CN107253330A - 一种碳纤维波导的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碳纤维波导的制备方法。操作步骤如下：（1）按常规方法制作易脱模的波导芯模；（2）按槽钢状波导的形状制作八片板条状的碳纤维片，并依次粘贴在铜箔上，得到碳纤维片与铜箔的组合件；（3）将组合件的铜箔一侧按设计要求裹绕在波导芯模上，采用碳纤维填充间隙，固化得到坯件；在坯件上铺贴碳纤维，固化得到预制件；（4）将预制件通过脱模辅助工装，采用机械牵引方式脱模，得到内腔具有连续可靠铜箔的碳纤维波导。本发明制备方法的优点是，具有铜箔层完整、均匀、连续，不受电镀、喷涂等金属层制备工艺影响；本发明波导芯模可重复利用；本发明特别适用于具有复杂腔体结构的复合材料波导的制备。

Description

一种碳纤维波导的制备方法
技术领域
本发明属于雷达波导天线制造技术领域，具体涉及一种带金属镀层碳纤维波导的一体化制备技术。
背景技术
波导天线是雷达天线的一种重要的结构形式，一般多用于星载雷达领域。由于星载有效载荷的轻量化要求，波导天线更加倾向于采用轻质高强的高性能碳纤维复合材料来制造。
波导天线一般是结构形式复杂，要求腔体内表面具有低损耗的特性，以保证波束的正常传输。由于碳纤维复合材料是由碳纤维和树脂复合而成，复合材料表面存在一层树脂层，波束传输时损耗较大，因此，碳纤维波导内腔需要附有一层金属功能层，减少波束传输的损耗。常用的复合材料波导腔体金属层制备的方法有：化学镀法，该法是待碳纤维波导成型之后，再通过化学镀的方式在波导腔体表面沉积一层金属层，该法缺点是对碳纤维复合材料的种类具有一定的选择性，有些材料表面易镀有些不宜镀上，且由于腔体内部复杂，无法保证镀层的连续性。另一种方法是金属层芯模转移法，该法先在芯模上通过电镀法制备上一层金属层，然后再在其上成型碳纤维复合材料，最后经溶解芯模获得碳纤维波导，该法存在镀层与碳纤维界面渗入腐蚀性溶液而引起金属层起皮等缺陷的风险。还有一种方法是高分子膜转移法，该法先在芯模上制备上一层高分子转移膜，然后再在转移膜上经电弧喷涂上铝等金属材料，复合材料成型后经脱模获得碳纤维波导，该法缺点是，对于存在细长深槽等结构形式的芯模，难以有效制备上高分子转移膜，从而影响整个镀层的连续性。
发明内容
为了实现在腔体结构复杂的碳纤维波导天线内腔制备上连续、可靠的金属层，本发明提供一种碳纤维波导的制备方法。
制备碳纤维波导的操作步骤如下：
（1）按常规方法制作易脱模的波导芯模；
（2）制作碳纤维片与铜箔的组合件
（2.1）按槽钢状波导的形状制作八片板条状的碳纤维片；
（2.2）按槽钢状波导的形状将第一至第七片碳纤维片依次粘贴在铜箔上，且相邻碳纤维片之间留出间隙；得到组合件；
（3）制作碳纤维波导的预制件
将组合件的铜箔一侧按设计要求裹绕在波导芯模上，将直角处的铜箔进行弯折，保证铜箔与芯模之间服贴，且使第一至第七碳纤维片位于芯模的外表面；铜箔的两端接口处位于芯模的凹槽的内底面上，在铜箔的两端接口处通过导电胶膜铺贴上封口的第八片碳纤维片；在相邻碳纤维片之间裸露的铜箔表面铺贴碳纤维材料，真空加热固化成型，得到坯件；在坯件上再铺贴碳纤维材料，真空固化成型，得到预制件；
（4）脱模处理
将预制件通过脱模辅助工装，采用机械牵引方式脱模，得到内腔具有连续可靠铜箔的碳纤维波导。
进一步限定的技术方案如下：
所述铜箔的厚度为50～80μm。
所述碳纤维片的厚度为0.2～0.4mm，八片碳纤维片的宽度比对应的波导上侧面的宽度小2mm。
所述芯模的表面粗糙度小于1.6。
