CN112563734A - 一种一体化耐高温共形天线及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种一体化耐高温共形天线及制备方法，通过制备上、中、下层介质板、在中、下层介质板制备金属层、下层介质板加工过孔、中、下层介质板金属层干燥固化和烧结、机械连接并进行致密化处理、下层介质板下表面制备金属接底层并经干燥固化、烧结等步骤得到。本发明制备方法能够提升天线辐射性能同时具有较好的耐温性能、实现天线和天线罩一体化，提升天线辐射性能。

Description

一种一体化耐高温共形天线及制备方法
技术领域
本发明涉及一种一体化耐高温共形天线及制备方法，属于天线技术领域。
背景技术
微带贴片天线是指在具有金属地板的介质基板上面印制或者刻蚀特定形状的金属贴片而形成的一类微波天线，由于具有结构简单、剖面低、易共形等优点而广泛应用于各种军事通信系统。目前常用的微带贴片天线多采用耐高温陶瓷表面镀铜的方案，只能够满足低马赫数导弹的要求，对于使用温度在800～1000℃的高马赫数导弹，上述天线的抗热冲击性能、介质损耗等无法满足使用要求。
耐高温陶瓷表面制备金属化(对陶瓷基基复合材料进行表面金属化处理,使其具有金属般的导电性)的纤维增强陶瓷基复合材料有望能够解决天线需求。天线为满足飞行器的气动、隐身性能要求，往往具有复杂的三维曲面外形，金属化必须在曲面上实现。
而目前曲面金属化技术的主要制备方法有三种。第一种是柔性膜转移技术，即先将二维金属图案制作成柔性介质膜，再将其转移至基板上。中国专利 CN104934721A将聚酰亚胺覆铜膜作为夹层放在预浸料层间，进行一体化层和，该方法制备精度较低，并且使用温度一般不超过500℃，无法在更高温度下使用。第二种是数字化机械或激光加工技术，国内报道过使用五自由度刻铣机器人或 3D激光加工设备在金属化的基体表面直接刻划出所需的曲面金属层的技术。第三种是3D打印技术，为基体打印金属化掩模，再经表面金属化得到较薄的曲面金属层，或直接烧结金属粉打印较厚的可自承载的金属层。中国专利CN104309226A以氮化硅复相陶瓷为基材，以耐高温导电陶瓷或耐高温金属为金属化材料，采用磁控溅射镀膜加激光刻蚀工艺或丝网印刷工艺在陶瓷基体表面直接制备了耐高温的谐振结构，随后将这种具有金属层结构的单层材料通过无机胶黏剂复合为具有多层金属层的耐高温宽频透波材料。上述方法设备依赖性强，成本高。
此外，陶瓷介质板之间的连接方案一般是通过机械连接或者胶黏剂进行连接，但陶瓷类材料硬而脆，通过加工孔及螺钉连接，孔边缘的应力集中现象明显，导致承载能力大大下降；并且目前胶黏剂耐温性能差，无法在较高温度下长时间使用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种在精度满足使用要求的前提下显著降低成本、降低设备依赖性、工艺简单便利的、能够提升天线辐射性能同时具有较好的耐温性能的一体化耐高温共形天线及制备方法。
本发明的技术解决方案：一种一体化耐高温共形天线的制备方法，通过以下步骤实现：
第一步，制备上、中、下层介质板，所述的上层介质板为曲面结构，与飞行器外形随型设计，所述的中层介质板一面为曲面结构，与上层介质板曲面结构一致，另一面为平面，所述的下层介质板为平面结构；
第二步，在中层介质板曲面制备金属层，在下层介质板上表面制备金属层，下层介质板加工过孔；
本步骤中层介质板曲面金属层通过以下步骤实现：
