碳纖維復(fù)合材料在艦船鞭天線中的應(yīng)用及制備＊

（91919部隊(duì) 黃岡 438000）

1 引言

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）是一種新型結(jié)構(gòu)材料，具有比強(qiáng)度高、比剛度高、熱膨脹系數(shù)小、優(yōu)良的導(dǎo)電性和屏蔽電磁波性和可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)［1～2］。采用CFRP制造的天線具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高剛度、耐腐蝕及高精度的特點(diǎn)，能很好地適應(yīng)艦船復(fù)雜使用工況、惡列的海洋氣候環(huán)境的要求。

2 CFRP在鞭天線結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

2.1 CFRP力學(xué)性能

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是最具有代表性的先進(jìn)復(fù)合材料之一，CFRP的增強(qiáng)材料可采用M40J、M55J、M60J、T700、T1000碳纖維。增強(qiáng)材料的性能如表1所示。

表1 主要增強(qiáng)材料

制備的碳纖維樹脂基復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比模量比目前常用的結(jié)構(gòu)材料鋁合金高，高強(qiáng)型碳纖維復(fù)合的單向?qū)硬牧系谋葟?qiáng)度比鋁合金大3倍，用高模型碳纖維復(fù)合的單向?qū)訌?fù)合材料的比模量比鋁合金大5～7倍。減輕其一點(diǎn)質(zhì)量，對(duì)節(jié)能、降低成本等都有十分重要的意義［3～4］。單向碳纖維復(fù)合材料與常用金屬材料性能的比較如表2所示。

表2 幾種結(jié)構(gòu)材料性能比較

2.2 CFRP在鞭天線結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

鞭天線由于其形體為桿狀，體積小，應(yīng)用十分廣泛。各種地面電臺(tái)及車載電臺(tái)配用了形式多樣的鞭狀天線，在艦船上也常看到林立的鞭狀天線，有的多達(dá)上百付。鞭天線為細(xì)長(zhǎng)的桿體，而軍艦用天線鞭使用環(huán)境復(fù)雜，具有下列要求［5］：

1）天線在各種載荷作用下，都具有足夠的強(qiáng)度；

2）天線要有足夠的剛度，即在各種載荷作用下，其結(jié)構(gòu)變形應(yīng)限制在允許的范圍內(nèi)；

3）天線的固有頻率要盡量高，以防止與天線支撐系統(tǒng)發(fā)生結(jié)構(gòu)諧振；

4）為使天線適應(yīng)海洋氣候，天線應(yīng)具有防鹽霧腐蝕的能力；

5）天線所受的風(fēng)阻力要盡量小。

CFRP突出優(yōu)點(diǎn)是具有高比強(qiáng)度和比模量，可用來制造強(qiáng)而輕、剛而薄的構(gòu)件，近年來在航天器結(jié)構(gòu)、天線組件、鞭天線等結(jié)構(gòu)方面得到了廣泛的應(yīng)用［6～7］。

碳纖維鞭天線桿的制備可采用手糊、纏繞、拉擠、卷制等一種工藝或多種工藝制備，成型工藝靈活。由于碳纖維復(fù)合材料性能優(yōu)異，因此采用碳纖維復(fù)合材料制備的天線桿的性能特點(diǎn)如下：

1）碳纖維復(fù)合材料天線的質(zhì)量比鋁合金天線降低50%，機(jī)械性能大于等于鋁合金天線；

2）復(fù)合材料天線的電性能達(dá)到或接近鋁合金的技術(shù)指標(biāo)；

3）碳纖維復(fù)合材料天線能夠承受振動(dòng)、加速度、沖擊、高低溫循環(huán)、熱真空等環(huán)境試驗(yàn)的技術(shù)指標(biāo)［8］。

3 CFRP鞭天線的制備

最早的復(fù)合材料天線是玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（GFRP）天線，同金屬天線相比，其重量明顯減輕，耐腐蝕性好。盡管GRP本身不導(dǎo)電，但是通過表面鋪覆金屬層可以達(dá) 到 目 的［9，11］。CFRP 和GFRP 相比強(qiáng)度和模量更加優(yōu)越，制造的天線部件有很多優(yōu)點(diǎn)。

某型天線鞭長(zhǎng)度為10m，其結(jié)構(gòu)外形為錐桿，分為三節(jié)，每節(jié)之間采用金屬連接件連接，結(jié)構(gòu)體采用碳纖維復(fù)合材料制備。天線桿結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線桿結(jié)構(gòu)

3.1 原材料選擇

增強(qiáng)材料：T700，日本東麗公司；基體樹脂：采用改性環(huán)氧樹脂體系WHUT-Esys 208，武漢理工大學(xué)材料學(xué)院復(fù)合材料專業(yè)自主開發(fā)，基本性能如表3所示。

表3 樹脂澆注體性能

3.2 成型工藝

復(fù)合材料天線產(chǎn)品每節(jié)采用纏繞工藝制備，制備流程如圖2所示。

圖2 碳纖維復(fù)合材料天線制備流程

碳纖維單向復(fù)合材料在0°方向性能很高，而橫向（90°）性能較差，因此合理的鋪層對(duì)于天線鞭的力學(xué)性能非常關(guān)鍵。針對(duì)天線鞭為細(xì)長(zhǎng)桿，采用小角度纏繞的方法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度方向的高剛度和高強(qiáng)度，滿足使用的機(jī)械性能要求。該纏繞鋪層CFRP性能（沿長(zhǎng)度方向）如表4所示。

表4 天線桿沿長(zhǎng)度方向CFRP機(jī)械性能

4 結(jié)語(yǔ)

碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的機(jī)械性能、電性能和耐環(huán)境性能，其在鞭天線結(jié)構(gòu)體中的應(yīng)用必將越來越廣泛。

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