深空探測天線用復合材料底座制造技術

摘 要 闡述了深空探測天線用復合材料支座成型技術，對成型工藝方案、模具材料選取，模具方案設計、鋪放剪口進行優化設計等進行了研究，并對芳綸復合材料與鋁合金材料進了膠接剪切驗證。結果表明：采用芳綸預浸布鋪放、金屬對模整體成型方案，能夠滿足設計要求，產品具有優異的外觀質量、尺寸精度以及力學性能。支座內部無分層等缺陷，纖維體積含量控制在（60±3%），產品安裝面平面度優于0.2 mm，壁厚、角度、孔徑均滿足設計要求，目前已經隨整機通過了地面振動、高低溫等試驗考核。

關鍵詞 深空探測；復合材料；天線；金屬對模

Manufacturing Technology of Composite Base for Deep Space Exploration Antenna

WANG Ziqiao， Zhou Xiuyan， Li Jinru， Yu Bo， Zhu Nan， Liu Jiaqiu，Kuang Naihang， Wang Wei

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT The manufacturing technology of composite base for deep space exploration antenna was described here. Furthermore， the molding process scheme， mold material selection， mold scheme design， and laying shear were researched and optimized. Moreover， the gluing and shearing of the aramid composite to the aluminium alloy were also verified. The results showed that the overall molding strategy of using aramid prepreg laying and matched metal mold could meet the design requirements. The obtained products showed excellent appearance quality， dimensional accuracy， and mechanical properties. No defects such as delamination were detected inside the bearing. The fiber volume content was controlled at around 60±3%. The product mounting surface flatness was better than 0.2 mm. Both the wall thickness， angle and hole diameter met the design requirements. At present， it has passed the examination of ground vibration， high and low temperature tests and so on with the whole machine.

KEYWORDS deep space exploration; composite materials; antenna; matched metal molding

1 引言

隨著我國航天領域的進一步發展，航天器的輕量化需求日趨增加，對探測器、衛星等有效載荷都提出了新的要求，包括重量、尺寸穩定性、環境適用性等［1-5］。支架底座類屬于典型結構，在很多位置均有應用，包括發動機支架、伸展機構底座等等，通常一側安裝在衛星上，一側提供星敏、太敏精密設備的安裝基礎。復合材料由于其輕質高強、可設計性等特點，在各種航天器中均有大量應用，復合材料產品也越來越多的替代金屬材質支架，可以很大程度上提高結構效率［6-10］。本文針對深空探測復合材料支架，根據其產品的技術指標，從模具設計、鋪層設計等環節進行分析，制定成型方案，綜合采用芳綸預浸料成型、金屬對模加壓工藝用于滿足外表面高精度型面，通過實物尺寸、探傷檢測，符合設計要求，對后續結構有一定的借鑒和指導意義。

2 工藝設計

2.1 產品結構特點及難點

復合材料支座外形尺寸為260×130×200 mm，產品結構為敞開式一體法蘭支座，采用芳綸復合材料，整體設計厚度1.6 mm，法蘭厚度3 mm，并設計厚度過渡區位置，底部法蘭與整體支座呈現較大傾斜角度。

主要技術指標：

1）外觀：表面無機械損傷及缺陷，表面平整光滑。

2）設備安裝面平面度≤0.2 mm，角度偏差≤0.2°，孔距滿足≤0.1 mm。

3）產品成型內部質量滿足GJB2895—1997 B級要求。

4）纖維體積含量滿足（60±3）%，要求壁厚均勻。

2.2 成型方案確定

復合材料工藝一般有真空袋壓工藝、熱壓罐工藝、模壓工藝，通過對復合材料支座結構以及技術條件分析，要求型面平整光滑，壁厚均勻，一般真空袋壓法適用于壁厚薄的產品，熱壓罐工藝一般貼袋面表面較為粗糙，光潔度不夠，并且成本較高，所以采用預浸料鋪放、金屬模壓工藝進行成型。

本次試驗中芳綸纖維的密度為1.44 g/cm3，樹脂固化后的密度為1.24 g/cm3。

根據底座的結構特點，指標要求以及工藝難點，選用的預浸布鋪放-金屬對模成型工藝技術。設計組合氏的陰陽模具，模具表面擦拭多遍脫模劑，鋪放時采用合理的斷開方式，錯層鋪放，并經過多次預壓排除預浸料層間的空氣，最后固化成型。

