國內(nèi)外雷達(dá)天線罩技術(shù)發(fā)展歷史

隨著雷達(dá)大量應(yīng)用于陸、海、空三軍及民航、氣象等領(lǐng)域，雷達(dá)天線罩的應(yīng)用也日益廣泛。天線罩是雷達(dá)的重要組成部分，被稱為雷達(dá)系統(tǒng)的“電磁窗口”。它在雷達(dá)天線的周圍形成一個(gè)封閉的空間，以保護(hù)雷達(dá)天線系統(tǒng)免受風(fēng)、沙、雨、雪、雹的侵襲，緩解氣溫驟變、太陽輻射、潮濕、鹽霧等環(huán)境條件對(duì)天線系統(tǒng)的影響。隨著雷達(dá)工作體制的改進(jìn)，以及參數(shù)捷變、米波、毫米波、擴(kuò)譜和調(diào)頻等新型雷達(dá)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，寬頻響應(yīng)已成為雷達(dá)天線系統(tǒng)重要特征，從而對(duì)雷達(dá)天線罩的透波特性提出了越來越高的要求。

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雷達(dá)天線罩作用及性能要求

隨著雷達(dá)大量應(yīng)用于陸、海、空三軍及民航、氣象等領(lǐng)域，雷達(dá)天線罩的應(yīng)用也日益廣泛。天線罩是雷達(dá)的重要組成部分，被稱為雷達(dá)系統(tǒng)的“電磁窗口”。它在雷達(dá)天線的周圍形成一個(gè)封閉的空間，以保護(hù)雷達(dá)天線系統(tǒng)免受風(fēng)、沙、雨、雪、雹的侵襲，緩解氣溫驟變、太陽輻射、潮濕、鹽霧等環(huán)境條件對(duì)天線系統(tǒng)的影響。隨著雷達(dá)工作體制的改進(jìn)，以及參數(shù)捷變、米波、毫米波、擴(kuò)譜和調(diào)頻等新型雷達(dá)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，寬頻響應(yīng)已成為雷達(dá)天線系統(tǒng)重要特征，從而對(duì)雷達(dá)天線罩的透波特性提出了越來越高的要求。

對(duì)飛機(jī)機(jī)載、導(dǎo)彈彈載雷達(dá)等飛行器雷達(dá)系統(tǒng)而言，雷達(dá)天線罩除了用來保護(hù)雷達(dá)天線或整個(gè)微波系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下能夠正常工作之外，還是一個(gè)氣動(dòng)/結(jié)構(gòu)/透波功能一體化部件。典型的飛行器雷達(dá)天線罩位于機(jī)頭前部。如果把雷達(dá)比作飛機(jī)的眼睛，雷達(dá)天線罩是飛機(jī)“眼睛”的防護(hù)鏡。相比地面、艦載、車載等靜止或低速移動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)而言，飛行器雷達(dá)天線罩還需滿足高速飛行中氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱帶來的力學(xué)、熱學(xué)性能要求，因此飛行器雷達(dá)天線罩的技術(shù)要求更高。

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國內(nèi)外雷達(dá)天線罩技術(shù)發(fā)展歷史

雷達(dá)天線罩技術(shù)不是一門獨(dú)立的專業(yè)技術(shù)，是一門跨專業(yè)跨學(xué)科的綜合技術(shù)。它的設(shè)計(jì)和制造涉及空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度計(jì)算、熱力學(xué)、天線與電磁場理論、材料學(xué)、工藝學(xué)、檢測技術(shù)、測量技術(shù)、表面保護(hù)等專業(yè)。由于其對(duì)武器裝備發(fā)展的重要作用，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家，特別是各軍事大國都給予了不動(dòng)聲色的關(guān)注。

我國對(duì)于電磁窗技術(shù)的研究起步較晚，從20世紀(jì)80年代才逐漸開始重視電磁窗技術(shù)。隨著我國航空工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是近30年來，我國的機(jī)載雷達(dá)天線罩研制水平得到了快速發(fā)展。目前，我國已基本具備了研制各種類型先進(jìn)雷達(dá)天線罩制件的條件，并成功研制了幾乎包括世界上現(xiàn)有的各種結(jié)構(gòu)形式雷達(dá)天線罩，如實(shí)芯半波壁結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)半波壁結(jié)構(gòu)、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、泡沫夾層結(jié)構(gòu)、FSS（帶通式）結(jié)構(gòu)、電抗加載結(jié)構(gòu)等。其中最能代表技術(shù)進(jìn)步水平的是90年代初期，中航工業(yè)集團(tuán)濟(jì)南特種結(jié)構(gòu)研究所（637所）研制的變壁厚、準(zhǔn)半波壁、人工介質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)飛機(jī)雷達(dá)罩，使我國成為繼美國、德國之后第三個(gè)把人工介質(zhì)成功應(yīng)用于飛機(jī)雷達(dá)罩的國家。

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雷達(dá)天線罩材料

雷達(dá)天線罩選材的依據(jù)是高強(qiáng)度、高模量、耐候性好、介電性能好等，其中最主要的是介電性能，具體包括介電常數(shù)（ε）和損耗角正切（tanδ）。其中tanδ越大，電磁波能量在穿透天線罩過程中轉(zhuǎn)化為熱量而損耗的能量就越多；ε越大，電磁波在空氣與天線罩壁分界面上的反射就越大，從而導(dǎo)致鏡像波瓣電平增加和傳輸效率降低。因此，要求雷達(dá)天線罩罩體材料的tanδ低至接近于零，ε盡可能低，以達(dá)到“最大傳輸”和“最小反射”的目的。

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是一類集結(jié)構(gòu)、防熱、透波于一體的功能復(fù)合材料，具有優(yōu)良的電性能，介電常數(shù)ε和介電損耗tanδ都很小，同時(shí)具有足夠的力學(xué)強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ浚菍?shí)際應(yīng)用最廣的天線罩材料。

