易文清，李金良，王海東

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

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熱膨脹硅橡膠在機載天線罩成型中的應(yīng)用

易文清，李金良，王海東

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

針對小型深腔薄壁復(fù)合材料機載天線罩難以成型、脫模困難等問題，采用熱膨脹硅橡膠作為芯模，設(shè)計了成型模具，對工藝進行了優(yōu)化。通過試驗，掌握了工藝穩(wěn)定性好、成品率高的小尺寸的深腔薄壁復(fù)合材料機載天線罩成型技術(shù)。該工藝制備的小型深腔薄壁復(fù)合材料機載天線罩厚度均勻，尺寸公差合格，外觀光滑致密無缺陷、電性能合格。測試結(jié)果表明，該熱膨脹工藝非常適合應(yīng)用于小型天線罩的成型制備。

復(fù)合材料；硅橡膠；熱膨脹

0 引言

天線罩[1]是為天線及饋電系統(tǒng)[2]提供良好的工作環(huán)境[3]。某些小型復(fù)合材料機載天線罩，形狀不規(guī)則、罩體較長。采用常規(guī)的工藝方法，產(chǎn)品精度差、難脫模、制備難度較大。

熱膨脹成型工藝是以烘箱加熱使芯模熱膨脹產(chǎn)生壓力制備產(chǎn)品[4]，能夠克服外壓難以傳遞均勻的不足[5]，已被運用于直升機結(jié)構(gòu)件[6]、衛(wèi)星及無人機[7]等復(fù)合材料產(chǎn)品中[8-9]。目前在機載天線罩產(chǎn)品的應(yīng)用還未見報道。本研究設(shè)計成型模具以及優(yōu)化工藝，制備了小尺寸的深腔薄壁機載天線罩。

1 模具設(shè)計

1.1 硅橡膠材料的選擇

選擇適宜的芯模材料是實現(xiàn)熱脹成型的一個關(guān)鍵。作為復(fù)合材料熱成型的芯模，首先需要這種材料具有較大的熱膨脹系數(shù)[10]，另外還要求有較高的熱穩(wěn)定性和壓力穩(wěn)定性，重復(fù)使用尺寸穩(wěn)定性好、寬范圍的熱脹系數(shù)、彈性模量和熱導(dǎo)性、高抗拉強度、高撕裂強度、高斷裂伸長率以及小的壓縮永久變形等。通過資料調(diào)查中比較[11]，選擇了一種型號硅橡膠。其物理性能和力學(xué)性能如表1所示[12]。

表1 硅橡膠性能

1.2 硅橡膠熱膨脹原理

采用熱膨脹硅橡膠成型復(fù)合材料天線罩，它的熱膨脹成型原理如圖1所示。

圖1 硅橡膠熱膨脹成型原理

熱膨脹成型工藝過程可分為4個階段：① 自由膨脹段：硅橡膠受熱膨脹，逐步推動預(yù)浸料填充工藝間隙；② 初速加壓段：硅橡膠與預(yù)浸料鋪層接觸并在繼續(xù)升溫下擠壓鋪層，使其逐漸被壓實，復(fù)合材料疊層達(dá)到設(shè)計尺寸；③ 恒溫恒壓固化段：硅橡膠芯模保持恒定的壓力對鋪層加壓；④ 降溫降壓段：固化結(jié)束后，隨溫度下降，硅橡膠芯模收縮，壓力消失。

文獻[13-14]提供硅橡膠芯模在封閉腔體中的熱膨脹壓力P可按式(1)計算：

(1)

一般公式計算出來的壓力非常大，在實際應(yīng)用中，硅橡膠到底生產(chǎn)了多大的壓力，往往難以獲得準(zhǔn)確的數(shù)值。尤其是熱膨脹硅橡膠的線膨脹系數(shù)，體積彈性模量，溫度-壓力曲線，我國還沒有建立標(biāo)準(zhǔn)的測試方法。因而給熱膨脹硅橡膠模的設(shè)計和復(fù)合材料成型操作帶來一定的困難。僅憑經(jīng)驗估計，常常導(dǎo)致制品的缺陷或報廢，需要先在實驗中進行具體調(diào)節(jié)[9]，在制造機載天線罩的過程中對這一情況進行了摸索研究。

