某蜂窝夹芯天线罩成形工艺研究

许　磊

(西安电子工程研究所，陕西 西安 710100)



某蜂窝夹芯天线罩成形工艺研究

许磊

(西安电子工程研究所，陕西 西安 710100)

针对某雷达蜂窝夹芯的结构，选择了合适的蜂窝、填充胶和蒙皮等结构材料，对其成形工艺进行了研究，设计了合适的模具及工装夹具，确定了合适的工艺成形方法及工艺加工参数，解决了加工中影响天线罩性能指标的工艺问题。

复合材料；蜂窝夹芯结构；模压

天线罩是雷达天线结构的一个重要部件，其作用是保护天线不受损伤，防止雨淋或外界环境灰尘、潮气进入，而且保证雷达波不受干扰地通过；因此，天线罩应满足刚度大、透波损耗小、质量轻、阻燃和耐腐蚀等性能要求[1-2]。玻纤-蜂窝结构能满足上述要求，是理想的天线罩材料。

本文以某雷达天线罩的玻纤-蜂窝结构为例，对此类蜂窝复合材料的成形进行研究，掌握其成形的关键技术，形成批量加工能力。该结构外形尺寸为650 mm×330 mm×4.8 mm，由边长为3 mm、厚度为4.4 mm的芳纶蜂窝芯和每面2层0.1 mm的玻璃纤维预浸料蒙皮复合而成，四周设计24个φ4 mm的连接孔。要求整个天线罩平整无翘曲，玻纤布粘贴平整，无气泡，天线罩透波率>95%，不漏水。

1　成形工艺的研究

蜂窝夹芯结构是一种特殊的复合材料结构，通常由2层或多层蒙皮夹以及1层轻质夹芯组成，采用胶粘剂在一定温度和压力下粘接成一个刚性体。根据蒙皮与蜂窝夹层结构成形的步骤，目前常见的成形方法主要包括二次固化法和共固化法[3-4]，二次固化法是指先完成蒙皮的固化成形，再进行整个夹层结构的固化成形；共固化法是指蒙皮和整个夹层结构的固化成形同步进行，既要使蒙皮充分受压变得致密，又要避免蒙皮在蜂窝格内架空。相比较而言，后者一次成形粘接牢固，加工周期短，生产效率高，但对工艺技术和工艺装备要求更高；因此，应对天线罩的共固化成形工艺进行充分的研究和探索。

1.1天线罩成形工艺

1.1.1天线罩材料的工艺性分析和选择

蜂窝选用北京航材院生产的NRH芳纶纸蜂窝，它除具有蜂窝材料的特点外，还具有优越的电性能和化学稳定性，热膨胀系数小，尺寸稳定，真空条件下质损率低。蒙皮选用玻纤环氧预浸料，由于所用预浸料厚度仅为0.1 mm，含胶量较低，不足以保证与蜂窝芯的粘接强度，因此应选用专门的粘接剂。

复合用胶粘剂是制造蜂窝结构的关键材料，它不仅决定上、下蒙皮与蜂窝芯的粘接强度，还对蜂窝夹层的变形控制起着重要作用。粘接剂的固化温度、韧性和固化收缩率影响制品的翘曲变形，综合考虑与环氧预浸料树脂的固化温度一致性和减少变形，通过对J-47C和LJM-170等2种胶膜的测试后，选用固化温度为130 ℃的LJM-170环氧胶膜作为蒙皮与蜂窝芯的粘接剂。该胶膜具有较高的拉伸剪切强度和剥离强度，能够满足复合材料共固化的工艺要求。

天线罩四周需要打孔的部位，可选用填充胶或发泡胶进行填充，通常选用黑龙江石化院生产的J-47D发泡胶和北京航材院生产SY-14配套发泡胶。由于在固化升温过程中，发泡胶的体积膨胀会对蜂窝壁产生一个测向的压力，易引起蜂窝芯位置滑移和局部过量发泡，产生翘曲变形，所以在发泡胶的用量和填充均匀性上提出了很高要求，工艺控制比较难。而采用国外进口的泡沫填充胶，在天线罩粘接前先填充固化，就可以解决上述工艺难题。该填充胶具有质量轻、刚度和硬度大的特点，同时具有在中温(约130 ℃)时膨胀系数小、热变形小的优点，便于共固化工艺的实现。

1.1.2成形方法

复合材料的成形方法有许多，适合某雷达天线罩的加工方法有模具模压法、真空袋模压法和热压罐法等[5]。由于模具模压法无法对工件的压力做到均匀，容易将蜂窝芯压坏，所以可选用真空袋模压法、热压罐法进行天线罩成形。本文选用了真空袋模压法进行成形，其优点如下：1)对产品均匀加压，一致性好，力学性能优异；2)可以消除产品中的气泡缺陷，连续抽真空可以随时抽取固化时产生的气体；3)能够控制产品的含胶量和厚度，适合尺寸较大的制品成形；4)能够改善产品的表面质量，工艺可操作性强，易于掌握；5)可用于普通烘箱固化。

根据胶膜的固化温度，选定真空袋模压加工所用的密封胶、真空袋和隔离膜材料，并配置真空装置。对夹层进行工艺设计，确定加工流程，解决天线加工出现的各类问题，对热固化温度曲线进行摸索，解决天线外形加工及密封等问题。

1.1.3工艺流程确定

根据共固化成形的原则，确定了天线罩成形的工艺流程为：裁料→刮填充胶、固化→天线罩铺层、粘接、固化→铣外形、钻孔→表面刷胶密封→密封检验→表面涂覆→测试、入库

1.2成形工装设计

天线罩材料的铺设与粘接成形需要专用工装完成。天线罩的外形尺寸较小，结构相对简单；但制件的表面质量和平面度要求很高。考虑到铝制模具易加工、刚性好以及高温不易变形等优点，采用LY12铝合金作为主模具和压板的材料，对铺设面进行精磨处理可以达到很高的平面度和很低的表面粗糙度。

1.3工艺参数确定

图1　固化温度-时间曲线

固化工艺参数决定制件内部的质量，它由蒙皮树脂基体固化反应、胶膜树脂基体固化反应的特性决定。固化程度与加压时机、固化温度、固化压力和保温时间等因素有关。通过对玻璃纤维预浸料树脂和胶膜树脂的固化温度曲线进行比较，同时参考有关文献资料，经过多次试验，最终确定了该天线罩粘接固化工艺参数，绘制了温度-时间曲线(见图1)。

1.4关键点的控制

天线罩成形后的指标能否达到设计要求，应注意控制如下关键点。

1)天线罩壁的厚度控制。天线罩的厚度主要由玻纤预浸料的厚度、胶膜厚度和蜂窝芯材厚度决定，因此，严格控制原料厚度的同时，应保持固化压力的大小和均匀一致。

2)天线罩平面度控制。影响天线罩平面度的因素很多，如固化加热时的热变形因素、脱模方式及时机，以及压板是否滑移等，都会引起应力集中，造成翘曲变形。

3)天线罩内部的均匀度控制。天线罩内部的均匀性主要与蒙皮、胶膜中树脂含量的均匀性有关，必须严格均匀材料的涂胶质量，同时对加工环境进行控制，防止各种杂物、金属和碳等导电物质混入。

4)天线罩的密封性控制。为保证天线的水密性，天线罩在外形加工后，对正反面刷一遍环氧稀胶。刷前应进行表面打磨处理。

2　天线罩性能测试与试验

2.1电气性能测试

对成形后的天线罩进行了电气测试，结果表明，损耗和透波率达到了设计要求。

2.2工艺性能检测

对成形后的天线罩进行检验，结果表明，外形尺寸为649.5 mm×330.4 mm×4.8 mm,满足图样公差要求((650±0.5) mm×(330±0.5) mm×(4.8±0.1) mm)；天线罩表面平整、光滑，平面度为0.2 mm；蒙皮剥离强度>30 MPa。

2.3密封性试验

将天线罩全部放入水中，浸泡1 h，称量前后无变化，满足密封要求。

2.4环境试验

将天线罩随产品做湿热试验、高低温试验和温度冲击试验，试验后观察天线罩表面情况，无起层、气泡和损坏等现象。

3　问题分析与讨论

3.1填充胶用量问题

选用的填充胶为A、B双组分，按比例混合后填充在蜂窝格内。应合理控制其用量，用量少时会产生气孔或空洞，打孔时影响强度；用量多时会使天线罩刮胶部位比其他部位高，影响天线罩的平面度。

3.2脱模方式及脱模时机

天线罩的共固化成形，脱模方式及脱模时机会影响天线罩的翘曲变形。溶剂型脱模剂的使用虽能满足脱模要求，且脱模后天线罩表面光滑；但由于脱模时需要借助外力橇开，分离时产生应力，导致天线罩翘曲，很难达到工艺要求。经研究，选用隔离膜进行脱模，效果很好。另外，脱模应等到模具彻底凉透后进行，才能保证无翘曲变形，否则仍会产生变形。

3.3压板的固定

压板在压制过程中会发生滑移，使蜂窝芯变形产生应力，从而使天线罩翘曲变形；因此，在铺层时，可用高温胶带进行固定，以防压板滑移。

3.4蒙皮分层问题

加工中发现，固化成形后的天线罩表面有类似气泡的亮斑，分析原因为铺蒙皮时，未将蒙皮与胶膜压实。后采用专用擀压模具进行擀压，消除缺陷。另外，天线罩在铣外形时，应用专用压板压实后再进行铣切，并减少铣刀量，解决加工中的分层问题。

4　结语

玻纤-芳纶蜂窝夹层结构以其质量轻、刚度大、强度大和透波率高等特点，已被广泛用于雷达天线罩的设计加工中。目前，常用的玻纤-芳纶蜂窝夹层结构均为高温成形工艺，其工序复杂，生产费用高。采用此工艺加工天线罩，具有成本低、加工方法灵活、工艺参数易控制以及制品一致性好等优点。按此工艺已完成28套某雷达天线罩的加工任务，产品合格率为100%。该技术的开发，解决了蜂窝夹层结构的粘接问题，为其他雷达天线罩的研制、生产提供了借鉴。

[1] 舒卫国，杨博.大尺寸高性能雷达天线罩的研制[J].玻璃钢/复合材料，2006(1)：51-52，44.

[2] 刘晓春.机载雷达罩的壁结构及其新发展[J].飞机设计，1998(1)：13-20，23.

[3] 靳武钢，高建军.复合材料蜂窝夹层结构双频副反射器的制造技术[J].电子工艺技术，2003(1)：40-41,46.

[4] 汪亮.变截面蜂窝夹层结构复合材料胶接工艺研究[J].玻璃钢/复合材料, 2009(3):65-70.

[5] 陈祥宝.树脂基复合材料制造技术[M].北京：化学工业出版社，2000.

责任编辑马彤

Technical Study on Honeycomb Sandwich Radomes

XU Lei

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute， Xi’an 710100， China)

More and more detailed researches on the structure of honeycomb sandwich radomes are focused on discussing the choice of appropriate structural materials, such as aluminum honeycomb, filling glue, carbon fiber skin and so on. Provide a design of applicable mould and clamping apparatus on the research of the forming technology. As a result, the appropriate method of forming technology and process parameter are determined, and the technology problem influenced radomes is solved.

composite material, honeycomb sandwich structure, compression molding

TN 957.2

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