某蜂窩夾芯天線罩成形工藝研究

許　磊

(西安電子工程研究所，陜西 西安 710100)

?

某蜂窩夾芯天線罩成形工藝研究

許磊

(西安電子工程研究所，陜西 西安 710100)

針對(duì)某雷達(dá)蜂窩夾芯的結(jié)構(gòu)，選擇了合適的蜂窩、填充膠和蒙皮等結(jié)構(gòu)材料，對(duì)其成形工藝進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了合適的模具及工裝夾具，確定了合適的工藝成形方法及工藝加工參數(shù)，解決了加工中影響天線罩性能指標(biāo)的工藝問(wèn)題。

復(fù)合材料；蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)；模壓

天線罩是雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要部件，其作用是保護(hù)天線不受損傷，防止雨淋或外界環(huán)境灰塵、潮氣進(jìn)入，而且保證雷達(dá)波不受干擾地通過(guò)；因此，天線罩應(yīng)滿(mǎn)足剛度大、透波損耗小、質(zhì)量輕、阻燃和耐腐蝕等性能要求[1-2]。玻纖-蜂窩結(jié)構(gòu)能滿(mǎn)足上述要求，是理想的天線罩材料。

本文以某雷達(dá)天線罩的玻纖-蜂窩結(jié)構(gòu)為例，對(duì)此類(lèi)蜂窩復(fù)合材料的成形進(jìn)行研究，掌握其成形的關(guān)鍵技術(shù)，形成批量加工能力。該結(jié)構(gòu)外形尺寸為650 mm×330 mm×4.8 mm，由邊長(zhǎng)為3 mm、厚度為4.4 mm的芳綸蜂窩芯和每面2層0.1 mm的玻璃纖維預(yù)浸料蒙皮復(fù)合而成，四周設(shè)計(jì)24個(gè)φ4 mm的連接孔。要求整個(gè)天線罩平整無(wú)翹曲，玻纖布粘貼平整，無(wú)氣泡，天線罩透波率>95%，不漏水。

1　成形工藝的研究

蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)是一種特殊的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，通常由2層或多層蒙皮夾以及1層輕質(zhì)夾芯組成，采用膠粘劑在一定溫度和壓力下粘接成一個(gè)剛性體。根據(jù)蒙皮與蜂窩夾層結(jié)構(gòu)成形的步驟，目前常見(jiàn)的成形方法主要包括二次固化法和共固化法[3-4]，二次固化法是指先完成蒙皮的固化成形，再進(jìn)行整個(gè)夾層結(jié)構(gòu)的固化成形；共固化法是指蒙皮和整個(gè)夾層結(jié)構(gòu)的固化成形同步進(jìn)行，既要使蒙皮充分受壓變得致密，又要避免蒙皮在蜂窩格內(nèi)架空。相比較而言，后者一次成形粘接牢固，加工周期短，生產(chǎn)效率高，但對(duì)工藝技術(shù)和工藝裝備要求更高；因此，應(yīng)對(duì)天線罩的共固化成形工藝進(jìn)行充分的研究和探索。

1.1天線罩成形工藝

1.1.1天線罩材料的工藝性分析和選擇

蜂窩選用北京航材院生產(chǎn)的NRH芳綸紙蜂窩，它除具有蜂窩材料的特點(diǎn)外，還具有優(yōu)越的電性能和化學(xué)穩(wěn)定性，熱膨脹系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定，真空條件下質(zhì)損率低。蒙皮選用玻纖環(huán)氧預(yù)浸料，由于所用預(yù)浸料厚度僅為0.1 mm，含膠量較低，不足以保證與蜂窩芯的粘接強(qiáng)度，因此應(yīng)選用專(zhuān)門(mén)的粘接劑。

復(fù)合用膠粘劑是制造蜂窩結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵材料，它不僅決定上、下蒙皮與蜂窩芯的粘接強(qiáng)度，還對(duì)蜂窩夾層的變形控制起著重要作用。粘接劑的固化溫度、韌性和固化收縮率影響制品的翹曲變形，綜合考慮與環(huán)氧預(yù)浸料樹(shù)脂的固化溫度一致性和減少變形，通過(guò)對(duì)J-47C和LJM-170等2種膠膜的測(cè)試后，選用固化溫度為130 ℃的LJM-170環(huán)氧膠膜作為蒙皮與蜂窩芯的粘接劑。該膠膜具有較高的拉伸剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度，能夠滿(mǎn)足復(fù)合材料共固化的工藝要求。

