一种自发热除霜高精度碳纤维天线面板的制作方法

本发明涉及天线面板的技术领域，具体涉及一种自发热除霜高精度碳纤维天线面板。

背景技术：

天文研究领域，太赫兹波段是观测早期遥远天体、宇宙中低温物质、星际尘埃和气体分子云等的重要波段，对于理解早期宇宙演化、恒星和星系形成、行星及行星系统形成等问题都具有非常重要的意义。天文观测依赖精密天文仪器和理想观测台址，为了有效地降低大气层在太赫兹波段极高的不透明度对观测造成的影响，太赫兹观测台址一般都选在水汽含量极低的极端环境，如南极Dome A地区，具有极低温、低压和季节性温差大的环境特点。而太赫兹天线系统的主反射面是收集天体暗弱辐射的重要部件，其面形精度将直接影响望远镜的集光效率，因此有极高的精度要求。然而针对太赫兹波段，很难找到理想透波率的天线罩对其进行保护，天线常常直接暴露在恶劣的环境中，因此在极端环境及无人值守的条件下，始终保持太赫兹望远镜主面微米级面形精度是一项极有难度的技术挑战。

除去外界的环境因素，影响面板面形的主要是它的结构和材料。现阶段国内外的天线面板材料一般有铝、电铸镍和碳纤维复合材料等几种。相比前几种材料，在有利太赫兹观测的极端台址环境下，碳纤维增强复合材料是更为合理及先进的一种材料选择。首先它的热变形小、比强度高、比模量大，因此在碳纤维天线主面的方案中，单块面板的尺寸可以较大，面板总数少，有利于现场的快速装调；其次随着树脂基体工艺的日益成熟，使得在碳纤维复合材料在低温下的性能能够保持稳定；最后，高精度模具复制技术的发展使得微米级精度复合材料反射面板的制造成为可能。近年来，越来越多的高精度天线都采用了碳纤维复合材料结构，它不仅在星载天线有广泛应用，部分地面台址的高精度亚毫米波望远镜也已采用，如SMT、IRAM 和南极点的AST/RO，愈来愈有成为主流高精度面板结构的趋势。

目前，碳纤维材料在实际应用于天线面板时大多都采用的是一种将高精度碳纤维层合板作为蒙皮，低密度材料作为芯材的夹层结构，这种结构在南极Dome A地区使用有一个比较大的隐患：太赫兹观测台址气温极低，绝对水汽含量少，但是由于饱和汽压高，相对湿度大，如果出现面板温度低于环境温度的情况，就容易产生结霜现象。天线面板采用复合材料可以很好的解决面板在极端环境下的热变形问题，但无法解决极端环境下的防霜问题。

目前，加热防霜有多种方法，一般形式是在被加热物体上粘贴加热膜，在望远镜的应用领域亦是如此。射电望远镜中比较典型的美国南极点亚毫米波望远镜 SPT，采用能够在极低温环境下工作的聚酰亚胺加热膜黏贴在铝制面板的背面进行加热防霜。但聚酰亚胺材料作为一种工程塑料，具有高表面惰性、与复合材料结合力较差等缺点，直接用于复合材料层间将会引起层间分层，进而引起面板型面精度、力学（刚度及强度）及热学（低温变形）特性产生变化。若将聚酰亚胺加热膜直接贴覆在复合材料背面，由于复合材料厚度方向热导率较差（1w/m·k），且面板中蜂窝芯热导率更差，使得加热效率较低，可靠性较差。光学望远镜中由于其主镜材料（微晶玻璃等）的热传导系数较低，因此多采用镀膜的方法，譬如中国在研制南极小型望远镜时采用了光学镜面的电导膜除霜技术，将导电膜在真空罐中蒸镀到镜面上，通电后进行加热。现该技术已应用到了如CSTAR、AST3 等望远镜中，并获得了初步成功。这类技术主要受镀膜设备的尺寸限制，且费用昂贵，因此并没有被广泛使用。基于复合材料可设计性强的优势，可在复合材料成型过程中在层间植入电加热材料，制备具有自加热功能的望远镜反射面。目前比较成熟的可植入加热材料主要为短切沥青基碳纤维/玻璃纤维夹层复合材料片，其已经广泛应用于建筑供暖方面。由于沥青基短切纤维排列无序，分布较差，造成表面温度均匀性较差，同时，短切沥青基碳纤维/玻璃纤维夹层复合材料加热片的刚度较大，引入层间后无法与复合材料面板形成良好的匹配，不利于高形面精度复合材料面板的制备。此外，制造过程中产生的内应力在高低温交变环境下易引发复合材料发生层间破坏，甚至断裂。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种自发热除霜高精度碳纤维天线面板，在上蒙皮与铝蜂窝夹层之间设置与上蒙皮材料相同的加热层，保证在温度变化的时候，两者热变形一致，减少层间热应力，提高了传热的效率。

