碳纤维复合材料在星载天线中的应用优势分析

  碳纤维复合材料是以树脂为基体、碳纤维为增强体的复合材料,具有质量轻、模量高、热膨胀系数低等特点。碳纤维本身具有导电性在一定的频率范围内能够完成天线电磁波的发射或接收,并能承受一定的功率。因此用碳纤维复合材料制作的天线不仅能保证天线的电性能而且质量轻比强度高抗冲击振动能力强能承受高低温循环、热真空等严酷的环境试验的考核是星载天线的首选材料。

  1.机械性能

  相比于传统金属材料碳纤维的密度小(只有铝合金的0.64倍) ,比强度和比模量高,比强度是铝合金的17.8倍,比模量是铝合金的7倍(碳纤维以T700为例铝合金以LY12CZ为例)。碳纤维复合材料机械性能的高低与选取的碳纤维种类密切相关M系列的碳纤维模量较高,但强度较低,T700的强度高但模量较低。

  2.热性能

  碳纤维轴向和径向的热膨胀系数相差比较大并且随着模量的增加纤维轴向的热膨胀系数会下降甚至出现负值。基于这个特点在天线成型过程中设计不同的纤维铺层结构,可以使天线在成型过程和实际工作环境中做到“零膨胀”。对于工作在热交变剧烈的太空环境中的星载天线采用这种“零膨胀”系数材料来使其结构和型面精度保持稳定是非常有效的。

  3.电性能

  通常情况下天线有“驻波”和“增益”两个重要的电性能指标。天线的驻波指的是反射功率与输入功率之比驻波越小越好;天线的增益指的是在输入功率相等的条件下实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号功率密度之比,它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度一般情况下增益越高越好。研究表明,碳纤维复合材料天线的驻波和增益与天线内表层的碳纤维模量密切相关内表层碳纤维的模量越高天线的驻波就越低,增益就越高天线的电性能也越好。

  4.先进性

  碳纤维复合材料是一种各向异性材料沿纤维轴方向和垂直于纤维轴方向的电、磁热力学性能都有明显的差别。这样的各向异性给设计带来了较多的可选择性可以通过合适的铺层方向和层数来满足强度、刚度和其他特殊要求为结构的优化设计提供了巨大的设计空间是传统的各向同性金属材料所无法比拟的。

  碳纤维天线采用模具糊制成型其尺寸精度表面粗糙度都低于传统的采用金属材料通过机械加工成型的天线从而影响其电磁性能。在同等情况下碳纤维天线的增益也低于传统金属材料天线高频段的天线尤其明显。碳纤维复合材料这种低密度轻型材料以其优异的力学、热学、电磁性能在星载天线结构中必将得到越来越广泛。