一种碳纤维微波反射面的耦合监测系统及成型控制方法
阅读说明：本技术 一种碳纤维微波反射面的耦合监测系统及成型控制方法 (Coupling monitoring system of carbon fiber microwave reflecting surface and forming control method ) 是由 刘明昌 李建伟 赵文忠 孙坤 张晨晖 高琦 许培伦 马镛基 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种碳纤维微波反射面的耦合监测系统及成型控制方法,将传感器引线连接于微波反射面上监测点,传感器引线穿过热压罐连接于微波反射面,光纤光栅传感解调仪将光纤光栅传感器信号转化为数字传输至数据采集处理器进行采集处理；通过微波反射面成型过程工艺参数的变化,采集反射面耦合形变数据,分析出保证反射面成型型面精度要求的工艺控制参数。本发明实现了微波反射面的碳纤维结构型面成型的形变监测,优化了型面成型控制参数,使反射面成型的型面精度和质量得到有效保障,实现反射面的型面精度均方根精度达到0.04mm,满足Ku频段以下微波的反射使用,可全程监测,解决了结构不均衡带来的集中应力对反射面型面精度的影响。(The invention provides a coupling monitoring system and a forming control method of a carbon fiber microwave reflecting surface.A sensor lead is connected to a monitoring point on the microwave reflecting surface, the sensor lead passes through an autoclave to be connected to the microwave reflecting surface, and a fiber grating sensing demodulator converts a fiber grating sensor signal into a digital signal and transmits the digital signal to a data acquisition processor for acquisition and processing; through the change of technological parameters in the microwave reflecting surface forming process, reflecting surface coupling deformation data are collected, and technological control parameters which guarantee the precision requirement of the reflecting surface forming molded surface are analyzed. According to the invention, the deformation monitoring of the molding of the carbon fiber structural profile of the microwave reflecting surface is realized, the profile molding control parameters are optimized, the precision and the quality of the molded profile of the reflecting surface are effectively guaranteed, the root mean square precision of the profile precision of the reflecting surface reaches 0.04mm, the reflecting use of microwaves below a Ku frequency band is met, the whole-process monitoring is realized, and the influence of concentrated stress on the profile precision of the reflecting surface caused by unbalanced structure is solved.)
