吸波復合材料回轉體構件的纏繞工藝

吳 鍵 李步云 陳 慶 陳 亮 劉秀梅

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

吸波復合材料回轉體構件的纏繞工藝

吳 鍵1李步云1陳 慶2陳 亮1劉秀梅1

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

文 摘 對吸波復合材料構件的纏繞工藝特性及存在的問題進行了分析，綜合現代復合材料纏繞成型工藝，針對含有吸收劑的纏繞層，提出了“雙輥同槽、雙線夾芯復合”的浸膠工藝制備預浸紗帶，以濕法纏繞工藝制備回轉體吸波復合材料構件的工藝方法。工藝特性分析表明，選用相應的纏繞規律和工藝參數能夠滿足不同形態的回轉體構件繞制，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定、質量可靠。

吸波復合材料，纏繞成型，濕法纏繞，浸膠，吸收劑

0 引言

吸波復合材料是一種具有一定承載防護能力，能吸收損耗探測雷達波能量的結構型功能材料，其與普通復合材料的區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。按照復合材料工藝選擇原則而言，不同的形體結構的復合材料構件對應著相應的成型工藝來制作加工，如平板、蓋板、翼面(曲面)、筋板等形式結構，一般采用模壓或擠出成型工藝，如平板類吸波復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、封頭錐體等閉式結構，如導彈的頭部形狀一般設計為弧線形球錐體，中段艙體為圓柱形或方形筒體，為了保證結構強度的整體性，通常采用纏繞成型工藝加工制作[1]。自20世紀中葉美國發明了用連續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展，我國在總結出纖維纏繞規律的基礎上，先后從意大利、美國、日本等引進了自動化程度較高的數控纏繞機，進行了國產化仿制改造，基本滿足了回轉體構件常規功能制造需求[2]。

采用纏繞工藝繞制吸波功能復合材料構件存在的問題主要體現在構件的吸收層的繞制鋪層：一是，紗線在吸波膠液槽浸潤過程中，由于膠液中各種吸收劑的存在，如鐵磁類吸收劑、導電纖維類吸收劑等，或因鐵質材料密度大，在膠液中分散均勻后會再次出現沉積，或因纖維在膠液中分散均勻后會再次出現團聚現象，如果不對現有纏繞成型工藝做出相應改進，簡單地照搬現有的纏繞浸膠工藝，會導致纏繞紗線的電性能參數不穩定；二是，單一的纏繞規律難以滿足閉式形體的吸波材料繞形，纏繞層難以達到吸收劑均勻分布的設計要求，從而影響制件的整體吸波性能。目前國內相關領域研究單位開展的吸波復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，未能充分利用數控繞纏機的多參數控制功能。隨著武器裝備隱身化需求的日益增大，將吸波復合材料的生產工藝產業化是現代復合材料的發展方向。本文將復合材料的纏繞成型工藝用于回轉體吸波復合材料構件的生產制造，將吸收劑定量、均勻地分布于各纏繞層中，實現吸波復合材料所需要的電磁匹配的材料特性。

1 纏繞結構層布局及材料選擇

通常，樹脂基吸波復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，本文所討論的回轉體吸波復合材料構件，纏繞結構層相應設計如圖1所示[3]。各層材料的選擇主要依據電磁匹配的原則來篩選確定，從工藝簡化、實用而言，膠液樹脂體系可統一選用環氧樹脂體系，剩下需要考慮的主要是增強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。依據電磁匹配的原則，表層材料應該具備盡可能低的介電常數，對入射電磁波產生盡可能小的反射，使雷達波傳輸進入中間吸收層，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，同時也是力學結構的主要承載層，對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來實現。一般設計為2～3組不同配比量匹配層組成，每一匹配層都有相應的厚度和吸收劑損耗介質面密度兩個重要的吸波性能控制參數；纏繞纖維主要考慮強度和工藝性。

1.3 反射層材料

反射層對電磁波起全反射作用，保證電磁波不穿透回轉殼體而進入構件內腔，造成構件內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電性能來決定，一般選用導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

吸波復合材料的纏繞成型浸料工藝因上述所介紹的功能層結構不同、材料工藝特性不同，需分別采用相應的浸料方法[4]。由于表層與反射層沒有摻混吸收劑，出于經濟性和生產效率的考慮，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，回轉件底、表兩層氣密性好，樹脂豐潤，有利于構件表面質量的修飾。

