一种耐高温天线罩及其制备方法

技术领域

本发明涉及航空航天复合材料技术领域，尤其涉及一种耐高温天线罩及其制备方法。

背景技术

现有的蜂窝夹层结构天线罩由上下面板与芯层蜂窝通过胶膜粘接粘接而成。目前用于天线罩的蜂窝芯层主要为NOMEX纸蜂窝、玻璃布蜂窝，其耐温性低，使用温度在80-180℃，只可作为亚音速飞行器等飞行速度较低、耐温等级不高的天线罩应用，不能满足超声速飞行器天线罩400℃以上温度使用要求，在高温热冲击条件下，蜂窝容易坍塌。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种耐高温的天线罩，以满足超声速飞行器宽频带天线罩高温使用需求；

本发明的第二目的在于提供一种上述天线罩的制备工艺。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种耐高温天线罩，所述耐高温天线罩采用纤维编织而成的中空夹层结构与树脂或树脂体系复合而得；

所述中空夹层结构包括上层纤维面板和下层纤维面板，上层纤维面板与下层纤维面板之间通过纤维相连形成中空芯层；中空芯层的纤维在空间形态上呈现8字形。

优选地，所述上层纤维面板的厚度为0.5-20mm；

所述下层纤维面板的厚度为0.5-20mm；和/或

所述中空芯层的高度为2-10mm。

优选地，芯部单元在X向的间距：2-6mm；

芯部单元在Y向的间距：2-10mm；

芯部单元厚度：0.3-1mm；和/或

芯部纤维旦数：450-1800。

优选地，所述中空夹层结构的地经密度为12-25根/cm，绒经密度为10-20根/cm，纬纱密度为15-25根/cm。

优选地，所述纤维为石英纤维和/或无碱玻璃纤维；和/或

所述树脂或所述树脂体系中的树脂为环氧树脂、改性环氧树脂、聚酰亚胺树脂、氰酸酯树脂、酚醛树脂、聚芳炔树脂、邻苯二甲腈树脂中的任一种或多种。

优选地，所述耐高温天线罩为异型件或非异型件。

优选地，所述耐高温天线罩具有如下一个或多个性质；

密度：0.08-0.40g/cm

高度：2-40mm；

耐温：大于400℃；

透波率：2GHz-18GHz透波率大于70％；

平拉强度：5-10MPa；

平压强度：5-8MPa。

一种本发明提供的耐高温天线罩的制备方法，包括如下步骤：

(1)利用三维纤维编织技术整体编织出中空夹层结构；

(2)将步骤(1)编织而成的中空夹层结构与树脂复合成型，得到所述耐高温天线罩。

优选地，在步骤(2)中，采用RTM成型工艺将中空夹层结构与树脂进行复合成型。

优选地，所述树脂或所述树脂体系中的树脂与所述中空夹层结构的质量比为(0.5-1)：1。

有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明提供的耐高温天线罩的“骨架”(指中空夹层结构)为一体结构，与树脂复合后，耐高温天线罩不存在与上下面板脱粘问题；整体实现一体化，解决了常规夹层复合材料多界面缺陷；可一次复合成型；面板、芯材间界面强度大大提高，不会产生分层；抗冲击性能好；由于芯层的空间相互连通，具有良好的防水性能；较高的抗弯刚度/重量比。

本发明对上下面板厚度、芯层厚度厚度、芯部结构进行了优化，提供了一种耐温超过400℃同时兼顾良好透波性能、力学性能的天线罩。

本发明提供的天线罩密度可调、高度可调、芯部结构设计性强。

由于骨架为整体结构，浸渍耐高温树脂后，天线罩高温下力学性能下降很小，也不存在与上下面板脱粘问题，适应于超声速飞行器宽频带雷达罩构件成型。

附图说明

图1是本发明提供的耐高温天线罩的示意图；

图2是本发明提供的耐高温天线罩的照片。

图中：1：上层纤维面板；2：下层纤维面板；3：中空芯层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

<第一方面>

本发明在第一方面提供了一种耐高温天线罩，所述耐高温天线罩采用纤维编织而成的中空夹层结构与树脂或树脂体系复合而得。

与传统蜂窝夹层不同的是，本发明的中空夹层结构采用纤维整体编织而成，中空夹层结构为一体结构，上下面板与芯层不分层(传统的蜂窝夹层结构中的上下面板与芯层为分层结构，需粘结)。如图1所示，中空夹层结构包括上层纤维面板1和下层纤维面板2，上层纤维面板1与下层纤维面板2之间通过纤维相连形成中空芯层3；中空芯层3的纤维在空间形态上呈现8字形。