为解决以上技术问题，本发明采取的一种技术方案是：

一种自发热除霜高精度碳纤维天线面板，包括以碳纤维复合材料制成的上蒙皮和下蒙皮及设置在上蒙皮与下蒙皮之间的铝蜂窝夹层，上蒙皮与铝蜂窝夹层之间设有用于发热除霜的加热层，加热层主要由碳纤维增强复合材料制成。

优选地，加热层的上下两面覆盖有绝缘层。

进一步优选地，绝缘层的材质为玻璃纤维增强复合材料。

进一步优选地，绝缘层与加热层的材质中使用同种树脂体系。

优选地，加热层中设置碳纤维加热电路。

进一步优选地，加热层由多块加热层单元串联排列组成，每块加热层单元中的碳纤维加热电路分层铺设。

由于以上技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明采用与上蒙皮材料相同的碳纤维材料制造加热层，保证在温度变化的时候，两者热变形一致，减少层间热应力；

2、本发明绝缘层亦采用不导电的纤维增强复合材料，与加热层采用同种树脂体系，增加界面强度；

3、本发明首次采用了将发热源放置在上蒙皮背面的设计思路，提高了传热的效率；

4、对于分块式的天线面板，非对称的几何外形，为了保证加热的均匀性，保持面板的面形，本发明提出了一种排列式的加热层结构，这种结构内部的电路连接采用了分层式的设计，以保证加热电路不发生短路故障。

附图说明

图1为本发明的截面结构示意图；

图2为分块式天线面板中加热层的结构示意图；

图3为本发明加热层电阻对着温度变化的示意图；

其中：1、上蒙皮；2、下蒙皮；3、铝蜂窝夹层；4、加热层；41、加热层单元；5、绝缘层。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如附图1至附图2所示，本发明一种自发热除霜高精度碳纤维天线面板，包括以碳纤维复合材料制成的上蒙皮1和下蒙皮2及设置在上蒙皮1与下蒙皮2之间的铝蜂窝夹层3，上蒙皮1与铝蜂窝夹层3之间设有用于发热除霜的加热层4，加热层4主要由碳纤维增强复合材料制成。

在本实施例中，为了保证加热电路的独立性和稳定性，加热层4的上下两面覆盖有绝缘层5，绝缘层5的材质为玻璃纤维增强复合材料。

为了增加界面强度，绝缘层5与加热层4的材质中使用同种树脂体系。

在本实施例中，加热层中设置碳纤维加热电路，对于分块式的天线面板，非对称的几何外形，为了保证加热的均匀性，保持面板的面形，加热层4由多块加热层单元41串联排列组成，每块加热层单元41中的碳纤维加热电路分层铺设，这样分层式的设计，保证加热电路不会发生短路故障。

对本发明天线面板进行低温测试

利用了温度箱能够模拟低温环境的特点，将面板的原型样件放入箱中并将温度调整至零下80℃，采用直流电源作为功率输出，利用温度传感器测试面板表面的温度分布，通过直流电源电压和电流的比值计算得到加热层的电阻系数。

根据在低温环境箱温度变化过程中直流电源中的电压/电流的比值，得到本发明加热层电阻随着温度的变化特性，如附图3所示，可以看出本发明加热层的电阻参数没有随着温度变化发生明显改变，性能稳定。

对本发明天线面板进行温度测试

采用直流电源作为功率输出，通过VarioCAMhr红外热成像系统测试原型面板的表面温度分布，结果发现本发明天线面板发热效率正常，在40w/m²的加热功率下，将反射面的温度提高到高于环境温度3℃，均匀性极佳，面内温差小于0.5℃。

本发明采用与上蒙皮材料相同的碳纤维材料制造加热层，保证在温度变化的时候，两者热变形一致，减少层间热应力，既能除霜又不易断裂；绝缘层亦采用不导电的纤维增强复合材料，与加热层采用同种树脂体系，增加界面强度。

以上对本发明做了详尽的描述，实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。