碳纤维复合材料在导弹天线罩连接环上的应用

2012-04-20张学斌何利华张漠杰

制导与引信 2012年1期

张学斌，何利华，张漠杰

（1.海军驻上海地区航天系统军事代表室；2.上海无线电设备研究所，上海200090）

0 引言

连接环是天线罩和舱段的连接件［1］。在导弹飞行时，由于连接环与空气的摩擦作用，表面温度上升较快，要求连接环在导弹整个使用及飞行过程中经受得住作用其上的外载荷及气动加热所产生的热应力，这要求连接环具有足够的强度。同时，在导弹整个飞行过程中，不能因连接环产生变形而导致飞行试验失效，这要求连接环具有足够的刚度。在连接环与天线罩的连接方式中，一般选择胶接，在飞行过程中不能因温度升高而使天线罩脱落、破裂，要求连接环和天线罩热膨胀系数有较好的匹配。除此之外，对连接环还有如下其他要求：

a）装卸方便；

b）密封性好；

c）可靠性高；

d）工艺性好；

e）质量轻；

f）成本低；

g）材料来源充足。

研制高性能连接环的首要任务是选择能够满足连接环使用要求的材料。连接环材料一般可采用金属或非金属的纤维增强塑料，材料的选择取决于天线罩罩体的材料性能及天线罩在气动加热工作环境下的温度分布。

由于天线罩需在恶劣的气动加热环境下工作，天线罩内外壁之间存在一个较大的温度梯度，为了使连接环与天线罩罩体之间产生的热应力尽可能小，连接环的材料应尽可能选择低膨胀系数材料。

目前国内天线罩连接环大部份采用低膨胀合金钢4J36、4J32或碳纤维复合材料制造。低膨胀合金钢4J36、4J32膨胀系数相对较低，各项物理化学性能也好，但加工难度大、成本高；而碳纤维复合材料正好可以弥补低膨胀合金钢的不足，采用碳纤维复合材料加工的连接环膨胀系数可设计、质量轻、制造工艺简单且成本低。

1 几种天线罩连接环材料

1.1 低膨胀合金钢

目前，为了满足石英陶瓷天线罩与舱体的连接要求，常用的连接环材料多为低膨胀合金钢4J36和4J32。它们的膨胀系数相对较低，与几种常用天线罩材料的膨胀系数匹配较好［2］，如表1所示。且强度和刚度能够满足连接环的使用要求，主要特性如表2所示。

表1 常用天线罩材料的膨胀系数

表2 低膨胀合金钢4J36及4J32的主要特性

低膨胀合金钢4J36 及4J32 作为连接环材料，尽管具备很多优点，但在实际应用中，仍存在以下不足：

a）材料比重大，使得整个连接环重量较大，如果能减轻重量，将增大导弹的飞行距离；

b）膨胀系数与温度有关，表3列出了不同温度时低膨胀合金钢4J36及4J32的平均线膨胀系数；

c）在需要热防护时，需采用复合结构，两种材料的界面采用胶接方式复合，其界面的强度、老化性能应作为特殊过程控制和检测，以保证产品质量的稳定性和一致性；

d）成品价格较高，原材料利用率低：某天线罩连接环材料采用低膨胀合金钢4J36，成品价格在15万元以上，材料利用率不到20%；

e）制造周期长，加工过程难以控制：低膨胀合金钢连接环从锻打备料后，还需经过十几道工序，最终加工成品，制造周期长且加工过程难以控制。

表3 低膨胀合金钢4J36及4J32的平均线膨胀系数

1.2 碳纤维复合材料

1.2.1 碳纤维复合材料的特点

碳纤维复合材料（CFRP）具有密度小［3］、比刚度及比模量高、耐疲劳、抗蠕变和线膨胀系数小等一系列优异的特点，在航空航天、电子、兵器等军事领域得到了越来越广泛的应用，成为目前最先进的结构复合材料之一。

碳纤维和树脂形成的复合材料的比模量比钢和铝合金高5倍，其比强度也高3～4倍，这种“比铝轻、比钢强度高”的工业材料可以代替金属作为结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量等综合指标在现有结构材料中是最高的。在强度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、高化学稳定性的场合，碳纤维复合材料都具有优势。

1.2.2 碳纤维复合材料的应用方向

碳纤维属于脆性材料，只有将它与基体材料牢固地结合在一起时才能利用其优异的力学性能，使之更好地承载负荷。因此，碳纤维主要还是在复合材料中作增强材料。根据使用目的不同可选用各种基体材料和复合方式来达到所要求的复合效果。碳纤维可用来增强树脂、金属及各种无机陶瓷，而目前使用得最多、最广泛的是树脂基复合材料，本文中的碳纤维复合材料主要指碳纤维增强树脂基复合材料。

