芳綸纖維復合材料及其在衛星通訊技術中的應用

張靜

摘 要：簡要介紹了芳綸纖維的性能特點和主要品種，論述了芳綸纖維復合材料在雷達天線罩、雙柵天線反射器、頻率選擇反射器、天線支撐結構件等衛星通訊技術領域的應用情況，并分析了芳綸纖維復合材料在應用中存在的一些技術問題。

關鍵詞：芳綸纖維；復合材料；衛星通訊

以碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維、硼纖維為代表的高性能纖維增強樹脂基復合材料在航空航天領域日益受到青睞。先進復合材料的用量已經成為航空航天技術的先進性標志之一。近些年來，隨著衛星通訊技術的高速發展，天線類設備在精度及穩定性的提高和重量控制等方面提出了更高的要求，而材料的選用對這些性能的影響至關重要。因此先進復合材料已成為制造高性能天線設備的最佳選擇。

芳綸纖維復合材料具有優異的力學性能、耐老化性能、電絕緣性能以及較低的介電常數和線膨脹系數，在衛星通訊技術領域中應用前景廣闊。如雷達天線罩，雙柵天線反射器、頻率選擇反射器、天線支撐結構件等方面已得到了廣泛的應用。

1 芳綸纖維的性能特點

芳綸纖維是芳香聚酰胺纖維的簡稱，它是以芳香族化合物為原料經低溫縮聚紡絲制成的一類新型合成纖維。芳香聚酰胺的分子鏈具有良好的規整性，因而芳綸纖維具有高度的結晶性。由于連接酰胺基的是芳香環或芳香環的衍生物，使得高聚物分子鏈柔性減小而剛性增加。這種剛性的集聚狀分子鏈，在纖維軸向是高度定向的，分子鏈上的氫原子將和其它分子鏈上的羰基結合成氫鍵，形成高聚物分子間的橫向聯結，分子間排列十分緊密，在單位體積內可容納很多聚合物分子，從而使纖維具有很高的模量和強度。此外，由于苯環結構環內電子的共軛作用，使纖維具有化學穩定性，又由于苯環結構的剛性，使高聚物具有晶體的本質，因而，芳綸纖維高溫狀態下具有良好的尺寸穩定性[ 1 ]。這些優異的性能使其能夠應用于航空航天結構件中，并且成為高性能復合材料中用量僅次于碳纖維的另一種新型材料。

2 芳綸纖維的品種

芳綸纖維首次商品化是在1972年，定名為Kevlar。1974年由美國貿易聯合會命名為“Aramid fibers”，在我國通稱芳綸。芳綸纖維有兩類[ 2 ]：全芳綸和雜環芳綸。

目前在復合材料中得到普遍應用的主要是全芳綸，根據其高聚物的結構形式和性能特點分為兩種：聚對苯二甲酰對苯二胺和聚對苯甲酰胺纖維（對位芳綸）、聚間苯二甲酰間苯二胺和聚間苯甲酰胺纖維（間位芳綸）。對位芳綸主要的生產商是美國杜邦公司，其商品有通用型Kevlar29、低彈性模量型Kevlar119、高強度型Kevlar129、高彈性模量低吸水型Kevlar149、高彈性模量型Kevlar49。除此之外，國外同類纖維還有荷蘭恩卡公司的Twaron、前蘇聯的Apmoc和CBM、日本帝人的Technora。我國也在1981年通過了芳綸14的鑒定，1985年又通過了芳綸1414 的鑒定，他們分別相當于美國杜邦公司的Kevlar29和Kevlar49。目前商品化的間位芳綸較少，主要的產品有美國杜邦公司的Nomex、日本帝人的Conex、俄羅斯的Fenelon、中國的芳綸1313。各國芳綸纖維的性能比較見表1[ 3-4 ]。

3 芳綸纖維復合材料在衛星通訊技術中的應用

3.1 雷達天線罩

雷達天線罩從使用角度來講，具有功能件和結構件的雙重作用，其材料要求具有優異的力學性能、較低的介電損耗和比重等要求。以往的雷達天線罩主要采用玻璃鋼層壓板及玻璃鋼蜂窩夾層結構。地面使用的小型雷達天線罩多采用玻璃鋼層壓結構，而大型的雷達天線罩在減輕結構重量的同時為了滿足力學性能要求，則是較多地采用了玻璃鋼蜂窩夾層結構。

自芳綸纖維問世以來，國內外均開展了用芳綸及其織物增強樹脂基復合材料研制雷達罩的工作[ 5 ]。如美國賽斯納飛機公司的“獎狀”飛機的雷達罩，加拿大飛機制造公司的“挑戰者”飛機雷達罩，都是用Kevlar 纖維增強樹脂復合材料制造。

3.2 雙柵天線反射器

雙柵天線由兩組饋源與兩個反射面組成，其柵網前反射面有兩個作用：作為一個反射面，反射極化與其柵條方向平行的波；另一作用則是透過垂直于柵條方向的波。因此，芳綸纖維增強樹脂基復合材料成為制造柵網前反射面的首選材料。其制造工藝的關鍵技術難點在于復合材料介質上金屬柵條的成型和反射面型面精度的控制。

美國勞拉公司采用銅絲鋪設成型雙柵反射器，日本三菱公司采用CAD輔助修型和柵網膜粘接成型雙柵反射器，法宇航采用薄膜腐蝕柵條粘接成型雙柵反射器，阿爾卡特公司采用金屬鍍膜化銑法成型雙柵反射器，德國原MBB公司采用真空鍍膜和激光刻蝕法成型雙柵反射器，這些方法成型雙柵反射器型面精度RMS在0.2-0.4 mm內。

