張學斌， 何利華， 張漠杰

（1.海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室；2.上海無線電設備研究所，上海200090）

0 引言

連接環(huán)是天線罩和艙段的連接件［1］。在導彈飛行時，由于連接環(huán)與空氣的摩擦作用，表面溫度上升較快，要求連接環(huán)在導彈整個使用及飛行過程中經(jīng)受得住作用其上的外載荷及氣動加熱所產(chǎn)生的熱應力，這要求連接環(huán)具有足夠的強度。同時，在導彈整個飛行過程中，不能因連接環(huán)產(chǎn)生變形而導致飛行試驗失效，這要求連接環(huán)具有足夠的剛度。在連接環(huán)與天線罩的連接方式中，一般選擇膠接，在飛行過程中不能因溫度升高而使天線罩脫落、破裂，要求連接環(huán)和天線罩熱膨脹系數(shù)有較好的匹配。除此之外，對連接環(huán)還有如下其他要求：

a）裝卸方便；

b）密封性好；

c）可靠性高；

d）工藝性好；

e）質(zhì)量輕；

f）成本低；

g）材料來源充足。

研制高性能連接環(huán)的首要任務是選擇能夠滿足連接環(huán)使用要求的材料。連接環(huán)材料一般可采用金屬或非金屬的纖維增強塑料，材料的選擇取決于天線罩罩體的材料性能及天線罩在氣動加熱工作環(huán)境下的溫度分布。

由于天線罩需在惡劣的氣動加熱環(huán)境下工作，天線罩內(nèi)外壁之間存在一個較大的溫度梯度，為了使連接環(huán)與天線罩罩體之間產(chǎn)生的熱應力盡可能小，連接環(huán)的材料應盡可能選擇低膨脹系數(shù)材料。

目前國內(nèi)天線罩連接環(huán)大部份采用低膨脹合金鋼4J36、4J32或碳纖維復合材料制造。低膨脹合金鋼4J36、4J32膨脹系數(shù)相對較低，各項物理化學性能也好，但加工難度大、成本高；而碳纖維復合材料正好可以彌補低膨脹合金鋼的不足，采用碳纖維復合材料加工的連接環(huán)膨脹系數(shù)可設計、質(zhì)量輕、制造工藝簡單且成本低。

1 幾種天線罩連接環(huán)材料

1.1 低膨脹合金鋼

目前，為了滿足石英陶瓷天線罩與艙體的連接要求，常用的連接環(huán)材料多為低膨脹合金鋼4J36和4J32。它們的膨脹系數(shù)相對較低，與幾種常用天線罩材料的膨脹系數(shù)匹配較好［2］，如表1所示。且強度和剛度能夠滿足連接環(huán)的使用要求，主要特性如表2所示。

表1 常用天線罩材料的膨脹系數(shù)

表2 低膨脹合金鋼4J36及4J32的主要特性

低膨脹合金鋼4J36 及4J32 作為連接環(huán)材料，盡管具備很多優(yōu)點，但在實際應用中，仍存在以下不足：

a）材料比重大，使得整個連接環(huán)重量較大，如果能減輕重量，將增大導彈的飛行距離；

b）膨脹系數(shù)與溫度有關，表3列出了不同溫度時低膨脹合金鋼4J36及4J32的平均線膨脹系數(shù)；

c）在需要熱防護時，需采用復合結(jié)構(gòu)，兩種材料的界面采用膠接方式復合，其界面的強度、老化性能應作為特殊過程控制和檢測，以保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性；

d）成品價格較高，原材料利用率低：某天線罩連接環(huán)材料采用低膨脹合金鋼4J36，成品價格在15萬元以上，材料利用率不到20%；

e）制造周期長，加工過程難以控制：低膨脹合金鋼連接環(huán)從鍛打備料后，還需經(jīng)過十幾道工序，最終加工成品，制造周期長且加工過程難以控制。

表3 低膨脹合金鋼4J36及4J32的平均線膨脹系數(shù)

1.2 碳纖維復合材料

1.2.1 碳纖維復合材料的特點

碳纖維復合材料（CFRP）具有密度?。?］、比剛度及比模量高、耐疲勞、抗蠕變和線膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異的特點，在航空航天、電子、兵器等軍事領域得到了越來越廣泛的應用，成為目前最先進的結(jié)構(gòu)復合材料之一。

