CN105643955A - 一种碳纤维复合材料空间光学镜面高精度复制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种碳纤维复合材料空间光学镜面高精度复制方法，特别是涉及球冠或类球冠曲面结构、碳纤维增强氰酸树脂复合材料的光学镜面产品，属于先进复合材料技术领域。该光学镜面为大口径球冠凹面结构，该镜面复制工艺根据面型精度和性能要求，经过工艺模拟分析及实验验证，确定合适的氰酸酯/碳纤维预浸料体系，以及预浸料铺放顺序；采用自动铺丝技术实现大尺寸曲面结构光学镜面的预浸丝铺放，精准控制预浸丝的铺放角度，保证全铺层角度的高质量复制；之后将完成铺层的预浸料进热压罐固化，固化得到复制出的高精度光学镜面。复制出镜面的面型精度高，重复一致性高；相对传统光学镜面的制造，复制技术的制造周期短，制造成本低。

Description

一种碳纤维复合材料空间光学镜面高精度复制方法
技术领域
本发明属于先进复合材料技术领域，涉及一种碳纤维复合材料空间光学镜面高精度复制方法。
背景技术
早在1981年，H.M.Weissman研究发现，采用薄环氧树脂层(25～100μm之间)可以复制出高精度的光学表面。之后这一技术被用于法国开展的CERGA项目的研究，该项目采用100μm厚的树脂层成功复制出0.5m和1m口径的纯环氧树脂反射镜，反射镜在可见光波段的微粗糙度为0.5nm，面型复制精度PV值≥λ/25(λ为可见光波长)。可见使用树脂层可以完全复制玻璃模具精度；薄树脂层可以复制出高精度要求的光学镜面。
NASA喷气推进实验室(JPL)在1988～1993年间开展了精密分块反射镜(PSR)项目的研究，使用碳纤维复合材料复制出用于红外、亚微米波长天文望远镜的分块反射镜，详细分析原材料、模具、胶粘剂、夹层结构芯材等复制工艺环节，并测试反射镜在加载和低温环境下的成像情况，取得了一系列的研究成果。PSR项目推动了碳纤维复合材料在超轻量反射镜上的应用研究。
之后欧美国家的相关科研机构开展了碳纤维复合材料反射镜的更为深入的碳纤维反射镜的应用基础研究和工程应用研究研究。在早期研究的基础上，美国复合材料光学制造公司(COI)、美国复合材料反射镜研究应用公司(CMA)、BALL宇航技术公司、伦敦大学学院UCL、NASA、JAXA等科研机构开展了碳纤维复合材料反射镜的多样及其系统的研究，并为碳纤维复合材料反射镜工程化应用积累了技术经验。碳纤维复合材料制造反射镜已经成为空间相机大型化和轻量化的核心技术之一。美国、日本，以及英国、德国等发达国家的科研人员在碳纤维复合材料反射镜方面的研究成果较多，形成了以RICH1反射镜、AMS-02RICH反射镜和ULTRA望远镜等项目为代表的高精度望远镜用反射镜的工程应用成果。
我国在碳纤维复合材料反射镜方面开展研究晚，研究基础较差，以及国外对我国的技术封锁，在一定程度上给研制带来不小难度。国内中国科学院上海技术物理研究所、长春光学精密机械与物理研究所、西安光学精密机械研究所，南京天文光学技术研究所，北京空间机电研究所，航天材料及工艺研究所等科研单位都开展了该方向的基础研究工作。由于难度系数高，国内研究进展缓慢。到目前为止仍停留在小试片级反射镜的研究，还没有成熟应用的报道；大口径反射镜的研制更是无明确研究计划。国内研究单位出于保密的缘故，鲜见CFRP反射镜的公开报道。关于该方向的应用基础研究需尽快加强。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了解决大尺寸高精度球冠或类球冠曲面结构光学镜面的制造问题，提出一种碳纤维复合材料空间光学镜面高精度复制方法；通过工艺模拟分析及实验验证的方法确定适合空间光学镜面用预浸料及其铺放顺序；采用自动铺丝技术实现大尺寸曲面结构反射镜的预浸丝铺放，精准控制预浸丝的铺放角度；加上采用热压罐进行复合材料的压实和固化，完成高精度碳纤维复合材料光学镜面的复制。
本发明的技术方案是：一种碳纤维复合材料空间光学镜面高精度复制方法，具体步骤为：
1)根据光学镜面的结构特点和面型精度，在模坯工作面采用高精度打磨抛光技术加工出高精度模具；
