基于熱壓罐工藝的電磁防護(hù)復(fù)合材料機(jī)箱研制

王富強(qiáng)，郭子民，劉 鵬，梁紹偉，郇 峰

(1. 中國電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所, 山西 太原 030006；2. 電磁防護(hù)技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030006)

引 言

機(jī)載標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)箱是用來裝載和保護(hù)電子設(shè)備的小型機(jī)箱，安裝方便，可進(jìn)行模塊化機(jī)載搭接。其集成度高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，減重要求高，并具有高抗振、抗沖擊性能和較高的電磁屏蔽性能，主要用來承載系統(tǒng)設(shè)備，并使內(nèi)部電子設(shè)備免受外部環(huán)境影響。

目前該類裝備大多以鋁制拼接結(jié)構(gòu)為主，雖有一些非金屬乃至碳纖維復(fù)合材料的機(jī)箱產(chǎn)品，但大多不具備電磁屏蔽功能。隨著標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)箱所處的外部環(huán)境的復(fù)雜化，加之裝備性能提升的迫切性，尤其是提高系統(tǒng)機(jī)動性能的需求，在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)保證系統(tǒng)的可靠性是該類產(chǎn)品研制的一個(gè)重要目標(biāo)。

本文針對模塊化機(jī)箱減重和電磁屏蔽需求，將鍍鎳碳纖維和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為機(jī)箱主材，利用熱壓罐成型工藝制備了電磁防護(hù)復(fù)合材料機(jī)箱，并對成型工藝的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，以得出一種新型輕質(zhì)屏蔽機(jī)箱的設(shè)計(jì)、制造方法。

1 機(jī)箱材料和結(jié)構(gòu)

1.1 機(jī)箱材料

機(jī)箱主體材料采用T700 6K碳纖維平紋預(yù)浸布、鍍鎳碳纖維單向布和鎳基延展金屬層[1]。材料具有密度低、強(qiáng)度高、導(dǎo)電性能優(yōu)異的特性，經(jīng)過相應(yīng)的鋪層設(shè)計(jì)之后，滿足了機(jī)箱設(shè)計(jì)所需的強(qiáng)度、環(huán)境適應(yīng)性和電磁防護(hù)要求[2]。

1.2 機(jī)箱結(jié)構(gòu)

如圖1所示，機(jī)箱分為機(jī)身、上頂板和下頂板3個(gè)部分，采用熱壓罐工藝進(jìn)行一體成型。成型后在上下頂板的邊緣密封部位開槽以鋪設(shè)導(dǎo)電橡膠，與從機(jī)身導(dǎo)電引出的配合面進(jìn)行導(dǎo)電搭接[3]。

機(jī)箱箱體部位使用壓延金屬網(wǎng)作為機(jī)箱材料導(dǎo)電引出層，然后在其表面涂刷環(huán)氧基的導(dǎo)電涂層，再配合蓋板的導(dǎo)電橡膠進(jìn)行電氣密封。

圖1 機(jī)箱電磁密封結(jié)構(gòu)示意圖

2 機(jī)箱制造工藝

與傳統(tǒng)金屬機(jī)箱的制備工藝不同，復(fù)合材料機(jī)箱需依托成型工裝或模具輔以相應(yīng)的成型工藝進(jìn)行制造[4]。常見的制備技術(shù)有很多，其工藝各有特點(diǎn)。熱壓罐工藝能夠成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的蒙皮、壁板和殼體等，能較大程度地發(fā)揮材料自身的力學(xué)性能，因而在軍工、航天等領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用。

熱壓罐成型方式主要是利用熱壓罐內(nèi)部的高溫壓縮氣體產(chǎn)生壓力，對復(fù)合材料坯料進(jìn)行加熱加壓以完成固化成型。機(jī)箱的設(shè)計(jì)制造過程包括機(jī)身成型模具設(shè)計(jì)和制作、鋪層設(shè)計(jì)和固化成型。

