CN106507737B - 潜用复合材料天线罩的压渗成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种潜用复合材料天线罩的压渗成型方法，要解决的技术问题是提供一种复合材料天线罩的低成本整体制备方法，使得制备的复合材料天线罩尺寸严格、壁厚均一、内外表面光滑、介电性能优良、整体承载性能高。技术方案是先准备模具和材料，再制备纤维增强预成型体，并合模密封，然后连接阀门及管路，进行树脂混配、储胶罐进胶，接着进行树脂压渗，包括常压浸渗和加压浸渗，最后进行固化和脱模及后处理。采用本发明制备复合材料天线罩操作简便，成本低；可灵活调节树脂胶液向模腔的压渗速度，调节范围大，特别有利于具有厚壁结构的复合材料天线罩的缓慢浸渍与整体成型。

Description

潜用复合材料天线罩的压渗成型方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料构件的制备方法，尤其是一种用于保护潜艇通信系统的复合材料天线罩的整体成型方法。

背景技术

潜艇作为现代海军的重要作战力量，在现代攻防体系中起着举足轻重的作用。潜艇装备的先进雷达对抗侦察设备为保障潜艇平台的安全、隐蔽攻击和情报侦察发挥越来越重要的作用。

雷达天线-天线罩系统是潜艇通信系统重要的硬件设施之一。天线罩用于承受深海水压，隔离海水环境，保障罩内天线在恶劣环境条件下能够正常工作。罩体材料的力学性能和介电性能要求很高：第一，罩体材料必须具有优良的力学性能。潜艇经常在深水中活动，深水压力大，因此，天线罩所选材料必须要有足够的强度，模量和韧性，以承受潜艇工作时所处的深水压强，保护罩体乃至整个潜艇的安全。第二，罩体材料必须具有优良的介电性能。罩体介质可以隔绝海水，维护天线系统正常的工作环境，但也会导致天线系统发射和接收的电磁波信号衰减、失真或畸变。透过天线罩的电磁波由于罩壁引起的电厚度变化会导致天线增益损失、波束宽度变化、波束偏移及副瓣电平抬高。因此，天线罩所选材料必须具有优良的介电性能，即介电常数(ε)和介电损耗角正切(tgδ)尽可能小，增强天线罩的透波能力。

根据天线罩的使用性能要求，一般采用具有透波功能的玻璃纤维复合材料来制备潜用天线罩。要达到雷达天线罩的电性能与结构一体化和最优化制备，除了精选组分材料、严控组分比例外，还与制品制备的工艺水平有很大的关系。尺寸合格、壁厚均一、浸渍优良、表面光滑、纤维分布均匀是高质量天线罩制品的基本要求。

目前，国内对于单层结构复合材料天线罩主要采用手糊、缠绕和树脂传递模塑(RTM)工艺成型。手糊天线罩壁厚及树脂含量不均匀，对电性能的影响大，且制品受人工因素影响大，质量不稳定；缠绕工艺成型需要专用的缠绕设备，成本投资高，对操作人员的要求也高，而且，缠绕工艺无法整体成型带外翻边法兰的复合材料结构件，也无法成型内外表面光滑的复合材料结构件。

带翻边法兰的复合材料天线罩可以采用RTM工艺整体成型。RTM(Resin TransferMolding，树脂传递模塑)是复合材料的一种成型工艺，其基本原理是在模具的型腔中预先放置增强材料，合模夹紧后，在一定的温度和压力下，将经静态混合器混合均匀的树脂体系注入模腔，浸渍增强材料并固化，最后脱模得到制品。

RTM工艺具体步骤如下：

①模具准备。RTM模具系统主要由阴模和阳模组成闭合模腔，模具准备工作主要对阴模和阳模的工作表面进行清理、打磨和涂覆脱模剂。②材料准备。材料准备主要包括增强材料准备和树脂体系准备。其中，增强材料准备是将增强纤维或织物等剪裁、烘干，备用；树脂体系准备是根据制品使用要求和注射工艺条件，选择合适的树脂体系，并对基体树脂、助剂进行称量、纯化、脱泡处理，以备RTM注射。③纤维增强预成型体制备。在处理好的模具上，用准备好的增强材料进行铺层，得到多孔的纤维增强预成型体；或者采用缠绕、编织等其他方法制备出纤维增强预成型体，然后铺放在模具上。④合模密封。将带有纤维增强预成型体的阴模和阳模系统套合装配起来，使纤维增强预成型体正好填充在阴、阳模具组成的模腔中；在模具系统紧固、密封后，进行真空检查；真空检查合格后，方可使模具系统进入下一步注射工序。⑤树脂注射。将准备好的树脂体系经过RTM注射设备均匀混合后，通过注胶口注射进入填充有纤维增强预成型体的模腔中，使液态树脂浸渍多孔的纤维增强预成型体。⑥固化。加热模具系统，使模腔中的液态树脂发生化学交联反应，固化，得到纤维增强的复合材料制品(在模腔中)。⑦脱模及后处理。将包裹复合材料制品的阴、阳模具脱除，得到复合材料坯品；对坯品进行必要的后加工处理，得到复合材料制品。

