碳纖維復(fù)合材料C波段天線反射面技術(shù)與工藝

前 言

碳纖維復(fù)合材料是一種新型結(jié)構(gòu)材料，與金屬材料相比具有較高的比強(qiáng)度、比剛度、熱膨脹系數(shù)小、阻尼性能好等優(yōu)點(diǎn)，且可按制件在不同方位受力大小進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)，工藝上可以整體成型，減少零件數(shù)目，因此近年來在航天器上得到日益廣泛的應(yīng)用。天線是任何衛(wèi)星都不可缺少的星載設(shè)備。天線移種分類方法，按天線形狀分類，通?？煞譃榫€天線、喇叭天線、反射面天線和陣列天線等。無論是哪種類型的天線，由于其反射面的曲面精度和尺寸穩(wěn)定性會(huì)直接影響天線的增益，因此天線反射面研制過程中一個(gè)重要任務(wù)是如何來保證反射面的型面精度和尺寸穩(wěn)定性。本文以我單位研制的C波段天線反射面為例，分別從制造工藝過程、材料選擇及特性試驗(yàn)、鋪層分析、成型模具設(shè)計(jì)、固化成型工藝參數(shù)選擇和產(chǎn)品質(zhì)量控制等內(nèi)容進(jìn)行分析，為確保天線反射面研制質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。本研究成果已用于某通信衛(wèi)星拋物面天線中，經(jīng)受多次飛行試驗(yàn)考驗(yàn)，取得滿意的結(jié)果。

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1. C波段天線的組成及主要技術(shù)指標(biāo)
1.1 C波段天線的組成
c波段天線主要由天線反射面、加強(qiáng)筋、角錐喇叭、連接法蘭和下法蘭組成，見圖1。其中，天線反射面由碳／環(huán)氧面板、鋁蜂窩芯和各種預(yù)埋件等零件采用真空袋--熱壓罐法膠接成型工藝復(fù)合成蜂窩夾層結(jié)構(gòu)；加強(qiáng)筋、角錐喇叭、連接法蘭通過采用碳／環(huán)氧預(yù)浸料按照鋪層設(shè)計(jì)要求進(jìn)行手工鋪層，然后再按工藝要求進(jìn)行模壓成型；下法蘭采用鋁金屬機(jī)加成型。最后，通過組裝成型模對(duì)天線反射面、加強(qiáng)筋、角錐喇叭、連接法蘭和下法蘭五個(gè)部分定位，采用膠接工藝組成一整體結(jié)構(gòu)。



1.2 主要技術(shù)指標(biāo)
c波段天線主要技術(shù)指標(biāo)為：①天線反射面形狀法向偏差不大于0.3 mm（均方根值）；②確定拋物面焦點(diǎn)位置，實(shí)測(cè)焦點(diǎn)與理論焦點(diǎn)的空間位置偏差不大于0.5 mm；③角錐喇叭每側(cè)面平面度不大于0.2mm；④纖維體積含量63±3%；⑤對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損探傷，不允許有氣泡、分層和夾雜。 copyright 123456

2 主要研究?jī)?nèi)容
2.1 C波段天線的制造工藝
c波段天線主要由天線反射面及其它支撐結(jié)構(gòu)組成。本文著重介紹其反射面型面精度和尺寸穩(wěn)定性控制，根據(jù)我單位承擔(dān)某型號(hào)任務(wù)要求，其天線反射面的制造工藝流程，見圖2。



2.2 材料的選擇及其特性
由于天線反射面必須能夠反射電磁波，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中面板材料必須由導(dǎo)電材料制成。碳纖維具有良好的導(dǎo)電性能，且具有良好的力學(xué)性能沿高模量碳纖維軸向的熱膨脹系數(shù)為-0.7x10-6／℃，而其垂直于纖維方向的熱膨服系數(shù)為23x10-6／℃。它具有明顯的各向異性特點(diǎn)，可通過工藝設(shè)計(jì)，滿足各種天線反射面的性能要求。實(shí)踐表明碳纖維是天線反射面面板材料的理想選擇之一。Kevlar-49纖維同樣具有良好的力學(xué)性能，從結(jié)構(gòu)性能角度考慮也是天線面板材料的理想選擇。但由于其不導(dǎo)電，當(dāng)用于天線反射面時(shí)，必須對(duì)其反射表面進(jìn)行金屬化處理。由此可知，天線反射面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與所用材料性能有著密切的關(guān)系。選用不同的材料會(huì)使天線反射面的結(jié)構(gòu)特性有很大的差異，為了滿足C波段天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，在進(jìn)行了大量的材料性能試驗(yàn)的前提下，最終選用材料的性能測(cè)試結(jié)果列于表1至表5中。





