CN101847786B - 一种基于形状记忆聚合物的可展开天线反射面的骨架结构的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于形状记忆聚合物的可展开天线反射面及其反射表面片的制作方法，涉及一种可展开天线反射面及反射表面片的制作方法。解决了现有的航天用可展开天线重量大、体积大、结构复杂并且存在展开和收缩不平稳的问题，可展开天线由环向动力件、环向加强件、径向加强件和反射膜拼接组成。反射表面片的制作方法如下：一、设计模具；步骤二、配制形状记忆聚合物材料；三、使用形状记忆聚合物材料涂敷纤维增强材料；四、形成未固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯；五、将闭合模具放置在加热箱内加热；六、脱模得到以纤维增强形状记忆聚合物为材料的骨架结构。本发明可作为航天领域的可展开天线反射面。

Description

一种基于形状记忆聚合物的可展开天线反射面的骨架结构的制作方法

技术领域

本发明涉及一种可展开天线反射面及骨架结构的制作方法。

背景技术

在现有航天技术下，由于航天运载飞行器的空间限制，航天天线反射器在发射前必须折叠，当在轨工作时需自动展开；由于载重的限制，航天用天线反射器必须尽可能降低其重量；另外，还应保证天线反射器高可靠性等性能。随着航天技术、卫星通信、射电天文以及雷达技术的快速发展。因此，航天天线反射器需求一种小体积、轻质且高性能的可展开技术。

近几年来，智能材料的迅猛发展为可展开天线反射面提供了广阔的发展空间。其中，形状记忆聚合物性能独特，当对其加热至材料相变温度时，形状记忆聚合物模量大幅度下降，并开始展现形状记忆效应。基于此种材料制成的可展开天线反射面，可在操作前后控制自身的模量。天线反射面变形前，将天线反射发射面升温至玻璃化转变温度以上，天线反射面模量降低，利于天线反射面的可展开变形。变形之后，将天线反射发射面降温至形状记忆材料的玻璃化转变温度以下，天线反射面自身模量上升，天线反射面的强度与刚度增大，提高天线反射面稳定性与可靠性。形状记忆聚合物同时提供驱动与刚性支撑。

在中国专利200710072028.6中提出了一种可展开固体表面天线反射面，所述的可展开天线反射面采用形状记忆聚合物材料作为展开驱动和刚性支撑的环向加强件和纵向加强件，能够根据加热的温度，控制形状记忆聚合物材料的形态。但是，环向加强件和纵向加强件采用机械驱动的方式驱动反射表面，存在着可展开天线反射面折叠不方便的缺陷。

发明内容

本发明为了解决现有的航天用可展开天线重量大、体积大、结构复杂并且存在展开和收缩不平稳的问题，提出一种基于形状记忆聚合物的可展开天线反射面的骨架结构的制作方法。

一种基于形状记忆聚合物的可展开天线反射面，它由环向动力件、环向加强件、径向加强件和反射表面组成，所述的反射表面是一个底部置有圆形开口的环形抛物面体，在反射表面的凸抛物面的上边缘固定连接有环向动力件，在反射表面的凸抛物面的下边缘固定连接有环向加强件，环向动力件和环向加强件之间的反射表面表面设置有圆周方向排列的径向加强件，所述径向加强为照抛物线形的条状片，所述环向动力件、环向加强件、径向加强件和反射表面均由形状记忆聚合物材料制成。

用于一种基于形状记忆聚合物的可展开天线反射面的骨架结构的制作方法，具体过程如下：

步骤一、设计模具：根据反射表面的环形抛物面体的形状及其内径大小设计用于制作环向动力件、环向加强件和径向加强件的闭合模具；

步骤二、配制形状记忆聚合物材料：将高分子聚合物和固化剂按28：（1～5）的质量比配成形状记忆聚合物材料；

步骤三、使用形状记忆聚合物材料涂敷纤维增强材料：将步骤二获得的形状记忆聚合物材料与纤维增强材料按（0.67～99）：1的质量比称取，将所述形状记忆聚合物材料涂敷在纤维增强材料的上、下面上；

