泡沫材料在小型微波天馈设备中的应用探讨

【摘要】本文总结了两类泡沫材料（PU和PMI）的特点，和泡沫材料在小型微波及天馈设备中的三种使用方法：作为加强材料、作为结构主体材料和作为柔性零件的基体，并结合实例进行了说明。

【关键词】微波及天馈设备泡沫材料使用方法

一、引言

随着技术的发展，电子系统集成程度的提高，对微波器件和天馈系统的小型化、轻量化和环境适应性的要求也越来越高，此类产品中结构件的功能要求不断提高、结构形式越来越复杂，使其选材、设计和生产难度不断加大，很多情况下，常用金属和非金属结构材料难以满足需求。

泡沫材料是一类轻质、高比强度、可绝缘的材料，自二十世纪三十年代以来，以泡沫塑料未注的泡沫材料已广泛应用于建筑，石油、化工、轻工、运输、制冷等领域，通常作为填充夹层材料、绝热材料、包装材料、吸音材料等，但限于常用泡沫材料刚强度较低、耐环境性能不佳、会蠕变等缺点，一般并不直接作为结构件使用。

在长期的工程实践中，我们发现，在小型微波及天馈设备中，由于零件通常尺寸小、相对面积大，根据实际情况合理设计，使用合适的泡沫材料作为结构材料，能有效避免泡沫材料刚强度低的缺点影响，发挥其轻质、透波、比刚强度高、自粘接和易成形的优点，从而降低结构件的设计难度和生产成本，有时甚至可以采用泡沫材料完全取代传统的结构材料。

二、适用于结构件的泡沫材料

常用的泡沫材料分为泡沫金属和泡沫塑料两大类，其中泡沫金属的刚强度更高，理论上更适合作为结构材料，但其力学性能效果不如薄壁金属结构和蜂窝材料加强的方法，且没有透波能力，不能满足电性能要求，通常不采用。

泡沫塑料的种类很多，理论上只要比刚强度高、环境适应性好、透波性好且易于成型的泡沫塑料都可以用作微波及天馈设备的结构材料，但考虑综合性能、成本、市场和工艺性等因素，在工程中实际用作结构件的泡沫材料以聚氨酯泡沫塑料（PU）和聚甲基丙烯酰亚胺泡沫塑料（PMI）为主。

2.1聚氨酯泡沫塑料（PU）

PU泡沫塑料最突出的优点是其高可调性，可通过改变原料配方和发泡比例及工艺等制得不同特性的泡沫塑料制品。只需改变其配方和密度，就可调节刚强度，实现由软质到硬质的连续变化，其中硬质PU泡沫的抗压强度在1MPa以上；PU的介电常数也可调节，一般介于1.05到1.3之间，在毫米波频率范围内受频率的影响也不大，最高已在100G的频率上进行过实际应用，部分PU泡沫性能如表1所示[2]；通过改变工艺和添加阻燃剂等方法，聚氨酯泡沫材料还可具有防水隔湿、防震、吸音、耐油、耐腐蚀和自熄阻燃性能，环境适应性广，安全性较好。在工程中，PU运用最为广泛，可用做加强填充料、防水密封件、辅助支撑件、连接结构件乃至承受主要载荷的主结构体。

PU聚泡沫塑料可机加成型或模具发泡成型，其工艺上的优势之一是能在低温下成型，发泡过程不需要特殊的设备，必要时可以采用自模成型方式，很适合制造复杂结构件和灌封腔体。

2.2聚甲基丙烯酰亚胺泡沫塑料（PMI）

PMI泡沫塑料是聚甲基丙烯酰亚胺（Polymethacrylimide）为基的硬泡沫塑料，其最大的优点是具有优良的力学性能，在相同的密度下，PMI是目前刚强度最高的泡沫塑料，适合制造受力件，如图1为几种常见泡沫的强度曲线对比[4]。PMI同样具有优良的电性能，平均ε为1. 4, tanδ为2 ×10-2，有的能达到7 ×10-3，可以满足多数微波和天馈设备需求；PMI泡沫塑料采用固体发泡工艺制作，是100%的闭孔泡沫，防水性能良好；PMI另外一个显著优点是环境适应性好，耐高温性能、耐湿热性能、抗高温蠕变性能和尺寸稳定性都优于其余的泡沫材料，尤其是耐高温性能极佳，可适用于100℃以上高温环境，部分泡沫动态剪切模量和温度关系曲线如图2所示[5]。