3.1?雷達(dá)天線罩增強(qiáng)纖維

增強(qiáng)纖維為纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的主要承力者，在復(fù)合材料中有較高體積含量。其介電常數(shù)一般高于樹脂基體，因此是決定復(fù)合材料力學(xué)性能和介電性能的主要因素。

目前，雷達(dá)天線罩纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、石英纖維、芳綸纖維和聚乙烯纖維等。

玻璃纖維具有高強(qiáng)度、優(yōu)良的介電性能、耐腐蝕、吸濕性小以及尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是天線罩最常用的增強(qiáng)材料，包括E玻璃纖維，S玻璃纖維、D玻璃纖維、高硅氧玻璃纖維等。E玻璃纖維是一種無堿玻璃，是最早用于天線罩的增強(qiáng)材料，價(jià)格最低，但其電性能較差；S玻璃纖維是一種高強(qiáng)度玻璃纖維，力學(xué)性能是玻璃纖維中最好的，介電性能中等；D玻璃纖維又稱低介電玻璃纖維，是國外專門為天線罩研制的一種玻璃纖維，ε和tanδ僅次于石英纖維和高硅氧玻璃纖維，但拉伸強(qiáng)度和模量較其他纖維低。高硅氧玻璃纖維以E玻璃纖維為基體，其SiO2含量可達(dá)91%~99%，性能介于E玻璃纖維和石英纖維之間。

石英纖維是指SiO2含量達(dá)到99.9%以上，絲徑在1-15μm的特種玻璃纖維。石英纖維的介電性能是所有玻璃纖維中最好的，并且能夠在較寬的頻帶范圍內(nèi)保持基本不變，因此可以實(shí)現(xiàn)天線罩的寬頻透波性。但其價(jià)格昂貴，是E玻璃纖維的30~40倍。

芳綸纖維（Kevlar）是一種比較常見的有機(jī)纖維，具有高強(qiáng)度和高模量，密度在高性能纖維中最小，阻尼性能好，耐磨性能優(yōu)異，化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，具有較高的斷裂伸張率，優(yōu)異的抗沖擊性能、尺寸穩(wěn)定性能和介電性能，但芳綸易吸濕，影響介電性能，表面光滑，具有很強(qiáng)的化學(xué)惰性，與樹脂基體的結(jié)合界面性能較差。

高模量聚乙烯纖維（Spectra1000）具有很高的比強(qiáng)度和比模量，優(yōu)異的抗沖擊和阻尼性能，并且在各種頻率下均表現(xiàn)出優(yōu)異的介電性能（ε≤3.0，tanδ=10-4），耐熱性能差（熔點(diǎn)在144~152℃），強(qiáng)度和模量隨著溫度的升高而下降，抗蠕變性能較差，表面光滑且有惰性，極大的限制了UHMWPE纖維在透波復(fù)合材料中的應(yīng)用。

3.2 玻璃纖維基本概念

玻璃纖維是由玻璃礦石等加工而成，具有表面積大，比強(qiáng)度高，耐熱和物理化學(xué)穩(wěn)定的特點(diǎn)，是一種優(yōu)良的功能材料和生態(tài)環(huán)境材料。玻璃纖維的主要成分為二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化硼、氧化鎂、氧化鈉等。

3.2.1、玻璃纖維制造工藝

玻璃纖維生產(chǎn)工藝主要有兩種：坩堝拉絲法和池窯拉絲法。

坩堝拉絲法先把玻璃原料高溫熔制成玻璃球，然后再將玻璃球二次熔化，高速拉絲制成玻璃纖維原絲。

池窯拉絲法則是國際上比較先進(jìn)的工藝，該工藝具有簡單、節(jié)能、生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)。池窯拉絲工藝是原料經(jīng)過破碎粉碎、篩分成合格粉料、混合制成配合料，再將配合料投入單元熔窯中熔化成玻璃液，玻璃液由多排多孔鉑金樓板流出，形成纖維。

兩種工藝相互對(duì)比，坩堝拉絲工藝?yán)速M(fèi)能源，單機(jī)產(chǎn)量低，產(chǎn)品質(zhì)量差，生產(chǎn)成本高。而池窯拉絲法工藝簡單，能耗相對(duì)較低，產(chǎn)品質(zhì)量較好，生產(chǎn)效率高且生產(chǎn)能力大。全世界90%以上產(chǎn)能已經(jīng)采用池窯拉絲法，未來比例將會(huì)更大。

玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是一種廣泛應(yīng)用的雷達(dá)天線罩材料，其應(yīng)用頻段主要在10GHz范圍內(nèi)，對(duì)于高頻波段（10~20GHz），需要采用具有更好介電性能的石英纖維作為增強(qiáng)材料。以石英纖維布作為增強(qiáng)材料，以環(huán)氧樹脂為基體制造的復(fù)合材料在雷達(dá)天線罩中應(yīng)用最為廣泛。

3.2.2、石英纖維

石英纖維是指SiO2含量達(dá)到99.9%以上，絲徑在1-15μm的特種玻璃纖維。它具有很高的耐熱性，能長期在1050℃下使用，瞬間耐高溫達(dá)1700℃，耐溫性能僅次于碳纖維，同時(shí)具有卓越的電絕緣性和介電性能。石英纖維在實(shí)際中得到大量應(yīng)用，如美國F-15戰(zhàn)斗機(jī)第一代、第二代鼻錐天線罩都采用了石英纖維增強(qiáng)氰酸酯樹脂復(fù)合材料作為夾層架構(gòu)的蒙皮。國外第四代戰(zhàn)斗機(jī)如美國F-22雷達(dá)罩都選用了寬頻性能極佳的石英纖維。

