CN108963466A - 一种复合材料管阵结构反射器及其制作方法 - Google Patents

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史耀辉
郝旭峰
鞠博文
王晓蕾
沈峰
徐宏涛
刘千立
姜明
田杰
叶周军
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Abstract

本发明提供了一种复合材料管阵结构反射器及其制作方法，所述复合材料管阵结构反射器包括内蒙皮、外蒙皮和复合材料管阵结构，所述内蒙皮和外蒙皮位于复合材料管阵结构的两侧面；所述复合材料管阵结构包括按阵列竖直排布的多个复合材料管件。本发明具有如下的有益效果：本发明的成型复杂程度低，复合材料管件之间无需胶结和填充其它材料，避免了复合材料管件胶接后加工引起的结构内部的损伤，保证了整体的热变形较低。且复合材料管阵结构与曲面的贴合程度高，无需复杂的曲面加工，且采用的胶接胶膜为聚三咗胶膜，该胶膜可实现低温固化高温使用，使用温度可达150℃。

Description

一种复合材料管阵结构反射器及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料管阵结构反射器及其制作方法，属于复合材料成型技术领域。
背景技术
天线是一种用来进行电磁波发射与接收的大型精密机械结构，二次世界大战前后，反射面天线开始得到广泛地应用。从20世纪60年代开始，以卡塞格伦天线和格里高利天线为代表的双反射面天线，逐渐成为卫星通讯、遥感观测、雷达技术、射电天文和气象等领域最常用的一类微波与毫米波天线。尤其在进入新世纪后，人们更加渴望通过对深空领域的探索以及对月球和火星等星体的观测来揭开宇宙演变和生命进化的奥秘。然而，随着空间探索和空间通信距离的增加，地球表面能够接收到的电磁信号开始变得极其微弱，为提高天线***的灵敏度与分辨率，射电望远镜正日益朝着大口径、高频段的方向发展。
目前国内外的反射器按结构主要分为铝蜂窝夹层结构反射器和全碳反射器，其中全碳反射器又分为格栅结构反射器、碳蜂窝夹层结构反射器和复合材料管阵结构反射器。国内主要以铝蜂窝夹层结构为主，其特点是工艺成熟度高、设计难度低，但是由于芯体材料铝蜂窝自身刚度过低、热膨胀系数过高等，该类反射器主要为亚毫米级。国外高精度高稳定微米级反射器主要是全碳结构。这三种全碳结构反射器的特点如下：格栅结构反射器的特点是结构稳定性高、刚性好且成型精度高，但是由于夹层部分为曲面格栅结构，其成型难度和设计难度相对较高；碳蜂窝夹层结构的特点是兼具格栅结构的各项优点且成型难度与铝蜂窝夹层结构相近，由于其优越的性能国外大量的高精度反射器采用其为夹层材料，但是由于国外技术禁运其价格在国内极高(约为55万/平方米)，无法实现大规模使用；复合材料管阵结构反射器，其结构特性及工艺基本与碳蜂窝夹层结构相似，而复合材料管阵结构本身的成型难度相对较低，因此复合材料管阵结构是目前高精度高稳定反射器的一种相对较易实现的结构。
现有专利CN105459474A中的纤维增强树脂基复合材料杆件需通过胶接或物理固定的方式将复合材料管件拼接成夹芯结构，且杆件与杆件之间的间隙或杆件内部可填充轻质泡沫材料或烧蚀材料。该种结构由于复合材料杆件之间需要胶结或物理固定胶结所用树脂和杆件的填充物会影响整个结构的热性能提高夹芯结构的热膨胀系数，从而使得反射器的热变形增加。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种复合材料管阵结构反射器及其制作方法。本发明实现了天线反射器的高精度制造，优化了复合材料管阵的尺寸，大大增加了结构的刚性，提高了反射器在高低温环境下的稳定性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种复合材料管阵结构反射器，包括内蒙皮、外蒙皮和复合材料管阵结构，所述内蒙皮和外蒙皮位于复合材料管阵结构的两侧面；所述复合材料管阵结构包括按阵列竖直排布的多个复合材料管件。
优选地，所述内蒙皮、外蒙皮的厚度均为0.2～5mm。
优选地，所述复合材料管件的高度为50～100mm，复合材料管件的管壁厚度为0.01～5mm管径为1～20mm。
优选地，所述内蒙皮、外蒙皮和复合材料管阵结构均采用纤维增强树脂基复合材料制备；所述纤维增强树脂基复合材料中，纤维选自玄武岩纤维、碳纤维、碳化硅纤维、超高分子聚乙烯纤维中的一种或多种；树脂选自苯并恶嗪、酚醛树脂和双马树脂中的一种或多种。
优选地，所述树脂的收缩率小于1％。采用收缩率小于1％的树脂，可将蒙皮的固化变形控制在0.1-1μm内。若收缩率过高，会导致复合材料结构固化收缩变形过大影响结构的成型尺寸精度。