步骤（2）中，所述八片板条状的碳纤维片分别为右内片6、右顶片7、右外片8、外底片9、左外片10、左顶片11、左内片12和封口片13；其中外底片9对应着芯模的外侧部底，右外片8对应着与芯模的外侧部底相邻的右侧外侧面，左外片10对应着与芯模的外侧部底相邻的左侧外侧面，右顶片7对应着芯模的右侧顶部，左顶片11对应着芯模的左侧顶部，右内片6对应着芯模的右侧内侧面，左内片12对应着芯模的左侧内侧面，封口片13对应着芯模的内侧部底；右内片6和右外片8呈垂直平行，左外片10和左内片12呈垂直平行；外底片9和封口片13呈水平平行，相邻碳纤维片之间的间隙为1.8-2.2mm。
步骤（3）中，铜箔两端之间的间隙为0.3-0.5mm。
步骤（3）中，在相邻碳纤维片之间的裸露的铜箔表面铺贴一层结构胶膜和碳纤维材料，厚度与碳纤维片一致；采用胶带对裹绕在芯模上的组合件进行预固定，预抽真空后，加热固化成型，得到坯件；在坯件上铺贴碳纤维材料，真空度为-0.098MPa，加热固化温度为130℃、时间4h条件下真空成型，得到预制件。
步骤（3）中，预抽真空加热固化成型条件：真空度为-0.098 MPa、加热固化温度为130℃、时间4h。
步骤（2）中，组合件制作采用成型定位工装4，所述成型定位工装4为平板状，一侧面上设有七条槽，所述七条槽分别对应着第一至第七碳纤维片；操作时，第一至第七碳纤维片分别放置在七条槽，再粘贴上铜箔。
步骤（4）中，所述脱模辅助工装包括辅助板14、垫块17、挡块18和机械牵引机构19；所述垫块17为水平板；所述辅助板14的中部开设有与芯模1横截面对应配合的芯模孔15，挡块18上开设有通孔；辅助板14固定在挡块18上，且使芯模孔15和通孔对应贯通；辅助板14和挡块18直立固定在垫块17的一端；机械牵引机构19包括螺杆20和螺杆转动机构；芯模1的一端设有脱模螺孔2；使用时，将需要脱模的预制件平放在垫块17上，并使具有脱模螺孔2的芯模1的一端穿过芯模孔15和通孔伸至挡块18的外部；使螺杆20的一端通过和脱模螺孔2的配合连通着芯模1；通过螺杆转动机构转动螺杆20，将芯模1从碳纤维波导中拉出，完成脱模。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明的制备方法采用完整铜箔作为金属化层，与传统的模具转移法金属化相比，具有铜箔层完整、均匀、连续，不受电镀、喷涂等金属层制备工艺影响等优点。
2.由于波导芯模与铜箔间无粘连，因此采用机械牵引方式脱模不会造成制件的损伤，波导芯模可重复利用，一定程度上降低了芯模制造成本。本发明特别适用于具有复杂腔体结构的复合材料波导的制备。
附图说明
图1为易脱式芯模和碳纤维波导制件示意图；
图2为碳纤维片/铜箔制件成型过程示意图；
图3为碳纤维片/铜箔制件包裹芯模状态示意图；
图4为脱模辅助工装中辅助板示意图；
图5为碳纤维波导制件脱模过程示意图。
上图中序号：芯模1、脱模螺孔2、碳纤维波导3、成型定位工装4、铜箔5、右内片6、右顶片7、右外片8、外底片9、左外片10、左顶片11、左内片12、封口片13、辅助板14、芯模孔15、机械牵引平台16、垫块17、挡块18、机械牵引机构19、螺杆20。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例1
制作碳纤维波导的操作步骤如下：
（1）按常规方法制作易脱模的波导的芯模
参见图1，根据波导内腔结构形式，设计易脱式的芯模。芯模1采用钢质材料，满足成型和脱模时的刚度、强度要求。芯模1表面粗糙度不高于1.6，满足波导腔体光洁度要求。芯模1的端部设计与脱模螺杆配合安装的脱模螺孔2。为便于与脱模辅助工装匹配，芯模1的长度比实际波导尺寸长20mm。
（2）制作碳纤维片与铜箔的组合件
根据图1所示碳纤维波导3的长度及截面尺寸要求，完成铜箔5的准备，铜箔5厚度为60μm，铜箔5表面平整，无褶皱。
根据图1所示碳纤维波导3的长度及截面尺寸要求，完成八片碳纤维片的成型与加工，八片碳纤维片为右内片6、右顶片7、右外片8、外底片9、左外片10、左顶片11、左内片12和封口片13。八片碳纤维片的厚度均为0.3mm，八片碳纤维片的宽度比对应的波导上侧面的宽度小2mm。
