一种火星探测着陆巡视器用一体化天线壳体及其制备方法与流程

本发明涉及一种一体化天线壳体及其制备方法，特别是一种火星探测着陆巡视器用一体化天线壳体及其制备方法。

背景技术：

近来，深空探测领域成为各大国间太空竞赛竞相角逐的主战场，深空探测着陆巡视器趋于高性能化，高集成化，远距离工作高可靠性的特点。目前，以火星探测、土星探测等为代表的更远距离深空探测，对于该类深空探测着陆巡视器的远距离工作高可靠性的要求更加苛刻，尤其是天线信号远距离有效传输显得极为重要。天线壳体作为保护探测着陆巡视器天线系统正常工作的重要部件，既要在深空探测着陆巡视器飞往目标途中，耐受苛刻的空间环境：耐空间辐照、耐高低温循环、耐原子氧、耐空间质损、低放气率、低可凝挥发物等；又要在着陆巡视器抵达目标着陆时承受气动加热造成的高温(≥320℃)以及着陆过程动载荷的冲击。同时，还要满足天线壳体质量轻、内部表面导电，装配连接界面少的要求。

目前，空间飞行器常用的天线保护壳体多为环氧/玻璃钢类、氰酸脂/玻璃钢类和无机陶瓷类材料。轻质高强的环氧/玻璃钢类和氰酸脂/玻璃钢类天线保护壳体使用温度不高于200℃，故受其使用温度制约存在很大的应用局限性。此外，环氧/玻璃钢类和氰酸脂/玻璃钢类复合材料耐空间环境有其各自的不足，特别是耐受空间高低温循环性能较差，其构件尺寸稳定性差。无机陶瓷类天线壳体可以满足耐温要求，但重量大、易脆裂、成型周期长、机加性能差和力学承载低等缺点制约其应用。碳纤维/聚酰亚胺天线壳体具有优异的耐热性和力学性能，比强度高，耐空间环境性能优异，但碳纤维/聚酰亚胺这种深空探测器用多功能一体化天线壳体在国内未见报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种火星探测着陆巡视器用一体化天线壳体及其制备方法，制备的天线壳体具有轻质、耐370℃高温、耐空间环境、结构承载多功能一体化的特性；同时，采用纳米银粒子改性壳体基体和内表面真空溅射镀金属层的耦合技术，既实现了天线壳体电磁屏蔽功能，又省去了传统天线连接电缆占用的安置结构空间，进一步减少了界面连接，提高空间利用率的同时，又简化了壳体的结构形式。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：一种火星探测着陆巡视器用一体化天线壳体，包括：壳体、金属镀层、装配安装孔和放气孔；壳体为方形结构，中部向内凹陷形成若干层台阶结构，壳体内表面镀金属镀层，壳体边缘分布有装配安装孔，台阶结构侧立面上分布有放气孔。

所述金属镀层的材料为酸化处理的致密连续铝镀层、铜镀层、银镀层或金镀层。

所述金属镀层通过化学镀、脉冲喷射工艺涂镀或真空溅射镀的方法镀在壳体上。

一种火星探测着陆巡视器用一体化天线壳体制备方法，包括以下步骤：

步骤一、根据壳体的形状，制造壳体成型模具，并对壳体成型模具进行高温氧化处理和气密检查，使得壳体成型模具的成形面的表面粗糙度保持在3.0～3.3范围内；

所述模具成型模具包括主体阳模、分块阴模和“l型”辅助硅橡胶软模，两个分块阴模关于对接面对称，主体阳模与两个分块阴模配合后形成的内部空间与壳体结构一致；“l型”辅助硅橡胶软模分别位于分块阴模内部台阶面处；

步骤二、制备碳纤维/聚酰亚胺预浸料，碳纤维/聚酰亚胺预浸料为聚酰亚胺树脂胶液浸渍后的碳纤维增强纤维织物；具体制备方法为：对聚酰亚胺树脂胶液采用纳米导电粒子进行改性，且聚酰亚胺树脂与纳米导电粒子的重量比为10:(1.5～3)，将改性后的聚酰亚胺树脂胶液与碳纤维增强纤维织物按照(1.5～2.8):1的质量配比进行浸渍；浸渍完全后，室温晾置8～12h后，覆盖带有导气通道的尼龙网格薄膜；

