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新型反射镜材料-碳化硅
2018月07月10日 发布 分类:技术前沿 点击量:615
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为了在太空领域达到预期的经济效益和军事目的,需要提高空间探测器的地面分辨率以及在紫外到长波红外宽波段范围内工作,只有采用反射式光学系统才能满足要求。反射镜是反射式光学系统的关键部件,它不仅要满足光学应用要求,而且还要求质量轻,基于对空间恶劣环境的考虑,轻质反射镜的镜体材料应具备以下特点:比刚度大、热变形系数小、表面粗糙度小、尺寸稳定性好、抗辐照性好、易进行光学加工、易镀膜、热性能及力学性能各向同性、成本尽可能低等。 其中,碳化硅材料以其优异的物理性能和良好的工艺性能,正逐渐成为最具发展前途的新型轻质反射镜材料。

图一 碳化硅反射镜


一、SiC 基底反射镜应用现状


1、国际情况

SiC基底反射镜的研究至今已有近40年的历史,自20世纪90年代以来发展迅速,各国均将其视为目前最为合适的空间反射镜材料,研究成果也颇为显著。欧洲航天局(European Space AgencyESA)Aladin主镜为口径1. 5 mSiC反射镜,通过化学气相沉积(CVD)改性并抛光后,其平均表面粗糙度为4. 8 nm。同为ESAHerschel太空望远镜是目前世界上最大的空间望远镜,其主镜采用拼接技术,将12块扇形SiC焊接成为一个整体,制成直径为3. 5 m的主反射镜。焊接处使用Si合金,焊接处厚度通常小于0. 05 mm。加工后的Herschel主镜表面粗糙度Ra值小于6 nm


在美国,作为哈勃继任者的新一代太空望远镜JWST望远镜,第二代 Hopkins紫外望远镜等空间项目,以及美国国家弹道导弹防御系统(NMD)中,SiC 及其复合材料均得到了大量的的应用,同时,Eastman KodakPOCO等公司已经实现了SiC材料反射镜的商品化。


2、国内情况

在我国,对于SiC材料及其复合材料的光学应用起步较晚,目前虽然在材料制备方面已基本做到与世界同步的水平,但在加工上仍处于相对落后的阶段。目前,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国科学院上海硅酸盐研究所、哈尔滨工业大学以及国防科技大学等单位,都在进行 SiC 反射镜应用技术的研制与开发,经过近年来的不断研究与改进,已取得了较为丰硕的成果。近年来,由我国自主研制的多块SiC反射镜已成功应用于实际的空间光学系统中,均取得预期效果。


二、碳化硅反射镜制备工艺


20世纪80年代开始, 世界上许多国家的研究者开始分别采用各自的方法试图制作碳化硅反射镜,方法多种多样, 但归纳后不难发现, 这些方法不外乎三类:反应烧结法、化学气相沉积法和热压(或热等静压)法。


1、反应烧结法

反应烧结是一种最为常见的反射镜制备工艺,这种工艺采用具有反应活性的液态硅浸渗含碳的反射镜预制体, 硅与碳反应生成的新碳化硅原位地结合预制体中原有的碳化硅颗粒,并填充预制体中剩余的孔隙,最后得到近乎完全致密的反射镜毛坯。


2、化学气相沉积法

化学气相沉积法是在温度为1275℃~1350℃的反应容器内,通入一种气体或几种气体的混合气,在石墨或其它物质的基片上得到碳化硅的沉积层。


3、热压(或热等静压)

热压(或热等静压)烧结的主要工艺步骤:把微米级的碳化硅粉和助烧剂以及阻止晶粒过分长大的添加剂混合后预压成预制体,然后将这种预制体用合适的封装材料封装后放入压力腔中,在合适的温度-压力-时间制度下进行烧结。


随着世界各国航空航天事业及军事方面的飞速发展,SiC 基底反射镜的应用已经越来越广泛。目前,我国现有的表面改性SiC基底反射镜的加工技术受限于加工经验、加工设备等各方面的因素,且尚处于起步阶段,与国际领先水平仍存在明显差距,但各研究机构通过多年的努力已取得十分明显的进步。为使我国在国际竞争中处于领先位置,根据国内现有研究条件,只有进一步改进并完善现有加工工艺,以计算机控制光学成型技术为基础,根据不同加工需求配合多种不同种类的抛光技术,即以组合式抛光技术进行光学加工,以实现目标精度要求,更好地适应我国航空航天事业发展的需求。


作者:谷雨

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