一种薄壁泡沫夹层结构复合材料天线罩制备方法与流程

本发明涉及一种泡沫夹层结构复合材料的成型方法，属纤维增强树脂基复合材料及加工领域。

背景技术：
随着电子通讯和电子对抗技术的发展，雷达，特别是机载雷达对天线罩的减重、透波性能要求越来越高。天线罩壁结构形式(图1)主要有实心半波壁(单壁，如图1(a)所示)、A夹层结构(蒙皮-夹层-蒙皮，如图1(b)所示)、C夹层结构(蒙皮-夹层-蒙皮-夹层-蒙皮，如图1(c)所示)。其中，实心半波壁的特点是在高入射角和两种极化情况下具有较好的电性能，但主要缺点是透波频带窄、重量大；A夹层结构的特点是重量轻，刚性好，在低、中入射角情况下透波性能较好；C夹层结构比A夹层具有更宽的频带并且适应高入射角，但重复性较差和相位性能不佳是其主要缺点。总之，A夹层和C夹层结构引入了轻质夹芯，都具有重量轻、刚性好的特点。夹层结构一般是由薄而强的面板与诸如蜂窝、泡沫、巴沙木等轻质芯材组成的一种“三明治”结构。夹层结构自20世纪40年代出现以来，因其抗弯刚度大，结构重量轻，即夹层结构具有高的比强度和比模量，而且耐疲劳、抗振动性能好，隔音、隔热等性能优异，一直是工程应用中重要的结构材料。夹层结构复合材料天线罩中，由于透波性能的要求，面板一般采用玻璃纤维增强树脂基复合材料，除Nomex蜂窝外，芯材多采用聚氨酯(PU)、聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫。几种泡沫芯材的性能对比见表1。表1相同密度下几种泡沫芯材的力学性能及电性能*f＝26GHz泡沫夹层结构一般可以采用面板和芯材粘接成型，或是在封闭型腔中采用液体灌注胶料发泡粘接预成型面板成型。发泡料粘接复合材料面板中，密封于模腔内的胶料存在均匀发泡的困难，而发泡不均匀将严重影响制品的电性能。面板和固体泡沫芯材的粘接成型较为普遍，一般将泡沫芯材加工到所需形状和尺寸后，与预成型面板粘接贴合。这种制备工艺中存在固(面板)-固(芯材)粘接界面，粘接面的型面吻合度、粘接胶膜、粘接压力等因素对粘接质量影响很大，工艺控制复杂且周期较长。薄壁泡沫夹层结构复合材料天线罩具有轻质、透波的优良特性，是直升机、无人机以及其他飞行器平台首选的雷达等电子设备保护罩。但是，对于薄壁泡沫夹层，特别是非平板的薄壁泡沫夹层，如多为弯曲型面的天线罩用薄壁泡沫夹层，电性能要求对壁厚严格控制，但泡沫本体机械性能(见表1)不强，单面加工基本可行，通体加工则存在不便装夹、加工过程中因薄壁结构刚度不足，易出现泡沫移位、变形、脆裂而导致无法加工的难题，无法得到合格尺寸的薄壁泡沫夹层用于制备夹层结构复合材料天线罩，限制了轻质、透波的夹层结构复合材料天线罩的批量推广应用。如何解决薄壁泡沫夹层结构天线罩制备过程中薄壁泡沫夹芯加工困难或是无法加工的难题，制备薄壁泡沫夹层结构复合材料天线罩是本领域技术人员极为关注的技术问题。

技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是解决薄壁泡沫夹层结构天线罩制备过程中薄壁泡沫夹芯加工困难或是无法加工的难题，提供一种薄壁泡沫夹层结构复合材料天线罩的制备方法，本发明的思路是将天线罩对薄壁泡沫夹层通体加工的要求拆解为内、外两个表面分两次进行加工，第一次加工直接在泡沫块上进行，第二次加工则在增强增刚的泡沫块上进行。具体方法是：①第一次加工：在初始泡沫块上加工出泡沫夹层的单个工作面。