超疏水耐候表面研究的國內(nèi)外狀況、制備方法和應(yīng)用前景
文章來源： OFweek新材料網(wǎng) 更新時間：2020-11-04 15:43:12
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摘 要：雷達天線罩直接覆蓋在天線表面，是保護雷達天饋系統(tǒng)的重要部件，天線罩的防護性能直接影響 到雷達整機的可靠性，其中天線罩表面的疏水性和耐老化性能尤為重要。簡述了疏水表面的原理和雨水沉積對 天線傳輸損耗的影響，證明了天線罩表面超疏水性的重要性；簡述了天線罩表面高耐候性的原理和重要性，并 論述了超疏水耐候表面研究的國內(nèi)外狀況、制備方法和應(yīng)用前景等。 關(guān)鍵詞：雷達；天線罩；表面超疏水；傳輸損耗；高耐候性 中圖分類號：TN82 文 獻標(biāo)識碼：Ａ 文章編號：1001－3474（2016）04－0239－04 雷達天線罩直接覆蓋在天線表面，是保護雷達 天饋系統(tǒng)的重要部件，天線罩的防護性能直接影響 到雷達整機的可靠性，其中天線罩表面的疏水性和 耐老化性能尤為重要。眾多研究表明，雨水對雷達 天線傳輸性能的影響很大，水對微波和毫米波具有 很高的介電常數(shù)和損耗正切角，當(dāng)雨水造成雷達天 線或天線罩表面積水時，甚至很薄的水膜均能大大增加雨水傳輸損耗和雨水噪聲溫度，要減少這種影 響，需提高雷達天線罩表面的疏水性和密封性［1］。天 線罩主要由高分子復(fù)合材料制成，在長時間的太陽 曝曬和被雨水侵蝕后，會導(dǎo)致天線罩中的高分子樹 脂老化裂解，造成表面發(fā)生變色、粉化和起泡等缺 陷，要減少這種影響，需要提高天線罩表面的耐老 化性能。 1 天線罩表面疏水性研究 1．1 表面疏水基本原理 表面潤濕性是固體表面的重要特征之一，主 要由其化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)來決定。早在60多年 前，就有學(xué)者開始了固體表面潤濕性的研究，自從 Wenzel和Cassie發(fā)表了一系列關(guān)于表面潤濕性的文 章以來，大量理論和實驗研究成果被不斷推出，人 們對表面潤濕性的可控研究取得了重大進展。固體 表面的浸潤性可以用附在其上的水滴的接觸角來衡 量，它是衡量超疏水表面疏水強弱的最重要特征之 一。對于光滑平整的理想固體表面，水滴在其表面 上的形狀是由固體、液體和氣體下相接觸線的表面 張力來決定的，水滴接觸角的大小可以用經(jīng)典楊氏 方程來表示：
式中：θ 為氣體、固體和液體三相平衡時的接 觸角；γ SV為固體與氣體界面間的表面張力；γ SL為 固體與液體界面間的表面張力；γ LV為液體與氣體界 面間的表面張力。 接觸角是固、液、氣界面間表面張力平衡的結(jié) 果。表面接觸角大表明該表面是疏潤性的，接觸角 小則為親潤性的。通常將接觸角小于90°的稱為親 水表面，接觸角大于90°的稱為疏水表面，接觸角 大于150°則稱為超疏水表面，如圖1所示。超疏水表 面的特性是表面潤濕性研究的主要內(nèi)容，其應(yīng)用研 究近年來得到了極大的發(fā)展。
