T700碳纤维卫星波导器件研制工艺

  波导器件是各种微波通信和卫星通信工程中的重要器件,航天器中使用的传统波导器件通常采用铝合金、低膨胀合金(如殷钢)等制成,制造工艺复杂,存在型面精度不高、结构质量大、空间环境尺寸稳定性差等问题,难以满足通讯卫星减重和向高频段发展的需求。

  碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量、低线胀系数、可设计性等优点,用于制备波导器件能够减轻结构质量,有效提高天线综合性能。但是碳纤维复合材料的电导率较金属小,当传导的电磁频率高于20GHz时,复合材料对电磁波吸收损耗大,通常还需要对其进行表面金属化处理,金属转移法是碳纤维复合材料表面金属化的常用方法之一。

  针对某卫星用高精度、复杂碳纤维复合材料波导谐振腔,本文开展成型工艺研究,制备了满足设计指标要求的复合材料波导谐振腔,并通过了高低温环境试验验证。谐振腔轮廓尺寸为119mm×82mm×52mm,主体为一面带翻边的敞口长方盒,盒中间有齿形腹板,将盒体一分为二,盒体所有工作面(即盒体内表面,包括腹板表面)需要表面金属化处理,且各面相交处为清晰棱线、无圆角。

  波导谐振腔主要技术指标为:(1)内腔尺寸精度和形位精度为±0.05mm;(2)内腔表面粗糙度≤1.6um;(3)内腔棱线清晰,表面金属层连续;(4)内腔表面金属层与复合材料的界面结合强度:-190~120℃冷热交变循环次数100次后,镀无鼓起、脱落等现象;(5)碳纤维复合材料谐振腔体成型质量满足GJB2895-B级要求。

  选择卫星型号用T700预浸料,根据该碳纤维复合材料比刚度性能,参考以往殷钢波导构型,初步确定谐振腔采用2mm均匀壁厚,开展铺层设计。波导谐振腔对结构稳定性要求较高,铺层设计应以“各向同性”和“零线胀系数”为原则。制定的铺层方案设计如下:腔体腔体和腹板铺层均为[0/+45/-45/90]2。同时为了满足谐振腔内表面平整、棱线清晰、金属化均匀的需求,在产品内表面紧贴金属层设置一层超薄预浸料功能层。

  碳纤维复合材料谐振腔采用真空袋-热压罐工艺成型,产品经固化、脱模,碳纤维复合材料波导谐振腔实物经检测,制备的碳纤维复合材料谐振腔内腔尺寸精度、棱线特征、内腔表面金属层连续性、平整度及粗糙度均满足技术指标。超声无损检测表明,腔体成型质量良好,满足GJB2895-97B类要求。对谐振腔开展-196~120℃高低温循环试验,开展100次后,目视检查表面金属层无起皮、脱落现象。分别对谐振腔进行散斑成像检测,结果表明内腔表面镀层与碳纤维复合材料基体结合完好,满足设计要求。碳纤维复合材料谐振腔质量为0.11kg,比殷钢谐振腔减重72%。

 

  阅读延伸:《M40碳纤维卫星天线支撑管研制技术