碳纖維復合材料在軍用電子設備中的應用

姚佳冬，孫小平，肖偉，孫學峰，洪浩

（中國電子科技集團公司第五十二研究所，杭州 311121）

引言

軍用電子設備因其特殊的使用場景，常常暴露于高溫高濕、霉菌鹽霧、振動沖擊等極端惡劣環境中，同時面臨著各類電磁干擾、電磁輻射的嚴峻挑戰，因此軍用電子設備的“六性”設計和電磁兼容性設計始終是研發時的首要考慮因素[1]。

軍用電子設備耐高低溫、耐腐蝕、抗振隔沖、抗電磁干擾等的實現依托可靠的結構設計，其中主體結構件材料的合理選用是至關重要的前提。鋁合金因其機械性能優異、抗腐蝕性能佳、導電導熱性能優良，廣泛應用于軍用電子設備中，長時間占據著軍事工業材料中的“主角”位。隨著現代科學技術的迅猛發展，在軍事領域對電子設備的高環境適應性、高耐腐蝕性、高輕量化的追求日益提升，先進復合材料快速在領域內推廣并應用，其中碳纖維復合材料以其無可比擬的高比強度、高比剛度、超強韌性等優異性能，在軍用電子信息裝備、武器裝備、航空航天領域得以廣泛應用，為軍用電子設備輕量化設計提供了新可能、新思路。

1 碳纖維復合材料簡介

碳纖維（Carbon Fiber，簡稱CF），是指是由有機纖維或瀝青基纖維在惰性氣體下熱處理碳化及石墨化而得到的微晶石墨材料，是一種含碳量在95 %以上的高強度、高模量的新型纖維狀碳材料[2]。

碳纖維一般不單獨使用，目前常以碳纖維為增強體，結合樹脂、陶瓷及金屬等為基體復合制成碳纖維復合材料，根據基體材料不同，可分為以下幾類[3]，如表1 所示。

表1 分類簡表

2 某加固智能終端應用實例

2.1 設計思路

結合以往設計經驗，搭載15 英寸顯示屏并包含圖像顯示、數據處理、通用接口等基礎功能的加固終端采用鋁合金并做輕量化處理后，整機質量最小可以達到2.2 kg。倘若要將總體質量控制在2.2 kg 以下，在現有高度輕量化、內部高度集成化的設計理念下，通過減小外形尺寸來達到減重的途徑已無法實現，即鋁合金架構在此嚴苛要求下已遇到技術瓶頸，選材優化才是輕量化設計的有效實現途徑。

一直以來，鎂合金是用來取代鋁合金做輕量化設計的常用材料，但因鎂元素較為活潑，導致其在霉菌、鹽霧、濕熱等惡劣環境下的腐蝕故障是無法規避的劣勢[4[，而碳纖維復合材料在輕量化和耐腐蝕性能上具有獨特優勢，在軍用電子設備領域有著廣闊的應用空間，因此最終選用碳纖維復合材料作為某加固智能終端（以下簡稱：智能終端）的主體結構材料進行整機研制及相關性能分析校核。

2.2 結構設計

智能終端依據總體使用需求，整體組成上主要由上蓋殼體、機箱殼體、觸摸顯示模塊、處理主板、電源模塊、通用接口模塊等構成，其組成及實物示意如圖1 所示。結構設計小結如下：

圖1 智能終端組成及實物示意

1）各模塊組成合理，整體布局簡潔美觀；

2）上蓋、機箱等外觀殼體均由碳纖維復合材料鋪裝制成，表面涂覆優質丙烯酸聚氨酯磁漆進行裝飾及防護；

3）觸摸顯示模塊安裝于上蓋殼體上，顯示模塊——顯示屏、觸摸玻璃屬易損部件，設計上搭配硅橡膠類軟性材料進行減振；

4）電源模塊、處理主板、通用接口模塊合理布置于機箱殼體上，主要散熱器件就近貼于殼體上，便于快速散熱；

5）觸摸模塊與上蓋搭接面采用導電膠布實現搭接連續，上蓋與機箱內部整體噴涂導電涂層，并且在上蓋與機箱搭接處設有含銀粉的導電密封膠條，實現整體導電連續，具備良好的密封性及抗電磁干擾能力。

2.3 設計分析及校核

智能終端研制的創新點圍繞選材優化進行，與通用設備僅在材料性能上有所差異，故通用質量特性中有關安全性、維修性、測試性、保障性等相關內容本文不作相關分析及測試，重點圍繞輕量化、防腐性能、“三防”性能、電磁兼容性展開分析及校核[5]。

