碳纤维复合材料成型雷达天线框架工艺性能研究

王军 管园园

摘 要：使用碳纤维复合材料制造的雷达天线框架通过了气密试验和水密试验，同时，验证了在以碳纤维复合材料成型复杂、轻量化雷达天线框架时，可以使用二次共固化成型工艺方法，解决了小型雷达天线局部渗水和漏水的问题。这说明二次共固化工艺方法是一种可行的、可靠的工艺方法，可以应用于同类产品的生产加工。

关键词：碳纤维复合材料;雷达天线框架;二次共固化成型工艺

中图分类号：TN820.84文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）22-0052-02

Abstract： The radar antenna frame made of carbon fiber composite material had passed the air tightness test and water tightness test. At the same time， it was verified that the secondary co curing molding process could be used to solve the local water seepage and water leakage problem of small radar antenna frame when carbon fiber composite was used to form complex and lightweight radar antenna frame. This shows that the secondary co curing process is feasible and reliable， and can be applied to the production and processing of similar products.

Keywords： carbon fiber composite material;radar antenna frame;the secondary co-curing process

1 碳纤维复合材料成型雷达天线框架工艺

雷达天线框架可以用于安装固定天线组件、天线罩，承担着密封天线组件、波控机、电源和高频模块的工作。同时，确保雷达天線在工作、运输、展开过程中保持稳定状态。随着技术的不断发展，天线框架向着轻量化、模块化方向发展[1-2]。为了使生产的雷达天线能最大限度地减小体积、减轻重量，在设计、制造天线框架时，研究者采用碳纤维复合材料成型天线框架。该天线框架由外蒙皮、中间层、内蒙皮3层组成。其中内、外蒙皮由碳纤维/环氧树脂基体碳纤维复合材料组成、中间夹层为Nomex蜂窝。碳纤维复合材料是由两种不同性能、不同形态的组分材料通过复合手段组合而成的一种多相材料，环氧树脂是连续的基体相，碳纤维是分散的、被基体包容的增强相。中间层采用Nomex蜂窝的主要目的是提高结构件的弯曲刚度和充分利用材料的强度[3-4]。在成型过程中，研究者采用热压罐法成型，其成型流程为：预浸料下料→铺叠→封装→固化→修边切割。夹层结构复合材料通过一次进热压罐加热加压固化成型为共固化成型，其特点是成型方便、效率高、重量轻，但成型时受芯材的耐压制约，成型压力比较低，比较适合平板或者结构简单的构件。对于结构复杂的构件，通常采用首先在热压罐中加热加压固化成型复合材料蒙皮，再通过胶膜和芯材复合起来，在热压罐中加热加压固化成型夹层结构复合材料，其优点是成型的构件强度较高，由于增加了胶膜而会增加天线重量，但比起金属框架重量要轻得很多。在成型过程中，由于该天线外罩形状复杂，镶件较多，因此，对天线安装、紧固部位平面度要求也较高。在试生产中，部分天线外罩出现了渗水、漏水问题，研究者通过使用二次共固化成型工艺方法，解决了小型雷达天线局部渗水、漏水的问题。

2 试验部分

2.1 试验原料

碳纤维布预浸料，进口;Nomex蜂窝，北京航空材料研究院;中温胶膜，黑龙江石化院;铝镁合金镶件（微弧氧化），自制;爱牢达2015双组份室温固化结构胶，亨斯迈（进口）。

2.2 方案设计

通过观察发现，共固化成型的天线外罩渗漏水部位大多在边角。从外观上可以看出，这些部位表面较为粗糙。有关工艺人员分析认为，由于夹层的Nomex蜂窝耐压较低，成型时采用的压力仅为0.2 MPa，成型压力较小，再加上形状复杂，边角压力传递不足，使固化时基体流动性较差，浸润性不够，从而导致制品蒙皮的致密性较差，因此产生了渗水、漏水现象。根据上述原因，研究者从以下两方面着手解决渗水、漏水问题。

方案一：采用二次共固化成型工艺。原来固化成型时的压力为0.2 MPa，为增加蒙皮的致密性，先加大压力到0.4 MPa后再成型外蒙皮，然后用胶膜将蜂窝芯和镶件与外蒙皮黏结，铺内蒙皮，再进热压罐共固化成型零件。出炉后，用合适黏度的胶液涂刷外蒙皮，然后进行外置镶件黏结，机械加工完成后，进行浸水试验。

