CN102173846A - 一种光学望远镜c/c复合材料镜筒的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，包括以下步骤：一、炭纤维织物与炭纤维网胎铺层并逐层针刺制得预制增强体，铺层之前先对预制增强体的密度进行估算并根据估算结果计算得出预制增强体的径向密度；二、复合致密，其致密过程如下：201、气相沉炭致密处理：采用气相沉炭设备进行气相沉炭处理；202、树脂浸渍、固化及炭化处理：对经气相沉炭致密处理后的预制增强体进一步进行致密处理；三、高温处理；四、后续加工处理。本发明设计合理、加工步骤简单、投入成本低且操作简便、质量控制方便，所加工成型C/C复合材料镜筒性能优良，具有较高的整体强度和稳定性以及极低的热膨胀系数。
Description
技术领域
本发明属于C/C复合材料加工制造技术领域，尤其是涉及一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法。
背景技术
C/C复合材料是一种由炭纤维增强炭基体的通用类型的合成纯炭材料，它具有轻质、良好的抗热震性能、低的热膨胀系数、高的高温强度保持率、高的耐冲击和高的刚性等一系列突出的特点，特别适合于在极端温度下要求材料具有高的物理、化学稳定性的环境中使用，已成功地在航天器鼻锥、机翼前缘、固体发动机喉衬、扩张段和飞机刹车盘等重要领域得到广泛应用。二十世纪八十年代以来，随着新型高性能原材料的研发成功，快速低成本制备技术的不断发展，C/C复合材料开始应用于贵金属、玻璃、半导体工业加热元件、坩埚、核反应堆等领域，标志着C/C复合材料的应用进入了更广泛的高技术领域。
镜筒是月基光学望远镜中的重要零件，其选材和加工质量的好坏及刚度直接决定着最终产品的性能。由于其工作在极端热环境，要求筒体结构具有很高的整体强度和稳定性，极低的热膨胀系数(CTE接近0)以及面内的准各向同性。此外，还要求具有高比强度、对湿气不敏感、能成型复杂形状等。
C/C复合材料具有独特的性能特点，通过材料与工艺设计有望满足光学望远镜镜筒的使用要求，国外在这方面进行了有益的探索。但有关文献中仅介绍了C/C复合材料筒体的性能要求，而对复合材料筒体的设计与制备方法没有介绍。ALCATEL SPACE选用的C/C复合材料的性能见表1：
表1ALCATEL SPACE选用的C/C复合材料性能参数表
| 密度 | 1.6g/cm3 |
| 线膨胀系数 | -0.1×10-6/K |
| 拉伸强度 | ＞160MPa |
| 层间剪切强度 | ＞12MPa |
| 拉伸模量 | ＞60GPa |
我国由于起步较晚，光学望远镜的复合材料应用尚处于探索阶段，主要集中于基础理论或小样试验研究，在工程化应用方面存在一定差距。2010年04月21日公开的发明专利申请200910309234.3中公开了一种带有内格栅的纤维增强树脂基复合材料遮光罩的成型方法，2010年08月18日公告的实用新型专利200920313962.7中披露了一种带有内格栅的纤维增强树脂基复合材料遮光罩，上述两项专利申请文件中介绍了采用碳纤维增强树脂基复合材料制造空间遥感相机多光谱扫描仪遮光罩，但其应用部位和材料体系均与光学望远镜结构件存在较大差异，尚未见到月基光学望远镜C/C复合材料镜筒结构的制造方法报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其设计合理、加工步骤简单、投入成本低且操作简便、质量控制方便，所加工成型C/C复合材料镜筒性能优良，具有较高的整体强度和稳定性以及极低的热膨胀系数。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、炭纤维织物与炭纤维网胎铺层并逐层针刺制得预制增强体：先根据预先估算得出需铺制预制增强体的体积密度，推算出所述预制增强体在径向上的炭纤维织物与炭纤维网胎的铺层层数和相邻铺层之间的密实度；之后，根据推算出的铺层层数与相邻铺层之间的密实度，且采用炭纤维织物与炭纤维网胎在镜筒成型芯模上沿圆周方向进行交替铺层的方式进行铺层，并相应形成由炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层交替布设且整体密度符合设计要求的准三维C/C复合材料预制增强体，所获得的预制增强体中相邻的炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层之间均通过径向针刺进行增强；所述镜筒成型芯模为圆柱状芯模，且其直径与需制作C/C复合材料镜筒的内径一致；