步骤三、在主体阳模表面上进行碳纤维/聚酰亚胺预浸料铺层，将“l型”辅助硅橡胶软模安装在各分块阴模内，用各分块阴模压紧主体阳模，得到壳体的预制体；

步骤四、清除壳体预制体内多余的聚酰亚胺树脂胶液；

步骤五、对壳体预制体进行固化；

步骤六、依次拆除各分块阴模、“l型”辅助硅橡胶软模和主体阳模，得到壳体毛坯件；

步骤七、采用数控机床对壳体毛坯件的外形尺寸、装配安装孔和放气孔进行加工；

步骤八、在壳体内表面均匀的镀金属镀层，镀金属镀层的厚度为2～3μm，保持在真空无氧状态下不脱落，真空度控制在95～100pa，金属镀层的表面电阻值≤5ω。

所述步骤一中，“l型”辅助硅橡胶软模的材料为羟基封端的硅橡胶与硅氮烷固化剂通过缩合交联反应制备的复合材料，羟基封端的硅橡胶与硅氮烷固化剂的配比为100:3～100:5，制备方法为：首先，将羟基封端的硅橡胶与硅氮烷固化剂在真空环境下连续搅拌10～15min；然后，在烘箱中150℃～200℃下保温2～6h进行硫化完全；最后，取样进行热分解试验测试，热分解试验测试结果满足：热分解起始温度≥400℃。

所述步骤二中，碳纤维增强纤维织物为平纹、斜纹或缎纹，纤维面密度为100～200g/m²，编织时，经向和纬向的碳纤维丝束保持一致；纳米导电粒子为纳米银粒子或纳米四氧化三铁粒子。

所述步骤三中，在主体阳模表面进行壳体预浸料铺层时，采用梯度式铺层的方式整体共铺22层，第1层和第2层铺层使用质量比为2.8:1的碳纤维/聚酰亚胺预浸料进行铺层，第3层和第4层铺层使用质量比为2.4:1的碳纤维/聚酰亚胺预浸料进行铺层，第5层和第6层铺层使用质量比为2:1的碳纤维/聚酰亚胺预浸料进行铺层，第7～22层铺层使用质量比1.8:1的碳纤维/聚酰亚胺预浸料进行铺层，铺层时，保证每层的碳纤维/聚酰亚胺预浸料纤维方向一致，每铺层4层进行真空袋密封预压实1次。

所述步骤四中，清除多余的聚酰亚胺树脂胶液的工艺为：升温速率为15～45℃/h，预压实温度为80～170℃，保温时间为5min～15min，压力为0.2～0.8mpa，含胶量控制在40％～60％，真空表压≤-0.095mpa。

所述步骤五中，固化工艺为：升温速率为30～60℃/h，加压温度为200～260℃，固化温度为320～400℃，保温时间为2～6h，压力为0.8～1.2mpa，真空表压≤-0.095mpa。

所述步骤六中，分块阴模拆模时的温度控制在40～60℃环境下，主体阳模拆模时的温度控制在20～35℃环境下。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明采用阴阳组合模、耐高温硅橡胶软模辅助成型的方式，利用热压罐成型工艺一次整体成型，制备的该壳体具有轻质、耐370℃高温、耐空间环境、结构承载多功能一体化的特性；

(2)本发明采用纳米银粒子改性壳体基体和内表面真空溅射镀金属层的耦合技术，既实现了天线壳体电磁屏蔽功能，又省去了传统天线连接电缆占用的安置结构空间，进一步减少了界面连接，提高空间利用率的同时，又简化了壳体的结构形式；