2.3 原材料

樹脂：三官能度環氧樹脂體系；增強體：芳綸布，美國杜邦。

預浸料：自制；單層厚度0.07 mm，織物樹脂含量38±2 g/m2。

2.4 模具材料

復合材料的模具一般選用金屬，常用的金屬模具材料有鋁合金、45#鋼、復合材料模具等，45#鋼具有熱膨脹系數小、剛度高、加工精度高的特點，但是加工周期較長，重量較重，鋁合金熱膨脹系數大、加工周期短，但是剛度較小，加壓易變形。復合材料模具成型周期長，加工難度大，成本高、精度高，適用于精度有較高要求復合材料制品，并且多數采用真空袋壓-熱壓罐工藝。INVAR合金成本高，加工難度大，通常在航空領域應用較廣。

通過對產品成型質量、工藝適用性、加工周期及經濟性考慮，采用45#鋼材料進行模具的陰陽模加工。

2.5 模具方案設計

復合材料支座屬于敞開式一體法蘭支座，分為六個型面，為了保證各個型面都能有均勻的壓力，采用金屬組合式模具方案，金屬組合式模具采用螺栓、銷釘連接，模具外表面設計加強肋增加剛度，金屬組合式模具的外模在六個分型面進行拆分，保證拆卸順利，并設計吊裝孔及螺栓。金屬內模設計一定的拔模角，并根據軟件進行拔模運動仿真，設計合理的分型面，保證金屬內模能夠按照設計角度垂直脫出，并考慮溢膠口等。

2.6 鋪層設計及分析

采用芳綸平紋布鋪放，復合材料鋪放時采用人工打剪口、鋪放對接的原則，由于復合材料底座結構復雜并一體成型，傳統的復合材料鋪放只能通過將預浸布放置在模具表面進行試鋪放，并根據產品型面拐角等位置進行鋪放，工藝一致性較差，該復合材料底座通過將軟件對其進行工藝仿真分析，提前將可能存在不可展開的區域提前預判，下料后進行鋪放。通過圖1可以看出，纖維布通過面-面轉角位置會造成纖維拉扯變形，超過極限后，就會出現不可展的情況，必須通過打一字剪口、V型剪口、M型剪口等方式進行芳綸布的鋪敷，如圖2所示，通過圖2可以看到纖維布通過打完M剪口后褶皺情況明顯改善，但是打完剪口后需要重新裁切料塊進行鋪敷，并且搭界處理，搭界寬度約5-10 mm，拼接處采用變截面設計，避免局部缺陷及應力集中。

2.7 裝配粘接強度驗證

復合材料底座內部需要粘接鋁合金、芳綸復合材料角片，并制備了隨爐試片。鋁合金采用磷酸陽極化處理，芳綸表面打磨處理。按照膠接間隙0.1-0.2 mm進行粘接。按照GB/T 7124-2008進行測試膠接強度。

如表1和表2所示，經過結構膠粘接后，金屬-金屬剪切強度滿足不小于25 MPa，芳綸-芳綸剪切強度不小于10 MPa。

3 產品性能

3.1 外觀

復合材料支座本體脫模后，內外型面光滑、無褶皺、壁厚均勻、無貧膠等區域。

3.2 無損探傷

經過超聲波無損探傷后，結果表明復合材料支座未出現疏松、分層等缺陷，滿足GJB 2895-1997探傷規范（參照）。芳綸-芳綸與芳綸-鋁合金金屬件粘接位置無疏松、氣泡等。

3.3 尺寸精度

經檢測，復合材料底座各項尺寸精度符合設計要求，其中壁厚滿足3±0.3 mm，角度滿足35±0.2°，平面度滿足0.2 mm以內。

3.4 試驗情況

復合材料底座已經順利通過力學振動等試驗工況，實測基頻＞80Hz，X、Y、Z三個方向在18 g的條件下，其變形滿足要求，并通過了高低溫等環境試驗考核要求。

4 結論

針對深空探測用復合材料底座，開展了成型工藝方面的研究，針對性制定了合理的工藝方案，模具方案、鋪層工藝方案等，完成了實物的研制，保證了產品的外觀型面以及內部質量、尺寸精度等性能指標。其主要的技術特點體現在以下幾方面：

（1）通過組合式陰陽模具，并通過合理的熱膨脹率對模具進行計算補償，可以保證產品的外觀以及形位精度。

（2）通過對其進行工藝仿真分析，并通過多種合理的剪口設計，可以有效的避免織物在鋪放過程中工藝一致性較差的問題，能夠將可能存在不可展開的區域提前預判，提高產品鋪放過程的一致性。

（3）通過打磨處理，可以實現芳綸/芳綸材料粘接強度滿足設計要求。

參 考 文 獻

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通訊作者：王梓橋，碩士，工程師。研究方向為復合材料工藝。E-mail：hit_wzq@126.com