一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法技术

本发明专利技术公开了一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，包括以下步骤：一、炭纤维织物与炭纤维网胎铺层并逐层针刺制得预制增强体，铺层之前先对预制增强体的密度进行估算并根据估算结果计算得出预制增强体的径向密度；二、复合致密，其致密过程如下：201、气相沉炭致密处理：采用气相沉炭设备进行气相沉炭处理；202、树脂浸渍、固化及炭化处理：对经气相沉炭致密处理后的预制增强体进一步进行致密处理；三、高温处理；四、后续加工处理。本发明专利技术设计合理、加工步骤简单、投入成本低且操作简便、质量控制方便，所加工成型C/C复合材料镜筒性能优良，具有较高的整体强度和稳定性以及极低的热膨胀系数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于C/C复合材料加工制造
，尤其是涉及一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法。
技术介绍
C/C复合材料是一种由炭纤维增强炭基体的通用类型的合成纯炭材料，它具有轻质、良好的抗热震性能、低的热膨胀系数、高的高温强度保持率、高的耐冲击和高的刚性等一系列突出的特点，特别适合于在极端温度下要求材料具有高的物理、化学稳定性的环境中使用，已成功地在航天器鼻锥、机翼前缘、固体发动机喉衬、扩张段和飞机刹车盘等重要领域得到广泛应用。二十世纪八十年代以来，随着新型高性能原材料的研发成功，快速低成本制备技术的不断发展，C/C复合材料开始应用于贵金属、玻璃、半导体工业加热元件、坩埚、核反应堆等领域，标志着C/C复合材料的应用进入了更广泛的高
镜筒是月基光学望远镜中的重要零件，其选材和加工质量的好坏及刚度直接决定着最终产品的性能。由于其工作在极端热环境，要求筒体结构具有很高的整体强度和稳定性，极低的热膨胀系数(CTE接近0)以及面内的准各向同性。此外，还要求具有高比强度、 对湿气不敏感、能成型复杂形状等。C/C复合材料具有独特的性能特点，通过材料与工艺设计有望满足光学望远镜镜筒的使用要求，国外在这方面进行了有益的探索。但有关文献中仅介绍了 C/C复合材料筒体的性能要求，而对复合材料筒体的设计与制备方法没有介绍。ALCATEL SPACE选用的C/C 复合材料的性能见表1 表1 ALCATEL SPACE选用的C/C复合材料性能参数表权利要求1.一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤一、炭纤维织物与炭纤维网胎铺层并逐层针刺制得预制增强体先根据预先估算得出需铺制预制增强体的体积密度，推算出所述预制增强体在径向上的炭纤维织物与炭纤维网胎的铺层层数和相邻铺层之间的密实度；之后，根据推算出的铺层层数与相邻铺层之间的密实度，且采用炭纤维织物与炭纤维网胎在镜筒成型芯模上沿圆周方向进行交替铺层的方式进行铺层，并相应形成由炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层交替布设且整体密度符合设计要求的准三维C/C复合材料预制增强体，所获得的预制增强体中相邻的炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层之间均通过径向针刺进行增强；所述镜筒成型芯模为圆柱状芯模， 且其直径与需制作C/C复合材料镜筒的内径一致；步骤二、复合致密，其致密过程如下201、气相沉炭致密处理采用气相沉炭设备且按照常规的化学气相渗透沉炭方法对步骤一中所获得的预制增强体进行气相沉炭处理，且将所处理预制增强体的密度增至1. 30g/ cm3 1. 50g/cm3 为止；202、树脂浸渍、固化及炭化处理按照常规的C/C复合材料树脂浸渍、固化及炭化处理方法对经气相沉炭致密处理后的预制增强体进一步进行致密处理，且C/C复合材料树脂浸渍、固化及炭化处理的次数为一次或多次，并将所处理预制增强体的密度增至1. 60g/cm3 1. 80g/cm3为止，则获得C/C复合材料坯体；步骤三、高温处理采用高温处理炉且在惰性气体保护下，按照C/C复合材料制品的常规高温处理工艺对经复合致密后的C/C复合材料坯体进行高温处理，并获得圆筒毛坯；且高温处理结束后，返回步骤202对所述圆筒毛坯重复进行一次或多次树脂浸渍、固化及炭化处理，以对所述圆筒毛坯进一步进行致密处理，并相应对致密处理后获得圆筒毛坯的密度进行测试当测试得出所述圆筒毛坯的密度达到需制作C/C复合材料镜筒的密度要求时，说明所述圆筒毛坯即为需制作C/C复合材料镜筒的镜筒毛坯，并进入步骤四；步骤四、后续加工处理按照需制作C/C复合材料镜筒的设计尺寸，采用机加工设备对步骤三中所获得的镜筒毛坯进行后续加工处理，获得C/C复合材料镜筒成品。2.按照权利要求1所述的一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征在于 步骤一中对所述预制增强体的体积密度进行估算时，先根据铺层时所用炭纤维织物中所采用炭纤维的纤维拉伸强度ο工、纤维密度ρ 2和纤维拉伸强度发挥率f以及需制作C/C复合材料镜筒成品的拉伸强度O2对所述预制增强体的体积密度P1进行估算，其中纤维拉伸强度发挥率f为炭纤维织物中所采用炭纤维在预制增强体环向上的拉伸强度发挥率且其为经试验测试得出的步骤三中所获得镜筒毛坯中环向增强纤维的实际发挥拉伸强度与σ i之间的比值，02为需制作C/C复合材料镜筒成品在环向上的设计拉伸强度；其中9工与O2 与P 2呈正比关系且其与ο工和f呈反比关系；之后，根据估算得出的预制增强体的体积密度P ”同时结合铺层时所用炭纤维织物与炭纤维网胎的面密度和厚度，计算得出所述预制增强体的径向密度。3.