一種光學(xué)系統(tǒng)用全碳纖維復(fù)合材料反射鏡及制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光學(xué)系統(tǒng)用全碳纖維復(fù)合材料反射鏡及其制造方法，將碳纖維復(fù)合材料用于制造反射鏡各個組成部分，并膠接共固化得到全碳纖維復(fù)合材料反射鏡，其抗變形性能強，熱穩(wěn)定性好，解決了反射鏡與相機其他復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的溫度匹配問題，此制造技術(shù)可以在短時間內(nèi)制造出高精度的全碳纖維復(fù)合材料反射鏡，相對傳統(tǒng)反射鏡的制造工藝，此技術(shù)制造周期短，制造成本低。
【專利說明】
一種光學(xué)系統(tǒng)用全碳纖維復(fù)合材料反射鏡及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種光學(xué)系統(tǒng)用全碳纖維復(fù)合材料反射鏡及制造方法，屬于先進復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]遙感是實現(xiàn)對軍事目標實時和全天候偵查的主要手段，遙感相機的水平?jīng)Q定了一個國家國防的現(xiàn)代化水平，因而自從上世紀80年代以來，遙感相機在世界各個強國之間競相發(fā)展，最具有代表性是美國的IKNOS、SP0T5、KH系列等相機，其分辨率已達0.2米的水平。隨著遙感觀測技術(shù)的發(fā)展，對地觀測和空間探測要求的分辨率越來越高，相應(yīng)的光學(xué)口徑也越來越大。大口徑、高分辨率反射鏡已經(jīng)成為空間遙感器發(fā)展的必然趨勢。然而加大空間反射鏡的光學(xué)口徑，會引起反射鏡重量和體積的增加，以及空間環(huán)境下抗熱變形能力下降；同時還增加了發(fā)射成本。因此，輕量化是空間反射鏡的必然選擇，也是光學(xué)系統(tǒng)輕量化急需解決的瓶頸技術(shù)。
[0003]采用輕質(zhì)高強的新材料能夠滿足輕質(zhì)反射鏡的設(shè)計要求。光學(xué)系統(tǒng)的輕量化需要制造材料具有高強度、高模量同時具有較低的密度。相對Zerodur、SiC等傳統(tǒng)材料，碳纖維復(fù)合材料比剛度較高，熱變形系數(shù)低，熱穩(wěn)定性最好；同時具有良好的工藝性和可設(shè)計性，成型工藝成熟，能夠最大程度地實現(xiàn)反射鏡的大口徑和輕量化要求。CFRP材料不僅適用于制造反射鏡，實現(xiàn)大口徑反射鏡的輕量化;同時可作為光學(xué)系統(tǒng)的鏡座、基座以及支撐結(jié)構(gòu)等制造材料，解決了反射鏡與光學(xué)系統(tǒng)其他碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的溫度匹配問題。
[0004]我國在碳纖維復(fù)合材料反射鏡方面開展研究晚，研究基礎(chǔ)較差，以及國外對我國的技術(shù)封鎖，在一定程度上給研制帶來不小難度。由于難度系數(shù)高，國內(nèi)研究進展緩慢。到目前為止仍停留在小試片級反射鏡的研究，還沒有成熟應(yīng)用的報道;大口徑反射鏡的研制更是無明確研究計劃。關(guān)于該方向的應(yīng)用基礎(chǔ)研究需盡快加強?，F(xiàn)有技術(shù)沒有解決碳纖維復(fù)合材料反射鏡自身的材料熱匹配問題，也沒有解決其與光學(xué)系統(tǒng)其他輕量化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的熱匹配問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題:為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種光學(xué)系統(tǒng)用全碳纖維復(fù)合材料反射鏡及制造方法，以解決碳纖維復(fù)合材料反射鏡的熱匹配問題。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:
[0007]—種光學(xué)系統(tǒng)用全碳纖維復(fù)合材料反射鏡，自上而下包括均相層、鏡面坯、蜂窩結(jié)構(gòu)、背板以及周邊包裹的邊圈，
[0008]均相層為單層超短碳纖維增強復(fù)合材料，碳纖維質(zhì)量含量為5%?10%，
[0009]鏡面坯為超低纖維面密度的高?；虺吣Ｌ祭w維復(fù)合材料，面密度為不大于100g/m2，鏡面坯鋪層為準各項同性鋪層，
[0010]蜂窩結(jié)構(gòu)、背板和邊圈為同一中模或高模碳纖維復(fù)合材料，背板和邊圈為多層結(jié)構(gòu)，背板和邊圈鋪層為準各項同性鋪層，
[0011]均相層、鏡面坯、蜂窩結(jié)構(gòu)、背板以及邊圈通過膠黏劑膠接。
[0012]均相層材料為納米碳纖維或碳納米管增強的氰酸酯樹脂復(fù)合材料。
[0013]均相層厚度不大于0.2mm。
[0014]均相層、鏡面坯、蜂窩結(jié)構(gòu)、背板以及邊圈所使用的預(yù)浸料的單層厚度在0.03?