本发明提供的耐高温天线罩的“骨架”(指中空夹层结构)为一体结构，与树脂复合后，耐高温天线罩不存在与上下面板脱粘问题；整体实现一体化，解决了常规夹层复合材料多界面缺陷；可一次复合成型；面板、芯材间界面强度大大提高，不会产生分层；抗冲击性能好；由于芯层的空间相互连通，具有良好的防水性能；较高的抗弯刚度/重量比。

在厚度上，上层纤维面板1的厚度优选为0.5-20mm，下层纤维面板2的厚度优选为0.5-20mm。需要说明的是，上层纤维面板1与下层纤维面板2的厚度可以相同，也可以不同。上下层的含义是指：通过热量传导方向进行判断，沿热量传导方向，首先受热的层为上层；或通过与构件的连接方向进行判断，与构件接触的层为下层，远离构件的层为上层。一般来说，面板越厚，制得的天线罩的耐温性能以及力学性能越好。但同时还需要考虑到的是，天线罩这一特定结构的使用场景对于面板厚度的限制以及面板厚度对于天线罩与构件连接的影响。基于此，本发明将上层纤维面板1的厚度控制在0.5-20mm，对于不变厚度的上层纤维面板1，上层纤维面板1的厚度可以为该范围内的任意数值，例如，0.5mm，1mm，2mm，3mm，4mm，5mm，6mm，7mm，8mm，9mm，10mm，11mm，12mm，13mm，14mm，15mm，16mm，17mm，18mm，19mm，20mm。对于变厚度的上层纤维面板1，上层纤维面板1的厚度可以为该范围内的任意子范围。基于同样的原因，本发明将下层纤维面板2的厚度控制在0.5-20mm，对于不变厚度的下层纤维面板2，下层纤维面板2的厚度可以为该范围内的任意数值，例如，0.5mm，1mm，2mm，3mm，4mm，5mm，6mm，7mm，8mm，9mm，10mm，11mm，12mm，13mm，14mm，15mm，16mm，17mm，18mm，19mm，20mm。对于变厚度的下层纤维面板2，下层纤维面板2的厚度可以为该范围内的任意子范围。

在一些优选的实施方式中，中空芯层3的高度为2-10mm。发明人在研究中发现，当中空芯层3高度较低时，天线罩电性能较差；而当中空芯层3高度较高时，天线罩结构强度较差。

本发明对中空芯层3的芯部结构进行了优化，相比较传统蜂窝状的芯部单元，采用8字形的芯部单元。8字形芯部单元可通过现有编织技术而得，从而使本发明可利用现有编织技术整体成型中空夹层结构。

除了对芯部单元的空间形态由传统的蜂窝状转变为8字形，本发明通过深入研究对8字形芯部单元的设计进行了优化，应用优化后的芯部单元的天线罩表现出更加优异的力学性能：

(a)8字形芯部单元的间距芯部单元在X向的间距：2-6mm；

芯部单元在Y向的间距：2-10mm。

(b)8字形芯部单元的厚度

本发明优选为0.3-1mm。

(c)芯部纤维旦数

芯部纤维旦数控制在450-1800，具有易于变形，成型工艺好的优点。

在一些优选的实施方式中，中空夹层结构的地经密度12-25根/cm，例如，12根/cm，13根/cm，14根/cm，15根/cm，16根/cm，17根/cm，18根/cm，19根/cm，20根/cm，21根/cm，22根/cm，23根/cm，24根/cm，25根/cm。在一些优选的实施方式中，绒经密度为10-20根/cm，例如，10根/cm，11根/cm，12根/cm，13根/cm，14根/cm，15根/cm，16根/cm，17根/cm，18根/cm，19根/cm，20根/cm。在一些优选的实施方式中，纬纱密度为15-25根/cm，例如，15根/cm，16根/cm，17根/cm，18根/cm，19根/cm，20根/cm，21根/cm，22根/cm，23根/cm，24根/cm，25根/cm。

