CN105563964B - 一种机载天线罩用复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载天线罩用复合材料及其制备方法，其中机载天线罩用复合材料包括表面涂层、外蒙皮层、夹芯层和内蒙皮层，夹芯层设于外蒙皮层和内蒙皮层之间，表面涂层涂覆于外蒙皮层表面；外蒙皮层的厚度为0.2～1mm；夹芯层采用聚甲基丙烯酰亚胺泡沫制成，呈直角梯形结构，其短边厚度为4～30mm，长边厚度为4.5mm～34mm；内蒙皮层的厚度为0.2～1mm。其制备方法包括：手糊浸渍制备内蒙皮层预浸料、铺覆夹芯层材料、固化、手糊浸渍制备外蒙皮层预浸料、固化、喷涂表面涂层、固化。本发明的机载天线罩用复合材料具有耐环境性能优良、整体承载能力好、可在双波段内保持高透波率等优势。

Description

一种机载天线罩用复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及航天材料技术领域，尤其涉及一种机载天线罩用树脂基复合材料及其制备方法。

背景技术

机载天线罩是飞行器的重要部件，它的作用是保护内部天线在工作过程中免受恶劣环境的影响，同时保证天线正常工作，即在天线工作频率范围内具有较高的透波率。

天线罩的性能与所选材料的性能密切相关，天线罩材料应具有以下特征：

1、结构承载性能好，满足服役载荷条件下的强度和刚度要求；

2、介电常数和介电损耗小，低的介电常数会降低反射，使反射对辐射模式和插入损耗的影响降低到最小；

3、质轻，降低天线罩整体重量，进而提高装备有效载荷比；

4、耐环境性能优良，能有效抵抗服役条件下的高低温、低气压、淋雨、太阳辐照、湿热、霉菌、盐雾、砂尘等恶劣的环境载荷；

5、良好的工艺性，实现低成本制备。

天线罩材料主要包括有机材料和无机非金属材料两大类。其中，陶瓷、微晶玻璃、陶瓷基复合材料等无机材料是为满足马赫数较高的飞行器的天线罩发展起来的，该类材料须承受更高的工作温度和更恶劣的环境。

而有机材料是指树脂基复合材料，树脂基复合材料是天线罩应用的最早的材料，也是目前在航空航天领域应用最为广泛的天线罩材料，它主要适用于飞行马赫数较小的飞行器。武器装备的升级换代和性能大幅提升，对树脂基复合材料天线罩性能提出越来越高的要求。对于某些天线来说，为了提高工作效能，该天线要求在两个波段内工作，这就意味着与之匹配的天线罩也应在两个波段保持高透波率。现有树脂基复合材料虽然能够在一个波段内实现宽频高透波率，但是目前还没有能够在两个波段内保持高透波率的天线罩材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构承载性能好、耐环境性能优良、低密度且能够在双波段内保持高透波率的机载天线罩用复合材料，还提供了该机载天线罩用复合材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种机载天线罩用复合材料，包括表面涂层、外蒙皮层、夹芯层和内蒙皮层，所述夹芯层夹设于外蒙皮层和内蒙皮层之间，所述表面涂层涂覆于所述外蒙皮层表面；所述外蒙皮层的厚度为0.2～1mm；所述夹芯层采用聚甲基丙烯酰亚胺泡沫制成，呈直角梯形结构，其短边厚度为4～30mm，长边厚度为4.5mm～34mm；所述内蒙皮层的厚度为0.2～1mm。

上述的机载天线罩用复合材料，优选的，所述夹芯层为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫制成的直角梯形，外蒙皮层设置于所述夹心层的斜边上，内蒙皮层设置于与所述夹芯层的斜边相对的直角边上；所述夹芯层的短边厚度为4～30mm，所述夹芯层的长边厚度比所述短边厚0.5～4mm；所述外蒙皮层和内蒙皮层为均匀等厚的矩形。

上述的机载天线罩用复合材料，优选的，所述表面涂层包括底漆层、抗雨蚀漆层和防静电漆层，所述抗雨蚀漆层设置于所述底漆层和所述防静电漆层中间，所述底漆层涂覆于所述外蒙皮层表面。

上述的机载天线罩用复合材料，优选的，所述底漆层的材料为H01-89，厚度为0.03±0.01mm；所述抗雨蚀漆层的材料为SF55-49，厚度为0.15±0.02mm；所述防静电漆层的材料为SDT99-49，厚度为0.03～0.05mm。

