温度对玻璃钢高频介电性能的影响

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1、1,第9章 复合材料的高频介电性能 与雷达罩,2,9.1 复合材料的高频介电性能,复合材料的一项重要用途，是用来制造雷达整流罩及各种微波天线保护罩。这些罩子质量优劣，很大程度上取决于复合材料的高频介电性能。,复合材料,低频绝缘,高频透波,金属材料,高频绝缘,低频导电,介电性能,3,介电性能,材料在电场中表现出来的导电行为及其内部 发生的一些物理现象，如介质的极化、电流 的穿透等问题，总称为材料的介电性能。,材料在低频电场条件下的电行为属于材料的低频介电性能，在高频电场下的电行为属材料的高频介电性能。,对用于雷达罩及各种微波天线保护罩的复合材料（除CFRP），因它工作在雷达天线辐射出来的高频电（

2、磁）场条件下，作用是用来保护雷达天线的，所以主要研究它的高频介电性能。,4,“介电常数“ 在学术文献中的解释 1介电常数是指物质保持电荷的能力，损耗因数是指由于物质的分散程度使能量损失的大小。理想的物质的两项参数值较小 2. 其介质常数具有复数形式，实数部分称为介电常数，虚数部分称为损耗因子。通常用损耗正切值(损耗因子与介电常数之比)来表示材料与微波的耦合能力，损耗正切值越大，材料与微波的耦合能力就越强 3介电常数是指在同一电容器中用某一物质为电介质与该物质在真空中的电容的比值。在高频线路中信号传播速度的公式如下：V=K,5,机载雷达的功能 是通过其天线辐射出一定频率的电磁波，利用电磁波传播过

3、程的特性，达到探索目标、测距、定位以及控制武器攻击目标等目的。 1）天线是雷达向空中发射和接受电磁波的装置，由于雷达天线要转动，并对周围进行扫描，所以又称为扫描器。 2）雷达天线由辐射器、金属反射器及传输线组成。辐射器用来辐射和接收电磁波，它装在反射器的焦点上，这样可使电磁波成一定形状的、狭窄的定向射束辐射；反射器使雷达电磁波能量集中在一个尖锐的波数内，以便确定目标的方向和距离；传输线的作用是将高频电能从发射机传输到辐射器，或从天线传输到接收器。,6,9.2 电磁波通过雷达罩时的物理现象及其对雷达工作的影响,在飞机上安装雷达天线时，为了防止受较大的空气动力载荷作用和不影响飞机的操纵，必须安装雷

4、达天线保护罩即雷达罩。 雷达天线辐射出来的电磁波束射向雷达罩时，会产生反射、折射和透过现象；用作雷达罩的材料在电磁波作用下产生“极化”现象和损耗（吸收）电磁波能量的现象。波的极化是指电场强度的取向随时间变化的方式（随距离变化的方式）。只要波在空间中传播是自由的，没有折射和反射，那么在远离振子的地方，电力线与振子平行，磁力线与振子垂直。 电磁波的反射和能量损耗对雷达工作性能的影响最大。,7,1） 减少了雷达的最大测距,电磁波能量越高，传播距离越大，对雷达而言就是其最大测距增大。雷达罩反射了部分电磁波的能量，因而雷达的最大测距比无罩时减小。,Dmax-雷达的最大测距，米; Pf-雷达发射出电磁波的

5、最大功率值，瓦 Pj-雷达接受机可鉴别的目标物最小功率反射值，瓦 A-雷达接收机天线的有效面积，米2, -目标物的有效反射面积，米2 -所发射电磁波的波长，米,9.2.1 雷达罩反射电磁波对雷达工作的影响,8,2）使雷达“天线方向性图”产生畸变,雷达天线向其周围发射的电磁波能量分布的不同规律性，可用截面图形表示出来，称为天线的方向性图。 对入射电磁波的反射会造成电磁波能量的分布或最大能量发射方向发生变化，即天线方向性图畸变。,瓣状天线方向性图,平方余割天线方向性图,9.2.1 雷达罩反射电磁波对雷达工作的影响,9,罩壁材料的选择，是影响反射的首要因素。罩壁材料的介质损耗越小，对电磁波吸收越少。

