吳 鍵 李步云 陳 慶 陳 亮 劉秀梅

(1 中國兵器工業(yè)第五九研究所，重慶 400039) (2 空軍駐西南地區(qū)軍事代表室，重慶 400021)

吸波復(fù)合材料回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的纏繞工藝

吳 鍵1李步云1陳 慶2陳 亮1劉秀梅1

(1 中國兵器工業(yè)第五九研究所，重慶 400039) (2 空軍駐西南地區(qū)軍事代表室，重慶 400021)

文 摘 對(duì)吸波復(fù)合材料構(gòu)件的纏繞工藝特性及存在的問題進(jìn)行了分析，綜合現(xiàn)代復(fù)合材料纏繞成型工藝，針對(duì)含有吸收劑的纏繞層，提出了“雙輥同槽、雙線夾芯復(fù)合”的浸膠工藝制備預(yù)浸紗帶，以濕法纏繞工藝制備回轉(zhuǎn)體吸波復(fù)合材料構(gòu)件的工藝方法。工藝特性分析表明，選用相應(yīng)的纏繞規(guī)律和工藝參數(shù)能夠滿足不同形態(tài)的回轉(zhuǎn)體構(gòu)件繞制，使吸收劑在各纏繞層中均勻分布、含量可控，保證了制件的吸波性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠。

吸波復(fù)合材料，纏繞成型，濕法纏繞，浸膠，吸收劑

0 引言

吸波復(fù)合材料是一種具有一定承載防護(hù)能力，能吸收損耗探測(cè)雷達(dá)波能量的結(jié)構(gòu)型功能材料，其與普通復(fù)合材料的區(qū)別在于材料層中摻有一定比例的電磁損耗衰減材料----吸收劑。按照復(fù)合材料工藝選擇原則而言，不同的形體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料構(gòu)件對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的成型工藝來制作加工，如平板、蓋板、翼面(曲面)、筋板等形式結(jié)構(gòu)，一般采用模壓或擠出成型工藝，如平板類吸波復(fù)合材料制備方法大多采用的是模壓成型工藝。但是，還有許多筒體、箱體、封頭錐體等閉式結(jié)構(gòu)，如導(dǎo)彈的頭部形狀一般設(shè)計(jì)為弧線形球錐體，中段艙體為圓柱形或方形筒體，為了保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的整體性，通常采用纏繞成型工藝加工制作[1]。自20世紀(jì)中葉美國發(fā)明了用連續(xù)纖維成型壓力容器方法以來，纏繞成型工藝得到了不斷的完善和發(fā)展，我國在總結(jié)出纖維纏繞規(guī)律的基礎(chǔ)上，先后從意大利、美國、日本等引進(jìn)了自動(dòng)化程度較高的數(shù)控纏繞機(jī)，進(jìn)行了國產(chǎn)化仿制改造，基本滿足了回轉(zhuǎn)體構(gòu)件常規(guī)功能制造需求[2]。

采用纏繞工藝?yán)@制吸波功能復(fù)合材料構(gòu)件存在的問題主要體現(xiàn)在構(gòu)件的吸收層的繞制鋪層：一是，紗線在吸波膠液槽浸潤(rùn)過程中，由于膠液中各種吸收劑的存在，如鐵磁類吸收劑、導(dǎo)電纖維類吸收劑等，或因鐵質(zhì)材料密度大，在膠液中分散均勻后會(huì)再次出現(xiàn)沉積，或因纖維在膠液中分散均勻后會(huì)再次出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，如果不對(duì)現(xiàn)有纏繞成型工藝做出相應(yīng)改進(jìn)，簡(jiǎn)單地照搬現(xiàn)有的纏繞浸膠工藝，會(huì)導(dǎo)致纏繞紗線的電性能參數(shù)不穩(wěn)定；二是，單一的纏繞規(guī)律難以滿足閉式形體的吸波材料繞形，纏繞層難以達(dá)到吸收劑均勻分布的設(shè)計(jì)要求，從而影響制件的整體吸波性能。目前國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域研究單位開展的吸波復(fù)合材料纏繞部件均處于少量試制，工程化的制作工藝研究不足，未能充分利用數(shù)控繞纏機(jī)的多參數(shù)控制功能。隨著武器裝備隱身化需求的日益增大，將吸波復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝產(chǎn)業(yè)化是現(xiàn)代復(fù)合材料的發(fā)展方向。本文將復(fù)合材料的纏繞成型工藝用于回轉(zhuǎn)體吸波復(fù)合材料構(gòu)件的生產(chǎn)制造，將吸收劑定量、均勻地分布于各纏繞層中，實(shí)現(xiàn)吸波復(fù)合材料所需要的電磁匹配的材料特性。

