大型喇叭狀碳纖維天線成型工藝研究

孫國清，韋生文，潘華府

(1.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016；2.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031)

樹脂基碳纖維復(fù)合材料（CFRP）具有質(zhì)量輕、比模量高、強度高、耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)異的性能，碳纖維復(fù)合材料因其彈性模量與密、線膨脹系數(shù)之積的比值遠高于金屬材料，被譽為天線結(jié)構(gòu)的理想材料。

1 大型喇叭狀材料概述

復(fù)合材料天線的基本結(jié)構(gòu)可分為兩大類：一類為夾芯結(jié)構(gòu)，另一類為薄板結(jié)構(gòu)。不論采取什么樣的結(jié)構(gòu)形式，都是以保證天線結(jié)構(gòu)具有較高的型面精度、滿足結(jié)構(gòu)所要求的強度等技術(shù)要求。由于CFRP的比強度和比彈性模量都很高，而且薄板結(jié)構(gòu)天線面板薄，導熱快，陽光不均勻照射所造成的面、背、側(cè)溫度梯度小，熱應(yīng)力變形小，更利于在惡劣環(huán)境下天線精度的保持。某雷達天線為喇叭狀，尺寸較大（高度近1 m，最大口徑達0.5 m），如圖1 所示。設(shè)計要求質(zhì)量輕，而且能適宜在惡劣環(huán)境下使用。若采用鋁質(zhì)材料制作喇叭天線，計算結(jié)果質(zhì)量遠遠高于設(shè)計指標，且金屬材料耐腐蝕性較差，所以碳纖維薄板結(jié)構(gòu)天線是理想的結(jié)構(gòu)形式。

圖1 喇叭天線示意圖

2 天線研制

碳纖維復(fù)合材料具有各項異性的特性，其優(yōu)異的物理、力學性能主要集中在碳纖維的軸向。喇叭狀天線由于曲面很大，型面不能展開，所以必須尋求既能充分發(fā)揮CFRP 優(yōu)異的性能，又能最大限度地減小鋪覆應(yīng)力和成型應(yīng)力的最佳鋪層設(shè)計和成型工藝。保證天線曲面精度的另一個重要因素是成型模具，要求模具的膨脹系數(shù)盡量與成品的膨脹系數(shù)一致，否則由于膨脹系數(shù)不同，高精度的構(gòu)件就不可能達到其精度要求。

2.1 天線成型模具的設(shè)計與制造

天線的成型模具用與天線材料相同的碳纖維材料，用此材料制造最為理想，具有強度高，膨脹系數(shù)滿意的優(yōu)點，但將CFRP 加工成模具并非易事，如要成型的凸模，CFRP 必須有對應(yīng)的凹模，反之亦然。顯然一次成型滿足不了精度要求，必須對模具進行修整加工，但其光潔度又比較難保證。用低膨脹系數(shù)的金屬材料制造模具，也是一種可行的方案。但由于喇叭天線的外形尺寸較大，沒有足夠厚的板材或足夠粗的棒材來加工模具，只能用鑄造的辦法成型模具。最后采用了制作成本低，質(zhì)量輕的鑄鋁來制造模具，模具與天線材料膨脹系數(shù)的不匹配采用優(yōu)化天線的鋪層設(shè)計來彌補。

2.2 天線成型材料的選擇

（1）增強纖維的選擇

碳纖維的特點是隨著纖維模量的增加, 纖維軸向的熱膨脹系數(shù)(а)下降。根據(jù)這個特點，可以設(shè)計不同的鋪層結(jié)構(gòu)，盡量使制件在成型過程中做到“零膨脹”,特別是工作在熱交變劇烈的空間環(huán)境中的天線, 要保持天線的結(jié)構(gòu)、精度穩(wěn)定, 必需采用“零”膨脹系數(shù)材料來制作天線。

從力學分析可得出,對于準各向同性鋪層材料,滿足“零”膨脹系數(shù)的條件是[1]:

