碳纖維喇叭天線制造工藝研究*

桂 濤

(南京電子技術(shù)研究所, 江蘇 南京 210039)

引 言

喇叭天線是雷達系統(tǒng)中重要的功能件。傳統(tǒng)金屬喇叭天線有2種基本制造方式:焊接和電鑄，但這2種成型方式都有一些自身的缺點。比如，焊接變形難以避免，影響尺寸精度；電鑄芯子成本高且不能重復(fù)使用，不適合批量生產(chǎn)等[1]。隨著雷達技術(shù)的快速發(fā)展，新需求不斷提出，傳統(tǒng)的制造工藝方式已經(jīng)不能完全滿足一些特殊性能或者成本控制方面的要求。

碳纖維復(fù)合材料具有耐腐蝕、比模量高、比重輕、熱膨脹系數(shù)小等特性[2]，在雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件和反射面天線中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，機載火控雷達框架已整體采用碳纖維復(fù)合材料。在高精度碳纖維天線反射面中，口徑400 mm的反射面天線，均方根可以達到0.04 mm。在碳纖維波導(dǎo)、喇叭類饋線制造中，對于普通直波導(dǎo)，在長度小于500 mm的情況下，可以采用鋼制芯模成型，成型后采用拉拔脫模，可以取得比較好的效果；對于異形波導(dǎo)或者喇叭天線，在無法直接脫模的情況下，一般采用融芯法，即采用可以融化(腐蝕)的芯模，芯模表面先附著一層金屬層(用于微波傳輸)，再在金屬層表面鋪層碳纖維復(fù)合材料，成型后將芯模融化(腐蝕)，金屬層轉(zhuǎn)移到碳纖維復(fù)合材料表面。融芯法最大的缺點就是不適合批量生產(chǎn)，對于復(fù)雜饋線零件，芯模損耗、制造成本高等問題一直無法解決。

碳纖維材料在異形饋線類零件中的應(yīng)用屬于碳纖維材料在雷達系統(tǒng)中應(yīng)用的重要研究領(lǐng)域。本文通過對一種異形碳纖維喇叭天線制造工藝過程的研究，通過將半封閉腔體拆分成開放腔體后再組合，歸納出此類零件的一般制造工藝過程，為此類零件制造提供借鑒。

1 喇叭天線原型設(shè)計與主要要求

本文研究的零件由大、小2種喇叭天線構(gòu)成。2種喇叭天線結(jié)構(gòu)類似，皆由變口徑喇叭和賦形拋物面組成，分別工作在不同頻段。其中賦形拋物線型面均方根誤差不大于0.2 mm，要求表面光滑，波導(dǎo)口與法蘭的連接面垂直平整，接縫處棱角分明。

零件材料選用T300碳纖維和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，中溫固化成型。

喇叭壁厚為1.5 mm,內(nèi)表面、波導(dǎo)口內(nèi)壁、波導(dǎo)法蘭面以及內(nèi)表面均需采用金屬化處理,金屬層要求致密、均勻、不脫落、表面光順。除波導(dǎo)法蘭面外，其余部位的金屬化層采用三防處理(見圖1～圖3)。

圖1 碳纖維喇叭天線基本結(jié)構(gòu)

圖2 碳纖維喇叭天線截面結(jié)構(gòu)

圖3 碳纖維喇叭天線口徑結(jié)構(gòu)

2 結(jié)構(gòu)工藝性優(yōu)化

根據(jù)碳纖維復(fù)合材料成型工藝以及成型模具基本設(shè)計原則，在芯模能重復(fù)多次使用的前提下，原喇叭天線結(jié)構(gòu)無法滿足成型工藝以及模具設(shè)計條件，無法一次成型出滿足尺寸精度要求的零件。如果零件采用一次固化成型，只能采用融芯法，但其芯模的制造成本過高，周期過長，批量生產(chǎn)顯然不合時宜。因此，必須對喇叭天線進行工藝性設(shè)計改進，使之滿足成型工藝需求。

