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CN105829827A - 复合防弹雷达罩壁及其制造方法 - Google Patents

复合防弹雷达罩壁及其制造方法 Download PDF

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CN105829827A
CN105829827A CN201480038122.8A CN201480038122A CN105829827A CN 105829827 A CN105829827 A CN 105829827A CN 201480038122 A CN201480038122 A CN 201480038122A CN 105829827 A CN105829827 A CN 105829827A
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CN
China
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cover wall
core
radar cover
wall construction
composite radar
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Application number
CN201480038122.8A
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English (en)
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路易斯·科拉克
马克·米洛特兹尼克
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DSM IP Assets BV
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DSM IP Assets BV
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    • F41H—ARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
    • F41H5/00—Armour; Armour plates
    • F41H5/02—Plate construction
    • F41H5/04—Plate construction composed of more than one layer
    • F41H5/0471—Layered armour containing fibre- or fabric-reinforced layers
    • F41H5/0478—Fibre- or fabric-reinforced layers in combination with plastics layers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
    • F42B10/00—Means for influencing, e.g. improving, the aerodynamic properties of projectiles or missiles; Arrangements on projectiles or missiles for stabilising, steering, range-reducing, range-increasing or fall-retarding
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Abstract

本发明涉及复合雷达罩壁结构(10)，其既展现出防弹性能又展现出雷达透明性能，并且包含内部固态无空隙的防弹芯(12)和外部抗反射(AR)表面层(14?1，14?2)，所述表面层将芯夹在中间。防弹芯可以是由带材和/或纤维形成的角度偏向的单向聚乙烯单层的压缩叠层。面片材(16?1，16?2)和/或一个或多个阻抗匹配层(27，28)可以任选地位于防弹芯与一个(或两个)外部AR层之间，从而将芯与AR表面层结合和/或将雷达罩壁结构选择性地调谐至与雷达系统相关联的传送和接收的频率。

Description

复合防弹雷达罩壁及其制造方法
本文中公开的实施方式涉及雷达罩，该雷达罩可被有用地用于由雷达天线构成的雷达系统中。本文中公开的雷达罩的实施方式既具有防弹性能又具有电磁传输性能，因此尤其应用于可能暴露在弹道威胁的雷达系统中，例如装载在各种战斗车辆、船和飞机上的雷达系统。
