CN113708079B - 一种表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的制备方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的制备方法及设备，制备方法包括：对碳纤维复合材料抛物面天线蒙皮成型模具进行溶剂清洗，然后涂覆脱模剂；待脱模剂成膜后，在模具上涂覆高分子转移膜；待高分子转移膜成膜后，在模具上喷涂金属形成金属层，在金属层上喷涂树脂组合物；树脂组合物为环氧树脂组分和固化剂组分组合而成的双组份环氧树脂组合物，固化剂组分中含常温固化剂和高温固化剂；待树脂组合物部分凝固后，进行碳纤维预浸料铺层；抽真空加温热压罐固化成型；脱模、修整。该制备方法解决了现有利用转移法制备表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线时，金属层容易产生鼓包、翘起和脱落，容易产生裂纹和撕裂的问题。

Description

一种表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的制备方法及 设备
技术领域
本发明涉及表面金属化技术领域，具体而言，涉及一种表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的制备方法及设备。
背景技术
碳纤维复合材料抛物面天线在一定的频率范围内，靠自身能够完成天线电磁波的反射功能，但在更高频段由于反射损耗增大、增益降低，就需要对碳纤维复合材料抛物面天线进行表面金属化。
传统的利用转移法金属化方法中，在预浸料铺贴前喷涂的金属层与模具的附着力不高，在模具从喷涂车间转运到铺贴净化间的过程中，金属层很容易产生鼓包、翘起和脱落；而且在模具上进行预浸料铺贴过程中，由于复合材料抛物面天线模具型面为双曲面，预浸料很容易拉扯，导致金属层很容易产生裂纹和撕裂。
此外，传统的转移法金属化方法通常采用手工喷涂，喷涂的金属微粒不均匀，且手工喷涂具有随机性，喷涂的金属层常常出现针孔、裂纹和局部喷涂过薄等缺陷。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的制备方法及设备，以至少解决现有技术中利用转移法制备表面金属化的碳纤维复合材料抛物面天线时，金属层容易产生鼓包、翘起和脱落，容易产生裂纹和撕裂的技术问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：对碳纤维复合材料抛物面天线蒙皮成型模具进行溶剂清洗，然后涂覆脱模剂；
步骤二：待脱模剂成膜后，在模具上涂覆高分子转移膜；
步骤三：待高分子转移膜成膜后，在模具上喷涂金属形成金属层，然后在金属层上喷涂树脂组合物；树脂组合物为环氧树脂组分和固化剂组分组合而成的双组份环氧树脂组合物，固化剂组分中包含有常温固化剂和高温固化剂；
步骤四：待树脂组合物部分凝胶后，进行碳纤维预浸料铺层；
步骤五：抽真空加温热压罐固化成型；
步骤六：脱模、修整，得到表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线。
本发明通过在金属层上喷涂树脂组合物，该树脂组合物为环氧树脂组分和固化剂组分组合而成的双组份环氧树脂组合物，并且固化剂组分中包含有常温固化剂和高温固化剂；这样，可以使树脂在喷涂后，常温下部分凝胶变成高弹态，部分仍保持黏流态，具有一定粘性。常温下变成高弹态部分的树脂可以封孔、固定金属铝层，而保留黏流态部分的树脂可以起到胶接金属铝层和模具的作用，有效地解决了预浸料铺贴前喷涂的金属铝层与模具附着力不高，在模具从喷涂车间转运到净化间的过程中很容易产生鼓包、翘起和脱落的问题，以及预浸料铺贴过程中金属铝层容易产生裂纹和撕裂的问题。
进一步地，步骤三中，环氧树脂组分为双酚A环氧树脂、苯甲醇、消泡剂、活性稀释剂、橡胶增韧剂的复配组分；固化剂组分为聚醚胺固化剂、异佛尔酮二胺固化剂、甲基四氢苯酐固化剂、2-乙基-4-甲基咪唑促进剂的复配组分；树脂组合物中环氧树脂组分与固化剂组分的质量比为100：(30～50)；树脂组合物的粘度为150mPa.s～300mPa.s，固含量100％。本发明使用的树脂组合物粘度低，固含量高，制得的金属铝层与碳纤维复合材料之间孔隙率低，有效地解决孔隙率对碳纤维复合材料抛物面天线吸收发射比的影响。