天線罩四周需要打孔的部位，可選用填充膠或發(fā)泡膠進(jìn)行填充，通常選用黑龍江石化院生產(chǎn)的J-47D發(fā)泡膠和北京航材院生產(chǎn)SY-14配套發(fā)泡膠。由于在固化升溫過(guò)程中，發(fā)泡膠的體積膨脹會(huì)對(duì)蜂窩壁產(chǎn)生一個(gè)測(cè)向的壓力，易引起蜂窩芯位置滑移和局部過(guò)量發(fā)泡，產(chǎn)生翹曲變形，所以在發(fā)泡膠的用量和填充均勻性上提出了很高要求，工藝控制比較難。而采用國(guó)外進(jìn)口的泡沫填充膠，在天線罩粘接前先填充固化，就可以解決上述工藝難題。該填充膠具有質(zhì)量輕、剛度和硬度大的特點(diǎn)，同時(shí)具有在中溫(約130 ℃)時(shí)膨脹系數(shù)小、熱變形小的優(yōu)點(diǎn)，便于共固化工藝的實(shí)現(xiàn)。

1.1.2成形方法

復(fù)合材料的成形方法有許多，適合某雷達(dá)天線罩的加工方法有模具模壓法、真空袋模壓法和熱壓罐法等[5]。由于模具模壓法無(wú)法對(duì)工件的壓力做到均勻，容易將蜂窩芯壓壞，所以可選用真空袋模壓法、熱壓罐法進(jìn)行天線罩成形。本文選用了真空袋模壓法進(jìn)行成形，其優(yōu)點(diǎn)如下：1)對(duì)產(chǎn)品均勻加壓，一致性好，力學(xué)性能優(yōu)異；2)可以消除產(chǎn)品中的氣泡缺陷，連續(xù)抽真空可以隨時(shí)抽取固化時(shí)產(chǎn)生的氣體；3)能夠控制產(chǎn)品的含膠量和厚度，適合尺寸較大的制品成形；4)能夠改善產(chǎn)品的表面質(zhì)量，工藝可操作性強(qiáng)，易于掌握；5)可用于普通烘箱固化。

根據(jù)膠膜的固化溫度，選定真空袋模壓加工所用的密封膠、真空袋和隔離膜材料，并配置真空裝置。對(duì)夾層進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，確定加工流程，解決天線加工出現(xiàn)的各類(lèi)問(wèn)題，對(duì)熱固化溫度曲線進(jìn)行摸索，解決天線外形加工及密封等問(wèn)題。

1.1.3工藝流程確定

根據(jù)共固化成形的原則，確定了天線罩成形的工藝流程為：裁料→刮填充膠、固化→天線罩鋪層、粘接、固化→銑外形、鉆孔→表面刷膠密封→密封檢驗(yàn)→表面涂覆→測(cè)試、入庫(kù)

1.2成形工裝設(shè)計(jì)

天線罩材料的鋪設(shè)與粘接成形需要專(zhuān)用工裝完成。天線罩的外形尺寸較小，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單；但制件的表面質(zhì)量和平面度要求很高?？紤]到鋁制模具易加工、剛性好以及高溫不易變形等優(yōu)點(diǎn)，采用LY12鋁合金作為主模具和壓板的材料，對(duì)鋪設(shè)面進(jìn)行精磨處理可以達(dá)到很高的平面度和很低的表面粗糙度。

1.3工藝參數(shù)確定

圖1　固化溫度-時(shí)間曲線

固化工藝參數(shù)決定制件內(nèi)部的質(zhì)量，它由蒙皮樹(shù)脂基體固化反應(yīng)、膠膜樹(shù)脂基體固化反應(yīng)的特性決定。固化程度與加壓時(shí)機(jī)、固化溫度、固化壓力和保溫時(shí)間等因素有關(guān)。通過(guò)對(duì)玻璃纖維預(yù)浸料樹(shù)脂和膠膜樹(shù)脂的固化溫度曲線進(jìn)行比較，同時(shí)參考有關(guān)文獻(xiàn)資料，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，最終確定了該天線罩粘接固化工藝參數(shù)，繪制了溫度-時(shí)間曲線(見(jiàn)圖1)。

1.4關(guān)鍵點(diǎn)的控制

天線罩成形后的指標(biāo)能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，應(yīng)注意控制如下關(guān)鍵點(diǎn)。

1)天線罩壁的厚度控制。天線罩的厚度主要由玻纖預(yù)浸料的厚度、膠膜厚度和蜂窩芯材厚度決定，因此，嚴(yán)格控制原料厚度的同時(shí)，應(yīng)保持固化壓力的大小和均勻一致。

2)天線罩平面度控制。影響天線罩平面度的因素很多，如固化加熱時(shí)的熱變形因素、脫模方式及時(shí)機(jī)，以及壓板是否滑移等，都會(huì)引起應(yīng)力集中，造成翹曲變形。

3)天線罩內(nèi)部的均勻度控制。天線罩內(nèi)部的均勻性主要與蒙皮、膠膜中樹(shù)脂含量的均勻性有關(guān)，必須嚴(yán)格均勻材料的涂膠質(zhì)量，同時(shí)對(duì)加工環(huán)境進(jìn)行控制，防止各種雜物、金屬和碳等導(dǎo)電物質(zhì)混入。

4)天線罩的密封性控制。為保證天線的水密性，天線罩在外形加工后，對(duì)正反面刷一遍環(huán)氧稀膠。刷前應(yīng)進(jìn)行表面打磨處理。

2　天線罩性能測(cè)試與試驗(yàn)