上述的机载天线罩用复合材料，优选的，所述外蒙皮层采用纤维布增强环氧树脂体系复合材料；所述纤维布增强环氧树脂体系复合材料由多层纤维布通过环氧树脂体系粘贴而成；所述纤维布为石英纤维平纹布、石英纤维斜纹布和石英纤维缎纹布中的一种；所述环氧树脂体系包括环氧树脂和固化剂。进一步优选的，所述环氧树脂为LT5089A，固化剂为LT5089B。

上述的机载天线罩用复合材料，优选的，所述外蒙皮层中，所述外蒙皮层用纤维布的体积百分含量为35％～55％，所述环氧树脂体系的体积百分含量为65％～45％；所述环氧树脂体系中，所述固化剂的添加量为环氧树脂质量的30％。

上述的机载天线罩用复合材料，优选的，所述内蒙皮层材料采用纤维布增强环氧树脂体系复合材料；所述纤维布增强环氧树脂体系复合材料由多层纤维布通过环氧树脂体系粘贴而成；所述纤维布为石英纤维平纹布、石英纤维斜纹布和石英纤维缎纹布的一种；所述环氧树脂体系包括环氧树脂和固化剂。进一步优选的，所述环氧树脂为LT5089A，固化剂为LT5089B。

上述的机载天线罩用复合材料，优选的，所述内蒙皮层中，所述内蒙皮层用纤维布的体积百分含量为35％～55％，所述环氧树脂体系的体积百分含量为65％～45％；所述环氧树脂体系中，所述固化剂的添加量为环氧树脂质量的30％。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种上述机载天线罩用复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将环氧树脂和固化剂混合后制成环氧树脂体系，以所述环氧树脂体系为粘结剂，采用手糊工艺将多层纤维布逐层浸渍得到内蒙皮层预浸料；

S2、将夹芯层材料铺覆步骤S1制备得到的所述内蒙皮层预浸料上，按压；

S3、采用真空袋压方法，将所述内蒙皮层预浸料在50～70℃下固化4～6h得到夹芯层-内蒙皮层预制体；

S4、将环氧树脂和固化剂混合后制成环氧树脂体系，以所述环氧树脂体系为粘结剂，在所述夹芯层-内蒙皮层预制体的夹芯层表面采用手糊工艺将多层纤维布逐层浸渍得到外蒙皮层预浸料；

S5、采用真空袋压方法，将所述外蒙皮层预浸料在50～70℃固化4～6h得到外蒙皮层-夹芯层-内蒙皮层预制体；

S6、在所述外蒙皮层-夹芯层-内蒙皮层预制体的外蒙皮层表面喷涂表面涂层，然后固化，得到机载天线罩用复合材料。

上述的制备方法，优选的，所述步骤S6具体包括以下步骤：

S6-1、在所述外蒙皮层-夹芯层-内蒙皮层预制体的外蒙皮层外表面喷涂底漆胶液，喷涂完成后，室温下晾干24h，形成底漆层；

S6-2、在所述底漆层外表面喷涂抗雨蚀漆胶液，喷涂完成后，室温下晾干2h，形成抗雨蚀漆层；

S6-3、在所述抗雨蚀漆层外表面均匀喷涂防静电漆胶液，喷涂完成后，室温下晾干12h，形成防静电漆层；

S6-4、在60～80℃下固化8～10h。

本发明的创新点在于：

本发明的机载天线罩用复合材料，包括表面涂层、外蒙皮层、夹芯层和内蒙皮层，夹芯层设于外蒙皮层和内蒙皮层之间，表面涂层涂覆于外蒙皮层表面。其中外蒙皮层和内蒙皮层是保持结构承载能力的前提，将外蒙皮层的厚度控制在0.2～1mm，内蒙皮层的厚度控制在0.2～1mm，一方面保持其承载能力，满足飞行器的气动载荷的要求；另一方面可以保持复合材料的高透波率。夹芯层采用聚甲基丙烯酰亚胺泡沫制成，在达到强化结构、减轻重量目的的同时，还能够通过调整到达接收天线的反射波的相位，使得内、外蒙皮的反射波幅度相等，相位相反，相互抵消，达到零反射效果，实现在不同波段内保持透波率。夹芯层的实际厚度可依据天线罩内天线的工作条件和透波要求进行设计。

