CN106739192A - 一种全碳纤维复合材料反射镜基底及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全碳纤维复合材料反射镜基底及其制备方法，包括第一面板、第一胶膜、蜂窝芯、第二胶膜和第二面板；第一面板与第一胶膜一侧粘接，第二面板和第二胶膜一侧粘接，第一胶膜另一侧和第二胶膜另一侧分别与蜂窝芯两侧粘接。本发明通过设计第一面板、蜂窝芯和第二面板，有效利用了碳纤维复合材料的特性，解决了传统反射镜重量大、热膨胀系数高和热性能不匹配的问题；通过设计蜂窝芯的铺层角度和顺序，提高了反射镜基底的比模量，提升了反射镜的尺寸稳定性，弥补了传统反射镜蜂窝纵向性能差的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及一种全碳纤维复合材料反射镜基底及其制备方法，尤其适用于对尺寸稳定性要求高的光学成像大口径反射镜，属于光学成像反射镜技术领域。
背景技术
空间光学遥感器分辨率的提高，在一定程度上取决于光学成像***口径的大小，口径越大，***分辨率越高；因此，大口径反射镜的研制尤为重要。空间光学反射镜对材料的要求是：热膨胀系数小、密度低、比模量高，现有的微晶玻璃反射镜和超低膨胀玻璃反射镜由于受到材料和工艺水平的限制，难以加工成大口径反射镜，而碳纤维复合材料具有热膨胀系数小、比模量高、密度低的特点，已然成为轻质大口径反射镜的潜力材料。
现有技术中，常规的碳纤维复合材料反射镜通常由碳纤维复合材料面板、铝蜂窝或纸蜂窝、碳纤维复合材料面板蜂窝夹层结构组成，存在如下问题：
一、面板与蜂窝热性能不匹配，尺寸稳定性差，铝材料的热膨胀系数为几十ppm，碳纤维复合材料纤维方向热膨胀系数接近0ppm，这两者热膨胀系数差异过大。
二、蜂窝纵向性能差，铝蜂窝或纸蜂窝的平压强度仅为几兆帕，平压模量仅为二三百兆帕，将会导致反射镜承力性能低，不耐冲击，且会造成纵向形变大，整体尺寸稳定性差。
三、性能不具备可设计性，同样规格的蜂窝芯，当材料确定，则铝蜂窝或纸蜂窝的性能也相应确定，而对碳纤维复合材料蜂窝以及面板而言，可根据需要通过铺层角度和铺层顺序的设计来实现所需的性能。
因此，亟需设计一种能够满足高分辨率成像***对大口径反射镜重量轻、稳定性强、力学性能高要求的反射镜基底。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种全碳纤维复合材料反射镜基底及其制备方法，通过设计第一面板、蜂窝芯和第二面板，有效利用了碳纤维复合材料的特性，解决了传统反射镜重量大、热膨胀系数高和热性能不匹配的问题；通过设计蜂窝芯的铺层角度和顺序，提高了反射镜基底的比模量，提升了反射镜的尺寸稳定性，弥补了传统反射镜蜂窝纵向性能差的缺陷。
本发明的技术解决方案是：
一种全碳纤维复合材料反射镜基底，包括第一面板、第一胶膜、蜂窝芯、第二胶膜和第二面板；第一面板与第一胶膜一侧粘接，第二面板和第二胶膜一侧粘接，第一胶膜另一侧和第二胶膜另一侧分别与蜂窝芯两侧粘接。
在上述的一种全碳纤维复合材料反射镜基底中，所述第一面板、蜂窝芯、第二面板均采用高模量碳纤维增强低吸湿性树脂基复合材料。
在上述的一种全碳纤维复合材料反射镜基底中，所述第一胶膜和第二胶膜均采用中温结构胶膜。
在上述的一种全碳纤维复合材料反射镜基底中，所述第一面板、第一胶膜、第二胶膜、第二面板的厚度比为1:0.1:0.1:1。
在上述的一种全碳纤维复合材料反射镜基底中，所述第一面板、蜂窝芯、第二面板的长度和宽度均相同，第一面板、蜂窝芯、第二面板的厚度比为1:14:1。
在上述的一种全碳纤维复合材料反射镜基底中，所述蜂窝芯为蜂窝状平板材料，蜂窝芯格为正六边形或三角形，蜂窝芯在平行于蜂窝平面方向和垂直于蜂窝平面方向性能一致，蜂窝芯的铺层采用准各向同性铺层，蜂窝芯上设有用于透气的孔。
一种制备上述全碳纤维复合材料反射镜基底的方法，包括如下步骤：
第一步，第一面板、蜂窝芯、第二面板单独成型；
第二步，依次粘接第一面板、第一胶膜、蜂窝芯、第二胶膜、第二面板；
