碳纖維復(fù)合材料波導(dǎo)器件成型技術(shù)

張勤干 武海生 趙臻璐 黎 昱

(北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094)

碳纖維復(fù)合材料波導(dǎo)器件成型技術(shù)

張勤干 武海生 趙臻璐 黎 昱

(北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094)

文摘以某衛(wèi)星用高精度、復(fù)雜諧振腔波導(dǎo)器件為對(duì)象，設(shè)計(jì)了碳纖維復(fù)合材料鋪層及工藝成型方案，通過(guò)模具表面金屬層轉(zhuǎn)移法，制備了內(nèi)腔表面金屬化的碳纖維復(fù)合材料(CFRP)諧振腔波導(dǎo)，進(jìn)行了高低溫環(huán)境試驗(yàn)。結(jié)果表明：碳纖維復(fù)合材料諧振腔內(nèi)腔型面精度、平整度等均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)，經(jīng)歷100次-196～120℃高低溫循環(huán)后，表面金屬層/碳纖維復(fù)合材料基體結(jié)合良好。與殷鋼諧振腔相比，碳纖維復(fù)合材料諧振腔減重72%。

碳纖維復(fù)合材料，波導(dǎo)諧振腔，模具設(shè)計(jì)，成型

0 引言

波導(dǎo)器件是各種微波通信和衛(wèi)星通信工程中的重要器件，航天器中使用的傳統(tǒng)波導(dǎo)器件通常采用鋁合金、低膨脹合金(如殷鋼)等制成，制造工藝復(fù)雜，存在型面精度不高、結(jié)構(gòu)質(zhì)量大、空間環(huán)境尺寸穩(wěn)定性差等問(wèn)題[1]，難以滿(mǎn)足通訊衛(wèi)星減重和向高頻段發(fā)展的需求。碳纖維復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、低線脹系數(shù)、可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，用于制備波導(dǎo)器件能夠減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，有效提高天線綜合性能[2]。但是碳纖維復(fù)合材料的電導(dǎo)率較金屬小，當(dāng)傳導(dǎo)的電磁頻率高于20 GHz時(shí)，復(fù)合材料對(duì)電磁波吸收損耗大，通常還需要對(duì)其進(jìn)行表面金屬化處理[3]，金屬轉(zhuǎn)移法是碳纖維復(fù)合材料表面金屬化的常用方法之一。

針對(duì)某衛(wèi)星用高精度、復(fù)雜碳纖維復(fù)合材料波導(dǎo)諧振腔，本文開(kāi)展成型工藝研究，通過(guò)復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)、成型模具/表面金屬層一體設(shè)計(jì)、固化工藝選擇等確定了成型工藝方案，制備了滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的復(fù)合材料波導(dǎo)諧振腔，并通過(guò)了高低溫環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 諧振腔構(gòu)型特點(diǎn)

諧振腔構(gòu)型如圖1所示，輪廓尺寸為119 mm×82 mm×52 mm，主體為一面帶翻邊的敞口長(zhǎng)方盒，盒中間有齒形腹板，將盒體一分為二，盒體所有工作面(即盒體內(nèi)表面，包括腹板表面)需要表面金屬化處理，且各面相交處為清晰棱線、無(wú)圓角。

波導(dǎo)諧振腔主要技術(shù)指標(biāo)為：

(1)內(nèi)腔尺寸精度和形位精度為±0.05 mm；

(2)內(nèi)腔表面粗糙度≤1.6 μm；

(3)內(nèi)腔棱線清晰，表面金屬層連續(xù)；

(4)內(nèi)腔表面金屬層與復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度：-190～120℃冷熱交變循環(huán)次數(shù)100次后，鍍層無(wú)鼓起、脫落等現(xiàn)象；

(5)碳纖維復(fù)合材料諧振腔體成型質(zhì)量滿(mǎn)足GJB2895—B級(jí)要求。

2 鋪層設(shè)計(jì)

選擇衛(wèi)星型號(hào)用T700/4211預(yù)浸料，根據(jù)該碳纖維復(fù)合材料比剛度性能，參考以往殷鋼波導(dǎo)構(gòu)型，初步確定諧振腔采用2 mm均勻壁厚，開(kāi)展鋪層設(shè)計(jì)。