(3)本发明用采用树脂含量从低到高的预浸料梯度铺层的方式提高壳体内表面光洁度，保证了天线壳体内部表面镀金属层时厚度均匀、致密连续。

附图说明

图1为本发明天线壳体剖视图；

图2为本发明天线壳体俯视图；

图3为本发明的壳体成型模具的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明提供了一种火星探测着陆巡视器用一体化天线壳体制备方法，通过壳体成型模具制造、碳纤维/聚酰亚胺预浸料制备、壳体铺层、亚胺化、固化、脱模、机械加工、壳体内表面镀金属层等步骤实现。本发明采用阴阳组合模、耐高温硅橡胶软模辅助成型的方式，利用热压罐成型工艺一次整体成型，制备的该壳体具有轻质、耐370℃高温、耐空间环境、结构承载多功能一体化的特性；同时，采用纳米银粒子改性壳体基体和内表面真空溅射镀金属层的耦合技术，既实现了天线壳体电磁屏蔽功能，又省去了传统天线连接电缆占用的安置结构空间，进一步减少了界面连接，提高空间利用率的同时，又简化了壳体的结构形式。

如图1所示为天线壳体剖面图，图2所示为天线壳体俯视图。由图可知，一种火星探测着陆巡视器用一体化天线壳体，为多台阶变厚度薄壁半开放式多孔结构，包括：壳体1、金属镀层2、装配安装孔3和放气孔4。其中，壳体1内表面镀金属镀层2，随后在壳体1上进行激光投影定位机械加工装配安装孔3和放气孔4。壳体1的材料为复合材料。

一种火星探测着陆巡视器用一体化天线壳体制备方法，包括以下步骤：

步骤一、壳体成型模具制造；

如图3所示，壳体成型模具采用钢材制造，包括主体阳模7、分块阴模8和“l型”辅助硅橡胶软模9组成，用于壳体1的固化，“l型”辅助硅橡胶软模9位于主体阳模7和分块阴模8台阶形面接触位置，外部分块阴模8紧压在主体阳模7上，各分块阴模8为自由状态，无销钉，螺钉等限位方式固定连接，通过可自由活动的外部分块阴模8和内部“l型”辅助硅橡胶软模9共同实现加压传递载荷；其中，“l型”辅助硅橡胶软模9为羟基封端的硅橡胶与硅氮烷固化剂缩合交联反应制备成块后加工而成，羟基封端的硅橡胶与硅氮烷固化剂的配比为100:3～100:5，两种组分真空环境连续搅拌10～15min，然后在烘箱中150℃～200℃下保温2～6h进行硫化完全，取样进行热分解试验测试，热分解起始温度≥400℃方可使用。“l型”辅助硅橡胶软模9的线膨胀系数按照150～250×10^-6计算，综合考虑温度变化区间(室温～400℃)、产品尺寸和壳体固化后变形量，进行软模的尺寸设计。

主体阳模7和分块阴模8采用45#钢、q235钢或殷瓦钢制造，模具需经过高温氧化处理并通过气密检查，成型模具工作表面粗糙度保持在3.0～3.3，需满足产品表面外观要求。

步骤二、碳纤维/聚酰亚胺预浸料制备；

碳纤维/聚酰亚胺预浸料为聚酰亚胺树脂胶液浸渍后的碳纤维增强纤维织物；碳纤维增强纤维织物可以为平纹、斜纹或缎纹，纤维面密度为100～200g/m²，编织时，经向和纬向的碳纤维丝束保持一致；预浸料的聚酰亚胺树脂胶液采用纳米导电粒子进行改性，纳米导电粒子可以为纳米银粒子或纳米四氧化三铁粒子，且聚酰亚胺树脂与纳米导电粒子的重量比为10:(1.5～3)，再将改性后的聚酰亚胺树脂胶液与碳纤维增强纤维织物进行浸渍，改性后的聚酰亚胺树脂胶液与碳纤维增强纤维织物的质量配比为(1.5～2.8):1；浸渍完全后室温晾置8～12h后覆盖带有导气通道的尼龙网格薄膜。