1 纏繞結(jié)構(gòu)層布局及材料選擇

通常，樹脂基吸波復(fù)合材料主要由三部分功能層組成，分別是：阻抗匹配表層、中間吸收損耗層和不透波的全反射層，本文所討論的回轉(zhuǎn)體吸波復(fù)合材料構(gòu)件，纏繞結(jié)構(gòu)層相應(yīng)設(shè)計(jì)如圖1所示[3]。各層材料的選擇主要依據(jù)電磁匹配的原則來篩選確定，從工藝簡(jiǎn)化、實(shí)用而言，膠液樹脂體系可統(tǒng)一選用環(huán)氧樹脂體系，剩下需要考慮的主要是增強(qiáng)纖維和吸收劑在各功能層的選擇要求。

1.1 表層材料

表層一般不添加吸收材料，材料的電性能主要取決于纏繞纖維。依據(jù)電磁匹配的原則，表層材料應(yīng)該具備盡可能低的介電常數(shù)，對(duì)入射電磁波產(chǎn)生盡可能小的反射，使雷達(dá)波傳輸進(jìn)入中間吸收層，最大限度滿足波阻抗的匹配條件，因此表層纏繞纖維一般選用的是低介電常數(shù)的D-玻璃纖維、芳綸纖維等。

1.2 中間吸收層材料

中間層是能量損耗層或吸收層，同時(shí)也是力學(xué)結(jié)構(gòu)的主要承載層，對(duì)透過表層的電磁波起損耗、衰減作用，該功能主要由吸收劑的摻混量及分布狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。一般設(shè)計(jì)為2～3組不同配比量匹配層組成，每一匹配層都有相應(yīng)的厚度和吸收劑損耗介質(zhì)面密度兩個(gè)重要的吸波性能控制參數(shù)；纏繞纖維主要考慮強(qiáng)度和工藝性。

1.3 反射層材料

反射層對(duì)電磁波起全反射作用，保證電磁波不穿透回轉(zhuǎn)殼體而進(jìn)入構(gòu)件內(nèi)腔，造成構(gòu)件內(nèi)部特征的暴露而削弱或喪失隱身功能，該層材料主要由纖維層的厚度和導(dǎo)電性能來決定，一般選用導(dǎo)電性能良好的碳纖維。

2 纏繞成型工藝

2.1 浸料工藝

2.1.1 表層與反射層的浸料工藝

吸波復(fù)合材料的纏繞成型浸料工藝因上述所介紹的功能層結(jié)構(gòu)不同、材料工藝特性不同，需分別采用相應(yīng)的浸料方法[4]。由于表層與反射層沒有摻混吸收劑，出于經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)效率的考慮，宜選用濕法纏繞浸膠工藝，在張力控制下，直接將芳綸纖維、碳纖維浸膠后纏繞到芯模上。如此可省去加熱烘烤裝置，提高纏繞速度，回轉(zhuǎn)件底、表兩層氣密性好，樹脂豐潤(rùn)，有利于構(gòu)件表面質(zhì)量的修飾。