雷达罩是雷达系统(即，包含雷达天线的系统)的电磁罩，其用于保护系统免受环境要素和威胁的影响，例如保护其免受诸如风、雨、冰雹等影响。雷达罩的一个重要的要求是，雷达罩基本上不会对穿过该雷达罩的雷达波产生不利影响；当被反射的雷达波重新进入该雷达罩而被雷达天线接收时亦如此。因此，原则上雷达罩应具有两个主要品质，即对环境要素足够的结构完整性和耐久性以及足够的电磁透明性(即，在整个雷达罩内提供令人满意的雷达波传输效率的足够的电磁性能)。
雷达罩的电磁性能通常是通过雷达罩使在一个方向上穿过雷达罩的雷达波反射、失真和衰减最小化的能力来测定的。传输效率与雷达罩对雷达波的表观透明性(apparent transparency)类似，并表示为当在系统上不使用雷达罩盖时测得的雷达的传输功率的百分比。由于雷达罩可以被认为是电磁装置，所以可以通过调谐雷达罩来优化传输效率。根据包括雷达罩壁的厚度及其组成的几个因素，来管理雷达罩的调谐。例如通过仔细地选择具有确定的介电常数和损耗正切的材料(介电常数和损耗正切均为雷达系统传送或接收的波频率的函数)，可以调谐雷达罩。调谐不良的雷达罩会使雷达波在不同方向上衰减、散射并反射，这对雷达信号的质量产生有害影响。
业已发现表现良好的目前已知的雷达罩壁结构被称为A-夹层构造。A-夹层雷达罩壁包含具有膨胀的芯(如蜂窝或含泡沫的芯)的复合板，该芯由通常含环氧/玻璃纤维叠层的表皮来界定。整个夹层构造(芯和表皮)的厚度约为雷达波的近入射角(near incidence angles)的四分之一波长厚。这样的A-夹层雷达罩壁例如由EP 0 359 504、EP 0 470 271、GB 633,943、GB 821,250、GB 851,923、US 2,659,884、US 4,980,696、US 5,323,170、US 5,662,293、US 6,028,565、US 6,107,976和US 2004/0113305公开，所有这些引用的出版物以及本文中引用的其它出版物的全部内容均通过引用明确并入本文中。
尽管这些目前已知的A-夹层构造展现出合适的电磁透明性并且提供了足够的结构完整性来保护雷达系统免受一般的环境威胁，但是它们不能提供防弹保护。采用雷达系统的各种战斗运载工具(例如步兵车、载人飞机和无人飞机、以及海军舰艇)会潜在地受到反对力量的弹道威胁，这当然是不言自明的。因此，如果所提供的雷达罩壁结构既能够具有足够的电磁透明性能又具有足够的防弹性能，则将是非常有益的。本文中所公开的实施方式涉及在此方面提供这样的改进。
一般来说，本文中所公开的复合雷达罩壁结构包含内部固态无空隙的防弹芯和外部抗反射(AR)表面层，所述表面层将芯夹在中间。根据某些实施方式，防弹芯包含由角度偏向的单向聚烯烃(例如聚乙烯或聚丙烯，尤其超高分子量聚乙烯(UHMWPE))单层的压缩叠层，如下文中更详细描述。面片材(face sheet)和/或一个或多个阻抗匹配层(impedancematching layer)可以任选地位于防弹芯和外部AR层的一个(或两个)之间，从而将芯与一个或多个AR表面层结合和/或将雷达罩壁结构选择性地调谐至与雷达系统相关联的传送和接收的频率。
可被用在本文中所公开的复合雷达罩壁结构中的阻抗匹配表面的一个实例是泡沫，即例如膨胀聚合物材料，以获得超宽频性能同时维持良好的结构和防弹性能。适用于制造这种泡沫的聚合物材料是热塑性和热固性材料，其实例包括聚异氰酸酯、聚苯乙烯、聚烯烃、聚酰胺、聚氨酯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚乙烯基化合物、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酰亚胺及其共混物，还包括其他的合成材料，例如橡胶和树脂。优选的聚合物材料的合适实例包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚醚酰亚胺(PEI)、间位芳族聚酰胺、环氧树脂、氰酸酯、PTFE和聚丁二烯。泡沫的具体例子是复合泡沫塑料(syntactic foam)，即含玻璃微球的泡沫。这样的泡沫是本领域已知的，其具体实例在上述出版物中给出了。优选地，聚合物泡沫为闭孔泡沫，即，其中大多数的孔(cell)(优选地全部孔)完全被孔壁所包围的泡沫。优选地，所述泡沫的孔的直径在1μm到80μm的范围内，更优选在5μm到50μm的范围内，最优选在10μm到30μm的范围内。优选地，所述泡沫的密度介于20和220kg/m3之间，更优选介于50和180kg/m3之间，最优选介于110和140kg/m3之间。优选地，泡沫的介电常数为至多1.40，更优选至多1.15，最优选至多1.05。优选地，根据ASTM D1621测量，泡沫的压缩模量为13000psi，更优选为15000psi，最优选为25000psi。在另一个实施方式中，膨胀聚合物材料可以是开孔泡沫或蜂窝。它们共同的特点是，这两种类型的膨胀材料都具有未完全被孔壁包围的孔。