理论上，用来编织中空夹层结构的纤维可以为现有任意纤维类型，但从编织性能以及天线罩使用场景要求考虑，本发明优选采用石英纤维和/或无碱玻璃纤维来编织中空夹层结构。

理论上，树脂材料可以选用现有的任一种或多种用来制备天线罩的树脂材料，如环氧树脂、改性环氧树脂、聚酰亚胺树脂、氰酸酯树脂、酚醛树脂、聚芳炔树脂、邻苯二甲腈树脂。

在与中空夹层结构进行复合时，除了树脂外，还可以使用添加剂，如树脂固化剂、稀释剂。在这种情况下，中空夹层结构与树脂体系(包含树脂和一种或多种添加剂)复合而制得耐高温天线罩。此时，树脂体系中的树脂可以选用现有的任一种或多种用来制备天线罩的树脂材料，如环氧树脂、改性环氧树脂、聚酰亚胺树脂、氰酸酯树脂、酚醛树脂、聚芳炔树脂、邻苯二甲腈树脂。固化剂和稀释剂可以根据树脂类型选择现有材料，本发明对此不再详述。

本发明提供的这一耐高温天线罩具有如下一个或多个性质；

密度：0.08-0.40g/cm

高度：2-40mm；

耐温：大于400℃；

透波率：2GHz-18GHz透波率大于70％；

平拉强度：5-10MPa；

平压强度：5-8MPa。

另外，本发明提供的耐高温天线罩的形状多样，也可以为异型件，也可以为非异型件，根据使用场景需求而定。

<第二方面>

本发明在第二方面提供了第一方面所提供的耐高温天线罩的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)利用三维纤维编织技术整体编织出中空夹层结构；

(2)将步骤(1)编织而成的中空夹层结构与树脂复合，得到所述耐高温天线罩。

所述步骤(2)优选采用RTM(树脂传递模塑)成型工艺进行。RTM成型工艺为现有技术，本发明对其工艺步骤不再详述。RTM成型工艺条件(如注胶条件、固化条件等)可根据所用树脂而定。例如，当树脂类型为聚酰亚胺树脂时，注胶可以在温度260-280℃、加压0.6-1兆帕下进行，固化可以在200-380℃下进行，固化时间可以为5-48小时。例如，当树脂类型为聚芳炔树脂时，注胶可以在温度80-100℃、加压0.1-1兆帕下进行，固化可以在80-300℃下进行，固化时间可以为5-48小时。例如，当树脂类型为邻苯二甲腈树脂时，注胶可以在温度150-180℃、加压0.3-0.6兆帕下进行，固化可以在250-380℃下进行，固化时间可以为5-48小时。

需要说明的是，耐高温天线罩的形状依据RTM成型工艺所用的模具而定。因此，可以通过设计不同的模具而获得形状不同的耐高温天线罩，如方形、圆形、曲面形。

除了RTM成型工艺外，还可以采用手糊工艺、直接浸胶法、喷涂法、真空辅助成型(Vacuum Assistant Resin Infusion，VARI)。

发明人在研究中发现，树脂与中空夹层结构的质量比优选为(0.5-1)：1。当树脂用量过低时，天线罩结构强度偏低；而当树脂用量过多时，天线罩电性能偏低。

以下是本发明列举的实施例。

实施例1

实施例1提供了一种中空夹层结构天线罩。所述天线罩采用石英纤维编织而成的中空夹层结构与聚酰亚胺树脂复合而得；中空夹层结构包括上层纤维面板和下层纤维面板，上层纤维面板与下层纤维面板之间通过石英纤维相连形成中空芯层；中空芯层的石英纤维在空间形态上呈现8字形；中空夹层结构地经密度12根/cm，绒经密度10根/cm，纬纱密度15根/cm；面层厚度上下各0.6mm，芯层厚度4.8mm，中空夹层结构总厚度6mm。