A2.1、根据中层介质板曲面外形制作结构、尺寸一致的模板，并在模板上将中层介质板需要金属化的部位加工成凹槽；
A2.2、模板表面铺设具有粘性的保护膜，并将模板凹槽上方的保护膜裁掉；
A2.3、保护膜转移，将保护膜从模板上转移至中层介质板表面；
A2.4、制备金属层，
A2.4.1、准备曲面涂膜器，所述的曲面涂膜器包括涂膜区和两端支架组成，所述的涂膜区中部加工涂膜平台，涂膜平台型面与中层介质板曲面外型面一致；
A2.4.2、将中层介质板固定在平台上，待金属化曲面朝上；
A2.4.3、将曲面涂膜器的支架放在中层介质板的两端，涂膜区横跨中层介质板，两端支架落在平台上，然后在中层介质板表面倒上适量的金属浆料，按住曲面涂膜器两端支架，以一定的速度在中层介质板曲面上滑行，即涂抹成需要厚度的金属层；
A2.4.4、采用曲面涂膜器将所需的金属浆料均匀涂抹在中层介质板曲面表面，然后将保护膜去掉，得到具有金属层的中层介质板；
第三步、中、下层介质板金属层干燥固化和烧结；
第四步，将上、中、下三层介质板组合后机械连接，并进行致密化处理；
第五步，下层介质板下表面制备金属接地层，经干燥固化、烧结后得到一体化耐高温共形天线。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明制备方法能够提升天线辐射性能同时具有较好的耐温性能、实现天线和天线罩一体化，提升天线辐射性能；
(2)本发明制备的金属层可以经受800℃以上的高温，具有较好的耐高温性能，可以满足高马赫数武器装备的需求；
(3)本发明天线曲面金属化方法不依赖设备、简单便捷、成本低廉，对于研究耐高温频率选择表面天线罩和耐高温共形天线等具有重要意义；
(4)本发明可采用定制不同的曲面涂膜器可以在所需位置上制备所需厚度的金属层，使用范围较宽。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明中层介质板曲面金属层流程图；
图3为本发明天线结构示意图；
图4为本发明天线结构局部分解图；
图5为本发明曲面涂膜器(单面)的立体图；
图6为本发明曲面涂膜器(单面)的主视图；
图7为图6A-A剖视图；
图8为曲面涂膜器(单面)的侧视图；
图9为曲面涂膜器与中层介质板配合图。
具体实施方式
下面结合具体实例及附图对本发明进行详细说明。
本发明如图3、4所示，提供一种一体化耐高温共形天线，由上、中、下三层介质板1、2、3组成，三层介质板机械连接，上层介质板1为曲面结构，与飞行器外形随型设计，中层介质板2一面为曲面结构，与上层介质板1曲面结构一致，另一面为平面，其曲面上制备金属层4，下层介质板3为平面结构，上下面制备金属层5、6，下层介质板加工过孔7，构成底部馈电结构。
进一步，本发明如图1所示提供一种一体化耐高温共形天线制备的方法，通过以下步骤实现：
1、制备上、中、下层介质板，如图3所示，上层介质板为曲面结构，与飞行器外形随型设计，中层介质板一面为曲面结构，与上层介质板曲面结构一致，另一面为平面，下层介质板为平面结构。
本步骤上、中、下层介质板采用纤维增强陶瓷基复合材料，介质板具体材质、厚度根据天线设计要求确定，一般为0.5～5毫米。
2、如图3所示，在中层介质板曲面制备金属层，在下层介质板上表面分别制备金属层，下层介质板加工过孔。
本步骤中层介质板曲面和下层介质板上表面金属层厚度、形状、位置根据天线介电性能设计，下层介质板为平面结构，其表面制备金属层可采用现有丝网印刷等公知技术实现，在此不一一赘述。