2.1電氣性能測(cè)試

對(duì)成形后的天線罩進(jìn)行了電氣測(cè)試，結(jié)果表明，損耗和透波率達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2.2工藝性能檢測(cè)

對(duì)成形后的天線罩進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明，外形尺寸為649.5 mm×330.4 mm×4.8 mm,滿(mǎn)足圖樣公差要求((650±0.5) mm×(330±0.5) mm×(4.8±0.1) mm)；天線罩表面平整、光滑，平面度為0.2 mm；蒙皮剝離強(qiáng)度>30 MPa。

2.3密封性試驗(yàn)

將天線罩全部放入水中，浸泡1 h，稱(chēng)量前后無(wú)變化，滿(mǎn)足密封要求。

2.4環(huán)境試驗(yàn)

將天線罩隨產(chǎn)品做濕熱試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)和溫度沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)后觀察天線罩表面情況，無(wú)起層、氣泡和損壞等現(xiàn)象。

3　問(wèn)題分析與討論

3.1填充膠用量問(wèn)題

選用的填充膠為A、B雙組分，按比例混合后填充在蜂窩格內(nèi)。應(yīng)合理控制其用量，用量少時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣孔或空洞，打孔時(shí)影響強(qiáng)度；用量多時(shí)會(huì)使天線罩刮膠部位比其他部位高，影響天線罩的平面度。

3.2脫模方式及脫模時(shí)機(jī)

天線罩的共固化成形，脫模方式及脫模時(shí)機(jī)會(huì)影響天線罩的翹曲變形。溶劑型脫模劑的使用雖能滿(mǎn)足脫模要求，且脫模后天線罩表面光滑；但由于脫模時(shí)需要借助外力橇開(kāi)，分離時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致天線罩翹曲，很難達(dá)到工藝要求。經(jīng)研究，選用隔離膜進(jìn)行脫模，效果很好。另外，脫模應(yīng)等到模具徹底涼透后進(jìn)行，才能保證無(wú)翹曲變形，否則仍會(huì)產(chǎn)生變形。

3.3壓板的固定

壓板在壓制過(guò)程中會(huì)發(fā)生滑移，使蜂窩芯變形產(chǎn)生應(yīng)力，從而使天線罩翹曲變形；因此，在鋪層時(shí)，可用高溫膠帶進(jìn)行固定，以防壓板滑移。

3.4蒙皮分層問(wèn)題

加工中發(fā)現(xiàn)，固化成形后的天線罩表面有類(lèi)似氣泡的亮斑，分析原因?yàn)殇伱善r(shí)，未將蒙皮與膠膜壓實(shí)。后采用專(zhuān)用搟壓模具進(jìn)行搟壓，消除缺陷。另外，天線罩在銑外形時(shí)，應(yīng)用專(zhuān)用壓板壓實(shí)后再進(jìn)行銑切，并減少銑刀量，解決加工中的分層問(wèn)題。

4　結(jié)語(yǔ)

玻纖-芳綸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)以其質(zhì)量輕、剛度大、強(qiáng)度大和透波率高等特點(diǎn)，已被廣泛用于雷達(dá)天線罩的設(shè)計(jì)加工中。目前，常用的玻纖-芳綸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)均為高溫成形工藝，其工序復(fù)雜，生產(chǎn)費(fèi)用高。采用此工藝加工天線罩，具有成本低、加工方法靈活、工藝參數(shù)易控制以及制品一致性好等優(yōu)點(diǎn)。按此工藝已完成28套某雷達(dá)天線罩的加工任務(wù)，產(chǎn)品合格率為100%。該技術(shù)的開(kāi)發(fā)，解決了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的粘接問(wèn)題，為其他雷達(dá)天線罩的研制、生產(chǎn)提供了借鑒。

[1] 舒衛(wèi)國(guó)，楊博.大尺寸高性能雷達(dá)天線罩的研制[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2006(1)：51-52，44.

[2] 劉曉春.機(jī)載雷達(dá)罩的壁結(jié)構(gòu)及其新發(fā)展[J].飛機(jī)設(shè)計(jì)，1998(1)：13-20，23.

[3] 靳武鋼，高建軍.復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)雙頻副反射器的制造技術(shù)[J].電子工藝技術(shù)，2003(1)：40-41,46.

[4] 汪亮.變截面蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料膠接工藝研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料, 2009(3):65-70.

[5] 陳祥寶.樹(shù)脂基復(fù)合材料制造技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

責(zé)任編輯馬彤

Technical Study on Honeycomb Sandwich Radomes

XU Lei

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute， Xi’an 710100， China)

More and more detailed researches on the structure of honeycomb sandwich radomes are focused on discussing the choice of appropriate structural materials, such as aluminum honeycomb, filling glue, carbon fiber skin and so on. Provide a design of applicable mould and clamping apparatus on the research of the forming technology. As a result, the appropriate method of forming technology and process parameter are determined, and the technology problem influenced radomes is solved.

composite material, honeycomb sandwich structure, compression molding

TN 957.2

A