一种光学系统用全碳纤维复合材料反射镜及制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种光学系统用全碳纤维复合材料反射镜及其制造方法，将碳纤维复合材料用于制造反射镜各个组成部分，并胶接共固化得到全碳纤维复合材料反射镜，其抗变形性能强，热稳定性好，解决了反射镜与相机其他复合材料结构的温度匹配问题，此制造技术可以在短时间内制造出高精度的全碳纤维复合材料反射镜，相对传统反射镜的制造工艺，此技术制造周期短，制造成本低。
【专利说明】
一种光学系统用全碳纤维复合材料反射镜及制造方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种光学系统用全碳纤维复合材料反射镜及制造方法，属于先进复合材料技术领域。
【背景技术】
[0002]遥感是实现对军事目标实时和全天候侦查的主要手段，遥感相机的水平决定了一个国家国防的现代化水平，因而自从上世纪80年代以来，遥感相机在世界各个强国之间竞相发展，最具有代表性是美国的IKNOS、SP0T5、KH系列等相机，其分辨率已达0.2米的水平。随着遥感观测技术的发展，对地观测和空间探测要求的分辨率越来越高，相应的光学口径也越来越大。大口径、高分辨率反射镜已经成为空间遥感器发展的必然趋势。然而加大空间反射镜的光学口径，会引起反射镜重量和体积的增加，以及空间环境下抗热变形能力下降；同时还增加了发射成本。因此，轻量化是空间反射镜的必然选择，也是光学系统轻量化急需解决的瓶颈技术。
[0003]采用轻质高强的新材料能够满足轻质反射镜的设计要求。光学系统的轻量化需要制造材料具有高强度、高模量同时具有较低的密度。相对Zerodur、SiC等传统材料，碳纤维复合材料比刚度较高，热变形系数低，热稳定性最好；同时具有良好的工艺性和可设计性，成型工艺成熟，能够最大程度地实现反射镜的大口径和轻量化要求。CFRP材料不仅适用于制造反射镜，实现大口径反射镜的轻量化;同时可作为光学系统的镜座、基座以及支撑结构等制造材料，解决了反射镜与光学系统其他碳纤维复合材料结构的温度匹配问题。
[0004]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。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。关于该方向的应用基础研究需尽快加强。现有技术没有解决碳纤维复合材料反射镜自身的材料热匹配问题，也没有解决其与光学系统其他轻量化复合材料结构的热匹配问题。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题:为克服现有技术的不足，提供了一种光学系统用全碳纤维复合材料反射镜及制造方法，以解决碳纤维复合材料反射镜的热匹配问题。
[0006]本发明的技术解决方案:
[0007]—种光学系统用全碳纤维复合材料反射镜，自上而下包括均相层、镜面坯、蜂窝结构、背板以及周边包裹的边圈，
[0008]均相层为单层超短碳纤维增强复合材料，碳纤维质量含量为5%?10%，
[0009]镜面坯为超低纤维面密度的高模或超高模碳纤维复合材料，面密度为不大于100g/m2，镜面坯铺层为准各项同性铺层，
[0010]蜂窝结构、背板和边圈为同一中模或高模碳纤维复合材料，背板和边圈为多层结构，背板和边圈铺层为准各项同性铺层，
[0011]均相层、镜面坯、蜂窝结构、背板以及边圈通过胶黏剂胶接。
[0012]均相层材料为纳米碳纤维或碳纳米管增强的氰酸酯树脂复合材料。
[0013]均相层厚度不大于0.2mm。
[0014]均相层、镜面坯、蜂窝结构、背板以及边圈所使用的预浸料的单层厚度在0.03?
