一种碳纤维反射镜的制备工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种碳纤维反射镜的制备工艺，属于光学元件制备技术领域。解决了现有技术中碳纤维反射镜的制备工艺不适合大口径球面镜及非球面镜的制备，且制备的碳纤维反射镜面形精度低的技术问题。本发明专利技术的工艺是先分别采用相应的模具制备反射镜基体和反射镜面板，在制备过程中，采用[Q6]s准各向同性铺层方式铺设碳纤维铺层，且采用真空注射成型工艺在反射镜面板上附着树脂层；然后将反射镜基体和反射镜面板粘接，得到反射镜镜坯，最后依次经检测、镀膜、抛光，完成碳纤维反射镜的制备。该工艺操作简单、易复制，不受反射镜形状限制，制备的碳纤维反射镜性能可靠、稳定性好、面形精度高、低重量，在空间遥感技术领域具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种碳纤维反射镜的制备工艺，属于光学元件制备

技术介绍
碳纤维反射镜具有密度低、热性能优良、高比强度和高比刚度等优点，既可以制成薄型结构，也可以制成中空结构(如蜂窝结构)，因此，相比于金属反射镜及玻璃反射镜等，更能满足光学反射镜轻量化的要求，所以，近年来，在光学遥感领域应用尤其广泛。现有技术中，碳纤维反射镜的制备工艺是在碳纤维反射镜基体上粘接光学薄玻璃反射镜面。如中国科学院上海技术物理研究所的彭文臣等人发表于《光学技术》上的碳纤维复合材料制造轻质量空间光学反射镜的工艺。该工艺首先采用模压成型工艺制备碳纤维反射镜基体1；然后使用粘胶材料在碳纤维反射镜基体1的表面粘接6mm厚的微晶玻璃薄层2，并充分固化；最终对微晶玻璃薄层2进行光学加工(研磨、抛光)，完成轻质量空间光学反射镜的制备，反射镜结构如图1所示。该工艺能够制备口径为260mm×190mm平面反射镜，且反射镜的最终面形精度能够达到λ/4(λ＝632.8nm)；但是，由于碳纤维、粘胶材料与微晶玻璃的热膨胀系数不匹配，以及粘胶材料胶层固化过程中的收缩都会导致在碳纤维反射镜基体1与微晶玻璃薄层2的外圆粘接处产生微裂纹或起皱现象，严重影响反射镜的面形精度，因此该制备工艺不适合大口径的球面镜及非球面镜的制备；而且该工艺制备的反射镜的精度虽然能够达到中红外光学系统的应用要求，但对于可见光波段光学系统的应用还相差甚远。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有技术中碳纤维反射镜的制备工艺不适合大口径球面镜及非球面镜的制备，且制备的碳纤维反射镜面形精度低的技术问题，提供一种碳纤维反射镜的制备工艺。本专利技术解决上述技术问题采取的技术方案如下。一种碳纤维反射镜的制备工艺，步骤如下：步骤一、包括反射镜基体和反射镜面板的制备：所述反射镜基体的制备为：先根据待制备的碳纤维反射镜制备反射镜基体模具，然后在反射镜基体模具上涂覆脱模剂，得到脱模层，并在脱模层上铺设多层碳纤维织布，铺设完成后，在真空室温下，模压成型，充分固化，释放应力，得到第一碳纤维铺层，最后脱模，研磨，得到反射镜基体；所述反射镜面板的制备为：先根据待制备的碳纤维反射镜制备反射镜面板模具，然后在反射镜面板模具上涂覆脱模剂，得到脱模层，并在真空室温条件下，采用注射成型工艺在脱模层上均匀附着0.2～0.3mm的树脂，充分固化，释放应力，得到树脂层，最后在树脂层上铺设多层碳纤维织布，铺设完成后，在真空室温下，采用预浸料成型工艺对所述多层碳纤维织布成型，充分固化，释放应力，形成第二碳纤维铺层，得到未脱模的反射镜面板；所述碳纤维织布的编织方式均为[0°，90°]、[60°，-30°]和[30°，-60°]三种，第一碳纤维铺层和第二碳纤维铺层的铺层方式均为[Q6]s；步骤二、将反射镜基体粘接在第二碳纤维铺层上，充分固化，释放应力，脱模，得到反射镜镜坯；步骤三、检测反射镜镜坯的面板轮廓度，如果轮廓度在5μm以内，进行步骤四，如果轮廓度大于5μm，研磨面板，重复步骤三；步骤四、采用非金属电镀工艺在树脂层上镀制20～25μm厚的金属层；步骤五、对金属层抛光，完成碳纤维反射镜的制备。