复合雷达罩壁结构通常会展现出在2至40GHz的频率下90％或更大的电磁传输效率。因此，根据某些实施方式，在整个2至40GHz的频率范围上会发生0.5dB或更小的传输损失。
除了上文提到的雷达透明性外，根据本文中所公开的实施方式的雷达罩壁结构将展现出防弹性能，特别是国家司法研究所(NIJ)的标准水平III的防弹性能。这些防弹性能确保了雷达罩壁结构提供对抗7.62mm、150格令(9.6克)全金属外壳(FMJ)抛射体的保护，该抛射体具有约2800fps(约847.0m/s)的V50和约3.37x 103至约3.52x 103焦耳之间的动能。
一些优选的实施方式将包括防弹芯，该防弹芯由角度偏向的单向聚乙烯单层的压缩叠层构成。角度偏向的单向聚乙烯单层的叠层可以是单向聚乙烯带材的形式，尤其由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)形成的带材。
根据一些实施方式的抗反射(AR)外部表面层是亚波长表面(SWS)结构，例如由聚丙烯膜构成的SWS结构，其中聚丙烯膜被微型机械加工(例如，经由激光)从而展现出适用于X-波段频率(8-18GHz)的凹陷的浮雕结构。
其他功能层可以被插入防弹芯和AR表面层之间。例如，由增强的树脂基质(诸如氰酸酯树脂、环氧树脂等)构成的至少一个面层可以被插入芯和AR表面层中的任何一个(respective one)(或每一个)之间。在这种面层中用于树脂基质的增强可以包含以纤维状、网状、颗粒状或其他形式的玻璃、石墨、碳或类似的结构增强填料。一些优选的实施方式将包含由玻璃增强的氰酸酯树脂基质构成的面层。
当形成作为雷达罩的一部分来保护与雷达系统相关的雷达天线时，雷达罩壁结构可以具有任意形状。因此，壁结构可以是平的或弯曲的。通常，雷达罩及其相关的壁结构是凸形弯曲的。
在仔细考虑了下文中对本发明目前优选的示例性实施方式的详细描述后，本发明的这些方面和其他方面将变得更加清楚。
图1是根据本发明的一个实施方式的雷达罩壁结构的横截面透视图。
图1A和1B分别较详细地描绘图1的雷达罩壁结构中所采用的抗反射(AR)层。
图2是关于根据本发明的一个实施方式的雷达罩壁结构和按照下文实施例1构建的其他对比雷达罩壁结构的传输损失(dB)vs.频率(GHz)的图。
图3A和3B是常规的不防弹雷达罩蜂窝状复合壁结构和如图2中所描绘的根据本发明的一个实施方式的防弹雷达罩壁结构的频率(GHz)vs.入射角(度)的传输损失(dB)的图。
图4和5分别是关于根据本发明的一个实施方式的雷达罩壁结构和按照下文实施例2构建的其他对比雷达罩壁结构的传输损失(dB)vs.频率(GHz)和传输功率百分比(％)vs.频率(GHz)的图。
图6是根据本发明的另一个实施方式的雷达罩壁结构的横截面透视图。
图7和8分别是关于根据本发明的一个实施方式的雷达罩壁结构和按照下文实施例3构建的其他对比雷达罩壁结构的传输损失(dB)vs.频率(GHz)和传输功率百分比(％)vs.频率(GHz)的图。
本文中所公开的复合雷达罩壁结构既展现出防弹性能又展现出雷达透明性能。因此，该雷达罩壁结构可以有用地被用来形成雷达罩，例如典型地保护雷达天线的圆顶形结构。雷达罩可以是平的、卵形等，但通常优选地为圆顶形的。雷达罩出现在飞机、车辆、航海船只和陆基设施上。
如之前提到的，本文中所公开的复合雷达罩壁结构通常将包含内部固态无空隙的防弹芯和将芯夹在中间的外部表面层。一个或多个其他功能层可以任选地位于防弹芯与外部AR表面层的一个(或二者)之间，从而增强芯与AR表面层的结合和/或选择性地调谐雷达罩壁结构至与雷达系统相关联的传输和接收频率。
防弹芯最优选地为固态无空隙聚合物材料(例如选自聚乙烯和/或聚丙烯的聚烯烃)，其具有多个单向取向的聚合物单层，所述单层以相对于彼此成一定角度交叉叠置(cross-plied)并压缩。根据一些优选实施方式，每个单层都是由基本上不含结合树脂的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)构成的。
形成单层的UHMWPE可以是如US 7,993,715和8,128,778(通过引用全部并入本文)中所公开的带材的形式。优选地，用于形成芯的带材可以具有至少2mm、更优选地至少5mm、最优选地至少10mm的宽度。但仅受实际情况限制，带材可以具有至多400mm或者有时至多300mm或者有时至多200mm的宽度。
带材可以具有5至200g/m2、有时8至120g/m2、有时10至80g/m2的面密度。带材的面密度可以通过将来自带材的方便切割的表面称重来确定。带材可以具有至多120μm、有时至多50μm和有时5至29μm的平均厚度。平均厚度可以例如在带材的不同的横截面上用显微镜来测定，并将结果取平均值。
可用于制造带材的合适的聚烯烃具体地为乙烯和丙烯的均聚物和共聚物，还可以包含少量的一种或多种其他聚合物、具体地其他烯烃-1-聚合物。
