星載硬質(zhì)吸波材料真空功率耐受性能驗(yàn)證

楊文麗 張振杰 鄭偉 敬紅勇 王超 牛寶華 王保新

（西安空間無線電技術(shù)研究所，西安 710100）

0 引言

通信、導(dǎo)航、遙感等系列衛(wèi)星中應(yīng)用復(fù)雜天線、各類微波組件等單機(jī)和部組件實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)的接收、調(diào)制、解調(diào)等功能，在這些航天器配套產(chǎn)品中需要配置大量的波導(dǎo)負(fù)載組件以滿足這些產(chǎn)品的多端口隔離等需求。特別是在微波和天線組件進(jìn)行大功率信號(hào)播發(fā)時(shí)，波導(dǎo)負(fù)載組件在軌通常長(zhǎng)期吸收連續(xù)波或者脈沖功率，其性能好壞對(duì)保證整星射頻鏈穩(wěn)定運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。

波導(dǎo)負(fù)載組件中的吸波材料作為吸收射頻單機(jī)和部組件微波功率的功能性材料，其功率容量直接影響了天線和微波系統(tǒng)的工作功率上限，特別是在低氣壓以及熱真空情況下的功率耐受能力，是其能否列裝使用的關(guān)鍵驗(yàn)收指標(biāo)。

波導(dǎo)負(fù)載組件的核心部件由硬質(zhì)吸波材料構(gòu)成，該吸收體是一種可吸收、衰減入射的電磁波能量，并通過材料損耗使電磁波能量轉(zhuǎn)變成熱能或其他能量耗散掉，或使電磁波因干涉而消失，而反射、散射和透射都很小的功能材料。這是一種由內(nèi)部吸收體將微波傳輸過程中的微波能量吸收后轉(zhuǎn)換為熱能，再通過散熱外導(dǎo)體散發(fā)出去的功能消耗器件。因此吸波材料是實(shí)現(xiàn)負(fù)載功率吸收功能的核心要素。若吸波材料的空間環(huán)境適用性、功率容量等不能滿足需求，將導(dǎo)致負(fù)載組件無法實(shí)現(xiàn)吸波功能，對(duì)大容量通信衛(wèi)星等配置大功率播發(fā)載荷的天線隔離度、系統(tǒng)容量保證等工程應(yīng)用均有極為不利的影響。國(guó)內(nèi)外航天器微波天線研制過程中，對(duì)吸波材料原材料級(jí)別環(huán)境適用性分析積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)［1］，但針對(duì)吸波材料真空功率耐受性能驗(yàn)證的公開報(bào)道較少，大部分工作局限于微波組件和天線的整機(jī)級(jí)驗(yàn)證。

本文首先介紹波導(dǎo)型負(fù)載吸收體的電磁波吸收原理，然后給出星載吸波材料原材料制備工藝關(guān)鍵要素和成型材料機(jī)加特點(diǎn)，設(shè)計(jì)加工相應(yīng)的波導(dǎo)型吸收負(fù)載試驗(yàn)件；在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建一套星載吸波材料真空功率耐受性能的專項(xiàng)驗(yàn)證平臺(tái)，給出專項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果和性能分析情況，并提出提高星載吸波材料在軌服役可靠性和安全性的建議。

1 星載吸波材料的工作原理及負(fù)載設(shè)計(jì)

1.1 星載吸波材料的工作原理

星載硬質(zhì)吸波材料主要用于吸收星載天線、微波組件，以及艙內(nèi)設(shè)備隔離端口的功率，是以樹脂作為基體，以鐵氧體［2］或者羰基鐵粉［3］材料作為吸收劑組成的磁介質(zhì)型硬質(zhì)復(fù)合材料，如圖1所示為星載吸波材料電磁波吸收原理［4］。一般采用磁損性材料將電磁波中的磁場(chǎng)分量轉(zhuǎn)換成熱量耗掉，即電磁波入射到吸波材料表面，一部分電磁波被反射回去；一部分進(jìn)入吸波材料內(nèi)部［5］。通過磁損耗機(jī)理將電磁能轉(zhuǎn)換成熱能耗散；小部分未被耗散或衰減的電磁波通過來回的反射進(jìn)一步衰減。

圖1 吸波材料電磁波吸收原理圖Fig.1 The electromagnetic wave absorption mechanism of satellite wave-absorbing materials

