碳纤维复合材料C波段天线反射面(上).doc

碳纤维复合材料C波段天线反射面（上）2011-06-10北京空间机电研究所,沃西源,房海军 摘要：简述了碳纤维复合材料C波段天线的组成，着重对天线反射面制造工艺过程、材料选择及特性、铺层分析、成型模具设计、固化成型工艺参数选择和产品质量控制等内容进行了分析。1 前 言碳纤维复合材料是一种新型结构材料，与金属材料相比具有较高的比强度、比刚度、热膨胀系数小、阻尼性能好等优点，且可按制件在不同方位受力大小进行铺层设计，工艺上可以整体成型，减少零件数目，因此近年来在航天器上得到日益广泛的应用。天线是任何卫星都不可缺少的星载设备。天线移种分类方法，按天线形状分类，通常可分为线天线、喇叭天线、反射面天线和阵列天线等。无论是哪种类型的天线，由于其反射面的曲面精度和尺寸稳定性会直接影响天线的增益，因此天线反射面研制过程中一个重要任务是如何来保证反射面的型面精度和尺寸稳定性。本文以我单位研制的C波段天线反射面为例，分别从制造工艺过程、材料选择及特性试验、铺层分析、成型模具设计、固化成型工艺参数选择和产品质量控制等内容进行分析，为确保天线反射面研制质量奠定基础。本研究成果已用于某通信卫星抛物面天线中，经受多次飞行试验考验，取得满意的结果。2. C波段天线的组成及主要技术指标2.1C波段天线的组成 c波段天线主要由天线反射面、加强筋、角锥喇叭、连接法兰和下法兰组成，见图1。其中，天线反射面由碳环氧面板、铝蜂窝芯和各种预埋件等零件采用真空袋-热压罐法胶接成型工艺复合成蜂窝夹层结构；加强筋、角锥喇叭、连接法兰通过采用碳环氧预浸料按照铺层设计要求进行手工铺层，然后再按工艺要求进行模压成型；下法兰采用铝金属机加成型。最后，通过组装成型模对天线反射面、加强筋、角锥喇叭、连接法兰和下法兰五个部分定位，采用胶接工艺组成一整体结构。2.2 主要技术指标 c波段天线主要技术指标为：天线反射面形状法向偏差不大于0.3 mm（均方根值）；确定抛物面焦点位置，实测焦点与理论焦点的空间位置偏差不大于0.5 mm；角锥喇叭每侧面平面度不大于0.2mm；纤维体积含量633%；对复合材料结构进行无损探伤，不允许有气泡、分层和夹杂。3 主要研究内容3.1C波段天线的制造工艺 c波段天线主要由天线反射面及其它支撑结构组成。本文着重介绍其反射面型面精度和尺寸稳定性控制，根据我单位承担某型号任务要求，其天线反射面的制造工艺流程，见图2。3.2 材料的选择及其特性 由于天线反射面必须能够反射电磁波，蜂窝夹层结构复合材料中面板材料必须由导电材料制成。碳纤维具有良好的导电性能，且具有良好的力学性能沿高模量碳纤维轴向的热膨胀系数为-0.7x10-6，而其垂直于纤维方向的热膨服系数为23x10-6。它具有明显的各向异性特点，可通过工艺设计，满足各种天线反射面的性能要求。实践表明碳纤维是天线反射面面板材料的理想选择之一。Kevlar-49纤维同样具有良好的力学性能，从结构性能角度考虑也是天线面板材料的理想选择。但由于其不导电，当用于天线反射面时，必须对其反射表面进行金属化处理。由此可知，天线反射面的结构设计与所用材料性能有着密切的关系。选用不同的材料会使天线反射面的结构特性有很大的差异，为了满足C波段天线结构的设计要求，在进行了大量的材料性能试验的前提下，最终选用材料的性能测试结果列于表1至表5中。3.3 天线反射面面板铺层分析 在传统的蜂窝夹层结构复合材料天线反射面中，碳纤维通常制备成预浸无纬布或平纹织物预浸料使用。由于面板和蜂窝芯子各向异性容易造成反射面在外载荷下产生翘曲变形，所以反射面面板一般按准各向同性铺层设计要求进行选择。预浸无纬布一般选择以045/90T或0/ 45/90T铺层形式，有时也选择060T的铺层形式；平纹碳布一般选择0/45T铺层形式。蜂窝夹层结构还应设计研制成沿中面对称铺层。