2.1.2 中間吸收層的浸料工藝

該材料層是電磁波吸收損耗的主要功能層，吸收劑是通過在浸膠液中的均勻分散，在纖維絲束浸膠過程中而沉積、附著在纖維絲束表面。為了保持吸收劑在纖維絲束表面沉積量的穩(wěn)定性，除了按膠液設(shè)計(jì)配方配制浸膠液，針對(duì)目前普遍使用的吸收劑，包括導(dǎo)電碳纖維、鐵纖維等短切纖維及粉體顆粒材料如羰基鐵粉、碳粉等，特別是鐵粉類吸收劑，密度較大，還需對(duì)膠槽增設(shè)專門的實(shí)時(shí)攪拌裝置和溫度控制裝置，以解決吸收劑在膠槽中的沉降問題；為了嚴(yán)格控制吸收劑在浸膠紗帶上的沉積量，借鑒了干法纏繞工藝中紗線浸膠烘干纏繞的工藝?yán)砟?，設(shè)計(jì)了雙輥雙線同槽復(fù)合浸膠裝置(圖2)，制備專門的預(yù)浸紗帶。

其工藝流程為：兩條紗帶從放線筒1放出后，經(jīng)張緊導(dǎo)向輥分別至浸膠輥2，在壓輥3的作用下，膠液被涂到紗帶的下表面，兩條紗帶涂膠的表面經(jīng)壓輥4復(fù)合一體，成為夾芯結(jié)構(gòu)，經(jīng)導(dǎo)向輥5送至加熱器6烘干，纏繞到收線筒7。

可以認(rèn)為，中間吸收層的浸料是回轉(zhuǎn)體吸波構(gòu)件的前置工序，該浸膠槽是獨(dú)立配制的，如果吸收纏繞層是由2～3組不同吸收劑配比量結(jié)構(gòu)層組成，可分別設(shè)置2～3個(gè)相應(yīng)配比的吸波膠液槽，并具備實(shí)時(shí)攪拌分散、溫度控制功能。

2.2 繞制工藝

2.2.1 反射層的繞制

對(duì)于已設(shè)計(jì)了含有內(nèi)襯的回轉(zhuǎn)體產(chǎn)品，可用鋁合金、不銹鋼等金屬材料制作內(nèi)襯，或?qū)λ芰霞?nèi)襯表面實(shí)施金屬化處理(表面鍍膜)，作為回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的反射層；而對(duì)于沒有內(nèi)襯結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，為了保證回轉(zhuǎn)體構(gòu)件復(fù)合材料的吸波性能和對(duì)雷達(dá)波的屏蔽效能，首先要在芯模繞制反射層?？蛇x用導(dǎo)電性能良好的大絲束碳纖維(如T300，12K或24K)作為纏繞紗束，根據(jù)纏繞紗束的寬度尺寸、芯軸半徑和行進(jìn)速度確定纏繞角；按所選用環(huán)氧樹脂體系設(shè)計(jì)膠液配方并確定碳纖維絲束的浸膠量，按照反射層的厚度要求和纖維的絲束大小確定纏繞層數(shù)，以濕法纏繞成型工藝?yán)@制反射層。繞制完成后，可待其固化(烘烤或自然干燥均可)作為繞制吸收損耗層的芯軸。

2.2.2 吸收損耗層的繞制

在完成了反射層纏繞的基礎(chǔ)上，開始吸收損耗層的繞制。開啟纏繞機(jī)，按吸收層的結(jié)構(gòu)順序開始繞制。吸收層繞制選用常用的E-玻璃纖維作為纏繞紗片，根據(jù)纏繞紗片的寬度、芯軸半徑和纏繞規(guī)律確定纏繞角；以濕法纏繞工藝?yán)@制吸收層。

2.2.3 表面阻抗匹配層的繞制

與反射層的繞制方法相同，以繞制完成后的吸收層纏繞層作為芯軸，選用與回轉(zhuǎn)體相適應(yīng)的纏繞規(guī)律，以濕法纏繞成型工藝?yán)@制，達(dá)到所需層數(shù)和厚度。吸波復(fù)合材料濕法纏繞工藝流程見圖3。

3 纏繞工藝對(duì)制件吸波性能的影響因素

對(duì)于平板吸波復(fù)合材料來說，吸波性能能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，主要取決于平板中各匹配層的厚度、吸收劑在匹配層中分布的均勻性以及分布數(shù)量是否達(dá)到設(shè)計(jì)值[5]。由平板材料轉(zhuǎn)換到回轉(zhuǎn)形體，曲面材料同樣需要滿足類似的參數(shù)要求，這主要體現(xiàn)在回轉(zhuǎn)體構(gòu)件吸收層的繞制過程中。

