碳纖維復合材料成型雷達天線框架工藝性能研究

王軍 管園園

摘 要：使用碳纖維復合材料制造的雷達天線框架通過了氣密試驗和水密試驗，同時，驗證了在以碳纖維復合材料成型復雜、輕量化雷達天線框架時，可以使用二次共固化成型工藝方法，解決了小型雷達天線局部滲水和漏水的問題。這說明二次共固化工藝方法是一種可行的、可靠的工藝方法，可以應用于同類產品的生產加工。

關鍵詞：碳纖維復合材料;雷達天線框架;二次共固化成型工藝

中圖分類號：TN820.84文獻標識碼：A文章編號：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 碳纖維復合材料成型雷達天線框架工藝

雷達天線框架可以用于安裝固定天線組件、天線罩，承擔著密封天線組件、波控機、電源和高頻模塊的工作。同時，確保雷達天線在工作、運輸、展開過程中保持穩定狀態。隨著技術的不斷發展，天線框架向著輕量化、模塊化方向發展[1-2]。為了使生產的雷達天線能最大限度地減小體積、減輕重量，在設計、制造天線框架時，研究者采用碳纖維復合材料成型天線框架。該天線框架由外蒙皮、中間層、內蒙皮3層組成。其中內、外蒙皮由碳纖維/環氧樹脂基體碳纖維復合材料組成、中間夾層為Nomex蜂窩。碳纖維復合材料是由兩種不同性能、不同形態的組分材料通過復合手段組合而成的一種多相材料，環氧樹脂是連續的基體相，碳纖維是分散的、被基體包容的增強相。中間層采用Nomex蜂窩的主要目的是提高結構件的彎曲剛度和充分利用材料的強度[3-4]。在成型過程中，研究者采用熱壓罐法成型，其成型流程為：預浸料下料→鋪疊→封裝→固化→修邊切割。夾層結構復合材料通過一次進熱壓罐加熱加壓固化成型為共固化成型，其特點是成型方便、效率高、重量輕，但成型時受芯材的耐壓制約，成型壓力比較低，比較適合平板或者結構簡單的構件。對于結構復雜的構件，通常采用首先在熱壓罐中加熱加壓固化成型復合材料蒙皮，再通過膠膜和芯材復合起來，在熱壓罐中加熱加壓固化成型夾層結構復合材料，其優點是成型的構件強度較高，由于增加了膠膜而會增加天線重量，但比起金屬框架重量要輕得很多。在成型過程中，由于該天線外罩形狀復雜，鑲件較多，因此，對天線安裝、緊固部位平面度要求也較高。在試生產中，部分天線外罩出現了滲水、漏水問題，研究者通過使用二次共固化成型工藝方法，解決了小型雷達天線局部滲水、漏水的問題。

2 試驗部分

2.1 試驗原料

碳纖維布預浸料，進口;Nomex蜂窩，北京航空材料研究院;中溫膠膜，黑龍江石化院;鋁鎂合金鑲件（微弧氧化），自制;愛牢達2015雙組份室溫固化結構膠，亨斯邁（進口）。

2.2 方案設計

通過觀察發現，共固化成型的天線外罩滲漏水部位大多在邊角。從外觀上可以看出，這些部位表面較為粗糙。有關工藝人員分析認為，由于夾層的Nomex蜂窩耐壓較低，成型時采用的壓力僅為0.2 MPa，成型壓力較小，再加上形狀復雜，邊角壓力傳遞不足，使固化時基體流動性較差，浸潤性不夠，從而導致制品蒙皮的致密性較差，因此產生了滲水、漏水現象。根據上述原因，研究者從以下兩方面著手解決滲水、漏水問題。

方案一：采用二次共固化成型工藝。原來固化成型時的壓力為0.2 MPa，為增加蒙皮的致密性，先加大壓力到0.4 MPa后再成型外蒙皮，然后用膠膜將蜂窩芯和鑲件與外蒙皮黏結，鋪內蒙皮，再進熱壓罐共固化成型零件。出爐后，用合適黏度的膠液涂刷外蒙皮，然后進行外置鑲件黏結，機械加工完成后，進行浸水試驗。