一般情况下正六边形的蜂窝芯子的各向异性对反射面型面精度的影响是不可忽略的。在研制中一般采取将蜂窝芯子加工成分片结构，然后在专用型面模具上将各片蜂窝芯子进行拼接，其蜂窝夹层结构纵向热膨胀系数为1.62 10-6，横向热膨胀系数为1.8410-6/。3.4 天线反射面的成型模具设计 天线反射面的成型模具是根据成型工艺方案和设计图纸要求进行设计的。在研制过程中，又根据实际使用情况作了局部修改，其主要考虑的内容有：天线反射面结构中面板采用M40/环氧648预浸料铺叠成型，其固化温度与脱模温度（室温）存在较大差异。若固化成型工艺过程中使用模具材料热膨胀系数较大，则会造成面板中存在较大的残余变形，故对一般精度要求的反射面可采用铸铁模具，对精度要求高的反射面则应采用殷钢或复合材料模具；模具结构要有足够的强度和刚度，耐高温性能好，操作简单，脱模方便；天线反射面型面精度要求为0.3 mm，因此模具需在精确编程后的数控车床上完成，且制得的模具型面精度小于0.15mm。3.5 天线反射面的重量控制 卫星结构对天线分系统重量有严格要求，抛物面天线反射面的研制过程中一个重要的内容是在保证其型面精度和尺寸稳定性的前提下，尽可能减少天线反射面的重量，主要控制如下内容：为减少抛物面天线反射面在制造过程中和在轨温度环境下的变形，如采用平纹织物，至少需2层平纹织物布。一般情况下可采用045/90T4层预浸无纬布，有附也可采用0/60T3层预浸无纬布，以保证其准各向同性铺层形式；抛物面天线结构的面板与蜂窝芯子之间采用中温固化结构胶粘剂胶接，一般均采用底胶和胶膜。为严格控制反射面重量，应对胶膜的厚度要求和底胶用量加以严格控制；为确保反射面的结构刚度，通过优化选择蜂窝芯子的规格和高度来控制反射面的重量；为减小反射面不同部位在轨温度梯度，必须采取热控措施，为此还应严格控制热控材料或零件的使用重量。3.6 固化成型工艺参数选择 复合材料固化成型工艺参数主要包括升温速率、真空度、加压时机和压力、固化温度和保温时间及降温速率等。固化成型工艺参数的合理选择能够保证复合材料制品中树脂含量、减少制品中的孔隙率、提高复合材料性能，从而保证产品质量。 目前，复合材料固化成型工艺参数主要通过试验取得，其技术主要包括流变测量技术、热分析技术、波谱分析技术、色谱分析技术和动态分析技术等。我单位复合材料固化成型工艺参数主要以树脂材料的DSC曲线分析，并通过不断尝试进行优化固化工艺参数，最终得到合适的固化工艺曲线，经实施效果甚好。责编：翟静Email：电话：400-880-6780碳纤维：新材料之王踏上征途2011-06-10本周四，A股再度跌破2700点让很多个股很受伤，连续下跌也令市场各方噤若寒蝉。 本周四，A股再度跌破2700点让很多个股很受伤，连续下跌也令市场各方噤若寒蝉。正是在这样的恐慌中，以大橡塑、中钢吉炭为代表的碳纤维股强势上攻，为大盘带来一些生机。被业内人士誉为“新材料之王”的碳纤维，由于它的“外柔内刚”，已成为重要的战略物资。碳纤维：新材料之王碳纤维是一种含碳量在95%以上的新型纤维材料，它是用一些含碳的有机纤维，如腈纶丝、沥青及粘胶纤维等做原料，跟塑料树脂结合在一起，放在惰性气体中，经碳化而成的新型纤维材料。碳纤维具有出色的力学性能和化学稳定性，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维。此外，碳纤维还兼有其他多种优良性能，如低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热导性高、热膨胀系数低、X光穿透性高，非磁体但有电磁屏蔽性等，可以称之为新材料之王。因此可以广泛应用于飞机制造等军工领域、风力发电叶片等工业领域、GOLF球棒等体育休闲领域。国内需求基本依赖进口世界碳纤维格局：发达国家成熟产业，行业集中度高。