石英纖維的生產(chǎn)非常依賴原材料的供應(yīng)，通常是直接用高純度的石英棒送至高溫區(qū)熔化拉絲。一般在2000~2100℃下拉制。目前全球高純度的石英砂供應(yīng)商中Unimin處于行業(yè)壟斷地位，國內(nèi)材料產(chǎn)能也受其制約。

3.3雷達(dá)天線罩樹脂基體

不飽和聚酯樹脂（UP）的電性能和工藝性能良好，而且價(jià)格便宜，是最早用于天線罩的樹脂基體之一，但因其力學(xué)性能較差，多使用于要求較低的地面雷達(dá)天線罩；酚醛樹脂（PF）是較早使用的天線罩材料，但其成型困難，不過改性后可用于一些對(duì)材料耐熱性要求高的場合；環(huán)氧樹脂（EP）具有優(yōu)良的力學(xué)性能、耐化學(xué)腐蝕性能和電性能，且固化收縮率低，是使用最廣泛的天線罩樹脂基體。

以上三種樹脂是傳統(tǒng)的天線罩樹脂基體材料，目前仍廣泛用于制備各種天線罩。近年來隨著先進(jìn)雷達(dá)天線罩對(duì)全頻帶、低介電損耗、耐高溫、耐候性等性能要求的不斷提升，一些新型樹脂體系如有機(jī)硅樹脂、聚酰亞胺樹脂（PI）、氰酸酯樹脂（CE）、聚四氟乙烯樹脂（PTFE）等新型耐高溫樹脂也開始應(yīng)用于天線罩制造中。

有機(jī)硅樹脂突出的優(yōu)點(diǎn)是耐熱性和優(yōu)良的介電性能，在各種環(huán)境條件下介電性能都比較穩(wěn)定；其缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度較低，且需高壓成型。聚酰亞胺是近年來研究和報(bào)道較多的一種耐高溫樹脂，可以在300℃長期使用，短期使用溫度達(dá)到540℃，具有優(yōu)異的介電性能，ε在3~4之間，tanδ<10-3，而且在較寬的溫度和頻率范圍內(nèi)仍能保持較好水平，它的缺點(diǎn)是固化困難，常需要高溫高壓和復(fù)雜的升溫程序，反應(yīng)生成的水或溶劑的存在將導(dǎo)致孔隙率較高，使樹脂潮解，電性能降低。

氰酸酯樹脂具有良好的力學(xué)性能、耐熱及耐濕熱性能，在很寬的溫度范圍（-160~220℃）和頻率范圍（104~1011Hz）內(nèi)具有穩(wěn)定且極低的ε（2.8~3.2）和tanδ（0.002~0.006），并且CE的介電性能具有明顯的寬帶特性，這種樹脂基體及其復(fù)合材料是未來透波復(fù)合材料的發(fā)展方向。

隨著雷達(dá)天線罩工作頻率（X波段或以上）的升高，特別是隱身天線罩的需求，傳統(tǒng)的蒙皮透波材料（高強(qiáng)度玻璃纖維布增強(qiáng)環(huán)氧樹脂體系）已不能滿足高透過、低反射、耐高功率的要求，石英纖維布/氰酸酯體系應(yīng)運(yùn)而生，滿足了高性能天線罩的需求。

國外復(fù)合材料產(chǎn)品如BASF公司的石英纖維/氰酸酯復(fù)合材料天線罩，其綜合性能比傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂天線罩介電損耗降低了75%，介電常數(shù)降低了10%，另外具有更低的吸水率，因此濕態(tài)介電性能更加優(yōu)異。根據(jù)《樹脂基復(fù)合材料在雷達(dá)天線罩領(lǐng)域應(yīng)用及發(fā)展》，國內(nèi)產(chǎn)品如航天材料及工藝研究所（703所）的QWB/701系列石英布/氰酸酯預(yù)浸料及復(fù)合材料耐180℃的高溫，介電性能優(yōu)異，已經(jīng)在某些型號(hào)上得到了應(yīng)用。

表中列出了航天材料及工藝研究所生產(chǎn)的石英布或高強(qiáng)玻璃纖維布作為增強(qiáng)材料，氰酸酯或環(huán)氧樹脂作為樹脂基體，組合制備的四種復(fù)合材料的介電性能對(duì)比。

通過對(duì)比可以看出，增強(qiáng)材料和樹脂的選擇均對(duì)介電常數(shù)和損耗角正切有較大影響。氰酸酯樹脂基復(fù)合材料的損耗角正切均顯著小于環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料；石英纖維布增強(qiáng)復(fù)合材料介電常數(shù)均顯著小于玻璃纖維布增強(qiáng)復(fù)合材料。石英纖維布/氰酸酯復(fù)合材料的介電性能與傳統(tǒng)玻璃纖維布/環(huán)氧復(fù)合材料相比，介電常數(shù)降低了24%，損耗角正切降低了78%。

3.4雷達(dá)天線罩壁結(jié)構(gòu)

雷達(dá)天線罩主要的壁結(jié)構(gòu)有單層、A夾層、B夾層、C夾層和多夾層結(jié)構(gòu)。天線罩之所以多采用夾層架構(gòu)是因?yàn)閵A層結(jié)構(gòu)不僅有更好的強(qiáng)度保持性，而且有著比薄壁結(jié)構(gòu)更為優(yōu)異的透波性能。夾層結(jié)構(gòu)可以利用兩表層之間電磁波的反射相互抵消作用來保證其良好的透波性。當(dāng)電磁波由空氣進(jìn)入夾層時(shí)，在各介質(zhì)層產(chǎn)生反射，當(dāng)芯層厚度最佳時(shí)，內(nèi)、外蒙皮的反射波幅度相等、相位相反，相互抵消，從而降低了反射波對(duì)雷達(dá)性能的影響。

