CN103560332A - 一种大口径高精度复合材料天线面的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大口径高精度复合材料天线面的制造方法，它是涉及卫星通信、无线电测控、深空探测、大型射电望远镜等领域中的一种天线反射面制造技术。主反射面为大口径抛物面结构，采用复合材料真空灌注工艺在模具上整体成型，背架为复合材料泡沫夹芯结构，是由横筋、纵筋通过纵横正交方式构成的具有空间网格结构的支撑体。通过此种方法可成功制备大口径（Φ＞10m）、高精度（δ<0.3mmRMS）天线反射面，并使其兼具结构重量轻、刚度大、抗震性好、生产效率高的优点。

Description

一种大口径高精度复合材料天线面的制造方法

技术领域

本发明涉及天线反射面制造工程领域，特别涉及一种大口径高精度复合材料天线面的整体成型制造技术。

背景技术

通信技术的发展以及对深空探测的迫切需求要求雷达天线反射面具有高精度、大口径的特点，在雷达天线制造工程领域，纤维增强复合材料反射面以其轻质、比刚度大、比强度大、精度高、可设计性好的优点更多的取代传统金属材质反射面。现有的高精度复合材料天线反射面多是利用热压罐成型工艺制备的小口径反射面，如何利用复合材料的优点，设计制造大口径（Φ＞10m）、高精度（δ<0.3mmRMS）整体天线反射面是天线制造行业面临的一个挑战。

国内外一般采用蜂窝夹芯结构消除前后蒙皮温度梯度引起的热应力，保证反射面型面精度，或是采用高精度模具补偿精度损失。法国IRAM公司口径15m抛物面复合材料天线面由176块单元面板组成，单元面板利用高成本、低热膨胀的模具材料制备，具有较高型面精度；日本NRD公司将600块复合材料单元面板进行拼接，制造出口径45m的毫米波天线。以上成型方法虽然完成了高精度复合材料天线的制备，但是属于分块制造再整体拼装的制造方法，具有高成本、高能耗、效率低的缺点。

发明内容

本发明的目的在于利用复合材料真空灌注成型工艺在室温环境下制备一种以空间网格结构为支撑的大口径复合材料天线整体反射面，使其兼具重量轻、型面精度高、生产效率高、安装方便简捷等优点。

本发明的目的是这样实现的，一种大口径高精度复合材料天线面的制造方法，所述的天线面包括抛物面结构的大口径主反射面和置于大口径主反射面背面且用于支持大口径主反射面的背架，所述的背架为纵横正交方式构成的空间网格结构，背架的空间网格结构与大口径主反射面的背面相配且通过结构胶粘剂进行粘接；其特征在于：大口径主反射面的成型方法包括以下步骤：