0.20mm之间，预浸料的树脂为吸湿率小于2%的环氧树脂或氰酸酯树脂，树脂含量在30%?45%之间。
[0015]胶黏剂为吸湿率小于2%的环氧树脂或氰酸酯树脂胶黏剂，树脂含量在30%?45%之间。
[0016]镜面坯材料的增强体为M40J、M55J或M60碳纤维。
[0017]蜂窝结构、背板和边圈材料的增强体为T800、M40J或M60碳纤维。
[0018]—种光学系统用全碳纤维复合材料反射镜制造方法，具体步骤为:
[0019](I)光学镜面层成型:制作模具，模具表面处理后精度PV彡0.1ym，RMS彡10nm，表面粗糙度RMS彡I Onm;
[0020]将纳米碳纤维或碳纳米管增强的氰酸酯树脂预制料铺贴在模具表面，在其上将超低纤维面密度的高模或超高模碳纤维预浸料以准各向同性铺层顺序铺贴，固化后得到待用的光学镜面层；
[0021](2)背板、边圈成型:制作背板、边圈平板模具，将多层中模或高模碳纤维预浸料以准各向同性铺层顺序铺贴在背板、边圈模具上，固化后得到待用的背板和边圈；
[0022](3)胶接:将镜面层、胶结用胶膜、蜂窝、胶结用胶膜、背板依次轴心对齐叠放，再将边圈安放其周围并限位，获得待固化产品；
[0023](4)将步骤(3)得到的待固化产品包覆隔离膜、无孔膜、透气毡、真空袋，进固化得到反射镜。
[0024]步骤(3)中蜂窝为带孔的织物，制造材料为碳纤维增强的氰酸酯复合材料。
[0025]步骤(I)及步骤(2)中固化的条件为:在90°C?10 V条件下低温固化或在120 V?130 0C条件下中温固化或在170 °C?180 °C条件下高温固化，固化时间3h?6h，在压力为
0.3MPa?0.6Mpa的热压罐内进行。
[0026]步骤(4)中固化的条件为:在90°C?10 °C条件下低温固化，或在120 °C?130 °C条件下中温固化，固化时间3h?6h，在压力为0.1MPa?0.4Mpa的热压罐内进行。
[0027]本发明与现有技术相比的有益效果:
[0028](I)本发明将碳纤维复合材料用于制造反射镜各个组成部分，并胶接共固化得到全碳纤维复合材料反射镜，其抗变形性能强，热稳定性好，解决了反射镜与相机其他复合材料结构的温度匹配问题，此制造技术可以在短时间内制造出高精度的全碳纤维复合材料反射镜，相对传统反射镜的制造工艺，此技术制造周期短，制造成本低；
[0029](2)本发明首次将全碳纤维蜂窝用作反射镜结构芯材，全碳纤维蜂窝质轻刚性高，可满足反射镜刚性高的设计要求；
[0030](3)本发明为国内首次尝试制造出空间相机系统用全碳纤维复合材料反射镜，此项制造技术可实现高精度复合材料反射镜的制造，能够推广至整个光学系统反射镜的制造，扩大高精度复合材料技术在光学系统中的应用。
【附图说明】
[0031]图1为本发明结构不意图；
[0032]图2为本发明制造流程图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述:
[0034]全碳纤维复合材料反射镜为复合材料蜂窝夹层结构，如图1所示，从上至下依次为均相层1、镜面坯2、碳纤维蜂窝结构3、背板4及周边包裹5。均相层I为单层超短碳纤维增强复合材料，其厚度不大于0.2mm，碳纤维质量含量为5 %?1 %，镜面坯2为超低纤维面密度的高模或超高模碳纤维复合材料，如M40J、M55J或M60，镜面坯2面密度为不大于100g/m2，镜面坯2铺层为准各项同性铺层，蜂窝结构3、背板4和边圈5为同一中模或高模碳纤维复合材料，如T800、M40J或M60，背板4和边圈5为多层结构，背板4和边圈5铺层为准各项同性铺层，碳纤维蜂窝结构3为带孔，织物形式。
[0035]均相层I材料为纳米碳纤维或碳纳米管增强的氰酸酯树脂复合材料。
[0036]均相层1、镜面坯2、蜂窝结构3、背板4以及边圈5所使用的预浸料的单层厚度在
0.03?0.20mm之间，预浸料的树脂为吸湿率小于2 %的环氧树脂或氰酸酯树脂，树脂含量在30%?45%之间。