單層實(shí)心半波壁的特點(diǎn)是在高入射角和兩種極化情況下具有良好的電性能，主要缺點(diǎn)是頻帶窄、重量大，因而實(shí)心半波壁常用于戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)頭罩。A夾層的特點(diǎn)是重量輕，在低、中入射角情況下，電性能較好，但其重復(fù)性較差，常用于入射角不大的情況，如民用客機(jī)的機(jī)頭罩和艦載雷達(dá)罩。多夾層雷達(dá)罩比A夾層具有更寬的頻帶并且適應(yīng)高入射角，但重復(fù)性較差和相位性能不佳是其主要缺點(diǎn)。

天線技術(shù)的不斷發(fā)展促進(jìn)了新的雷達(dá)罩壁結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，主要有準(zhǔn)半波壁結(jié)構(gòu)、電抗加載雷達(dá)罩和頻率選擇表面（Frequency Selective Surface, FSS）。

為了利用實(shí)心壁結(jié)構(gòu)的高入射角的優(yōu)點(diǎn)，克服重量大的缺點(diǎn)，人們提出了準(zhǔn)半波壁結(jié)構(gòu)。準(zhǔn)半波壁從結(jié)構(gòu)上看是三層夾層結(jié)構(gòu)，從電氣上看是單層壁。其中間層（俗稱“人工介質(zhì)”）的介電性能從理論上來說和蒙皮層的介電性能相同。同時(shí)由于人工介質(zhì)的密度較低，使得準(zhǔn)半波壁比實(shí)心半波壁在重量上減輕30%以上，取得了明顯的減重效果。

電抗加載雷達(dá)罩實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代空戰(zhàn)寬頻的要求，即通過電抗加載（將專門設(shè)計(jì)的金屬物加到常規(guī)壁結(jié)構(gòu)上去），使天線罩在寬頻范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的電性能。

頻率選擇表面技術(shù)很好的滿足了四代戰(zhàn)斗機(jī)的隱身性能要求。常規(guī)雷達(dá)天線是主要的雷達(dá)波反射源，采用頻率選擇表面（FSS）雷達(dá)罩是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線隱身的一個(gè)較好的辦法。FSS雷達(dá)天線罩允許我方飛行器雷達(dá)在自己的頻帶內(nèi)正常穿透，而將其他頻率的雷達(dá)波散射到各個(gè)方向，從而在保證自身雷達(dá)正常工作的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)敵雷達(dá)的隱身。

3.5 雷達(dá)天線罩夾層材料

對(duì)于夾層結(jié)構(gòu)天線罩，夾芯材料（簡稱芯材）的選擇對(duì)天線罩的性能有重要影響。天線罩用芯材主要有蜂窩芯材和泡沫芯材。

蜂窩材料主要有鋁蜂窩、NOMEX蜂窩和普通紙蜂窩等，但天線罩用蜂窩芯材主要是NOMEX蜂窩。NOMEX蜂窩芯材是由芳綸紙浸漬酚醛樹脂制成，其介電常數(shù)低、強(qiáng)度高，具有彈性，抗撕裂性及耐磨蝕性都很好，在航天航空結(jié)構(gòu)、船舶制造等領(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)使用的NOMEX蜂窩主要是北京航空制造工程研究所的NRH系列和北京航空材料研究院的NH系列。

聚合物泡沫是一種最常用的芯材，主要有聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）等，其中天線罩用泡沫芯材主要是PMI泡沫。PMI泡沫是一種采用固體發(fā)泡工藝成型，泡沫孔隙基本一致且均勻的100%閉孔泡沫。與其他泡沫比，在相同密度下，PMI泡沫的剛度和強(qiáng)度最高。而且，其耐高溫蠕變性能使得該泡沫能夠適用于高溫固化樹脂和預(yù)浸料體系。另外，PMI泡沫經(jīng)過適當(dāng)?shù)母邷靥幚硪院?，能承?90℃的固化工藝對(duì)泡沫尺寸穩(wěn)定性的要求，在航空領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

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雷達(dá)天線罩的制造工藝

雷達(dá)罩的成形工藝主要有手糊真空袋壓法、模壓法、熱壓罐法、纖維纏繞法和樹脂傳遞模塑法（RTM）等。

手糊真空袋壓法是使用最早、最廣泛的天線罩成型工藝方法，其基本工藝過程是：在涂有脫模劑的模具上涂刷樹脂，再鋪一層纖維織物，并用手工擠壓出氣泡和多余樹脂，如此一層一層鋪疊直到所需要的厚度。然后用真空袋密封好，并抽真空加壓，固化后脫模、修正得到天線罩。

模壓法一般可用來制造中小型天線罩，其基本工藝過程是：將脫模處理過的玻璃纖維織物用樹脂浸漬，將浸漬的織物烘干后按要求裁剪并逐層鋪覆在涂有脫模劑的陽模上，鋪覆的層數(shù)要視天線罩的壁厚而定，然后套上陰模，加壓（也可加熱）固化。模壓料在模腔內(nèi)逐漸固化后從模腔里取出，進(jìn)行必要的修整得到天線罩成品。

熱壓罐法與手糊真空袋壓法和模壓法類似，只是在鋪覆成型后需將整個(gè)部件套上真空袋放到熱壓罐內(nèi)，袋內(nèi)抽真空，外部加熱加壓使樹脂固化，脫模修整后即得天線罩。

纖維纏繞法是用于陽模做芯軸，通過機(jī)械裝置將預(yù)先浸過樹脂的長玻璃纖維帶按照各種預(yù)定的線形，有規(guī)律地纏繞在陽模上。

樹脂傳遞模塑法是一種壁模模塑成型工藝方法，其工藝過程是在耐壓的密閉模腔內(nèi)，填滿玻璃纖維增強(qiáng)材料，用壓力將液態(tài)樹脂注入模腔，使其滲透玻璃纖維，然后固化成型、脫模、修整得到天線罩產(chǎn)品。

