碳纤维复合材料用于光学镜面

　　1　引　言

　　从20世纪80年代初开始,国际上就已开始采用经特殊设计制造的碳纤维复合材料来代替金属制作桁架,如美国的太空望远镜和射电望远镜。这种经特殊设计的复合材料构件具有高模量、高强度和超低膨胀系数(设计的整体构件可与玻璃镜面的膨胀系数相同)。镜阵刚度大,减小了档光面积,且不会因温差而引起畸变,省去了伺服调整系统,提高了可靠性,降低了成本和重量,大大提高了成像质量。

　　另一方面,典型的支撑结构的质量与镜子质量之比是比较高的,在10~20之间。所以,减少光学系统重量,可以同时减少支撑结构的重量及节省价值不菲的经费。采用复合材料作为光学镜面就能达到这种效果。

　　2　背　景

　　国际上一个新的研究动向是采用超高模量复合材料制造镜面衬底,表面经精密抛光和离子束抛光后镀膜成镜,可望大幅度提高精度和降低重量,从根本上改变现有望远镜设计制造理念。在20世纪80年代,欧洲空间局开展了XMM研究,采用了碳/环氧复合材料制造镜面获得了初期成功,但未能解决因环氧树脂吸湿后长期缓释气体引起表面纤维印痕问题;在20世纪90年代,美国NASA喷气推进实验室开展了PSR计划,采用碳/氰酸酯复合材料和新的加工制造技术解决了上述问题;在20世纪90年代后期,NASA戈达德宇航中心进一步深入开展研究工作,采用M55J/EX1515碳/氰酸酯复合材料,应用离子束抛光等技术取得了惊人的研究结果:直径420 mm的镜面表面粗糙度<1 nm、面密度<2 000 g/m2。采用复合材料所制造的镜面精度高、重量轻,大大降低了整个望远镜的重量,从而具有极好的动力学特性,是天文望远镜设计制造技术的革命,尤其对空间天文望远镜有极为重要的意义。

　　Peter C Chen和Timo T Saha等人还试验做了一架全部都用复合材料做的望远镜样品(包括光学系统和支撑结构)。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)。

　　从国际上的动态来看,采用复合材料所制造的镜面精度已能达到红外的精度。但是,具有可见光精度的和大口径的光学镜面目前还没有做出来,主要是因为在经固化到室温的过程中,复制镜面有弯曲现象。

　　从我国的实际情况而言,国内的复合材料一般以航空航天技术的开发为目的,现有的技术不能满足对光学镜面的加工要求,现有的制造加工技术侧重保证材料强度等结构指标,对外形尺寸、粗糙度及保型性只能满足厘米波段以上的雷达天线的要求,无法制造出天文望远镜的复合材料光学镜面。

　　对于镜面用复合材料来说,由于采用复型法制造、精密抛光和离子束抛光,为防止抛光过程中温升引起微裂纹和纤维印痕,所以所用材料体系还必须满足低温固化、低吸湿真空释放、高热稳定、高抗裂的加工与使用要求。概括起来,天文望远镜用碳纤维复合材料的最显著的特点是具有可设计的超低热膨胀系数、超高比刚度、高比强度以及低吸湿真空释放、高热稳定、高抗裂特性,而在制造技术方面则需多种先进、精密加工技术的综合。因此,目前的工作是希望能用碳纤维复合材料制造出令人满意的天文望远镜的复合材料光学镜面。