高精度碳纤维复合材料天线反射面的制备

高精度碳纤维复合材料天线反射面的制备

刘盈斌

简述了碳纤维复合材料的优异性能，并对高精度CFRP制备天线反射面的技术要点予以论述并加以改良，采用高精度球墨铸铁模具，蜂窝夹层结构，中温固化蒙皮与室温合型相结合，铺层设计和金属层转移技术，制备出700mm×1200mm，最高精度达0.0181mm(RMS)的高精度、蜂窝夹层结构碳纤维天线反射面。

近些年新型天线逐渐向着轻量化、高精度、高性能等方向发展。碳纤维复合材料（CFRP）具有重量轻、比强度和比刚度高、高尺寸精度、低膨胀系数、耐高温、耐腐蚀等优点，越来越受到天线专家们的重视。国外的CFRP天线反射体品种较多，精度（均方根误差RMS，下同）已达微米级，国内从20世纪90年代起陆续开展CFRP反射体的研究，目前最高精度达到0.031mm。

某大型天线由多块700mm×1200mm左右的小型面板组成，由于工作频段较高，为满足电气性能而对反射面的精度提出了苛刻的要求，单块面板精度要求达0.05mm以下，按照以往经验，如此大尺寸的CFRP面板精度基本可以保持在0.09mm左右，要使每块面板精度都要达到0.05mm以下很难做到。

反射面结构及技术指标

以CFRP制造天线反射面可采用三种结构形式，即板状结构和背架、夹层结构、夹层结构和简易背架。不论采用什么结构方式，都是以保证天线型面精度为目的，满足使用环境所要求的强度、刚度等为前提的。国内外现有研究和生产表明，CFRP天线反射面除了很小尺寸的用板状外，几乎都用夹层结构。夹层结构面板的特点是质轻、刚性好、有较好的抵御应力变形的能力，是保障天线型面精度的较佳结构。我们研制的CFRP反射面尺寸适中，直接采用带预埋块的夹层结构就能满足天线刚度要求，铝蜂窝芯材的剪切强度与剪切模量较高，制备简单，价格低廉，综合考虑选用5052铝蜂窝芯材作为夹层芯材，蜂窝边长选为4mm。

技术指标为：尺寸约为30mm×700mm ×1200mm，反射面金属化处理，型面精度小于0.05mm，质量较铝质天线轻50%以上。

CFRP天线反射面制备关键技术

根据经验，在高精度CFRP天线反射面的制造过程中，除了天线结构外影响天线反射面精度的因素很多，主要有：天线面模具材料的选择以及模具设计与加工；表面金属化；反射面的铺层设计；固化工艺方式及参数选择。

模具。制备高精度CFRP天线反射面必需要有结构合理的高精度模具。模具材料的选择十分重要，综合考虑材料成本和加工费用，模具材料采用线胀系数较低的球墨铸铁，模具设计应有足够的刚度，以保证型面精度的稳定性；壁厚均匀，尽可能具有较小的热容量；模具结构上设有测量、铺层基准等；模具型面精度误差小于天线面精度要求的1/3；模具具有较高的气密性要求。我们模具加工是通过精确编程后在数控铣床上完成的，制得的模具型面精度为0.015mm。

表面金属化。CFRP的表面金属化方法较多。我们所研制的天线面板尺寸大、不易采用化学与电化学镀，真空离子溅射又没有大尺寸的溅射设备，直接进行金属喷涂附着力与表面精度无法保证，因此采用了比较优越的金属转移法，它的优点是设备简单，不受零件形状和尺寸的限制，克服了直接金属喷涂法所固有的金属层与复合材料间的结合力较小、表面粗糙、精度差、随机性大等缺点，形面金属层的光洁度由模具成型面保证，天线反射面的金属层与复合材料靠胶粘剂胶结，结合强度高，其工艺过程对天线形面精度无不良影响因素，是目前非常理想的CFRP天线表面金属化技术。

铺层。碳纤维与树脂基本性能差异很大，纤维具有各向异性。而热固性树脂在固化过程中收缩较大，所以合理的铺层设计是取得较佳强度及较高精度的关键之一。根据经验，采用碳纤维斜纹预浸料具有材料延展性较好，铺覆工艺简单好操作，而且翻边及拐角处也易于铺覆，保证性能的同时又大大提高了生产效率。铺层设计为内蒙皮1K/3K×4共五层，第一层采用1K斜纹布紧贴喷完金属层的模具上，再贴4层3K斜纹布，外蒙皮为3K×5共五层斜纹预浸料。在预浸料铺覆时可拼接尽量不搭接，相邻两层要岔开接缝，应设置基准点，注意均匀对称。每层预浸料都必须压实，原则上每铺2~3层预浸料抽真空一次，以减少孔隙率，提高产品致密度。

固化体系及参数。在高精度天线成型过程中，树脂的固化温度要低以减小成型热应力变形。一来为保证天线面强度，制备蒙皮时采用性能优良中温固化的环氧树脂以达到蒙皮碳纤维体积含量高，层间结合力好，孔隙率低，强度高等优点，二来为保证天线面板精度合型时采用性能优良室温固化的环氧树脂体系以保障在较低温度合型时模具较小的变形量。

蒙皮固化参数为：全程抽真空0.095~0.098±0.003MPa，升温速度1℃/ min，升温至80℃±5℃加压0.4MPa，保温30min，继续升温至125℃±5℃时，恒温2.0h，降温速度1℃/min至60℃以下卸压；合型固化参数为：全程抽真空0.095~0.098±0.003MPa，升温速度1℃/min，升温至60℃±5℃加压0.4±0.03MPa，保温5.5h，卸压。

CFRP天线反射面性能

小批量试制面板20块，面板厚度：30±0.2mm，单块重量：5.087Kg，经三坐标机检测面板精度，可知18块面板都在0.05以内，最高精度达0.0181已近接近模具精度；大部分面板精度集中在0.025~0.04之间，已达国内领先水平；仅两块略有超差最差为0.0533。总体看来符合复合材料模具精度与制件精度3倍关系的经验值。

通过对上述关键技术改良与控制，最终研制出表面金属化的高精度、蜂窝夹层式CFRP天线面，型面精度最高达0.0181mm，小批量生产基本可保证精度达0.05mm以内符合模具与制件精度3倍关系的经验，质量为5.087kg，较铝质天线轻50%以上。此工艺制备高精度CFRP天线反射面性能优异，重复性好，具有广阔的应用前景。

（作者单位：中电39所）