碳纤维复合材料卫星天线的研制

碳纤维复合材料卫星天线的研制 王建昌 ,安庆升,叶周军,诸 � 静 (上海复合材料科技有限公司,上海 201206) 摘� 要 � 通过对不同模量碳纤维的选择,研制了碳纤维复合材料卫星天线,经过机械性能、电性能和空间环境等试 验考核, 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明: 这种新型复合材料卫星天线在卫星减重方面与传统铝合金天线相比具有很大的优势。 关键词 � 碳纤维;电压驻波比; 增益;卫星天线 Research and Production of Carbon Fiber Satellite Antenna WANG Jian- chang, AN Qing- sheng, YE Zhou- jun, ZHU Jing ( Shanghai Composite Material Company, Shanghai 201206) ABSTRACT � Carbon fiber satellite antenna is researched and produced by choosing different modulus carbon fiber, and passes the test of mechanical, electronic property and space environment. It shows this new kind of composite antenna has the advantage of weight reducing over traditional aluminum alloy antenna. KEYWORDS� Carbon fiber; VSWR; Gain; Satellite antenna 1 � 前 � 言 碳纤维复合材料具有质量轻、模量高、热膨胀系 数低等特点,近年来在天线、微波器件方面得到了广 泛的应用。碳纤维做为导电性材料在一定的频率范 围内, 其自身能够完成天线的电磁波反射和接受功 能。但在较高频段则由于反射损耗的增大而大大降 低了电磁波反射; 另外, 碳纤维本身虽具有导电性, 但与树脂基体结合后, 碳纤维复合材料会成为不良 导体, 所以用碳纤维复合材料制成的卫星天线通常 需要进行表面金属化处理。尤其对于高精度、高频 段卫星天线来说, 金属化技术显得尤为重要。 但是,随着碳纤维石墨化程度的提高,碳纤维导 电性能也显著增加,高模量系列碳纤维在导电性能 上基本接近金属的导电性能。所以,用高模量碳纤 维制做复合材料天线是可以满足卫星天线电性能指 标的。 本文概述了用高模量碳纤维研制星载复合材料 天线的工艺方法,并通过对产品的机械性能、电性能 和空间环境等试验,证明用较高模量碳纤维研制卫 星天线性能达到了星载天线的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 。 2 � 碳纤维复合材料天线制备 2. 1 � 碳纤维复合材料天线性能 (1) 复合材料天线的质量比铝合金天线降低 50% ,机械性能大于等于铝合金天线; ( 2)复合材料天线的电性能达到或接近铝合金 天线的技术指标; ( 3)复合材料天线能够承受振动、加速度、冲击、 高低温循环、热真空等环境试验的技术指标。 2. 2 � 碳纤维复合材料天线结构 该天线主要由喇叭体、安装法兰和脊体组成。 为了产品的可靠性,要求喇叭体、安装法兰和脊体一 体化,产品结构如图 1。 图 1 � 某频段喇叭天线 2. 3 � 碳纤维复合材料天线的成型 2. 3. 1 � 原材料选择 增强材料: M40J、M55J、M60J、T700 碳纤维, 均为日本东丽 公司。增强材料的性能列于表 1。 基体树脂: 采用改型的环氧树脂AG- 80,上海复合材料科 技有限公司研制。基体树脂浇注体的性能列于表2。 第 1期 18��� 纤 维 复 合 材 料 No�1 2007年 3月 FIBER COMPOSITES Mar� , 2007 表 1� 主要增强材料 材 � 料 性 � 能 用途 M40J碳纤维 M55J碳纤维 M60J碳纤维 拉伸强度MPa 4400 拉伸模量 GPa 377 拉伸强度MPa 3630 拉伸模量 GPa 540 拉伸强度MPa 3820 拉伸模量 GPa 588 天线表面导电材料 T700碳纤维 拉伸强度MPa 4800拉伸模量 GPa 320 天线增强材料 表 2 � 基体树脂浇注体的性能 材料名称 拉伸强度 MPa 拉伸模量 GPa 弯曲强度 MPa 马丁耐热 � 改性 AG- 80 72 3. 2 120 140 2. 3. 2 � 成型工艺 产品采用模具铺层、热压罐固化的成型方式。 复合材料天线的制备流程如图 2。 图 2� 复合材料天线制备流程 3 � 结果与讨论 3. 1 � 碳纤维复合材料天线的机械性能 碳纤维复合材料天线机械性能高低与选取的增 强材料有关,由表 1可以看出碳纤维M60J的模量较 高,但是强度比较低;碳纤维T700的强度较高,但是 模量较低。所以我们选取 M60J 来制作复合材料天 线内表面导电层,选取T700做为天线的增强层。在 提高天线的可靠性方面,采取喇叭体、安装法兰和脊 体整体铺层连接。铺层方式按[ 0�/ 90�]正交铺设, 成型方式采取热压罐成型。 表 3为铝合金和碳纤维复合材料试片的力学性 能。从表3可看出,用碳纤维/环氧树脂复合材料设 计的天线比铝合金天线质量大幅下降, 减重达 60%。M60J、T700/环氧复合材料的拉伸强度与模量 均比铝合金高许多,经合理的结构 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ,用该材料制 造的天线能满足强度与刚度要求。 