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高超聲速導(dǎo)彈用雷達(dá)天線罩

高超聲速導(dǎo)彈天線罩對(duì)材料性能的要求較一般導(dǎo)彈和飛機(jī)天線罩更為苛刻。高超聲速導(dǎo)彈在稠密大氣層內(nèi)飛行時(shí)，空氣受到強(qiáng)烈的壓縮和劇烈的摩擦作用，產(chǎn)生氣動(dòng)加熱現(xiàn)象。隨著導(dǎo)彈馬赫數(shù)的增加，氣動(dòng)加熱非常嚴(yán)重。高速飛行時(shí)氣動(dòng)加熱引起的溫度升高，大體與速度的平方成正比。導(dǎo)彈的速度越高，天線罩材料所要求的耐熱性越高。如在海平面高度，導(dǎo)彈以8~12倍聲速飛行時(shí)，天線罩溫度將高達(dá)2400℃。氣動(dòng)加熱在天線罩罩壁產(chǎn)生很高的升溫速率（540~820℃），在天線罩的內(nèi)部存在很大的熱應(yīng)力，材料應(yīng)具有良好的抗熱沖擊性能。高超聲速導(dǎo)彈飛行時(shí)縱向和橫向過載產(chǎn)生的剪力、彎矩和軸向力非常大，要求天線罩材料具有較高的力學(xué)性能。氣動(dòng)加熱及氣動(dòng)剪切力的作用，還會(huì)使天線罩表面發(fā)生燒蝕，因此天線罩材料應(yīng)具有微燒蝕或燒蝕可控性。

隨著導(dǎo)彈飛行速度越來越快，導(dǎo)彈天線罩材料的發(fā)展歷程為：纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料——氧化鋁陶瓷——微晶玻璃——石英陶瓷——氮化物陶瓷——陶瓷基復(fù)合材料。

纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料與其它雷達(dá)罩應(yīng)用情況相同，此處不再贅述。

第一種商品化的高溫天線罩為氧化鋁陶瓷，在麻雀Ⅲ導(dǎo)彈和響尾蛇導(dǎo)彈中得到成功應(yīng)用，優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高、硬度高、抗雨蝕性能好，缺點(diǎn)是彈性模量和線脹系數(shù)大，抗熱沖擊性能差。微晶玻璃是一種玻璃陶瓷，堇青石是其主要結(jié)晶相，但成型工藝和條件復(fù)雜，難以控制。1950年代末美國Corning公司開發(fā)的微晶玻璃應(yīng)用在“小獵犬”艦空導(dǎo)彈天線罩中。1970年代末以來中科院硅酸鹽研究所研制的3-3微晶玻璃組成與Corning公司的9606微晶玻璃極為接近，只是介電損耗相對(duì)偏高，是國內(nèi)第一種高溫天線罩材料，已成功應(yīng)用于超聲速中低空防空導(dǎo)彈天線罩中。

氧化鋁、微晶玻璃僅適應(yīng)于導(dǎo)彈飛行速度小于5倍聲速的天線罩。對(duì)于高超聲速導(dǎo)彈而言，天線罩候選材料主要有石英陶瓷、氮化硅和氮化硼陶瓷。石英陶瓷的抗熱沖擊性好，介電性能穩(wěn)定，制造成本適中，已在美國“愛國者”和“潘興Ⅱ”導(dǎo)彈得到了應(yīng)用，適用于3~5倍聲速的導(dǎo)彈天線罩。

石英陶瓷是綜合性能很好的天線罩材料，但石英陶瓷的抗雨蝕及抗粒子侵蝕性能較差，當(dāng)導(dǎo)彈飛行速度大于6.5倍聲速時(shí)，石英陶瓷難以滿足導(dǎo)彈天線罩強(qiáng)度和可靠性要求。1970~1980年代發(fā)展了氮化硅和氮化硼等氮化物陶瓷主要應(yīng)用于小于6倍聲速的導(dǎo)彈天線罩。國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)、山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計(jì)院、中科院上海硅酸鹽研究所對(duì)氮化硼、氮化硅 、氮化鋁陶瓷及其復(fù)相陶瓷進(jìn)行了深入研究。

高超聲速導(dǎo)彈天線罩要求材料具有優(yōu)異的力學(xué)、介電、耐燒蝕及抗熱沖擊性能，現(xiàn)有的材料體系僅有連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料能夠滿足高超聲速導(dǎo)彈天線罩的應(yīng)用要求?；w的作用是把載荷傳遞到纖維上，同時(shí)纖維發(fā)揮對(duì)基體的增強(qiáng)作用。石英纖維在各類纖維中綜合性能最為優(yōu)異。此外石英纖維化學(xué)穩(wěn)定性好、抗熱沖擊、耐燒蝕、易于編制且介電性能優(yōu)異，非常適合航天透波領(lǐng)域的應(yīng)用。然而石英纖維在高溫處理時(shí)容易脆化，力學(xué)性能迅速下降，因此應(yīng)加強(qiáng)高純耐高溫石英纖維的開發(fā)，改進(jìn)其常溫和高溫力學(xué)性能。目前國內(nèi)外主要以石英和BN兩種纖維為增強(qiáng)體制備陶瓷基透波復(fù)合材料。

1）石英纖維增強(qiáng)陶瓷基透波復(fù)合材料

美國Philco-Ford公司和GE公司分別研制了石英纖維織物增強(qiáng)二氧化硅復(fù)合材料（SiO2/SiO2），其中AS-3DX材料常溫時(shí)5.841GHz下的介電常數(shù)ε=2.88，損耗角正切tanδ=0.00612，該材料已用于美國“三叉戟”潛地導(dǎo)彈。為滿足中遠(yuǎn)程地地戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和戰(zhàn)略導(dǎo)彈天線罩需求，國內(nèi)航天材料及工藝研究所（703所）、山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計(jì)院等單位研制了石英纖維織物增強(qiáng)二氧化硅基復(fù)合材料（3D SiO2/SiO2），其密度為1.58~1.61g/cm3，已獲得型號(hào)應(yīng)用。

