先进复合材料(ACM)不仅是结构材料,而且在许多情况下还是功能材料。若用于雷达军事电子装备,有的地方要求透过电磁波,如雷达罩,其透过率越大越好,而且不产生歧变;有的要求反射电磁波,如雷达天线反射面:有的要求吸收电磁波,如具有隐身功能的ACM结构材料等。以芳纶(如Kevlar)、超高相对分子质聚乙烯纤维(如Dyneema)、聚芳酯纤维(如Vectran)增强的树脂基ACM,一般具有较好的电磁波穿透性,若要用作天线反射体就必须使反射面金属化。以碳纤维增强的ACM,由于碳纤维本身导电,其电阻率是在1.3×10^(-5)-1.9×10^(-5)Ω·cm(Cu为0.185×10^(-5)Ω·cm)之间。因此碳纤维复合材料(CFRP)不能透过电磁波,而且有好的反射特性,可根据天线频率要求而进行金属化或不进行金属化。
1986年东芝公司研究报导了CFRP的反射特性,认为在20GHz以下波段的CFRP天线可以不金属化,而高于20GHz时就必须金属化或导电喷涂。未金属化的CFRP天线用于口径5m的12-14GHz波段的广播卫星地面站(BS),金属化的天线用于口径3m的20-30GHz波段的卫星地面站。据我们了解,我国的CFRP天线都进行了金属化,探讨其原因都基于对CFRP性能不了解或性能越高越好这种设计观念。
1、化学沉积金属。再电镀这种方法是先将碳纤维复合材料去油、清洗、化学粗化、清洗、敏化(活化)、沉积金属,再镀至所需厚度,适用于小型零件。化学沉积法使用频数有限,大件若小批量生产不合算,而且·镀层附着力相对较低,金属厚度均匀性差,电子14所360mm天线采用了此法。
2、电化学刷镀。它类似化学沉积金属,可适用于大小零件,比前者节约原材料,同样存在附着力差,厚度均匀性差的问题,而且生产效率低。
3、涂覆导电涂料。它就是将碳纤维复合材料经过去油、清洗、打磨,再喷涂导电涂料。优点是操作方便,附着力稍好,但是厚度难控制。我们曾喷涂过丙稀酸酯铜粉导电涂料,但电磁波反射能力不高。
4、真空溅射铝或银等金属。附着力较好,厚度比较均匀,但设备投资较大,而且军事电子装备雷达天线反射体大小不一,生产量低,经济效益不好。
5、布置适当金属网或金属短纤维在层间。根据波长长短要求可布置适当网格度的铜网、镍网、不锈钢网作电磁波反射用,一般有较好效果。但对双曲面天线反射体要达到高精度比较难,网易翘曲,因此有人提出用金属短纤维混杂入材料中,适当比例可具有较好电磁波反射率,但要达到理想,天线质量增加较多。
6、直接喷涂金属。直接喷涂钻、锌或锌铝合金,简单易行,成本低,但表面较粗糙,喷涂厚度比较难控制,高精度天线反射体不宜应用。
7、模具上电镀金属转移法。模具上先镀钢,再镀铬,并将其外形调格到设计精度,再用特殊工艺反镀铜至一定厚度。这层镀铜层要求能在铬层上均匀附着,但附着力又不能高,以不产生鼓泡为宜,然后再在其上胶接成型碳纤维复合材料。该法优点:天线精度高低不由金属层决定,而决定于模具和铺层及固化工艺。缺点:重、大模具电镀困难。
8、模具上喷涂金属转移法。该方法是在模具上直接喷涂金属,然后再胶接成型碳纤维复合材料,再将金属转移到碳纤维复合材料上。但目前还做不到,要么喷涂金属在模具上附着不上,很难喷涂以至于不能喷涂,要么喷涂金属与模具结合太,不能将喷涂金属转移到产品上来。所以现在国外都是先在精密模具上喷一层高分子转移膜,再在膜上喷涂金属,成型复合材料产品。高分子转移膜配方要求成型后厚薄均匀,有较好强度。做到既能在模具上有一定的附着力,能在转移膜上喷金属不至于使膜产生鼓泡、翘起、脱落和撕裂等,又要在喷涂的金属上成型复合材料产品后使转移膜与模具容易分离,而且膜能方便地从喷涂金属上去除,这就是研究该高分了转移膜的关键。
阅读延伸:《碳纤维舰船天线鞭的应用优势》