受體積等資源限制，星載吸波材料負(fù)載均需要實(shí)現(xiàn)高集成度設(shè)計(jì)，有高質(zhì)密度和大功率容量耐受等特殊需求。

1.2 星載吸波材料原材料制備關(guān)鍵要素和成型工藝特點(diǎn)

1.2.1 星載吸波材料原材料制備關(guān)鍵要素

星載硬質(zhì)吸波材料原材料的主要生產(chǎn)工藝［6］流程如圖2所示。

圖2 硬質(zhì)吸波材料生產(chǎn)工藝流程Fig.2 Wave-absorbing materials production process

（1）選取原材料環(huán)氧樹脂和鐵氧體。

（2）按照相應(yīng)比例進(jìn)行原材料混合，使鐵氧體均勻分布到環(huán)氧樹脂中，得到待固化料。

（3）真空脫泡處理待固化料。

（4）將無氣泡固化料轉(zhuǎn)移至固定尺寸的模具中。

（5）采用模壓成型工藝，按照設(shè)定的工藝參數(shù)進(jìn)行固化并脫模。

（6）獲得硬質(zhì)吸波材料板材，可根據(jù)用戶需求進(jìn)行相應(yīng)尺寸的機(jī)械加工得到滿足要求的吸波材料。

星載吸波材料制作的過程中羰基鐵粉和環(huán)氧基材的混煉均勻性和成型很關(guān)鍵［7］，其制備工藝穩(wěn)定性對(duì)材料電磁參數(shù)均勻性具有重要影響。此外，在脫泡成型過程中，需要選取合適的固化溫度和真空壓力［8］，特別是在施加功率情況下，需保證產(chǎn)品可凝揮發(fā)物滿足要求，否則將可能影響產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性和服役安全性。

1.2.2 星載吸波材料成型工藝特點(diǎn)

典型的星載硬質(zhì)吸波材料的板材加工后的負(fù)載吸收體實(shí)物如圖3、圖4 所示。負(fù)載吸收體具有薄壁及銳角突變（15°～75°）等特點(diǎn)，板材加工過程中涉及銑、磨、鉆孔等嚴(yán)苛的機(jī)加工藝。

圖3 星載硬質(zhì)吸波材料板材實(shí)物圖Fig.3 Photos of wave-absorbing material plates

圖4 典型波導(dǎo)負(fù)載吸收體實(shí)物圖Fig.4 Wave-absorbing material waveguide products

1.3 星載波導(dǎo)型負(fù)載試驗(yàn)件設(shè)計(jì)

波導(dǎo)負(fù)載組件的主要作用是完成天線、微波部組件的隔離端口功率吸收和性能匹配，重點(diǎn)對(duì)其駐波特性和功率容量進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

在波導(dǎo)負(fù)載組件試驗(yàn)件設(shè)計(jì)過程中，首先根據(jù)原材料的工作頻點(diǎn)以及實(shí)測(cè)電磁參數(shù)開展詳細(xì)設(shè)計(jì)，選取其波導(dǎo)截面，再對(duì)吸收體的形狀進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，以滿足試驗(yàn)所需的駐波要求。同時(shí)需對(duì)其力學(xué)特性和材料上的熱分布進(jìn)行詳細(xì)分析。在考慮功率分布的情況下，通過詳細(xì)的熱分析，建立負(fù)載吸收體上的熱分布模型，以反演材料的功率密度和功率容量。

對(duì)某款吸波材料開展了先行樣件研制，研制過程中采用的標(biāo)準(zhǔn)固化工藝，并獲取了相應(yīng)的電磁參數(shù)；該吸波材料隨后進(jìn)行批產(chǎn)試制，研制過程中采取了加速固化工藝方式。為了對(duì)比確認(rèn)該款吸波材料的功率吸收性能，根據(jù)先行樣件的電磁參數(shù)開展波導(dǎo)負(fù)載試驗(yàn)件設(shè)計(jì)。負(fù)載組件試驗(yàn)件由外導(dǎo)體和吸收體組成，其中外導(dǎo)體一般采用鋁制鍍銀金屬材料加工而成，吸收體為吸波材料。如圖5、圖6 所示分別為負(fù)載組件設(shè)計(jì)的模型和駐波特性設(shè)計(jì)結(jié)果。

圖5 某波導(dǎo)負(fù)載試驗(yàn)件設(shè)計(jì)的模型示意圖Fig.5 Design drawing of a waveguide product

圖6 波導(dǎo)負(fù)載試驗(yàn)件駐波特性設(shè)計(jì)曲線Fig.6 VSWR design curve of a waveguide product