如果选择线性聚乙烯(PE)作为聚烯烃，则获得特别好的结果。本文中“线性聚乙烯”被理解为指的是具有每100个C原子小于1个侧链的聚乙烯，优选地每300个C原子小于1个侧链的聚乙烯；侧链或支链通常包含至少10个C原子。如在诸如EP 0269151中所提到的，侧链可以适宜地通过FTIR在2mm厚的压缩模制的膜上来测定。线性聚乙烯还可以包含至多5摩尔％的可与之共聚的一种或多种其他烯烃，例如丙烯、丁烯、戊烯、4-甲基戊烯、辛烯。优选地，线性聚乙烯具有高摩尔质量，特性粘度(IV，在135℃下对在十氢化萘中的溶液测定)为至少4dl/g；更优选地至少8dl/g。这种聚乙烯也被称为超高摩尔质量聚乙烯。特性粘度是分子量的一个量度，其可以比实际摩尔质量参数如Mn和Mw更容易地被测量。在IV与Mw之间存在多种经验关系，但这种关系高度依赖于分子量分布。基于方程Mw＝5.37x 104[IV]1.37(参见EP 0504954 A1)，4或8dl/g的IV分别相当于约360或930kg/mol的Mw。
带材也可以通过如下来制备：将聚合物粉末进料到一组环形带之间，在低于其熔点(也被称为熔融温度)的温度下压缩模制聚合物粉末，并将所得到的经压缩模制的聚合物滚压，然后拉伸。该过程描述于例如EP 0733 460 A2中，该文献通过引用并入本文。压缩模制也可以通过在传送期间将聚合物粉末临时保留在环形带之间来进行。例如，这可以通过提供与环形带连接的压板和/或辊来实现。优选地，在该过程中使用UHMWPE，并且需要其在固态中是可拉伸的。
形成带材的另一个优选的方法包括：将聚合物进料到挤出机中，在高于其熔点的温度下将带材挤出并将挤出的聚合物带材拉伸。优选地，聚乙烯带材是通过凝胶工艺制备的。合适的凝胶纺丝工艺描述于例如GB-A-2042414、GB-A-2051667、EP 0205960 A和WO 01/73173 A1中，以及“Advanced Fibre Spinning Technology”，Ed.T.Nakajima，Woodhead Publ.Ltd(1994)，ISBN 185573 182 7中。通过使用狭缝挤出模具，可以容易地改变这类方法，来生产带材。简言之，凝胶纺丝工艺包括：制备具有高特性粘度的聚烯烃的溶液，在高于溶解温度的温度下将该溶液挤出成带材，将该带材冷却低于凝胶温度，从而使带材至少部分胶凝化，并在至少部分地去除溶剂之前、期间和/或之后将带材拉伸。
所生产的带材的拉伸、优选地单轴向拉伸可以通过本领域中已知的方式进行。这些方式包括在合适的拉伸单元上挤出伸长和拉延伸长。为了获得提高的机械强度和刚度，可以在多个步骤中进行拉伸。在优选的超高分子量聚乙烯带材的情况下，拉伸通常在许多拉伸步骤中单轴向地进行。例如，第一拉伸步骤可以包括拉伸到3的伸长因子。在聚烯烃是UHMWPE的情况下，优选地使用多步拉伸方法，在该方法中拉伸温度至多120℃时以9的因子使带材伸长，拉伸温度至多140℃时以25的伸长因子使带材伸长，并且在拉伸温度至多150℃以及高于150℃时以50的伸长因子使带材伸长。通过升高的温度下多步拉伸，可以达到约50及更大的伸长因子。这导致高强度的带材，从而对于超高分子量聚乙烯的带材来说，可以容易地获得1.2GPa至3GPa的强度范围。
所得到的经拉伸的带材本身就可以使用，或者它们可以被切成期望的宽度或者沿拉伸的方向分裂。对于UHMWPE带材来说，面密度优选地小于50g/m2，并且更优选地小于29g/m2或25g/m2。优选地，带材具有至少0.3GPa、更优选地至少0.5GPa、甚至更优选地至少1GPa、最优选地至少1.5GPa的拉伸强度。
多个聚烯烃带材将形成单层，然后每个单层可以与其他相邻单层相对于带材的单向拉伸偏向地层叠，从而形成芯。带材可以以重叠或边缘邻接的方式并肩放置。根据一些实施方式，每个单层的带材可以是纺织成的，如在诸如WO 2006/075961中所描述，该文献的内容通过引用并入本文。在这方面，纺织层可以由带状经纱和纬纱制成，包括如下步骤：添加带状经纱以辅助梭口(shed)的形成和织物卷取(take-up)；将带状纬纱插入由所述经纱形成的梭口；将所插入的带状纬纱留置在织物的织口(fabric-fell)上；并将所生产的纺织层卷取；其中插入带状纬纱的步骤涉及通过夹紧的方式在基本上平的条件下抓紧纬纱带材并提拉纬纱带材穿过梭口。在被留置在织物的织口位置之前，所插入的纬纱带材优选地是从其供应源在预定的位置切下的。当纺织带材时，在纺织工艺中使用特别设计的纺织元件。尤其合适的纺织元件描述于US 6,450,208中，该文献的内容也通过引用并入本申请中。优选的纺织结构为平纹织物(plain weaves)、方平网眼织物(basket weaves)、缎纹织物(satin weaves)和破斜纹织物(crow-foot weaves)。平纹织物是最优选的。
优选地，在层片(ply)的层中纬纱方向与相邻层片中层的纬纱方向具有一定角度，该角度约为90°。