步骤二、复合致密，其致密过程如下：
201、气相沉炭致密处理：采用气相沉炭设备且按照常规的化学气相渗透沉炭方法对步骤一中所获得的预制增强体进行气相沉炭处理，且将所处理预制增强体的密度增至1.30g/cm3～1.50g/cm3为止；
202、树脂浸渍、固化及炭化处理：按照常规的C/C复合材料树脂浸渍、固化及炭化处理方法对经气相沉炭致密处理后的预制增强体进一步进行致密处理，且C/C复合材料树脂浸渍、固化及炭化处理的次数为一次或多次，并将所处理预制增强体的密度增至1.60g/cm3～1.80g/cm3为止，则获得C/C复合材料坯体；
步骤三、高温处理：采用高温处理炉且在惰性气体保护下，按照C/C复合材料制品的常规高温处理工艺对经复合致密后的C/C复合材料坯体进行高温处理，并获得圆筒毛坯；
且高温处理结束后，返回步骤202对所述圆筒毛坯重复进行一次或多次树脂浸渍、固化及炭化处理，以对所述圆筒毛坯进一步进行致密处理，并相应对致密处理后获得圆筒毛坯的密度进行测试：当测试得出所述圆筒毛坯的密度达到需制作C/C复合材料镜筒的密度要求时，说明所述圆筒毛坯即为需制作C/C复合材料镜筒的镜筒毛坯，并进入步骤四；
步骤四、后续加工处理：按照需制作C/C复合材料镜筒的设计尺寸，采用机加工设备对步骤三中所获得的镜筒毛坯进行后续加工处理，获得C/C复合材料镜筒成品。
上述一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征是：步骤一中对所述预制增强体的体积密度进行估算时，先根据铺层时所用炭纤维织物中所采用炭纤维的纤维拉伸强度σ1、纤维密度ρ2和纤维拉伸强度发挥率f以及需制作C/C复合材料镜筒成品的拉伸强度σ2对所述预制增强体的体积密度ρ1进行估算，其中纤维拉伸强度发挥率f为炭纤维织物中所采用炭纤维在预制增强体环向上的拉伸强度发挥率且其为经试验测试得出的步骤三中所获得镜筒毛坯中环向增强纤维的实际发挥拉伸强度与σ1之间的比值，σ2为需制作C/C复合材料镜筒成品在环向上的设计拉伸强度；其中ρ1与σ2与ρ2呈正比关系且其与σ1和f呈反比关系；之后，根据估算得出的预制增强体的体积密度ρ1，同时结合铺层时所用炭纤维织物与炭纤维网胎的面密度和厚度，计算得出所述预制增强体的径向密度。
上述一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征是：步骤一中所述的对纤维拉伸强度发挥率f进行试验测试时，其测试过程如下：
I、试验用预制增强体制作：采用步骤一中所述的炭纤维织物与炭纤维网胎且按照步骤一中所述的交替铺层方法，在镜筒成型芯模上沿圆周方向进行多次交替铺层，并获得试验用预制增强体；
II、按照步骤二和步骤三中所述的处理方法和步骤，对步骤I中所制得的试验用预制增强体进行处理，并获得试验用预制增强体的试验用镜筒毛坯，同时采用水压爆破实验方法对试验用镜筒毛坯在环向上的拉伸强度进行测试，并根据试验用镜筒毛坯环向纤维的含量计算出纤维实际发挥拉伸强度，所得出的拉伸强度值与σ1之间的比值即为纤维拉伸强度发挥率f。
上述一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征是：步骤一中所述的采用炭纤维织物与炭纤维网胎在镜筒成型芯模上沿圆周方向进行交替铺层时，其交替铺层过程分为多个重复进行铺层的循环铺层周期，每一个循环铺层周期中相邻炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层之间的夹角按照铺层先后顺序分别为0°和90°或者0°、+45°、90°和-45°，此时
