張學(xué)斌， 何利華， 張漠杰

（1.海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室；2.上海無線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

連接環(huán)是天線罩和艙段的連接件［1］。在導(dǎo)彈飛行時(shí)，由于連接環(huán)與空氣的摩擦作用，表面溫度上升較快，要求連接環(huán)在導(dǎo)彈整個(gè)使用及飛行過程中經(jīng)受得住作用其上的外載荷及氣動(dòng)加熱所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，這要求連接環(huán)具有足夠的強(qiáng)度。同時(shí)，在導(dǎo)彈整個(gè)飛行過程中，不能因連接環(huán)產(chǎn)生變形而導(dǎo)致飛行試驗(yàn)失效，這要求連接環(huán)具有足夠的剛度。在連接環(huán)與天線罩的連接方式中，一般選擇膠接，在飛行過程中不能因溫度升高而使天線罩脫落、破裂，要求連接環(huán)和天線罩熱膨脹系數(shù)有較好的匹配。除此之外，對(duì)連接環(huán)還有如下其他要求：

a）裝卸方便；

b）密封性好；

c）可靠性高；

d）工藝性好；

e）質(zhì)量輕；

f）成本低；

g）材料來源充足。

研制高性能連接環(huán)的首要任務(wù)是選擇能夠滿足連接環(huán)使用要求的材料。連接環(huán)材料一般可采用金屬或非金屬的纖維增強(qiáng)塑料，材料的選擇取決于天線罩罩體的材料性能及天線罩在氣動(dòng)加熱工作環(huán)境下的溫度分布。

由于天線罩需在惡劣的氣動(dòng)加熱環(huán)境下工作，天線罩內(nèi)外壁之間存在一個(gè)較大的溫度梯度，為了使連接環(huán)與天線罩罩體之間產(chǎn)生的熱應(yīng)力盡可能小，連接環(huán)的材料應(yīng)盡可能選擇低膨脹系數(shù)材料。

目前國內(nèi)天線罩連接環(huán)大部份采用低膨脹合金鋼4J36、4J32或碳纖維復(fù)合材料制造。低膨脹合金鋼4J36、4J32膨脹系數(shù)相對(duì)較低，各項(xiàng)物理化學(xué)性能也好，但加工難度大、成本高；而碳纖維復(fù)合材料正好可以彌補(bǔ)低膨脹合金鋼的不足，采用碳纖維復(fù)合材料加工的連接環(huán)膨脹系數(shù)可設(shè)計(jì)、質(zhì)量輕、制造工藝簡(jiǎn)單且成本低。

1 幾種天線罩連接環(huán)材料

1.1 低膨脹合金鋼

目前，為了滿足石英陶瓷天線罩與艙體的連接要求，常用的連接環(huán)材料多為低膨脹合金鋼4J36和4J32。它們的膨脹系數(shù)相對(duì)較低，與幾種常用天線罩材料的膨脹系數(shù)匹配較好［2］，如表1所示。且強(qiáng)度和剛度能夠滿足連接環(huán)的使用要求，主要特性如表2所示。

表1 常用天線罩材料的膨脹系數(shù)

表2 低膨脹合金鋼4J36及4J32的主要特性

低膨脹合金鋼4J36 及4J32 作為連接環(huán)材料，盡管具備很多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中，仍存在以下不足：

a）材料比重大，使得整個(gè)連接環(huán)重量較大，如果能減輕重量，將增大導(dǎo)彈的飛行距離；

b）膨脹系數(shù)與溫度有關(guān)，表3列出了不同溫度時(shí)低膨脹合金鋼4J36及4J32的平均線膨脹系數(shù)；

c）在需要熱防護(hù)時(shí)，需采用復(fù)合結(jié)構(gòu)，兩種材料的界面采用膠接方式復(fù)合，其界面的強(qiáng)度、老化性能應(yīng)作為特殊過程控制和檢測(cè)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性；

d）成品價(jià)格較高，原材料利用率低：某天線罩連接環(huán)材料采用低膨脹合金鋼4J36，成品價(jià)格在15萬元以上，材料利用率不到20%；

e）制造周期長，加工過程難以控制：低膨脹合金鋼連接環(huán)從鍛打備料后，還需經(jīng)過十幾道工序，最終加工成品，制造周期長且加工過程難以控制。

表3 低膨脹合金鋼4J36及4J32的平均線膨脹系數(shù)

1.2 碳纖維復(fù)合材料

1.2.1 碳纖維復(fù)合材料的特點(diǎn)