在另一个实施方式中，带材的层包含一批单向排列的带材，即带材沿着共同的方向延伸。尽管带材可以沿其长度部分重叠，但它们也可以沿其长度边缘邻接。如果重叠的话，重叠的区域可以为约5μm至约40mm宽。优选地，在层片的层中带材的共同方向与相邻层片的层中带材的共同方向具有一定角度。相邻单层之间的偏向角度可以是约20至约160°、有时约70至约120°以及还有时为约90°的角度。
然后，可以在低于聚乙烯熔点温度的温度下、优选地110至150℃和10至100N/cm2的压力下，将带材压缩。然后，将所得到的单层与其他单层组装成叠层。
然后，可以将偏向叠置的(bias-plied)单层的叠层(优选地不含结合树脂或结合材料)在增大的压力和升高的温度下压缩，压缩的时间足以形成防弹芯。根据一些实施方式，芯可以包含70至280个相对于彼此以一定角度压缩的聚乙烯单层。
单层的叠层可以在低于UHMWPE的熔点的温度下压缩。通常，压缩单层的叠层可以在约90至约150℃、有时约115℃至约130℃的压缩温度下完成，任选地在基本上恒定的压力下冷却至低于70℃。“压缩温度”指的是经压缩的单层叠层的厚度的一半时的温度。可以采用100至180bar、有时12至160bar的压缩压力和约40至约180分钟的压缩时间。
防弹芯可以额外地包含或者替代地包含含有单向(UD)取向纤维的单层，例如在美国专利Nos.5,766,725和7,527,854和美国专利申请出版No.2010/0064404中更完整地公开(每篇文献的整个内容都通过引用明确地并入本文中)。防弹芯中的纤维可以具有3.5至4.5GPa的拉伸强度。纤维优选地具有3.6至4.3GPa、更优选地3.7至4.1GPa或最优选地3.75至4.0GPa的拉伸强度。甚至更优选地使用通过例如在GB 2042414 A或WO 01/73173(通过引用并入本文中)中所描述的凝胶纺丝工艺制备的由聚乙烯丝线组成的高性能聚乙烯纤维或高度拉伸的聚乙烯纤维。这些纤维的优点是，它们具有非常高的拉伸强度以及轻的重量，使得它们尤其非常适合用于轻重量的防弹制品。
可以通过基质材料的方式将形成单层的UD纤维结合在一起，基质材料可以将纤维整体或部分地包围，以使在处理和制备预成型的片材时单层的结构得以保持。基质材料可以以各种形式和方式应用；例如作为纤维单层之间的膜，作为在单向排列的纤维之间的横向连接条，或者作为横向纤维(相对于单向纤维横向)，或者通过用基质材料浸渍和/或嵌入纤维中。
当本文中使用时，术语“防弹性能”指的是制品实现了对抗V50为2800fps的7.62mm、150格令(grain)全金属外壳(FMJ)抛射体的国家司法研究所(NIJ)的III水平标准保护并且/或者实现了国家司法研究所(NIJ)的IV水平标准，这相当于大于标称速度为868m/s、重量为10.8克的30口径AP子弹的动能。
刚性芯的厚度可以变化，只要它具有防弹性能即可。一般来说，芯的厚度可以从约10mm至约60mm、有时甚至约15mm至约40mm变化。芯的一些实施方式将具有约25mm(+/-约0.5mm)的厚度。
前文所描述的防弹芯优选地被夹在一对外部抗反射(AR)表面层之间。AR表面层可以是实现所期望的雷达透明性的材料的涂层或膜。根据一些实施方式，AR表面层是适用于X-波段(8-18GHz)频率的亚波长结构(SWS)。
术语“亚波长结构”(简称“SWS”)指的是具有小于入射辐射波长的尺寸的表面浮雕光栅的材料层。抗反射层可以例如根据Mirotznik等的Broadband Antireflective Properties of Inverse Motheye Surfaces，IEEETransactions on Antennas and Propagation，Vol.58，No.9，2010年9月和Mirotznik等的Iterative Design of Moth-Eye Antireflective Suraces at millimeterwave Frequencies，Microwave and Optical Technology letters，Vol.52，No.3，2010年3月中所描述的技术来形成，每篇文献的整个内容都通过引用明确并入本文中。
根据某些实施方式，复合雷达罩壁结构的外部SWS层将由微型机械加工(例如，经由激光)的聚丙烯膜构成，该聚丙烯膜的厚度为约2至约10mm、有时约4至约6mm。根据某些实施方式，可以使用厚度为约4.5至约5mm的聚丙烯膜。
可以将聚丙烯膜进行激光加工，以实现致密的多个凹陷的浮雕结构，该浮雕结构由上方的大体圆柱形凹部和与该凹部同心放置的下方的大体圆柱形孔(aperture)组成。上方凹部的平均深度和直径的范围均可以为约4.0至约6.0mm。优选地，对于K-波段频率来说，上方凹部的平均深度和直径将分别典型地为约4.64mm和5.16mm。下方孔的平均深度和直径将分别典型地为约2.5至约3.0mm和约4.5至约5.0mm。对于K-波段频率来说，下方孔的平均深度和直径将分别典型地为约4.88mm和约2.78mm。凹陷的浮雕结构以多个与相邻的凹陷浮雕结构的中心相偏离的(offset)致密的行和列形式对称地放置，各凹陷的浮雕结构彼此分隔约5.0至约7.0mm、典型地约6.0mm。