式中，σ2为需制作C/C复合材料镜筒成品在环向上的设计拉伸强度，σ1为炭纤维织物中所采用炭纤维的纤维拉伸强度，ρ2为炭纤维织物中所采用炭纤维的纤维密度，ρ1为预制增强体的体积密度，f为炭纤维织物中所采用炭纤维在预制增强体环向上的拉伸强度发挥率，n为系数且当每一个循环铺层周期中相邻炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层之间的夹角按照铺层先后顺序分别为0°和90°时，n＝2；当每一个循环铺层周期中相邻炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层之间的夹角按照铺层先后顺序分别为0°、+45°、90°和-45°时，n＝4。
上述一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征是：步骤一中当每一个循环铺层周期中相邻炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层之间的夹角按照铺层先后顺序分别为0°和90°时，f＝30％±2％。
上述一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征是：步骤一中所述径向针刺的针刺密度为30针/cm2±10针/cm2。
上述一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征是：步骤三中进行高温处理时的高温处理温度为1500℃～2300℃。
上述一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征是：步骤三中所述的高温处理炉为石墨化炉，且所用惰性气体为氩气。
上述一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征是：步骤201中进行气相沉炭致密处理时，还需采用CVI沉炭专用工装对被处理的预制增强体进行装配，所述工装的材质为石墨或C/C复合材料。
上述一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征是：步骤202中所浸渍的C/C复合材料树脂为糠酮树脂。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、制造方法简单、加工步骤少且操作简便，质量控制方便。
2、设计合理，本发明采用基于针刺预制体成型技术的纯碳纤维径向针刺预制体即增强预制体，使筒体具有高的整体强度、刚度和好的尺寸稳定性，采用化学气相渗透(CVI)与树脂浸渍/固化/炭化相结合的复合致密化途径制备中密度C/C复合材料毛坯(即对增强预制体进行复核致密；，结合高温处理使筒体具有高的尺寸稳定性和好的机加性能以及短的研制周期。
3、所制备的镜筒性能优良，采用本发明将C/C复合材料毛坯加工成光学望远镜镜筒，并与其他组件粘接装配后。所制成的径向针刺C/C复合材料镜筒的环向拉伸强度≥160MPa，-40℃～60℃线膨胀系数仅为-0.09×10-6/K，并成功通过正弦、脉冲振动、动力冲击、真空出气性、光反射等一系列试验考核，适应光学望远镜镜筒的结构特点。因而，本制作的径向针刺结构圆筒预制体具有高强度、高刚度和低膨胀系数，适应于光学望远镜镜筒的使用要求。
4、采用CVI与树脂浸渍固化炭化相结合的复合致密途径，可使孔隙结构细密均匀，有利于面内膨胀系数的各向同性，并可缩短研制周期。高温处理技术可改善镜筒的加工性、尺寸稳定性和出气性等性能。
5、适用范围广且推广应用前景广泛，可推广应用于极端环境的其它高性能C/C复合材料构件的制造，可面内准各向同性的中密度炭/炭复合材料镜筒制造。
6、采用专门设计方法对预制增强体的径向密度进行估算，其估算结果准确，使用操作简便，尤其是对于0°/90°铺层方法和0°、+45°、90°和-45°来说，估算非常简便且投入成本低，能简单快速对铺层后预制增强体的径向密度进行准确估算，因而大幅度减小了镜筒毛坯的废品率，提高了加工效率，并且大大减少了返工次数，降低了制造成本。
