一种提高碳纤维复合材料（cfrp）镜面光学加工性能的方法技术

本发明专利技术公开了一种提高碳纤维复合材料(cfrp)镜面光学加工性能的方法，包括制作cfrp材料光学元件毛坯，使用传统加工方法提高表面粗糙度，在光学表面镀上一层镍，加工镀镍表面成所需面形。本发明专利技术通过镀镍，使cfrp材料的光学可加工性能大大提升，同时面形精度获得提升。本发明专利技术在大口径空天望远镜以及轻量化光学系统加工领域有重要的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种提高碳纤维复合材料(cfrp)镜面光学加工性能的方法
本专利技术属于光学加工领域，具体涉及一种提高碳纤维复合材料(cfrp)镜面的光学加工性能的方法。
技术介绍
大口径天文望远镜的需求推动大口径光学系统的发展，这对新材料镜面的研究制造提出了更高要求。随着空间望远镜分辨率的要求越来越高，镜面尺寸的要求越来越大；以及变焦光学系统中对可变曲率镜片的需求，镜片材料需要质量轻，强度高。因此超轻量化材料成为研究重点，而碳纤维增强复合材料(cfrp)以碳纤维为增强材料，基体材料为树脂，是复合材料中发展最迅速、应用最广泛的一类复合材料。突出优点是比强度及比模量(即强度与密度之比、模量与密度之比)高，其密度约为钢的1/5、为铝的1/2，其比强度和比模量都比钢、铝合金高。另外，cfrp还有一个突出的特点是材料的各向异性，与之相关的是性能的可设计性强。但cfrp复合材料是典型的难加工材料，其材料去除的过程微观上是基体的不断破坏和碳纤维断裂同时进行的过程。碳纤维是切削过程的切削硬质点，不断地磨耗刀具。层间剪切性能和横向抗拉性能低，碳纤维和环氧树脂都较脆。这些不足之处为碳纤维复合材料的加工带来了很多困难。目前传统加工方式加工困难，精度难以控制，效率不高，而超声振动辅助加工融合超声加工与传统加工相结合的新型复合加工方式，能够有效减少切削力，延长刀具寿命，进一步提升加工质量和加工效率。但是cfrp材料本身的难加工性不可避免，本专利技术将绕过cfrp材料本身来加工，大大改善整体的可加工性。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种提高碳纤维复合材料(cfrp)镜面光学加工性能的方法，通过其他工艺操作来来提高cfrp光学元件的可加工性，提高cfrp在光学领域的应用范围。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：一种提高碳纤维复合材料(cfrp)镜面光学加工性能的方法，包括如下步骤：(1)制作接近所需面形形状的cfrp材料基底根据设计者提出的面形形状设计要求，如平面镜、球面镜或非球面镜，制作相应的平面、球面或非球面的cfrp材料毛坯衬底。(2)提高毛坯表面质量获得的毛坯cfrp材料表面质量对后期处理有一定影响，需要对待加工表面进行预处理。可以用传统磨削方法降低面形PV值和表面粗糙度Ra值。PV值影响后面镀镍层的厚度，Ra值影响镀镍之后的表面性能。(3)在加工表面上镀镍在制作完成的cfrp衬底的光学加工表面进行镀层金属操作，在表面上均匀镀一层镍，厚度根据加工需求选择，从几微米到毫米范围，大于面形PV值。(4)加工镀镍表面成所需面形对镀镍表面进行光学加工，加工成所需面形。常用加工方法有单点金刚石车削，能够一次成型，直接加工出所需面形。加工表面能达到的精度更高，加工效率也会大大提升。本专利技术与现有技术相比的优点在于：现有技术对cfrp光学元件的加工效果体现在表面质量不高且加工效率低，本专利技术通过在cfrp材料上镀镍，通过加工镍层成所需面形，提升cfrp的可加工性能，同时可以提高成型表面质量和加工效率，提升cfrp光学件的应用范围。附图说明图1为本专利技术实施例中获得的毛坯碳纤维复合材料(cfrp)基底示意图；图2为本专利技术实施例中在基底镀镍示意图；图3为本专利技术实施例中镀镍表面加工示意图；图4为本专利技术实施例中单点车加工后面形检测结果和粗糙度检测结果示意图，其中，图4(a)为本专利技术实施例中单点车加工后面形检测结果，图4(b)为本专利技术实施例中单点车加工后粗糙度检测结果；具体实施方式下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本专利技术。实施例通过本专利技术的方法加工直径100mm的碳纤维复合材料(cfrp)基底球面光学元件，球面曲率半径175mm，工艺过程如下：1.制备直径100mm，曲率半径175mm的碳纤维复合材料(cfrp)球面基底，如图1所示，厚度可以控制在20mm左右。2.获得的cfrp毛坯件表面质量比较差，可以通过磨削或传统光学加工方法改善表面质量。将cfrp球面基底面形控制在微米量级，粗糙度做到亚微米级，以利于后面镀镍金属层的效果。3.在控制好面形与粗糙度的cfrp表面均匀镀上一层镍，如图2所示。镍层的厚度根据cfrp基底的面形来决定。镍层的厚度要大于cfrp基底面形PV值。4.直接用单点金刚石车削加工镀镍表面，一次成型，如图3所示。车削后的表面面形精度小于100nm，RMS值10nm左右，粗糙度值2nm。图4为本专利技术实施例中单点车加工后面形检测结果和粗糙度检测结果示意图，图4(a)为本专利技术实施例中单点车加工后面形检测结果，图4(b)为本专利技术实施例中单点车加工后粗糙度检测结果。经过单点车加工后，面形和粗糙度都达到很高精度，且加工效率大大提升。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高碳纤维复合材料(cfrp)镜面光学加工性能的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(1)制作接近所需面形形状的cfrp材料根据设计者提出的面形形状设计要求，制作相应的面形形状的cfrp材料毛坯衬底；步骤(2)对待加工表面进行预处理，降低面形PV值和表面粗糙度Ra值，PV值影响后面镀镍层的厚度，Ra值影响镀镍之后的表面性能；步骤(3)在经过预处理的cfrp衬底的光学加工表面进行镀金属层操作，在表面上均匀镀一层镍，厚度根据加工需求选择，从几微米到毫米范围，最低厚度要大于预处理过的面形PV值；预留100μm的车削量；步骤(4)加工镀镍表面成所需面形对镀镍表面进行光学加工，加工成所需面形。

【技术特征摘要】
1.一种提高碳纤维复合材料(cfrp)镜面光学加工性能的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(1)制作接近所需面形形状的cfrp材料根据设计者提出的面形形状设计要求，制作相应的面形形状的cfrp材料毛坯衬底；步骤(2)对待加工表面进行预处理，降低面形PV值和表面粗糙度Ra值，PV值影响后面镀镍层的厚度，Ra值影响镀镍之后的表面性能；步骤(3)在经过预处理的cfrp衬底的光学加工表面进行镀金属层操作，在表面上均匀镀一层镍，厚度根据加工需求选择，从几微米到毫米范围，最低厚度要大于预处理过的面形PV值；预留100μm的车削量；步骤(4)加工镀镍表面成所需面形对镀镍...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄岳田，范斌，万勇建，刘海涛，闫锋涛，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51