优选地，所述内蒙皮和外蒙皮的制备方法包括以下步骤：
将复合材料预浸料于模具上铺层，进行热压固化成型，得到所述内蒙皮、外蒙皮。
本发明还提供了一种复合材料管阵结构反射器的制作方法，包括以下步骤：
将内蒙皮、外蒙皮与复合材料管阵结构连接的一面打磨并粘贴胶膜，然后将内蒙皮放置于成型模具之上，将复合材料管件依次放至于内蒙皮胶膜上形成复合材料管阵结构，再将外蒙皮粘贴有胶膜的一侧放置于复合材料管阵结构上，固化成型。
本发明的复合材料管件之间无需胶结或物理连接，从而最大程度上降低中间夹层的热膨胀系数。且复合材料管件由于相互之间处于离散状态，曲面适应性更好，且无需机械加工，操作更为简便。
优选地，所述胶膜为聚三咗胶膜。
优选地，所述胶膜为包括以下质量含量的各组分：聚三咗75-85％，聚醚砜5-6％，环氧树脂10-20％。
优选地，所述胶膜的制备方法包括以下步骤：环氧树脂加热至35±3℃，将聚三佐固体粉末加入环氧树脂中，再将聚醚砜加入，混合好后压成所需厚度，冷却后即得。
优选地，所述固化温度为40-50℃，固化时间为6-10h。可以有效降低反射器的成型热变形，同时保证反射器在较高的温度区间内的使用性能。
采用本发明的聚三咗胶膜，可以实现低温固化高温使用。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过采用复合材料管阵结构作为夹心材料，本发明实现了天线反射器的高精度制造，优化了复合材料管阵的尺寸，大大增加了结构的刚性，提高了反射器在高低温环境下的稳定性。
2、本发明的成型复杂程度低，复合材料管件之间无需胶结和填充其它材料，避免了复合材料管件胶接后加工引起的结构内部的损伤，保证了整体的热变形较低。
3、本发明的复合材料管阵结构与曲面的贴合程度高，无需复杂的曲面加工，且采用的胶接胶膜为聚三咗胶膜，该胶膜可实现低温固化高温使用，使用温度可达150℃。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一种复合材料管阵结构反射器的结构示意图；
其中：1、内蒙皮；2、外蒙皮；3、复合材料管阵结构。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
以下实施例采用的胶膜为以下质量含量的各组分：聚三咗75-85％，聚醚砜5-6％，环氧树脂10-20％。
所述胶膜的制备方法包括以下步骤：将环氧树脂加热至35±3℃，将聚三佐固体粉末缓慢加入树脂中同时控制温度保持温度在35±3℃，再将聚醚砜缓慢加入保持混合物温度，混合好后将其倒入制膜机内，将其压成所需厚度，冷却后将成型好的胶膜取出。
实施例1
本实施例提供了一种复合材料管阵结构反射器，如图1所示，包括内蒙皮、外蒙皮和复合材料管阵结构，所述内蒙皮和外蒙皮位于复合材料管阵结构的两侧面；所述复合材料管阵结构包括按阵列竖直排布的多个复合材料管件。
所述内蒙皮、外蒙皮的厚度均为0.2mm。
所述复合材料管件的高度为50mm，复合材料管件的管壁厚度为0.1mm，管径为1mm，热膨胀系数为0.1×10-6/℃。
所述内蒙皮、外蒙皮和复合材料管阵结构均采用纤维增强树脂基复合材料制备；所述纤维增强树脂基复合材料中，纤维选自碳纤维；树脂为苯并恶嗪，收缩率小于1％。
本实施例还提供了一种复合材料管阵结构反射器的制作方法，包括以下步骤：
1)材料设计
根据使用需求选择夹芯材料树脂基体及增强材料，此处选择M40/12K碳纤维，环氧树脂；铺层方式为45/-45。
2)管件成型加工
将单层厚度为0.03mm的纤维增强树脂基复合材料预浸料裁剪成条状，一层45度，一层-45度，将两层纤维预浸料按照45/-45的方向卷在外直径为40mm的金属模具上，固化成型后，将复合材料管件脱模，机加工成长度为60mm的短管。
3)夹层结构成型
将成型好的内蒙皮放置于模具上粘贴胶膜，将碳纤维复合管件从顶端开始依次摆放于聚三咗胶膜上，再将贴有胶膜的外蒙皮放置于碳纤维管件上，40-50℃、6-10h固化成型得到反射器。
本实施例制得的复合材料管阵结构反射器的性能测试结果如下：结构热变形0.6μm；成型精度6μm；结构剪切强度为1.4MPa；使用温度为150℃。
实施例2
本实施例提供了一种复合材料管阵结构反射器，包括内蒙皮、外蒙皮和复合材料管阵结构，所述内蒙皮和外蒙皮位于复合材料管阵结构的两侧面；所述复合材料管阵结构包括按阵列竖直排布的多个复合材料管件。
所述内蒙皮、外蒙皮的厚度均为3mm。
所述复合材料管件的高度为80mm，复合材料管件的管壁厚度为2mm，管径为10mm，热膨胀系数为0.1×10-6/℃。
所述内蒙皮、外蒙皮和复合材料管阵结构均采用纤维增强树脂基复合材料制备；所述纤维增强树脂基复合材料中，纤维选自玄武岩纤维；树脂为酚醛树脂，收缩率小于1％。
所述制备方法与实施例1相同。