综上所述，本发明设计合理、加工步骤简单、投入成本低且操作简便、质量控制方便，所加工成型C/C复合材料镜筒性能优良，具有较高的整体强度和稳定性以及极低的热膨胀系数。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的制造方法流程框图。
具体实施方式
如图1所示的一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，包括以下步骤：
步骤一、炭纤维织物与炭纤维网胎铺层并逐层针刺制得预制增强体：先根据预先估算得出需铺制预制增强体的体积密度，推算出所述预制增强体在径向上的炭纤维织物与炭纤维网胎的铺层层数和相邻铺层之间的密实度；之后，根据推算出的铺层层数与相邻铺层之间的密实度，且采用炭纤维织物与炭纤维网胎在镜筒成型芯模上沿圆周方向进行交替铺层的方式进行铺层，并相应形成由炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层交替布设且整体密度符合设计要求的准三维C/C复合材料预制增强体，所获得的预制增强体中相邻的炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层之间均通过径向针刺进行增强；所述镜筒成型芯模为圆柱状芯模，且其直径与需制作C/C复合材料镜筒的内径一致。
实际制造时，所述炭纤维织物即为炭纤维布，所述炭纤维布为平纹布、斜纹布或缎纹布，可以根据实际具体需要选择合适的炭纤维布。由于实际进行铺层时，每层炭纤维织物铺层与其相邻的炭纤维网胎铺层组成一个复合层，因而此时推算得出的炭纤维织物与炭纤维网胎的铺层层数为复合层的层数。
步骤二、复合致密，其致密过程如下：
201、气相沉炭致密处理：采用气相沉炭设备且按照常规的化学气相渗透沉炭方法对步骤一中所获得的预制增强体进行气相沉炭处理，且将所处理预制增强体的密度增至1.30g/cm3～1.50g/cm3为止。
202、树脂浸渍、固化及炭化处理：按照常规的C/C复合材料树脂浸渍、固化及炭化处理方法对经气相沉炭致密处理后的预制增强体进一步进行致密处理，且C/C复合材料树脂浸渍、固化及炭化处理的次数为一次或多次，并将所处理预制增强体的密度增至1.60g/cm3～1.80g/cm3为止，则获得C/C复合材料坯体。
步骤三、高温处理：采用高温处理炉且在惰性气体保护下，按照C/C复合材料制品的常规高温处理工艺对经复合致密后的C/C复合材料坯体进行高温处理，并获得圆筒毛坯。
且高温处理结束后，返回步骤202对所述圆筒毛坯重复进行一次或多次树脂浸渍、固化及炭化处理，以对所述圆筒毛坯进一步进行致密处理，并相应对致密处理后获得圆筒毛坯的密度进行测试：当测试得出所述圆筒毛坯的密度达到需制作C/C复合材料镜筒的密度要求时，说明所述圆筒毛坯即为需制作C/C复合材料镜筒的镜筒毛坯，并进入步骤四。
步骤四、后续加工处理：按照需制作C/C复合材料镜筒的设计尺寸，采用机加工设备对步骤三中所获得的镜筒毛坯进行后续加工处理，获得C/C复合材料镜筒成品。
实际制造过程中，步骤一中对所述预制增强体的体积密度进行估算时，先根据铺层时所用炭纤维织物中所采用炭纤维的纤维拉伸强度σ1、纤维密度ρ2和纤维拉伸强度发挥率f以及需制作C/C复合材料镜筒成品的拉伸强度σ2对所述预制增强体的体积密度ρ1进行估算，其中纤维拉伸强度发挥率f为炭纤维织物中所采用炭纤维在预制增强体环向上的拉伸强度发挥率且其为经试验测试得出的步骤三中所获得镜筒毛坯中环向增强纤维的实际发挥拉伸强度与σ1之间的比值，σ2为需制作C/C复合材料镜筒成品在环向上的设计拉伸强度；其中ρ1与σ2与ρ2呈正比关系且其与σ1和f呈反比关系；之后，根据估算得出的预制增强体的体积密度ρ1，同时结合铺层时所用炭纤维织物与炭纤维网胎的面密度和厚度，计算得出所述预制增强体的径向密度。
实际制造过程中，对纤维拉伸强度发挥率f进行试验测试时，其测试过程如下：
