徐 竹

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強、線膨脹系數(shù)低等優(yōu)異特性，被廣泛應(yīng)用于航天器產(chǎn)品領(lǐng)域。天線反射面日益提高的輕量化、高精度、高穩(wěn)定需求使得大口徑、高精度碳纖維復(fù)合材料天線反射器制造技術(shù)成為廣泛研究的趨勢[1-3]。在雷達天線反射面中，低頻段使用的天線反射面采用柵格結(jié)構(gòu)具有強度高、型面精度高、風(fēng)載小,而且具有良好的耐腐蝕性的優(yōu)勢[4]。柵格天線是一種常見的天線結(jié)構(gòu),其特點是反射面由拋物面上的柵條構(gòu)成，反射面的饋源幾乎不產(chǎn)生對天線面的遮擋，從而漏空度大，效率較高。柵格天線反射面柵條的寬度與天線的大小和使用條件緊密相關(guān)[5-6]。熱壓罐成型工藝[7-8]是目前廣泛應(yīng)用的先進復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的主要成形方法之一，制造的構(gòu)件可應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的高精度高質(zhì)量的復(fù)合材料制件。本次試驗選用球墨鑄鐵成型模具，采用硅膠條形成天線反射面的柵格結(jié)構(gòu)，設(shè)計合理的鋪層工藝研究熱壓罐固化成型樹脂基碳纖維復(fù)合材料柵格天線反射面的制造工藝。

1 柵格天線反射面的結(jié)構(gòu)分析

碳纖維柵格天線面采用拼裝結(jié)構(gòu)，拆卸方便、攜帶方便，采用柵格形式可以增加天線的抗風(fēng)性能。本次研究的碳纖維柵格天線反射面主體結(jié)構(gòu)是六個扇形分瓣柵格面拼接而成的曲面零件，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，天線反射面直徑1 280 mm，其多個柵格呈平行排列，柵條的方向一致。在天線面的邊緣有用于支撐柵格的支撐結(jié)構(gòu)，包括預(yù)埋件1如圖2(a)所示、預(yù)埋件2如圖2(b)所示、加強筋如圖2(c)所示、定位環(huán)如圖2(d)所示。定位環(huán)的形狀與反射面邊緣的形狀相配。

圖1 柵格天線反射面結(jié)構(gòu)示意圖

預(yù)埋件結(jié)構(gòu)有兩種，如圖2(a)、圖2(b)所示，各有3個，在預(yù)埋件兩端各有一個1 mm凹槽；以便于將加強筋固定在模具上。預(yù)埋件需固定在中心環(huán)上，在固定之前需要在預(yù)埋件內(nèi)側(cè)貼一層脫模布。加強筋頂端也有一個1 mm的凹槽，共12根，凹槽口朝左6根，凹槽口朝右6根，并且需要用502膠固定在模具上，固定之后對模具進行加熱，加熱到40 ℃即可。

圖2 柵格天線反射面的支撐結(jié)構(gòu)件

2 柵格天線反射面成型模具的設(shè)計

柵格天線面成型模具材料選用線脹系數(shù)較低的球墨鑄鐵HT300制作，模具表面有粘接?xùn)鸥竦亩鄠€平行凹槽，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖如圖3所示。模具結(jié)構(gòu)上設(shè)有測量、鋪層基準等，模具具有足夠的剛度和較高的型面精度，具有較高的氣密性，能夠滿足熱壓罐工藝要求。

圖3

脫模劑選用有機硅脫模劑，新模具在使用前要進行“三脫一熱”然后再繼續(xù)涂脫模劑一次。

3 柵格天線反射面的原材料

3.1 主體材料

本次天線反射面在鋪層時碳纖維預(yù)浸布和碳纖維單向帶混合使用。

碳纖維單向帶厚度為0.02 mm，是本制品種使用量最大的材料，共14層。碳纖維預(yù)浸布用于第1層整體反射面材料以及天線反射面的側(cè)邊圍框和下圍框。

3.2 膠粘劑

柵格天線反射面成型過程需要使用三種膠粘劑：502膠粘劑、白膠膜J-47-CH、高溫雙面膠。502膠粘劑主要用于加強筋與成型模具的粘接；白膠膜J-47-CH是用來粘接第一層碳纖維預(yù)浸布與預(yù)埋件、加強筋；高溫雙面膠主要是粘在模具表面的凹槽上，用于粘接硅膠條，在封裝時也用高溫雙面膠固定對加強筋部位的隔離膜。

3.3 硅膠條

硅膠條主要在本制品中的主要作用是使天線面形成柵格。本試驗的硅膠條可反復(fù)使用，直至硅膠條變黃變硬。硅膠條寬7.5 mm，有極好的耐高溫、耐低溫性能，能夠經(jīng)受反復(fù)多次苛刻和消毒條件，具有極佳的回彈性和永久變形小。

3.4 輔助材料

成型過程中所需要的輔助材料:可剝布、密封膠帶、均壓板、隔離膜、透氣氈、真空袋等?？蓜儾嫉南铝铣叽绫犬a(chǎn)品邊緣大于10 mm，可拼接，拼接不大于5 mm。隔離膜的下料尺寸比可剝布大10～50 mm。在棱角處斷開，以防架橋，用壓敏膠帶固定。真空袋的下料尺寸比模具封裝區(qū)域的1.2～1.5倍尺寸，真空袋在裁剪到封裝過程中要保護真空袋不會被扎破小洞。透氣氈的下料尺寸比真空袋周圍小30 mm,可拼接，在有尖棱處使用雙層透氣氈。