采用RTM工艺制备复合材料天线罩，制品尺寸、壁厚、内外表面均由模具保证，容易满足设计要求。但是，厚壁复合材料天线罩的成型，必须采取缓慢注射的方法来制备，才能保证树脂胶液完全、充分浸渍纤维增强预成型体，进而固化得到高质量的复合材料天线罩。

可是，RTM注射机的注射速度可调节范围小，难以满足高质量的厚壁天线罩必须缓慢注射、浸渍的要求。且RTM工艺需要专用的注射机，设备成本高。因此改进RTM工艺，控制注射、浸渍速度，是得到性能优良的天线罩制品的关键。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种复合材料天线罩的低成本整体制备方法，即采用压渗方法整体制备复合材料天线罩，不论罩壁有多厚，均能浸渍充分、浸胶均匀，制备的复合材料天线罩尺寸严格、壁厚均一、内外表面光滑、介电性能优良、整体承载性能高、可广泛应用于各型潜艇通信系统的雷达天线保护罩。

本发明的技术方案包括以下步骤：

第一步，准备模具系统：

压渗成型的模具系统由阴模和阳模组成，阴模、阳模的形状、大小依据制品进行设计、加工。阴、阳模具配合形成闭合模腔。模具系统准备工作是指对模具表面进行处理：对阳模和阴模的工作表面进行清理、打磨、涂覆脱模剂，得到备用模具系统。

第二步，准备材料：

步骤2.1.准备增强材料：将增强纤维或织物按设计样板进行剪裁、烘干。

步骤2.2.选择树脂体系：根据天线罩使用工况和压渗工艺要求，由试验筛选出力学性能、电磁性能皆满足天线罩使用要求，压注温度下粘度不大于500mPa.s，适用期不小于12h，60～200℃范围内固化的树脂体系。

步骤2.3.准备树脂体系：对基体树脂、助剂进行称量、纯化和脱泡处理。

第三步，制备纤维增强预成型体：

步骤3.1.设计并优化铺层结构：根据天线罩的使用工况和承载要求，采用复合材料层合理论，运用商用ANSYS软件平台，以天线罩的承载能力、形变为优化指标，结合天线罩电磁透波模拟结果，对复合材料天线罩的铺层结构进行设计和优化，得到复合材料天线罩铺层结构的优化设计结果。

步骤3.2.制备纤维增强预成型体：运用天线罩铺层结构的优化设计结果，在阳模上进行增强织物的铺层缝合，得到复合材料天线罩的纤维增强预成型体，或采用编织方法制备出天线罩预成型体后再放置到阳模上，当考虑低成本制备时，通常采用在阳模上进行增强织物铺层缝合的方法制备天线罩的纤维增强预成型体。

第四步，合模密封：

步骤4.1.合模装配：对铺放有纤维增强预成型体的阳模和阴模进行合模操作，得到模腔内填充有纤维增强预成型体的模具系统。

步骤4.2.密封检验：采用真空压力表检验模腔的气密性，当表压指示模腔的真空度达到或接近-1.0atm并保持12h以上压力不变时，表示模具系统密封合格，否则，检查、堵塞模具漏气点直至模具密封合格。

第五步，连接阀门及管路：

步骤5.1.储胶罐准备：采用可耐受10atm内压的金属储胶罐，储胶罐由罐底和口盖组成。在罐底底部中心螺接第一T型接头，在口盖上螺接第二T型接头、第一直通接头和第二直通接头，通过第一T型接头和第二T型接头的水平接口连接好透明液面计。

步骤5.2.连接储胶罐与模具系统：在第一T型接头的垂直接口上连接注胶阀门，注胶阀门通过耐压连接软管与模具系统的注胶口连接，模具系统上连接有第一真空泵。

步骤5.3.连接储胶罐与高压气瓶：在第二T型接头的垂直接口上连接加压阀门，加压阀门通过耐压连接管与减压阀门及高压气瓶相连。

步骤5.4.连接储胶罐与真空泵：在第一直通接头上连接真空阀门，真空阀门通过耐压连接管与第二真空泵相连。

步骤5.5.连接储胶罐与配胶桶：在第二直通接头的下端连接硬质进胶管，硬质进胶管插入储胶罐底部；第二直通接头上端连接进胶阀门，进胶阀门通过耐压连接管插入配胶桶的树脂液面下。