本实施例制得的复合材料管阵结构反射器的性能测试结果如下：结构热变形0.8μm；成型精度6μm；结构剪切强度为1.5MPa；使用温度为150℃。
实施例3
本实施例提供了一种复合材料管阵结构反射器，包括内蒙皮、外蒙皮和复合材料管阵结构，所述内蒙皮和外蒙皮位于复合材料管阵结构的两侧面；所述复合材料管阵结构包括按阵列竖直排布的多个复合材料管件。
所述内蒙皮、外蒙皮的厚度均为5mm。
所述复合材料管件的高度为100mm，复合材料管件的管壁厚度为5mm，管径为20mm，热膨胀系数为0.1×10-6/℃。
所述内蒙皮、外蒙皮和复合材料管阵结构均采用纤维增强树脂基复合材料制备；所述纤维增强树脂基复合材料中，纤维选自碳纤维；树脂为双马树脂，收缩率小于1％。
所述制备方法与实施例1相同。
本实施例制得的复合材料管阵结构反射器的性能测试结果如下：结构热变形0.8μm；成型精度7μm；结构剪切强度为1.3MPa；使用温度为150℃。
对比例1
本对比例提供了一种复合材料管阵结构反射器，所述结构与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本对比例中，采用的纤维增强树脂基复合材料中，纤维选自碳纤维；树脂为氰酸酯树脂，收缩率为5％。
所述制备方法与实施例1相同。
本对比例制得的复合材料管阵结构反射器的性能测试结果如下：结构热变形1.8μm；成型精度32μm；结构强度为1.5MPa；使用温度为150℃。
对比例2
本对比例提供了一种复合材料管阵结构反射器，所述结构与实施例1相同，所述制备方法与实施例1基本相同。不同之处仅在于：本对比例中，采用的粘接胶为J-47C胶膜。
本对比例制得的复合材料管阵结构反射器的性能测试结果如下：结构热变形0.6μm；成型精度8μm；结构剪切强度为1.5MPa；使用温度为100℃。
对比例3
本对比例提供了一种复合材料管阵结构反射器，所述结构与实施例1相同，所述制备方法与实施例1基本相同。不同之处仅在于：本对比例中，采用胶接将各相邻的碳纤维复合管件进行胶接，并填充轻质泡沫材料。
本对比例制得的复合材料管阵结构反射器的性能测试结果如下：结构热变形12μm；成型精度23μm；结构剪切强度为1.4MPa；使用温度为150℃。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种复合材料管阵结构反射器，其特征在于，包括内蒙皮、外蒙皮和复合材料管阵结构，所述内蒙皮和外蒙皮位于复合材料管阵结构的两侧面；所述复合材料管阵结构包括按阵列竖直排布的多个复合材料管件。
2.根据权利要求1所述的复合材料管阵结构反射器，其特征在于，所述内蒙皮、外蒙皮的厚度均为0.2～5mm。
3.根据权利要求1所述的复合材料管阵结构反射器，其特征在于，所述复合材料管件的高度为50～100mm，复合材料管件的管壁厚度为0.01～5mm管径为1～20mm。
4.根据权利要求1所述的复合材料管阵结构反射器，其特征在于，所述内蒙皮、外蒙皮和复合材料管阵结构均采用纤维增强树脂基复合材料制备；所述纤维增强树脂基复合材料中，纤维选自玄武岩纤维、碳纤维、碳化硅纤维、超高分子聚乙烯纤维中的一种或多种，树脂选自苯并恶嗪、酚醛树脂和双马树脂中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的复合材料管阵结构反射器，其特征在于，所述树脂的收缩率小于1％。
6.根据权利要求1所述的复合材料管阵结构反射器，其特征在于，所述内蒙皮和外蒙皮的制备方法包括以下步骤：
将复合材料预浸料于模具上铺层，进行热压固化成型，得到所述内蒙皮、外蒙皮。
7.一种根据权利要求1所述的复合材料管阵结构反射器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
将内蒙皮、外蒙皮与复合材料管阵结构连接的一面打磨并粘贴胶膜，然后将内蒙皮放置于成型模具之上，将复合材料管件依次放至于内蒙皮胶膜上形成复合材料管阵结构，再将外蒙皮粘贴有胶膜的一侧放置于复合材料管阵结构上，固化成型。
8.根据权利要求7所述的复合材料管阵结构反射器的制作方法，其特征在于，所述胶膜为聚三咗胶膜。
9.根据权利要求8所述的复合材料管阵结构反射器的制作方法，其特征在于，所述胶膜为包括以下质量含量的各组分：聚三咗75-85％，聚醚砜5-6％，环氧树脂10-20％。
10.根据权利要求9所述的复合材料管阵结构反射器的制作方法，其特征在于，所述胶膜的制备方法包括以下步骤：
环氧树脂加热至35±3℃，将聚三佐固体粉末加入环氧树脂中，再将聚醚砜加入，混合好后压成所需厚度，冷却后即得。
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