喇叭天線是一個半封閉結(jié)構(gòu),其內(nèi)表面是電磁波傳輸表面,要求光順、平整，因此,選取內(nèi)表面為模具貼模面，采用陽模成型。由于其結(jié)構(gòu)限制了產(chǎn)品成型后整體脫模，模具只能采用分塊結(jié)構(gòu)，分塊成型后組裝。同時為了減少產(chǎn)品成型時的拼接縫，模具分塊的數(shù)量盡可能少，拼接縫過多會影響尺寸精度和表面質(zhì)量，進而影響電性能。鑒于上述條件，對碳纖維喇叭天線的基本結(jié)構(gòu)進行工藝性設(shè)計，將零件基本結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)工藝性拆分。

拆分的基本原則如下：

1)為了保證各碳纖維零件能夠順利脫模，拆分零件的數(shù)量盡量少；

2)拆分的零件成型后具有一定的剛性，脫模時不易變形；

3)模具有利于加工，制造成本低，其結(jié)構(gòu)力求簡單；

4)拆分的零件有利于表面金屬化處理；

5)拆分零件利于快速定位組裝，并滿足裝配精度要求。

根據(jù)以上原則對喇叭天線結(jié)構(gòu)進行工藝性拆分。如圖4所示，沿工藝分界線將喇叭天線的基本結(jié)構(gòu)分解成上、下2部分。上部分是變口徑喇叭，下部分是賦形拋物面，都是敞開型腔，這樣利于脫模和成型模具制造。要重點考慮零件上、下2部分裝配對接，因?qū)泳葲Q定變口徑喇叭和賦形拋物面之間的位置精度，而它們之間的位置精度又直接影響整個喇叭天線的電性能。

圖4 零件分型圖

對接采用法蘭盤式，法蘭的翻邊形式能夠?qū)忍炀€剛性起到加強作用。根據(jù)基準(zhǔn)一致原則，都使用工藝分界線位置口徑尺寸作為定位孔基準(zhǔn)，用自制螺銷釘(見圖5)定位保證口徑準(zhǔn)確定位，這類似于波導(dǎo)法蘭盤之間的對接形式(見圖6)。

圖5 螺銷釘

圖6 工藝零件分解圖

將原型設(shè)計拆解成上、下2個部分后，喇叭天線敞開口部更大，利于表面粗化和化學(xué)鍍液的流動，對獲得致密、均勻、光順的金屬化層有很大的益處。

3 成型模具設(shè)計

模具是復(fù)合材料構(gòu)件制造的主要工藝裝備。 復(fù)合材料零件在模具上鋪層，升溫加壓固化成型后脫模，其零件尺寸精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率等在很大程度上取決于成型模具設(shè)計設(shè)計與制造的優(yōu)劣[3]。

3.1 成型模具材料選擇

用于碳纖維復(fù)合材料零件成型的模具材料很多，目前主要有鋁、碳鋼、Invar鋼、復(fù)合材料等。

鋁材的切削加工性能好，密度較小，表面質(zhì)量較好，但是由于表面硬度低，重復(fù)使用時對模具表面進行清膠處理時容易損傷表面，且熱膨脹系數(shù)大(22×10-6/℃)，對于尺寸精度要求高的零件，模具的成型尺寸必須進行修正。

其修正公式為

F=1/[(T-P)×ΔT+1]

式中：F為熱膨脹修正系數(shù)；T為模具的熱膨脹系數(shù)；P為復(fù)合材料零件的熱膨脹系數(shù)；ΔT為固化溫度和室溫的差值。

碳鋼是目前應(yīng)用較廣的復(fù)合材料成型模具材料。它價格低，力學(xué)能力優(yōu)良，表面硬度高，切削加工性能好，容易獲得較高的表面質(zhì)量，其熱膨脹系數(shù)約為鋁材的一半(12×10-6/℃)。其缺點是密度大，制造出的模具笨重，熱容大，固化成型時造成的能源損失較大。對于大型模具，在滿足成型工藝條件的同時需進行減重設(shè)計。