第六步，树脂混配，储胶罐进胶：

步骤6.1.树脂混配：将准备好的树脂体系倒入配胶桶后均匀混合，静置。

步骤6.2.储胶罐抽真空：关闭储胶罐所连接的注胶阀门、进胶阀门和加压阀门，打开真空阀门，启动与储胶罐连接的第二真空泵，使储胶罐内压力达到或接近-1.0atm。

步骤6.3.抽吸树脂：将进胶管插入配胶桶的树脂胶液里，打开进胶阀门，使配胶桶中的混配树脂在真空负压作用下全部吸入储胶罐中。

步骤6.4.真空脱泡：关闭储胶罐的进胶阀门，继续对储胶罐抽真空，使储胶罐中的树脂胶液脱泡干净。脱泡干净后，停止第二真空泵，打开真空阀门，使储胶罐恢复常压。

第七步，树脂压渗：

步骤7.1.模具系统抽真空：启动与模具系统连接的真空泵，使模具系统达到或接近-1.0atm。

步骤7.2.常压浸渗：打开储胶罐的注胶阀门，使罐中树脂胶液在常压作用下进入填充有纤维增强预成型体的模腔中，浸渍多孔的纤维增强预成型体。压注时，观察储胶罐液面计的液面下降速度，通过注胶阀门的开启程度调节、控制液面的下降速度。

步骤7.3.加压浸渗：在树脂胶液粘度增高、压注压力损失、压注速度降低后，或是其他需要快速压注的情况下，将注胶阀门完全开启，关闭储胶罐上的真空阀门，依次打开加压阀门和高压气瓶的减压阀门，向储胶罐内加充氮气。同时观察储胶罐液面计的液面下降速度，通过调节储胶罐内的压力大小和注胶阀门的开启程度，控制液面的下降速度。

步骤7.4.添加树脂：在压注过程中，通过储胶罐液面计观察储胶罐中树脂胶液的液面高度，当树脂胶液不够时，先按第六步步骤6.1进行树脂混配，然后关闭注胶阀门，按第六步步骤6.2至步骤6.4的过程往储胶罐中添加树脂胶液，进胶、脱泡完毕后再进行第七步树脂压渗。

第八步，固化：

将完成树脂压渗的模具系统转移进烘箱，按照树脂体系的固化制度进行程序升温，使注入模腔中的液态树脂发生化学交联反应，固化，得到纤维增强的复合材料天线罩制品(在模腔中)。

第九步，脱模及后处理：

将包裹复合材料天线罩制品的阴、阳模具脱除，清除飞边，得到复合材料天线罩坯品。根据设计要求，对坯品进行必要的后加工处理，得到复合材料天线罩制品。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1.本发明采用压渗工艺制备复合材料天线罩，工艺步骤与RTM类似，操作简便，制备成本低。

2.本发明采用储胶罐代替RTM注射机，成本低廉，制作简便，容易实施。

3.本发明第七步采用了常压浸渗和加压浸渗的方法，通过控制注胶阀门的开启程度和储胶罐压力的大小，可灵活调节树脂胶液向模腔的压渗速度，调节范围大，远远超过RTM注射机的可调范围。

4.本发明第七步采用了常压浸渗和加压浸渗的方法，方便实现厚壁复合材料天线罩构件的缓慢浸渗，浸渗质量均匀，特别有利于具有厚壁结构的复合材料天线罩的缓慢浸渍与整体成型。

5.采用本发明整体制备的复合材料天线罩外形尺寸、形位公差受模具系统的保证，容易满足设计要求。

附图说明

图1是潜用天线罩剖面图；

图2是背景技术RTM工艺流程图；

图3是本发明流程图；

图4是本发明第五步管路连接示意图。

具体实施方式

图1是潜用天线罩剖面图，天线罩由外翻边法兰1和罩体2构成，天线罩通过法兰1与艇体接口连接。

图2是背景技术RTM工艺流程图，RTM工艺包括①准备模具系统，②准备材料，③制备增强材料预成型体，④合模密封，⑤树脂注射，⑥固化，⑦脱模及后处理七步。

图3是本发明流程图，本发明包括①准备模具系统，②准备材料，③制备增强材料预成型体，④合模密封，⑤连接阀门及管路，⑥树脂混配，储胶罐进胶，⑦树脂压渗，⑧固化，⑨脱模及后处理九步。与图2的不同之处在于以下几点：第一，用连接阀门及管路、树脂混配储胶罐进胶及树脂压渗三步代替了RTM工艺中的树脂注射，使得树脂浸渗的速度充分可调，完全满足了厚壁复合材料构件对树脂浸渗的要求；第二，在材料准备阶段，准备适用期大于12h的树脂体系；第三，在树脂压注浸渍阶段，采用低成本的储胶罐代替了专用的RTM注射机，设备成本低廉，工艺操作容易实现。

