CN106671557A - 一种芳纶纤维复合材料频率选择面反射器成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种芳纶纤维复合材料频率选择面反射器的成型方法。发明主要通过使用“B”阶段预固化的NOMEX蜂窝芯、反射器采用多步成型法、固化后反射器进行热循环时效和室温时效处理、反射器基体表面使用胶膜粘接覆铜聚酰亚胺膜等方法，解决了芳纶纤维复合材料频率选择面反射器型面精度控制以及表面金属阵列的成型等问题。

Description

一种芳纶纤维复合材料频率选择面反射器成型方法

技术领域

本发明涉及复合材料成型制造领域，特别是涉及应用在航天领域的芳纶纤维复合材料频率选择面反射器成型制造技术领域。

背景技术

卫星通讯技术的高速发展对航天领域天线类设备的轻量化、高精度、高稳定性等方面提出了更高的要求。由于芳纶纤维复合材料具有优异的力学性能、抗老化性能、电绝缘性能、透波性能、低的线膨胀系数等特点，使其在卫星天线工程中有着广阔的应用前景。特别是在机载、舰载、星载雷达天线罩，双栅天线反射器、频率选择面反射器、相控阵面天线、天线支撑结构件等方面，芳纶纤维复合材料得到了广泛的应用。

频率选择面反射器是一种具有特殊性质的周期性金属图案的介质板，其典型结构如图1所示，包括1-金属阵列、2-芳纶纤维复合材料、3-胶膜、4-Nomex蜂窝芯。它可以在一定频段上全透过电磁波,而在另一频段上全反射电磁波。其反射功能依靠反射器上排列的金属阵列来实现，透过则要求制件材料具有极高的电磁波透过性能。频率选择面反射器的材料需具备结构材料和功能材料的双重特性，采用芳纶纤维复合材料制造频率选择面反射器，发挥其优异的透波性能和较低的热膨胀系数的特点，可同时满足结构材料和功能材料的双重要求。

由于复合材料基体表面金属阵列的存在，对电设计、测试、结构设计、制造工艺等方面都提出了很高的要求。目前国内在频率选择面反射器方面的研究仍处于试验阶段。一般在非金属材料基体上实现表面金属化的方法有金属喷涂、铺覆金属网、真空镀膜等技术。对于频率选择面反射器来讲，表面金属阵列要求按一定的周期进行排布。金属喷涂法形成的涂层表面粗糙多孔，图形质量不易保证，铺覆金属网只能形成特定的网格图形，而真空镀膜形成的镀层附着力较差、容易出现龟裂，同时需要大型的镀膜设备。因此，基体表面金属阵列的成型是芳纶纤维复合材料频率选择面反射器制造的难点之一。

频率选择面反射器的型面精度也是卫星最重要的性能指标之一，国内外都在根据用途需要向高精度、超高精度发展。复合材料制件在固化成型过程中由于材料的热胀冷缩效应、基体树脂的化学反应放热效应、树脂的化学收缩、蜂窝芯成型产生的应力以及复合材料与模具材料在热膨胀系数上的显著差异等原因，会导致制件固化后会产生一定的内应力。而太空环境中，温度变化范围很大，复合材料制件在剧烈的温差变化过程中内应力逐渐释放，会导致制件发生较大程度的变形，难以满足实际使用要求。因此，型面精度的控制是芳纶纤维复合材料频率选择面反射器制造的又一关键技术难点。

发明内容

本发明的目的是提供一种芳纶纤维复合材料频率选择面反射器的成型方法。发明主要通过使用“B”阶段预固化的NOMEX蜂窝芯、反射器采用多步成型法、固化后反射器进行热循环时效和室温时效处理、反射器基体表面使用胶膜粘接覆铜聚酰亚胺膜等方法，解决了芳纶纤维复合材料频率选择面反射器型面精度控制以及表面金属阵列的成型等问题。