綜上所述，工學結合教育模式在高職教學管理中的科學引用，不僅能夠促進學生質量的不斷提升，也能夠為學校管理水平的進一步提升創造良好條件。因此，在日常教學管理中，各院校及其教師應充分重視其工學結合模式的應用研究，引導學生一邊學習一邊實踐。同時，為了進一步優化這一模式的應用成果，各院校還要結合自身特點、整合現有資源條件進行不斷摸索，進而全面適應社會發展變化，推動高職院校教育事業的創新發展。

1）輕量化設計

智能終端研制以輕量化設計為要點，參照常用鋁合金加固機箱框架壁厚，在滿足整體安裝要求的前提下，主體材料選用碳纖維復合材料，設計時去掉多余特征并進行“薄壁”化設計，整機重量實測1.934 kg，符合輕量化設計預期要求，較同尺寸鋁合金框架設備減重0.3 kg 左右，整機質量突破2 kg 大關。各模塊質量細分情況見表2 所示。

表2 智能終端質量細分表

2）抗振隔沖設計

智能終端中針對易損模塊，如顯示屏、觸摸玻璃，采用的是膠體加固配合柔性材料的減振設計方案，與同類鋁合金設備設計方案完全相同，而處理主板、電源模塊等均采用緊固件剛性連接，整體緊固耐振、可靠。如表3，對比碳纖維復合材料與鋁、鎂合金的物理屬性差異，可得碳纖維復合材料在屈服強度、比強度上遠遠高于常規鋁、鎂合金，因此用其制成的智能終端上蓋、機箱殼體及其組成的整機強度滿足使用要求。綜上，智能終端主體框架強度可靠，內部模塊減振、加固設計合理，整機具備良好抗振隔沖性能。

表3 物理屬性對比表

3）耐腐蝕設計

針對智能終端可能面臨的霉菌鹽霧濕熱等嚴苛環境，在結構設計上對整機外表面取消凹槽、盲孔、縫隙、孔隙等設計，做到表面單一、致密、光滑，確保腐蝕性介質不滯留、不聚集，并且外露面上除不銹鋼螺釘外一致采用碳纖維復合材料，盡可能避免異種金屬接觸產生電偶腐蝕，同時依托于碳纖維復合材料自身優異的抗腐蝕性能實現整機耐腐蝕設計。

根據智能終端整體材料組成，如碳纖維復合材料、不銹鋼標牌、螺釘等提供實物樣品委托具備相關資質的第三方實驗室機構進行實物校核，依次進行了28 天霉菌試驗（溫度：（30±1）℃；相對濕度：（95±5）%；菌種：黑曲霉、黃曲霉、雜色曲霉、蠅狀青霉、球毛殼霉）、8 天酸性鹽霧試驗（溫度：（35±2）℃；鹽溶液濃度：（5±1）%；pH 值：3.5±0.5），試驗結果如圖2 所示，樣品外觀、結構完好、無銹蝕、表面長霉等級符合標準“1”級要求[6,7]。

圖2 試驗前后實物樣品狀態對比圖

因此，針對智能終端耐腐蝕能力符合預期設計需求，選用碳纖維復合材料制成的整機具備良好的耐霉菌、鹽霧等惡劣環境的能力。

4）電磁兼容設計

電磁兼容設計可分為機內抗互擾設計和外部抗干擾設計，智能終端機內抗互擾設計主要有線纜合理布線、板卡合理布局、合理規劃接地以及電源濾波設計等手段，此部分內容與本次碳纖維復合材料的選型應用關聯不大，不作展開說明。

屏蔽外部干擾源的實現主要通過智能終端外殼導電連續設計實現，設計上主要采用了以下三點方案，一是考慮到碳纖維復合材料中碳纖維增強體本身導電性能優異，但由于與樹脂基體的復合，導致成型后的碳纖維復合材料導電性能一般，采用導電涂料進行噴涂，提高整體導電性；二是針對薄弱環節的觸摸玻璃與上蓋殼體搭接面，采用優質導電膠帶粘貼將觸摸玻璃蝕刻膜面與上蓋殼體內側導電涂層面進行搭接，實現整體導電連續；三是上蓋殼體與機箱殼體搭接平面設計“止口”安裝含銀粉的導電密封膠條，以上設計詳見圖3。

圖3 電磁兼容設計措施示意圖

按上述電磁兼容設計制成的智能終端整機實物，在某權威實驗室進行了CE102、RE102、RS103 項目的測試[8]，測試結果如圖4 所示，試驗全過程無閃屏、黑屏、花屏等故障，符合電磁兼容要求，智能終端電磁兼容設計切實有效。

