碳纤维／环氧树脂复合材料抛物面形天线反射体的研制

碳纤维／环氧树脂复合材料抛物面形天线反射体的研制*

 

陈  敏

电子工业部第14研究所

 

    一、前言

    碳纤维复合材料是以碳纤维作为增强材料的一种新型复合材料，属于“先进复合材料”(即为 Advancrcl Cotopositc Matcrials，简称ACM)到目前为止，在碳纤维复合材料中研究与应用最为广泛的是碳纤维／环氧树脂复合材料(下文中的碳纤维复合材料均指碳纤维／环氧树脂复合材料)。国外一些在碳纤维的研究与应用方面领先的国家，例如美、日，英等国近20年来，尤其进入80年代以来在碳纤维复合材料的研究与应用方面，包括在航天、航空、电子等尖端技术和其它工业部门都获得了非常迅速与广泛的发展。可以说，碳纤维及碳纤维复合材料研究的深度、应用的广度、发展的速度已成为衡量一个国家技术先进水平的重要标志之一。

    碳纤维复合材料在国内的应用研究工作，  自70年代以来一直是由航空，航天等工业部门率先进行，主要用作结构材料，烧蚀材料。进入80年代以来，  电子工业及其它工业部门也陆续开展了某些应用研究工作。

    碳纤维复合材料在电子工业中的应用也是它的一大发展方向，众多的天线反射体、喇叭、馈源、波导、滤波器、支杆、骨架，进而如裂纹波导阵列天线以及其它一些元、部件在国外均已有采用碳纤维复合材料研制、应用的实例。其发展趋势正方兴未艾，尤其在机载、星载等高空、外空目标电子设备方面的应用更是前途宽广。

    抛物面形天线反射体是某些雷达等电子设备的重要组成部分之一，是用来发射与接收电磁波的装置。我们所研制的φ360mm抛物面形天线反射体即为某机载雷达的天线。对于机载雷达等电子设备来说，重量为其主要矛盾之一，一般都希望减轻重量。国外有资料表明：如天线重量减轻1kg，就有可能把驱动系统的重量再减轻2kg。与φ360mm抛物面形天线反射体同类的天线，按传统工艺大多采用铝合金板料冲压或赶形成型工艺制造，但由于金属板的回弹与反跳尚无更有效的方法控制，故精度不高，且精度不易保证。由于碳纤维复合材料的比强度与比模量分别是铝的3倍与4倍，而且电性能优异。所以，碳纤维复合材料可以制作天线反射体或其它元、部件，并可简化结构、减轻重量。对于碳纤维复合材料的天线反射体来说，只要模具的制造精度高，其制品的精度也高，并且其精度可优于铝合金制天线反射体的精度。又因碳纤维复合材料的热膨胀系数低，所以制品的尺寸稳定性也十分优良。此外，碳纤维复合材料制品在耐腐蚀性、耐摩擦性、抗疲劳性能等方面均大大优于铝合金制品。

    二、碳纤维复合材料抛物面形天线反射体研制工艺的几个问题

    1.工艺路线

    由于碳纤维是各向异性材料，在直径与长度方向的性能差别很大，所以在碳纤维复合材料中一般都采用碳纤维的长纤维丝束经环氧树脂浸渍、排列的预浸料(Prpreg)的形式作为原料的，以便按需取向、迭层铺复来获得最佳性能的制品。

    对于上述预浸料，目前国内外均认为采用热压罐袋压制成型工艺较好，能获得性能满意之制品。限于我们目前的条件，在缺乏热压罐的情况下，我们采用了改进的对模模压成型工艺，也获得了能满足设计要求的制品。

    目前我所采用的碳纤维／环氧树脂预浸料系由 T300碳纤维与648环氧树脂／三氟化硼单乙胺固化剂系统所组成的。*

    2．铺层设计

    获得高精度与低变形度的制品是这一研制任务的重要技术指标之一。虽然碳纤维是各向异性的材料，但基于实用原因全部单向排列、铺迭的碳纤维复合材料制品是不可能采用的，必须将预浸料按一定的要求与方式进行交叉铺复、层选，再加热、加压固化成型。一般认为，在我们所获得的碳纤维复合材料的层板或制品中，沿纤维(平行)方向的纤维层的热胀膨系数接近于零，而垂直于纤维方向的单向纤维层的热膨胀系数与树脂基体的热膨胀系数基本相等，这就要求纤维的取向应综合考虑。此外，还应使纤维方向趋向于与制品所受载荷方向平行而不是垂直，以更好的发挥碳纤维各向异性这一特点。