步骤四、灌模：将步骤三获得的上、下面涂敷有形状记忆聚合物材料的纤维增强材料置于步骤一中设计的闭合模具内，再使用步骤三的形状记忆聚合物材料将闭合模具内的空隙灌满，即形成未固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯；

步骤五、固化：将步骤四中所述的内部填充有未固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯的闭合模具放置在加热箱内加热，加热温度为70～100℃，加热时间为16～24小时；

步骤六、脱模：从加热箱中取出步骤五中所述的闭合模具，对所述的闭合模具进行脱模处理后，即得到以纤维增强形状记忆聚合物为材料的环向动力件、环向加强件和径向加强件。

采用本发明具有以下特点：

1、使用相对于传统金属密度较低的形状记忆复合材料同时作为展开驱动和刚性支撑装置，既降低了天线的重量，同时保证了天线的刚度要求和稳定性要求。材料依靠自身的热临界自激发（玻璃化转变）实现展开的启动和运动的整个过程，输出展开力能满足系统要求，展开运动过程平缓。同时，在天线反射面展开后工作过程中对结构起到刚性支撑作用，维持反射面的表面形状和整个系统的工作。

2、当形状记忆复合材料温度达到玻璃化转变温度以上时具有较大的阻尼，依靠此特性能缓慢、平稳的驱动实现整个天线反射器系统的展开。同时，形状记忆材料的可展开天线反射面使得可展开天线反射器结构较为简单，系统结构和控制环节少，系统工作的可靠性高。

3.形状记忆复合材料高的折叠可回复应变，使可展开天线反射器具有较大展开与收缩的体积比。

4、采用形状记忆材料制作可展开天线反射面的骨架结构，即环向动力件1、环向加强件2和径向加强件3能够通过温度的改变控制其模量，进而该材料形状改变，平稳、方便地实现了天线反射面的展开和收缩过程。

本发明降低了航天用可展开天线反射面的重量和所占体积。天线口径大、工作频段高、反射面的面密度低、天线增益较高，而且结构较为简单，系统结构和控制环节少，系统工作的可靠性高，反射面的展开程度更大。可作为航天领域的可展开天线。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的侧视图；图3是本发明折叠后的结构示意图；图4为本发明的可展开天线骨架结构的制作流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2说明本实施方式，一种基于形状记忆聚合物的可展开天线反射面，它由环向动力件1、环向加强件2、径向加强件3和反射表面4组成，所述的反射表面4是一个底部置有圆形开口4-2的环形抛物面体，在反射表面4的凸抛物面的上边缘固定连接有环向动力件1，在反射表面4的凸抛物面的下边缘固定连接有环向加强件2，环向动力件1和环向加强件2之间的反射表面4表面设置有圆周方向排列的径向加强件3，所述径向加强为照抛物线形的条状片，所述环向动力件1、环向加强件2、径向加强件3和反射表面4均由形状记忆聚合物材料制成。

其中环向动力件1、环向加强件2和径向加强件3组成了可展开天线的骨架结构，同时也提供天线展开的动力以及强度支撑。

结合图3说明本发明的变形过程：在航天飞行器发射前，将形状记忆材料的可展开天线反射面加热至形状记忆复合材料的玻璃化转变温度以上，环向加强件2及圆形形状记忆材料动力加强件弹性模量下降、材料软化，这时在外力作用下，将可展开天线反射面约束变形至设计要求的皱褶数和收缩口径，可展开天线收缩折叠成伞型皱褶状结构；在保持外界约束不变的条件下，将可展开天线降温至形状记忆复合材料的玻璃化转变温度以下，其弹性模量上升、材料硬化，撤去外界约束，可展开天线形状固定，将折叠收缩状态的可展开天线反射器固定于航天飞行器中；在航天飞行器在轨飞行后，对可展开天线反射面进行加热，当可展开天线温度达到玻璃化转变温度以上时，驱动可展开天线反射面变形回复至展开状态，可展开天线反射器实现展开并进入工作状态。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于环向动力件1、环向加强件2和径向加强件3的厚度为0.02～40mm；环向动力件1的半径为：0.5～60m;环向加强件2的半径为：0.1～2m；径向加强件3与反射表面4组成的旋转抛物面的焦距与环向动力件1的口径的比为（0.025～2.5）：1。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于反射表面4展开时的加热方式为电加热、蒸汽加热或者外太空辐射加热，反射表面4收缩时的加热方式为电加热或蒸汽加热。