0.20mm之間，預(yù)浸料的樹脂為吸濕率小于2%的環(huán)氧樹脂或氰酸酯樹脂，樹脂含量在30%?45%之間。
[0015]膠黏劑為吸濕率小于2%的環(huán)氧樹脂或氰酸酯樹脂膠黏劑，樹脂含量在30%?45%之間。
[0016]鏡面坯材料的增強體為M40J、M55J或M60碳纖維。
[0017]蜂窩結(jié)構(gòu)、背板和邊圈材料的增強體為T800、M40J或M60碳纖維。
[0018]—種光學(xué)系統(tǒng)用全碳纖維復(fù)合材料反射鏡制造方法，具體步驟為:
[0019](I)光學(xué)鏡面層成型:制作模具，模具表面處理后精度PV彡0.1ym，RMS彡10nm，表面粗糙度RMS彡I Onm;
[0020]將納米碳纖維或碳納米管增強的氰酸酯樹脂預(yù)制料鋪貼在模具表面，在其上將超低纖維面密度的高?；虺吣Ｌ祭w維預(yù)浸料以準各向同性鋪層順序鋪貼，固化后得到待用的光學(xué)鏡面層；
[0021](2)背板、邊圈成型:制作背板、邊圈平板模具，將多層中?；蚋吣Ｌ祭w維預(yù)浸料以準各向同性鋪層順序鋪貼在背板、邊圈模具上，固化后得到待用的背板和邊圈；
[0022](3)膠接:將鏡面層、膠結(jié)用膠膜、蜂窩、膠結(jié)用膠膜、背板依次軸心對齊疊放，再將邊圈安放其周圍并限位，獲得待固化產(chǎn)品；
[0023](4)將步驟(3)得到的待固化產(chǎn)品包覆隔離膜、無孔膜、透氣氈、真空袋，進固化得到反射鏡。
[0024]步驟(3)中蜂窩為帶孔的織物，制造材料為碳纖維增強的氰酸酯復(fù)合材料。
[0025]步驟(I)及步驟(2)中固化的條件為:在90°C?10 V條件下低溫固化或在120 V?130 0C條件下中溫固化或在170 °C?180 °C條件下高溫固化，固化時間3h?6h，在壓力為
0.3MPa?0.6Mpa的熱壓罐內(nèi)進行。
[0026]步驟(4)中固化的條件為:在90°C?10 °C條件下低溫固化，或在120 °C?130 °C條件下中溫固化，固化時間3h?6h，在壓力為0.1MPa?0.4Mpa的熱壓罐內(nèi)進行。
[0027]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果:
[0028](I)本發(fā)明將碳纖維復(fù)合材料用于制造反射鏡各個組成部分，并膠接共固化得到全碳纖維復(fù)合材料反射鏡，其抗變形性能強，熱穩(wěn)定性好，解決了反射鏡與相機其他復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的溫度匹配問題，此制造技術(shù)可以在短時間內(nèi)制造出高精度的全碳纖維復(fù)合材料反射鏡，相對傳統(tǒng)反射鏡的制造工藝，此技術(shù)制造周期短，制造成本低；
[0029](2)本發(fā)明首次將全碳纖維蜂窩用作反射鏡結(jié)構(gòu)芯材，全碳纖維蜂窩質(zhì)輕剛性高，可滿足反射鏡剛性高的設(shè)計要求；
[0030](3)本發(fā)明為國內(nèi)首次嘗試制造出空間相機系統(tǒng)用全碳纖維復(fù)合材料反射鏡，此項制造技術(shù)可實現(xiàn)高精度復(fù)合材料反射鏡的制造，能夠推廣至整個光學(xué)系統(tǒng)反射鏡的制造，擴大高精度復(fù)合材料技術(shù)在光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)不意圖；
[0032]圖2為本發(fā)明制造流程圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述:
