相控陣天線碳纖維反射板加工工藝研究

胥誠(chéng)成 王政理 任清川

（四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 綿陽(yáng) 621000）

0 引言

相控陣天線具有極化捷變、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為軍用通信領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。反射板作為相控陣天線單元的載體，既要固定陣面上的天線單元，還要在一定頻率范圍內(nèi)完成電磁波的反射功能，是典型的結(jié)構(gòu)功能一體件，反射板的剛性、平面度、反射損耗、重量等指標(biāo)直接影響相控陣天線的工作精度和整體性能[1]。

近年來(lái)碳纖維復(fù)合材料因其具有較高的比強(qiáng)度、比剛度而成為天線反射板的理想材料。隨著相控陣天線的不斷的發(fā)展，其陣面尺寸也越來(lái)越大，這也對(duì)其加工工藝提出了更高的要求，但是受限于碳纖維層間強(qiáng)剝離度低、導(dǎo)電性差且變形不易控制，在加工時(shí)極易發(fā)生強(qiáng)度及外觀等方面的缺陷[2-3]，因此，該項(xiàng)目基于機(jī)載、艦載平臺(tái)上對(duì)大尺寸、高剛性、薄壁碳纖維反射板的應(yīng)用需求，開展相控陣天線碳纖維反射板加工工藝研究。

1 材料特點(diǎn)及產(chǎn)品概述

該研究針對(duì)某機(jī)載相控陣天線中某典型碳纖維反射板（如圖1所示）進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。通過(guò)天線電性能與結(jié)構(gòu)仿真[4]，反射板的外形及機(jī)械性能要求分別見(jiàn)圖1和表1。

表1 相控天線碳纖維反射板性能指標(biāo)

由于碳纖維的導(dǎo)電性較差，需要在其表面增加導(dǎo)電層以滿足電磁波的反射要求，項(xiàng)目組基于此采用面層為金屬銅箔、芯層為碳纖維層壓板的復(fù)合式結(jié)構(gòu)，通過(guò)模壓毛坯、輔助機(jī)械加工的方式來(lái)成型該類平板式結(jié)構(gòu)件[5-6]。然而目前該類結(jié)構(gòu)件的成型存在兩大加工難點(diǎn)：一是因面層銅箔為金屬材料，而芯層碳纖維為非金屬材料，兩者間存在材料異性，成型過(guò)程中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力容易使零件產(chǎn)生鼓包、翹曲等缺陷；二是復(fù)合層壓板的層間結(jié)合力比較低，加之零件較薄、尺寸較大，機(jī)械加工部位較多，反射板容易因機(jī)械加工所產(chǎn)生的應(yīng)力而導(dǎo)致精度超差、分層甚至開裂等缺陷。為此，該文針對(duì)大尺寸（L=1055mm）、薄壁（T=2.5mm）碳纖維反射板對(duì)機(jī)械性能、尺寸精度及外觀的需求，對(duì)成型過(guò)程中所主要涉及的鋪貼工藝、模壓工藝以及精密機(jī)械加工工藝進(jìn)行工藝研究，摸索成型工藝路線及參數(shù)，并通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試和環(huán)境試驗(yàn)，驗(yàn)證反射板的綜合性能。

2 工藝方案設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

碳纖維反射板的成型工藝分為二次固化與共固化兩種成型方式，其中二次固化即先成型碳纖維芯層，再將銅箔與碳纖維夾層板進(jìn)行固化，該成型方式須使用不同固化溫度窗口的樹脂，其零件的一致性較差且生產(chǎn)效率低、加工成本高，不利于批量化的生產(chǎn)；共固化即采用同一體系與固化溫度窗口的樹脂進(jìn)行一體式的模壓成型，該方法加工的零件不僅綜合性能一致性較好，而且經(jīng)濟(jì)高效，基于此項(xiàng)目組采用共固化的方式進(jìn)行成型，但是由于共固化兩者材料間的熱脹系數(shù)不匹配，導(dǎo)致該成型方法對(duì)工藝路線級(jí)參數(shù)有較高的要求，為此，該文從鋪貼工藝、模壓工藝以及精密機(jī)械加工工藝著手，優(yōu)化工藝方法與工藝參數(shù)。