按照权利要求2所述的一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征在于 步骤一中所述的对纤维拉伸强度发挥率f进行试验测试时，其测试过程如下I、试验用预制增强体制作采用步骤一中所述的炭纤维织物与炭纤维网胎且按照步骤一中所述的交替铺层方法，在镜筒成型芯模上沿圆周方向进行多次交替铺层，并获得试验用预制增强体；II、按照步骤二和步骤三中所述的处理方法和步骤，对步骤I中所制得的试验用预制增强体进行处理，并获得试验用预制增强体的试验用镜筒毛坯，同时采用水压爆破实验方法对试验用镜筒毛坯在环向上的拉伸强度进行测试，并根据试验用镜筒毛坯环向纤维的含量计算出纤维实际发挥拉伸强度，所得出的拉伸强度值与ο工之间的比值即为纤维拉伸强度发挥率f。4.按照权利要求2或3所述的一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征在于步骤一中所述的采用炭纤维织物与炭纤维网胎在镜筒成型芯模上沿圆周方向进行交替铺层时，其交替铺层过程分为多个重复进行铺层的循环铺层周期，每一个循环铺层周期中相邻炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层之间的夹角按照铺层先后顺序分别为0°和 料镜筒成品在环向上的设计拉伸强度，ο工为炭纤维织物中所采用炭纤维的纤维拉伸强度， ρ 2为炭纤维织物中所采用炭纤维的纤维密度，Ρ ！为预制增强体的体积密度，f为炭纤维织物中所采用炭纤维在预制增强体环向上的拉伸强度发挥率，η为系数且当每一个循环铺层周期中相邻炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层之间的夹角按照铺层先后顺序分别为0°和 90°时，η = 2 ；当每一个循环铺层周期中相邻炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层之间的夹角按照铺层先后顺序分别为0°、+45°、90°和-45°时，η = 4。5.按照权利要求2或3所述的一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征在于步骤一中当每一个循环铺层周期中相邻炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层之间的夹角按照铺层先后顺序分别为0°和90°时，f = 30% 士2%。6.按照权利要求1、2或3所述的一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征在于步骤一中所述径向针刺的针刺密度为30针/cm2士 10针/cm2。7.按照权利要求1、2或3所述的一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征在于步骤三中进行高温处理时的高温处理温度为1500°C 2300°C。8.按照权利要求1、2或3所述的一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征在于步骤三中所述的高温处理炉为石墨化炉，且所用惰性气体为氩气。9.按照权利要求1、2或3所述的一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法，其特征在本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种光学望远镜Ｃ／Ｃ复合材料镜筒的制造方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一、炭纤维织物与炭纤维网胎铺层并逐层针刺制得预制增强体：先根据预先估算得出需铺制预制增强体的体积密度，推算出所述预制增强体在径向上的炭纤维织物与炭纤维网胎的铺层层数和相邻铺层之间的密实度；之后，根据推算出的铺层层数与相邻铺层之间的密实度，且采用炭纤维织物与炭纤维网胎在镜筒成型芯模上沿圆周方向进行交替铺层的方式进行铺层，并相应形成由炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层交替布设且整体密度符合设计要求的准三维Ｃ／Ｃ复合材料预制增强体，所获得的预制增强体中相邻的炭纤维织物铺层与炭纤维网胎铺层之间均通过径向针刺进行增强；所述镜筒成型芯模为圆柱状芯模，且其直径与需制作Ｃ／Ｃ复合材料镜筒的内径一致；步骤二、复合致密，其致密过程如下：２０１、气相沉炭致密处理：采用气相沉炭设备且按照常规的化学气相渗透沉炭方法对步骤一中所获得的预制增强体进行气相沉炭处理，且将所处理预制增强体的密度增至１．３０ｇ／ｃｍ３～１．５０ｇ／ｃｍ３为止；２０２、树脂浸渍、固化及炭化处理：按照常规的Ｃ／Ｃ复合材料树脂浸渍、固化及炭化处理方法对经气相沉炭致密处理后的预制增强体进一步进行致密处理，且Ｃ／Ｃ复合材料树脂浸渍、固化及炭化处理的次数为一次或多次，并将所处理预制增强体的密度增至１．６０ｇ／ｃｍ３～１．８０ｇ／ｃｍ３为止，则获得Ｃ／Ｃ复合材料坯体；步骤三、高温处理：采用高温处理炉且在惰性气体保护下，按照Ｃ／Ｃ复合材料制品的常规高温处理工艺对经复合致密后的Ｃ／Ｃ复合材料坯体进行高温处理，并获得圆筒毛坯；且高温处理结束后，返回步骤２０２对所述圆筒毛坯重复进行一次或多次树脂浸渍、固化及炭化处理，以对所述圆筒毛坯进一步进行致密处理，并相应对致密处理后获得圆筒毛坯的密度进行测试：当测试得出所述圆筒毛坯的密度达到需制作Ｃ／Ｃ复合材料镜筒的密度要求时，说明所述圆筒毛坯即为需制作Ｃ／Ｃ复合材料镜筒的镜筒毛坯，并进入步骤四；步骤四、后续加工处理：按照需制作Ｃ／Ｃ复合材料镜筒的设计尺寸，采用机加工设备对步骤三中所获得的镜筒毛坯进行后续加工处理，获得Ｃ／Ｃ复合材料镜筒成品。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李瑞珍，孟宇，李晋，张波，王翔，解惠贞，孙建涛，
申请(专利权)人：西安航天复合材料研究所，
类型：发明
国别省市：87