一種氰酸脂飛機(jī)雷達(dá)罩制造工藝

楊紹昌　劉向陽(yáng)　潘嘉寧

（中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司復(fù)合材料廠，陜西　西安，710089）

一種氰酸脂飛機(jī)雷達(dá)罩制造工藝

楊紹昌劉向陽(yáng)潘嘉寧

（中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司復(fù)合材料廠，陜西西安，710089）

本文通過(guò)對(duì)某飛機(jī)雷達(dá)罩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)的分析，針對(duì)氰酸脂玻璃纖維預(yù)浸料的材料特性及零件的特殊結(jié)構(gòu)，給出了可行的工藝流程和工藝方法，成功地解決了此類雷達(dá)罩制造中的問題。

雷達(dá)罩、大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)、氰酸脂玻璃纖維預(yù)浸料、制造工藝

隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展，雷達(dá)大量應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈、航海等領(lǐng)域，雷達(dá)罩的運(yùn)用也日趨廣泛。雷達(dá)罩是雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，被稱作雷達(dá)系統(tǒng)的“電磁窗口”，其性能好壞直接影響到雷達(dá)系統(tǒng)的功能，對(duì)雷達(dá)天線饋線伺服系統(tǒng)的使用環(huán)境、延長(zhǎng)雷達(dá)系統(tǒng)的使用壽命、提高工作可靠性、簡(jiǎn)化雷達(dá)結(jié)構(gòu)、減輕結(jié)構(gòu)重量起著積極的作用。

氰酸脂樹脂是20世紀(jì)80年代開發(fā)出來(lái)的一類高性能樹脂。研究表明，氰酸脂樹脂的收縮率較低，介電損耗角正切值很低，僅為0.002～0.008，介電常數(shù)為2.8～3.2，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為240℃～290℃，吸濕率＜1.5%，具有出色的介電性能、耐高溫、低吸濕率、低熱脹系數(shù)、優(yōu)良的力學(xué)性能和粘接性能，表1列出了氰酸脂樹脂和環(huán)氧樹脂、雙馬來(lái)酰胺的性能比較，表2表明了氰酸脂樹脂分子結(jié)構(gòu)。由于其具有優(yōu)良性能，已被視為最有發(fā)展前途的新一代雷達(dá)天線罩用復(fù)合材料。如陶氏化學(xué)公司研制的Tactix XU71787氰酸酯樹脂復(fù)合材料應(yīng)用于美國(guó)F-22飛機(jī)天線罩上；BASF公司研制的5575-2氰酸酯樹脂復(fù)合材料使用在歐洲聯(lián)合研制的EF-2000戰(zhàn)斗機(jī)上；英國(guó)ACG公司研制的HTM系列玻璃纖維預(yù)浸料用于國(guó)產(chǎn)民用飛機(jī)上。

隨著雷達(dá)用途廣泛增加，用于特殊用途如氣象遙感、人工增雨、森林防火等雷達(dá)幾乎遍布于飛機(jī)的各個(gè)部位，如機(jī)頭、機(jī)腹、機(jī)背、尾部、機(jī)翼及機(jī)身兩側(cè)，隨之帶來(lái)的是雷達(dá)罩的復(fù)雜外型，對(duì)雷達(dá)罩的制造工藝提出了挑戰(zhàn)。既要滿足結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)需求，又要滿足電性能要求。本文針對(duì)某飛機(jī)的雷達(dá)罩的制造工藝進(jìn)行研究，以供此類雷達(dá)罩制造借鑒。

1　研究對(duì)象及實(shí)驗(yàn)條件

1.1研究對(duì)象

雷達(dá)罩為復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，整個(gè)罩體由聚氰酸脂玻璃纖維預(yù)浸料蒙皮和芳綸紙蜂窩夾芯組成，四周邊沿為預(yù)浸料層壓區(qū)。外廓尺寸為3100mm×1600mm×700mm，厚度7mm。見圖1。氰酸脂玻璃預(yù)浸料為英國(guó)ACG公司HTM110系列，芳綸紙蜂窩（B階段）為北京航空材料研究所制造，膠膜為德國(guó)Henkle公司制造。

表1　氰酸酯樹脂和環(huán)氧樹脂、雙馬來(lái)酰胺的性能比較

表2　聚氰酸樹脂分子結(jié)構(gòu)

1.2工裝條件

采用鋼制凸模，工裝型面取零件的內(nèi)表面。工裝采用雞蛋盒式中空框架結(jié)構(gòu)，工裝型面厚度小于15mm。表面粗糙度不大于Ra0.8um。

1.3工藝流程

圖1　某種雷達(dá)罩簡(jiǎn)圖

2　研究結(jié)果及討論

按照上述條件進(jìn)行試驗(yàn)件制造，發(fā)現(xiàn)了在雷達(dá)罩兩側(cè)拐角處出現(xiàn)了皺褶及材料燒蝕現(xiàn)象如圖2所示。

