[發明專利]一種碳纖維復合材料空間光學鏡面高精度復制方法

有效

• 申請號: 201610161107.3
• 申請日: 2016-03-21
• 公開（公告）號: CN105643955B
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發明（設計）人: 楊智勇;張建寶;孫寶崗
• 申請（專利權）人: 航天材料及工藝研究所;中國運載火箭技術研究院
• 主分類號: B29C70/38
• 分類號: B29C70/38;B29C70/44;B29B15/10;B29L11/00
• 代理公司: 中國航天科技專利中心11009
• 代理人: 陳鵬

技術領域

本發明屬于先進復合材料技術領域，涉及一種碳纖維復合材料空間光學鏡面高精度復制方法。

背景技術

早在1981年，H.M.Weissman研究發現，采用薄環氧樹脂層(25～100μm之間)可以復制出高精度的光學表面。之后這一技術被用于法國開展的CERGA項目的研究，該項目采用100μm厚的樹脂層成功復制出0.5m和1m口徑的純環氧樹脂反射鏡，反射鏡在可見光波段的微粗糙度為0.5nm，面型復制精度PV值≥λ/25(λ為可見光波長)?？梢娛褂脴渲瑢涌梢酝耆珡椭撇Ａ＞呔龋槐渲瑢涌梢詮椭瞥龈呔纫蟮墓鈱W鏡面。

NASA噴氣推進實驗室(JPL)在1988～1993年間開展了精密分塊反射鏡(PSR)項目的研究，使用碳纖維復合材料復制出用于紅外、亞微米波長天文望遠鏡的分塊反射鏡，詳細分析原材料、模具、膠粘劑、夾層結構芯材等復制工藝環節，并測試反射鏡在加載和低溫環境下的成像情況，取得了一系列的研究成果。PSR項目推動了碳纖維復合材料在超輕量反射鏡上的應用研究。

之后歐美國家的相關科研機構開展了碳纖維復合材料反射鏡的更為深入的碳纖維反射鏡的應用基礎研究和工程應用研究研究。在早期研究的基礎上，美國復合材料光學制造公司(COI)、美國復合材料反射鏡研究應用公司(CMA)、BALL宇航技術公司、倫敦大學學院UCL、NASA、JAXA等科研機構開展了碳纖維復合材料反射鏡的多樣及其系統的研究，并為碳纖維復合材料反射鏡工程化應用積累了技術經驗。碳纖維復合材料制造反射鏡已經成為空間相機大型化和輕量化的核心技術之一。美國、日本，以及英國、德國等發達國家的科研人員在碳纖維復合材料反射鏡方面的研究成果較多，形成了以RICH1反射鏡、AMS-02RICH反射鏡和ULTRA望遠鏡等項目為代表的高精度望遠鏡用反射鏡的工程應用成果。

我國在碳纖維復合材料反射鏡方面開展研究晚，研究基礎較差，以及國外對我國的技術封鎖，在一定程度上給研制帶來不小難度。國內中國科學院上海技術物理研究所、長春光學精密機械與物理研究所、西安光學精密機械研究所，南京天文光學技術研究所，北京空間機電研究所，航天材料及工藝研究所等科研單位都開展了該方向的基礎研究工作。由于難度系數高，國內研究進展緩慢。到目前為止仍停留在小試片級反射鏡的研究，還沒有成熟應用的報道；大口徑反射鏡的研制更是無明確研究計劃。國內研究單位出于保密的緣故，鮮見CFRP反射鏡的公開報道。關于該方向的應用基礎研究需盡快加強。

發明內容

本發明解決的技術問題是：為了解決大尺寸高精度球冠或類球冠曲面結構光學鏡面的制造問題，提出一種碳纖維復合材料空間光學鏡面高精度復制方法；通過工藝模擬分析及實驗驗證的方法確定適合空間光學鏡面用預浸料及其鋪放順序；采用自動鋪絲技術實現大尺寸曲面結構反射鏡的預浸絲鋪放，精準控制預浸絲的鋪放角度；加上采用熱壓罐進行復合材料的壓實和固化，完成高精度碳纖維復合材料光學鏡面的復制。

本發明的技術方案是：一種碳纖維復合材料空間光學鏡面高精度復制方法，具體步驟為：

1)根據光學鏡面的結構特點和面型精度，在模坯工作面采用高精度打磨拋光技術加工出高精度模具；

2)用數值模擬分析和實驗驗證的方法，設置光學鏡面的準各向同性鋪層順序；根據光學鏡面的產品厚度，確定所使用預浸料的厚度及鋪層層數；

3)預浸料由碳纖維和樹脂基體復合而成，采用熱熔法制備；采用自動切絲機將預浸料裁切出預浸絲束；

4)根據鏡面的尺寸，確定鋪絲路徑的預浸絲束數，預浸絲束寬度在6.4mm～101.6mm之間；將步驟3)制備的預浸絲，采用自動鋪絲設備按照同一的路徑設定將絲束鋪放于模具表面，鏡面鋪絲路徑不變；將每一鋪層順序角度通過旋轉模具來實現需要鋪放預浸絲層的鋪層角度；第一層鋪層完成，以及之后每鋪貼完3～5層都對鋪有預浸料的模具進行抽真空壓實；

5)若光學鏡面厚度≤2mm，按照步驟4)進行操作，得到待固化產品，跳轉至步驟6)；若光學鏡面厚度＞2mm，當步驟4)完成2/3鋪層的鏡面進行吸膠，吸膠采用隨型外陰模，然后再完成剩余部分的鋪層，得到待固化產品；

6)將步驟5)得到的待固化產品包覆輔助材料，并固定固化外陰模，然后將產品放入熱壓罐內，對待固化產品抽真空固化，得到光學鏡面。

所述光學鏡面為類球冠或球冠曲面結構，鏡面厚度為0.5mm～5mm之間。

預浸料制作用的纖維為模量值≥280GPa的高模或超高模級別碳纖維。