CN109501327A - 一种碳纤维复合材料管件内表面的过渡层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳纤维复合材料管件内表面的过渡层及其制备方法，高长径比碳纤维复合材料管件内表面直接“转移”金镀层的过渡层设计方法，特别涉及一种应用于航天器星载碳纤维复合材料波导阵列天线、喇叭阵列天线内表面高精度金镀层的制备方法，属于表面工程技术领域，所述的碳纤维复合材料管件的长径比不小于20。本发明中过渡层设计能够实现碳纤维复合材料构型成型精度与金属材料模具机械加工尺寸精度之间的差异控制在±5μm，可在任意长径比、任意构型碳纤维复合材料波导、喇叭天线内表面直接转移出金镀层，金镀层的外观颜色均匀、结合力可承受‑196℃～120℃高低温冲击100次。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纤维复合材料管件内表面的过渡层及其制备方法，高长径比碳纤维复合材料管件内表面直接“转移”金镀层的过渡层设计方法，特别涉及一种应用于航天器星载碳纤维复合材料波导阵列天线、喇叭阵列天线内表面高精度金镀层的制备方法，属于表面工程技术领域，所述的碳纤维复合材料管件的长径比不小于20。
背景技术
随着航天器星载相控阵天线、SAR天线的发展，波导、喇叭天线等辐射阵列单元的数量大幅增加，导致天线的整体重量较大，难以满足航天器轻量化要求。因此，采用密度更低的材料代替现有的金属材料是实现波导、喇叭天线结构轻量化的有效途径。
碳纤维复合材料具有密度低、热膨胀系数低、比强度/比刚度高等优点，代替金属材料作为波导、喇叭天线的结构材料时，能够大幅降低其结构重量，满足航天器轻量化需求。
航天器星载相控阵天线、SAR天线为满足电磁波传输功能需求，对波导、喇叭天线内表面的导电性提出了较高的要求。碳纤维复合材料由于树脂的存在，导致其表面电性能较差，无法满足电磁波传输的功能要求，因此需在其内表面制备电性能优异的金属膜层。
碳纤维复合材料由于表面化学活性较低，导致金属膜层沉积过程中无法与基体材料之间形成有效的化学结合，因此在碳纤维复合材料表面制备金属膜层的技术难度较大。另外，为实现电磁波传输的特定功能需求，波导、喇叭天线设计的内腔构型极为复杂，且尺寸精度较高，为典型的高长径比高精度深腔复杂构型。采用常规的化学镀、电镀等工艺方法时，由于溶液循环性差、电力线屏蔽等因素导致金属膜层连续性差、结合力差，难以满足航天器型号研制的技术指标要求。更为重要的是，碳纤维复合材料波导、喇叭天线成型主要采用模具加压的方式，由于内腔构型极为复杂，导致无法实现模具的脱模，因此碳纤维复合材料波导、喇叭天线成型也存在较大的技术难度。
为实现碳纤维复合材料波导、喇叭天线的高精度成型及内腔金属化，“转移法”是极为有效的解决方案。“转移法”将复合材料成型、表面工程等多个专业集成，具体实现方法为：在金属材料芯模表面制备金属膜层，在金属膜层表面铺层碳纤维复合材料，碳纤维复合材料加压成型后采用化铣的方式去除金属材料芯模，从而实现金属膜层从金属材料模具外表面向碳纤维复合材料构型内表面的转移，进而实现了碳纤维复合材料波导、喇叭天线构型成型及内腔金属化的一体制备。在“转移法”中，为实现化铣过程中尺寸精度的补偿、电磁传输功能以及特定区域的力学支撑等作用，金属膜层过渡层的设计极为重要。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种碳纤维复合材料管件内表面的过渡层及其制备方法，该设计方法能够实现碳纤维复合材料构型成型精度与金属材料模具机械加工尺寸精度之间的差异控制在±5μm，可在任意长径比、任意构型碳纤维复合材料波导、喇叭天线内表面直接转移出金镀层，金镀层的外观颜色均匀、结合力可承受-196℃～120℃高低温冲击100次，该设计方法通过浸锌技术与电镀锌技术相结合，能够补偿金属材料模具在前处理过程中去除的尺寸以及金属材料中杂质元素对金镀层外观的影响，通过化学镀厚镍过渡层的设计，能够实现复杂构型电力线屏蔽区域金属膜层的沉积，通过对酸铜层进行喷砂处理，可以有效提高碳纤维复合材料与金属膜层之间的结合力。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种碳纤维复合材料管件内表面的过渡层，该过渡层由内到外依次为内铜层、镍层、中间铜层和金层，即内铜层与该碳纤维复合材料管件内表面相接触，金层处于该碳纤维复合材料管件内表面的最外层；内铜层的厚度为0.1mm～0.15mm，镍层的厚度为40μm～60μm，中间铜层的厚度为3μm～5μm，金层的厚度为2μm～5μm。
一种碳纤维复合材料管件内表面的过渡层的制备方法，该方法的步骤包括：
(1)制备芯模；
(2)在步骤(1)制备的芯模表面制备涂层；
(3)在步骤(2)制备的带有涂层的芯模表面进行碳纤维的铺层；
(4)使用化铣的方法去除步骤(3)得到的产品的芯模和锌层，得到内表面带有过渡层的碳纤维复合材料管件。
所述的步骤(1)中，芯模为铝合金材料模具；