6、罩壁材料中的基体材料品种、用量、固化程度及均匀性是影响雷达罩对电磁波吸收的主要因素。,对各种结构的雷达罩都存在某一理想的厚度，称“最佳厚度”，使罩壁前后表面反射的电磁波叠加后，减至最小，以降低反射对雷达性能的影响。,9.2.2 影响雷达罩反射电磁波的因素,1）雷达罩材料,2）壁厚,10,对复合材料雷达罩，基体材料是影响雷达罩高频介电性的主要因素，基体材料的固化反应程度，以及基体材料的含量及其均匀性，是影响雷达罩反射的重要因素。所以工艺条件的控制、含胶量以及结构均匀性，是影响雷达反射的重要因素。 雷达罩电气类别的选择，罩壁上是否含有夹杂物，特别是罩壁上是否有覆冰等，也会影响到雷达罩的反射性能。,

7、3） 制造工艺质量,9.2.2 影响雷达罩反射电磁波的因素,11,1）减少探测距离,2）影响雷达工作,雷达罩对电磁波的吸收将损耗电磁波的能量，致使雷达的有效作用距离减小。,9.2.3 吸收电磁波对雷达性能的影响,12,罩壁材料的介质损耗越小，对电磁波吸收越少。罩壁材料中的基体材料品种、用量、固化程度及均匀性是影响雷达罩对电磁波吸收的主要因素。,罩壁越薄，电磁波透过罩壁的行程越短，被吸收的能量越少，因而功率透过系数将越大。 但罩壁厚度不能无限制的减薄，首先要考虑其强度、刚度是否满足要求，还要考虑满足反射的要求，保持最佳厚度。,9.2.4 影响雷达罩吸收电磁波的因素,1）雷达罩材料,2）壁厚,13

8、,有较大的透波率，较低的功率反射。 对雷达的天线方向性的影响较小，即对雷达的定向（方位、俯仰）影响较小。,上述两点基本要求与雷达罩的电气类别、材料选择、结构特点及其制造工艺有关。,雷达罩的基本要求,14,9.3 雷达罩分类与结构,按其外形,锥形,柱形,椭圆 半球形,雷达罩的类别可根据其结构、形状、所用材料以及电气类别来分类。,15,按其结构,单层,双层,多层罩,一般是夹层结构罩，面层采用强度高、介电系数大的材料，中间夹以轻质、介电系数小的夹芯制成。重量轻、强度、刚度较高，介电性能好，但制造工艺复杂。,采用介电系数较大的材料（如玻璃钢）制成，强度较高，但较重，介质损耗大，适于小型天线的保护罩。,

9、采用介电系数较小的材料（如泡沫塑料）制成，其介质损耗低，高频介电性能好，但强度低，耐热性差。适于低速飞行器使用。,9.3 雷达罩分类与结构,16,按所用的材料,泡沫塑料,玻璃钢泡沫塑料,玻璃钢蜂窝夹芯材料,陶瓷,玻璃钢陶瓷材料,9.3 雷达罩分类与结构,17,按其高频介 电性能特点 （电气性能）,垂直入射雷达罩,流线型雷达罩,平行的电磁波束射向雷达罩，无论天线在何处罩壁上的工作区域内每点的电磁波入射角都小于30。,当电磁波束射向雷达罩，罩壁上工作区域内某些部位的入射角大于30，或随天线位置的变化，罩壁上工作区域内入射角在较大范围内变动。,9.3 雷达罩分类与结构,18,垂直入射雷达罩示意图,流

10、线型雷达罩示意图,电磁波极化示意图,19,9.4 玻璃钢的高频介电性能,在高频电场条件下，介质材料的介电性能指标，是介电系数和介质损耗角正切值tg(介电损耗）。 介质材料的介电系数和介质损耗的大小，取决于介质材料在高频电场作用下的极化现象。 含有偶极分子或极性基团的介质材料，在外电作用下，容易产生较强的极化现象，而且通常表现出较大的介电系数和介质损耗。,20,特 点,玻璃钢的高频介电性能主要取决于基体材料,玻璃钢的高频介电性能参数一般较大,玻璃钢的高频介电性能与其制造工艺有关,玻璃钢制造过程中基体含量控制、基体含量分布的均匀性、基体的固化程度等工艺因素，都会影响玻璃钢的高频介电性能。,这是对比