下层介质板上过孔位于上表面金属层位置，进一步为防止下层介质板馈电位置不可靠，在中层介质板下表面对应下层介质板金属层位置处也制备金属层，平面金属化技术可以采用公知技术实现。
本步骤中层介质板曲面金属层如图2所示，通过以下步骤实现：
A2.1、根据中层介质板曲面外形制作结构、尺寸一致的模板，并在模板上将中层介质板需要金属化的部位加工成凹槽。
模板利用廉价金属或树脂材料制作，便于降低成本。本发明在模板上以降面的方式加工凹槽，凹槽位置对应需要金属化的区域，保证了金属层位置的准确性。
A2.2、模板表面铺设具有粘性的保护膜，并将模板凹槽上方的保护膜裁掉。
保护膜可采用具有一定粘性的有机胶膜，种类可以是酚醛类、环氧类、有机硅类等树脂。保护膜不宜太厚，太厚与模板和基板的贴合性不佳，影响金属化区域的准确性，一般市售的有机胶膜厚度(不大于0.1mm)即可。
A2.3、保护膜转移，将保护膜从模板上转移至中层介质板表面。
将保护膜从模板上转移至中层介质板表面，转移过程中保护膜必须与中层介质板完全贴合，以保证金属层位置的准确性。
A2.4、制备金属层。
A2.4.1、准备曲面涂膜器，所述的曲面涂膜器包括涂膜区和两端支架组成，所述的涂膜区中部加工涂膜平台，涂膜平台型面与中层介质板曲面外型面一致。
如图5、6、7、8曲面涂膜器包括涂膜区12和两端支架11组成，涂膜区12 中部加工涂膜平台13，涂膜平台13型面与中层介质板外型面一致。
涂膜平台13用来实现金属层膜层(金属浆料形成)的涂抹，支架高度由湿膜厚度和基材高度(曲面高度)决定。涂膜器平台的型面与中层介质板外型面完全一致；涂膜器有效长度(不包括两端支架部分)大于中层介质板曲面宽度；支架高度控制膜厚，如图6、9所示，即两端支架与涂膜平台连接处至底端的距离 L等于膜厚h与中层介质板曲面高度H总和。
曲面涂膜器材质可采用不宜变形金属等材料制备，如硬度为HRC 48±2的 304不锈钢等。
A2.4.2、将中层介质板固定在平台上，待金属化曲面朝上.
A2.4.3、将曲面涂膜器的支架放在中层介质板的两端，涂膜区横跨中层介质板，两端支架落在平台上，然后在中层介质板表面倒上适量的金属浆料，按住曲面涂膜器两端支架，使涂膜区以一定的速度在中层介质板曲面上滑行(从前端到后端或是从后端到前端均可)，即涂抹成需要厚度的金属层。
A2.4.4、采用曲面涂膜器将所需的金属浆料均匀涂抹在中层介质板曲面表面，然后将保护膜去掉，得到具有金属层的中层介质板。
发明采用的金属浆料一般由三种主要成分组成：导电相、玻璃粘结相和有机载体。其中导电相为金属粉，可以是金、银、钯、铂、铜、锌、钨等导电性好的单一金属或是他们的合金。作为粘结相材料的通常为玻璃、金属氧化物或者两者的组合。有机载体是聚合物溶解在有机溶剂中的溶液，其主要作用是将导电相微粒和粘结相微粒进行均匀混合分散，使浆料具有适宜的粘度、挥发特性、触变性及流平性。
本发明中金属层厚度优选5～30微米，具体厚度根据天线性能设计。
3、中、下层介质板金属层干燥固化和烧结。
根据所选金属浆料种类，设置干燥固化和烧结工艺，为本领域公知技术，在此不一一赘述。
4、将上、中、下三层介质板组合后机械连接，并进行致密化处理。
本步骤中三层介质板通过陶瓷销钉等机械连接，在后续致密化处理时，连接处同样进行浸胶处理，将空隙填充，改善了连接强度。
本步骤中致密化采用氧化物溶胶进行反复浸渍，通过溶胶-凝胶工艺实现致密化，一般致密化处理到介质板重量增重率低于1.0％。
5、下层介质板下表面制备金属接底层，在下层介质板的过孔壁上涂敷金属浆料，经干燥固化、烧结后得到一体化耐高温共形天线。