所述的步骤(2)中，涂层依次包括浸锌层、电镀锌层、金层、氰化镀铜、化学镀厚镍层、氰化镀铜层、酸铜层；
制备涂层的方法为：
1)对芯模表面进行化学清洗；
2)化学清洗结束后在芯模表面首先浸锌层然后电镀锌，最后得到的锌层的厚度为步骤1)中化学清洗过程中损失的芯模的厚度；
3)在步骤2)得到的芯模表面进行电镀金，镀金层的厚度2μm～5μm；
4)在步骤3)得到的芯模表面进行氰化镀铜，氰化镀铜层的厚度3μm～5μm；
5)在步骤4)得到的芯模表面进行化学镀厚镍，化学镀厚镍层的厚度40μm～60μm；
6)在步骤5)得到的芯模表面进行氰化镀铜，氰化镀铜层的厚度1μm～3μm；
7)在步骤6)得到的芯模表面进行电镀酸铜，酸铜层的厚度0.1mm～0.15mm；
8)将步骤7)得到的芯模表面进行喷砂处理，喷砂处理时要求：砂粒种类为白刚玉，粒径尺寸为100目或120目，气源压强为0.1MPa～0.25MPa，喷枪与零件距离为50mm～200mm，喷砂次数为3～5次。
有益效果
(1)本发明在过渡层设计时，将过渡层分为“牺牲层”、“功能层”、“力学支撑层”，其中“牺牲层”采用浸锌层与电镀锌层的组合方式，“功能层”采用金镀层，“力学支撑层”采用化学镀厚镍层与电镀酸铜的组合方式；
(2)本发明中过渡层设计中的“牺牲层”采用浸锌层与电镀锌层的组合方式，一方面通过电镀锌层的覆盖作用避免了仅用浸锌层所带来的铝合金材料中铜、镁等杂质元素对“转移”的金镀层外观的影响，另一方面浸锌层与电镀锌层组合后可实现锌层厚度的调节，从而能够实现对金属材料模具在前处理过程中损失尺寸的补偿；
(3)本发明中过渡层设计中的“力学支撑层”采用化学镀厚镍层与电镀酸铜层的组合方式，可以利用化学镀厚镍弥补电镀酸铜对于复杂金属材料模具构型存在的电力线屏蔽缺陷，进而大幅扩展对航天型号实际研制中的构型适用性；
(4)本发明中过渡层设计将电镀酸铜作为直接与碳纤维复合材料的界面接触层，可利用酸铜优异的延展性来解决高低温循环条件下基材与金属膜层之间应力过大的问题，并通过对电镀酸铜层的喷砂处理作用，大幅提高了碳纤维复合材料与金属膜层之间的结合强度，进一步保障高低温循环条件下基材与金属膜层之间结合力；
(5)本发明中过渡层设计能够实现碳纤维复合材料构型成型精度与金属材料模具机械加工尺寸精度之间的差异控制在±5μm，可在任意长径比、任意构型碳纤维复合材料波导、喇叭天线内表面直接转移出金镀层，金镀层的外观颜色均匀、结合力可承受-196℃～120℃高低温冲击100次。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例
高长径比碳纤维复合材料管件内表面直接“转移”金镀层的过渡层设计方法，该设计方法是在金属材料模具表面完成过渡层的设计，具体设计为：
1)对金属材料模具表面进行化学清洗，化学清洗过程中损失的厚度为6μm，在金属材料模具表面制备浸锌层，浸锌层的厚度要求1μm；所述金属材料模具为铝合金材料模具；
2)将步骤1)得到的金属材料模具进行电镀锌，电镀锌层的厚度为5μm；
3)将步骤2)得到的金属材料模具进行电镀金，镀金层的厚度要求3μm；
4)将步骤3)得到的金属材料模具进行氰化镀铜，氰化镀铜层的厚度要求4μm；
5)将步骤4)得到的金属材料模具进行化学镀厚镍，化学镀厚镍层的厚度要求50μm；
6)将步骤5)得到的金属材料模具进行氰化镀铜，氰化镀铜层的厚度要求1μm；
7)将步骤6)得到的金属材料模具进行电镀酸铜，酸铜层的厚度要求0.1mm；
8)将步骤7)得到的金属材料模具进行喷砂处理，喷砂处理时要求：砂粒种类为白刚玉，粒径尺寸为100目，气源压强为0.1MPa，喷枪与零件距离为50mm，喷砂次数为3次。
9)在步骤8)制备的带有涂层的芯模表面进行碳纤维的铺层；
10)使用化铣的方法去除步骤9)得到的产品的芯模和锌层，得到内表面带有过渡层的碳纤维复合材料管件。
对得到的内表面带有过渡层的碳纤维复合材料管件进行测试，根据QJ479《金属镀覆层结合强度试验方法》中划格法规定，采用英国Elcometer附着力测试仪测定镀层结合力为1级；根据GJB 2502.8《航天器用热控涂层试验方法：第8部分：热循环试验》规定，在120℃保温20min后投入液氮中直至无起泡产生为止，如此循环100次后，按照GJB1941《金电镀层规范》测试金镀层外观，测试后金镀层无起皮、起泡、裂纹以及脱落等现象。通过英国Elcometer附着力测试仪划格法测试、高低温冲击的测试，可知所得金镀层满足QJ479《金属镀覆层结合强度试验方法》中划格法、以及GJB 2502.8《航天器用热控涂层试验方法：第8部分：热循环试验》对金镀层结合力的要求。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
Claims (10)
1.一种碳纤维复合材料管件内表面的过渡层，其特征在于：该过渡层由内到外依次为内铜层、镍层、中间铜层和金层。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料管件内表面的过渡层，其特征在于：内铜层的厚度为0.1mm～0.15mm。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料管件内表面的过渡层，其特征在于：镍层的厚度为40μm～60μm。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料管件内表面的过渡层，其特征在于：中间铜层的厚度为3μm～5μm。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料管件内表面的过渡层，其特征在于：金层的厚度为2μm～5μm。
6.一种碳纤维复合材料管件内表面的过渡层的制备方法，其特征在于该方法的步骤包括：
(1)制备芯模；
(2)在步骤(1)制备的芯模表面制备涂层；
(3)在步骤(2)制备的带有涂层的芯模表面进行碳纤维的铺层；
(4)使用化铣的方法去除步骤(3)得到的产品的芯模和锌层，得到内表面带有过渡层的碳纤维复合材料管件。
7.根据权利要求6所述的一种碳纤维复合材料管件内表面的过渡层的制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，芯模为铝合金材料模具。
8.根据权利要求6所述的一种碳纤维复合材料管件内表面的过渡层的制备方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，涂层依次包括浸锌层、电镀锌层、金层、氰化镀铜、化学镀厚镍层、氰化镀铜层、酸铜层。
9.根据权利要求8所述的一种碳纤维复合材料管件内表面的过渡层的制备方法，其特征在于：
制备涂层的方法为：
1)对芯模表面进行化学清洗；
2)化学清洗结束后在芯模表面首先浸锌层然后电镀锌，最后得到的锌层的厚度为步骤1)中化学清洗过程中损失的芯模的厚度；
3)在步骤2)得到的芯模表面进行电镀金，镀金层的厚度2μm～5μm；
4)在步骤3)得到的芯模表面进行氰化镀铜，氰化镀铜层的厚度3μm～5μm；
5)在步骤4)得到的芯模表面进行化学镀厚镍，化学镀厚镍层的厚度40μm～60μm；
6)在步骤5)得到的芯模表面进行氰化镀铜，氰化镀铜层的厚度1μm～3μm；
7)在步骤6)得到的芯模表面进行电镀酸铜，酸铜层的厚度0.1mm～0.15mm；
8)将步骤7)得到的芯模表面进行喷砂处理。
10.根据权利要求9所述的一种碳纤维复合材料管件内表面的过渡层的制备方法，其特征在于：所述的步骤8)中，喷砂处理时要求：砂粒种类为白刚玉，粒径尺寸为100目或120目，气源压强为0.1MPa～0.25MPa，喷枪与零件距离为50mm～200mm，喷砂次数为3～5次。
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| CN201811271753.0A Expired - Fee Related CN109501327B (zh) | 2018-10-29 | 2018-10-29 | 一种碳纤维复合材料管件内表面的过渡层及其制备方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110983303A (zh) * | 2019-11-25 | 2020-04-10 | 上海跃盛信息技术有限公司 | 一种波导管的金属层制备方法及波导管的制备方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US4789868A (en) * | 1984-09-27 | 1988-12-06 | Toyo Kasei Kogyo Kabushiki Kaisha | Manufacture of parabolic antennas |
| JP2010180454A (ja) * | 2009-02-05 | 2010-08-19 | Hitachi Cable Ltd | 表面処理銅箔およびその製造方法ならびに銅張積層板 |
| JP2013009137A (ja) * | 2011-06-24 | 2013-01-10 | Mitsubishi Electric Corp | ホーンアンテナ及びその製造方法 |
| CN107746505A (zh) * | 2017-10-17 | 2018-03-02 | 中南大学 | 一种涂层碳纤维增强abs/pp电磁屏蔽复合材料及其制备方法 |
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2018
- 2018-10-29 CN CN201811271753.0A patent/CN109501327B/zh not_active Expired - Fee Related
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