I、试验用预制增强体制作：采用步骤一中所述的炭纤维织物与炭纤维网胎且按照步骤一中所述的交替铺层方法，在镜筒成型芯模上沿圆周方向进行多次交替铺层，并获得试验用预制增强体；
II、按照步骤二和步骤三中所述的处理方法和步骤，对步骤I中所制得的试验用预制增强体进行处理，并获得试验用预制增强体的试验用镜筒毛坯，同时采用水压爆破实验方法对试验用镜筒毛坯在环向上的拉伸强度进行测试，并根据试验用镜筒毛坯环向纤维的含量计算出纤维实际发挥拉伸强度，所得出的拉伸强度值与σ1之间的比值即为纤维拉伸强度发挥率f。
实施例1
本实施例中，需制作C/C复合材料镜筒成品的筒体环向拉伸强度要求≥160MPa，选用拉伸强度大于3500MPa的3K碳纤维布和12K碳纤维制成的碳纤维网胎为原材料，其制造过程包括以下步骤：
步骤一、炭纤维织物与炭纤维网胎铺层并逐层针刺制得预制增强体：先根据预先估算得出需铺制预制增强体的体积密度，推算出所述预制增强体在径向上的炭纤维织物与炭纤维网胎的铺层层数和相邻铺层之间的密实度；之后，根据推算出的铺层层数与相邻铺层之间的密实度，且采用炭纤维织物与炭纤维网胎在镜筒成型芯模上沿圆周方向进行交替铺层的方式进行铺层，并相应形成由炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层交替布设且整体密度符合设计要求的准三维C/C复合材料预制增强体(具体为准三向圆筒预制体)，所获得的预制增强体中相邻的炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层之间均通过径向针刺进行增强。本实施例中，所述径向针刺的针刺密度为30针/cm2；所述镜筒成型芯模为圆柱状芯模，且其直径与需制作C/C复合材料镜筒的内径一致。
实际制造时，所述炭纤维织物即为炭纤维布，所述炭纤维布为平纹布、斜纹布或缎纹布，可以根据实际具体需要选择合适的炭纤维布。实际操作过程中，可将所述径向针刺的针刺密度为在范围内30针/cm2±10针/cm2进行相应调整。
另外，本实施例中，先采用炭纤维织物与炭纤维网胎在镜筒成型芯模上沿圆周方向进行交替铺层时，其交替铺层过程分为多个重复进行铺层的循环铺层周期，每一个循环铺层周期中相邻炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层之间的夹角按照铺层先后顺序分别为0°和90°，此时式中σ2为需制作C/C复合材料镜筒成品在环向上的设计拉伸强度，σ1为炭纤维织物中所采用炭纤维的纤维拉伸强度，ρ2为炭纤维织物中所采用炭纤维的纤维密度，ρ1为预制增强体的体积密度，f为炭纤维织物中所采用炭纤维在预制增强体环向上的拉伸强度发挥率，其中n为系数且此时n＝2。同时，当每一个循环铺层周期中相邻炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层之间的夹角按照铺层先后顺序分别为0°和90°时，f＝30％±2％。此时，只考虑炭纤维布的增强作用，炭纤维的拉伸强度发挥率f取30％，此时采用的是0°/90°铺层方法进行铺层。
本实施例中，根据公式
且f＝30％，计算得出ρ1＝0.54g/cm3。已知3K 8枚缎纹炭纤维布的面密度为240g/m2且其厚度为0.37mm；12K炭纤维制成的炭纤维网胎的面密度为20g/m2且其厚度约0.05mm。根据公式单元体面内纤维质量＝(ρ面炭布+ρ面网胎)×1/(0.37+h网胎)，计算得到炭纤维网胎的面密度不大于120g/m2，厚度不大于0.30mm，相应计算得出增强预制体的径向密度不少于15层/cm。实际进行C/C复合材料铺层时，按照上述控制参数铺制成型增强预制体，铺层过程中同步检测记录增强预制体的尺寸和密度，并采用CT技术检验增强预制体的质量情况。
实际制备过程中，步骤一中对所述预制增强体的径向密度进行估算时，可以根据铺层时所用炭纤维织物中所采用炭纤维的纤维拉伸强度σ1、纤维密度ρ2和纤维拉伸强度发挥率f以及需制作C/C复合材料镜筒成品的拉伸强度σ2，对采用不同铺层方式(具体是每一个循环铺层周期中相邻炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层之间的夹角不同)进行铺层后所获得预制增强体的体积密度ρ1进行估算。所述预制增强体的体积密度ρ1与σ2与ρ2呈正比关系且其与σ1和f呈反比关系。也就是说，随着ρ2和σ2数值的不断增大且σ1和f数值的不断减小，ρ1不断增大；反之亦然。