进一步地，环氧树脂组分按重量份计包括以下组分：双酚A环氧树脂12885份～90份、苯甲醇1份～2份、消泡剂0.3份～0.5份、活性稀释剂10份～15份、橡胶增韧剂1份～3份；固化剂组分按重量份计包括以下组分：聚醚胺固化剂D23035份～40份、固化剂IPDA 5份～10份、甲基四氢苯酐40份～45份、2-乙基-4-甲基咪唑1份～2份。
进一步地，步骤三中，金属的喷涂工艺为：利用金属喷枪在旋转的模具上从下往上均匀喷涂金属，压缩空气压力0.5MPa～0.7MPa，溶解乙炔压力0.05MPa～0.15MPa，氧气压力0.5MPa～1MPa，金属喷枪移动速度20mm/s～25mm/s，金属喷枪与模具的距离250mm～300mm。
进一步地，步骤三中，树脂组合物的喷涂工艺为：利用树脂喷枪在旋转的模具上从下往上均匀喷涂树脂组合物，压缩空气压力0.3MPa～0.4MPa，树脂喷枪移动速度100mm/s～200mm/s，树脂喷枪与模具的距离300mm～450mm，树脂的喷涂轨迹与金属的喷涂轨迹相同。
进一步地，步骤五中，固化成型的参数为：真空度不大于-0.096MPa，保持真空，以不大于1.5℃/min的速率升温至80±5℃，保温30min；以0.1MPa/min的速率加压至0.3MPa～0.5MPa，以不大于1℃/min的速率升温至130±5℃，保温保压120min；以不大于1℃/min的速率降温至60℃以下，卸压出罐。
进一步地，步骤一中，溶剂为无水乙醇、丙酮、丁酮中的一种或几种；脱模剂为肯天2754W、肯天5097W、汉高770NC中的一种或几种。
进一步地，步骤二中，高分子转移膜为聚乙烯醇、表面活性剂、缓蚀剂的复配溶液。
进一步地，步骤三中，金属为铝、锌、银中的一种；金属层的厚度为0.07mm～0.15mm。
根据本发明的另一方面，提供了一种上述的表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的制备方法所用的喷涂设备，该喷涂装置包括碳纤维复合材料抛物面天线蒙皮成型模具、模具转动装置、树脂喷涂装置和金属喷涂装置，碳纤维复合材料抛物面天线蒙皮成型模具固定安装在模具转动装置的转盘上，树脂喷涂装置和金属喷涂装置分别设置在模具转动装置的两侧，树脂喷涂装置包括树脂喷枪操作机械手和树脂喷枪，树脂喷枪安装在树脂喷枪操作机械手上，金属喷涂装置包括金属喷枪操作机械手和金属喷枪，金属喷枪安装在金属喷枪操作机械手上。
该喷涂设备结构简单、可实现自动喷涂，不受零件和形状的限制，采用机械手控制，喷涂的铝层厚度均匀，不但提高了质量，而且节约了生产成本、提高了生产效率。避免了手工喷涂的随机性，降低了喷涂的金属层出现针孔、裂纹和局部喷涂过薄等缺陷的可能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过在金属层上喷涂由环氧树脂组分和固化剂组分组合而成的双组份环氧树脂组合物，固化剂组分中含常温固化剂和高温固化剂；树脂喷涂后，常温下部分凝胶变成高弹态，部分仍保持黏流态；变成高弹态部分的树脂可封孔、固定金属铝层，保留黏流态部分的树脂可胶接金属铝层和模具；解决了预浸料铺贴前喷涂的金属层与模具附着力不高，容易产生鼓包、翘起和脱落的问题，以及预浸料铺贴过程中金属层容易产生裂纹和撕裂的问题。
(2)本发明所使用的树脂组合物粘度低，固含量高，所制得的产品金属铝层与碳纤维复合材料之间的孔隙率低，有效地解决了高孔隙率对碳纤维复合材料抛物面天线吸收发射比的影响；所得产品具有良好的反射率和导电率。
(3)本发明所用的喷涂设备结构简单、可实现自动喷涂，不受零件和形状的限制，采用机械手控制，喷涂的铝层厚度均匀，不但提高了质量，而且节约了生产成本、提高了生产效率。该喷涂设备避免了手工喷涂的随机性，降低了喷涂的金属层出现针孔、裂纹和局部喷涂过薄等缺陷的可能。
附图说明
图1为本发明的制备方法的流程图。
图2为本发明的喷涂设备的结构示意图。
图3为本发明的表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的示意图。
