CN109180984A - 一种提高碳纤维复合材料（cfrp）镜面光学加工性能的方法 - Google Patents
一种提高碳纤维复合材料（cfrp）镜面光学加工性能的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109180984A CN109180984A CN201811056329.4A CN201811056329A CN109180984A CN 109180984 A CN109180984 A CN 109180984A CN 201811056329 A CN201811056329 A CN 201811056329A CN 109180984 A CN109180984 A CN 109180984A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cfrp
- face shape
- value
- shape
- nickel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000012545 processing Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 25
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 19
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 title abstract description 7
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 title abstract description 7
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title abstract description 7
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 42
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000007747 plating Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000003672 processing method Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims abstract description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 12
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 12
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 3
- 238000007516 diamond turning Methods 0.000 claims description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 3
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 6
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000004439 roughness measurement Methods 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 239000012779 reinforcing material Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 238000007514 turning Methods 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J7/00—Chemical treatment or coating of shaped articles made of macromolecular substances
- C08J7/04—Coating
- C08J7/06—Coating with compositions not containing macromolecular substances
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
- C08K7/00—Use of ingredients characterised by shape
- C08K7/02—Fibres or whiskers
- C08K7/04—Fibres or whiskers inorganic
- C08K7/06—Elements
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J2300/00—Characterised by the use of unspecified polymers
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Moulds For Moulding Plastics Or The Like (AREA)
Abstract
本发明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。本发明在大口径空天望远镜以及轻量化光学***加工领域有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于光学加工领域，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。
背景技术
大口径天文望远镜的需求推动大口径光学***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***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，本发明将绕过cfrp材料本身来加工，大大改善整体的可加工性。
发明内容
本发明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。
本发明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。
本发明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，本发明通过在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为本发明实施例中获得的毛坯碳纤维复合材料(cfrp)基底示意图；
图2为本发明实施例中在基底镀镍示意图；
图3为本发明实施例中镀镍表面加工示意图；
图4为本发明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)为本发明实施例中单点车加工后面形检测结果，图4(b)为本发明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发明。
实施例
通过本发明的方法加工直径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为本发明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)为本发明实施例中单点车加工后面形检测结果，图4(b)为本发明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。
Claims (4)
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。
2.根据权利要求1所述的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：面形形状为平面镜、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。
3.根据权利要求1所述的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：利用磨削方法以降低面形PV值和表面粗糙度Ra值。
4.根据权利要求1所述的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：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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811056329.4A CN109180984A (zh) | 2018-09-11 | 2018-09-11 | 一种提高碳纤维复合材料（cfrp）镜面光学加工性能的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811056329.4A CN109180984A (zh) | 2018-09-11 | 2018-09-11 | 一种提高碳纤维复合材料（cfrp）镜面光学加工性能的方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109180984A true CN109180984A (zh) | 2019-01-11 |
Family
ID=64910270
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811056329.4A Pending CN109180984A (zh) | 2018-09-11 | 2018-09-11 | 一种提高碳纤维复合材料（cfrp）镜面光学加工性能的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109180984A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110777370A (zh) * | 2019-10-23 | 2020-02-11 | 长春奥普光电技术股份有限公司 | 空间材料反射镜坯表面的改性处理方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1993021006A1 (fr) * | 1992-04-16 | 1993-10-28 | Sumitomo Chemical Company, Limited | Rouleau de resine renforce de fibres metallisees et procede de production |
| CN103290398A (zh) * | 2013-06-09 | 2013-09-11 | 西北工业大学 | 碳纤维氰酸酯基复合材料化学镀厚镍的镀液及镀厚镍的方法 |
| CN103305820A (zh) * | 2013-06-09 | 2013-09-18 | 西北工业大学 | 用于碳纤维氰酸酯基复合材料化学镀底镍和电镀镍的镀液及其施镀方法 |
| CN104385064A (zh) * | 2014-10-14 | 2015-03-04 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法 |
-
2018
- 2018-09-11 CN CN201811056329.4A patent/CN109180984A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1993021006A1 (fr) * | 1992-04-16 | 1993-10-28 | Sumitomo Chemical Company, Limited | Rouleau de resine renforce de fibres metallisees et procede de production |
| CN103290398A (zh) * | 2013-06-09 | 2013-09-11 | 西北工业大学 | 碳纤维氰酸酯基复合材料化学镀厚镍的镀液及镀厚镍的方法 |
| CN103305820A (zh) * | 2013-06-09 | 2013-09-18 | 西北工业大学 | 用于碳纤维氰酸酯基复合材料化学镀底镍和电镀镍的镀液及其施镀方法 |
| CN104385064A (zh) * | 2014-10-14 | 2015-03-04 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种数控小工具与环抛机相结合的大口径平面加工方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110777370A (zh) * | 2019-10-23 | 2020-02-11 | 长春奥普光电技术股份有限公司 | 空间材料反射镜坯表面的改性处理方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN201136593Y (zh) | 一种微变形承力筒 | |
| CN107570967B (zh) | 一种Wolter-I型精密芯轴的制造工艺 | |
| CN109226959B (zh) | 一种纤维增强金属基复合板材及其预处理方法 | |
| US20130170045A1 (en) | Light-guiding optical film, and method and device for manufacturing the same | |
| CN109180984A (zh) | 一种提高碳纤维复合材料（cfrp）镜面光学加工性能的方法 | |
| CN111571445A (zh) | 一种精密在位修整树脂基v型金刚石砂轮的装置及方法 | |
| CN111375900A (zh) | 一种基于三维整形焦斑的复杂型面刀具激光加工方法 | |
| Bulla et al. | Ultrasonic assisted diamond turning of hardened steel for mould manufacturing | |
| Yin et al. | Design of ultrasonic elliptical vibration cutting system for tungsten heavy alloy | |
| CN1253731C (zh) | 大口径轻质复合材料反射镜及制备方法 | |
| CN106078088A (zh) | 放电等离子体光刻光源中极紫外光收集镜直接车削方法 | |
| WO2012045177A1 (en) | Parabolic reflector | |
| CN111151978A (zh) | 一体式金属角锥反射镜的精密加工工艺 | |
| CN115647732B (zh) | 一种高精度铝基碳化硅薄壁壳体类零件的精密加工方法 | |
| Mou et al. | Precision grinding of ceramics and ceramic-matrix composites surfaces with controllable microarray structures | |
| Suzuki et al. | Ultraprecision cutting of nickel plated mold for X-ray mirror | |
| Liu et al. | Multi-indicator evaluation and material selection of hybrid additive-subtractive manufacturing to repair automobile panel dies and molds | |
| CN105137512A (zh) | 超轻反射镜的制造方法 | |
| Mo et al. | Design and fabrication of a double-sided aspherical Fresnel lens on a curved substrate | |
| CN114077066A (zh) | 扩束准直器 | |
| CN109273862B (zh) | 碳纤维抛物面天线及其调焦装配方法 | |
| WO2019148325A1 (zh) | 一种具有环状微棱镜结构的导光板及其制造方法 | |
| Xu et al. | Ultra-thin carbon fiber mirrors: nickel plated, optical fabrication and thermal deformation test | |
| CN112123597A (zh) | 一种小口径高精度光学透镜的加工方法 | |
| US20220146809A1 (en) | Process for manufacturing an athermal low cost telescope based on high precision replication technology, and such telescope |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |