CN105799185A - 一种耐高温聚酰亚胺复合材料薄壁螺旋天线支撑介质管的成型方法 - Google Patents

一种耐高温聚酰亚胺复合材料薄壁螺旋天线支撑介质管的成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种耐高温聚酰亚胺复合材料薄壁螺旋天线支撑介质管的成型方法，属于耐高温透波树脂基复合材料成型技术领域，特别涉及一种应用于空间返回器GPS、S频段天线螺旋支撑介质管的成型方法，所述的薄壁是指螺旋天线支撑介质管的壁厚为1.5mm‑3mm。本发明根据空气返回器用耐高温薄壁螺旋天线支撑介质管的力学、透波、耐热及减重要求，设计专用模具，优选材料，制备得到的螺旋天线支撑介质管具有以下优异的综合性能。

Description

一种耐高温聚酰亚胺复合材料薄壁螺旋天线支撑介质管的成型方法
技术领域
本发明涉及一种耐高温聚酰亚胺复合材料薄壁螺旋天线支撑介质管的成型方法，属于耐高温透波树脂基复合材料成型技术领域，特别涉及一种应用于空间返回器GPS、S频段天线螺旋支撑介质管的成型方法，所述的薄壁是指螺旋天线支撑介质管的壁厚为1.5mm-3mm。
背景技术
透波材料是保护航天器在恶劣环境下通讯、遥测、制导、引爆等系统能正常工作的一种多功能介质材料，在运载火箭、飞船、导弹及返回式卫星等航天飞行器天线系统中得到广泛的应用。随着天线系统工作机制的改变，耐高温、宽频透波已经成为评价天线系统优劣的最主要的性能。嫦娥五号试验飞行器在高速再入返回的过程中，必须经受更加严酷的气动热环境。天线系统的核心组件GPS频段天线和S频段天线，承担着返回器正常的信号传输的重要作用，是影响返回器回收的关键部件。但由于再入过程马赫数非常高，天线系统所受的气动加热非常严酷，沿天线长度方向呈350℃～450℃的温度分布，必须有支撑介质管的保护才能够保证天线系统的正常工作。天线介质管必须具有轻质高强耐高温的同时，还必须兼具优异的透波特性和耐辐射、耐原子氧等空间环境性能，同时还要满足薄壁结构特征介质管的成型加工性能。现有的环氧树脂基复合材料(最高使用温度180℃)、双马树脂基复合材料(最高使用温度230℃)结构耐热能力不能满足要求。必须有一种350℃下长时使用，短期耐450℃，同时能够满足结构、隔热、透波功能一体化的低密度材料，才能制造并满足空间返回器结构/透波和结构减重的要求。
纤维增强热固性聚酰亚胺树脂基复合材料具有轻质、耐高温、耐低温、耐辐射、耐腐蚀、化学稳定、力学性能优异等优点。20世纪70-80年代美国NASA研制成功的一类易于加工成型的PMR型热固性聚酰亚胺树脂PMR-15。克服了热塑性聚酰亚胺树脂不溶不熔，难于加工成型的技术难点，已经取得了长足的发展和实际应用。为了提高聚酰亚胺复合材料的耐热氧化稳定性，美国随后又研制成功了耐371℃第二代聚酰亚胺，如PMR-II-50、AFR-700B、V-CAP等产品。第二代聚酰亚胺树脂的最低熔体黏度很大，一般在几千Pa.s以上，而PMR-15的最低熔体黏度为200～300Pa.s。相比PMR-15树脂，第二代聚酰亚胺树脂的耐温等级虽然有了很大的提高，但是降低了复合材料成型工艺性，对扩大其工程应用造成了阻碍。尽管如此，由于其具有优异的耐高温性能、机械性能、介电性能等综合性能国外的聚酰亚胺复合材料已经在导弹的弹体、弹翼、进气道、整流罩、鼻锥、尾翼、天线罩、航空发动机上的压气机静子结构、进气道、轮压气机进气道等高温部段上的到了实际应用。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术上述的不足，提供一种轻质耐高温聚酰亚胺复合材料薄壁螺旋天线支撑介质管的成型方法，该成型方法制备得到的天线支撑介质管具有耐高温、力学性能优异、介电性能良好，整体成型的优点，且制备方法简单、易于实现，制备效率高。
本发明的技术解决方案是：
一种耐高温聚酰亚胺复合材料薄壁螺旋天线支撑介质管的成型方法，包括如下步骤：
步骤(一)、制备螺旋天线支撑介质管的成型模具，所述螺旋天线支撑介质管成型模具包括带有翻边的阳模1和分块阴模2，分块阴模2的内型面与阳模1的外型面相匹配；
步骤(二)、螺旋天线支撑介质管整体成型，具体方法如下：
(1)、螺旋天线支撑介质管预浸料铺层
在阳模1的外型面上采用湿法耐高温聚酰亚胺预浸料按照介质管的螺旋线走向进行螺旋整体缠绕铺层，形成螺旋天线支撑介质管的筒体，筒底铺层向筒体方向下翻与筒体铺层搭接，完成介质管的铺层；
(2)、亚胺化
铺层完成后将阳模1上的铺层外表面整体缠绕热收缩带，在烘箱等加热装置中进行亚胺化，亚胺化工艺为温度升至120℃～230℃，保温0.5～2.0小时；
(3)、热压罐固化
亚胺化完成后拆除热收缩带，将分块阴模2安装在阳模1所对应的铺层外表面，包覆真空袋后在热压罐内进行固化，固化工艺为温度升至170～230℃时，加压0.6～0.8MPa，继续升温至320～350℃加压1.4～2.5MPa，继续升温至350～420℃，保温保压1～4小时；
(4)、机械加工
热压罐固化完成后依次拆除真空袋、分块阴模2和阳模1，得到螺旋天线支撑介质管的毛坯件，将螺旋天线支撑介质管的毛坯件按照要求加工出外型面及螺旋线，完成螺旋天线支撑介质管整体成型。
所述的步骤(二)中的耐高温聚酰亚胺预浸料包括增强体和树脂，其中增强体为石英纤维、M玻璃纤维、高硅氧玻璃纤维、E型玻璃纤维或S型玻璃纤维中的一种；树脂为以苯乙炔基苯酐PEPA为封端剂的PMR型热固性聚酰亚胺树脂，且树脂的Tg≥400℃；所述的增强体的组织结构为平纹、斜纹或缎纹；
所述的步骤(二)中的热收缩带为耐温等级不小于120℃的聚酯类薄膜带；
所述的分块阴模2为三块分块结构、四块分块结构或六块分块结构；
对上述得到的螺旋天线支撑介质管进行热性能、力学性能测试和介电性能测试，如表1所示；
表1热性能、力学性能和介电性能
上述得到的螺旋天线支撑介质管可以应用于深空探测器天线系统组件，比如空间返回器。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明在进行筒体铺层时，按照介质管的螺旋线走向进行螺旋整体缠绕铺层，当机械加工用于盛放螺旋天线的凹槽时，与纤维的方向一致，使得纤维保持连续性，增强介质管的力学性能；
(2)本发明在进行筒底铺层时，采用筒底铺层向筒体方向下翻与筒体铺层搭接的方案，筒底铺层与筒体铺层交叠铺放，增强了筒底和筒体交界处的连接性能，从而进一步提高介质管的力学性能；
(3)本发明中在进行亚胺化时整体采用整体缠绕热收缩带，热收缩带在受热时能够在纤维表面产生预紧力，压力能够达到0.3-0.6MPa，加压充分，操作简便成型效率高；