Invar合金是一種Fe-Ni合金，當(dāng)Ni含量在36%左右時，合金的熱膨脹系數(shù)達到一個很低的值(2.2×10-6/℃)，與碳纖維復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)相當(dāng)，是制造碳纖維復(fù)合材料模具的理想材料，在成型過程中由熱膨脹和收縮造成的尺寸不一致和內(nèi)應(yīng)力變形能得到有效的控制。但其機械加工性能比碳鋼略差，價格昂貴，目前其單價是普通碳鋼的十幾至二十幾倍，對制造大尺寸類零件而言，其材料價格是一個門檻。

復(fù)合材料模具材料選擇主要考慮模具和成型零件采用同種性質(zhì)的材料，這樣成型過程中熱膨脹和收縮對尺寸精度的影響和由膨脹不一致造成的應(yīng)力變形就可以忽略。其模具制作工藝復(fù)雜(一般首先需要制作一個高精度的母模)，過程控制要求高，制造成本高，但使用壽命一般比碳鋼要短很多。復(fù)合材料模具一般適用于精度要求高、尺寸大的零件，在航空航天的產(chǎn)品中應(yīng)用較為廣泛。

綜合上述材料性能以及零件結(jié)構(gòu)工藝性和批量生產(chǎn)要求，選擇碳鋼作為成型模具的材料。

3.2 成型模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

復(fù)合材料模具結(jié)構(gòu)形式主要有3類：陰模(凹模)成型、陽模(凸模)成型和對模(組合模)成型。本碳纖維喇叭天線借助熱壓罐設(shè)備采用單側(cè)貼模面成型。

模具的貼模面一般選擇零件尺寸精度和表面質(zhì)量要求高的表面。 喇叭天線的內(nèi)表面作為電磁波傳輸面，表面尺寸精度、粗糙度以及后續(xù)的金屬化要求高，所以選擇內(nèi)表面作為模具的貼模面，采用陽模成型。

成型模具根據(jù)拆分結(jié)構(gòu)主要分為上成型模和下成型模。

上成型模也就是變口徑喇叭部分，模具結(jié)構(gòu)中間是成型模塊，喇叭天線內(nèi)表面作為貼模面，上下兩側(cè)安裝有法蘭，用于成型法蘭面。法蘭上面設(shè)置有用于加工喇叭上下部分對接用的定位孔，孔位裝有高硬度的鉆套(孔加工時不宜磨損)。零件成型完成后，將6個定位孔鉆出后再脫模，這樣可避免脫模后無法找正基準(zhǔn)，定位孔加工時發(fā)生偏差，造成后續(xù)裝配誤差(見圖7)，具體復(fù)合材料孔加工鉆削加工工藝參考文獻[4]。圖7中B、L兩端的孔就是裝配對接孔。

圖7 上部分成型模

按照同樣的方法可得到下部分成型模(見圖8)。

圖8 下部分成型模

模具制造需要注意的2點：

1)模具貼模面粗糙度Ra<0.8 μm，有利于脫模和后期表面金屬化處理，以滿足喇叭內(nèi)表面電磁波傳輸對表面粗糙度的要求；

2)模具型面制造尺寸公差取零件公差的1/3(同時考慮熱膨脹系數(shù)影響，修正尺寸)，其中用于上下部分對接的定位孔誤差小于±0.02 mm，賦型面均方根要求小于0.04 mm。

4 鋪層設(shè)計

鋪層設(shè)計是碳纖維零件結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，碳纖維零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料設(shè)計同時進行。鋪層設(shè)計的好壞決定碳纖維零件的力學(xué)性能、熱膨脹量等，影響零件的使用。

碳纖維材料通常會與環(huán)氧樹脂復(fù)合成預(yù)浸料的形式，沿纖維方向具有很高的強度，與纖維任意夾角方向的強度明顯下降。熱膨脹系數(shù):平行于纖維方向是負(fù)值(-0.72×10-6/℃),而垂直于纖維方向是正值(22×10-6/℃)，都呈現(xiàn)出不同于金屬的高度各向異性的特性。不僅力學(xué)性能可以復(fù)合，熱膨脹系數(shù)也可以復(fù)合，這也是碳纖維零件結(jié)構(gòu)設(shè)計同時包含材料設(shè)計的過程，是它的特殊優(yōu)勢。本文論述的碳纖維喇叭天線不是受力構(gòu)件，剛強度的設(shè)計和校核是次要的，重點討論各向異性的膨脹系數(shù)在中溫固化過程中對零件的影響。

