композиционный диэлектрический материал и антенная линза из этого материала

Формула изобретения

1. Композиционный диэлектрический материал, содержащий полимерный связующий материал - эпоксидную смолу и наполнители - двуокись титана и микросферы, отличающийся тем, что содержит микросферы стеклянные полые и изготовлен со следующим соотношением компонентов, вес.%:

эпоксидная смола	74,3-82,8
микросферы стеклянные полые	5,7-12,5
двуокись титана	Остальное

2. Антенная линза, отличающаяся тем, что она выполнена из композиционного диэлектрического материала по п.1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в антенной технике.

Развитие техники линзовых антенн наряду с совершенствованием их конструкций в том числе предполагает создание композиционных диэлектрических материалов с заданными электрофизическими и физико-механическими свойствами.

В статье «Диэлектрические линзовые антенны КВЧ и СВЧ диапазонов» (Зарубежная радиоэлектроника №4/1990 г., Москва, «Радио и связь», авторы Скородумов А.И., д.т.н. Трошин Г.И., к.т.н. Харланов Ю.Я., с.93-94) указано, что композиционные диэлектрики представляют собой смеси различных материалов, изменение соотношения и состава которых позволяет достичь требуемых характеристик, в том числе электрических. Синтактные пластмассы (синтактные пены) - принципиально новый тип газонаполненных пластмасс. Они состоят из полимера (связующего), в котором равномерно по объему распределены полые или непористые микросферы (органические или неорганические). Микросферы, предпочтительный диаметр которых 20...80 мкм, могут быть изготовлены из полимеров или керамики, но чаще всего используется стекло ( _эф=1,2...1,3; tg =(2...8)·10^-4). Микросферы имеют закрытоячеистую структуру, поэтому синтактные пены имеют ряд преимуществ перед обычными пенопластами: небольшое водопоглощение, высокие удельную и абсолютную прочности при сжатии, равномерную плотность по объему, незначительную усадку при отверждении и повышенную стабильность размеров при повышении температуры. Диэлектрические свойства синтактных пластмасс можно варьировать в широких пределах, изменяя соотношение связующего и наполнителя, а также их состав и технологию изготовления. Кроме того, введение микросфер в композиционные диэлектрики позволяет достичь требуемой плотности материала.

Известна литая диэлектрическая линза из композитного материала, предназначенная для работы на радиочастотах (Н01Q 19/06, US 6489928 В2, опубликован 03.12.2002 г.). Диэлектрическая линза изготовлена из композитного материала, содержащего неорганический диэлектрический наполнитель и органический полимер с диэлектрической проницаемостью от 1 до 1,05, которой обладают пенопласты. Недостатком является возможная неоднородность композитного материала, в результате чего внутри оболочки, выполненной из такого материала, возможна неравномерная диэлектрическая проницаемость.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является композиционный диэлектрический материал с улучшенной однородностью (Н01Q 15/08, Н01В 3/44, Н01В 3/00 (11), ЕР 1126545 А1, опубликован 22.08.2001 г.), содержащий в качестве связующего пенополистирол и наполнитель - двуокись титана. Для улучшения сцепления двуокиси титана с пенополистиролом композиционный диэлектрический материал содержит дополнительно связующий материал, например воск, полиуретан или эпоксидную смолу, в количестве 1-25% по отношению к полной массе композиции. Несмотря на то, что пенополистирол имеет наименьший уровень тепловых потерь, его недостатками являются низкая термостабильность (68-70°С) и повышенная горючесть.

Целью изобретения является получение композиционного диэлектрического материала с высокой однородностью, работоспособного в интервале температур от -60 до +85°С и в условиях вибрационных нагрузок, предназначенного, например, для изготовления сферической диэлектрической линзы.