    必须综合考虑这些因素，并通过多次试验与设计，选择合理的角度交叉，层迭铺复，才能制得高制造精度与低变形率的碳纤维复合材料天线反射体。

    3．模压成型

    如前所述，碳纤维复合材料制品普遍采用的多是热压罐袋压成型法。由于我们目前尚不具备热压罐而采用了对模模压成型法。在国外，一般认为这种方法适用于大量生产的或结构复杂的制品。虽然对模模压成型法的模具成本高些，但采用此法能很好地控制制品的厚度与制品的内、外表面质量。

    对模模压成型法的关键在于正确的控制凝胶点，以确定合理的加压时间。由于突发性的凝胶点，会在极短时间内出现，所以正确的加压时间往往难以控制。加压太早，将使树脂溢流过多，造成制品的缺胶，并且会造成纤维移位较大； 加压太晚，则树脂已经凝胶，失去加压作用，易造成制品极不致密，而使制品的尺寸精度达不到设计要求，成为次品或废品。

    4．表面金属化

    碳纤维具有良好的导电性，但是在由碳纤维增强树脂的碳纤维复合材料中，由于树脂基体的存在，而使得碳纤维复合材料的导电性大大降低而绝缘性增加。此外，碳纤维的各向异性同样表现在碳纤维复合材料的导电性上。据资料报道，在碳纤维复合材料中与碳纤维轴向平行方向(0°)的体积电阻率为5×10^-3Ω·Cm，但与碳纤维垂直方向(90°)则为5．7Ω·cm。如前所述，对于具有实用意义的碳纤维复合材料制品，将碳纤维完全按0°方向排列是不可能的，因此通常都要在碳纤维复合材料制品的表面进行金属化，以获得导电性能良好的金属化表面。

    碳纤维复合材料表面金属化的方法与大多数非金属材料表面金属化一样，有喷镀、电镀、  化学镀、真空镀等多种方法，均可获得满足一定要求的表面金属层、根据碳纤维复合材料抛物面形天线反射体的特点，我们采用的是，化学镀一电镀铜法，铜层厚度根据反射体的反射层电性能要求而确定。

    对于碳纤维复合材料的表面镀覆来讲，在众多的工序中关键是粗化工序。粗化方法可分为机械粗化与化学粗化两种，两种方法联用可取得良好效果。因为经机械粗化后其表面可以吸附更多的敏化、活化剂以提高碳纤维复合材料与金属镀层间的结合力。而经化学粗化后，在碳纤维复合材料的表面能生成某些极性基团与金属镀层产生化学结合，从而也提高了碳纤维复合材料与金属层的结合力。

    在多次试验的基础上，合理地选择并调整了机械粗化的具体方法与化学粗化的配方组成及实施条件，所获得的镀层满足了产品的要求，并达到了非金属材料电镀的有关要求。

    三、碳纤维复合材料与碳纤维复合材料拋物面形天线反射体的性能

    1．低膨胀系数材料的某些性能

    材料的膨胀系数低，则制品的尺寸稳定性也好。一般认为，可用作高精度天线反射体的低膨胀系数材料有：因瓦合金、铍、碳纤维复合材料等，在数种材料中颇有竞争力的当推碳纤维复合材料。这些材料与常用的铝合金材料的某些物理、力学性能对照如表1。

 

表1

组成       性能		因瓦合金 Ni    36% Fe    63% Si、Mn、C、1％	石墨／环氧复合材料 HMS石墨纤维含量5％ 0°、90°、90°、0°共4层 板厚0．25mm	铍 S—200 斜轧板	铝 LF—21
密度	Mg／m3	8.13	1.48	1.85	2.73
拉伸强度	102MPa	4.9	0°3.690°3.4	4.9	1.3
拉伸模量	105MPa	1.5	0°0.990°1.0	3.1	0.72
泊松比		0.29	0.27	0.24～0.30	0.33
导热系数	W／m·K	10.46	6.41	179.90	203.44
热膨胀系数	10-6K-1	1.26	0°1.6290°0.90	11.7	23.2
比热容	103J／kg·K	0.50	0.92	1.76	0.92

 

    2．碳纤维复合材料的性能

    我们采用的碳纤维复合材料预浸料的物理性能与单向层板的力学性能分别如表2所示。

    (1)碳纤维复合材料预浸料的物理性能

 

表2

项目	单位	性能
挥发物  150℃	% % s %   g/m2 月 年   年	≯1.5 39±3 ≮40 10～25 合格 130±5 3 1   1.5
树脂含量
凝胶时间  150℃
树脂流动量  150℃
粘性
单位面积纤维量
贮存寿命  25℃
5℃
-18℃

注：碳纤维含量为60±2%(体积)； 单层板厚0．125±0.010mm；按621所标准测试。即4211预浸料。

 

    (2)碳纤维复合材料的力学性能如表3。

 