3.1 纏繞規(guī)律的影響

纏繞規(guī)律一定要適應(yīng)吸波材料的層匹配結(jié)構(gòu)特性，不同的纏繞線型會(huì)賦予制品不同特性的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也會(huì)影響制品的吸波性能。對(duì)于直筒形構(gòu)件，出于工藝簡(jiǎn)單，多采用環(huán)向纏繞，其繞線相互平行而不交叉的纏繞規(guī)律有利于各匹配層的電磁參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求；為了增強(qiáng)軸向強(qiáng)度，可通過有規(guī)律的改變纏繞層的纏繞角度，如每纏完若干層后，纏繞角變化3°～5°，如此往復(fù)，可改善制品的軸向強(qiáng)度。而吸波復(fù)合材料所應(yīng)用的部件，大多是帶有封頭的回轉(zhuǎn)殼體，如飛行器前整流罩、尾艙等，為兼顧構(gòu)件制品的軸向強(qiáng)度，宜采用縱向纏繞，其預(yù)浸紗線間也是平行排布的，同樣有利于各匹配層的電磁參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，但是，此種纏繞規(guī)律的缺陷是封頭頂端會(huì)有嚴(yán)重的架空現(xiàn)象，不僅影響制件的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，也影響吸收劑在繞層中的均勻分布及各匹配層的厚度控制，造成制件端頭部吸波效果不理想。解決措施有：一是在纏繞不同層次時(shí)，使纏繞角在一定范圍內(nèi)變化，以分散纖維在端頭部的堆積；二是盡量縮小極孔孔徑，如將孔徑控制在10 mm以內(nèi)，使端部架空區(qū)域縮小，通過后續(xù)的堵孔工序完成制品加工，從而減小了制件端頂部位對(duì)吸波性能的影響[6]。吸波復(fù)合材料纏繞工藝需要針對(duì)制件的形體特點(diǎn)，選擇相應(yīng)的纏繞規(guī)律，直筒形回轉(zhuǎn)體采用環(huán)向纏繞，帶封頭的回轉(zhuǎn)體采用平面(縱向)纏繞，各功能層紗線浸膠繞制相對(duì)獨(dú)立，纏繞質(zhì)量互不影響；中間吸收層采用了烘干后的預(yù)浸紗帶濕法繞制，材料的電磁參數(shù)能夠預(yù)先控制，通過纏繞角的變化控制，能夠解決吸收劑在各纏繞層的均勻分布，保證了制件的吸波性能穩(wěn)定，在現(xiàn)有數(shù)控纏繞機(jī)床編程控制的支持下，具有較好的工藝性。

3.2 吸收層預(yù)浸紗線品質(zhì)規(guī)格及浸膠工藝的影響

對(duì)吸收層的預(yù)浸紗帶寬度尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，使之既滿足纏繞工藝性，又利于改善吸收劑在每一纏繞層的連續(xù)分布狀態(tài)。吸收劑在膠液中處于均勻分散狀態(tài)的前提下，紗線宜選用5～10 mm寬的紗帶，可減少線與線之間的縫隙數(shù)量，保持吸收劑在每一纏繞層的連續(xù)分布狀態(tài)，但是，過寬的紗帶又不利于纏繞工藝的實(shí)施；其次是浸膠工藝對(duì)吸收劑在紗線上的沉積量的影響，在預(yù)浸紗帶制備過程中，通過反復(fù)調(diào)整吸收劑在紗帶表面干化后的沉積量(單位長(zhǎng)度的質(zhì)量)，使其滿足吸收層電磁參數(shù)的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而確定膠液配方、過膠速度等工藝參數(shù)，吸收層的纏繞層數(shù)是由其厚度要求確定的，其影響主要體現(xiàn)在膠液配制過程中，吸收劑的摻混量不同于模壓成型工藝所用的噴涂法浸膠制備預(yù)浸料的摻混量，所形成的吸收層纏繞層之間相當(dāng)于沉積了2倍數(shù)量的吸收劑含量，纏繞層間吸收劑含量實(shí)際上與膠液吸收劑含量、膠輥損耗、過膠速度等因素有關(guān)[7]，由于所采用的“雙輥同槽、雙線夾芯復(fù)合”浸膠工藝，避免了單束紗帶浸膠的吸收劑雙面沉積效應(yīng)。筆者研究的吸收層紗帶預(yù)浸料制備工藝，能夠滿足多匹配層組的設(shè)計(jì)要求，對(duì)于由3組匹配層組成的吸收層，可以設(shè)置3個(gè)吸收劑含量配比的浸膠槽，或共用1個(gè)膠槽，分別制備不同吸收劑含量配比的預(yù)浸紗帶；槽內(nèi)設(shè)有實(shí)時(shí)攪拌裝置及加熱溫度控制裝置，有效地保證了關(guān)鍵材料吸收劑在槽液中的均勻分散狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)過程沉積現(xiàn)象；吸收劑在紗帶上的沉積量是通過多次過膠試驗(yàn)測(cè)定的，能夠有效保證紗帶材料電磁參數(shù)的準(zhǔn)確性；從圖2可以看到，雙線復(fù)合的預(yù)浸紗帶能夠較好地保護(hù)吸收劑在紗帶表面的分布狀態(tài)，而少受導(dǎo)輥、壓輥的接觸損耗影響，能夠有效保證紗帶材料電磁參數(shù)的穩(wěn)定性。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)論

