CN111308592A

CN111308592A - 大口径复合材料反射镜的制备方法

Info

Publication number: CN111308592A
Application number: CN202010221166.1A
Authority: CN
Inventors: 程路超; 高昕; 刘震宇; 余毅
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2040-03-26
Also published as: CN111308592B

Abstract

本发明公开一种大口径复合材料反射镜的制备方法，首先，将根据待制备的大口径复合材料反射镜的口径、曲率确定基本单元的尺寸、形状和数量；其次，依据基本单元的尺寸与形状加工出数量为基本单元两倍的单元模具；然后，根据基本单元模具采用真空袋制备工艺、RTM工艺或模压成型工艺制备出数量为基本单元两倍的碳纤维复合材料模具；之后，将全部数量的碳纤维复合材料模具制备成两个大口径复合材料反射镜模具，最后，采用真空袋工艺将两个大口径复合材料反射镜模具制备为大口径复合材料反射镜镜坯；在大口径复合材料反射镜镜坯的表面进行镀膜，制备大口径复合材料反射镜。利用本发明能够降低大口径复合材料反射镜的制备成本及难度。

Description

大口径复合材料反射镜的制备方法

技术领域

本发明涉及光学元件制备技术领域，特别涉及一种大口径复合材料反射镜的制备方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，为了实现看的更远更清晰的目标，光学观测设备趋于大口径化，大口径反射镜的制备能力不足是制约光学观测设备性能提升的主要因素之一。如何低耗费快速的制备出大口径反射镜成为迫切需要解决的问题。已有的单体反射镜制备口径有限，且制备费用较高，另一种通过拼接的方式制备大口径反射镜的方法也受制于材料的重量或子单元反射镜合成大口径反射镜的装调复杂度。

随着复合材料生产制备技术的不断进步，及其自身所具有的低密度、高比刚度、可设计性强等特点，使其成为大口径、轻量化反射镜的重要备选基材之一。由于复合材料一般需要通过复制模具的表面精度实现复合材料反射镜的制备，而制备大口径反射镜的模具相较于制备模具材料一致的大口径反射镜难度和费用相当，成为制约大口径复合材料反射镜制备的主要影响因素之一。

基于此，亟需一种快速、低耗费的大口径复合材料反射镜的制备方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出了一种新的大口径复合材料反射镜的制备方法，以解决传统的复合材料反射镜的制备方法存在难度大、费用高、周期长的问题。

本发明提供的大口径复合材料反射镜的制备方法，包括如下步骤：

S1、根据待制备的大口径复合材料反射镜的口径、曲率确定基本单元的尺寸、形状和数量；

S2、依据基本单元的尺寸与形状加工出数量为基本单元两倍的单元模具；其中，单元模具分为单元模具上模和单元模具下模；

S3、在每个单元模具上模和每个单元模具下模的表面分别涂抹脱模剂，根据铺层设计方案在每个单元模具上模涂抹脱模剂的表面铺贴碳纤维复合材料预浸料，再将每个单元模具下模盖于对应的碳纤维复合材料预浸料的上方，制备出数量为基本单元两倍的碳纤维复合材料模具；

S4、将全部数量的碳纤维复合材料模具均分后分别粘接形成两个整体模具，按照待制备的大口径复合材料反射镜的轮廓对两个整体模具的边缘进行切割；

S5、在切割后两个整体模具的表面涂抹脱模剂，根据铺层设计方案分别在两个整体模具的表面铺贴碳纤维复合材料预浸料，制备大口径复合材料反射镜上模和大口径复合材料反射镜下模；

S6、采用真空袋工艺将大口径复合材料反射镜上模和大口径复合材料反射镜下模制备为大口径复合材料反射镜镜坯；

S7、在大口径复合材料反射镜镜坯的表面进行镀膜，制备大口径复合材料反射镜。

优选地，基本单元为六边形、五边形、四边形或三角形。

优选地，铺层设计方案符合准各向同性原则。

优选地，碳纤维复合材料预浸料为M40、T300、T600、T700或T800。

优选地，采用真空袋制备工艺、RTM工艺或模压成型工艺制备碳纤维复合材料模具。

优选地，采用步骤S1-S3的方式制备蜂窝结构的碳纤维复合材料中间层，并将碳纤维复合材料中间层叠放在大口径复合材料反射镜上模与大口径复合材料反射镜下模之间，进行大口径复合材料反射镜镜坯的制备。