俄羅斯著重開發(fā)了石英纖維增強(qiáng)磷酸鹽基復(fù)合材料。該材料具有良好的力學(xué)、物理和電性能。磷酸鋁復(fù)合材料在1500~1800℃以下性能穩(wěn)定，但當(dāng)溫度再高時(shí)磷酸鹽復(fù)合材料熔融粘度太低，不能保證正常使用。目前，這類材料在巡航導(dǎo)彈、反導(dǎo)型、戰(zhàn)術(shù)型導(dǎo)彈及航天飛機(jī)上獲得了應(yīng)用。

國內(nèi)北京玻璃鋼研究設(shè)計(jì)院制備了石英纖維布增強(qiáng)磷酸鋁復(fù)合材料，可用于環(huán)境溫度在1200℃以下的天線窗材料和小型透波防熱部件。

2）? 氮化硼纖維增強(qiáng)陶瓷基透波復(fù)合材料

美國的Hyper-Therm HTC公司利用獨(dú)特的化學(xué)氣相增密過程制備了世界上第一個(gè)低介電性能、耐高溫的氮化硅（Si3N4）基復(fù)合材料，該材料可以用在高超聲速導(dǎo)彈天線罩中。國內(nèi)國防科技大學(xué)對(duì)氮化硅基復(fù)合材料進(jìn)行了大量的研究，并取得了一定的成果。

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雷達(dá)天線罩市場容量

雷達(dá)天線罩市場容量是雷達(dá)行業(yè)市場容量的子集。根據(jù)我們之前的研究《信息化戰(zhàn)爭千里眼，軍工成長急先鋒：雷達(dá)行業(yè)研究報(bào)告》，2015年國內(nèi)軍用雷達(dá)市場容量約為140億元。我們估計(jì)雷達(dá)天線罩綜合價(jià)值占比在3%左右，由此推斷2015年國內(nèi)軍用雷達(dá)天線罩市場容量約為4億元。我們預(yù)測十三五期間國內(nèi)軍用雷達(dá)市場總體將保持20%以上的年復(fù)合增速。我們保守估計(jì)，2020年雷達(dá)天線罩市場容量將達(dá)10億元左右。

考慮到臺(tái)海、南海、釣魚島及中印邊境的軍事斗爭態(tài)勢，基于對(duì)遠(yuǎn)程精確打擊武器的迫切需求，我們認(rèn)為十三五期間在地基雷達(dá)、艦載雷達(dá)、車載雷達(dá)、星載雷達(dá)、機(jī)載雷達(dá)、彈載雷達(dá)等方向中，彈載雷達(dá)的增速最快，對(duì)天線罩的價(jià)值貢獻(xiàn)最大。

綜合以上分析，石英纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料和石英纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料在雷達(dá)天線罩中的應(yīng)用越來越廣。由于石英纖維造價(jià)較高，我們估計(jì)石英纖維在相應(yīng)雷達(dá)天線罩總體造價(jià)中占比在50%以上。假設(shè)石英纖維復(fù)合材料在雷達(dá)天線罩應(yīng)用中占比達(dá)2/3，則可估算2020年雷達(dá)天線罩用石英纖維市場容量將達(dá)3.5億元。

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產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)

7.1?雷達(dá)天線罩生產(chǎn)單位

國內(nèi)雷達(dá)天線罩生產(chǎn)單位主要分為兩類，第一類是航空航天系統(tǒng)專業(yè)研究所，如637所、703所、306所等；第二類為原建材工業(yè)部下屬玻璃鋼制品研制生產(chǎn)單位，如上海玻璃鋼研究院有限公司、哈爾濱玻璃鋼研究院、北京玻鋼院復(fù)合材料有限公司等。

7.1.1、中航工業(yè)集團(tuán)濟(jì)南特種結(jié)構(gòu)研究所

中航工業(yè)集團(tuán)濟(jì)南特種結(jié)構(gòu)研究所（637所），是我國電磁窗專業(yè)化研究所，承擔(dān)著機(jī)載、彈載、艦載、車輛、地面雷達(dá)站等電磁窗產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、測試、批生產(chǎn)及維修任務(wù)，持有國家主管部門頒發(fā)的軍工產(chǎn)品生產(chǎn)許可證及民用飛機(jī)雷達(dá)天線罩維修許可證。研究所是《機(jī)載雷達(dá)天線罩通用規(guī)范》的主編單位，設(shè)有高性能電磁窗航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。根據(jù)官網(wǎng)報(bào)道，特種所近幾年取得了顯著的成績，重要型號(hào)的電磁窗產(chǎn)品幾乎都是特種所研制，發(fā)揮了挺起民族電磁窗行業(yè)脊梁的作用。

7.1.2、航天材料及工藝研究所

航天材料及工藝研究所（航天科技集團(tuán)一院703所）于1957年在北京成立，是中國航天領(lǐng)域材料及工藝技術(shù)的研究中心。首任所長姚桐斌為“兩彈一星”功勛獎(jiǎng)?wù)芦@得者；研究所共獲得過全國科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)32項(xiàng)，國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)26項(xiàng)，國防科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)和部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)400余項(xiàng)。現(xiàn)有職工1000余人，建有先進(jìn)功能復(fù)合材料技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造技術(shù)研究應(yīng)用中心、功能性碳纖維復(fù)合材料技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室。研究所下轄功能復(fù)合材料及工藝事業(yè)部，在燒蝕防熱、多功能、透波、隔熱等高新材料技術(shù)領(lǐng)域處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。下轄功能復(fù)合材料制造部，其玻璃鋼制品技術(shù)國內(nèi)先進(jìn)。研究所自主研制的環(huán)氧、雙馬、氰酸酯樹脂體系及預(yù)浸料參加業(yè)內(nèi)展會(huì)廣受關(guān)注。

