邱保強(qiáng) 劉圖遠(yuǎn) 張娟娟 魏海旭 王 偉

（1 上海復(fù)合材料科技有限公司，上海 201112）（2 上海航天樹(shù)脂基復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心，上海 201112）

0 引言

反射器是衛(wèi)星天線的主要功能構(gòu)件，多為碳纖維蒙皮-鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)[1]，承擔(dān)著衛(wèi)星接收和發(fā)射電磁波信號(hào)的重要功能。反射器的型面精度直接影響天線的增益[2]，高精度的反射器的型面精度均方差（RMS）值一般不超過(guò)工作波長(zhǎng)的1/100?，F(xiàn)階段反射器正在向著大口徑、低結(jié)構(gòu)質(zhì)量、高精度的方向發(fā)展，原工藝方法存在一定局限性。赦遼輝[1]研究了碳纖維蒙皮的鋪層對(duì)型面精度的影響，結(jié)果表明碳蒙皮采用M40J準(zhǔn)各向同性鋪層保證蒙皮面內(nèi)的力學(xué)性能和熱脹性能的均勻性，可大幅降低成型變形，提高反射器的型面精度。何佳歡等[3]研究了不同模具材料對(duì)反射面成型精度影響，結(jié)果表明使用低熱脹系數(shù)的殷鋼或碳纖維復(fù)合材料模具能降低反射器成型過(guò)程中的殘余應(yīng)力變形，提高反射器的型面精度。周濤等[4]研究表明在蒙皮材料和厚度不變的前提下，蜂窩的面內(nèi)模量是影響蜂窩夾層結(jié)構(gòu)固面反射器熱變形的主導(dǎo)因素，蜂窩面內(nèi)與蒙皮面內(nèi)模量比值越大，在固化中熱變形對(duì)反射器型面精度負(fù)面影響就越大。工程實(shí)踐表明對(duì)于口徑≥1 m，碳纖維蒙皮厚度≤1 mm夾層反射器，因蜂窩夾層的不均勻熱變形可降低型面精度約0.01～0.03 mm。這對(duì)精度要求RMS≤70 μm、口徑≥1 m的高精度反射器是不可忽視的影響因素。反射器常見(jiàn)為旋轉(zhuǎn)拋物面或雙曲面，而鋁蜂窩芯為平面，具有一定的剛性，且蜂窩的幅寬有限，在反射器應(yīng)用中蜂窩芯均分瓣，使用泡沫膠拼接，降低蜂窩回彈應(yīng)力，進(jìn)而降低反射器成型后的變形，保證了型面精度[5]。

目前反射器主要從降低蒙皮和模具熱脹系數(shù)、固化溫度等方面提高型面精度，而對(duì)通過(guò)優(yōu)化鋁蜂窩的拼接安裝工藝來(lái)提升反射器型面精度的研究較少。本文主要通過(guò)改進(jìn)鋁蜂窩的拼接方式、拼接用膠、拼接工藝，以達(dá)到提升拼接蜂窩的均勻性、對(duì)稱性的目的，進(jìn)而降低反射器熱成型中蜂窩夾層的不均勻熱應(yīng)力，提高反射器型面精度。最終利用優(yōu)化后的蜂窩拼接工藝制備了口徑1.8 m碳蒙皮/鋁蜂窩夾層反射器，并與常規(guī)泡沫膠蜂窩拼接的反射器進(jìn)行比對(duì)分析。

1 蜂窩拼接影響因素分析

傳統(tǒng)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)使用泡沫膠條拼接，對(duì)蜂窩芯拼接面規(guī)整狀態(tài)要求低，相鄰的兩個(gè)蜂窩芯拼塊間預(yù)留1 mm的間隙，利用泡沫膠固化膨脹將拼接處的間隙填滿保證有效連接。泡沫膠的膨脹比2～4，固化后泡沫膠寬度為2～4 mm。工藝方法簡(jiǎn)單，能滿足蜂窩拼接強(qiáng)度，但泡沫膠與鋁蜂窩線脹系數(shù)不匹配，蜂窩泡沫膠拼接區(qū)域與周圍區(qū)域剛度相差大，增重較多，拼接區(qū)域蜂窩芯方向存在突變等。

泡沫膠與蜂窩的線脹系數(shù)（泡沫膠4.0×10-5/K，鋁合金2.6×10-5/K）相差較大，在反射器熱成型后材料因熱膨脹不匹配、熱變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生不均勻熱應(yīng)力，從而降低了反射器的型面精度。工程實(shí)踐表明傳統(tǒng)泡沫膠拼接方法制備的1.3～2.2 m口徑碳纖維蒙皮/鋁蜂窩夾層反射器型面精度僅能達(dá)到0.08～0.15 mm。