2 星載波導(dǎo)負(fù)載試驗(yàn)件功率耐受試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果分析

2.1 功率耐受試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

根據(jù)大功率微放電試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行功率試驗(yàn)。構(gòu)建出如圖7 所示的波導(dǎo)負(fù)載試驗(yàn)件功率耐受驗(yàn)證平臺(tái)。信號(hào)源發(fā)出射頻連續(xù)波或脈沖信號(hào)，通過相應(yīng)設(shè)備進(jìn)入真空罐內(nèi)饋入被測(cè)件，若測(cè)試發(fā)生異常時(shí)，可由頻譜分析儀檢測(cè)到反射功率異常。

圖7 波導(dǎo)負(fù)載試驗(yàn)件功率耐受試驗(yàn)系統(tǒng)框圖Fig.7 Power test system of waveguide products

2.2 功率耐受試驗(yàn)流程

波導(dǎo)負(fù)載試驗(yàn)件功率耐受試驗(yàn)以真實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行［9］，如圖8所示，其試驗(yàn)流程如圖9所示。

圖8 波導(dǎo)負(fù)載試驗(yàn)件功率耐受驗(yàn)證平臺(tái)Fig.8 Power test platform of waveguide product

圖9 波導(dǎo)負(fù)載試驗(yàn)件功率耐受試驗(yàn)流程Fig.9 Power test processes of waveguide product

功率耐受試驗(yàn)前先進(jìn)行外觀檢查，并開展駐波性能測(cè)試，負(fù)載組件的駐波須滿足要求；隨后在真空罐中開展功率耐受試驗(yàn)；試驗(yàn)完成后開展目視外觀檢查和駐波性能復(fù)測(cè)。

相對(duì)試驗(yàn)前，電壓駐波比變化率≤10%為滿足技術(shù)指標(biāo)要求；同時(shí)，需開蓋檢查無多余物、負(fù)載組件無變形，產(chǎn)品應(yīng)無機(jī)械損傷。如果以上判據(jù)均滿足要求，則判斷該負(fù)載組件試驗(yàn)件滿足功率耐受環(huán)境適應(yīng)能力要求。否則需要開展進(jìn)一步研究分析。

2.3 功率耐受試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

環(huán)氧基硬質(zhì)吸波材料的制備工藝復(fù)雜，其中各原材料的摻雜比、混煉工藝、固化工藝等多個(gè)環(huán)節(jié)的調(diào)整均會(huì)對(duì)材料的物理特性有較大影響，也將形成不同的功率耐受能力。功率耐受試驗(yàn)過程中，以固化工藝穩(wěn)定性為重要驗(yàn)證參數(shù)。針對(duì)固化工藝不同，開展了多個(gè)試驗(yàn)件相同工況下的試驗(yàn)驗(yàn)證，并作出了不同的標(biāo)識(shí)。

● 試驗(yàn)件1（標(biāo)準(zhǔn)固化工藝）

試驗(yàn)件1的功率耐受試驗(yàn)結(jié)果表明，波導(dǎo)負(fù)載試驗(yàn)件試驗(yàn)前后駐波變化率小于5%，滿足≤10%的技術(shù)指標(biāo)要求。同時(shí)試驗(yàn)完成后，對(duì)組件的外觀進(jìn)行目視檢查檢測(cè)，結(jié)果表明試驗(yàn)后試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)完整，未見可見裂紋，無機(jī)械變形和多余物，如圖10、圖11所示。

圖10 波導(dǎo)負(fù)載試驗(yàn)件1功率耐受試驗(yàn)前后駐波比對(duì)Fig.10 Comparison to VSWR curves of experiment product 1 before &after the power test

圖11 波導(dǎo)負(fù)載試驗(yàn)件1功率耐受試驗(yàn)開蓋檢測(cè)結(jié)果Fig.11 The photo of experiment product I after the power test

● 試驗(yàn)件2（加速固化工藝）

以先行件電磁參數(shù)設(shè)計(jì)的相同技術(shù)狀態(tài)試驗(yàn)件，試驗(yàn)件2 初測(cè)駐波性能與試驗(yàn)件1 即有所差異，之后經(jīng)歷相同工況下的功率耐受試驗(yàn)結(jié)果也表明：功率耐受試驗(yàn)前后駐波變化率較大，不滿足≤10%的技術(shù)指標(biāo)要求。對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行開蓋檢查，發(fā)現(xiàn)負(fù)載發(fā)生了揮發(fā)和鼓包變形，波導(dǎo)蓋板上也有環(huán)氧膠揮發(fā)污染現(xiàn)象，如圖12、圖13所示。