一种芳纶纤维复合材料频率选择面反射器的成型方法，包括以下步骤：

1)加工反射器成型模

反射器成型模具工作面按反射器的反射面进行加工，成型模要求中空结构，厚度要求不大于20mm，表面粗糙度不大于0.8，型面精度不大于产品型面精度要求值的1/3

2)蜂窝芯预成型

在反射器成型模具上铺贴“B”阶段预固化NOMEX蜂窝芯，制袋后按照蜂窝芯的固化参数要求在热压罐中进行固化成型

3)上蒙皮(非工作面)成型

以反射器成型模具为依据，制造一个用于上蒙皮成型的假件，在假件上铺贴上蒙皮预浸料，铺贴层数及具体的方向按设计图纸要求，铺贴过程中要求每层必须进行真空压实，铺贴完成后制袋，按照预浸料的固化参数要求在热压罐中进行固化

4)下蒙皮(反射面)成型

在反射器成型模具上铺贴下蒙皮预浸料，铺贴层数及具体的方向按设计要求，在待胶接面铺贴一层撕下层，铺贴过程中要求每层必须进行真空压实，铺贴完成后制袋，按照预浸料的固化参数要求在热压罐中进行固化

5)上下蒙皮组合

去除下蒙皮待胶接面撕下层，上蒙皮待胶接面进行轻微打磨清理，去除表面脱模剂，然后在上、下蒙皮待胶接面铺贴胶膜，在成型模具上进行组合，制袋后进行真空压实，按照胶膜的固化参数要求在热压罐中进行固化

6)热循环时效及室温时效

反射器固化完成后不拆袋，在热压罐或烘箱中进行热循环时效，过程中持续抽真空，在“室温～100℃～室温”范围内以≤3℃/min反复进行升降温3～7个循环，然后出罐后在室温条件下仍持续抽真空时效10～15天

7)无损检测

对反射器粘接质量进行无损检测

8)粘接覆铜聚酰亚胺膜

在反射器工作面铺贴一层胶膜，然后铺贴覆铜聚酰亚胺膜，铺贴时，聚酰亚胺膜使用窄条铺贴，然后将贴膜一面扣在反射器成型模具上，制袋后按照胶膜固化参数要求在热压罐中进行固化

9)型面测试

测试反射器的型面精度。

本发明的有益效果在于：

1)选用“B”阶段预固化的NOMEX蜂窝芯在成型模具上先进行预固化，避免了直接使用已固化的刚性NOMEX蜂窝芯成型大曲率零件时无法贴胎，使零件成型过程中产生较大内应力，造成零件变形的问题。

2)反射器采用多步成型法，依据反射器成型模具制造一个用于上蒙皮成型的假件(复材模具)，反射器的上、下蒙皮分别在假件及金属模具上先进行固化成型，然后在金属成型模具上进行组合胶接固化。有效保证了反射器工作面表面质量及型面精度。

3)反射器基体固化完成后进行了热循环时效和室温时效处理。热循环时效是将反射器在较低的升降温速率和真空环境下，在室温至100℃范围内进行高低温交替循环变化的锯齿时效。室温时效是将反射器室温条件下在保型模具上持续抽真空进行内应力释放。通过热循环时效和室温时效处理，有效避免了反射器在使用过程中因应力变形引起型面发生较大变化。

4)反射器基体表面金属阵列的成型是使用胶膜在基体表面粘接覆铜聚酰亚胺膜。覆铜聚酰亚胺膜可以根据设计需要选择不同的振子形状及排列规则，从而可以实现各种振子形状及排列规则的频率选择反射面的制造。同时，要求覆铜聚酰亚胺膜采用窄带铺贴，有效提高了基体表面金属阵列的粘接结合力及排列精度。

