大型喇叭狀碳纖維天線成型工藝研究

孫國清，韋生文，潘華府

(1.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016；2.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031)

樹脂基碳纖維復合材料（CFRP）具有質量輕、比模量高、強度高、耐腐蝕、熱膨脹系數小等優異的性能，碳纖維復合材料因其彈性模量與密、線膨脹系數之積的比值遠高于金屬材料，被譽為天線結構的理想材料。

1 大型喇叭狀材料概述

復合材料天線的基本結構可分為兩大類：一類為夾芯結構，另一類為薄板結構。不論采取什么樣的結構形式，都是以保證天線結構具有較高的型面精度、滿足結構所要求的強度等技術要求。由于CFRP的比強度和比彈性模量都很高，而且薄板結構天線面板薄，導熱快，陽光不均勻照射所造成的面、背、側溫度梯度小，熱應力變形小，更利于在惡劣環境下天線精度的保持。某雷達天線為喇叭狀，尺寸較大（高度近1 m，最大口徑達0.5 m），如圖1 所示。設計要求質量輕，而且能適宜在惡劣環境下使用。若采用鋁質材料制作喇叭天線，計算結果質量遠遠高于設計指標，且金屬材料耐腐蝕性較差，所以碳纖維薄板結構天線是理想的結構形式。

圖1 喇叭天線示意圖

2 天線研制

碳纖維復合材料具有各項異性的特性，其優異的物理、力學性能主要集中在碳纖維的軸向。喇叭狀天線由于曲面很大，型面不能展開，所以必須尋求既能充分發揮CFRP 優異的性能，又能最大限度地減小鋪覆應力和成型應力的最佳鋪層設計和成型工藝。保證天線曲面精度的另一個重要因素是成型模具，要求模具的膨脹系數盡量與成品的膨脹系數一致，否則由于膨脹系數不同，高精度的構件就不可能達到其精度要求。

2.1 天線成型模具的設計與制造

天線的成型模具用與天線材料相同的碳纖維材料，用此材料制造最為理想，具有強度高，膨脹系數滿意的優點，但將CFRP 加工成模具并非易事，如要成型的凸模，CFRP 必須有對應的凹模，反之亦然。顯然一次成型滿足不了精度要求，必須對模具進行修整加工，但其光潔度又比較難保證。用低膨脹系數的金屬材料制造模具，也是一種可行的方案。但由于喇叭天線的外形尺寸較大，沒有足夠厚的板材或足夠粗的棒材來加工模具，只能用鑄造的辦法成型模具。最后采用了制作成本低，質量輕的鑄鋁來制造模具，模具與天線材料膨脹系數的不匹配采用優化天線的鋪層設計來彌補。

2.2 天線成型材料的選擇

（1）增強纖維的選擇

碳纖維的特點是隨著纖維模量的增加, 纖維軸向的熱膨脹系數(а)下降。根據這個特點，可以設計不同的鋪層結構，盡量使制件在成型過程中做到“零膨脹”,特別是工作在熱交變劇烈的空間環境中的天線, 要保持天線的結構、精度穩定, 必需采用“零”膨脹系數材料來制作天線。

從力學分析可得出,對于準各向同性鋪層材料,滿足“零”膨脹系數的條件是[1]:

其中，

а、E、r 分別為熱膨脹系數、彈性模量、泊松比；腳標1、2 分別表示沿纖維方向和垂直纖維方向的性能。

由于只有石墨纖維和Kevlar 纖維的а11可為負值(約為-1×10-6/℃),上式才有實現的可能。

另外,由于∣а11∣<∣а22∣(а22約為35×10-6/℃)，必然要求E11>E22，這也是希望E 愈高愈好的原因。所以,制作天線的材料應該采用高模量的碳纖維,如M 40 和GY70。日本東麗公司制造出高模高強度的MJ 系列碳纖維,但基于價格原因，我們選用了M 40碳纖維作為復合材料的增強材料，但是MJ 系列碳纖維的性能優勢是顯而易見的。下表是幾種碳纖維性能參數的比較[2]。

表1 幾種碳纖維性能參數的比較

（2）樹脂基體的選擇

基體樹脂對碳纖維復合材料的熱膨脹系數和力學性能的影響較小,但對天線的成型工藝、尺寸穩定性和環境適應性影響較大。當前使用最多的是環氧系列樹脂，通過改性的環氧樹脂得到了大量的使用。但環氧系列樹脂的耐濕熱性能和耐損傷性能較差，所以，近年來又掀起了使用雙馬樹脂的熱潮。雙馬樹脂即雙馬來酰亞胺樹脂，屬聚酰亞胺系列,具有耐熱基數高等特點,尤其是在耐濕熱方面,其最高使用溫度可達232 ℃。因此,普遍認為這是今后熱固性樹脂的主要發展方向。

雙馬樹脂的工藝性不如改性環氧，且雙馬樹脂的固化溫度較高，將會引起天線在成型過程中的熱膨脹變形加劇。在天線復合材料的樹脂基體中，改性環氧648 樹脂是應用最廣的樹脂。環氧648 樹脂體系有與碳纖維融合性好，粘接強度高，工藝性好，空間環境穩定性高等優點，所以環氧樹脂648 樹脂是比較合適的復合材料樹脂基體。