技术领域
本发明涉及微波探测、无线电通信、电子干扰等领域，尤其是一种碳纤维复合材料高型面精度微波反射面研制过程中，通过对成型过程的监测、分析，获得成型高精度型面的控制方法，本发明特别适用于碳纤维平纹织物成型的不可展高精度复杂型面的精度控制，推广可用于轻质、高精度、耐蚀使用环境下的微波反射面的设计及成型制造。
背景技术
随着复合材料的广泛应用，尤其是碳纤维复合材料反射面在微波天线上应用的不断发展，反射面积支撑体的形状越来越复杂，反射面型面精度要求越来越高，再加上碳纤维复合材料微波反射面由于材料密度小、模量高，可实现结构功能一体化设计制造，在现代微波设备轻量化，耐腐蚀的要求下，得到更快的推广应用。但复合材料反射面在成型时，成形过程复杂，应力耦合变形复杂，目前还没有办法实现全程的应力应变监控，故成型过程变化难以掌握，往往型面精度难以控制，成形质量难以保证。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种碳纤维微波反射面的耦合监测系统及成型控制方法。本发明的目的在于解决碳纤维复合材料反射面型面精度成型控制难的问题，提供一种监测方便、数据有效，可得到实施高型面精度控制的方法，适用于碳纤维复合材料反射面热压罐固化成型时型面精度的控制，从而实现碳纤维复合材料微波反射面的制造。通过该种成型监测手段，结合过程形变数据分析，可以很好地优化反射面成型控制参数，保证反射面成型精度和质量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种碳纤维微波反射面，如图2所示，包含金属化反射层和支撑体，为薄壁旋转抛物面结构，金属化反射层为抛物面凹面的内层，一种碳纤维微波反射面为喷涂铝；支撑体由碳纤维内蒙皮、外蒙皮、铝蜂窝、翻边法兰、安装定位支座通过结构载体胶膜(J-95)粘结而成；内蒙皮和外蒙皮位于铝蜂窝的内外表面，内蒙皮和外蒙皮和铝蜂窝形成抛物面凹面，抛物面的外沿为翻边法兰，安装定位支座位于抛物面外表面出，安装定位支座所处位置到抛物面底的高度为抛物面总高度的三分之一；内蒙皮和外蒙皮均由四层碳纤维预浸料铺成，翻边法兰采用发泡胶填充抛物面外沿处的铝蜂窝，安装连接支座为一个中心为钛的金属嵌件，金属嵌件埋入铝蜂窝，并在嵌件和铝蜂窝交接周围采用短纤维增强团状模塑料进行填充，短纤维增强团状模塑料为30毫米长无碱玻璃纤维，且环氧树脂占重量比为80％，玻璃纤维占重量比为20％。
本发明还提供一种碳纤维微波反射面的耦合监测系统，如图1所示，为微波反射面成型时各点应变情况的检测记录装置，包括光纤光栅传感器，光缆穿壁耐压密封装置，光纤光栅传感解调仪和数据采集处理器(电脑)，其中数据采集处理器(电脑)通过光纤光栅传感解调仪连接光缆穿壁耐压密封装置，光缆穿壁耐压密封装置引出传感器引线，并将传感器引线连接于微波反射面上监测点，光纤光栅传感器黏贴于微波反射面的内蒙皮的第一层碳纤维预浸料上，微波反射面置于工装车上，微波反射面、光纤光栅传感器和工装车共同位于热压罐内，传感器引线穿过热压罐连接于微波反射面；光缆穿壁耐压密封装置将光纤光栅传感器的信号通过传感器引线引出热压罐外，光纤光栅传感解调仪将光纤光栅传感器信号转化为数字传输至数据采集处理器(电脑)进行采集处理；通过微波反射面成型过程工艺参数的变化，采集反射面耦合形变数据，分析出保证反射面成型型面精度要求的工艺控制参数。通过热压罐的罐体的热电偶线预留孔，采用光缆穿壁耐压密封装置保护光纤，如图3所示，左边是铠装电缆，伸出罐外，需抗压，图3中，为不锈钢罐内的光纤。光纤光栅传感器从罐内单独引出罐外进行监测，光纤光栅传感器采用耐温聚酰亚胺保护膜封装；微波反射面采用电弧喷涂铝的方法形成等厚度金属粉末堆积层与碳纤维复合材料蒙皮通过结构胶膜粘接复合。
所述的光纤光栅传感器为光纤光栅串，工作温度为-40～200℃，光栅间距为130±1mm，光纤类型为聚酰亚胺，光栅类型为飞秒逐点光栅，栅区长度为5±1mm，反射率≥50％，带宽≤0.4nm，密封抗压：≥1.3Mpa，光纤接头为FC/APC；不影响反射面成型，而且能连续监测，所得数据全面；所述光纤光栅传感器均匀分布于微波反射面的抛物面内侧，分为纵向(母线)六条和环向一条，纵向六条分布如图4所示，纵向六条均位于微波反射面的抛物面内侧的母线上，且以抛物面中心出发两两形成60度夹角，每两个相隔180度的纵向分布光纤光栅传感器形成一个监测通道，环向分布如图5所示，环向一条均布于微波反射面的抛物面内侧的边沿一周。
