纤维复合材料 Na444 2006年12月 FIBER COMPOSITES Dkc,,2006 树脂基复合材料在雷达结构中的应用 朱迅!,曲艳双2,王荣国3 (1.中国电子科技集团第三十八研究所结构部,230031)(2.哈尔滨玻璃钢研究院,15000160 (3哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,150001) 摘要本文介绍了树脂基复合材料的性能和成型工艺特点及其结构件的设计方法;阐述了树脂基复合材料在 达结构中的应用;分析了目前树脂基复合材料在雷达结构中应用存在的问题,并给出了一些建议 关键词复合材料;雷达结构;复合材料结构设计方法 Application of Resin Matrix Composites in Radar Structure ZHU Xun, QU Yan- shuang WANG Rong-guo (1. The 38th Research Insitute of China Electronics Technology Camp any, Heei 230031) (2. Harbin FRP Instiute. Harbin 150036 (3. Center for Composites of Harbin Inst itute of Technology, Harbin 150001) ABSTRACT The performance, the manufacturing pocess of the res in matri composites and its structure design method is intro- duced in this paper. The applicaion o the resin matrix camposites i radar structure is summarized. The problems of resin matri osites in radar sruct ure applicatin is analysed and some suggestions KEYWORDS Composites; Radar tructure, Stucture design mehod o composites 1前言 抗损伤的能力,研究开发了一系列的具有较好韧性 随着电子信息事业的发展,对电子信息设备结应用。树脂基复合材料的物理性能主要取决基体材 构的要求也越来越苛刻,电子设备都向小型化、轻型料的物理性能,通常可以通过向基体中添加填料来 化和高可靠性的方向发展。由于树脂基复合材料具改变或获得需要的物理性能 有高比强度和比模量、耐腐蚀、耐辐射、疲劳性能好 以及可以整体成型等技术优点,在雷达结构中也受 表1复合材料用典型树脂基体 到越来越广泛的应用 名称 主要成分 固化温度(℃) 648酚醛环氧、B3、已二胺 2性能、成型工艺、结构设计 QY8911 双马来酰亚胺 1M0~20 2.1树脂基复合材料的性能 双酚A环氧、DDE 树脂基复合材料具有比强度高、比模量高、抗疲 HDL 环氧DDs 60~170 劳性能好等优异的力学性能。且其成型工艺灵活、 BP907 改性环氧、Diy lM~180 结构和材料本身的性能具有很强的可设计性。树脂 改性双马来酰亚胺 80~20 基复合材料结构可以通过选择不同种类的纤维和不 同的排布方式,一次成型将潜在的性能集中到必要 树脂基复合材料的力学性能主要取决于增强材 的方向上,使其有效的发挥作用2 料的性能。其刚度、强度主要由基体和增强材料的 树脂基复合材料的性能主要取决于增强材料纤特性、增强材料的取向和所占的体积分数所决定 维和基体树脂的性能使用不同的树脂基体将赋予基体与增强材料粘接的界面是基体向增强材料 复合材料不同的性能,目前性能较好、研究最多的是传递应力的枢纽,界面粘接的好坏也直接影响复合 环氧树脂体系(见表1)。环氧树脂体系具有较好的材料的整体力学性能。作为结构件应用的复合材料 力学性能和优异的工艺性能,其工作温度一般在大多数采用连续纤维增强材料,其力学性能优异。 1以下2为提高树脂基复合材料的断裂韧性和连续纤维主要有玻璃纤维Kkar纤维、碳纤维等有