实际操作过程中，当每一个循环铺层周期中相邻炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层之间的夹角按照铺层先后顺序分别为0°和90°时，纤维拉伸强度发挥率f可以在30％±2％内进行相应调整。
步骤二、复合致密，其致密过程如下：
201、气相沉炭致密处理：采用气相沉炭设备且按照常规的化学气相渗透(CVI)沉炭方法对步骤一中所获得的预制增强体进行气相沉炭处理，且将所处理预制增强体的密度增至1.30g/cm3～1.50g/cm3为止。实际制造过程中，可以根据实际具体需要对气相沉炭致密处理后所述预制增强体的密度进行相应调整。
本实施例中，步骤201中进行气相沉炭致密处理时，还需采用CVI沉炭专用工装对被处理的预制增强体进行装配，所述工装的材质为石墨或C/C复合材料。
本实施例中，将石墨或C/C复合材料制成的CVI工装与增强预制体装配完毕，进行CVI致密；且当将增强预制体的密度增至≥1.0g/cm3时，脱去工装继续致密至密度≥1.30g/cm3时为止。CVI工艺参数如下：丙烯流量：0.8±0.4m3/h，高纯氮气流量：0.8±0.4m3/h，炉内压力：-0.080～-0.098MPa，沉积温度：940±40℃。
202、树脂浸渍、固化及炭化处理：按照常规的C/C复合材料树脂浸渍、固化及炭化处理方法对经气相沉炭致密处理后的预制增强体进一步进行致密处理，且C/C复合材料树脂浸渍、固化及炭化处理的次数为一次或多次，并将所处理预制增强体的密度增至1.60g/cm3～1.80g/cm3为止，则获得C/C复合材料坯体。
本实施例中，所浸渍的C/C复合材料树脂为糠酮树脂。且采用糠酮树脂，通过树脂液相浸渍炭化致密工艺对所制备的C/C复合材料毛坯即经气相沉炭致密处理处理后的增强预制体进一步复合增密。其中，树脂真空浸渍后的加压固化工艺参数如下：在室温条件下自由升温至70℃±10℃且自由升温过程中真空度为-0.090MPa，之后在70℃±10℃温度条件下保温1h后，再加压2.0MPa并保温保压2h，然后以20℃/h的升温速率升温至120℃±10℃且保温1h后，再以20℃/h的升温速率升温至165℃±10℃，且保温1h后自然降温至室温，并在室温状态下进行卸压。
常压炭化工艺在N2保护下进行且其工艺参数如下：在室温条件下自由升温至200℃±10℃且保温1h后，以120℃/h的升温速率升温至600℃±10℃且保温1h后，再以60℃/h的升温速率升温至900℃±10℃，且保温1h后自然降温至室温。
实际制造过程中，可以根据实际具体需要对固化及炭化处理工艺进行相应调整。
步骤三、高温处理：采用高温处理炉且在惰性气体保护下，按照C/C复合材料制品的常规高温处理工艺对经复合致密后的预制增强体进行高温处理，并获得圆筒毛坯。
且高温处理结束后，返回步骤202对所述圆筒毛坯重复进行一次或多次树脂浸渍、固化及炭化处理，以对所述圆筒毛坯进一步进行致密处理，并相应对致密处理后获得圆筒毛坯的密度进行测试：当测试得出所述圆筒毛坯的密度达到需制作C/C复合材料镜筒的密度要求时，说明所述圆筒毛坯即为需制作C/C复合材料镜筒的镜筒毛坯，并进入步骤四。
本实施例中，进行高温处理时的高温处理温度为1500℃～2300℃。所述高温处理炉为石墨化炉，且所用惰性气体为氩气。实际高温处理时，可以根据实际具体需要，将高温处理温度在1500℃～2300℃范围内进行相应调整。
本实施例中，经过一至两个循环树脂浸渍、固化及炭化致密后，将增强预制体的密度增至≥1.50g/cm3，于氩气保护下进行高温处理。高温处理后，继续进行树脂浸渍、固化及炭化致密循环，直至密度达到最终技术指标要求。
步骤四、后续加工处理：按照需制作C/C复合材料镜筒的设计尺寸，采用机加工设备对步骤三中所获得的镜筒毛坯进行后续加工处理，获得C/C复合材料镜筒成品。