PMI泡沫塑料易于机械加工，也可以在热压罐中成型（通常成型温度在120~180℃、压力0.3~0.8M P a之间），但难以象PU一样低温成型。

PMI泡沫塑料和FU泡沫塑料对比，PMI力学性能更高，耐环境性更好，适用在强度或者环境要求较高的场合；PU电性能更好，工艺性好，性能易于调节、成本更低，应用范围大，且可自模成型，更适用于复杂的结构形式。

三、常用的泡沫材料使用方法

传统上，泡沫材料通常并不直接用于制造结构件，但对小型微波天馈设备而言，零件尺寸小而复杂、且有电性能要求，常规结构材料往往难以满足需求。针对实际情况，设计合理的结构形式和方法，利用泡沫材料轻质、透波、比刚强度高、耐环境、自粘接和易无限成形的优点，有时可以得到简单实用的解决方案。

目前，我们已在工程中验证过的泡沫材料在小型微波和天馈设备中的使用方法，大致分为三类：（1）泡沫材料作为加强材料；（2）泡沫材料作为结构主体材料；（3）泡沫材料作为柔软零件的基体。

以下结合我们在实际中工程的研制遇到一些实际项目案例，对这三方面进行讨论。

3.1泡沫材料作为加强材料

在刚强度较差的零件间填充满泡沫材料，以提高结构件的刚强度，是一种较成熟的方法，已在航空、建筑等行业广泛使用。在微波及天馈系统中，这种方法不但用于提高刚强度，还用于固定某些刚度差的结构件，尤其是尺寸小或长径比大且有一定电性能要求的部件，如长杆振子或长螺旋天线，很适合用泡沫填充方法进行固定。但必须注意选材合理，加强的泡沫材料不应对电性能造成大的影响。

如图3所示的一种天线的振子部分，振子的各部件用一根兼做馈线的细长杆连接，直径仅有2mm，刚度极差。因此在图示的天线罩内填充了比例合理的PU泡沫，使天线体悬空固定于天线罩内，以很小的额外重量实现天线体的固定和强化，同时也使天线具备了良好的三防能力。

3.2泡沫材料作为结构主体材料

在纵向尺寸小而结合面积较大时，硬质泡沫材料刚强度低的缺点不明显，而比刚强度高、成形容易的优点可以充分发挥，直接用泡沫材料作为结构主体，起支撑、连接、定位等作用，取代传统结构材料，有其独特的优势。同时由于PU和PMI泡沫塑料介电常数小、损耗正切值低，可用在对透波性要求较高的场合。

如图4上部所示为一种环状喇叭天线的电气形式，该天线需承受较大的瞬间作用力和强烈冲振，并有严格重量限制；上下瓣之间以结构件支撑并形成环状喇叭口，要求结构件透波性能良好且各向同性，并且要满足大量生产要求。

按常规的结构件设计思路，要满足其功能需求，喇叭口内的支撑部分需设计成为多个零件组合形式（如铝件加聚四氟乙烯件的形式），结构复杂，对材料和工艺有较高的要求，将导致成本增高且不易生产。

我们采用了泡沫材料代替了常规的支撑件，用模具定位上下瓣并发泡，利用泡沫的粘接力进行连接，完全省去了常规的结构件。这样设计的天线几乎没有增加额外的尺寸和重量，电性能优良，同时泡沫具有良好的吸振性能，可提高力学性能，生产容易，成本低廉。

在此设计基础上，进行了PU泡末和PMI泡沫的对比试验，实测表明，二者均可达到设计要求，其中PMI材料的力学性能更加优良 ，采用PMI时，天线可以在瞬间200N剪切力下保持性能正常，采用PU时，可以在100N剪切力下保持性能正常；但PU的电性能更好，采用PU时额外损耗不足0.1dB，PMI则为接近0.15dB； 制造过程也证明PU工艺性更好，成本更低，因此最终选择PU泡沫塑料为结构材料。此天线的设计和试验直观地体现了PMI和PU泡沫的优良性能及二者的区别。

