CN106199794B - 一种碳纤维反射镜的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纤维反射镜的制备工艺，属于光学元件制备技术领域。解决了现有技术中碳纤维反射镜的制备工艺不适合大口径球面镜及非球面镜的制备，且制备的碳纤维反射镜面形精度低的技术问题。本发明的工艺是先分别采用相应的模具制备反射镜基体和反射镜面板，在制备过程中，采用[Q6]_s准各向同性铺层方式铺设碳纤维铺层，且采用真空注射成型工艺在反射镜面板上附着树脂层；然后将反射镜基体和反射镜面板粘接，得到反射镜镜坯，最后依次经检测、镀膜、抛光，完成碳纤维反射镜的制备。该工艺操作简单、易复制，不受反射镜形状限制，制备的碳纤维反射镜性能可靠、稳定性好、面形精度高、低重量，在空间遥感技术领域具有广阔的应用前景。

Description

一种碳纤维反射镜的制备工艺

技术领域

本发明涉及一种碳纤维反射镜的制备工艺，属于光学元件制备技术领域。

背景技术

碳纤维反射镜具有密度低、热性能优良、高比强度和高比刚度等优点，既可以制成薄型结构，也可以制成中空结构(如蜂窝结构)，因此，相比于金属反射镜及玻璃反射镜等，更能满足光学反射镜轻量化的要求，所以，近年来，在光学遥感领域应用尤其广泛。

现有技术中，碳纤维反射镜的制备工艺是在碳纤维反射镜基体上粘接光学薄玻璃反射镜面。如中国科学院上海技术物理研究所的彭文臣等人发表于《光学技术》上的碳纤维复合材料制造轻质量空间光学反射镜的工艺。该工艺首先采用模压成型工艺制备碳纤维反射镜基体1；然后使用粘胶材料在碳纤维反射镜基体1的表面粘接6mm厚的微晶玻璃薄层2，并充分固化；最终对微晶玻璃薄层2进行光学加工(研磨、抛光)，完成轻质量空间光学反射镜的制备，反射镜结构如图1所示。该工艺能够制备口径为260mm×190mm平面反射镜，且反射镜的最终面形精度能够达到λ/4(λ＝632.8nm)；但是，由于碳纤维、粘胶材料与微晶玻璃的热膨胀系数不匹配，以及粘胶材料胶层固化过程中的收缩都会导致在碳纤维反射镜基体1与微晶玻璃薄层2的外圆粘接处产生微裂纹或起皱现象，严重影响反射镜的面形精度，因此该制备工艺不适合大口径的球面镜及非球面镜的制备；而且该工艺制备的反射镜的精度虽然能够达到中红外光学系统的应用要求，但对于可见光波段光学系统的应用还相差甚远。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中碳纤维反射镜的制备工艺不适合大口径球面镜及非球面镜的制备，且制备的碳纤维反射镜面形精度低的技术问题，提供一种碳纤维反射镜的制备工艺。

本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下。

一种碳纤维反射镜的制备工艺，步骤如下：

步骤一、包括反射镜基体和反射镜面板的制备：

所述反射镜基体的制备为：先根据待制备的碳纤维反射镜制备反射镜基体模具，然后在反射镜基体模具上涂覆脱模剂，得到脱模层，并在脱模层上铺设多层碳纤维织布，铺设完成后，在真空室温下，模压成型，充分固化，释放应力，得到第一碳纤维铺层，最后脱模，研磨，得到反射镜基体；

所述反射镜面板的制备为：先根据待制备的碳纤维反射镜制备反射镜面板模具，然后在反射镜面板模具上涂覆脱模剂，得到脱模层，并在真空室温条件下，采用注射成型工艺在脱模层上均匀附着0.2～0.3mm的树脂，充分固化，释放应力，得到树脂层，最后在树脂层上铺设多层碳纤维织布，铺设完成后，在真空室温下，采用预浸料成型工艺对所述多层碳纤维织布成型，充分固化，释放应力，形成第二碳纤维铺层，得到未脱模的反射镜面板；

所述碳纤维织布的编织方式均为[0°，90°]、[60°，-30°]和[30°，-60°]三种，第一碳纤维铺层和第二碳纤维铺层的铺层方式均为[Q6]s，[Q6]s表示三种编织形式的碳纤维织布交替排布，交替方式为[0°，90°，60°，-30°，30°，-60°]、[60°，-30°，0°，90°，30°，-60°]或[-60°，30°，90°，0°，60°，-30°]；