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）是由碳纤维和树脂构成的整体［4］，是目前最先进的复合材料之一。它以轻质、高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料，是其他纤维增强复合材料所无法比拟的。

碳纤维增强树脂复合材料所用的基体树脂主要为两大类：一类是热固性树脂；另一类是热塑性树脂。在复合材料中常用的热固性树脂有环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂等。常用的热塑性树脂有聚乙烯、尼龙、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等。

碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天领域有着大量的应用，如航天飞机的舱门、仿生机械臂以及压力容器等；因碳纤维增强树脂基复合材料具有轻质、高强的优点，先进民用飞机在结构中大量地使用了碳纤维增强树脂基复合材料。主要部位有：整流包皮、副翼、发动机罩、阻力板、扰流器、起落架舱门、水平和垂直尾翼、方向舵及其他主要及次要承力结构件等；在民用领域，碳纤维增强树脂基复合材料的应用也不断扩大，如汽车结构件、风力发电机叶片、体育器材等。

采用碳纤维复合材料制造导弹天线罩连接环也是其应用方向之一。采用碳纤维增强树脂基复合材料代替目前的低膨胀合金钢4J36，一方面可以改善连接环的性能，提高其与天线罩间的连接强度，另一方面改善连接环的整体制造性能；同时，大大降低成品价格和成品重量。由于碳纤维复合材料为一次成型，大大缩短了生产周期。

2 碳纤维复合材料在导弹天线罩连接环上的应用

随着碳纤维成本的降低以及复合材料制造技术的发展，碳纤维复合材料的应用领域越来越广泛。由于发达国家对我国实行技术封锁，查不到碳纤维复合材料在国外导弹天线罩连接环中应用的相关资料，国内导弹天线罩连接环采用碳纤维复合材料尚属首例。

鉴于低膨胀合金钢4J36、4J32等在实际应用中的不足，研究并研制出碳纤维复合材料连接环，已成功应用于导弹天线罩上，如图1、图2所示，和原来的低膨胀合金钢连接环比较，具有以下优点： a）它可以减轻消极重量，与同尺寸采用低膨胀合金钢4J36 的连接环相比，重量下降50%以上；

图1 碳纤维复合材料连接环实物样件

图2 天线罩和连接接环总体结构图

b）增强隔热、防热效果，外部防热层热性能（Tg）优于低膨胀合金钢4J36；

c）改善胶接性能，按照胶接强度试验要求进行了胶接强度试验，并与低膨胀合金钢4J36进行对比，具体数据如表4所示。

表4 低膨胀合金钢4J36和碳纤维复合材料胶接强度比较

从表4中的数据可以看出，碳纤维复合材料的胶接强度稍大于低膨胀合金钢4J36的胶接强度；

d）可调节膨胀系数，天线罩材料一般选用石英陶瓷，碳纤维复合材料的膨胀系数可以调节到和石英陶瓷材料相匹配；

e）缩短加工周期，降低加工费用，提高整体制造能力。对某天线罩连接环，采用低膨胀合金钢4J36的价格在15万元以上，从制造周期上讲，低膨胀合金钢连接环从锻打备料后，还需经过十几道工序，最终加工成品重量不到10kg，材料利用率不到20%，且制造周期长，过程难以控制；而采用碳纤维连接环后，价格能降低近2／3，重量减少50%以上。碳纤维复合材料由于一次成型，大大降低了生产周期，为天线罩生产提供了有力的保证。

该碳纤维复合材料连接环采用树脂传递模塑（RTM）成型工艺。RTM 工艺是在一定的温度、压力下，将低粘度的液体树脂注入铺有增强体的模腔中，浸渍，固化成型，可分为增强材料预成型坯料加工和树脂注射固化两个步骤。这两个步骤可分开进行，具有高度灵活性和组合性。RTM工艺一般采用低压注射技术（注射压力不大于0.8 MPa），有利于制备大尺寸、复杂外形、两面光洁的整体结构。

RTM 成型工艺主要工序如下：

a）玻璃纤维布准备（包括上偶联剂、烘干等工序）；

b）配制树脂、固化剂及促进剂，静置或抽真空脱泡；

c）RTM 机组、成型模具准备（包括表面清洁、涂覆脱模剂）；

d）玻璃纤维布裁剪，铺放于阳模之上；

e）合模，并测试模具进出胶口是否通畅；

f）注射树脂，直到树脂充分浸润纤维并充满模具；

g）固化；

h）脱模；

i）切边、打磨；

j）检验。

图3为全罩（含碳纤维连接环）加热试验现场照片。