碳纤维复合材料制造轻质量空间光学反射镜

　　1　引　言

　　空间天文光学与空间遥感技术的发展需要在太空中架设口径很大的天文望远镜,口径增大带来的问题有:自重引起的镜面变形,削弱系统的动力学特性以及不菲的发射费用。减轻反射镜重量成为了有效的解决方法之一[1]。碳纤维复合材料(CFRC)具有质轻、强度高、低热膨胀系数及可设计性等优异特性来满足空间光学要求。多年来CFRC材料一直被应用于制造和使用极低面密度(5kg/m2)和大口径(10m或更大)的无线电反射天线,但直到现在为止,应用复合材料的反射镜面尚不能达到可见光波段下使用必须的精度[2]。

　　美国复合材料光学制造公司(COI)在1998年设计生产了口径2m的全CFRC主反射镜应用与远红外波段应用[3]。Peter C. Chen等人提出使用石磨纤维氰酸脂复合材料来复制高精度镜面的模具的复制法,应用离子束抛光及二次加工中的镜面修正等技术来取得重大突破,所制造的0.6m孔径复制镜面密度达到3.2kg/m2。复合材料复制镜的加工过程如图1所示[4],但是由于没有高质量的模具,光学质量不是很好(面形精度具有几个波长)。

　　我国在复合材料制造轻质量大口径反射镜方面只是处于起步阶段,资料和实验设备尚少,但是已经有多家研究单位和机构投入到轻量化空间反射镜研制中来。北京复合材料研究所也对碳纤维复合材料反射镜开展了课题研究,上海硅酸盐研究所则依据本所传统优势对碳化硅材料制作大口径轻质反射镜进行深入研究,选取了陶瓷基底复合材料制作轻质反射镜的方向。南京天文光学技术研究所在光学镜面复制方面已取得一定的成绩,并且已开展等离子抛光设备的研制及有关技术研究课题。但似乎国内暂时无法解决纤维印透现象这一难题,采用复制技术生产的复合材料反射镜表面存在肉眼可见的杂乱纤维印痕,无法满足红外及可见光波段要求。

　　2　反射镜材料及结构的确定

　　碳纤维复合材料在与传统空间光学材料的比较中有着显著优势,表1为几种常用的空间光学反射镜材料。由表中可以看出,CFRC材料除了具有满足空间光学器件刚度要求的高弹性模量和低的热胀系数外,还有两个重要的性能参数:比刚度和热变形系数。取比刚度的平方根就可以对相同的几何尺寸、不同材料构件的固有频率进行比较。热变形系数是结构尺寸随温度变化的相对度量。具有高热导和低膨胀系数的镜体在温度梯度存在下会快速达到平衡状态,变形很小。

　　高分子行业的发展带来了新型纤维和树脂体系的大量涌现,我们要选择适合的纤维和树脂满足空间光学要求。对于空间光学系统最关键的性能要求就是尺寸稳定性,一种复合材料的尺寸稳定性是由构成复合材料的组分材料的性能和各组分之间的匹配性决定的。选择纤维应考虑高模量的纤维来满足刚度要求,然而刚性过高的纤维会在层板内产生残余应力,进而导致微裂痕的产生。对于树脂的要求是湿热膨胀小、抗微裂痕、低固化收缩率、固化率高、与纤维匹配、工艺稳定、可靠性与继承性好。综合上述考虑及现有资源我们选择T700与环氧树脂。