蛾眼(Moth-eye)表面可以向外突出或者是向内反转的凹部。优选地，对于本发明所公开的实施方式来说，蛾眼表面是向内反转的凹部。从本质上来说，蛾眼表面产生有效的介电常数其提高电磁信号的传输效率，尤其是从空气(ε空气≈1.0)到雷达罩外层传输。这也可以采用具有特定调谐介电性质和厚度的堆叠膜层来实现。可以用各种各样的材料使用该技术，然而目前优选的是使用与相反的蛾眼技术SWS结构配合的交联的聚苯乙烯微波塑料(聚苯乙烯)。可以令人满意地使用的另一种材料是介电常数范围为3.0至15的低损耗塑料类(plastic stock)(例如HiK材料)。蛾眼表面可以经由CNC机器来制造，通过根据本领域技术人员公知的技术由所期望的频率响应确定制造的规格。
在防弹芯和外部AR表面层之间可以采用额外的层，以增强芯与AR表面层的结合和/或使雷达罩壁结构与所期望的雷达频率范围阻抗匹配。
防弹芯与面片材之间的粘附优选地是通过使用热塑性粘合剂来实现的。尤其优选的是离子交联聚合物等级的热塑性树脂，例如乙烯/甲基丙烯酸(E/MAA)共聚物，其中MAA酸基团已经用钠离子部分地中和了。用于此用途的一个当前优选的树脂为8150钠离子交联聚合物热塑性树脂。
防弹芯和面片材的表面结合也可以通过等离子体和/或电晕处理技术来实现。
可以采用的一个这样的额外层是由插在AR层和防弹芯之间的增强的树脂基质层形成的面片材。诸如氰酸酯树脂和/或环氧树脂的树脂基质可以用于该目的。氰酸酯树脂在本领域中已知为具有所期望的电性能和热性能。氰酸酯树脂描述于例如US 3,553,244中，该文献通过引用包含于本文中。这些树脂的固化是通过加热来实现的，特别是在催化剂的存在下实现，所述催化剂诸如US 4,330,658；US 4,330,669；US 4,785,075和US 4,528,366中所描述的那些。本文中“氰酸酯树脂”也被理解为氰酸酯树脂的共混物，例如US 4,110,364；US 4,157,360，US 4,983,683；US 4,902,752和US4,371,689所公开的那些。
优选地，氰酸酯树脂是阻燃性氰酸酯树脂，例如日本专利No.05339342和US 4,496,695中所公开的树脂，上述文献描述了氰酸酯与溴化环氧化物的共混物，或聚(亚苯基醚)(PPE)、氰酸酯与溴化环氧化物的共混物。更优选地，氰酸酯树脂是溴化氰酸酯的阻燃共混物(如US4,097,455和4,782,178中所公开)或氰酸酯与双(4-乙烯基苄基醚)或溴化双酚的共混物(如US 4,782,116和4,665,154中所公开)。氰酸酯与溴化聚(亚苯基醚)、聚碳酸酯或丙烯酸五溴苄酯(pentabromobenzylacrylates)的共混物(如日本专利No.08253582中所公开的)也适合用于本发明中。
用于形成面层的树脂基质的合适的环氧树脂可以例如是，基于涂料配制物的总重量，以约20重量％至95重量％的量包含环氧单体或树脂的那些。一些实施方式将在可固化涂料配制物中包含约30重量％至约70重量％的环氧单体。可以使用的环氧树脂包括来自Shell Chemical CompanyHouston，Tex.的EPON树脂，例如EPON树脂1001F、1002F、1007F和1009F，以及2000系列粉末状EPON树脂，例如EPON树脂2002、2003、2004和2005。环氧单体或树脂可以具有高的交联密度、约3或更大的官能度和小于250的环氧当量。根据本发明的实施方式可以采用的示例性环氧包括Dow Chemical Company(Midland，Mich.)环氧酚醛树脂D.E.N.431、D.E.N.438和D.E.N.439。
用于环氧树脂的固化剂也可以以环氧组分的约1重量％至约10重量％的量添加。固化剂可以是催化剂或反应物，例如反应物二氰二胺。基于涂料配制物的重量，约1重量％至约50重量％的环氧溶剂也可以包含于涂料配制物中。可以添加环氧溶剂，以液化环氧单体或树脂或者调节其粘度，或者其中磷酸三乙酯和乙二醇是优选的。根据本发明的一些实施方式，可以不需要单独的环氧溶剂，其中环氧在室温下是液体，或者其中涂料配制物的氟化单体或表面活性剂组分充当环氧的溶剂。
根据本发明的某些实施方式的面片材将优选地展现出至多6.0、有时至多5.0和还有时至多4.0的介电常数(ε)。根据一些实施方式，面片材将展现出介电常数。优选地，面片材的所述介电常数(ε)将是约2.0至约4.0、有时3.0至3.75。可以有利地采用介电常数(ε)为约3.5至约3.7的由玻璃增强的氰酸酯树脂形成的面片材。
可以使用同轴探头采用放入无电磁噪声空间中的电磁传输线，常规地测量环氧树脂的介电常数和介电损失。优选地，增强的面片材的介电损失为至多0.025、更优选地至多0.0001。优选地，所述介电常数为0.0001至0.0005。