附图说明：

图1为频率选择面反射器结构示意图

图2为采用本发明制造的芳纶纤维复合材料频率选择反射面的工艺流程。

图中编号说明：1-金属阵列；2-芳纶纤维复合材料；3-胶膜；4-Nomex蜂窝芯。

具体实施方式：

如图1、图2所示，一种芳纶纤维复合材料频率选择面反射器的成型方法，包括以下步骤：

1)加工反射器成型模

反射器成型模具工作面按反射器的反射面进行加工，成型模要求中空结构，厚度要求不大于20mm，表面粗糙度不大于0.8，型面精度不大于产品型面精度要求值的1/3

2)蜂窝芯预成型

在反射器成型模具上铺贴“B”阶段预固化NOMEX蜂窝芯4，制袋后按照蜂窝芯的固化参数要求在热压罐中进行固化成型

3)上蒙皮(非工作面)成型

以反射器成型模具为依据，制造一个用于上蒙皮成型的假件，在假件上铺贴上蒙皮预浸料，铺贴层数及具体的方向按设计图纸要求，铺贴过程中要求每层必须进行真空压实，铺贴完成后制袋，按照预浸料的固化参数要求在热压罐中进行固化

4)下蒙皮(反射面)成型

在反射器成型模具上铺贴下蒙皮预浸料，铺贴层数及具体的方向按设计要求，在待胶接面铺贴一层撕下层，铺贴过程中要求每层必须进行真空压实，铺贴完成后制袋，按照预浸料的固化参数要求在热压罐中进行固化

5)上下蒙皮组合

去除下蒙皮待胶接面撕下层，上蒙皮待胶接面进行轻微打磨清理，去除表面脱模剂，然后在上、下蒙皮待胶接面铺贴胶膜，在成型模具上进行组合，制袋后进行真空压实，按照胶膜3的固化参数要求在热压罐中进行固化

6)热循环时效及室温时效

反射器固化完成后不拆袋，在热压罐或烘箱中进行热循环时效，过程中持续抽真空，在“室温～100℃～室温”范围内以≤3℃/min反复进行升降温3～7个循环，然后出罐后在室温条件下仍持续抽真空时效10～15天

7)无损检测

对反射器粘接质量进行无损检测

8)粘接覆铜聚酰亚胺膜

在反射器工作面铺贴一层胶膜3，然后铺贴覆铜聚酰亚胺膜，铺贴时，聚酰亚胺膜使用窄条铺贴，然后将贴膜一面扣在反射器成型模具上，制袋后按照胶膜3固化参数要求在热压罐中进行固化

9)型面测试

测试反射器的型面精度。

实施实例：某卫星频率选择副反射器制造

主材料：芳纶纤维预浸料Kevlar 49-120、胶膜REDUX 312UL、NOMEX蜂窝芯(“B”阶段预固化)、覆铜聚酰亚胺膜、泡沫胶FM410-1

1)反射器成型模具

反射器成型模具材料选用球墨铸铁，中空结构，厚度要求15mm，表面粗糙度不大于0.8，型面精度RMS不大于0.03。

2)蜂窝芯预成型

在反射器成型模具上铺贴“B”阶段预固化NOMEX蜂窝芯4，制袋后在热压罐中进行固化成型。

3)上蒙皮(非工作面)成型

以反射器成型模具为依据，制造一个用于上蒙皮成型的假件，假件厚度等于反射面蒙皮和蜂窝芯厚度之和。在假件上铺贴上蒙皮两层Kevlar 49-120预浸料，铺层方向[45°/0°]，铺贴过程中要求每层必须进行真空压实，铺贴完成后制袋，在热压罐中进行固化。

4)下蒙皮(反射面)成型

在反射器成型金属模具上铺贴下蒙皮两层Kevlar 49-120预浸料，铺层方向[0°/45°]，在待胶接面铺贴一层撕下层，铺贴过程中要求每层必须进行真空压实，铺贴完成后制袋，在热压罐中进行固化。

