復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)帶狀傳輸線輕量化及成型工藝研究

王瑤瑤，郭 博

(1. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京 211153;2. 92985部隊(duì)，福建 廈門 361100)

0 引 言

復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、熱膨脹系數(shù)低、高比模量和高比強(qiáng)度等特點(diǎn)，各國的研究都在根據(jù)其用途和需求追求更高精度和輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計的方向發(fā)展。復(fù)合材料在航天、航空與航海等領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。同時，它也是制造兼具輕量化要求和高精度天線[1]的重要方法。

微波傳輸線分為矩形波導(dǎo)、微帶線波導(dǎo)、同軸線波導(dǎo)、帶狀傳輸線等。傳統(tǒng)的帶狀傳輸線是由上下兩塊相距一定距離的金屬板和中心導(dǎo)帶組成，質(zhì)量較重。尤其對于較大的有源陣列天線，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳輸線的質(zhì)量占比較大，不利于天線的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計。為了滿足天線性能，減輕質(zhì)量，本文提出的帶狀傳輸線的內(nèi)外導(dǎo)體之間支撐介質(zhì)采用PMI聚甲基丙烯酰亞胺泡沫，質(zhì)量輕，且結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)自身屏蔽。

通過對該復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)帶狀傳輸線進(jìn)行多種材料與膠膜的研究與試驗(yàn)件制備，對復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)帶狀傳輸線的制備可行性進(jìn)行了論證，得出了一定的結(jié)論與經(jīng)驗(yàn)。復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)帶狀傳輸線結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、損耗小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、加工簡單等特點(diǎn)，為雷達(dá)或通訊領(lǐng)域中天線陣列或微波電路的輕量化設(shè)計提供了參考。

1 復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)帶狀傳輸線研究

帶狀傳輸線是行饋天線單元的重要組成部分。由表1可知，傳統(tǒng)金屬行饋天線單元質(zhì)量為8.5 kg，與復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的行饋天線單元的質(zhì)量相比，采用復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)的制件，其輕量化的程度十分可觀。若采用聚四氟乙烯基材鍍銅層，最大可減重至1.938 kg，減重77.2%；若采用鋁箔，可減重至2.346 kg，減重72.4%。選用鋁合金與不同種類的復(fù)合材料作為蒙皮的相同結(jié)構(gòu)制件的力學(xué)性能與質(zhì)量如表2所示。

表1 不同蒙皮材料的單根行饋質(zhì)量對比

表2 鋁合金與復(fù)合材料作為蒙皮材料時的性能對比

復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)帶狀傳輸線結(jié)構(gòu)由2層導(dǎo)電蒙皮層、4層內(nèi)膠膜層、2層PMI聚甲基丙烯酰亞胺泡沫層和1層印制板層的多種材料結(jié)構(gòu)夾層組成，通過真空袋壓與模壓法高溫加工工藝制成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。內(nèi)膠膜層在每層之間均有，一共4層。其中，PMII聚甲基丙烯酰亞胺泡沫具有密度低、優(yōu)異的耐熱抗壓性能、吸水率低、優(yōu)異的力學(xué)性能、低介電常數(shù)、機(jī)械加工性、可加熱二次成型和環(huán)保性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)中。

為滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝性與可靠性要求，印制板與外蒙皮需一體化成型。為此，進(jìn)行了不同蒙皮與內(nèi)膠膜材料組合的制備工藝摸索與試驗(yàn)件的試制。其中，蒙皮材料分別采用0.162 mm厚度的聚四氟乙烯基材鍍銅層、0.5 mm厚度的鋁合金層(前兩者均為外表面導(dǎo)電層)和T700碳纖維層(拉伸強(qiáng)度4 800 MPa，拉伸模量320 GPa)，PMI泡沫層采用Cascell 50HF，內(nèi)膠膜層分別采用環(huán)氧樹脂膠膜HY-12B、氰酸脂膠膜。