2.1 鋪貼工藝

鋪貼工藝即將美工刀或裁切機(jī)剪裁下來(lái)的預(yù)浸料、銅箔與輔料進(jìn)行鋪貼，常規(guī)鋪貼工藝是將金屬面層與預(yù)浸料之間通過(guò)膠膜在模具上進(jìn)行堆疊，其從下到上的堆疊順序?yàn)殂~箔、膠膜、預(yù)浸料、膠膜、銅箔，待模壓成型后通過(guò)模具上、下表面的脫模布進(jìn)行脫模，但是該項(xiàng)目中零件尺寸長(zhǎng)且薄，加之常規(guī)銅箔表面較為光滑，直接鋪貼容易夾帶氣泡、產(chǎn)生褶皺，為此，針對(duì)鋪貼工藝，從以下兩個(gè)方面進(jìn)行工藝優(yōu)化：1）增大銅箔黏接層的粗糙度。選用表面粗化后的銅箔（江銅-耶茲RTF電解銅箔（25μm））進(jìn)行共固化，增加銅箔層固化后的抗剪切能力，避免其在機(jī)械加工時(shí)因切削載荷過(guò)大而發(fā)生脫黏或分層；2）鋪貼過(guò)程中使用壓板進(jìn)行排氣，并采用真空袋法對(duì)鋪貼毛坯進(jìn)行預(yù)壓實(shí)處理。即在常溫下對(duì)鋪貼毛坯進(jìn)行真空袋壓，進(jìn)一步均化層間的貼合面積與附著力，保證鋪貼毛坯各處性能均衡。優(yōu)化后的反射板加工工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 反射板加工工藝流程圖

2.2 模壓成型工藝

模壓成型工藝既利用模具在一定溫度、壓力、時(shí)間下使復(fù)合材料之間發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)并最終固化，其對(duì)反射板的機(jī)械性能與外觀質(zhì)量起決定性的作用，為了較好的控制各影響要素，該文從設(shè)備、模具、工藝參數(shù)等方面進(jìn)行綜合控制。

2.2.1 加工設(shè)備

由圖1可知碳纖維反射板最大外形尺寸為1055mm×230mm×2.5mm，而項(xiàng)目組目前加工所用的油壓機(jī)（正西機(jī)械 200T）溫控系統(tǒng)采用的是分段式熱電偶的加熱方式，溫控精度較低（＞5℃）， 該類長(zhǎng)、薄型平板類零件熱源端與冷端的溫差最大可達(dá)10℃以上，因此零件極易因熱應(yīng)力而產(chǎn)生翹曲變形?；诖?，項(xiàng)目組重新設(shè)計(jì)投制了帶內(nèi)置循環(huán)油路加熱系統(tǒng)的模架，其溫控精度達(dá)±2℃且模架各處溫度均勻，加熱系統(tǒng)性能的大幅提高使模壓參數(shù)的一致性得到有效保證。

2.2.2 原材料

該項(xiàng)目采用的芯材為環(huán)氧碳纖維預(yù)浸料（W-3011/6508），面層選用的江銅-耶茲生產(chǎn)的RTF電解銅箔（25μm），芯層與面層的黏接劑選用的中溫固化環(huán)氧膠膜J-272B。

2.2.3 模具設(shè)計(jì)及加工

因零件尺寸較大、整體式的模具太重容易造成安全隱患，項(xiàng)目組采用上、下薄板，中間添加支撐的三明治結(jié)構(gòu)模具進(jìn)行模壓加工，其中根據(jù)支撐物的結(jié)構(gòu)方式不同，具體分為以下兩種方案：1）分段式支撐。即采用兩塊1100mm×300mm×2mm的冷軋鋼板，以平板夾合的方式層壓成型，其中，支撐物設(shè)計(jì)為幅寬10mm，厚度為2.5mm的若干支撐條，該支撐條既限制零件的厚度尺寸，其支撐條之間的搭接縫隙也可利用來(lái)排除復(fù)合材料中的溢膠，模具結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 3（a）；2）連續(xù)式支撐。即采用兩塊1184mm×400mm×2mm的冷軋鋼板，以平板夾合的方式層壓成型，其中，支撐物采用四周連續(xù)支撐框作為支撐條，并通過(guò)增大支撐框的幅寬（寬度為25mm），增大溢膠區(qū)域，避免樹脂流到模具加熱板上，模具結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3 （b）。