树脂基复合材料在雷达结构中的应用 朱 迅 1 , 曲艳双 2 , 王荣国 3 ( 1. 中国电子科技集团第三十八研究所结构部, 230031) ( 2. 哈尔滨玻璃钢研究院, 1500036) ( 3 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所, 150001) 摘 要 本文介绍了树脂基复合材料的性能和成型工艺特点及其结构件的设计方法; 阐述了树脂基复合材料在雷 达结构中的应用; 分析了目前树脂基复合材料在雷达结构中应用存在的问题, 并给出了一些建议。 关键词 复合材料; 雷达结构; 复合材料结构设计方法 Application of Resin Matrix Composites in Radar Structure ZHU Xun 1 , QU Yan- shuang 2 , WANG Rong- guo 3 ( 1. The 38th Research Institute of China Electronics Technology Company, Hefei 230031) ( 2. Harbin FRP Institute, Harbin 150036) ( 3. Center for Composites of Harbin Institute of Technology, Harbin 150001) ABSTRACT The performance, the manufacturing process of the resin matrix composites and its structure design method is introduced in this paper. The application of the resin matrix composites in radar structure is summarized. The problems of resin matrix composites in radar structure application is analysed and some suggestions are given. KEYWORDS Composites; Radar structure; Stucture design method of composites 1 前 言 随着电子信息事业的发展, 对电子信息设备结 构的要求也越来越苛刻, 电子设备都向小型化、轻型 化和高可靠性的方向发展。由于树脂基复合材料具 有高比强度和比模量、耐腐蚀、耐辐射、疲劳性能好 以及可以整体成型等技术优点, 在雷达结构中也受 到越来越广泛的应用 [ 1] 。 2 性能、成型工艺、结构设计 2. 1 树脂基复合材料的性能 树脂基复合材料具有比强度高、比模量高、抗疲 劳性能好等优异的力学性能。且其成型工艺灵活、 结构和材料本身的性能具有很强的可设计性。树脂 基复合材料结构可以通过选择不同种类的纤维和不 同的排布方式, 一次成型将潜在的性能集中到必要 的方向上, 使其有效的发挥作用 [ 2] 。 树脂基复合材料的性能主要取决于增强材料纤 维和基体树脂的性能, 使用不同的树脂基体将赋予 复合材料不同的性能, 目前性能较好、研究最多的是 环氧树脂体系( 见表 1) 。环氧树脂体系具有较好的 力学性能和优异的工艺性能, 其工作温度一般在 150以下 [3] 。为提高树脂基复合材料的断裂韧性和 抗损伤的能力, 研究开发了一系列的具有较好韧性 的树脂基体体系, 使树脂基复合材料得到更广泛的 应用。树脂基复合材料的物理性能主要取决基体材 料的物理性能, 通常可以通过向基体中添加填料来 改变或获得需要的物理性能。 表 1 复合材料用典型树脂基体 名称 主要成分 固化温度( ) 4211 648 酚醛环氧、BF3 、已二胺 150 QY8911 双马来酰亚胺 120~ 200 FWR- 1 双酚 A 环氧、DDS 130 HD01. 03 环氧、DDS 160~ 170 BP907 改性环氧、Dicy 120~ 180 5405 改性双马来酰亚胺 180~ 200 树脂基复合材料的力学性能主要取决于增强材 料的性能。其刚度、强度主要由基体和增强材料的 特性、增强材料的取向和所占的体积分数所决定。 基体与增强材料粘接的界面是基体向增强材料纤维 传递应力的枢纽, 界面粘接的好坏也直接影响复合 材料的整体力学性能。作为结构件应用的复合材料 大多数采用连续纤维增强材料, 其力学性能优异。 连续纤维主要有玻璃纤维、Kelvar 纤维、碳纤维等有 第 4期 纤 维 复 合 材 料 No 4 44 2006年 12月 FIBER COMPOSITES Dec, 2006
