高精度碳纖維復(fù)合材料天線反射面的制備

高精度碳纖維復(fù)合材料天線反射面的制備

劉盈斌

簡述了碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異性能，并對(duì)高精度CFRP制備天線反射面的技術(shù)要點(diǎn)予以論述并加以改良，采用高精度球墨鑄鐵模具，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，中溫固化蒙皮與室溫合型相結(jié)合，鋪層設(shè)計(jì)和金屬層轉(zhuǎn)移技術(shù)，制備出700mm×1200mm，最高精度達(dá)0.0181mm(RMS)的高精度、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)碳纖維天線反射面。

近些年新型天線逐漸向著輕量化、高精度、高性能等方向發(fā)展。碳纖維復(fù)合材料（CFRP）具有重量輕、比強(qiáng)度和比剛度高、高尺寸精度、低膨脹系數(shù)、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到天線專家們的重視。國外的CFRP天線反射體品種較多，精度（均方根誤差RMS，下同）已達(dá)微米級(jí)，國內(nèi)從20世紀(jì)90年代起陸續(xù)開展CFRP反射體的研究，目前最高精度達(dá)到0.031mm。

某大型天線由多塊700mm×1200mm左右的小型面板組成，由于工作頻段較高，為滿足電氣性能而對(duì)反射面的精度提出了苛刻的要求，單塊面板精度要求達(dá)0.05mm以下，按照以往經(jīng)驗(yàn)，如此大尺寸的CFRP面板精度基本可以保持在0.09mm左右，要使每塊面板精度都要達(dá)到0.05mm以下很難做到。

反射面結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)

以CFRP制造天線反射面可采用三種結(jié)構(gòu)形式，即板狀結(jié)構(gòu)和背架、夾層結(jié)構(gòu)、夾層結(jié)構(gòu)和簡易背架。不論采用什么結(jié)構(gòu)方式，都是以保證天線型面精度為目的，滿足使用環(huán)境所要求的強(qiáng)度、剛度等為前提的。國內(nèi)外現(xiàn)有研究和生產(chǎn)表明，CFRP天線反射面除了很小尺寸的用板狀外，幾乎都用夾層結(jié)構(gòu)。夾層結(jié)構(gòu)面板的特點(diǎn)是質(zhì)輕、剛性好、有較好的抵御應(yīng)力變形的能力，是保障天線型面精度的較佳結(jié)構(gòu)。我們研制的CFRP反射面尺寸適中，直接采用帶預(yù)埋塊的夾層結(jié)構(gòu)就能滿足天線剛度要求，鋁蜂窩芯材的剪切強(qiáng)度與剪切模量較高，制備簡單，價(jià)格低廉，綜合考慮選用5052鋁蜂窩芯材作為夾層芯材，蜂窩邊長選為4mm。

技術(shù)指標(biāo)為：尺寸約為30mm×700mm ×1200mm，反射面金屬化處理，型面精度小于0.05mm，質(zhì)量較鋁質(zhì)天線輕50%以上。

CFRP天線反射面制備關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在高精度CFRP天線反射面的制造過程中，除了天線結(jié)構(gòu)外影響天線反射面精度的因素很多，主要有：天線面模具材料的選擇以及模具設(shè)計(jì)與加工；表面金屬化；反射面的鋪層設(shè)計(jì)；固化工藝方式及參數(shù)選擇。

模具。制備高精度CFRP天線反射面必需要有結(jié)構(gòu)合理的高精度模具。模具材料的選擇十分重要，綜合考慮材料成本和加工費(fèi)用，模具材料采用線脹系數(shù)較低的球墨鑄鐵，模具設(shè)計(jì)應(yīng)有足夠的剛度，以保證型面精度的穩(wěn)定性；壁厚均勻，盡可能具有較小的熱容量；模具結(jié)構(gòu)上設(shè)有測量、鋪層基準(zhǔn)等；模具型面精度誤差小于天線面精度要求的1/3；模具具有較高的氣密性要求。我們模具加工是通過精確編程后在數(shù)控銑床上完成的，制得的模具型面精度為0.015mm。