本步骤中在过孔中涂敷金属浆料，保证馈电结构的可靠性。
实施例1
(1)提供基体，基体包括三层介质板，材质均为石英纤维增强陶瓷基复合材料，大小为60*60毫米，厚度为2-5毫米，三层介质板四角设有安装孔，下层介质板中间设有过孔。
(2)采用丝网印刷工艺在下层介质板上表面印制银金属层，经过120℃烘干固化。
采用曲面涂膜器在中层介质板上表面加工银金属层。具体如下：
(21)根据中层介质板曲面外形，利用铝合金制作相同结构和尺寸的模板，并将需要金属化的区域以降面的方式形成凹槽，凹槽深度为1-5mm。
(22)在上述模板上粘一层胶膜，膜厚0.01-0.1mm，并将模板凹槽上方的保护膜精确裁掉。
(23)将胶膜从模板上转移至中层介质板表面，转移过程中胶膜必须与中层介质板完全贴合，以保证金属层尺寸的准确性。
(24)根据中层介质板的外形制作与之贴合的单面涂膜器，有效涂膜宽度 65mm，涂膜厚度5-10μm，涂膜精度±2μm。本实例涂膜器有效长度65mm，总长度85mm。
(25)利用上述曲面涂膜器将银浆均匀地涂在中层介质板表面，然后将胶膜去掉，金属浆料在120℃烘干固化。
其中银浆中的导电相为银颗粒，粘结相为玻璃粉、氧化硼、氧化钙、氧化铝的混合物，二甲苯、乙二醇乙醚乙酸酯、松油醇为有机载体的主要溶剂体系，乙基纤维素作增稠剂，气相二氧化硅作触变剂。
(3)在三层介质板边缘位置打孔，并用陶瓷销钉进行连接，得到介质板连接体。
(4)将上述介质板连接体采用二氧化硅溶胶进行反复浸渍，通过溶胶-凝胶工艺实现致密化，直到密度增重率低于1.0％。
(5)将上述介质板表面的胶粒打磨掉，下层介质板下表面印制银接地层，下层介质板的过孔壁上涂抹金属浆料，经过120℃烘干固化，并在750℃烧结后得到一体化耐高温天线。
实施例2
(1)提供基体，基体包括三层介质板，材质均为氧化铝纤维增强陶瓷基复合材料，大小为100*100毫米，厚度为2-5毫米，三层介质板四角设有安装孔，下层介质板中间设有过孔。
(2)采用丝网印刷工艺在下层介质板上表面印制金属层，经过150℃烘干固化。
采用曲面涂膜器在中层介质板上表面制备金属层。具体如下：
(21)根据中层介质板曲面外形，利用铝合金制作相同结构和尺寸的模板，并将需要金属化的区域以降面的方式形成凹槽，凹槽深度为1-5mm。
(22)在上述模板上粘一层胶膜，膜厚0.01-0.1mm，并将模板凹槽上方的保护膜精确裁掉。
(23)将胶膜从模板上转移至中层介质板表面，转移过程中胶膜必须与中层介质板完全贴合，以保证金属层尺寸的准确性。
(24)根据中层介质板的外形制作与之贴合的单面涂膜器，有效涂膜宽度 105mm，涂膜厚度5-10μm，涂膜精度±2μm。本实例涂膜器有效长度105mm，总长度120mm。
(25)利用上述曲面涂膜器将金浆均匀地涂在中层介质板表面，然后将胶膜去掉，金属浆料在150℃烘干固化。
其中金浆中的导电相为金颗粒，粘结相为硼硅酸锌玻璃粉，乙基纤维素、松油醇和硅烷偶联剂为有机载体。
(3)在三层介质板边缘位置打孔，并用陶瓷销钉进行连接，得到介质板连接体。
(4)将上述介质板连接体采用二氧化硅溶胶进行反复浸渍，通过溶胶-凝胶工艺实现致密化，直到密度增重率低于1.0％。
(5)将上述介质板表面的胶粒打磨掉，下层介质板下表面印制金接地层，下层介质板的过孔壁上涂抹金浆，经过150℃烘干固化，并在800℃烧结后得到一体化耐高温天线。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种一体化耐高温共形天线的制备方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