步骤二、将反射镜基体粘接在第二碳纤维铺层上，充分固化，释放应力，脱模，得到反射镜镜坯；

步骤三、检测反射镜镜坯的面板轮廓度，如果轮廓度在5μm以内，进行步骤四，如果轮廓度大于5μm，研磨面板，重复步骤三；

步骤四、采用非金属电镀工艺在树脂层上镀制20～25μm厚的金属层；

步骤五、对金属层抛光，完成碳纤维反射镜的制备。

进一步的，所述步骤一中，反射镜基体的制备还包括：在反射镜基体上粘接预埋件，充分固化，释放应力。

进一步的，所述步骤一中，反射镜基体模具的材料为殷钢，反射镜面板模具的材料为光学玻璃。

进一步的，所述步骤一中，树脂为环氧树脂。

进一步的，所述步骤一中，充分固化的固化时间均为72h以上，释放应力的时间均为3-5天。

进一步的，所述步骤二中，粘接材料、反射镜基体材料和第二碳纤维铺层材料的膨胀系数相同。

进一步的，所述步骤二中，粘接材料为环氧树脂。

进一步的，所述步骤四中，金属层的材料为镍。

进一步的，所述步骤四中，所述非金属电镀的电流密度为2.5～3A/dm²。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的碳纤维反射镜的制备工艺，采用反射镜基体与反射镜面板单独成型的方法，保证了反射镜面板的刚度及面形；

本发明的碳纤维反射镜的制备工艺，在碳纤维面板上附着树脂层，防止纤维印透，且树脂层采用真空注射成型，保证了树脂层的均匀性和稳定性，相比于现有技术，能够将碳纤维反射镜的面形误差缩小将近一个数量级，为获得高质量的面形精度提供了技术保障；

本发明的碳纤维反射镜的制备工艺，采用碳纤维织布形式及[Q6]s的铺设方式制备碳纤维铺层，不仅保证了碳纤维铺层的均匀性，提高了其承载能力，同时也可以降低表面印透现象；

总之，本发明的碳纤维反射镜的制备工艺操作简单、易复制，制备工艺不受反射镜形状限制，尤其能够制备大口径球面镜及非球面镜，且制备的碳纤维反射镜性能可靠、稳定性好、面形精度高、低重量，在空间遥感技术领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是现有技术中的碳纤维反射镜的结构示意图；

图2是本发明实施例1的碳纤维反射镜的结构示意图；

图3是图2中碳纤维反射镜的半剖视图；

图4是图2中碳纤维反射镜轻量化结构的剖视图；

图5是本发明中碳纤维反射镜的制备工艺流程图；

图6是本发明中碳纤维反射镜的制备工艺示意图；

图7是本发明中碳纤维铺层方式示意图(X向、Z向、Y向两两垂直，Y向垂直纸面向里)；

图8是图7中碳纤维织布[0°，90°]的结构示意图；

图中，1、碳纤维反射镜基体，2、微晶玻璃薄层，3、反射镜基体，4、反射镜面板，5、粘接预埋件。

具体实施方式

以下结合附图2-8进一步说明本发明。

一种碳纤维反射镜的制备工艺，包括反射镜基体3的制备、反射镜面板4的制备、粘接、检测、镀膜及抛光，具体步骤如下：

步骤一、反射镜基体3的制备

1a)根据待制备的碳纤维反射镜制备反射镜基体模具；

上述制备过程为本领域技术人员熟知常识，没有特殊要求；一般为保证反射镜面板4的精度，反射镜基体模具采用高精度加工；为使制备的反射镜基体3轻量化，反射镜基体模具优选采用具有三角形轻量化设计的模具，如图4，该设计为现有技术；反射镜基体模具的材料优选采用殷钢；

1b)在反射镜基体模具的表面涂覆脱模剂，得到脱模层；

1c)在脱模层的表面铺设多层碳纤维织布，铺设完成后，在真空室温下，模压成型(模压成型能够保证反射镜基体3表面平整光洁、致密)，固化72h以上，并静置3～5天释放应力，得到第一碳纤维铺层，脱模，反射镜基体模具去除，研磨，得到反射镜基体3；