國內也開展了該技術研究。由中國航天科技集團公司第五研究院西安分院設計、中航飛機西安飛機分公司復合材料廠承制的“委星1號”、“鑫諾6號”通信衛星分別于2008年10月和2010年9月在西昌衛星發射中心發射成功。這兩顆衛星上裝有口徑分別為1.6米和1.4米的雙柵天線柵網前反射面也是采用了芳綸纖維復合材料蜂窩夾層結構，其鋪層結構如圖1所示，金屬柵條鋪設在內蒙皮的兩層芳綸預浸布之間。制造過程中采用了銅絲鋪設粘接成型法，并通過特殊的固化工藝，研制的雙柵天線反射器組合后型面精度RMS為0.40mm，達到了國際先進水平。

3.3 頻率選擇反射器

頻率選擇反射面（ Frequency Selecting Surface， 簡稱FSS）是一種具有特殊性質的周期性金屬圖案的介質板，它可以在一定頻段上全透過電磁波， 而在另一頻段上全反射電磁波[ 6 ]，其結構如圖2所示。

美國的跟蹤與數據中繼衛星（TDRSS）系統雙頻反射面跟蹤天線是一個典型的應用實例。該天線由一個大型網狀主反射面和一個具有雙色性（即具有頻率選擇性）的副反射面以及分別處于副反射面兩邊的Ku波段和S波段的饋源構成。頻率選擇反射面雷達罩在美國已投入工程應用，先是應用于導彈，后又應用于飛機上。美國輕型噴氣運輸機C-140和第四代戰斗機F- 22都使用了這種機頭雷達罩。歐洲空間局（ ESA）1986年成功研制了口徑1.1m、重4.5Kg的蜂窩夾層結構頻率選擇副反射器，用于為衛星通訊和數據傳輸。

中航飛機西安飛機分公司復合材料廠承制的F衛星自適應調零天線也應用了頻率選擇副反射器，是采用Kevlar49-120芳綸纖維預浸料蒙皮-Nomex蜂窩芯夾層結構，并通過真空鍍膜技術在反射面上形成一層鋁膜，再進行激光刻蝕，得到特定排布要求的金屬陣列。T衛星上使用的頻率選擇副反射器則是在芳綸纖維預浸料蒙皮-Nomex蜂窩芯夾層結構反射面上粘貼覆銅聚酰亞胺薄膜，從而實現反射面表面金屬化，但這種方法得到的金屬陣列精度相對較低。

3.4 天線支撐結構件

芳綸纖維復合材料具有優異的比強度、比剛度以及熱穩定性，可用于制造天線工程中的結構件。同時，芳綸纖維復合材料為絕緣、透波材料，作為結構件使用時比碳纖維復合材料更為有利。

我國的F、T等多個衛星中均使用了芳綸纖維復合材料結構件，如副反射器支撐桿、反射器連接環、反射面支撐、饋源支撐等。

由于芳綸纖維質地柔軟，具有良好的抗沖擊韌性和耐磨性能，可用普通的紡織機加工成各種織物。另外，在輕型構架天線中，芳綸纖維也可與其他的高性能纖維進行混雜，充分發揮各種纖維的優勢，克服缺點，達到最佳性能。如芳綸纖維可用于對碳纖維織物進行法向縫紉增強，以達到改善碳纖維抗沖擊韌性的目的。

4 結語

由于芳綸纖維復合材料具有優異的比強度、比剛度、耐老化性能、電絕緣性能以及較低的介電損耗和線膨脹系數等優點，在衛星通訊技術領域具有重要的應用前景。但是在進一步擴大其應用的過程中，有幾個亟待解決的關鍵技術問題。

首先，與國外同種類型芳綸纖維相比，國產芳綸纖維的性能仍存在一些差距，且規格較少，可供設計選擇的余地很小。其次，芳綸纖維表面黏附性及浸潤性很差，不能與樹脂形成穩固的界面相，導致芳綸纖維樹脂基復合材料具有較低的層間剪切強度，受到載荷時易發生分層。再次，芳綸纖維復合材料的硬度低、韌性好、層間結合力差，導致其構件機械加工性能差，使用普通機床進行邊緣切割或制孔時，若選用的刀具或加工參數不合適，會使切割邊出現分層、拉毛、燒焦等缺陷[ 7 ]。

為了加速推進芳綸纖維復合材料在衛星通訊技術領域的應用進程，在盡快解決上述三項關鍵技術問題的同時，材料開發機構還應進一步擴大與航空航天等工業單位的合作，加快實驗結果向實際生產的轉化。

參考文獻：

[1] 沃西源，涂彬，夏英偉.芳綸纖維及其復合材料性能與應用研究[J].航天返回與遙感，2005，26（2）：51

[2] 廖子龍.芳綸及其復合材料在航空結構中的應用[J].高科技纖維與應用，2008，33（4）：25.

[3] 孔慶寶.芳綸纖維復合材料的進展[J].纖維復合材料，1990（1）： 8.

[4] 陳平，蔡金剛.芳綸纖維及其織物復合材料在電子電氣領域中的應用[J].纖維復合材料，1994（4）： 48.

[5] 趙稼祥.美國Kevlar布性能測試分析[J].纖維復合材料，1994（2）：32.

[6] 方芳.頻率選擇表面天線副反射面研制[J].電子機械工程，2009，25（5）：41.

[7] 張菊霞，田衛.碳纖維、芳綸纖維、蜂窩芯零件數控加工刀具的選擇[J].復合材料切削加工，2010，15：73.