(4)本发明根据空气返回器用耐高温薄壁螺旋天线支撑介质管的力学、透波、耐热及减重要求，设计专用模具，优选材料，首次采用石英聚酰亚胺复合材料制备螺旋介质管；结合螺旋支撑介质管整体结构特点，对制备工艺进行优化设计，首次采用将石英/聚酰亚胺织物预浸料整体连续纤维螺旋缠绕工艺进行预浸料的铺缠；得到一种全新的耐高温薄壁螺旋天线支撑介质管制备方法，制备得到的螺旋天线支撑介质管具有以下优异的综合性能；
(5)采用非热压罐袋压法(热收缩带辅助加压)的吸胶工艺，减少了热压罐使用次数，有效降低制造成本，保证天线螺旋支撑介质管的压实整形；
(6)采用高温高压的阶梯加压的热压罐成型技术，实现薄壁、高精度、回转体天线螺旋支撑介质管的整体成型，提高了产品的整体强度与刚度，提高成型效率；
(7)本发明采用纤维增强聚酰亚胺复合材料，成型工艺简单、生产效率高，适合大批量生产；
(8)采用预浸料螺旋整体缠绕工艺进行铺层，完成了筒体与筒底的整体成型，满足了天线螺旋支撑介质管的纤维连续性及力学性能要求，解决了深空环境空间飞行器结构承载、耐热和透波一体化难题，为耐烧蚀天线苛刻热环境下正常工作提供了技术支撑。
(9)本发明得到的介质管具有优异的耐高温性能，优异优良的耐老化、耐辐射等综合性能；优异的宽温宽频介电性能，介电常数为3.1～3.4，介电损耗≤0.008，热导率低，另外，成型周期短，成型工艺良好，适合薄壁结构介质管的制备，为耐热、承载、透波一体化的多功能复合材料在航天飞行器上的应用奠定了技术基础。
(10)本发明中的介质管采用石英聚酰亚胺复合材料，解决了天线系统材料耐空间环境性能(空间辐照、耐原子氧、空间放气率、可凝挥发物)、承载、耐热和透波结构多功能一体化问题。
附图说明
图1为本发明螺旋天线支撑介质管成型工艺流程图；
图2为本发明螺旋天线支撑介质管成型模具结构示意图；
图3为本发明螺旋天线支撑介质管成型模具的A-A剖面图；
图4为本发明螺旋天线支撑介质管主视图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图4所示为本发明螺旋天线支撑介质管主视图，本发明制备得到的螺旋天线支撑介质管为薄壁、回转体，具有螺旋线结构，应用于空间返回器耐烧蚀天线，外部缠绕天线系统，工作温度350℃，工作时间为1000s量级。
为了达到透波、结构、防热、一体化的设计要求，本发明制备的螺旋天线支撑介质管采用石英增强聚酰亚胺树脂基复合材料方案。为降低产品的内部缺陷，保证产品的质量，满足螺旋天线支撑介质管的结构整体性和结构效率，采用热压罐成型工艺方案。同时为了提高效率、降低成本，采用非热压罐袋压法、热收缩带加压吸胶工艺。
本发明采用成型模具完成螺旋天线支撑介质管制备，如图2所示为本发明螺旋天线支撑介质管成型模具示意图；图3为本发明螺旋天线支撑介质管成型模具的A-A剖面图，由图可知成型模具包括阳模1、分块阴模2。其中分块阴模2为分块结构，分为四部分，便于产品固化过程中的压实。此外阳模1内部可以开设减重孔。
本发明螺旋天线支撑介质管预浸料包括增强体和树脂，其中增强体为石英纤维、M玻璃纤维、高硅氧玻璃纤维、E型玻璃纤维或S型玻璃纤维，增强体的组织结构为平纹、斜纹或缎纹。树脂为以PEPA(苯乙炔基苯酐)为封端剂的PMR型热固性聚酰亚胺树脂，且树脂的Tg≥400℃。
本发明螺旋天线支撑介质管制备过程包括螺旋天线支撑介质管整体成型，具体步骤如下，如图1所示为本发明螺旋天线支撑介质管成型工艺流程图：