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）具有密度?。?］、比剛度及比模量高、耐疲勞、抗蠕變和線膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異的特點(diǎn)，在航空航天、電子、兵器等軍事領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，成為目前最先進(jìn)的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料之一。

碳纖維和樹脂形成的復(fù)合材料的比模量比鋼和鋁合金高5倍，其比強(qiáng)度也高3～4倍，這種“比鋁輕、比鋼強(qiáng)度高”的工業(yè)材料可以代替金屬作為結(jié)構(gòu)材料。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比模量等綜合指標(biāo)在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。在強(qiáng)度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，在要求高溫、高化學(xué)穩(wěn)定性的場(chǎng)合，碳纖維復(fù)合材料都具有優(yōu)勢(shì)。

1.2.2 碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用方向

碳纖維屬于脆性材料，只有將它與基體材料牢固地結(jié)合在一起時(shí)才能利用其優(yōu)異的力學(xué)性能，使之更好地承載負(fù)荷。因此，碳纖維主要還是在復(fù)合材料中作增強(qiáng)材料。根據(jù)使用目的不同可選用各種基體材料和復(fù)合方式來達(dá)到所要求的復(fù)合效果。碳纖維可用來增強(qiáng)樹脂、金屬及各種無機(jī)陶瓷，而目前使用得最多、最廣泛的是樹脂基復(fù)合材料，本文中的碳纖維復(fù)合材料主要指碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）是由碳纖維和樹脂構(gòu)成的整體［4］，是目前最先進(jìn)的復(fù)合材料之一。它以輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、抗腐蝕、熱力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)廣泛用作結(jié)構(gòu)材料及耐高溫抗燒蝕材料，是其他纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所無法比擬的。

碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料所用的基體樹脂主要為兩大類：一類是熱固性樹脂；另一類是熱塑性樹脂。在復(fù)合材料中常用的熱固性樹脂有環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂以及酚醛樹脂等。常用的熱塑性樹脂有聚乙烯、尼龍、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等。

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域有著大量的應(yīng)用，如航天飛機(jī)的艙門、仿生機(jī)械臂以及壓力容器等；因碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，先進(jìn)民用飛機(jī)在結(jié)構(gòu)中大量地使用了碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。主要部位有：整流包皮、副翼、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、阻力板、擾流器、起落架艙門、水平和垂直尾翼、方向舵及其他主要及次要承力結(jié)構(gòu)件等；在民用領(lǐng)域，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用也不斷擴(kuò)大，如汽車結(jié)構(gòu)件、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、體育器材等。

采用碳纖維復(fù)合材料制造導(dǎo)彈天線罩連接環(huán)也是其應(yīng)用方向之一。采用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料代替目前的低膨脹合金鋼4J36，一方面可以改善連接環(huán)的性能，提高其與天線罩間的連接強(qiáng)度，另一方面改善連接環(huán)的整體制造性能；同時(shí)，大大降低成品價(jià)格和成品重量。由于碳纖維復(fù)合材料為一次成型，大大縮短了生產(chǎn)周期。

2 碳纖維復(fù)合材料在導(dǎo)彈天線罩連接環(huán)上的應(yīng)用

隨著碳纖維成本的降低以及復(fù)合材料制造技術(shù)的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。由于發(fā)達(dá)國家對(duì)我國實(shí)行技術(shù)封鎖，查不到碳纖維復(fù)合材料在國外導(dǎo)彈天線罩連接環(huán)中應(yīng)用的相關(guān)資料，國內(nèi)導(dǎo)彈天線罩連接環(huán)采用碳纖維復(fù)合材料尚屬首例。

鑒于低膨脹合金鋼4J36、4J32等在實(shí)際應(yīng)用中的不足，研究并研制出碳纖維復(fù)合材料連接環(huán)，已成功應(yīng)用于導(dǎo)彈天線罩上，如圖1、圖2所示，和原來的低膨脹合金鋼連接環(huán)比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)： a）它可以減輕消極重量，與同尺寸采用低膨脹合金鋼4J36 的連接環(huán)相比，重量下降50%以上；

圖1 碳纖維復(fù)合材料連接環(huán)實(shí)物樣件

圖2 天線罩和連接接環(huán)總體結(jié)構(gòu)圖

b）增強(qiáng)隔熱、防熱效果，外部防熱層熱性能（Tg）優(yōu)于低膨脹合金鋼4J36；

c）改善膠接性能，按照膠接強(qiáng)度試驗(yàn)要求進(jìn)行了膠接強(qiáng)度試驗(yàn)，并與低膨脹合金鋼4J36進(jìn)行對(duì)比，具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 低膨脹合金鋼4J36和碳纖維復(fù)合材料膠接強(qiáng)度比較