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定性，除了按膠液設計配方配制浸膠液，針對目前普遍使用的吸收劑，包括導電碳纖維、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，還需對膠槽增設專門的實時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理念，設計了雙輥雙線同槽復合浸膠裝置(圖2)，制備專門的預浸紗帶。

其工藝流程為：兩條紗帶從放線筒1放出后，經張緊導向輥分別至浸膠輥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壓輥4復合一體，成為夾芯結構，經導向輥5送至加熱器6烘干，纏繞到收線筒7。

可以認為，中間吸收層的浸料是回轉體吸波構件的前置工序，該浸膠槽是獨立配制的，如果吸收纏繞層是由2～3組不同吸收劑配比量結構層組成，可分別設置2～3個相應配比的吸波膠液槽，并具備實時攪拌分散、溫度控制功能。

2.2 繞制工藝

2.2.1 反射層的繞制

對于已設計了含有內襯的回轉體產品，可用鋁合金、不銹鋼等金屬材料制作內襯，或對塑料件內襯表面實施金屬化處理(表面鍍膜)，作為回轉體構件的反射層；而對于沒有內襯結構產品，為了保證回轉體構件復合材料的吸波性能和對雷達波的屏蔽效能，首先要在芯模繞制反射層?？蛇x用導電性能良好的大絲束碳纖維(如T300，12K或24K)作為纏繞紗束，根據纏繞紗束的寬度尺寸、芯軸半徑和行進速度確定纏繞角；按所選用環氧樹脂體系設計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，以濕法纏繞成型工藝繞制反射層。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上，開始吸收損耗層的繞制。開啟纏繞機，按吸收層的結構順序開始繞制。吸收層繞制選用常用的E-玻璃纖維作為纏繞紗片，根據纏繞紗片的寬度、芯軸半徑和纏繞規律確定纏繞角；以濕法纏繞工藝繞制吸收層。

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，選用與回轉體相適應的纏繞規律，以濕法纏繞成型工藝繞制，達到所需層數和厚度。吸波復合材料濕法纏繞工藝流程見圖3。

3 纏繞工藝對制件吸波性能的影響因素

對于平板吸波復合材料來說，吸波性能能否達到設計要求，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量是否達到設計值[5]。由平板材料轉換到回轉形體，曲面材料同樣需要滿足類似的參數要求，這主要體現在回轉體構件吸收層的繞制過程中。

3.1 纏繞規律的影響

纏繞規律一定要適應吸波材料的層匹配結構特性，不同的纏繞線型會賦予制品不同特性的結構強度，也會影響制品的吸波性能。對于直筒形構件，出于工藝簡單，多采用環向纏繞，其繞線相互平行而不交叉的纏繞規律有利于各匹配層的電磁參數符合設計要求；為了增強軸向強度，可通過有規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，可改善制品的軸向強度。而吸波復合材料所應用的部件，大多是帶有封頭的回轉殼體，如飛行器前整流罩、尾艙等，為兼顧構件制品的軸向強度，宜采用縱向纏繞，其預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符合設計要求，但是，此種纏繞規律的缺陷是封頭頂端會有嚴重的架空現象，不僅影響制件的結構質量，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，使纏繞角在一定范圍內變化，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，使端部架空區域縮小，通過后續的堵孔工序完成制品加工，從而減小了制件端頂部位對吸波性能的影響[6]。吸波復合材料纏繞工藝需要針對制件的形體特點，選擇相應的纏繞規律，直筒形回轉體采用環向纏繞，帶封頭的回轉體采用平面(縱向)纏繞，各功能層紗線浸膠繞制相對獨立，纏繞質量互不影響；中間吸收層采用了烘干后的預浸紗帶濕法繞制，材料的電磁參數能夠預先控制，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定，在現有數控纏繞機床編程控制的支持下，具有較好的工藝性。

