一種芳綸纖維復合材料頻率選擇面反射器成型方法與流程

本發明涉及復合材料成型制造領域，特別是涉及應用在航天領域的芳綸纖維復合材料頻率選擇面反射器成型制造技術領域。

背景技術：

衛星通訊技術的高速發展對航天領域天線類設備的輕量化、高精度、高穩定性等方面提出了更高的要求。由于芳綸纖維復合材料具有優異的力學性能、抗老化性能、電絕緣性能、透波性能、低的線膨脹系數等特點，使其在衛星天線工程中有著廣闊的應用前景。特別是在機載、艦載、星載雷達天線罩，雙柵天線反射器、頻率選擇面反射器、相控陣面天線、天線支撐結構件等方面，芳綸纖維復合材料得到了廣泛的應用。

頻率選擇面反射器是一種具有特殊性質的周期性金屬圖案的介質板，其典型結構如圖1所示，包括1-金屬陣列、2-芳綸纖維復合材料、3-膠膜、4-Nomex蜂窩芯。它可以在一定頻段上全透過電磁波,而在另一頻段上全反射電磁波。其反射功能依靠反射器上排列的金屬陣列來實現，透過則要求制件材料具有極高的電磁波透過性能。頻率選擇面反射器的材料需具備結構材料和功能材料的雙重特性，采用芳綸纖維復合材料制造頻率選擇面反射器，發揮其優異的透波性能和較低的熱膨脹系數的特點，可同時滿足結構材料和功能材料的雙重要求。

由于復合材料基體表面金屬陣列的存在，對電設計、測試、結構設計、制造工藝等方面都提出了很高的要求。目前國內在頻率選擇面反射器方面的研究仍處于試驗階段。一般在非金屬材料基體上實現表面金屬化的方法有金屬噴涂、鋪覆金屬網、真空鍍膜等技術。對于頻率選擇面反射器來講，表面金屬陣列要求按一定的周期進行排布。金屬噴涂法形成的涂層表面粗糙多孔，圖形質量不易保證，鋪覆金屬網只能形成特定的網格圖形，而真空鍍膜形成的鍍層附著力較差、容易出現龜裂，同時需要大型的鍍膜設備。因此，基體表面金屬陣列的成型是芳綸纖維復合材料頻率選擇面反射器制造的難點之一。

頻率選擇面反射器的型面精度也是衛星最重要的性能指標之一，國內外都在根據用途需要向高精度、超高精度發展。復合材料制件在固化成型過程中由于材料的熱脹冷縮效應、基體樹脂的化學反應放熱效應、樹脂的化學收縮、蜂窩芯成型產生的應力以及復合材料與模具材料在熱膨脹系數上的顯著差異等原因，會導致制件固化后會產生一定的內應力。而太空環境中，溫度變化范圍很大，復合材料制件在劇烈的溫差變化過程中內應力逐漸釋放，會導致制件發生較大程度的變形，難以滿足實際使用要求。因此，型面精度的控制是芳綸纖維復合材料頻率選擇面反射器制造的又一關鍵技術難點。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種芳綸纖維復合材料頻率選擇面反射器的成型方法。發明主要通過使用“B”階段預固化的NOMEX蜂窩芯、反射器采用多步成型法、固化后反射器進行熱循環時效和室溫時效處理、反射器基體表面使用膠膜粘接覆銅聚酰亞胺膜等方法，解決了芳綸纖維復合材料頻率選擇面反射器型面精度控制以及表面金屬陣列的成型等問題。

一種芳綸纖維復合材料頻率選擇面反射器的成型方法，包括以下步驟：

1)加工反射器成型模

反射器成型模具工作面按反射器的反射面進行加工，成型模要求中空結構，厚度要求不大于20mm，表面粗糙度不大于0.8，型面精度不大于產品型面精度要求值的1/3

2)蜂窩芯預成型

在反射器成型模具上鋪貼“B”階段預固化NOMEX蜂窩芯，制袋后按照蜂窩芯的固化參數要求在熱壓罐中進行固化成型

3)上蒙皮(非工作面)成型

以反射器成型模具為依據，制造一個用于上蒙皮成型的假件，在假件上鋪貼上蒙皮預浸料，鋪貼層數及具體的方向按設計圖紙要求，鋪貼過程中要求每層必須進行真空壓實，鋪貼完成后制袋，按照預浸料的固化參數要求在熱壓罐中進行固化