方案二：同样采用二次共固化成型工艺。原来固化成型时的压力为0.2 MPa，为增加蒙皮的致密性，先加大压力到0.4 MPa后再成型外蒙皮，同时为了避免外蒙皮的边角处压力传递不到位，通过制作橡胶做角件来传递压力。然后用胶膜将蜂窝芯和镶件与外蒙皮黏结，铺内蒙皮，再进行热压罐共固化成型零件。出炉后，用合适黏度的胶液涂刷外蒙皮，然后进行外置镶件黏结，机械加工完成后，进行浸水试验。

方案三：一次固化成型，用气囊代替现在的铝板作为均压板，按现有产品的成型工艺固化成型零件。出炉后，用适合黏度的胶液涂刷外蒙皮，进行外置镶件黏结，机械加工完成后，进行浸水试验。

3 试验过程及结果

成型1#天线框架时，利用方案一的方法。首先进行工艺可行性试验，不加镶件，增加压力至0.4 MPa，成型出的外蒙皮表面光滑致密，有些边角略有缺陷，内表面稍有基体树脂聚集，修整后不影响蜂窝芯铺覆。但是，由于铝合金模具和碳纤维复合材料的热膨胀系数相差较大，冷却后蒙皮变形，经过铺覆胶膜、Nomex蜂窝、内蒙皮，二次进热压罐成型后，冷却，卸模，制件外表面光滑致密，变形量和以前成型的相当，在型腔内加水放置一昼夜后没有水渗漏出来，故此工艺基本可行。

成型的2#、3#天线框架，在前面操作工艺与方案一方法的相同，不同的地方是，在可能加不上压的镶件周围增加厚度为3 mm的硅橡胶板作为均压板，角上也用橡胶角件加压，成型后可见外表面光滑致密，边角饱满。经过气密和水密试验后，均无漏气和漏水现象发生。

按第二套工艺方法再试制一件，同样能满足设计要求。

成型的4#天线框架按方案三的工艺方法成型制件，但加上镶件，成型后发现一些镶件周围出现缺胶现象，里面放水后发现漏水。经分析认为这些镶件厚度相对于蒙皮较大，成型时真空袋容易架起来，致使压力加不上。对其进行气密和水密试验后，均发生渗漏，因此，该工艺方法不可性。

具体的天线框架水密试验渗漏结果如表1所示。

4 结果与讨论

从以上试验结果可知，成型压力的大小、传递是影响碳纤维天线框架成型質量的关键因素，因此，研究者从这两方面着手解决天线框架表面外观质量、成型后渗水的问题。用方案一成型，铺层相对容易，镶件定位较以前准确，外蒙皮密实，防水效果优于以前。但由于是2次成型，故增加了一层胶膜，零件重量将增加0.4～0.5 kg，而且由于蒙皮成型后碳纤维复合材料和铝合金模具的热膨胀系数不一样，会产生变形。采用方案二成型，不会增加零件重量，而且该工艺制作的零件无明显变形。但由于成型零件铺层难度大，且边角处的压力可能传递不到外蒙皮，会影响密封性能;同时，由于硅橡胶均压板引入，增加了一道工序，效率有所下降。

5 结语

碳纤维复合材料成型复杂、轻量化雷达天线框架时，由于结构、设计的原因，在拐角处、嵌件黏结处，常常受力不到位，从而导致表面美观度差，出现渗水问题。通过选择二次共固化成型的工艺方法，在压力传导不到位的地方加入弹性硅橡胶均压板，解决天线框架局部表面粗糙美观度差、渗水的问题。可见二次化成型工艺是一个可靠、可行的雷达天线框架成型方法。

参考文献：

[1]何文治.复合材料设计手册[M].北京：航空工业出版社，1990.

[2]沃丁柱.复合材料大全[M].北京：化学工业出版社，2000.

[3]夏文干.胶接手册[M].北京：国防工业出版社，1989.

[4]李子东.现代胶粘剂技术手册[M].北京：新时代出版社，2002.