2.3 天線反射面面板鋪層分析
在傳統(tǒng)的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料天線反射面中，碳纖維通常制備成預(yù)浸無緯布或平紋織物預(yù)浸料使用。由于面板和蜂窩芯子各向異性容易造成反射面在外載荷下產(chǎn)生翹曲變形，所以反射面面板一般按準(zhǔn)各向同性鋪層設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選擇。預(yù)浸無緯布一般選擇以[0／±45/90]T或[0/ 45/90]T鋪層形式，有時(shí)也選擇[0／±60]T的鋪層形式；平紋碳布一般選擇「0/45」T鋪層形式。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)還應(yīng)設(shè)計(jì)研制成沿中面對(duì)稱鋪層。一般情況下正六邊形的蜂窩芯子的各向異性對(duì)反射面型面精度的影響是不可忽略的。在研制中一般采取將蜂窩芯子加工成分片結(jié)構(gòu)，然后在專用型面模具上將各片蜂窩芯子進(jìn)行拼接，其蜂窩夾層結(jié)構(gòu)縱向熱膨脹系數(shù)為1.62 ×10-6／℃，橫向熱膨脹系數(shù)為1.84×10-6/℃。



2.4 天線反射面的成型模具設(shè)計(jì)
天線反射面的成型模具是根據(jù)成型工藝方案和設(shè)計(jì)圖紙要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的。在研制過程中，又根據(jù)實(shí)際使用情況作了局部修改，其主要考慮的內(nèi)容有：①天線反射面結(jié)構(gòu)中面板采用M40/環(huán)氧648預(yù)浸料鋪疊成型，其固化溫度與脫模溫度（室溫）存在較大差異。若固化成型工藝過程中使用模具材料熱膨脹系數(shù)較大，則會(huì)造成面板中存在較大的殘余變形，故對(duì)一般精度要求的反射面可采用鑄鐵模具，對(duì)精度要求高的反射面則應(yīng)采用殷鋼或復(fù)合材料模具；②模具結(jié)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度，耐高溫性能好，操作簡(jiǎn)單，脫模方便；③天線反射面型面精度要求為0.3 mm，因此模具需在精確編程后的數(shù)控車床上完成，且制得的模具型面精度小于0.15mm。 copyright 123456

2.5 天線反射面的重量控制
衛(wèi)星結(jié)構(gòu)對(duì)天線分系統(tǒng)重量有嚴(yán)格要求，拋物面天線反射面的研制過程中一個(gè)重要的內(nèi)容是在保證其型面精度和尺寸穩(wěn)定性的前提下，盡可能減少天線反射面的重量，主要控制如下內(nèi)容：①為減少拋物面天線反射面在制造過程中和在軌溫度環(huán)境下的變形，如采用平紋織物，至少需2層平紋織物布。一般情況下可采用[0／±45/90]T4層預(yù)浸無緯布，有附也可采用[0/±60]T3層預(yù)浸無緯布，以保證其準(zhǔn)各向同性鋪層形式；②拋物面天線結(jié)構(gòu)的面板與蜂窩芯子之間采用中溫固化結(jié)構(gòu)膠粘劑膠接，一般均采用底膠和膠膜。為嚴(yán)格控制反射面重量，應(yīng)對(duì)膠膜的厚度要求和底膠用量加以嚴(yán)格控制；③為確保反射面的結(jié)構(gòu)剛度，通過優(yōu)化選擇蜂窩芯子的規(guī)格和高度來控制反射面的重量；④為減小反射面不同部位在軌溫度梯度，必須采取熱控措施，為此還應(yīng)嚴(yán)格控制熱控材料或零件的使用重量。

2.6 固化成型工藝參數(shù)選擇
復(fù)合材料固化成型工藝參數(shù)主要包括升溫速率、真空度、加壓時(shí)機(jī)和壓力、固化溫度和保溫時(shí)間及降溫速率等。固化成型工藝參數(shù)的合理選擇能夠保證復(fù)合材料制品中樹脂含量、減少制品中的孔隙率、提高復(fù)合材料性能，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。

目前，復(fù)合材料固化成型工藝參數(shù)主要通過試驗(yàn)取得，其技術(shù)主要包括流變測(cè)量技術(shù)、熱分析技術(shù)、波譜分析技術(shù)、色譜分析技術(shù)和動(dòng)態(tài)分析技術(shù)等。我單位復(fù)合材料固化成型工藝參數(shù)主要以樹脂材料的DSC曲線分析，并通過不斷嘗試進(jìn)行優(yōu)化固化工藝參數(shù)，最終得到合適的固化工藝曲線，經(jīng)實(shí)施效果甚好。

3 產(chǎn)品質(zhì)量控制
產(chǎn)品質(zhì)量控制，就是根據(jù)碳／環(huán)氧復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的特性，用一切可能的辦法保證復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到實(shí)際使用要求的質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性。 123456