其中，碳纤维铺层的铺层方式能够决定碳纤维铺层的性能，进而影响反射镜基体3和反射镜面板4的性能，最终影响碳纤维反射镜的性能。经发明人分析，单向的碳纤维铺层在受到热载荷作用时会发生严重的变形，因此为了使碳纤维反射镜在力热耦合条件下表现出较好的力学特性，本发明采用的铺层方式为各向同性，该铺层方式能够保证铺层各向力学性能近似相同，进而保证碳纤维反射镜在力热载荷共同作用时发生较小的变形。现有技术中，碳纤维铺层常用的准各向同性铺层形式有[Q2]_s(如[0°，90°]_s)，[Q4]_s(如[0°,90°,45°,-45°]_s)及[Q6]_s(如[0°，90°，60°，-30°，30°，-60°]_s)，经发明人分析，[Q6]_s铺层方式能够较好的承载力热载荷并保证碳纤维反射镜的面形，因此本发明中碳纤维铺层的铺层方式采用[Q6]_s铺层形式。在选择碳纤维铺层的方式时，如果直接采用单向碳纤维预浸料形成[Q6]_s铺层，制备的碳纤维铺层的均匀性差，承载弱，印透现象明显，因此经发明人分析后，本发明采用碳纤维织布作为铺层材料，如图7所示，碳纤维织布的编织方式为[0°，90°](示意图见图8)、[60°，-30°]和[30°，-60°]，上述三种编织方式的碳纤维织布交替排布，形成第一碳纤维铺层，起始碳纤维织布的编织方式没有限制，即交替方式可以为[0°，90°，60°，-30°，30°，-60°]，也可以为[60°，-30°，0°，90°，30°，-60°]，还可以为[-60°，30°，90°，0°，60°，-30°]等等，只要满足[Q6]_s铺层形式即可。制备第一碳纤维铺层时铺设的碳纤维织布的具体层数根据待制备的反射镜基体3的厚度确定，即层数为反射镜基体3的厚度除以每层碳纤维织布的厚度，如每层碳纤维织布的厚度为0.25mm，待制备的反射镜基体3的厚度为5mm，那么铺设碳纤维织布的层数即为20层，如果反射镜基体3的厚度无法整除每层碳纤维织布的厚度，那么如果余数大于5，则再铺一层碳纤维织布，如果余数小于5，则不再铺设，如果余数刚好为5，则可以再铺一层也可以不再铺设，即铺设多层碳纤维织布，至碳纤维织布的厚度之和与碳纤维基体3的厚度最接近。采用这种编织方式的碳纤维织布不仅使得碳纤维铺层的属性匀称，而且使其具有较好的稳定性及承受载荷的能力，同时也降低碳纤维铺层的表面印透现象，通常使用的碳纤维织布的厚度为0.25mm。碳纤维织布为现有技术，即浸润树脂的碳纤维经过正交穿插编织而成的材料，如[0°，90°]，为0°和90°碳纤维预浸料编织的材料，树脂一般为环氧树脂，本实施方式中，可以采用碳纤维原丝制备碳纤维织布，也可以商购获得。

1d)在反射镜基体3上粘接预埋件5，固化72h以上，并静置3～5天释放应力，备用；

需要说明的是，粘接预埋件5不是必须的，如果反射镜有其他的支撑方式也可以不粘接预埋件5，粘接预埋件5的形状结构也没有特殊限制，可以根据本领域技术人员的常用结构进行选择；本实施方式的粘接预埋件5为三个，圆周均布设置，粘接预埋件5的材料为与反射镜基体3的热膨胀系数匹配的殷钢；

步骤二、反射镜面板4的制备；

2a)根据待制备的碳纤维反射镜制备反射镜面板模具，该过程为本领域技术人员熟知常识，没有特殊要求；一般为保证反射镜面板4的精度，反射镜面板模具采用高精度加工，模具表面研磨及抛光至满足反射镜的面形指标要求；反射镜面板模具的材料优选采用光学玻璃；

2b)在反射镜面板模具的表面涂覆脱模剂，得到脱模层；

2c)在真空室温条件下，采用注射成型工艺在脱模层的表面均匀附着树脂，固化72h，并静置3～5天释放应力，得到树脂层；

其中，树脂层的厚度为0.2～0.3mm，如果树脂层厚度小于0.2mm，则会存在印透现象，如果树脂层厚度大于0.3mm，则在固化过程中会产生较大的应力并且在树脂层表面产生微裂纹；树脂层的材料优选为环氧树脂；该树脂层能够保证反射镜面板4表面不会出现印透现象，进而为之后反射镜面板4的光学加工及改善面形质量提供有力的保证；

2d)在树脂层上铺设多层碳纤维织布，铺设完成后，在真空室温下，采用预浸料成型工艺成型对上述多层碳纤维织布成型，固化72h以上，并静置3～5天释放应力，形成第二碳纤维铺层，得到未脱模的反射镜面板；

