芳綸纖維復(fù)合材料及其在衛(wèi)星通訊技術(shù)中的應(yīng)用

張靜

摘 要：簡(jiǎn)要介紹了芳綸纖維的性能特點(diǎn)和主要品種，論述了芳綸纖維復(fù)合材料在雷達(dá)天線罩、雙柵天線反射器、頻率選擇反射器、天線支撐結(jié)構(gòu)件等衛(wèi)星通訊技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用情況，并分析了芳綸纖維復(fù)合材料在應(yīng)用中存在的一些技術(shù)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：芳綸纖維；復(fù)合材料；衛(wèi)星通訊

以碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維、硼纖維為代表的高性能纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域日益受到青睞。先進(jìn)復(fù)合材料的用量已經(jīng)成為航空航天技術(shù)的先進(jìn)性標(biāo)志之一。近些年來(lái)，隨著衛(wèi)星通訊技術(shù)的高速發(fā)展，天線類設(shè)備在精度及穩(wěn)定性的提高和重量控制等方面提出了更高的要求，而材料的選用對(duì)這些性能的影響至關(guān)重要。因此先進(jìn)復(fù)合材料已成為制造高性能天線設(shè)備的最佳選擇。

芳綸纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐老化性能、電絕緣性能以及較低的介電常數(shù)和線膨脹系數(shù)，在衛(wèi)星通訊技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用前景廣闊。如雷達(dá)天線罩，雙柵天線反射器、頻率選擇反射器、天線支撐結(jié)構(gòu)件等方面已得到了廣泛的應(yīng)用。

1 芳綸纖維的性能特點(diǎn)

芳綸纖維是芳香聚酰胺纖維的簡(jiǎn)稱，它是以芳香族化合物為原料經(jīng)低溫縮聚紡絲制成的一類新型合成纖維。芳香聚酰胺的分子鏈具有良好的規(guī)整性，因而芳綸纖維具有高度的結(jié)晶性。由于連接酰胺基的是芳香環(huán)或芳香環(huán)的衍生物，使得高聚物分子鏈柔性減小而剛性增加。這種剛性的集聚狀分子鏈，在纖維軸向是高度定向的，分子鏈上的氫原子將和其它分子鏈上的羰基結(jié)合成氫鍵，形成高聚物分子間的橫向聯(lián)結(jié)，分子間排列十分緊密，在單位體積內(nèi)可容納很多聚合物分子，從而使纖維具有很高的模量和強(qiáng)度。此外，由于苯環(huán)結(jié)構(gòu)環(huán)內(nèi)電子的共軛作用，使纖維具有化學(xué)穩(wěn)定性，又由于苯環(huán)結(jié)構(gòu)的剛性，使高聚物具有晶體的本質(zhì)，因而，芳綸纖維高溫狀態(tài)下具有良好的尺寸穩(wěn)定性[ 1 ]。這些優(yōu)異的性能使其能夠應(yīng)用于航空航天結(jié)構(gòu)件中，并且成為高性能復(fù)合材料中用量?jī)H次于碳纖維的另一種新型材料。

2 芳綸纖維的品種

芳綸纖維首次商品化是在1972年，定名為Kevlar。1974年由美國(guó)貿(mào)易聯(lián)合會(huì)命名為“Aramid fibers”，在我國(guó)通稱芳綸。芳綸纖維有兩類[ 2 ]：全芳綸和雜環(huán)芳綸。

目前在復(fù)合材料中得到普遍應(yīng)用的主要是全芳綸，根據(jù)其高聚物的結(jié)構(gòu)形式和性能特點(diǎn)分為兩種：聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺和聚對(duì)苯甲酰胺纖維（對(duì)位芳綸）、聚間苯二甲酰間苯二胺和聚間苯甲酰胺纖維（間位芳綸）。對(duì)位芳綸主要的生產(chǎn)商是美國(guó)杜邦公司，其商品有通用型Kevlar29、低彈性模量型Kevlar119、高強(qiáng)度型Kevlar129、高彈性模量低吸水型Kevlar149、高彈性模量型Kevlar49。除此之外，國(guó)外同類纖維還有荷蘭恩卡公司的Twaron、前蘇聯(lián)的Apmoc和CBM、日本帝人的Technora。我國(guó)也在1981年通過(guò)了芳綸14的鑒定，1985年又通過(guò)了芳綸1414 的鑒定，他們分別相當(dāng)于美國(guó)杜邦公司的Kevlar29和Kevlar49。目前商品化的間位芳綸較少，主要的產(chǎn)品有美國(guó)杜邦公司的Nomex、日本帝人的Conex、俄羅斯的Fenelon、中國(guó)的芳綸1313。各國(guó)芳綸纖維的性能比較見(jiàn)表1[ 3-4 ]。

