碳纖維復合材料C波段天線反射面技術與工藝

前 言

碳纖維復合材料是一種新型結構材料，與金屬材料相比具有較高的比強度、比剛度、熱膨脹系數(shù)小、阻尼性能好等優(yōu)點，且可按制件在不同方位受力大小進行鋪層設計，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用。天線是任何衛(wèi)星都不可缺少的星載設備。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、鋪層分析、成型模具設計、固化成型工藝參數(shù)選擇和產品質量控制等內容進行分析，為確保天線反射面研制質量奠定基礎。本研究成果已用于某通信衛(wèi)星拋物面天線中，經受多次飛行試驗考驗，取得滿意的結果。

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1. C波段天線的組成及主要技術指標
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、鋁蜂窩芯和各種預埋件等零件采用真空袋--熱壓罐法膠接成型工藝復合成蜂窩夾層結構；加強筋、角錐喇叭、連接法蘭通過采用碳／環(huán)氧預浸料按照鋪層設計要求進行手工鋪層，然后再按工藝要求進行模壓成型；下法蘭采用鋁金屬機加成型。最后，通過組裝成型模對天線反射面、加強筋、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構。



1.2 主要技術指標
c波段天線主要技術指標為：①天線反射面形狀法向偏差不大于0.3 mm（均方根值）；②確定拋物面焦點位置，實測焦點與理論焦點的空間位置偏差不大于0.5 mm；③角錐喇叭每側面平面度不大于0.2mm；④纖維體積含量63±3%；⑤對復合材料結構進行無損探傷，不允許有氣泡、分層和夾雜。 copyright 123456

2 主要研究內容
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構組成。本文著重介紹其反射面型面精度和尺寸穩(wěn)定性控制，根據我單位承擔某型號任務要求，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，蜂窩夾層結構復合材料中面板材料必須由導電材料制成。碳纖維具有良好的導電性能，且具有良好的力學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，可通過工藝設計，滿足各種天線反射面的性能要求。實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性能，從結構性能角度考慮也是天線面板材料的理想選擇。但由于其不導電，當用于天線反射面時，必須對其反射表面進行金屬化處理。由此可知，天線反射面的結構設計與所用材料性能有著密切的關系。選用不同的材料會使天線反射面的結構特性有很大的差異，為了滿足C波段天線結構的設計要求，在進行了大量的材料性能試驗的前提下，最終選用材料的性能測試結果列于表1至表5中。





2.3 天線反射面面板鋪層分析
在傳統(tǒng)的蜂窩夾層結構復合材料天線反射面中，碳纖維通常制備成預浸無緯布或平紋織物預浸料使用。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生翹曲變形，所以反射面面板一般按準各向同性鋪層設計要求進行選擇。預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。蜂窩夾層結構還應設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構，然后在專用型面模具上將各片蜂窩芯子進行拼接，其蜂窩夾層結構縱向熱膨脹系數(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計
天線反射面的成型模具是根據成型工藝方案和設計圖紙要求進行設計的。在研制過程中，又根據實際使用情況作了局部修改，其主要考慮的內容有：①天線反射面結構中面板采用M40/環(huán)氧648預浸料鋪疊成型，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采用殷鋼或復合材料模具；②模具結構要有足夠的強度和剛度，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)星結構對天線分系統(tǒng)重量有嚴格要求，拋物面天線反射面的研制過程中一個重要的內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層預浸無緯布，有附也可采用[0/±60]T3層預浸無緯布，以保證其準各向同性鋪層形式；②拋物面天線結構的面板與蜂窩芯子之間采用中溫固化結構膠粘劑膠接，一般均采用底膠和膠膜。為嚴格控制反射面重量，應對膠膜的厚度要求和底膠用量加以嚴格控制；③為確保反射面的結構剛度，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，為此還應嚴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合材料制品中樹脂含量、減少制品中的孔隙率、提高復合材料性能，從而保證產品質量。

目前，復合材料固化成型工藝參數(shù)主要通過試驗取得，其技術主要包括流變測量技術、熱分析技術、波譜分析技術、色譜分析技術和動態(tài)分析技術等。我單位復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，經實施效果甚好。

3 產品質量控制
產品質量控制，就是根據碳／環(huán)氧復合材料結構件的特性，用一切可能的辦法保證復合材料結構件各項性能指標滿足設計要求，達到實際使用要求的質量穩(wěn)定性和可靠性。 123456

C波段天線的質量控制主要從設計階段、原材料及研制生產過程三個方面進行質量控制。

3.1 設計階段的質量控制
碳纖維復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計性。因此，設計質量的好壞對產品質量控制關系甚為密切。此階段主要運用復合材料結構力學進行分析和計算，以保證產品滿足力學、物理性能的要求，同時還應考慮工藝實施、研制條件和質保措施等方面的內容。

3.2 原材料的質量控制
這里指的原材料主要是碳纖維增強材料、樹脂基體材料和預浸料等。此外還應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、標記、牌號、批號等應與技術要求相符，并應按規(guī)定要求進行復驗，符合技術要求后方可用于制品的研制生產中。

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

(1)操作者的素質
復合材料結構件成型工藝技術是一項技術性較強的工作，操作者應經過專門的專業(yè)知識技術培訓，掌握復合材料結構件的研制生產技能。此外，還應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備的使用、保養(yǎng)和主要故障排除等。還應熟悉產品的一般性能、質量要求和關鍵工序的質量控制措施。

(2)研制生產環(huán)境條件
復合材料結構件研制生產工作間應清潔無塵，溫度和濕度要進行控制，溫度一般控制在15~30℃范圍內，相對濕度應低于65%。

(3)工藝文件
工藝文件是保證復合材料產品質量穩(wěn)定的基本手段之一，主要包括產品設計圖、主要技術指標要求、工藝規(guī)范和工藝卡片等。

(4)工序
復合材料結構件研制生產過程中，工序內容特多，一般應嚴格按工藝文件要求操作，關鍵工序完成后，必須由專職人員檢驗，且有操作者和檢驗人員簽字。

(5)成品檢驗
成品檢驗是保證產品質量的最后一道關鍵工作，對C波段天線而言，除外形尺寸、重量和外觀等按常規(guī)檢驗外，重點還應進行隨爐試件性能測定和無損檢測，以確保復合材料結構件的內在質量。

4 結 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)定性提出了嚴格的要求。通過本研究工作，從天線反射面的結構設計、制造工藝過程等內容分析表明充分利用復合材料輕質高強、可設計性的特點，進行合理選材、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量保證奠定了基礎。由我單位研制的某型號衛(wèi)星碳纖維復合材料拋物面天線嚴格按工藝技術流程開展各項工作，嚴格進行工藝過程中質量控制，其產品的型面精度可控制在均方根差精度為0.2m,研制成功產品經受多次飛行試驗考驗，各項技術指標均達到設計要求，為我國衛(wèi)星碳纖維復合材械物面天線的研制和應用做出了貢獻。

作者： 沃西源,房海軍
作者單位：北京空間機電研究所