本实施例中，将检验合格且密度达到设计要求的镜筒毛坯装卡在加工工装后，按照最终产品尺寸要求对其进行机加，最后进行装配。
本实施例中，对镜筒毛坯的环向拉伸强度进行测试时，采用全尺寸试验件水压爆破方法进行测试。
实施例2
本实施例中，与实施例1不同的是：步骤一中采用炭纤维织物与炭纤维网胎在镜筒成型芯模上沿圆周方向进行交替铺层时，其交替铺层过程分为多个重复进行铺层的循环铺层周期，每一个循环铺层周期中相邻炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层之间的夹角按照铺层的先后顺序分别为0°、+45°、90°和-45°，此时公式
中n＝4，即采用0°/+45°/90°/-45°铺层方法进行铺层。本实施例中，其余制造步骤和原理均与实施例1相同。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、炭纤维织物与炭纤维网胎铺层并逐层针刺制得预制增强体：先根据预先估算得出需铺制预制增强体的体积密度，推算出所述预制增强体在径向上的炭纤维织物与炭纤维网胎的铺层层数和相邻铺层之间的密实度；之后，根据推算出的铺层层数与相邻铺层之间的密实度，且采用炭纤维织物与炭纤维网胎在镜筒成型芯模上沿圆周方向进行交替铺层的方式进行铺层，并相应形成由炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层交替布设且整体密度符合设计要求的准三维C/C复合材料预制增强体，所获得的预制增强体中相邻的炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层之间均通过径向针刺进行增强；所述镜筒成型芯模为圆柱状芯模，且其直径与需制作C/C复合材料镜筒的内径一致；
步骤二、复合致密，其致密过程如下：
201、气相沉炭致密处理：采用气相沉炭设备且按照常规的化学气相渗透沉炭方法对步骤一中所获得的预制增强体进行气相沉炭处理，且将所处理预制增强体的密度增至1.30g/cm3～1.50g/cm3为止；
202、树脂浸渍、固化及炭化处理：按照常规的C/C复合材料树脂浸渍、固化及炭化处理方法对经气相沉炭致密处理后的预制增强体进一步进行致密处理，且C/C复合材料树脂浸渍、固化及炭化处理的次数为一次或多次，并将所处理预制增强体的密度增至1.60g/cm3～1.80g/cm3为止，则获得C/C复合材料坯体；
步骤三、高温处理：采用高温处理炉且在惰性气体保护下，按照C/C复合材料制品的常规高温处理工艺对经复合致密后的C/C复合材料坯体进行高温处理，并获得圆筒毛坯；
且高温处理结束后，返回步骤202对所述圆筒毛坯重复进行一次或多次树脂浸渍、固化及炭化处理，以对所述圆筒毛坯进一步进行致密处理，并相应对致密处理后获得圆筒毛坯的密度进行测试：当测试得出所述圆筒毛坯的密度达到需制作C/C复合材料镜筒的密度要求时，说明所述圆筒毛坯即为需制作C/C复合材料镜筒的镜筒毛坯，并进入步骤四；
步骤四、后续加工处理：按照需制作C/C复合材料镜筒的设计尺寸，采用机加工设备对步骤三中所获得的镜筒毛坯进行后续加工处理，获得C/C复合材料镜筒成品。
2.按照权利要求1所述的一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征在于：步骤一中对所述预制增强体的体积密度进行估算时，先根据铺层时所用炭纤维织物中所采用炭纤维的纤维拉伸强度σ1、纤维密度ρ2和纤维拉伸强度发挥率f以及需制作C/C复合材料镜筒成品的拉伸强度σ2对所述预制增强体的体积密度ρ1进行估算，其中纤维拉伸强度发挥率f为炭纤维织物中所采用炭纤维在预制增强体环向上的拉伸强度发挥率且其为经试验测试得出的步骤三中所获得镜筒毛坯中环向增强纤维的实际发挥拉伸强度与σ1之间的比值，σ2为需制作C/C复合材料镜筒成品在环向上的设计拉伸强度；其中ρ1与σ2与ρ2呈正比关系且其与σ1和f呈反比关系；之后，根据估算得出的预制增强体的体积密度ρ1，同时结合铺层时所用炭纤维织物与炭纤维网胎的面密度和厚度，计算得出所述预制增强体的径向密度。