3 芳綸纖維復(fù)合材料在衛(wèi)星通訊技術(shù)中的應(yīng)用

3.1 雷達(dá)天線罩

雷達(dá)天線罩從使用角度來(lái)講，具有功能件和結(jié)構(gòu)件的雙重作用，其材料要求具有優(yōu)異的力學(xué)性能、較低的介電損耗和比重等要求。以往的雷達(dá)天線罩主要采用玻璃鋼層壓板及玻璃鋼蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。地面使用的小型雷達(dá)天線罩多采用玻璃鋼層壓結(jié)構(gòu)，而大型的雷達(dá)天線罩在減輕結(jié)構(gòu)重量的同時(shí)為了滿足力學(xué)性能要求，則是較多地采用了玻璃鋼蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。

自芳綸纖維問(wèn)世以來(lái)，國(guó)內(nèi)外均開(kāi)展了用芳綸及其織物增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料研制雷達(dá)罩的工作[ 5 ]。如美國(guó)賽斯納飛機(jī)公司的“獎(jiǎng)狀”飛機(jī)的雷達(dá)罩，加拿大飛機(jī)制造公司的“挑戰(zhàn)者”飛機(jī)雷達(dá)罩，都是用Kevlar 纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料制造。

3.2 雙柵天線反射器

雙柵天線由兩組饋源與兩個(gè)反射面組成，其柵網(wǎng)前反射面有兩個(gè)作用：作為一個(gè)反射面，反射極化與其柵條方向平行的波；另一作用則是透過(guò)垂直于柵條方向的波。因此，芳綸纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料成為制造柵網(wǎng)前反射面的首選材料。其制造工藝的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)在于復(fù)合材料介質(zhì)上金屬柵條的成型和反射面型面精度的控制。

美國(guó)勞拉公司采用銅絲鋪設(shè)成型雙柵反射器，日本三菱公司采用CAD輔助修型和柵網(wǎng)膜粘接成型雙柵反射器，法宇航采用薄膜腐蝕柵條粘接成型雙柵反射器，阿爾卡特公司采用金屬鍍膜化銑法成型雙柵反射器，德國(guó)原MBB公司采用真空鍍膜和激光刻蝕法成型雙柵反射器，這些方法成型雙柵反射器型面精度RMS在0.2-0.4 mm內(nèi)。

國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了該技術(shù)研究。由中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第五研究院西安分院設(shè)計(jì)、中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司復(fù)合材料廠承制的“委星1號(hào)”、“鑫諾6號(hào)”通信衛(wèi)星分別于2008年10月和2010年9月在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功。這兩顆衛(wèi)星上裝有口徑分別為1.6米和1.4米的雙柵天線柵網(wǎng)前反射面也是采用了芳綸纖維復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，其鋪層結(jié)構(gòu)如圖1所示，金屬柵條鋪設(shè)在內(nèi)蒙皮的兩層芳綸預(yù)浸布之間。制造過(guò)程中采用了銅絲鋪設(shè)粘接成型法，并通過(guò)特殊的固化工藝，研制的雙柵天線反射器組合后型面精度RMS為0.40mm，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

3.3 頻率選擇反射器

頻率選擇反射面（ Frequency Selecting Surface， 簡(jiǎn)稱FSS）是一種具有特殊性質(zhì)的周期性金屬圖案的介質(zhì)板，它可以在一定頻段上全透過(guò)電磁波， 而在另一頻段上全反射電磁波[ 6 ]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