此时泡沫块形体宽大，厚度大，刚度高，泡沫块在机加设备上的安装、固定及单面机加都不困难。②泡沫块的增强增刚：根据薄壁泡沫夹层结构复合材料天线罩制备要求，在泡沫块的单个机加面上铺叠增强纤维织物并浸渍树脂(固化后即为夹层结构天线罩产品中的复合材料蒙皮)，套合到成型用刚性模具中，真空袋压，固化成型。由此形成以刚性模具和复合材料蒙皮增强增刚的泡沫块组合体。③第二次机加：在组合体基础上加工泡沫夹层的其他工作面。此时泡沫层是和复合材料层固化在一起的，并且粘合在刚性模具上，结合体刚度大。即使将泡沫块加工到天线罩夹层所需的薄壁结构，已有刚性模具和复合材料蒙皮增强增刚的泡沫块仍可以保证机加的顺利进行，机加完成后即得到天线罩所需的薄壁泡沫夹层。在第二次机加的泡沫夹层上继续采用液相浸渍袋压法制备第二个复合材料层，即可形成A夹层结构(蒙皮-泡沫-蒙皮)天线罩(参考工艺流程图2)：第一步，刚性模具准备根据薄壁泡沫夹层结构复合材料天线罩技术要求和工艺实施要求，准备薄壁泡沫夹层结构复合材料天线罩制备的单面刚性模具。此刚性模具工作面与天线罩产品中的内表面或外表面一致(与内表面一致即为阳模，与外表面一致即为阴模)。需要注意的是：模具基座上要预留泡沫夹层第二次机加时的定位和对刀基准点。对刚性模具进行表面打磨、清洗和涂敷脱模剂处理。第二步，材料和设备准备根据薄壁泡沫夹层结构复合材料天线罩制备要求，分别准备好复合材料面板用增强材料、液态浸渍树脂，以及真空袋压工艺所需的脱模布、吸胶毡、真空袋膜、密封胶条、真空咀、真空系统等材料和设备。所述增强材料包括石英玻璃纤维织物、S玻璃纤维织物、芳纶纤维织物、E玻璃纤维织物、D玻璃纤维织物、聚乙烯纤维织物。所述树脂包括环氧树脂、乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂、氰酸酯树脂。第三步，第一初始泡沫块1准备第一初始泡沫块1的形状及尺寸满足能完全包络成型制品(目标天线罩)中的第一泡沫夹层即可。一般可在泡沫夹层结构包络尺寸外，各向分别扩大50～100mm。所述第一初始泡沫块1的材料包括聚甲基丙烯酰亚胺、聚氨酯、聚酰亚胺。第四步，第一泡沫夹层的第一次机加(单面机加)根据薄壁泡沫夹层结构复合材料天线罩技术要求和工艺实施要求，将第一初始泡沫块1安装并固定在机加设备的工作台上，铣削加工(复杂型面一般采用数控加工)出第一泡沫夹层的内表面或外表面，得到第一单面机加泡沫块2。第五步，第一个复合材料面板I的制备根据薄壁泡沫夹层结构复合材料天线罩技术要求和工艺实施要求，在第一单面机加泡沫块2的加工面上，逐层铺放增强材料并浸渍树脂，制备出薄壁泡沫夹层结构复合材料天线罩目标制品中第一个复合材料面板I。将第一个复合材料面板I套合刚性模具工作面，形成刚性模具-第一个复合材料面板I-第一单面机加泡沫块2三者的组合体。第一个复合材料面板I的制备也可以在刚性模具工作面上进行。根据薄壁泡沫夹层结构复合材料天线罩技术要求和工艺实施要求，在刚性模具工作面上，逐层铺放增强材料并浸渍树脂(固化后即为夹层结构天线罩产品中的复合材料蒙皮)，套合第一单面机加泡沫块2的加工面，同样形成刚性模具-第一个复合材料面板I-第一单面机加泡沫块2三者的组合体。第六步，真空袋膜封装根据真空袋压工艺要求，在刚性模具-第一个复合材料面板I-第一单面机加泡沫块2三者的组合体上，依次铺放脱模布、吸胶毡，安置真空咀，在刚性模具边缘距第一个复合材料面板I约70mm外粘贴密封胶条，并用真空袋膜将刚性模具-第一个复合材料面板I-第一单面机加泡沫块2三者的组合体，以及脱模布、吸胶毡、真空咀等全部密封在真空袋内，得到第一袋膜包覆模腔。