一、螺旋天线支撑介质管整体成型
(1)、螺旋天线支撑介质管预浸料铺层
在阳模1的外型面上采用湿法预浸料按照介质管的螺旋线走向进行螺旋整体缠绕铺层，形成螺旋天线支撑介质管的筒体，筒底铺层向筒体方向下翻与筒体铺层搭接，完成介质管的铺层；
(2)、亚胺化
铺层完成后将阳模1上的铺层料外表面整体缠绕热收缩带，在烘箱等加热装置中进行亚胺化，亚胺化工艺为温度升至120℃～230℃，保温0.5～2.0小时，热收缩带为耐温等级不小于120℃的聚酯类薄膜带；
(3)、热压罐固化
拆除热收缩带，将分块阴模2安装在阳模1所对应的铺层料外表面，包覆真空袋后在热压罐内进行固化，固化工艺为温度升至170～230℃时，加压0.6～0.8MPa，继续升温至320～350℃加压1.4～2.5MPa，继续升温至350～420℃，保温保压1～4小时；
(4)、机械加工
拆除真空袋、分块阴模2和阳模1，得到螺旋天线支撑介质管的毛坯件，将螺旋天线支撑介质管的毛坯件按照要求加工出内外型面及螺旋线，完成螺旋天线支撑介质管整体成型。
实施例1
树脂选用PMR型热固性聚酰亚胺树脂，以PEPA(苯乙炔基苯酐)为封端剂，亚胺化后树脂的熔体最低黏度为1000Pa.s(升温速率为4℃/min)。增强体为QW220石英纤维斜纹布，含胶量为48％，单层厚度为0.20mm。
螺旋天线支撑介质管筒体厚度为2mm、筒底厚度为2mm，筒体、筒底铺层数量均为10层。按照产品设计尺寸进行预浸料料块裁剪，在阳模1表面进行整体缠绕铺层，形成螺旋天线支撑介质管的筒体，筒底铺层向筒体方向下翻与筒体铺层搭接，完成介质管的铺层；
将阳模1上的铺层外表面整体缠绕热收缩带，在烘箱等加热装置中进行亚胺化，亚胺化工艺为：升温至120℃，保温1.5小时。
亚胺化完成后将分块阴模2和亚胺化后的铺层组装在一起送入热压罐中进行共固化。固化工艺为：固化阶段升温至210℃时，压力1.4MPa。继续升温至370℃，保温保压3小时，即可成型得到整体成型的聚酰亚胺复合材料螺旋天线支撑介质管毛坯件。
转入机械加工工序，按照图4进行外型面、螺旋线的加工和制孔。
制备的螺旋天线支撑介质管玻璃化转变温度高达395℃，室温弯曲强度为500MPa，弯曲模量19GPa，350℃下弯曲强度保持率为62％，弯曲模量保持率为90％，室温拉伸强度为530MPa，拉伸模量20GPa，热导率为0.50W/(m·K)，平均比热容为1.18kJ/(kg·K)，介电常数(常温：1.3～2.5GHz)为3.1～3.2，损耗角正切(1.3～2.5GHz)为0.005，密度为1.58g/cm3。
将上述得到的介质管应用到空间返回器的天线系统上，能够通过飞行试验验证。简单方法、耐低温、耐辐射、耐腐蚀、化学稳定、力学性能优异等优点。
实施例2
树脂选用同实施例1，增强体为QW110石英纤维斜纹布，含胶量为50％，单层厚度为0.10mm。
螺旋天线支撑介质管筒体厚度为2mm、筒底厚度为2mm，筒体、筒底铺层数量均为20层。按照产品设计尺寸进行预浸料料块裁剪，在阳模1表面进行整体缠绕铺层，形成螺旋天线支撑介质管的筒体，筒底铺层向筒体方向下翻与筒体铺层搭接，完成介质管的铺层；
将阳模1上的铺层料外表面整体缠绕热收缩带，在烘箱等加热装置中进行亚胺化，亚胺化工艺为：升温至200℃，压力0.6MPa，保温0.5小时。