步骤三、采用碳纤维/聚酰亚胺预浸料在壳体主体阳模上进行铺层，得到壳体1的预制体；

以主体阳模7、分块阴模8、l型”辅助硅橡胶软模9为铺层模具，采用碳纤维/聚酰亚胺预浸料在主体阳模7表面进行壳体1预浸料铺层，采用梯度式铺层的方式整体共铺22层，第1层和第2层铺层使用质量比为2.8:1的碳纤维/聚酰亚胺预浸料进行铺层，第3层和第4层铺层使用质量比为2.4:1的碳纤维/聚酰亚胺预浸料进行铺层，第5层和第6层铺层使用质量比为2:1的碳纤维/聚酰亚胺预浸料进行铺层，剩余铺层使用质量比1.8:1的碳纤维/聚酰亚胺预浸料进行铺层，铺层时保证每层的碳纤维/聚酰亚胺预浸料纤维方向一致，每铺层4层进行真空袋密封预压实1次，得到壳体1预制体。

步骤四、亚胺化；

清除壳体1预制体多余的聚酰亚胺树脂胶液，亚胺化工艺为：升温速率15-45℃/h，预压实温度为80-170℃，保温5min-15min，压力0.2-0.8mpa，含胶量控制在40％-60％，真空表压≤-0.095mpa。

步骤五、对壳体1预制体进行固化；

固化工艺为升温速率30-60℃/h，加压温度为200-260℃，固化温度为320-400℃，保温2-6h，压力0.8-1.2mpa，真空表压≤-0.095mpa。

步骤六、脱模；

依次拆除分块阴模，“l型”辅助硅橡胶软模和主体阳模，得到壳体1毛坯件；分块阴模拆模时的温度控制在40-60℃环境下，主体阳模拆模时的温度控制在20-35℃环境下，使固化得到的壳体1毛坯件的内应力缓慢释放，降低变形风险。

步骤七、机械加工；

采用激光投影系统对壳体1的外形尺寸，装配安装孔3和放气孔4进行定位，依次按照装配安装孔3、放气孔4和外形尺寸的顺序进行数控加工，机械加工选用刀具可以为硬质合金刀具或金刚石刀具，刀具转速控制在1100-2900r/min，走刀速度为70-200mm/min，进刀量为0.2-0.7mm，不得使用任何形式的冷却液。

步骤八、壳体1内表面镀金属镀层2；

在壳体1内表面均匀的镀金属镀层2，其厚度为2～3μm，应保持在真空无氧状态下不脱落，真空度控制在95～100pa，金属镀层2的表面电阻值≤5ω。

通过壳体成型模具制造、碳纤维/聚酰亚胺预浸料制备、壳体铺层、亚胺化、固化、脱模、机械加工、壳体内表面镀金属层等步骤实现。本发明采用阴阳组合模、耐高温硅橡胶软模辅助成型的方式，利用热压罐成型工艺一次整体成型，制备的该壳体具有轻质、耐370℃高温、耐空间环境、结构承载多功能一体化的特性；同时，采用纳米银粒子改性壳体基体和内表面真空溅射镀金属层的耦合技术，既实现了天线壳体电磁屏蔽功能，又省去了传统天线连接电缆占用的安置结构空间，进一步减少了界面连接，提高空间利用率的同时，又简化了壳体的结构形式。

实施例1：

一种火星探测着陆巡视器用一体化天线壳体制备方法，包括如下步骤：

步骤一、壳体成型模具制造；

如图3所示，壳体成型模具采用钢材制造，包括主体阳模7、分块阴模8和“l型”辅助硅橡胶软模9，用于壳体1的固化，“l型”辅助硅橡胶软模9位于主体阳模7和分块阴模8台阶形面接触位置，外部分块阴模8紧压在主体阳模7上，各分块阴模8为自由状态，无销钉，螺钉等限位方式固定连接，通过可自由活动的外部分块阴模8和内部“l型”辅助硅橡胶软模9共同实现加压传递载荷；其中，“l型”辅助硅橡胶软模9为羟基封端的硅橡胶与硅氮烷固化剂缩合交联反应制备成块后加工而成，羟基封端的硅橡胶与硅氮烷固化剂的配比为100:3，两种组分真空环境连续搅拌10min，然后在烘箱中160℃下保温2h进行硫化完全，取样进行热分解试验测试，热分解起始温度≥400℃方可使用。“l型”辅助硅橡胶软模9的线膨胀系数按照200×10^-6计算，综合考虑温度变化区间(室温～400℃)、壳体1尺寸和壳体1固化后变形量，进行软模的尺寸设计。