朱迅等:树脂基复合材料在雷达结构中的应用 机纤维“,其性能见表2所示。 不希望进行再加工的中小型制件和先进的热塑性复 表2增强材料纤维的性能 合材料结构件。 比重抗张强度抗张模量断裂伸长率单丝直径 热压罐成型工艺适合制备各种大尺寸、形状和 υ—_结构复杂的复合材料构件,如整体厚壁板、加筋壁 E玻璃纤维255 8L.3 板、双曲度加筋壁板、骨架和蒙皮的壳体结构等 3.31 82.6 拉挤成型工艺可以连续生产,效率高,制品长度 不受限制。用于制备断面复杂,厚度可变但宽度不 普通碳纤维1.6-1.73.65 变,或断面形状可变但断面面积不变的制品及各种 高强度碳纤维1.780B 复合材料型材,产品具有较明显的方向性。 高模量碳纤维1.8 复合材料的成型工艺对复合材料的性能有很大 的影响,当结构的刚度和强度要求较高的时候采用 Kevlar-49 高温高压的固化方式,高温高压固化成型的复合材 Klar-1491.44 料具有较好的刚度和强度。 2.3树脂基复合材料的结构设计 复合材料的力学性能主要由基体和增强材料纤 复合材料的最大优点在于它材料本身的可设计 维复合表现出来的一种协同效应,可以通过组分材 性。复合材料的结构设计分为两方面,即结构外形 料的性能和树脂基复合材料本身的细观结构导出复的设计和材料本身的设计。复合材料结构外形的设 合材料的强度,模量等力学性能。树脂基复合材料计与其它材料结构外形设计没有太大差别都是建 与其它金属材料相比具有比模量、比强度高等特点,立在一定的力学计算分析的基础之上。材料的设计 如表3所示,因此近来被广泛的应用。 主要是对复合材料基体、增强材料的选择、增强材料 表3典型树脂基复合材料与金属材料的性能比较 的含量以及其铺层方向等的设计。复合材料的材料 材料名称 密度拉伸强度拉钟根量比强度比模量性能设计有2种主要设计方法。 (temm) (GPa) 2.3.1传统的配方型经验设计方法 碳纤绅环氧树脂16093 此法主要是进行大量的实验,测定和积累必要 芳纶纤细环氧树脂1.451.385809540 的实验数据,掌握复合材料在静载、动载、重复载荷、 玻璃纤细环氧树脂 1.31 持续载荷和冲击载荷的性能,在不同使用环境下的 01327 各种重要性能作为设计的依据。 铝合金 2.3.2复合原理指导下的定性设计方法 4.50.93 复合材料是一种具有多相细观结构的材料,具 有可设计性,可以根据材料的使用要求进行工艺和 2.2树脂基复合材料成型工艺 力学设计,渐进的从制备材料的经验设计过渡到定 复合材料成型工艺最大的特点就是一次成型 量的理论设计,通过各种复合机理的实现可以获得 成型以后不需要再加工。复合材料成型工艺比较高刚度、高强度和高韧度的先进材料。利用计算机 多常用的有缠绕成型工艺、RTM成型工艺、模压成辅助对复合材料做定量化设计,在复合材料结构设 型工艺、拉挤和热压罐等成型工艺,分别适合不同的计中,可以通过控制界面条件、纤维的排列方式纤 复合材料结构制备,具有各自的特点 维的含量等来实现改变复合材料的强度和其他有关 缠绕成型工艺主要适合各种复合材料管道、旋的力学性能,满足指定功能要求。计算机辅助材料 转体形状复合材料构件,如火箭发动机壳体、各种压设计的细观结构设计方法就是描述复合材料的细观 力瓶、火箭发射筒等。 结构对宏观响应的影响之间的定量关系。利用有限 RIM成型工艺适合于制造各种精度要求高、内元计算细观力学来对复合材料的细观结构进行模拟 外表面光滑的结构件,此工艺不需要二次加工。如设计。将材料的细观结构参数(如组份材料和界面 高性能的机头雷达罩、各种形状复杂的复合材料结的刚度、强度、韧度等物理参数增强相的分布、形 构件。 状尺寸、取向、长径比等几何参数)作为设计变量, 模压成型工艺机械化程度高,生产效率高,制件将复合材料的宏观性能作为设计目标,从而建立起 重现性好适用于制造尽丈精确素面光清无毛边ub細观结构和宏观性能之间的关系nup/www.cnkinet