第七步，第一次真空袋压固化第一袋膜包覆模腔通过真空咀连接真空系统。第一袋膜包覆模腔抽真空并保持真空压力。根据第一个复合材料面板I的浸渍树脂的固化工艺要求进行真空袋压固化，使密封在真空袋膜内的第一个复合材料面板I与第一单面机加泡沫块2固化粘接成整体。第八步，第一次脱除清理脱除真空袋膜、吸胶毡、脱模布及真空咀，清理模具基座，得到泡沫外露的刚性模具-第一个复合材料面板I-第一单面机加泡沫块2的结合体。特别注意的是：脱模过程中，不要松动刚性模具与第一个复合材料面板I间的粘合。第九步，第一泡沫夹层的第二次机加将刚性模具-第一个复合材料面板I-第一单面机加泡沫块2的结合体的刚性模具基座安装固定在机加设备的工作台上，校对模具基座上的定位和对刀基准，第二次数控铣削加工第一泡沫夹层，制备出第一泡沫夹层所需的其余加工面，得到第一双面机加泡沫块3(即薄壁泡沫夹层结构复合材料天线罩目标制品中的第一泡沫夹层)。第十步，若需要制备A夹层结构天线罩，则转第十一步；若需要制备C夹层结构天线罩，则转第十三步。第十一步，第二个复合材料面板II的制备根据薄壁泡沫夹层结构复合材料天线罩技术要求和工艺实施要求，在第一双面机加泡沫块3的机加表面上，依次铺放增强材料并浸渍树脂，制备出薄壁泡沫夹层结构复合材料天线罩目标制品中第二个复合材料面板II，形成刚性模具-第一个复合材料面板I-第一双面机加泡沫块3-第二个复合材料面板II四者的组合体。第十二步，第二次真空袋压固化与脱除，得到A夹层结构天线罩根据真空袋压工艺要求，用真空袋膜将刚性模具-第一个复合材料面板I-第一双面机加泡沫块3-第二个复合材料面板II四者的组合体，以及脱模布、吸胶毡、真空咀等全部密封在真空袋内，得到第二袋膜包覆模腔。通过真空咀连接真空系统后，第二袋膜包覆模腔抽真空。根据第二个复合材料面板II的浸渍树脂的固化工艺要求进行真空袋压固化，使密封在真空袋膜内的第二个复合材料面板II与第一双面机加泡沫块3固化粘接成整体。脱除真空袋膜、吸胶毡、脱模布及真空咀，继续脱除刚性模具，即得到由第一个复合材料面板I-第一双面机加泡沫块3(第一泡沫夹层)-第二个复合材料面板II组成的A夹层结构天线罩。第十三步，第二泡沫夹层的第一次机加(单面机加)根据薄壁泡沫夹层结构复合材料天线罩技术要求和工艺实施要求，将第二泡沫夹层加工所需的第二初始泡沫块4安装并固定在机加设备的工作台上，铣削加工出第二泡沫夹层的内表面或外表面，得到第二单面机加泡沫块5。第二初始泡沫块4材料包括聚甲基丙烯酰亚胺、聚氨酯、聚酰亚胺。第十四步，第二个复合材料面板II的制备根据薄壁泡沫夹层结构复合材料天线罩技术要求和工艺实施要求，在第一双面机加泡沫块3的机加表面上，逐层铺放增强材料并浸渍树脂，制备出薄壁泡沫夹层结构复合材料天线罩目标制品中第二个复合材料面板II。将第二个复合材料面板II套合第二单面机加泡沫块5的机加面，形成刚性模具-第一个复合材料面板I-第一双面机加泡沫块3-第二个复合材料面板II-第二单面机加泡沫块5五者的组合体。第十五步，第二次真空袋压固化根据真空袋压工艺要求，用真空袋膜将刚性模具-第一个复合材料面板I-第一双面机加泡沫块3-第二个复合材料面板II-第二单面机加泡沫块5五者的组合体，以及脱模布、吸胶毡、真空咀等全部密封在真空袋内，形成第三袋膜包覆模腔。