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超疏水耐候表面研究的国内外状况、制备方法和应用前景

2020-11-04 09:48
纳米防水
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(中国电子科技集团公司第38研究所,安徽 合肥 230088)

摘 要:雷达天线罩直接覆盖在天线表面,是保护雷达天馈系统的重要部件,天线罩的防护性能直接影响 到雷达整机的可靠性,其中天线罩表面的疏水性和耐老化性能尤为重要。简述了疏水表面的原理和雨水沉积对 天线传输损耗的影响,证明了天线罩表面超疏水性的重要性;简述了天线罩表面高耐候性的原理和重要性,并 论述了超疏水耐候表面研究的国内外状况、制备方法和应用前景等。

关键词:雷达;天线罩;表面超疏水;传输损耗;高耐候性

中图分类号:TN82 文

献标识码:A 

文章编号:1001-3474(2016)04-0239-04

雷达天线罩直接覆盖在天线表面,是保护雷达 天馈系统的重要部件,天线罩的防护性能直接影响 到雷达整机的可靠性,其中天线罩表面的疏水性和 耐老化性能尤为重要。众多研究表明,雨水对雷达 天线传输性能的影响很大,水对微波和毫米波具有 很高的介电常数和损耗正切角,当雨水造成雷达天 线或天线罩表面积水时,甚至很薄的水膜均能大大增加雨水传输损耗和雨水噪声温度,要减少这种影 响,需提高雷达天线罩表面的疏水性和密封性[1]。天 线罩主要由高分子复合材料制成,在长时间的太阳 曝晒和被雨水侵蚀后,会导致天线罩中的高分子树 脂老化裂解,造成表面发生变色、粉化和起泡等缺 陷,要减少这种影响,需要提高天线罩表面的耐老 化性能。

1 天线罩表面疏水性研究

1.1 表面疏水基本原理

表面润湿性是固体表面的重要特征之一,主 要由其化学组成和微观结构来决定。早在60多年 前,就有学者开始了固体表面润湿性的研究,自从 Wenzel和Cassie发表了一系列关于表面润湿性的文 章以来,大量理论和实验研究成果被不断推出,人 们对表面润湿性的可控研究取得了重大进展。固体 表面的浸润性可以用附在其上的水滴的接触角来衡 量,它是衡量超疏水表面疏水强弱的最重要特征之 一。对于光滑平整的理想固体表面,水滴在其表面 上的形状是由固体、液体和气体下相接触线的表面 张力来决定的,水滴接触角的大小可以用经典杨氏 方程来表示:

式中:θ 为气体、固体和液体三相平衡时的接 触角;γ SV为固体与气体界面间的表面张力;γ SL为 固体与液体界面间的表面张力;γ LV为液体与气体界 面间的表面张力。

接触角是固、液、气界面间表面张力平衡的结 果。表面接触角大表明该表面是疏润性的,接触角 小则为亲润性的。通常将接触角小于90°的称为亲 水表面,接触角大于90°的称为疏水表面,接触角 大于150°则称为超疏水表面,如图1所示。超疏水表 面的特性是表面润湿性研究的主要内容,其应用研 究近年来得到了极大的发展。

杨氏方程是一种假设存在的光滑表面上的特殊 情况,而当表面并非光滑而是存在一些粗糙度时, 其表面的润湿性则会发生相应的改变。近年来表面 微观结构与润湿性之间关系的理论研究也不断深 入,为制备最佳的超疏水表面结构提供理论指导, 超疏水表面在致密、多孔和微纳米等不同微观结构 方面的差异,使得水膜在其表面呈现出不同的润 湿、滑动及滚动行为。

影响固体表面润湿性的主要因素有:材料的表 面自由能、表面粗糙度以及表面微-纳结构。研究表 明,接触角随着表面自由能的降低而增大,随着表 面粗糙度的增加而增大,而表面微-纳结构对润湿 性具有重要的影响。其中低表面自由能材料是制备 超疏水表面的基本条件,表面粗糙度和表面微纳结 构是决定性影响因素。

1.2天线罩表面疏水性与微波传输损耗

雷达天线罩表面疏水性是非常重要的,因为天 线的传输损耗主要取决于其表面水膜的厚度,损耗 的增加值与水膜厚度成正比。如果天线罩表面不疏 水,水膜厚度将增加很快且厚薄不一,而且水的介 电常数和损耗角正切tan δ 都非常大,这对天线信 号传输的影响是很大的,甚至造成雷达天线无法工 作;但天线罩表面如果是疏水的,按照Cary表面水膜 厚度理论分析,疏水表面将很快达到恒定的水膜厚 度,与雨量大小无关,这是由于疏水表面的水成球 状而容易流动、不易凝结而表现得更干燥。试验结 果也表明,随着雨量的增大,疏水表面能更有效地 发挥干燥作用,使天线罩表面始终维持在恒定的水 膜厚度上,水膜厚度薄而均匀。