图4为本发明的表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的金属涂层质量照片。
上述附图中，包括以下附图标记：
1、碳纤维复合材料抛物面天线蒙皮成型模具；2、模具转动装置；3、树脂喷涂装置；4、金属喷涂装置；21、转盘；22、步进电机；31、树脂喷枪操作机械手；32、树脂喷枪；41、金属喷枪操作机械手；42、金属喷枪。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
一种本发明的表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的制备方法，其工艺流程图如图1所示。该制备方法包括以下步骤：
步骤一：对碳纤维复合材料抛物面天线蒙皮成型模具1使用无水乙醇进行清洗，直至模具表面无杂物污物后晾干，使用干净的无尘布蘸取汉高770NC脱模剂，在模具表面交叉均匀擦拭三遍，每遍间隔15min。
步骤二：将碳纤维复合材料抛物面天线蒙皮成型模具1预热至40℃，使用毛刷蘸取聚乙烯醇、表面活性剂、缓蚀剂的复配溶液，在模具表面呈90°交叉均匀涂刷两遍，在第一遍完全干燥后，再涂刷第二遍，每次涂层尽可能薄一些，形成高分子转移膜。
步骤三：待高分子转移膜成膜后，将碳纤维复合材料抛物面天线蒙皮成型模具1和模具转动装置2装配组合；启动模具转动装置2的步进电机22，使碳纤维复合材料抛物面天线蒙皮成型模具1匀速旋转；启动金属喷枪42在模具上从下到上均匀喷涂金属铝；在金属铝喷完底层第一圈后，立即启动树脂喷枪32在模具上喷涂树脂组合物，树脂的喷涂轨迹与金属铝的喷涂轨迹相同。
其中，树脂组合物为环氧树脂组分和固化剂组分组合而成的双组份环氧树脂组合物。环氧树脂组分为：双酚A环氧树脂12885份、苯甲醇1份、消泡剂0.3份、活性稀释剂10份、橡胶增韧剂1份；固化剂组分为：聚醚胺固化剂D23035份、固化剂IPDA 5份、甲基四氢苯酐45份、2-乙基-4-甲基咪唑2份；环氧树脂组分与固化剂组分的混合质量比为100：40。将上述组分在容器中混合均匀，并进行真空消泡，然后倒入树脂喷枪32的喷壶内。
金属铝的喷涂工艺为：压缩空气压力0.7MPa、溶解乙炔压力0.15MPa、氧气压力0.9MPa、金属喷枪42移动速度24mm/s、金属喷枪42与模具的距离290mm。
树脂组合物的喷涂工艺为：压缩空气压力0.4MPa、树脂喷枪32移动速度190mm/s、树脂喷枪32与模具的距离400mm。
步骤四：将碳纤维复合材料抛物面天线蒙皮成型模具1转移至净化间，常温静置3h，待部分树脂凝胶化以后，在金属铝层表面逐层铺贴碳纤维预浸料，铺完第一层和第四层后分别抽真空预压实，真空度不低于-0.085MPa，抽真空时间不低于15min。
步骤五：将碳纤维复合材料抛物面天线蒙皮成型模具1封装，在热压罐中进行抽真空固化，固化参数为：真空度不大于-0.096MPa，保持真空，以不大于1.5℃/min的速率升温至80℃，保温30min；以0.1MPa/min的速率加压至0.5MPa，以不大于1℃/min的速率升温至130℃，保温保压120min；以不大于1℃/min的速率降温至60℃以下，卸压出罐。
步骤六：软质玻璃钢垫片从产品边缘处脱模，清理零产品四周毛刺、飞边，打磨残胶，保证产品边缘平整、无纤维分层，得到表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线，其示意图如图3所示。
通过本发明制备方法得到的表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线，表面金属铝层连续无裂纹，铝层厚度为0.10mm～0.12mm(理论厚度为0.10mm)。该表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的金属涂层质量照片如图4所示。
对该天线的反射率和导电率进行测试，以原始状态铝板的反射率为100％，使用矢量网络分析仪(ROHDE&SCHWARZ-ZNB40)在20GHz～30GHz测得的反射系数≥99.2％；使用直流低电阻测量仪(19A010705)测得随炉试件导电率为1.72×107S/m。