[0034]全碳纖維復(fù)合材料反射鏡為復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，如圖1所示，從上至下依次為均相層1、鏡面坯2、碳纖維蜂窩結(jié)構(gòu)3、背板4及周邊包裹5。均相層I為單層超短碳纖維增強復(fù)合材料，其厚度不大于0.2mm，碳纖維質(zhì)量含量為5 %?1 %，鏡面坯2為超低纖維面密度的高模或超高模碳纖維復(fù)合材料，如M40J、M55J或M60，鏡面坯2面密度為不大于100g/m2，鏡面坯2鋪層為準各項同性鋪層，蜂窩結(jié)構(gòu)3、背板4和邊圈5為同一中?；蚋吣Ｌ祭w維復(fù)合材料，如T800、M40J或M60，背板4和邊圈5為多層結(jié)構(gòu)，背板4和邊圈5鋪層為準各項同性鋪層，碳纖維蜂窩結(jié)構(gòu)3為帶孔，織物形式。
[0035]均相層I材料為納米碳纖維或碳納米管增強的氰酸酯樹脂復(fù)合材料。
[0036]均相層1、鏡面坯2、蜂窩結(jié)構(gòu)3、背板4以及邊圈5所使用的預(yù)浸料的單層厚度在
0.03?0.20mm之間，預(yù)浸料的樹脂為吸濕率小于2 %的環(huán)氧樹脂或氰酸酯樹脂，樹脂含量在30%?45%之間。
[0037]均相層1、鏡面坯2、蜂窩結(jié)構(gòu)3、背板4以及邊圈5通過膠黏劑膠接，膠黏劑為吸濕率小于2 %的環(huán)氧樹脂或氰酸酯樹脂，樹脂含量在30 %?45 %之間。
[0038]—種光學(xué)系統(tǒng)用全碳纖維復(fù)合材料反射鏡制造方法，其制造流程見圖2，具體步驟為:
[0039](I)光學(xué)鏡面層成型
[0040]根據(jù)光學(xué)鏡面的結(jié)構(gòu)特點和面型精度，在模坯工作面采用高精度打磨拋光技術(shù)加工出高精度模具，具表面處理后精度PV彡0.Ιμπι，RMS彡1nm，表面粗糙度RMS彡1nm；模具材質(zhì)可為不銹鋼、殷鋼、超低膨脹系數(shù)玻璃等;將納米碳纖維或碳納米管增強的氰酸酯樹脂預(yù)制料鋪貼在模具表面，在其上將超低纖維面密度的高?；虺吣Ｌ祭w維預(yù)浸料以準各向同性鋪層順序鋪貼，固化后得到待用的光學(xué)鏡面層。
[0041](2)背板、邊圈成型
[0042]根據(jù)反射鏡的結(jié)構(gòu)特點，背板采用陽模設(shè)計，邊圈采用陰模設(shè)計，模具模具材質(zhì)可為不銹鋼、殷鋼等。將多層中?；蚋吣Ｌ祭w維預(yù)浸料以準各向同性鋪層順序鋪貼在背板4、邊圈5模具上，固化后得到待用的背板4和邊圈5。
[0043](3)碳纖維復(fù)合材料反射鏡膠接
[0044]將鏡面層、板芯膠結(jié)用膠膜、碳纖維蜂窩、板芯膠結(jié)用膠膜、背板依次疊放，再將邊圈安放其周圍，將軸心對齊，安置在特制工裝上，并使用銷釘限位，保證固化過程中面板和蜂窩芯不偏芯，得到待固化產(chǎn)品。
[0045](4)將步驟(3)得到的待固化產(chǎn)品包覆輔助材料，包括隔離膜、無孔膜、透氣氈、真空袋，進熱壓罐實現(xiàn)反射鏡的膠接共固化，調(diào)節(jié)固化工藝參數(shù)從而控制熱變形量，保證固化后反射鏡的面型精度，共固化后得到全碳纖維復(fù)合材料反射鏡。
[0046]上述所使用的預(yù)浸料的單層厚度在0.03?0.20mm之間，樹脂含量在30%?45%之間；
[0047]步驟(I)和步驟(2)中中固化過程是在熱壓罐內(nèi)進行的，固化溫度為以下三種中的任意一種:①低溫固化，固化溫度在90°C?100°C，②中溫固化，固化溫度在120°C?130°C，③高溫固化，固化溫度在170 °C?180 °C。熱壓罐內(nèi)固化時間3h?6h，熱壓罐內(nèi)壓力0.3MPa?