2)用数值模拟分析和实验验证的方法，设置光学镜面的准各向同性铺层顺序；根据光学镜面的产品厚度，确定所使用预浸料的厚度及铺层层数；
3)预浸料由碳纤维和树脂基体复合而成，采用热熔法制备；采用自动切丝机将预浸料裁切出预浸丝束；
4)根据镜面的尺寸，确定铺丝路径的预浸丝束数，预浸丝束宽度在6.4mm～101.6mm之间；将步骤3)制备的预浸丝，采用自动铺丝设备按照同一的路径设定将丝束铺放于模具表面，镜面铺丝路径不变；将每一铺层顺序角度通过旋转模具来实现需要铺放预浸丝层的铺层角度；第一层铺层完成，以及之后每铺贴完3～5层都对铺有预浸料的模具进行抽真空压实；
5)若光学镜面厚度≤2mm，按照步骤4)进行操作，得到待固化产品，跳转至步骤6)；若光学镜面厚度＞2mm，当步骤4)完成2/3铺层的镜面进行吸胶，吸胶采用随型外阴模，然后再完成剩余部分的铺层，得到待固化产品；
6)将步骤5)得到的待固化产品包覆辅助材料，并固定固化外阴模，然后将产品放入热压罐内，对待固化产品抽真空固化，得到光学镜面。
所述光学镜面为类球冠或球冠曲面结构，镜面厚度为0.5mm～5mm之间。
预浸料制作用的纤维为模量值≥280GPa的高模或超高模级别碳纤维。
步骤5)中吸胶是在热压罐内进行，采用刚性阴模，吸胶温度90℃～110℃，吸胶时间20min～80min，热压罐内压力0.1MPa～0.3Mpa；吸胶过程中对待吸胶的产品进行抽真空。
步骤6)中固化过程是在热压罐内进行的，固化温度170℃～180℃，固化时间3h～6h，热压罐内压力0.3MPa～0.6Mpa。
步骤1)中所述模具为金属、复合材料或超低膨胀系数玻璃。
所使用的预浸料的单层厚度在0.03～0.20mm之间，树脂含量在30％～45％之间；所使用的预浸料的固化温度为以下三种中的任意一种：①低温固化，固化温度在90℃～100℃，②中温固化，固化温度在120℃～130℃，③高温固化，固化温度在170℃～180℃。
本发明与现有技术相比的优点在于：
一种碳纤维复合材料空间光学镜面高精度复制方法，采用工艺模拟结合实验验证，再反馈优化的方法得到合适的预浸料参数及铺层顺序；镜面铺放可实现轨迹的往复铺放。可以复制出多块光学镜面，复制精度高；研制的光学镜面为国内首次实现大尺寸球冠曲面结构镜面的预浸丝铺放，该镜面的面型精度和热稳定性初步满足一定设计要求。该技术可以精准控制曲面结构镜体的预浸丝铺放角度，全铺层角度高质量成型，镜面质量重复性高。此项新型复制技术可实现高精度复合材料光学镜面的制造，可以推广至整个光学镜面、反射镜的制造中，扩大在光学系统的应用。
附图说明
图1为复合材料光学镜面复制示意图；
图2为研制出的光学镜面图。
具体实施方式
下面对本发明进行具体描述。
本发明一种碳纤维复合材料空间光学镜面高精度复制技术，具体步骤为：
1)复制模具设计和制作
根据光学镜面的结构特点和面型精度等要求，在不锈钢模坯工作面采用高精度打磨抛光技术加工出高精度不锈钢模具，模具面型精度PV＝1μm，RMS＝0.1μm，满足光学镜面对复制模具的精度要求。
2)预浸料参数及镜面铺层顺序设计
根据光学镜面的力学性能要求，特别是结构刚性的要求，使用数值模拟分析和实验验证的方法，设计镜面的铺层顺序。铺层顺序设计为[45/-45/0/90/22.5/67.5/-22.5/-67.5]S。设计的预浸料的单层厚度为0.1mm，树脂含量约在34％～38％，固化温度为高温固化，固化温度在170℃～180℃。
3)预浸丝裁切
预浸料由碳纤维和树脂基体复合而成，采用热熔法制备。采用自动切丝机将预浸料裁切出标准丝束。
4)自动铺丝技术铺放预浸丝
根据镜面的尺寸，确定铺丝路径的丝束数，丝束宽度为12.8mm。将步骤3)制备的预浸丝，采用自动铺丝设备按照同一的路径设定将12.8mm宽丝束铺放于模具表面，镜面铺丝路径不变；将每一铺层顺序角度通过旋转模具来实现需要铺放预浸丝层的铺层角度。铺层过程中，分别在完成第1、5、9、13和16层铺层后进行3次抽真空压实。镜面厚度<2mm，不进热压罐压实。
5)固化
将步骤4)得到的待固化产品包覆辅助材料，并固定刚性外阴模，然后将产品放入热压罐内，对待固化产品抽真空固化，得到光学镜面。