①建立大口径主反射面的曲面数学模型，根据数学模型设计加工抛物面凸模作为大口径主反射面成型模具；

②在大口径主反射面成型模具表面先喷涂高分子转移膜，再用火焰或电弧的方式在高分子转移膜上喷涂金属铝，形成表面金属层；

③设计纤维织物铺层角度，在表面金属层上铺放纤维织物；

④用真空袋密封，抽真空，将树脂基体注入密封空间，浸润纤维织物；

⑤在树脂基体室温固化后，大口径主反射面成型。

其中，背架的成型方法包括以下步骤：

（201）在大口径主反射面模具表面做标记，确定横筋、纵筋成型位置；

（202）分别设计横筋和纵筋的尺寸、开槽位置、开槽高度和开槽宽度，使横筋与纵筋可交叉连接；

（203）根据横筋、纵筋尺寸预制泡沫芯材，按照大口径主反射面模具上的标记位置，将泡沫芯材固定在模具上；

（204）在泡沫芯材表面铺贴纤维织物，两侧预留翻边；

（205）在纤维织物上铺放脱模布、导流网，用真空袋密封，抽真空，将树脂基体注入密封空间，浸润纤维织物；

（206）树脂基体室温固化后，按照设计开槽尺寸在横筋、纵筋上开槽；

（207）在大口径主反射面上将横筋、纵筋组装成整体背架；

其中，背架的成型也可以通过以下步骤完成：

（301）分别设计横筋和纵筋的尺寸、开槽位置、开槽高度和开槽宽度，使横筋与纵筋可交叉连接；

（302）预制泡沫夹芯复合材料板，按照横筋、纵筋尺寸切割成段，并在大口径主反射面成型模具上进行拼接，使拼接缝位于横筋、纵筋交叉处；

（303）在拼接缝位置胶粘加强片，使分段的泡沫夹芯复合材料板连接成整体；

（304）采用复合材料手糊成型工艺在泡沫夹芯复合材料板与大口径主反射面模具接触部位成型翻边，并对泡沫夹芯复合材料板泡沫外露部分进行封闭处理，固化后，横筋、纵筋成型；

（305）按照设计开槽尺寸在横筋、纵筋上开槽；

（306）在大口径主反射面上胶粘组装横筋、纵筋，形成整体背架。

其中，在步骤①和②之间还包括以下步骤，在大口径主反射面模具表面进行适当的表面处理，以满足天线面型面精度要求和脱模要求，涂覆脱模剂。

其中，在步骤③和④之间还包括以下步骤，纤维织物上依次铺放脱模布和导流网。

其中，在步骤（202）和（203）之间还包括以下步骤，根据设计尺寸在横筋、纵筋开槽位置预埋加强片。

其中，所述的表面金属层的厚度为0.03～0.05毫米。

其中，所述的高分子转移膜是通过喷涂或刷涂一种混合溶液在模具表面形成一层连续、均匀的高分子膜，混合溶液的组成重量百分比为：聚乙烯醇3～20%、水50～80%、乙醇5～30%。。

其中，所述泡沫芯材是聚氯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、聚甲基丙烯酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或几种。

其中，所述泡沫夹芯复合材料板是一种夹层结构，中间部分是泡沫芯材，上、下板是玻璃纤维或碳纤维增强复合材料，三部分通过胶粘剂粘结。

本发明具有如下优点：

1、实现天线反射面成型工艺的优化，消除纤维增强复合材料主反射面和背架在真空导入成型过程中所产生的内应力，有利于天线反射面长期使用过程中型面精度的稳定，背架和主反射面的室温胶接成型技术可以保证天线反射面具有极佳的型面精度。

2、此种方法制备的天线反射面以复合材料空间网格结构背架作为支撑体，有效发挥网格结构的优点，结构重量轻、刚度大、抗震能力强，背架沿两向正交组成，可抵抗来自多个方向的外界载荷，保证大口径反射面具有很好的保形能力。

3、此种制造方法不需要低膨胀、高精度的成型模具，降低制造成本。

4、针对大口径复合材料天线面可一次成型，无需拼装，反射面结构、成型工艺简单，有利于提高工程质量，加快工程进度。

附图说明

图1是大口径主反射面中心剖面图；

图2是背架结构示意图；

图3是大口径高精度复合材料天线面的中心剖面图；

图4是大口径主反射面成型模具结构示意图；

图5是大口径主反射面成型工艺示图；

图6是横筋结构示意图；

图7是纵筋结构示意图；

图8是预埋加强片示意图；

图9是横筋、纵筋截面示图；

图10是横筋、纵筋交叉位置示意图；

图11是成型后的大口径高精度复合材料天线面结构示意图。

附图中：1为大口径主反射面；2为背架；3为结构胶粘剂；4为大口径主反射面成型模具；5为高分子转移膜；6为铝金属层；7为纤维织物；8为脱模布；9为导流网；10为真空抽气管；11为真空袋；12为树脂注入阀；13为树脂基体；14为树脂管；15为横筋；16为纵筋；17为泡沫芯材；18为弯角件；19为加强片；20为螺钉。

具体实施方式

结合图1至12，下面对本发明作进一步说明。

一种大口径高精度复合材料天线面的制造方法，所述的天线面包括抛物面结构的大口径主反射面1和置于大口径主反射面1背面且用于支持大口径主反射面1的背架2，所述的背架2为纵横正交方式构成的空间网格结构，背架2的空间网格结构与大口径主反射面1的背面相配且通过结构胶粘剂3进行粘接，成型后的大口径高精度复合材料天线面结构形式如图3、11所示；其特征在于：大口径主反射面的成型方法包括以下步骤：