蒙皮和蜂窩剛度比，在一定范圍內(nèi)蜂窩的熱變形受到蒙皮剛度抑制作用較明顯，當(dāng)蜂窩剛度增大到一定值時(shí)蒙皮的抑制作用不再顯著[3]。泡沫膠固化后模量為1～2 GPa，而鋁蜂窩芯面內(nèi)模量?jī)H0.1～0.5 MPa，泡沫膠拼接區(qū)域的剛度遠(yuǎn)高于周邊蜂窩芯。這樣蒙皮對(duì)拼接區(qū)域抑制程度遠(yuǎn)低于非拼接區(qū)域，使蜂窩泡沫膠拼接區(qū)域的變形與周圍區(qū)域明顯不同，導(dǎo)致反射器型面變形不均勻，降低了型面精度。若將泡沫膠替換為非泡沫膠，則拼接后膠層固化后寬度僅為0.10～0.15 mm，不足泡沫膠寬度的1/10，對(duì)產(chǎn)品型面精度影響會(huì)大大降低。

傳統(tǒng)方式一般是兩瓣或四瓣拼接，蜂窩瓣間使用泡沫膠填隙，這種拼接方式蜂窩的中心條帶方向的分布不均勻，直接影響反射器型面精度，且會(huì)增加用膠質(zhì)量（以厚20 mm蜂窩為例：用膠量約24 g/m）。

研究蜂窩拼接工藝從兩方面進(jìn)行：首先是分析選擇可用的蜂窩拼接工藝和膠黏劑，主要從拼接次數(shù)、膠黏劑種類、用膠量、定型工藝4個(gè)方向進(jìn)行，需滿足力學(xué)性能、環(huán)境適應(yīng)性、工藝性三方面；其次是制備蜂窩拼接試驗(yàn)件驗(yàn)證蜂窩拼接質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上制備高精度反射器，驗(yàn)證改進(jìn)后蜂窩拼接方式對(duì)反射器型面精度的提升。

1.1 蜂窩芯拼接方式選擇

反射器外形近似于圓形或圓環(huán)形，便于實(shí)驗(yàn)可將拼接后的蜂窩芯簡(jiǎn)化為圓形。單塊蜂窩為矩形，條帶方向門(mén)幅長(zhǎng)約1 m，拼接后蜂窩中心條帶方向盡可能沿反射器母線方向，以提高拼接后蜂窩條帶方向分布均勻性，如圖1所示。

圖1 蜂窩芯拼接Fig.1 Honeycomb splicing pattern

正六邊形蜂窩格子相鄰邊呈120°角，不同蜂窩中心條帶方向應(yīng)為120°或120°的補(bǔ)角，因此蜂窩的拼接次數(shù)應(yīng)為3次（相鄰角呈120°）或6次（相鄰角呈60°）。當(dāng)拼接次數(shù)為2、4、5、7、7+n、……（n為≥1的正整數(shù)）時(shí)，相鄰兩塊蜂窩芯的拼接處為雜亂狀態(tài)，難以形成規(guī)整的拼接面，具體參見(jiàn)圖2。

圖2 不同拼接次數(shù)的拼縫處狀態(tài)Fig.2 The state of patchwork joints with different splicing times

通過(guò)上述分析可知蜂窩拼接后可得到規(guī)整的蜂窩結(jié)構(gòu)，則拼接次數(shù)僅能是3或6。

1.2 膠黏劑的選擇

蜂窩拼接膠黏劑的選擇有4個(gè)要求：（1）使用溫度與反射器使用環(huán)境相匹配；（2）不低于設(shè)計(jì)要求的蜂窩芯節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度；（3）有良好的工藝性；（4）固化后最小膠層厚度≤0.2 mm。不同膠黏劑性能如表1所示。

表1 不同膠黏劑的性能Tab.1 Properties of different adhesives

反射器常見(jiàn)使用環(huán)境溫度為-50～150℃，可知滿足使用溫度的膠黏劑有J-241、蜂窩節(jié)點(diǎn)膠和J-310A。

按圖3使用三種膠黏劑分別制作蜂窩拼接試樣，蜂窩規(guī)格為5 mm×0.03 mm×15 mm的鋁蜂窩，按《膠接鋁蜂窩芯子節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)方法》GJB130.3—1986測(cè)試得到的結(jié)果如表2所示，三種膠黏劑均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 蜂窩芯拼接試樣示意圖Fig.3 Honeycomb splicing specimen