世界碳纤维的生产主要集中在日本、英国、美国、法国、韩国等少数发达国家，主要生产商为日本的东丽、东邦人造丝、三菱人造丝三大集团，三家企业就占据了世界78%左右的产量。从需求情况来看，世界碳纤维的消费结构集中在工业应用、航天航空和体育休闲三个方面，目前工业应用约占总消费量的58%；航空航天方面应用约占23%，体育运动器材应用约占19%。1991-2009年，碳纤维在工业应用领域的消耗是持续增长的，航空航天领域基本保持平衡，而体育用品在碳纤维应用的比例则持续下降，碳纤维应用逐渐从航空航天、体育用品向民用工业应用转移，特别是随着大丝束碳纤维的大规模生产，其价格将不断降低，民用工业用量将继续保持大幅度增加的趋势。我国碳纤维产业基本依赖进口。我国碳纤维的生产尚处于起步阶段，国内碳纤维生产能力仅占世界高性能碳纤维总产量的0.4%左右，2009年自给率提高到16%以上，仍主要依赖进口，无论是质量和规模与国外相比差距都很大。有专家统计，现在中国的碳纤维复合材料需求量很大，数字大约是10000吨，而产能只有4000至5000吨。随着国家的重视，产能正在进一步提高。中国目前专门生产碳纤维的厂家只有十多家，但高端应用技术还有待突破。产业化意义重大“我国在碳纤维复合材料上还处于发展阶段，没有形成真正意义上的产业化规模”，中国复合材料学会一位负责人告诉记者。复合材料就是将两种材料混合在一起，其性能就比单一的材料更加明显，如碳纤维、芳纶纤维等。中信建投研究员韩梅在接受采访时说，“碳纤维、玻璃纤维本身重量和材质都比较轻，这样的材料就非常适合运用到航空航天、轨道交通等领域当中。”韩梅认为，如果碳纤维等复合材料产业能够顺利得到发展，对我国的节能减排也有举足轻重的意义。比如汽车，如果外壳用复合材料制成，车体重量就会减轻，那么油耗也就会降低。据中信建投的研究报告显示，碳纤维供过于求的格局将维持到2011年，到2012年基本供需平衡，2013年后快速增长的行业需求将有望使行业向供小于求的趋势发展。“七君子”抢跑中钢吉炭：碳纤维龙头股。公司是一家专业化的碳纤维生产企业，技术实力雄厚，新项目进展顺利，盈利有望不断改善。公司在江城投资的碳纤维项目于2008年开建，一期500吨/年的生产线建设将于今年8月投产，二期1500吨/年的生产线建设将于2012年年底投产，届时江城碳纤维公司年产能将达到2000吨，成为国内重要碳纤维生产基地。公司目前拥有江城碳纤维公司30%股权。金发科技：碳纤维项目今年6月前投产。首期产值预计可达10亿元，全面投产后将实现年产2000吨高性能PAN碳纤维的生产规模，年产值将达100亿元。大元股份：子公司碳纤维新产品通过专利初级审查。吉林化纤：大股东力推碳纤维研发和建设。计划于2011年7月建成年产5000吨碳纤维原丝项目，并根据市场拓展情况，进一步扩大生产规模，力争在高性能新型纤维材料的研发和生产方面取得跨越式发展。大橡塑：设备涵盖碳纤维等多领域。博云新材：公司是我国先进复合材料领域的龙头企业，在炭/炭复合材料领域具备国际竞争力，打破了国外在该领域内的技术垄断。保定天鹅：大股东将打造新型纤维拓展平台。责编：李莹Email：电话：400-880-6780不饱和聚酯树脂百科名片不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂，一般是由不饱和二元酸二元醇或者饱和二元酸不饱和二元醇缩聚而成的具有酯键和不饱和双键的线型高分子化合物。通常，聚酯化缩聚反应是在190220进行,直至达到预期的酸值(或粘度)，在聚酯化缩反应结束后，趁热加入一定量的乙烯基单体，配成粘稠的液体，这样的聚合物溶液称之为不饱和聚酯树脂。目录简述不饱和聚酯树脂性能特点不饱和聚酯树脂的物理和化学性质不饱和聚酯树脂结构与性能的关系不饱和聚酯树脂的固化机理不饱和聚酯树脂粘度测定方法展开简述化工原料的一种，常用于物体表面加厚、固化，使用时如同刷油漆一般，层层加叠，固化过程释放苯乙烯等有害气体。