碳纖維復合材料在艦船鞭天線中的應用及制備＊

（91919部隊 黃岡 438000）

1 引言

碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）是一種新型結構材料，具有比強度高、比剛度高、熱膨脹系數小、優良的導電性和屏蔽電磁波性和可設計性等優點［1～2］。采用CFRP制造的天線具有輕質、高強度、高剛度、耐腐蝕及高精度的特點，能很好地適應艦船復雜使用工況、惡列的海洋氣候環境的要求。

2 CFRP在鞭天線結構中的應用

2.1 CFRP力學性能

碳纖維增強樹脂基復合材料是最具有代表性的先進復合材料之一，CFRP的增強材料可采用M40J、M55J、M60J、T700、T1000碳纖維。增強材料的性能如表1所示。

表1 主要增強材料

制備的碳纖維樹脂基復合材料的比強度、比模量比目前常用的結構材料鋁合金高，高強型碳纖維復合的單向層材料的比強度比鋁合金大3倍，用高模型碳纖維復合的單向層復合材料的比模量比鋁合金大5～7倍。減輕其一點質量，對節能、降低成本等都有十分重要的意義［3～4］。單向碳纖維復合材料與常用金屬材料性能的比較如表2所示。

表2 幾種結構材料性能比較

2.2 CFRP在鞭天線結構上的應用

鞭天線由于其形體為桿狀，體積小，應用十分廣泛。各種地面電臺及車載電臺配用了形式多樣的鞭狀天線，在艦船上也常看到林立的鞭狀天線，有的多達上百付。鞭天線為細長的桿體，而軍艦用天線鞭使用環境復雜，具有下列要求［5］：

1）天線在各種載荷作用下，都具有足夠的強度；

2）天線要有足夠的剛度，即在各種載荷作用下，其結構變形應限制在允許的范圍內；

3）天線的固有頻率要盡量高，以防止與天線支撐系統發生結構諧振；

4）為使天線適應海洋氣候，天線應具有防鹽霧腐蝕的能力；

5）天線所受的風阻力要盡量小。

CFRP突出優點是具有高比強度和比模量，可用來制造強而輕、剛而薄的構件，近年來在航天器結構、天線組件、鞭天線等結構方面得到了廣泛的應用［6～7］。

碳纖維鞭天線桿的制備可采用手糊、纏繞、拉擠、卷制等一種工藝或多種工藝制備，成型工藝靈活。由于碳纖維復合材料性能優異，因此采用碳纖維復合材料制備的天線桿的性能特點如下：

1）碳纖維復合材料天線的質量比鋁合金天線降低50%，機械性能大于等于鋁合金天線；

2）復合材料天線的電性能達到或接近鋁合金的技術指標；

3）碳纖維復合材料天線能夠承受振動、加速度、沖擊、高低溫循環、熱真空等環境試驗的技術指標［8］。

3 CFRP鞭天線的制備

最早的復合材料天線是玻璃纖維增強樹脂基復合材料（GFRP）天線，同金屬天線相比，其重量明顯減輕，耐腐蝕性好。盡管GRP本身不導電，但是通過表面鋪覆金屬層可以達 到 目 的［9，11］。CFRP 和GFRP 相比強度和模量更加優越，制造的天線部件有很多優點。

某型天線鞭長度為10m，其結構外形為錐桿，分為三節，每節之間采用金屬連接件連接，結構體采用碳纖維復合材料制備。天線桿結構如圖1所示。

圖1 天線桿結構

3.1 原材料選擇

增強材料：T700，日本東麗公司；基體樹脂：采用改性環氧樹脂體系WHUT-Esys 208，武漢理工大學材料學院復合材料專業自主開發，基本性能如表3所示。

表3 樹脂澆注體性能

3.2 成型工藝

復合材料天線產品每節采用纏繞工藝制備，制備流程如圖2所示。

圖2 碳纖維復合材料天線制備流程

碳纖維單向復合材料在0°方向性能很高，而橫向（90°）性能較差，因此合理的鋪層對于天線鞭的力學性能非常關鍵。針對天線鞭為細長桿，采用小角度纏繞的方法實現長度方向的高剛度和高強度，滿足使用的機械性能要求。該纏繞鋪層CFRP性能（沿長度方向）如表4所示。

表4 天線桿沿長度方向CFRP機械性能

4 結語

碳纖維復合材料具有優異的機械性能、電性能和耐環境性能，其在鞭天線結構體中的應用必將越來越廣泛。

［1］夏文干，楊潔.高精度碳纖維復合材料天線的研制［J］.高科技纖維與應用，2002（1）：28-34.

［2］李志君，李學成.高精度碳纖維／環氧復合材料天線的研制［J］.工程塑料應用，1999（5）：16-18.

［3］夏文干，楊潔.碳纖維復合材料天線用樹脂基體的應用研究［J］.粘接，2001，22（6）：19-22.

［4］敖遼輝.高精度碳纖維復合材料天線金屬化技術［J］.電訊技術，1999（2）：84-86.

［5］生建友，龔天壽.一種高增益狀天線的結構設計及力學分析［J］.艦船電子工程，2000（1）：56-59.

［6］敖遼輝.碳纖維復合材料在天線上的應用［J］.電訊技術，1998，38（2）：41-45.

［7］霍肖旭，曾曉梅.碳纖維復合材料在固體火箭上的應用［J］.固體火箭發動機復合材料工藝，2000（1）：55-61.

［8］王建昌，安慶升，葉周軍，等.碳纖維復合材料衛星天線的研制［J］.纖維復合材料，2007（1）：18-20.

［9］丁尚宗.高強高模桿狀天線的研制［J］.玻璃鋼／復合材料，2002（5）：25-26.

［10］張明，柳超，張志剛.鞭天線線性陣列方向圖的數值計算［J］.計算機與數字工程，2009，37（7）.

［11］陳耀庭，周明義.碳纖維／聚合物復合材料的導電性及電磁屏蔽性能的研究［J］.塑料科技，1997（6）：4-7.