7.1.3、航天特種材料及工藝技術(shù)研究所

航天特種材料及工藝技術(shù)研究所（航天科工集團(tuán)三院306所）成立于2002年，2004年經(jīng)批復(fù)成為中國航天科工集團(tuán)公司特種材料及工藝研究中心?，F(xiàn)有透波材料及天線罩技術(shù)、樹脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料技術(shù)、熱防護(hù)材料技術(shù)、陶瓷基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料技術(shù)、金屬材料特種工藝技術(shù)、材料理化分析及檢測技術(shù)六大專業(yè)。研究所目前人員規(guī)模600余人，其中博士生50余人。承擔(dān)任務(wù)以航天三院項(xiàng)目為重點(diǎn)、立足航天科工集團(tuán)、面向航空航天領(lǐng)域，主要從事復(fù)合材料、非金屬材料及特種金屬材料及工藝的應(yīng)用研究、產(chǎn)品研制、測試及生產(chǎn)。

7.1.4、上海玻璃鋼研究院有限公司

上海玻璃鋼研究院創(chuàng)建于1960年，前身為建材部上海玻璃鋼研究所。2016年，公司通過重大資產(chǎn)重組改制，從國企轉(zhuǎn)變成民企，成為上海華信國際集團(tuán)全資子公司。根據(jù)公司官網(wǎng)，公司具有二級(jí)保密資質(zhì)，是國家重點(diǎn)的玻璃鋼雷達(dá)天線罩研制單位，能根據(jù)用戶的具體電性結(jié)構(gòu)和使用工況等要求，進(jìn)行自主設(shè)計(jì)，研發(fā)和生產(chǎn)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，1970年代初，以上海玻璃鋼研究院為主，匯集相關(guān)單位，開始了國內(nèi)首套雷達(dá)天線罩（直徑44米，代號(hào)1101工程）的開發(fā)工作，并獲成功，從而奠定了我國雷達(dá)天線罩的設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)。

7.1.5、哈爾濱玻璃鋼研究院

哈爾濱玻璃鋼研究院創(chuàng)建于1960年，是我國最早從事樹脂基復(fù)合材料研究和應(yīng)用的專業(yè)機(jī)構(gòu)之一，是國家樹脂基復(fù)合材料工程中心的依托單位，是國家纖維增強(qiáng)塑料標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)副主任委員單位。原直屬國家建筑材料工業(yè)局，1999年轉(zhuǎn)制進(jìn)入中國建筑材料集團(tuán)公司，是具有獨(dú)立性法人地位的國有獨(dú)資企業(yè)。

哈玻院現(xiàn)有從業(yè)人員600余人，具有二級(jí)保密資質(zhì)，長期承擔(dān)著國家重大科研計(jì)劃任務(wù)和國家重點(diǎn)武器型號(hào)的科研與生產(chǎn)任務(wù)，其配套產(chǎn)品涉及航天、航空、船舶、兵器、核工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)官網(wǎng)，哈玻院開發(fā)出的系列地面雷達(dá)天線罩，廣泛應(yīng)用于國防、民航、氣象、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域，現(xiàn)已有四大系列，二十多個(gè)規(guī)格。截至目前，已有300多部各類天線罩架設(shè)在我國各地，二十多年以來，生產(chǎn)的雷達(dá)罩經(jīng)受住了歷次臺(tái)風(fēng)的考驗(yàn)，無一例傾覆事故。

7.1.6、北京玻鋼院復(fù)合材料有限公司

公司由北京玻璃鋼研究設(shè)計(jì)院（北京二五一廠）轉(zhuǎn)制而成立，公司繼承了北京玻璃鋼研究設(shè)計(jì)院五十余年來形成的專有技術(shù)和行業(yè)影響力等無形資產(chǎn)，在復(fù)合材料設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造方面具有雄厚的實(shí)力，是專門從事交通運(yùn)輸、建筑工程、電子電力、航空航天等領(lǐng)域高品質(zhì)復(fù)合材料研發(fā)、制造加工、銷售和技術(shù)服務(wù)的高新技術(shù)企業(yè)。

根據(jù)中材科技(002080.SZ)招股說明書，中材科技設(shè)立時(shí)，中材總公司將北玻院民用復(fù)合材料、通用玻璃纖維以及定型的批量訂貨的軍工配套先進(jìn)復(fù)合材料產(chǎn)品資產(chǎn)業(yè)務(wù)投入中材科技， 未定型軍工配套產(chǎn)品的在研在建項(xiàng)目及相關(guān)先進(jìn)復(fù)合材料資產(chǎn)保留在北玻院存續(xù)。

7.2 雷達(dá)天線罩增強(qiáng)纖維生產(chǎn)單位

國內(nèi)雷達(dá)天線罩用玻璃纖維主要研制生產(chǎn)單位為中材科技（002080.SZ）下屬南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院，石英纖維主要研制生產(chǎn)單位為湖北菲利華石英玻璃股份有限公司（300395.SZ）。

7.2.1、南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院

中材科技是中國建材集團(tuán)控股的上市公司，承繼了原建材工業(yè)部下屬南京玻纖設(shè)計(jì)研究院（南玻院）、北京玻璃鋼設(shè)計(jì)研究院（北玻院）和蘇州非金屬設(shè)計(jì)研究院（蘇非院）三個(gè)國家級(jí)科研院所四十多年的核心技術(shù)資源和人才優(yōu)勢，是我國特種纖維復(fù)合材料行業(yè)的技術(shù)裝備研發(fā)中心，也是我國國防工業(yè)最大的特種纖維復(fù)合材料配套研制基地，引領(lǐng)著中國特種纖維復(fù)合材料的技術(shù)發(fā)展。南玻院、北玻院和蘇非院分別是我國特種玻纖及深加工、玻璃鋼、非金屬礦開發(fā)領(lǐng)域?qū)嵙軓?qiáng)的科研單位。