其中，

а、E、r 分別為熱膨脹系數(shù)、彈性模量、泊松比；腳標1、2 分別表示沿纖維方向和垂直纖維方向的性能。

由于只有石墨纖維和Kevlar 纖維的а11可為負值(約為-1×10-6/℃),上式才有實現(xiàn)的可能。

另外,由于∣а11∣<∣а22∣(а22約為35×10-6/℃)，必然要求E11>E22，這也是希望E 愈高愈好的原因。所以,制作天線的材料應(yīng)該采用高模量的碳纖維,如M 40 和GY70。日本東麗公司制造出高模高強度的MJ 系列碳纖維,但基于價格原因，我們選用了M 40碳纖維作為復(fù)合材料的增強材料，但是MJ 系列碳纖維的性能優(yōu)勢是顯而易見的。下表是幾種碳纖維性能參數(shù)的比較[2]。

表1 幾種碳纖維性能參數(shù)的比較

（2）樹脂基體的選擇

基體樹脂對碳纖維復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)和力學性能的影響較小,但對天線的成型工藝、尺寸穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性影響較大。當前使用最多的是環(huán)氧系列樹脂，通過改性的環(huán)氧樹脂得到了大量的使用。但環(huán)氧系列樹脂的耐濕熱性能和耐損傷性能較差，所以，近年來又掀起了使用雙馬樹脂的熱潮。雙馬樹脂即雙馬來酰亞胺樹脂，屬聚酰亞胺系列,具有耐熱基數(shù)高等特點,尤其是在耐濕熱方面,其最高使用溫度可達232 ℃。因此,普遍認為這是今后熱固性樹脂的主要發(fā)展方向。

雙馬樹脂的工藝性不如改性環(huán)氧，且雙馬樹脂的固化溫度較高，將會引起天線在成型過程中的熱膨脹變形加劇。在天線復(fù)合材料的樹脂基體中，改性環(huán)氧648 樹脂是應(yīng)用最廣的樹脂。環(huán)氧648 樹脂體系有與碳纖維融合性好，粘接強度高，工藝性好，空間環(huán)境穩(wěn)定性高等優(yōu)點，所以環(huán)氧樹脂648 樹脂是比較合適的復(fù)合材料樹脂基體。

2.3 碳纖維復(fù)合材料的鋪層設(shè)計

碳纖維與樹脂基本性能差異很大, 碳纖維具有各向異性,而熱固性樹脂在固化過程中收縮較大,所以，合理的鋪層設(shè)計是取得較佳強度及較高精度的關(guān)鍵之一。由于碳纖維軸向和徑向的熱膨脹系數(shù)相差較大,只有采用準各向同性對稱鋪層,并利用纖維軸向熱膨脹系數(shù)為負值，來抵消徑向較大的熱膨脹系數(shù)，才能使各方向的熱膨脹系數(shù)接近于“零”。準各項同性鋪層是：總層數(shù)2n叟4,各層材料和厚度相同，鋪層角θ=л（n-1）/n 計算。

在鋪層設(shè)計中，我們一方面要保證鋪層的對稱性以減少翹曲變形,提高制件精度；另一方面盡量減少纖維斷口,同時保證纖維鋪放有序,以實現(xiàn)鋪層的均勻?qū)ΨQ,滿足高精度制件的制造要求。碳纖維復(fù)合材料的材料性能與纖維排列密切相關(guān)。其與金屬材料不同, 單向纖維在纖維方向上的強度和剛度達到最大時,在垂直纖維方向上的強度和剛度卻非常小。這也是纖維復(fù)合材料的重要優(yōu)點, 即材料的可設(shè)計性。由于復(fù)合材料嚴重的各向異性,在平面內(nèi)會產(chǎn)生特殊的拉剪耦合效應(yīng)。所以,除了采用0°、90°的正交鋪層外,應(yīng)盡量采用±θ 方式的鋪層設(shè)計, 使纖維方向在分層的平面內(nèi)均勻分布。表2 為M40/648 層合板在熱膨脹系數(shù)極小時的鋪層設(shè)計[3]。