2.1 機(jī)箱機(jī)身成型模具設(shè)計(jì)和制作

機(jī)箱上下頂板結(jié)構(gòu)比較簡單，本文主要對機(jī)箱機(jī)身部分成型模具的設(shè)計(jì)和制作進(jìn)行詳細(xì)介紹。圖2為成型模具的結(jié)構(gòu)示意圖?？紤]到批量化生產(chǎn)的模具成本和效率，機(jī)箱模具僅通過外殼模具來限制產(chǎn)品的外部尺寸。這樣鋪層簡單，操作簡便，便于進(jìn)行預(yù)埋件處理，可大大減少生產(chǎn)工作量，提高工作效率，成本較低。

圖2 成型模具結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 鋪層

由于鋪層設(shè)計(jì)需兼顧力學(xué)性能和電性能的綜合需求[5]，鋪層結(jié)構(gòu)在遵循傳統(tǒng)復(fù)合材料鋪層原則的情況下需加入提高其導(dǎo)電性能的功能性鋪層[6]。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成分類，鋪層的難點(diǎn)在于導(dǎo)電層設(shè)計(jì)及引出鋪層、制孔位置鋪層設(shè)置及法蘭面加工邊緣鋪層。同時(shí)以壓延金屬網(wǎng)為導(dǎo)電引出層，上翻于法蘭面以提供導(dǎo)電連接。

鋪層時(shí)在復(fù)合材料機(jī)箱的邊緣部分增加與切割方向平行的鋪層結(jié)構(gòu)，在開孔部位做多個(gè)方向的鋪層，導(dǎo)電層的材料選擇延展性好，能充分穿透樹脂的增強(qiáng)層材料?；句亴臃桨笧樘祭w維平紋布—鍍鎳碳纖維布—碳纖維平紋布—壓延金屬網(wǎng)—碳纖維平紋布。鋪層時(shí)根據(jù)產(chǎn)品部位厚度的不同，對鋪層的順序、層數(shù)、材料、搭接等做不同的設(shè)計(jì)。

2.3 固化成型

熱壓罐成型工藝中最關(guān)鍵的過程為真空袋組合系統(tǒng)制作，其制作需要采用各種輔助材料，如圖3所示。

圖3 熱壓罐成型輔料設(shè)置

裝袋后應(yīng)進(jìn)行真空檢漏，確認(rèn)無誤后，便可用閉合鎖鎖住熱壓罐門，升溫固化，固化工藝參數(shù)如圖4所示。

圖4 熱壓罐固化成型工藝參數(shù)曲線

3 計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 力學(xué)性能仿真分析

由于復(fù)合材料機(jī)箱采用平紋布的鋪層仿真[7]，簡化認(rèn)為材料為各向同性材料，所以按照材料的測試結(jié)果進(jìn)行材料參數(shù)的輸入，基本參數(shù)見表1。

表1 材料屬性

3.1.1 網(wǎng)格劃分

由于沒有去掉機(jī)箱的部分螺釘孔，所以采用局部網(wǎng)格加通用網(wǎng)格的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分?？梢圆捎昧骟w網(wǎng)格的規(guī)則區(qū)域盡量采用六面體網(wǎng)格，實(shí)在無法采用六面體網(wǎng)格的部分則采用四面體網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分之后得到926 834個(gè)節(jié)點(diǎn)和452 420個(gè)單元。

3.1.2 邊界條件設(shè)定

按照機(jī)箱的安裝環(huán)境對機(jī)箱插槽表面施加固定約束，對機(jī)箱蓋板與機(jī)箱翻邊處的接觸采用綁定約束。約束邊界條件和接觸邊界條件如圖5所示。