为了直观地了解天线罩表面疏水性的重要性, 图2比较了一个普通天线罩表面与一个疏水天线罩表 面在不同雨量、频率下与传输损耗、噪声温度间的 关系[2]。

图2 雨量、频率与传输损耗、噪声温度间的关系

从图中可以看出,随着频率的增加,雨水的影 响越大;而雨量愈大,超疏水表面对系统传输损耗 和噪声温度的改善也愈显著。天线罩表面的疏水性 是影响雨天雷达电讯可靠性的重要性能。

1.3 疏水表面的耐候性

疏水表面的润湿性并不是一成不变的,表面 疏水材料若受到大气污染、机械磨损或因紫外线照 射、大气环境腐蚀等作用下极易退化,表面接触角 逐步减小,最终成为不疏水表面,天线罩表面的传 输损耗也会迅速增加。固体表面的疏水材料大多由 高分子材料制成,强紫外辐射和雨水侵蚀对材料的 老化影响最大,在恶劣环境下疏水表面的老化速度 很快,往往两到三年就退化成不疏水表面。图3为某 产品天线罩表面在户外暴晒两年后表面材料老化成为不疏水表面。

图3 天线罩疏水表面在户外暴晒两年后的老化表面

对雷达天线罩本身来说,其基材是由高分子复 合材料制成,在高温、高湿和强辐射的恶劣环境中 基体材料也受到环境老化的影响,不加防护措施的 天线罩将很快粉化开裂,基体树脂吸水后会使其透 波性能及力学性能逐步下降。所以天线罩的表面防护 性能在考虑其疏水性的同时必须高度重视其耐候性。

2 天线罩疏水耐候表面制备

天线罩的表面疏水性是影响雷达电性能的重 要因素,所以在设计时就应考虑天线罩表面的疏水 性。在充分了解国内外天线罩表面疏水性的发展状 况后,近年来我们开展了“复合材料表面超疏水性 耐候涂层”等相关课题研究,经大量的实验研究和 工程应用,开发形成了天线罩表面疏水性耐候复合 涂层工艺技术,已成功应用于某雷达天线罩上。其 主要关键技术是天线罩疏水耐候涂料研制和天线罩 疏水涂层施工工艺技术等。

2.1 天线罩疏水耐候涂料

从固体表面疏水原理可知,疏水表面是主要通 过降低材料的自由能和修饰微纳结构等技术手段来 制备,对天线罩等高分子材料来说,制备疏水表面 的主要解决途径是涂覆低表面自由能的疏水涂料, 并获得粗糙的微纳表面结构。因此疏水涂料的性能 是决定天线罩表面疏水性的主要因素,疏水涂料的 制备首先应选择表面自由能低的树脂,而有机硅树 脂和有机氟树脂是已知物质中表面自由能最低的。

2.1.1 有机硅树脂

有机硅树脂一般是指具有高度支链结构的聚硅 氧烷,其分子链具有良好的柔顺性,易转变成自由 能较低的结构,因此与其他聚合物相比其表面自由 能相对较低,仅比有机氟树脂略高。但有机硅树脂 涂料一般存在附着力较差等缺点,通常可以使用环 氧树脂、丙烯酸树脂和聚氨酯树脂等对其改性,从而 具有不同树脂的优点,更适合于实际工程化应用。

2.1.2 有机氟树脂

有机氟树脂是指聚合物分子链上含有氟原子的 一种高分子材料。因氟原子的电负性大和直径小, 会促使碳原子在表层产生聚集效应,使得有机氟树 脂具有很低的表面自由能和表面张力。另外C-F键的键能高达460.2 kJ/mol,是已知化学键中最高的,因 此其分子结构非常稳定,不易老化断裂。与其他树 脂相比,有机氟树脂在表面疏水性、耐摩擦性和耐 候性等方面都有着不可比拟的优势,但也存在着涂 层成膜困难、固化温度高和附着力不高等缺点,而 且成本很高。通常有机氟树脂也是通过其他树脂改 性才可适合产品实际应用。近年来,人们对有机氟 树脂的研究不断深入,一些具有新型功能的特殊材 料也不断问世。

2.1.3 疏水涂料制备

有机硅树脂和有机氟树脂均是疏水性能优异的 材料,但采用单一树脂无法制备出综合性能好的涂 料,必须由两种或两种以上的树脂通过物理或化学 的方法进行改性,目前应用于天线罩表面涂覆的常 用几种树脂性能对比见表1[3,4]。

表1 天线罩涂覆涂料常用树脂性能对比

树脂改性分物理方法和化学方法,物理方法是 将两种树脂直接混合搅拌,但存在分散性不好和成 膜性能差等缺点;化学方法有分子链接枝和树脂共 聚等,涂料兼有两种树脂的优异性能,是目前普通 采用的改性方法。树脂改性涂料已得到一定的工业 化应用,涂覆在天线罩表面,可使原本亲水的固体 表面的接触角大大增加,具有一定的表面疏水性。

