碳纤维天线表面金属化的研究及应用

碳纤维天线表面金属化的研究及应用

李金良,宁晓磊,金　超

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

摘　要:介绍了碳纤维复合材料天线采用转移法进行表面金属化的技术。通过对高分子转移膜溶液配方、高分子转移膜制作和金属喷涂等进行研究,确定了碳纤维复合材料天线表面金属化的流程。在K a 频段对电磁波的反射特性进行测试,达到了设计指标要求。该方法操作简单,稳定性和可靠性较高,不影响制品精度,而且成本较低,适用于室温固化成型和中温固化成型,具有广泛的应用前景。

关键词:碳纤维;金属化;转移法;脱模剂

中图分类号:TG 17 文献标识码:A 文章编号:1003-3114(2009)04-33-3

R esearch and Application of Surface

Metallization of C arbon Fiber Antenna

LI Jin 2liang ,NI NG X iao 2lei ,J I N Chao

(The 54th Research Institute of CECT ,Shijiazhuang Hebei 050081,China )

Abstract :This paper describes the technology of the carbon fiber antenna metalizing by trans fer.Through studying the com position of polymer s olution ,the m olding of polymer trans fer film and the technology of the metal spraying ,the sur face metallization process of carbon fiber com posite antenna is con firmed.The design specifications have been met in the electromagnetic wave reflection characteristics test of the metallized carbon fiber antenna at K a 2band.This technology is characteristic of high stability and security ,low cost ,easy operation and no effect on precision of products ,therefore it has a promising prospect for applications in curing at room tem perature and medium tem perature.

K ey w ords :carbon fiber ;metallization ;trans fer ;release agent

收稿日期:2009-04-28

作者简介:李金良(1979-),男,助理工程师。主要研究方向:先进复合材料研究。

0　引言

碳纤维复合材料(CFRP )具有重量轻、模量高、热膨胀系数低、耐腐蚀等优异特点,在天线、微波器件等方面得到了广泛的应用[1]。1986年东芝公司报道研究了CFRP 的反射特性,认为在20G H z 以下波段的CFRP 可以不金属化,而高于20G H z 时就必须金属化[2]。因此,为满足电性能指标,高精度、高频段碳纤维天线必须进行表面金属化[3]。我们对碳纤维复合材料天线表面金属化技术进行了研究,并将该技术成功应用于2.4m 碳纤维天线的表面金属化,天线表面光滑平整,金属层粘结牢固,达到了设计技术要求。

1　金属化技术介绍

复合材料制件表面金属化方法很多,主要有化学与电化学镀、真空蒸镀、真空离子溅射、预埋金属

网法、贴膜法、转移法等。选择转移法进行研究,其优点是设备简单,不受零件形状和尺寸的限制,金属层与复合材料结合力大,表面光洁度高,不影响制品精度,且成本较低,是比较理想的复合材料天线表面金属化技术。

采用转移法实现金属化的过程是:首先在模具表面形成一层高分子转移膜,然后在转移膜上喷涂金属,形成一个连续的金属层,再在金属层上铺覆预浸料,最后进行固化成型,制件脱模后,金属层从模具表面转移到复合材料制件表面。

2　关键技术

转移法成型的关键在于在模具表面能够形成连续、均匀的高分子转移膜。高分子膜应有较好的强度,喷涂金属时无鼓泡、翘起、脱落和撕裂等,可有效地将金属粒子附着在表面,既与模具有一定的附着力,又要在成型后与模具容易分离,还能方便地从制件表面去除。2.1　高分子转移膜溶液配方

经查阅文献和实验筛选,聚乙烯醇树脂无毒、无

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味,其水溶液有很好的粘接性和成膜性,成膜后具有优异的微生物分解性能,能被分解成二氧化碳和水,不污染环境。因此,我们确定了以聚乙烯醇为主体树脂对高分子转移膜进行研究。

在实验过程中,选用了硬铝(2A12)、钢(45#)、球墨铸铁等材料制作平板模具。通过刷涂和喷涂试验,最终确定了高分子转移膜溶液配方。

高分子溶液配方如下:

聚乙烯醇 3～20%

水50～80%

乙醇5～30%

增塑剂A3～10%

表面活性剂B0.5～1.0%

消泡剂C0.6～4%

在实验过程中发现,模具的光洁度对制品的脱模有重要影响,光洁度越高脱模越容易;反之则较困难,甚至造成制品不能脱模。在研究与脱模剂复合使用的脱模工艺过程中,选用了多种脱模剂,但与高分子转移膜溶液不能有效结合,或者不能形成薄膜,或者脱模比较困难,经多次实验选用了表面活性剂B,可使高分子转移膜溶液与脱模剂配合,效果良好,有效地提高了制作成功率。此外,在配方中加入增塑剂,可增加制品的韧性;加入表面活性剂,可使脱模剂与高分子转移膜溶液有效结合;加入消泡剂则避免了在喷涂过程中产生气泡,从而使成膜更加均匀。

2.2　高分子转移膜的制备

首先,将脱模剂用绸布或棉纱均匀地涂在模具表面上,晾置10～15min;其次,采用通用型喷枪喷涂高分子转移膜溶液,喷涂压力0.3MPa,室温晾置60～90min;最后,喷涂第2遍高分子转移膜溶液,与第1遍成90°交叉喷涂,喷涂方法与第1遍相同,室温晾置60～90min。

高分子转移膜溶液涂覆以后,晾置至干,然后再进行第2遍操作。成膜后,应及时保护,禁止与水接触,否则会因水溶胀而造成破损。

2.3　金属喷涂

可供喷涂的金属种类较多,常用的有锌丝、铝丝、高碳钢丝、不锈钢丝、铜丝、合金丝等多种材料,我们选择了熔点较低、喷涂效率较高的金属锌丝,使用电弧喷涂机进行喷涂。

喷涂参数如下:工作电流120～210A,空载电压20～30V,压缩空气压力0.3～0.6MPa,喷枪与模具距离300～400mm,喷涂厚度100～120μm。2.4　电位腐蚀的处理

金属层与碳纤维之间存在电位差,如有水蒸气进入会造成电化学腐蚀,为避免金属层与碳纤维之间的电位腐蚀,需在金属层与碳纤维之间增加一层玻璃布进行隔离。同时,由于金属喷涂的孔隙较大,容易造成金属层氧化并增加制品的孔隙率,应在金属喷涂完成之后立即刷涂封孔剂进行封孔处理。

2.5　碳纤维天线表面金属化流程

金属化过程对模具的洁净度要求比较高,要求用汽油、丙酮等将模具彻底清理干净,使模具表面保持洁净,无杂物、无油渍等,再涂覆脱模剂,喷涂转移膜,否则,会降低转移膜制作成功率。金属化工序应在碳纤维天线面板制作过程的开始阶段进行,随内蒙皮固化成型,完成脱模。工艺流程如图1所示

。

图1　转移法金属化工艺流程图

3　电性能测试

根据上述研究结果,采用转移法金属化技术,制作了2.4m蜂窝夹层结构碳纤维天线,通过电性能测试,其结果均达到设计要求。图2、图3是该天线实测的方向图

。

图2　18GH z实测方向图

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