亚胺化完成后将分块阴模2和亚胺化后的铺层料组装在一起送入热压罐中进行共固化。固化工艺为：升温至260℃时，压力1.8MPa。继续升温至350℃，保温保压2小时，即可成型得到整体成型的聚酰亚胺复合材料螺旋天线支撑介质管毛坯件。
转入机械加工工序，按照图4进行内外型面、螺旋线的加工和制孔。
制备的螺旋天线支撑介质管玻璃化转变温度高达388℃，室温弯曲强度为520MPa，弯曲模量20GPa，350℃下弯曲强度保持率为62％，弯曲模量保持率为90％，室温拉伸强度为580MPa，拉伸模量21GPa，热导率为0.55W/(m·K)，平均比热容为1.20kJ/(kg·K)，介电常数(常温：1.3～2.5GHz)为3.2～3.3，损耗角正切(1.3～2.5GHz)为0.006，密度为1.60g/cm3。
实施例3
树脂选用同实施例1，增强体为EW220玻璃纤维斜纹布，含胶量为55％，单层厚度为0.20mm。
螺旋天线支撑介质管筒体为2mm、筒底为2mm，罩体、筒体、筒底铺层数量均为10层。按照产品设计尺寸进行预浸料料块裁剪，在阳模1表面进行整体缠绕铺层，形成螺旋天线支撑介质管的筒体，筒底铺层向筒体方向下翻与筒体铺层搭接，完成介质管的铺层；
将阳模1上的铺层料外表面整体缠绕热收缩带，在烘箱等加热装置中进行亚胺化，亚胺化工艺为：升温至170℃，保温1.5小时。
亚胺化完成后将分块阴模2和亚胺化后的铺层料组装在一起送入热压罐中进行共固化。固化工艺为：升温至260℃时，压力1.8MPa。继续升温至400℃，保温保压2小时，即可成型得到整体成型的聚酰亚胺复合材料螺旋天线支撑介质管毛坯件。
转入机械加工工序，按照图4进行内外型面、螺旋线的加工和制孔。
制备的螺旋天线支撑介质管玻璃化转变温度高达383℃，室温弯曲强度为450MPa，弯曲模量19GPa，350℃下弯曲强度保持率为55％，弯曲模量保持率为86％，室温拉伸强度为478MPa，拉伸模量20GPa，热导率为0.58W/(m·K)，平均比热容为1.22kJ/(kg·K)，介电常数(常温：1.3～2.5GHz)为3.2～3.4，损耗角正切(1.3～2.5GHz)为0.008，密度为1.70g/cm3。
实施例4
树脂选用同实施例1，增强体为SW110玻璃纤维斜纹布，含胶量为50％，单层厚度为0.10mm。
螺旋天线支撑介质管筒体为2mm、筒底为2mm，罩体、筒体、筒底铺层数量均为20层。按照产品设计尺寸进行预浸料料块裁剪，在阳模1表面进行整体缠绕铺层，形成螺旋天线支撑介质管的筒体，筒底铺层向筒体方向下翻与筒体铺层搭接，完成介质管的铺层；
将阳模1上的铺层料外表面整体缠绕热收缩带，在烘箱等加热装置中进行亚胺化，亚胺化工艺为：升温至200℃，保温1.0小时。
亚胺化完成后将分块阴模2和亚胺化后的铺层料组装在一起送入热压罐中进行共固化。固化工艺为：升温至230℃时，压力2.0MPa。继续升温至400℃，保温保压2小时，即可成型得到整体成型的聚酰亚胺复合材料螺旋天线支撑介质管毛坯件。
转入机械加工工序，按照图4进行内外型面、螺旋线的加工和制孔。