面片材可以是单个或多个层片膜、沙罩(scrim)、纤维、点、补丁等的形式。优选地，面片材层是沙罩的形式、更优选地膜的形式。面片材层通常以未固化的或部分固化的树脂组合物的形式被直接应用于防弹芯的各自面的表面，该组合物随后在使本发明的材料所包含的诸多层片加固的过程中被固化。面片材可以被插入到外部AR表面层中的每一个和防弹芯之间，或者可以任选地仅被插入到一个芯表面和相应的相邻AR表面层之间。
形成面片材的树脂基质最优选地是用合适的纤维状或颗粒状填料增强的。因此，面片材的树脂基质可以包含纤维状或颗粒状玻璃、石墨和/或碳材料。优选的是玻璃纤维，例如S-玻璃或E-玻璃纤维。
制造方法
可以通过任何常规手段将外部AR表面层和任选的阻抗匹配层组装到防弹芯上。然后，通过对它们施加压力，使由此组装的雷达罩壁预型体的各个层固结，优选地在低于通过DSC测定的聚烯烃的熔融温度(Tm)的温度下进行。有用的压力包括至少50bar、有时至少75bar和还有时至少100bar的压力。固结的温度可以在比Tm低10℃的温度与Tm之间、有时在比Tm低5℃的温度与比Tm低2℃的温度之间。所使用的温度应当高于氰酸酯树脂的固化温度。当使用UHMWPE带材时，合适的温度为120℃至150℃、更优选地130℃至140℃。
面片材与防弹芯的粘附可以通过如下来得到增强：对面片材应用于其上的芯的表面进行电晕处理和/或等离子体处理。
实施例
实施例1
附图1是按照本发明的一个实施方式的雷达罩壁结构10的示意性横截面透视图。图1中所示的雷达罩壁结构10包含由多个固结的UHMWPE单层形成的防弹芯12，如前文所述，该防弹芯被分别夹在外部AR表面层14-1、14-2之间。在所示出的实施方式中，AR表面层14-1、14-2是由SWS结构的经交联聚苯乙烯微波塑料(1422聚苯乙烯)形成的。AR表面层14-1、14-2是蛾眼表面，也就是说每个表面层14-1、14-2均包含经微型机械加工的以凹部形式的亚波长表面(SWS)结构，其代表性的一些分别由参考标号14-1a、14-2a标识出来。
S-玻璃增强的氰酸酯材料的各单个层片面片材16-1、16-2被分别插入到防弹芯12和每个AR表面14-1、14-2之间。
防弹芯12具有约25.4mm的厚度，而每个AR表面层14-1、14-2均为约9.525mm厚。单个层片面片材16-1、16-2为约11密耳(大约0.279mm)厚。
如图2A和2B中所示来构建AR表面层14-1、14-2。在这方面，通过图2A和2B中示例的方式描绘AR表面层14-1，可以理解的是AR表面层14-2是类似地配置的。具体而言。每个SWS结构14-1a是以凹部形式的，其包含上方大体圆柱形的凹部14-1b和大体圆柱形的孔14-1c。上方大体圆柱形的凹部14-1b的直径和深度尺寸D1和d2分别为大约5.195mm和大约4.640mm。下方的孔14-1c的直径和深度尺寸D3和d4分别为大约2.778mm和大约4.885mm。相邻的SWS结构14-1a分隔约6.00mm的距离D5。如图1A中所示，SWS结构14-1a排列成行，其中每个结构14-1a相对于相邻行中的结构14-1a偏离一半的分隔距离D5。
图1的复合雷达罩壁结构具有如图1A和1B中所示的AR表面层14-1、14-2，该复合雷达罩壁结构在约10GHz至约40GHz频率之间的电波暗室中经受垂直入射辐射。做出辐射传输损失(dB)对频率的图，并且与传统的含有蜂窝芯的A-夹层构造雷达罩壁结构做比较。此外，还在不存在外部AR表面层的情况下测试图1的结构。结果示于图2中。
可以看出，本发明的实施方式在感兴趣的整个频率(即26至40GHz)中保持小于0.5dB的传输损失。而且，根据本发明的实施方式的辐射传输损失特性与现有技术的具有蜂窝芯的传统A-夹层雷达罩壁构造在感兴趣的整个26至40GHz频率范围上是可比较的。
图3A和3B示出了，与现有技术的具有蜂窝芯的传统A-夹层雷达罩壁构造相比，根据图1的雷达罩壁结构在不同辐射入射角时的传输损失(dB)。可以看出，两个雷达罩壁结构表现出在感兴趣的整个频率(即26至40GHz)中传输损失在某种程度上是可比较的。
实施例2
重复实施例1，将具有图1A和1B中所示的AR表面层14-1、14-2的图1的复合雷达罩壁结构在约4GHz至约40GHz频率之间的电波暗室中经受垂直入射辐射。结果示于附图4和5中。
在图4和5中可以看出，在整个8至18GHz的X-波段频率上，复合雷达罩壁结构展现出小于0.2dB的传输损失和超过95％的传输功率百分比。
实施例3