圖5 邊界條件

3.1.3 模態(tài)分析結(jié)果

試驗(yàn)機(jī)箱的前5階模態(tài)結(jié)果見表2。

表2 前5階模態(tài)自振頻率

3.1.4 PSD加載分析

隨機(jī)振動分析也稱為功率譜密度分析，是一種基于概率統(tǒng)計(jì)學(xué)的譜分析技術(shù)，是將時(shí)間歷程的統(tǒng)計(jì)樣本變?yōu)楦怕首V密度函數(shù)(PSD)，反映的是隨機(jī)載荷的頻率成分。PSD加載模態(tài)分析數(shù)據(jù)如圖6所示，其中，L1=1.2g2/Hz，F(xiàn)1=107.5 Hz，F(xiàn)2=2F1，F(xiàn)3=3F1，F(xiàn)4=4F1。

圖6 PSD加載數(shù)據(jù)

1)X方向(垂直于約束面方向)加載。如圖7(a)所示，當(dāng)PSD加載為X方向時(shí)，應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在相對面的邊緣，為了避免應(yīng)力集中的出現(xiàn)，應(yīng)在邊緣部分增加圓角，以減小應(yīng)力。其余部分的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于碳纖維的強(qiáng)度，可以滿足強(qiáng)度要求。

圖7 X、Y、Z方向加載應(yīng)力云圖

2)Y方向加載。Y方向的加載應(yīng)力分布如圖7(b)所示。在Y方向的加載過程中，應(yīng)力集中出現(xiàn)在中間四面體的邊緣處，最大應(yīng)力約為9.2 MPa，應(yīng)力集中沒有出現(xiàn)在螺釘連接部位，其余各個(gè)面的應(yīng)力分布較小。

3)Z方向(垂直于蓋板方向)加載。如圖7(c)所示，在Z方向激勵時(shí)，中間蓋板的應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在中間螺釘孔周圍，且最大應(yīng)力約為17.8 MPa，小于碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度，所以螺釘孔的布置合理，可以滿足強(qiáng)度要求。

3.2 復(fù)合材料機(jī)箱綜合指標(biāo)測試結(jié)果

3.2.1 機(jī)箱質(zhì)量

復(fù)合材料機(jī)箱實(shí)物如圖8所示，其質(zhì)量對比見表3。從表3可以看出，與相同結(jié)構(gòu)的鋁制機(jī)箱相比，碳纖維復(fù)合材料機(jī)箱減重了0.54 kg，減重幅度達(dá)31.4% 。

圖8 復(fù)合材料機(jī)箱實(shí)物圖

機(jī)箱種類質(zhì)量/kg鋁制機(jī)箱1.72復(fù)合材料機(jī)箱1.18

3.2.2 屏蔽效能

按照GJB 151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng) 電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》的相關(guān)要求，對復(fù)合材料機(jī)箱實(shí)物進(jìn)行了電磁兼容性能測試, 測試頻率范圍為 30MHz～18GHz, 試驗(yàn)后的電磁兼容曲線如圖9(a)和9(b)所示。測試結(jié)果顯示，復(fù)合材料機(jī)箱的電磁兼容性能滿足RE102輻射極限值要求。

4 結(jié)束語

在利用熱壓罐工藝進(jìn)行電磁防護(hù)碳纖維復(fù)合材料機(jī)箱研制過程中取得的成果如下:1) 選用碳纖維、鍍鎳碳纖維增強(qiáng)材料以及電磁增強(qiáng)材料的混合鋪層和整體成型工藝過程質(zhì)量可控，產(chǎn)品表觀較好，在滿足強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能條件下，復(fù)合材料機(jī)箱更輕，其質(zhì)量比同結(jié)構(gòu)鋁質(zhì)機(jī)箱輕31.4%以上；2)在機(jī)載振動條件下的仿真數(shù)據(jù)表明，復(fù)合材料機(jī)箱滿足機(jī)載振動下的強(qiáng)度要求；3)按照GJB 151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng) 電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》的相關(guān)要求，對復(fù)合材料機(jī)箱實(shí)物進(jìn)行的電磁兼容性能測試結(jié)果表明，該機(jī)箱滿足RE102的輻射極限值要求。