波導(dǎo)諧振腔對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求較高，鋪層設(shè)計(jì)應(yīng)以“各向同性”和“零線脹系數(shù)”為原則[4-7]。制定的鋪層方案設(shè)計(jì)如下：腔體腔體和腹板鋪層均為[0/+45/-45/90]2s。同時(shí)為了滿(mǎn)足諧振腔內(nèi)表面平整、棱線清晰、金屬化均勻的需求，在產(chǎn)品內(nèi)表面緊貼金屬層設(shè)置一層超薄預(yù)浸料功能層。

3 成型方案設(shè)計(jì)

3.1工藝流程

根據(jù)波導(dǎo)諧振腔技術(shù)指標(biāo)要求，擬采用金屬陽(yáng)模，對(duì)模具表面金屬化，手工鋪疊成形，熱壓罐成型，保證波導(dǎo)內(nèi)腔成型質(zhì)量，以及金屬層與碳纖維基體的緊密結(jié)合。

制定的成型工藝流程如下：

模具加工→表面金屬層實(shí)施→預(yù)浸料鋪層→合?！袒灸Ｃ撃！拚麢C(jī)加→檢驗(yàn)交付。

3.2模具選材與設(shè)計(jì)

諧振腔的內(nèi)腔表面的金屬層需要借助模具來(lái)轉(zhuǎn)移到復(fù)合材料表面，因而尺寸精度、形位精度，以及內(nèi)表面粗糙度依靠模具來(lái)保證。從模具CNC加工、模具表面金屬層制備、成型脫模角度出發(fā)，選擇2A12鋁合金作為模具材料。

模具設(shè)計(jì)主要考慮兩方面：一、模具表面金屬層的實(shí)施可行性；二、碳纖維預(yù)浸料的可鋪疊性。依據(jù)諧振腔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)帶翻邊芯模，芯模用于成型諧振腔內(nèi)腔，翻邊用于成型諧振腔法蘭。芯模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案有兩種：一體芯模和組合芯模(圖2)。

一體芯模[圖2(a)]的優(yōu)點(diǎn)是整體加工成型，便于實(shí)現(xiàn)表面金屬層的連續(xù)、完整實(shí)施和轉(zhuǎn)移，芯模的尺寸和形位精度易控制。缺點(diǎn)是一體芯模中，對(duì)應(yīng)諧振腔腹板位置呈齒形深槽，預(yù)浸料鋪放時(shí)，操作不便，無(wú)法保證鋪層精度，且固化過(guò)程中該部分難以加壓充分，易產(chǎn)生氣孔、分層等缺陷。組合芯模[圖2(b)]是將一體芯模從深槽處一分為二，通過(guò)在分型處設(shè)置凹凸臺(tái)裝配合成一體。組合芯模的優(yōu)點(diǎn)在于兩側(cè)模具可以分別鋪層，腹板部分可通過(guò)兩側(cè)模具傳壓壓實(shí)；缺點(diǎn)是兩側(cè)芯模的配合容易產(chǎn)生裝配誤差，且在裝配面處形成金屬鍍層的對(duì)接縫。根據(jù)總體設(shè)計(jì)，拼縫間隙小于0.1 mm時(shí)，對(duì)一定電磁波段的電性能幾乎無(wú)影響。因此，根據(jù)成型可操作性和復(fù)合材料成型質(zhì)量要求，模具結(jié)構(gòu)采用組合模具。

對(duì)于高精度構(gòu)件，模具設(shè)計(jì)還必須考慮模具線脹系數(shù)的影響[8]。2A12鋁合金的線脹系數(shù)為23.2×10-6/K ，根據(jù)4211樹(shù)脂體系固化制度，采用ANSYS軟件對(duì)模具進(jìn)行熱膨脹分析，最高固化溫度下組合芯模熱變形如圖3所示，芯模(翻邊除外)的長(zhǎng)、高、寬方向的變形分別為0.250、0.141、0.067 mm，最大變形出現(xiàn)在模具頂部短棱邊，均超出內(nèi)腔精度要求范圍，在模具加工時(shí)需進(jìn)行尺寸補(bǔ)償，消除熱膨脹引起的精度誤差。

3.3表面金屬層實(shí)施方案

對(duì)加工好的芯模進(jìn)行表面處理，按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)，在其工作面均勻沉積一層0.2 mm厚的金屬層。對(duì)金屬層表面噴砂處理，提高表面粗糙度，提高金屬層與碳纖維復(fù)合材料基體的結(jié)合力。