本发明能够取得以下技术效果：

1、采用低成本的方式制备出多个碳纤维复合材料模具，再组装成大口径复合材料反射镜模具，以此来制备大口径复合材料反射镜，可以极大的降低制备成本；

2、单个碳纤维复合材料模具的制作难度要低于大口径反射镜的制备模具极大的降低制备难度，缩短生产周期；

3、制备的蜂窝结构的碳纤维复合材料中间层可以减轻大口径反射镜的整体重量。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的大口径复合材料反射镜的制备方法的流程示意图；

图2是根据本发明一个实施例的基本单元的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的碳纤维复合材料模具的结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的碳纤维复合材料模具边缘修正后的结构示意图。

其中的附图标记包括：基本单元1、单元模具2、碳纤维复合材料预浸料3、碳纤维复合材料模具4。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

为了解决现有的大口径复合材料反射镜制备方法制备难度大、成本高的问题，本发明将制备大口径复合材料反射镜的大模具化整为零，制作多个单体的复合材料模具最后组装成大模具，这样做的目的，一是单体的复合材料较小，制备简单，可以极大的降低制备大模具的难度；二是单体的复合材料模具制备成本低，可以极大的降低大口径复合材料反射镜的制备成本。

图1示出了根据本发明一个实施例的大口径复合材料反射镜的制备方法的流程。

如图1所示，本发明实施例提供的大口径复合材料反射镜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、根据待制备的大口径复合材料反射镜的口径、曲率确定基本单元的尺寸、形状和数量。

本发明可以根据大口径复合材料反射镜的口径、曲率将大口径复合材料反射镜成多个基本单元可以为六边形、五边形、四边形或三角形等等。下面以六边形为例进行说明，其他边形的基本单元同理可得。

如图2所示，制备口径为2m、厚度为200mm的平面反射镜，可以将平面反射镜分割成37个边长为200mm的六边形基本单元1。

步骤2、依据基本单元的尺寸与形状加工出数量为基本单元两倍的单元模具；其中，单元模具分为单元模具上模和单元模具下模。

单元模具为具有传热效率高的铟钢金属模具，铟钢金属模具的热膨胀系数与待铺贴在其上的碳纤维复合材料预浸料的热膨胀系数一致。铟钢金属模具的数量为74个，每个铟钢金属模具中的铟钢金属模具上模与铟钢金属模具下模的厚度分别为30mm。

铟钢金属模具的表面加工精度要优于待制备的大口径复合材料反射镜的镜面面形精度，以保证所制备出的碳纤维复合材料模具精度也优于要待制备的大口径复合材料反射镜的镜面面形精度。

步骤3、在每个单元模具上模和每个单元模具下模的表面分别涂抹脱模剂，根据铺层设计方案在每个单元模具上模涂抹脱模剂的表面铺贴碳纤维复合材料预浸料，再将每个单元模具下模盖于对应的碳纤维复合材料预浸料的上方，制备数量为基本单元两倍的碳纤维复合材料模具。

碳纤维复合材料预浸料的级数可以为M40、T300、T600、T700或T800等等，碳纤维复合材料预浸料的厚度为0.125mm。

依据经典层合板理论和有限元变形分析确定碳纤维复合材料预浸料的铺层设计方案，铺层设计方案要符合准各向同性原则，要保证整体变形小于

铺层角度可以设计为不同的角度，铺层顺序也可以进行调换。例如：[0 90 45 -45]_20S、[0 45 90 -45]_20S，总厚度为20mm。

因此，步骤2中铟钢金属模具的表面加工精度的表面加工精度要优于

制备一块碳纤维复合材料模具的过程为：在铟钢金属模具2的铟钢金属模具上模和铟钢金属模具下模的表面分别涂抹脱模剂后，将裁剪好的正六边形的碳纤维复合材料预浸料3按照铺层角度[0 90 45 -45]_20S分别铺贴于铟钢金属模具上模涂抹脱模剂的表面，在铺贴完毕后，将铟钢金属模具下模盖于碳纤维复合材料预浸料的上方，与铟钢金属模具上模的边缘对齐，形成如图3所示的夹层结构，进而采用真空袋制备工艺、RTM工艺或模压成型工艺制备碳纤维复合材料模具。