所述的光纤光栅传感解调仪为工业级无风扇的si155解调仪，具有动静态全光谱分析功能，配4通道160nm带宽，HYPERION平台与ENLIGHT分析软件完美兼容。
所述光缆穿壁耐压密封装置为光纤密封在不锈钢套管内制成，光纤在不锈钢套管两头引出铠装光缆，不锈钢套管内密封抗压大于等于1.3Mpa，工作温度为-40～200℃，不锈钢管的直径为3mm。
所述的内蒙皮和外蒙皮的材料采用平纹织物增强的环氧树脂预浸的片状卷材，材料为四层0.1mm厚的T800碳布，宽度通过拼接，厚度由单片厚度叠加而成。
所述铝蜂窝的芯材为正六边形蜂窝，密度为53kg/m3，耐腐蚀，耐腐蚀是指蜂窝芯材经30天盐雾试验后，芯材外露铝箔表面单位面积的重量损失不大于0.135mg/cm2。
所述结构载体胶膜为尼龙网格布增强的室温下呈片状薄层的卷材，挥发物质量分数小于1％，流动性大于55％。
所述微波反射面的喷涂工艺为采用铝丝电弧喷涂完成，首先在微波反射面成型模胎上先涂成膜脱模剂，后喷涂高分子转移膜，然后在高分子转移膜外电弧喷涂纯铝粉末，形成一层均匀等厚的金属层，金属层厚度大于0.25mm，最后通过结构胶膜与碳纤维蒙皮支撑体粘结成一体。
本发明还提供一种碳纤维微波反射面的耦合监测系统的成型控制方法，微波反射面的型面在热压罐成型控制分四步依次叠加进行，成型控制参数的步骤为：
第一步：成型控制参数是金属化反射层与微波反射面支撑体的碳纤维内蒙皮粘接成型固化参数：升降温速率为1℃，压力为0.4Mpa，130℃保温3小时；
第二步：成型控制参数是微波反射面支撑体的铝蜂窝与内蒙皮粘接固化参数：升降温速率为1℃，压力为0.15MPa，130℃保温2.5小时；
第三步：成型控制参数是微波反射面支撑体的铝蜂窝芯材局部发泡胶填充固化参数：升降温速率为1℃，压力为0.15MPa，130℃保温2.5小时；
第四步：成型控制参数是微波反射面支撑体的碳纤维外蒙皮粘接固化参数：升降温速率为0.5℃，压力为0.2MPa，130℃保温3小时；
光纤光栅传感器在使用前先进行温度校准(见后5(5))，剔除掉温度带来的热膨胀影响；微波反射面的支撑体，一共分四次固化，包括金属化反射面喷涂与支撑体碳纤维内蒙皮粘接固化一次，铝蜂窝与内蒙皮粘接固化一次，铝蜂窝芯材局部发泡胶填充固化一次，碳纤维外蒙皮粘接固化一次，每次固化成型控制参数随着结构的变化而不同。
安装连接支座采用二次胶接室温固化而成；安装连接支座中心的金属嵌件采用J-135胶粘剂浸润玻纤短切毡，通过机械加压方式，室温固化24小时，与支撑体的内蒙皮、铝蜂窝粘接成一体；后在J-135胶粘剂中加入短切玻璃纤维丝配制成团状模塑料，将安装连接支座的金属嵌件周围包裹，室温固化；最后再用外蒙皮所用的碳纤维平纹布和J-133胶铺层加强，真空封装室温固化。
本发明与背景技术相比，有益效果如下：
1.本发明适用于微波反射面制造的型面控制，实现了微波反射面的碳纤维结构型面成型的形变监测，通过监测数据的分析，优化了型面成型控制参数，使反射面成型的型面精度和质量得到有效保障。可实现反射面的型面精度均方根精度达到0.04mm，满足Ku频段以下微波的反射使用。
2.本发明采用光纤光栅传感器监测成型过程，薄壁件也适用，且一次性植入，可全程监测。
3.本发明采用二次胶接四个支座，很好地解决了结构不均衡带来的集中应力对反射面型面精度的影响。
附图说明
图1为热压罐成型固化形变监测示意图。
图2为反射面结构示意图。
图3为穿罐保护套示意图。
图4为传感器母线方向布置示意图。
图5传感器环向布置示意图。
其中，1.数据采集处理器(电脑)，2-光纤光栅传感解调仪，3-光缆穿壁耐压密封装置，4-传感器引线，5-热压罐，6-微波反射面，7-光纤光栅传感器，8-工装车，9-金属化发射层，10-翻边法兰，11-内蒙皮，12-外蒙皮，13-安装定位支架，14-铝蜂窝。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明为采用植入光纤光栅传感器，监测碳纤维复合材料微波反射面的热压罐成型过程的形变，研究反射面形变规律，做到对微波反射面制造成型的型面精度的控制。其反射面为翻边法兰加固的整体式结构，包含有连续金属化反射面、碳纤维复合材料A夹层蜂窝结构支撑体，及其与高频发生器连接的支座；同时包括一种光栅监测形变的方法；一种碳纤维复合材料A夹层结构的铺层及成型控制方法；。