实施例2：
一种本发明的表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的制备方法，该制备方法与实施例1大致相同，其与实施例1的区别在于：树脂组合物的组分不相同。
本实施例中，树脂组合物中环氧树脂组分为：双酚A环氧树脂12890份、苯甲醇2份、消泡剂0.5份、活性稀释剂15份、橡胶增韧剂3份；固化剂组分为：聚醚胺固化剂D23040份、固化剂IPDA 5份、甲基四氢苯酐40份、2-乙基-4-甲基咪唑1份；环氧树脂组分与固化剂组分的混合质量比为100：35。将上述组分在容器中混合均匀，并进行真空消泡，然后倒入树脂喷枪32的喷壶内。
实施例3：
一种本发明的表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的制备方法，该制备方法与实施例1大致相同，其与实施例1的区别在于：金属铝的喷涂工艺不同。
本实施例中，金属铝的喷涂工艺为：压缩空气压力0.5MPa、溶解乙炔压力0.05MPa、氧气压力0.6MPa、金属喷枪42移动速度20mm/s、金属喷枪42与模具的距离260mm。
实施例4：
一种本发明的表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的制备方法，该制备方法与实施例1大致相同，其与实施例1的区别在于：树脂组合物的喷涂工艺不同。
本实施例中，树脂组合物的喷涂工艺为：压缩空气压力0.3MPa、树脂喷枪32移动速度110mm/s、树脂喷枪32与模具的距离350mm。
实施例5：
参见图2，一种本发明上述实施例的表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的制备方法所用的喷涂设备。该喷涂设备主要包括碳纤维复合材料抛物面天线蒙皮成型模具1、模具转动装置2、树脂喷涂装置3和金属喷涂装置4。其中，碳纤维复合材料抛物面天线蒙皮成型模具1固定安装在模具转动装置2的转盘21上；树脂喷涂装置3和金属喷涂装置4分别设置在模具转动装置2的两侧；树脂喷涂装置3包括树脂喷枪操作机械手31和树脂喷枪32，树脂喷枪32安装在树脂喷枪操作机械手31上；金属喷涂装置4包括金属喷枪操作机械手41和金属喷枪42，金属喷枪42安装在金属喷枪操作机械手41上。
上述的喷涂设备，在制备表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线时碳纤维复合材料抛物面天线蒙皮成型模具1固定在模具转动装置2的转盘上，通过模具转动装置2控制模具以一定的转速匀速转动，在模具转动过程中在金属喷枪操作机械手41的控制下实现金属汽化后的自动多方位喷涂，在树脂喷枪操作机械手31的控制下实现树脂组合物的自动多方位喷涂。该喷涂设备结构简单、可实现树脂和金属的自动喷涂，避免了手工喷涂的随机性，也降低了喷涂的金属层出现针孔、裂纹和局部喷涂过薄等缺陷可能。
具体来说，模具转动装置2包括转盘21和步进电机22，步进电机22可以控制转盘21的转速，碳纤维复合材料抛物面天线蒙皮成型模具1通过销钉和螺栓紧固安装在转盘21上。树脂喷枪操作机械手31和金属喷枪操作机械手41的移动范围可覆盖整个碳纤维复合材料抛物面天线蒙皮成型模具1。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明各具体实施方式间可任意组合，可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对碳纤维复合材料抛物面天线蒙皮成型模具进行溶剂清洗，然后涂覆脱模剂；
步骤二：待脱模剂成膜后，在模具上涂覆高分子转移膜；
步骤三：待高分子转移膜成膜后，在模具上喷涂金属形成金属层，然后在金属层上喷涂树脂组合物；所述树脂组合物为环氧树脂组分和固化剂组分组合而成的双组份环氧树脂组合物，所述固化剂组分中包含有常温固化剂和高温固化剂；所述环氧树脂组分为双酚A环氧树脂、苯甲醇、消泡剂、活性稀释剂、橡胶增韧剂的复配组分；所述固化剂组分为聚醚胺固化剂、异佛尔酮二胺固化剂、甲基四氢苯酐固化剂、2-乙基-4-甲基咪唑促进剂的复配组分；所述树脂组合物的固含量100%；所述树脂组合物的粘度为150mPa.s～300mPa.s；
