碳纤维复合材料C波段天线反射面技术与工艺

前 言

碳纤维复合材料是一种新型结构材料，与金属材料相比具有较高的比强度、比刚度、热膨胀系数小、阻尼性能好等优点，且可按制件在不同方位受力大小进行铺层设计，工艺上可以整体成型，减少零件数目，因此近年来在航天器上得到日益广泛的应用。天线是任何卫星都不可缺少的星载设备。天线移种分类方法，按天线形状分类，通常可分为线天线、喇叭天线、反射面天线和阵列天线等。无论是哪种类型的天线，由于其反射面的曲面精度和尺寸稳定性会直接影响天线的增益，因此天线反射面研制过程中一个重要任务是如何来保证反射面的型面精度和尺寸稳定性。本文以我单位研制的C波段天线反射面为例，分别从制造工艺过程、材料选择及特性试验、铺层分析、成型模具设计、固化成型工艺参数选择和产品质量控制等内容进行分析，为确保天线反射面研制质量奠定基础。本研究成果已用于某通信卫星抛物面天线中，经受多次飞行试验考验，取得满意的结果。

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1. C波段天线的组成及主要技术指标
1.1 C波段天线的组成
c波段天线主要由天线反射面、加强筋、角锥喇叭、连接法兰和下法兰组成，见图1。其中，天线反射面由碳／环氧面板、铝蜂窝芯和各种预埋件等零件采用真空袋--热压罐法胶接成型工艺复合成蜂窝夹层结构；加强筋、角锥喇叭、连接法兰通过采用碳／环氧预浸料按照铺层设计要求进行手工铺层，然后再按工艺要求进行模压成型；下法兰采用铝金属机加成型。最后，通过组装成型模对天线反射面、加强筋、角锥喇叭、连接法兰和下法兰五个部分定位，采用胶接工艺组成一整体结构。



1.2 主要技术指标
c波段天线主要技术指标为：①天线反射面形状法向偏差不大于0.3 mm（均方根值）；②确定抛物面焦点位置，实测焦点与理论焦点的空间位置偏差不大于0.5 mm；③角锥喇叭每侧面平面度不大于0.2mm；④纤维体积含量63±3%；⑤对复合材料结构进行无损探伤，不允许有气泡、分层和夹杂。 copyright 123456

2 主要研究内容
2.1 C波段天线的制造工艺
c波段天线主要由天线反射面及其它支撑结构组成。本文着重介绍其反射面型面精度和尺寸稳定性控制，根据我单位承担某型号任务要求，其天线反射面的制造工艺流程，见图2。



2.2 材料的选择及其特性
由于天线反射面必须能够反射电磁波，蜂窝夹层结构复合材料中面板材料必须由导电材料制成。碳纤维具有良好的导电性能，且具有良好的力学性能沿高模量碳纤维轴向的热膨胀系数为-0.7x10-6／℃，而其垂直于纤维方向的热膨服系数为23x10-6／℃。它具有明显的各向异性特点，可通过工艺设计，满足各种天线反射面的性能要求。实践表明碳纤维是天线反射面面板材料的理想选择之一。Kevlar-49纤维同样具有良好的力学性能，从结构性能角度考虑也是天线面板材料的理想选择。但由于其不导电，当用于天线反射面时，必须对其反射表面进行金属化处理。由此可知，天线反射面的结构设计与所用材料性能有着密切的关系。选用不同的材料会使天线反射面的结构特性有很大的差异，为了满足C波段天线结构的设计要求，在进行了大量的材料性能试验的前提下，最终选用材料的性能测试结果列于表1至表5中。





2.3 天线反射面面板铺层分析
在传统的蜂窝夹层结构复合材料天线反射面中，碳纤维通常制备成预浸无纬布或平纹织物预浸料使用。由于面板和蜂窝芯子各向异性容易造成反射面在外载荷下产生翘曲变形，所以反射面面板一般按准各向同性铺层设计要求进行选择。预浸无纬布一般选择以[0／±45/90]T或[0/ 45/90]T铺层形式，有时也选择[0／±60]T的铺层形式；平纹碳布一般选择「0/45」T铺层形式。蜂窝夹层结构还应设计研制成沿中面对称铺层。一般情况下正六边形的蜂窝芯子的各向异性对反射面型面精度的影响是不可忽略的。在研制中一般采取将蜂窝芯子加工成分片结构，然后在专用型面模具上将各片蜂窝芯子进行拼接，其蜂窝夹层结构纵向热膨胀系数为1.62 ×10-6／℃，横向热膨胀系数为1.84×10-6/℃。



2.4 天线反射面的成型模具设计
天线反射面的成型模具是根据成型工艺方案和设计图纸要求进行设计的。在研制过程中，又根据实际使用情况作了局部修改，其主要考虑的内容有：①天线反射面结构中面板采用M40/环氧648预浸料铺叠成型，其固化温度与脱模温度（室温）存在较大差异。若固化成型工艺过程中使用模具材料热膨胀系数较大，则会造成面板中存在较大的残余变形，故对一般精度要求的反射面可采用铸铁模具，对精度要求高的反射面则应采用殷钢或复合材料模具；②模具结构要有足够的强度和刚度，耐高温性能好，操作简单，脱模方便；③天线反射面型面精度要求为0.3 mm，因此模具需在精确编程后的数控车床上完成，且制得的模具型面精度小于0.15mm。 copyright 123456