楊氏方程是一種假設(shè)存在的光滑表面上的特殊 情況，而當(dāng)表面并非光滑而是存在一些粗糙度時， 其表面的潤濕性則會發(fā)生相應(yīng)的改變。近年來表面 微觀結(jié)構(gòu)與潤濕性之間關(guān)系的理論研究也不斷深 入，為制備最佳的超疏水表面結(jié)構(gòu)提供理論指導(dǎo)， 超疏水表面在致密、多孔和微納米等不同微觀結(jié)構(gòu) 方面的差異，使得水膜在其表面呈現(xiàn)出不同的潤 濕、滑動及滾動行為。 影響固體表面潤濕性的主要因素有：材料的表 面自由能、表面粗糙度以及表面微－納結(jié)構(gòu)。研究表 明，接觸角隨著表面自由能的降低而增大，隨著表 面粗糙度的增加而增大，而表面微－納結(jié)構(gòu)對潤濕 性具有重要的影響。其中低表面自由能材料是制備 超疏水表面的基本條件，表面粗糙度和表面微納結(jié) 構(gòu)是決定性影響因素。 1．2天線罩表面疏水性與微波傳輸損耗 雷達天線罩表面疏水性是非常重要的，因為天 線的傳輸損耗主要取決于其表面水膜的厚度，損耗 的增加值與水膜厚度成正比。如果天線罩表面不疏 水，水膜厚度將增加很快且厚薄不一，而且水的介 電常數(shù)和損耗角正切tan δ 都非常大，這對天線信 號傳輸?shù)挠绊懯呛艽蟮模踔猎斐衫走_天線無法工 作；但天線罩表面如果是疏水的，按照Cary表面水膜 厚度理論分析，疏水表面將很快達到恒定的水膜厚 度，與雨量大小無關(guān)，這是由于疏水表面的水成球 狀而容易流動、不易凝結(jié)而表現(xiàn)得更干燥。試驗結(jié) 果也表明，隨著雨量的增大，疏水表面能更有效地 發(fā)揮干燥作用，使天線罩表面始終維持在恒定的水 膜厚度上，水膜厚度薄而均勻。 為了直觀地了解天線罩表面疏水性的重要性， 圖2比較了一個普通天線罩表面與一個疏水天線罩表 面在不同雨量、頻率下與傳輸損耗、噪聲溫度間的 關(guān)系［2］。
圖2 雨量、頻率與傳輸損耗、噪聲溫度間的關(guān)系 從圖中可以看出，隨著頻率的增加，雨水的影 響越大；而雨量愈大，超疏水表面對系統(tǒng)傳輸損耗 和噪聲溫度的改善也愈顯著。天線罩表面的疏水性 是影響雨天雷達電訊可靠性的重要性能。 1．3 疏水表面的耐候性 疏水表面的潤濕性并不是一成不變的，表面 疏水材料若受到大氣污染、機械磨損或因紫外線照 射、大氣環(huán)境腐蝕等作用下極易退化，表面接觸角 逐步減小，最終成為不疏水表面，天線罩表面的傳 輸損耗也會迅速增加。固體表面的疏水材料大多由 高分子材料制成，強紫外輻射和雨水侵蝕對材料的 老化影響最大，在惡劣環(huán)境下疏水表面的老化速度 很快，往往兩到三年就退化成不疏水表面。圖3為某 產(chǎn)品天線罩表面在戶外暴曬兩年后表面材料老化成為不疏水表面。
圖3 天線罩疏水表面在戶外暴曬兩年后的老化表面 對雷達天線罩本身來說，其基材是由高分子復(fù) 合材料制成，在高溫、高濕和強輻射的惡劣環(huán)境中 基體材料也受到環(huán)境老化的影響，不加防護措施的 天線罩將很快粉化開裂，基體樹脂吸水后會使其透 波性能及力學(xué)性能逐步下降。所以天線罩的表面防護 性能在考慮其疏水性的同時必須高度重視其耐候性。 2 天線罩疏水耐候表面制備 天線罩的表面疏水性是影響雷達電性能的重 要因素，所以在設(shè)計時就應(yīng)考慮天線罩表面的疏水 性。在充分了解國內(nèi)外天線罩表面疏水性的發(fā)展?fàn)?況后，近年來我們開展了“復(fù)合材料表面超疏水性 耐候涂層”等相關(guān)課題研究，經(jīng)大量的實驗研究和 工程應(yīng)用，開發(fā)形成了天線罩表面疏水性耐候復(fù)合 涂層工藝技術(shù)，已成功應(yīng)用于某雷達天線罩上。其 主要關(guān)鍵技術(shù)是天線罩疏水耐候涂料研制和天線罩 疏水涂層施工工藝技術(shù)等。 