①建立大口径主反射面的曲面数学模型，根据数学模型设计加工抛物面凸模作为大口径主反射面成型模具4，如图4所示；

②在大口径主反射面成型模具4表面先喷涂高分子转移膜5，再用火焰或电弧的方式在高分子转移膜上喷涂金属铝，形成表面金属层6；所述的表面金属层6的厚度为0.03毫米。所述的高分子转移膜5是通过喷涂或刷涂一种混合溶液在模具表面形成一层连续、均匀的高分子膜，混合溶液的组成重量百分比为：聚乙烯醇3～20%、水50～80%、乙醇5～30%。。

③设计纤维织物铺层角度，在表面金属层上铺放纤维织物7，以铺放八层纤维织物为例，其最佳铺层角度为0°/22.5°/45°/67.5°/67.5°/45°/22.5°/0°。

④纤维织物上依次铺放脱模布8和导流网9，如图5所示。

⑤用真空袋11密封，抽真空，待真空度稳定后，打开树脂注入阀12，树脂基体13注入密封空间，浸润纤维织物7；

⑥在树脂基体室温固化后，大口径主反射面1成型，如图1所示。背架的成型方法包括以下步骤：

（201）在大口径主反射面模具4表面做标记，确定横筋15、纵筋16成型位置；

（202）在横筋15、纵筋16上设计开槽位置、开槽高度、开槽宽度，使横筋15、纵筋16可交叉连接，如图6、7所示；

（203）根据横筋15、纵筋16尺寸预制泡沫芯材17，按照大口径主反射面模具4上的标记位置，将泡沫芯材17固定在模具上；

（204）在泡沫芯材17开槽位置预埋加强片19，如图8所示，泡沫芯材17表面铺贴纤维织物7，两侧预留翻边，如图9所示；

（205）在纤维织物上铺放脱模布8、导流网9，用真空袋11密封，抽真空，将树脂基体13注入密封空间，浸润纤维织物7；

（206）树脂基体13室温固化后，按照设计开槽尺寸在横筋15、纵筋16上开槽；

（207）在大口径主反射面1上胶粘横筋15、纵筋16，横筋15、纵筋16组装成整体背架2，交叉位置胶粘弯角件18，并用螺钉20加固，如图10所示。

特别的，背架成型也可以通过以下步骤完成：

（301）分别设计横筋15和纵筋16的尺寸、开槽位置、开槽高度和开槽宽度，使横筋1与纵筋16可交叉连接；

（302）预制泡沫夹芯复合材料板，按照横筋15、纵筋16尺寸切割成段，并在大口径主反射面成型模具上进行拼接，使拼接缝位于横筋15、纵筋16交叉处；

（303）在拼接缝位置胶粘加强片19，使分段的泡沫夹芯复合材料板连接成整体；

（304）采用复合材料手糊成型工艺在泡沫夹芯复合材料板与大口径主反射面模具接触部位成型翻边，并对泡沫夹芯复合材料板泡沫外露部分进行封闭处理，固化后，横筋15、纵筋16成型；

（305）按照设计开槽尺寸在横筋15、纵筋16上开槽；

（306）在大口径主反射面1上胶粘组装横筋15、纵筋16，形成整体背架2，交叉位置胶粘弯角件18，并用螺钉20加固，如图10所示。

Claims (10)

1.一种大口径高精度复合材料天线面的制造方法，所述的天线面包括抛物面结构的大口径主反射面（1）和置于大口径主反射面（1）背面且用于支持大口径主反射面（1）的背架（2），所述的背架（2）为纵横正交方式构成的空间网格结构，背架（2）的空间网格结构与大口径主反射面（1）的背面相配且通过结构胶粘剂（3）进行粘接；其特征在于：大口径主反射面的成型方法包括以下步骤：