0.6Mpaο
[0048]步驟(4)中固化過程是在熱壓罐內(nèi)進行的，固化溫度為以下兩種:①低溫固化，固化溫度在90 °C?100 °C，②中溫固化，固化溫度在120 °C?130 °C ;熱壓罐內(nèi)固化時間3h?6h，熱壓罐內(nèi)壓力0.IMPa?0.4Mpa。
[0049]具體地:鏡面坯2所使用的預(yù)浸料的單層厚度為0.09mm，樹脂含量在40%;背板4、邊圈5使用的預(yù)浸料的單層厚度為0.14mm，預(yù)浸料的樹脂為吸濕率小于2%的環(huán)氧樹脂，樹脂含量在34%;碳纖維蜂窩3使用的預(yù)浸料，為帶孔平紋織物形式，單層厚度為0.1mm，樹脂含量在36%;膠黏劑為吸濕率小于2%的環(huán)氧樹脂膠黏劑；
[0050]步驟(I)和步驟(2)中中固化過程是在熱壓罐內(nèi)進行的，固化溫度為中溫固化，固化溫度在120 °C?130 °C，熱壓罐內(nèi)固化時間4h，熱壓罐內(nèi)壓力0.6Mpa。
[0051]步驟(4)中固化過程是在熱壓罐內(nèi)進行的，固化溫度為中溫固化，固化溫度在120°C?130 °C ;熱壓罐內(nèi)固化時間3h，熱壓罐內(nèi)壓力0.3Mpa。
[0052]全碳纖維復(fù)合材料反射鏡制造技術(shù)，將碳纖維復(fù)合材料用于制造反射鏡各個組成部分，并膠接共固化得到全碳纖維復(fù)合材料反射鏡。首次將質(zhì)輕剛性高的全碳纖維蜂窩用作反射鏡結(jié)構(gòu)芯材;采用特制限位工裝定位實現(xiàn)反射鏡各組成部分的同軸。此制造技術(shù)可以在短時間內(nèi)制造出高精度的全碳纖維復(fù)合材料反射鏡;相對傳統(tǒng)反射鏡的制造工藝，此技術(shù)制造周期短，制造成本低。同時反射鏡與輕量化光學(xué)系統(tǒng)的鏡座、基座以及支撐結(jié)構(gòu)等制造材料一致，解決了反射鏡與相機其他復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的溫度匹配問題。
[0053]本發(fā)明未公開內(nèi)容為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。
【主權(quán)項】
1.一種光學(xué)系統(tǒng)用全碳纖維復(fù)合材料反射鏡，其特征在于，自上而下包括均相層(I)、鏡面坯(2)、蜂窩結(jié)構(gòu)(3)、背板(4)以及周邊包裹的邊圈(5); 均相層(I)為單層超短碳纖維增強復(fù)合材料，碳纖維質(zhì)量含量為5 %?10 % ; 鏡面坯(2)為超低纖維面密度的高模或超高模碳纖維復(fù)合材料，面密度為不大于10g/m2，鏡面坯(2)鋪層為準各項同性鋪層； 蜂窩結(jié)構(gòu)(3)、背板(4)和邊圈(5)為同一中模或高模碳纖維復(fù)合材料，背板(4)和邊圈(5)為多層結(jié)構(gòu)，背板(4)和邊圈(5)鋪層為準各項同性鋪層； 均相層(I)、鏡面坯(2)、蜂窩結(jié)構(gòu)(3)、背板(4)以及邊圈(5)通過膠黏劑膠接。2.如權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)系統(tǒng)用全碳纖維復(fù)合材料反射鏡，其特征在于，均相層(I)材料為納米碳纖維或碳納米管增強的氰酸酯樹脂復(fù)合材料。3.如權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)系統(tǒng)用全碳纖維復(fù)合材料反射鏡，其特征在于，均相層(I)厚度不大于0.2mm。4.如權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)系統(tǒng)用全碳纖維復(fù)合材料反射鏡，其特征在于，均相層(1)、鏡面坯(2)、蜂窩結(jié)構(gòu)(3)、背板(4)以及邊圈(5)所使用的預(yù)浸料的單層厚度在0.03?0.20mm 之間。