为了进一步实现天线罩在双波段内保持高透波率，本发明将夹心层的厚度设计为非均匀等厚，具体是将夹芯层设计为直角梯形结构。天线罩的实际应用过程中，天线与天线罩相对位置的变化将引起电磁波入射角的变化，从而影响天线罩的透波性能，本发明通过将夹芯层厚度设计为非均匀等厚，厚度的变化过程，可以满足不同波段内的透波性能要求。天线罩对电磁波传输性能影响主要表现在对电磁波的吸收与反射，而入射角和壁厚则决定了电磁波的反射和透射比例，也即任何已选定材料和结构形式的天线罩的功率传输特性(插入损耗和插入相位延迟IPD)都是入射角和厚度的函数。夹芯层应用的优点在于选择一定厚度的低密度芯层，在达到强化结构、减轻重量目的的同时，更为重要的是来调整到达接收天线的反射波的相位，使得零反射设计成为可能。如此在进行夹芯层的厚度设计时，可根据天线罩内天线的工作条件，设计计算得到最佳的芯层厚度，使得内、外蒙皮的反射波幅度相等，相位相反，相互抵消。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明提出的树脂基复合材料耐环境性能优良，经过实际试验考核，可耐受耐高低温、耐低气压、耐淋雨、耐太阳辐照、防湿热、防霉菌、防盐雾、耐砂尘、耐液体、耐温-湿-高、防静电、雨冲击和雨蚀等多种环境条件。

(2)本发明提出的树脂基复合材料整体承载能力好，满足机载天线罩的力学环境载荷要求。

(3)由于采用夹芯层变厚度设计方法，本发明提出的树脂基复合材料可在双波段内保持高透波率，这是已有技术方案都无法实现的。此外，本发明的树脂基复合材料密度低，可有效降低产品整体重量，进而提高装备有效载荷比；成型工艺性好，成本较低，本发明的树脂基复合材料是一种适用于具有双波段要求的机载天线罩的材料体系，具有广阔的市场前景。

附图说明

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

图1为本发明的机载天线罩用复合材料截面示意图。

图2为本发明实施例1中制得的机载天线罩用复合材料试样照片。

图例说明：

在附图中，A₁、表面涂层之防静电漆层；A₂、表面涂层之抗雨蚀漆层；A₃、表面涂层之底漆层；B、外蒙皮层；C、夹芯层；D、内蒙皮层。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例

以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。其中作为底漆胶液的H01-89环氧涂料、作为抗雨蚀胶液的SF55-49脂肪族涂料、作为防静电胶液的SDT99-49脂肪族涂料均购于中海油常州涂料化工研究院；LT5089A环氧树脂和LT5089B固化剂购自惠利树脂有限公司；牌号为ROHACELL 71IG-F的PMI泡沫购自德国德固赛公司；牌号分别为B型-斜纹-0.20和B型-斜纹-0.10的石英纤维斜纹布，购自荆州菲利华石英玻璃有限公司。

实施例1：

一种如图1所示的机载天线罩用复合材料，主要用于制备在Ka和Ku波段内工作的天线罩。其结构为：由外至里依次设置有表面涂层A、外蒙皮层B、夹芯层C、内蒙皮层D，其中夹芯层C设于外蒙皮层B和内蒙皮层D之间，表面涂层A涂覆于外蒙皮层B表面。

其中表面涂层包括底漆层A3、抗雨蚀漆层A2和防静电漆层A1，抗雨蚀漆层A2设置于底漆层A3和防静电漆层A1中间，底漆层A3涂覆于外蒙皮层B表面。底漆层厚度为0.03mm；抗雨蚀层厚度为0.15mm；防静电层厚度为0.04mm。

外蒙皮层以石英纤维斜纹布为外蒙皮层用增强材料，通过手糊工艺将多层石英纤维斜纹布逐层浸渍得到外蒙皮层预浸料。外蒙皮层用环氧树脂胶液的成分包括LT5089A环氧树脂(购自惠利树脂有限公司)和用量为LT5089A环氧树脂质量30％的LT5089B固化剂(购自惠利树脂有限公司)。外蒙皮层的纤维体积百分含量为45％，厚度为0.5mm。

夹芯层采用ROHACELL 71IG-F的PMI泡沫(购自德国德固赛公司)，将PMI泡沫加工成直角梯形，外蒙皮层设置于夹心层的斜边上，内蒙皮层设置于与夹芯层的斜边相对的直角边上，夹芯层的短边厚度为15.8mm，所述夹芯层的长边厚度为17.2mm。外蒙皮层和内蒙皮层为均匀等厚的矩形。

内蒙皮层以石英纤维斜纹布为内蒙皮层用增强材料，内蒙皮层用增强材料通过内蒙皮层用树脂胶液粘贴在一起形成内蒙皮层。内蒙皮层用树脂胶液的成分包括LT5089A环氧树脂(购自惠利树脂有限公司)和用量为LT5089A环氧树脂质量30％的LT5089B固化剂(购自惠利树脂有限公司)。内蒙皮层的纤维体积含量为45％，厚度为0.5mm。