原模型碳纖維喇叭天線被拆分成2個零件，通過成型的法蘭制孔后定位連接。法蘭口部對接重合度的好壞決定電磁波傳輸?shù)馁|(zhì)量，因此兩法蘭面的受熱膨脹量需要接近一致(也就是圖6中連接定位螺栓點的間距一致)，可以通過鋪層設(shè)計來解決兩者之間可能產(chǎn)生的膨脹不一致問題。采用各向同性的鋪層方式，通過平行于纖維方向的熱膨脹抵消其他方向的熱膨脹，使零件熱膨脹系數(shù)盡量小(目前零膨脹鋪層設(shè)計也是研究的熱點)。目前普遍采用的是(0° /±45° / 90°) 的標(biāo)準(zhǔn)鋪層方式。

影響熱膨脹系數(shù)較重要的幾個鋪層設(shè)計原則如下：

1)鋪層角均衡性原則。為了減少固化過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及翹曲變形，即每1個+45°鋪層對應(yīng)1個-45°鋪層；

2)沿4個方向鋪層，保證任一方向至少有10%的鋪層比例；

3)鋪層的對稱性原則。為了減少固化過程中的變形，整體鋪層順序應(yīng)該在層壓板結(jié)構(gòu)鋪層中心兩側(cè)對稱；

4)盡量使不同的鋪層方向均勻分布在整個鋪層厚度中，避免不同角度連續(xù)鋪層，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中和內(nèi)部微裂紋。

5 零件內(nèi)表面金屬化

碳纖維本身具有一定的導(dǎo)電性，但是與金屬相比還存在差距，加上樹脂基體的存在，碳纖維復(fù)合材料成為不良導(dǎo)體，導(dǎo)電效率下降。一般認(rèn)為，當(dāng)碳纖維反射體的工作頻段低于20GHz時，其表面可以不進行金屬化，高于20 GHz時，必須對其表面進行金屬化后才能滿足電性能使用要求[5]。

碳纖維表面金屬化的方法有以下4種：

1) 化學(xué)鍍加電鍍加厚；

2) 真空蒸鍍或磁控濺射；

3) 模具表面鍍層轉(zhuǎn)移法；

4) 直接噴涂金屬法。

本碳纖維喇叭天線的金屬化選用化學(xué)鍍加電鍍加厚的工藝。首先要對其碳纖維復(fù)合材料鍍銅表面進行前處理，經(jīng)過前處理的表面更容易生長成鍍層。在進行化學(xué)鍍時，要對化學(xué)鍍銅溶液的銅離子、甲醛含量、pH值及溫度加以控制，因溶液有一定的攪動頻率[6]。經(jīng)過多次試驗，化學(xué)鍍鍍層表面呈現(xiàn)光滑亮銅色(見圖9)，形成一層致密、均勻、連續(xù)鍍層，工藝比較穩(wěn)定可靠。鍍層的加厚采用電鍍形式，鍍到頻段所需要的鍍層厚度。

圖9 碳纖維表面鍍銅

6 結(jié)束語

碳纖維復(fù)合材料零件成型有其自身特點和工藝性，本文對傳統(tǒng)金屬喇叭天線結(jié)構(gòu)進行了工藝改進設(shè)計，將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為簡單的結(jié)構(gòu)，使其滿足碳纖維復(fù)合材料成型工藝、模具設(shè)計要求。

通過這項工藝性研究，研制出滿足設(shè)計要求的碳纖維喇叭天線，經(jīng)檢測，賦型面均方根小于0.1 mm，滿足電性能指標(biāo)要求，零件的整體質(zhì)量較鋁質(zhì)喇叭天線減少了30%，整體剛度和環(huán)境適應(yīng)性都有很大提高。

此碳纖維喇叭天線已經(jīng)應(yīng)用在某型號零件中，取得了理想的效果，其在雷達功能件制造領(lǐng)域的應(yīng)用得到了一定的拓展。