4)下蒙皮(反射面)成型

在反射器成型模具上鋪貼下蒙皮預浸料，鋪貼層數及具體的方向按設計要求，在待膠接面鋪貼一層撕下層，鋪貼過程中要求每層必須進行真空壓實，鋪貼完成后制袋，按照預浸料的固化參數要求在熱壓罐中進行固化

5)上下蒙皮組合

去除下蒙皮待膠接面撕下層，上蒙皮待膠接面進行輕微打磨清理，去除表面脫模劑，然后在上、下蒙皮待膠接面鋪貼膠膜，在成型模具上進行組合，制袋后進行真空壓實，按照膠膜的固化參數要求在熱壓罐中進行固化

6)熱循環時效及室溫時效

反射器固化完成后不拆袋，在熱壓罐或烘箱中進行熱循環時效，過程中持續抽真空，在“室溫～100℃～室溫”范圍內以≤3℃/min反復進行升降溫3～7個循環，然后出罐后在室溫條件下仍持續抽真空時效10～15天

7)無損檢測

對反射器粘接質量進行無損檢測

8)粘接覆銅聚酰亞胺膜

在反射器工作面鋪貼一層膠膜，然后鋪貼覆銅聚酰亞胺膜，鋪貼時，聚酰亞胺膜使用窄條鋪貼，然后將貼膜一面扣在反射器成型模具上，制袋后按照膠膜固化參數要求在熱壓罐中進行固化

9)型面測試

測試反射器的型面精度。

本發明的有益效果在于：

1)選用“B”階段預固化的NOMEX蜂窩芯在成型模具上先進行預固化，避免了直接使用已固化的剛性NOMEX蜂窩芯成型大曲率零件時無法貼胎，使零件成型過程中產生較大內應力，造成零件變形的問題。

2)反射器采用多步成型法，依據反射器成型模具制造一個用于上蒙皮成型的假件(復材模具)，反射器的上、下蒙皮分別在假件及金屬模具上先進行固化成型，然后在金屬成型模具上進行組合膠接固化。有效保證了反射器工作面表面質量及型面精度。

3)反射器基體固化完成后進行了熱循環時效和室溫時效處理。熱循環時效是將反射器在較低的升降溫速率和真空環境下，在室溫至100℃范圍內進行高低溫交替循環變化的鋸齒時效。室溫時效是將反射器室溫條件下在保型模具上持續抽真空進行內應力釋放。通過熱循環時效和室溫時效處理，有效避免了反射器在使用過程中因應力變形引起型面發生較大變化。

4)反射器基體表面金屬陣列的成型是使用膠膜在基體表面粘接覆銅聚酰亞胺膜。覆銅聚酰亞胺膜可以根據設計需要選擇不同的振子形狀及排列規則，從而可以實現各種振子形狀及排列規則的頻率選擇反射面的制造。同時，要求覆銅聚酰亞胺膜采用窄帶鋪貼，有效提高了基體表面金屬陣列的粘接結合力及排列精度。

附圖說明：

圖1為頻率選擇面反射器結構示意圖

圖2為采用本發明制造的芳綸纖維復合材料頻率選擇反射面的工藝流程。

圖中編號說明：1-金屬陣列；2-芳綸纖維復合材料；3-膠膜；4-Nomex蜂窩芯。

具體實施方式：

如圖1、圖2所示，一種芳綸纖維復合材料頻率選擇面反射器的成型方法，包括以下步驟：

1)加工反射器成型模

反射器成型模具工作面按反射器的反射面進行加工，成型模要求中空結構，厚度要求不大于20mm，表面粗糙度不大于0.8，型面精度不大于產品型面精度要求值的1/3

2)蜂窩芯預成型

在反射器成型模具上鋪貼“B”階段預固化NOMEX蜂窩芯4，制袋后按照蜂窩芯的固化參數要求在熱壓罐中進行固化成型

3)上蒙皮(非工作面)成型

以反射器成型模具為依據，制造一個用于上蒙皮成型的假件，在假件上鋪貼上蒙皮預浸料，鋪貼層數及具體的方向按設計圖紙要求，鋪貼過程中要求每層必須進行真空壓實，鋪貼完成后制袋，按照預浸料的固化參數要求在熱壓罐中進行固化

4)下蒙皮(反射面)成型

在反射器成型模具上鋪貼下蒙皮預浸料，鋪貼層數及具體的方向按設計要求，在待膠接面鋪貼一層撕下層，鋪貼過程中要求每層必須進行真空壓實，鋪貼完成后制袋，按照預浸料的固化參數要求在熱壓罐中進行固化