第三步，将粘接后的第一面板、第一胶膜、蜂窝芯、第二胶膜、第二面板固化定型，形成全碳纤维复合材料反射镜基底。
在上述的一种全碳纤维复合材料反射镜基底的制备方法中，所述第一步中，将连续高模量碳纤维增强低吸湿性树脂基复合材料层合板铺叠成准各向同性铺层，在热压罐或热压机中固化成型，出炉后按反射镜形状要求进行切割，形成第一面板和第二面板。
在上述的一种全碳纤维复合材料反射镜基底的制备方法中，所述第一步中，将连续高模量碳纤维增强低吸湿性树脂基复合材料通过碳纤维预浸料铺叠成准各向同性铺层，并在工装上加热加压固化形成波纹条，然后在波纹条上埋设用于透气的孔，随后在波纹条的胶结面上涂覆常温固化胶黏剂，将涂有胶黏剂的波纹条置于胶接工装中加压固化成型，出炉后形成蜂窝芯；胶接工装既能在波纹条方向加压以保证波纹条之间的粘接强度，又能在垂直蜂窝芯材料方向加压以保证蜂窝芯材整个高度的一致性。
在上述的一种全碳纤维复合材料反射镜基底的制备方法中，所述第三步中，将粘接后的第一面板、第一胶膜、蜂窝芯、第二胶膜、第二面板放置在反射镜胶接固定工装内，并在真空环境中，保持80～100℃和0.5～1.0MPa外压的条件，固化成型；第一面板和第二面板对称设置在蜂窝芯的两侧，反射镜胶接固定工装用于确保第一面板、蜂窝芯、第二面板的位置精度。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、本发明第一面板、蜂窝芯和第二面板均采用同一种碳纤维复合材料，热膨胀匹配性能较好。
2、本发明蜂窝芯具有可设计性，能够根据实际需要对各个方向的力学性能、热性能等进行设计。
3、本发明采用的高模量碳纤维，模量高于500GPa，所形成的复合材料具有模量高、密度低、热膨胀系数小的特点，在提高反射镜刚度的同时提升了反射镜的空间尺寸稳定性。
4、本发明步骤精简、方式多样、易于实施，并不涉及图像处理等复杂技术，具有广阔的应用前景。
5、本发明逻辑通顺、思路清晰、设计合理，本领域技术人员按照本发明的步骤进行实验，能够快速获得高分辨率的光学反射镜，显著提升了工作效率。
6、本发明采用的低吸湿性树脂，饱和吸湿率低于0.3％，有效改善了树脂真空放气带来的反射镜尺寸和面型变化。
7、本发明复合材料热膨胀系数为±0.3ppm(20±5℃)，与空间用镜面层材料如微晶玻璃、超低膨胀玻璃有良好的热匹配性，通用性强。
8、本发明蜂窝芯与现有技术中的铝蜂窝、纸蜂窝相比，自重变形仅为铝蜂窝的一半，热变形量比铝蜂窝低两个数量级，具有模量高、热膨胀系数低、与面板热膨胀性能高度匹配的优势。
附图说明
图1为本发明示意图
图2为本发明流程图
其中：1第一面板；2第一胶膜；3蜂窝芯；4第二胶膜；5第二面板；
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：
如图1所示，一种全碳纤维复合材料反射镜基底，包括第一面板1、第一胶膜2、蜂窝芯3、第二胶膜4和第二面板5；第一面板1与第一胶膜2一侧粘接，第二面板5和第二胶膜4一侧粘接，第一胶膜2另一侧和第二胶膜4另一侧分别与蜂窝芯3两侧粘接。
优选的，第一面板1、蜂窝芯3、第二面板5均采用高模量碳纤维增强低吸湿性树脂基复合材料。
第一胶膜2和第二胶膜4均采用中温结构胶膜。
第一面板1、第一胶膜2、第二胶膜4、第二面板5的厚度比为1:0.1:0.1:1。
第一面板1、蜂窝芯3、第二面板5的长度和宽度均相同，第一面板1、蜂窝芯3、第二面板5的厚度比为1:14:1。
蜂窝芯3为蜂窝状平板材料，蜂窝芯格为正六边形或三角形，蜂窝芯3在平行于蜂窝平面方向和垂直于蜂窝平面方向性能一致，蜂窝芯3的铺层采用准各向同性铺层，蜂窝芯3上设有用于透气的孔，蜂窝芯3上还可根据实际需要设置预埋件孔位。
如图2所示，一种制备上述全碳纤维复合材料反射镜基底的方法，包括如下步骤：
第一步，第一面板1、蜂窝芯3、第二面板5单独成型；
第二步，依次粘接第一面板1、第一胶膜2、蜂窝芯3、第二胶膜4、第二面板5；
第三步，将粘接后的第一面板1、第一胶膜2、蜂窝芯3、第二胶膜4、第二面板5固化定型，形成全碳纤维复合材料反射镜基底。