1.3 機載天線罩硅橡膠模具設(shè)計

合理的模具是保證質(zhì)檢質(zhì)量和降低成本的關(guān)鍵，此次研究的深腔薄壁機載天線罩，其對模具設(shè)計的基本要求是：① 保證構(gòu)件精度：保證薄厚2 mm，底法蘭部分的高度、厚度及輪廓尺寸精度高達(dá)0.1 mm；② 壓力均勻；③ 易脫模；④ 滿足批生產(chǎn)要求。

此天線罩的罩體較長，如圖2所示。既要保證尺寸精度，又方便抽芯、脫模。由于復(fù)合材料產(chǎn)品是由固定厚度的預(yù)浸料鋪覆而成，精度很難達(dá)到跟機加工產(chǎn)品一樣精準(zhǔn)。尤其是本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形狀不規(guī)則，有很多拐角等不容易受力均勻的部位，精度保證較難。同時還有一個根本性的問題不好解決，即在熱壓罐中加壓可以按指定的溫度值控制壓力值，而對于熱脹成型中幾乎是不可能做到這一點[10]。因為在固化過程中，特別到復(fù)合材料固化階段，當(dāng)溫度變化很小時而壓力增量卻很大。

針對這些問題，參考公式計算結(jié)果以及機載天線罩的結(jié)構(gòu)[12]要求，設(shè)計了機載天線罩的模具，如圖3所示。模具[13]由鋼制陰模和硅橡膠膨脹芯模以及硅橡膠芯模的成型母模3部分組成，母模[14]是用來成型硅橡膠產(chǎn)品的，母模的內(nèi)腔尺寸為硅橡膠的外形尺寸。鋼制陰模內(nèi)腔尺寸為復(fù)合材料構(gòu)件的外形尺寸，硅橡膠芯模的外形為復(fù)合材料構(gòu)件的內(nèi)腔形狀。為了保證產(chǎn)品尺寸的精度，產(chǎn)品中需要嚴(yán)格控制尺寸的部分都由鋼模來控制。并且天線罩要求尺寸較嚴(yán)的法蘭部分，采用上下模一體的鋼制陰模，即使硅橡膠的壓力過大，產(chǎn)品尺寸也不會受到太大的影響。由于產(chǎn)品主體是由兩半組合而成，防止制備的產(chǎn)品偏移，外模具采用銷釘定位，防止在成品表面上出現(xiàn)臺階。用制備的硅橡膠模具作為芯模，考慮到軟模具有彈性，在膨脹的時候不能保證與之接觸的平面完全平整。在法蘭的上平面部位預(yù)先放置了金屬模塊，來保證天線罩法蘭平臺下平面的平整度。

圖2 產(chǎn)品示意圖

圖3 模具設(shè)計示意圖

2 制備工藝

2.1 硅橡膠芯模制作方法與工藝

硅橡膠芯模制作的原料分為AB兩組份，采用質(zhì)量比為10A:1B的比例混合。脫泡后灌注入母模，在環(huán)境溫度25℃的條件下，硫化時間24 h或更長時間(低于25℃)。拆除模具后進行后固化，放烘箱中加熱與100℃加溫1 h，調(diào)溫至200℃，保持1 h。固化完成后脫模對其修形。其制作流程如圖4所示。

圖4 硅橡膠模具制作流程圖

2.2 軟模成型天線罩工藝

成型機載天線罩的鋼制陰模內(nèi)部打磨光滑，保證制品的外表面光滑。在芯模上鋪覆玻璃纖維預(yù)浸料、置于2個陰模之間，采用銷釘定位，防止制備的產(chǎn)品偏移，在成品表面上出現(xiàn)臺階。再以螺釘預(yù)緊固，裝配完底板之后再把螺釘擰緊。放入烘箱緩慢加熱固化成型。天線罩的具體制備流程如圖5所示。

圖5 機載天線罩制備工藝流程

3 測試結(jié)果與討論

3.1 外觀與結(jié)構(gòu)尺寸

將熱膨脹成型法與熱壓罐法制備的深腔機載天線罩進行對比，外觀如圖6所示。

(a)熱壓罐法成型產(chǎn)品

(b)熱膨脹法成型產(chǎn)品

由圖6可以看出，熱膨脹硅橡膠指標(biāo)的天線罩產(chǎn)品外觀無缺陷，與熱壓罐雙剛制模制備的天線罩相比，有明顯優(yōu)勢。由于硅橡膠可以朝各個方向均勻用力，即使死角處也能壓實。制備的產(chǎn)品表面密實，克服了用力部位不均勻的困難。機載天線罩的外形尺寸如表3所示。

表3 機載天線罩尺寸與外形

通過實驗研究，制備的機載天線罩的外形尺寸及外觀進行測試觀察，產(chǎn)品尺寸精度高達(dá)0.05 mm，都處于設(shè)計值范圍內(nèi)。克服了產(chǎn)品壓不實、尺寸精度不達(dá)標(biāo)的問題。

3.2 電性能

對制造的天線罩進行電性能測試，測試結(jié)果如圖7和圖8所示。

由測試結(jié)果可以看出，無罩情況下天線增益測試結(jié)果為2.3 dB，最大方向在75°左右；而有罩情況下天線增益測試結(jié)果為2.19 dB，最大方向在74°左右。對比有罩和無罩2種情況下的測試結(jié)果，可以看出天線罩在400 MHz頻率對天線增益的衰減為0.11 dB，波束指向偏差<1°。由此可知，所制造的機載天線罩壁在400 MHz對電磁波的衰減、反射和折射作用較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了天線罩透波率大于95%的要求。

圖7 天線增益對比圖

(a)天線無罩增益圖

(b)天線有罩增益圖圖8 天線實測方向圖(有罩與無罩)

4 結(jié)束語

通過上述硅橡膠熱膨脹工藝方法，成功地優(yōu)化了工藝，制備出了質(zhì)量較好的硅橡膠模具。并用其制備出了外觀光滑無瑕疵，尺寸精度高達(dá)±0.05 mm的深腔結(jié)構(gòu)的機載天線罩產(chǎn)品,電性能滿足設(shè)計制備要求。

熱膨脹工藝設(shè)計的加壓溫度范圍內(nèi)可產(chǎn)生全方位、多角度的足夠壓力，解決了天線罩外表面不光滑，尺寸精度不均等問題。為小型復(fù)雜的復(fù)合材料天線罩，彎曲、異形的復(fù)合材料管、梁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)多框、加筋[15]、薄壁腔體等的低成本制造提供新的技術(shù)途徑和實驗依據(jù)。

[1] 王超,顧葉青,王晨.雷達(dá)天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的研究進展與展望[J].電子機械工程，2015，31(6)：1-5.

[2] 趙少華,劉思含,毛學(xué)軍,等.新時期我國環(huán)保領(lǐng)域衛(wèi)星遙感技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].無線電工程,2017,47(3):1-7.

[3] 葛鐵志,鐘水和,黃龍呈,等.沙塵天氣對無線電測控設(shè)備性能的影響研究[J].無線電工程,2016,46(12):63-67.

[4] 孫巍,陳革,曾竟成,等.復(fù)合材料成型模具用硅橡膠性能測試[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，1997.

[5] 肖少伯.復(fù)合材料成型新工藝——熱脹成型法[J].宇航材料工藝,1996(6):10-25.

[6] 肖加余,曾竟成,江大志.航天主結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及其軟模輔助RTM成型工藝[J].航天返回與遙感,2007,28(2)：49-64.

[7] 吉海明.無人機復(fù)合材料軟模成型法[J].電光系統(tǒng),2009,2(2)：54-57.

[8] 趙亮,陳紅光.整體成形復(fù)合材料彈翼研制[J].航天工藝,1999(6):16-21.

[9] 劉鈞,彭超義,杜剛,等.膨脹芯模法制備炭/環(huán)氧主承力管件研究[J].材料工程,2007(9):37-41.