Указанная цель достигается тем, что композиционный диэлектрический материал содержит в качестве связующего эпоксидную смолу, а в качестве наполнителей - микросферы стеклянные полые и двуокись титана при следующем соотношении компонентов, вес.%:

Эпоксидная смола	74,3-82,8
Микросферы стеклянные полые	5,7-12,5
Двуокись титана	остальное

Использование эпоксидной смолы обеспечивает технологичность и смачивающую способность, высокую адгезионную и когезионную прочность, малую усадку при отверждении без выделения побочных продуктов, а также высокую влагостойкость композиционного диэлектрического материала, стабильность его физико-механических и диэлектрических свойств и, соответственно, стабильность радиотехнических характеристик изделия.

Использование микросфер стеклянных полых и двуокиси титана обеспечивает получение композиционного диэлектрического материала с заданной диэлектрической проницаемостью и плотностью.

Композиционный диэлектрический материал, изготовленный из указанных компонентов, имеет однородную структуру, что обеспечивает повторяемость изготовления линз с заданными характеристиками.

Были изготовлены четыре состава диэлектрических композиций. Замер диэлектрической проницаемости производился на образцах размером 23±0,1×10±0,1×9,3 мм.

Замеры производились на измерителе КСВН панорамном Р2-61 на частоте 10¹⁰ Гц.

Результаты измерений приведены в таблице №1.

Таблица №1
Компоненты состава	Состав, вес.%
	1	2	3	4
Смола эпоксидная	81,25	82,8	74,3	92,3
Двуокись титана	6,25	10,3	20	-
Микросфера	12,5	6,9	5,7	7,7
Диэлектрическая проницаемость на частоте 1010 Гц	2,53	2,6	3,2-3,3	2,45
Плотность г/см3	0,896	0,925	1,168	0,987

Введение в эпоксидную смолу микросфер стеклянных полых понижает ее плотность с 1,16 до 0,987, диэлектрическую проницаемость с 4,8 до 2,45 (состав №4).

Из композиционного диэлектрического материала с требуемой диэлектрической проницаемостью и плотностью были изготовлены, в частности, линзы по следующей технологии.

Приготовление композиционного диэлектрического материала:

1. Прогреть эпоксидную смолу ЭД - 16 до температуры (120±10)°С в течение 1 ч.

2. Двуокись титана высушить на металлическом противне слоем от 2 до 3 см при температуре от 110 до 120°С в течение 3,0-3,5 ч и охладить при комнатной температуре.

3. Просеять через сито 0,05 и ссыпать в плотно закрытую тару из алюминия, жести или стекла. Использовать просушенную двуокись титана в течение месяца. По истечении месяца сушку двуокиси титана повторить по п.2.

4. Просушить микросферу при температуре 70°С в течение 2 ч.

5. Отвесить компоненты согласно рецептуре (кроме ПЭПА), тщательно перемешать в течение 10-15 мин.

6. Полученную смесь прогреть при температуре 80°С в течение 1 ч. Затем смесь отвакуумировать при температуре от 65 до 75°С и остаточном давлении от 5 до 10 мм рт.ст. до прекращения активного выделения пузырей.

Отвакуумированную смесь охладить до температуры (25±10)°С и ввести полиэтиленполиамин при равномерном перемешивании.

Вакуумировать композиционный диэлектрический материал при остаточном давлении от 5 до 10 мм рт.ст. не более 10 мин, учитывая жизнеспособность компаунда.

7. Жизнеспособность приготовленного композиционного диэлектрического материала не более 40 мин в зависимости от температуры окружающей среды: (25±10)°С.

8. После приготовления композиционного диэлектрического материала произвести заливку изделия.

Заливка линз из композиционного диэлектрического материала:

1. Обезжирить форму спиртонефрасовой смесью с помощью бязевого тампона или кисти.

2. Просушить при температуре 25±10°С не менее 30 мин и покрыть смазкой СКТ (синтетический каучук от 5 до 10 мас.ч., толуол от 95 до 90 мас.ч.) или «Пентой - 107». «Пенту - 107» сушить при температуре (25±10)°С не более 45 мин.