进一步的，所述步骤一中，反射镜基体的制备还包括：在反射镜基体上粘接预埋件，充分固化，释放应力。进一步的，所述步骤一中，反射镜基体模具的材料为殷钢，反射镜面板模具的材料为光学玻璃。进一步的，所述步骤一中，树脂为环氧树脂。进一步的，所述步骤一中，充分固化的固化时间均为72h以上，释放应力的时间均为3-5天。进一步的，所述步骤二中，粘接材料、反射镜基体材料和第二碳纤维铺层材料的膨胀系数相同或相近。进一步的，所述步骤二中，粘接材料为环氧树脂。进一步的，所述步骤四中，金属层的材料为镍。进一步的，所述步骤四中，所述非金属电镀的电流密度为2.5～3A/dm2。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术的碳纤维反射镜的制备工艺，采用反射镜基体与反射镜面板单独成型的方法，保证了反射镜面板的刚度及面形；本专利技术的碳纤维反射镜的制备工艺，在碳纤维面板上附着树脂层，防止纤维印透，且树脂层采用真空注射成型，保证了树脂层的均匀性和稳定性，相比于现有技术，能够将碳纤维反射镜的面形误差缩小将近一个数量级，为获得高质量的面形精度提供了技术保障；本专利技术的碳纤维反射镜的制备工艺，采用碳纤维织布形式及[Q6]s的铺设方式制备碳纤维铺层，不仅保证了碳纤维铺层的均匀性，提高了其承载能力，同时也可以降低表面印透现象；总之，本专利技术的碳纤维反射镜的制备工艺操作简单、易复制，制备工艺不受反射镜形状限制，尤其能够制备大口径球面镜及非球面镜，且制备的碳纤维反射镜性能可靠、稳定性好、面形精度高、低重量，在空间遥感
具有广阔的应用前景。附图说明图1是现有技术中的碳纤维反射镜的结构示意图；图2是本专利技术实施例1的碳纤维反射镜的结构示意图；图3是图2中碳纤维反射镜的半剖视图；图4是图2中碳纤维反射镜轻量化结构的剖视图；图5是本专利技术中碳纤维反射镜的制备工艺流程图；图6是本专利技术中碳纤维反射镜的制备工艺示意图；图7是本专利技术中碳纤维铺层方式示意图(X向、Z向、Y向两两垂直，Y向垂直纸面向里)；图8是图7中碳纤维织布[0°，90°]的结构示意图；图中，1、碳纤维反射镜基体，2、微晶玻璃薄层，3、反射镜基体，4、反射镜面板，5、粘接预埋件。具体实施方式以下结合附图2-8进一步说明本专利技术。一种碳纤维反射镜的制备工艺，包括反射镜基体3的制备、反射镜面板4的制备、粘接、检测、镀膜及抛光，具体步骤如下：步骤一、反射镜基体3的制备1a)根据待制备的碳纤维反射镜制备反射镜基体模具；上述制备过程为本领域技术人员熟知常识，没有特殊要求；一般为保证反射镜面板4的精度，反射镜基体模具采用高精度加工；为使制备的反射镜基体3轻量化，反射镜基体模具优选采用具有三角形轻量化设计的模具，如图4，该设计为现有技术；反射镜基体模具的材料优选采用殷钢；1b)在反射镜基体模具的表面涂覆脱模剂，得到脱模层；1c)在脱模层的表面铺设多层碳纤维织布，铺设完成后，在真空室温下，模压成型(模压成型能够保证反射镜基体3表面平整光洁、致密)，固化72h以上，并静置3～5天释放应力，得到第一碳纤维铺层，脱模，反射镜基体模具去除，研磨，得到反射镜基体3；其中，碳纤维铺层的铺层方式能够决定碳纤维铺层的性能，进而影响反射镜基体3和反射镜面板4的性能，最终影响碳纤维反射镜的性能。经专利技术人分析，单向的碳纤维铺层在受到热载荷作用时会发生严重的变形，因此为了使碳纤维反射镜在力热耦合条件下表现出较好的力学特性，本专利技术采用的铺层方式为各向同性，该铺层方式能够保证铺层各向力学性能近似相同，进而保证碳纤维反射镜在力热载荷共同作用时发生较小的变形。