表2 不同膠黏劑的蜂窩拼接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度Tab.2 Cellular node strength using different adhesives of honeycomb joints kN/m

J-241和蜂窩節(jié)點(diǎn)膠性狀為液態(tài)，J-310A為半固態(tài)膠膜。液態(tài)膠刷在蜂窩芯的膠接面，特定工裝在拼接點(diǎn)加壓固化。工裝施壓過(guò)程中擠出膠液會(huì)堆積在拼接端口，需在凝膠前對(duì)其進(jìn)行清理，否則會(huì)形成膠瘤影響蜂窩芯的高度尺寸，嚴(yán)重的可能使蒙皮與蜂窩脫粘。膠膜在工裝加壓固定時(shí)幾乎不流動(dòng)，因而不存在上述問(wèn)題，J-310A膠膜可優(yōu)先選作拼接用膠黏劑。以蜂窩高度20 mm計(jì)，拼縫長(zhǎng)1 m的J-310A用膠量約4 g，相比泡沫膠拼接方式減重約20 g/m。

1.3 蜂窩拼接工藝方法

膠黏劑種類、拼接形式確定后，拼接工藝將會(huì)決定拼接質(zhì)量和可行性。使用J-310A膠膜將三塊蜂窩芯拼接，三種可選方案：（1）如圖4蜂窩自加壓共固化，將蜂窩芯在拼接處壓縮1～2個(gè)格子，拼接面上鋪貼膠膜，利用蜂窩芯自身彈性加壓，與反射器共同加熱固化；（2）如圖5固定夾加壓?jiǎn)为?dú)固化，蜂窩芯放置在反射器模具型面上，膠膜加熱至40～60℃，在拼接面鋪貼膠膜，用固定夾壓緊拼接點(diǎn)，在固定夾兩側(cè)放置楔形硅膠墊塊，真空袋壓在硅膠墊塊上賦型、加熱固化；（3）如圖6固定夾預(yù)加壓共固化，已鋪貼膠膜的反射器下蒙皮置于模具上，膠膜加熱至40～60℃，在拼接面鋪貼膠膜后固定夾夾緊拼接點(diǎn)，蜂窩芯放置在下蒙皮上，待膠膜冷卻后撤去固定夾。確認(rèn)拼接質(zhì)量修補(bǔ)拼接缺陷，然后蓋上上蒙皮，制作真空袋加熱固化整個(gè)反射器。

方案1操作簡(jiǎn)單，但蜂窩芯彈力不是完全垂直于拼接面，蜂窩芯的回彈力難以準(zhǔn)確控制，且蜂窩芯剛度較低，拼接處的蜂窩格會(huì)產(chǎn)生側(cè)向偏移，從而在蜂窩拼接面產(chǎn)生較多缺陷。

圖4 方案1-蜂窩芯拼接定型狀態(tài)Fig.4 Scheme 1-the finished state of honeycomb splicing fixed shape

圖5 方案2-蜂窩芯拼接定型狀態(tài)Fig.5 Scheme 2-the finished state of honeycomb splicing fixed shape

圖6 方案3蜂窩芯拼接定型狀態(tài)Fig.6 Scheme 3-the finished state of honeycomb splicing fixed shape

方案2蜂窩芯在反射器成型之前已經(jīng)固化定型，可以直觀的檢查拼接質(zhì)量，可以在使用前修整拼接缺陷。但需根據(jù)拼接面提前澆鑄或切割楔形硅膠墊塊，因此操作復(fù)雜，而且使用該方法制備反射器需兩次加熱固化，成本較高。

方案3利用蜂窩拼接處膠膜的粘接性及下蒙皮上膠膜對(duì)整塊蜂窩芯的粘接性來(lái)定型，可以直觀檢查拼接缺陷并修補(bǔ)，反射器生產(chǎn)過(guò)程中僅需固化一次，成本較低。

綜上所述：

（1）對(duì)于正六邊形蜂窩芯子，其拼接次數(shù)一般為3次或6次，利于蜂窩結(jié)構(gòu)對(duì)稱，格型完整；

（2）J-310A膠膜可作為蜂窩拼接膠黏劑的首選，其施工方便，固化后厚度尺寸小，大大降低了熱膨脹不匹配、剛度突變對(duì)型面精度的影響；

（3）固定夾預(yù)加壓后與反射器共固化（方案3）可以作為目前最優(yōu)拼接工藝方法，此方法操作簡(jiǎn)便、成本較低。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 蜂窩芯拼接工藝參數(shù)試驗(yàn)

