芳纶纤维复合材料及其在卫星通讯技术中的应用

张静

摘 要：简要介绍了芳纶纤维的性能特点和主要品种，论述了芳纶纤维复合材料在雷达天线罩、双栅天线反射器、频率选择反射器、天线支撑结构件等卫星通讯技术领域的应用情况，并分析了芳纶纤维复合材料在应用中存在的一些技术问题。

关键词：芳纶纤维；复合材料；卫星通讯

以碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、硼纤维为代表的高性能纤维增强树脂基复合材料在航空航天领域日益受到青睐。先进复合材料的用量已经成为航空航天技术的先进性标志之一。近些年来，随着卫星通讯技术的高速发展，天线类设备在精度及稳定性的提高和重量控制等方面提出了更高的要求，而材料的选用对这些性能的影响至关重要。因此先进复合材料已成为制造高性能天线设备的最佳选择。

芳纶纤维复合材料具有优异的力学性能、耐老化性能、电绝缘性能以及较低的介电常数和线膨胀系数，在卫星通讯技术领域中应用前景广阔。如雷达天线罩，双栅天线反射器、频率选择反射器、天线支撑结构件等方面已得到了广泛的应用。

1 芳纶纤维的性能特点

芳纶纤维是芳香聚酰胺纤维的简称，它是以芳香族化合物为原料经低温缩聚纺丝制成的一类新型合成纤维。芳香聚酰胺的分子链具有良好的规整性，因而芳纶纤维具有高度的结晶性。由于连接酰胺基的是芳香环或芳香环的衍生物，使得高聚物分子链柔性减小而刚性增加。这种刚性的集聚状分子链，在纤维轴向是高度定向的，分子链上的氢原子将和其它分子链上的羰基结合成氢键，形成高聚物分子间的横向联结，分子间排列十分紧密，在单位体积内可容纳很多聚合物分子，从而使纤维具有很高的模量和强度。此外，由于苯环结构环内电子的共轭作用，使纤维具有化学稳定性，又由于苯环结构的刚性，使高聚物具有晶体的本质，因而，芳纶纤维高温状态下具有良好的尺寸稳定性[ 1 ]。这些优异的性能使其能够应用于航空航天结构件中，并且成为高性能复合材料中用量仅次于碳纤维的另一种新型材料。

2 芳纶纤维的品种

芳纶纤维首次商品化是在1972年，定名为Kevlar。1974年由美国贸易联合会命名为“Aramid fibers”，在我国通称芳纶。芳纶纤维有两类[ 2 ]：全芳纶和杂环芳纶。

目前在复合材料中得到普遍应用的主要是全芳纶，根据其高聚物的结构形式和性能特点分为两种：聚对苯二甲酰对苯二胺和聚对苯甲酰胺纤维（对位芳纶）、聚间苯二甲酰间苯二胺和聚间苯甲酰胺纤维（间位芳纶）。对位芳纶主要的生产商是美国杜邦公司，其商品有通用型Kevlar29、低弹性模量型Kevlar119、高强度型Kevlar129、高弹性模量低吸水型Kevlar149、高弹性模量型Kevlar49。除此之外，国外同类纤维还有荷兰恩卡公司的Twaron、前苏联的Apmoc和CBM、日本帝人的Technora。我国也在1981年通过了芳纶14的鉴定，1985年又通过了芳纶1414 的鉴定，他们分别相当于美国杜邦公司的Kevlar29和Kevlar49。目前商品化的间位芳纶较少，主要的产品有美国杜邦公司的Nomex、日本帝人的Conex、俄罗斯的Fenelon、中国的芳纶1313。各国芳纶纤维的性能比较见表1[ 3-4 ]。

3 芳纶纤维复合材料在卫星通讯技术中的应用

3.1 雷达天线罩

雷达天线罩从使用角度来讲，具有功能件和结构件的双重作用，其材料要求具有优异的力学性能、较低的介电损耗和比重等要求。以往的雷达天线罩主要采用玻璃钢层压板及玻璃钢蜂窝夹层结构。地面使用的小型雷达天线罩多采用玻璃钢层压结构，而大型的雷达天线罩在减轻结构重量的同时为了满足力学性能要求，则是较多地采用了玻璃钢蜂窝夹层结构。

自芳纶纤维问世以来，国内外均开展了用芳纶及其织物增强树脂基复合材料研制雷达罩的工作[ 5 ]。如美国赛斯纳飞机公司的“奖状”飞机的雷达罩，加拿大飞机制造公司的“挑战者”飞机雷达罩，都是用Kevlar 纤维增强树脂复合材料制造。

3.2 双栅天线反射器

双栅天线由两组馈源与两个反射面组成，其栅网前反射面有两个作用：作为一个反射面，反射极化与其栅条方向平行的波；另一作用则是透过垂直于栅条方向的波。因此，芳纶纤维增强树脂基复合材料成为制造栅网前反射面的首选材料。其制造工艺的关键技术难点在于复合材料介质上金属栅条的成型和反射面型面精度的控制。

美国劳拉公司采用铜丝铺设成型双栅反射器，日本三菱公司采用CAD辅助修型和栅网膜粘接成型双栅反射器，法宇航采用薄膜腐蚀栅条粘接成型双栅反射器，阿尔卡特公司采用金属镀膜化铣法成型双栅反射器，德国原MBB公司采用真空镀膜和激光刻蚀法成型双栅反射器，这些方法成型双栅反射器型面精度RMS在0.2-0.4 mm內。