该碳纤维复合材料空间光学镜面，镜面直径Φ600mm±0.5mm；R＝1600mm，厚度为2mm。
镜面制造材料使用的树脂基体为氰酸酯树脂。预浸料制作用的纤维为日本东丽的T800碳纤维，还可以使用如日本东丽的M40J、M55J，美国Hexcel的IM7、HM63等。
步骤5)中固化过程是在热压罐内进行的，固化温度175℃，固化时间6h，热压罐内压力0.6Mpa。
此复制技术，采用工艺模拟分析及实验验证，确定合适的氰酸酯/碳纤维预浸料体系，以及预浸料厚度和铺放顺序；采用自动铺丝技术实现大尺寸曲面结构光学镜面的预浸丝铺放，精准控制预浸丝的铺放角度，保证全铺层角度的高质量复制。复制出镜面的面型精度高，重复一致性高；并且相对传统光学镜面的制造，此复制技术的制造周期短，制造成本低。复制的光学镜面如图2所示，镜面的面型精度和热稳定性初步满足一定精度要求。

Claims (7)

1.一种碳纤维复合材料空间光学镜面高精度复制方法，其特征在于：具体步骤为：
1)根据光学镜面的结构特点和面型精度，在模坯工作面采用高精度打磨抛光技术加工出高精度模具；
2)利用数值模拟分析和实验验证的方法，设置光学镜面的准各向同性铺层顺序；根据光学镜面的产品厚度，确定所使用预浸料的厚度及铺层层数；
3)预浸料由碳纤维和树脂基体复合而成，采用热熔法制备；采用自动切丝机将预浸料裁切出预浸丝束；
4)根据镜面的尺寸，确定铺丝路径的预浸丝束数，预浸丝束宽度在6.4mm～101.6mm之间；将步骤3)制备的预浸丝，采用自动铺丝设备按照同一的路径设定将丝束铺放于模具表面，镜面铺丝路径不变；将每一铺层顺序角度通过旋转模具来实现需要铺放预浸丝层的铺层角度；第一层铺层完成，以及之后每铺贴完3～5层都对铺有预浸料的模具进行抽真空压实；
5)若光学镜面厚度≤2mm，按照步骤4)进行操作，得到待固化产品，跳转至步骤6)；若光学镜面厚度＞2mm，当步骤4)完成2/3铺层的镜面进行吸胶，吸胶采用随型外阴模，然后再完成剩余部分的铺层，得到待固化产品；
6)将步骤5)得到的待固化产品包覆辅助材料，并固定固化外阴模，然后将产品放入热压罐内，对待固化产品抽真空固化，得到光学镜面。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料空间光学镜面高精度复制方法，其特征在于：所述光学镜面为类球冠或球冠曲面结构，镜面厚度为0.5mm～5mm之间。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料空间光学镜面高精度复制方法，其特征在于：预浸料制作用的纤维为模量值≥280GPa的高模或超高模级别碳纤维。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料空间光学镜面高精度复制方法，其特征在于：步骤5)中吸胶是在热压罐内进行，采用刚性阴模，吸胶温度90℃～110℃，吸胶时间20min～80min，热压罐内压力0.1MPa～0.3Mpa；吸胶过程中对待吸胶的产品进行抽真空。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料空间光学镜面高精度复制方法，其特征在于：步骤6)中固化过程是在热压罐内进行的，固化温度170℃～180℃，固化时间3h～6h，热压罐内压力0.3MPa～0.6Mpa。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料空间光学镜面高精度复制方法，其特征在于：步骤1)中所述模具为金属、复合材料或超低膨胀系数玻璃。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料空间光学镜面高精度复制方法，其特征在于：所使用的预浸料的单层厚度在0.03～0.20mm之间，树脂含量在30％～45％之间；所使用的预浸料的固化温度为以下三种中的任意一种：①低温固化，固化温度在90℃～100℃，②中温固化，固化温度在120℃～130℃，③高温固化，固化温度在170℃～180℃。
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