涂層與基體結合緊密,氣孔得到有效的彌補;防潮涂層與基體結合緊密,厚度均勻;封孔后基體的顯氣孔率明顯下降,基體密度略有提高。

2)封孔后基體強度得到提高,封孔防潮后基體強度顯著提高;封孔防潮涂層對基體介電性能影響極小;封孔防潮涂層的防潮抗水性能得到大幅度提高。

1 張漠杰.石英陶瓷天線罩的增強方法.上海航天,1994 (4):15～17

2 閆聯生,李賀軍,崔紅.高溫陶瓷透波材料研究進展.宇航材料工藝,2004(2):14～16

3 胡連成,黎義,于翹.俄羅斯航天透波材料現狀考察.宇航材料工藝,1994(1):48～52

4 石毓錟,胡曉蘭,梁國正,等.飛行器天線罩的雨蝕及防護.化工新材料,2001,29(1):7～10

5 鄭亞萍.國內外飛機雷達罩用耐雨蝕涂層.化工新材料,1997,25(12):15～16