不饱和聚酯树脂是热固性树脂中最常用的一种，它是由饱和二元酸、不饱和二元酸和二元醇缩聚而成的线形聚合物，经过交联单体或活性溶剂稀释形成的具有一定黏度的树脂溶液，简称UP。不饱和聚酯树脂性能特点工艺性能优良这是不饱和聚酯树脂最大的优点。可以在室温下固化，常压下成型，工艺性能灵活，特别适合大型和现场制造玻璃钢制品。固化后树脂综合性能好力学性能指标略低于环氧树脂，但优于酚醛树脂。耐腐蚀性，电性能和阻燃性可以通过选择适当牌号的树脂来满足要求，树脂颜色浅，可以制成透明制品。品种多品种多，适应广泛，价格较低。缺点缺点是固化时收缩率较大，贮存期限短，含苯乙烯，有刺激性气体，长期接触对身体健康不利。不饱和聚酯树脂的物理和化学性质物理性质不饱和聚酯树脂的相对密度在1.111.20左右，固化时体积收缩率较大，固化树脂的一些物理性质如下：耐热性。绝大多数不饱和聚酯树脂的热变形温度都在5060，一些耐热性好的树脂则可达120。红热膨胀系数1为（130150）10-6。力学性能。不饱和聚酯树脂具有较高的拉伸、弯曲、压缩等强度。耐化学腐蚀性能。不饱和聚酯树脂耐水、稀酸、稀碱的性能较好，耐有机溶剂的性能差，同时，树脂的耐化学腐蚀性能随其化学结构和几何开关的不同，可以有很大的差异。介电性能。不饱和聚酸树脂的介电性能良好。化学性质不饱和聚酯是具有多功能团的线型高分子化合物，在其骨架主链上具有聚酯链键和不饱和双键，而在大分子链两端各带有羧基和羟基。主链上的双键可以和乙烯基单体发生共聚交联反应，使不饱和聚酯树脂从可溶、可熔状态转变成不溶、不熔状态。主链上的酯键可以发生水解反应，酸或碱可以加速该反应。若与苯乙烯共聚交联后，则可以大大地降低水解反应的发生。在酸性介质中，水解是可逆的，不完全的，所以，聚酯能耐酸性介质的侵蚀；在碱性介质中，由于形成了共振稳定的羧酸根阴离子，水解成为不可逆的，所以聚酯耐碱性较差。聚酯链末端上的羧基可以和碱土金属氧化物或氢氧化物例如MgO，CaO，Ca(OH)2等反应，使不饱和聚酯分子链扩展，最终有可能形成络合物。分子链扩展可使起始粘度为0.11.0Pas粘性液体状树脂，在短时间内粘度剧增至103Pas以上，直至成为不能流动的、不粘手的类似凝胶状物。树脂处于这一状态时并未交联，在合适的溶剂中仍可溶解，加热时有良好的流动性不饱和聚酯树脂结构与性能的关系迄今，国内外用作复合材料基体的不饱和聚酯（树脂）基体基本上是邻苯二甲酸型（简称邻苯型）、间苯二甲酸型（简称间苯型）、双酚A型和乙烯基酯型、卤代不饱和聚酯树脂等。邻苯型不饱和聚酯和间苯型不饱和聚酯邻苯二甲酸和间苯二甲酸互为异构体，由它们合成的不饱和聚酯分子链分别为邻苯型和间苯型，虽然它们的分子链化学结构相似，但间苯型不饱和聚酯和邻苯型不饱和聚酯相比，具有下述一些特性：用间苯型二甲酸可以制得较高分子量的间苯二甲酸不饱和聚酯，使固化制品有较好的力学性能、坚韧性、耐热性和耐腐蚀性能；间苯二甲酸聚酯的纯度高，树脂中不残留有间苯二甲酸和低分子量间苯二甲酸酯杂质；间苯二甲酸聚酯分子链上的酯键受到间苯二甲酸立体位阻效应的保护，邻苯二甲酸聚酯分子链上的酯键更易受到水和其它各种腐蚀介质的侵袭，用间苯二甲酸聚酯树脂制得的玻璃纤维增强塑料在71饱和氯化钠溶液中浸泡一年后仍具有相当高的性能。双酚A型不饱和聚酯双酚A型不饱和聚酯与邻苯型不饱和聚酸及间苯型不饱和聚酯大分子链的化学结构相比，分子链中易被水解遭受破坏的酯键间的间距增大，从而降低了酯键密度；双酚A不饱和聚酯与苯乙烯等交联剂共聚固化后的空间效应大，对酯基起屏蔽保护作用，阻碍了酯键的水解；而在分子结构中的新戊基，连接着两个苯环，保持了化学瓜的稳定性，所以这类树脂有较好的耐酸、耐碱及耐水解性能。乙烯基树脂乙烯基树脂又称为环氧丙烯酸树脂，是60年代发展起来的一类新型树脂，其特点是聚合物中具有端基不饱和双键。