5.如權(quán)利要求4所述的一種光學(xué)系統(tǒng)用全碳纖維復(fù)合材料反射鏡，其特征在于，預(yù)浸料的樹脂為吸濕率小于2%的環(huán)氧樹脂或氰酸酯樹脂。6.如權(quán)利要求5所述的一種光學(xué)系統(tǒng)用全碳纖維復(fù)合材料反射鏡，其特征在于，預(yù)浸料樹脂含量在30 %?45 %之間。7.如權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)系統(tǒng)用全碳纖維復(fù)合材料反射鏡，其特征在于，膠黏劑為吸濕率小于2%的環(huán)氧樹脂或氰酸酯樹脂。8.如權(quán)利要求7所述的一種光學(xué)系統(tǒng)用全碳纖維復(fù)合材料反射鏡，其特征在于，膠黏劑樹脂含量在30 %?45 %之間。9.如權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)系統(tǒng)用全碳纖維復(fù)合材料反射鏡，其特征在于，鏡面坯(2)材料的增強體為M40J、M55 J或M60碳纖維。10.如權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)系統(tǒng)用全碳纖維復(fù)合材料反射鏡，其特征在于，蜂窩結(jié)構(gòu)(3)、背板(4)和邊圈(5)材料的增強體為T800、M40J或M60碳纖維。11.一種光學(xué)系統(tǒng)用全碳纖維復(fù)合材料反射鏡制造方法，其特征在于:具體步驟為: (1)光學(xué)鏡面層成型:制作模具，模具表面處理后精度?￥<0^111，1?^<1011111，表面粗糙度RMS彡1nm; 將納米碳纖維或碳納米管增強的氰酸酯樹脂預(yù)制料鋪貼在模具表面，在其上將超低纖維面密度的高?；虺吣Ｌ祭w維預(yù)浸料以準各向同性鋪層順序鋪貼，固化后得到待用的光學(xué)鏡面層； (2)背板、邊圈成型:制作背板(4)、邊圈(5)平板模具，將多層中?；蚋吣Ｌ祭w維預(yù)浸料以準各向同性鋪層順序鋪貼在背板(4)、邊圈(5)模具上，固化后得到待用的背板(4)和邊圈(5)； (3)膠接:將鏡面層、膠結(jié)用膠膜、蜂窩、膠結(jié)用膠膜、背板(4)依次軸心對齊疊放，再將邊圈(5)安放其周圍并限位，獲得待固化產(chǎn)品； (4)將步驟(3)得到的待固化產(chǎn)品包覆隔離膜、無孔膜、透氣氈、真空袋，進熱壓罐固化得到反射鏡。12.如權(quán)利要求11所述的一種光學(xué)系統(tǒng)用全碳纖維復(fù)合材料反射鏡制造方法，其特征在于:步驟(3)中蜂窩為帶孔的織物，制造材料為碳纖維增強復(fù)合材料。13.如權(quán)利要求11所述的一種光學(xué)系統(tǒng)用全碳纖維復(fù)合材料反射鏡制造方法，其特征在于:步驟(I)及步驟(2)中固化的條件為:在90 °C?100 0C條件下低溫固化或在120 °C?1300C條件下中溫固化或在170 °C?180 °C條件下高溫固化，固化時間3h?6h，在壓力為0.3MPa?0.6Mpa的熱壓罐內(nèi)進行。14.如權(quán)利要求11所述的一種光學(xué)系統(tǒng)用全碳纖維復(fù)合材料反射鏡制造方法，其特征在于:步驟(4)中固化的條件為:在90 °C?100 0C條件下低溫固化，或在120 °C?130 °C條件下中溫固化，固化時間3h?6h，在壓力為0.1MPa?0.4Mpa的熱壓罐內(nèi)進行。
【文檔編號】G02B5/08GK106019436SQ201610607468
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月28日
【發(fā)明人】楊智勇, 張建寶, 唐占文, 孫寶崗
【申請人】航天材料及工藝研究所, 中國運載火箭技術(shù)研究院