高精度碳纖維復合材料天線反射面的制備

高精度碳纖維復合材料天線反射面的制備

劉盈斌

簡述了碳纖維復合材料的優異性能，并對高精度CFRP制備天線反射面的技術要點予以論述并加以改良，采用高精度球墨鑄鐵模具，蜂窩夾層結構，中溫固化蒙皮與室溫合型相結合，鋪層設計和金屬層轉移技術，制備出700mm×1200mm，最高精度達0.0181mm(RMS)的高精度、蜂窩夾層結構碳纖維天線反射面。

近些年新型天線逐漸向著輕量化、高精度、高性能等方向發展。碳纖維復合材料（CFRP）具有重量輕、比強度和比剛度高、高尺寸精度、低膨脹系數、耐高溫、耐腐蝕等優點，越來越受到天線專家們的重視。國外的CFRP天線反射體品種較多，精度（均方根誤差RMS，下同）已達微米級，國內從20世紀90年代起陸續開展CFRP反射體的研究，目前最高精度達到0.031mm。

某大型天線由多塊700mm×1200mm左右的小型面板組成，由于工作頻段較高，為滿足電氣性能而對反射面的精度提出了苛刻的要求，單塊面板精度要求達0.05mm以下，按照以往經驗，如此大尺寸的CFRP面板精度基本可以保持在0.09mm左右，要使每塊面板精度都要達到0.05mm以下很難做到。

反射面結構及技術指標

以CFRP制造天線反射面可采用三種結構形式，即板狀結構和背架、夾層結構、夾層結構和簡易背架。不論采用什么結構方式，都是以保證天線型面精度為目的，滿足使用環境所要求的強度、剛度等為前提的。國內外現有研究和生產表明，CFRP天線反射面除了很小尺寸的用板狀外，幾乎都用夾層結構。夾層結構面板的特點是質輕、剛性好、有較好的抵御應力變形的能力，是保障天線型面精度的較佳結構。我們研制的CFRP反射面尺寸適中，直接采用帶預埋塊的夾層結構就能滿足天線剛度要求，鋁蜂窩芯材的剪切強度與剪切模量較高，制備簡單，價格低廉，綜合考慮選用5052鋁蜂窩芯材作為夾層芯材，蜂窩邊長選為4mm。

技術指標為：尺寸約為30mm×700mm ×1200mm，反射面金屬化處理，型面精度小于0.05mm，質量較鋁質天線輕50%以上。

CFRP天線反射面制備關鍵技術

根據經驗，在高精度CFRP天線反射面的制造過程中，除了天線結構外影響天線反射面精度的因素很多，主要有：天線面模具材料的選擇以及模具設計與加工；表面金屬化；反射面的鋪層設計；固化工藝方式及參數選擇。

模具。制備高精度CFRP天線反射面必需要有結構合理的高精度模具。模具材料的選擇十分重要，綜合考慮材料成本和加工費用，模具材料采用線脹系數較低的球墨鑄鐵，模具設計應有足夠的剛度，以保證型面精度的穩定性；壁厚均勻，盡可能具有較小的熱容量；模具結構上設有測量、鋪層基準等；模具型面精度誤差小于天線面精度要求的1/3；模具具有較高的氣密性要求。我們模具加工是通過精確編程后在數控銑床上完成的，制得的模具型面精度為0.015mm。

表面金屬化。CFRP的表面金屬化方法較多。我們所研制的天線面板尺寸大、不易采用化學與電化學鍍，真空離子濺射又沒有大尺寸的濺射設備，直接進行金屬噴涂附著力與表面精度無法保證，因此采用了比較優越的金屬轉移法，它的優點是設備簡單，不受零件形狀和尺寸的限制，克服了直接金屬噴涂法所固有的金屬層與復合材料間的結合力較小、表面粗糙、精度差、隨機性大等缺點，形面金屬層的光潔度由模具成型面保證，天線反射面的金屬層與復合材料靠膠粘劑膠結，結合強度高，其工藝過程對天線形面精度無不良影響因素，是目前非常理想的CFRP天線表面金屬化技術。

鋪層。碳纖維與樹脂基本性能差異很大，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。根據經驗，采用碳纖維斜紋預浸料具有材料延展性較好，鋪覆工藝簡單好操作，而且翻邊及拐角處也易于鋪覆，保證性能的同時又大大提高了生產效率。鋪層設計為內蒙皮1K/3K×4共五層，第一層采用1K斜紋布緊貼噴完金屬層的模具上，再貼4層3K斜紋布，外蒙皮為3K×5共五層斜紋預浸料。在預浸料鋪覆時可拼接盡量不搭接，相鄰兩層要岔開接縫，應設置基準點，注意均勻對稱。每層預浸料都必須壓實，原則上每鋪2~3層預浸料抽真空一次，以減少孔隙率，提高產品致密度。

固化體系及參數。在高精度天線成型過程中，樹脂的固化溫度要低以減小成型熱應力變形。一來為保證天線面強度，制備蒙皮時采用性能優良中溫固化的環氧樹脂以達到蒙皮碳纖維體積含量高，層間結合力好，孔隙率低，強度高等優點，二來為保證天線面板精度合型時采用性能優良室溫固化的環氧樹脂體系以保障在較低溫度合型時模具較小的變形量。

蒙皮固化參數為：全程抽真空0.095~0.098±0.003MPa，升溫速度1℃/ min，升溫至80℃±5℃加壓0.4MPa，保溫30min，繼續升溫至125℃±5℃時，恒溫2.0h，降溫速度1℃/min至60℃以下卸壓；合型固化參數為：全程抽真空0.095~0.098±0.003MPa，升溫速度1℃/min，升溫至60℃±5℃加壓0.4±0.03MPa，保溫5.5h，卸壓。

CFRP天線反射面性能

小批量試制面板20塊，面板厚度：30±0.2mm，單塊重量：5.087Kg，經三坐標機檢測面板精度，可知18塊面板都在0.05以內，最高精度達0.0181已近接近模具精度；大部分面板精度集中在0.025~0.04之間，已達國內領先水平；僅兩塊略有超差最差為0.0533。總體看來符合復合材料模具精度與制件精度3倍關系的經驗值。

通過對上述關鍵技術改良與控制，最終研制出表面金屬化的高精度、蜂窩夾層式CFRP天線面，型面精度最高達0.0181mm，小批量生產基本可保證精度達0.05mm以內符合模具與制件精度3倍關系的經驗，質量為5.087kg，較鋁質天線輕50%以上。此工藝制備高精度CFRP天線反射面性能優異，重復性好，具有廣闊的應用前景。

（作者單位：中電39所）