2.3 碳纖維復合材料的鋪層設計

碳纖維與樹脂基本性能差異很大, 碳纖維具有各向異性,而熱固性樹脂在固化過程中收縮較大,所以，合理的鋪層設計是取得較佳強度及較高精度的關鍵之一。由于碳纖維軸向和徑向的熱膨脹系數相差較大,只有采用準各向同性對稱鋪層,并利用纖維軸向熱膨脹系數為負值，來抵消徑向較大的熱膨脹系數，才能使各方向的熱膨脹系數接近于“零”。準各項同性鋪層是：總層數2n叟4,各層材料和厚度相同，鋪層角θ=л（n-1）/n 計算。

在鋪層設計中，我們一方面要保證鋪層的對稱性以減少翹曲變形,提高制件精度；另一方面盡量減少纖維斷口,同時保證纖維鋪放有序,以實現鋪層的均勻對稱,滿足高精度制件的制造要求。碳纖維復合材料的材料性能與纖維排列密切相關。其與金屬材料不同, 單向纖維在纖維方向上的強度和剛度達到最大時,在垂直纖維方向上的強度和剛度卻非常小。這也是纖維復合材料的重要優點, 即材料的可設計性。由于復合材料嚴重的各向異性,在平面內會產生特殊的拉剪耦合效應。所以,除了采用0°、90°的正交鋪層外,應盡量采用±θ 方式的鋪層設計, 使纖維方向在分層的平面內均勻分布。表2 為M40/648 層合板在熱膨脹系數極小時的鋪層設計[3]。

表2 當熱膨脹系數極小時，M 40/648 層合板的鋪層設計

2.4 碳纖維喇叭天線的金屬化

絕大多數復合材料為絕緣材料，不具備電磁波反射與接收功能，碳纖維本身具有導電性,但不如金屬好,加上樹脂基體的存在, 使碳纖維復合材料成為了不良導體,在一定的頻率范圍內，靠其自身能夠完成天線的電磁波反射、接收功能，但在較高頻段則因為反射損耗的增大而使天線的功能大大降低，所以用碳纖維復合材料制成的天線通常還是需要進行表面金屬化處理的。

天線金屬化的方法主要有以下幾點：

（1）真空蒸鍍或磁控濺射；

（2）噴涂導電涂料后再電鍍；

（3）粘接或共固化金屬膜或金屬網；

（4）直接噴鍍金屬；

（5）模具上金屬鍍層轉移法；

（6）化學鍍后再電鍍加厚。

由于我們設計的碳纖維喇叭天線的尺寸較大，電鍍不方便，且化學鍍的鍍層與復合材料基體結合力強度較低，容易發生脫落現象。由于碳纖維喇叭天線是采用腐蝕模具脫模法，所以采用模具上金屬鍍層轉移法是復合材料金屬化的理想選擇，但由于我們采用的成型模具為鑄鋁件，表面上有很多小砂眼，表面較粗糙，不易電鍍，所以采用共固化金屬網是比較容易實現的金屬化方式。

根據天線的電性能要求，選用200 目的銅絲網作為復合材料金屬化材料。由于喇叭天線較大，且成型形狀復雜，所以整個天線是由多塊銅絲網拼接而成的。在拼接銅絲網時，應注意各塊銅絲網之間要互相導通，鋪貼的銅絲網須緊緊貼伏在模具的表面，并在銅絲網的兩面用膠膜加強與碳纖維復合材料的粘接強度。

2.5 碳纖維喇叭天線的固化成型

復合材料的固化成型主要控制其溫度、時間、壓力與加壓時間。壓力采用真空袋加壓的方法。加壓時間的選擇很關鍵，加壓時間太早，樹脂流失較快，天線的含膠量就偏低，孔隙率高，天線也容易翹曲變形；加壓時間太晚，樹脂則已凝膠，成型厚度增加且天線的變形也會加大，所以選擇合適的加壓時間是天線成型的關鍵。其次是設置合理的升溫曲線，升溫速率不能太快，以避免模具與復合材料之間膨脹不匹配而造成的變形。由于采用真空袋壓法，喇叭天線的法蘭是比較難成型的地方（壓力難以傳遞到位），我們采用了在法蘭處用有彈性的材料來傳遞真空壓力，固化成型后能獲得理想的外形。

2.6 脫模

根據天線的尺寸與形狀，用人工脫模的方法比較困難，因此，我們采用了腐蝕芯模的方法（所選碳纖維預浸料耐強堿）脫模。由于在強堿中腐蝕的時間較長，可在復合材料的表面涂一層清漆加以保護。

3 結束語

通過對樹脂基體、模具的設計，運用預浸料的鋪層與固化工藝設計等關鍵技術，研制成的薄殼式碳纖維/環氧復合材料喇叭天線較鋁質天線減重52%，形面精度達到0.2 mm。此種大尺寸喇叭狀碳纖維天線的研制成功，為我們研究復合材料天線的成型與應用提供了寶貴的經驗，對以后研究和開發更高精度的復合材料天線如毫米波雷達天線等具有重要的參考價值。

[1]敖遼輝. 碳纖維復合材料在天線上的應用[J]. 電訊技術，1998，（2）：41.

[2]趙渠森. 先進復合材料手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2003.