表 3� 铝合金与复合材料天线机械性能重量性能对比 天线材料 材料强度(MPa) 材料模量(GPa) 制品刚度 * ( � 106N) 轴向 横向 轴向 横向 轴向 横向 重量( kg) 减重率( % ) 铝合金 420 420 71 71 1. 78 1. 78 1. 47 60 复合材料 746 576 155 125 2. 33 1. 88 0. 59 � � � 注:刚度为制品每厘米宽度的刚度。 3. 2 � 不同模量碳纤维复合材料天线的电性能 卫星天线在电性能方面有两个重要的技术指 标:一是电压驻波比( VSWR) ,天线的�电压驻波比� (VSWR)为反射功率与输入功率之比, 主要是受天线 接线端输入阻抗与传输线特性阻抗的匹配程度影 响,匹配越高,反射波及驻波比相对越细, 反射波会 减少传输到天线的能量, 从而减低天线的有效增益, 理想的比例为 1: 1, 即输入阻抗相等于传输线的特 性阻抗,但很难达到, 所以一般情况下驻波比小于 1. 5就算合格。二是天线增益, 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 处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一 个天线把输入功率集中辐射的程度。这两项技术指 标对于复合材料天线来说,就是要提高天线的电磁 波反射和接受功能。通过测试电压驻波比和增益, 就可以了解到天线内表面的金属化程度的高低。 表4 � 不同内表层材料天线的电压驻波比 天线内表层材料 M40J M55J M60J 材料模量(GPa) 377 540 588 驻波比 1. 47 1. 36 1. 20 � � 用不同模量的碳纤维制作天线的内表层,测定 电压驻波比,然后选择电压驻波比接近 1 的碳纤维 天线与铝合金天线的增益进行对比, 结果见表 4和 1期 王建昌等:碳纤维复合材料卫星天线的研制 19��� 表5。 表 5 � 复合材料天线与铝合金天线增益( dB) 项目 频率( GHz) 频率1 频率2 频率 3 频率 4 频率5 频率 6 铝合金 天 � 线 E 7. 39 9. 04 9. 69 8. 52 9. 89 9. 98 H 7. 75 9. 18 9. 26 7. 90 9. 51 9. 41 复合材料 天线 E 8. 32 8. 91 9. 58 8. 43 9. 86 9. 79 H 9. 28 8. 49 9. 21 7. 88 9. 35 9. 37 � � 注: E( E- plan)为标准天线的水平面; H (H- plan)为标准天线的垂直面。 � � 从表 4中可看出碳纤维模量越高, 所做的复合 材料天线的电压驻波比越接近 1;从表 5可以看出 高模量的碳纤维复合材料天线与铝合金天线相当。 这也说明碳纤维模量越高, 天线内表层的金属化程 度越高。 3. 3 � 空间环境试验 作为卫星天线在卫星发射前一定要进行地面环 境模拟试验,主要由于其严酷的工作环境所决定的。 卫星在发射过程中,在运载火箭的强大推力作用下 会受到剧烈的冲击、振动和气动加速; 进入轨道后, 则要经受严酷的高低温度交变、失重、空间粒子辐照 甚至微流星体撞击。 表 6� 碳纤维复合材料天线空间性能试验 试验类型 试验项目 试验条件 热学试验 热真空 参数 试验条件 试验压力 � 13� 10- 3Pa 试验温度 - 120 � ~ 120 � 循环次数 11. 5 变温速率 �1 � /min 常压热循环 参数 试验条件 试验压力 正常环境压力 试验温度 - 120 � ~ 120 � 循环次数 25. 5 变温速率 4~ 6 � /min 力学试验 冲击响应谱 频率范围(Hz) 试验条件 800~ 600 6 dB/ oct 600~ 5000 1000g 加载方向 三个轴向 冲击次数 6 正弦振动 频率范围(Hz) 试验条件 10~ 50 10mm 50~ 500 18g 扫描率 4oct/ min � � 空间环境试验是航天器研制工作中不可缺少的 重要组成部分,它对暴露产品中隐藏的缺陷,保证和 提高产品的质量与可靠性起了很重要的作用。空间 环境试验包含力学试验(振动、冲击及加速度等)和 热试验(热真空及热循环)。 在电性能合格的复合材料天线中, 我们对其进 行空间环境试验, 试验具体内容如表 6。 在空间环境试验中,复合材料天线无脱落、变形 等现象,空间环境试验后的复合材料天线如图 3。 图 3� 空间环境试验后的复合材料天线 4 � 结 � 论 本文通过选取三种不同模量的碳纤维制作复合 材料卫星天线,并通过对机械性能、电性能和空间环 境试验测试,得出以下结论: � 碳纤维复合材料卫星天线机械性能优于铝合 金卫星天线,并比铝合金卫星天线减重50%以上; � 较高模量的碳纤维复合材料卫星天线满足卫 星天线电性能要求; � 较高模量的碳纤维复合材料卫星天线满足空 间环境试验要求。 参 � 考 � 文 � 献 1� 李志君.先进复合材料在雷达天线上的应用前景. 通讯与测控, 1996( 5) : 1 2� 敖辽辉.高精度碳纤维复合材料天线金属化技术[ J ] .电讯技术, 1999, 39( 2) : 84- 86 3� 夏文干,杨 � 洁.先进复合材料金属化研究的必要性探讨 [ J] . 电 讯工程, 2001, (1) : 17- 26 4 � 宋焕成.聚合物基复合材料.北京:国防工业出版社, 1981 5� 鞠金山,汪方宝.先进复合材料在星载 SAR 系统中的应用.电子 机械工程, 2006, (2) : 53- 55 6 � 王继学. 星载合成孔径雷达天线的现状与发展 [ J ] .上海航天, 2001, 6 20��� 纤 � 维 � 复 � 合� 材 � 料 2007年