通过真空咀连接真空系统后，第三袋膜包覆模腔抽真空。根据第二个复合材料面板II的浸渍树脂的固化工艺要求进行真空袋压固化，使密封在真空袋膜内的第二个复合材料面板II与第一双面机加泡沫块3、第二单面机加泡沫块5固化粘接成整体。第十六步，第二次脱除清理脱除真空袋膜、吸胶毡、脱模布及真空咀，清理模具基座，得到泡沫外露的刚性模具-第一个复合材料面板I-第一双面机加泡沫块3-第二个复合材料面板II-第二单面机加泡沫块5的结合体。特别注意的是：脱模过程中，不要松动刚性模具与第一个复合材料面板I间的粘合。第十七步，第二泡沫夹层的第二次机加将刚性模具-第一个复合材料面板I-第一双面机加泡沫块3-第二个复合材料面板II-第二单面机加泡沫块5的结合体的刚性模具基座安装固定在机加设备的工作台上，校对模具基座上的定位和对刀基准，第二次数控铣削加工第二泡沫夹层，制备出第二个泡沫夹层所需的其余加工面，得到第二双面机加泡沫块6(第二次机加后的第二泡沫夹层)，形成刚性模具-第一个复合材料面板I-第一双面机加泡沫块3-第二个复合材料面板II-第二双面机加泡沫块6五者的组合体。第十八步，第三个复合材料面板III的制备根据薄壁泡沫夹层结构复合材料天线罩技术要求和工艺实施要求，在第二双面机加泡沫块6的机加表面上，逐层铺放增强材料并浸渍树脂，制备出薄壁泡沫夹层结构复合材料天线罩目标制品中第三个复合材料面板III，形成刚性模具-第一个复合材料面板I-第一双面机加泡沫块3-第二个复合材料面板II-第二双面机加泡沫块6-第三个复合材料面板III六者的组合体。第十九步，第三次真空袋压固化与脱除，得到C夹层结构天线罩根据真空袋压工艺要求，用真空袋膜将刚性模具-第一个复合材料面板I-第一双面机加泡沫块3-第二个复合材料面板II-第二双面机加泡沫块6-第三个复合材料面板III六者的组合体，以及脱模布、吸胶毡、真空咀等全部密封在真空袋内，形成第四袋膜包覆模腔。通过真空咀连接真空系统后，第四袋膜包覆模腔抽真空。根据第三个复合材料面板III的浸渍树脂的固化工艺要求进行真空袋压固化，使密封在真空袋膜内的第三个复合材料面板III与第二双面机加泡沫块6固化粘接成整体。脱除真空袋膜、吸胶毡、脱模布及真空咀后，继续脱除刚性模具，即得到由第一个复合材料面板I-第一双面机加泡沫块3(第一泡沫夹层)-第二个复合材料面板II-第二双面机加泡沫块6(第二泡沫夹层)-第三个复合材料面板III组成的C夹层结构天线罩。采用本发明可以达到以下技术效果：采用本发明第九步中的刚性模具-第一个复合材料面板I-第一单面机加泡沫块2的结合体，以及第十七步中的刚性模具-第一个复合材料面板I-第一双面机加泡沫块3-第二个复合材料面板II-第二单面机加泡沫块5的结合体进行泡沫夹层的第二次机加，得到了目标天线罩制品所需的薄壁泡沫夹层，避免了由初始泡沫块直接通体加工制备薄壁泡沫夹层的困难——该过程中会出现薄壁泡沫件，其刚度不足，无法装夹，且不可避免地会出现泡沫移位、变形甚至断裂的现象。此外，夹层结构天线罩中复合材料面板采用逐层铺放增强材料并浸渍树脂制备，然后采用真空袋压固化成型，程序简单；复合材料面板与泡沫夹层的界面粘接是在复合材料面板尚未固化下的液相粘接(见第五步、第十一步、第十四步、第十八步中各个组合体的形成过程)，型面配合好，粘接牢固，避免了预成型面板(固体)与泡沫夹层(固体)的固-固界面粘接的不足；薄壁泡沫夹层厚度由机械加工控制，复合材料面板厚度由增强织物及基体树脂用量控制，两者厚度皆可控，制品...