机纤维 [ 4] , 其性能见表 2 所示。 表 2 增强材料纤维的性能 名称 比重 ( gcm 3 ) 抗张强度 ( GPa) 抗张模量 ( GPa) 断裂伸长率 ( % ) 单丝直径 (m) E 玻璃纤维 2. 55 3. 44 81. 3 4. 8 3~ 20 C 玻璃纤维 2. 56 3. 31 82. 6 4. 8 3~ 20 S 玻璃纤维 2. 50 4. 58 86. 8 5. 7 3~ 20 普通碳纤维 1. 76~ 1. 79 3. 65 228 1. 4 7 高强度碳纤维 1. 78 5. 03 290 1. 7 5. 1 高模量碳纤维 1. 8 2. 48 340 0. 7 8 Kevlar- 29 1. 49 3. 6 83 4 12 Kevlar- 49 1. 44 3. 6 124 2. 8 12 Kevlar- 149 1. 44 3. 4 186 2. 0 12 复合材料的力学性能主要由基体和增强材料纤 维复合表现出来的一种协同效应, 可以通过组分材 料的性能和树脂基复合材料本身的细观结构导出复 合材料的强度、模量等力学性能。树脂基复合材料 与其它金属材料相比具有比模量、比强度高等特点, 如表 3 所示, 因此近来被广泛的应用。 表 3 典型树脂基复合材料与金属材料的性能比较 材料名称 密度 ( gcm3 ) 拉伸强度 (GPa) 拉伸模量 (GPa) 比强度 比模量 硼纤维环氧树脂 2. 1 1. 49 224 0. 71 106 碳纤维环氧树脂 1. 6 0. 93 213 0. 58 133 芳纶纤维环氧树脂 1. 45 1. 38 58 0. 95 40 玻璃纤维环氧树脂 1. 9 1. 31 41 0. 69 22 钢 7. 8 0. 99 207 0. 13 27 铝合金 2. 7 0. 46 72 0. 17 26 钛合金 4. 5 0. 93 110 0. 21 24 2. 2 树脂基复合材料成型工艺 复合材料成型工艺最大的特点就是一次成型, 成型以后不需要再加工。复合材料成型工艺比较 多, 常用的有缠绕成型工艺、RTM 成型工艺、模压成 型工艺、拉挤和热压罐等成型工艺, 分别适合不同的 复合材料结构制备, 具有各自的特点。 缠绕成型工艺主要适合各种复合材料管道、旋 转体形状复合材料构件, 如火箭发动机壳体、各种压 力瓶、火箭发射筒等。 RTM 成型工艺适合于制造各种精度要求高、内 外表面光滑的结构件, 此工艺不需要二次加工。如 高性能的机头雷达罩、各种形状复杂的复合材料结 构件。 模压成型工艺机械化程度高, 生产效率高, 制件 重现性好, 适用于制造尺寸精确, 表面光洁, 无毛边, 不希望进行再加工的中小型制件和先进的热塑性复 合材料结构件。 热压罐成型工艺适合制备各种大尺寸、形状和 结构复杂的复合材料构件, 如整体厚壁板、加筋壁 板、双曲度加筋壁板、骨架和蒙皮的壳体结构等。 拉挤成型工艺可以连续生产, 效率高, 制品长度 不受限制。用于制备断面复杂, 厚度可变但宽度不 变, 或断面形状可变但断面面积不变的制品及各种 复合材料型材, 产品具有较明显的方向性。 复合材料的成型工艺对复合材料的性能有很大 的影响, 当结构的刚度和强度要求较高的时候采用 高温高压的固化方式, 高温高压固化成型的复合材 料具有较好的刚度和强度。 2. 3 树脂基复合材料的结构设计 复合材料的最大优点在于它材料本身的可设计 性。复合材料的结构设计分为两方面, 即结构外形 的设计和材料本身的设计。复合材料结构外形的设 计与其它材料结构外形设计没有太大差别, 都是建 立在一定的力学计算分析的基础之上。材料的设计 主要是对复合材料基体、增强材料的选择、增强材料 的含量以及其铺层方向等的设计。复合材料的材料 性能设计有 2 种主要设计方法。 2. 3. 1 传统的配方型经验设计方法 此法主要是进行大量的实验, 测定和积累必要 的实验数据, 掌握复合材料在静载、动载、重复载荷、 持续载荷和冲击载荷的性能, 在不同使用环境下的 各种重要性能作为设计的依据。 2. 3. 