主体阳模7和分块阴模8采用殷瓦钢制造，壳体成型模具需经过高温氧化处理并通过气密检查，壳体成型模具工作表面粗糙度保持在3.0，需满足产品表面外观要求。

步骤二、碳纤维/聚酰亚胺预浸料制备；

碳纤维/聚酰亚胺预浸料为聚酰亚胺树脂胶液浸渍后的碳纤维增强纤维织物；碳纤维增强纤维织物为缎纹，纤维面密度为200g/m²，编织时，经向和纬向的碳纤维丝束保持一致；预浸料的聚酰亚胺树脂胶液采用纳米导电粒子进行改性，纳米导电粒子为纳米银粒子，且聚酰亚胺树脂与纳米导电粒子的重量比为10:2，再将改性后的聚酰亚胺树脂胶液与碳纤维增强纤维织物进行浸渍，改性后的聚酰亚胺树脂胶液与碳纤维增强纤维织物的质量配比为2.8:1、2.4：1、2:1和1.8:1四种规格；浸渍完全后室温晾置12h后覆盖带有导气通道的尼龙网格薄膜。

步骤三、采用碳纤维/聚酰亚胺预浸料在主体阳模7上进行铺层，得到壳体1的预制体；

以主体阳模7、分块阴模8、l型”辅助硅橡胶软模9为铺层模具，采用碳纤维/聚酰亚胺预浸料在主体阳模7表面进行壳体1预浸料铺层，采用梯度式铺层的方式整体共铺22层，第1层和第2层铺层使用质量比为2.8:1的碳纤维/聚酰亚胺预浸料进行铺层，第3层和第4层铺层使用质量比为2.4:1的碳纤维/聚酰亚胺预浸料进行铺层，第5层和第6层铺层使用质量比为2:1的碳纤维/聚酰亚胺预浸料进行铺层，剩余铺层使用质量比1.8:1的碳纤维/聚酰亚胺预浸料进行铺层，铺层时保证每层的碳纤维/聚酰亚胺预浸料纤维方向一致，每铺层4层进行真空袋密封预压实1次，得到壳体1预制体。

步骤四、亚胺化；

清除壳体1预制体多余的聚酰亚胺树脂胶液，亚胺化工艺为：升温速率为15℃/h，预压实温度为80℃，保温5min，压力0.2mpa，含胶量控制在40％，真空表压≤-0.095mpa。

步骤五、对壳体1预制体进行固化；

固化工艺为升温速率60℃/h，加压温度为200℃，固化温度为400℃，保温6h，压力0.8mpa，真空表压≤-0.095mpa。

步骤六、脱模；

依次拆除分块阴模，“l型”辅助硅橡胶软模和主体阳模，得到壳体1毛坯件；分块阴模拆模时的温度控制在40℃环境下，主体阳模拆模时的温度控制在25℃环境下，使固化得到的壳体1毛坯件的内应力缓慢释放，降低变形风险。

步骤七、机械加工；

采用激光投影系统对壳体1的外形尺寸，装配安装孔3和放气孔4进行定位，依次按照装配安装孔3、放气孔4和外形尺寸的顺序进行数控加工，机械加工选用刀具可以为硬质合金刀具或金刚石刀具，刀具转速控制在1100r/min，走刀速度为70mm/min，进刀量为0.2mm，不得使用任何形式的冷却液。

步骤八、壳体1内表面镀金属镀层2；

在壳体1内表面均匀的镀金属镀层2，其厚度为2.5μm，应保持在真空无氧状态下不脱落，真空度控制在100pa，金属镀层2的表面电阻值≤5ω。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。