5)上下蒙皮組合

去除下蒙皮待膠接面撕下層，上蒙皮待膠接面進行輕微打磨清理，去除表面脫模劑，然后在上、下蒙皮待膠接面鋪貼膠膜，在成型模具上進行組合，制袋后進行真空壓實，按照膠膜3的固化參數要求在熱壓罐中進行固化

6)熱循環時效及室溫時效

反射器固化完成后不拆袋，在熱壓罐或烘箱中進行熱循環時效，過程中持續抽真空，在“室溫～100℃～室溫”范圍內以≤3℃/min反復進行升降溫3～7個循環，然后出罐后在室溫條件下仍持續抽真空時效10～15天

7)無損檢測

對反射器粘接質量進行無損檢測

8)粘接覆銅聚酰亞胺膜

在反射器工作面鋪貼一層膠膜3，然后鋪貼覆銅聚酰亞胺膜，鋪貼時，聚酰亞胺膜使用窄條鋪貼，然后將貼膜一面扣在反射器成型模具上，制袋后按照膠膜3固化參數要求在熱壓罐中進行固化

9)型面測試

測試反射器的型面精度。

實施實例：某衛星頻率選擇副反射器制造

主材料：芳綸纖維預浸料Kevlar 49-120、膠膜REDUX 312UL、NOMEX蜂窩芯(“B”階段預固化)、覆銅聚酰亞胺膜、泡沫膠FM410-1

1)反射器成型模具

反射器成型模具材料選用球墨鑄鐵，中空結構，厚度要求15mm，表面粗糙度不大于0.8，型面精度RMS不大于0.03。

2)蜂窩芯預成型

在反射器成型模具上鋪貼“B”階段預固化NOMEX蜂窩芯4，制袋后在熱壓罐中進行固化成型。

3)上蒙皮(非工作面)成型

以反射器成型模具為依據，制造一個用于上蒙皮成型的假件，假件厚度等于反射面蒙皮和蜂窩芯厚度之和。在假件上鋪貼上蒙皮兩層Kevlar 49-120預浸料，鋪層方向[45°/0°]，鋪貼過程中要求每層必須進行真空壓實，鋪貼完成后制袋，在熱壓罐中進行固化。

4)下蒙皮(反射面)成型

在反射器成型金屬模具上鋪貼下蒙皮兩層Kevlar 49-120預浸料，鋪層方向[0°/45°]，在待膠接面鋪貼一層撕下層，鋪貼過程中要求每層必須進行真空壓實，鋪貼完成后制袋，在熱壓罐中進行固化。

5)上下蒙皮組合

去除下蒙皮待膠接面撕下層，上蒙皮待膠接面進行輕微打磨清理，去除表面脫模劑，然后在上、下蒙皮待膠接面鋪貼膠膜，按圖紙要求在成型模具上組合，在預埋件位置填充泡沫膠，并按工裝定位孔將埋件放置到位，使用銷釘定位。制袋后進行真空壓實，在熱壓罐中進行固化。

6)熱循環時效及室溫時效

反射器固化完成后不拆袋，在熱壓罐或烘箱中進行熱循環時效，過程中持續抽真空，在“室溫～100℃～室溫”范圍內以≤1℃/min反復進行升降溫5個循環，然后出罐后在室溫條件下仍持續抽真空時效10天。

7)無損檢測

使用聲阻法對反射器粘接質量進行無損檢測。

8)粘接覆銅聚酰亞胺膜

在反射器工作面鋪貼一層膠膜3，然后鋪貼覆銅聚酰亞胺膜。鋪貼時，聚酰亞胺膜使用窄條鋪貼。然后將貼膜一面扣在反射器成型模具上，制袋后在熱壓罐中進行固化。

9)型面測試

使用照相法對反射器的型面進行測試。

在上述成型過程中，基體固化完成后進行熱循環時效和室溫時效的目的是為了讓反射器固化過程中產生的內應力在人為環境下進行應力釋放，減小反射器在熱真空測試、真空環境冷熱交替測試和空間環境下的應力變形。時效處理完成后，在反射器基體上使用膠膜3粘接覆銅聚酰亞胺膜。粘接時，為保證表面金屬陣列1的排列精度，覆銅聚酰亞胺膜使用窄條鋪貼。

使用上述方法成型的頻率選擇面反射器最終產品型面精度RMS為0.07mm，金屬陣列精度≤±0.10mm，符合設計要求。產品經電訊測試，性能良好。