圖3 模具結(jié)構(gòu)圖

分別對(duì)兩種模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工試制后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，方案1）中間隔放置的支撐條，在搭接縫隙處材料因缺乏限位與支撐，溢膠在該處發(fā)生堆積，堆積的溢膠不斷擠壓周圍的碳纖維，導(dǎo)致在拼縫處產(chǎn)生凹痕、褶皺等缺陷，由于缺陷面積較大，無(wú)法通過(guò)切除工藝邊進(jìn)行消除，最終導(dǎo)致零件報(bào)廢。

而方案2）的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，支撐圍框內(nèi)的反射板外觀表面平整光滑，顏色均一，無(wú)翹曲、氣泡、裂紋、凹坑、等缺陷，滿足該項(xiàng)目中碳纖維反射板的外觀要求。可見(jiàn)連續(xù)式的支撐結(jié)構(gòu)一方面可有效在模壓過(guò)程中進(jìn)行限位，另一方面，加寬的支撐框在增大溢膠面積的同時(shí)還提高了溢膠流動(dòng)的均勻性，避免其在局部堆積而造成外觀缺陷。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，方案2）中的模具結(jié)構(gòu)不論是在工藝操作的便捷性，還是外觀質(zhì)量上，均優(yōu)于方案1），因此，項(xiàng)目組選取方案2）中的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行模壓加工。

2.2.4 模壓參數(shù)

模壓成型涉及的工藝參數(shù)包括固化溫度、固化時(shí)間、固化壓力與加壓溫度。該項(xiàng)目中的環(huán)氧碳纖維預(yù)浸料（W-3011/6508）具有較為成熟的加工工藝，其固化溫度120℃、加壓溫度90℃～96℃、固化時(shí)間90min，因此，模壓成型工藝的研究重點(diǎn)為預(yù)浸料鋪貼層數(shù)與固化壓力對(duì)反射板機(jī)械性能指標(biāo)的影響。

由于反射板零件的厚度為2.5+0.150mm，而預(yù)浸料單層厚度0.25mm，因此預(yù)浸料鋪貼層數(shù)需≥10層，基于此，首輪摸底試制采用10層預(yù)浸料進(jìn)行鋪貼壓制。當(dāng)油壓機(jī)與鋪貼毛坯初始接觸后，施加2MPa的合模壓力，此時(shí)層鋪毛坯的實(shí)際厚度為2.67mm，銅箔剝離強(qiáng)度為1070 N/m，遠(yuǎn)小于1400 N/m的使用指標(biāo)，由此可見(jiàn)當(dāng)前固化壓力不足以使層鋪層之間壓實(shí)，然而過(guò)多的增加鋪貼層數(shù)與合模壓力，又會(huì)導(dǎo)致零件在成型過(guò)程中脫膠而產(chǎn)生分層、裂紋[2]等缺陷，因此項(xiàng)目組根據(jù)合模壓力與鋪貼層數(shù)，設(shè)置了10～12層的鋪貼層與2MPa～5MPa合模壓力的正交實(shí)驗(yàn)，以此進(jìn)行反射板性能指標(biāo)的對(duì)比試制。

2.3 切削加工

反射板毛坯模壓成型后，還需通過(guò)機(jī)械加工的方式進(jìn)行外形輪廓與安裝孔的精密成型，其中機(jī)械加工包括鉆孔與銑外形。

2.3.1 鉆孔

鉆孔通過(guò)數(shù)控鉆床（型號(hào)：XL6-2ILIN）進(jìn)行加工，在碳纖維反射板毛坯上的待去除余量上設(shè)置φ3mm定位孔，利用定位銷對(duì)零件進(jìn)行定位，采用干式切削進(jìn)行孔加工，鉆銷加工參數(shù)表2。

表2 鉆銷參數(shù)表

2.3.2 銑外形

銑外形通過(guò)數(shù)控銑床（型號(hào)：SFK2002）進(jìn)行加工，在已鉆出的安裝孔上配做定位銷，仍然利用定位銷對(duì)零件進(jìn)行定位，采用干式切削進(jìn)行輪轂加工，銑削加工參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 銑削參數(shù)表

3 試樣性能測(cè)試與分析

3.1 力學(xué)測(cè)試

該項(xiàng)目中反射板零件的剝離強(qiáng)度按《印制板測(cè)試方法》GB/T 4677—2002進(jìn)行測(cè)試，剪切強(qiáng)度按《纖維增強(qiáng)塑料層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法》GB/T1450.1—2005，拉伸強(qiáng)度按《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》GB/T1447—2005，彎曲強(qiáng)度按《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》GB/T1449—2005進(jìn)行測(cè)試。不同鋪貼層數(shù)、鋪貼壓力下的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 模壓試驗(yàn)及測(cè)試指標(biāo)