2 复合原理指导下的定性设计方法 复合材料是一种具有多相细观结构的材料, 具 有可设计性, 可以根据材料的使用要求进行工艺和 力学设计, 渐进的从制备材料的经验设计过渡到定 量的理论设计, 通过各种复合机理的实现可以获得 高刚度、高强度和高韧度的先进材料。利用计算机 辅助对复合材料做定量化设计, 在复合材料结构设 计中, 可以通过控制界面条件、纤维的排列方式、纤 维的含量等来实现改变复合材料的强度和其他有关 的力学性能, 满足指定功能要求。计算机辅助材料 设计的细观结构设计方法就是描述复合材料的细观 结构对宏观响应的影响之间的定量关系。利用有限 元计算细观力学来对复合材料的细观结构进行模拟 设计。将材料的细观结构参数( 如组份材料和界面 的刚度、强度、韧度等物理参数, 增强相的分布、形 状、尺寸、取向、长径比等几何参数) 作为设计变量, 将复合材料的宏观性能作为设计目标, 从而建立起 细观结构和宏观性能之间的关系。 4 期 朱 迅等: 树脂基复合材料在雷达结构中的应用 45
纤维复合 2006年 3在雷达电子行业中的应用 4结论 随着科技的发展,雷达的载体也从传统的车载 树脂基复合材料在雷达结构中的广泛应用,促 和地基向机载、球载和星载方向发展,这也同时要求进了雷达结构像小型化、轻型化的发展速度。同时 雷达结构向小型化、轻型化发展。因此具有轻质高在机载和星载雷达上的应用也对复合材料结构设计 强的复合材料在雷达结构中的应用也越来越广泛。和成型工艺技术提出了更苛刻的要求。本文就先进 为了能适应各种环境要求,保证雷达全天候工复合材料在雷达电子行业中的应用发展提出几点建 作,满足防风、砂、雨、雪、雾等要求,需要设置天线罩议 来保护天线3。天线罩要求电磁波穿透损耗小,且 (1)雷达电子行业结构尺寸精度要求比较苛刻, 其本身要重量轻、刚性好、耐腐蚀及耐热保温和阻燃这对复合材料成型工艺提出很高的要求,因此开展 等性能好。玻璃钢蜂窝夹层结枃恰好能满足这些要髙精度复合材料结构件制备成型工艺的硏究具有重 求,是理想的天线罩材料。 要的意义; 表4雷达结构中常用复合材料结构 (2)复合材料在雷达电子行业中有时作为功能 结构名称天线天线罩波导 馈源馈源支杆 材料应用,这就要求复合材料具有良好的电讯性能 碳纤维复玻璃钢复碳纤维复碳纤维复 和热稳定性以及高环境适应性,研究符合电讯要求 合材料合材料合料合材料合材料 高热稳定性和高环境适应性的复合材料以满足雷达 成型方式热压成型模压成型模压成型模压成型拉挤成型 结构应用的需要; (3)虚拟技术在复合材料结构设计中的应用,缩 近年来随着星载和球载雷达的发展,复合材料短了复合材料结构研制和开发的周期,降低了复合 在星载和球载雷达中也得到广泛的应用(见图1),材料的设计和制造成本,因此利用虚拟技术和仿真 星载和气球载雷达都要求雷达结构的重量要轻,天技术进行复合材料雷达结构设计具有重要的意 线如果采用传统的金属材料不能满足要求。纤维增 强树脂基复合材料质轻强度高、热膨胀系数很低,是 理想的天线结构材料。碳纤维复合材料天线与传统 参考文献 金属材料天线相比质量可以降低5%,并具有良好 1赫禹,王丽丽.树脂基复合材料的性能及应用[沈阳教育学院 的抗热变形能力6。 学报,2005,6(2):117~119 2陈祥宝,张风翻先进树脂基复合材料的发展[J].材料工程 1996,(6):5~14 3张瑞珠.碗环氧复合材料力学性能的评估[J.宇航材料工艺, 1996.28891 4李超,邱哲明,刘建超.碳布复合材料力学性能研究[.纤维复合 材料,2003,(4):2324 5唐宝富.复合材料在相控阵天线结构中的应用[.电子机械工 程,2002,18(3):35~40 6敖辽辉.高精度碳纤维复合材料抛物面天线制造技术.工程塑 料应用,202,307:16-18 7 Chi Sang- You. Woonbong Hwang Design of Lnad- bearing anterna structures by embeding techmhgy of microstrip antenna in composite sandwich strurture. Composite Structures, 2005. 71: 378- 38 8江万松,王欣碳纤维天线反射体制造[J玻璃钢复合材料, 2004,538~40 9夏文干,杨洁先进复合材料天线反射器精度的国内外情况[J 图1碳纤维复合材料天线 电子机械工程,019(3):53~55 C1994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://v nkinet