制备的螺旋天线支撑介质管玻璃化转变温度高达386℃，室温弯曲强度为550MPa，弯曲模量25GPa，350℃下弯曲强度保持率为63％，弯曲模量保持率为91％，室温拉伸强度为590MPa，拉伸模量25GPa，热导率为0.58W/(m·K)，平均比热容为1.22kJ/(kg·K)，介电常数(常温：1.3～2.5GHz)为3.2～3.4，损耗角正切(1.3～2.5GHz)为0.007，密度为1.67g/cm3。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种耐高温聚酰亚胺复合材料薄壁螺旋天线支撑介质管的成型方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤(一)制备螺旋天线支撑介质管的成型模具，所述的螺旋天线支撑介质管成型模具包括带有翻边的阳模和分块阴模，分块阴模的内型面与阳模的外型面相匹配；
步骤(二)螺旋天线支撑介质管整体成型，具体方法如下：
(1)螺旋天线支撑介质管预浸料铺层
在阳模的外型面上采用湿法耐高温聚酰亚胺预浸料按照介质管的螺旋线走向进行螺旋整体缠绕铺层，形成螺旋天线支撑介质管的筒体，筒底铺层向筒体方向下翻与筒体铺层搭接，完成介质管的铺层；
(2)亚胺化
铺层完成后将阳模上的铺层外表面整体缠绕热收缩带，然后进行亚胺化；
(3)热压罐固化
亚胺化完成后拆除热收缩带，将分块阴模安装在阳模所对应的铺层外表面，包覆真空袋后在热压罐内进行固化；
(4)机械加工
热压罐固化完成后依次拆除真空袋、分块阴模和阳模，得到螺旋天线支撑介质管的毛坯件，将螺旋天线支撑介质管的毛坯件按照要求加工出外型面及螺旋线，完成螺旋天线支撑介质管整体成型。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温聚酰亚胺复合材料薄壁螺旋天线支撑介质管的成型方法，其特征在于：所述的步骤(二)中的耐高温聚酰亚胺预浸料包括增强体和树脂，其中增强体为石英纤维、M玻璃纤维、高硅氧玻璃纤维、E型玻璃纤维或S型玻璃纤维中的一种；树脂为以苯乙炔基苯酐PEPA为封端剂的PMR型热固性聚酰亚胺树脂，且树脂的Tg≥400℃；所述的增强体的组织结构为平纹、斜纹或缎纹。
3.根据权利要求1所述的一种耐高温聚酰亚胺复合材料薄壁螺旋天线支撑介质管的成型方法，其特征在于：所述的步骤(二)中的热收缩带为耐温等级不小于120℃的聚酯类薄膜带。
4.根据权利要求1所述的一种耐高温聚酰亚胺复合材料薄壁螺旋天线支撑介质管的成型方法，其特征在于：所述的分块阴模为三块分块结构、四块分块结构或六块分块结构。
5.根据权利要求1所述的一种耐高温聚酰亚胺复合材料薄壁螺旋天线支撑介质管的成型方法，其特征在于：步骤(2)中亚胺化参数为：温度120℃～230℃，时间0.5～2.0h。
6.根据权利要求1所述的一种耐高温聚酰亚胺复合材料薄壁螺旋天线支撑介质管的成型方法，其特征在于：步骤(3)中固化工艺为温度升至170～230℃时，加压0.6～0.8MPa，继续升温至320～350℃加压1.4～2.5MPa，继续升温至350～420℃，保温保压1～4小时。
7.根据权利要求1所述的一种耐高温聚酰亚胺复合材料薄壁螺旋天线支撑介质管的成型方法，其特征在于：所述的螺旋天线支撑介质管能够应用于深空探测器天线系统组件。
8.根据权利要求1所述的一种耐高温聚酰亚胺复合材料薄壁螺旋天线支撑介质管的成型方法，其特征在于：所述的螺旋天线支撑介质管能够应用于空间返回器。
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