4 柵格天線面的成型過程

4.1 下 料

根據(jù)柵格天線反射面的零件設(shè)計圖，碳纖維預(yù)浸布按整體鋪貼和圍框結(jié)構(gòu)鋪貼兩部分下料，第一層3K碳布采用激光下料機下料。圍框包括側(cè)邊圍框、上圍框和下圍框三部分。側(cè)邊圍框?qū)?0 mm，長1 000 mm的碳布3層，下圍框?qū)?0 mm，長1 000 mm的碳布12層，上圍框?qū)?0 mm,長100 mm的碳布10層。

碳纖維預(yù)浸料單向帶共14層，分別為橫向柵條寬3.8 mm，長1 200 mm和縱向柵條6 mm，長1 200 mm。

準備封裝用的輔助材料，按要求裁剪備用，將硅膠條也手動修剪成模具上硅膠條的印痕即可。

4.2 鋪層過程

(1)在鋪層前首先要對柵格天線反射面成型模具進行組裝，清潔。去除模具表面的殘留物，去除灰塵，用無水乙醇擦拭清潔模具表面。

(2)在模具粘接硅膠條的凹槽上貼上高溫雙面膠；然后粘接修整好的硅膠條。硅膠條的長度按照模具刻線的長度，硅膠條處于自然裁剪狀態(tài)。

(3)在中心環(huán)上固定好預(yù)埋件的位置，安裝中心環(huán)，安放12根加強筋，保證加強筋的各個部位與模具貼實，用502膠將加強筋粘接在模具上，取下中心環(huán)，對模具進行加熱，加熱到40 ℃即可。

(4)開始鋪層，第一層鋪碳纖維預(yù)浸布，用中心定位工安裝的中心環(huán)，中心定位環(huán)用螺釘連接在工裝上，將一對連接件配合良好并放到位；在加強筋與中心環(huán)周圍所加強的碳纖維布粘接面貼一層白膠膜。

(5)上翻邊鋪2層3K碳纖維布，下翻邊鋪3層，在橫向和縱向鋪3.8 mm和6 mm的單向柵條，側(cè)翻邊鋪一層3K碳纖維布；上圍框翻邊鋪2層3K碳纖維布，下圍框翻邊鋪2層，在橫向和縱向3.8 mm和6 mm的單向柵條，共循環(huán)2次；側(cè)翻邊鋪1層3K碳纖維布；上翻邊鋪2層3K碳纖維布，下翻邊鋪2層，在橫向和縱向鋪3.8 mm和6 mm的單向柵條，側(cè)翻邊鋪1層3K碳纖維布；上翻邊鋪2層3K碳纖維布，下翻邊鋪3層。以此類推完成柵格天線反射面的全部鋪層。

4.3 封 裝

按照工藝要求，將柵格天線反射面鋪好的坯件按照可剝布/隔離膜/透氣氈/真空袋的順序依次鋪輔助材料，注意在封裝的過程中可剝布和隔離膜裁剪成條狀，以防止架橋，鼓包。在放透氣氈之前，要處理密封區(qū)域(打磨和清洗)。封裝工藝要仔細檢查，檢查模具的各個棱角處及模具邊緣，有螺帽的地方用硅橡膠堵塞，以防止在抽真空時真空袋被吸進去，以免被扎孔。封裝完成后接通真空系統(tǒng)，檢查氣密性，檢查真空設(shè)備是否暢通，檢查是否存在真空袋架橋等。

4.4 熱壓罐固化工藝

熱壓罐設(shè)備是一種提供溫度和壓力的專用的特種設(shè)備，柵格天線反射面所使用的熱壓罐尺寸最高工作溫度250 ℃；最高工作壓力1.2 MPa。將封裝好的零件送入熱壓罐，接通真空管路和熱電偶，進行真空滲漏檢查，真空檢漏合格后，關(guān)閉罐門，設(shè)定固化參數(shù)如下：固化壓力0.4 MPa；固化溫度、時間：初始固化溫度 130±5 ℃，保溫 120～160 min。升、降溫速率：≤3 ℃/min；冷卻到65 ℃以下卸壓出罐。

5 脫模、裝配及檢驗

5.1 脫 模

將移出熱壓罐的制件待溫度降到室溫后，進行手動脫膜。將整個柵格網(wǎng)狀天線反射面按照加強筋的邊緣脫模成六塊，以方便于攜帶。脫模之后將網(wǎng)狀柵格里的硅膠條撕下，并且將模具上的雙面膠清除干凈，隨后用無水乙醇將模具表面清洗干凈。

5.2 裝配及檢驗

將所拆制品去除毛刺，依次將1/6單塊放到工裝上做搭扣安裝孔，安裝搭扣。安裝好之后，對于碳纖維柵格天線面的檢驗首先查看殼體外觀看是否有裂紋、劃傷、凹坑、凸起等缺陷，再檢驗柵格網(wǎng)狀天線反射面型面的精度(均方根誤差 RMS)是否符合要求。

6 結(jié) 論

柵格網(wǎng)狀天線反射面的結(jié)構(gòu)由碳纖維復(fù)合材料反射面、預(yù)埋件、加強筋、定位環(huán)組成。柵格網(wǎng)狀天線反射面所使用原材料是碳纖維預(yù)浸布和碳纖維單向帶，在鋪貼時所使用的膠粘劑為502膠粘劑、白膠膜、高溫雙面膠帶；柵格網(wǎng)狀天線反射面鋪層時共鋪15層，1層碳纖維預(yù)浸布和14層碳纖維單向帶；最后采用熱壓罐成型工藝進行加熱、加壓固化，完成了柵格網(wǎng)狀天線面的制造過程。