圖12 波導(dǎo)負(fù)載試驗(yàn)件2功率耐受試驗(yàn)開蓋檢測(cè)結(jié)果Fig.12 The photo of experiment product 2 after the power test

圖13 波導(dǎo)負(fù)載試驗(yàn)件2功率耐受試驗(yàn)前后駐波比對(duì)Fig.13 Comparison to VSWR curves of experiment product 2 before &after the power test

2.4 功率耐受試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果分析

從試驗(yàn)件1功率耐受試驗(yàn)結(jié)果可以看出：試驗(yàn)前后負(fù)載組件的駐波變化率性能指標(biāo)滿足技術(shù)要求；開蓋檢查結(jié)果也表明無異常情況出現(xiàn)，證明試驗(yàn)件1的吸波材料導(dǎo)熱性能良好，吸波損耗滿足要求，吸波材料發(fā)揮穩(wěn)定作用。

從試驗(yàn)件2功率耐受試驗(yàn)結(jié)果可以看出：雖然整個(gè)負(fù)載組件設(shè)計(jì)狀態(tài)與試驗(yàn)1相同，但是初測(cè)駐波即有所差異，試驗(yàn)前后負(fù)載組件的駐波變化率也較大，功率試驗(yàn)對(duì)材料的基本電性能造成了影響，性能指標(biāo)不滿足技術(shù)要求；開蓋檢查結(jié)果表明吸收體出現(xiàn)異常情況，波導(dǎo)蓋板上也有膠污染現(xiàn)象，證明試驗(yàn)件2的吸波材料未發(fā)揮穩(wěn)定作用。型號(hào)若采用此材料將導(dǎo)致大功率放電和射頻鏈?zhǔn)В绊懶吞?hào)任務(wù)成敗。

通過進(jìn)一步的原因查找，試驗(yàn)件1 和試驗(yàn)件2 的吸收體采用的基礎(chǔ)原材料、工藝配比等技術(shù)方案均相同。差別僅在于，為了節(jié)約固化時(shí)間，試驗(yàn)件2 的吸波材料未進(jìn)行高溫預(yù)處理，殘存未固化的小分子，在高溫真空工況下可凝揮發(fā)物析出增多，與外導(dǎo)體鍍銀層發(fā)生氧化反應(yīng)，該析出物通過頻譜分析得到進(jìn)一步證實(shí)。試驗(yàn)件1 的吸收體則是采用經(jīng)過高溫預(yù)處理后的吸波材料制作而成，在高溫下的真空質(zhì)損及可凝揮發(fā)物均得到了有效控制，經(jīng)高溫預(yù)處理后的電磁參數(shù)也趨于穩(wěn)定。而試驗(yàn)件2 的吸波材料電磁參數(shù)對(duì)負(fù)載組件駐波性能的影響不僅體現(xiàn)在初測(cè)時(shí)有所差異，同時(shí)在真空高溫下相對(duì)變化較大，進(jìn)而引起負(fù)載組件的駐波變化率較大。

3 結(jié)論

根據(jù)航天器微波、天線產(chǎn)品吸波材料部位結(jié)構(gòu)和環(huán)境效應(yīng)因素特征，設(shè)計(jì)了一種星載波導(dǎo)型負(fù)載試驗(yàn)件，以保留局部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征的試驗(yàn)件代替微波、天線整機(jī)，同時(shí)構(gòu)建了一套星載吸波材料功率耐受性能的驗(yàn)證平臺(tái)開展功率試驗(yàn)，對(duì)兩種工藝固化方法制備的波導(dǎo)型吸收負(fù)載試驗(yàn)件進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：高溫預(yù)處理后的吸波材料，在高溫下的真空質(zhì)損及可凝揮發(fā)物均得到了有效控制，其電磁參數(shù)也趨于穩(wěn)定。

結(jié)合在各類工況情況下對(duì)吸波材料本體機(jī)、電、力、熱的性能進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，有效保證了在大功率和微放電、低氣壓、功率循環(huán)等環(huán)境邊界條件，吸波材料的污染特性和電磁參數(shù)滿足使用要求，進(jìn)而全面保障吸波材料可靠性滿足星載應(yīng)用設(shè)計(jì)使用要求。