参见图2，成型定位工装4为平板状，一侧面上开设有七条槽，七条槽分别对应着第一至第七碳纤维片；操作时，将第一至第七碳纤维片，即右内片6、右顶片7、右外片8、外底片9、左外片10、左顶片11和左内片12分别放置在成型定位工装4的七条槽内，采用结构胶膜依次粘贴在铜箔5上；在成型定位工装4的保证下，相邻碳纤维片之间留出间隙，间隙为2mm，得到碳纤维片与铜箔的组合件。
（3）制作碳纤维波导的预制件
参见图3，将组合件的铜箔5一面按要求裹绕在波导芯模1上，将直角处的铜箔进行弯折，保证铜箔5与芯模1的服贴，且使右内片6、右顶片7、右外片8、外底片9、左外片10、左顶片11和左内片12位于芯模的外表面；其中外底片9对应着芯模的外侧部底，右外片8对应着与芯模的外侧部底相邻的右侧外侧面，左外片10对应着与芯模的外侧部底相邻的左侧外侧面，右顶片7对应着芯模的右侧顶部，左顶片11对应着芯模的左侧顶部，右内片6对应着芯模的右侧内侧面，左内片12对应着芯模的左侧内侧面，封口片13对应着芯模的内侧部底；右内片6和右外片8呈垂直平行，左外片10和左内片12呈垂直平行。铜箔5的两端接口处位于芯模的凹槽的内底面上，在铜箔5的两端接口表面上铺贴一层导电胶膜，再铺贴上封口片13，铜箔5两端之间的间隙为0.4mm；外底片9和封口片13呈水平平行。
在相邻碳纤维片之间裸露的铜箔表面铺贴一层结构胶膜和碳纤维材料，厚度与碳纤维片一致。
采用胶带对裹绕在芯模上的组合件进行预固定，在真空度-0.098MPa、温度130℃、时间4h条件下，真空加温固化成型，得到坯件；
按照设计要求的铺层方向、厚度等指标，在坯件上铺贴碳纤维材料，在真空度-0.098MPa、温度130℃、时间4h条件下，真空加温固化成型，完成波导碳纤维层制备，得到预制件。
（4）脱模处理
参见图5，脱模采用脱模辅助工装。脱模辅助工装包括辅助板14、垫块17、挡块18和机械牵引机构19；垫块17为水平板；辅助板14的中部开设有与芯模1横截面对应配合的芯模孔15，挡块18上开设有通孔。辅助板14固定在挡块18上，且使芯模孔15和通孔对应贯通；辅助板14和挡块18直立固定在垫块17的一端。机械牵引机构19包括螺杆20和螺杆转动机构；芯模1的一端开设有脱模螺孔2。
使用时，将需要脱模的预制件平放在垫块17上，并使具有脱模螺孔2的芯模1的一端穿过芯模孔15和通孔伸至挡块18的外部；使螺杆20的一端通过和脱模螺孔2的配合连通着芯模1；通过螺杆转动机构转动螺杆20，将芯模1从碳纤维波导中拉出，完成脱模。
脱模时，将预制件置于机械牵引平台16的垫块17上，使芯模1的一端穿过辅助板14上的芯模孔15和挡块18上的通孔伸至挡块18的外部；使螺杆20的一端通过和脱模螺孔2的配合连通着芯模1；通过螺杆转动机构转动螺杆20，将芯模1拉出，得到内腔具有连续可靠铜箔的碳纤维波导3，完成脱模。

Claims (10)

1.一种碳纤维波导的制备方法，其特征在于操作步骤如下：
（1）按常规方法制作易脱模的波导的芯模；
（2）制作碳纤维片与铜箔的组合件
（2.1）按槽钢状波导的形状制作八片板条状的碳纤维片；
（2.2）按槽钢状波导的形状将第一至第七片碳纤维片依次粘贴在铜箔上，且相邻碳纤维片之间留出间隙；得到组合件；
（3）制作碳纤维波导的预制件
将组合件的铜箔一侧按设计要求裹绕在波导芯模上，将直角处的铜箔进行弯折，保证铜箔与芯模之间服贴，且使第一至第七碳纤维片位于芯模的外表面；铜箔的两端接口处位于芯模的凹槽的内底面上，在铜箔的两端接口处通过导电胶膜铺贴上封口的第八片碳纤维片；在相邻碳纤维片之间裸露的铜箔表面铺贴碳纤维材料，真空加热固化成型，得到坯件；在坯件上再铺贴碳纤维材料，真空固化成型，得到预制件；
（4）脱模处理