通過(guò)分析雷達(dá)罩結(jié)構(gòu)、工藝過(guò)程和材料特性，從壓力墊制造、鋪貼工藝、固化工藝方面進(jìn)行研究。

2.1壓力墊制造

2.1.1確定壓力墊材料

復(fù)合材料零件的壓力墊一般采用AIRPAD或AIRCAST3700硅橡膠制成。硅橡膠具有一定的柔性，一般用于表面曲度較小的零件，硫化溫度170±5℃。雷達(dá)罩零件均為曲率較大的多曲面零件，該預(yù)浸料固化溫度為180±5℃，若使用硅橡膠壓力墊，固化過(guò)程中壓力墊在溫度與壓力的作用下會(huì)發(fā)生軟化，零件曲率變化較大的位置罐壓無(wú)法傳遞，零件表面易產(chǎn)生皺折現(xiàn)象，采用玻璃纖維預(yù)浸料來(lái)制作壓力墊。

圖2　試驗(yàn)件缺陷示意圖

2.1.2制作壓力墊

分兩種方式制作壓力墊，一種是位置選取從零件順航向端點(diǎn)到距零件距尾部300～500mm范圍之內(nèi)（非尾部R區(qū)壓力墊），如圖3所示。另一種是位置選取從尾部R區(qū)壓力墊的覆蓋范圍是從零件順航向方向尾部向前300～500mm（尾部R區(qū)壓力墊），如圖4所示。

由于雷達(dá)罩尾部R角的曲率變化較大，為了避免零件固化時(shí)R角壓力墊發(fā)生擠壓變形，需對(duì)R角的壓力墊進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。方法為：

①將尾部R區(qū)沿0長(zhǎng)桁軸線方向（零件對(duì)稱中心線）分成左右兩部分，分別制造壓力墊（簡(jiǎn)稱為左區(qū)與右區(qū)）。

②對(duì)于左區(qū)與右區(qū)均全部包覆三層環(huán)氧玻璃預(yù)浸布。

③對(duì)于左區(qū)與右區(qū)的R角區(qū)域，增加預(yù)浸布進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)以防止壓力墊發(fā)生擠壓變形。方法為在假件上對(duì)于R角區(qū)，在原有三層環(huán)氧玻璃預(yù)浸布?jí)毫|的基礎(chǔ)上，再較大范圍（完全覆蓋整個(gè)R角）鋪貼一層環(huán)氧玻璃預(yù)浸布（記為第4層），再鋪貼第5層，其大小比第4層邊緣縮小20mm，再鋪貼第6層，其大小比第5層邊緣縮小20mm。

上述方法很好地解決了零件R區(qū)固化后外形的精確性。

3）壓力墊接縫的處理

零件表面上壓力墊對(duì)接處產(chǎn)生了膠棱和褶皺。通過(guò)增加壓力墊的對(duì)接寬度，并對(duì)對(duì)接縫使用未硫化AIRPAD進(jìn)行填補(bǔ)，使零件固化的同時(shí)，AIRPAD也隨之硫化，由于AIRPAD在高溫下具有流動(dòng)性且也能起到傳遞壓力的作用，可有效的避免膠棱的出現(xiàn)，且可以有效避免由于剛性壓力墊由于一處放置不到位而造成多處連帶的結(jié)果，從而提高零件型面精度與避免表面缺陷。

2.2鋪貼工藝

2.2.1蜂窩芯鋪貼

雷達(dá)罩采用濕態(tài)可拉伸的預(yù)固化蜂窩芯，該蜂窩可在任意位置處裁開后利用蜂窩芯材料上自帶的膠液將芯格壁重新拼接。該材料具有較強(qiáng)的柔性，適合曲率多變的零件制造，需要先在特定的工藝參數(shù)下進(jìn)行預(yù)成型。蜂窩芯鋪放時(shí)應(yīng)注意以下工藝要求：

1）將蜂窩芯L向和工裝上鋪貼坐標(biāo)系進(jìn)行比對(duì)，切勿任意方向進(jìn)行鋪貼；

2）由于雷達(dá)罩透波率要求較高，因此蜂窩芯的拼接縫之間不允許有膠膜、泡沫膠等其他材料；

3）蜂窩芯的拼接方式是芯格壁對(duì)接，由于零件型面為多曲面，蜂窩芯下料時(shí)需要在不同曲面處裁開后再互相拼接。

2.2.2預(yù)浸料加強(qiáng)層鋪貼

雷達(dá)罩為保證零件表面符合氣動(dòng)外形，夾層區(qū)與層壓區(qū)之間過(guò)渡區(qū)域需要使用加強(qiáng)層鋪貼。層壓區(qū)預(yù)浸料近30層。由于雷達(dá)罩為尾部R區(qū)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，致使固化過(guò)程中加強(qiáng)層材料容易在此區(qū)域形成堆積，零件表面出現(xiàn)皺折缺陷。由于零件加強(qiáng)層區(qū)域尺寸較大且預(yù)浸料材料幅寬有限，加強(qiáng)層材料通常需要進(jìn)行拼接，采取以下拼接方式：