①建立大口径主反射面的曲面数学模型，根据数学模型设计加工抛物面凸模作为大口径主反射面成型模具（4）；

②在大口径主反射面成型模具（4）表面先喷涂高分子转移膜（5），再用火焰或电弧的方式在高分子转移膜上喷涂金属铝，形成表面金属层（6）；

③设计纤维织物铺层角度，在表面金属层（6）上铺放纤维织物（7）；

④用真空袋（11）密封，抽真空，将树脂基体（13）注入密封空间，浸润纤维织物（7）；

⑤在树脂基体（13）室温固化后，大口径主反射面（1）成型。

2.根据权利要求1所述的一种大口径高精度复合材料天线面的制造方法，其特征在于：背架（2）的成型方法包括以下步骤：

（201）在大口径主反射面模具表面做标记，确定横筋（15）、纵筋（16）成型位置；

（202）分别设计横筋（15）和纵筋（16）的尺寸、开槽位置、开槽高度和开槽宽度，使横筋（15）与纵筋（16）可交叉连接；

（203）根据横筋（15）、纵筋（16）尺寸预制泡沫芯材（17），按照大口径主反射面模具（4）上的标记位置，将泡沫芯材（17）固定在模具上；

（204）在泡沫芯材（17）表面铺贴纤维织物（7），两侧预留翻边；

（205）在纤维织物上铺放脱模布（8）、导流网（9），用真空袋（11）密封，抽真空，将树脂基体（13）注入密封空间，浸润纤维织物（7）；

（206）树脂基体（13）室温固化后，按照设计开槽尺寸在横筋（15）、纵筋（16）上开槽；

（207）在大口径主反射面（1）上胶粘组装横筋（15）、纵筋（16），形成整体背架（2）。

3.根据权利要求1所述的一种大口径高精度复合材料天线面的制造方法，其特征在于：背架（2）的成型方法包括以下步骤：

（301）分别设计横筋（15）和纵筋（16）的尺寸、开槽位置、开槽高度和开槽宽度，使横筋（15）与纵筋（16）可交叉连接；

（302）预制泡沫夹芯复合材料板，按照横筋（15）、纵筋（16）尺寸切割成段，并在大口径主反射面成型模具上进行拼接，使拼接缝位于横筋（15）、纵筋（16）交叉处；

（303）在拼接缝位置胶粘加强片（19），使分段的泡沫夹芯复合材料板连接成整体；

（304）采用复合材料手糊成型工艺在泡沫夹芯复合材料板与大口径主反射面模具接触部位成型翻边，并对泡沫夹芯复合材料板泡沫外露部分进行封闭处理，固化后，横筋（15）、纵筋（16）成型；

（305）按照设计开槽尺寸在横筋（15）、纵筋（16）上开槽；

（306）在大口径主反射面（1）上胶粘组装横筋（15）、纵筋（16），形成整体背架（2）。

4.根据权利要求1所述的一种大口径高精度复合材料天线面的制造方法，其特征在于：在步骤①和②之间还包括以下步骤，在大口径主反射面模具（4）表面进行表面处理并涂覆脱模剂。

5.根据权利要求1所述的一种大口径高精度复合材料天线面的制造方法，其特征在于：在步骤③和④之间还包括以下步骤，纤维织物（7）上依次铺放脱模布（8）和导流网（9）。

6.根据权利要求2所述的背架（2）的成型方法，其特征在于：在步骤（203）和（204）之间还包括以下步骤，根据设计尺寸在横筋（15）、纵筋（16）开槽位置预埋加强片（19）。

7.根据权利要求3所述的背架成型方法，其特征在于：所述泡沫夹芯复合材料板是一种夹层结构，中间是泡沫芯材（17），上、下板是玻璃纤维或碳纤维增强复合材料，三者通过胶粘剂粘结。

8.根据权利要求1所述的一种大口径高精度复合材料天线面的制造方法，其特征在于：所述的表面金属层（6）的厚度为0.03～0.05毫米。

9.根据权利要求1所述的一种大口径高精度复合材料天线面的制造方法，其特征在于：所述的高分子转移膜（5）是通过喷涂或刷涂一种混合溶液在模具表面形成一层连续、均匀的高分子膜，混合溶液的组成重量百分比为：聚乙烯醇3～20%、水50～80%、乙醇5～30%。

10.根据权利要求1所述的一种大口径高精度复合材料天线面的制造方法，其特征在于：所述泡沫芯材（17）是聚氯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、聚甲基丙烯酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种。

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