其中，第二碳纤维铺层的铺层方式与第一碳纤维铺层铺设方式相同，如图7所示，其层数根据待制备的反射镜面板4的厚度确定，确定方式同第一碳纤维铺层的确定方式相同，即铺设多层碳纤维织布，至碳纤维织布的厚度之和与反射镜面板4的厚度最接近。优选两者材料也相同。第二碳纤维铺层能够决定反射镜面板4的性能，进而影响碳纤维反射镜的性能。

上述步骤一和步骤二的制备顺序可以根据需要调换或者同时进行，没有特殊限制，即可以先制备未脱模的反射镜面板，后制备反射镜基体3。

步骤三、粘接

将反射镜基体3粘接在第二碳纤维铺层的表面上，粘接材料一般采用膨胀系数与两者配合的环氧树脂，粘接完成后，清理反射镜基体3及未脱模的反射镜面板周边多余的碳纤维及粘胶材料，固化72h以上，真空条件下静置3～5天释放应力，脱模处理，反射镜面板模具分离，得到反射镜镜坯。

步骤四、检测

检测反射镜镜坯的面板轮廓度，如果轮廓度在5μm以内，进行步骤五，如果轮廓度大于5μm，研磨面板，重复步骤四；

步骤五、镀膜

采用非金属电镀工艺在树脂层的表面镀制金属层；

其中，金属层的厚度为20～25μm，如果厚度小于20μm，则不利于光学加工，如果厚度大于25μm，容易导致金属层与碳纤维反射镜脱离；金属层材料优选为镍；非金属电镀工艺为现有技术，通常需要将碳纤维反射镜镜坯干燥除湿、真空放气、粗化、敏化、活化处理后，在其表面镀导电层，使其成为一个均匀的导电体并防止其吸湿变形，然后再在导电层上电镀金属层；本发明电镀过程中控制电流密度为2.5～3A/dm²，既能保证金属层的性能，又能减小镀层的内应力。

步骤六、抛光

采用现有技术对金属层进行抛光，完成碳纤维反射镜的制备。

本发明中，各种材料膨胀系数的不同，会对最后反射镜面形精度造成影响，因此本发明采用的反射镜基体模具、反射镜基体3、反射镜面板模具、反射镜面板4、树脂层、脱模剂、粘结剂的材料均采用膨胀系数相同的材料。

本发明中模压成型、注射成型、预浸料成型、固化及应力释放皆采用真空室温条件是必须的，因为非室温环境会造成反射镜基体3变形或反射镜面板4变形，非真空环境会存在重力导致反射镜基体3或反射镜面板4变形。

实施例1

待设计的碳纤维反射镜的参数为:直径350mm，球面半径1510.7mm，要求反射镜的质量不超过2Kg，面形精度优于λ/30(λ＝632.8nm)；经优化设计，该碳纤维反射镜的径厚比为7.5:1，即反射镜的总厚度为47mm，反射镜基体采用三角形轻量化设计，壁厚及加强筋厚均为2mm，反射镜面板厚度为5mm。该反射镜的制备工艺如下：

步骤一、先采用殷钢为材料根据待制备的碳纤维反射镜制备三角形轻量化的反射镜基体模具，然后在反射镜基体模具的表面涂覆脱模剂HD-9182，得到脱模层，再在脱模层上铺设168层碳纤维织布(碳纤维织布由日本东丽公司的M40JB碳纤维浸润环氧树脂TED-85编织而成，每层碳纤维织布的厚度为0.25mm)，交替方式为[0°，90°](起始层)、[60°，-30°]和[30°，-60°]，铺设完成后，在真空室温下，模压成型，固化72h，并静置5天释放应力，得到第一碳纤维铺层(密度为1.78g·cm^-3，弹性模量为110Gpa，热膨胀系数为-1.23×10^-6/K)，最后脱模，研磨，得到反射镜基体3；然后将反射镜基体3研磨后，在反射镜基体3上粘接预埋件5，固化80h，并静置3天释放应力，备用。

步骤二、先采用光学玻璃为材料根据待制备的碳纤维反射镜制备反射镜面板模具，然后在反射镜面板模具上涂覆脱模剂，得到脱模层，再在真空室温条件下，采用注射成型工艺在脱模层表面均匀附着EX1551型环氧树脂，固化72h，并静置4天释放应力，得到树脂层；最后，在树脂层上铺设20层碳纤维织布，交替方式为[0°，90°]、[60°，-30°]和[30°，-60°]，每层碳纤维织布的厚度为0.25mm，铺设完成后，在真空室温下，采用预浸料成型工艺对铺设好的20层碳纤维织布成型，固化72h，并静置5天释放应力，形成第二碳纤维铺层，得到未脱模的反射镜面板。