第一步，制备上、中、下层介质板，所述的上层介质板为曲面结构，与飞行器外形随型设计，所述的中层介质板一面为曲面结构，与上层介质板曲面结构一致，另一面为平面，所述的下层介质板为平面结构；
第二步，在中层介质板曲面制备金属层，在下层介质板上表面制备金属层，下层介质板加工过孔；
第三步、中、下层介质板金属层干燥固化和烧结；
第四步，将上、中、下三层介质板组合后机械连接，并进行致密化处理；
第五步，下层介质板下表面制备金属接底层，经干燥固化、烧结后得到一体化耐高温共形天线。
2.根据权利要求1所述的一种一体化耐高温共形天线的制备方法，其特征在于：所述第二步中层介质板曲面金属层通过以下步骤实现，
A2.1、根据中层介质板曲面外形制作结构、尺寸一致的模板，并在模板上将中层介质板需要金属化的部位加工成凹槽；
A2.2、模板表面铺设具有粘性的保护膜，并将模板凹槽上方的保护膜裁掉；
A2.3、保护膜转移，将保护膜从模板上转移至中层介质板表面；
A2.4、制备金属层，
A2.4.1、准备曲面涂膜器，所述的曲面涂膜器包括涂膜区和两端支架组成，所述的涂膜区中部加工涂膜平台，涂膜平台型面与中层介质板曲面外型面一致；
A2.4.2、将中层介质板固定在平台上，待金属化曲面朝上；
A2.4.3、将曲面涂膜器的支架放在中层介质板的两端，涂膜区横跨中层介质板，两端支架落在平台上，然后在中层介质板表面倒上适量的金属浆料，按住曲面涂膜器两端支架，以一定的速度在中层介质板曲面上滑行，即涂抹成需要厚度的金属层；
A2.4.4、采用曲面涂膜器将所需的金属浆料均匀涂抹在中层介质板曲面表面，然后将保护膜去掉，得到具有金属层的中层介质板。
3.根据权利要求2所述的一种一体化耐高温共形天线的制备方法，其特征在于：所述步骤A2.4.1中支架高度由涂膜厚度和基板曲面高度决定，两端支架与涂膜平台连接处至底端的距离等于膜厚与基板曲面高度总和，涂膜器平台长度即涂膜器有效长度大于基板曲面宽度。
4.根据权利要求2所述的一种一体化耐高温共形天线的制备方法，其特征在于：所述步骤A2.4中曲面涂膜器为双面涂膜，即在单面涂膜平台的对面位置设置另一个涂膜平台，并通过支架另一侧高度控制膜厚。
5.根据权利要求1所述的一种一体化耐高温共形天线的制备方法，其特征在于：所述第二步中下层介质板上过孔位于上表面金属层位置，在中层介质板下表面对应下层介质板金属层位置处制备金属层。
6.根据权利要求1所述的一种一体化耐高温共形天线的制备方法，其特征在于：所述第四步中致密化采用氧化物溶胶进行反复浸渍，通过溶胶-凝胶工艺实现致密化，致密化处理到介质板重量增重率低于1.0％。
7.根据权利要求1所述的一种一体化耐高温共形天线的制备方法，其特征在于：所述第五步中在下层介质板下表面制备金属接底层后，再在过孔中涂敷金属浆料。
8.根据权利要求1所述的一种一体化耐高温共形天线的制备方法，其特征在于：所述的金属层厚度为5～30微米。
9.根据权利要求2所述的一种一体化耐高温共形天线的制备方法，其特征在于：所述步骤A2.1中模板利用廉价金属或树脂材料制作，所述步骤A2.2中保护膜采用具有一定粘性的有机胶膜，有机胶膜厚度不大于0.1mm，种类为酚醛类、环氧类或有机硅类树脂。
10.一种通过权利要求1和2所述的方法制备的一体化耐高温共形天线。
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