[发明专利]一种碳纤维复合材料空间光学镜面高精度复制方法

说明书

技术领域

本发明属于先进复合材料技术领域，涉及一种碳纤维复合材料空间光学镜面高精度复制方法。

背景技术

早在1981年，H.M.Weissman研究发现，采用薄环氧树脂层(25～100μm之间)可以复制出高精度的光学表面。之后这一技术被用于法国开展的CERGA项目的研究，该项目采用100μm厚的树脂层成功复制出0.5m和1m口径的纯环氧树脂反射镜，反射镜在可见光波段的微粗糙度为0.5nm，面型复制精度PV值≥λ/25(λ为可见光波长)。可见使用树脂层可以完全复制玻璃模具精度；薄树脂层可以复制出高精度要求的光学镜面。

NASA喷气推进实验室(JPL)在1988～1993年间开展了精密分块反射镜(PSR)项目的研究，使用碳纤维复合材料复制出用于红外、亚微米波长天文望远镜的分块反射镜，详细分析原材料、模具、胶粘剂、夹层结构芯材等复制工艺环节，并测试反射镜在加载和低温环境下的成像情况，取得了一系列的研究成果。PSR项目推动了碳纤维复合材料在超轻量反射镜上的应用研究。

之后欧美国家的相关科研机构开展了碳纤维复合材料反射镜的更为深入的碳纤维反射镜的应用基础研究和工程应用研究研究。在早期研究的基础上，美国复合材料光学制造公司(COI)、美国复合材料反射镜研究应用公司(CMA)、BALL宇航技术公司、伦敦大学学院UCL、NASA、JAXA等科研机构开展了碳纤维复合材料反射镜的多样及其系统的研究，并为碳纤维复合材料反射镜工程化应用积累了技术经验。碳纤维复合材料制造反射镜已经成为空间相机大型化和轻量化的核心技术之一。美国、日本，以及英国、德国等发达国家的科研人员在碳纤维复合材料反射镜方面的研究成果较多，形成了以RICH1反射镜、AMS-02RICH反射镜和ULTRA望远镜等项目为代表的高精度望远镜用反射镜的工程应用成果。

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。国内中国科学院上海技术物理研究所、长春光学精密机械与物理研究所、西安光学精密机械研究所，南京天文光学技术研究所，北京空间机电研究所，航天材料及工艺研究所等科研单位都开展了该方向的基础研究工作。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。国内研究单位出于保密的缘故，鲜见CFRP反射镜的公开报道。关于该方向的应用基础研究需尽快加强。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了解决大尺寸高精度球冠或类球冠曲面结构光学镜面的制造问题，提出一种碳纤维复合材料空间光学镜面高精度复制方法；通过工艺模拟分析及实验验证的方法确定适合空间光学镜面用预浸料及其铺放顺序；采用自动铺丝技术实现大尺寸曲面结构反射镜的预浸丝铺放，精准控制预浸丝的铺放角度；加上采用热压罐进行复合材料的压实和固化，完成高精度碳纤维复合材料光学镜面的复制。

本发明的技术方案是：一种碳纤维复合材料空间光学镜面高精度复制方法，具体步骤为：

1)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；

2)用数值模拟分析和实验验证的方法，设置光学镜面的准各向同性铺层顺序；根据光学镜面的产品厚度，确定所使用预浸料的厚度及铺层层数；

3)预浸料由碳纤维和树脂基体复合而成，采用热熔法制备；采用自动切丝机将预浸料裁切出预浸丝束；

4)根据镜面的尺寸，确定铺丝路径的预浸丝束数，预浸丝束宽度在6.4mm～101.6mm之间；将步骤3)制备的预浸丝，采用自动铺丝设备按照同一的路径设定将丝束铺放于模具表面，镜面铺丝路径不变；将每一铺层顺序角度通过旋转模具来实现需要铺放预浸丝层的铺层角度；第一层铺层完成，以及之后每铺贴完3～5层都对铺有预浸料的模具进行抽真空压实；

5)若光学镜面厚度≤2mm，按照步骤4)进行操作，得到待固化产品，跳转至步骤6)；若光学镜面厚度＞2mm，当步骤4)完成2/3铺层的镜面进行吸胶，吸胶采用随型外阴模，然后再完成剩余部分的铺层，得到待固化产品；

6)将步骤5)得到的待固化产品包覆辅助材料，并固定固化外阴模，然后将产品放入热压罐内，对待固化产品抽真空固化，得到光学镜面。

所述光学镜面为类球冠或球冠曲面结构，镜面厚度为0.5mm～5mm之间。

预浸料制作用的纤维为模量值≥280GPa的高模或超高模级别碳纤维。