在第一步中，将连续高模量碳纤维增强低吸湿性树脂基复合材料层合板铺叠成准各向同性铺层，并在热压罐或热压机中固化成型，出炉后按反射镜形状要求进行切割，形成第一面板1和第二面板5。
在第一步中，将连续高模量碳纤维增强低吸湿性树脂基复合材料通过碳纤维预浸料铺叠成准各向同性铺层，并在工装上加热加压固化形成波纹条，然后在波纹条上埋设用于透气的孔，随后在波纹条的胶结面上涂覆常温固化胶黏剂，再将涂有胶黏剂的波纹条置于胶接工装中加压固化成型，出炉后形成蜂窝芯3。
在第三步中，将粘接后的第一面板1、第一胶膜2、蜂窝芯3、第二胶膜4、第二面板5放置在反射镜胶接固定工装内，并在真空环境中，保持80～100℃和0.5～1.0MPa外压的条件，固化成型。
本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。
Claims (10)
1.一种全碳纤维复合材料反射镜基底，其特征在于：包括第一面板(1)、第一胶膜(2)、蜂窝芯(3)、第二胶膜(4)和第二面板(5)；第一面板(1)与第一胶膜(2)一侧粘接，第二面板(5)和第二胶膜(4)一侧粘接，第一胶膜(2)另一侧和第二胶膜(4)另一侧分别与蜂窝芯(3)两侧粘接。
2.根据权利要求1所述的一种全碳纤维复合材料反射镜基底，其特征在于：所述第一面板(1)、蜂窝芯(3)、第二面板(5)均采用高模量碳纤维增强低吸湿性树脂基复合材料。
3.根据权利要求1所述的一种全碳纤维复合材料反射镜基底，其特征在于：所述第一胶膜(2)和第二胶膜(4)均采用中温结构胶膜。
4.根据权利要求1所述的一种全碳纤维复合材料反射镜基底，其特征在于：所述第一面板(1)、第一胶膜(2)、第二胶膜(4)、第二面板(5)的厚度比为1:0.1:0.1:1。
5.根据权利要求1或2所述的一种全碳纤维复合材料反射镜基底，其特征在于：所述第一面板(1)、蜂窝芯(3)、第二面板(5)的长度和宽度均相同，第一面板(1)、蜂窝芯(3)、第二面板(5)的厚度比为1:14:1。
6.根据权利要求5所述的一种全碳纤维复合材料反射镜基底，其特征在于：所述蜂窝芯(3)为蜂窝状平板材料，蜂窝芯格为正六边形或三角形，蜂窝芯(3)在平行于蜂窝平面方向和垂直于蜂窝平面方向性能一致，蜂窝芯(3)的铺层采用准各向同性铺层，蜂窝芯(3)上设有用于透气的孔。
7.一种制备权利要求1～6所述的全碳纤维复合材料反射镜基底的方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，第一面板(1)、蜂窝芯(3)、第二面板(5)单独成型；
第二步，依次粘接第一面板(1)、第一胶膜(2)、蜂窝芯(3)、第二胶膜(4)、第二面板(5)；
第三步，将粘接后的第一面板(1)、第一胶膜(2)、蜂窝芯(3)、第二胶膜(4)、第二面板(5)固化定型，形成全碳纤维复合材料反射镜基底。
8.根据权利要求7所述的一种全碳纤维复合材料反射镜基底的制备方法，其特征在于：所述第一步中，将连续高模量碳纤维增强低吸湿性树脂基复合材料层合板铺叠成准各向同性铺层，并在热压罐或热压机中固化成型，出炉后按反射镜形状要求进行切割，形成第一面板(1)和第二面板(5)。
9.根据权利要求7所述的一种全碳纤维复合材料反射镜基底的制备方法，其特征在于：所述第一步中，将连续高模量碳纤维增强低吸湿性树脂基复合材料通过碳纤维预浸料铺叠成准各向同性铺层，并在工装上加热加压固化形成波纹条，然后在波纹条上埋设用于透气的孔，随后在波纹条的胶结面上涂覆常温固化胶黏剂，再将涂有胶黏剂的波纹条置于胶接工装中加压固化成型，出炉后形成蜂窝芯(3)。
10.根据权利要求7所述的一种全碳纤维复合材料反射镜基底的制备方法，其特征在于：所述第三步中，将粘接后的第一面板(1)、第一胶膜(2)、蜂窝芯(3)、第二胶膜(4)、第二面板(5)放置在反射镜胶接固定工装内，并在真空环境中，保持80～100℃和0.5～1.0MPa外压的条件，固化成型。
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