    表3

项目	单位	性能
0°拉伸强度 0°拉伸模量 90°拉伸强度 90°拉伸模量 0°弯曲强度 0°弯曲模量 0°压缩强度 0°压缩模量 0°层间剪切强度	102MPa 105MPa MPa 102MPa 102MPa 105MPa 102MPa 105MPa MPa	12.0 1.2 2500 75.0 15.0 1.1 9.0 1.1 7500

 

    注：碳纤维含量60±2%(体积)；系单向层板性能，试验条件为室温，按621所标准测试；4211*预浸料。

    3．碳纤维复合材料抛物面形天线反射体性能

    碳纤维复合材料所研制的抛物面形天线反射体的有关规格、性能与原铝制天线相比较如表4、表5以示。

    (1)产品规格

 

    表4

项目	铝合金 天线反射体	碳纤维复合材料 天线反射体
材料 型式 直径mm 厚度mm 重量g	LF21—M 抛物面 φ360 1．5 668．4	4211#碳纤维复合材料 抛物面 φ360(φ390)* 1.5 365.0

 

    *加上增强边框为φ390mm。

    从表4可知，用碳纤维复合材料制φ360mm抛物面形天线反射体比原铝制同规格的天线减重45.4%。

    (2)制造公差如表5所示。

 

    表5

项目	铝合金 天线反射体*	碳纤维复合材料 天线反射体**
精度mm   Raμm	＜0.20   ＜6.3	0.01～0.07 r·m·s＜0.05 (实为r·m·s：0.03715) ＜1.60

    *为原设计要求。

    **为实测结果，样板精度为0．03mm。

   由表5可知，碳纤维复合材料抛物面形天线反射体的光洁度高于原铝制天线，而精度更是大大优于原铝制天线。

    (3)电性能

    方向图特性测量方块图如下所示。

 

    测量结果表明，碳纤维复合材料制抛物面形天线反射体的电性能达到，并且优于原铝制同规格天线反射体的电性能(副辦电平、零点深度、方向图对称性等)。两种天线的电性能对比如表6所示。

 

    表6

天线种类		铝合金 天线 反射体	碳纤维 复合材料 天线反射体
水 平 波 瓣 图	3dB波辦宽度(°) 20dB波辦宽度(°) 最大副辦电平(dB) 第一零点深度(dB)	6.4 14.0 —19.5 —21.0	6.6 14.6 —26.5 —28.3
垂 直 波 瓣 图	3dB波瓣宽度(°) 20dB波瓣宽度(°) 最大副瓣电平(dB) 第一零点深度(dB)	6.0 24.0* —13.0 —16.0	6.0 12.2 —21.0 —27.0

*因第一零点被填塞所致。

 

    (4)例行试验

    ①试验种类

    a．温度冲击试验

    在-50℃条件下保持2h，再转换到+85℃保温2h为1次循环，中间转换时间小于3min，共进行5次循环。

    b．振动试验：分成两个频段进行，如表7所示°

 

    表7

频率Hz	加速度 (g)	振幅 (mm)	振动方向	振动时间 (min)
10～50 50～2000	9 9	单向1 单向1	水平；垂直 水平；垂直	30 30

 

    ②试验结果

    碳纤维复合材枓抛物面形天线反射体经温度冲击试验与振动试验后发现：

    a.该天线反射体的机械精度与电性能等基本无变化，

    b．外观无异常，

    c．振动试验过程中，在垂直方向90Hz左右时，该天线反射体边缘产生共振现象(加速度为9g)，但无破坏现象。

    四、结语

    我们从1981年起开展碳纤维复合材料的应用研究，在完成了先期基础试验与试制部分结构件工作的基础上，从1984年起，历时2年研制成功了碳纤维复合材料制φ360mm抛物面形天线反射体。经有关性能测试，均获得较为满意的结果。首先，该碳纤维复合材料反射体比原铝制天线减重45.4％；制精造度为r·m·s＜0.05mm，大大优于原铝制天线；电性能也达到，并且某些性能也大大优于原铝制天线，尤其副辦电平可达-22.5～-27．5dB，天线波辦方向图的对称性也很好。该天线已用作某机载雷达平板天线远场电性能测试时的发射天线，由于重量轻，副辦电平低，故在测试时架设方便，并减小了地面和环境反射，提高了天线的测量精度。在一定的情况下，可以用碳纤维复合材料取代铝等金属材料。必须指出的是：目前单件碳纤维复合材料制φ360mm抛物面形天线反射体的价格较高，约为同规格铝制天线反射体价格的2倍左右(未计工时费用)，其中碳纤维／环氧树脂复合材料一项就占成本的68%。随着主要原材料碳纤维的价格下降，碳纤维复合材料制天线反射体的成本就可以大大降低。

    上述碳纤维复合材料天线反射体及其制造方法渴望在机载、星载等高空、外空目标电子设备上获得推广与应用。