为进一步改善涂料的疏水性,可以在改性树 脂涂料中添加少量的纳米超细填料,从而使制备 的涂层具有纳米微纳结构,表面接触角可以提高到 130~150°左右,达到超疏水效果。表2是纳米填料 的添加量对涂层接触角的影响实验结果。

表2 天线罩涂覆涂料常用树脂性能对比

从表2可以看出,改性树脂涂料加入纳米填料 后,涂层的接触角明显增大,随着纳米填料添加量 的增加,涂层的接触角先增大后减小,当纳米填料 的质量分数为0.4%时,接触角达到最大。随着纳米填 料用量的继续增加,涂层接触角反而减小,这是由 于添加过量的纳米粒子容易出现团聚,减少了纳米 级粒子所占的比例,引起了涂层接触角下降。

天线罩表面疏水涂料的选择和改性还必须同时 考虑涂层的耐候性、透波性和附着力等,目前常见 涂料有氟改性聚氨酯、氟改性环氧树脂和有机硅改 性聚氨酯等,再通过添加定量的纳米超细填料,能 够进一步提高涂料的疏水性能。

2.2 天线罩疏水涂层施工工艺技术 天线罩疏水耐候涂层的配套施工工艺是保证涂 层能够工程化应用的关键技术,同时进一步提高涂 层的疏水性、耐候性和附着力,我们经过课题实验和 中试,形成了“天线罩疏水复合涂层工艺技术”。 2.2.1 基材处理在天线罩复合材料外蒙皮成型时加一层防水润 滑膜,使天线罩自身基体表面具有一定的疏水性, 并能减少天线罩的吸水率。为增强底漆的附着力, 需要先彻底去除天线罩表面的脱模剂,然后机械打 磨至一定的粗糙度。 2.2.2 底漆 疏水涂料如果直接涂覆在基材上,其附着力 很难达到要求,中间需要涂覆底漆过渡,常用底漆 有环氧树脂、丙烯酸树脂以及其他一些树脂改性涂 料,为提高附着力和配套性,可以涂覆多道底漆, 每道底漆的厚度和粗糙度不同。经试验,复合底漆 与基材和疏水面漆的结合力均能满足使用要求。 2.2.3 疏水面漆 疏水面漆选用有机硅改性树脂涂料或氟树脂改 性涂料。为进一步提高表面疏水性,可通过控制面 漆的喷涂工艺,制备出不同粗糙度的涂层。试验表 明,控制不同的涂料黏度和喷涂距离、角度,得到 的涂层疏水性能有很大区别。在正常喷涂条件下, 制备的涂层表面平整、光滑;改变喷涂工艺参数, 可以制备出表面略粗糙,有一定的微突结构的涂 层,疏水效果显著提高,从而达到超疏水的涂层表 面,表面接触角达150°以上

3 国内外对比

国外很早就研究了天线罩表面疏水性,美国、 日本和英国等国最早将高疏水性涂料涂覆在天线罩 上,得到疏水且耐老化的表面,大大提高了雨天的 电讯可靠性[5]。目前,国外在含氟树脂等高疏水性涂 料的生产和施工方面的技术已相当成熟;国内在雷 达天线罩专用的超疏水性涂层技术方面研究很少, 还未见公开报道。图4是美国某公司的疏水天线罩表 面,图5是我们制备的超疏水天线罩表面,图6是常 规聚氨酯涂层表面的水珠状况。

经测量,我们制作的天线罩已达到超疏水表面,其表面接触角达150°以上,已接近或达到国外 同类产品的水平。目前,提高该涂层的施工工艺性 能、涂层附着力、耐候性和防静电等其他功能性研 究是进一步的工作重点。

4 结  语

为确保雷达全天候工作的电讯可靠性,提高 天线罩表面的疏水性是减少雨水传输损耗的重要手 段。在天线罩表面涂覆高疏水耐候性复合防护涂层 可达到超疏水性和防老化效果,并可防积水和防积 雪裹冰,可靠性大大提高,具有良好的应用前景。研制开发雷达天线罩表面超疏水高耐候涂层是产品 的迫切需求,也是未来的发展方向。

参考文献: 1、佟文清,曹立荣. 雷达薄壁天线罩的密封及防护[J]. 电子工艺技 术, 2008, 29(4):225-226. 2、龚光福. 雨水传输损耗、噪声温度与天线罩表面疏水性[M]. 合 肥:中国科学技术大学出版社,2002. 3、肖鑫,秦灏. 常温固化氟碳涂料的研究进展[J]. 湖南工程学院学 报,2003,13(1):81-82.4、王浩,吴晓敏,唐黎明,等. 疏水性涂层的制备及防结霜性能[J]. 高分子材料科学与工程,2007,23(2):242. 5、赵宁,卢晓英,张晓艳,等. 超疏水表面的研究进展[J]. 化学进 展,2007,19(6):860.

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