现有技术中，碳纤维铺层常用的准各向同性铺层形式有[Q2]s(如[0°，90°]s)，[Q4]s(如[0°,90°,45°,-45°]s)及[Q6]s(如[0°，90°，60°，-30°，30°，-60°]s)，经专利技术人分析，[Q6]s铺层方式能够较好的承载力热载荷并保证碳纤维反射镜的面形，因此本专利技术中碳纤维铺层的铺层方式采用[Q6]s铺层形式。在选择碳纤维铺层的方式时，如果直接采用单向碳纤维预浸料形成[Q6]s铺层，制备的碳纤维铺层的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纤维反射镜的制备工艺，其特征在于，步骤如下：步骤一、包括反射镜基体(3)和反射镜面板(4)的制备：所述反射镜基体(3)的制备为：先根据待制备的碳纤维反射镜制备反射镜基体模具，然后在反射镜基体模具上涂覆脱模剂，得到脱模层，并在脱模层上铺设多层碳纤维织布，铺设完成后，在真空室温下，模压成型，充分固化，释放应力，得到第一碳纤维铺层，最后脱模，研磨，得到反射镜基体(3)；所述反射镜面板(4)的制备为：先根据待制备的碳纤维反射镜制备反射镜面板模具，然后在反射镜面板模具上涂覆脱模剂，得到脱模层，并在真空室温条件下，采用注射成型工艺在脱模层上均匀附着0.2～0.3mm的树脂，充分固化，释放应力，得到树脂层，最后在树脂层上铺设多层碳纤维织布，铺设完成后，在真空室温下，采用预浸料成型工艺对所述多层碳纤维织布成型，充分固化，释放应力，形成第二碳纤维铺层，得到未脱模的反射镜面板；所述碳纤维织布的编织方式均为[0°，90°]、[60°，‑30°]和[30°，‑60°]三种，第一碳纤维铺层和第二碳纤维铺层的铺层方式均为[Q6]s；步骤二、将反射镜基体(3)粘接在第二碳纤维铺层上，充分固化，释放应力，脱模，得到反射镜镜坯；步骤三、检测反射镜镜坯的面板轮廓度，如果轮廓度在5μm以内，进行步骤四，如果轮廓度大于5μm，研磨面板，重复步骤三；步骤四、采用非金属电镀工艺在树脂层上镀制20～25μm厚的金属层；步骤五、对金属层抛光，完成碳纤维反射镜的制备。...

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维反射镜的制备工艺，其特征在于，步骤如下：步骤一、包括反射镜基体(3)和反射镜面板(4)的制备：所述反射镜基体(3)的制备为：先根据待制备的碳纤维反射镜制备反射镜基体模具，然后在反射镜基体模具上涂覆脱模剂，得到脱模层，并在脱模层上铺设多层碳纤维织布，铺设完成后，在真空室温下，模压成型，充分固化，释放应力，得到第一碳纤维铺层，最后脱模，研磨，得到反射镜基体(3)；所述反射镜面板(4)的制备为：先根据待制备的碳纤维反射镜制备反射镜面板模具，然后在反射镜面板模具上涂覆脱模剂，得到脱模层，并在真空室温条件下，采用注射成型工艺在脱模层上均匀附着0.2～0.3mm的树脂，充分固化，释放应力，得到树脂层，最后在树脂层上铺设多层碳纤维织布，铺设完成后，在真空室温下，采用预浸料成型工艺对所述多层碳纤维织布成型，充分固化，释放应力，形成第二碳纤维铺层，得到未脱模的反射镜面板；所述碳纤维织布的编织方式均为[0°，90°]、[60°，-30°]和[30°，-60°]三种，第一碳纤维铺层和第二碳纤维铺层的铺层方式均为[Q6]s；步骤二、将反射镜基体(3)粘接在第二碳纤维铺层上，充分固化，释放应力，脱模，得到反射镜镜坯；步骤三、检测反射镜镜坯的面板轮廓度，如果轮廓度在5μm以内，进行步骤四，如果轮廓度大于5μm，研磨面板，重复步骤三；步骤四、...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宗轩，左玉弟，金光，邢利娜，解鹏，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22