3.按照权利要求2所述的一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征在于：步骤一中所述的对纤维拉伸强度发挥率f进行试验测试时，其测试过程如下：
I、试验用预制增强体制作：采用步骤一中所述的炭纤维织物与炭纤维网胎且按照步骤一中所述的交替铺层方法，在镜筒成型芯模上沿圆周方向进行多次交替铺层，并获得试验用预制增强体；
II、按照步骤二和步骤三中所述的处理方法和步骤，对步骤I中所制得的试验用预制增强体进行处理，并获得试验用预制增强体的试验用镜筒毛坯，同时采用水压爆破实验方法对试验用镜筒毛坯在环向上的拉伸强度进行测试，并根据试验用镜筒毛坯环向纤维的含量计算出纤维实际发挥拉伸强度，所得出的拉伸强度值与σ1之间的比值即为纤维拉伸强度发挥率f。
4.按照权利要求2或3所述的一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征在于：步骤一中所述的采用炭纤维织物与炭纤维网胎在镜筒成型芯模上沿圆周方向进行交替铺层时，其交替铺层过程分为多个重复进行铺层的循环铺层周期，每一个循环铺层周期中相邻炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层之间的夹角按照铺层先后顺序分别为0°和90°或者0°、+45°、90°和-45°，此时式中σ2为需制作C/C复合材料镜筒成品在环向上的设计拉伸强度，σ1为炭纤维织物中所采用炭纤维的纤维拉伸强度，ρ2为炭纤维织物中所采用炭纤维的纤维密度，ρ1为预制增强体的体积密度，f为炭纤维织物中所采用炭纤维在预制增强体环向上的拉伸强度发挥率，n为系数且当每一个循环铺层周期中相邻炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层之间的夹角按照铺层先后顺序分别为0°和90°时，n＝2；当每一个循环铺层周期中相邻炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层之间的夹角按照铺层先后顺序分别为0°、+45°、90°和-45°时，n＝4。
5.按照权利要求2或3所述的一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征在于：步骤一中当每一个循环铺层周期中相邻炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层之间的夹角按照铺层先后顺序分别为0°和90°时，f＝30％±2％。
6.按照权利要求1、2或3所述的一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征在于：步骤一中所述径向针刺的针刺密度为30针/cm2±10针/cm2。
7.按照权利要求1、2或3所述的一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征在于：步骤三中进行高温处理时的高温处理温度为1500℃～2300℃。
8.按照权利要求1、2或3所述的一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征在于：步骤三中所述的高温处理炉为石墨化炉，且所用惰性气体为氩气。
9.按照权利要求1、2或3所述的一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征在于：步骤201中进行气相沉炭致密处理时，还需采用CVI沉炭专用工装对被处理的预制增强体进行装配，所述工装的材质为石墨或C/C复合材料。
10.按照权利要求1、2或3所述的一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征在于：步骤202中所浸渍的C/C复合材料树脂为糠酮树脂。
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