制作方法包括如下步骤：

采用三维纤维编织技术整体编织出中空夹层结构。

采用RTM成型工艺将中空夹层结构与树脂复合成型：

将编织得到的中空夹层结构放入预热好的模具中。称取聚酰亚胺树脂，聚酰亚胺树脂的质量相当于中空夹层结构质量的60％。将聚酰亚胺树脂在200℃下加热后倒入容器中，加热搅拌，准备注胶。将模具通过注胶管与反应釜连接，在加热260℃、加压0.6兆帕的条件下将树脂胶液注入模具，待胶液完全注入后，在15小时内固化成型，固化温度为300℃，固化后待模具自然冷却至室温，将制品从模具中脱出，得到中空夹层结构天线罩，照片见图2。

经检测，该结构在2GHz-18GHz最低透波率83％，平拉强度≥3MPa，平压强度≥2MPa，该结构最高使用温度450℃(透波率采用自由空间传输反射法，平拉强度采用GB/T1452-2005，平压轻度GB/T 1452-2005，耐温采用测玻璃化转变温度方法，以下实施例同)。

实施例2

实施例2提供了一种中空夹层结构天线罩。所述天线罩采用石英纤维编织而成的中空夹层结构与聚芳炔树脂复合而得；中空夹层结构包括上层纤维面板和下层纤维面板，上层纤维面板与下层纤维面板之间通过石英纤维相连形成中空芯层；中空芯层的石英纤维在空间形态上呈现8字形；中空夹层结构地经密度20根/cm，绒经密度15根/cm，纬纱密度20根/cm；面层厚度上下各0.8mm，芯层厚度5.0mm，中空夹层结构6.6mm。

制作方法包括如下步骤：

采用三维纤维编织技术整体编织出中空夹层结构。

采用RTM成型工艺将中空夹层结构与树脂复合成型：

将编织得到的中空夹层结构放入预热好的模具中。称取聚芳炔树脂，聚芳炔树脂的质量相当于中空夹层结构质量的80％。将聚酰亚胺树脂在60℃下加热后倒入容器中，加热搅拌，准备注胶。将模具通过注胶管与反应釜连接，在加热90℃、加压0.5兆帕的条件下将树脂胶液注入模具，待胶液完全注入后，在20小时内固化成型，固化温度为150℃，固化后待模具自然冷却至室温，将制品从模具中脱出，得到中空夹层结构天线罩。

经检测，该结构在2GHz-18GHz最低透波率78％，平拉强度≥4MPa，平压强度≥4MPa，该结构最高使用温度480℃。

实施例3

实施例3提供了一种中空夹层结构天线罩。所述天线罩采用石英纤维编织而成的中空夹层结构与邻苯二甲腈树脂复合而得；中空夹层结构包括上层纤维面板和下层纤维面板，上层纤维面板与下层纤维面板之间通过石英纤维相连形成中空芯层；中空芯层的石英纤维在空间形态上呈现8字形；中空夹层结构地经密度25根/cm，绒经密度20根/cm，纬纱密度25根/cm；面层厚度上下各1mm，芯层厚度6mm，中空夹层结构总厚度8mm。

制作方法包括如下步骤：

采用三维纤维编织技术整体编织出中空夹层结构。

采用RTM成型工艺将中空夹层结构与树脂复合成型：

将编织得到的中空夹层结构放入预热好的模具中。称取邻苯二甲腈树脂，邻苯二甲腈树脂的质量等于中空夹层结构质量。将邻苯二甲腈树脂在120℃下加热后倒入容器中，加热搅拌，准备注胶。将模具通过注胶管与反应釜连接，在加热150℃、加压0.3兆帕的条件下将反应釜中的树脂胶液注入模具，待胶液完全注入后，在10小时内固化成型，固化温度为250℃，固化后待模具自然冷却至室温，将制品从模具中脱出，得到中空夹层结构天线罩。

经检测，该结构在2GHz-18GHz最低透波率75％，平拉强度≥6MPa，平压强度≥5MPa，该结构最高使用温度430℃。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。