方案二：同樣采用二次共固化成型工藝。原來固化成型時的壓力為0.2 MPa，為增加蒙皮的致密性，先加大壓力到0.4 MPa后再成型外蒙皮，同時為了避免外蒙皮的邊角處壓力傳遞不到位，通過制作橡膠做角件來傳遞壓力。然后用膠膜將蜂窩芯和鑲件與外蒙皮黏結，鋪內蒙皮，再進行熱壓罐共固化成型零件。出爐后，用合適黏度的膠液涂刷外蒙皮，然后進行外置鑲件黏結，機械加工完成后，進行浸水試驗。

方案三：一次固化成型，用氣囊代替現在的鋁板作為均壓板，按現有產品的成型工藝固化成型零件。出爐后，用適合黏度的膠液涂刷外蒙皮，進行外置鑲件黏結，機械加工完成后，進行浸水試驗。

3 試驗過程及結果

成型1#天線框架時，利用方案一的方法。首先進行工藝可行性試驗，不加鑲件，增加壓力至0.4 MPa，成型出的外蒙皮表面光滑致密，有些邊角略有缺陷，內表面稍有基體樹脂聚集，修整后不影響蜂窩芯鋪覆。但是，由于鋁合金模具和碳纖維復合材料的熱膨脹系數相差較大，冷卻后蒙皮變形，經過鋪覆膠膜、Nomex蜂窩、內蒙皮，二次進熱壓罐成型后，冷卻，卸模，制件外表面光滑致密，變形量和以前成型的相當，在型腔內加水放置一晝夜后沒有水滲漏出來，故此工藝基本可行。

成型的2#、3#天線框架，在前面操作工藝與方案一方法的相同，不同的地方是，在可能加不上壓的鑲件周圍增加厚度為3 mm的硅橡膠板作為均壓板，角上也用橡膠角件加壓，成型后可見外表面光滑致密，邊角飽滿。經過氣密和水密試驗后，均無漏氣和漏水現象發生。

按第二套工藝方法再試制一件，同樣能滿足設計要求。

成型的4#天線框架按方案三的工藝方法成型制件，但加上鑲件，成型后發現一些鑲件周圍出現缺膠現象，里面放水后發現漏水。經分析認為這些鑲件厚度相對于蒙皮較大，成型時真空袋容易架起來，致使壓力加不上。對其進行氣密和水密試驗后，均發生滲漏，因此，該工藝方法不可性。

具體的天線框架水密試驗滲漏結果如表1所示。

4 結果與討論

從以上試驗結果可知，成型壓力的大小、傳遞是影響碳纖維天線框架成型質量的關鍵因素，因此，研究者從這兩方面著手解決天線框架表面外觀質量、成型后滲水的問題。用方案一成型，鋪層相對容易，鑲件定位較以前準確，外蒙皮密實，防水效果優于以前。但由于是2次成型，故增加了一層膠膜，零件重量將增加0.4～0.5 kg，而且由于蒙皮成型后碳纖維復合材料和鋁合金模具的熱膨脹系數不一樣，會產生變形。采用方案二成型，不會增加零件重量，而且該工藝制作的零件無明顯變形。但由于成型零件鋪層難度大，且邊角處的壓力可能傳遞不到外蒙皮，會影響密封性能;同時，由于硅橡膠均壓板引入，增加了一道工序，效率有所下降。

5 結語

碳纖維復合材料成型復雜、輕量化雷達天線框架時，由于結構、設計的原因，在拐角處、嵌件黏結處，常常受力不到位，從而導致表面美觀度差，出現滲水問題。通過選擇二次共固化成型的工藝方法，在壓力傳導不到位的地方加入彈性硅橡膠均壓板，解決天線框架局部表面粗糙美觀度差、滲水的問題。可見二次化成型工藝是一個可靠、可行的雷達天線框架成型方法。

參考文獻：

[1]何文治.復合材料設計手冊[M].北京：航空工業出版社，1990.

[2]沃丁柱.復合材料大全[M].北京：化學工業出版社，2000.

[3]夏文干.膠接手冊[M].北京：國防工業出版社，1989.

[4]李子東.現代膠粘劑技術手冊[M].北京：新時代出版社，2002.