步骤三、将反射镜基体3粘接在第二碳纤维铺层上，粘接材料为环氧树脂TED-85，粘接完成后，清理反射镜基体3及未脱模的反射镜面板周边多余的碳纤维材料及粘胶材料，固化72h后，在真空条件下静置5天释放应力后脱模，反射镜面板模具分离，得到反射镜镜坯。

步骤四、检测反射镜镜坯的面板轮廓度，轮廓度在5μm内；

步骤五、采用非金属电镀工艺在树脂层的表面镀制25μm厚的金属层，该过程电镀过程中电流密度为2.7A/dm²。

步骤六、对金属层进行抛光，完成碳纤维反射镜的制备。

经检测，实施例1制备的碳纤维反射镜的直径为356mm，重量仅为1.8kg，且反射镜表面无纤维印透现象，光学加工后其面形精度(RMS值)为0.026λ(λ＝632.8nm)，小于λ/30，镜面粗糙度(R_a值)为5nm，满足设计要求。

Claims (9)

1.一种碳纤维反射镜的制备工艺，其特征在于，步骤如下：

步骤一、包括反射镜基体(3)和反射镜面板(4)的制备：

所述反射镜基体(3)的制备为：先根据待制备的碳纤维反射镜制备反射镜基体模具，然后在反射镜基体模具上涂覆脱模剂，得到脱模层，并在脱模层上铺设多层碳纤维织布，铺设完成后，在真空室温下，模压成型，充分固化，释放应力，得到第一碳纤维铺层，最后脱模，研磨，得到反射镜基体(3)；

所述反射镜面板(4)的制备为：先根据待制备的碳纤维反射镜制备反射镜面板模具，然后在反射镜面板模具上涂覆脱模剂，得到脱模层，并在真空室温条件下，采用注射成型工艺在脱模层上均匀附着0.2～0.3mm的树脂，充分固化，释放应力，得到树脂层，最后在树脂层上铺设多层碳纤维织布，铺设完成后，在真空室温下，采用预浸料成型工艺对所述多层碳纤维织布成型，充分固化，释放应力，形成第二碳纤维铺层，得到未脱模的反射镜面板；

所述碳纤维织布的编织方式均为[0°，90°]、[60°，-30°]和[30°，-60°]三种，第一碳纤维铺层和第二碳纤维铺层的铺层方式均为[Q6]s，[Q6]s表示三种编织形式的碳纤维织布交替排布，交替方式为[0°，90°，60°，-30°，30°，-60°]、[60°，-30°，0°，90°，30°，-60°]或[-60°，30°，90°，0°，60°，-30°]；

步骤二、将反射镜基体(3)粘接在第二碳纤维铺层上，充分固化，释放应力，脱模，得到反射镜镜坯；

步骤三、检测反射镜镜坯的面板轮廓度，如果轮廓度在5μm以内，进行步骤四，如果轮廓度大于5μm，研磨面板，重复步骤三；

步骤四、采用非金属电镀工艺在树脂层上镀制20～25μm厚的金属层；

步骤五、对金属层抛光，完成碳纤维反射镜的制备。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维反射镜的制备工艺，其特征在于，所述步骤一中，反射镜基体(3)的制备还包括：在反射镜基体(3)上粘接预埋件(5)，充分固化，释放应力。

3.根据权利要求1或2所述的一种碳纤维反射镜的制备工艺，其特征在于，所述步骤一中，反射镜基体模具的材料为殷钢，反射镜面板模具的材料为光学玻璃。

4.根据权利要求1或2所述的一种碳纤维反射镜的制备工艺，其特征在于，所述步骤一中，树脂为环氧树脂。

5.根据权利要求1或2所述的一种碳纤维反射镜的制备工艺，其特征在于，所述步骤一中，充分固化的固化时间均为72h以上，释放应力的时间均为3-5天。

6.根据权利要求1或2所述的一种碳纤维反射镜的制备工艺，其特征在于，所述步骤二中，粘接材料、反射镜基体(3)材料和第二碳纤维铺层材料的膨胀系数相等。

7.根据权利要求1或2所述的一种碳纤维反射镜的制备工艺，其特征在于，所述步骤二中，粘接材料为环氧树脂。

8.根据权利要求1或2所述的一种碳纤维反射镜的制备工艺，其特征在于，所述步骤四中，金属层的材料为镍。

9.根据权利要求1或2所述的一种碳纤维反射镜的制备工艺，其特征在于，所述步骤四中，所述非金属电镀的电流密度为2.5～3A/dm²。