3.2 吸收層預浸紗線品質規格及浸膠工藝的影響

對吸收層的預浸紗帶寬度尺寸進行設計，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分布狀態。吸收劑在膠液中處于均勻分散狀態的前提下，紗線宜選用5～10 mm寬的紗帶，可減少線與線之間的縫隙數量，保持吸收劑在每一纏繞層的連續分布狀態，但是，過寬的紗帶又不利于纏繞工藝的實施；其次是浸膠工藝對吸收劑在紗線上的沉積量的影響，在預浸紗帶制備過程中，通過反復調整吸收劑在紗帶表面干化后的沉積量(單位長度的質量)，使其滿足吸收層電磁參數的設計要求，進而確定膠液配方、過膠速度等工藝參數，吸收層的纏繞層數是由其厚度要求確定的，其影響主要體現在膠液配制過程中，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浸料的摻混量，所形成的吸收層纏繞層之間相當于沉積了2倍數量的吸收劑含量，纏繞層間吸收劑含量實際上與膠液吸收劑含量、膠輥損耗、過膠速度等因素有關[7]，由于所采用的“雙輥同槽、雙線夾芯復合”浸膠工藝，避免了單束紗帶浸膠的吸收劑雙面沉積效應。筆者研究的吸收層紗帶預浸料制備工藝，能夠滿足多匹配層組的設計要求，對于由3組匹配層組成的吸收層，可以設置3個吸收劑含量配比的浸膠槽，或共用1個膠槽，分別制備不同吸收劑含量配比的預浸紗帶；槽內設有實時攪拌裝置及加熱溫度控制裝置，有效地保證了關鍵材料吸收劑在槽液中的均勻分散狀態，不會出現過程沉積現象；吸收劑在紗帶上的沉積量是通過多次過膠試驗測定的，能夠有效保證紗帶材料電磁參數的準確性；從圖2可以看到，雙線復合的預浸紗帶能夠較好地保護吸收劑在紗帶表面的分布狀態，而少受導輥、壓輥的接觸損耗影響，能夠有效保證紗帶材料電磁參數的穩定性。

4 試驗驗證與結論

針對某整流罩部件，用上述的吸波復合材料纏繞工藝制作了型號研制不同階段2個批次的樣件，每批3件，樣品的外形尺寸、結構強度均達到了指標要求，特別是隱身功能性指標雷達散射截面(RCS)，在8～18 GHz頻段達到了設計預期的減縮幅度，樣品數據曲線之間的變化趨勢及均值差異較小，給出結論如下。

(1)工藝試驗結果表明，由干、濕法組合而成的回轉體吸波復合材料制件纏繞工藝能夠較好實現材料結構層的功能設計要求，達到材料產品吸波性能穩定、可靠的質量要求。

(2)采用不同的纏繞規律能夠較好地實現帶有封頭的回轉體構件的繞制鋪層所要達到的紗線分布均勻性效果，保證了最終繞制的構件所有部位的吸波性能、結構強度一致性。

(3)用合適寬度的紗帶制備關鍵功能層——吸收層的纏繞預浸料，能夠滿足顆粒、粉體、纖維等不同類型吸收劑的吸波復合材料預浸料制備工藝，改善了吸收劑在每一纏繞層的連續分布狀態，使材料的電磁參數能夠預先得到控制，為最終制件達到吸波復合材料的設計要求奠定了基礎，實現了階段工序質量可控、繞制件的吸波性能質量可靠性高的目標。

[1] 白天，陰中煒，等. 航天用氣瓶、貯箱分類及制造技術[J]. 宇航材料工藝，2015，45(5)：14-18.

[2] 劉雄亞. 我國復合材料發展現狀與前景[C]. 第九屆全國復合材料學術年會論文集，1996.

[3] 趙宏杰，宮元勛，等. 結構吸波材料多層阻抗漸變設計及應用[J]. 宇航材料工藝，2015，45(4)：19-22.

[4] 沃丁柱. 復合材料大全[M]. 北京：化學工業出版社,2000.

[5] 周馨我. 功能材料學[M]. 北京：北京理工大學出版社,2002：258.

[6] 劉雄亞，謝懷勤. 復合材料工藝及設備[M]. 武漢:武漢工業大學出版社，1997.

[7] 吳鍵. 吸波復合材料預浸料制備工藝研究[J]. 纖維復合材料，2012(2)：3-6.

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，Filament 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合材料的研究工作。E-mail:wujian12340108@sina.com

TQ327.1

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.01.011