图4是本发明第五步管路连接示意图，图中的黑色粗实线表示耐压连接管路。储胶罐由罐底3和口盖4组成，罐底3底部中心螺接第一T型接头5，口盖4上螺接第二T型接头6、第一直通接头7和第二直通接头8，通过第一T型接头5和第二T型接头6的水平接口连接有透明液面计9。第一T型接头5的垂直接口上连接注胶阀门10，注胶阀门10通过耐压连接软管与模具系统20的注胶口连接(模具系统20上连接有第一真空泵11)。第二T型接头6的垂直接口上连接加压阀门12，加压阀门12通过耐压连接管与减压阀门13及高压气瓶14相连。第一直通接头7上连接真空阀门15，真空阀门15通过耐压连接管与第二真空泵16相连。第二直通接头8的下端连接硬质进胶管17，硬质进胶管17插入储胶罐底部；第二直通接头8上端连接进胶阀门18，进胶阀门18通过耐压连接管插入配胶桶19的树脂液面下。

国防科技大学采用本发明试制了直径400～700mm，高度400～600mm，壁厚10～20mm的复合材料厚壁天线罩，制品外形完整，实测各部分尺寸及形位公差满足设计文件要求。与传统RTM成型的复合材料厚壁天线罩相比，采用本发明制备的天线罩制品浸胶均匀、浸渍充分，表面及内部没有局部浸渍不良、气泡包夹等缺陷；用灯光照射，通体透明，质量均匀。

试制的各型复合材料天线罩均具有优异的机械性能及电磁性能，全部通过了承载性能考核及通信设备整体性能测试，完全满足设计指标的要求。采用本发明制备的某型号潜艇复合材料天线罩制品，顺利通过了定型综合试验考核，各项性能指标完全满足某型潜艇通信系统定型生产的性能要求，可以转入批量试生产。

Claims (6)

1.一种潜用复合材料天线罩的压渗成型方法，包括以下步骤：

第一步，准备模具系统(20)：对由阴模和阳模组成的模具表面进行处理，即对阳模和阴模的工作表面进行清理、打磨、涂覆脱模剂，得到备用模具系统(20)；

第二步，准备材料：

步骤2.1.增强材料准备：将增强纤维或织物按设计样板进行剪裁、烘干；

步骤2.2.选择树脂体系；

步骤2.3.树脂体系准备：对基体树脂、助剂进行称量、纯化和脱泡处理；

第三步，制备纤维增强预成型体；

第四步，合模密封；

第八步，固化：将完成树脂压渗的模具系统(20)转移进烘箱，按照树脂体系的固化制度进行程序升温，使注入模腔中的液态树脂发生化学交联反应，固化，得到纤维增强的复合材料天线罩制品；

第九步，脱模及后处理：将包裹复合材料天线罩制品的阴、阳模具脱除，清除飞边，得到复合材料天线罩坯品，且根据设计要求对坯品进行后加工处理，得到复合材料天线罩制品；

其特征在于在合模密封和固化步骤之间要进行以下三个步骤：

第五步，连接阀门及管路，方法是：

步骤5.1.储胶罐准备：采用由罐底(3)和口盖(4)组成的储胶罐，在罐底(3)底部中心螺接第一T型接头(5)，在口盖(4)上螺接第二T型接头(6)、第一直通接头(7)和第二直通接头(8)，通过第一T型接头(5)和第二T型接头(6)的水平接口连接好透明液面计(9)；

步骤5.2.连接储胶罐与模具系统(20)：在第一T型接头(5)的垂直接口上连接注胶阀门(10)，注胶阀门(10)通过耐压连接软管与模具系统(20)的注胶口连接，模具系统(20)上连接有第一真空泵(11)；

步骤5.3.连接储胶罐与高压气瓶(14)：在第二T型接头(6)的垂直接口上连接加压阀门(12)，加压阀门(12)通过耐压连接管与减压阀门(13)及高压气瓶(14)相连；