從表5可見(jiàn)，碳釬維預(yù)浸的料鋪層數(shù)與固化壓力直接影響碳纖維反射板的力學(xué)性能和尺寸精度：1）隨著固化壓力不斷增大，反射板力學(xué)性能不斷提升，但當(dāng)預(yù)浸料鋪貼余量不足時(shí)，力學(xué)性能最終保持穩(wěn)定，其原因?yàn)槟＞邏毫ψ饔糜谙尬环娇蛏?，沒(méi)有傳遞至預(yù)浸料，導(dǎo)致其力學(xué)性能最終趨于穩(wěn)定；2）隨著鋪貼層數(shù)不斷增多，反射板力學(xué)性能呈現(xiàn)出先提升，后降低的現(xiàn)象，可見(jiàn)隨著合模壓力不斷增大，預(yù)浸料鋪層之間不斷壓實(shí)，但當(dāng)施加過(guò)大壓力后，出現(xiàn)脫膠現(xiàn)象，零件因貧膠而導(dǎo)致力學(xué)性能下降；3）當(dāng)最優(yōu)鋪貼層數(shù)為12層，最優(yōu)固化壓力為4MPa時(shí)，反射板機(jī)械性能與外形尺寸各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，滿足該項(xiàng)目使用需求。

3.2 環(huán)境試驗(yàn)測(cè)試

對(duì)序號(hào)11的反射板合格樣件進(jìn)行溫度沖擊與隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境實(shí)驗(yàn)。

3.2.1 溫度沖擊試驗(yàn)

溫度沖擊試驗(yàn)按標(biāo)準(zhǔn)GJB150.5A-2009，試驗(yàn)條件如下。a）低溫條件：（-55 ±2）℃，2h；b）高溫條件：（+70±2）℃，2h；c）循環(huán)次數(shù)：3次，轉(zhuǎn)箱時(shí)間小于5min。

溫度沖擊試驗(yàn)后，在室溫下放置4h，進(jìn)行外觀檢查，序號(hào)11碳纖維反射板未發(fā)生氣泡、裂紋、凹坑、黑斑以及變形、裂紋等結(jié)構(gòu)損壞。

3.2.2 振動(dòng)試驗(yàn)

功能振動(dòng)試驗(yàn)按標(biāo)準(zhǔn)GJB150.16A-2009，試驗(yàn)條件如下。a）試驗(yàn)頻率：隨機(jī)振動(dòng)15Hz～2000Hz；b）試驗(yàn)方向：沿相互垂直的三個(gè)軸向（xyz）分別進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間：每軸向1h。

振動(dòng)功能試驗(yàn)后，進(jìn)行外觀檢查，碳纖維反射板任未發(fā)生氣泡、裂紋、凹坑、黑斑以及變形、裂紋等結(jié)構(gòu)損壞。

4 結(jié)論

項(xiàng)目組通過(guò)對(duì)碳纖維反射板材料結(jié)構(gòu)件進(jìn)行工藝特征分析，并根據(jù)技術(shù)要求（表1），對(duì)模壓成型工藝、固持工藝以及切削加工工藝進(jìn)行工藝摸索，結(jié)論如下：1）對(duì)平板類的碳纖維反射板，合模時(shí)的模具結(jié)構(gòu)直接影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量，采用圍框式連續(xù)的限位裝置，可以有效避免褶皺、凹痕等外觀缺陷；2）合模壓力與鋪貼層數(shù)直接影響反射板的力學(xué)性能，隨著合模壓力與鋪貼層數(shù)的不斷增加，反射板的力學(xué)性能也隨之提高，但當(dāng)鋪貼層數(shù)過(guò)多，合模壓力過(guò)大時(shí)，零件因貧膠導(dǎo)致力學(xué)性能下降，對(duì)模壓層數(shù)、模壓壓力和升/降溫速率進(jìn)行正交試驗(yàn)，當(dāng)最優(yōu)鋪貼層數(shù)為12層，固化壓力為4MPa；升/降溫速率1℃/min時(shí)，零件各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。3）碳纖維反射板模壓毛坯可采用鉆孔與銑削的方式進(jìn)行精密加工，加工參數(shù)見(jiàn)表2、表3。