图4是按照本发明的另一个实施方式的雷达罩壁结构20的横截面立面图。正如图1的结构，图4中所示的雷达罩壁结构20包含固态无空隙的防弹芯22和外部AR表面层24-1、24-2。S2-玻璃增强的氰酸酯材料的各单个层片面片材26-1、26-2位于防弹芯22的每个相对面的附近，以至于一个片材26-2夹在防弹芯22和AR表面层24-2之间。额外的阻抗匹配层27和28插入氰酸酯片材26-1和AR表面层24-1之间。阻抗匹配层27是被称为HIK材料的介电常数(ε)受控的材料，其可展示出在3-15范围内的介电常数。阻抗匹配层28是介电常数为9的氧化铝(Al203)陶瓷。陶瓷层28的一个额外功能目的是作为防弹保护，因为它充当雷达罩结构20的冲击面以避免高水平威胁例如穿甲(AP)子弹穿透。这些防弹威胁水平通常超过国家司法研究所(NIJ)IV水平标准，这相当于大于标称速度为868m/s、重量为10.8克的30口径AP子弹的动能。
检验图4的结构，以确定具有和没有由外部AR表面层26-1、26-2提供的阻抗匹配层时，在8.0-18.0GHZ的X-波段频率和27.0-40.0GHz的KA-波段频率下的传输功率百分比。结果分别显示于图7和8中。可以看出，具有由AR表面层26-1和26-2提供的阻抗匹配时，在X-波段(图7)和KA-波段(图8)频率范围内获得了超过90％的传输功率。
实施例4
重复实施例1，将一层厚度为0.76mm的结构泡沫(商购自HEXCEL的聚氨酯泡沫)分别插入到S-玻璃增强的氰酸酯材料的各单个层片面片材16-1、16-2和防弹芯12之间。使如此形成的复合雷达罩壁在约4GHz至约40GHz频率之间的电波暗室中经受垂直入射辐射。
防弹芯12的厚度为约25.4mm，而AR表面层14-1、14-2各自的厚度为约6.35mm。单个层片面片材16-1、16-2各自的厚度为约0.75mm。
在整个4至40GHz的X-波段频率上，复合雷达罩壁结构展现出小于0.5dB的传输损失(在垂直入射下，从2至41GHz的传输损失)、良好的结构和弹道性能以及超过90％的传输功率百分比。
虽然本发明已结合目前被认为是最实用和优选的实施方式进行了描述，但应当理解的是，本发明并不限于所公开的实施方式，而与之相反，本发明意图涵盖包含于本发明的精神和范围内的各种修改和等同排列。

Claims (23)

1.复合雷达罩壁结构，其包含内部固态无空隙的防弹芯和抗反射(AR)外部表面层，所述外部表面层将所述芯夹在中间。
2.根据权利要求1所述的复合雷达罩壁结构，其展现出在2至40GHz的频率上90％或更大的电磁传输效率。
3.根据权利要求2所述的复合雷达罩壁结构，其展现出国家司法研究所(NIJ)标准水平III的防弹性能。
4.根据权利要求1所述的复合雷达罩壁结构，其中所述防弹芯包含角度偏向的单向聚乙烯单层的压缩叠层。
5.根据权利要求2所述的复合雷达罩壁结构，其中所述角度偏向的单向聚乙烯单层的压缩叠层包含单向的聚乙烯带材或纤维。
6.根据权利要求3所述的复合雷达罩壁结构，其中所述聚乙烯带材由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)组成。
7.根据权利要求1所述的复合雷达罩壁结构，其中所述抗反射外部表面层是亚波长表面(SWS)结构。
8.根据权利要求7所述的复合雷达罩壁结构，其中所述SWS结构包含经交联的聚苯乙烯膜。
9.根据权利要求8所述的复合雷达罩壁结构，其中所述经交联的聚苯乙烯膜的厚度为约2至约10mm。
10.根据权利要求9所述的复合雷达罩壁结构，其中所述经交联的聚苯乙烯膜是以微型机械加工的，从而展现出凹陷的浮雕结构。
11.根据权利要求10所述的复合雷达罩壁结构，其中相邻的各个所述凹陷的浮雕结构的中心彼此分隔约6.0mm。
12.根据权利要求1所述的复合雷达罩壁结构，其还包含至少一个面片材层，所述面片材层由增强的树脂基质构成，所述树脂基质被插入在所述芯和所述AR表面层中的任何一个之间。
13.根据权利要求12所述的复合雷达罩壁结构，其包含增强的树脂基质层，所述树脂基质层被插入在所述芯和所述AR表面层中的每一个之间。
14.根据权利要求13所述的复合雷达罩壁结构，其中树脂基质面层包含纤维状或颗粒状增强填料。
15.根据权利要求14所述的复合雷达罩壁结构，其中所述增强材料为选自玻璃、石墨和碳中的至少一个。
16.根据权利要求1所述的复合雷达罩壁结构，其还包含至少一个阻抗匹配层，所述阻抗匹配层由陶瓷或聚合物材料构成。
17.根据权利要求16所述的复合雷达罩壁结构，其中所述至少一个阻抗匹配层由陶瓷材料形成并相对于所述芯定位以向所述结构提供冲击面。
18.根据权利要求17所述的复合雷达罩壁结构，其中所述冲击面位于所述AR外部表面层中的外边一个和所述芯之间。
19.雷达罩，其包含根据权利要求1或18所述的雷达罩壁结构。
20.雷达系统，其包含根据权利要求19所述的雷达罩。
21.制备复合雷达罩壁结构的方法，其包括将内部固态无空隙的防弹芯夹在抗反射(AR)外部表面层之间。
22.根据权利要求21所述的方法，其包括在升高的温度和压力下使所述芯和AR表面层固结足够的时间，以获得所述复合雷达罩壁结构。
23.根据权利要求21所述的方法，其中使所述芯和AR表面层固结的步骤是在120℃至150℃的温度下和至少50bar的压力下进行的。
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