表2 當熱膨脹系數(shù)極小時，M 40/648 層合板的鋪層設(shè)計

2.4 碳纖維喇叭天線的金屬化

絕大多數(shù)復(fù)合材料為絕緣材料，不具備電磁波反射與接收功能，碳纖維本身具有導電性,但不如金屬好,加上樹脂基體的存在, 使碳纖維復(fù)合材料成為了不良導體,在一定的頻率范圍內(nèi)，靠其自身能夠完成天線的電磁波反射、接收功能，但在較高頻段則因為反射損耗的增大而使天線的功能大大降低，所以用碳纖維復(fù)合材料制成的天線通常還是需要進行表面金屬化處理的。

天線金屬化的方法主要有以下幾點：

（1）真空蒸鍍或磁控濺射；

（2）噴涂導電涂料后再電鍍；

（3）粘接或共固化金屬膜或金屬網(wǎng)；

（4）直接噴鍍金屬；

（5）模具上金屬鍍層轉(zhuǎn)移法；

（6）化學鍍后再電鍍加厚。

由于我們設(shè)計的碳纖維喇叭天線的尺寸較大，電鍍不方便，且化學鍍的鍍層與復(fù)合材料基體結(jié)合力強度較低，容易發(fā)生脫落現(xiàn)象。由于碳纖維喇叭天線是采用腐蝕模具脫模法，所以采用模具上金屬鍍層轉(zhuǎn)移法是復(fù)合材料金屬化的理想選擇，但由于我們采用的成型模具為鑄鋁件，表面上有很多小砂眼，表面較粗糙，不易電鍍，所以采用共固化金屬網(wǎng)是比較容易實現(xiàn)的金屬化方式。

根據(jù)天線的電性能要求，選用200 目的銅絲網(wǎng)作為復(fù)合材料金屬化材料。由于喇叭天線較大，且成型形狀復(fù)雜，所以整個天線是由多塊銅絲網(wǎng)拼接而成的。在拼接銅絲網(wǎng)時，應(yīng)注意各塊銅絲網(wǎng)之間要互相導通，鋪貼的銅絲網(wǎng)須緊緊貼伏在模具的表面，并在銅絲網(wǎng)的兩面用膠膜加強與碳纖維復(fù)合材料的粘接強度。

2.5 碳纖維喇叭天線的固化成型

復(fù)合材料的固化成型主要控制其溫度、時間、壓力與加壓時間。壓力采用真空袋加壓的方法。加壓時間的選擇很關(guān)鍵，加壓時間太早，樹脂流失較快，天線的含膠量就偏低，孔隙率高，天線也容易翹曲變形；加壓時間太晚，樹脂則已凝膠，成型厚度增加且天線的變形也會加大，所以選擇合適的加壓時間是天線成型的關(guān)鍵。其次是設(shè)置合理的升溫曲線，升溫速率不能太快，以避免模具與復(fù)合材料之間膨脹不匹配而造成的變形。由于采用真空袋壓法，喇叭天線的法蘭是比較難成型的地方（壓力難以傳遞到位），我們采用了在法蘭處用有彈性的材料來傳遞真空壓力，固化成型后能獲得理想的外形。

2.6 脫模

根據(jù)天線的尺寸與形狀，用人工脫模的方法比較困難，因此，我們采用了腐蝕芯模的方法（所選碳纖維預(yù)浸料耐強堿）脫模。由于在強堿中腐蝕的時間較長，可在復(fù)合材料的表面涂一層清漆加以保護。

3 結(jié)束語

通過對樹脂基體、模具的設(shè)計，運用預(yù)浸料的鋪層與固化工藝設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，研制成的薄殼式碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料喇叭天線較鋁質(zhì)天線減重52%，形面精度達到0.2 mm。此種大尺寸喇叭狀碳纖維天線的研制成功，為我們研究復(fù)合材料天線的成型與應(yīng)用提供了寶貴的經(jīng)驗，對以后研究和開發(fā)更高精度的復(fù)合材料天線如毫米波雷達天線等具有重要的參考價值。

[1]敖遼輝. 碳纖維復(fù)合材料在天線上的應(yīng)用[J]. 電訊技術(shù)，1998，（2）：41.

[2]趙渠森. 先進復(fù)合材料手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2003.