随着光学成像系统向着大口径、长焦距的方向发展,反射镜轻量化问题日益突出。碳纤维复合材料（CFRP）相较于微晶、铍铝、碳化硅等反射镜制备材料具有更高的比刚度和更强的可设计性,契合了轻量化反射镜制备材料的需求。目前,国内研制的CFRP反射镜因面形精度偏低,难以满足光学成像系统的应用。如何提升CFRP反射镜面形精度和轻量化水平,并实现其在光学成像系统中的应用成为迫切需要解决的问题。基于此,本文以提升CFRP反射镜面形精度和轻量化水平为目标,经对CFRP反射镜镜坯研制工艺流程参数和面形精度的影响因素研究,实现了CFRP反射镜镜坯的高精度制备;采用以Zernike系数为目标的拓扑优化设计方法和3D碳纤维打印技术,实现了CFRP反射镜镜坯支撑结构的轻量化设计制备,二者粘合后经镀层抛光实现了CFRP反射镜的高精度制备;进而通过搭建基于CFRP球面反射镜的长波红外光学成像系统,验证了研制的CFRP反射镜在红外成像系统中应用的可行性。论文主要开展了以下三个方面研究工作。1.CFRP反射镜镜坯的高精度设计制备关键技术研究。以提高CFRP反射镜镜坯面形精度为目标,对CFRP反射镜镜坯的设计制备关键理论和技术参数开展了以下研究:基于线弹性小变形经典层合板理论,获得了36个铺层角度的准各向同性铺层设计,并对铺层补偿设计方法进行了研究,获得了非均布铺层角度的弯曲准各向同性铺层设计;基于调和映射理论,提出了不可展面的铺贴扭曲量分析方法,定性给出铺贴轨迹指导;采用理论、仿真和试验方法,研究了铺层角度取向误差和层厚偏差对CFRP反射镜镜坯的面形精度的影响;采用仿真和试验方法,研制了简易均温固化设备,并确定了固化工艺参数。通过试制镍磷合金全包裹口径70mm CFRP平面反射镜,初步验证了CFRP反射镜镀层工艺及抛光技术的可行性。2.CFRP反射镜镜坯支撑结构轻量化设计方法研究。在有限元框架下,基于拓扑优化设计方法,以CFRP反射镜镜坯表面面形的Zernike系数为目标、CFRP反射镜镜坯为非设计域、镜坯支撑区域为设计域,开展了重力载荷作用下准各向同性、热载荷作用下弱各向异性的镜坯支撑结构设计方法的研究。基于3D打印技术和拓扑优化设计方法,在重力、磨削力等载荷作用下,对CFRP反射镜镜坯及其支撑结构的一体化设计制备方法展开了研究,受限于当前碳纤维复合材料打印精度和表面修形技术的不足,采用金属3D打印技术和单点金刚石车削工艺,以一体化金属反射镜设计制备为例,初步验证了反射镜及其支撑结构一体化设计快速制备方法的可行性。3.基于CFRP球面反射镜的长波红外碳纤维复合材料光学成像系统研制。以研制应用于长波红外波段的碳纤维光学成像系统为目标,基于CFRP反射镜研制技术、以Zernike系数为目标的CFRP反射镜镜坯支撑结构优化设计方法和3D碳纤维复合材料打印技术,设计制备了通光口径200mm的长波红外CFRP光学成像系统,经室内装调,成像清晰,初步验证了研制的CFRP球面反射镜在长波红外光学成像系统应用的可行性。