2．1 天線罩疏水耐候涂料 從固體表面疏水原理可知，疏水表面是主要通 過降低材料的自由能和修飾微納結(jié)構(gòu)等技術(shù)手段來 制備，對天線罩等高分子材料來說，制備疏水表面 的主要解決途徑是涂覆低表面自由能的疏水涂料， 并獲得粗糙的微納表面結(jié)構(gòu)。因此疏水涂料的性能 是決定天線罩表面疏水性的主要因素，疏水涂料的 制備首先應(yīng)選擇表面自由能低的樹脂，而有機硅樹 脂和有機氟樹脂是已知物質(zhì)中表面自由能最低的。 2．1．1 有機硅樹脂 有機硅樹脂一般是指具有高度支鏈結(jié)構(gòu)的聚硅 氧烷，其分子鏈具有良好的柔順性，易轉(zhuǎn)變成自由 能較低的結(jié)構(gòu)，因此與其他聚合物相比其表面自由 能相對較低，僅比有機氟樹脂略高。但有機硅樹脂 涂料一般存在附著力較差等缺點，通常可以使用環(huán) 氧樹脂、丙烯酸樹脂和聚氨酯樹脂等對其改性，從而 具有不同樹脂的優(yōu)點，更適合于實際工程化應(yīng)用。 2．1．2 有機氟樹脂 有機氟樹脂是指聚合物分子鏈上含有氟原子的 一種高分子材料。因氟原子的電負(fù)性大和直徑小， 會促使碳原子在表層產(chǎn)生聚集效應(yīng)，使得有機氟樹 脂具有很低的表面自由能和表面張力。另外C－F鍵的鍵能高達460．2 kJ／mol，是已知化學(xué)鍵中最高的，因 此其分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，不易老化斷裂。與其他樹 脂相比，有機氟樹脂在表面疏水性、耐摩擦性和耐 候性等方面都有著不可比擬的優(yōu)勢，但也存在著涂 層成膜困難、固化溫度高和附著力不高等缺點，而 且成本很高。通常有機氟樹脂也是通過其他樹脂改 性才可適合產(chǎn)品實際應(yīng)用。近年來，人們對有機氟 樹脂的研究不斷深入，一些具有新型功能的特殊材 料也不斷問世。 2．1．3 疏水涂料制備 有機硅樹脂和有機氟樹脂均是疏水性能優(yōu)異的 材料，但采用單一樹脂無法制備出綜合性能好的涂 料，必須由兩種或兩種以上的樹脂通過物理或化學(xué) 的方法進行改性，目前應(yīng)用于天線罩表面涂覆的常 用幾種樹脂性能對比見表1［3，4］。 表1 天線罩涂覆涂料常用樹脂性能對比
樹脂改性分物理方法和化學(xué)方法，物理方法是 將兩種樹脂直接混合攪拌，但存在分散性不好和成 膜性能差等缺點；化學(xué)方法有分子鏈接枝和樹脂共 聚等，涂料兼有兩種樹脂的優(yōu)異性能，是目前普通 采用的改性方法。樹脂改性涂料已得到一定的工業(yè) 化應(yīng)用，涂覆在天線罩表面，可使原本親水的固體 表面的接觸角大大增加，具有一定的表面疏水性。 為進一步改善涂料的疏水性，可以在改性樹 脂涂料中添加少量的納米超細(xì)填料，從而使制備 的涂層具有納米微納結(jié)構(gòu)，表面接觸角可以提高到 130～150°左右，達到超疏水效果。表2是納米填料 的添加量對涂層接觸角的影響實驗結(jié)果。 表2 天線罩涂覆涂料常用樹脂性能對比
