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，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)定性會直接影響天線的增益，因此天線反射面研制過程中一個重要任務(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、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，通過組裝成型模對天線反射面、加強(qiáng)筋、角錐喇叭、連接法蘭和下法蘭五個部分定位，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 主要研究內(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，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，必須對其反射表面進(jìn)行金屬化處理。由此可知，天線反射面的結(jié)構(gòu)設(shè)計與所用材料性能有著密切的關(guān)系。選用不同的材料會使天線反射面的結(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)計研制成沿中面對稱鋪層。一般情況下正六邊形的蜂窩芯子的各向異性對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
天線反射面的成型模具是根據(jù)成型工藝方案和設(shè)計圖紙要求進(jìn)行設(shè)計的。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，則會造成面板中存在較大的殘余變形，故對一般精度要求的反射面可采用鑄鐵模具，對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、加壓時機(jī)和壓力、固化溫度和保溫時間及降溫速率等。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)計階段、原材料及研制生產(chǎn)過程三個方面進(jìn)行質(zhì)量控制。

3.1 設(shè)計階段的質(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)計性。因此，設(shè)計質(zhì)量的好壞對產(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)行分析和計算，以保證產(chǎn)品滿足力學(xué)、物理性能的要求，同時還應(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。對上述各種材料的名稱、標(biāo)記、牌號、批號等應(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)行隨爐試件性能測定和無損檢測，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，減少信號損失，對衛(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、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)計要求，為我國衛(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