将预制件通过脱模辅助工装，采用机械牵引方式脱模，得到内腔具有连续可靠铜箔的碳纤维波导。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维波导的制备方法，其特征在于：所述铜箔的厚度为50～80μm。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维波导的制备方法，其特征在于：所述碳纤维片的厚度为0.2～0.4mm，八片碳纤维片的宽度比对应的波导上侧面的宽度小2mm。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维波导的制备方法，其特征在于：所述波导芯模的表面粗糙度小于1.6。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维波导的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述八片板条状的碳纤维片分别为右内片、右顶片、右外片、外底片、左外片、左顶片、左内片和封口片；其中外底片对应着芯模的外侧部底，右外片对应着与芯模的外侧部底相邻的右侧外侧面，左外片对应着与芯模的外侧部底相邻的左侧外侧面，右顶片对应着芯模的右侧顶部，左顶片对应着芯模的左侧顶部，右内片对应着芯模的右侧内侧面，左内片对应着芯模的左侧内侧面，封口片对应着芯模的内侧部底；右内片和右外片呈垂直平行，左外片和左内片呈垂直平行；外底片和封口片呈水平平行，相邻碳纤维片之间的间隙为1.8-2.2mm。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维波导的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，铜箔两端之间的间隙为0.3-0.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维波导的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，在相邻碳纤维片之间的裸露的铜箔表面铺贴一层结构胶膜和碳纤维材料，厚度与碳纤维片一致；采用胶带对裹绕在芯模上的组合件进行预固定，预抽真空后，加热固化成型，得到坯件；在坯件上铺贴碳纤维材料，真空度为-0.098MPa，加热固化温度为130℃、时间4h条件下真空成型，得到预制件。
8.根据权利要求1所述的一种碳纤维波导的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，预抽真空加热固化成型条件：真空度为-0.098 MPa、加热固化温度为130℃、时间4h。
9.根据权利要求1所述的一种碳纤维波导的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，组合件制作采用成型定位工装，所述成型定位工装为平板状，一侧面上设有七条槽，所述七条槽分别对应着第一至第七碳纤维片；操作时，第一至第七碳纤维片分别放置在七条槽，再粘贴上铜箔。
10.根据权利要求1所述的一种碳纤维波导的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，所述脱模辅助工装包括辅助板、垫块、挡块和机械牵引机构；所述垫块为水平板；所述辅助板的中部开设有与芯模横截面对应配合的芯模孔，挡块上开设有通孔；辅助板固定在挡块上，且使芯模孔和通孔对应贯通；辅助板和挡块直立固定在垫块的一端；机械牵引机构包括螺杆和螺杆转动机构；芯模的一端设有脱模螺孔；使用时，将需要脱模的预制件平放在垫块上，并使具有脱模螺孔的芯模的一端穿过芯模孔和通孔伸至挡块的外部；使螺杆的一端通过和脱模螺孔的配合连通着芯模；通过螺杆转动机构转动螺杆，将芯模从碳纤维波导中拉出，完成脱模。
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