5)上下蒙皮组合

去除下蒙皮待胶接面撕下层，上蒙皮待胶接面进行轻微打磨清理，去除表面脱模剂，然后在上、下蒙皮待胶接面铺贴胶膜，按图纸要求在成型模具上组合，在预埋件位置填充泡沫胶，并按工装定位孔将埋件放置到位，使用销钉定位。制袋后进行真空压实，在热压罐中进行固化。

6)热循环时效及室温时效

反射器固化完成后不拆袋，在热压罐或烘箱中进行热循环时效，过程中持续抽真空，在“室温～100℃～室温”范围内以≤1℃/min反复进行升降温5个循环，然后出罐后在室温条件下仍持续抽真空时效10天。

7)无损检测

使用声阻法对反射器粘接质量进行无损检测。

8)粘接覆铜聚酰亚胺膜

在反射器工作面铺贴一层胶膜3，然后铺贴覆铜聚酰亚胺膜。铺贴时，聚酰亚胺膜使用窄条铺贴。然后将贴膜一面扣在反射器成型模具上，制袋后在热压罐中进行固化。

9)型面测试

使用照相法对反射器的型面进行测试。

在上述成型过程中，基体固化完成后进行热循环时效和室温时效的目的是为了让反射器固化过程中产生的内应力在人为环境下进行应力释放，减小反射器在热真空测试、真空环境冷热交替测试和空间环境下的应力变形。时效处理完成后，在反射器基体上使用胶膜3粘接覆铜聚酰亚胺膜。粘接时，为保证表面金属阵列1的排列精度，覆铜聚酰亚胺膜使用窄条铺贴。

使用上述方法成型的频率选择面反射器最终产品型面精度RMS为0.07mm，金属阵列精度≤±0.10mm，符合设计要求。产品经电讯测试，性能良好。

Claims (1)

1.一种芳纶纤维复合材料频率选择面反射器的成型方法，包括以下步骤：

1)加工反射器成型模

反射器成型模具工作面按反射器的反射面进行加工，成型模要求中空结构，厚度要求不大于20mm，表面粗糙度不大于0.8，型面精度不大于产品型面精度要求值的1/3

2)蜂窝芯预成型

在反射器成型模具上铺贴“B”阶段预固化NOMEX蜂窝芯，制袋后按照蜂窝芯的固化参数要求在热压罐中进行固化成型

3)上蒙皮(非工作面)成型

以反射器成型模具为依据，制造一个用于上蒙皮成型的假件，在假件上铺贴上蒙皮预浸料，铺贴层数及具体的方向按设计图纸要求，铺贴过程中要求每层必须进行真空压实，铺贴完成后制袋，按照预浸料的固化参数要求在热压罐中进行固化

4)下蒙皮(反射面)成型

在反射器成型模具上铺贴下蒙皮预浸料，铺贴层数及具体的方向按设计要求，在待胶接面铺贴一层撕下层，铺贴过程中要求每层必须进行真空压实，铺贴完成后制袋，按照预浸料的固化参数要求在热压罐中进行固化

5)上下蒙皮组合

去除下蒙皮待胶接面撕下层，上蒙皮待胶接面进行轻微打磨清理，去除表面脱模剂，然后在上、下蒙皮待胶接面铺贴胶膜，在成型模具上进行组合，制袋后进行真空压实，按照胶膜的固化参数要求在热压罐中进行固化

6)热循环时效及室温时效

反射器固化完成后不拆袋，在热压罐或烘箱中进行热循环时效，过程中持续抽真空，在“室温～100℃～室温”范围内以≤3℃/min反复进行升降温3～7个循环，然后出罐后在室温条件下仍持续抽真空时效10～15天

7)无损检测

对反射器粘接质量进行无损检测

8)粘接覆铜聚酰亚胺膜

在反射器工作面铺贴一层胶膜，然后铺贴覆铜聚酰亚胺膜，铺贴时，聚酰亚胺膜使用窄条铺贴，然后将贴膜一面扣在反射器成型模具上，制袋后按照胶膜固化参数要求在热压罐中进行固化

9)型面测试

测试反射器的型面精度。