利用电加热、蒸汽加热或者外太空辐射加热实现反射表面4从折叠收缩状态到展开状态的运动。

具体实施方式四：结合图1、图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于反射表面片4-1为耐高低温和辐射的柔性膜，反射表面片4-1与环向动力件1、环向加强件2或径向加强件3之间的连接方式为采用粘接、机械连接或粘接与机械连接相结合的连接方式。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一或二不同之处在于环向动力件1、环向加强件2、径向加强件3的形状记忆聚合物材料为苯乙烯系形状记忆聚合物、环氧树脂系形状记忆聚合物、氰酸酯系形状记忆聚合物、形状记忆聚氨酯、形状记忆聚酯、形状记忆苯乙烯-丁二烯共聚物、形状记忆反式聚异戊二烯或形状记忆聚降冰片烯。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一或二不同之处在于环向动力件1、环向加强件2、径向加强件3的纤维增强材料为石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、炭黑、石墨粉或碳纳米管中一种或几种制成的片状材料。

上述材料具有比重小、强度高、模量高、耐腐蚀等特点。

具体实施方式七：结合图4说明本实施方式，用于形状记忆聚合物的可展开天线反射面的骨架结构的制作方法，具体过程如下：

步骤一、设计模具：根据反射表面4的环形抛物面体的形状及其内径大小设计用于制作环向动力件1、环向加强件2和径向加强件3的闭合模具；

步骤二、配制形状记忆聚合物材料：将高分子聚合物和固化剂按28：（1～5）的质量比配成形状记忆聚合物材料；

步骤三、使用形状记忆聚合物材料涂敷纤维增强材料：将步骤二获得的形状记忆聚合物材料与纤维增强材料按（0.67～99）：1的质量比称取，将所述形状记忆聚合物材料涂敷在纤维增强材料的上、下面上；

步骤四、灌模：将步骤三获得的上、下面涂敷有形状记忆聚合物材料的纤维增强材料置于步骤一中设计的闭合模具内，再使用步骤三的形状记忆聚合物材料将闭合模具内的空隙灌满，即形成未固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯；

步骤五、固化：将步骤四中所述的内部填充有未固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯的闭合模具放置在加热箱内加热，加热温度为70～100℃，加热时间为16～24小时；

步骤六、脱模：从加热箱中取出步骤五中所述的闭合模具，对所述的闭合模具进行脱模处理后，即得到以纤维增强形状记忆聚合物为材料的环向动力件1、环向加强件2和径向加强件3。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同之处在于步骤二中形状记忆聚合物和固化剂的比例为28：1。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七不同之处在于步骤五中模具放置在加热箱内加热，加热温度为75℃，加热时间为20小时。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七不同之处在于步骤五中模具放置在加热箱内加热，加热过程为：在75℃条件下保持60分钟，再提高到100℃条件下保温30分钟，然后在75℃条件下保持24小时。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式七不同点在于步骤六中所述的纤维增强形状记忆聚合物的密度小于2g/cm²。步骤六中将加热后固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯脱模，所述形状记忆聚合物占纤维增强形状记忆聚合物质量的40～99%，所述纤维增强材料占纤维增强形状记忆聚合物质量的1～60%。

Claims (9)