美國(guó)的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（TDRSS）系統(tǒng)雙頻反射面跟蹤天線是一個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例。該天線由一個(gè)大型網(wǎng)狀主反射面和一個(gè)具有雙色性（即具有頻率選擇性）的副反射面以及分別處于副反射面兩邊的Ku波段和S波段的饋源構(gòu)成。頻率選擇反射面雷達(dá)罩在美國(guó)已投入工程應(yīng)用，先是應(yīng)用于導(dǎo)彈，后又應(yīng)用于飛機(jī)上。美國(guó)輕型噴氣運(yùn)輸機(jī)C-140和第四代戰(zhàn)斗機(jī)F- 22都使用了這種機(jī)頭雷達(dá)罩。歐洲空間局（ ESA）1986年成功研制了口徑1.1m、重4.5Kg的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)頻率選擇副反射器，用于為衛(wèi)星通訊和數(shù)據(jù)傳輸。

中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司復(fù)合材料廠承制的F衛(wèi)星自適應(yīng)調(diào)零天線也應(yīng)用了頻率選擇副反射器，是采用Kevlar49-120芳綸纖維預(yù)浸料蒙皮-Nomex蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)，并通過(guò)真空鍍膜技術(shù)在反射面上形成一層鋁膜，再進(jìn)行激光刻蝕，得到特定排布要求的金屬陣列。T衛(wèi)星上使用的頻率選擇副反射器則是在芳綸纖維預(yù)浸料蒙皮-Nomex蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)反射面上粘貼覆銅聚酰亞胺薄膜，從而實(shí)現(xiàn)反射面表面金屬化，但這種方法得到的金屬陣列精度相對(duì)較低。

3.4 天線支撐結(jié)構(gòu)件

芳綸纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的比強(qiáng)度、比剛度以及熱穩(wěn)定性，可用于制造天線工程中的結(jié)構(gòu)件。同時(shí)，芳綸纖維復(fù)合材料為絕緣、透波材料，作為結(jié)構(gòu)件使用時(shí)比碳纖維復(fù)合材料更為有利。

我國(guó)的F、T等多個(gè)衛(wèi)星中均使用了芳綸纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，如副反射器支撐桿、反射器連接環(huán)、反射面支撐、饋源支撐等。

由于芳綸纖維質(zhì)地柔軟，具有良好的抗沖擊韌性和耐磨性能，可用普通的紡織機(jī)加工成各種織物。另外，在輕型構(gòu)架天線中，芳綸纖維也可與其他的高性能纖維進(jìn)行混雜，充分發(fā)揮各種纖維的優(yōu)勢(shì)，克服缺點(diǎn)，達(dá)到最佳性能。如芳綸纖維可用于對(duì)碳纖維織物進(jìn)行法向縫紉增強(qiáng)，以達(dá)到改善碳纖維抗沖擊韌性的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

由于芳綸纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的比強(qiáng)度、比剛度、耐老化性能、電絕緣性能以及較低的介電損耗和線膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，在衛(wèi)星通訊技術(shù)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。但是在進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用的過(guò)程中，有幾個(gè)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

首先，與國(guó)外同種類型芳綸纖維相比，國(guó)產(chǎn)芳綸纖維的性能仍存在一些差距，且規(guī)格較少，可供設(shè)計(jì)選擇的余地很小。其次，芳綸纖維表面黏附性及浸潤(rùn)性很差，不能與樹(shù)脂形成穩(wěn)固的界面相，導(dǎo)致芳綸纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料具有較低的層間剪切強(qiáng)度，受到載荷時(shí)易發(fā)生分層。再次，芳綸纖維復(fù)合材料的硬度低、韌性好、層間結(jié)合力差，導(dǎo)致其構(gòu)件機(jī)械加工性能差，使用普通機(jī)床進(jìn)行邊緣切割或制孔時(shí)，若選用的刀具或加工參數(shù)不合適，會(huì)使切割邊出現(xiàn)分層、拉毛、燒焦等缺陷[ 7 ]。

為了加速推進(jìn)芳綸纖維復(fù)合材料在衛(wèi)星通訊技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)程，在盡快解決上述三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的同時(shí)，材料開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大與航空航天等工業(yè)單位的合作，加快實(shí)驗(yàn)結(jié)果向?qū)嶋H生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化。

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