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1、------------------------------------------------------------------------------------------------碳纤维复合材料在天线上的应用第38卷第2期电 讯 技 术 .38No.2Vol1998年4月 TELECOMMUNICATION ENGINEERINGApr.1998●学术论文与技术报告3,碳纤维复合材料,应用11蜂窝夹层结构形式一、前 言碳纤维复合材料(CFRP)具有重量轻、模量高、热膨胀系数低等特点。近年来
2、在制造长期工作在高真空、强紫外线、带电粒子辐射、激烈高低温交变的空间环境下的航天器天线方面具有较大的优势,得到了广泛应用。随着原材料价格和制作成本的降低,它也应用于工作在各种恶劣环境条件下的航空、地面、舰载天线。现在随着电子产品向小型化、轻型化、高精度方向发展,碳纤维复合材料正在逐步取代金属材料成为制作天线的主要材料。采用蜂窝夹芯结构,可增加天线结构的刚性和稳定性,所以这是一种被广泛采用的天线结构形式。例如美国制造的“海盗”飞行器的抛—————————————————————————————————————
3、—------------------------------------------------------------------------------------------------物面天线直径为1147m,蒙皮为高模量的石墨纤维??环氧复合材料,蜂窝夹芯材料为铝合金。21薄壳结构形式这种结构形式的刚性和抗变形能力较蜂窝夹层结构差,但天线制作工艺较蜂窝夹层结构简单,多用于制作小口径天线。西德环氧MBB公司曾研制了一种全部采用石墨??材料的薄壳结构天线。31网格结构形式二、天线典型结构形式近年来,
4、国外航天器天线广泛采用碳纤维复合材料,下面重点介绍几种有代表性的结构形式。3本文于1998年2月13日收到。33电子工业部第十研究所美国休斯公司研制了一系列的网格结构的固定天线,已用于“兄弟”,“西联星”、“电星”等诸卫星上。41可展开天线结构形式可展开天线在卫星上用得极为广泛。直径从数米到数十米。它有缠绕肋(柔性肋)、径向肋、环-柱形、花瓣形、构架式数种结构形式。材料主要选择碳纤维复合材料。?41?51其它天线结构形式度、铺层次序、层数等。11材料选择———————————————————————————
5、———————————------------------------------------------------------------------------------------------------线天线常采用振子天线和螺旋天线形式。国外已有用碳纤维复合材料制作的螺旋天线应用在卫星上。我所“八五”期间开展了用碳纤维复合材料制作振子天线的研究,并做出了成品。该振子天线电性能与铜振子天线相当,但重量只有铜振子的1??5,而且还克点。从目前使用先进复合材料制作卫星天线的情况来看,、高强度、。??环
6、氧复。(碳纤维品种很多,性能不一,有高强型,高模型,高强高模型。纤维的选择关系到碳纤维复合材料的热膨胀系数和力学性能,从而最终关系到产品性能。选择纤维的标准如下:①比模量;②比强度;③层厚度;④价格。对天线而言,通常是作为一种功能件使用,而不是结构件。我们关心的是它的曲面精度和抗变形能力,所以天线设计要解决的主要问题,是在满足强度条件下,主要解决刚度问题。所以,纤维的模量是选择纤维的首要依据。、决定天线性能的因素是结构设计和材料性能。材料性能将直接影响天线的热变形、结构刚度、重量和增益。纤维复合材料的最大优
7、点就是材料的可设计性。先进的设计方法,一般是先用特定的计算机程序对结构进行模态分析,找出载荷条件下可能的应力分布,依次进行材料设计,用计算法确定材料的取向角天线材料性能表材——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------ 料石墨纤维??环氧短纤维单 向维??环氧同 性玻璃纤单 向维??环氧同
8、 性铝铍殷钢镁钛密度弹性模量ΘE33(×10kg??m)(×102GPa)1161161161161161141142102102181188101184141142014921711101018801740127015501200171219114701451112破坏强度Ρ??Θ(MPa)816277408147131200100816265343275245220898比强度Ρ??Θ(×103m)51171