乙烯基树脂具有较好的综合性能：由于不饱和双键位于聚合物分子链的端部，双键非常活泼，固化时不受空间障碍的影响，可在有机过氧化物引发下，通过相邻分子链间进行交联固化，也可与单体苯乙烯其聚固化；树脂链中的R基团可以屏蔽酯键，提高酯键的耐化学性能和耐水解稳定性；乙烯基树脂中，每单位相对分子质量中的酯键比普通不饱和聚酯中少35%50%左右，这样就提高了该树脂在酸、碱溶液中的水解稳定性；树脂链上的仲羟基与玻璃纤维或其它纤维的浸润性和粘结性从而提高复合材料的强度；环氧树脂主链，它可以赋与乙烯基树脂韧性，分子主链中的醚键可使树脂具有优异的耐酸性。乙烯基树脂的品种和性能，随着所用原料的不同而有广泛的变化，可按复合材料对树脂性能的要求设计分子结构。卤代不饱和聚酯卤代不饱和聚酯是指由氯茵酸酐（HET酸酐）作为饱和二元酸（酐）合成得到的一种氯代不饱和聚酯。氯代不饱和聚酯树脂一直是当作具有优良自熄性能的树脂来使用的。但近年来研究表明氯代不饱和聚酯树脂亦具有相当好的耐腐蚀性能，它在上些介质中耐腐蚀性能与双酚A不饱和聚酯树脂和乙烯基树脂基本相当，而在某些例（例如湿氯）中的耐腐蚀性能则优于乙烯基树脂和双酚A不饱和聚酯树脂。热湿氯在不饱和聚酯树脂接触后会发生反应而产生氯代的不饱和聚酯树脂或称氯奶油。由双酚A不饱和聚酯 树脂和乙烯基酯树脂产生氯奶油性状柔软，湿氯可以通过该氯奶油层进一步（腐蚀）渗透，但由氯代不饱和聚酯产生氯奶油性状坚硬，可以阻止湿氯的进一步（腐蚀）渗透。不饱和聚酯树脂的固化机理从游离基聚合的化学动力学角度分析UPR的固化属于自由基共聚合反应。固化反应具有链引发、链增长、链终止、链转移四个游离基反应的特点。链引发从过氧化物引发剂分解形成游离基到这种游离基加到不饱和基团上的过程。链增长单体不断地加合到新产生的游离基上的过程。与链引发相比，链增长所需的活化能要低得多。链终止两个游离基结合，终止了增长着的聚合链。链转移一个增长着的大的游离基能与其他分子，如溶剂分子或抑制剂发生作用，使原来的活性链消失成为稳定的大分子，同时原来不活泼的分子变为游离基。不饱和聚酯树脂固化过程中分子结构的变化UPR的固化过程是UPR分子链中的不饱和双键与交联单体（通常为苯乙烯）的双键发生交联聚合反应，由线型长链分子形成三维立体网络结构的过程。在这一固化过程中，存在三种可能发生的化学反应，即1、苯乙烯与聚酯分子之间的反应；2、苯乙烯与苯乙烯之间的反应；3、聚酯分子与聚酯分子之间的反应。对于这三种反应的发生，已为各种实验所证实。值得注意的是，在聚酯分子结构中有反式双键存在时，易发生第三种反应，也就是聚酯分子与聚酯分子之间的反应，这种反应可以使分子之间结合的更紧密，因而可以提高树脂的各项性能。不饱和树脂固化过程的表观特征变化不饱和聚酯树脂的固化过程可分为三个阶段，分别是：1、凝胶阶段（A阶段）：从加入固化剂、促进剂以后算起，直到树脂凝结成胶冻状而失去流动性的阶段。该结段中，树脂能熔融，并可溶于某些溶剂（如乙醇、丙酮等）中。这一阶段大约需要几分钟至几十分钟。2、硬化阶段（B阶段）：从树脂凝胶以后算起，直到变成具有足够硬度，达到基本不粘手状态的阶段。该阶段中，树脂与某些溶剂（如乙醇、丙酮等）接触时能溶胀但不能溶解，加热时可以软化但不能完全熔化。这一阶段大约需要几十分钟至几小时。3、熟化阶段（C阶段）：在室温下放置，从硬化以后算起，达到制品要求硬度，具有稳定的物理与化学性能可供使用的阶段。该阶段中，树脂既不溶解也不熔融。我们通常所指的后期固化就是指这个阶段。这个结段通常是一个很漫长的过程。通常需要几天或几星期甚至更长的时间。影响树脂固化程度的因素不饱和聚酯树脂的固化是线性大分子通过交联剂的作用，形成体型立体网络过程，但是固化过程并不能消耗树脂中全部活性双键而达到100%的固化度。也就是说树脂的固化度很难达到完全。其原因在于固化反应的后期，体系粘度急剧增加而使分了扩