C波段天線的質(zhì)量控制主要從設(shè)計(jì)階段、原材料及研制生產(chǎn)過程三個(gè)方面進(jìn)行質(zhì)量控制。

3.1 設(shè)計(jì)階段的質(zhì)量控制
碳纖維復(fù)合材料除了具有各種優(yōu)異性能外，更主要的是其性能可設(shè)計(jì)性。因此，設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量控制關(guān)系甚為密切。此階段主要運(yùn)用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行分析和計(jì)算，以保證產(chǎn)品滿足力學(xué)、物理性能的要求，同時(shí)還應(yīng)考慮工藝實(shí)施、研制條件和質(zhì)保措施等方面的內(nèi)容。

3.2 原材料的質(zhì)量控制
這里指的原材料主要是碳纖維增強(qiáng)材料、樹脂基體材料和預(yù)浸料等。此外還應(yīng)包括在制作工藝過程中使用的主要輔助材料如隔離材料、脫模材料、透氣材料、真空袋尼龍薄膜和密封膠帶等。對(duì)上述各種材料的名稱、標(biāo)記、牌號(hào)、批號(hào)等應(yīng)與技術(shù)要求相符，并應(yīng)按規(guī)定要求進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，符合技術(shù)要求后方可用于制品的研制生產(chǎn)中。

3.3 研制生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制
眾所周知，影響產(chǎn)品質(zhì)量的六大因素是人、機(jī)、料、法、環(huán)、檢，除原材料外均與研制過程有關(guān)，因此研制過程的質(zhì)量控制是產(chǎn)品質(zhì)量的形成階段和關(guān)鍵時(shí)期。其主要質(zhì)量控制的內(nèi)容有：

(1)操作者的素質(zhì)
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件成型工藝技術(shù)是一項(xiàng)技術(shù)性較強(qiáng)的工作，操作者應(yīng)經(jīng)過專門的專業(yè)知識(shí)技術(shù)培訓(xùn)，掌握復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的研制生產(chǎn)技能。此外，還應(yīng)了解主要原材料及輔助材料的基本特性，懂得各種成型工藝專用工具和設(shè)備的使用、保養(yǎng)和主要故障排除等。還應(yīng)熟悉產(chǎn)品的一般性能、質(zhì)量要求和關(guān)鍵工序的質(zhì)量控制措施。

(2)研制生產(chǎn)環(huán)境條件
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件研制生產(chǎn)工作間應(yīng)清潔無塵，溫度和濕度要進(jìn)行控制，溫度一般控制在15~30℃范圍內(nèi)，相對(duì)濕度應(yīng)低于65%。

(3)工藝文件
工藝文件是保證復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的基本手段之一，主要包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖、主要技術(shù)指標(biāo)要求、工藝規(guī)范和工藝卡片等。

(4)工序
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件研制生產(chǎn)過程中，工序內(nèi)容特多，一般應(yīng)嚴(yán)格按工藝文件要求操作，關(guān)鍵工序完成后，必須由專職人員檢驗(yàn)，且有操作者和檢驗(yàn)人員簽字。

(5)成品檢驗(yàn)
成品檢驗(yàn)是保證產(chǎn)品質(zhì)量的最后一道關(guān)鍵工作，對(duì)C波段天線而言，除外形尺寸、重量和外觀等按常規(guī)檢驗(yàn)外，重點(diǎn)還應(yīng)進(jìn)行隨爐試件性能測(cè)定和無損檢測(cè)，以確保復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的內(nèi)在質(zhì)量。

4 結(jié) 語
衛(wèi)星天線被人們比喻為其耳目，為了提高衛(wèi)星天線性能，減少信號(hào)損失，對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行過程中天線反射面的型面精度和尺寸穩(wěn)定性提出了嚴(yán)格的要求。通過本研究工作，從天線反射面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝過程等內(nèi)容分析表明充分利用復(fù)合材料輕質(zhì)高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)性的特點(diǎn)，進(jìn)行合理選材、制定合理可行的工藝方案和性能控制規(guī)范，為衛(wèi)星天線反射面的研制質(zhì)量保證奠定了基礎(chǔ)。由我單位研制的某型號(hào)衛(wèi)星碳纖維復(fù)合材料拋物面天線嚴(yán)格按工藝技術(shù)流程開展各項(xiàng)工作，嚴(yán)格進(jìn)行工藝過程中質(zhì)量控制，其產(chǎn)品的型面精度可控制在均方根差精度為0.2m,研制成功產(chǎn)品經(jīng)受多次飛行試驗(yàn)考驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為我國(guó)衛(wèi)星碳纖維復(fù)合材械物面天線的研制和應(yīng)用做出了貢獻(xiàn)。

作者： 沃西源,房海軍
作者單位：北京空間機(jī)電研究所