[10]張鐘，李勇，肖軍，等.泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料熱膨脹模壓法工藝研究[J].南京：南京航空航天大學(xué)學(xué)報,2007,39(5)：670-675.

[11]靳武剛.復(fù)合材料熱膨脹成型工藝研究[C]∥中國工程塑料工業(yè)協(xié)會加工應(yīng)用專委會.2002年中國工程塑料加工應(yīng)用技術(shù)研討會論文集.浙江，余姚：中國工程塑料工業(yè)協(xié)會加工應(yīng)用專委會，2002：222-224.

[12]將元興,朱達(dá)通,劉宏濤,等.碳/環(huán)氧復(fù)合材料軟模法成型工藝研究[C]∥中國復(fù)合材料學(xué)會.第九屆全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會議論文集.北京:世界圖書出版社,1996:621-626.

[13]靳武剛.復(fù)合材料熱膨脹成型工藝研究與應(yīng)用[J].工程塑料應(yīng)用,2003,31(4):26-28.

[14]鞠金山.輕質(zhì)復(fù)合材料軟模成型工藝技術(shù)及應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子，1997(4):62-66.

[15]肖少伯,史慧慧.軟模法成型復(fù)合材料與熱脹硅橡膠性能試驗[C]∥中國宇航學(xué)會材料工藝專業(yè)委員會.第六屆全國復(fù)合材料會議論文集(第一冊).北京：中國宇航學(xué)會，1990：110-112.

[16]曹曉明,顧軼卓,李超，等.碳纖維復(fù)合材料方管硅橡膠熱膨脹成型工藝研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2012(6):64-68.

[17]邵蒙.硅橡膠熱膨脹模具設(shè)計與縱橫加筋壁板成型質(zhì)量分析[J].航空學(xué)報,2012,6(33):1116-1124.

[18]李文舒,劉崗風(fēng),李振偉,等.基于ANSYS的車載相控陣天線骨架結(jié)構(gòu)分析[J].無線電工程,2017,47(2):57-60.

[19]Huybrechts S,Meink T E,Wegner P M,et al.Manufacturing Theory for Advanced Grid Stiffened Structures[J].Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,2001,33(2):155-161.

[20]錢玉林.復(fù)合材料熱膨脹模塑開模法成型工藝研究[C]∥中國宇航學(xué)會.第三屆全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會議論文集(第一冊)浙江，杭州：中國宇航學(xué)會，1984：245-251.

[21]翟全勝,劉衛(wèi)平.硅橡膠模成型復(fù)合材料加強肋[C]∥中國宇航學(xué)會.第九屆全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會議論文集(下冊).北京:世界圖書出版公司,1996:576-580.

Application of Thermal Expansion Silicone Rubber in Molding Process of Airborne Radomes

YI Wen-qing,LI Jin-liang,WANG Hai-dong

(The 54th Research Institute of CECT,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

In view of uneven force and demolding in process of small deep-cavity airborne radomes,this paper selects thermal expansion silicone rubber as core mold to design the molding dies and optimize the process. Through the experiment,the molding technology of small deep-cavity and thin-wall airborne radome in composite material is implemented,which has good process stability and high finished product rate. The antenna radome manufactured by using this technology has even thickness,qualified dimensional tolerance,smooth and non-defective surface,and acceptable electric performance. The test results show that this thermal expansion technology is applied to the molding manufacture of small antenna radome.

composite materials; silicone rubber; thermal expansion

2017-05-16

易文清(1986—)女，碩士，工程師,主要研究方向：先進復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)材料膠接等工藝研究。李金良(1979—)男，碩士，高級工程師，主要研究方向：先進復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)材料膠接等工藝研究。

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.05.21

易文清,李金良,王海東.熱膨脹硅橡膠在機載天線罩成型中的應(yīng)用[J].無線電通信技術(shù),2017,43(5):95-98.

[YI Wenqing,LI Jinliang,WANG Haidong.Application of Thermal Expansion Silicone Rubber in Molding Process of Airborne Radomes[J]. Radio Communications Technology,2017,43(5):95-98.]

TG17

A

1003-3114(2017)05-95-4