1964年，南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院為配合國家“兩彈一星”項(xiàng)目組建，原隸屬于國家建筑材料工業(yè)局，是我國唯一從事玻璃纖維研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的綜合性的院所。1999年7月，作為全國首批改制的科研院所之一，轉(zhuǎn)制為企業(yè)，2004年經(jīng)股份制改造，成為中材科技股份有限公司的經(jīng)營母體，2006年11月公司成功上市。

中材科技南京玻纖院擁有各類專業(yè)技術(shù)人員600多人，來自無機(jī)材料、高分子材料、復(fù)合材料、機(jī)械、電氣、窯爐、紡織及環(huán)保等二十多個(gè)專業(yè)，其中有中國工程院院士1人。根據(jù)公司的發(fā)展戰(zhàn)略，確立了以高性能材料制造、行業(yè)及工程服務(wù)、國防軍工配套研發(fā)為三大平臺(tái)。

南玻院在我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防軍工配套等方面具有特殊地位。公司擁有國家玻璃纖維及制品工程技術(shù)研究中心、國家玻璃纖維產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心和國家玻璃纖維情報(bào)信息中心。公司是國內(nèi)唯一擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、國家工程技術(shù)研究中心特種玻璃纖維及制品唯一的綜合性研究、生產(chǎn)基地。生產(chǎn)的各類特種玻璃纖維織物成功應(yīng)用于航空航天、國防軍工領(lǐng)域。公司是國防工業(yè)最大的特種纖維復(fù)合材料配套研制基地，提供多種飛機(jī)雷達(dá)罩紡形編制套。在特種玻璃纖維領(lǐng)域，公司的產(chǎn)業(yè)鏈最完整，產(chǎn)品品種世界最全，產(chǎn)能最大。

7.2.2、菲利華（300395.SZ）

菲利華是國內(nèi)航空航天領(lǐng)域用石英纖維及制品的主導(dǎo)供應(yīng)商。公司前身湖北省沙市石英玻璃總廠于1966年建成投產(chǎn)，是原國家建材部九家重點(diǎn)石英玻璃生產(chǎn)廠家之一，自建成以來一直專注于石英玻璃材料核心業(yè)務(wù)。公司前董事長鄧家貴自1967年起一直在公司及其前身工作，具有近50年的行業(yè)從業(yè)經(jīng)歷，自2002年起擔(dān)任中國建筑玻璃與工業(yè)玻璃協(xié)會(huì)副會(huì)長（2013年起由公司現(xiàn)任董事長吳學(xué)民擔(dān)任）。

根據(jù)公司在國家軍民融合公共服務(wù)平臺(tái)上的介紹，石英玻璃纖維的性能的劃分，該材料主要應(yīng)用在如下方面：

??? 1、耐燒蝕材料的增強(qiáng)材料

航天飛行器再入大氣層隔熱罩、火箭頭錐體、雷達(dá)天線罩、噴管和排氣管，可用石英玻璃纖維織物、無捻粗紗、短切纖維和石英玻璃纖維三維織物、仿形織物與酚醛樹脂等聚合物，采用帶纏繞、纖維纏繞、壓模法和真空熱壓法成型工藝進(jìn)行制造。

??? 2、透波材料的增強(qiáng)材料

石英玻璃纖維在高頻和700℃以下工作區(qū)域內(nèi)，保持最低而穩(wěn)定的介電常數(shù)和介電損耗。這種優(yōu)異的性能能抵抗航天飛行器在飛行過程中，因溫度陡然變化對(duì)材料介電性能產(chǎn)生突變性的影響。是再入式和超高速飛行器的理想透波材料，也是寬頻透波耐熱材料的主要研究方向。航天飛行器的電磁窗，導(dǎo)彈雷達(dá)天線罩選用石英玻璃纖維便充分利用了石英玻璃纖維的這一性質(zhì)。

?? ?3、高溫隔熱材料

（1）石英玻璃棉

石英玻璃棉具有極佳的抗熱沖擊能力，而且導(dǎo)熱系數(shù)低，同時(shí)具有卷曲的外形，減少了施工中因填塞造成的過度壓縮。該產(chǎn)品主要作運(yùn)載火箭防護(hù)系統(tǒng)，火箭噴管、宇宙再入飛船的燒蝕材料，高溫酸性液體與氣體介質(zhì)的過濾材料和反應(yīng)堆的保溫材料。

（2）低密度石英玻璃纖維氈

主要用作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫隔熱材料。

（3）石英玻璃針刺氈

主要用作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)爐的保溫隔熱材料。

（4）石英剛性SiO2塊材

石英玻璃纖維與無機(jī)粘合劑可加工而成100%的無機(jī)材料。該材料可在1550℃的高溫中使用。這樣加工而成的材料主要用于高溫過濾，高馬赫雷達(dá)天線罩和再入式飛行器的防熱材料。

??? 4、覆箔板的增強(qiáng)材料

印刷電路板信號(hào)傳輸速度反比于基板介電常數(shù)的平方根，信號(hào)傳輸損耗正比于介電常數(shù)的平方根與基板介電損耗之積。石英玻璃有最小的介電常數(shù)和介電損耗。用石英玻璃纖維做成的印刷電路板的基板，可用于航空航天、軍工及超級(jí)計(jì)算機(jī)等特殊要求的領(lǐng)域。

另外，石英玻璃纖維涂PTFE后，可提高耐磨性和曲繞能力，可用作高溫縫紉線和工業(yè)縫紉線。石英玻璃纖維還是冶金等工業(yè)部分現(xiàn)場測溫一次性使用的熱電偶的高溫絕緣材料。

石英玻璃纖維最早的用途是應(yīng)用于扭稱上，如今石英彈簧的用途十分廣泛。

編輯：黃飛

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