11、非极性聚合物而言，与玻璃钢在高频介电场条件下的极化类型有关。,高频电场下，玻璃纤维属于离子式极化，其介电系数变化不大，介质损耗tg较小。基体树脂属于偶极驰张式极化，其介电系数和介质损耗较大，且随基体品种不同、基体含量的变化以及基体固化程度不同，和tg变化的范围较大。,21,影响复合材料高频介电性能的因素,玻璃钢的组成、结构对其高频介电性能的影响 （内因） 外界条件对玻璃钢高频性能的影响（外因）,22,1. 玻璃钢的组成、结构对其高频介电性能的影响 (内因),在高频电场条件下，为减少介质的功率损耗，应选择、tan较小的介质材料。,1） 基体材料极性基团的含量及极性大小对玻璃钢高频介电性能的影响,

12、2）基体材料极性基团的运动能力对玻璃钢高频介电性能的影响,影响复合材料高频介电性能的因素,23,各种基体所含极性基团的极性强弱不同、含量不同、结构不同，其在外电场作用下产生极化现象的极化程度（）以及极化引起的外电场能量损耗（tan）差别较大，因而玻璃钢表现出来的高频介电性能差别较大。 极性基团含量越大、极性越大，基体的高频介电性能参数值就越大。,1） 基体材料极性基团的含量及极性大小对玻璃钢高频介电性能的影响,影响复合材料高频介电性能的因素,24,一般当基体材料所含极性基团极性越强、基团越小（位阻越小）、分子链的柔顺性越好，在外电场作用下，极性基团沿外电场方向的定向程度越高、则极化程度越高，其

13、介电系数和介质损耗tan值越大。,2） 基体材料极性基团的运动能力对玻璃钢高频介电性能的影响,a. 基体胶粘剂的固化程度,影响复合材料高频介电性能的因素,25,基体中低分子线型组分的增加，如增塑剂、增韧剂的加入，使基体分子链的柔顺性增加，且在外电场作用下极性基团的运动能力提高有利于极化运动，表现出高频介电性能值提高(对高频介电性要求是不利的)。 但若线型组分在基体中含量过高，降低了单位体积基体中极性基团的密度，也会使基体材料的高频介电性参数值降低（有利于高频介电性能的要求）。,b. 胶粘剂分子链的柔顺性和低分子线性组分,影响复合材料高频介电性能的因素,26,外界条件对玻璃钢高频性能的影响(外因

14、）,1） 温度对玻璃钢高频介电性能的影响,2） 湿度对玻璃钢高频介电性能的影响,影响复合材料高频介电性能的因素,27,1） 温度对玻璃钢高频介电性能的影响,温度改变了基体中极性基团的运动能力、基团的密度以及基体的结构，因此温度的影响主要表现在对基体介电性能的影响。 外电场频率较高时，在基体使用温度范围内，随温度升高,基体的高频介电性能参数值提高。 外电场频率较低时，介电系数（极性基团的取向度）随温度升高而增大。介电损耗随温度升高开始由于极性基团运动能力提高其值下降，随着温度继续升高，已固化的基体结构中链的“段落”运动能力增加，极化基团的极化度增加，迅速消耗外电场能量因而介电损耗增大。,影响复合

15、材料高频介电性能的因素,28,若外界温度升高超过了基体的使用温度范围，无论外电场频率高或低，基体的高频介电性参数都会急剧升高。这是因为基体开始裂解、分子量急剧下降，分子间约束力（对极性基团运动的位阻）随之急剧下降；同时漏电电流急剧上升，因而极化效果迅速增加表现出高频介电性参数急剧上升。,影响复合材料高频介电性能的因素,29,湿度对玻璃钢高频介电性能的影响较为明显。因为玻璃钢吸水后，水与玻璃纤维作用产生大量羟基，使玻璃钢的高频介电性参数值增大。因而在高频电场条件下使用的玻璃钢应有防护措施，如表面涂漆等。,2） 湿度对玻璃钢高频介电性能的影响,影响复合材料高频介电性能的因素,知识回顾Knowledge Review,