2.5 天线反射面的重量控制
卫星结构对天线分系统重量有严格要求，抛物面天线反射面的研制过程中一个重要的内容是在保证其型面精度和尺寸稳定性的前提下，尽可能减少天线反射面的重量，主要控制如下内容：①为减少抛物面天线反射面在制造过程中和在轨温度环境下的变形，如采用平纹织物，至少需2层平纹织物布。一般情况下可采用[0／±45/90]T4层预浸无纬布，有附也可采用[0/±60]T3层预浸无纬布，以保证其准各向同性铺层形式；②抛物面天线结构的面板与蜂窝芯子之间采用中温固化结构胶粘剂胶接，一般均采用底胶和胶膜。为严格控制反射面重量，应对胶膜的厚度要求和底胶用量加以严格控制；③为确保反射面的结构刚度，通过优化选择蜂窝芯子的规格和高度来控制反射面的重量；④为减小反射面不同部位在轨温度梯度，必须采取热控措施，为此还应严格控制热控材料或零件的使用重量。

2.6 固化成型工艺参数选择
复合材料固化成型工艺参数主要包括升温速率、真空度、加压时机和压力、固化温度和保温时间及降温速率等。固化成型工艺参数的合理选择能够保证复合材料制品中树脂含量、减少制品中的孔隙率、提高复合材料性能，从而保证产品质量。

目前，复合材料固化成型工艺参数主要通过试验取得，其技术主要包括流变测量技术、热分析技术、波谱分析技术、色谱分析技术和动态分析技术等。我单位复合材料固化成型工艺参数主要以树脂材料的DSC曲线分析，并通过不断尝试进行优化固化工艺参数，最终得到合适的固化工艺曲线，经实施效果甚好。

3 产品质量控制
产品质量控制，就是根据碳／环氧复合材料结构件的特性，用一切可能的办法保证复合材料结构件各项性能指标满足设计要求，达到实际使用要求的质量稳定性和可靠性。 123456

C波段天线的质量控制主要从设计阶段、原材料及研制生产过程三个方面进行质量控制。

3.1 设计阶段的质量控制
碳纤维复合材料除了具有各种优异性能外，更主要的是其性能可设计性。因此，设计质量的好坏对产品质量控制关系甚为密切。此阶段主要运用复合材料结构力学进行分析和计算，以保证产品满足力学、物理性能的要求，同时还应考虑工艺实施、研制条件和质保措施等方面的内容。

3.2 原材料的质量控制
这里指的原材料主要是碳纤维增强材料、树脂基体材料和预浸料等。此外还应包括在制作工艺过程中使用的主要辅助材料如隔离材料、脱模材料、透气材料、真空袋尼龙薄膜和密封胶带等。对上述各种材料的名称、标记、牌号、批号等应与技术要求相符，并应按规定要求进行复验，符合技术要求后方可用于制品的研制生产中。

3.3 研制生产过程中的质量控制
众所周知，影响产品质量的六大因素是人、机、料、法、环、检，除原材料外均与研制过程有关，因此研制过程的质量控制是产品质量的形成阶段和关键时期。其主要质量控制的内容有：

(1)操作者的素质
复合材料结构件成型工艺技术是一项技术性较强的工作，操作者应经过专门的专业知识技术培训，掌握复合材料结构件的研制生产技能。此外，还应了解主要原材料及辅助材料的基本特性，懂得各种成型工艺专用工具和设备的使用、保养和主要故障排除等。还应熟悉产品的一般性能、质量要求和关键工序的质量控制措施。

(2)研制生产环境条件
复合材料结构件研制生产工作间应清洁无尘，温度和湿度要进行控制，温度一般控制在15~30℃范围内，相对湿度应低于65%。

(3)工艺文件
工艺文件是保证复合材料产品质量稳定的基本手段之一，主要包括产品设计图、主要技术指标要求、工艺规范和工艺卡片等。

(4)工序
复合材料结构件研制生产过程中，工序内容特多，一般应严格按工艺文件要求操作，关键工序完成后，必须由专职人员检验，且有操作者和检验人员签字。

(5)成品检验
成品检验是保证产品质量的最后一道关键工作，对C波段天线而言，除外形尺寸、重量和外观等按常规检验外，重点还应进行随炉试件性能测定和无损检测，以确保复合材料结构件的内在质量。

4 结 语
卫星天线被人们比喻为其耳目，为了提高卫星天线性能，减少信号损失，对卫星运行过程中天线反射面的型面精度和尺寸稳定性提出了严格的要求。通过本研究工作，从天线反射面的结构设计、制造工艺过程等内容分析表明充分利用复合材料轻质高强、可设计性的特点，进行合理选材、制定合理可行的工艺方案和性能控制规范，为卫星天线反射面的研制质量保证奠定了基础。由我单位研制的某型号卫星碳纤维复合材料抛物面天线严格按工艺技术流程开展各项工作，严格进行工艺过程中质量控制，其产品的型面精度可控制在均方根差精度为0.2m,研制成功产品经受多次飞行试验考验，各项技术指标均达到设计要求，为我国卫星碳纤维复合材械物面天线的研制和应用做出了贡献。

作者： 沃西源,房海军
作者单位：北京空间机电研究所