其具体制作过程如下：
(1)采用聚酰亚胺材料光纤，可在300℃环境下工作；光纤光栅制作为飞秒激光刻写的光栅。
(2)套管采用特氟龙材料的毛细管。
(3)罐外光缆要选择铠装光缆，光缆直径约3mm；光纤接头采用FC/APC接头。
(4)罐壁密封解决方法
先将光缆穿过不锈钢套，光缆与不锈钢套的间隙用耐150℃高温的密封胶充满，以防止漏气，密封耐压性≥1.3Mp。
(5)光纤光栅传感器温度影响校准：
5.1)将光纤光栅粘贴在高低温箱壁上，在光纤光栅旁粘贴热电偶。
5.2)设置高低温下温度，从室温开始进行加热，温度设置为，从30度开始，每次升高10度，进行升温10分钟，保温10分钟的循环。直到加热至120度；
5.3)通过温度巡检仪解析热电偶温度，光纤解调仪解析光纤光栅波长应变。
光纤的波长变化量受到应变和温度的影响，可由下面公式表示：
ΔλB＝ΔλB,Δε+ΔλB,ΔT
其中，
ΔλB,Δε＝KεΔεΔλB,ΔT＝KTΔT
在剔除温度影响后，最终应变计算公式可以写成
其中，KT为温度标定系数，取上面四根光纤的平均值0.0110。
(6)使用裁切工装裁切蒙皮材料、结构胶膜(J-95)原材料，形成需要的形状和数量。
(7)在模具工作面涂700NC脱模剂，晾置20分钟后，烘房50℃烘1小时，在脱模剂表面喷涂金属转移膜，晾置40分钟；电弧喷涂金属反射层设，厚度约0.25毫米；
(8)将裁切好的结构胶膜搭接覆盖一层于金属层表面，胶膜搭接宽度不大于10毫米；将裁切好的内蒙皮材料以模具凸面顶点为中心对位放射状对接铺覆，对接缝隙宽度不大于2毫米；将光纤光栅传感器按布置图(见图4、图5)贴在第一层预浸料上，连接光纤光栅传感器与监测设备，并检查传感器输入信号正常，真空封装后固化16小时，监测固化过程反射面光纤光栅传感器布置点的形变数据。
(9)去除真空封装，将光纤光栅传感器与热压罐设备断开，在内蒙皮表面将裁切好的载体胶膜搭接覆盖一层，搭接宽度不大于5毫米，将裁切好的铝蜂窝芯材以模具凸面顶点为中心放射状对接覆，对接缝隙处填充发泡胶，连接光纤光栅传感器与监测设备，并检查传感器输入信号正常，真空封装后固化9小时监测固化过程反射面光纤光栅传感器布置点的形变数据。
(10)去除真空封装，将光纤光栅传感器与热压罐设备断开，在铝蜂窝芯材局部补强部位填充发泡胶，连接光纤光栅传感器与监测设备，并检查传感器输入信号正常，真空封装后固化9小时，监测固化过程反射面光纤光栅传感器布置点的形变数据。
(11)去除真空封装，将光纤光栅传感器与热压罐设备断开，在铝蜂窝芯材表面将裁切好的载体胶膜搭接覆盖一层，搭接宽度不大于5毫米，将裁切好的外蒙皮材料以模具凸面顶点为中心放射状对接覆，铺覆顺序与内蒙皮相反，内外蒙皮铺层结构以耐久蜂窝芯材中心面为对称，连接光纤光栅传感器与监测设备，并检查传感器输入信号正常，真空封装后固化17小时。
(12)去除真空封装，将光纤光栅传感器与热压罐设备断开，将四个支座安装于支座工装的悬臂梁对应位置，紧固；画线确定碳纤维复合材料支撑体上支座的安装位置，去除安装位置的相应材料形成安装盲孔。
(13)将J-135胶粘剂配制成腻子状，将四个支座底部与碳纤维复合材料支撑体粘接成一体，室温固化。
(14)在J-135胶粘剂中加入短切碳纤维丝配制成团状模塑料，在四个支座周边分别围护包裹，支座与碳纤维复合材料支撑体形成半嵌状连接，真空封装室温固化，监测固化过程反射面光纤光栅传感器布置点的形变数据。
(15)去除真空封装，采用J-133胶粘剂+碳纤维进行支座连接部位补强，真空封装室温固化监测固化过程反射面光纤光栅传感器布置点的形变数据。
(16)去除真空封装，整体脱模，整理外观，完成整体式碳纤维复合材料天线反射器的制造。
(17)在三坐标上对成型的反射面型面均方根进行检测。
(18)采用不同的工艺参数，成型反射面，收积反射面形变数据，并进行分析，找出成型固化参数与型面形变的关系，优化成型固化参数(升、降温速率、加压点等)，形成最终的成型固化控制曲线，实现对反射面成型的耦合形变控制，制造出高型面精度的反射面。
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