[0037]均相层1、镜面坯2、蜂窝结构3、背板4以及边圈5通过胶黏剂胶接，胶黏剂为吸湿率小于2 %的环氧树脂或氰酸酯树脂，树脂含量在30 %?45 %之间。
[0038]—种光学系统用全碳纤维复合材料反射镜制造方法，其制造流程见图2，具体步骤为:
[0039](I)光学镜面层成型
[0040]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，具表面处理后精度PV彡0.Ιμπι，RMS彡1nm，表面粗糙度RMS彡1nm；模具材质可为不锈钢、殷钢、超低膨胀系数玻璃等;将纳米碳纤维或碳纳米管增强的氰酸酯树脂预制料铺贴在模具表面，在其上将超低纤维面密度的高模或超高模碳纤维预浸料以准各向同性铺层顺序铺贴，固化后得到待用的光学镜面层。
[0041](2)背板、边圈成型
[0042]根据反射镜的结构特点，背板采用阳模设计，边圈采用阴模设计，模具模具材质可为不锈钢、殷钢等。将多层中模或高模碳纤维预浸料以准各向同性铺层顺序铺贴在背板4、边圈5模具上，固化后得到待用的背板4和边圈5。
[0043](3)碳纤维复合材料反射镜胶接
[0044]将镜面层、板芯胶结用胶膜、碳纤维蜂窝、板芯胶结用胶膜、背板依次叠放，再将边圈安放其周围，将轴心对齐，安置在特制工装上，并使用销钉限位，保证固化过程中面板和蜂窝芯不偏芯，得到待固化产品。
[0045](4)将步骤(3)得到的待固化产品包覆辅助材料，包括隔离膜、无孔膜、透气毡、真空袋，进热压罐实现反射镜的胶接共固化，调节固化工艺参数从而控制热变形量，保证固化后反射镜的面型精度，共固化后得到全碳纤维复合材料反射镜。
[0046]上述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；
[0047]步骤(I)和步骤(2)中中固化过程是在热压罐内进行的，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°C?100°C，②中温固化，固化温度在120°C?130°C，③高温固化，固化温度在170 °C?180 °C。热压罐内固化时间3h?6h，热压罐内压力0.3MPa?
0.6Mpaο
[0048]步骤(4)中固化过程是在热压罐内进行的，固化温度为以下两种:①低温固化，固化温度在90 °C?100 °C，②中温固化，固化温度在120 °C?130 °C ;热压罐内固化时间3h?6h，热压罐内压力0.IMPa?0.4Mpa。
[0049]具体地:镜面坯2所使用的预浸料的单层厚度为0.09mm，树脂含量在40%;背板4、边圈5使用的预浸料的单层厚度为0.14mm，预浸料的树脂为吸湿率小于2%的环氧树脂，树脂含量在34%;碳纤维蜂窝3使用的预浸料，为带孔平纹织物形式，单层厚度为0.1mm，树脂含量在36%;胶黏剂为吸湿率小于2%的环氧树脂胶黏剂；
[0050]步骤(I)和步骤(2)中中固化过程是在热压罐内进行的，固化温度为中温固化，固化温度在120 °C?130 °C，热压罐内固化时间4h，热压罐内压力0.6Mpa。
[0051]步骤(4)中固化过程是在热压罐内进行的，固化温度为中温固化，固化温度在120°C?130 °C ;热压罐内固化时间3h，热压罐内压力0.3Mpa。
[0052]全碳纤维复合材料反射镜制造技术，将碳纤维复合材料用于制造反射镜各个组成部分，并胶接共固化得到全碳纤维复合材料反射镜。首次将质轻刚性高的全碳纤维蜂窝用作反射镜结构芯材;采用特制限位工装定位实现反射镜各组成部分的同轴。此制造技术可以在短时间内制造出高精度的全碳纤维复合材料反射镜;相对传统反射镜的制造工艺，此技术制造周期短，制造成本低。同时反射镜与轻量化光学系统的镜座、基座以及支撑结构等制造材料一致，解决了反射镜与相机其他复合材料结构的温度匹配问题。
[0053]本发明未公开内容为本领域技术人员公知常识。
【主权项】