圖3　雷達(dá)罩尾部非R區(qū)部分壓力墊示意圖

圖4　雷達(dá)罩尾部R區(qū)部分壓力墊示意圖

圖5　R區(qū)加強(qiáng)層拼接示意圖

1）第1層加強(qiáng)層鋪貼時(shí)，在左右2個(gè)R區(qū)兩邊各100mm處進(jìn)行拼接，如圖5所示，接縫最大間隙為1.5mm。如此，就將第1層加強(qiáng)層分為了4段；

2）第2層加強(qiáng)層在第1層加強(qiáng)層的基礎(chǔ)上進(jìn)行拼接，拼縫錯(cuò)開至少15mm；

3）以此類推，每一層加強(qiáng)層都分為4段，相鄰層拼縫比上一層錯(cuò)開至少15mm，所有加強(qiáng)層的鋪層都必須進(jìn)行對(duì)接。

2.3固化工藝

氰酸酯預(yù)浸料含膠量高達(dá)40%且具有較高的粘性，固化反應(yīng)劇烈。由于雷達(dá)罩零件邊緣加強(qiáng)層層數(shù)多，零件固化過(guò)程中多次出現(xiàn)因樹脂堆積引起的零件過(guò)燒現(xiàn)象（如圖2所示）。為避免雷達(dá)罩零件出現(xiàn)過(guò)燒，需要對(duì)樹脂堆積處采取導(dǎo)引和吸膠，實(shí)現(xiàn)固化所放熱量降低的作用。

2.3.1采用干玻璃纖維吸膠

零件邊緣加強(qiáng)層是膠液最為集中的區(qū)域，在兩處鋪放干玻璃纖維進(jìn)行吸膠和散熱。一處在成型工裝上的零件外形線周邊鋪放1層干玻璃纖維，局部區(qū)域增至2層，另一處是在零件鋪貼后制袋時(shí)隔離膜上方鋪放2～3層干玻璃纖維。

通過(guò)干玻璃纖維的吸膠作用，加強(qiáng)層的膠液在固化時(shí)向零件周邊流動(dòng)，在零件內(nèi)部堆積減少，有效了的降低了固化熱量。

2.3.2優(yōu)化制袋工藝，促進(jìn)熱量排出

1）在壓力墊上鉆制Φ1.5～2mm透氣孔，孔間距30mm，如圖6所示；

2）選用有孔隔離膜，合理的透氣層鋪放方式，以利于排氣；

3）為了避免固化時(shí)真空堵塞，在工裝上至少接4個(gè)真空嘴，每個(gè)真空嘴下鋪2層透氣層。

圖6　壓力墊鉆孔

圖7　加強(qiáng)層熱壓實(shí)后

2.3.4固化參數(shù)優(yōu)化

如果零件的升溫速率過(guò)快，短時(shí)間內(nèi)析出的大量膠液聚集發(fā)生較為強(qiáng)烈的化學(xué)放熱反應(yīng)，熱量的驟增會(huì)造成零件的過(guò)燒。因此，對(duì)固化參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，降低固化過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)速率，減少熱量的產(chǎn)生速率，使熱量能及時(shí)通過(guò)真空系統(tǒng)排出。將升溫速率控制在小于1.2℃/min。

2.3.5固化流程優(yōu)化

雷達(dá)罩具有特殊的R區(qū)結(jié)構(gòu)，采用常用的三次固化成型方法（1.蜂窩芯預(yù)固化，2.內(nèi)蒙皮固化，3.內(nèi)蒙皮、蜂窩芯、加強(qiáng)層和外蒙皮共固化）易造成R區(qū)超厚、過(guò)燒。

經(jīng)分析，對(duì)固化流程優(yōu)化如下：

在鋪貼加強(qiáng)層時(shí)，增加熱壓實(shí)工藝，使R區(qū)加強(qiáng)層的樹脂均勻。熱壓實(shí)之后的加強(qiáng)層如圖7所示，由圖可見，固化成型后零件表面的缺陷顯著改善。

通過(guò)增加固化次數(shù)和熱壓實(shí)程序，有效地減少了固化化學(xué)反應(yīng)的熱量和固化熱應(yīng)力，不僅保證了零件的固化質(zhì)量，而且提高了零件的外形精度。

3　結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某種聚氰酸脂雷達(dá)罩的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和材料特性分析，在研制中，對(duì)壓力墊制造工藝、鋪貼工藝、固化工藝進(jìn)行了研究和驗(yàn)證，證明了采取合理的壓力墊制造工藝、鋪貼工藝、蜂窩芯的拼接工藝以及多次固化成型工藝，能夠制造出高質(zhì)量的雷達(dá)罩產(chǎn)品，對(duì)于采取類似的氰酸脂材料雷達(dá)罩研制有很大的借鑒作用。

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Through the analysis of structural characteristics of a radome and technical difficulties， cyanate resin glass fiber prepreg material characteristics and special structure of parts， gives a feasible process and technical methods. The solution successfully solves the problem of the type in radome manufacture.

RadomeLarge complicated structureCyanate resin glass fiber prepregManuafacture process

楊紹昌（1963－），男，博士研究生，北京航空航天大學(xué)，復(fù)合材料制造，研究方向：航空航天復(fù)合材料產(chǎn)品制造工藝技術(shù)研究。