本实施例的机载天线罩用复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

1、制备内蒙皮层预浸料：

1.1、配制内蒙皮层用树脂胶液：准备LT5089A环氧树脂和LT5089B固化剂，按照固化剂用量为树脂用量30％的比例配制内蒙皮层用树脂胶液，待用。

1.2、裁剪内蒙皮层增强材料：按照试样形状和尺寸裁剪2层牌号为B型-斜纹-0.20的石英纤维斜纹布和1层牌号为B型-斜纹-0.10的石英纤维斜纹布，作为内蒙皮层用增强材料。

1.3、手糊浸渍：在阳模上铺覆1层牌号为B型-斜纹-0.10的石英纤维斜纹布，用内蒙皮层用树脂胶液进行均匀浸渍；然后再分别铺覆2层牌号为B型-斜纹-0.20的石英纤维斜纹布，每铺覆1层就用树脂胶液均匀浸渍，得到内蒙皮层预浸料，控制内蒙皮层预浸料中纤维体积分数为45％。

2、铺覆夹芯层：

将设计并加工后的PMI泡沫铺覆在内蒙皮层预浸料之上，按压到位。

3、内蒙皮层/夹芯层的真空袋压固化：

在内蒙皮层预浸料/夹芯层上依次铺覆隔离膜、导流介质和真空袋膜，在60℃下固化4h，使内蒙皮层用树脂胶液固化。固化完成后，依次去除真空袋膜、导流介质和隔离膜，并对其表面进行修整处理，得到夹芯层-内蒙皮层预制体。

4、制备外蒙皮层预浸料：

4.1、配制外蒙皮层用树脂胶液：准备LT5089A环氧树脂和LT5089B固化剂，按照固化剂用量为树脂用量30％的比例配制外蒙皮层用树脂胶液，待用。

4.2、裁剪外蒙皮层增强材料：按照试样形状和尺寸裁剪2层牌号为B型-斜纹-0.20的石英纤维斜纹布和1层牌号为B型-斜纹-0.10的石英纤维斜纹布，做为外蒙皮层用增强材料。

4.3、手糊浸渍：在夹芯层上铺覆2层牌号为B型-斜纹-0.20的石英纤维斜纹布，每铺覆1层用外蒙皮层用树脂胶液进行均匀浸渍；然后再铺覆1层牌号为B型-斜纹-0.10的石英纤维斜纹布，得到外蒙皮层预浸料，控制外蒙皮层预浸料中纤维体积分数为45％。

5、外蒙皮层的真空袋压固化：

在外蒙皮层预浸料上依次隔离膜、导流介质和真空袋膜，在60℃下固化4h，使外蒙皮层用树脂胶液固化。固化完成后，依次去除真空袋膜、导流介质和隔离膜，脱模，对外蒙皮层表面进行修整和打磨处理，得到外蒙皮层-夹芯层-内蒙皮层预制体。

6、表面涂层制备：

6.1、底漆层的制备：准备环氧涂料H01-89，在外蒙皮层-夹芯层-内蒙皮层预制体的外蒙皮层外表面均匀喷涂，喷涂时控制底漆层厚度为0.03±0.01mm，喷涂完成后，室温下晾干24h，形成底漆层。

6.2、抗雨蚀漆层制备：准备脂肪族抗雨蚀层涂料SF55-49，在底漆层外表面均匀喷涂抗雨蚀层涂料，喷涂时控制抗雨蚀层厚度为0.15±0.02mm，喷涂完成后，室温下晾干2h，形成抗雨蚀漆层。

6.3、防静电漆层制备：准备脂肪族防静电层涂料SDT99-49，在抗雨蚀层外表面均匀喷涂防静电层涂料，喷涂时控制防静电层厚度为0.03～0.05mm，喷涂完成后，室温下晾干12h，形成防静电漆层。