1.一种基于形状记忆聚合物的可展开天线反射面的骨架结构的制作方法，天线反射面由环向动力件（1）、环向加强件（2）、径向加强件（3）和反射表面（4）组成，所述的反射表面（4）是一个底部置有圆形开口（4-2）的环形抛物面体，在反射表面（4）的凸抛物面的上边缘固定连接有环向动力件（1），在反射表面（4）的凸抛物面的下边缘固定连接有环向加强件（2），环向动力件（1）和环向加强件（2）之间的反射表面（4）表面设置有圆周方向排列的径向加强件（3），所述径向加强件（3）为抛物线形的条状片，所述环向动力件（1）、环向加强件（2）、径向加强件（3）和反射表面（4）均由形状记忆聚合物材料制成，

其特征在于，具体过程如下：

步骤一、设计模具：根据反射表面（4）的环形抛物面体的形状及其内径大小设计用于制作环向动力件（1）、环向加强件（2）和径向加强件（3）的闭合模具；

步骤二、配制形状记忆聚合物材料：将高分子聚合物和固化剂按28：（1~5）的质量比配成形状记忆聚合物材料；

步骤三、使用形状记忆聚合物材料涂敷纤维增强材料：将步骤二获得的形状记忆聚合物材料与纤维增强材料按（0.67～99）：1的质量比称取，将所述形状记忆聚合物材料涂敷在纤维增强材料的上、下面上；

步骤四、灌模：将步骤三获得的上、下面涂敷有形状记忆聚合物材料的纤维增强材料置于步骤一中设计的闭合模具内，再使用步骤三的形状记忆聚合物材料将闭合模具内的空隙灌满，即形成未固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯；

步骤五、固化：将步骤四中所述的内部填充有未固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯的闭合模具放置在加热箱内加热，加热温度为70~100℃，加热时间为16~24小时；

步骤六、脱模：从加热箱中取出步骤五中所述的闭合模具，对所述的闭合模具进行脱模处理后，即得到以纤维增强形状记忆聚合物为材料的环向动力件（1）、环向加强件（2）和径向加强件（3）。

2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆聚合物的可展开天线反射面的骨架结构的制作方法，其特征在于环向动力件（1）、环向加强件（2）和径向加强件（3）的厚度为0.02～40mm；环向动力件（1）的半径为：0.5～60m;环向加强件（2）的半径为：0.1～2m；径向加强件（3）与反射表面（4）组成的旋转抛物面的焦距与环向动力件（1）的口径的比为（0.025～2.5）：1。

3.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆聚合物的可展开天线反射面的骨架结构的制作方法，其特征在于反射表面（4）展开时的加热方式为电加热、蒸汽加热或者外太空辐射加热，反射表面（4）收缩时的加热方式为电加热或蒸汽加热。

4.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆聚合物的可展开天线反射面的骨架结构的制作方法，其特征在于反射表面（4）为耐高低温和辐射的柔性膜，反射表面（4）与环向动力件（1）、环向加强件（2）或径向加强件（3）之间的连接方式为采用粘接、机械连接或粘接与机械连接相结合的连接方式。

5.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆聚合物的可展开天线反射面的骨架结构的制作方法，其特征在于环向动力件（1）、环向加强件（2）和径向加强件（3）的形状记忆聚合物材料为苯乙烯系形状记忆聚合物、环氧树脂系形状记忆聚合物、氰酸酯系形状记忆聚合物、形状记忆聚氨酯、形状记忆聚酯、形状记忆苯乙烯-丁二烯共聚物、形状记忆反式聚异戊二烯或形状记忆聚降冰片烯。

6.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆聚合物的可展开天线反射面的骨架结构的制作方法，其特征在于环向动力件（1）、环向加强件（2）和径向加强件（3）的纤维增强材料为石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、炭黑、石墨粉或碳纳米管中一种或几种制成的片状材料。

7.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆聚合物的可展开天线反射面的骨架结构的制作方法，其特征在于步骤二中形状记忆聚合物和固化剂的比例为28：1。

8.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆聚合物的可展开天线反射面的骨架结构的制作方法，其特征在于步骤五中模具放置在加热箱内加热，加热温度为75℃，加热时间为20小时。

9.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆聚合物的可展开天线反射面的骨架结构的制作方法，其特征在于步骤六中所述的纤维增强形状记忆聚合物的密度小于2g/cm²。

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