1.一种光学系统用全碳纤维复合材料反射镜，其特征在于，自上而下包括均相层(I)、镜面坯(2)、蜂窝结构(3)、背板(4)以及周边包裹的边圈(5); 均相层(I)为单层超短碳纤维增强复合材料，碳纤维质量含量为5 %?10 % ; 镜面坯(2)为超低纤维面密度的高模或超高模碳纤维复合材料，面密度为不大于10g/m2，镜面坯(2)铺层为准各项同性铺层； 蜂窝结构(3)、背板(4)和边圈(5)为同一中模或高模碳纤维复合材料，背板(4)和边圈(5)为多层结构，背板(4)和边圈(5)铺层为准各项同性铺层； 均相层(I)、镜面坯(2)、蜂窝结构(3)、背板(4)以及边圈(5)通过胶黏剂胶接。2.如权利要求1所述的一种光学系统用全碳纤维复合材料反射镜，其特征在于，均相层(I)材料为纳米碳纤维或碳纳米管增强的氰酸酯树脂复合材料。3.如权利要求1所述的一种光学系统用全碳纤维复合材料反射镜，其特征在于，均相层(I)厚度不大于0.2mm。4.如权利要求1所述的一种光学系统用全碳纤维复合材料反射镜，其特征在于，均相层(1)、镜面坯(2)、蜂窝结构(3)、背板(4)以及边圈(5)所使用的预浸料的单层厚度在0.03?0.20mm 之间。5.如权利要求4所述的一种光学系统用全碳纤维复合材料反射镜，其特征在于，预浸料的树脂为吸湿率小于2%的环氧树脂或氰酸酯树脂。6.如权利要求5所述的一种光学系统用全碳纤维复合材料反射镜，其特征在于，预浸料树脂含量在30 %?45 %之间。7.如权利要求1所述的一种光学系统用全碳纤维复合材料反射镜，其特征在于，胶黏剂为吸湿率小于2%的环氧树脂或氰酸酯树脂。8.如权利要求7所述的一种光学系统用全碳纤维复合材料反射镜，其特征在于，胶黏剂树脂含量在30 %?45 %之间。9.如权利要求1所述的一种光学系统用全碳纤维复合材料反射镜，其特征在于，镜面坯(2)材料的增强体为M40J、M55 J或M60碳纤维。10.如权利要求1所述的一种光学系统用全碳纤维复合材料反射镜，其特征在于，蜂窝结构(3)、背板(4)和边圈(5)材料的增强体为T800、M40J或M60碳纤维。11.一种光学系统用全碳纤维复合材料反射镜制造方法，其特征在于:具体步骤为: (1)光学镜面层成型:制作模具，模具表面处理后精度?￥<0^111，1?^<1011111，表面粗糙度RMS彡1nm; 将纳米碳纤维或碳纳米管增强的氰酸酯树脂预制料铺贴在模具表面，在其上将超低纤维面密度的高模或超高模碳纤维预浸料以准各向同性铺层顺序铺贴，固化后得到待用的光学镜面层； (2)背板、边圈成型:制作背板(4)、边圈(5)平板模具，将多层中模或高模碳纤维预浸料以准各向同性铺层顺序铺贴在背板(4)、边圈(5)模具上，固化后得到待用的背板(4)和边圈(5)； (3)胶接:将镜面层、胶结用胶膜、蜂窝、胶结用胶膜、背板(4)依次轴心对齐叠放，再将边圈(5)安放其周围并限位，获得待固化产品； (4)将步骤(3)得到的待固化产品包覆隔离膜、无孔膜、透气毡、真空袋，进热压罐固化得到反射镜。12.如权利要求11所述的一种光学系统用全碳纤维复合材料反射镜制造方法，其特征在于:步骤(3)中蜂窝为带孔的织物，制造材料为碳纤维增强复合材料。13.如权利要求11所述的一种光学系统用全碳纤维复合材料反射镜制造方法，其特征在于:步骤(I)及步骤(2)中固化的条件为:在90 °C?100 0C条件下低温固化或在120 °C?1300C条件下中温固化或在170 °C?180 °C条件下高温固化，固化时间3h?6h，在压力为0.3MPa?0.6Mpa的热压罐内进行。14.如权利要求11所述的一种光学系统用全碳纤维复合材料反射镜制造方法，其特征在于:步骤(4)中固化的条件为:在90 °C?100 0C条件下低温固化，或在120 °C?130 °C条件下中温固化，固化时间3h?6h，在压力为0.1MPa?0.4Mpa的热压罐内进行。
【文档编号】G02B5/08GK106019436SQ201610607468
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月28日
【发明人】杨智勇, 张建宝, 唐占文, 孙宝岗
【申请人】航天材料及工艺研究所, 中国运载火箭技术研究院