碳纤维电磁屏蔽机箱的研制技术

  现代雷达技术的发展对雷达的机动性要求越来越高,同时,雷达装备向着轻量化、小型化的方向发展。碳纤维复合材料具有比重轻、比强度高、比模量高、耐腐蚀、热膨胀系数小等优点,在雷达结构中已得到大量应用。应用在雷达结构中的碳纤维复合材料包括反射面、波导、喇叭天线等功能件,也包括各类框架、显控台、机架、背架等结构件。碳纤维复合材料在雷达结构中日益广泛的应用,积累了许多有益的工程实践经验。

  某机载雷达机箱为实现产品轻量化要求,需要采用高性能碳纤维复合材料制造。国内已有对碳纤维电磁屏蔽机箱的研究,但其结构相对简单,成型特征少,缺少对内部结构紧凑、存在众多安装位置关系的箱体实现方法的研究。本文研制的碳纤维机箱内部需安装较多的印制板组件,外部需安装电源部件,安装接口多,安装位置精度要求高,结构复杂,载荷大,电磁环境复杂,机箱除需适应严苛的环境外,还应满足电磁屏蔽性能要求。本文对该碳纤维机箱的结构选材、铺层设计、成型过程等制造技术进行了详细讨论。

  碳纤维箱体尺寸为300mm×250mm×230mm,内部含有14个导轨和14个楔形件。机箱结构较为复杂,尤其是内部结构特征较多,如果整体成型则模具太复杂,铺层困难,且成型后脱模难度大,因此需对机箱进行合理的分体设计,将导轨、楔形件、加强梁单独固化成型后,作为预制件与箱体共固化一体成型。为保证胶接强度,导轨、楔形件的边缘均带有宽约10~15mm的双翅以增加胶接面积。同时为实现箱体与各安装零部件的机械连接,在箱体内部含有精确定位的金属预埋件。

  成型碳纤维机箱的主体材料为单向碳纤维预浸料。为使机箱外观漂亮及制孔时防止纤维劈裂,箱体内外表面均铺贴一层碳纤维织物预浸料。碳纤维机箱整体壁厚2.0mm,为方便铺层设计,主材选用单层压厚0.1mm的单向碳纤维预浸料。同时,兼顾成本,该机箱选用国产碳纤维预浸料,单层压厚0.125mm,固化温度为120℃,固化时间为2h。

  碳纤维机箱的制造工艺流程。先分别对预制件导轨、楔形件和加强梁进行单独铺贴、热压罐固化成型,然后机加工至设计要求尺寸。在箱体模具表面铺贴一层碳纤维预浸料后,对加工到位的导轨、楔形件和加强梁与箱体成型模具进行装配,然后整体铺贴碳纤维箱体。铺贴箱体时,要保证主体铺层的连续性和结构的整体性,对法兰边等区域进行局部加厚,加厚层应均匀分布在整体铺层中。每铺贴一层就采用电熨斗熨烫服帖,每铺贴4~5层就进行抽真空预压实。铺贴完成的箱体通过热压罐共固化成型。箱体毛坯脱模后,对其进行修整、机加工,对其表面进行金属化处理并涂刷油漆,最终完成碳纤维机箱的制造。

  研制的碳纤维机箱应满足在0.03~10GHz频率范围内电磁波衰减不低于60dB的要求。碳纤维本身具有一定的导电性,但与金属相比还存在差距,加上树脂基体的存在,碳纤维复合材料成为不良导体,导电率下降,因此为满足电磁屏蔽要求,必须对碳纤维表面进行金属化处理。碳纤维表面金属化方法有很多种,包括湿法镀层、导电涂料、导电涂料+电镀、喷涂金属等,结合制件的结构特点并综合考虑各方法的优劣势,最终选择了喷涂导电涂料的方法实现制件表面金属化。喷涂导电涂料的金属化试样屏蔽测试结果满足电磁屏蔽性能指标要求。按照国军标GJB150对金属化试样分别进行了霉菌、酸性盐雾、湿热、温度冲击等环境适应性试验。结果该试样通过了环境试验考核,满足严苛的产品防护要求。

  研制的碳纤维机箱的质量为2.6kg,比相同结构的铝制机箱轻了约30%。完成实物装配后,按照国军标GJB150.16A方法进行了3个轴向的功能振动试验和耐久振动试验。试验完成后,机箱未出现任何异常情况,结构刚强度满足要求,通过了振动试验考核。对金属化后的碳纤维机箱进行电磁屏蔽性能测试,结果满足电磁屏蔽要求。按照GJB150方法对机箱分别进行了霉菌、酸性盐雾、湿热、温度冲击等环境适应性试验。机箱通过了环境试验考核,满足严苛的产品防护要求。

 

  阅读延伸:《碳纤维军用箱体轻量化和电磁屏蔽性能研究》