该天线产品实物照片如图4，没有任何常规的结构支撑件，全重不到60克，电性能良好，顺利通过了各种环境试验检验，可以承受高达100g冲击而工作正常。

3.3泡沫材料作为柔软零件的基体

近年来，小型设备中的柔性零件越来越多，且往往需要成形为弧面，以柔性微带最具代表性。对此类产品，常用安装方法是用介质材料制造基体，将柔性零件粘接或压接在基体零件上。这种方法的缺点是随着设备小型化，零件的设计和加工、特别是保持柔性件表面张紧、避免褶皱的难度越来越大。在某些情况下合理使用硬质泡沫材料作为基体，依靠模具定位，用直接填充的方法实现柔性零件的安装，不但可简化设计和工艺流程，而且只要结构设计和选材合理，就可以利用泡沫材发泡时的张力使柔性零件自然张紧成型。

严格来说，这种方法也属于将泡沫材料作为结构主体材料的方法，但需要特别注意发泡张力和尺寸的控制，张力不能过大或过小，结构形式、模具设计和发泡工艺都会对张力有所影响。

如图5所示的一种微带组件，由两层0.254mm厚的微带片围成同心圆柱，两层微带之间的支撑件要求具有较小的介电常数和损耗正切。

常规介质材料难以满足此项目需求，我们最终采用了PU硬质泡沫发泡的方法：在两层微带之间进行发泡，利用模具定位微带，调好的泡沫发泡张力刚好可以张紧微带、避免褶皱，又不破坏整体结构，以较低的成本和微小的重量（略高于2g）实现了微带的支撑和定位，经试验，电性能良好而且满足环境适应性需求。证明了泡沫材料用作小型柔性件的基体材料具有一定的实用价值。

3.4泡沫材料使用的设计要点

在小型微波和天馈设备中，泡沫材料的使用有诸多的优点，如重量轻、机械及电性能良好并可调、成形容易、可张紧柔性零件、易于大规模生产等，但要强调的是目前的泡沫材料仍然有很多固有缺点，使用依然有很多限制，必须根据实际情况选材和设计结构。就我们的工程实践经验，在此类设计中必须注意的设计要点包括：

（1）电性能：不同种类和发泡比例的泡沫电气性能不同；同一泡沫材料，在不同波段的电气性能也不同，必须根据实际情况选择合适的材料，不合理的泡沫材料甚至可能造成频点漂移和-3dB以上的损耗；（2）力学性能：只有在小尺寸和结合面较大时，泡沫材料才适合承受主载荷，且任何泡沫材料都有一定的蠕变性，对于长时间大载荷的结构件应特别注意校核力学性能；（3）发泡模具：模具设计是关键之一，决定产品的精度和发泡张力；（4）成型条件：某些泡沫塑料成型需要一定的温度和压力条件，尤其自模成型时必须核实；（5）吸潮：PU泡沫发泡时未封孔则会吸潮，PMI泡沫无此问题；（6）降解：某些泡沫会降解，设计时需注意工作环境、保护和时限。

四、结语

在小型化微波和天馈的设备中，特殊的条件和需求使泡沫材料具备了很多常用结构材料不具有的优势，能够作为辅甚至主要的结构件，在某些情况下，甚至可以取代传统结构材料用作主要受力部件。我们对于这方面进行了一定的探索，在一些设备中取得了良好的效果，部分设备已经正常使用5年以上。可以认为，由于泡沫材料良好的成形能力、优良的电气性能、较好的环境适应能力和低廉的价格优势，随着小型化设备的发展，泡沫材料的运用将会越来越广泛。

参考文献

[1]成大先主编. 机械设计手册[M]，第一版，化学工业出版社，2004年1月：3.3-3.121

[2]阎宏涛. 大型天线罩的结构工程研究（D），西安电子科技大学，2007：59-61

[3]夏文干. 高功率高透波材料的研究[J]，高科技纤维与应用，2003，28（2）：39-43

[4]胡培. 飞机夹层结构的设计和泡沫芯材的选择[J]，航空制造技术，2010，17：94-96

[5]蔡良元. 覆盖X波段到Ka波段的超宽带天线罩[J]，宇航材料工艺，2010，2：37-40