圖4 各測試項干擾施加曲線截圖（部分）

5）小結

智能終端以碳纖維復合材料為主體材料設計及研制，其在輕量化、防腐性能、“三防”性能、電磁兼容性的性能已通過理論分析及實物校核，符合設計要求。

3 碳纖維復合材料設計要點探討

3.1 加工難點及優化措施

充分了解碳纖維復合材料加工性能，提前掌握加工難點、機理及相關工藝優化措施，是結構設計的前提保障。碳纖維復合材料屬典型的難加工材料之一，用其制造的零件通常利用材料成型的方法獲得，但尺寸精度特別是孔位尺寸偏差較大，因此仍需采用二次加工獲得高精度的合格零件，理論上可對其進行車削加工、鉆孔加工、銑削加工等常規加工方式，但由于其鋪層的不均勻性、力學性能上的各向異性、極高的耐磨耐熱性等特性，導致其易出現基層纖維脫離、毛刺、纖維撕裂、分層、刀具磨損等問題，對典型加工難點的產生機理及優化措施概括如表4 所示[9]。

表4 機理分析及優化措施

3.2 單零件遵循等壁厚原則

碳纖維復合材料零件在成型模具上經過高溫定型處理制作而成，其連續性將直接影響高溫定型后產品的力學性能，因此零件設計過程中，單零件需遵循等壁厚原則，即整體鋪層數量保持一致，確保每個獨立的鋪層中纖維絲不發生斷裂，使纖維絲的受力能均勻布于整個零件中，防止局部應力破壞，提高整體力學性能。

3.3 合理布置加強筋

碳纖維復合材料屬于各向異性材料，平行于鋪層方向（纖維取向）的力學性能優異，垂直于鋪層方向的性能相對較差，因此結構設計與傳統金屬零件設計有所區別，需合理分析零件受力情況，在受力方向上合理分布加強筋，將力分布于纖維取向上，盡可能將彌補產品垂直鋪層方向的強度，增加平行于鋪層方向有效面積，保證整體結構強度均一，避免局部開裂。

3.4 結構特征易脫模

與常規金屬鑄件設計相似，碳纖維復合材料需在結構設計階段充分考慮到零件的脫模性能，設計合適的拔模角、恰當的倒角以及平滑的側壁過渡等措施提高產品的成品率和綜合性能。同時，延伸可得，碳纖維復合材料零件的外觀不宜過于復雜，減少硬性過渡特征，零件設計時結構應盡可能平整，平面、棱角等平滑過渡。

3.5 合理運用預埋件

基于對碳纖維復合材料連續性的保留，同時考慮到二次加工難度大的實際情況，為保證各零部件間的安裝精度，通常在基體上預埋金屬結構件，如螺孔預埋件、面接觸預埋件等，智能終端的研制也運用了這一手段，機箱內主板的安裝柱為預埋鋁制螺柱，處理主板的貼壁散熱的特征也是通過免接觸預埋了鋁制散熱片，如圖5所示。

圖5 智能終端預埋設計案例

3.6 合理選擇連接結構

碳纖維復合材料若采用整體成型技術，技術難度大、成本昂貴，因此絕大部分碳纖維復合材料設備零件都采用了連接結構，即對零件主體特征采用成型技術，對于局部凸臺、孤立的側壁等均采用拼接的方式制成。按拼接形式的不同，可分為以下三類：機械連接、膠結連接、混合連接，機械連接常用在壁厚較厚、較高可靠性要求、集中傳遞載荷的部位；膠結連接的原理是利用粘結劑將零件固化為不可拆分的整體；混合連接則是以上兩類形式的結合，制件具有提高抗拉伸、抗沖擊、抗疲勞等優異性能性能。如圖6 所示，本次智能終端內部風機安裝部位，由于結構復雜又存在“薄壁”結構，生產加工中也運用了機械連接的手段。

圖6 智能終端連接結構實物圖

4 結束語

軍用電子設備追求輕量化的“腳步”不會停歇，優質新型材料的推廣及應用是必然趨勢。本文詳細闡述了對某智能終端用碳纖維復合材料進行開發、設計、試驗的過程，并通過縝密分析及實物試驗摸底的方式驗證了其耐惡劣環境的能力，進一步證明了其應用于軍工電子行業的可行性，同時對過程中遇到的難點、要點進行全面探討，提出部分結構設計要點，對后續運用碳纖維復合材料做相關設計提供了參考案例，具有較為深遠的借鑒意義。