6.4、固化：整体放入烘箱中，在60℃下固化10h，表面进行修整，完成机载天线罩用复合材料的制备。

将实施例1的机载天线罩用复合材料进行透波性能检测，检测结果参见表1。

表1：机载天线罩用复合材料透波性能试验结果表

从表1数据可以看出：本实施例制备的机载天线罩用复合材料在Ka和Ku两个波段内都保持高透波率，透波率和交叉极化隔离度都满足要求。

将实施例1的机载天线罩用复合材料进行环境性能检测，检测结果参见表2。

表2：机载天线罩用复合材料环境性能试验结果表

从表2中数据可以看出，本发明的机载天线罩用复合材料在耐高低温、耐低气压、耐淋雨、耐太阳辐照、防湿热、防霉菌、防盐雾、耐砂尘、耐液体、耐温-湿-高、防静电等复杂的环境条件下，整体结构承载能力良好。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种机载天线罩用复合材料，其特征在于，包括表面涂层、外蒙皮层、夹芯层和内蒙皮层，所述夹芯层夹设于外蒙皮层和内蒙皮层之间，所述表面涂层涂覆于所述外蒙皮层表面；所述外蒙皮层的厚度为0.2～1mm；所述内蒙皮层的厚度为0.2～1mm；所述夹芯层为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫制成的直角梯形，外蒙皮层设置于所述夹芯层的斜边上，内蒙皮层设置于与所述夹芯层的斜边相对的直角边上，所述夹芯层的短边厚度为4～30mm，所述夹芯层的长边厚度比短边厚0.5～4mm；所述外蒙皮层和内蒙皮层为均匀等厚的矩形。

2.根据权利要求1所述的机载天线罩用复合材料，其特征在于，所述表面涂层包括底漆层、抗雨蚀漆层和防静电漆层，所述抗雨蚀漆层设置于所述底漆层和所述防静电漆层中间，所述底漆层涂覆于所述外蒙皮层表面。

3.根据权利要求2所述的机载天线罩用复合材料，其特征在于，所述底漆层的材料为H01-89，厚度为0.03±0.01mm；所述抗雨蚀漆层的材料为SF55-49，厚度为0.15±0.02mm；所述防静电漆层的材料为SDT99-49，厚度为0.03～0.05mm。

4.根据权利要求1所述的机载天线罩用复合材料，其特征在于，所述外蒙皮层采用纤维布增强环氧树脂体系复合材料；所述纤维布增强环氧树脂体系复合材料由多层纤维布通过环氧树脂体系粘贴而成；所述纤维布为石英纤维平纹布、石英纤维斜纹布和石英纤维缎纹布中的一种；所述环氧树脂体系包括环氧树脂和固化剂。

5.根据权利要求4所述的机载天线罩用复合材料，其特征在于，所述外蒙皮层中，所述纤维布的体积百分含量为35％～55％，所述环氧树脂体系的体积百分含量为65％～45％；所述环氧树脂体系中，所述固化剂的添加量为环氧树脂质量的30％。

6.根据权利要求1所述的机载天线罩用复合材料，其特征在于，所述内蒙皮层材料采用纤维布增强环氧树脂体系复合材料；所述纤维布增强环氧树脂体系复合材料由多层纤维布通过环氧树脂体系粘贴而成；所述纤维布为石英纤维平纹布、石英纤维斜纹布和石英纤维缎纹布的一种；所述环氧树脂体系包括环氧树脂和固化剂。

7.根据权利要求6所述的机载天线罩用复合材料，其特征在于，所述内蒙皮层中，所述纤维布的体积百分含量为35％～55％，所述环氧树脂体系的体积百分含量为65％～45％；所述环氧树脂体系中，所述固化剂的添加量为环氧树脂质量的30％。

8.一种权利要求1至7中任一项所述机载天线罩用复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将环氧树脂和固化剂混合后制成环氧树脂体系，以所述环氧树脂体系为粘结剂，采用手糊工艺将多层纤维布逐层浸渍得到内蒙皮层预浸料；

S2、将夹芯层材料铺覆步骤S1制备得到的所述内蒙皮层预浸料上，按压；

S3、采用真空袋压方法，将所述内蒙皮层预浸料在50～70℃下固化4～6h得到夹芯层-内蒙皮层预制体；

S4、将环氧树脂和固化剂混合后制成环氧树脂体系，以所述环氧树脂体系为粘结剂，在所述夹芯层-内蒙皮层预制体的夹芯层表面采用手糊工艺将多层纤维布逐层浸渍得到外蒙皮层预浸料；

S5、采用真空袋压方法，将所述外蒙皮层预浸料在50～70℃固化4～6h得到外蒙皮层-夹芯层-内蒙皮层预制体；

S6、在所述外蒙皮层-夹芯层-内蒙皮层预制体的外蒙皮层表面喷涂表面涂层，然后固化，得到机载天线罩用复合材料。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括以下步骤：

S6-1、在所述外蒙皮层-夹芯层-内蒙皮层预制体的外蒙皮层外表面喷涂底漆胶液，喷涂完成后，室温下晾干24h，形成底漆层；

S6-2、在所述底漆层外表面喷涂抗雨蚀漆胶液，喷涂完成后，室温下晾干2h，形成抗雨蚀漆层；

S6-3、在所述抗雨蚀漆层外表面均匀喷涂防静电漆胶液，喷涂完成后，室温下晾干12h，形成防静电漆层；

S6-4、在60～80℃下固化8～10h。