3.4鋪層實(shí)施方案

該復(fù)合材料波導(dǎo)諧振腔成型的難點(diǎn)之一是內(nèi)腔齒形腹板成型。根據(jù)組合芯模的結(jié)構(gòu)形式，將鋪層分步實(shí)施：首先，分別在兩瓣芯模表面依次貼合一層超薄預(yù)浸料，再鋪疊[0/+45/-45/90]s共8層預(yù)浸料，多次真空預(yù)壓壓實(shí)，重點(diǎn)保證齒形腹板厚度方向鋪層與芯模裝配面緊密貼合；最后，芯模組合到位后，在表面整體鋪疊余下8層預(yù)浸料，鋪層示意見(jiàn)圖4。

鋪層前按照鋪層方向和芯模平面展開(kāi)圖裁剪預(yù)浸料。鋪層時(shí)要求鋪層角度準(zhǔn)確，采用對(duì)接拼縫以保證腔體壁厚均勻性，并將鋪層拼縫設(shè)置在法蘭翻邊處，避免接縫對(duì)波導(dǎo)內(nèi)腔性能產(chǎn)生影響。

圖4 波導(dǎo)諧振腔鋪層剖面圖

Fig.4 Sectional view of waveguide resonator lay-up

4 成型與性能評(píng)價(jià)

碳纖維復(fù)合材料諧振腔采用真空袋-熱壓罐工藝成型，產(chǎn)品經(jīng)固化、脫模，碳纖維復(fù)合材料波導(dǎo)諧振腔實(shí)物見(jiàn)圖5。經(jīng)檢測(cè)，制備的碳纖維復(fù)合材料諧振腔內(nèi)腔尺寸精度、棱線特征、內(nèi)腔表面金屬層連續(xù)性、平整度及粗糙度均滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)。

超聲無(wú)損檢測(cè)表明，腔體成型質(zhì)量良好，滿(mǎn)足GJB2895—97B類(lèi)要求。對(duì)諧振腔開(kāi)展-196～120℃高低溫循環(huán)試驗(yàn)，開(kāi)展100次后，目視檢查表面金屬層無(wú)起皮、脫落現(xiàn)象。分別對(duì)諧振腔進(jìn)行散斑成像(圖6)檢測(cè)，結(jié)果表明內(nèi)腔表面鍍層與碳纖維復(fù)合材料基體結(jié)合完好，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。碳纖維復(fù)合材料諧振腔質(zhì)量為0.11 kg，比殷鋼諧振腔減重72%。

5 結(jié)論

以某衛(wèi)星用高精度、復(fù)雜波導(dǎo)諧振腔為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了合理的復(fù)合材料成型方案，制備了表面金屬化的碳纖維復(fù)合材料諧振腔，并通過(guò)了高低溫試驗(yàn)驗(yàn)證。

(1)采用模具表面金屬層轉(zhuǎn)移方式，結(jié)合熱壓罐工藝，制備了內(nèi)腔表面金屬化的碳纖維復(fù)合材料波導(dǎo)諧振腔。

(2)碳纖維復(fù)合材料諧振腔表面金屬層連續(xù)性、平整度、粗糙度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)歷100次-196～120℃高低溫循環(huán)后，金屬層無(wú)起泡、脫落現(xiàn)象。

(3)碳纖維復(fù)合材料波導(dǎo)諧振腔，較殷鋼波導(dǎo)諧振腔減重72%。

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Forming Technology of CFRP Waveguide

ZHANG Qingan WU Haisheng ZHAO Zhenlu LI Yu

(Beijing Spacecrafts, Beijing 100094)

Through the design of carbon fiber composite lay-up and forming process, a cavity-metallized high-precision and complex composite resonator for a satellite was fabricated by metal transfer from mold surface. High and low temperature experiments were carried out on the composite waveguide resonator. The results indicates that the cavity surface precision, flatness and metallic coating bond strength of the resonator satisfy the design specifications. After 100 cycles of high and low temperature，metallic coatings and CFRP substrate maintain good adhesion. CFRP resonator weighs 72% lower than its Invar counterpart.

CFRP，Waveguide resonator，Mold design，F(xiàn)orming

TB332

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.05.006

2017-01-19

張勤干，1991年出生，碩士研究生，主要從事先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料成型研究。E-mail：964160445@qq.com