碳纖維和樹脂形成的復合材料的比模量比鋼和鋁合金高5倍，其比強度也高3～4倍，這種“比鋁輕、比鋼強度高”的工業(yè)材料可以代替金屬作為結(jié)構(gòu)材料。碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料，其比強度、比模量等綜合指標在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。在強度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領域，在要求高溫、高化學穩(wěn)定性的場合，碳纖維復合材料都具有優(yōu)勢。

1.2.2 碳纖維復合材料的應用方向

碳纖維屬于脆性材料，只有將它與基體材料牢固地結(jié)合在一起時才能利用其優(yōu)異的力學性能，使之更好地承載負荷。因此，碳纖維主要還是在復合材料中作增強材料。根據(jù)使用目的不同可選用各種基體材料和復合方式來達到所要求的復合效果。碳纖維可用來增強樹脂、金屬及各種無機陶瓷，而目前使用得最多、最廣泛的是樹脂基復合材料，本文中的碳纖維復合材料主要指碳纖維增強樹脂基復合材料。

碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）是由碳纖維和樹脂構(gòu)成的整體［4］，是目前最先進的復合材料之一。它以輕質(zhì)、高強、耐高溫、抗腐蝕、熱力學性能優(yōu)良等特點廣泛用作結(jié)構(gòu)材料及耐高溫抗燒蝕材料，是其他纖維增強復合材料所無法比擬的。

碳纖維增強樹脂復合材料所用的基體樹脂主要為兩大類：一類是熱固性樹脂；另一類是熱塑性樹脂。在復合材料中常用的熱固性樹脂有環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂以及酚醛樹脂等。常用的熱塑性樹脂有聚乙烯、尼龍、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等。

碳纖維增強樹脂基復合材料在航空航天領域有著大量的應用，如航天飛機的艙門、仿生機械臂以及壓力容器等；因碳纖維增強樹脂基復合材料具有輕質(zhì)、高強的優(yōu)點，先進民用飛機在結(jié)構(gòu)中大量地使用了碳纖維增強樹脂基復合材料。主要部位有：整流包皮、副翼、發(fā)動機罩、阻力板、擾流器、起落架艙門、水平和垂直尾翼、方向舵及其他主要及次要承力結(jié)構(gòu)件等；在民用領域，碳纖維增強樹脂基復合材料的應用也不斷擴大，如汽車結(jié)構(gòu)件、風力發(fā)電機葉片、體育器材等。

采用碳纖維復合材料制造導彈天線罩連接環(huán)也是其應用方向之一。采用碳纖維增強樹脂基復合材料代替目前的低膨脹合金鋼4J36，一方面可以改善連接環(huán)的性能，提高其與天線罩間的連接強度，另一方面改善連接環(huán)的整體制造性能；同時，大大降低成品價格和成品重量。由于碳纖維復合材料為一次成型，大大縮短了生產(chǎn)周期。

2 碳纖維復合材料在導彈天線罩連接環(huán)上的應用

隨著碳纖維成本的降低以及復合材料制造技術的發(fā)展，碳纖維復合材料的應用領域越來越廣泛。由于發(fā)達國家對我國實行技術封鎖，查不到碳纖維復合材料在國外導彈天線罩連接環(huán)中應用的相關資料，國內(nèi)導彈天線罩連接環(huán)采用碳纖維復合材料尚屬首例。

鑒于低膨脹合金鋼4J36、4J32等在實際應用中的不足，研究并研制出碳纖維復合材料連接環(huán)，已成功應用于導彈天線罩上，如圖1、圖2所示，和原來的低膨脹合金鋼連接環(huán)比較，具有以下優(yōu)點： a）它可以減輕消極重量，與同尺寸采用低膨脹合金鋼4J36 的連接環(huán)相比，重量下降50%以上；

圖1 碳纖維復合材料連接環(huán)實物樣件

圖2 天線罩和連接接環(huán)總體結(jié)構(gòu)圖

b）增強隔熱、防熱效果，外部防熱層熱性能（Tg）優(yōu)于低膨脹合金鋼4J36；

c）改善膠接性能，按照膠接強度試驗要求進行了膠接強度試驗，并與低膨脹合金鋼4J36進行對比，具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 低膨脹合金鋼4J36和碳纖維復合材料膠接強度比較