從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，碳纖維復(fù)合材料的膠接強(qiáng)度稍大于低膨脹合金鋼4J36的膠接強(qiáng)度；

d）可調(diào)節(jié)膨脹系數(shù)，天線罩材料一般選用石英陶瓷，碳纖維復(fù)合材料的膨脹系數(shù)可以調(diào)節(jié)到和石英陶瓷材料相匹配；

e）縮短加工周期，降低加工費(fèi)用，提高整體制造能力。對(duì)某天線罩連接環(huán)，采用低膨脹合金鋼4J36的價(jià)格在15萬元以上，從制造周期上講，低膨脹合金鋼連接環(huán)從鍛打備料后，還需經(jīng)過十幾道工序，最終加工成品重量不到10kg，材料利用率不到20%，且制造周期長，過程難以控制；而采用碳纖維連接環(huán)后，價(jià)格能降低近2／3，重量減少50%以上。碳纖維復(fù)合材料由于一次成型，大大降低了生產(chǎn)周期，為天線罩生產(chǎn)提供了有力的保證。

該碳纖維復(fù)合材料連接環(huán)采用樹脂傳遞模塑（RTM）成型工藝。RTM 工藝是在一定的溫度、壓力下，將低粘度的液體樹脂注入鋪有增強(qiáng)體的模腔中，浸漬，固化成型，可分為增強(qiáng)材料預(yù)成型坯料加工和樹脂注射固化兩個(gè)步驟。這兩個(gè)步驟可分開進(jìn)行，具有高度靈活性和組合性。RTM工藝一般采用低壓注射技術(shù)（注射壓力不大于0.8 MPa），有利于制備大尺寸、復(fù)雜外形、兩面光潔的整體結(jié)構(gòu)。

RTM 成型工藝主要工序如下：

a）玻璃纖維布準(zhǔn)備（包括上偶聯(lián)劑、烘干等工序）；

b）配制樹脂、固化劑及促進(jìn)劑，靜置或抽真空脫泡；

c）RTM 機(jī)組、成型模具準(zhǔn)備（包括表面清潔、涂覆脫模劑）；

d）玻璃纖維布裁剪，鋪放于陽模之上；

e）合模，并測(cè)試模具進(jìn)出膠口是否通暢；

f）注射樹脂，直到樹脂充分浸潤纖維并充滿模具；

g）固化；

h）脫模；

i）切邊、打磨；

j）檢驗(yàn)。

圖3為全罩（含碳纖維連接環(huán)）加熱試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖3 全罩加熱試驗(yàn)照片

某天線罩上使用的碳纖維復(fù)合材料連接環(huán)隨天線罩一起通過了各種環(huán)境例行試驗(yàn)，試驗(yàn)后目測(cè)檢測(cè)天線罩無機(jī)械損傷、涂層脫落、裂紋，與碳纖維連接環(huán)連接部位無松動(dòng)，滿足技術(shù)要求。該碳纖維連接環(huán)隨天線罩進(jìn)行了全罩加熱高溫試驗(yàn)、靜熱聯(lián)合試驗(yàn)，并同時(shí)通過了可靠性試驗(yàn)。

圖4為碳纖維復(fù)合材料天線罩隨天線罩一起進(jìn)行的靜熱聯(lián)合試驗(yàn)照片。

圖4 靜熱聯(lián)合試驗(yàn)試驗(yàn)照片

碳纖維復(fù)合材料加工的連接環(huán)與導(dǎo)彈的連接只能采用鑲嵌件的方式，不能直接加工連接螺紋，使用上有一定的局限性。

3 結(jié)束語

碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、膨脹系數(shù)可調(diào)節(jié)、熱防護(hù)性能好等優(yōu)點(diǎn)，是一種性能優(yōu)良的復(fù)合材料。采用碳纖維復(fù)合材料制造導(dǎo)彈天線罩連接環(huán)可以縮短生產(chǎn)周期，提高綜合制造性能，大大節(jié)約制造成本。隨著碳纖維成本的降低以及復(fù)合材料制造技術(shù)的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V泛。

［1］ 彭望澤.防空導(dǎo)彈天線罩［M］.北京：宇航出版社，1991.

［2］ 張漠杰.導(dǎo)彈天線罩連接方式的設(shè)計(jì)［J］.上海航天，1999，（3）：159-160.

［3］ 王雪娟.碳纖維的發(fā)展及其應(yīng)用［J］.四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，（24）：204-205.

［4］ L.P.Kobets，I.S.Deev.Carbon fibers：Structure and Mechanical Properties［J］.Composites Science and Technology，1997，（57）：1571-1580.