3. Форму выдержать на воздухе в течение 15-20 мин. Нанести второй слой смазки СКТ. Форму, покрытую вторым слоем смазки, поместить в термостат и выдержать в течение 2 ч при температуре 180°С. Затем охладить до комнатной температуры.

4. Произвести заливку в форму, после того, как выйдут все пузырьки воздуха - закрыть форму.

5. Выдержать форму на воздухе при температуре (25±10)°С в течение 3 ч, затем при температуре (60±10)°С в течение 6 ч.

6. Извлечь изделие с формой из сушильного шкафа и охладить.

7. Разобрать форму, извлечь деталь и снять облой.

8. Детали, изготовленные из композиционного диэлектрического материала, перед механическими или климатическими испытаниями выдержать в нормальных условиях в течение 24 ч, не менее.

Далее линзы испытаны на климатическое старение согласно ГОСТ 9.707-81 «Материалы полимерные. Методы ускоренных испытаний на климатическое старение». Испытание на воздействие отрицательной температуры, имитирующей один год хранения изделий в любом климатическом районе, проводилось в режиме:

- выдержка при температуре -20°С - 30 мин;

- выдержка при температуре -60°С - 6 часов;

- выдержка при температуре +20°С - 1 час.

Проводилась имитация 7 лет хранения.

Испытание на воздействие перепадов температуры, имитирующей один год хранения в любом климатическом районе, проводилось в режиме:

- выдержка при температуре -60°С - 2 часа;

- выдержка при температуре +85°С - 2 часа.

Всего проведено 12 циклов - имитация 12 лет хранения.

Испытание на влагоустойчивость в течение 10 суток при температуре 55±2°С и относительной влажности 98-100%.

После испытаний линзы по внешнему виду не изменились, трещин, сколов нет, размеры линз геометрически не изменились.

С линзами из композиционного диэлектрического материала были собраны антенны и испытаны:

1. На циклическое изменение температур от -60°С до +85°С с выдержкой по 2 часа при каждой температуре, всего 5 циклов.

2. На теплоустойчивость с выдержкой при температуре +85°С 2 часа, затем с выдержкой при температуре 100°С - 10 мин.

3. На влагоустойчивость при температуре +40°С и относительной влажности 98% в течение 10 суток.

4. Механические испытания антенн:

а) на воздействие случайной широкополосной вибрации.

Диапазон частот, Гц	Спектральная плотность вибрации во всем диапазоне, м2 /с4 Гц (g2/Гц)	Среднеквадратное значение суммарного ускорения, м/с2 (g)	Время, ч
20-2000	По всему диапазону, линейная	147 (15)	20

Испытание в трех положениях с равномерной разбивкой суммарного времени 20 часов;

б) на воздействие механических ударов одиночного действия.

Пиковое ударное ускорение, м/с 2 (g)	Длительность действия ударного ускорения, мс	Количество ударов по каждому направлению
1470 (150)	2-6	3

Испытание в трех положениях;

в) на воздействие механических ударов многократного действия.

Пиковое ударное ускорение, м/с 2 (g)	Длительность действия ударного ускорения, мс	Общее число ударов по трем осям
740 (75)	5-10	4000

Испытание в трех положениях с равномерной разбивкой, общее количество ударов - 4000.

5. На циклическое изменение температур от -60°С до +85°С с выдержкой по 2 часа при каждой температуре, всего 5 циклов.

После каждого вида испытаний производился контроль по внешнему виду.

6. После климатических и механических испытаний была проведена проверка РТХ антенн.

Антенны с заявляемым композиционным диэлектрическим материалом, из которого изготовлены линзы, соответствуют техническим требованиям, предъявляемым к изделию.

Таким образом, как это подтверждается результатами экспериментов и испытаний, была решена поставленная задача и достигнут требуемый технический результат. Применение композиционного диэлектрического материала, например, для изготовления линз позволило обеспечить заданную диэлектрическую проницаемость и плотность, а также работоспособность в условиях вибрационных нагрузок в интервале температур от -60 до +85°С.