針對(duì)某整流罩部件，用上述的吸波復(fù)合材料纏繞工藝制作了型號(hào)研制不同階段2個(gè)批次的樣件，每批3件，樣品的外形尺寸、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均達(dá)到了指標(biāo)要求，特別是隱身功能性指標(biāo)雷達(dá)散射截面(RCS)，在8～18 GHz頻段達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期的減縮幅度，樣品數(shù)據(jù)曲線之間的變化趨勢(shì)及均值差異較小，給出結(jié)論如下。

(1)工藝試驗(yàn)結(jié)果表明，由干、濕法組合而成的回轉(zhuǎn)體吸波復(fù)合材料制件纏繞工藝能夠較好實(shí)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)層的功能設(shè)計(jì)要求，達(dá)到材料產(chǎn)品吸波性能穩(wěn)定、可靠的質(zhì)量要求。

(2)采用不同的纏繞規(guī)律能夠較好地實(shí)現(xiàn)帶有封頭的回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的繞制鋪層所要達(dá)到的紗線分布均勻性效果，保證了最終繞制的構(gòu)件所有部位的吸波性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一致性。

(3)用合適寬度的紗帶制備關(guān)鍵功能層——吸收層的纏繞預(yù)浸料，能夠滿足顆粒、粉體、纖維等不同類型吸收劑的吸波復(fù)合材料預(yù)浸料制備工藝，改善了吸收劑在每一纏繞層的連續(xù)分布狀態(tài)，使材料的電磁參數(shù)能夠預(yù)先得到控制，為最終制件達(dá)到吸波復(fù)合材料的設(shè)計(jì)要求奠定了基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了階段工序質(zhì)量可控、繞制件的吸波性能質(zhì)量可靠性高的目標(biāo)。

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Filament Winding of Microwave Absorbing Composites Cylinders

WU Jian1LI Buyun1CHEN Qing2CHEN Liang1LIU Xiumei1

(1 No.59 Institute of China Ordnance Industry,Chongqing 400039) (2 The Military Affairs Representative Office Stationed Southwest Region of Airforce, Chongqing 400021)

Based on modern filament winding technology, processing property and puzzles are analyzed for the microwave absorbing composites cylinders. For winding layer including absorbers, a technique is adopted, which prepreg is prepared using double rolls for the same slot and double lines sandwich core, and absorbing composites cylinders are manufactured through wet filament winding. The results show the winding rules and the processing parameters can meet cylinders manufacture. The content of absorbers dispersed in the different prepreg well-proportioned can be controlled，and the microwave absorbing performance is excellent.

Microwave absorbing composites，F(xiàn)ilament winding，Wet winding，Gumming，Absorber

2016-08-30;

2016-10-11

吳鍵,1965年出生，研究員，主要從事隱身功能復(fù)合材料的研究工作。E-mail:wujian12340108@sina.com

TQ327.1

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.01.011