從表2可以看出，改性樹脂涂料加入納米填料 后，涂層的接觸角明顯增大，隨著納米填料添加量 的增加，涂層的接觸角先增大后減小，當(dāng)納米填料 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．4％時，接觸角達到最大。隨著納米填 料用量的繼續(xù)增加，涂層接觸角反而減小，這是由 于添加過量的納米粒子容易出現(xiàn)團聚，減少了納米 級粒子所占的比例，引起了涂層接觸角下降。 天線罩表面疏水涂料的選擇和改性還必須同時 考慮涂層的耐候性、透波性和附著力等，目前常見 涂料有氟改性聚氨酯、氟改性環(huán)氧樹脂和有機硅改 性聚氨酯等，再通過添加定量的納米超細(xì)填料，能 夠進一步提高涂料的疏水性能。 2．2 天線罩疏水涂層施工工藝技術(shù) 天線罩疏水耐候涂層的配套施工工藝是保證涂 層能夠工程化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，同時進一步提高涂 層的疏水性、耐候性和附著力，我們經(jīng)過課題實驗和 中試，形成了“天線罩疏水復(fù)合涂層工藝技術(shù)”。 2．2．1 基材處理在天線罩復(fù)合材料外蒙皮成型時加一層防水潤 滑膜，使天線罩自身基體表面具有一定的疏水性， 并能減少天線罩的吸水率。為增強底漆的附著力， 需要先徹底去除天線罩表面的脫模劑，然后機械打 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，其附著力 很難達到要求，中間需要涂覆底漆過渡，常用底漆 有環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂以及其他一些樹脂改性涂 料，為提高附著力和配套性，可以涂覆多道底漆， 每道底漆的厚度和粗糙度不同。經(jīng)試驗，復(fù)合底漆 與基材和疏水面漆的結(jié)合力均能滿足使用要求。 2．2．3 疏水面漆 疏水面漆選用有機硅改性樹脂涂料或氟樹脂改 性涂料。為進一步提高表面疏水性，可通過控制面 漆的噴涂工藝，制備出不同粗糙度的涂層。試驗表 明，控制不同的涂料黏度和噴涂距離、角度，得到 的涂層疏水性能有很大區(qū)別。在正常噴涂條件下， 制備的涂層表面平整、光滑；改變噴涂工藝參數(shù)， 可以制備出表面略粗糙，有一定的微突結(jié)構(gòu)的涂 層，疏水效果顯著提高，從而達到超疏水的涂層表 面，表面接觸角達150°以上 3 國內(nèi)外對比 國外很早就研究了天線罩表面疏水性，美國、 日本和英國等國最早將高疏水性涂料涂覆在天線罩 上，得到疏水且耐老化的表面，大大提高了雨天的 電訊可靠性［5］。目前，國外在含氟樹脂等高疏水性涂 料的生產(chǎn)和施工方面的技術(shù)已相當(dāng)成熟；國內(nèi)在雷 達天線罩專用的超疏水性涂層技術(shù)方面研究很少， 還未見公開報道。圖4是美國某公司的疏水天線罩表 面，圖5是我們制備的超疏水天線罩表面，圖6是常 規(guī)聚氨酯涂層表面的水珠狀況。 經(jīng)測量，我們制作的天線罩已達到超疏水表面，其表面接觸角達150°以上，已接近或達到國外 同類產(chǎn)品的水平。目前，提高該涂層的施工工藝性 能、涂層附著力、耐候性和防靜電等其他功能性研 究是進一步的工作重點。
4 結(jié) 語 為確保雷達全天候工作的電訊可靠性，提高 天線罩表面的疏水性是減少雨水傳輸損耗的重要手 段。在天線罩表面涂覆高疏水耐候性復(fù)合防護涂層 可達到超疏水性和防老化效果，并可防積水和防積 雪裹冰，可靠性大大提高，具有良好的應(yīng)用前景。研制開發(fā)雷達天線罩表面超疏水高耐候涂層是產(chǎn)品 的迫切需求，也是未來的發(fā)展方向。 |
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