2 復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)帶狀傳輸線制備

2.1 制備工藝

成型工藝采用了兩種工藝形式：熱壓機(jī)、工裝配合真空袋壓，其工藝流程如下。

① 材料準(zhǔn)備；

② 工裝準(zhǔn)備；

③ 層鋪；

④ 放置入熱壓機(jī)或真空袋壓；

⑤ 高溫固化；

⑥ 常溫靜置；

⑦ 制件從工裝上起出；

⑧ 修型。

在制備試驗(yàn)過程初期未使用金屬工裝，而采用熱壓機(jī)與限位塊配合的形式。由于帶狀傳輸線結(jié)構(gòu)對于厚度的精度的要求較高，而熱壓機(jī)提供的壓力遠(yuǎn)高于聚四氟乙烯基材鍍銅層和PMI泡沫的壓縮模量，導(dǎo)致泡沫塌陷等結(jié)構(gòu)問題。為了印制板上的安裝孔與泡沫和金屬層上的孔位對齊，并且為了更好地控制帶狀傳輸線結(jié)構(gòu)的厚度以及其結(jié)構(gòu)工藝穩(wěn)定性，設(shè)計金屬工裝如圖2所示。此金屬工裝的內(nèi)框與導(dǎo)電層、PMI泡沫層和印制板層的外形一致，且兩側(cè)設(shè)計鋸齒狀的結(jié)構(gòu)用以印制板兩端的限位。

2.2 制備結(jié)果

復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)帶狀傳輸線共進(jìn)行了7次試驗(yàn)件的試制，并分別針對其所用材料和工藝成型方式出現(xiàn)的問題作出了改進(jìn)。制件中出現(xiàn)的問題如圖3所示。

總結(jié)復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)帶狀傳輸線試驗(yàn)件的制作中出現(xiàn)的問題及成果，如表3所示。

序號名稱材料成型工藝出現(xiàn)問題成果1100 mm傳輸線聚四氟乙烯基材鍍銅層Cascell 50HF泡沫環(huán)氧樹脂膠膜HY-12B熱壓機(jī)+限位塊泡沫槽塌陷(圖3(a)),邊緣膠溢出,包邊處翹起(圖3(b))泡沫的壓縮量,在熱壓機(jī)的作用下可以壓縮到要求的厚度7 mm2100 mm傳輸線聚四氟乙烯基材鍍銅層聚四氟乙烯墊塊Cascell 50HF泡沫環(huán)氧樹脂膠膜HY-12B熱壓機(jī)+限位塊聚四氟乙烯墊塊無法抽出,膠膜溢出堵塞孔無3200 mm傳輸線聚四氟乙烯基材鍍銅層Cascell 50HF泡沫環(huán)氧樹脂膠膜HY-12B真空袋壓+烘箱+工裝厚度為7.6 mm不滿足外形尺寸要求,蒙皮產(chǎn)生折痕真空袋壓工藝一定程度上解決了泡沫槽塌陷的問題4200 mm傳輸線聚四氟乙烯基材鍍銅層Cascell 50HF泡沫氰酸脂膠膜真空袋壓+烘箱+工裝離型膜導(dǎo)致蒙皮出現(xiàn)嚴(yán)重的表面褶皺(圖3(c)),膠膜高溫下流動性過強(qiáng)(圖3(d)),流入槽內(nèi)更改泡沫原本的厚度,滿足7 mm厚度5200 mm傳輸線聚四氟乙烯基材鍍銅層Cascell 50HF泡沫氰酸脂膠膜真空袋壓+烘箱+工裝輕微褶皺問題,膠膜在高溫下流動性過強(qiáng)(圖3(d)),流入泡沫槽內(nèi)去除了離型膜,一定程度上解決了蒙皮表面的褶皺問題6200 mm傳輸線T700碳纖維Cascell 50HF泡沫環(huán)氧樹脂膠膜膠膜熱壓機(jī)+工裝固化成型后的碳纖維制件表面不導(dǎo)電,無法進(jìn)行測試解決泡沫槽塌陷問題,強(qiáng)度增加,外形美觀7100 mm傳輸線鋁箔Cascell 50HF泡沫環(huán)氧樹脂膠膜膠膜熱壓機(jī)+工裝無解決泡沫槽塌陷問題,解決固化后制件表面不導(dǎo)電的問題

由表3可知，不同的蒙皮、膠膜、成型工藝以及有無工裝的使用都在制件的成型工藝過程中有了不同的影響?？偨Y(jié)各項(xiàng)對于制件的成型工藝及結(jié)果如下：