2.1.1 拼接試樣的制備

為驗(yàn)證拼接效果制備4件蜂窩拼接的平板試樣，試樣大小為300 mm×300 mm、膠黏劑為J-310A膠膜（膠膜單層厚度0.15 mm），試樣參數(shù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)件參數(shù)Tab.3 Test part parameters

2.1.2 性能測(cè)試

按圖3樣制備蜂窩拼接試樣。目視檢查膠接質(zhì)量，按《膠接鋁蜂窩芯子節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)方法》GJB130.3—1986測(cè)試節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 試樣測(cè)試結(jié)果Tab.4 Sample test results

結(jié)果表明4種試樣在拼接節(jié)點(diǎn)處均未出現(xiàn)膠接缺陷，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度最高的是 2#，最低是 3#，且 1#、2#均比3#、4#高，其原因是 1#、2#蜂窩固化時(shí)有固定夾約束，節(jié)點(diǎn)處鋁箔滑移小，膠接面大。但4種試樣節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度均大于設(shè)計(jì)要求值，且破壞形式均為鋁箔撕裂，均能滿足節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度≥1.47 kN/m的要求。

2.1.3 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明使用1～2膠膜層，蜂窩定型方案2和3均能滿足蜂窩芯拼接要求?？紤]生產(chǎn)成本和工藝可行性，定型方案3可作為拼接常用工藝方法，膠膜厚度優(yōu)選1層。

2.2 曲面蜂窩芯拼接工藝驗(yàn)證

2.2.1 曲面蜂窩芯拼接試樣制備

為進(jìn)一步驗(yàn)證曲面拼接效果，在反射器模具上制備1件曲面蜂窩芯拼接試樣。為便于觀查固化定型后的蜂窩芯拼接質(zhì)量，蜂窩芯與上蒙皮之間未鋪貼膠膜，實(shí)物見(jiàn)圖7，拼接參數(shù)見(jiàn)表5。

蜂窩拼接試樣固化后實(shí)物見(jiàn)圖8，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示拼接試樣無(wú)明顯拼接缺陷、蜂窩格子規(guī)整、蜂窩無(wú)明顯階差、力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 固化后的反射面上蜂窩芯拼接Fig.8 Solidified honeycomb splicing on reflective surface

2.2.2 實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)后的拼接工藝能有效提高反射器型面精度，分別用改進(jìn)后工藝方法和傳統(tǒng)蜂窩拼接工藝方法各制備一件1.8 m口徑的反射器，要求初始型面精度RMS≤0.07 mm，膠接區(qū)域無(wú)脫粘。反射器試樣參數(shù)如表6所示，固化后對(duì)反射器進(jìn)行無(wú)損探傷，使用影像測(cè)量方法檢測(cè)反射面型面精度。結(jié)果顯示反射器無(wú)脫粘缺陷，初始型面精度RMS=53 μm，優(yōu)于設(shè)計(jì)值70 μm，采用改進(jìn)后的蜂窩拼接工藝方法相比改進(jìn)前的反射器型面精度提高了25 μm，用膠量減少了76 g。

表6 蜂窩芯拼接反射面試樣參數(shù)Tab.6 Test part parameters of honeycomb splicing reflector specimen

3 結(jié)論

（1）正六邊形蜂窩芯子拼接次數(shù)一般為3次或6次，利于拼接后蜂窩結(jié)構(gòu)對(duì)稱，格型規(guī)整性，降低面內(nèi)剛度分布不均性，利于提高反射器型面精度。

（2）J-310A膠膜可作為高精度反射器的蜂窩拼接膠黏劑的首選，因其施工方便，固化后厚度尺寸小，大大降低了不同材料的膨脹不匹配和剛度突變的影響，利于提高反射器型面精度。

（3）固定夾預(yù)加壓后再與反射器共固化可以作為目前最優(yōu)拼接工藝方法，此方法操作簡(jiǎn)便、成本較低。

（4）采用改進(jìn)后的蜂窩拼接工藝制備的口徑1.8 m反射器，其型面精度RMS=53 μm，相比傳統(tǒng)的提高了25 μm，且能滿足設(shè)計(jì)要求。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示蜂窩合理的拼接方法可以有效避免泡沫膠與蜂窩的膨脹不匹配的影響，減小拼接處膠黏劑與蜂窩剛度突變的影響，提高蜂窩結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，大幅提高反射器型面精度。采用此工藝方法拼接蜂窩同樣可以有效降低用膠量、減輕產(chǎn)品結(jié)構(gòu)質(zhì)量。