按照上述方式共计制备面形精度满足要求的74块碳纤维复合材料模具。

步骤4、将全部数量的碳纤维复合材料模具均分后分别粘接形成两个整体模具，按照待制备的大口径复合材料反射镜的轮廓对两个整体模具的边缘进行切割。

将74块碳纤维复合材料模具中的37块粘接形成一个整体模具，剩下的37块粘接形成另一个整体模具。

从图2中可以看出，整体模具中的36块形成待制备的大口径复合材料反射镜的边缘，按照待制备的大口径复合材料反射镜的轮廓对该36块碳纤维复合材料模具4进行切割，如图4所示，使两个整体模具的外形与待制备的大口径复合材料反射镜的外形保持一致。

步骤5、在切割后两个整体模具的表面涂抹脱模剂，根据铺层设计方案分别在两个整体模具的表面铺贴碳纤维复合材料预浸料，制备大口径复合材料反射镜上模和大口径复合材料反射镜下模。

碳纤维复合材料预浸料可以为M40、T300、T600、T700或T800等等。

铺层设计方案中碳纤维复合材料预浸料的铺层角度为[0 90 45 -45]_20S，碳纤维复合材料预浸料的厚度为20mm。

大口径复合材料反射镜上模和大口径复合材料反射镜下模形成大口径复合材料反射镜模具，其表面加工精度优于

步骤6、采用真空袋工艺将大口径复合材料反射镜上模和大口径复合材料反射镜下模制备为大口径复合材料反射镜镜坯。

为了减轻大口径复合材料反射镜镜坯的重量，大口径复合材料反射镜镜坯优选采用夹层结构，即在大口径复合材料反射镜上模和大口径复合材料反射镜下模之间叠放有蜂窝结构的碳纤维复合材料中间层，蜂窝结构的碳纤维复合材料中间层可以减小大口径复合材料反射镜镜坯的整体重量。

碳纤维复合材料中间层的制备方法也是先制备蜂窝单体(边长为100mm，高度为160mm)，然后粘接和边缘修形，形成碳纤维复合材料中间层。蜂窝单体的制备方法参考上述步骤1-步骤3中碳纤维复合材料模具的制备方法。碳纤维复合材料中间层还可以购买市面上的成品。

步骤7、在大口径复合材料反射镜镜坯的表面进行镀膜，制备大口径复合材料反射镜。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种大口径复合材料反射镜的制备方法，包括如下步骤：

S2、依据所述基本单元的尺寸与形状加工出数量为所述基本单元两倍的单元模具；其中，所述单元模具分为单元模具上模和单元模具下模；

S3、在每个单元模具上模和每个单元模具下模的表面分别涂抹脱模剂，根据铺层设计方案在每个单元模具上模涂抹脱模剂的表面铺贴碳纤维复合材料预浸料，再将每个单元模具下模盖于对应的碳纤维复合材料预浸料的上方，制备数量为所述基本单元两倍的碳纤维复合材料模具；

S6、采用真空袋工艺将所述大口径复合材料反射镜上模和所述大口径复合材料反射镜下模制备为大口径复合材料反射镜镜坯；

S7、在所述大口径复合材料反射镜镜坯的表面进行镀膜，制备大口径复合材料反射镜。

2.根据权利要求1所述的大口径复合材料反射镜的制备方法，其中，所述基本单元为六边形、五边形、四边形或三角形。

3.根据权利要求1所述的大口径复合材料反射镜的制备方法，其中，所述铺层设计方案符合准各向同性原则。

4.根据权利要求1所述的大口径复合材料反射镜的制备方法，其中，所述碳纤维复合材料预浸料为M40、T300、T600、T700或T800。

5.根据权利要求1所述的大口径复合材料反射镜的制备方法，其中，采用真空袋制备工艺、RTM工艺或模压成型工艺制备所述碳纤维复合材料模具。

6.根据权利要求1所述的大口径复合材料反射镜的制备方法，其中，采用步骤S1-S3的方式制备蜂窝结构的碳纤维复合材料中间层，并将所述碳纤维复合材料中间层叠放在所述大口径复合材料反射镜上模与所述大口径复合材料反射镜下模之间，进行所述大口径复合材料反射镜镜坯的制备。