3 在雷达电子行业中的应用 随着科技的发展, 雷达的载体也从传统的车载 和地基向机载、球载和星载方向发展, 这也同时要求 雷达结构向小型化、轻型化发展。因此具有轻质高 强的复合材料在雷达结构中的应用也越来越广泛。 为了能适应各种环境要求, 保证雷达全天候工 作, 满足防风、砂、雨、雪、雾等要求, 需要设置天线罩 来保护天线 [ 5] 。天线罩要求电磁波穿透损耗小, 且 其本身要重量轻、刚性好、耐腐蚀及耐热保温和阻燃 等性能好。玻璃钢蜂窝夹层结构恰好能满足这些要 求, 是理想的天线罩材料。 表 4 雷达结构中常用复合材料结构 结构名称 天线 天线罩 波导 馈源 馈源支杆 材料 碳纤维复 合材料 玻璃钢复 合材料 碳纤维复 合材料 碳纤维复 合材料 玻璃钢复 合材料 成型方式 热压成型 模压成型 模压成型 模压成型 拉挤成型 近年来, 随着星载和球载雷达的发展, 复合材料 在星载和球载雷达中也得到广泛的应用( 见图 1) , 星载和气球载雷达都要求雷达结构的重量要轻, 天 线如果采用传统的金属材料不能满足要求。纤维增 强树脂基复合材料质轻强度高、热膨胀系数很低, 是 理想的天线结构材料。碳纤维复合材料天线与传统 金属材料天线相比质量可以降低 50% , 并具有良好 的抗热变形能力 [ 6~ 9] 。 图 1 碳纤维复合材料天线 4 结 论 树脂基复合材料在雷达结构中的广泛应用, 促 进了雷达结构像小型化、轻型化的发展速度。同时 在机载和星载雷达上的应用也对复合材料结构设计 和成型工艺技术提出了更苛刻的要求。本文就先进 复合材料在雷达电子行业中的应用发展提出几点建 议: ( 1) 雷达电子行业结构尺寸精度要求比较苛刻, 这对复合材料成型工艺提出很高的要求, 因此开展 高精度复合材料结构件制备成型工艺的研究具有重 要的意义; ( 2) 复合材料在雷达电子行业中有时作为功能 材料应用, 这就要求复合材料具有良好的电讯性能 和热稳定性以及高环境适应性, 研究符合电讯要求、 高热稳定性和高环境适应性的复合材料以满足雷达 结构应用的需要; ( 3) 虚拟技术在复合材料结构设计中的应用, 缩 短了复合材料结构研制和开发的周期, 降低了复合 材料的设计和制造成本, 因此利用虚拟技术和仿真 技术进行复合材料雷达结构设计具有重要的意思。 参 考 文 献 1 赫禹, 王丽丽. 树脂基复合材料的性能及应用[ J] . 沈阳教育学院 学报, 2005, 6( 2) : 117~ 119 2 陈祥宝, 张风翻. 先进树脂基复合材料的发展[ J]. 材料工程, 1996, (6) : 5~ 14 3 张瑞珠. 碳环氧复合材料力学性能的评估[ J] . 宇航材料工艺, 1996, 2: 88~ 91 4 李超, 邱哲明, 刘建超. 碳布复合材料力学性能研究[ J] . 纤维复合 材料, 2003, (4) : 23~ 24 5 唐宝富. 复合材料在相控阵天线结构中的应用[ J] . 电子机械工 程, 2002, 18( 3) : 35~ 40 6 敖辽辉. 高精度碳纤维复合材料抛物面天线制造技术[ J] . 工程塑 料应用, 2002, 30( 7) : 16~ 18 7 Chi Sang - You. Woonbong Hwang Design of Load - bearing ant enna structures by embedding t echnology of microstrip antenna in composite sandwich structure. Composite Structures, 2005, 71: 378~ 382 8 江万松, 王欣. 碳纤维天线反射体制造[ J] . 玻璃钢复合材料, 2004, 5: 38~ 40 9 夏文干, 杨洁. 先进复合材料天线反射器精度的国内外情况[ J] . 电子机械工程, 2001, 9( 3) : 53~ 55 46 纤 维 复 合 材 料 2006 年