表面金屬化。CFRP的表面金屬化方法較多。我們所研制的天線面板尺寸大、不易采用化學(xué)與電化學(xué)鍍，真空離子濺射又沒有大尺寸的濺射設(shè)備，直接進(jìn)行金屬噴涂附著力與表面精度無法保證，因此采用了比較優(yōu)越的金屬轉(zhuǎn)移法，它的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，不受零件形狀和尺寸的限制，克服了直接金屬噴涂法所固有的金屬層與復(fù)合材料間的結(jié)合力較小、表面粗糙、精度差、隨機(jī)性大等缺點(diǎn)，形面金屬層的光潔度由模具成型面保證，天線反射面的金屬層與復(fù)合材料靠膠粘劑膠結(jié)，結(jié)合強(qiáng)度高，其工藝過程對(duì)天線形面精度無不良影響因素，是目前非常理想的CFRP天線表面金屬化技術(shù)。

鋪層。碳纖維與樹脂基本性能差異很大，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(jì)是取得較佳強(qiáng)度及較高精度的關(guān)鍵之一。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，采用碳纖維斜紋預(yù)浸料具有材料延展性較好，鋪覆工藝簡單好操作，而且翻邊及拐角處也易于鋪覆，保證性能的同時(shí)又大大提高了生產(chǎn)效率。鋪層設(shè)計(jì)為內(nèi)蒙皮1K/3K×4共五層，第一層采用1K斜紋布緊貼噴完金屬層的模具上，再貼4層3K斜紋布，外蒙皮為3K×5共五層斜紋預(yù)浸料。在預(yù)浸料鋪覆時(shí)可拼接盡量不搭接，相鄰兩層要岔開接縫，應(yīng)設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)，注意均勻?qū)ΨQ。每層預(yù)浸料都必須壓實(shí)，原則上每鋪2~3層預(yù)浸料抽真空一次，以減少孔隙率，提高產(chǎn)品致密度。

固化體系及參數(shù)。在高精度天線成型過程中，樹脂的固化溫度要低以減小成型熱應(yīng)力變形。一來為保證天線面強(qiáng)度，制備蒙皮時(shí)采用性能優(yōu)良中溫固化的環(huán)氧樹脂以達(dá)到蒙皮碳纖維體積含量高，層間結(jié)合力好，孔隙率低，強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，二來為保證天線面板精度合型時(shí)采用性能優(yōu)良室溫固化的環(huán)氧樹脂體系以保障在較低溫度合型時(shí)模具較小的變形量。

蒙皮固化參數(shù)為：全程抽真空0.095~0.098±0.003MPa，升溫速度1℃/ min，升溫至80℃±5℃加壓0.4MPa，保溫30min，繼續(xù)升溫至125℃±5℃時(shí)，恒溫2.0h，降溫速度1℃/min至60℃以下卸壓；合型固化參數(shù)為：全程抽真空0.095~0.098±0.003MPa，升溫速度1℃/min，升溫至60℃±5℃加壓0.4±0.03MPa，保溫5.5h，卸壓。

CFRP天線反射面性能

小批量試制面板20塊，面板厚度：30±0.2mm，單塊重量：5.087Kg，經(jīng)三坐標(biāo)機(jī)檢測面板精度，可知18塊面板都在0.05以內(nèi)，最高精度達(dá)0.0181已近接近模具精度；大部分面板精度集中在0.025~0.04之間，已達(dá)國內(nèi)領(lǐng)先水平；僅兩塊略有超差最差為0.0533?？傮w看來符合復(fù)合材料模具精度與制件精度3倍關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)值。

通過對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)改良與控制，最終研制出表面金屬化的高精度、蜂窩夾層式CFRP天線面，型面精度最高達(dá)0.0181mm，小批量生產(chǎn)基本可保證精度達(dá)0.05mm以內(nèi)符合模具與制件精度3倍關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)，質(zhì)量為5.087kg，較鋁質(zhì)天線輕50%以上。此工藝制備高精度CFRP天線反射面性能優(yōu)異，重復(fù)性好，具有廣闊的應(yīng)用前景。

（作者單位：中電39所）