步骤5.4.连接储胶罐与第二真空泵(16)：在第一直通接头(7)上连接真空阀门(15)，真空阀门(15)通过耐压连接管与第二真空泵(16)相连；

步骤5.5.连接储胶罐与配胶桶(19)：在第二直通接头(8)的下端连接硬质进胶管(17)，硬质进胶管(17)插入储胶罐底部；第二直通接头(8)上端连接进胶阀门(18)，进胶阀门(18)通过耐压连接管插入配胶桶(19)的树脂液面下；

第六步，树脂混配，储胶罐进胶：

步骤6.1.树脂混配：将准备好的树脂体系倒入配胶桶(19)后均匀混合，静置；

步骤6.2.储胶罐抽真空：关闭储胶罐所连接的注胶阀门(10)、进胶阀门(18)和加压阀门(12)，打开真空阀门(15)，启动与储胶罐连接的第二真空泵(16)，使储胶罐内压力达到或接近-1.0atm；

步骤6.3.抽吸树脂：将进胶管插入配胶桶(19)的树脂胶液里，打开进胶阀门(18)，使配胶桶(19)中的混配树脂在真空负压作用下全部吸入储胶罐中；

步骤6.4.真空脱泡：关闭储胶罐的进胶阀门(18)，继续对储胶罐抽真空，使储胶罐中的树脂胶液脱泡干净，脱泡干净后，停止第二真空泵(16)，打开真空阀门(15)，使储胶罐恢复常压；

第七步，树脂压渗：

步骤7.1.模具系统(20)抽真空：启动与模具系统(20)连接的第一真空泵(11)，使模具系统(20)的模腔达到或接近-1.0atm；

步骤7.2.常压浸渗：打开储胶罐的注胶阀门(10)，使罐中树脂胶液在常压作用下进入填充有纤维增强预成型体的模腔中，浸渍多孔的纤维增强预成型体，压注时，观察储胶罐液面计(9)的液面下降速度，通过注胶阀门(10)的开启程度调节、控制液面的下降速度；

步骤7.3.加压浸渗：在树脂胶液粘度增高、压注压力损失、压注速度降低后，或是其他需要快速压注的情况下，将注胶阀门(10)完全开启，关闭储胶罐上的真空阀门(15)，依次打开加压阀门(12)和高压气瓶(14)的减压阀门(13)，向储胶罐内加充氮气，同时观察储胶罐液面计(9)的液面下降速度，通过调节储胶罐内的压力大小和注胶阀门(10)的开启程度，控制液面的下降速度。

2.如权利要求1所述的潜用复合材料天线罩的压渗成型方法，其特征在于所述树脂体系的选择方法是：根据天线罩使用工况和压渗工艺要求，由试验筛选出力学性能、电磁性能皆满足天线罩使用要求，压注温度下粘度不大于500mPa.s，适用期不小于12h，60～200℃范围内固化的树脂体系。

3.如权利要求1所述的潜用复合材料天线罩的压渗成型方法，其特征在于所述制备纤维增强预成型体的方法是：

步骤3.1.设计并优化铺层结构：根据天线罩的使用工况和承载要求，采用复合材料层合理论，运用商用ANSYS软件平台，以天线罩的承载能力、形变为优化指标，结合天线罩电磁透波模拟结果，对复合材料天线罩的铺层结构进行设计和优化，得到复合材料天线罩铺层结构的优化设计结果；

步骤3.2.制备纤维增强预成型体：运用天线罩铺层结构的优化设计结果，在阳模上进行增强织物的铺层缝合，得到复合材料天线罩的纤维增强预成型体，或采用编织方法制备出天线罩预成型体后再放置到阳模上。

4.如权利要求1所述的潜用复合材料天线罩的压渗成型方法，其特征在于所述合模密封的方法是：

步骤4.1.合模装配：对铺放有纤维增强预成型体的阳模和阴模进行合模操作，得到模腔内填充有纤维增强预成型体的模具系统(20)；

步骤4.2.密封检验：采用真空压力表检验模腔的气密性，当表压指示模腔的真空度达到或接近-1.0atm并保持12h以上压力不变时，表示模具系统(20)密封合格，否则，检查、堵塞模具漏气点直至模具密封合格。

5.如权利要求1所述的潜用复合材料天线罩的压渗成型方法，其特征在于所述储胶罐采用可耐受10atm内压的金属储胶罐。

6.如权利要求1所述的潜用复合材料天线罩的压渗成型方法，其特征在于在压注过程中，通过储胶罐液面计(9)观察储胶罐中树脂胶液的液面高度，当树脂胶液不够时，按以下方法添加树脂：先按第六步步骤6.1进行树脂混配，然后关闭注胶阀门(10)，按第六步步骤6.2至步骤6.4的过程往储胶罐中添加树脂胶液，进胶、脱泡完毕后再进行第七步树脂压渗。