国内也开展了该技术研究。由中国航天科技集团公司第五研究院西安分院设计、中航飞机西安飞机分公司复合材料厂承制的“委星1号”、“鑫诺6号”通信卫星分别于2008年10月和2010年9月在西昌卫星发射中心发射成功。这两颗卫星上装有口径分别为1.6米和1.4米的双栅天线栅网前反射面也是采用了芳纶纤维复合材料蜂窝夹层结构，其铺层结构如图1所示，金属栅条铺设在内蒙皮的两层芳纶预浸布之间。制造过程中采用了铜丝铺设粘接成型法，并通过特殊的固化工艺，研制的双栅天线反射器组合后型面精度RMS为0.40mm，达到了国际先进水平。

3.3 频率选择反射器

频率选择反射面（ Frequency Selecting Surface， 简称FSS）是一种具有特殊性质的周期性金属图案的介质板，它可以在一定频段上全透过电磁波， 而在另一频段上全反射电磁波[ 6 ]，其结构如图2所示。

美国的跟踪与数据中继卫星（TDRSS）系统双频反射面跟踪天线是一个典型的应用实例。该天线由一个大型网状主反射面和一个具有双色性（即具有频率选择性）的副反射面以及分别处于副反射面两边的Ku波段和S波段的馈源构成。频率选择反射面雷达罩在美国已投入工程应用，先是应用于导弹，后又应用于飞机上。美国轻型喷气运输机C-140和第四代战斗机F- 22都使用了这种机头雷达罩。欧洲空间局（ ESA）1986年成功研制了口径1.1m、重4.5Kg的蜂窝夹层结构频率选择副反射器，用于为卫星通讯和数据传输。

中航飞机西安飞机分公司复合材料厂承制的F卫星自适应调零天线也应用了频率选择副反射器，是采用Kevlar49-120芳纶纤维预浸料蒙皮-Nomex蜂窝芯夹层结构，并通过真空镀膜技术在反射面上形成一层铝膜，再进行激光刻蚀，得到特定排布要求的金属阵列。T卫星上使用的频率选择副反射器则是在芳纶纤维预浸料蒙皮-Nomex蜂窝芯夹层结构反射面上粘贴覆铜聚酰亚胺薄膜，从而实现反射面表面金属化，但这种方法得到的金属阵列精度相对较低。

3.4 天线支撑结构件

芳纶纤维复合材料具有优异的比强度、比刚度以及热稳定性，可用于制造天线工程中的结构件。同时，芳纶纤维复合材料为绝缘、透波材料，作为结构件使用时比碳纤维复合材料更为有利。

我国的F、T等多个卫星中均使用了芳纶纤维复合材料结构件，如副反射器支撑杆、反射器连接环、反射面支撑、馈源支撑等。

由于芳纶纤维质地柔软，具有良好的抗冲击韧性和耐磨性能，可用普通的纺织机加工成各种织物。另外，在轻型构架天线中，芳纶纤维也可与其他的高性能纤维进行混杂，充分发挥各种纤维的优势，克服缺点，达到最佳性能。如芳纶纤维可用于对碳纤维织物进行法向缝纫增强，以达到改善碳纤维抗冲击韧性的目的。

4 结语

由于芳纶纤维复合材料具有优异的比强度、比刚度、耐老化性能、电绝缘性能以及较低的介电损耗和线膨胀系数等优点，在卫星通讯技术领域具有重要的应用前景。但是在进一步扩大其应用的过程中，有几个亟待解决的关键技术问题。

首先，与国外同种类型芳纶纤维相比，国产芳纶纤维的性能仍存在一些差距，且规格较少，可供设计选择的余地很小。其次，芳纶纤维表面黏附性及浸润性很差，不能与树脂形成稳固的界面相，导致芳纶纤维树脂基复合材料具有较低的层间剪切强度，受到载荷时易发生分层。再次，芳纶纤维复合材料的硬度低、韧性好、层间结合力差，导致其构件机械加工性能差，使用普通机床进行边缘切割或制孔时，若选用的刀具或加工参数不合适，会使切割边出现分层、拉毛、烧焦等缺陷[ 7 ]。

为了加速推进芳纶纤维复合材料在卫星通讯技术领域的应用进程，在尽快解决上述三项关键技术问题的同时，材料开发机构还应进一步扩大与航空航天等工业单位的合作，加快实验结果向实际生产的转化。

参考文献：

[1] 沃西源，涂彬，夏英伟.芳纶纤维及其复合材料性能与应用研究[J].航天返回与遥感，2005，26（2）：51

[2] 廖子龍.芳纶及其复合材料在航空结构中的应用[J].高科技纤维与应用，2008，33（4）：25.

[3] 孔庆宝.芳纶纤维复合材料的进展[J].纤维复合材料，1990（1）： 8.

[4] 陈平，蔡金刚.芳纶纤维及其织物复合材料在电子电气领域中的应用[J].纤维复合材料，1994（4）： 48.

[5] 赵稼祥.美国Kevlar布性能测试分析[J].纤维复合材料，1994（2）：32.

[6] 方芳.频率选择表面天线副反射面研制[J].电子机械工程，2009，25（5）：41.

[7] 张菊霞，田卫.碳纤维、芳纶纤维、蜂窝芯零件数控加工刀具的选择[J].复合材料切削加工，2010，15：73.