從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，碳纖維復合材料的膠接強度稍大于低膨脹合金鋼4J36的膠接強度；

d）可調(diào)節(jié)膨脹系數(shù)，天線罩材料一般選用石英陶瓷，碳纖維復合材料的膨脹系數(shù)可以調(diào)節(jié)到和石英陶瓷材料相匹配；

e）縮短加工周期，降低加工費用，提高整體制造能力。對某天線罩連接環(huán)，采用低膨脹合金鋼4J36的價格在15萬元以上，從制造周期上講，低膨脹合金鋼連接環(huán)從鍛打備料后，還需經(jīng)過十幾道工序，最終加工成品重量不到10kg，材料利用率不到20%，且制造周期長，過程難以控制；而采用碳纖維連接環(huán)后，價格能降低近2／3，重量減少50%以上。碳纖維復合材料由于一次成型，大大降低了生產(chǎn)周期，為天線罩生產(chǎn)提供了有力的保證。

該碳纖維復合材料連接環(huán)采用樹脂傳遞模塑（RTM）成型工藝。RTM 工藝是在一定的溫度、壓力下，將低粘度的液體樹脂注入鋪有增強體的模腔中，浸漬，固化成型，可分為增強材料預成型坯料加工和樹脂注射固化兩個步驟。這兩個步驟可分開進行，具有高度靈活性和組合性。RTM工藝一般采用低壓注射技術（注射壓力不大于0.8 MPa），有利于制備大尺寸、復雜外形、兩面光潔的整體結(jié)構(gòu)。

RTM 成型工藝主要工序如下：

a）玻璃纖維布準備（包括上偶聯(lián)劑、烘干等工序）；

b）配制樹脂、固化劑及促進劑，靜置或抽真空脫泡；

c）RTM 機組、成型模具準備（包括表面清潔、涂覆脫模劑）；

d）玻璃纖維布裁剪，鋪放于陽模之上；

e）合模，并測試模具進出膠口是否通暢；

f）注射樹脂，直到樹脂充分浸潤纖維并充滿模具；

g）固化；

h）脫模；

i）切邊、打磨；

j）檢驗。

圖3為全罩（含碳纖維連接環(huán)）加熱試驗現(xiàn)場照片。

圖3 全罩加熱試驗照片

某天線罩上使用的碳纖維復合材料連接環(huán)隨天線罩一起通過了各種環(huán)境例行試驗，試驗后目測檢測天線罩無機械損傷、涂層脫落、裂紋，與碳纖維連接環(huán)連接部位無松動，滿足技術要求。該碳纖維連接環(huán)隨天線罩進行了全罩加熱高溫試驗、靜熱聯(lián)合試驗，并同時通過了可靠性試驗。

圖4為碳纖維復合材料天線罩隨天線罩一起進行的靜熱聯(lián)合試驗照片。

圖4 靜熱聯(lián)合試驗試驗照片

碳纖維復合材料加工的連接環(huán)與導彈的連接只能采用鑲嵌件的方式，不能直接加工連接螺紋，使用上有一定的局限性。

3 結(jié)束語

碳纖維復合材料具有質(zhì)量輕、強度高、膨脹系數(shù)可調(diào)節(jié)、熱防護性能好等優(yōu)點，是一種性能優(yōu)良的復合材料。采用碳纖維復合材料制造導彈天線罩連接環(huán)可以縮短生產(chǎn)周期，提高綜合制造性能，大大節(jié)約制造成本。隨著碳纖維成本的降低以及復合材料制造技術的發(fā)展，碳纖維復合材料的應用領域?qū)⒃絹碓綇V泛。

［1］ 彭望澤.防空導彈天線罩［M］.北京：宇航出版社，1991.

［2］ 張漠杰.導彈天線罩連接方式的設計［J］.上海航天，1999，（3）：159-160.

［3］ 王雪娟.碳纖維的發(fā)展及其應用［J］.四川理工學院學報，2009，（24）：204-205.

［4］ L.P.Kobets，I.S.Deev.Carbon fibers：Structure and Mechanical Properties［J］.Composites Science and Technology，1997，（57）：1571-1580.