(1) 蒙皮

在試驗(yàn)件1～5中，用0.162 mm厚的聚四氟乙烯基材鍍銅層作為導(dǎo)電蒙皮材料，雖然質(zhì)量極輕并且可以兼具傳輸線制件表面導(dǎo)電的需求，但由于其過薄，不適用于熱壓機(jī)與真空袋壓成型，在成型過程中極易出現(xiàn)褶皺與折痕。試驗(yàn)件6中，用碳纖維作為導(dǎo)電蒙皮材料。碳纖維雖然具有比強(qiáng)度、比模量與輕量化的優(yōu)勢，但如果不進(jìn)行金屬化處理，與樹脂固化后絕緣，無法代替金屬使用。試驗(yàn)件7中，選用0.5 mm厚的鋁箔作為導(dǎo)電蒙皮材料，兼具強(qiáng)度、輕量化與導(dǎo)電性的要求，但其質(zhì)量仍然較碳纖維重。

(2) 膠膜

環(huán)氧樹脂膠膜的粘接性能、結(jié)構(gòu)性能較強(qiáng)。雖然氰酸脂膠膜相較于環(huán)氧樹脂的電訊性能更適用于天線，但由于氰酸脂膠膜沒有加入無紡布限制其高溫下流動性，所以制件效果并不理想，最終仍然采用環(huán)氧樹脂膠膜。

(3) 成型工藝

在試驗(yàn)件1、2中采取的工藝是熱壓機(jī)與限位塊配合的形式。熱壓機(jī)兼具提供高溫高壓環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，且工作基準(zhǔn)面平面度高，用限位塊可以節(jié)省成本，提高制造效率。但是，熱壓機(jī)具有局限性，其壓力控制精度較低。試驗(yàn)件3、4、5中采用的是真空袋壓配合烘箱的制備工藝，相較于熱壓機(jī)，提供的壓力僅有一個大氣壓，一定程度上減小了泡沫的塌陷問題。但是，也由于其壓力小，對PMI泡沫造成的壓縮量很小，導(dǎo)致制件的總厚度達(dá)不到要求。另外，真空袋壓的工作臺面平面度不高，制件的蒙皮外表面出現(xiàn)了不同程度的凹陷。所以，綜合考慮后，更改蒙皮材料為鋁箔后仍然選用熱壓機(jī)作為成型工藝方式。

(4) 有無金屬工裝

試驗(yàn)件1、2中，未使用金屬工裝，僅用等高塊配合熱壓機(jī)來進(jìn)行粘接制備。由于熱壓機(jī)提供的壓力遠(yuǎn)高于聚四氟乙烯基材鍍銅層和PMI泡沫的壓縮模量，導(dǎo)致泡沫塌陷、四周溢膠等結(jié)構(gòu)問題。試驗(yàn)件3～7中，使用了金屬工裝之后，可以對齊各層結(jié)構(gòu)的安裝孔，更好地控制帶狀傳輸線結(jié)構(gòu)厚度以及其結(jié)構(gòu)工藝穩(wěn)定性。

綜上所述，復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)帶狀傳輸線最終采用了0.5 mm厚的鋁箔作為導(dǎo)電蒙皮材料，環(huán)氧樹脂膠膜作為結(jié)構(gòu)膠，以及配合金屬工裝，選用熱壓機(jī)的高溫高壓成型作為成型工藝方式，見圖4。

帶狀傳輸線中印制板的電路設(shè)計復(fù)雜、精密，對于其加工要求很高，即平面度、層間氣泡、溢膠與否、雜質(zhì)控制和兩面蒙皮的間距都有很高的要求。本文上述的工藝解決了該帶狀傳輸線的結(jié)構(gòu)材料選型問題，確保了夾芯材料、蒙皮的機(jī)械性能的要求；其次，也對帶狀傳輸線的加工工藝進(jìn)行了試驗(yàn)件的摸索，選擇了合適的加工方法，并確定了相關(guān)工藝參數(shù)、穩(wěn)定了工藝的操作過程。

3 結(jié)束語

本文旨在提供復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)帶狀傳輸線的加工方法，使生產(chǎn)輕量化帶狀傳輸線的外形厚度一致、平面度滿足要求，且膠層均勻，夾層之間無褶皺和雜質(zhì)，表面平整、光滑。文中對比了3種不同的蒙皮材料、兩種高溫固化膠膜、兩種夾層結(jié)構(gòu)的固化成型工藝及工裝的設(shè)計，對其制備過程中對出現(xiàn)的不同問題進(jìn)行了解決和改進(jìn)，證實(shí)了其工藝可行性，說明復(fù)合材料夾層的帶狀傳輸線結(jié)構(gòu)性能優(yōu)于鋁合金帶狀傳輸線，單根行饋的減重可達(dá)到70%以上。