步骤四：待树脂组合物部分凝胶后，进行碳纤维预浸料铺层；
步骤五：抽真空加温热压罐固化成型；
步骤六：脱模、修整，得到表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线。
2.根据权利要求1所述的表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的制备方法，其特征在于，所述树脂组合物中所述环氧树脂组分与所述固化剂组分的质量比为100：(30～50)。
3.根据权利要求2所述的表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的制备方法，其特征在于，所述环氧树脂组分按重量份计包括以下组分：双酚A环氧树脂12885份～90份、苯甲醇1份～2份、消泡剂0.3份～0.5份、活性稀释剂10份～15份、橡胶增韧剂1份～3份；所述固化剂组分按重量份计包括以下组分：聚醚胺固化剂D23035份～40份、固化剂IPDA 5份～10份、甲基四氢苯酐40份～45份、2-乙基-4-甲基咪唑1份～2份。
4.根据权利要求1所述的表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的制备方法，其特征在于，步骤三中，金属的喷涂工艺为：利用金属喷枪在旋转的模具上从下往上均匀喷涂金属，压缩空气压力0.5MPa～0.7MPa，溶解乙炔压力0.05MPa～0.15MPa，氧气压力0.5MPa～1MPa，金属喷枪移动速度20mm/s～25mm/s，金属喷枪与模具的距离250mm～300mm。
5.根据权利要求4所述的表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的制备方法，其特征在于，步骤三中，树脂组合物的喷涂工艺为：利用树脂喷枪在旋转的模具上从下往上均匀喷涂树脂组合物，压缩空气压力0.3MPa～0.4MPa，树脂喷枪移动速度100mm/s～200mm/s，树脂喷枪与模具的距离300mm～450mm，树脂的喷涂轨迹与金属的喷涂轨迹相同。
6.根据权利要求1所述的表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的制备方法，其特征在于，步骤五中，固化成型的参数为：真空度不大于-0.096MPa，保持真空，以不大于1.5℃/min的速率升温至80±5℃，保温30min；以0.1MPa/min的速率加压至0.3MPa～0.5MPa，以不大于1℃/min的速率升温至130±5℃，保温保压120min；以不大于1℃/min的速率降温至60℃以下，卸压出罐。
7.根据权利要求1所述的表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述溶剂为无水乙醇、丙酮、丁酮中的一种或几种；所述脱模剂为肯天2754W、肯天5097W、汉高770NC中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述高分子转移膜为聚乙烯醇、表面活性剂、缓蚀剂的复配溶液。
9.根据权利要求1所述的表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述金属为铝、锌、银中的一种；金属层的厚度为0.07mm～0.15mm。
10.一种如权利要求1～9中任意一项所述的表面金属化碳纤维复合材料抛物面天线的制备方法所用的喷涂设备，其特征在于，所述喷涂设备包括碳纤维复合材料抛物面天线蒙皮成型模具、模具转动装置、树脂喷涂装置和金属喷涂装置，所述碳纤维复合材料抛物面天线蒙皮成型模具固定安装在所述模具转动装置的转盘上，所述树脂喷涂装置和所述金属喷涂装置分别设置在所述模具转动装置的两侧，所述树脂喷涂装置包括树脂喷枪操作机械手和树脂喷枪，所述树脂喷枪安装在所述树脂喷枪操作机械手上，所述金属喷涂装置包括金属喷枪操作机械手和金属喷枪，所述金属喷枪安装在所述金属喷枪操作机械手上。
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